Coagulation, encrassement et mélange pendant la polymérisation en émulsion du VDF

Coagulation, fouling and mixing during VDF emulsion polymerization

• Auteur / Autrice : Estela Gelinski
• Direction : Timothy McKenna, Nida Sheibat-Othman
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 07/09/2022
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Chimie (Lyon ; 2004-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Catalyse, Polymérisation, Procédés et Matériaux
• Jury : Président / Présidente : Nathalie Le Sauze
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Dimitrios Meimaroglou, Florence Andrioletti, David Edouard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nathalie Le Sauze, Dimitrios Meimaroglou

Mots clés

Mots clés contrôlés

Échangeurs de chaleur -- Encrassement

Coagulation

Transfert de chaleur

Polymérisation en émulsion

Mots clés libres

Coagulation

Encrassement

Mélange

Coagulation

Fouling

Mixing

Résumé

Le système multiphase rencontré dans les procédés de polymérisation en émulsion nécessite des quantités adéquates de produits chimiques dans la formulation pour assurer la stabilité des particules de polymère, et un mélange adéquat pour garantir la concentration du monomère dans la phase aqueuse et un bon transfert de chaleur. Au cours de la polymérisation, le latex peut perdre sa stabilité en formant un coagulum, en raison de facteurs physico-chimiques ou liés au processus, et des dépôts indésirables peuvent également se former sur la paroi du réacteur ou la surface de l'équipement interne. Ces matériaux hors spécifications peuvent réduire l'efficacité du transfert de chaleur du réacteur et entraîner une dégradation de la qualité du produit. Cela peut également augmenter les coûts de production en raison des arrêts non programmés pour nettoyer l'usine, et de la nécessité d'éliminer les déchets en toute sécurité. Ce travail présente une étude expérimentale sur la coagulation et l'encrassement du latex PVDF, en présence et en l'absence de réaction, ainsi que sur les effets du mélange pendant la polymérisation en émulsion. Les résultats suggèrent que la coagulation est principalement affectée par la teneur en solides, et qu'elle est liée à l'encrassement. Les deux phénomènes peuvent être minimisés en travaillant avec une concentration élevée de surfactant, l'utilisation de cire comme agent anti-encrassement et un traitement de surface comme l'électropolissage. Au cours des expériences liées à la coagulation et à l'encrassement, nous avons découvert que le transfert de masse était limité dans le réacteur. Grâce aux améliorations apportées au système d'agitation, il a été possible d'augmenter les coefficients de transfert de masse de 20 %, et un modèle de croissance des particules pendant la polymérisation en émulsion a été adapté pour prendre en compte cet effet pendant la réaction. Les résultats ont montré l'importance d'un modèle considérant que le monomère dans l'eau n'est pas en équilibre avec la concentration de gaz, principalement pour les polymérisations réalisées à faible vitesse d'agitation.

The multiphase system found in emulsion polymerization processes requires adequate amounts of chemicals in the recipe to provide stability to the polymer particles, and a proper mixing to guarantee the concentration of monomer in the aqueous phase and good heat transfer. During polymerization the latex can lose its stability forming coagulum, due to physico-chemical or process related factors, and also undesirable deposits can be found on the reactor wall or the surface of internal equipment. Such out of specification material can reduce the heat transfer efficiency of the reactor, and cause degradation of product quality. This may can also increase production costs due to unprogrammed shutdowns to clean the plant, and the need to dispose safely of waste material. This work presents an experimental study on the coagulation and fouling of PVDF latex, in the presence and absence of reaction, as well as the effects of mixing during the emulsion polymerization. The results suggested that the coagulation is mainly affected by the solids content, and it is related to fouling. Both phenomena can be minimized by working with a high concentration of surfactant, the use of wax as antifouling agent and a surface treatment like electropolishing. During the experiments related to coagulation and fouling, we discovered that there were mass transfer limitations in the reactor. With the improvements in the agitation set-up it was possible to increase the mass transfer coefficients in 20 %, and a model of particle growth during the emulsion polymerization was adapted to take into account this effect during the reaction. The results showed the importance of a model considering that the monomer in water is not in equilibrium with the gas concentration, mainly for polymerizations performed at low agitation speed.