تطبيق مزيل البلمرة المتساقط الشريطي المتساقط في البلمرة السائبة

جدول المحتويات

دور إزالة التبلور في تصنيع البوليمرات

ينطوي الفصل بعد المعالجة في إنتاج البوليمرات على إزالة المونومرات التي لم تتفاعل، أو المذيبات، أو المكونات المتطايرة الأخرى. ويُشار إلى هذه العملية باسم التحويل.

تُعد عملية إزالة المذيبات إحدى المراحل الأكثر استهلاكًا للطاقة في إنتاج البوليمرات بكميات كبيرة، حيث تمثل عادةً 60 إلى 70 في المائة من إجمالي استهلاك الطاقة في العملية. وتؤثر فعالية هذه المرحلة بشكل مباشر على:

  • محتوى المونومر المتبقي

  • رائحة المنتج والامتثال لمعايير السلامة

  • الاستقرار الحراري

  • الأداء الميكانيكي

  • الامتثال للوائح التنظيمية

في أنظمة البوليمرات عالية اللزوجة، يُعد أداء عملية إزالة المركبات المتطايرة عاملاً حاسماً أساسياً في جودة المنتج النهائي وكفاءة التشغيل من الناحية الاقتصادية.

تشمل معدات إزالة الغازات الشائعة المستخدمة في الأنظمة عالية اللزوجة ما يلي:

  • المبخرات السريعة

  • أجهزة التبخير ذات الأغشية الرقيقة (الأغشية المتساقطة والأغشية المُحَرَّكة)

  • مبخرات عمود السائل المتساقط أو مبخرات القطرات

  • مبخرات تجديد السطح

  • أجهزة إزالة الغازات من نوع البثق (آلات البثق ذات التهوية)

من الناحية الاقتصادية:

  • تُظهر آلات البثق ثنائية اللولب المزودة بفتحات تهوية أعلى معدل لاستهلاك الطاقة

  • عادةً ما تتطلب أجهزة التبخير السينمائية المُحَرَّكة أعلى تكلفة رأسمالية

  • تتميز أجهزة إزالة الغازات من الخيوط المتساقطة (FSD) بأقل تكلفة مجمعة للطاقة والمعدات

عادةً ما تبلغ التكلفة الإجمالية لتركيب وتشغيل أنظمة FSD أقل بنحو 40 في المائة مقارنةً بالبدائل التي تعتمد على المسمار المزدوج المُهوى أو الأغشية المُحركة. ونتيجةً لذلك، تعتمد معظم مصانع البلمرة السائبة واسعة النطاق تقنية FSD باعتبارها التقنية الأساسية للمعالجة اللاحقة.

يركز هذا المقال على أساسيات العمليات، والتصميم الهيكلي، وأحدث التطورات في تكنولوجيا FSD.

1. خصائص عملية إزالة المواد المتطايرة من الخيوط المتساقطة (FSD)

في أنظمة البلمرة السائبة، يتراوح معدل تحويل المونومر عادةً بين 50 إلى 80 في المائة, ، تاركًا 20 إلى 50 في المائة من المواد المتطايرة المتبقية التي يجب إزالتها في المرحلة اللاحقة.

خليط البوليمر والمونومر الذي يدخل جهاز إزالة الغازات هو نظام متعدد الأطوار عالي اللزوجة. داخل حجرة FSD:

  • نقل الحرارة

  • نقل الكتلة

  • توازن المراحل

  • ديناميكيات التدفق

وهي مرتبطة ارتباطًا وثيقًا وتتغير باستمرار.

مع استمرار عملية إزالة الغازات:

  • انخفاض تركيز المركبات المتطايرة

  • تزداد لزوجة المادة عند انصهارها

  • تزداد مقاومة انتقال الكتلة

  • يصبح سلوك التدفق غير خطي بشكل متزايد

قد تؤدي درجات الحرارة المرتفعة إلى:

  • تحلل البوليمرات

  • انقسام السلسلة

  • التشابك

  • التفحيم

قد ينشأ عدم الاستقرار التشغيلي أيضًا عن أنماط التدفق المتقطعة.

بالمقارنة مع مفاعلات البلمرة، فإن النمذجة الرياضية لعملية FSD أكثر تعقيدًا بسبب ظواهر النقل غير الخطية متعددة الأطوار. ولا يزال التصميم الصناعي يعتمد إلى حد كبير على التجربة العملية، مدعومًا بالبيانات التجريبية والخبرة التشغيلية.

2. توصيف العمليات والطرق التحليلية

يُقاس أداء إزالة التهيج عادةً من خلال تركيز المركبات المتطايرة المتبقية أو جزء إزالة الغازات.

تشمل الطرق التحليلية ما يلي:

  • الكروماتوغرافيا الغازية

  • القياس الطيفي بالأشعة فوق البنفسجية

  • البولاروغرافيا

  • الكروماتوغرافيا السائلة عالية الأداء

يجب أن تأخذ عملية تحديد الخصائص في الاعتبار ما يلي:

  • مجالات تدفق موحدة ذات درجة حرارة ثابتة

  • تدرجات درجة الحرارة غير المنتظمة

  • ظروف تفريغ ذات ضغط متغير

يُعد القياس الدقيق للمونومرات المتبقية أمرًا ضروريًا للامتثال للوائح التنظيمية والحصول على شهادات المنتجات.

3. الوحدات الهيكلية والتصاميم الصناعية لأنظمة FSD

تتألف أنظمة FSD عمومًا من مكونين أساسيين هما:

  1. المبادل الحراري أو جهاز التسخين المسبق

  2. غرفة الفلاش

يتأثر الأداء تأثراً كبيراً بتوزيع المادة المنصهرة، وتجديد السطح، وكفاءة نقل الحرارة.

فيما يلي استعراض منظم للنهج الصناعية النموذجية.

الوحدات الهيكلية والتصاميم الصناعية لأنظمة FSD

3.1 تصميم جهاز التسخين المسبق وتحسين التبادل الحراري

تُعد أجهزة التسخين المسبق عنصراً أساسياً في كفاءة نظام القيادة الذاتية الكاملة (FSD). وتتمثل أغراضها في:

  • تسخين المادة المنصهرة عالية اللزوجة بسرعة وبشكل متجانس

  • الحد من ارتفاع درجة الحرارة الموضعي

  • تعزيز توليد البخار الخاضع للرقابة

تشمل التكوينات الشائعة ما يلي:

  • المبادلات الحرارية الأنبوبية

  • أنابيب مزودة بخلاط ثابت

  • قنوات شعاعية ذات فتحات ضيقة

  • هياكل قرصية مكدسة أفقياً

  • المبادلات الحرارية الداخلية ذات التصميم الخلوي

نقدم لكم أحدث التصاميم:

  • التحكم في التدرج الحراري

  • هندسة الأخدود المُحسَّنة

  • أجهزة محسّنة لتوزيع المادة المنصهرة

يقلل التسخين المتجانس من التدهور الموضعي ويحافظ على استقرار عملية التبخر في المراحل اللاحقة.


3.2 تكوين غرفة الفلاش والتحكم في زمن البقاء

تعمل غرف الفلاش في بيئة فراغية وقد تستخدم:

  • أغلفة الزيت الحراري

  • التدفئة بالبخار

  • التدفئة الكهربائية أثناء بدء التشغيل

تشمل المعلمات التشغيلية الحاسمة ما يلي:

  • التحكم في مستوى السائل

  • وقت الإقامة

  • استقرار الفراغ

يزيد طول مدة البقاء المفرط من خطر التدهور. ومع ذلك، في الأنظمة المعدلة بالمطاط، يمكن للتعرض الحراري المعتدل أن يساهم في تثبيت الشكل المورفولوجي للمطاط المشتت وتحسين مقاومة الصدمات.

يتم التحكم في مستوى السائل عادةً من خلال التنظيم الآلي لسرعة المضخة. وقد تعوض ملفات التسخين الإضافية التبريد الناتج عن التبخر، لكنها لا تصلح إلا للأنظمة غير المتشابكة.


3.3 اختيار مضخة تصريف الذوبان

يجب أن تكون مضخات التفريغ:

  • تعمل في بيئة تفريغ هوائي

  • مناسبة للمادة المنصهرة عالية اللزوجة

  • توفير فتحات تغذية كبيرة

تُستخدم المضخات التروسية والمضخات اللولبية على نطاق واسع.


3.4 تصميم نظام التكثيف والفراغ

يعزز التكثيف الفعال استقرار الفراغ.

تشمل الأنظمة النموذجية ما يلي:

  • مبردات البخار فائق السخونة

  • المكثفات الأنبوبية

  • مضخات تفريغ تعمل بنفث البخار متعددة المراحل

تُعد مضخات التفريغ الميكانيكية أقل شيوعًا في المنشآت الكبيرة الحجم.

4. طرق تحسين كفاءة إزالة الغازات

4.1 تحسين ظروف التشغيل

تحدد درجة التسخين الزائد (H₈ = Pi − Po) القوة الدافعة لعملية إزالة المركبات المتطايرة.

المكان:
Pi = ضغط بخار التشبع للمواد المتطايرة
Po = ضغط الغرفة

تشمل استراتيجيات التحسين ما يلي:

  • زيادة درجة حرارة الذوبان (في حدود التحلل)

  • الحد من انخفاض درجة الحرارة الناتج عن التبخر

  • خفض ضغط التفريغ

يخضع كل نهج لقيود تتعلق بتكلفة الطاقة واستقرار البوليمر.


4.2 إضافة مواد مساعدة على الاستخلاص ذات درجة غليان منخفضة

يمكن تعزيز عملية إزالة المواد المتطايرة بإضافة:

  • الماء أو البخار

  • الميثانول

  • ثاني أكسيد الكربون

  • النيتروجين

  • المذيبات العضوية ذات درجة الغليان المنخفضة

وتؤدي هذه العوامل إلى خفض الضغط الجزئي للمركبات المتطايرة وزيادة تدرجات التركيز.

يتطلب التنفيذ الفعال عملية خلط متكاملة عالية الأداء.


4.3 تقنيات التحسين المتقدمة

عندما ينخفض تركيز المادة المتطايرة انخفاضًا شديدًا، يؤدي تكوّن الفقاعات إلى الحد من الأداء.

تشمل التقنيات الناشئة ما يلي:

  • التجويف بالموجات فوق الصوتية

  • الاستخلاص بالسوائل فوق الحرجة

  • إزالة الغازات بمساعدة الموجات الميكروية

يُعد الاستخلاص فوق الحرج فعالاً بشكل خاص في حالة المواد المتطايرة ذات درجة الغليان العالية والحساسة للحرارة.


4.4 أنظمة إزالة المركبات المتطايرة متعددة المراحل

غالبًا ما تكون الأنظمة أحادية المرحلة غير كافية لتحقيق نسب عالية من إزالة المركبات المتطايرة.

توفر الأنظمة ذات المرحلتين ما يلي:

  • تحسين توزيع الطاقة

  • انخفاض حمل التكثيف

  • انخفاض الطلب على أنظمة التفريغ

  • تقليل مدة التعرض للحرارة

بالنسبة لمعظم المنشآت الصناعية، توفر المرحلتان التوازن الأمثل بين الاستثمار الرأسمالي والأداء.


4.5 تحسين تجديد السطح

بالنسبة للأنظمة عالية اللزوجة، تؤدي زيادة تجديد السطح داخل حجرة التبريد إلى تحسين:

  • معدلات الانتشار

  • معاملات انتقال الكتلة

  • الكفاءة الإجمالية لعملية إزالة الغازات

5. تقنية إزالة المركبات المتطايرة DODGEN DSXL

تُستخدم تقنية إزالة الغازات DODGEN DSXL في:

  • مبادلات حرارية عالية الكفاءة للسوائل اللزجة

  • الإطلاق المتحكم فيه للمواد المتطايرة بمساعدة المواد المضافة

  • توزيع متجانس للذوبان داخل حجرة التبريد السريع

  • تحسين مساحة السطح المعرضة

  • انخفاض مقاومة انتقال الكتلة بين الأسطح

بناءً على خصائص البوليمر، تقوم شركة DODGEN بتصميم:

  • الأنظمة أحادية المرحلة

  • خطوط إزالة الغازات متعددة المراحل

تشمل المعدات الأساسية ما يلي:

  • المبادلات الحرارية المختلطة

  • الخلاطات المدمجة

  • موزعات عالية الكفاءة

الهدف هو تحقيق ما يلي:

  • انخفاض مستويات المونومر المتبقية

  • انخفاض استهلاك الطاقة

  • جودة منتجات ثابتة

  • تكلفة تشغيل أقل

6. آفاق اعتماد هذه التكنولوجيا في القطاع الصناعي وتطويرها

تُستخدم أنظمة FSD على نطاق واسع في مصانع بلمرة الستايرين السائبة للأسباب التالية:

  • تكلفة رأس المال الأقل

  • بساطة التشغيل

  • إمكانية الوصول إلى الخدمات التشخيصية

  • مدى ملاءمتها للتحكم في عملية إزالة الغازات عن طريق الترغية

ومع ذلك، تشمل القيود ما يلي:

  • زيادة متوسط مدة الإقامة

  • تقل قابلية التطبيق بالنسبة لبعض أنظمة البوليمرات شديدة الحساسية

وتشمل اتجاهات التطوير المستقبلية ما يلي:

  • تصميمات أجهزة التسخين المسبق المدمجة عالية الكفاءة

  • تحسين الشكل الهندسي لفتحة الصهر

  • نظام متطور لتدوير وسائط التسخين

  • التكامل مع أجهزة إزالة الغازات الثانوية التي تعمل بتقنية الأغشية الرقيقة أو البثق

  • الاقتران فوق الحرج والموجات فوق الصوتية

  • المحاكاة الرقمية وتحسين العمليات

سيشكل خفض استهلاك الطاقة، وتحسين كفاءة نقل الحرارة والكتلة، وتصميم المعدات ذات الطابع المعياري، المرحلة التالية من تطور تقنية FSD.

الخاتمة

لا تزال عملية إزالة الغازات من الخيوط المتساقطة هي التقنية السائدة في مرحلة ما بعد المعالجة في مصانع البلمرة السائبة، وذلك بفضل التوازن المثالي الذي توفره بين:

  • كفاءة الطاقة

  • تكلفة المعدات

  • الموثوقية التشغيلية

ومن شأن التحسينات المستمرة في تصميم المبادلات الحرارية، وتوزيع المادة المنصهرة، والتكوين متعدد المراحل، وتقنيات نقل الكتلة المحسّنة أن توسع نطاق تطبيقاتها الصناعية بشكل أكبر.

مع تزايد الضغوط التنظيمية المتعلقة بالمونومرات المتبقية وتحوّل كفاءة الطاقة إلى أولوية استراتيجية أساسية، من المتوقع أن تظل أنظمة FSD المُحسَّنة عنصراً محورياً في هندسة المعالجة اللاحقة للبوليمرات.

[المراجع]

[1] وانغ كاي، سون جيان تشونغ. «معدات تفاعلات البلمرة الصناعية» [كتاب]. بكين: دار نشر شركة «تشونغغو تشيباو»، 1997، ص 271-280.

[2] بان تشين مين، ليو تشينغ. [مقال]. صناعة المطاط الصناعي، 1998، 21(4): 198-202.

[3] شي جيانجون، بان تشينمين، بان زورين. [مقال]. صناعة المطاط الصناعي، 1998، 21(3): 135~141.

[4] رامون ج. أ. إزالة المركبات المتطايرة من البوليمرات [C]. نيويورك: أكاديميك برس، 1996.

[5] جوردون ر. إي، ماكنيل ج. أ. جهاز إزالة البخار من الخيوط المتساقطة باستخدام جهاز تسخين مسبق واحد مع غرفتي تبريد سريع [براءة اختراع]. الولايات المتحدة: 3853672، 10 ديسمبر 1974.

[6] هاغبرغ، سي. جي. تقنية إزالة المركبات المتطايرة من الخيوط المتساقطة [ب]. الولايات المتحدة: 3928399، 23 ديسمبر 1975.

[7] نيومان، ر. إي. جهاز إزالة المركبات المتطايرة من الخيوط المتساقطة [براءة اختراع]. الولايات المتحدة: 4294652، 13 أكتوبر 1981.

[8] بير و. ج.، نوفاك ج. استخلاص مونومرات الألكينيل-العطرية عن طريق إزالة المركبات المتطايرة باستخدام تقنية «الشريط المتساقط» [ب]. الولايات المتحدة: 3884766، 1975-05 —20.

[9] بير و. ج.، نوفاك ج. استخلاص مونومرات الألكينيل-العطرية عن طريق إزالة المركبات المتطايرة باستخدام تقنية «الشريط المتساقط» [ب]. الولايات المتحدة: 3886049، 27 مايو 1975.

[10] يوجين ر. م.، روبرت أ. هـ. طريقة لإزالة المركبات المتطايرة من المواد البلاستيكية الحرارية [براءة اختراع]. الولايات المتحدة: 4952672، 11 أغسطس 1988.

[11] يوجين وان فانغ شوجو، «جهاز وعملية لإزالة الطابع المتطاير من البوليمرات عالية اللزوجة» [P]. الولايات المتحدة: 4954303، 4 سبتمبر 1990.

[12] كامينغز سي. ك.، مايستر ب. ج. جهاز إزالة المركبات المتطايرة من البوليمرات [P]. براءة اختراع أمريكية رقم: 5453158، 26 سبتمبر 1995.

[13] ويلر ج. ب.، ويلسون ل. د. «إزالة المركبات المتطايرة من البوليمرات» [P]. الولايات المتحدة: 5861474، 19 يناير 1999.

[14] فوجيموتو، س. «إزالة الطابع المتطاير من البوليمرات العطرية الألكينية» [ب]. الولايات المتحدة: 3987235، 19 أكتوبر 1976.

[15] أنيجا في. ب.، سكيبيك ج. ب. طريقة لإزالة المذيبات من محاليل البوليمرات [براءة اختراع]. الولايات المتحدة: 4808262، 28 فبراير 1989.

[16] فارار ج. رالف سي، هارتسوك دي. إل، وآخرون. «تقليل المواد المتطايرة المتبقية في بوليمرات الستايرين» [P]. براءة الاختراع الأمريكية رقم 5185400، 9 فبراير 1990.

[17] أبو الن، عثمان ت. موزع لجهاز إزالة الغازات [ب]. الولايات المتحدة: 4934433، 3 ديسمبر 1991.

[18] أبو الن، عثمان ت. إزالة التثبيت [ب]. الولايات المتحدة: 4934433، 19 يونيو 1990.

[19] موريتا ت.، شيمازو ك.، فوروكاوا م. إزالة الطابع المتطاير من تركيبة سائلة تحتوي على بوليمر ومكونات متطايرة [ب]. الولايات المتحدة: 5024728، 18 يونيو 1991.

[20] ماتيوسي أ، بونيربا سي، باليستري ف، وآخرون. عملية إزالة التطاير من محاليل البوليمرات [P]. الولايات المتحدة: 5084134، 28 يناير 1992.

[21] نومان إي. ب.، سزابو ت. ت.، كلوسيك ف. ب.، وآخرون. إزالة المركبات المتطايرة من تركيبات البوليمرات السائلة [P]. براءة الاختراع الأمريكية رقم 3668161، 6 يونيو 1972.

[22] ماكوردي ج. ل.، جارفيس م. أ. جهاز لإزالة المركبات المتطايرة على مراحل متعددة من البوليمرات القابلة للمعالجة بكميات كبيرة [ب]. الولايات المتحدة: 4383972، 17 مايو 1983.

[23] ماكوردي ج. ل.، جارفيس م. أ. «عملية إزالة المركبات المتطايرة متعددة المراحل للبوليمرات القابلة للمعالجة بكميات كبيرة [P]». براءة الاختراع الأمريكية رقم: 4439601، 27 مارس 1984.

[24] ريفرت ر. و.، هامبريشت ج.، يونغ ر. ه.، وآخرون. معالجة البوليمرات المشتركة لإزالة المونومرات المتبقية [P]. الولايات المتحدة: 5 مارس 1985.

[25]فينك ب.، وايلد ه.،زيزلسبيرغر ج.، وآخرون. عملية وجهاز لإزالة المكونات القابلة للتبخر من المحاليل اللزجة أو المواد المنصهرة من اللدائن الحرارية [ب]. الولايات المتحدة: 4153501، 1979-05 —08.

[26] سكيبيك ج. ب. «إزالة المركبات المتطايرة بمساعدة السوائل» [ب]. الولايات المتحدة: 5350813، 27 سبتمبر 1994.

[27] كروبينسكي، س. م.؛ ديسروش، د. «مصفوفة صواني إزالة المركبات المتطايرة» [براءة اختراع]. الولايات المتحدة: 5874525، 23 فبراير 1999.

[28] سكيبيك ج. ب. «إزالة المركبات المتطايرة بمساعدة الماء» [ب]. الولايات المتحدة: 5380822، 10 يناير 1995.

[29] كروبينسكي، س. م. «إزالة التفعيل» [مطبوعة]. الولايات المتحدة: 5691445، 25 نوفمبر 1997.

[30] سوسا ج. م.، سكيتس ر. م.، ويغسباك ج. ن.، وآخرون. طريقة لتقليل المركبات المتطايرة في الستايرين المبلمر [P]. الولايات المتحدة: 5540813، 30 يوليو 1996.

[31] ميتزينجر، ل.؛ جوتشالك، أ. «طريقة لإزالة المواد المتطايرة من محاليل البوليمرات» [ب]. براءة اختراع أمريكية رقم: 3865672، 26 سبتمبر 1975.

[32] كيموتو ك.، ياماغيساوا ي. «عملية وجهاز لإزالة المواد المتطايرة من التركيبات اللزجة» [ب]. الولايات المتحدة: 3694535، 26 سبتمبر 1972.

[33] يوي تشوان لونغ، تشن غوانغ يين، تشو وين شوان. [مقال]. صناعة البلاستيك، 1990(5):18-19.

[34] وي دان يي، جيانغ تشون يويو. [مقال]. الهندسة الكيميائية، 1999، 27(3): 5-7.

[35] جيانغ تشون يويو، بان تشين مين، بان تزو رين. [مقال]. صناعة المطاط الصناعي، 1996، 19(5): 303.

تابع فريق الهندسة لدينا على LinkedIn

تابعوا DODGEN على LinkedIn للاطلاع على رؤى في مجال هندسة العمليات، وآخر المستجدات في مجال التكنولوجيا الصناعية، وأبرز المشاريع، والخبرات العملية التي تدعم التنمية الصناعية الناجحة.

تكنولوجيا المعالجة الحلول الهندسية المشاريع الصناعية أخبار الشركة

ابقَ على اطلاع بأحدث مستجداتنا.

تابعونا على LinkedIn

حلول المعالجة الكيميائية

التطبيق

الاستدامة

أرسل لنا رسالة

متخصص في التفاعل والفصل، شركاء التكنولوجيا منخفضة الكربون

دودجن-شركة المعالجة الكيميائية-دودجن

اتصل بنا

نبذل قصارى جهدنا لتلبية احتياجاتك