Disciplina Discipline PQI5824
Engenharia de Reações de Polimerização
Polymerization Reaction Engineering

Área de Concentração: 3137

Concentration area: 3137

Criação: 08/04/2019

Creation: 08/04/2019

Ativação: 06/01/2020

Activation: 06/01/2020

Nr. de Créditos: 8

Credits: 8

Carga Horária:

Workload:

Docente Responsável:

Professor:

Reinaldo Giudici

Objetivos:

Objetiva-se o estudo dos processos de polimerização buscando um entendimento de como o mecanismo de polimerização, o tipo de reator e o seu modo de operação afetam as características do polímero produzido, bem como a produtividade do processo, ou seja, com o enfoque de Engenharia de Reações de Polimerização. Estudo e aplicação de conceitos de modelagem matemática de processos de polimerização ("Polymerization Reaction Engineering").

Objectives:

This course aims at studying the polymerization processes with the focus on the understanding of how the polymerization mechanism, the reactor type and the operating conditions of the synthesis process affect the properties of the polymer produced and the process productivity. This approach is known as “Polymerization Reaction Engineering” and involves the application of concepts of kinetics and mathematical modeling of polymerization processes.

Justificativa:

A disciplina é necessária para dar uma base comum e preparar os alunos que desenvolverão trabalho de pesquisa na área de Engenharia de Reações de Polimerização, a qual envolve mecanismos, cinética, análise, projeto, modelagem matemática, simulação e otimização de processos de polimerização e de reatores de polimerização, bem como a condução e interpretação de experimentos de polimerização. A abordagem de Engenharia de Reações aplicada a processos de polimerização é assunto que não é usualmente coberto nos cursos de graduação, sendo necessário desenvolver em nível de pós-graduação os fundamentos e conceitos desta área de conhecimento e mostrar como é possível aplicá-los na análise do comportamento de processos de polimerização e poder fazer previsões sobre o seu desempenho.

Rationale:

The course provides a preparation and a common base for the students who want to develop research work in the field of Polymerization Reaction Engineering, a discipline that involves the mechanisms, kinetics, analysis, design, mathematical modeling, simulation and optimization of polymerization processes and polymerization reactors, as well as the planning and interpretation of polymerization experiments. The general approach of Chemical Reaction Engineering applied to polymerization processes is a subject that is not usually covered in undergraduate courses, so it is useful for developing, at the graduate level, the fundamentals and concepts of this field of knowledge and to show how is possible to use this knowledge basis to analyze the behavior and predict the performance of the different polymerization processes.

Conteúdo:

1. Introdução. Conceitos básicos sobre materiais poliméricos. Fatores que afetam as propriedades dos polímeros. Distribuição de massas molares. Tipos de distribuição. Momentos da distribuição. Massas molares médias. Polidispersidade. Técnicas de medição experimental. 2. Cinética e mecanismos de polimerização. Técnicas para a previsão da distribuição de tamanhos de cadeias (massa molar), para polímeros lineares e ramificados. 2.1 - Policondensação ("step-growth"). Polimerização linear. Monômeros polifuncionais e cadeias não-lineares. Reticulação ("gelation"). Polimerização no estado sólido. 2.2 - Polimerização em cadeia ("chain-growth"). Poliadição. Polimerização por mecanismo de radicais livres. Iniciação, propagação, terminação, transferência de cadeia, formação de ramificações. Limitações difusionais. Polimerização catiônica e aniônica. Polimerização aniônica viva. Polimerização com catalisadores Ziegler-Natta e com metalocenos. Polimerização radicalar reversivelmente desativada (polimerização “radicalar viva”). 2.3 - Copolimerização. Razões de reatividades. Composição do copolímero. Distribuição de composição. Distribuição de sequências. 3. Modelagem de processos e de reatores de polimerização. - Tipos de processos de polimerização (em massa, em solução, com precipitação, em suspensão, em emulsão, etc.). - Equações de balanço e técnicas para resolução. - Tipos de reatores. Influência do tipo e modo de operação do reator nas propriedades do polímero. - Noções de otimização de reatores de polimerização. Estudo de casos. 4. Tópicos complementares. - Técnicas experimentais e sensores em linha para reatores de polimerização. - Processos de pós-polimerização. Modificação química de polímeros em extrusoras (extrusão reativa). - Estudos de casos específicos.

Content:

1. Introduction to basic concepts of polymer materials. Factors affecting the properties of polymers. Distribution of molar masses. Types of polymer distribution. Moments of the molar mass distribution. Average molecular weights. Polydispersity index. Techniques for experimental measurements. 2. Kinetics and mechanisms of polymerization. Techniques for predicting the distribution of chain length (molar mass) for linear and branched polymers. 2.1 - Step-growth polycondensation. Linear polymers. Multifunctional monomers and branched chains. Crosslinking and gelation. Solid-state polymerization. 2.2 - Chain-growth. Polyaddition. Free radical mechanism steps: initiation, propagation, termination, chain transfer, branching. Cationic and anionic polymerization. Living anionic polymerization. Coordination polymerization using Ziegler-Natta and metallocene catalysts. Reversibly deactivated radical polymerization ("living radical polymerization"). 2.3 - Copolymerization. Reactivity ratios. Copolymer composition. Distribution of composition. Distribution of chain sequences. 3. Modeling of processes and polymerization reactors. - Types of polymerization processes (bulk, solution, precipitation, suspension, emulsion, etc.). - Balance equations and techniques for the solution. - Types of reactors. Influence of the reactor type and mode of operation on the polymer properties. - Notions of optimization of polymerization reactors. Case-studies. 4. Additional topics. - Experimental techniques and in-line sensors for polymerization reactors. - Post-polymerization processes. Chemical modification of polymers in extruders (reactive extrusion). Selected case-studies.

Forma de Avaliação:

Listas de exercícios (30%), trabalho (40%), e prova (30%)

Type of Assessment:

Exercises (30%), case-study work (40%), and written exam (30%)

Observação:

A disciplina é normalmente oferecida em Português, mas poderá ser oferecida em inglês se houver solicitação.

Notes/Remarks:

This course is normally offered in Portuguese, but can be offered in English as special offer, if so requested.

Bibliografia:

A.E.Hamielec & H. Tobita "Polymerization Processes" IN Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Vol. A21, p. 305-428 (1992) H. Tobita, “Polymerization processes, 1. Fundamentals”. IN Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 1-50 (2000). A. E. Hamielec, & H. Tobita, H., “Polymerization Processes, 2. Modeling of Processes and Reactors”. IN Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry (2012) A.M. Van Herk (ed.) Chemistry and Technology of Emulsion Polymerisation, 2nd ed. Wiley (2013) J. M. Asua (ed.) Polymer Reaction Engineering, Wiley (2007) A. Kumar & R.K.Gupta, Fundamentals of Polymers, McGraw Hill (1998) Notas de aula. Artigos selecionados, conforme assunto da aula. -BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTAR B. M. Mandal. Fundamentals of Polymerization, World Scientifi Publishing (2013) Nicolay V. Tsarevsky, Brent S. Sumerlin. Fundamentals of Controlled/Living Radical Polymerization. RSC Publishing (2013) T. Meyer, J. Keurentjes (Editors) Handbook of Polymer Reaction Engineering, Wiley (2005) G. Odian, Principles of Polymerization, Wiley-Interscience, New York 4th ed. (2004) S.V. Canevarolo Jr., Técnicas de Caracterização de Polímeros, Artiliber (2004) A.E. Hamielec, A. Penlidis, J.B.P.Soares, R. Giudici. Intensive Short Course on Polymer Reaction Engineering, Course Notes, São Paulo (1998) N.A.Dodson, R.Galvan, R.L.Laurence, M.Tyrrel, Polymerization Process Modeling, VCH Publishers (1996). R.G. Gilbert, Emulsion Polymerization. A Mechanistic Approach. Academic Press (1995). F.J.Schork, P.B.Desphande, K.W.Leffew, Control of Polymerization Reactors, Marcel Dekker, New York (1993) P.Rempp, E.W. Merrill, Polymer Synthesis, 2nd ed., Huthig & Wepf (1991). S.K. Gupta & A. Kumar, Reaction Engineering of Step Growth Polymerization, Plenum, N.Y. (1987) E. A. Grulke, Polymer Process Engineering, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, (1994) P. C. Hiemenz, Polymer Chemistry, The Basic Concepts, Marcel Dekker, New York (1984) A. Kumar & S.K. Gupta, Fundamentals of Polymer Science and Engineering, Tata-McGraw Hill (1978) P. J. Flory, Principles of Polymer Chemistry, Cornell University Press, Ithaca (1953)

Bibliography:

A.E.Hamielec & H. Tobita "Polymerization Processes" IN Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Vol. A21, p. 305-428 (1992) H. Tobita, “Polymerization processes, 1. Fundamentals”. IN Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 1-50 (2000). A. E. Hamielec, & H. Tobita, H., “Polymerization Processes, 2. Modeling of Processes and Reactors”. IN Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry (2012) A.M. Van Herk (ed.) Chemistry and Technology of Emulsion Polymerisation, 2nd ed. Wiley (2013) J. M. Asua (ed.) Polymer Reaction Engineering, Wiley (2007) A. Kumar & R.K.Gupta, Fundamentals of Polymers, McGraw Hill (1998) Class notes. Selected articles. B. M. Mandal. Fundamentals of Polymerization, World Scientifi Publishing (2013) Nicolay V. Tsarevsky, Brent S. Sumerlin. Fundamentals of Controlled/Living Radical Polymerization. RSC Publishing (2013) T. Meyer, J. Keurentjes (Editors) Handbook of Polymer Reaction Engineering, Wiley (2005) G. Odian, Principles of Polymerization, Wiley-Interscience, New York 4th ed. (2004) S.V. Canevarolo Jr., Técnicas de Caracterização de Polímeros, Artiliber (2004) A.E. Hamielec, A. Penlidis, J.B.P.Soares, R. Giudici. Intensive Short Course on Polymer Reaction Engineering, Course Notes, São Paulo (1998) N.A.Dodson, R.Galvan, R.L.Laurence, M.Tyrrel, Polymerization Process Modeling, VCH Publishers (1996). R.G. Gilbert, Emulsion Polymerization. A Mechanistic Approach. Academic Press (1995). F.J.Schork, P.B.Desphande, K.W.Leffew, Control of Polymerization Reactors, Marcel Dekker, New York (1993) P.Rempp, E.W. Merrill, Polymer Synthesis, 2nd ed., Huthig & Wepf (1991). S.K. Gupta & A. Kumar, Reaction Engineering of Step Growth Polymerization, Plenum, N.Y. (1987) E. A. Grulke, Polymer Process Engineering, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, (1994) P. C. Hiemenz, Polymer Chemistry, The Basic Concepts, Marcel Dekker, New York (1984) A. Kumar & S.K. Gupta, Fundamentals of Polymer Science and Engineering, Tata-McGraw Hill (1978) P. J. Flory, Principles of Polymer Chemistry, Cornell University Press, Ithaca (1953)

Tipo de oferecimento da disciplina:

Presencial

Class type:

Presencial