The dynamic model of resin process

Abstract

Diplomityön tavoitteena oli laatia fenoliformaldehydihartsin valmistuksen kineettinen malli, jolla pystytään määrittämään reaktorin lämpötila ja fenoliformaldehydihartsin molekyylipainojakauma ajan funktiona. Rakennettavaa mallia on tarkoitus käyttää jatkossa keiton katkaisuhetken ennustamiseen.

Kineettisessä mallissa muodostettiin energiatase ja ainetaseet formaldehydille, eri kokoisille molekyyleille ja eri kokoisissa molekyyleissä oleville metyloliryhmille. Määritettäviä parametreja oli kuusi: Metyloloinnin ja kondensaation reaktionopeusvakioiden arvot referenssilämpötilassa sekä metyloloinnin ja kondensaation aktivoitumisenergioiden ja reaktioentalpioiden arvot. Mallin laskeminen suoritettiin Matlab-tietokoneohjelmaan luotujen tiedostojen avulla. Parametrit määritettiin vertaamalla reaktorin mitattua lämpötilaa ajan funktiona mallin perusteella laskettuun. Parametrien määrityksessä käytettiin myös geelipermeaatiokromatografilla määritettyä molekyylipainojakaumaa.

Mallin laatimisessa oletettiin mm. ettei orto-orto-siltoja ja eetteri-siltoja muodostu. Kondensaation oletettiin tapahtuvan kahden metyloliryhmän välillä vettä ja formaldehydiä vapauttaen. Metylolointireaktioiden oletettiin noudattavan ensimmäistä ja kondensaatioreaktioiden toista kertalukua. Lisäksi oletettiin, että reaktori on täysin sekoittunut. Tätä oletusta tukevat reaktorista aiemmin tehdyt sekoittumistutkimukset. Tiheys, viskositeetti, ominaislämpökapasiteetti ja reaktioentalpiat oletettiin vakioiksi keiton aikana.

Mallin perusteella laskettu lämpötila vastaa hyvin todellisesta prosessista mitattua reaktorin lämpötilaa ajan funktiona. Lämpötilan kohoaminen keiton loppuvaiheessa verrattuna mitattuihin arvoihin, on selitettävissä kondensaatiomekanismin valinnalla. Mallin mukaisen molekyylipainojakauman perusteella keiton loppuvaiheessa on todellista enemmän vapaata formaldehydiä jäljellä, joten kondensaatio voi tapahtua myös ilman, että formaldehydiä vapautuu. Jäljellä oleva formaldehydi saa reaktorin lämpötilan kohoamaan keiton loppuvaiheessa. Mallin mukaan laskettu molekyylipainojakauma vastaa muutoin suhteellisen hyvin geelipermeaatiokromatografilla määritettyä. Mallin parametreja muuttamalla voidaan vaikuttaa mallin laskemaan reaktorin lämpötilaan ajan funktiona. Parametreissa tehdyt muutokset saavat mallin mukaisen reaktorin lämpötilan muuttumaan odotetulla tavalla. Malli antaa hyvän lähtökohdan fenoliformaldehydihartsin keiton katkaisuhetken ennustavan mallin laatimiselle.