Удаление летучих полимеров

Удаление летучих веществ из полимеров , также известное как дегазация полимеров, представляет собой процесс удаления низкомолекулярных компонентов, таких как остаточные мономеры, растворители, побочные продукты реакции и вода, из полимеров. ^[1]^: 1–12

Мотивация

Многие полимеры на выходе из реактора после реакции полимеризации все еще содержат нежелательные низкомолекулярные компоненты. Эти компоненты могут сделать продукт непригодным для дальнейшей переработки (например, раствор полимера нельзя использовать непосредственно для переработки пластмасс), могут быть токсичными , могут вызывать плохие сенсорные свойства, такие как неприятный запах, или ухудшать свойства полимера. Также может быть желательно повторно использовать в процессе мономеры и растворители. ^[1]^: 1–12 Переработка пластика также может включать удаление воды. ^[2]^[3] и летучие продукты разложения.

Основные типы процессов

Удаление летучих веществ может осуществляться, когда полимер находится в твердой или жидкой фазе, при этом летучие компоненты переходят в жидкую или газовую фазу. Примеры:

Твердый полимер, жидкая фаза: Экстракция капролактама из полиамидов водой. ^[4]
Твердый полимер, газовая фаза: Удаление этилена из полиэтилена воздухом или азотом в силосах. ^[5]
Жидкий полимер, газовая фаза: Удаление стирола из полистирола с помощью вакуума. ^[6]

Обычно различные типы шагов по сокращению летучих средств объединяются для преодоления ограничений на отдельных этапах.

Физические и химические аспекты

Термодинамика

фазе . Чтобы они покинули полимер, термодинамическая активность летучих веществ в полимере должна быть выше, чем в другой ^[7] Для того чтобы спроектировать такой процесс, необходимо рассчитать активность. Обычно это делается с помощью теории решений Флори – Хаггинса . ^[1]^: 14–34 Этот эффект можно усилить за счет более высоких температур или более низкого парциального давления летучего компонента путем применения инертного газа или более низкого давления.

Диффузия

Для удаления из полимера летучим компонентам необходимо переместиться к границе раздела фаз путем диффузии . Из-за низких коэффициентов диффузии летучих веществ в полимерах этот этап может оказаться определяющим. ^[1]^: 35–65^[8] Этот эффект может быть усилен за счет более высоких температур или небольшой длины диффузии из-за более высокого числа Фурье .

Теплопередача

Поскольку полимеры и растворы полимеров часто имеют очень высокую вязкость, поток в устройствах для удаления летучих веществ является ламинарным , что приводит к низким коэффициентам теплопередачи , что также может быть ограничивающим фактором. ^[8]

Химическая стабильность

Более высокие температуры также могут повлиять на химическую стабильность полимера и, следовательно, на его эксплуатационные свойства. полимера Если превышена предельная температура , он частично вернется к своим мономерам, что лишит его возможности использования. ^[1] В более общем смысле, деградация полимера также происходит во время удаления летучих веществ, что ограничивает температуру и время пребывания, доступные для этого процесса.

Удаление летучих веществ из пены и пленки

Существуют две основные формы вывода летучих веществ в вакуум. При выходе летучих веществ из пены пузырьки внутри раствора полимера зарождаются и растут, наконец, лопаются и высвобождают свое летучее содержимое в окружающую среду. Для этого требуется достаточное давление пара. ^[1]^: 67–190^[9] Если возможно, это очень эффективный метод, поскольку летучим веществам нужно диффундировать только на короткое расстояние. ^[8]

Выход летучих веществ из пленки происходит, когда давление пара перестает быть достаточным для образования пузырьков. ^[9] и требует достаточной площади поверхности и хорошего перемешивания. В этом случае к полимеру можно добавить десорбирующий агент, такой как азот, для улучшения массопереноса через пузырьки. ^[8]^[10]

Типы средств удаления летучих веществ из расплава полимера

Удалители летучих веществ для расплавов полимеров классифицируются как статические или подвижные, называемые в литературе также «неподвижными» и «вращающимися».

Статические средства удаления летучих веществ

К статическим дегазаторам относятся:

Утилизаторы падающих нитей: полимер разделяется на множество отдельных нитей, которые падают в вакуумную камеру. Диффузия перемещает летучие вещества в газовую фазу, которые затем собираются с помощью вакуумной системы. Обычно это последняя стадия процесса удаления летучих веществ, когда давление пара низкое. ^[6]^[1]^{: 261–290}
Испаритель с падающей пленкой : полимер падает по вертикальным стенкам, летучие вещества диффундируют на ту сторону, которая не соприкасается со стенками.
Трубчатые испарители: кипящий раствор полимера течет вниз по вертикальному кожухотрубному теплообменнику в сепаратор. Полимер собирается внизу, пары собираются с помощью вакуумной системы и конденсаторов. ^[11]
Мгновенные испарители : раствор полимера предварительно нагревается и подается в сепаратор, где давление ниже давления пара раствора приводит к испарению части летучих веществ. ^[1]^{: 209–212}

Перемещение средств удаления летучих веществ

Двухшнековые экструдеры с однонаправленным вращением: раствор полимера подается в двухшнековые экструдеры с однонаправленным вращением, где он подвергается сдвигу и подаче механической энергии и где пары удаляются. Этот тип машины допускает разное давление в разных зонах. Преимуществом этих экструдеров является возможность самоочистки. ^[1]^{: 345–384}^[12]^{: 263–289} ^[10]
Одношнековые экструдеры: в принципе аналогичны двухшнековым экструдерам с сонаправленным вращением, но без функции самоочистки. ^[1]^{: 325–344} ^[13]
Пленочные испарители : раствор полимера подается в один большой сосуд, где ротор перемешивает продукт и обеспечивает обновление поверхности. В этих машинах возможен только один уровень давления. ^[1]^{: 469–494}
Мешалки большого объема: раствор полимера подается в месильную машину большого объема и подвергается сдвигу при более длительном времени пребывания, чем в экструдере . ^[14]^[15]

Устранители летучих веществ для суспензий и латексов

Удаление мономеров и растворителей из латекса и суспензий, например, при производстве синтетического каучука , обычно осуществляется с помощью сосудов с мешалкой. ^[1]^{: 507–560}

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я ^дж ^к ^л Албалак, Рамон Дж. (1996). Удаление летучих полимеров . Марсель Деккер . ISBN 0-8247-9627-6 .
^ Руст, Х (2006). «Сушка и обработка ПЭТ планетарным валковым экструдером». Технология переработки 2006 - Процессы дегазации в технологии переработки . Ассоциация немецких инженеров . ISBN 3-18-234279-7 .
^ Винкельманн, Х; Либхольд, Дж (2006). «Экономичная переработка невысушенного ПЭТ на двухшнековых экструдерах сонаправленного вращения ZE». Технология переработки 2006 - Процессы дегазации в технологии переработки . Ассоциация немецких инженеров . ISBN 3-18-234279-7 .
^ US 3374207A , «Непрерывный процесс экстракции мономеров и олигомеров из высокополимеризованных гранул капролактама», опубликован 19 марта 1968 г.
^ US 7776998B2 , «Обработка полимерами», опубликован 28 сентября 2006 г.
^ Jump up to: ^а ^б учить; Кисслинг (1960). Полистирол . Нью-Йорк: Издательская корпорация Рейнхольд.
^ Дорн, Р; Пфол, О (2006). «Удаление летучих веществ из полимеров: физические ограничения». Технология переработки 2006 - Процессы дегазации в технологии переработки . Ассоциация немецких инженеров . ISBN 3-18-234279-7 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д Кинг, Т; Кольгрубер, К. (2006). «Дегазация полимеров». Технология переработки 2006 - Процессы дегазации в технологии переработки . Ассоциация немецких инженеров . ISBN 3-18-234279-7 .
^ Jump up to: ^а ^б Гестринг, Инго (11 ноября 2002 г.). Дегазация полимеров (кандидатская диссертация).
^ Jump up to: ^а ^б Лехнер, Ф (2006). «Дегазация расплавов полимеров с помощью двухшнековых экструдеров сонаправленного вращения». Технология переработки 2006 - Процессы дегазации в технологии переработки . Ассоциация немецких инженеров . ISBN 3-18-234279-7 .
^ Лизенфельдер, Ульрих. Кипение высоковязких растворов полимеров в потоке (кандидатская диссертация). Университет Бохума.
^ Кольгрубер, Клеменс (2021). Двухшнековые экструдеры с сонаправленным вращением: применение . Карл Хансер Верлаг . ISBN 978-1-56990-781-8 .
^ Беккер, Д; Пфайффер, А. (2006). «Удаление летучих веществ на одношнековых экструдерах». Технология переработки 2006 - Процессы дегазации в технологии переработки . Ассоциация немецких инженеров . ISBN 3-18-234279-7 .
^ «Деволатилизация» . Список АГ. Архивировано из оригинала 01 марта 2021 г. Проверено 22 августа 2021 г.
^ Слуга, А; Кункель, Р. (2006). «Непрерывное испарение и дегазация расплавов полимеров». Технология переработки 2006 - Процессы дегазации в технологии переработки . Ассоциация немецких инженеров . ISBN 3-18-234279-7 .

[Albalak-1] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я ^дж ^к ^л Албалак, Рамон Дж. (1996). Удаление летучих полимеров . Марсель Деккер . ISBN 0-8247-9627-6 .

[Rust-2] Руст, Х (2006). «Сушка и обработка ПЭТ планетарным валковым экструдером». Технология переработки 2006 - Процессы дегазации в технологии переработки . Ассоциация немецких инженеров . ISBN 3-18-234279-7 .

[Winkelmann-3] Винкельманн, Х; Либхольд, Дж (2006). «Экономичная переработка невысушенного ПЭТ на двухшнековых экструдерах сонаправленного вращения ZE». Технология переработки 2006 - Процессы дегазации в технологии переработки . Ассоциация немецких инженеров . ISBN 3-18-234279-7 .

[4] US 3374207A , «Непрерывный процесс экстракции мономеров и олигомеров из высокополимеризованных гранул капролактама», опубликован 19 марта 1968 г.

[5] US 7776998B2 , «Обработка полимерами», опубликован 28 сентября 2006 г.

[Teach-6] Jump up to: ^а ^б учить; Кисслинг (1960). Полистирол . Нью-Йорк: Издательская корпорация Рейнхольд.

[Dohrn-7] Дорн, Р; Пфол, О (2006). «Удаление летучих веществ из полимеров: физические ограничения». Технология переработки 2006 - Процессы дегазации в технологии переработки . Ассоциация немецких инженеров . ISBN 3-18-234279-7 .

[Koenig-8] Jump up to: ^а ^б ^с ^д Кинг, Т; Кольгрубер, К. (2006). «Дегазация полимеров». Технология переработки 2006 - Процессы дегазации в технологии переработки . Ассоциация немецких инженеров . ISBN 3-18-234279-7 .

[Gestring-9] Jump up to: ^а ^б Гестринг, Инго (11 ноября 2002 г.). Дегазация полимеров (кандидатская диссертация).

[Lechner-10] Jump up to: ^а ^б Лехнер, Ф (2006). «Дегазация расплавов полимеров с помощью двухшнековых экструдеров сонаправленного вращения». Технология переработки 2006 - Процессы дегазации в технологии переработки . Ассоциация немецких инженеров . ISBN 3-18-234279-7 .

[11] Лизенфельдер, Ульрих. Кипение высоковязких растворов полимеров в потоке (кандидатская диссертация). Университет Бохума.

[Kohlgr_2021-12] Кольгрубер, Клеменс (2021). Двухшнековые экструдеры с сонаправленным вращением: применение . Карл Хансер Верлаг . ISBN 978-1-56990-781-8 .

[Becker-13] Беккер, Д; Пфайффер, А. (2006). «Удаление летучих веществ на одношнековых экструдерах». Технология переработки 2006 - Процессы дегазации в технологии переработки . Ассоциация немецких инженеров . ISBN 3-18-234279-7 .

[14] «Деволатилизация» . Список АГ. Архивировано из оригинала 01 марта 2021 г. Проверено 22 августа 2021 г.

[Diener-15] Слуга, А; Кункель, Р. (2006). «Непрерывное испарение и дегазация расплавов полимеров». Технология переработки 2006 - Процессы дегазации в технологии переработки . Ассоциация немецких инженеров . ISBN 3-18-234279-7 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]