Modélisation des procédés de polymérisation en émulsion par des modèles à bilans de populations : applications à la polymérisation du chlorure de vinyle

Population Balance Modeling of Emulsion Polymerization Reactors : applications to Vinyl Chloride Polymerization

• Auteur / Autrice : Hugo Vale
• Direction : Timothy McKenna
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Lyon 1

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Latex

Polymérisation en émulsion

Chlorure de vinyle

Résumé

This thesis is a contribution to the development of population balance models of emulsion polymerization and, more particularly, to the modeling of particle formation and particle size distribution (PSD) in vinyl chloride emulsion polymerization. The rst part of the work is dedicated to the acquisition of experimental data. Ab initio polymerizations were done to obtain reliable data regarding the dependence of the particle number on the concentration of surfactant, as well as to analyze the effect of the initiator concentration, stirring rate, and monomer-to-water ratio upon the particle number and the polymerization kinetics. In addition, seeded polymerizations were carried out at different concentrations of seed latex and emulsifier in order to quantify the influence of these factors on the onset and extent of secondary particle formation. Moreover, the adsorption isotherms of SDS and SDBS on poly (vinyl chloride) latex particles were determined. The second part of the manuscript focuses on the development of the population balance model. A special feature of the model proposed in this work is the computation of the coupled radical number and particle size distributions by the zero-one-two population balance equations. Overall, the examples presented show that the model can capture the tendencies observed in the polymerizations with physically reasonable values of the unknown/ adjustable parameters. With respect to particle formation, it was seen that including the possibility of particle nucleation (homogeneous and micellar) by exited radicals helps to explain the high particle numbers observed and the fact that the initiator concentration has a negligible effect on the particle number. Moreover, it was demonstrated that particle coagulation must be taken into account in order to obtain plausible PSDs and to avoid the use of abnormally low values of the efficiency of radical entry into micelles. In the third and last part, two novel numerical methods for the solution of population balances of interest to emulsion polymerization systems are presented and discussed

Cette thèse est une contribution au développement de modèles mécanistiques de la polymérisation en émulsion et, plus particulièrement, une contribution à la modélisation de la formation des particules et de leur distribution de taille (DTP) lors de la polymérisation en émulsion du chlorure de vinyle. La première partie de l'étude est consacrée à l'obtention de données expérimentales. Des polymérisations ab initio ont été réalisées afin d'obtenir des données fiables sur l'effet de la concentration de tensioactif, concentration d'initiateur, vitesse d'agitation et rapport monomère/eau sur le nombre de particules formées et sur la cinétique de polymérisation. Des polymérisations ensemencées ont également été réalisées afin de déterminer l'influence de la quantité de semence et de la concentration de tensioactif sur la formation de particules par nucléation secondaire. Enfin, les isothermes d'adsorption du SDS et du SDBS sur des particules de latex de poly (chlorure de vinyle) ont été déterminées. La deuxième partie de l'étude concerne le développement et la validation du modèle de polymérisation. Celui-ci à la particularité d'utiliser les bilans de population propres aux systèmes ‘zéro-un-deux' pour déterminer la distribution jointe du nombre de radicaux et de la taille des particules. Dans l'ensemble, les résultats obtenus montrent que le modèle proposé est capable de décrire les principaux comportements retrouvés lors des polymérisations avec des valeurs physiquement plausibles des paramètres inconnus ou ajustables. Pour ce qui concerne la formation des particules, il s'avère que la prise en compte de la possibilité de nucléation (homogène ou micellaire) par les radicaux désorbés aide à expliquer les valeurs élevées du nombre de particules ainsi que l'effet négligeable de la concentration d'initiateur sur le nombre de particules. En autre, il est démontré que le phénomène d'agrégation des particules doit être pris en considération afin d'obtenir des DTPs cohérentes. Dans la troisième et dernière partie, deux nouvelles méthodes numériques pour la résolution de bilans de population d'intérêt pour la modélisation des systèmes de polymérisation en émulsion sont proposées et analysées