Monitoramento de reações de homopolimerização em emulsão através de técnicas colorimétricas

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia QuímicaCalorimetria de reação é a medida do consumo ou liberação de energia que acompanha um sistema em reação (incluindo mudança de fase), com condições que permitam que todas as taxas dos processos sejam medidas e posteriormente estudadas. A importância da calorimetria no monitoramento de reações de polimerização deve-se a sua característica não invasiva, ou seja, as medidas não afetam a reação, são rápidas e contínuas, além disso, a calorimetria apresenta como vantagens a simplicidade e o baixo custo. Utilizando-se a calorimetria na otimização da operação de reatores pode-se melhorar simultaneamente a produtividade e qualidade do produto, além de reduzir o custo global do processo. No presente trabalho são utilizadas duas variações da técnica de calorimetria para determinar a conversão global de reações de polimerização em emulsão de acetato de vinila, durante a operação em batelada. Uma utilizando a calorimetria isotérmica onde a temperatura do reator foi mantida constante. Outra, a calorimetria isoperibólica onde a temperatura da camisa foi mantida constante e a temperatura do reator não foi controlada. Um reator encamisado de aço inoxidável, do tipo tanque agitado, com volume interno de 5 litros foi instrumentado para operar como um reator calorimétrico. O fluido refrigerante utilizado foi água e a vazão do mesmo foi mantida constante. As reações de polimerização foram realizadas variando a concentração de iniciador, temperatura e teor de sólidos. O coeficiente global de troca térmica foi estimado antes e após as reações de polimerização através da imersão de uma resistência elétrica com potência controlada. Como método de referência para o grau de avanço da reação foi utilizada a gravimetria, sendo para isto retiradas amostras periódicas do reator. Estimativas da conversão obtidas através das medidas de temperatura e dos balanços de massa e energia do reator foram comparadas aos dados obtidos por gravimetria apresentando boa concordância. Reaction calorimetry is a technique that uses the measurement of the consumed or liberated energy, which accompanies a reaction system (including phase change), to calculate the reaction rates allowing the monitoring of the process. Monitoring polymerization reactions by reaction calorimetry is a very useful tool, because it's not invasive, since it is not necessary to collect any sample and the measurements do not affect the reaction, it is fast and continuous. Apart from this, the calorimetry method presents others advantages, such as simplicity and low costs. The use of this method in the optimization and control of the reactions may improve, simultaneously, the production and the quality of the product, besides the reduction of the global cost of the process. The present work uses two variations of the calorimetry technique to determine the global conversion of polymerization reactions in a batch vinyl acetate emulsion polymerization. One variation uses the isothermal calorimetry, in which the reactor temperature is kept constant. The other one uses the isoperibolic calorimetry, in which the jacket temperature is kept constant and the temperature in the reactor is not controlled. A jacketed stainless steel tank reactor with a volume of 5 liters was instrumented to operate as a calorimetric reactor. Water was used as the heating/cooling fluid and its flow rate was kept constant. Several polymerization reactions were carried out changing the initiator concentration, temperature and solids content. The global heat transfer coefficient was estimated before and after the polymerization reactions using an electrical resistance with controlled power immersed in the reaction medium. Gravimetry was used as a reference method for monomer conversion during the reaction by the periodic sampling from the reactor. Estimated conversions obtained by the measurements of reactor and jacket temperatures and by the mass and energy balances were compared with gravimetric data showing a good agreement