Polymérisation

Les sondes immergées LiquiSonic^® peuvent être facilement installées dans les conduites d'alimentation et de transport. Lors de l'installation des sondes LiquiSonic^®, aucun bypass n'est nécessaire et les zones mortes sont évitées.

Le LiquiSonic^® Controller 30 peut être relié à 4 capteurs au maximum. Il est ainsi possible de surveiller simultanément plusieurs points de mesure.

Plages de mesure typiques

Plage de concentration du caprolactame : 70 à 100 m%
Plage de température : 80 à 130 °C

Plage de concentration du caprolactame : 0 à 10 m%
Plage de température : 20 à 70 °C

A la réception des marchandises : plage de concentration de l'oléum : 0 à 30 m%
Plage de température : 10 à 60 °C

Principes de base de la polymérisation

Définition de la polymérisation

La polymérisation est un processus chimique au cours duquel des monomères (molécules individuelles) sont combinés en une macromolécule (polymère).

La détermination du taux de conversion dans les réactions chimiques en général et dans les réactions de polymérisation en particulier est très importante pour le suivi, le contrôle et la régulation du processus.

Tout comme la mesure de la concentration, l'importance de la surveillance de la polymérisation dans tous les domaines de l'économie augmente énormément à l'heure actuelle. Des effets économiques importants, tels que des économies de matériaux et d'énergie ainsi que des améliorations de la qualité, sont possibles.

Pour les mesures de concentration et de conversion, il existe toute une série de méthodes de mesure, comme la mesure de la densité, la mesure de l'indice de réfraction, la mesure de la conductivité, la mesure de la couleur, de la turbidité et de la viscosité, qui ont toutes leurs limites d'utilisation physiques et technologiques.

La possibilité de déterminer les concentrations par la mesure de la vitesse du son est connue depuis longtemps et s'est imposée comme méthode de mesure standard.

Bases physiques de la polymérisation

La vitesse de propagation v des ultrasons dans les liquides dépend de leur densité et de leur compressibilité adiabatique via la relation suivante :

v = vitesse du son
ρ = densité
βad = compressibilité adiabatique

Une grandeur déterminante pour la vitesse du son est la compressibilité. Cela a pour conséquence qu'en cas d'augmentation de la vitesse du son, la densité et la compressibilité peuvent être opposées. Cela a pour conséquence que, dans certaines circonstances, de grandes différences de vitesse du son peuvent apparaître pour des différences de densité faibles ou minimes. Le cas inverse se produit très rarement.

La vitesse du son est déterminée par la structure de la substance, c'est-à-dire par les groupes d'atomes et de molécules, les isoméries ou la longueur des chaînes. Cette relation offre donc la possibilité de caractériser les substances par ultrasons.

La vitesse du son v de quelques monomères et polymères sélectionnés à 20 °C est présentée dans le tableau ci-dessous.

La structure de la macromolécule produite par la polymérisation des monomères influence la vitesse du son, car elle est déterminée par l'agencement des groupes d'atomes et de molécules, des isoméries et des longueurs de chaîne.

Pour les systèmes monomères-polymères, les différences de vitesse du son entre monomères et polymères sont généralement déterminées par la longueur des chaînes et le degré de ramification et de réticulation. Le tableau montre déjà clairement que les différences entre le monomère et le polymère, et donc entre le début et la fin de la réaction de polymérisation, sont en partie très importantes.

Méthodes de mesure dans la polymérisation

Différentes méthodes de mesure sont utilisées pour déterminer le degré de polymérisation afin de surveiller le déroulement et la qualité du processus. Les méthodes les plus courantes sont la mesure de la viscosité, la mesure de la concentration, la gravimétrie et la calorimétrie.

Problèmes liés à la mesure de la viscosité

Bien que les mesures de viscosité soient courantes, elles peuvent poser des problèmes. Elles sont notamment influencées par les variations de température, les taux de cisaillement et la présence d'impuretés, ce qui peut modifier la viscosité du mélange de polymères et donc donner des résultats de mesure imprécis. En outre, la viscosité est difficile à mesurer lorsque le poids moléculaire est très élevé ou très faible.

La présence d'impuretés peut entraîner des résultats de mesure peu fiables et nécessite alors un processus de nettoyage intensif, ce qui a un impact négatif sur l'efficacité du processus.

Avantages de la mesure de la concentration

Contrairement à la mesure de la viscosité, les mesures de concentration sont moins sensibles aux facteurs d'interférence. Elles offrent une mesure directe de la concentration en monomères et ne dépendent pas des propriétés physiques des polymères. Il en résulte des données plus précises et plus fiables sur la progression de la polymérisation.

Processus

La polymérisation peut se produire par les mécanismes de réaction les plus divers, les monomères réagissant pour former des chaînes plus longues ou des structures ramifiées, les macromolécules. Les polymérisations sont classées en fonction du mécanisme de réaction :

• Polymérisation en solution

• Polymérisation en émulsion

• Polymérisation en suspension

• Polycondensation

Selon le nombre de copolymères et d'additifs modifiant le produit, la variation de la vitesse du son présente une évolution caractéristique. Typiquement, la vitesse du son de tous les composants impliqués est déterminée en fonction de la température, afin de pouvoir la compenser ultérieurement. L'évolution de la vitesse du son dans le temps permet ensuite de déduire le déroulement de la réaction et de calculer le taux de conversion de la substance.

Dans la description suivante, ceci est expliqué à titre d'exemple pour la polymérisation en émulsion du latex de styrène-butadiène. La détermination des paramètres tels que la concentration, le degré de polymérisation, etc. s'effectue de manière analogue dans les autres types de polymérisation.

Polymérisation en émulsion du latex de styrène-butadiène Pour le système de réaction

Polymérisation en émulsion butadiène-styrène, les composants individuels et les latex ont été étudiés.

Dans la figure ci-dessous, on constate que la vitesse du son des monomères diffère nettement de celle des polymères.

La vitesse du son et la concentration sont directement liées. De plus, le degré de polymérisation, qui reflète la proportion de polymère dans le monomère, est en corrélation avec la concentration. Il est donc possible de déterminer la concentration et le degré de polymérisation à l'aide de la technique de mesure par ultrasons. La figure suivante illustre cette relation dans le cas d'une polymérisation de butadiène-styrène.

Dans le cas de la polymérisation en émulsion de butadiène et de styrène, le degré de polymérisation peut être déterminé avec une précision de 0,1 %.

Lors de la production de caprolactame, la substance de base, l'oxime de cylohexanone, est d'abord produite à partir de cyclohexanone, d'hydroxylamine et de H₂SO₄. L'ajout d'oléum et d'ammoniac permet de produire du caprolactame brut qui est séparé de la phase de sulfate d'ammonium. On procède ensuite à la purification et à la concentration du monomère caprolactame par extraction et cristallisation. Après la polymérisation, le polymère est finalement séparé du monomère résiduel et purifié.