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INDUSTRIA DE POLÍMEROS

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by

Susana Chan

on 14 October 2014

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Transcript of INDUSTRIA DE POLÍMEROS

INDUSTRIA DE POLÍMEROS
Química de los polímeros
Industria de los polímeros
PRODUCCIÓN DE POLÍMEROS
Materia prima
PETROQUÍMICA
OLEFINAS
AROMÁTICOS
Algunas definiciones
¿Cómo se forman?
ADICIÓN
Monómero: es la unidad repetitiva de un polímero.
Clasificación
Radical: átomo o molécula que contiene al menos un electrón desapareado.
Grupo funcional: en química orgánica, son un grupo específico de átomos dentro de moléculas que son responsables de las reacciones químicas características de estas moléculas.
Termoplásticos o termoestables
Homopolímeros o copolímeros
Bifuncionales o polifuncionales
Lineales, ramificados o entrecruzados
Iniciación
Propagación
OIL
SEARCH
P
O
L
Í
M
E
R
O
S
TERMOESTABLES
TERMOPLÁSTICOS
POLIMERIZACIÓN
POR VOLUMEN
Es el método más sencillo.
Los monómeros y el iniciador se mezclan en un reactor calentando hasta la temperatura adecuada.
La viscosidad y el calor que se genera (aumento de temperatura) se controlan mediante una agitación fuerte y un sistema de refrigeración para el reactor.
Chaqueta de intercambio
Agitación
Monómeros
Iniciador
POLIMERIZACIÓN
POR SOLUCIÓN
POLIMERIZACIÓN
POR SUSPENSIÓN
Se emplea un solvente orgánico para disolver el monómero.
El solvente también absorbe el calor generado por la reacción, éste se agrega en exceso.
La presencia del solvente facilita el control de la temperatura y la viscosidad.
En algunas aplicaciones no es necesario remover el solvente.
Los monómeros y el iniciador están dispersos en agua o en un medio similar, el iniciador debe ser soluble en el monómero.
Para mantener la suspensión se debe agitar constantemente.
Esta ruta se emplea para comercialmente para los polímeros como el cloruro de polivinilo y el poliestireno.
Monómero
Iniciador
Agua
Estabilizador
Chaqueta
POLIMERIZACIÓN
POR EMULSIÓN
Este método se emplea para producir polímeros en forma de emulsiones, como la pintura.
El jabón es el agente emulsionante que más se utiliza.
Las moléculas de jabón forman micelas, unidades estructurales muy pequeñas, donde se lleva a cabo la reacción.
Polímeros de alto peso molecular se producen mediante esta técnica.
Monómero
Emulsionante
POLIMERIZACIÓN
EN FASE GAS
Un gas como el nitrógeno se emplea en este proceso para mantener el monómero, el catalizador y el polímero formado en movimiento constante en un lecho fluidizado.
El gas de fluidización se retira de manera intermitente, haciendo que los sólidos que caen se puedan acumular.
Este proceso se emplea en plantas de polietileno lineal de baja densidad.
POR
Terminación
El radical reacciona con el doble enlace del etileno
Radical
Reacción con otro etileno para formar otro radical
Formación de radicales por calentamiento
Cuando se agota el etileno, se une un radical con otro radical
CONDENSACIÓN
POR
Una forma divertida de hacer celulosa
1. Monómero: glucosa
2. Glucosa+Glucosa+Glucosa+....
3. Polímero: Celulosa
Los tres procesos más empleados son:

Proceso a alta presión o masivo

Proceso de etileno en solución

Proceso en fase gas
Polietileno de baja densidad (LDPE)
Polietileno de alta densidad (HDPE)
Polietileno lineal de baja densidad (LLDPE)
A nivel
INDUSTRIAL

...se observa así
ETILENO
POLIETILENO
DE BAJA DENSIDAD
POLIETILENO
DE ALTA DENSIDAD
POLIETILENO
LINEAL DE BAJA DENSIDAD
POLIETILENO
DE BAJA DENSIDAD
La reacción de polimerización es exotérmica, sin embargo el reactor se mantiene en condiciones isotérmicas
Los factores importantes a considerar dentro de la autoclave son la presión, la temperatura, el tiempo de residencia en el reactor y en el separador reductor de presión.
El tiempo de residencia del etileno y del iniciador en la autoclave se encuentra entre los 30 s y 120 s.
La selección del catalizador y su concentración, determinan las propiedades físicas del polímero que se forma.
El etileno comienza a polimerizarse de forma incontrolada a los 100 °C, por lo tanto el gas debe enfriarse entre compresores
Temperaturas entre los 204 °C a 315,5 °C (400 °F a los 650 °F).
Se lleva acabo en tres etapas de compresión principales: 500 psi, 5000 psi y 50000 psi.
Por encima de los 15000 psi, una gran cantidad de etileno gaseoso puede escapar por fugas muy pequeñas en tiempos muy cortos, esto puede resultar en mezclas explosivas de etileno
POLIETILENO
DE ALTA DENSIDAD
POLIETILENO
LINEAL DE BAJA DENSIDAD
Este polímero puede ser producido por varios procesos: en solución, en suspensión o en fase gas.
En muchas ocasiones se añade hidrógeno a la mezcla de reacción para darle extensión a la cadena polimérica y de esta forma tener un control sobre el punto de cristalización que se requiere.
El proceso real ocurre en una serie de reactores discontinuos.
Los reactores pueden ser tanques agitados o reactores de tubo en forma de lazo (en suspensión).
Temperaturas de reacción va desde los 130 °C a los 270 °C.
Solvente: Ciclohexano, donde la reacción toma lugar
Tiempo de contacto: 2 min.
Concentración de polietileno en ciclohexano entre 35% a 40%
Grandes volúmenes de nitrógeno se introducen al reactor para mantener al catalizador y al comonómero en constante movimiento.
UNIDAD DE ENFRIAMIENTO
La tecnología que se emplea es un reactor de lecho fluidizado, licenciado en la actualidad por Univation Technologies y BP Chemicals.
La fase gaseosa funciona como una fuente de suministro de monómeros, adicionalmente, la fase gas contribuye al mezclado de las partículas poliméricas y la remoción de calor.
Una característica que se destaca de este proceso es la eficiencia mejorada que presenta, puesto que no hay necesidad de retirar el catalizador cuando se producen 600000 kg de LLDPE por cada kg de catalizador (cromo y sílice).
Temperatura: 65,5 °C y 100 °C (150 °F a 212 °F).
Presión: 20 atm
Tiempo de residencia: 3 a 5 horas.
Conversión: 2% al 3% por paso
POLIPROPILENO
Presenta un crecimiento problemático
ISÓMEROS
DEL POLIPROPILENO
Isotáctico:
todos los grupos metilos están en el mismo plano.
Atáctico:
los grupos metilos están ubicados aleatoriamente dentro o fuera del plano
Sindiotáctico:
los grupos metilos están de forma alterna en el mismo plano.
¿Cómo se forma el Polipropileno?
El propileno presenta un grupo metilo extra con respecto al etileno, este le confiere al polipropileno asimetría respecto a su estructura.
MANUFACTURA
DEL POLIPROPILENO
Se categorizan en cuatro tipos principales basados en la fase en la cual la reacción toma lugar:
Polimerización en fase suspendida
Polimerización masiva en reactor en bucle
Polimerización masiva en reactor agitado
Polimerización en fase gas
POLIMERIZACIÓN
FASE SUSPENDIDA
POLIMERIZACIÓN
FASE SUSPENDIDA
POLIMERIZACIÓN
FASE GAS
POLIMERIZACIÓN
FASE GAS
POLIMERIZACIÓN
MASIVA
Temperatura: 65,5 °C a 71 °C (150 °F a 160 °F)
Presión: 6,8 atm a 27,2 atm (100 a 400 psi)
El PP isotáctico permanece suspendido en el diluyente
El PP atáctico se disuelve en el diluyente
Normalmente utiliza catalizadores de primera generación que se conocen por su pobre productividad.
El proceso típico ocurre en una serie de reactores agitados que contienen propileno líquido, diluyente de hidrocarburos pesados y el catalizador de primera generación.
POLIMERIZACIÓN
MASIVA
Se lleva a cabo en polipropileno licuado.
Es un proceso de 2° generación, pero también coexiste con los de 1° generación
Extracción continua del polipropileno formado y del monómero sin reaccionar
Temperatura: 50 °C a 80 °C
Presión: 2 MPa a 4 MPa
Para mantener una alta productividad con un tamaño de reactor adecuado, a remoción del calor de polimerización es clave en el proceso.
Es un proceso de 3° generación, por lo que no es necesaria la descomposición y eliminación del catalizador.
La polimerización ocurre en propileno gaseoso en lugar de propileno licuado.
Se lleva a cabo en un reactor fluidizado, no obstante también se puede empelar el reactor agitado
Comonómero
Diagrama de proceso desarrollado por Sumitomo Chemical Co., Ltd
Temperatura: 65,5 °C a 93 °C (150 °F a 200 °F)
Presión: 24 atm a 34 atm (350 a 500 psi)
¿Cómo hacemos crecer al etileno?
POLIETILENO
El grupo metilo sobrevive como un grupo ramificado cada dos carbonos en la cadena.
PROPILENO
COMENCEMOS CON...
CLORURO DE POLIVINILO
POLIESTIRENO
PVC
Es el menos costoso, composición 57% cloro
El PVC al igual que el PP tiene tres isómeros
Se suele acompañar un plastificante.
Se produce a partir del monómero Cloruro de Vinilo (VCM)
Existen dos formas de producción de MVC:
- Método directo de cloración de etileno
- Método de oxicloración de etileno
ETILENO
CLORO
CLORURO DE VINILO
SÍNTESIS
Cloración directa
Oxicloración
EDC: Dicloruro de etileno
CLORURO DE VINILO
PRODUCCIÓN
El etileno y el cloro se combinan en una catálisis homogénea
Se utiliza un catalizador de cloruro férrico.
Los equipos implicados son: reactor tubular de flujo tapón y una unidad de arrastre cáustico.
Utiliza un reactor tubular de flujo tapón.
Los tubos se empacan con un catalizador de cloruro de cobre.
Por la coraza fluye agua de enfriamiento
Además cuenta con una unidad de arrastre cáustico para remover el HCl y un separador flash para eliminar la acumulación de impurezas ligeras
A la Planta de Manufactura de PVC
CLORURO DE POLIVINILO
PRODUCCIÓN
Estabilizador: Alcohol de polivinilo
POLIMERIZACIÓN EN SUSPENSIÓN
T de reacción próxima a los 130 °F (54,5 °C)
Tiempo por lote: 10 a 12 horas
Un termoplástico más...

PE
PP
PVC
POLIESTIRENO (PS)
Comercializado con éxito por Dow Chemical Co. en 1938 como “STYRONTM PS resins”.
La molécula de estireno o vinilbenceno es la materia prima para la fabricación del PS
El estireno se sintetiza a partir del etilbenceno, el cual se forma de la reacción entre etileno y benceno.
ETILENO
BENCENO
SÍNTESIS
ESTIRENO
PRODUCCIÓN
ESTIRENO
PRODUCCIÓN
POLIESTIRENO
PS
PROCESO
PRODUCTIVO
PRODUCCIÓN
POLIESTIRENO
En etapas intermedias que no se muestran en el diagrama se tiene:
T= 240 °F 250 °F
tiempo= 4 a 8 horas
conversión 30%
T en la parte superior: 280 °F
T en el fondo: 400 °F
Conversión: 95%
T= 482 °F a 536 °F
(250 °C a 280 °C)
-Tambor de venteo: retira el vapor de estireno resultante.
-Devolatizador al vacío: contribuye a la remoción de impurezas del polímero fundido.
ERMOESTABLES
ELASTÓMEROS
termoestables
Termoestables
DUROS
Tienen aplicaciones por encima de la temperatura de transición vítrea, esto implica un estado maleable, dócil y gomoso.
Obtienen su fuerza de un proceso de reticulación irreversible que se produce cuando el compuesto se somete a calor y presiones altas
Tienen aplicaciones por debajo del punto de transición.
Los termoestables presentan cambios químicos, o un cambio de fase cuando se calientan, una vez que pasa este proceso no pueden ser fundidos ni moldeados de nuevo, son resistentes a los disolventes, es decir una vez que se forman son estables
El
punto de transición vítrea o temperatura de transición (Tg)
es el punto o temperatura donde las propiedades mecánicas de un material cambian de flexible y dúctil a duro y quebradiz
ELASTÓMEROS
CAUCHO NITRILO (NBR)
NITRILO HIDROGENADO
(HNBR)
ETILENO- PROPILENO (EPR)
ELASTÓMEROS FLOROCARBONADOS
TERMOESTABLES DUROS
FENÓLICOS: BAQUELITA
ÚREA FOLMALDEHÍDO (UF)
EPÓXIDOS
POLIÉSTERES
Radio de baquelita en el Museo de la Baquelita de Williton (Reino Unido). Wikipedia
NITRILO CARBOXILADO (XNBR)
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