Batch-to-continuous transition in polymerization processes : study of methacrylic acid solution polymerization

This work is intended to provide a possible methodology to approach the shift from discontinuous to continuous polymerization processes. Indeed, in general, the Batch-to-Continuous transition is gradually acquiring significance in the chemical industry due to economic and practical reasons. The specific process which is dealt with in this thesis is the solution polymerization of methacrylic acid. This reaction has been carried out in batch, semi-batch and continuous mode. Concerning the batch mode, firstly kinetic data have been found in the literature in order to make a numerical simulation; consequently, several experiments have been carried out to get information about conversion and to compare the experimental results with the theoretical ones obtained in the MATLAB simulations. Semi-batch reactions, instead, have been carried out not by relying on the literature, which does not contain many examples of reaction with this kind of set-up, but only by counting on the experience in the laboratory. The output variable of interest is still the reaction conversion, that is experimentally evaluated through gravimetric analysis and nuclear magnetic resonance (NMR). In addition, in both batch and semi-batch reactions, the initiator concentration has been varied in order to perform a first sensitivity study on an important variable. Finally, CSTR set-up has been conceived as being able to reproduce the unsteady and the steady state of the continuous methacrylic acid polymerization. Peristaltic pumps, whose calibration curves were obtained in the laboratory itself, have been used.

Il presente lavoro è volto a fornire una possibile metodologia utile per affrontare il passaggio, nel caso specifico dei processi di polimerizzazione, dalle modalità di conduzione discontinue, maggiormente utilizzate a livello industriale, a delle produzioni in continuo. La spinta verso la realizzazione di impianti operanti in continuo sta acquistando notevole importanza nell’industria chimica, per via dei vantaggi economici e pratici che comporterebbe. Il tipo di processo trattato in questa tesi è la polimerizzazione in soluzione di acido metacrilico. Questa reazione è stata condotta in modalità batch, semi-batch e in continuo. Per quanto riguarda la modalità batch, sono stati prima reperiti in letteratura i dati cinetici necessari ad una simulazione numerica; successivamente, sono state eseguite una serie di prove sperimentali volte a determinare la performance del reattore considerato in termini di conversione, così da poter comparare i risultati teorici della simulazione eseguita in MATLAB con i dati sperimentali ricavati in laboratorio. Le reazioni in modalità semi-continua, invece, sono state affrontate ex novo, dal momento che non sono presenti in letteratura molte informazioni e dati relativi a produzioni in semi-batch di acido polimetacrilico. Anche in questo caso, la variabile di output valutata sperimentalmente è la conversione, ricavata tramite analisi gravimetrica e risonanza magnetica nucleare (NMR). Inoltre, sia negli esperimenti in batch che nei semi-batch, è stata fatta variare la concentrazione di iniziatore per avere un primo studio di sensitività su una variabile importante. Infine, la configurazione CSTR è stata realizzata al fine di ricavare dati sperimentali sulla fase transitoria e sulla fase stazionaria. Per le reazioni condotte in continuo sono state utilizzate delle pompe peristaltiche, di cui sono state ricavate le rette di calibrazione.