بخشی از مقاله
خلاصه
روشهای شبیهسازی ابزاری را بهدست میدهند که امکان گردآوری مزایای فرآیند را برای واحدهای صنعتی به وجود میآورند. همچنین میتوانند در بهینهسازی شرایط عملیاتی و فرآیندی مفید واقع شوند. در این مقاله روش خود را در توسعه یک مدل شبیهسازی کامپیوتری جامع برای پلیاستایرن معمولی در دو راکتور CSTR سری، با استفاده از نرمافزار ASPEN POLYMER PLUS مطرح کردهایم. تأکید اساسی این شبیهسازی بر مدلهای سنتیکی و ترمودینامیکی میباشد. نتایج این شبیهسازی قابلیت بالای پیشبینی این مدل پیشنهادی را زمانی که با اطلاعات کارخانه برای درصد تبدیل، اوزان مولکولی متوسط و ... برای پلیاستایرن مقایسه میشود را نشان میدهد.
1. مقدمه
فرآیند پلیمریزاسیون یک واکنش شیمیایی است که در آن مولکولهای کوچک و ساده یا همان مونومرها با یکدیگر پیوند برقرار کرده و مولکولی بزرگ با وزن مولکولی چندین برابر مولکول اولیه به وجود میآورند، که پلیمر نامیده میشوند. به طور کلی پلیمرها به دو روش عمده تراکمی و زنجیرهای تهیه میشوند. پلیمرهای تراکمی ترکیباتی هستند که از تکپارهای چند عاملی توسط انواع گوناگون واکنش های تراکمی در شیمی آلی حاصل میشوند. این واکنشها با حذف مولکولهای کوچکتری مانند آب همراه میباشد.
در پلیمریزاسیون زنجیرهای وجود یک مرکز فعال برای شروع واکنش لازم و ضروری میباشد. به همین دلیل در این نوع واکنشها حضور آغازگرها عمدتاً ضروری است. نوع آغازگر خصوصیات مرکز فعال را تعیین میکند. این مراکز فعال میتواند رادیکال آزاد، کاتیون، آنیون و یا مراکز یونی ویژه مانند کاتالیزورهای کئوردینانسیونی باشد. یکی از روش های برگزیده این نوع واکنش پلیمریزاسیون که در صنعت کاربرد زیادی دارد، پلیمریزاسیون تودهای است که برای تهیه پلیاستایرن معمولی مورد استفاده قرار میگیرد. بسته به شرایط واکنش که مسیر تولید و خواص محصول را مشخص میکند ممکن است از یک آغازگر شیمیایی مانند بنزوئیلپراکساید و یا صرفاً از حرارت جهت شروع واکنش های رادیکالی استفاده شود.[1]
شایان ذکر است که تحقیقات بسیاری برای مطالعه رفتار ترمودینامیکی و سنتیکی پلیمریزاسیون استایرن صورت گرفته است. از آن جمله میتوان به کار آلمدیا و همکارانش اشاره کرد. آنها در مطالعات خود به شبیهسازی فرآیند تولید پلیاستایرن با استفاده از نرمافزار MATLAB و بررسی نتایج حاصل برای دو گرید متفاوت پلیاستایرن پرداختند.[2] این مقاله مستخرج از پایان نامه کارشناسی ارشد می باشد. از آنجا که پلیمریزاسیون فرآیندی هزینهبر و همچنین زمانبر میباشد، استفاده از نرم افزارهای شبیهسازی مانند MATLAB و FORTRAN میتواند برای بهبود شرایط عملیاتی و فرآیندی و کاهش هزینه و زمان مفید باشد.
2. مدل سنتیکی
پلیمریزاسیون استایرن با مکانیزم رادیکال آزاد انجام میگیرد، که در آن مراکز رشد فعال در پلیمریزاسیون رشد زنجیرهای رادیکال آزاد است. این نوع مکانیزم دارای سه مرحله واکنش آغاز، انتشار و اختتام میباشد. هرچند پلیمریزاسیون استایرن بسته به طبیعت آغازگر افزوده شده، میتواند با مکانیزم آنیونی یا کاتیونی صورت گیرد، که آغازگر بهطور قابل ملاحظهای حرارتی و در برخی موارد خاص میتواند شیمیایی باشد، که هر دو باعث تولید رادیکال آزاد میشود.
با توجه به اینکه فرآیند تولید پلیاستایرن عمدتاً به شکل حرارتی انجام میگیرد، برای مرحله آغاز، آغاز حرارتی مدنظر قرار گرفته میشود که در این مرحله مونومر استایرن در دمای بالای 100 درجه سلسیوس تجزیه شده و تشکیل رادیکال میدهد .[3] مکانیسم آغاز حرارتی پیشنهاد شده توسط هوی و همیلیک با سنتیک مرتبه سوم برای مونومر استایرن مطرح میشود.[4] همچنین مرحله اتمام زنجیر، اختتام از نوع ترکیب میباشد؛ در پلیمریزاسیون استایرن میتوان از اختتام با تسهیم نامتناسب صرفنظر کرد .[3] با توجه به فرضیات بالا مکانیسم واکنشهای پلیمریزاسیون به شکل جدول 1 مطرح می شود.
مرحله انتقال زنجیر به محصولات جانبی واکنش آغاز حرارتی بهدلیل داشتن یک ثابت مؤثر انتقال به مونومر قابل صرفنظر نیست. محصولات جانبی مطالعه شده توسط کوکو و همکارانش1 بیانگر این مطلب است که درجه پلیمریزاسیون در درصدهای تبدیل پایین بسیار بزرگتر از درصدهای تبدیل بالاست. برای توضیح این نوع رفتار بیان شده است که انتقال به مونومر، اختتام زنجیر را در فرآیندهای دارای درصد تبدیل پایین کنترل میکند .[5]
