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Free-Radical Polymerization of Polystyrene Using Microreaction Technology

Lionel Sergio Méndez Portillo

PhD thesis (2011)

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Cite this document: Méndez Portillo, L. S. (2011). Free-Radical Polymerization of Polystyrene Using Microreaction Technology (PhD thesis, École Polytechnique de Montréal). Retrieved from https://publications.polymtl.ca/551/
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Abstract

La technologie de microréaction chimique est un sous domaine de l'ingénierie des procédés qui se concentre sur l'étude des réactions chimiques réalisées à l'intérieur de systèmes miniaturisés communément appelé microréacteurs. Les microréacteurs sont essentiellement des mélangeurs statiques miniaturisés fonctionnant en mode continu pour écoulements entraînés par la pression. Ils peuvent être constitués d'un ou plusieurs microcanaux parallèles de longueurs différentes de l'ordre des micromètres. Les microréacteurs se différencient fortement des réacteurs de synthèse traditionnels par plusieurs caractéristiques clés reliés à l’intensification des procédés telles que des plus élevés gradients de concentration et température, et une réduction du temps de mélange, une capacité de transfert de chaleur plus élevé, une augmentation de la surface d’échange surface/volume, etc. Les microréacteurs attirent de ce fait de plus en plus l’attention de la communauté scientifique qui y voit l’opportunité d’accéder à des voies de synthèse jusqu’alors inaccessibles dans les réacteurs classiques. Il existe actuellement de nombreux microréacteurs disponibles commercialement conçus pour atteindre des conditions de haute pression et température. Ces microréacteurs peuvent être produits en masse par des techniques de fabrication de pointe. Par conséquent, de nouvelles applications sont envisagées afin de les utiliser comme outils de production alternatifs dans différents domaines de l'ingénierie. Un exemple serait l’utilisation de cette technologie pour la production de polymères. Les avantages présentés par les microréacteurs en termes de contrôle de température et conditions de mélange sont non négligeables lorsque l’on considère les réactions de polymérisation, généralement fortement exothermiques et extrêmement sensibles en termes de mélange des réactifs. Malgré cela, la technologie de microréaction n'a été que très peu utilisée dans les processus de polymérisation en continu. Pour faire l’évaluation du vrai potentiel de ce type de technologie la caractérisation hydrodynamique du microréacteur est une étape essentielle. Dans ce contexte, la distribution du temps de séjour (DTS) est un outil majeur pour caractériser l’hydrodynamique d’un réacteur chimique quelque soit l’échelle. La DTS renseigne sur le comportement d’un écoulement, sur les processus de mélange et leur interaction avec la cinétique des réactions survenant à l'intérieur d’un réacteur. Le temps passé par une molécule sous les conditions de réaction dans un système aura une incidence sur la probabilité de cette dernière de réagir. De ce fait, la mesure, l'interprétation et la modélisation de la DTS sont des aspects importants pour la prédiction de la composition finale d’un système impliquant une réaction chimique. On note toutefois, que dans la plupart des cas sur la technologie de microréaction, l’étape de caractérisation a été menée sur des équipements de laboratoire destinés à des fins de visualisation et non conçus pour l’opération dans des conditions de haute pression et température. Seuls quelques rapports expérimentaux existent sur la caractérisation des unités commerciales de microréaction et les informations sur leur utilisation en tant que réacteur de polymérisation sont rares. On comprend de ce fait pourquoi des études de faisabilité sont nécessaires afin de déterminer dans quelle mesure la technologie de microréaction peut être appliquée pour les réactions polymérisation. Pour de telles applications, la distribution du débit total dans chacun des microcanaux peut affecter le transfert de chaleur et l'efficacité du mélange modifiant les conditions de réactions pendant la polymérisation, jouant ainsi rôle sur les propriétés finales du produit. L'objectif général de ce projet est d’évaluer la faisabilité d’utiliser la technologie de microréaction pour la production en mode continu de polymère tout en développant une meilleure compréhension de l'écoulement et des caractéristiques de mélange pour la conception de microréacteur le plus performant. La réaction de polymérisation du monomère styrène en utilisant des initiateurs de peroxyde sera utilisée comme système de réaction. La méthodologie de ce projet est planifiée pour s’adresser à l’hydrodynamique et à la performance du mélange, à la capacité de transfert de chaleur et au niveau de conversion de polymères obtenus dans deux microréacteurs ayant des mécanismes de micromélange différents et des échangeurs de chaleur intégrés. Les mécanismes de mélange considérés sont le mécanisme de division-et-recombinaison d’écoulements (SAR par ses sigles an anglais: split-and-recombination), et la subdivision d’écoulement par des structures interdigitaux; et ce qui sont les deux principes de mélange les plus fréquemment utilisés pour les microréacteurs commerciaux. -------- Microreaction technology is presently a well established subfield of the chemical microprocess engineering that focuses on the study of chemical reactions conducted inside of the structured channels of miniaturized flow vessels commonly referred as microreactors. Microreactors are essentially miniaturized static mixers that operate in continuous mode under pressure driven flow. They can be composed of single or multiple parallel microchannels of different lengths with typical cross sections in the micrometer range. The gradients of the physical properties of a material are increased when its linear dimensions are reduced and some of theses gradients, e.g. temperature and concentration, are particularly important for the control of chemical engineering processes. Consequently, microreaction technology has drawn great attention from the process engineering community during the last decades due to their theoretical benefits in terms of transport phenomena and due to their new envelope of reaction conditions otherwise inaccessible in macroscopic equipment. Presently, there is a large repertoire of commercially available microreactors designed and built for mechanical robust operation which can be mass produced by state-of-the-art manufacturing techniques. Therefore, new applications are being sought for existing microreaction equipment trying to incorporate them as alternative production tools into different fields of engineering. In this context polymer reaction engineering applications could fully exploit the benefits of microreaction conditions in terms of temperature control and fast mixing since polymerization reactions are usually highly exothermic and extremely sensitive to the level of mixing of the reactants. Nevertheless microreaction technology has not been extensively applied in continuous polymerization processes. Residence time distribution (RTD) theory is a major tool for reactor characterization at any scale level that provides substantial insight of flow behavior and mixing processes and their interaction with the kinetics of reactions occurring inside a flow vessel. The time a molecule spends under reaction conditions in a reactive system will affect its probability of reacting; therefore the measurement, interpretation and modeling of RTD are important aspects for the prediction of the final composition of the system. However, for the most part such type of characterization has been conducted on laboratory equipment intended for visualization purposes and not for more demanding operating conditions. Only few experimental reports exist on the characterization of commercial microreaction units and information about their capabilities as polymerization reactors is not available at all. In this context feasibility studies are necessary in order to determine the extent of applicability of microtechnology in the polymer reaction engineering field. For such applications, the flow distribution in microchannel networks can affect the heat transfer and mixing efficiency at the microscale modifying the working conditions accessible during polymerization which will consequently affect the final properties of the product. The general objective of this project is to test the feasibility of individual microreaction units to be used for continuous polymer production and to develop a better understanding of the flow and mixing characteristics of specific microreactor commercial designs. The peroxide initiated polymerization of styrene monomer will be used as reaction system. The methodology of this project is structured as to address the hydrodynamic and mixing performance, the heat transfer capabilities and the level of conversion of polymer achieved on two microreactors featuring different micromixing mechanisms with integrated heat exchangers. The mixing mechanisms considered are the split-and-recombination (SAR) mechanism and the multilamination of flow by means of interdigital structures which are two mixing principles most frequently featured by commercial microreactors.

Open Access document in PolyPublie
Department: Département de génie chimique
Dissertation/thesis director: Philippe Tanguy and Charles Dubois
Date Deposited: 16 Aug 2011 16:04
Last Modified: 24 Oct 2018 16:10
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/551/

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