From batch to continuous processes in free-radical polymerization : study of acrylic acid

This thesis work aims to propose a strategy to analyze and optimize the switch from batch to continuous configuration. Indeed, the main advantages and drawbacks recurrent in different reactor modes are studied. This elaborate is conducted by analyzing the essential concerns of the polymer production, such as safety, environmental aspects, product quality and cost management. In particular, the free radical solution polymerization of acrylic acid (AA) is considered and reproduced on a laboratory scale for batch, semi-batch, CSTR and CSTRs in series. In order to foresee the behavior of the reactor systems and to develop a strategy for the switch from batch to continuous, a mathematical model is proposed. This model involves the kinetic description of the AA solution polymerization. Matlab software is used to describe batch, semi-batch, CSTR and CSTRs in series configurations. In order to verify the model reliability, an experimental evaluation of the interesting parameters is conduced. Indeed, characterization techniques (i.e. thermogravimetric analysis, gel permeation chromatography) are used to work out experimentally conversion and molecular weight distribution (MWD). Each mathematical model is verified by experimental assets in duplicate in order to confirm the reproducibility of the experiments.

Questa tesi ha l’obiettivo di proporre una strategia per analizzare e ottimizzare il passaggio dalla configurazione batch a quella continua. Infatti, all’inizio sono stati studiati i principali vantaggi e svantaggi delle diverse configurazioni reattoristiche. Questa ricerca è stata condotta analizzando i temi principali della produzione di polimeri, come la sicurezza, gli aspetti ambientali, la qualità del prodotto e la gestione dei costi. In particolare, è stata considerata la polimerizzazione radicalica dell'acido acrilico (AA), riprodotta in laboratorio per i reattori batch, semi-batch, CSTR e CSTR in serie. Inoltre, è stato proposto un modello matematico per prevedere il comportamento dei reattori e per sviluppare una strategia per il passaggio dalla configurazione batch a quella continua. Questo modello si basa sullo schema cinetico della polimerizzazione di acido acrilico in soluzione, ed è stato implementato nel software Matlab per descrivere i reattori batch, semi-batch, CSTR e CSTR in serie. Per verificare l’affidabilità del modello, è stata condotta una valutazione sperimentale dei parametri di interesse. Infatti, sono state utilizzate delle tecniche di caratterizzazione (come l’analisi termo gravimetrica e la cromatografia a permeazione di gel) per calcolare la conversione sperimentale e la distribuzione del peso molecolare (MWD). Ogni modello matematico è stato verificato da prove sperimentali, riprodotte in duplice copia per confermare la riproducibilità degli esperimenti.