Полимеризация - это химический процесс, в ходе которого небольшие молекулы, называемые мономерами, соединяются и образуют более крупные молекулы, называемые полимерами. Этот процесс является основополагающим для производства многих пластмасс и других материалов. Ключевым аспектом полимеризации является степень полимеризации, которая показывает, сколько мономерных единиц соединено вместе в молекуле полимера. Степень полимеризации оказывает решающее влияние на физические свойства получаемого полимера, такие как прочность, гибкость и термостойкость.
Измерительные системы LiquiSonic® для полимеризации
LiquiSonic® - это система поточного анализа, которая измеряет концентрацию в полимеризации непосредственно в процессе без задержки. Устройство основано на высокоточном измерении абсолютной звуковой скорости и температуры процесса, что позволяет контролировать процессы и сложные реакции.
Конструкция датчиков измерительных приборов LiquiSonic® позволяет легко очищать их, а значит, процесс не прерывается на трудоемкие работы по очистке и может протекать максимально эффективно.
В области полимеризации LiquiSonic® предлагает пользователю множество преимуществ:
Мониторинг в реальном времени: технология позволяет осуществлять непрерывный мониторинг процесса полимеризации в режиме реального времени. Это позволяет немедленно распознавать изменения и реагировать на них, обеспечивая стабильное качество продукта.
Отсутствие необходимости отбора проб: поскольку система производит измерения непосредственно в процессе, не требуется ручной отбор проб. Это сводит к минимуму риск загрязнения и прерывания процесса.
Надежная и не требующая обслуживания технология: измерительные приборы LiquiSonic® предназначены для непрерывного использования в промышленных условиях. Они устойчивы к агрессивным средам и высоким температурам, что позволяет продлить срок службы и снизить затраты на техническое обслуживание.
Оптимизация процессов: Благодаря тщательному мониторингу реакции полимеризации пользователи могут точно контролировать процесс, что приводит к повышению выхода продукции и снижению производственных затрат.
Поэтому система LiquiSonic® может использоваться для высокоточного определения концентрации, а также для обнаружения фаз и мониторинга процесса (кристаллизация). Внутренняя система контроля предельных значений сигнализирует о превышении или недостижении пределов и в режиме реального времени отправляет информацию в систему управления процессом.
Таким образом, возможен быстрый и точный контроль полимеризации, степени полимеризации и концентрации мономеров и макромолекул. Такой контроль обеспечивает оптимальное качество продукта на протяжении всего процесса полимеризации капролактама в ПА6.
Точное знание процесса полимеризации и соотношения мономеров и макромолекул особенно важно для минимизации потерь продукта и максимизации эффективности процесса. Точно определяя концентрацию мономеров и макромолекул на протяжении всего процесса, пользователь может гарантировать, что конечный продукт будет соответствовать требуемым характеристикам.
LiquiSonic® обеспечивает высокоточный анализ концентрации капролактама с постоянной регистрацией данных. Измерительная система также успешно используется для разделения фаз между капролактамом и сульфатом аммония за считанные секунды.
Конструкция датчика LiquiSonic®
Надежная конструкция датчика и выбор специальных материалов, таких как HC2000 или PFA, обеспечивают длительный срок службы системы. SensoTech также предлагает датчики с соответствующей сертификацией ATEX, IECEx и FM.
LiquiSonic® снижает концентрацию обратного капролактама (остаточного мономера) до минимума, тем самым оптимизируя производительность системы.
Погружные датчики LiquiSonic® легко устанавливаются на линиях подачи и транспортировки. При установке датчиковLiquiSonic® не требуется байпас и исключаются мертвые зоны.
К контроллеру LiquiSonic® 30 можно подключить до 4 датчиков. Это позволяет контролировать несколько точек измерения одновременно.
Типичные диапазоны измерений
Диапазон концентраций капролактама: от 70 до 100 м %
Диапазон температур: от 80 до 130 °C
Диапазон концентрации капролактама: от 0 до 10 м %
Диапазон температур: от 20 до 70 °C
Поступление товаров: Диапазон концентрации олеума: от 0 до 30 м %
Диапазон температур: от 10 до 60 °C
Основы полимеризации
Определение полимеризации
Полимеризация - это химический процесс, в котором мономеры (отдельные молекулы) объединяются с образованием макромолекулы (полимера).
Определение конверсии в химических реакциях в целом и в реакциях полимеризации в частности имеет большое значение для мониторинга, контроля и управления процессом.
Как и измерение концентрации, важность контроля полимеризации во всех областях экономики чрезвычайно возрастает, особенно в настоящее время. Возможны высокие экономические эффекты, такие как экономия материалов и энергии, а также повышение качества.
Существует ряд методов измерения концентрации и конверсии, таких как измерение плотности, коэффициента преломления, электропроводности, цвета, мутности и вязкости, которые имеют свои физические и технологические границы применения.
Возможность определения концентрации с помощью измерения скорости звука известна уже давно и стала стандартным методом измерения.
Физические принципы полимеризации
Скорость распространения v ультразвука в жидкостях зависит от их плотности и адиабатической сжимаемости по следующей зависимости:
v = скорость звука
ρ = плотность
βad = адиабатическая сжимаемость.
Сжимаемость является определяющим фактором для скорости звука. Это означает, что при увеличении скорости звука плотность и сжимаемость могут изменяться в противоположных направлениях. Следствием этого является то, что большая разница в скорости звука может иметь место при малой или незначительной разнице в плотности. Обратный случай встречается крайне редко.
Скорость звука определяется структурой вещества, то есть атомными и молекулярными группами, изомерами или длиной цепи. Эта зависимость позволяет определять характеристики веществ с помощью ультразвука.
Скорость распространения ультразвука v некоторых мономеров и полимеров при 20 °C приведена в следующей таблице.
Структура макромолекулы, которая образуется в результате полимеризации мономеров, влияет на скорость звука, поскольку она определяется расположением атомных и молекулярных групп, изомеров и длиной цепи.
Для мономерно-полимерных систем в целом верно, что различия в скорости звука между мономером и полимером определяются в первую очередь длиной цепи, степенью разветвления и сшивки. Из таблицы хорошо видно, что различия между мономером и полимером, а значит, между началом и концом реакции полимеризации, иногда очень велики.
Методы измерения в полимеризации
Для определения степени полимеризации используются различные методы измерения, позволяющие контролировать ход и качество процесса. К распространенным методам относятся измерение вязкости, измерение концентрации, гравиметрия и калориметрия.
Проблемы с измерением вязкости
Измерения вязкости широко распространены, но они могут быть проблематичными. В частности, на них влияют колебания температуры, скорость сдвига и наличие примесей, которые могут изменить вязкость полимерной смеси и, таким образом, дать неточные результаты измерений. Кроме того, вязкость трудно измерить при очень высоких или очень низких молекулярных массах.
Присутствие примесей может привести к ненадежным результатам измерений и требует интенсивного процесса очистки, что негативно сказывается на эффективности процесса.
Преимущества измерения концентрации
В отличие от измерения вязкости, измерения концентрации менее подвержены влиянию помех. Они обеспечивают прямое измерение концентрации мономера и не зависят от физических свойств полимеров. Это позволяет получать более точные и надежные данные о ходе полимеризации.
Процессы
Полимеризация может происходить по самым разным механизмам, в результате которых мономеры вступают в реакцию, образуя длинные цепи или разветвленные структуры - макромолекулы. В зависимости от механизма реакции полимеризация подразделяется на
растворную полимеризацию
эмульсионная полимеризация
суспензионная полимеризация
поликонденсационную .
В зависимости от количества сополимеров и добавок, изменяющих продукт, изменение звуковой скорости имеет характерную кривую. Обычно звуковая скорость всех участвующих компонентов определяется как функция температуры, чтобы компенсировать это в дальнейшем. По скорости звука во времени можно определить ход реакции и рассчитать конверсию материала.
В следующем описании это объясняется на примере эмульсионной полимеризации стирол-бутадиенового латекса. Такие параметры, как концентрация, степень полимеризации и т.д., определяются аналогичным образом для других типов полимеризации.
Эмульсионная полимеризация стирол-бутадиенового латекса Для реакционной системы
эмульсионной полимеризации бутадиен-стирола, были исследованы отдельные компоненты и латексы.
На следующем рисунке показано, что скорость звука мономеров значительно отличается от скорости звука полимеров.
Скорость звука и концентрация находятся в прямой зависимости. Более того, степень полимеризации, которая отражает долю полимера в мономере, коррелирует с концентрацией. Поэтому можно определить концентрацию и степень полимеризации с помощью технологии ультразвуковых измерений. На следующем рисунке показана эта зависимость при полимеризации бутадиен-стирола.
В случае эмульсионной полимеризации бутадиена и стирола степень полимеризации может быть определена с точностью до 0,1 %.
Применение
Наш более чем 20-летний опыт позволил нам накопить большой объем знаний в области полимеризации, которые были получены в результате применения на объектах заказчика и в собственном техническом центре компании. Эти знания используются в новых проектах, при этом данные заказчика всегда остаются конфиденциальными.
В процессе полимеризации в фокус мониторинга попадают не только макромолекулы, но и мономеры, чтобы обеспечить точное протекание реакции и качество продукта.
В компании SensoTech можно найти следующую вторичную литературу по различным производственным процессам:
Оптимизация производства полиамида
Оптимизация производства полиуретана
Безопасное и эффективное производство стирол-бутадиенового латекса (SBR)
Проанализированные на данный момент области применения включают
Полимеризация капролактама
Стирол-бутадиеновый латекс
Фенолформальдегидная смола
Полиметилметакрилат ПММА
Поливинилацетат ПВА
Поливинилхлорид ПВХ
Полиамид ПА
Поливинилиденхлорид PVdC
Эпоксидная смола
Полистирол PS
Поликарбонат PC
Полиэстер ПЭ
Полиэтилен
Формальдегидно-мочевинная смола
эластан
Альдоль в ацетальдегиде
Полиуретан ПУ
Полисилоксан
Изопреновый каучук ИР
Метилсиликоновая смола
Силиконовый акрилат
Метилсиликоновая смола калия
силиконовая смола
Полисульфидный полимер
Парафенилентерефталамиды PPTA
Светостабилизаторы со связующим амином HALS
Метакриламид MAA
Индивидуальные композиции
Измерительный прибор LiquiSonic® позволяет контролировать и управлять различными реакциями, особенно в процессах периодического действия. В зависимости от процесса и технологической жидкости каталитические и ферментативные реакции, а также процессы полимеризации, кристаллизации и смешивания могут быть оптимизированы, а качество конечного продукта гарантировано.
Общее правило для систем мономер-полимер заключается в том, что различия в скорости звука между мономером и полимером в первую очередь определяются длиной цепи, степенью разветвления и сшивки.
Из таблицы видно, что разница в скорости звука между мономером и полимером и, следовательно, между началом и концом реакции полимеризации очень велика.
Скорость звука и концентрация напрямую связаны. Более того, степень полимеризации, которая отражает долю полимера в мономере, коррелирует с концентрацией. Поэтому концентрация и степень полимеризации могут быть определены с помощью измерительной технологии LiquiSonic®.
Пример применения для производства капролактама
Одним из самых важных полиамидов в мире является PA6, известный как Perlon, который производится путем полимеризации мономера капролактама (CPL). Из-за сложности производственного процесса его разделяют на 4 области:
Синтез сырого капролактама
Выделение и кристаллизация сульфата аммония
Очистка и подготовка сырого капролактама
Полимеризация до PA6
При производстве капролактама основной материал - оксим циклогексанона - сначала получают из циклогексанона, гидроксиламина и H2SO4. Сырой капролактам получают путем добавления олеума и аммиака, который отделяют от фазы сульфата аммония. Затем мономерный капролактам очищают и концентрируют путем экстракции и кристаллизации. После полимеризации полимер отделяют от остатков мономера и очищают.
Макромолекулы, полимеры и пластмассы являются повсеместно распространенными продуктами и должны соответствовать самым высоким стандартам. Процессы, разработанные для их производства, часто протекают при высоких давлениях и температурах. В связи с такими граничными условиями мониторинг и управление этими процессами должны отвечать самым высоким требованиям безопасности.
Polymerisations-Überwachung
Die Umsatzbestimmungen bei chemischen Reaktionen besitzen allgemein und insbesondere bei Polymerisationsreaktionen eine hohe Notwendigkeit hinsichtlich Prozessverfolgung, Prozesskontrolle sowie Prozesssteuerung.
Polymerisations-Überwachung | 11 МБ