Proiectarea unui Reactor de Fabricare a Polistirenului prin Procedeul de Polimerizare în Suspensie

Capitolul 1

Tema de proiect

Sa se proiecteze un reactor de fabricare a polistirenului prin procedeul de polimerizare in suspensie.

Date initiale de proiectare:

1) Capacitatea de productie: 45000-1000*4=41000 t/an

2) Conversia stirenului: 70+4=74 %

3) Reactorul functioneaza izoterm la temperatura de: 65+4=69º C

4) Reteta: Stiren (S) – 49.04%

Apa demineralizata – 49,68%

Initiator – Peroxid de Benzoil (PB) 0.11%

Capitolul 2

Date generale - polistiren

Se obtine industrial prin polimerizarea radicalica a stirenului:

Caracteristici generale ale polimerizarii stirenului

Stirenul este un monomer reactiv ce formeaza un radical cu reactivitate scazuta. Prin urmare reactiile de transfer radicalic, inclusiv cele cu polimerul, au o pondere foarte redusa si prin urmare procesul de polimerizare in masa poate fi condus pana la conversie totala.

Reactiile de intrerupere au loc prin combinarea macroradicalilor si in consecinta polimerul nu contine duble legaturi (ce rezulta in urma intreruperii prin disproportionare). Din aceasta cauza topitura de polistiren este foarte rezistenta termic. La cald, stirenul polimerizeaza chiar si in absenta initiatorilor (polimerizare termica), radicalii initiatori aparand in urma succesiunii de reactii descrise mai jos:

Reactia de polimerizare a stirenului arata o cinetica tipic radicalica, ordinul de reactie fata de concentratia de initiator fiind ½, iar fata de concentratia de monomer 1. Polistirenul este obtinut industrial prin polimerizare radicalica a stirenului in masa, suspensie sau emulsie, ultimul procedeu fiind insa mai putin utilizat.

Polimerizarea in suspensie

Este mult intrebuintata pentru obtinerea comerciala a polistirenului deoarece transferul termic se realizeaza relativ usor. Stirenul fiind practic insolubil in apa, mediul de dispersie este reprezentat de mediul apos. Procedeul consta in dispersarea monomerului in picaturi foarte fine in apa, prin agitare, polimerizarea avand loc in picaturile de monomer, deci in microbloc.

Procesul este discontinuu si pentru atingerea unei productivitati bune se lucreaza in reactoare cu volum mare (15 - 100 m3).

Monomerul se introduce in reactor intr-o concentratie de 25 - 50 % volumetric si contine dizolvat initiatorul, care in mod obisnuit este de tip peroxidic (peroxid de benzoil). Mediul de reactie mai contine agenti de suspensie (stabilizatori), care pot fi compusi macromoleculari naturali (amidon, gelatina), polimeri sintetici (alcool polivinilic), pulberi anorganice insolubile in apa (fosfat de calciu, carbonat de magneziu, etc). Temperatura de reactie este de circa 90°C, spre final urcand pana la 130°C pentru definitivarea reactiei. Particulele (perlele) de polimer sunt apoi separate prin centrifugare, spalate si uscate.

Polimerizarea in suspensie prezinta avantajul obtinerii unui polimer cu masa moleculara mare si puritate ridicata, realizandu-se in acelasi timp si o eliminare eficienta a caldurii de reactie. Pe masura ce reactia de polimerizare avanseaza, vascozitatea perlelor creste continuu pana la conversia de circa 20%, ele devin lipicioase deoarece polimerul format ramane dizolvat in monomer si prezinta pericol de aglomerare.

Pentru a impiedica unirea perlelor in acest stadiu se folosesc agenti de suspensie. Acestia au rolul de a mari vascozitatea fazei apoase (ceea ce contribuie la o dispersare mai fina a monomerului in apa) si de a inconjura picaturile de monomer cu un strat fin de agent inert care impiedica unirea acestora in faza critica. Stratul de agent de suspensie care inconjoara picatura de monomer nu permite patrunderea altor particule in perle, ceea ce impune ca initiatorul sa fie solubil in monomer si procesul de polimerizare sa nu aiba loc la reflux.

Polimerizarea in suspensie consta in dispersarea monomerului in picaturi foarte fine de apa, prin agitare, polimerizarea avand loc in picaturile de monomer, deci in microbloc.Datorita acestui fapt, polimerizarea in suspensie prezinta avantajul obtinerii unui polimer cu masa moleculara mare si puritate ridicata, realizandu-se si eliminarea suficienta a caldurii de reactie. Pe masura ce reactia de polimerizare avanseaza, vascozitatea perlelor creste continuu pana la conversii de 20%, ele devin lipicioase deoarece polimerul format ramane dizolvat in monomer si prezinta pericol de aglomerare. Acest impediment este, insa, impiedicat prin folosirea agentilor de suspensie. Acestia au rolul, pe de o parte, de a mari vascozitatea fazei apoase, ceea ce contribuie la o dispersie mai buna a monomerului in apa, iar pe de alta parte de a inconjura picaturile de monomer cu un strat fin de agent inert, care impiedica unirea acestora in faza critica. Stratul de agent de suspensie nu permite patrunderea altor particule in perle, ceea ce impune ca initiatorul sa fie solubil in monomer si procesul de polimerizare sa nu aiba loc la reflux. Pentru a mari viteza de intarire a perlelor si pentru a preveni unirea acestora se introduce si un initiator solubil in apa, care initiaza reactia la interfata picaturilor de monomer. Polimerizarea in suspensie poate fi efectuata pana la conversii foarte mari, conducand la produse macromoleculare cu un continut redus de monomer, chiar fara o degazare speciala. Pentru ca eficienta polimerizarii sa fie cat mai ridicata se recomanda o crestere programata a temperaturii. In efectuarea studiilor cinetice, polimerizarea in suspensie prezinta avantajul posibilitatii mentinerii temperaturii consante. Polimerizarea in suspensie este singurul procedeu aplicabil la sintetizarea unor produsi tridimensionali, pentru transformari chimice ulterioare. Obtinandu-se polimeri sensibil mai puri decat prin procedul emulsie, perlele obtinute detin proprietati dielectrice superioare.