Computational modeling of reacting flow inside the polyamide 66 polymerization line

Abstract

Poliamid 66 üretmek için kullanılan yöntemlerden biri sürekli polimerizasyondur. Bu üretim yönteminde reaksiyon sürekli devam eder ve reaksiyon sonunda ulaşılması hedeflenen belirli bir viskozite değeri vardır. Yüksek sıcaklık veya yüksek bekletme süresi nedenli degredasyon ve çapraz bağlanmalar meydana gelebilir. Bu tezde, sürekli polimerizasyon hattının geometrik yapısının hat çapı üzerindeki viskozite artışına, viskozite oluşum profiline ve jel oluşumuna etkisi araştırılmıştır. Viskozite değişimini ve nozzle boyunca etki miktarını incelemek için reaktif akış modeli analizde kullanılmıştır. Kordsa Teknik Tekstil A.Ş.'nin Hat 1 Naylon İplik Üretim Tesisi'nde bulunan polimerizasyon hattında yapılan ölçümler sonucunda elde edilen verilerle sıcaklık-viskozite ilişkisi curve-fit fonksiyonu ile oluşturulmuş ve COMSOL programına entegre edilmiştir. Gizlilik nedeniyle bu sıcaklık - viskozite ilişkisi doğrudan verilmemiş değerler gizliliği koruyacak şekilde değiştirilmiştir. Nozzle geometri etkisini gözlemlemek için dört farklı nozzle geometri dizaynı analiz edilmiştir. Bu dizaynlar: Kordsa polimerizasyon hattındaki mevcut nozzle baz alınarak tasarlanan nozzle, dar açı ile tasarlanmış nozzle, geniş açı ile tasarlanmış nozzle ve düz boru hattı olarak tasarlanmış nozzle'dır. Analizler sırasında giriş ve çıkış sınır koşulları, sıcaklık parametreleri sabit tutularak yalnızca geometri parametreleri değiştirilmiştir. Tüm denklem setleri ve kurucu ilişkiler Comsol programı yardımı ile çözülerek analizler gerçekleştirilmiştir. Yapılan analizlere göre sıcaklık, giriş, çıkış ve duvar sınır koşullarında herhangi bir değişiklik olmaksızın yalnızca geometride yapılan değişik ile viskozite oluşum profili değişmiştir. Dört farklı nozzleda yapılan analizlerde dört farklı viskozite, sıcaklık ve reaksiyon profili elde edilmiştir. Akış analizine göre boru hattı çapı daraldıkça merkezde bulunan polimer geniş olan hat çapına göre daha çok ısınmaktadır. Bununla birlikte, bu ısıtma nedeniyle reaksiyon dinamikleri değişmektedir. Düz bir boru hattı olarak tasarlanan nozzle tasarımında reaksiyon hızı en düşüktür ve en düşük viskozite değeri bu nozzleda görülmektedir. Giriş ve çıkış hat çapları aynı olmasına rağmen, farklı viskozite oluşum profillerinin elde edilmesi, çap daralma açısının reaksiyon dinamikleri üzerinde önemli bir etkiye sahip olduğunu göstermektedir.

One of the methods used to manufacture polyamide 66 is continuous polymerization. In this manufacturing process, the reaction proceeds continuously, and a specific viscosity value is reached at the end of the reaction. Degradation and cross-linking may occur due to high temperature with high residence time. The average molecular weight drops, and the viscosity decreases due to degradation. These degradations also affect the viscosity build-up profile estimated along the polymerization line and disturb the viscosity increase homogeneity according to the degradation formation. In this thesis, the effect of the geometric structure of the continuous polymerization line on the viscosity build-up, the viscosity formation profile, and the gel formation were investigated. The reacting flow model was used in the research to analyze the viscosity change and the amount of influence through the nozzle. The temperature-viscosity relationship was established with the curve-fit function and integrated into the COMSOL software with the data obtained from the measurements made in the polymerization line at the Line 1 Nylon Yarn Production Facility Kordsa Teknik Tekstil A.Ş. This temperature-viscosity relation is not given directly for confidentiality reasons, and values have been changed accordingly. Four different nozzle geometry designs were investigated to examine the nozzle geometry effect. First nozzle is designed based on the existing nozzle in the Kordsa polymerization line, second nozzle is designed with narrow-angle, third nozzle is designed with wide-angle, and fourth nozzle is designed as a straight pipeline. Only the geometry parameters were changed during the analysis by keeping the inlet and outlet boundary conditions and temperature parameters constant. All equation sets and constitutive relations were solved with the assistance of COMSOL software, and analyses were carried out. According to the studies, the viscosity formation profile varied with the change made in the geometry parameters without changing the temperature, inlet, outlet, and wall boundary conditions. In the analyses made in four different nozzles, four different viscosity, temperature, and reaction profiles were obtained. According to the flow analysis, as the pipeline diameter narrows, the polymer in the center heats up more than the wider diameter. However, due to this heating, the reaction dynamics change. In the nozzle, which is designed as a straight pipeline, the reaction rate is the lowest, and the lowest viscosity value is seen. Although the inlet and outlet diameters are identical, obtaining different viscosity formation profiles shows that the diameter contraction angle significantly affects the reaction dynamics.