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1 - LES POLYMÈRES EN TANT QUE « PRODUITS DE PROCÉDÉS »

2 - SCHÉMA CINÉTIQUE. DISTRIBUTION « INSTANTANÉE » DES DEGRÉS DE POLYMÉRISATION

3 - RÉACTEURS DE POLYMÉRISATION. DISTRIBUTION « CUMULÉE » DES LONGUEURS DE CHAÎNES

4 - ANALYSE DIMENSIONNELLE D’UN RÉACTEUR HOMOGÈNE ET ISOTHERME DE POLYMÉRISATION

5 - CONCLUSION SUR LA MÉTHODOLOGIE GÉNÉRALE

6 - GLOSSAIRE

7 - SIGLES, NOTATIONS ET SYMBOLES

Article de référence | Réf : AF6046 v1

Réacteurs homogènes de polymérisation radicalaire - Conception et fonctionnement

Auteur(s) : Alain DURAND, Sandrine HOPPE, Dimitrios MEIMAROGLOU, Christophe SERRA, Rabih RACHET, James WILSON

Relu et validé le 25 nov. 2021

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Présentation

RÉSUMÉ

Les réacteurs de polymérisation radicalaire en milieu homogène sont ici abordés. Après avoir défini les caractéristiques structurales des macromolécules et les modèles de réacteurs, le schéma cinétique d’une polymérisation radicalaire est détaillé. Les liens entre le réacteur de polymérisation et le polymère produit (quantité et qualité) sont établis par la méthode des moments associée aux bilans de matière (réactifs et macromolécules) et au bilan enthalpique. Les nombres sans dimension décrivant le fonctionnement du réacteur sont déterminés.

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ABSTRACT

Homogeneous Reactors for Radical Polymerization. Design and Operation

This article focuses on reactors for radical polymerization in homogeneous medium. After defining structural characteristics of macromolecules as well as reactor models, kinetic scheme of radical polymerization is discussed in detail. The links between the type of reactor and the manufactured polymer are established following the method of moments combined with mass balances (reactants and macromolecules) and enthalpic balance. Dimensionless numbers characterizing reactor operation are defined.  

Auteur(s)

  • Alain DURAND : Professeur à l’université de Lorraine - Laboratoire de chimie physique macromoléculaire, CNRS, Université de Lorraine, Nancy, France

  • Sandrine HOPPE : Chargée de recherche au CNRS - Laboratoire réactions et génie des procédés, CNRS, Université de Lorraine, Nancy, France

  • Dimitrios MEIMAROGLOU : Maître de conférences à l’université de Lorraine - Laboratoire réactions et génie des procédés, CNRS, Université de Lorraine, Nancy, France

  • Christophe SERRA : Professeur à l’université de Strasbourg - Institut Charles Sadron, CNRS, Université de Strasbourg, Strasbourg, France

  • Rabih RACHET : Responsable de l’équipe procédés - Solvay, Lyon, France

  • James WILSON : Responsable recherche et innovation Synthèse de polymères - Solvay, Aubervilliers, France

INTRODUCTION

La polymérisation radicalaire est utilisée pour produire une très grande variété de polymères (de commodité, techniques ou de spécialité), tant à l’échelle du laboratoire qu’à l’échelle industrielle. Dans un procédé de fabrication de polymère, le rôle du réacteur de polymérisation est essentiel puisque c’est lui qui est responsable des caractéristiques structurales des macromolécules produites et qu’il est très difficile de les modifier ultérieurement. Les polymères sont ainsi dénommés « produits de procédés » du fait du lien étroit existant entre leurs propriétés d’application et les conditions dans lesquelles ils sont produits. L’ingénieur doit donc aborder les questions habituelles du génie de la réaction chimique (conception, transposition, extrapolation, optimisation d’un réacteur de polymérisation) en intégrant toutes les conséquences de cette spécificité.

L’objectif de cet article est de faire le point des connaissances nécessaires tant en ce qui concerne la polymérisation radicalaire que la description des réacteurs, en se concentrant sur les procédés impliquant un milieu réactionnel monophasique (homogène). Il s’agit donc d’un état de l’art général. Les informations fournies doivent permettre au lecteur de développer une approche quantitative pertinente adaptée à des cas particuliers de réacteurs et de monomères. Les critères de performance d’un réacteur de polymérisation sont définis tant en quantité qu’en qualité du polymère produit à partir d’une description des caractéristiques structurales des macromolécules. Le schéma cinétique d’une polymérisation radicalaire en milieu monophasique est ensuite décrit en détail ainsi que les expressions des vitesses des processus élémentaires. Les approximations usuelles sont présentées et leur validité est discutée. La nécessité d’une connaissance précise des processus élémentaires se déroulant dans le réacteur est soulignée. La prise en compte du choix de réacteur sur le polymère produit est présentée en utilisant la méthode des moments, les modèles classiques de réacteurs idéaux, les bilans de matière (réactifs et macromolécules) et le bilan enthalpique sur le réacteur. L’extension à des réacteurs non idéaux est abordée. Enfin, l’analyse dimensionnelle d’un réacteur de polymérisation permet de dégager les paramètres importants pour l’extrapolation et la transposition des résultats.

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KEYWORDS

reactor models   |   method of moments   |   mass balances   |   enthalpic balance   |   radical polymerization

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-af6046


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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - PLADIS (P.), MEIMAROGLOU (D.), KIPARISSIDES, (C.) -   Prediction of the viscoelastic behavior of low-density polyethylene produced in high-pressure tubular reactors.  -  Macromol. React. Eng., 9, p. 271-284 (2015).

  • (2) - BROOKS (B.W.) -   Why are polymerization reactors special?  -  Ind. Eng. Chem. Res., 36, p. 1158-1162 (1997).

  • (3) - MCKENNA (T.), SCHWEICH (D.) -   Réacteurs de polymérisation  -  Génie de la réaction chimique. Tec & Doc Lavoisier (2001).

  • (4) - MEIRA (G.R.), OLIVA, (H.M.) -   Molecular weight distributions in ideal polymerization reactors. An introductory review.  -  Latin American Appl. Res., 41, p. 389-401 (2011).

  • (5) - NAUMAN (E.B.) -   4 Polymerization reactor design  -  Polymer Reactor Engineering. Chapman & Hall (1994).

  • (6)...

ANNEXES

  1. 1 Annuaire

    1 Annuaire

    Organismes – Fédérations – Associations (liste non exhaustive)

    Groupe français d’études et d’applications des polymères

    https://www.gfp.asso.fr/

    Société française de génie des procédés

    http://www.sfgp.asso.fr/

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    Entraînez vous autant que vous le voulez avec les quiz d'entraînement.

    2/ Test de validation

    Lorsque vous êtes prêt, vous passez le test de validation. Vous avez deux passages possibles dans un laps de temps de 30 jours.

    Entre les deux essais, vous pouvez consulter l’article et réutiliser les quiz d'entraînement pour progresser. L’attestation vous est délivrée pour un score minimum de 70 %.


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