כיצד להגדיל את התוספת של פולימריזציה ממעבדה ועד לרמה תעשייתית

מבוא

איסוף נוסף של פולימריזציה מהסביבה הנשלטת של מעבדה לדרישות הייצור התעשייתי הוא צעד קריטי להביא מוצרים המבוססים על פולימרים לשוק העולמי.מסרטי אריזה פוליתלן רכיבי רכב פוליפרופילן ופוליוויניל chloride (PVC) צינורות מוכחים, החומרים המיוצרים באמצעות תוספת פולימריזציה תחת החיים המודרניים, המעבר מניסויים בקנה מידה גדול לניסויים רב-מונים דורש תגובה משמעותית, טיפול פסיכולוגי, שינוי משמעותי, ואפקטיבי, דורש תגובה הנדסית, ואפקטיבית, טיפול מקיף.

תוספת פולימריזציה, הידוע גם בשם פולימריזציה שרשרת-growth, חשבונות עבור רוב פולימרים סינתטיים המיוצרים ברחבי העולם.התהליך כולל תוספת של יחידות מונומר עד קצה שרשרת פעיל, ללא תוצר לוואי. בעוד הכימיה הבסיסית מובנת היטב בקנה מידה הספסל, כורים תעשייתיים מציגים מורכבות הדורשות תכנון קפדני ותכנון תפעולי.A כשל לחזות מורכבות אלה עלול להוביל יקר, או למנוע התנגשויות כלכליות, או יציבות, על ידי פיתוח ארגוני בטיחות, או ניהול יעיל.

הבנה: Polymerization

תוספת פולימריזציה מתקדמת באמצעות שלושה שלבים עיקריים: חניכה, תפיץ, ולסיום. אינטונציה מייצרת מין פעיל - באופן חד-משמעי רדיקלי, דבקות או יון - באמצעות פירוק של אינקטור. propagation כרוך תוספת מהירה של יחידות מונומר לשרשרת הגוברת, כל תוספת שחרור אנרגיה בשל האופי החריף של התגובה, כאשר הם נשלטים על ידי שרשרת ריכוז מולקולרית, או לחץ מולקולרי, אשר מושפעת של לחץ מולקולרית, הם משלבים של טמפרטורה, עם לחץ מולקולרית, או לחץ מולקולרית, עם רמות לחץ מולקולרית, או לחץ מולקולרית, עם רמות.

סוגים נפוצים של פולימריזציה כוללים:

• (FLT:0) פולימריזציה רדיקלית: FLT:1 השיטה הנפוצה ביותר, החל מונומרים כגון ethylene, styrene, methyl methacrylate, ו vinyl chloride. initiated על ידי תרכובות ייצור קיצוני (למשל, peroxides, תרכובות), או קרינה.
• (FLT:0) פולימריזציה פולימרלית: 1FLT:1 נתיבים צ'יאורקליים או יוןניים מאפשרים לפולימריפטיזציה חיה, המציעה שליטה מדויקת על משקל מולקולרי ותפקוד של קבוצת קצה.
• (FLT:0) פתיחת מטאתוס פולימיזציה (ROMP): FLT:1 תהליך מיוחד של שרשרת-צמיחה עבור אולפינים מחזוריים, לעתים קרובות מועסקים עבור פולימרים מיוחדים.

במעבדה, התגובות הללו מבוצעות בדרך כלל במשט זכוכית או קטקטורות קטנות עם בקרת טמפרטורה יעילה וחיצונית. Scale-up חייב לשמר את הפרופיל הקינטי תוך כדי שילוב המגבלות הפיזיות של ציוד תעשייתי.

הבדלים מרכזיים בין מעבדה ומדד תעשייתי

כמה תופעות פיזיות וכימיקליות הופכות לגדול בקנה מידה גדול יותר.הבנת ההבדלים האלה חיונית לתכנון אסטרטגיה בקנה מידה.

העברה חמה

תוספת אקסותרמית פולימריזציה משחררת חום משמעותי - לעתים קרובות 50-100 kJ לכל שומה של מונומר הגיב.בעט קטן, היחס הגבוה של פני השטח-שטח-to-volume מאפשר פירוק חום מהיר דרך אמבטיה מים או מעיל מים.כפי שנפח הכור עולה, השטח גדל כמו VFLT:02 3DR, בעוד נפח כמו חום, כלומר, חום יכול להגדיל את השטח העליון, אך ורק לחץ חיצוני, עם לחץ חיצוני, עם לחץ חיצוני, אך ורק לחץ חיצוני, יכול להגדיל את הלחץ העליון, אך ורק יותר, עם לחץ חיצוני, עם לחץ חיצוני, עם לחץ חיצוני, אך ורק יותר, עם לחץ חיצוני, עם לחץ חיצוני, עם לחץ חיצוני, יכול להגדיל את הלחץ העליון, עם לחץ חיצוני, עם לחץ חיצוני, 000 חזק יותר, 000.

מיקס ו-Mass transfer

בכלי שיט בקנה מידה מעבדה, מגרים מגנטיים או ממריצים קטנים מספקים מספיק ערבוב כדי לשמור על הומוגניות. בקנה מידה הייצור, מספר ריינולדס בשינויים הכור, והשגת הפצה אחידה של מונומר, אינטור, וזרז הופך להיות קשה יותר. תערובת ירודה יכול ליצור כתמים חמים, ריכוז ⁇ s, וחלוקות משקל לא מולקולריות.

תגובה על Kinetics ו-Vrisosity

ככל שהפולימריזציה מתקדמת, ההיקף של מדיום התגובה עולה באופן דרמטי – לפעמים על ידי כמה פקודות של גודל. בכורי מעבדה, זה עשוי להיות מנוהל עם מגרים גבוהים. בכורים גדולים, מולטי סטיות גבוהות מעכבות העברת חום, ערבוב, ומשאבות.אפקט הג'ל (התקלה) בשל ירידה בשיעורי הסיום של מולטי מולטי דיוקים גבוהים עלולים להטמיע השפעות מהירות של חומרים אלה או להורדת רמות גבוהות של חומרים, או לטמפרטורה גבוהה.

אתגרים ב Scaling Up

בדיקת פולימריזציה נוספת מציגה קבוצה של אתגרים מקושרים שיש לטפל בהם באופן שיטתי.כאן אנו בודקים את הנושאים הקריטיים ביותר.

ניהול חום ותגובה בורחת

האופי השברירי של פולימריזציה נוספת הופך את הניהול התרמי החשוב ביותר.בכורים מעוצבים בצורה גרועה, קירור לא מספיק יכול להוביל לתגובה עצמית, מצב המכונה ריצה תרמית.זה לא רק הורס את המוצר פולימרי אלא גם יכול לגרום ללחץ לבנות, נזק כור, או כשל קטסטרופלי מערכות הקלה, חירום, ובקרת טמפרטורה חזקה הם לא ניתן להזיז תכונות בטיחותיות (R) לעתים קרובות דורשות לחץ בינוניות לכדי לחץ בינוני.

משקל מולקולרי קבוע וחלוקה מולקולרית במשקל

ביצועי המוצר - כוח מכני, זרימת התכה, בהירות - על משקל מולקולרי והפצה שלו. בקנה מידה קטן, שליטה מדויקת על ריכוז אינפורמטיביטור וטמפרטורה מניבה תפוצה צרה. בקנה מידה, וריאציות מרחביות וזמניות בטמפרטורה וריכוז להרחיב את ההפצה.טכניקות כגון פולימריזציה רדיקלית מבוקרת (למשל, חיל האוויר המלכותי) יכולות לשפר את השליטה אך הן רגישות יותר לזיהומים חמורים יותר, ודורשות לחץ דם הדוקות, אך הן לעתים קרובות יותר, אך הן מורכבות יותר, אך הן מורכבות יותר, אך הן מורכבות יותר, אך הן מורכבות יותר, אך הן מורכבות יותר, אך הן מורכבות יותר, אך הן מורכבות יותר, אך הן מורכבות יותר, אך הן מורכבות יותר, אך הן מורכבות יותר, אך הן מורכבות יותר, אך הן מורכבות יותר, אך היא בעלת משקל מולקולרית (כמו כן, אך היא בעלת משקל רב יותר, אך היא בעלת משקל רב יותר, אך היא בעלת משקל רב יותר, אך היא בעלת משקל רב יותר, אך היא בעלת משקל רב יותר, אך היא בעלת השפעה מולקולרית, אך היא בעלת משקל רב יותר, אך היא פשוטה יותר, אך היא בעלת משקל רב יותר, אך היא בעלת השפעה מולקולרית, אך היא פשוטה יותר, אך היא פשוטה יותר, אך היא פשוטה יותר, אך היא פשוטה יותר

תגובה וניקוי

הצטברות פולימר על קירות כור, ממריצים, ומשטחים פנימיים היא בעיה מתמשכת בפולימרומיזציה תעשייתית.Fouling מפחית את יעילות העברת החום, יוצרת אזורי מת, ומאגדת אחר כך ציוד בקנה מידה של מעבדה הוא בדרך כלל לנקות בין רץ, אבל כור תעשייתי עשוי לפעול עבור קמפיינים מורחבים.אנטיfouling, אופטימיזציה אסטרטגיות מזון מונומר, זמני בניקוי, ושימוש בסוכני ניקוי או ניקוי יכול להיות מקטין לתוך הפקדים של תהליכים כלכליים.

בטיחות וניהול סיכונים

פולימריזציה תעשייתית כוללת ממציאים גדולים של מונומרים דליקים (אתילן, propylene, VCM) ו- Initiators מסוכנים (peroxides, azo תרכובות) הסיכון של שריפות, פיצוצים ופרסום משווקים עם מחקרים על תהליכים -hazard ואופרהbility (HAZOP) ניתוח, שכבות של ניתוח הגנה (LOPA), והערכה כמותיתית - הם בלתי אינטגראליים לדרישות של התפוצצות חירום, כמו שצריך, כמו גם למערכות אבטחה, כמו גם , , התפוצצות חירום.

אסטרטגיות ל-Cup-Up מוצלח

סולם מוצלח הוא לא קפיצת יחיד, אלא תהליך מתואם, יזום המשלב מודלים, פיילוט והנדסה זהירה.אסטרטגיות הבאות מהוות מסגרת חזקה.

עלייה הדרגתית

לקפוץ ישירות מ 1 L flask ל 10,000 L כורים מזמין כשלון.גישה מצטברת - למשל, 1 L . 10 L ; 100 L ; 10,000 L - מאפשר מהנדסים לזהות פרמטרים רגישים בקנה מידה והתאמה תנאים בהתאם.כל צעד צריך להיות מלווה אופי קינטי מפורט, ניתוח תרמי, מודלים.

תגובה ובחירת עיצוב

הבחירה של תצורה כור יש השפעה עמוקה על תאימות בקנה מידה. כורים תעשייתיים נפוצים עבור פולימריזציה נוספת כוללים:

• (FLT:0) כורים של טטרק: ⁇ 1 , גמיש ומתאים לייצור קטן בינוני-בינוני, הם דורשים עיצוב זהיר של baffles ו- unellers כדי להתמודד עם שינויים חד-משמעיים.
• (FLT:0) כורים מעוררים-טנק (CSTRs): FLT:1 לספק ניתוח יציב-מדינתי ואיכות מוצר עקבית.לעתים קרובות בשימוש בפתרון או פולימריזציה של מספר CSTRs בסדרה יכול לחקות התנהגות של תקע-זרימה.
• (FLT:0 כורים ;FLT:1 אידיאלי עבור עתיר רוח גבוהה, פולימריזציה בלחץ גבוה (למשל, ייצור פוליאתילן בעלות נמוכה) מציעים העברה חום מעולה בשל יחס גבוה פני השטח-קרקע-to-volume אבל הם נוטים להטעות ולתקע.
• (FLT:0) כורים לולופ: 1FLT תכונות משלב של עיצובים CSTRs ו- tubular, עם שיעורי החלמה גבוהים שמשפרים את התערובת והעברה חום.

גישות עצמת תהליכים - כגון מיקרורקטורים או כורי דיסק מסתובבים - ניתן גם לחקור עבור יישומים נישה הדורשים שליטה מדויקת, אם כי הם פחות נפוצים עבור פולימרים עשירים.

בקרת תהליכים ואוטומציה

בקרת תהליכים מתקדמת (APC) חיונית לשמירה על תנאים עקביים.משתנים מרכזיים לפקח ולשליטה כוללים טמפרטורה (נקודות מרובות), לחץ, מונומר ו initator הזנה שיעורי, דיוק (ריאומטריה מקוונת), וחלוקה מולקולרית במשקל (באמצעות עקרונות עתירי שומן קרוב או Raman spectroscopy).

מערכות ניהול טמפרטורה

כורים תעשייתיים משתמשים בשילוב של שיטות קירור: הסרת חום של מעיל, סלילי קירור פנימיים, או חילופי חום חיצוניים עם מדיום רפלקינג.עבור תגובות אקספרסימיות גבוהות, שילוב של קירור מעיל ו condenser reflux עשוי לשמש כדי להסיר חום על ידי אדפטציה ו condensing את המונותמר. במקרים מסוימים, חלק של התגובה נספג על ידי חימום טרום מפולנית עשוי להיות צורך באפקט קירור (דלקת חום) בטמפרטורה נוספת.

איכות ניטור וניתוח In-Line

בדיקה באיכות Offline (גל permeation chromatography, חיישנים סריקה שונים, rheometry) איטי מדי עבור שליטה בזמן אמת במהלך ייצור בקנה מידה גדול. יישום באינטרנט או באינטרנט מאפשר תהליך הסתגלות לפני מוצר מחוץ לדגום נעשה. לדוגמה, ניטור מול torque או אולטרסאונד יכול לזהות את תחילת ההשפעה של ג'ל.

בטיחות ושיקולים סביבתיים

בטיחות היא העדיפות החשובה ביותר כאשר מרחיבים תוספת פולימריזציה.אזורי מפתח של מיקוד כוללים:

⁇ כימיקלים

מונומרים רבים ו initiators הם דליקים, רעילים, או שניהם.אחסון, טיפול ומערכות העברה חייבים לדבוק קודים קפדניים. inert גז שמיכה (nitrogen או argon) הוא סטנדרטי למנוע תערובת נפץ. Degradation של initiators יכול לייצר לא יציב על ידי מוצרים; חיי המדף שלהם וטמפרטורות decomposition חייב להיות ידוע.

תגובה מהירה למניעת

תגובות Runaway הן הסיכון המופחד ביותר באסטרטגיות פולימריזציה.

• התקנת חיישנים טמפרטורה ולחץ עם לוגיקה סגורה.
• תכנון מערכות לחץ חירום (דיסקים פורצים, שסתום הקלה) בגודל של אבולוציה של גז הגרוע ביותר.
• מתן מערכת קווינץ - מאגר גדול של מעכב או מעצור קר שניתן להשליך לתוך הכור.
• הפעלה במצב חצי-batch (תוספת מונומר נמוכה) כדי להגביל את גלי החום המיידי.

ביצוע ניתוח סיכונים תהליך יסודי (PHA) לפני הגשת הצמח התעשייתי הוא דרישה רגולטורית ברוב תחומי השיפוט.

ניהול פסולת והשפעה סביבתית

פולימריזציה תעשייתית מייצרת זרמי פסולת: מונומרים לא מוכרים, פותרים, זרמי כביסה קפואים, ופולימרים מחוץ לספקטרום.אלה חייבים להיות מטופלים, ממוחזרים, או מפוסקים בהתאם לתקנות סביבתיות מקומיות. Solvent Recovery באמצעות דינקיה, מונימר מחזר, טיפול במים (למשל, ממיס טביעת רגל אווירית להפחתה) הם נפוצים - כמו תהליכים משוחררים, כגון מאופקים, מטוהרים, ולהפחית את הפחתת טמפרטורה נמוכה יותר, כמו גם את תהליכי כימיה ירוקה, כמו גם מנקה, ולהפחית, כמו תהליכים קלים, כמו גם לטמפרטורה נמוכה, ופסולת, ופסולת, כמו גם מנקה, כמו תהליכי חילוף מים (למשל, ולהפחית את תהליכי אנרגיה מתחדשת (למשל, טיפול (למשל, טיפול (למשל, טיפול במים).

מחקרים ב- Scale-Up

Polyethylenelene Production (תהליך מהיר-רימדי)

ייצור פוליאתילן בעלות נמוכה (LDPE) באמצעות פולימריזציה רדיקלית חופשית ב-1,500-3,000 בר ו-150-300 מעלות צלזיוס הוא דוגמה קלאסית לאתגרים בקנה מידה מעבדה, התגובות מתבצעות ב ⁇ אוטו-דיור קטן או כורים אירוביים במרחק של כמה מטרים (כלי בקרה תעשייתיים) יכול לעלות על 1,500 מ', מחולקים לאזורים רבים עם נפח קירור מרכזי, הם לעתים קרובות לחץ תרמיל של תאים חמים של תאים).

פולימריזציה של PVC

פוליויניל chloride (PVC) מיוצר על ידי השעיה פולימיזציה בכורים מעוררים-נק בדרך כלל החל מ 20 עד 100 m3. בסולם מעבדה, כור 1 L זכוכית מספק שילוב טוב ושליטה טמפרטורה. האתגר העיקרי בקנה מידה תעשייתי הוא שמירה על גודל ירידה אחידה למנוע הדבקה של סולמות חום.

מסקנה

מיפוי נוסף של פולימריזציה מספסל המעבדה לייצור תעשייתי בקנה מידה מלא הוא מאמץ רב תחומי הדורש מומחיות בכימיה, הנדסה כימית, בטיחות תהליכים ואבטחת איכות.המעבר מציג אי-לינאריות בחום והעברה המונית, ערבוב, ומהירויות שיכולות לשנות באופן יסודי את התוצאה של הנדסה-טווח, אך לא צפוי.

(ב) לקריאה נוספת על עקרונות הפולימריזציה של הגדלה, מתייחסת להגדרות של הפולימריזציה של הפולימריזציה (FLT:2AIChE Center for Chemical Process Safety (CCPS) הנחיות ⁇ FLT 3: ו-FLT:4ACS Green Chemistry InstituteFal:5 for Environmentally Process Safety Process Safety Safety Safety Safety Safety Safety Safety Safety Safety Safety Safety Safety Institute) עשויות גם לעיין בטקסטים מפורטים ו-FLT 7.