Modelagem matemática do processo de polimerização em suspensão em regimes de batelada e contínuo

Abstract

A técnica de polimerização em suspensão está restringida aos processos descontínuos, porque as condições fundamentais para a produção industrial em processos contínuos ainda não podem ser obtidas. Na literatura não se têm relatos de modelos matemáticos da polimerização em suspensão para sistemas contínuos. Neste trabalho foi desenvolvida a modelagem matemática para descrever a polimerização em suspensão em um reator tubular vertical agitado tanto em batelada como em contínuo. Foi considerada a existência simultânea dos processos de quebra e coalescência das gotas em polimerização, empregando um modelo de dispersão turbulenta homogênea de duas regiões e equações de Balanço Populacional (BP). A região de alta turbulência é próxima ao agitador e nesta acontece a quebra. A segunda região, situada longe do agitador tem baixa turbulência na qual ocorre o favorecimento da coalescência. Para descrever a reação da fase dispersa foi empregado um modelo cinético de iniciação térmica. O modelo permitiu realizar uma descrição detalhada do desenvolvimento da Distribuição do Tamanho das Partículas (DTP). O modelo foi validado com resultados experimentais para a operação em batelada. Mostrou ser adequado para representar: a cinética da polimerização, a evolução das propriedades do sistema reativo e DTP dos polímeros obtidos. Após validação, o modelo matemático foi utilizado para simular a operação contínua do reator tubular, radialmente uniforme e sem gradientes na direção do fluxo (axial), com a suposição de igual tempo de residência da fase dispersa durante a polimerização. A simulação do reator tubular vertical agitado em operação contínua, mostrou diferentes estágios relacionados com as propriedades da fase dispersa e sua transição de gotas monoméricas a partículas poliméricas. Embora a densidade da fase orgânica seja muito próxima à da fase aquosa ao longo da reação, os resultados mostraram que a operação contínua do reator tubular vertical agitado na polimerização em suspensão é possível.

Abstract: The suspension polymerization technique is restricted to discontinuous processes, because the fundamental conditions for industrial production in continuous processes can not yet be obtained. In the literature, there are no reports of mathematical models of suspension polymerization for continuous systems. In this work the mathematical modeling was developed to describe the suspension polymerization in a vertical tubular reactor agitated both in batch and continuous. It was considered the simultaneous existence of the breaking and coalescing processes in the polymerization drops, using a homogeneous turbulent dispersion model of two regions and Population Balance (PB) equations. The region of high turbulence is close to the agitator and in this happens the break. The second region, located far from the agitator, has low turbulence in which the coalescence favors. A thermal initiation kinetic model was used to describe the dispersed phase reaction. The model allowed a detailed description of the development of the Particle Size Distribution (PSD). The model has been validated with experimental results for the batch operation. It showed to be adequate to represent: the kinetics of the polymerization, the evolution of the properties of the reactive system and PSD of the polymers obtained. After validation, the mathematical model was used to simulate continuous operation of the tubular reactor, radially uniform and without gradients in the direction of flow (axial), with the assumption of equal residence time of the dispersed phase during the polymerization. The simulation of the agitated vertical tubular reactor in continuous operation showed different stages related to the properties of the dispersed phase and its transition from monomer droplets to polymer particles. Although the density of the organic phase is very close to that of the aqueous phase throughout the reaction, the results have shown that the continuous operation of the stirred tubular reactor in the suspension polymerization is possible.