بخشی از مقاله
تفاوت راکتورهای پلیمیریزاسیون و راکتورهای شیمیایی:
1.وابستگی شدید ویسکوزیته سیال به درصد تبدیل
2.گرمازایی شدید واکنشهای پلیمیریزاسیون
3.تاثیر پذیری شدید اغلب واکنشهای پلیمیریزاسیون در حضور مقادیر بسیار کم ناخالصی،این امر بر خواص محصول نیز تاثیر می گذارد
4.چند فازی بودن اغلب این واکنشها
5.استفاده از کاتالیزور در اغلب آنها
6.تولید محصولات جانبی مانند آب و اسید کلرید ریک در پلیمیریزاسیون مرحله ای (تراکمی)که می توانند باعث پیچیدگی در واکنش شده و آن را تعادلی کنند.بنابراین باید از محیط واکنش جدا شود.
7.در مواقعی که تولید آلیا ژها ی چند جزیی لازم است ،راکتور باید پاسخگو باشند.
8.استفاده از حلال ها در اغلب مواقع برای کنترل سرعت واکنش و مشخصه های جریان
- زمان اقامت بیشتر باعث ویسکوزیته بیشتر می شود.
فرایند پلیمیریزاسیون در چهار مقطع اصلی شامل:
- سنتز وتخلیص مونومر
- نگهداری و حمل و نقل مونومر
- واکنش پلیمیریزاسیون
- روشهای بازیافت
سطوح مختلف طراحی راکتورها:
- میکروسکوپی یا مولکولی
- ماکروسکوپی موضعی
- ماکروسکوپی کلی
راکتورها از نظر عملکرد:
- راکتور نیمه پیوسته BRیا راکتور باجریان قالبی PFR
- همزن دار همگن HCSTR
- همزن دار جدایش یافته SCSTR(پلیمیریزاسیونتعلیقی در یک CSTR)
دسته بندی راکتورها بر اساس تبادل جرم و انرژی:
- باز
- بسته
- ایزوله
- آدیاباتیک
شرایطی که تحت آن پلیمیریزاسیون انجام می شود اثری عمیق بر متوسط عددی طول زنجیره NACL ،درجه شاخه ای شدن DB ،توزیع ترکیب درصد کوپلیمر CSD دارد.
عوامل مهم در انتخاب راکتور:
- اقتصاد(به طور مثال راکتورهای پیوسته برای حجم زیاد محصول و راکتورهای نا پیوسته برای تولید خالص ارزان تر استفاده می شوند)
- کیفیت محصول
- سکون و دانش مرسوم
راکتور ها :
- آزمایشگاهی(راکتور های ایده ال)
- نیمه صنعتی
- صنعتی
نکات اساسی در طراحی فرایندهای پلیمیریزاسیون:
1.جداسازی و سیستم های بازیافت
2.حذف ذرات
3.انعقاد
4.پراندن(حذف اجزای فرار پلیمیریزاسیون)
5.ایمنی
6.دمای واکنش
7.فشار
8.جریان و وزن
9.ترکیب و تبدیل
10.وزن مولکولی و توزیع وزن مولکولی
11.عملکرد راکتور
12.معادلات حالت
13.شرایط غیر ایده ال
ایمنی:همه راکتورها باید طوری طراحی شوند که توان پایداری حرارتی را داشته باشند.
در حالت پلیمیریزاسیون رادیکال آزاد تجهیزات باید طوری طراحی شوند که مانع از گریز پلیمیریزاسیون با افزایش سریع مواد بازدارنده شوند.حضور حجم زیاد آب در پلیمیریزاسیون امولسیونی و تعلیقی یک چاله حرارتی مهم در حالت گریز دمایی ایجاد می کند ولی در این حالت ممکن است جوشش اتفاق بیفتد.در این میان باید اکسیژن را از راکتور دور نگه داشت تا از احتراق راکتور جلوگیری شود.
طراحی آزمایش:
- شرح مشکل انجام آزمایش
- درک موقعیت حاضر
- انتخاب متغیر های پاسخ
- انتخاب فاکتور ها ومراحل
- انتخاب طراحی آزمایش
- انجام آزمایش ها
- تحلیل اطلاعات
- تحلیل نتایج
- انجام آزمایش اطمینان
- توصیه ها و مدیریت راهبردی
- طراحی آزمایش های آتی
برای طراحی یک راکتور پلیمری آگاهی از ((ترمودینامیک))و((سینیتیک )) واکنش بسیار ضروری است.
ترمودینامیک واکنش:
1.حرارت آزاد شده در اثر واکنش
2.حداکثر پیشرفت واکنش
3.میزان ثابت تعادل واکنش
بررسی واکنش پلیمیریزاسیون از 3 جنبه:
1.مواد شیمیایی شرکت کننده در واکنش
2.سینیتیک واکنش
3.مکانیسم واکنش پلیمیریزاسیون
مطمئن ترین راه برای تعیین سرعت یک واکنش استفاده از روش تجربی است.
واکنشهای پلیمیریزاسیون به دو صورت تک فازی یا چند فازی انجام می شود.
روش های تجربی تعیین سینیتیک واکنش:
به طور مستقیم استفاده از تجهیزات اندازه گیری نظیر کروماتوگرافی گازی GC،FTIR ،HPLC ،
غیر مستقیم از قبیل تیترو متری،اندازه گیری هدایت الکتریکی ،اندازه گیری ضریب شکست نور و....
تاثیر دما بر سرعت واکنشهای پلیمیریزاسیون را میتوان با قانون آرنیوس که جامعتر است بیان کرد.
واکنشهای پلیمیریزاسیون براساس تعداد معادلات:
- یگانه
- چند گانه
چندگانه بر اساس زمان کلی واکنش:
- همزمان
- غیر همزمان
چندگانه بر اساس نوع واکنش واکنشگرها:
- سری یا پشت سز هم
- موازی
تقسیم بندی واکنشهای پلیمیریزاسیون براساس معادلات مکانیسم:
- ابتدایی
- غیر ابتدایی
راکتور ناپیوسته با حجم ثابت:
راکتور نا پیوسته را معمولا برای حجم و دمای ثابت به کار میبرند.
راکتور ناپیوسته برای سیستم تک فازی و راکتور پیوسته برای سیستم چند فازی به کار می رود.
واکنشهایی با درجات انتقالی:در واکنشهای پلیمیریزاسیون عمدتا در درجات خاصی از تبدیل (مانند هنگام وقوع پدیده ژل)این احتمال وجود دارد که درجه واکنش از یک درجه به درجه دیگر تغییر یابد:
- انتقال از درجات پایین تر به درجات بالاتر با کاهش غلظت ترکیب شونده
- انتقال از درجه بالاتر به پایین تر با کاهش غلظت(پلیمیریزاسیون امولسیونی)
موازنه جرم در حالت ایزوترمال:
سرعت مصرف – سرعت تولید + شدت جریان خروجی – شدت جریان ورودی = سرعت تجمع در داخل
موازنه انرژی در حالت غیر ایزو ترمال :
سرعت مصرف – سرعت تولید + شدت جریان خروجی – شدت جریان ورودی = سرعت تجمع حرارت
Batch => Out = 0
Continuos => acc =0
راکتورهای ناپیوسته پلیمریزاسیون:
در مرحله ابتدایی پلیمریزاسیون یک دوره حرارتی وجود دارد که در طول این زمان دمای مخلوط واکنش تا دمای لازم برای شروع واکنش افزایش می یابد.در مرحله بعد به علت گرمازا بودن واکنش های پلیمریزاسیون دمای محیط افزایش می یابد.پس باید با سیستم های کنترل کننده دقیق دمای راکتور را کنترل کرد. راکتور های پیوسته عمدتا برای وکنش های انجا م شده در فاز مایع به کار گرفته می شوند.
مزایای راکتور های ناپیوسته:
• بهای اندک
• قابلیت انعطاف پذیری
معایب راکتور های ناپیوسته:
• هزینه زیاد کارگرو کارکرد
• زمان طولانی تخلیه ، تمیز کردن و پر کردن مجدد
• کنترل کیفیت نامطلوب محصول اکثر پلیمرهای دارای کارایی بالا
کاربرد راکتور های ناپیوسته
محصولات پلیمری گران قیمت مثل عدسی های هیدروکسی اتیل متاکریلات به دلیل یکنواخت بودن زمان اقامت ، بازدهی و انتخابی بودن در راکتورهای ناپیوسته بیشتر از راکتور های پیوسته است.
کوپلیمرهای قطعه ای یکی دیگر از دلایل استفاده راکتورهای ناپیوسته است. راکتورهای ناپیوسته عموما برای پلیمریزاسیون رادیکال آزاد به کار می روند و برای پلیمریزاسیون با درجه تبدیل بالا نیز مناسبند.
راکتور های ناپیوسته ساکن
واکنش های پلیمریزاسیون بدون اختلاط در این راکتورها انجام می شود .مثلا همان پلیمریزاسیون زنجیره ای MMA .
سه مشکل اساسی در راکتور های ساکن عبارت زیر هستند:
• خارج کردن حرارت تولیدی
• عدم پلیمریزاسیون تمامی پلیمرها
• انقباض محصول
راکتور های ناپیوسته با اختلاط کامل:
توزیع زمانهای اقامت در اینگونه راکتورها بسیار وسیع است. در برخی از واکنش های پلیمریزاسیون هنگامی که وزن مولکولی با گذشت زمان زیاد می شود ، توزیع وزن مولکولی وسیعس حاصل می شود.این راکتورها عموما برای ساخت رزین های پلاستیکی نظیر پلی استرها فنولیکها و اکویلیها به کار می روند.
