VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014

Полиуретаны являются наиболее ценными и широко производи­мыми промышленными полимерами. Из полиуретанов изготавливают самые различные материалы для народного хозяйства [4, 5].

Полиуретановые эластомеры имеют высокий модуль упругости, высокую износостойкость, большую вибропоглощающую способность, устойчивы к воздействию низких температур и органических растворителей. Изменяя рецептурные факторы, их твердость можно варьировать в диапазоне от твердости стали до твердости каучука.

Химия полиуретанов активно развивается порядка семидесяти лет, в то время как полимочевины стали доступны только с 70-х гг. двадцатого века. Два наиболее важных направления в использовании полимочевин – это реакционное инжекционное формование (ReactionInjectionMolding) и напыляемые покрытия [2]. Полимочевинные полимеры сочетают в себе экстремальные эксплуатационные свойства: высокую скорость отверждения даже при температурах, близких к 0 ^оС, высокую адгезию к субстрату и низкую чувствительность к влаге с отличными физико-механическими показателями (высокая твердость, гибкость, прочность на разрыв и раздир, стойкость к химическим реагентам и гидролизу).

На предприятии «Эласт-ПУ» имеется широкий спектр рецептур полимочевинных систем для различных назначений. Компонент Б в рецептурах состоит из предполимера на основе МДИ (мономерный дифенилметандиизоцианат с процентным содержанием 4,4- и 2,4-изомеров 50:50) и простого полиэфира полипропиленгликоля с молекулярной массой 2000. Содержание реакционноспособных NCO-групп в предполимере было равно 15,5%.

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1. История развития химии полиуретановых покрытий

Начало химии уретанов положено в 1849 году Вюрцем и Хофманном, которые впервые описали реакцию между изоцианатом и гидроксилсодержащим соединением. Однако, промышленное использование продукта реакции начало осуществляться с 1937 года, когда Отто Байер предложил использовать полимеры на основе сложных полиэфиров и изоцианатов, которые оказались конкурентно способными с нейлоном 6. Вторая Мировая война и возникший в результате нее дефицит основных материалов обусловил развитие исследований по использованию полиуретанов в качестве волокон, покрытий и пен. По окончанию Второй Мировой войны интенсивные исследования были продолжены в США, Германии и Англии. Первоначально все работы были основаны на использовании диизоцианатов и сложных полиэфирполиолов. Однако сложность технологии, относительно высокая стоимость и некоторый недостаток физических свойств получаемых пен вынудили обратить внимание на альтернативные гидроксилсодержащие соединения. В 1957 году впервые были синтезированы простые полиэфирполиолы. Помимо экономических преимуществ, получаемые при их использовании пены обладали лучшими физико-механическими свойствами в сравнении с пенами на основе сложных полиэфирполиолов. Разработка одностадийного процесса и введение силиконовых ПАВ привели к стремительному росту промышленности пенополиуретанов 7.

Работы того периода преследовали цель заменить полиуретанами такие стратегические материалы, как натуральный каучук, сталь, пробку. С того времени эта область химии полимеров развивалась бурными темпами. В разработку химии ПУ внесли вклад практически все промышленно развитые страны. В нашей стране интенсивные исследования в этом направлении начаты в 60-х годах группой ученых из Института химии высокомолекулярных соединений АН УССР под руководством академика Ю.С. Липатова. Велись работы также в Институте высокомолекулярных соединений РАН, Институте химической физики РАН, московском и казанском химико-технологических институтах, Всероссийском научно-исследовательском институте синтетических смол (г. Владимир) и других вузах и научно-исследовательских институтах . В результате проведенных исследований были созданы тысячи полиуретановых композиций и многочисленные технически ценные материалы на их основе. Что касается полимочевины, то, несмотря на уникальные физико-механические свойства этого полимера, высокая реакционная способность, близость Тпл и Тразл, отсутствие доступных растворителей ограничивали ее промышленное применение.

Разработчиком полимочевины систем в том виде, в котором она в настоящее время представлена на рынке, признана компания Texaco Chemical Co (позднее вошла в состав Huntsman Corporation), где вместо традиционных для химии полиуретанов высокомолекулярных полиэфирполиолов стали применять полиэфирамины – схожие с ними продукты, но содержащие на концах макромолекул аминные группы. Это позволило повысить производительность технологического процесса. Использование новых видов сырья и улучшенного распыляющего оборудования позволило преодолеть начальные проблемы, связанные с этой технологией, такие как смачивание подложки, адгезия между подложкой и покрытием, а также качество конечной поверхности. В первые годы после внедрения в практику полимочевина была отнесена к классу полиуретанов и лишь в последние семь лет была выделена в самостоятельный класс покрытий.

1.  

   1. Общие понятия о химии полиуретанов

Основной реакцией в химии полиуретанов является реакция меж­ду изоцианатом и соединением, содержащим активный атом водорода.

Изоцианаты - это соединения, имеющие одну или более реакционно-способных изоцианатных групп (-N=С=О),

Активный атом водорода обычно представляет собой атом водо­рода, связанный с электроотрицательными атомами, такими как азот (N), кислород (0), сера (S) или хлор (Cl). Таким образом, следую­щие соединения содержат активный атом водорода 8:

Первичные амины R-NH₂

Вторичные амины R₂NH

Первичные спирты и вода R-CH₂-OH и H-O-H

Вторичные спирты R₂CH-OH

Третичные спирты R₃C-OH

Карбоновые кислоты R-COOH

Производные мочевины

Уретаны

Амиды

(Здесь в общем случае заместители R и R' представляют собой алкил- и арильные группы).

Указанные соединения представлены в порядке убывания реакци­онной способности по отношению к изоцианатам.

Реакцию между изоцианатом и спиртом можно представить уравнением:

Эта реакция общеизвестна как реакция гелеобразования (или полимеризации), так как конечный продукт, уретан, обуславливает образование геля 9.

Если эту простую реакцию присоединения расширить для ди- и полифункциональных реагентов, то будет получен сложный полимер, который известен как полиуретан.

При повышенной температуре может протекать реакция между уретаном и другой молекулой изоцианата. При этом образуется аллофанат.

Для получения пены необходимо образование пузырьков в процессе гелеобразования. Это достигается использованием одного или обоих из следующих агентов:

1. Физический газообразователь (ФГО) - обычно низкокипя­щий растворитель, испаряющийся за счет теплоты реакции.

2. Химический газообразователь (ХГО) - подвергается химичес­ким реакциям с изоцианатом с выделением газообразного продукта. В промышленности полиуретанов в качестве ХГО преимущественно используется вода.

Реакция между изоцианатом и водой первоначально приводит к дизамещенной мочевине. Образующаяся промежуточная карбаминовая кислота термически нестабильна и самопроизвольно разлагается с образованием двуокиси углерода и первичного амина, который реаги­рует с другой молекулой изоцианата, давая дизамещенную мочевину.

Последующая реакция дизамещенной мочевины с изоцианатом дает биурет:

Важно отметить, что жесткость (твердость) полиуретана зависит от относительного количества присутствующих мочевинных и аллофанатных фрагментов 10.

1.  

   1. Исходные вещества для получения полиуретанов

      1. Полиолы

Термин "полиол" является укороченным наименованием для полифункциональных спиртов. В промышленности полиуретанов используются два основных типа полиолов: сложные полиэфирполиолы и простые полиэфирполиолы 11. Более 90% полиэфирполиолов, используемых в полиуретановой индустрии, представляют собой простые полиэфиры.

Простой полиэфирполиол с химической точки зрения представ­ляет собой полифункциональный спирт с полимерными цепями, имеющими эфирные фрагменты (С-О-С).

Более известным определением простого полиэфирполиола является следующее: продукт реакции полимеризации органического оксида и соединения, содержащего два или более активных атомов водорода.

Такие содержащие активные атомы водорода соединения, исполь­зующиеся при синтезе полиолов, называются инициаторами.

Используемые в производстве простых полиэфирполиолов органические оксиды представляют собой эпоксиды (по номенклатуре ЮПАК оксираны), то есть циклические простые эфиры с трехчленными кольцами:

Для получения полиэфирполиолов используются все окиси олефинов, например:

Этиленоксид

1,2-Бутеноксид

Эпихлоргидрин

Пропиленоксид

1.  
   1.  

      1. 4,4'-Метандифенилдиизоцианат

Общеизвестный как метандифенилдиизоцианат (или МДИ), коммер­чески используется в сырой форме. В то время как чистый МДИ пред­ставляет собой бледно-желтое твердое вещество с т.пл. 37-38 °С, не перегнанный сырой МДИ является обычно жидкостью от желтого до коричневого цвета, содержащей обычно 55 % МДИ (4,4'- и 2,4'-изо­меры), 25 % триизоцианатов и 20 % полиизоцианатов с большей функциональностью. Последние обычно называют полиметилен-полифениленизоцианатами (ПМПФИ).

Как сырой, так и чистый МДИ имеют давление паров ниже, чем ТДИ, и являются менее токсичными в использовании.

1.  

   1. Методы нанесения покрытий

Тонкие отделочные пленки наносят путем полива, распыления (пульверизации), окунания или с помощью разнообразных валковых или ракельных устройств [3,7].

1.  
   1.  

      1. Пневматическое распыление

Сущность метода заключается в распылении отделочного раствора и нанесении его в виде тонкой пленке на поверхность изделий. Он широко применяется в единичном и мелкосерийном производстве. Для распыления используют ручные пневматические распылители, основным рабочим органом которых является распылительная головка. При одновременном истечении из распылительной головки сжатого воздуха и отделочного раствора с резко различными скоростями образуются микроструйки отделочного материала.

При использовании распылителей возможно регулирование расхода отделочного раствора и быстрое прекращение подачи раствора и сжатого воздуха в распылительную головку.

Метод пневматического распыления позволяет получать покрытия высокого качества при нанесении различных отделочных растворов.

При пневматическом распылении происходят большие потери отделочного раствора и растворителей вследствие образования тумана.

1.  
   1.  

      1. Безвоздушное (гидродинамическое) распыление

При нанесении этим методом при выходе отделочного раствора из распыляющего устройства под высоким давлением (до 25 МПа) диспергирование его происходит в результате быстрого испарения части растворителя и действия сил поверхностного натяжения.

Для подачи отделочного раствора в распылитель под высоким давле-нием используют поршневые, плунжерные или мембранные насосы, работающие от пневматического, электромеханического, электрогидра-влического или автономного привода.

Метод безвоздушного распыления по сравнению с пневматическим распылением при одном и том же расходе сжатого воздуха обеспечивает более высокую производительность нанесения покрытия и одновременное снижение потерь отделочного раствора и растворителей.

Данный метод применяют только при нанесении покрытий на крупногабаритные конструкции из полимерных материалов.

1.  
   1.  

      1. Центробежное (электромеханическое) распыление с

контактной зарядкой

На изделия из полимерных материалов наносят покрытия с помощью стационарных и ручных установок, снабженных чашечными, грибковыми и дисковыми распылителями с круговой коронирующей кромкой. Принцип работы установок заключается в том, что при вращении чаши, грибка или диска с частотой 650-3500 об/мин, подаваемый на них отделочный раствор начинает растекаться по поверхности распылителя тонким слоем и при попадании на коронирующую кромку при совместном действии центробежных и электростатических сил диспергироваться; капли перемещаются вдоль силовых линий к изделию.

При нанесении покрытий электромеханическим методом значительно сокращается расход сжатого воздуха. Однако, так же как и при нанесении покрытий методом пневматического распыления в электрическом поле, необходимо уменьшать поверхностное сопротивление полимерного материала. При нанесении покрытия в электрическом поле высокого напряжения обеспечивается более высокая адгезия покрытия к полимеру (80-95%) по сравнению с воздушным (30-55%) и безвоздушным распылением (45-70%) [7,8].

1.  
   1.  

      1. Контактный перенос

При получении покрытий методом контактного переноса наносимый отделочный раствор располагается между рабочей поверхностью инструмента (шпателя, кисти, валка, ручных валиков и пресс-форм) и поверхностью покрываемого изделия.

Нанесение отделочного покрытия шпателем или кистью является малопроизводительным (не более 15 м²/ч) и в основном используется в единичном производстве при декоративной отделке и в бытовых условиях. Однако, несмотря на примитивность метода в некоторых случаях кистью обеспечивается наиболее качественная окраска, что объясняется лучшим заполнением полостей и пор на поверхности изделия.

Нанесение отделочного покрытия валками производят с помощью двух- и трехвалковых машин: наносящим, регулирующим и питающим валками. В валковых машинах толщина наносимого слоя отделочного раствора зависит от зазора между регулирующим и наносящим валками, материала валков, соотношения скоростей валка и подложки и давления наносящего валка. При этом необходимо, чтобы все зазоры были постоянно заполнены отделочным раствором. Для компенсации разнотолщинности подложки наносящий валок может быть обтянут слоем эластичного материала (например, резиной), стойкого к действию растворителей. С помощью валковых машин можно наносить покрытия только на плоские листы (производительность машин до 400 м²/мин), но с минимальными потерями отделочного раствора и растворителей.

Все большее применение в различных отраслях промышленности находит метод нанесения покрытий на поверхность изделий из полимерных материалов непосредственно в процессе их формования. Рабочей поверхностью инструмента является в этом случае внутренняя поверхность формы. В пространстве между формой и поверхностью изделия находится слой наносимого отделочного раствора, из которого предварительно удален растворитель. Часто на поверхность формы наносят разделительный слой (смазку), и только после этого материал покрытия.

При таком методе получения покрытий необходимо подбирать оптимальные режимы формования изделий из полимеров, которые часто могут отличаться от обычных. Однако, при правильно выбранном режиме формования становится возможным обеспечить высокую адгезию покрытий к поверхности изделий без предварительной их подготовки, и последующей сушки изделий, что позволяет значительно упростить процесс изготовления изделий и сократить его продолжительность.

1.  
   1.  

      1. Окунание

При нанесении покрытий на детали плоской, рельефной и обтекаемой формы методом окунания изделие погружают в ванну с отделочным раствором, а затем извлекают из нее для удаления избытка раствора с поверхности. При хорошей смачиваемости поверхности изделия отделочным раствором на вертикальной поверхности изделия после его удаления из ванны образуются подтеки, толщина которых зависит от скорости извлечения изделия из ванны, плотности и вязкости раствора. Наиболее равномерное покрытие может быть получено, если после извлечения из ванны изделие в течение 5-15 минут выдержать в парах растворителей. Для нанесения покрытий окунанием не требуется сложного оборудования. Методом окунания нельзя получать покрытия на изделиях необтекаемой формы или с внутренними полостями. Кроме того, при нанесении покрытий этим методом исключается возможность использования быстросохнущих, седиментационно-неустойчивых и ограниченно жизнеспособных отделочных растворов.

1.  
   1.  

      1. Облив

При нанесении покрытий обливом отделочный раствор наносят на поверхность ламинарными струями или в виде широкой плоской струи (завесы) по всей ширине изделия. Методом струйного облива часто получают покрытия неравномерные по толщине и с невысокими декоративными свойствами. Равномерность распределения покрытия по толщине увеличивают путем выдержки изделий в парах органических растворителей. Потери отделочного раствора при нанесении покрытий обливом сокращаются на 25-30% по сравнению с методом пневматического распыления и на 10-15% по сравнению с методом окунания.

Методом струйного облива невозможно наносить покрытия на изделия необтекаемой формы и с внутренними полостями, а также наносить быстровысыхающие и ограниченно жизнеспособные отделочные растворы. Применение данного метода целесообразно только в крупносерийном производстве, где требуются большие производственные площади и повышенный расход растворителей [7].

1.  
   1.  

      1. Формирование пленочных покрытий из дисперсий полимеров

Пленкообразование из водных дисперсий полимеров имеет ряд преимуществ по сравнению с использованием растворов. Отсутствие растворителя, обычно являющегося токсичным, пожароопасным веществом, улучшает условия труда и ликвидирует необходимость в рекуперационных установках, что делает производство в целом более экономичным.

Дисперсии полимеров представляют собой гетерогенные системы, состоящие из непрерывной низкомолекулярной фазы (дисперсионной среды) и распределенных в ней частиц полимерной природы (дисперсной фазы). Макромолекулы полимера не контактируют с дисперсионной средой, между ними имеется поверхность раздела. Если дисперсионной средой является вода, а дисперсной фазой - частицы каучука, то такая дисперсия называется латексом. Латексы широко применяются в промышленности искусственных кож и пленочных материалов для пропитки волокнистых основ, формирования лицевых и отделочных покрытий искусственных кож. Различают следующие типы латексов:

натуральный латекс – природный продукт, сок бразильской гевеи;

синтетические латексы – водные дисперсии синтетических эластомеров, которые образуются при определенных условиях полимеризации мономеров;

искусственные латексы – латексы, образуемые путем диспергирования в воде заранее полученных полимеров.

Латекс представляет собой материал, способный течь. Поэтому он легко наносится тонким слоем на различные поверхности. Этот слой стабилизируется, т.е. не растекается вследствие того, что вязкость системы при низких скоростях сдвига становится очень высокой. Если удалить воду, то постепенно усиливается взаимодействие между коагулирующими на поверхности частицами полимера, пока не произойдет образования сплошной пленки.

В технологическом процессе дисперсии должны обладать устойчивостью, сохранять свои свойства при транспортировке, хранении, на подготовительных операциях и, наоборот, терять устойчивость, коагулировать при пленкообразовании. Различают седиментационную, сорбционную и агрегативную устойчивость дисперсий.

Седиментационная (кинетическая) устойчивость определяется отсутствием оседания латексных частиц.

Сорбционная устойчивость связана с отсутствием выделения частиц дисперсной фазы на поверхности вводимого в латекс твердого инородного тела, например, наполнителя.

Агрегативная устойчивость характеризуется отсутствием укрупнения частиц латекса путем их слияния с последующим выделением из дисперсии.

Стабильность латекса можно повысить введением защитных коллоидов – веществ, растворимых в воде и повышающих вязкость системы. В качестве защитных коллоидов обычно используют крахмал, целлюлозу и ее производные.

При пленкообразовании из дисперсий происходит их астабилизация (коагуляция). Коагуляция – процесс разрушения дисперсии при потере агрегативной устойчивости под влиянием определенных факторов, например введения растворов электролитов, сильного разбавления латекса, нагревания, замораживания, высокого давления или сдвигового напряжения и т.п. Коагуляция приводит к агрегированию частиц дисперсии между собой в основном за счет сил аутогезии (слипание однородных тел).

Для пленкообразования из дисперсий характерно несколько стадий: астабилизация дисперсии; коалесценция глобул и образование промежуточного геля; монолитизация пленки с ликвидацией межфазных границ.

В технологии получения пленочных покрытий из дисперсий наиболее часто используются такие приемы астабилизации, как выпаривание дисперсионной среды и действие солей поливалентных металлов.

Формирование пленок при высыхании дисперсии протекает в три стадии. Первая стадия состоит в испарении влаги, постепенном концентрировании дисперсии и других ингредиентов, растворенных в дисперсионной среде. При этом глобулы латекса в результате свободного перемещения сближаются до соприкосновения друг с другом. На второй стадии процесса пленкообразования происходит дальнейшее удаление влаги из межглобулярного пространства, частицы все ближе сближаются друг с другом, происходит их деформация, они принимают форму многогранников и приходят во все более тесный контакт. Большую роль в этом процессе играют силы поверхностного натяжения на границе раздела фаз, стремящиеся уменьшить поверхность полимерной фазы. Третья стадия наступает, когда пленка уже почти полностью лишена воды. Эта стадия является наиболее важной для технолога с точки зрения формирования определенной структуры, а, следовательно, и свойств пленки. На этой стадии в результате постепенного обезвоживания латекса содержащийся в пленке эмульгатор либо растворяется в полимере, либо постепенно десорбируется с латексных частиц и локализуется в виде отдельных скоплений между глобулами. В результате «ухода» эмульгатора на поверхности глобул образуются открытые (свободные от эмульгатора) области, по которым и происходит самослипание частиц полимера под действием сил аутогезии, что сопровождается образованием сплошной прочной и водонерастворимой пленки. Тип структуры сформированной пленки зависит от аутогезии высокомолекулярного вещества, количества эмульгатора и его растворимости в полимере. Хорошая аутогезия и высокая растворимость эмульгатора способствует образованию гомогенной сплошной пленки. Увеличение количества эмульгатора и ухудшение его растворимости приводит к формированию пленок, отличающихся микрогетерогенностью.

Покрытия из латексов могут быть получены различными методами: желатинирования, ионного отложения и т.д.

Желатинирование – астабилизация латекса при взаимодействии защитных оболочек глобул с катионами солей, введенных в дисперсию. Наиболее целесообразно в качестве желатинирующих агентов использовать соли двухвалентных металлов, т.к. коагуляция однозарядными ионами требует очень большого количества электролита, а трехзарядные ионы вызывают слишком быструю астабилизацию глобул, что приводит к формированию неоднородного, непрочного геля. Практическое значение имеет желатинирование действием оксида цинка и аммонийных солей. Образуется двухвалентный цинкаммиачный комплекс [Zn(NH₃₎₄]⁺⁺, который при взаимодействии с адсорбционным слоем глобул вызывает их астабилизацию, т.к. образующееся цинкаммиачное мыло не обладает стабилизирующим действием

2 RCOO^- + [Zn(NH₃₎₄]⁺⁺ → (RCOO)₂Zn(NH₃₎₄.

Метод ионного отложения состоит в том, что форму изделия произвольной конфигурации погружают в концентрированный раствор соли, один из ионов которой (обычно катион) вызывает коагуляцию латекса. Такую форму с оставшимся на ней слоем раствора затем погружают в латекс. При этом на поверхности формы образуется слой геля. В отличие от желатинирования, когда ионы, вызывающие коагуляцию, смешиваются с латексом, создавая однородную массу, при ионном отложении образование геля обусловлено процессом диффузии ионов через толщу латексного слоя. Латекс наносится на подложку или основу, обработанную фиксатором – раствором соли поливалентного металла. При взаимной диффузии ионов фиксатора и глобул латекса происходит формирование геля за счет астабилизации латексных частиц. Основным достоинством метода ионного отложения является то, что он позволяет получать за одно погружение формы в латекс довольно толстую пленку, толщиной до нескольких сотен микрометров [3,9].

Формирование пленочных покрытий из растворов полимеров имеет ряд преимуществ. Растворы могут быть легко приготовлены из подавляющего большинства пленкообразующих веществ, причем технология их изготовления очень проста. Такие системы, как правило, имеют очень хорошую способность растекаться по поверхности, что обусловлено низким поверхностным натяжением органических растворителей. Последние в процессе формирования покрытия довольно легко улетучиваются из пленки, поскольку теплота их парообразования невысока. Использование растворов полимеров, обладающих гораздо меньшей вязкостью, чем расплавы, позволяет наносить на поверхности различных материалов очень тонкие слои, так что после удаления растворителя удается сформовать чрезвычайно тонкие пленки. Данным методом можно целенаправленно регулировать степень блеска покрытий. Переработка полимеров с использованием растворения иногда оказывается необходимой для формирования специфической пористой структуры, обеспечивающей повышенные гигиенические свойства синтетической кожи[2,3,4].

1.  

   1. Описание используемого оборудования

Человечество давно пользуется искусственными химическими веществами и материалами, для получения которых применяют специальные аппараты и оборудование. Конструкции химических реакторов весьма разнообразны и должны отвечать определенным требованиям для того, чтобы продукт получался с максимальной производительностью, высокого качества, минимальными затратами исходных веществ, энергии и труда.Для создания реактора оптимальной конструкции необходимы, как говорят, исходные данные. В первую очередь следует знать кинетику химической реакции, то есть информацию об основной реакции, приводящей к целевому продукту, и о побочных процессах, приводящих к нерациональному расходу сырья и образованию ненужных, а иногда и вредных веществ (кинетика — наука о скоростях химических реакций). Далее требуются данные о теплоте, выделяющейся или поглощаемой в ходе реакции, и о предельной, возможной степени превращения исходных веществ в продукты. На эти вопросы отвечает химическая термодинамика. Поскольку для осуществления реакции молекулы исходных реагентов должны встретиться друг с другом, реакционную систему необходимо хорошо перемешивать. Эффективность смешения зависит от вязкостей компонентов, взаимной растворимости исходных веществ и продуктов, скоростей потоков, геометрии реактора и различного рода устройств ввода реагентов. Этими вопросами занимается наука, называемая гидродинамикой. Протекание химической реакции также влияет на смешение. Это изучает химическая гидродинамика. Наконец, температурный режим в реакторе следует поддерживать в соответствии с требованиями кинетики, чтобы оптимизировать скорости реакции и выход целевого и побочных продуктов. Наука, которая занимается описанием химических реакций с учетом процессов массо- и теплопереноса, получила название макрокинетика (макроскопическая кинетика). Этот термин предложил известный отечественный ученый Д.А. Франк-Каменецкий.

Реактор идеального смешения периодического действия (РИСПД). Кастрюля с борщом, стоящая на огне, — пример химического реактора идеального смешения периодического действия. Хороший повар знает, сколько времени варить борщ, чтобы он был вкусным. Одна из важнейших характеристик процесса — время пребывания реакционной смеси в реакторе, которое должно быть согласовано с кинетикой основной химической реакции. Если время меньше необходимого, будет мал выход продукта. Если время пребывания слишком велико, могут пойти нежелательные побочные реакции. Предположим, что интересующий нас целевой продукт является промежуточным в серии последовательных реакций. Например, получим монохлорбензол, используя в качестве исходных реагентов бензол и хлор. Схематически реакцию можно представить в виде

C₆H₆ + Cl₂ → C₆H₅Cl + HCl,C₆H₅Cl + Cl₂ → C₆H₄Cl₂ + HCl,C₆H₄Cl₂ + Cl₂ → C₆H₃Cl₃ + HCl

В этом случае количество монохлорбензола (целевой продукт) проходит через максимум от времени, и время пребывания должно соответствовать этому максимуму.Вторая важная характеристика такого реактора — эффективность смешения. В промышленности существуют различные методы смешения реагентов и перемешивания реакционной смеси. Чаще всего для этих целей используют вращающиеся мешалки различной конфигурации. Каждый реактор со своим перемешивающим устройством можно охарактеризовать некоторым средним временем смешения τ_см. Измерить τ_см можно следующим образом. В какое-то место реактора вводится окрашенное вещество (индикатор). Затем, отбирая пробы в разных точках, определяют, за какое время весь объем реактора станет равномерно окрашенным. Реактор идеального смешения — это такой реактор, в котором выполняется условие

τ_см

Код для цитирования: Скопировать