Polimerización

Los sensores de inmersión LiquiSonic^® pueden instalarse fácilmente en las líneas de alimentación y transporte. Al instalar los sensores LiquiSonic^® no es necesario ningún bypass y se evitan los espacios muertos.

El controlador LiquiSonic^® 30 puede conectarse a un máximo de 4 sensores. Esto permite supervisar varios puntos de medición al mismo tiempo.

Rangos de medición típicos

Rango de concentración de caprolactama: 70 a 100 m%
Rango de temperatura: 80 a 130 °C

Rango de concentración de caprolactama: 0 a 10 m%
Rango de temperatura: 20 a 70 °C

Mercancías entrantes: Rango de concentración de óleum: 0 a 30 m%
Rango de temperatura: 10 a 60 °C

Conceptos básicos de polimerización

Definición de polimerización

La polimerización es un proceso químico en el que los monómeros (moléculas individuales) se combinan para formar una macromolécula (polímero).

La determinación de la conversión en las reacciones químicas en general y en las reacciones de polimerización en particular es de gran importancia para la supervisión, el control y la gestión de los procesos.

Al igual que la medición de la concentración, la importancia de la monitorización de la polimerización en todos los ámbitos de la economía está aumentando enormemente, sobre todo en la actualidad. Son posibles grandes efectos económicos, como el ahorro de material y energía, así como la mejora de la calidad.

Para la medición de la concentración y la conversión existen diversos métodos de medición, como la medición de la densidad, la medición del índice de refracción, la medición de la conductividad, la medición del color, la turbidez y la viscosidad, todos los cuales tienen sus límites de aplicación físicos y tecnológicos.

La posibilidad de determinar concentraciones midiendo la velocidad del sonido se conoce desde hace tiempo y se ha establecido como método de medición estándar.

Principios físicos de la polimerización

La velocidad de propagación v de los ultrasonidos en los líquidos depende de su densidad y de su compresibilidad adiabática mediante la siguiente relación

v = velocidad del sonido
ρ = densidad
βad = compresibilidad adiabática

La compresibilidad es un factor determinante de la velocidad del sonido. Esto significa que, a medida que aumenta la velocidad del sonido, la densidad y la compresibilidad pueden estar en direcciones opuestas. La consecuencia de esto es que pueden producirse grandes diferencias en la velocidad del sonido con pequeñas o escasas diferencias en la densidad. El caso contrario ocurre muy raramente.

La velocidad del sonido viene determinada por la estructura de la sustancia, es decir, por los grupos atómicos y moleculares, los isómeros o la longitud de las cadenas. Esta relación permite caracterizar las sustancias mediante ultrasonidos.

La velocidad sónica v de algunos monómeros y polímeros seleccionados a 20 °C se muestra en la siguiente tabla.

La estructura de la macromolécula, que se produce por la polimerización de monómeros, influye en la velocidad sónica, ya que viene determinada por la disposición de los grupos atómicos y moleculares, los isómeros y las longitudes de cadena.

En el caso de los sistemas monómero-polímero, suele ser cierto que las diferencias en la velocidad del sonido entre el monómero y el polímero vienen determinadas principalmente por la longitud de la cadena y el grado de ramificación y reticulación. La tabla muestra claramente que las diferencias que se producen entre el monómero y el polímero y, por tanto, entre el inicio y el final de la reacción de polimerización son a veces muy grandes.

Métodos de medición en la polimerización

Se utilizan varios métodos de medición para determinar el grado de polimerización con el fin de controlar el progreso y la calidad del proceso. Entre los métodos más comunes se encuentran las mediciones de viscosidad, las mediciones de concentración, la gravimetría y la calorimetría.

Problemas con la medición de la viscosidad

Las mediciones de la viscosidad son habituales, pero pueden ser problemáticas. En particular, se ven influidas por las fluctuaciones de temperatura, las velocidades de cizallamiento y la presencia de impurezas, que pueden cambiar la viscosidad de la mezcla de polímeros y, por tanto, proporcionar resultados de medición inexactos. Además, la viscosidad es difícil de medir con pesos moleculares muy altos o muy bajos.

La presencia de impurezas puede dar lugar a resultados de medición poco fiables y requiere un proceso de limpieza intensivo, lo que afecta negativamente a la eficacia del proceso.

Ventajas de la medición de la concentración

A diferencia de la medición de la viscosidad, las mediciones de la concentración son menos susceptibles a los factores de interferencia. Ofrecen una medición directa de la concentración de monómero y no dependen de las propiedades físicas de los polímeros. Esto permite obtener datos más precisos y fiables sobre el progreso de la polimerización.

Procesos

La polimerización puede tener lugar a través de una amplia variedad de mecanismos de reacción, mediante los cuales los monómeros reaccionan para formar cadenas más largas o estructuras ramificadas, las macromoléculas. Según el mecanismo de reacción, las polimerizaciones se dividen en

• polimerización en solución

• polimerización en emulsión

• polimerización en suspensión

• policondensación

En función del número de copolímeros y aditivos que modifican el producto, la variación de la velocidad sónica muestra una curva característica. Normalmente, la velocidad sónica de todos los componentes implicados se determina en función de la temperatura para compensarla posteriormente. A partir de la velocidad sónica a lo largo del tiempo puede deducirse el curso de la reacción y calcularse la conversión del material.

En la siguiente descripción, esto se explica como ejemplo para la polimerización en emulsión de látex de estireno-butadieno. Los parámetros como la concentración, el grado de polimerización, etc. se determinan del mismo modo para los demás tipos de polimerización.

Polimerización en emulsión de látex de estireno-butadieno Para el sistema de reacción

polimerización en emulsión de butadieno-estireno, se investigaron los componentes individuales y los látex.

La siguiente figura muestra que la velocidad sónica de los monómeros difiere significativamente de la de los polímeros.

La velocidad del sonido y la concentración están directamente relacionadas. Además, el grado de polimerización, que refleja la proporción del polímero en el monómero, se correlaciona con la concentración. Por lo tanto, es posible determinar la concentración y el grado de polimerización utilizando la tecnología de medición por ultrasonidos. La siguiente figura ilustra esta relación en una polimerización de butadieno estireno.

En el caso de la polimerización en emulsión de butadieno y estireno, el grado de polimerización puede determinarse con una precisión del 0,1 %.

En la producción de caprolactama, el material base ciclohexanona oxima se produce primero a partir de ciclohexanona, hidroxilamina y H₂SO₄. La caprolactama bruta se produce añadiendo óleum y amoníaco, que se separa de la fase de sulfato de amonio. A continuación, la caprolactama monomérica se purifica y concentra mediante extracción y cristalización. Tras la polimerización, el polímero se separa finalmente del monómero residual y se purifica.