BR112021015292A2 - Processo para a preparação de poliamidas - Google Patents
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Abstract
processo para a preparação de poliamidas. a presente revelação se refere a um método para a produção de poliamidas que tem o benefício de controle de processo mais simples, degradação térmica mais baixa e maior flexibilidade composicional. mais particularmente, ela se refere a processos de conversão de sais de diaminas e ácidos dicarboxílicos em poliamidas no estado sólido sem uma fase fundida.
Description
[0001] A presente revelação se refere a um método para a produção de poliamidas que tem o benefício de controle de processo mais simples, degradação térmica mais baixa e maior flexibilidade composicional. Mais particularmente, ela se refere a processos de conversão de sais de diaminas e ácidos dicarboxílicos em poliamidas no estado sólido sem uma fase fundida.
[0002] Existem várias desvantagens nos métodos convencionais para a preparação de poliamidas a partir de soluções salinas aquosas de náilon. A preparação salina, o armazenamento da solução salina e os processos evaporativos são genericamente projetados dentro dos limites de solubilidade do sal para manter a homogeneidade de fase, levando adicionalmente a especificações de alta pressão e alta temperatura. A estabilidade de fase das soluções salinas é uma preocupação importante e pode se tornar desafiadora para algumas combinações de materiais de partida. Esta é uma preocupação adicional quando a qualidade de um copolímero aleatório é determinada em parte pela manutenção de uma solução homogênea durante o processamento. A degradação é comumente controlada pela limitação das temperaturas de processamento e armazenamento das soluções, e isso impõe um limite adicional às condições do processo. A taxa de evaporação e as alterações de pressão são complexidades adicionais em tais esquemas de processo e novamente precisam ser projetadas em torno da estabilidade da solução na extremidade frontal ou do material fundido à medida que o processo termina. Alcançar um alto grau de polimerização no processamento em estado de fusão expõe o polímero à possível degradação térmica, e isso é especialmente verdadeiro para composições com altas temperaturas de fusão. Finalmente, a solução e o processo de fusão podem também ser abrangidos por questões que derivam do desenvolvimento e carreamento de espuma e perda de materiais com o vapor d’água de saída.
[0003] O processamento de sais precipitados oferece uma alternativa. Tais sais podem ser coletados a partir de soluções aquosas ou não aquosas em temperaturas muito mais baixas que as temperaturas necessárias para manter a solubilidade. Composições salinas complexas que exibem solubilidade limitada e oferecem características de processamento por fusão desafiadoras são comparativamente simples de precipitar. Os processos de polimerização no estado sólido precisam apenas ser projetados para manter a fluidez dos sólidos ao invés do envelope de fase mais complexo considerado acima. Tais processos de polimerização em fase sólida podem operar a temperaturas entre cerca de 70 a 230°C mais baixas do que os processos de fase de fusão análogos, reduzindo assim significativamente a degradação térmica. Os trabalhadores têm buscado explorar esses possíveis benefícios dessa rota de polimerização.
[0004] A patente US 4.131.712 revela um processo para a produção de uma poliamida de alto peso molecular, sendo que um componente rico em diácido e um componente rico em diamina são preparados separadamente em proporções não estequiométricas.
[0005] A patente US 4.925.914 revela um processo de polimerização com base em sais de náilon precipitados de várias composições. Uma dispersão ou suspensão do sal finamente dividido é criada em um meio de hidrocarboneto alifático líquido. 0,01 a 5% de um catalisador de hipofosfito é misturado uniformemente em algum ponto antes do aquecimento. A mistura é então mantida em refluxo a uma temperatura acima de 100 °C, mas cerca de 15 a 20 °C mais baixa que a temperatura de fusão do sal ou da poliamida final.
[0006] O pedido de patente japonês 04-093323 revela um processo em múltiplas etapas para a preparação de poli(hexametileno adipamida) de alto peso molecular com baixos teores do degradante de reticulação, bis-hexametileno triamina.
[0007] A patente US 5.128.442 revela um processo de três etapas para a produção de poliamidas.
[0008] As patentes US 5.403.910 e 5.665.854 revelam processos de poliamidação em duas etapas conduzidos sob pressões atmosféricas e baixas temperaturas.
[0009] A publicação de patente europeia n° 2.614.105 B1 descreve o acabamento pós-condensação de poliamidas com o uso de um gás de arrasto e um ácido, anidrido, lactona, amônia, amina ou várias misturas sob pressões de 0,01 a 10 bar.
[0010] A produção de poliamidas a partir de sais pode ter vantagens, mas ela exige ter o sal como um material de partida. Pode, também, ser vantajoso ter um processo que seja alimentado apenas com os monômeros de base.
[0011] O pedido publicado US n° 2013/0172521 A1 revela um processo a seco descontínuo para produzir pós de sal de náilon e subsequentemente polimerizá-los.
[0012] A publicação de patente europeia n° 2.951.147 B1 se refere a um processo para preparação de um sal a partir de diamina e ácido dicarboxílico, sendo o sal denominado sal de diamina/ácido dicarboxílico.
[0013] A patente US n° 4.131.712 se refere a um processo para preparação de poliamidas de alto peso molecular, que é executado em fase líquida, e na ausência de solventes orgânicos ou de grandes quantidades de água.
[0014] Dessa forma, pode-se observar que ainda existem desafios. Seria desejável ter um processo e um design que sejam passíveis de operação contínua que não exija a complexidade da agitação mecânica. É necessário que tal design evite comportamentos de fusão eutética para manter o leito operando como um pó ou particulado.
[0015] A presente invenção se refere a um processo para a produção de ao menos um dentre uma poliamida e um sal de poliamida que compreende a fluidização de um diácido sólido finamente dividido em um gás fluidizante e a reação do diácido sólido finamente dividido com a diamina em uma zona de reação.
[0016] O gás fluidizante pode compreender gotículas de diamina ou gás diamina.
[0017] O diácido sólido finamente dividido pode compreender um diácido alifático.
[0018] O diácido alifático pode compreender o ácido adípico.
[0019] A diamina pode compreender uma diamina alifática como a hexametileno diamina.
[0020] O processo pode incluir o controle do regime de fluidização dentro da zona de reação pela regulação do diferencial de pressão através da zona de reação.
[0021] A regulação de pressão pode incluir a aplicação de vácuo a uma saída da zona de reação e o controle do fluxo em uma entrada para a zona de reação até se alcançar um grau desejado de fluidização.
[0022] A regulação de pressão pode compreender alimentação de fluido pressurizado à zona de reação até se alcançar um grau desejado de fluidização.
[0023] A regulação de pressão pode ser executada na ausência de aspiração da zona de reação.
[0024] O processo pode incluir carregar vapor de diamina na zona de reação.
[0025] A taxa de carga de vapor de diamina pode ser controlada para manter um equilíbrio desejado de diácido:diamina na zona de reação.
[0026] O processo pode incluir a introdução de um gás inerte na zona de reação. Exemplos de gases inertes adequados podem incluir nitrogênio e vapor d'água.
[0027] A taxa de introdução de vapor d´água pode ser controlada para melhorar ao menos uma medição de qualidade do produto. Exemplos de qualidade do produto incluem a brancura.
[0028] O processo pode incluir adicionalmente: a) executar a poliamidação em lote ou modo contínuo em uma pluralidade de leitos de reação sequenciais; b) injetar um gás inerte para fluidizar completamente as alimentações inertes (isto é, vapor d'água ou nitrogênio ou outros gases ou vapores inertes) para ao menos um leito de reação sequencial posterior para fluidizar uma reação de poliamidação; e c) injetar as diaminas fundidas ou vaporizadas no espaço livre de ao menos um leito de reação sequencial anterior para controlar o equilíbrio de diácido:diamina.
[0029] A reação de poliamidação revelada pode produzir qualquer poliamida adequada, incluindo poliamidas parcialmente aromáticas. Uma poliamida adequada é o náilon-6,6.
[0030] No processo revelado, a poliamidação pode incluir a execução em ao menos uma porção da poliamidação em uma extrusora de rosca dupla, o monitoramento do equilíbrio de diácido:diamina na saída da extrusora de rosca dupla e o controle de uma compensação de uma taxa de fluxo de alimentação de diamina para a extrusora de rosca dupla com base no equilíbrio de diácido:diamina monitorado na saída da extrusora de rosca dupla.
[0031] O processo de poliamidação pode incluir, ainda, a execução da polimerização em uma extrusora de rosca dupla, a medição de ao menos um dentre o teor de umidade e a viscosidade relativa da saída da extrusora de rosca dupla e o controle do nível de vácuo na extrusora de rosca dupla para controlar ao menos um dentre o teor de umidade e a viscosidade relativa da saída da extrusora de rosca dupla.
[0032] A saída da extrusora de rosca dupla pode, opcionalmente, ser alimentada em um polimerizador contínuo para terminar a polimerização desejada. Esta modalidade pode incluir a predição de uma viscosidade relativa ou teor de umidade desejados que um fluxo de alimentação ao menos parcialmente polimerizado produziria na saída de um polimerizador contínuo e o ajuste do teor de umidade de saída da extrusora de rosca dupla ou da viscosidade relativa para alcançar a viscosidade relativa ou o teor de umidade desejados na saída do polimerizador contínuo.
[0033] A Figura 1 é uma representação esquemática de uma modalidade do Exemplo 1 e de acordo com a presente revelação.
[0034] A Figura 2 é uma representação esquemática de uma modalidade como nos Exemplos 2 a 4, e de acordo com a presente revelação.
[0035] A Figura 3 é uma representação esquemática de uma modalidade como nos Exemplos 5 a 6 e de acordo com a presente revelação.
[0036] Exceto onde definido em contrário, todos os termos técnicos e científicos aqui utilizados têm o mesmo significado comumente entendido pelos versados na técnica à qual esta revelação pertence. Embora quaisquer métodos e materiais similares ou equivalentes àqueles aqui descritos possam também ser utilizados na prática ou teste da presente revelação, os métodos e materiais adequados são agora descritos.
[0037] Conforme ficará evidente para os versados na técnica mediante a leitura desta revelação, cada uma das modalidades individuais descritas e ilustradas aqui tem componentes e características distintos que podem ser prontamente separadas de ou combinadas com as características de qualquer das outras várias modalidades sem que se afaste do escopo ou espírito da presente revelação. Qualquer método recitado pode ser realizado na ordem dos eventos citados ou em qualquer outra ordem que seja logicamente possível.
[0038] Os exemplos a seguir são apresentados para fornecer aos versados na técnica uma revelação e descrição completas de como executar os métodos e usar as composições e os compostos aqui revelados e reivindicados. Esforços foram feitos para assegurar a exatidão com relação aos números (por exemplo, quantidades, temperatura etc.), mas alguns erros e desvios devem ser levados em consideração. Exceto onde indicado em contrário, as porcentagens são expressas em peso, as partes são expressas em peso, a temperatura é expressa em °C e a pressão é expressa em atmosferas. Por exemplo, todas as composições por cento são dadas como porcentagens em peso, exceto onde especificado em contrário. Quando soluções de componentes são referidas, as porcentagens se referem a porcentagens em peso da composição incluindo o solvente (por exemplo, água) exceto onde indicado em contrário. Todos os pesos moleculares dos polímeros são pesos moleculares ponderais médios, exceto onde especificado em contrário. A temperatura e a pressão padrão são definidas como 20 °C e 1 atmosfera absoluta.
[0039] Os sais de náilon são convertidos em polímeros de náilon em reatores por lote de múltiplas etapas ou em processos contínuos multiestágios. Esses processos são operados a pressões substancialmente diferentes da pressão atmosférica o suficiente para afetar a fluidização do leito de sólidos.
[0040] O processo revelado pode operar através de ao menos dois estágios: um estágio de pré-polimerização e um estágio de polimerização. Em modalidades alternativas, os estágios de blenda fundida podem ser incorporados após a polimerização ou os estágios de polimerização para efetuar polimerização adicional ou copolimerização completa de blendas de fluxos de alimentação de reagentes. Em modalidades alternativas, as etapas do processo são fisicamente separadas e os precursores sólidos de poliamida são coletados após o estágio inicial para processamento separado posteriormente.
[0041] Quando o produto deve ser coletado como um sólido após o estágio de formação do precursor, então este estágio – é frequentemente conduzido abaixo de cerca de 200°C, por exemplo, a menos que cerca de 180 a 190°C, mas definido pelo grau de amidação – o leito de reação fluidizado precisa conter diamina suficiente para alcançar o grau desejado de equilíbrio no produto final. Por exemplo, os estágios de formação do precursor podem ser operados a temperaturas ≤200°C, por exemplo, ≥20 a ≤120°C, por exemplo, ≥40 a ≤100°C. O limite de temperatura é determinado pela necessidade de evitar a fusão eutética, conforme definido para a composição sendo produzida. A diamina ou as diaminas podem ser injetadas como um líquido no leito fluidizado quente ou podem ser transportadas no fluxo de alimentação de gás ou vapor entrante. A formação do precursor é eficazmente realizada quando a diamina na alimentação de gás ou vapor pode ser terminada sem que o produto se desvie das especificações aceitáveis de equilíbrio.
[0042] Quando não há coleta separada de precursores sólidos, a temperatura de cada estágio sucessivo é aumentada de um modo que é definido pela composição de construção que evita a fusão eutética. As temperaturas podem ser aumentadas para >100°C uma vez que a fração molar de diamina nos sólidos tenha ultrapassado cerca de 0,23 a 0,24 para o náilon 6.6. A polimerização por inserção nestes estágios posteriores exige temperaturas mais altas, o que leva a perdas crescentes de vapor de diamina. Dessa forma, a diamina é alimentada em estágios mais baixos adicionais para eventualmente se obter o grau desejado de equilíbrio. O leito de reação fluidizado pode conter diamina no fluxo de alimentação de gás ou vapor, mas alternativamente, pode ser substancialmente inerte. Por exemplo, um estágio de polimerização pode ser operado acima de 195°C, por exemplo, acima de 200°C, por exemplo, acima de 210°C. O leito de reação fluidizado pode ser completamente inerte (isto é, estequiometricamente equilibrado entre diácido e diamina) de modo que a massa de reação evita a perda de monômero, reduzindo dessa forma o risco de o produto final ser inaceitável no uso final devido a um desequilíbrio de reagentes monoméricos.
[0043] Catalisadores de polimerização podem ser utilizados. Tais catalisadores podem ser incorporados por meio da solução salina antes da cristalização do sal ou por meio da adição de sólidos ou por meio da compactação ou moagem ou trituração de sólidos juntos.
[0044] Os aditivos poliméricos podem ser incorporados em qualquer estágio conveniente. Se um aditivo polimérico desejado tende a reagir para um produto indesejado sob temperaturas elevadas, então o aditivo pode ser adicionado posteriormente no processo, por exemplo, tão próximo da completeza da polimerização quanto comercialmente razoável.
[0045] O processo é, de modo geral, controlado de modo que, em nenhum momento, a blenda de reação de sólidos se torne completamente fundida.
[0046] Para algumas composições poliméricas, é vantajoso alimentar sais de náilon secos de diferentes composições ou alimentar múltiplos monômeros em proporções adequadas. É aceitável que algumas aplicações para essas blendas sejam completamente convertidas sem serem submetidas a uma homogeneização completa do material fundido. Para outras aplicações, as blendas podem ser convertidas através ao menos do estágio de pré-polimerização antes da alimentação a um processo de blenda fundida, como uma extrusora. Os produtos peletizados da operação da blenda fundida podem ser adicionalmente convertidos através de polimerização em fase sólida ou podem ser utilizados diretamente em operações de moldagem ou fabricação.
[0047] A poliamida aqui descrita pode ser qualquer poliamida adequada. As poliamidas e as copoliamidas são derivadas de diaminas e ácidos dicarboxílicos e/ou de ácidos amino carboxílicos ou lactamas correspondentes, como poliamida 4, poliamida 6, poliamida 66, poliamida 610, poliamida 69, poliamida 612, poliamida 46, poliamida 1212, poliamida 11, poliamida 12, poliamidas semiaromáticas derivadas de diaminas e ácidos dicarboxílicos, como, mas não se limitando a, m-xililenodiamina (MXD) e ácido adípico (conhecido na indústria como poliamida MXD6); outras semipoliamidas preparadas a partir de diaminas e ácidos dicarboxílicos, como, mas não se limitando a, hexametileno diamina e ácido iso- e/ou tereftálico.
[0048] Por exemplo, os monômeros podem ser selecionados do grupo que consiste em tetrametileno diamina, hexametileno diamina, 2-metilpentametileno diamina (D), diaminodecano, diaminododecano, 2,4,4-trimetil hexametileno diamina, 2,2,4- trimetil hexametileno diamina, ácido adípico, ácido azelaico, ácido sebácico, ácido dodecanodioico, ácido iso- e/ou tereftálico, ε-caprolactama, undecanlactama, laurolactama e misturas dos mesmos. Os monômeros podem incluir também aqueles que podem contribuir para o comportamento retardador de chamas de todo o sistema, como um monômero contendo fósforo, por exemplo, óxido de bis(2-carboxietil)fenilfosfina.
[0049] Os monômeros podem incluir hexametileno diamina e ácido adípico. Por exemplo, a poliamida pode ser uma poliamida PA 46, PA 66; PA 69; PA 610, PA 612, PA 1012, PA 1212, PA 6, PA 11, PA 12, PA 66/6T, PA 6I/6T, PA DT/6T, PA 66/6I/6T, ou blendas das mesmas, como PA6/PA66. A poliamida pode ser o náilon 66 e a composição pode, opcionalmente, ser substancialmente isenta de todas as outras poliamidas (por exemplo, o náilon 66 pode ser a única poliamida utilizada para formar a composição).
[0050] As poliamidas podem ser produzidas pela polimerização de ácidos dicarboxílicos e derivados de diácido e diaminas. Em alguns casos, as poliamidas podem ser produzidas através da polimerização de ácidos amino carboxílicos, aminonitrilas, ou lactamas. O componente de ácido dicarboxílico é adequadamente ao menos um ácido dicarboxílico com a seguinte fórmula molecular HO2C-R1-CO2H; sendo que R1 representa um radical divalente alifático, cicloalifático ou aromático, ou uma ligação covalente. R1 inclui adequadamente de 2 a 20 átomos de carbono, por exemplo, 2 a 12 átomos de carbono, por exemplo, 2 a 10 átomos de carbono. R1 pode ser um radical alquileno linear ou ramificado, por exemplo linear, incluindo 2 a 12 átomos de carbono, ou 2 a 10 átomos de carbono, por exemplo 2, 4, 6 ou 8 átomos de carbono, um radical fenileno não substituído, ou um radical ciclo-hexileno não substituído. Opcionalmente, R1 pode conter um ou mais grupos éter. Por exemplo, R1 é um radical alquileno, por exemplo, um radical alquileno linear, incluindo 2 a 12 átomos de carbono, ou 2 a 10 átomos de carbono, por exemplo, 2, 4, 6 ou 8 átomos de carbono.
[0051] Exemplos específicos de ácidos dicarboxílicos adequados incluem ácido hexano-1,6-dioico (ácido adípico), ácido octano-1,8-dioico (ácido subérico), ácido decano-1,10-dioico (ácido sebácico), ácido dodecano-1,12-dioico, ácido 1,2- cicloexano dicarboxílico, ácido 1,3-cicloexano dicarboxílico, ácido 1,4-cicloexano dicarboxílico, ácido 1,2-cicloexano diacético, ácido 1,3-cicloexano diacético, ácido benzeno-1,2-dicarboxílico (ácido ftálico), ácido benzeno-1,3-dicarboxílico (ácido isoftálico), ácido benzeno-1,4-dicarboxílico (ácido tereftálico), 4,4'-oxi-bis(ácido benzoico) e ácido 2,6-naftaleno dicarboxílico. Um ácido dicarboxílico adequado é o ácido hexano-1,6-dioico (ácido adípico).
[0052] O componente diamina é adequadamente ao menos uma diamina com a seguinte fórmula H2N-R2-NH2; sendo que R2 representa um radical divalente alifático, cicloalifático ou aromático. R2 inclui adequadamente de 2 a 20 átomos de carbono, por exemplo, 4 a 12 átomos de carbono, por exemplo, 4 a 10 átomos de carbono. R2 pode ser um radical alquileno linear ou ramificado, por exemplo linear, incluindo 4 a 12 átomos de carbono, por exemplo 4 a 10 átomos de carbono, por exemplo 4, 6 ou 8 átomos de carbono, um radical fenileno não substituído, ou um radical ciclo-hexileno não substituído. Opcionalmente, R2 pode conter um ou mais grupos éter. Por exemplo, R2 é um radical alquileno, por exemplo, um radical alquileno linear, incluindo 4 a 12 átomos de carbono, ou 4 a 10 átomos de carbono, por exemplo, 2, 4, 6 ou 8 átomos de carbono.
[0053] Exemplos específicos de diaminas adequadas incluem tetrametileno diamina, pentametileno diamina, hexametileno diamina, octametileno diamina, decametileno diamina, dodecametileno diamina, 2-metil pentametileno diamina, 3-metil pentametileno diamina, 2-metil hexametileno diamina, 3-metil hexametileno diamina, 2,5-dimetil hexametileno diamina, 2,2,4-trimetil-hexametileno diamina, 2,4,4-trimetil- hexametileno diamina, 2,7-dimetiloctametileno diamina, 2,2,7,7-tetrametiloctametileno diamina, 1,2-ciclo-hexanodiamina, 1,3-ciclo-hexanodiamina, 1,4-ciclo-hexanodiamina, 4,4'-diaminodiciclo-hexilmetano, benzeno-1,2-diamina, benzeno-1,3-diamina e benzeno-1,4-diamina. Uma diamina adequada é a hexametileno diamina.
[0054] O diácido aromático é adequadamente ao menos um diácido com a seguinte fórmula HO-C(O)-R3-C(O)-OH, sendo que a variável R3 é arila substituída ou não substituída, como fenila. Em um aspecto, o diácido aromático é o ácido tereftálico.
[0055] A resina de poliamida pode incluir adicionalmente um catalisador. Em um aspecto, o catalisador pode estar presente na resina de poliamida em uma quantidade na faixa de 10 ppm a 1.000 ppm, em peso. Em um outro aspecto, o catalisador pode estar presente em uma quantidade na faixa de 10 ppm a 300 ppm, em peso. O catalisador pode incluir, mas não se limita a, compostos de fósforo e oxifósforo, como ácido fosfórico, ácido fosforoso, ácido hipofosforoso, ácido hipofosfórico, ácidos arilfosfônicos, ácidos arilfosfínicos, sais dos mesmos e misturas dos mesmos. Em um aspecto, o catalisador pode ser hipofosfito de sódio (SHP), hipofosfito de manganês, fenilfosfinato de sódio, fenilfosfonato de sódio, fenilfosfinato de potássio, fenilfosfonato de potássio, hexametilenodiamônio bis- fenilfosfinato, tolilfosfinato de potássio, ou misturas dos mesmos. Em um aspecto, o catalisador pode ser o hipofosfito de sódio (SHP).
[0056] Em um aspecto do processo revelado, é desejável manter a temperatura da zona de formação de precursor abaixo de 120 °C, por exemplo, abaixo de 100 °C,
a fim de evitar a reação de amidação e manter a fluidez e evitar a fusão eutética. Uma análise de teste por DSC [calorimetria de varredura diferencial] pode ser executada em uma amostra obtida a partir da zona de formação de sal para determinar qualquer início da formação de oligômero e/ou polímero. Quando precursores sólidos devem ser coletados como um produto separado, este é um método útil para otimizar o perfil de temperatura do processo de formação do precursor.
[0057] A utilidade industrial da presente revelação pode ser realizada, sendo que o sal finamente dividido, preparado de acordo com a presente revelação, pode ser um fluxo de alimentação adequado para um reator de fusão, por exemplo, uma autoclave ou uma extrusora, por exemplo, uma extrusora de rosca dupla. O sal finamente dividido é vantajoso também para a mistura uniforme com aditivos, especialmente aditivos secos incluindo aditivos de lote mestre que também são finamente divididos.
[0058] O processo para a preparação salina da presente revelação pode ser adequadamente realizado em um equipamento de leito fluidizado. Um diácido seco finamente dividido pode ser adequadamente fluidizado com o uso de uma corrente de gás fluidizante contendo diamina, de modo que haja um equilíbrio de entrada de energia mecânica e turbulência de fluidização para boa misturação reversa no leito. Deve-se considerar que na extremidade inferior da entrada de energia mecânica para fluidização, pontos quentes localizados e regiões de alta temperatura podem se desenvolver levando a partículas que se aderem umas às outras e se aglomeram em massas informes. Conforme a energia mecânica aumenta progressivamente, a fluidização pode ser alcançada de maneira estável com boa turbulência para a mistura, e transferência de calor e momento uniformes. Nesse regime de fluidização, pontos quentes podem ser evitados levando à aglomeração de partículas. Na extremidade superior da entrada de energia mecânica para fluidização, o alto momento do gás pode transportar as partículas presentes no ar, reduzindo assim a eficácia da fluidização.
[0059] No processo para a preparação salina da presente revelação, um suprimento industrial ou comercial de sólidos secos de diácido pode ser adequado sob as condições de fluidificação, por exemplo, sólidos secos de ácido adípico. Os produtos de ácido adípico industrial podem estar disponíveis nas seguintes faixas: • os tamanhos médios de partícula [D50] variam entre 100 e 450 micrômetros; • a % de sólidos finos (abaixo de 75 mícrons) fica na faixa entre <5 a 25 (%, em volume) e, em alguns casos, até 45%, em volume; • a densidade aparente fica na faixa entre 721 a 881 kg/m3; • as % de sólidos finos variam de acordo com o tamanho médio de partícula (em micrômetros) como abaixo: Tamanho médio Sólidos finos (%, de partícula em volume) (micrômetros) 350 a 450 < 5% 250 a 350 5 a 10% 200 a 300 10 a 15% 150 a 200 15 a 25%
[0060] Deve-se compreender que as condições de fluidificação na presente revelação podem ser ajustadas para acomodar partículas sólidas diácidas secas com tamanhos médios de partícula de cerca de 10 a 5000 micrômetros, como de cerca de 10 a 1000 micrômetros, ou de cerca de 20 a 800 micrômetros, ou mesmo de cerca de 25 a 700 micrômetros. Não há limite, contanto que as condições de fluidização possam ser obtidas de uma maneira mais eficiente. A discussão de tamanho de partícula é aplicável também a uma blenda de pós de diácido dependendo do tipo de poliamida a ser produzida com o sal resultante.
[0061] Os métodos de produção convencionais para a produção de poliamidas dependem da continuação além da produção de sal (comumente conhecida como a etapa de choque de sal) e prosseguem para a amidação por meio da reação de policondensação. Uma vez que os cristais de sal sólido começam a reagir adicionalmente, a perda de diamina é tipicamente observada a partir das partículas.
Dessa forma, é especialmente importante controlar as condições de processamento, de acordo com a presente revelação, para formar o sal e não avançar para a poliamida se os precursores precisarem ser coletados como um produto sólido separado.
[0062] O processo revelado é um melhoria acentuada na etapa mais intensiva em energia em um processo convencional de poliamida, sendo que um grande excesso de sólidos de ácido adípico [AA] é dissolvido juntamente com a hexametileno diamina [HMD] em água, então evaporando a água enquanto se polimerizam o AA e a HMD para produzir o náilon 6.6 através da implementação de ciclos de pressão-temperatura.
[0063] A partir de uma perspectiva de controle, o processo reivindicado é contraintuitivo. Exemplos de métodos para controlar o equilíbrio de AA para HMD incluem: (a) extrair uma corrente de partículas fluidizadas, dissolver em água e medir o pH; (b) espectroscopia Raman; (c) FTIR ou espectroscopia no infravermelho próximo; e (d) monitorar a HMD no gás de saída. Para a opção (d), a perda líquida de HMD desejavelmente se aproxima de zero. Exemplo 1
[0064] Um sistema de reator de leito fluidizado 100 é esquematicamente representado na Figura 1. O reator de leito fluidizado 105 de 300 mm (0,3 m) de diâmetro é unido acima de uma frita de vidro 110 servindo como um espaço cheio. O leito fluidizado tem uma altura de trabalho de cerca de 300 mm (0,3 m) da frita até o respiro. O gás de suprimento é o nitrogênio que tem pressão restrita através de um regulador. A unidade de reator 105 pode ser operada sob vácuo através de uma conexão de fluxo 10 a um sistema de vácuo de construção (não mostrado) com a válvula de regulação de pressão ajustada para um ajuste mais baixo. Alternativamente, a unidade de reator 105 pode ser operada sob pressão mediante a alteração do ajuste da válvula de regulação de pressão de fornecimento de nitrogênio. O fluxo para o leito fluidizado 105 é definido através de uma válvula de agulha 115. O fluxo de gás entrante é aquecido até um ponto de ajuste com o uso de um aquecedor de gás em linha 120. A unidade de reator 105 é projetada de modo que o gás aquecido de saída do aquecedor de gás 120 possa ser alimentado através de um vaso de líquido aquecido 125 para incorporar um teor de vapor no fluxo de alimentação de gás 3, ou pode, alternativamente, ser imediatamente chaveado para desviar do vaso de líquido aquecido 125 e operar sem um componente de vapor no fluxo de alimentação de gás 5. A unidade de reator 105 tem, também, uma conexão de fluxo de respiro 15 que ventila através de uma unidade de separação de gás/sólido 130 e de uma unidade de captura de condensado 135. Uma unidade de vaso de captura 140 está conectada à unidade de separação gás/sólido 130 para coletar quaisquer sólidos separados.
[0065] Cerca de 3 kg de sal seco de náilon 6.6 são carregados através da porta superior da unidade de leito fluidizado 105. A porta é, então, vedada com uma torneira. O sal é desoxigenado com uma purga da corrente de alimentação de gás nitrogênio não aquecido 7. O fluxo de alimentação de gás 9 é, então, escoado através do aquecedor de gás em linha 120, aquecido a cerca de 180°C e o fluxo de alimentação de gás quente 25 é alimentado através de um borbulhador no vaso de líquido aquecido 125 para borbulhar através de um volume de hexametileno diamina anidra fundida [HMD] que também é mantida a 180°C. O fluxo de alimentação de gás quente 3 que sai do vaso de líquido aquecido 125 incorpora o vapor de hexametileno diamina [HMD]. A válvula de regulação de pressão de fornecimento está definida em 1 bar, o sistema de vácuo de construção é ligado e o fluxo é regulado através da unidade de leito fluidizado 105 através da válvula de agulha 115. O fluxo de alimentação de gás quente carregado com HMD é controlado a uma taxa de cerca de 1700 litros por minuto [lpm]. Isso resulta em um borbulhamento constante na unidade de leito fluidizado 105. A unidade de leito fluidizado 105 é mantida nesta condição durante cerca de 4 horas.
[0066] Após esse tempo, a temperatura do fluxo de alimentação de gás quente 3 é aumentada até 220°C. O fluxo é mantido a 1700 lpm. A unidade de leito fluidizado 105 é mantida nessa condição durante 2 horas adicionais.
[0067] Após esse tempo e mantendo, ao mesmo tempo a temperatura de alimentação de gás quente a 220°C, o fluxo de gás que sai do aquecedor de gás 120 é redirecionado de modo que se desvie do vaso de líquido aquecido 125 contendo hexametileno diamina anidra fundida [HMD]. Nesta condição, a corrente de gás aquecida 5 é alimentada à unidade de leito fluidizado 105. A unidade de leito fluidizado 105 é operada com esse fluxo de alimentação durante mais duas horas.
[0068] Após esse tempo, o aquecedor de gás 120 é desligado e a alimentação de nitrogênio fluidizado é utilizada para resfriar os sólidos fluidizados até a temperatura ambiente.
[0069] Observa-se que os sólidos resultantes recuperados da unidade de leito fluidizado 105 perderam menos que 30 meq de amina por kg de sólidos e exibem uma viscosidade relativa do polímero (RV) de 9. Exemplo 2
[0070] Um sistema de poliamidação contínuo 200 é esquematicamente representado na Figura 2. O sistema 200 compreende uma unidade de reator em cascata 205 feita de 16 seções de leito fluidizado (como numeradas de cima para baixo) e cada seção equipada com tubos de barreira de transbordamento. Cada tubo de barreira de transbordamento leva à profundidade suficiente para o próximo leito inferior para evitar desvio de vapor detectável.
[0071] A disposição de suprimento de gás de fluxo de alimentação é descrita no Exemplo 1 e na Figura 1, isto é, possibilitando que o gás nitrogênio entrante seja aquecido]. Além disso, o fluxo de alimentação de gás pode ser desviado do vaso de líquido aquecido e alimentado à unidade 205.
[0072] Um alimentador volumétrico (chamado de alimentador versa) é encaixado à prova de gás no estágio superior e reabastecido com nitrogênio para evitar a entrada de oxigênio no reator.
[0073] A seção de topo 211, com estágios numerados de 1 a 10, tem um diâmetro interno de 200 mm (0,2 m). A seção de fundo 231, com estágios numerados de 11 a 16, tem um diâmetro interno de 300 mm (0,3 m). Isso possibilita que a corrente de vapor ascendente acelere à medida que os diâmetros da seção ficam menores conforme o vapor flui para cima, o que pode melhorar a transferência de calor e massa através de melhor fluidização nas seções superiores da unidade 205.
[0074] A regulação da temperatura dentro de cada estágio é alcançada através de recirculação de meio quente através de tubos que passam horizontalmente através dos leitos fluidizantes dos respectivos estágios. Estes podem ter controles de temperatura independentes de modo que um perfil de temperatura axial possa ser mantido para a unidade 205. Aquecedores de camisa podem também ser utilizados em qualquer seção ou estágio para ajudar a conservar e regular o calor. Isso aumenta o calor fornecido pelo fluxo de vapor ascendente.
[0075] Cerca de 1,8 kg/h de sal seco de náilon 6.6 é alimentado até o estágio mais alto com o uso de um alimentador sólido 255. Cerca de 35 a 40 m3 por hora de nitrogênio seco são alimentados no estágio mais inferior na porta de entrada de gás
257. As velocidades do gás vapor ascendente são determinadas como sendo de cerca de 0,2 a 0,3 m/s na seção de topo 211 e de cerca de 0,1 a 0,2 m/s na seção de fundo
231. O tempo de retenção de sólidos fluidizados em estágios e em cascata [HUT em h] e o perfil de temperatura axial [em °C] são mostrados na tabela lateral na Figura 2.
[0076] Cerca de 1,55 kg/h de polímero de náilon 6.6 são obtidos a partir dessa operação em uma porta para produto de fundo 259. O produto polimérico de náilon
6.6 tem uma viscosidade relativa de 15. Exemplo 3
[0077] Com o uso da disposição unitária e das condições de processamento descritas no Exemplo 2 e na Figura 2, uma hexametileno diamina líquida adicional [HMD] é alimentada diretamente no espaço livre acima do estágio 13 através de uma porta de entrada 261 em combinação com gás nitrogênio seco aquecido alimentado no estágio mais inferior. É possível, também, alimentar a HMD líquida adicional em vários estágios ao longo do comprimento axial e conforme mostrado na Figura 2 através de qualquer uma das portas de entrada 265. Isso fornece melhor controle de equilíbrio e maior viscosidade relativa no produto recuperado do sistema em cascata 205. Exemplo 4
[0078] Com o uso da disposição da unidade 200 descrita no Exemplo 2 e na Figura 2, o fluxo de alimentação sólida é alterado de sal seco para ácido adípico. O adipato de hexametileno diamina é produzido mediante o fluxo de alimentação de ácido adípico a cerca de 1 kg/h, através do alimentador de sólidos no topo, e a hexametileno diamina líquida [HMD] é alimentada diretamente no espaço livre acima dos estágios 7, 9, 11 e 13, através de uma entrada mostrada em combinação com o gás nitrogênio seco aquecido alimentado no estágio mais inferior 16. Descobriu-se que o controle de equilíbrio fino pode ser aprimorado por uma injeção controlada de diamina no fluxo de alimentação de nitrogênio seco à medida que se conecta ao espaço cheio abaixo do estágio 16. As temperaturas são reguladas através do equipamento descrito para manter os leitos sólidos em ou abaixo de 90 a 100°C. Isso mantém o sistema em um estado de fluxo livre e evita a formação de oligômeros. Isso produz um sal de náilon substancialmente seco a uma taxa de cerca de 1,8 kg/h. Exemplo 5
[0079] Um sistema de poliamidação contínuo 300 é esquematicamente representado na Figura 3. O sistema 300 compreende uma unidade de reator em cascata 305 feito de 15 seções de leito fluidizado (como numeradas de cima para baixo) e cada seção equipada com tubos de barreira de transbordamento. Um 16° estágio adicional é adicionado abaixo do último estágio fluidizado, e essa coluna estática é utilizada para formação de fases sólidas do produto em uma maneira de fluxo pistonado até um ponto final do teste controlado. Cada tubo de barreira de transbordamento leva à profundidade suficiente para o próximo leito inferior para evitar desvio de vapor detectável. A disposição geral da unidade de seção a seção, os diâmetros internos e as configurações de entrada/saída para o sistema 300 são muito similares àqueles descritos no Exemplo 2 e na Figura 2.
[0080] Neste exemplo, o ácido adípico puro é alimentado ao estágio mais alto com o uso de um sistema alimentador sólido 355. Os estágios superiores auxiliam no aquecimento da entrada do fluxo de alimentação sólido conforme ele é fluidizado e desencadeado em cascata na unidade. Os estágios superiores desempenham, também, uma função importante de absorver qualquer diamina residual presente no fluxo de vapor ascendente.
[0081] A seção de topo 311, com estágios numerados de 1 a 10, tem um diâmetro interno de 200 mm (0,20 m). A seção intermediária 321, com estágios numerados de 13 a 15, tem um diâmetro interno de 300 mm (0,3 m). Isso possibilita que a corrente de vapor ascendente acelere à medida que os diâmetros da seção ficam menores conforme o vapor flui para cima, o que pode melhorar a transferência de calor e massa através de melhor fluidização nas seções superiores da unidade 305. A seção mais baixa 331 não é fluidizada e é mostrada aqui como o estágio 16. O estágio 16 tem também um diâmetro interno de 300 mm (0,30 m), mas é alimentado com uma taxa de fluxo de alimentação de gás muito mais baixa. Há um espaço cheio interposto entre os estágios 15 e 16 para possibilitar a distribuição do gás fluidizante adicional.
[0082] A regulação da temperatura dentro de cada estágio é alcançada através de recirculação de meio quente através de tubos que passam horizontalmente através dos leitos fluidizantes dos respectivos estágios. Estes podem ter controles de temperatura independentes de modo que um perfil de temperatura axial possa ser mantido para a unidade 305. Aquecedores de camisa podem também ser utilizados em qualquer seção ou estágio para ajudar a conservar e regular o calor. Isso aumenta o calor fornecido pelo fluxo de vapor ascendente.
[0083] Os estágios em cascata superiores na seção 311 são utilizados principalmente para levar o fluxo de alimentação entrante até a temperatura.
[0084] Os fluxos de alimentação de ácido que contêm uma fração significativa de diácidos alifáticos tendem a exibir comportamento de fusão eutética que pode levar ao colapso do leito. Portanto, os fluxos de alimentação de HMD interestágios são controlados para manter a composição em temperatura através dos respectivos estágios longe o suficiente de uma região de fusão para evitar problemas de operabilidade que surgem do colapso do leito.
[0085] Uma vez que a composição eutética é passada, ela é o objetivo dos estágios intermediários da coluna para aproximar o diácido e a diamina do equilíbrio final e suplementar o calor de absorção e ionização.
[0086] A coluna é equipada com um instrumento óptico para fornecer retroinformação referente à composição dos sólidos. Descobriu-se que tanto o instrumento ABB Talus FTNIR quanto o Tornado Raman fornecem boas calibrações suficientes para apoiar a operação. Descobriu-se que, uma vez que a operação é estabelecida, apenas um ponto de retroinformação no estágio 15 pode ser necessário para manter o polímero em qualidade estável. Múltiplos pontos ao longo do comprimento axial do sistema 305 podem melhorar o controle de inicialização. É particularmente benéfico monitorar a composição no estágio 8 para evitar a ocorrência de fusão eutética.
[0087] Os estágios 11 a 16 nas Seções 321 a 331 fornecem o tempo de residência para alcançar o acúmulo de peso molecular desejado.
[0088] Cerca de 1 a 3 kg/h de sólidos secos de ácido adípico são alimentados no estágio mais alto com o uso de um alimentador de sólido 355. Cerca de 36 a 38 m3 por hora de nitrogênio seco são alimentados no estágio mais inferior na porta de entrada de gás 357. As velocidades do gás vapor ascendente são determinadas como sendo de cerca de 0,2 a 0,3 m/s na seção de topo 311 e de cerca de 0,1 a 0,2 m/s na seção 321.
[0089] Cerca de 2 a 4 m3/hora de nitrogênio seco são alimentados no leito estático do estágio 16 na porta de entrada de gás 359. Isto é suficiente para direcionar a polimerização em fase sólida no estágio mais baixo. O tempo de retenção de sólidos em cascata e fluidizado por fases [HUT em h] e o perfil de temperatura axial [em °C] são mostrados na tabela lateral da Figura 3.
[0090] Cerca de 1,5 a 2,5 kg/h de polímero de náilon 6.6 são obtidos a partir dessa operação em uma porta para produto de fundo 361. O produto polimérico de náilon 6.6 tem uma viscosidade relativa de 30,5. Exemplo 6
[0091] A disposição da unidade e as condições de processamento descritas no Exemplo 3 são modificadas pela remoção do estágio 16 e pelo fluxo de alimentação direta do produto do Estágio 15 a uma extrusora de rosca dupla ventilada. Essa extrusora é configurada para ter uma seção não preenchida para adição de aditivo. Ela também é equipada com um respiro atmosférico e uma seção de respiro de vácuo. Um fluxo de alimentação de compensação de HMD é configurado para injetar a HMD aquecida na seção não preenchida.
[0092] A conexão de saída da extrusora é ajustada com as sondas para FT- NIR para monitorar o náilon fundido. Esse sinal é utilizado com diferentes modelos espectrais para o teor de umidade, o equilíbrio de extremidades e a viscosidade relativa. A saída do modelo de viscosidade relativa e do modelo de teor de umidade é utilizada para ajustar a pressão de vácuo na última seção ventilada da extrusora. O equilíbrio de extremidades é utilizado em um circuito de realimentação direto para controlar a taxa de fluxo de um fluxo de alimentação de uma compensação de HMD para um estágio de injeção não preenchido na extrusora. O fluxo de alimentação de compensação é controlado a uma taxa de 1 a 3 g/minuto.
[0093] A saída da extrusora é bombeada através de uma tubulação com um tempo de retenção de quinze minutos. Isso possibilita que ocorra a incorporação da diamina e a construção de RV. O material fundido é, então, extrudado através de uma matriz raiada e peletizado. Cerca de 1,5 a 2,5 kg/h de polímero de náilon
6.6 são obtidos a partir desta operação com uma viscosidade relativa de 34,6.
[0094] Embora os exemplos anteriormente mencionados sejam ilustrativos dos princípios da presente revelação em uma ou mais aplicações específicas, ficará evidente aos versados na técnica que várias modificações na forma, uso e detalhes de implementação podem ser feitas sem o exercício da faculdade inventiva e sem que se afaste dos princípios e conceitos da revelação. Consequentemente, não se pretende que a revelação seja limitada, exceto pelas reivindicações apresentadas abaixo.
[0095] Embora a revelação tenha sido descrita e exemplificada em detalhes suficientes para os versados na técnica produzi-la e utilizá-la, várias alternativas, modificações e aprimoramentos ficarão evidentes aos versados na técnica, sem que se afaste do espírito e escopo das reivindicações.
[0096] Todas as publicações e patentes referidas na presente invenção estão aqui incorporadas a título de referência na mesma extensão como se cada publicação individual fosse específica e individualmente indicada para ser incorporada a título de referência em sua totalidade.
[0097] Os termos e as expressões que foram empregados são utilizados como termos de descrição e não de limitação, e não há intenção de, no uso de tais termos e expressões, excluir quaisquer equivalentes dos recursos mostrados e descritos ou porções dos mesmos, mas é reconhecido que várias modificações são possíveis dentro do escopo da invenção reivindicada. Dessa forma, deve-se compreender que, embora a presente revelação tenha sido especificamente revelada por modalidades preferenciais e recursos opcionais, os versados na técnica podem recorrer à modificação e à variação dos conceitos aqui revelados, e que tais modificações e variações são consideradas como estando no escopo desta revelação, conforme definido pelas reivindicações em anexo.
Claims (23)
1. Processo para a produção de ao menos um dentre uma poliamida e um sal de poliamida, caracterizado por compreender a fluidização de um diácido sólido finamente dividido em um gás fluidizante e a reação do diácido sólido finamente dividido com a diamina em uma zona de reação.
2. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o gás fluidificante compreender gotículas de diamina ou gás diamina.
3. Processo, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por o diácido sólido finamente dividido compreender um diácido alifático.
4. Processo, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado por o diácido alifático compreender o ácido adípico.
5. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a diamina compreender uma diamina alifática.
6. Processo, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado por a diamina alifática compreender a hexametileno diamina.
7. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender adicionalmente o controle do regime de fluidização dentro da zona de reação pela regulação do diferencial de pressão através da zona de reação.
8. Processo, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por a regulação de pressão compreender a aplicação de vácuo a uma saída da zona de reação e o controle do fluxo em uma entrada para a zona de reação até se alcançar um grau desejado de fluidização.
9. Processo, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por a regulação de pressão compreender a alimentação de fluido pressurizado à zona de reação para se obter um grau desejado de fluidização.
10. Processo, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado por a regulação da pressão ser executada na ausência de aspiração da zona de reação.
11. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender adicionalmente carregar líquido ou vapor de diamina na zona de reação.
12. Processo, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado por a taxa de carga de diamina ser controlada para manter um equilíbrio desejado de diácido:diamina na zona de reação.
13. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender adicionalmente carregar líquido ou vapor de diamina em uma maneira distribuída em pontos diferentes ao longo da zona de reação.
14. Processo, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado por a distribuição da taxa de carga da diamina ser controlada para manter o perfil desejado de equilíbrio de diácido:diamina ao longo da zona de reação e alcançar o equilíbrio desejado de diácido:diamina no produto final.
15. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender adicionalmente a introdução de água ou vapor na zona de reação.
16. Processo, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado por a água ou o vapor d'água ser introduzido em uma maneira distribuída em pontos diferentes ao longo da zona de reação.
17. Processo, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado por a taxa de introdução de vapor d'água ser controlada para melhorar ao menos uma medição de qualidade do produto.
18. Processo, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado por a medição de qualidade do produto compreender a brancura.
19. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 18, caracterizado por compreender adicionalmente: a. executar a poliamidação em lote ou modo contínuo em uma pluralidade de leitos de reação sequenciais; b. injetar um gás inerte para fluidizar completamente os fluxos de alimentação inertes para ao menos um leito de reação sequencial posterior para fluidizar uma reação de poliamidação; c. injetar as diaminas fundidas ou vaporizadas no espaço livre de ao menos um leito de reação sequencial anterior para controlar o equilíbrio de diácido:diamina;
d. executar a poliamidação em um reator ou estágio de fase sólida de leito estático; e e. executar a poliamidação em ao menos uma extrusora de rosca dupla.
20. Processo, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado por a reação de poliamidação produzir náilon-6,6.
21. Processo, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado por a poliamidação ser executada em uma extrusora de rosca dupla, monitorar o equilíbrio de diácido:diamina na saída da extrusora de rosca dupla e controlar uma taxa de fluxo de alimentação de diamina na extrusora de rosca dupla com base no equilíbrio de diácido:diamina monitorado na saída da extrusora de rosca dupla.
22. Processo, de acordo com a reivindicação 20, caracterizado por compreender adicionalmente a medição de ao menos um dentre o teor de umidade e a viscosidade relativa da saída da extrusora de rosca dupla e o controle do nível de vácuo na extrusora de rosca dupla para controlar ao menos um dentre o teor de umidade e a viscosidade relativa da saída da extrusora de rosca dupla.
23. Processo, de acordo com a reivindicação 21, caracterizado por compreender adicionalmente a predição de uma viscosidade relativa ou teor de umidade desejados que um fluxo de alimentação ao menos parcialmente polimerizado produziria na saída de um polimerizador contínuo e o ajuste do teor de umidade de saída da extrusora de rosca dupla ou da viscosidade relativa para alcançar a viscosidade relativa ou o teor de umidade desejados na saída do polimerizador contínuo.
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