Ethylenkonzentrationskontrolle bei der Kautschuksynthese

Synthetischer Kautschuk ist ein künstlich hergestelltes Elastomer, das aus Erdölnebenprodukten gewonnen wird. Er findet häufig Anwendung in Bereichen wie der Automobilindustrie – beispielsweise für Reifen, Türen und Fenster. Die Gewinnung der Rohmonomere erfolgt durch Raffination dieser Ölfraktionen – etwa durch Naphtha-Cracking und Destillation –, um die Zielmonomere zu reinigen, da Verunreinigungen die nachfolgende Polymerisationsreaktion stören würden. Die so gewonnenen gereinigten Monomere weisen typischerweise eine Reinheit von 99,5 % oder höher auf und bilden die Grundlage für die Kautschuksynthese.

Der zentrale Produktionsschritt ist die Polymerisation: Gereinigte Monomere werden mit Initiatoren vermischt und entweder in Wasser dispergiert oder in organischen Lösungsmitteln gelöst. Dabei werden kleine Monomermoleküle in lange Polymerketten umgewandelt, wodurch Rohkautschuk mit einem Kohlenwasserstoffgehalt von 80–90 % entsteht. Ein entscheidender Folgeschritt ist die Vulkanisation. Hierbei werden Schwefel oder Peroxide zugegeben und erhitzt, um Vernetzungen zwischen den Polymerketten zu bilden – unvulkanisierter Kautschuk ist zu weich und klebrig für eine Anwendung. Der vulkanisierte Kautschuk weist anfänglich eine Polymerreinheit von 95–98 % auf, für Hochleistungsanwendungen ist jedoch eine weitere Reinigung erforderlich.

Schwierigkeiten bei der Konzentrationsmessung von Ethylen

Bei der Kautschuksynthese, insbesondere bei Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM) oder Ethylen-Propylen-Kautschuk (EPR/EPM), ist die präzise Messung der Ethylenkonzentration entscheidend für die Kontrolle der Polymerisationskinetik, die Sicherstellung gleichbleibender Polymereigenschaften und die Minimierung von Abfällen.

Überblick über den Kautschuksyntheseprozess

Die Kautschuksynthese für EPDM/EPR umfasst typischerweise Folgendes:

RohstofflieferungEthylen und Propylen (sowie Dien für EPDM) werden als Gase in einen Reaktor eingespeist, oft gelöst in einem Lösungsmittel oder in Gas/Flüssig-Phasen gehalten.

PolymerisationsreaktorEin CSTR- oder Loop-Reaktor, in dem Monomere bei 30-90°C und 10-30 bar mit Katalysatoren reagieren und Polymerketten bilden.

Lösungsmittel-/MonomerrückgewinnungNicht umgesetzte Monomere werden abgetrennt, recycelt oder entfernt, häufig durch Entgasung oder Flash-Verdampfung.

AbschlussDas Polymer wird abgetrennt, gewaschen und extrudiert, wobei Qualitätskontrollen hinsichtlich Dichte und Mooney-Viskosität durchgeführt werden.

Ethylen ist ein entscheidendes Monomer in der Kautschuksynthese und ein wichtiger Rohstoff der petrochemischen Industrie. Die Konzentration dieses Monomers im Reaktionsgefäß bestimmt direkt die Polymerisationskinetik und somit die physikalischen und chemischen Eigenschaften des resultierenden Polymers, wie beispielsweise Molekulargewicht und Schmelztemperatur. Wird die Ethylenkonzentration nicht präzise kontrolliert, kann das Polymer eine unkontrollierte Polydispersität aufweisen, was zu einer breiteren Molekulargewichtsverteilung und inkonsistenter Produktqualität führt. So besteht beispielsweise ein linearer Zusammenhang zwischen steigendem Ethylendruck und dem Ethylengehalt in den hergestellten Copolymeren, was wiederum deren Schmelztemperatur beeinflusst.

Diese Schwankungen in der Produktqualität haben direkte und spürbare finanzielle Auswirkungen. Um sicherzustellen, dass jede Produktionscharge die Mindestqualitätsvorgaben erfüllt, wenden die Betreiber häufig eine Methode an, die als „Qualitätszugabe“ bekannt ist. Dabei wird absichtlich ein Produkt mit Qualitätseigenschaften hergestellt, die die geforderten Spezifikationen übertreffen. Der Prozess wird also quasi überdimensioniert, um Mess- und Regelungsabweichungen auszugleichen. Diese Praxis gewährleistet zwar die Produktakzeptanz, führt aber direkt zu einem erhöhten Rohstoffverbrauch, höherem Energieverbrauch und längeren Durchlaufzeiten. All dies schlägt sich in erheblichen Betriebskosten und geringeren Gewinnmargen nieder. Der Kern des Problems liegt nicht in einem Fehler des chemischen Prozesses selbst, sondern in einem Defizit des ihn steuernden Echtzeit-Mess- und Regelkreises. Dies führt zu einem reaktiven statt proaktiven Betriebsmodus.

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Herkömmliche, laborbasierte Offline-Analysen sind für die dynamischen, kontinuierlichen Anforderungen einer modernen Produktionslinie ungeeignet. Sie führen häufig zu Verzögerungen bei der Analyse und erfordern wiederholte, arbeitsintensive Messungen. Anders ausgedrückt: Die Daten, die den Bedienern zur Verfügung stehen, sind nur eine Momentaufnahme des Prozesses, die Minuten oder sogar Stunden zurückliegt. Dieser Informationsmangel führt zu Qualitätsabweichungen, nachdem diese bereits aufgetreten sind und möglicherweise eine ganze Charge beeinträchtigt wurde, was kostspieligen Ausschuss und Nacharbeit zur Folge hat.

Lonnmeter hat entwickeltEthylen-SensorkonzentrationZur präzisen Konzentrationsmessung in Echtzeit in kontinuierlichen chemischen Prozessen ist dieses Online-Ethylenkonzentrationsmessgerät ein industrietaugliches Instrument, das speziell für die Anforderungen präziser Messungen in chemischen Prozessen entwickelt wurde. Es arbeitet zuverlässig auch in schnell wechselnden Umgebungen. Dabei nutzt es fortschrittliche Sensortechnologien: Eine akustische Signalquelle regt eine Metallstimmgabel an, die dadurch in ihrer natürlichen Resonanzfrequenz schwingt. Diese Resonanzfrequenz korreliert direkt mit der Dichte der Flüssigkeit, mit der die Stimmgabel in Kontakt steht. Die Dichte der Flüssigkeit lässt sich anschließend mittels Frequenzanalyse bestimmen. Eine Temperaturkompensation gleicht Temperaturdrift im System aus und gewährleistet so die Messgenauigkeit.

Ethylenkonzentrationsmessgerät

Zur kontinuierlichen Konzentrationsmessung in Rohrleitungen oder Tanks

Stimmgabelstruktur

Installationsorte im Kautschuksyntheseprozess

Monomer-ZuleitungPlatzieren Sie den Sensor nach dem Kompressor in der Ethylen-Zuleitung, um die Reinheit zu gewährleisten und die Dosierung anzupassen.
Reaktoreinlass: Installation am Monomer-Lösungsmittel-Mischpunkt mit Hexan/Propylen zur Kontrolle des gelösten Ethylens.
Im Reaktor: Positionierung innerhalb des CSTR in der Nähe des Rührwerks zur Echtzeit-Polymerisationskontrolle.
Recyclinglinie: Am Auslass des Flash-Verdampfers anbringen, um die Rückgewinnung von nicht umgesetztem Ethylen zu optimieren.
Entlüftungsleitung: Montage in der Entlüftungsleitung zur Überwachung der Emissionen und Gewährleistung der Sicherheit.