معرفی صنعتی خدمات طراحی و ساخت راکتورهای پلیمریزاسیون با تمرکز بر مهندسی دقیق و بهره‌وری عملیاتی.
طراحی و ساخت راکتورهای پلیمریزاسیون برای تولید پلیمر به معنای طراحی و ساخت سیستم‌هایی است که برای انجام واکنش پلیمریزاسیون، فرآیند تشکیل زنجیره‌های بلند و پیوسته از واحدهای تکراری مولکولی، استفاده می‌شود. راکتورهای پلیمریزاسیون می‌توانند در مقیاس کوچک (آزمایشگاهی) یا بزرگ (صنعتی) طراحی و ساخته شوند. این راکتورها برای تولید انواع پلیمرها با استفاده از فرآیندهای مختلفی مانند پلیمریزاسیون رادیکالی، پلیمریزاسیون یونی، پلیمریزاسیون تعادلی و غیره استفاده می‌شوند. طراحی و ساخت راکتورهای پلیمریزاسیون باید شرایطی را فراهم کند که واکنش پلیمریزاسیون به طور کنترل شده و بهینه صورت بگیرد. برای طراحی و ساخت راکتورهای پلیمریزاسیون، موارد زیر مورد توجه قرار می‌گیرند:
هدف اصلی از طراحی و ساخت راکتورهای پلیمریزاسیون، تولید پلیمرهای با کیفیت بالا و با خواص مطلوب است. این راکتورها باید قابلیت اجرای پراکندگی یکنواخت و کنترل شده فرآیند پلیمریزاسیون را داشته باشند و همچنین باید از لحاظ اقتصادی و عملکردی بهینه باشند. طراحی و ساخت راکتورهای پلیمریزاسیون، در نهایت به تولید پلیمرهای با کیفیت بالا و مناسب برای کاربردهای مختلف در صنایع مختلف منجر می‌شود.
مواد اولیه مونومر پس از مخلوط شدن خوراک، به یک راکتور پلیمریزاسیون وارد می شوند که در آن واکنش تشکیل پلیمر رخ می دهد. راکتورهای پلیمریزاسیون را می توان در دو حالت پیوسته و ناپیوسته کار کرد. راکتورهای پلیمریزاسیون پیوسته برای طیف وسیعی از فرآیندها استفاده نشده اند، اما پلیمرهایی که به طور مداوم تولید می شوند اکثریت کل تولید صنعت را تشکیل می دهند. راکتورهای پیوسته معمولاً برای سایر سفارشات مصرف کننده استفاده می شوند، زیرا سفارشات ویژه و اصلاح پلیمر را امکان پذیر می کنند.
راکتورهای پلیمریزاسیون شامل یک مخزن با ورودی برای جریان مخلوط مونومر و یک خروجی برای جریان پلیمری است. پروانه ای که توسط موتوری که معمولاً در صفحه سر مخزن نصب می شود به حرکت در می آید، مواد را در راکتور به هم می زند. هنگام طراحی یک راکتور میکسردار پیوسته، معمولاً اختلاط کامل در نظر گرفته می شود، اما این نکته همیشه در سیستم های پلیمریزاسیون به دلیل انتشار کم ذرات پلیمر و افزایش ویسکوزیته مخلوط، منجر به اختلاط کلی ضعیف فزاینده می شود. بنابراین، مشاهده یک تبدیل کلی پلیمر در یک راکتور مخزن با همزدن مداوم حدود ۸۵٪ طبیعی است. به همین دلیل، ممکن است لازم باشد اجزای واکنش نداده را جدا کنید یا جریان محصول را به یک راکتور لوله‌ای پس از تصفیه وارد کنید تا واکنش به پایان برسد.
طراحی و ساخت راکتورهای پلیمریزاسیون تولید پلیمر
راکتور لوله ای شاید ساده ترین شکل راکتورهای پلیمریزاسیون باشند. مخلوط واکنش دهنده مونومر از طریق لوله ای که در آن واکنش در طول لوله رخ می دهد، منتقل می شود، و از آنجایی که پلیمرها تمایل دارند بسیار چسبناک باشند، می توان سیستم را در سرعت آرام فرض کرد. در حالت ایده‌آل، مونومرها در یک برش ظاهری، از جریان با سرعت یکسانی در لوله حرکت می‌کنند و با یکدیگر برخورد می‌کنند تا واکنش دهند و پلیمر را تشکیل دهند، با این حال، بسته به نحوه رفتار مخلوط در نزدیکی دیواره لوله، این روش می‌تواند تا حدودی نادرست باشد. همانطور که واکنش پلیمریزاسیون رخ می دهد، مقدار زیادی گرما تولید می کند که باید توسط یک مکانیسم خنک کننده، معمولاً یک ژاکت خنک کننده یا جریان آب برطرف شود.
با تغییر قطر لوله ممکن است مشکلاتی ایجاد شود. ممکن است انتقال گرما از مرکز به لبه لوله، جایی که انرژی اضافی گرمایی حذف می‌شود، به اندازه کافی سریع اتفاق نیفتد و منجر به فرار حرارتی شود. علاوه بر این، انتشار ذرات مونومر در امتداد لوله نیز می تواند یک عامل محدود کننده به دلیل مقاومت ویسکوزیته پلیمر باشد. به عنوان راهی برای کاهش این مشکلات و در عین حال افزایش نرخ جریان، می توان به جای آن از چندین لوله با قطر کوچکتر به عنوان یک راکتور چند لوله ای استفاده کرد.
راکتور لوله ای
در تولید پلیمر، تمام واکنش دهنده های پلیمری از طریق دریچه هایی در بالای مخزن اضافه می شوند و مخلوط به طور مداوم هم زده می شود. راکتوربچ های پلیمری معمولی از فولاد ضد زنگ یا شیشه ساخته می‌شوند که ظرفیت آن از ۵ تا ۵۰۰۰۰ لیتر است. تولید دسته ای گاهی اوقات به دلیل محدودیت های انتقال حرارت پلیمریزاسیون دشوار است. ممکن است برای انتقال موثر گرما از مخزن و جلوگیری از فرار حرارتی به دلیل گرمازدگی، که در آن نرخ پلیمریزاسیون در حداکثر است، از یک ژاکت خنک کننده استفاده شود.
تنوع دسته به دسته نیز می تواند مشکل ساز باشد. واکنش هایی که باعث ایجاد ترکیبات پیوند متقابل می شوند با استفاده از راکتورهای دسته ای بهتر انجام می شوند زیرا ویسکوزیته در طول واکنش افزایش می یابد و در غیر این صورت ممکن است پلیمر در یک راکتور لوله ای گیر کند.
واکنش پلیمریزاسیون اغلب با یک مرحله جداسازی برای حذف واحدهای مونومر واکنش نداده، حلال ها، ذرات آلاینده و محصولات جانبی دنبال می شود. این مرحله اغلب از نظر اقتصادی قابل توجه ترین است.
روش جداسازی مورد استفاده در درجه اول به تفاوت در خواص فیزیکی بین دو جزء بستگی دارد. در صورت وجود ذرات جامد، گاهی اوقات می توان پلیمر را با محلول آبی یا گاهی غیر آبی شستشو داد. از طرف دیگر، اگر پلیمر به اندازه کافی چسبناک باشد، می توان فیلتراسیون استفاده کرد. در مورد مایعات حباب شده در سیستم پلیمری، می توان از یک فیلتر ادغام کننده استفاده کرد. پلیمر از طریق فیلتر جریان می یابد و حفره های کوچک مایع روی الیاف فیلتر به هم می پیوندند.
در برخی موارد، رسوب دادن پلیمر از محلول ممکن است، اگرچه این می تواند مشکل ساز باشد. پلیمر باید به اندازه کافی در محلول رقیق شود تا به صورت توده های کوچک به اندازه ذرات رسوب کند که به راحتی می توان آنها را خشک کرد تا حلال از بین برود. اگر غلظت پلیمر در یک سیستم خیلی زیاد باشد، ذرات منعقد شده می توانند بسیار بزرگتر باشند و حلال می تواند درون یک ذره به دام بیفتد.
برای حذف ترکیبات فرار از یک سیستم می‌توان از تبخیرکننده‌های فیلم پاک‌شده و تبخیر زدایی فلاش استفاده کرد. این اصل بر انتشار مواد فرار از پلیمر و در هوا است که توسط یک گرادیان غلظت بین دو محیط هدایت می شود. با این حال، به دلیل ماهیت چسبناک پلیمرها، مکانیسم محدود انتشار اغلب می تواند زمان بر باشد. کاهش زمان مورد نیاز فرآیند با افزایش سطح رابط بین پلیمر و محیطی که مواد فرار در آن پخش می‌شود، ممکن است. تبخیر کننده فلاش با کاهش شدید فشار در یک سیستم، مساحت سطح پلیمر را افزایش می دهد و باعث ایجاد حباب های فرار در داخل پلیمر می شود. تبخیر کننده با لایه پاک شده، پلیمر را در امتداد یک درام سطح بزرگ پاک می کند تا سطح انتشار مواد فرار از پلیمر را افزایش دهد.
طراحی کل سیستم فراتر از طراحی خود مخزن راکتور است زیرا سایر اجزاء نیز نیاز به توجه دقیق دارند. این بخش برخی از چالش های موجود در تولید پلیمر و تأثیر آنها بر تجهیزات فرآیند را مورد بحث قرار می دهد. برخی در بخش های بعدی با جزئیات بیشتر توضیح داده می شوند. فیلتر جداسازی مونومر از پلیمر
پلیمرها یک مشکل مشترک با مولکول های کوچک دارند. واکنش های پلیمریزاسیون، که به شدت گرمازا هستند، می توانند مقادیر قابل توجهی انرژی آزاد کنند (۶). (به عنوان مثال، پلیمریزاسیون الفین ۹۶ کیلوژول بر مول آزاد می کند؛ در مورد پروپیلن که به ۲۳۰۰ کیلوژول بر کیلوگرم می رسد.) بنابراین حذف این انرژی یک جنبه کلیدی در طراحی راکتور است.
یک کارخانه 100000 تنی در سال برای تولید پلی پروپیلن را در نظر بگیرید. این نیروگاه با سرعت متوسط 7300 کیلوژول در ثانیه انرژی آزاد می کند. بخشی از این انرژی می تواند برای گرم کردن جریان تغذیه مصرف شود، اما بیشتر آن باید با روش های دیگری حذف شود. تصور کنید که 90٪ تبدیل از یک راکتور میکسردار پیوسته (CSTR) با زمان ماند 30 دقیقه و جریان تغذیه حاوی 40٪ پروپیلن انتظار می رود. چنین شرایطی به حجم راکتور تقریباً 25 متر مکعب نیاز دارد . یک راکتور روکش دار با این حجم دارای ناحیه انتقال حرارت در همسایگی ۳۰ متر مربع است . با ضریب انتقال حرارت فرضی ۱ کیلوژول بر مترمربع بر ثانیه – درجه سانتیگراد، گرادیان دمایی مورد نیاز بین سیال فرآیند و مایع خنک‌کننده بیش از ۲۴۳ درجه سانتیگراد است.
ژاکت به عنوان روش اصلی حذف گرما، محدودیت جدی را برای کارخانه پلی پروپیلن ایجاد می کند. این محدودیت اغلب با افزودن یک مبدل حرارتی خارجی اجتناب می شود. چنین پیکربندی احتمالاً رایج ترین آرایشی است که امروزه در تولید پلیمر استفاده می شود.
راکتورهای شیمیایی و پالایشگاهی مورد استفاده در صنعت نفت و پتروشیمی
پترو صنعت تاراز