Combinación de mediciones de reología y espectroscopia del proceso para mejorar la producción de polímeros de poliuretano por lotes
En la producción de polímeros, el grado de polimerización depende estrictamente de la conversión. Ésta es muy sensible a las impurezas y al desequilibrio molar, especialmente cuando la conversión es alta.
El desequilibrio de monómeros puede impedir la formación de cadenas largas de polímeros (lo que lleva a un estancamiento del peso molecular); y promover la aparición de reacciones secundarias no deseadas (lo que lleva a la ramificación de la cadena, la gelificación y/o la degradación de la cadena).
El desarrollo y la aplicación de procedimientos para la supervisión y el control en línea de la conversión y del peso molecular medio (Mw) son muy deseables para evitar la formación de gel; el estancamiento temprano del Mw y la degradación de la cadena polimérica.
Las herramientas de medición de procesos en línea, como la espectroscopia de procesos en el infrarrojo cercano (NIRS) y la reología; que incluye la medición de la viscosidad, son candidatas ideales para determinar las propiedades físicas de los polímeros.
Guided Wave y Sofraser se han asociado para desarrollar un sistema de medición dual que puede instalarse en una sola brida compartida; que puede instalarse directamente en el lateral de un reactor para el control del proceso de producción de polímeros en tiempo real.
Crédito de la imagen: Guided Wave
Al disponer tanto de una medición NIRS como de una medición de la viscosidad dinámica, los ingenieros de proceso pueden tomar decisiones informadas basadas en las tendencias en tiempo real de la construcción de polímeros, la reducción de monómeros y el peso molecular medio.
Además, la configuración de la sonda doble permite que ambas mediciones se realicen en las mismas condiciones de flujo y muestra localizadas.
En otras palabras, si las sondas del viscosímetro y del NIRS estuvieran instaladas en bridas separadas; en lugares diferentes del reactor, el flujo transitorio dentro del reactor podría introducir un sesgo entre las dos técnicas.
Visión general de la producción de poliuretano y el papel de PAT
Los poliuretanos, al igual que otras polimerizaciones similares por etapas, suelen producirse en procesos de dos etapas.
The first step of polymerization
Los materiales poliméricos de bajo peso molecular medio (prepolímero); se producen mediante la reacción de un poliol y un gran exceso de diisocianato; normalmente utilizando una proporción molar de alimentación de 2:1. La espectroscopia NIR puede medir el número de grupos hidroxilos (OH) reactivos en el poliol.
El número de OH influye directamente en el número de enlaces de uretano, lo que influye enormemente en las propiedades físicas del producto final de poliuretano. El número de OH es; por tanto, un parámetro importante que hay que vigilar y controlar durante la producción de poliol.
Además, el método de laboratorio habitual para la determinación del número de hidroxilo requiere mucho tiempo e implica el uso de materiales peligrosos. Una sonda de transmisión NIR in situ tiene un rendimiento más rápido y reduce la exposición ocupacional; a los materiales peligrosos necesarios para las pruebas fuera de línea.
El segundo paso de la polimerización
La cadena del polímero se alarga; mediante la reacción del prepolímero con un diol o poliol de bajo peso molecular (extensor de cadena). Normalmente, el objetivo principal es la producción de resinas poliméricas de gran peso molecular al final de la segunda reacción stp. Para lograr este objetivo, deben perseguirse algunos objetivos secundarios.
En primer lugar, la conversión y la composición del monómero deben controlarse estrictamente durante la primera etapa de reacción. En segundo lugar, debe controlarse rigurosamente la cantidad de poliol que se introduce en el recipiente de reacción durante la segunda etapa.
Estos objetivos de control secundarios son necesarios para evitar el desequilibrio de monómeros; que puede conducir a la producción de polímeros de bajo peso molecular y; finalmente, causar la pérdida del producto del lote.
Por último, la evolución de los pesos moleculares medios en peso debe controlarse con precisión mediante la viscometría y la espectroscopia del proceso. El resultado de estas herramientas de supervisión del proceso puede utilizarse para controlar los pesos moleculares medios en peso y otros parámetros durante la etapa de extensión de la cadena de la síntesis de poliuretano.
Esquema de control de viscometría y espectroscopia del proceso propuesto para la síntesis de poliuretano
La lógica de control que se muestra a continuación puede adaptarse según sea necesario para satisfacer los requisitos específicos del producto. Durante el primer paso; se utiliza la espectroscopia del proceso para controlar la conversión de monómeros y el peso molecular medio.
Otros parámetros, como la concentración o la proporción de diisocianatos, la concentración de agua en exceso o la proporción de productos de reacción del glicol; también pueden medirse con la espectroscopia del proceso.
Durante el segundo paso de la reacción, el peso molecular medio del polímero se controla tanto por espectroscopia de proceso como por viscometría. En función de la tendencia del peso molecular; la tasa de alimentación de reactivos se ajusta o se dosifica en función de los datos NIR y MIVI en tiempo real.
La doble medición es un medio óptimo para controlar la tasa de polimerización; hacia un punto final dentro de las especificaciones.
También hay que tener en cuenta que la precisión con la que un analizador NIR, como el Analizador de Espectro Completo NIRO; puede medir el peso molecular medio comienza a disminuir a medida que aumenta la conversión de monómeros.
Una solución adaptada
Por lo tanto, un viscosímetro de proceso como el MIVI se utiliza para medir con mayor precisión; el peso molecular; medio durante las etapas finales de reticulación y extensión de la cadena.
El inicio de la gelificación puede determinarse tanto por espectroscopia de proceso como por viscometría. Si el NIR determina que la conversión del monómero se está produciendo sin un cambio; en el peso molecular medio, entonces es probable que se haya producido el inicio de la gelificación.
La viscometría puede utilizarse como confirmación secundaria de la gelificación. Si se produce la gelificación, el viscosímetro medirá una perturbación repentina debida a la aglomeración o ramificación de los polímeros.
El enfoque de doble sonda permite al ingeniero de procesos reaccionar rápidamente ante la gelificación; y comenzar a añadir inhibidores para reducir la velocidad de reticulación. La concentración de inhibidores, como el ácido clorhídrico, puede medirse mediante espectroscopia de proceso.
Una vez que la tendencia de la reacción ha vuelto a la normalidad, se puede reducir la cantidad de inhibidor; y aumentar la velocidad de alimentación del reactivo; como los dioles de 1,4 butano. El esquema de control del proceso permite al ingeniero de procesos; dirigir la reacción a las trayectorias de peso molecular deseadas y asegurar que se produce un producto con las especificaciones necesarias.
Una vez alcanzado el peso molecular deseado, el ingeniero de procesos puede transferir el poliuretano; en condiciones para cualquier procesamiento posterior a la formación, como la extrusión.
Conclusión
La producción de polímeros a granel es, en sí misma, un proceso químico bastante rutinario. Sin embargo, el afán por optimizar la producción y, por tanto, reducir los costes de fabricación; hace necesario el análisis del proceso en tiempo real.
La espectroscopia de procesos en el infrarrojo cercano y la viscometría, que incluye la medición de la viscosidad; son candidatos ideales para determinar las propiedades físicas de los polímeros.
El desarrollo de modernas herramientas de supervisión de procesos permite realizar mediciones directas; en tiempo real de las reacciones químicas, como la conversión de monómeros, el peso molecular, el índice de acidez o incluso la información sobre ramas laterales y geles.
La sonda doble y el posterior esquema de control; del proceso pueden utilizarse para mejorar el rendimiento de la copolimerización por lotes.
Diseñada por Elementale (Texas, EE.UU.), esta sonda fue desarrollada en colaboración con Guided Wave y Sofraser.
Esta información se ha obtenido, revisado y adaptado a partir de los materiales proporcionados por Guided Wave.
Para más información sobre esta fuente, visite Guided Wave
