Совсем недавно покрытия и сырьевые материалы для них производились посредством ограниченного набора устоявшихся методов производства. Но в последние годы изучались и выводились на рынок новые технологии, которые представляют собой не просто значительное усовершенствование традиционных методов, но и демонстрируют различные подходы к производству. Специалисты всегда стремились повысить качество и скорость производства, но иногда то, что получается при помощи нового процесса, можно назвать «новым продуктом»…
Реакторы и традиции
Как производится смола, добавка для покрытий или любое химическое соединение разумной степени сложности? Традиционный ответ заключался в его приготовлении в реакторе при высокой температуре и давлении вместе с подходящими катализаторами. Появляются несколько более сложных технологий, некоторые из которых уже появились на рынке. Другие стоят в стороне, ожидая своего триумфального появления на сцене мирового рынка. По словам одного из ведущих исследователей в этой области, Рошана Ячука, главная проблема при разработке заключается просто в том, что «Обрабатывающая промышленность очень, очень консервативна. Это гонка, в которой победитель приходит вторым. Все учебники, по которым учатся инженеры-технологи, говорят, что участвующие в реакции элементы следует положить в чан и смешивать». Однако появляется понимание того, что этот способ является одним из наименее эффективных.
Ускорение реакций
Температура внутри реактора периодического действия обычно контролируется при помощи изменения температуры теплохладоносителя в запечатанной емкости, находящейся за пределами реактора. Но британская инженерная компания Ashe Morris разработала систему Coflux, которая гораздо быстрее реагирует на изменение условий и в то же время включает реактор в калориметр, поэтому появляется возможность наблюдать за поглощением тепла или проведением экзотермических реакций.
Нагревательная рубашка заменяется комплектом медных труб, прикрепленных к медным ободам, которые обводятся вокруг реактора и независимо соединяются с системой подводящих и обратных труб. Количество труб, подводящих тепло (или охлаждение), можно изменить почти мгновенно, перемещая поршень в подводящих или обратных трубах. Более быстрое изменение температуры повышает эффективность реакций, степень чистоты продукта и уровень безопасности.
Недавно компания также получила исследовательский грант правительства Великобритании на разработку нового типа реакторов непрерывного действия, который уже защищен патентом.
Уменьшение габаритов технологической установки для непрерывного производства
Реакторы непрерывного действия, объем которых измеряется в миллилитрах, вводятся в коммерческую эксплуатацию с целью: Осуществления параллельного синтеза, где можно проводить быстрое сравнение различий между большими количествами ингредиентов или условиями обработки; Производства продуктов, необходимых в небольших количествах, например, витаминов, лекарственных препаратов и высокоочищенных лабораторных химикатов. Однако границы процесса определяются не этим. Микрореакторы обладают рядом значительных преимуществ над крупными механизмами: Соотношение поверхности и объема может быть в сотни раз выше, что приводит к ускорению нагревания и реакции (и, наоборот, к облегчению контроля за чрезвычайно экзотермическими реакциями);
Обеспечивается тесное перемешивание, что также ускоряет периоды реакции. Эти факторы способствуют созданию «более чистых» реакций с более точным контролем условий реакции и меньшим количеством побочных продуктов. Таким образом становится понятно, что самый серьезный недостаток микрореакторов заключается в их размерах, которые слишком малы для общего коммерческого применения. Однако существует простое решение. Блоки можно соединять параллельно (или с самого начала проектировать как ряд «параллельных процессоров»), и их непрерывная работа в сочетании с быстрой очисткой позволит небольшим установкам иметь сравнительно высокую выработку. Один микросмешиватель, обладающий 20,000 микроканалов, спроектирован для производства 20 тонн в день. Устраняются старые проблемы увеличения масштабов, когда обнаруживалось, что реакции, проходящие идеально в лаборатории, создают любопытные проблемы при их проведении в крупном реакторе. Это удается сделать благодаря тому, что реактор, используемый в лаборатории, значительно «усложняется» для целей производства.
Аналогичная концепция применялась на чуть более высоком масштабе группой BHR group, чей реактор FlexReactor выглядит как обычный цилиндрический резервуар, но на самом деле он содержит 14 или более трубчатых реакторов, которые могут соединяться параллельно и/или последовательно с возможностью подключения другого оборудования между помостами для реакторов. Опытные реакторы могут производить до 1000 тонн в год. При этом период простоя может варьироваться от 2 секунд до 30 минут, рабочее давление может достигать 20 бар. Соединительные разъемы можно реконфигурировать с целью получения любого сочетания последовательных и параллельных технологических операций с добавлением сырьевых материалов или внесением других изменений между стадиями. Таким образом, для одного реактора можно найти огромное количество различных применений в производстве самых разных продуктов. Компания также поставляет производственные установки полного цикла, спроектированные для конкретных целей и сохраняющие способность реконфигурирования в течение нескольких часов при необходимости.1
Новые витки реакций
Другим способом уменьшения размеров является применение Центробежного дискового реактора. В этом случае материалы подаются к центру быстро вращающегося ребристого диска и выбрасываются наружу действием центробежной силы. В тонкой пленке создаются высокотурбулентные условия, в результате чего происходит быстрое и тесное перемешивание продуктов. Компактность размера позволяет осуществлять быстрый контроль температуры. Некоторое представление о размерах таких механизмов дает опытная модель установки, предложенная британской компанией Protensive, в которой диаметр диска составляет 30 см, а максимальная производительность составляет 150 кг в час. Возможно повторное применение. Они уже находятся в коммерческом использовании. Впервые они были применены в производстве лекарственных препаратов. | Схема работы центробежного дискового реактора |
Трубы для подачи жидкости (одна или более) Течение жидкой пленки над диском
Выходное отверстие для газа (опционально) Защитная плита (опционально)
Входное отверстие для газа (опционально) Стенки с контролируемой температурой
Падающая пленка на стенках Вращающийся диск
Теплохладоноситель Вращающийся стержень Отверстие для выхода жидкого продукта
Реакция длится менее секунды. Высокие температуры, при которых проходит реакция, могут использоваться, почти не создавая риск повреждения продукта. Помимо осуществления реакций, очень тонкая пленка позволяет летучим растворителям эффективно десорбироваться после завершения реакции. Практически весь процесс очистки реактор осуществляет самостоятельно.
В реакторах этого типа часто уменьшается полидисперсность полимеров. Также было обнаружено, что степень ветвления поли н-бутил акрилата можно изменить, просто варьируя центробежную силу, которая действует во время реакции полимеризации.2 При помощи миниатюрного реактора можно быстрее и проще изменить уровень производства.
Интересен тот факт, что инициируемые УФ-излучением реакции полимеризации, которые в настоящее время обладают небольшой коммерческой ценностью, могут получить широкое распространение, так как УФ-излучению надо будет проникать через находящуюся на диске пленку в 200-300 µm, а не через массивный резервуар.
|
