WO2023183998A1 - Equipamento para polimerização automática de polímeros de policondensação e outros sistemas de poliuretano e método - Google Patents

Equipamento para polimerização automática de polímeros de policondensação e outros sistemas de poliuretano e método Download PDF

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    • B01J2219/00247—Fouling of the reactor or the process equipment

Definitions

  • the present invention refers to an innovative autonomous equipment for the polymerization of polycondensation polymers, the purpose of which is to present equipment capable of reproducing different polymer recipes, which are pre-programmed, and said reproduction can be carried out continuously or semi-continuous, in which the main objective of said equipment is to provide a compact and adaptable configuration for in situ production, that is, the polymers are produced in the same place where they will be consumed, replacing traditional configurations that occupy too large an area in plants specific producers.
  • the present invention also refers to a method of operating said autonomous equipment for polymerizing polycondensation polymers, which aims to present a methodology for controlling all variables of the recipe to be produced, as well as having two operating interfaces, one for the operator responsible for executing the selected recipe, and another interface dedicated to the person responsible for creating recipes and managing them.
  • polymerization to form Polyurethanes constitute an exception among other polymerization processes, since they are exothermic reactions between isocyanates and hydroxylated and/or amino compounds, which tend to generate large amounts of heat and, in many cases, thermal control is the main point for out-of-control reactions are avoided.
  • Out-of-control reactions can generate extremely toxic and undesirable by-products, can cause flammability and explosion problems (in cases of solvent-based polymers), as well as quality problems in the polymers, with emphasis on altered color and polydispersity, among others, and, therefore, , thermal control tends to be one of the main limits for addition and polymerization reaction times in industrial processes.
  • the polymerization of polyurethane intended for use as polycondensed polymers involves medium-large plants, since such plants need to comprise one or more reactors and a whole set of peripherals such as heating systems, towers cooling and chiller systems, power plants, heat exchangers, inerting and tanking systems for storing intermediates, since the manufacture of such polycondensation polymers occurs in pre-defined sequential stages, such production plants require large areas for more efficient control resulting reactions and high demand for operational labor, since the entire range of products manufactured are carried out by operations assisted by production operators who conduct process recipes per product manufactured in these multipurpose reactors.
  • the apparatus comprises an auxiliary preparation tank group and at least one polymerization boiler; the group of auxiliary preparation tanks comprises a plurality of auxiliary preparation tanks, the auxiliary preparation tanks are communicated with the at least one polymerization boiler via feed pipes, and each feed pipe is provided with a flow measuring device; and each polymerization boiler is provided with automatic cleaning devices to clean the inner wall of the corresponding polymerization boiler.
  • the object of the invention is to provide the apparatus and method for the continuous and closed production of emulsion process paste resin.
  • the apparatus and method can realize automatic cleaning of the boiler and improve the ways of preparation and addition of assistants, and can solve the problems of the traditional paste resin polymerization emulsion process in safety, environmental protection, occupational health, automatic grade, consumption, cost and labor intensity.
  • patent document CA2661231 Another document that aims to solve the technical problems described is patent document CA2661231, in whose summary a process is presented for producing polymer and, more particularly, polycondensation polymer, using a closed-circuit recirculation reactor.
  • the reactor includes one or more mixers for mixing the feed stock with the polymerized material recirculating in the reactor.
  • a planetary roller extruder (PRE) can be used for this purpose.
  • a combination of one or more static mixers and one or more PREs can be used.
  • Document CA2661231 attempts to minimize problems associated with the technical field of recirculation equipment containing a reactor and mixers. Such equipment, however, does not present a solution that aims to create pre-determined recipes for polycondensation polymers and that can adapt to various types of production demands.
  • Another objective of the present invention is to present equipment that makes it possible to control quantities, temperatures, working pressure, agitation/mixing and reaction times without the action of an operator.
  • Another objective of the present invention is the inclusion of optimized thermal control systems, when compared to conventional systems of a polyurethane production plant, with an area-heat exchange capacity ratio different from those obtained in large industrial equipment for a polycondensation polymer factory in larger volumes, thus achieving much more efficient process standards, with perfect control of exothermic reactions and less possibility of uncontrolled reactions.
  • the present invention comprises equipment for automatic polymerization of polycondensation polymers and other polyurethane systems, provided with at least one reaction chamber, adjusted to carry out the chemical reaction between species in such a way as to produce polymers in an automated way directly at the point of use.
  • the equipment for automatic polymerization can contain up to five chambers, depending on the demand for polymer production, enabling condensation polymerization, allowing block copolymers to be obtained in specific sequences.
  • the equipment for automatic polymerization can present various types of arrangement for them, whether in linear sequences, parallel and/or alternating processes, in a flexible manner and depending on the characteristics of the polymer. to be obtained.
  • the equipment presents reactions with a controlled temperature between 50 to 150 °C for polyurethanes, and from 130 to 240 °C for intermediate polymers such as polyols containing hydroxyls, these ranges being their optimum reaction points in each case, since that these temperature ranges provide better control of reactivity and shorter cycle times.
  • the equipment makes use of an external loop heat exchanger, dramatically increasing the heat exchange rate conventional industrial reactors, which may function for cooling, but not limited to cooling, and may alternatively be used for heating to the desired reaction temperatures, for effective temperature control and neutralization of heat generation.
  • the equipment also features a vessel control system sized for work in negative and positive pressure, allowing work at reaction temperatures above the boiling points of typical solvents used in these polyurethanes, for gains in reaction time as well as reduction of solvent losses through evaporation.
  • the equipment also features loading of raw materials and unloading of finished product with fully autonomous filtration, using automatic valves for product transfer, intelligent programmed software that controls the addition in stages designed according to the need specific to each product to be produced.
  • the system can, alternatively, be equipped with inventory tanks. These inventory tanks can be previously filled with all inputs, preparing the equipment for long periods of production, making its use more user-friendly and less dependent on the actions of an industrial operator.
  • the equipment also presents a working system with redundancy in controlling the quantities added, based on service tanks, arranged on the reaction chamber system, which carry out prior weighing of the inputs, immediately before each cycle, facilitating the control of the addition of inputs.
  • the equipment for automatic polymerization of polycondensation polymers and other polyurethane systems has a process for autonomous polymerization of polycondensation polymers that aims to direct the polymerization in the use of the equipment.
  • figure 1 shows a schematic view to illustrate the equipment for automatic polymerization of polymers polycondensation and other polyurethane systems in their configuration with a reaction chamber and five input tanks, detailing the positioning of the inlet and outlet valves, water entry points, nitrogen entry points and layout of the heat exchanger;
  • figure 2 shows a schematic view to illustrate equipment for automatic polymerization of polycondensation polymers and other polyurethane systems in its configuration with a reaction chamber and five input tanks, in a constructive variant comprising inventory tanks connected to the input tanks. input, detailing the positioning of the inlet and outlet valves, water entry points, nitrogen entry points and heat exchanger layout.
  • the present invention refers to an EQUIPMENT FOR AUTOMATIC POLYMERIZATION OF POLYCONDENSATION POLYMERS AND OTHER POLYURETHANE SYSTEMS, which features equipment (E) equipped with at least one chamber reaction system (CR), capable of mixing inputs in a controlled manner in terms of quantities, temperatures, agitation/mixing and reaction times, resulting in polymers for different purposes, including polycondensation polymers and polyurethanes automatically.
  • the equipment (E) can be equipped with up to five reaction chambers (CR), enabling automatic polymerization of polymers by condensation, allowing block copolymers to be obtained in specific sequences.
  • the configuration with more than one reaction chamber (CR) allows different arrangements of the same, these being in linear sequences, parallel and/or alternating processes, providing the equipment (E) with flexibility, being able to adjust it to the characteristics of the polymer to be obtained.
  • the reaction chamber (CR) is equipped with paddles for mechanical mixing of the inputs inside.
  • the reaction chambers (CR) function as reactors and have a jacket, agitation system, inlet valves (VE) at the top and at least one outlet valve (VS) at the bottom.
  • Such reaction chambers (CR) are arranged on a platform and have a preferably cylindrical shape, made of stainless steel, preferably SS-316L.
  • the reaction chamber (CR) also comprises a water inlet (EA), preferably positioned in its lower portion, that is, at its bottom, controlled by a solenoid valve, as well as an inlet positioned in its lower portion. upper, for controlled nitrogen entry.
  • the nitrogen inlet (EN) is also controlled using a solenoid valve.
  • both the water inlet solenoid valve (EA), the nitrogen inlet valve (EN) and the inlet (VE) and outlet (VS) valves are controlled by the intelligent interface (II) .
  • reaction chamber (CR) inputs are introduced through its upper portion, through the input valves (VE) at the top, controlled by the intelligent interface (II), leaving through the output valves (VS), in the lower portion of the reaction chamber (CR), being unloaded into final packaging or going to the next reaction chamber (CR), if the reaction in question is a sequential reaction.
  • the inputs are stored in input tanks (T), with each equipment having at least two input tanks (T) and up to twenty tanks (T), in which all the raw materials necessary for the reactions in the reaction chambers (CR) are arranged in the input tanks (T).
  • the equipment (E) in addition to the input tanks (T), the equipment (E) can be equipped with inventory tanks (TI), which enable the storage of inputs for long periods of production.
  • the input tanks (T), as well as the inventory tanks (TI) comprise quantity detection systems that communicate with the intelligent recipe programming interface (II), alerting audibly and visually regarding the need to replenish inputs, and, interrupting the beginning of production cycles when there is no input in sufficient quantity to carry out the selected production of any batch, until replenishment is carried out, thus avoiding the production of batches with quality deviations.
  • II intelligent recipe programming interface
  • the equipment (E) is also equipped with a multichannel system that allows the memory supply of formulations containing between two and twenty different raw materials, functioning as a formulation database.
  • the purpose of the multichannel system is to condition the equipment (E) to work based on the selection of a pre-established formulation.
  • each reaction chamber (CR) is equipped with a weight control system (SCP), which aims to instantly control the weight and proportions of raw material in reaction.
  • SCP weight control systems
  • mass flow meters or load cells (scales) can be used.
  • the weight control system works redundantly, that is, it compares the weight of the raw materials added in the production stage with the final weights obtained from the final polymer or pre-polymer, checking whether these are compatible based on a variation tolerance considered acceptable.
  • the weight control system (SCP) aims to improve the control and quality of formulated polymers, as well as speed up the process of adding inputs, through redundancy in the control of added quantities.
  • the equipment (E) comprises in its weight control system (SCP), tanks called service tanks, arranged on the reaction chamber system (CR), being responsible for a prior weighing of the inputs, before the beginning of each cycle.
  • the reaction chambers (CR) are constructed and designed for reactions whose optimum temperature is in the range between 50 and 120 °C for polyurethanes and 130 to 240 °C for polyols, with a reaction time between ten minutes and three hours in each step for polyurethanes and between 10 and 24 hours for polyols, depending on the reactivity of the reactant species.
  • the reaction chamber (CR) will be equipped with a mechanical agitator shaft with a speed between twenty and sixty RPM.
  • the equipment (E) is also equipped with a cleaning system using a scraper anchor with Teflon terminations (PTFE), which can take on the appearance of multiple blades (sectioned) or helical, which acts both on the cylindrical walls of the vessel and on the torispherical or conical bottom, carrying out cleaning by mechanically scraping the product towards the outlet valve (VS) with the function of cleaning and/or scraping the wall of the reaction chamber (CR) at each step and avoiding the use of solvents or chemical cleaning agents between continuous cycles.
  • PTFE Teflon terminations
  • the mechanical removal of raw materials or inputs optimizes equipment performance (E) and reduces the need for cleaning or purging systems with gas or solvent.
  • the equipment (E) is equipped with an intelligent interface (II) to control the operating parameters of the system as a whole.
  • This intelligent interface (II) is carried out through a programmable logic controller system - PLC, equipped with a recipe programming screen for creating processes and recipes, which is controlled by: order of addition, temperatures, rotations and time between each step to allow the reaction between inputs, temperature control including heating and cooling and use/execution screen, where pre-established recipes and processes are executed by the user.
  • a recipe programming screen for creating processes and recipes, which is controlled by: order of addition, temperatures, rotations and time between each step to allow the reaction between inputs, temperature control including heating and cooling and use/execution screen, where pre-established recipes and processes are executed by the user.
  • equipment maintenance E
  • the equipment (E) is also equipped with an alarm system for rapid identification of anomalies in the system such as lack of raw material, excess raw material, weighing error, temperature peak, agitator failure, high pressure in the filtration system, valve opening failure, among others.
  • the equipment (E) is also equipped with a thermal conditioning system between stages, which is carried out directly in the reaction chambers (CR) or by passing heat exchangers (TC) positioned before, between or after the chambers reaction rate (CR), also controlled by the intelligent interface (II).
  • the equipment (E) to avoid contamination, features in its cleaning system, an automatic process for distilling solvents and also a discharge line independent of the finished product discharge line, in order to dispose of dirty solvents in a separate tank.
  • the equipment (E) also comprises a heat exchanger system (TC), responsible for optimizing the thermal control of exothermic reactions, thus minimizing the possibility of uncontrolled reactions.
  • TC heat exchanger system
  • the best thermal exchange capacity of the equipment (E) is obtained by the volume/area ratio of the reaction chamber wall (CR) and by the use of an external thermal exchange accessory, that is, the heat exchanger (TC) that works in the form of a loop with the reaction chamber (CR), where the polymerizing material is directly kept in circulation during the critical stages of addition of exothermic ingredients, significantly increasing the typical heat capacity/product volume ratio.
  • the heat exchanger system (TC) is equipped with an outlet below the reaction chamber (CR) with the option of aligning, via pump pumping (B), the material in a loop with a heat exchanger ( TC) positioned next to, below, or, preferably, above the reaction chamber (CR), returning the polymer to the reaction chamber (CR) from above, with the aim of using a circulation rate of 0.5 to 15 times the tank volume per minute and have an exchange area (in cm 2 ) that ranges from 0.5 to 15 times the exchange area of the internal walls of the reaction chamber (CR).
  • cooling fluid will generally be water or glycol, and cooling fluid at room temperature or chiller-cooled can be used when the exchange needs are increased due to the control challenge imposed by the release of heat from the product.
  • the heating option it is possible to use the same heat exchanger (TC) and change the temperature of the thermal fluid, however it is preferable to apply two independent heat exchangers (TC): one for cooling and the other for heating,
  • the second heat exchanger (TC) alternatively, works with heated fluid or steam to heat the material, which circulates to the desired temperature defined by the product recipe.
  • the use of two heat exchangers (TC) is preferred, as the exchange of fluid from cold to hot or vice versa is slower and generates waste of energy.
  • Control when the second accessory is connected, would be done using automatic 3-way valves (V3) that define which line the product will circulate in, heating or cooling, also controlled by the intelligent interface (II).
  • the equipment also features a control system and vessel sized for work in negative and positive pressure, allowing work at reaction temperatures above the boiling points of typical solvents used in these polyurethanes, for gains in reaction time as well as reduction of solvent losses through evaporation.
  • this control system in reactions whose pressure is in a range between 1 and 3 bars of pressure, it is possible to increase, for example, the boiling point of a polycondensation polymer containing ethyl acetate from around 77 °C to 1 10 °C , which represents a gain in reactivity, that is, shorter reaction times. Gains may vary case-by-case, according to the polymer to be produced, but we can consider gains between 1 and 5 times in shorter reaction times compared to traditional ones for products containing solvents.
  • control system is carried out by the addition of an automatic system with relief valves located in the tank vent, and the operation is safe due to the construction characteristics specified for the reaction chambers (CR) and their peripherals.
  • Negative pressure is achieved by use of a vacuum pump and, although it is not applicable to polymers dispersed in solvent, its use is useful for accelerating vacuum drying after cleaning cycles, removing dissolved gases in reactions of solvent-free products, as well as removal of moisture and oxygen from the unfilled fraction of the system (head-space).
  • the reaction chambers (CR) have the intrinsic characteristic of being designed and built to resist established pressure conditions, with a minimum PMTA of 3 bars, respecting specific construction standards, such as ASME, and this sheet thickness specification is generated using the PMTA informed by the manufacturer.
  • the aforementioned reaction chambers (CR) are equipped with valves and relief-pressure and vacuum control which, in turn, have a direct connection with the programmable logic controller - PLC, of the intelligent interface (II), controlling the opening and work under the established conditions, with the condensation system, formed by the reaction chamber condenser (CR) can be applied to help recover solvent losses that may evaporate, reducing losses and possible atmospheric emissions (i.e., keeping the system closed).
  • the present invention also presents a “METHOD FOR AUTOMATIC POLYMERIZATION OF POLYCONDENSATION POLYMERS AND OTHER POLYURETHANE SYSTEMS”, and such method (100) presents two segments of action, being an interface for use by a user with editing privileges (IUPE) and an interface for use by an operator (IUO).
  • IUPE editing privileges
  • UOU operator
  • the equipment (E) is equipped with a system for remote communication via the internet, which allows remote access to it.
  • the user with editing privileges UE
  • UOE user with editing privileges
  • the equipment (E) has a control display in the same location as its installation, and it is through this display that the interface for use by an operator (IUO) is established.
  • the operating user (UO) cannot access the equipment (E) remotely, requiring his presence at the equipment installation location (E).
  • the user with editing privileges can define a recipe to be executed by the equipment (E) by defining the following parameters:
  • pre-defined lists are offered so that the user with editing privileges (UPE) can select the parameters that best suit the execution of the recipe.
  • the operator user (UO), through the operator interface (IUO), has the unique possibility of executing and monitoring the recipes that were created and saved on the equipment (E) through a user with access privileges. edition (UPE). However, warning signs regarding the execution of a recipe are visible on the equipment operation screen (E).
  • the power sources are connected to the flexible connection components present at the top of at least one reaction chamber (CR).
  • all variables of interest to the recipe to be carried out by the equipment (E) are included, such as addition steps, working and reaction temperature adjustments, inert gas injection, rotation, pressure and reaction time.
  • the bottom valve opens and, with the aid of a discharge pump, the product is discharged through a filtration system directly into a storage tank of finished product, which can be a specific tank or even packaging such as 200L drums and/or 1000L IBC's.
  • the storage tanks may contain sensors that inform when they are full and unable to receive new products, to interrupt the start of new cycles, as well as generating a production demand, once they are at a level that supports more material.

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Abstract

Equipamento para polimerização automática de polímeros de policondensação e outros sistemas de poliuretano e método, apresentando um equipamento (E) capaz de realizar a mistura de insumos de maneira controlada no tocante a quantidades, temperaturas, agitação/mistura e tempos de reação, resultando em polímeros para distintas finalidades, incluindo polímeros de policondensação e poliuretanos e também um método de funcionamento do dito equipamento (E) no tocante a programação e execução de receitas.

Description

“EQUIPAMENTO PARA POLIMERIZAÇÃO AUTOMÁTICA DE POLÍMEROS DE POLICONDENSAÇÃO E OUTROS SISTEMAS DE POLIURETANO E MÉTODO”
CAMPO DE APLICAÇÃO
[0001 ] A presente invenção se refere a um inovador equipamento autônomo para polimerização de polímeros de policondensação, que tem como finalidade apresentar um equipamento capaz de reproduzir diferentes receitas de polímeros, sendo estas pré-programadas, podendo ser a dita reprodução efetuada de maneira contínua ou semicontínua, em que o referido equipamento tem como objetivo principal dispor de uma configuração compacta e adaptável para produção in situ, ou seja, os polímeros são produzidos no mesmo local onde serão consumidos, substituindo as configurações tradicionais que ocupam uma área demasiada extensa em plantas produtoras específicas.
[0002] A presente invenção se refere, também, a um método de operação do dito equipamento autônomo para polimerização de polímeros de policondensação, que tem como finalidade apresentar uma metodologia de controle de todas as variáveis da receita a ser produzida, assim como dispor de duas interfaces de operação, sendo uma para o operador responsável por executar a receita selecionada, e uma outra interface dedicada ao responsável pela criação de receitas e administração das mesmas.
DESCRIÇÃO DO ESTADO DA TÉCNICA
[0003] Como é de amplo conhecimento dos profissionais envolvidos na indústria de preparação de polímeros, a etapa de polimerização dos mesmos é vital para obtenção de um produto com qualidades destacadas. A polimerização nada mais é do que o processo químico pelo qual são formados os polímeros, mediante a combinação de monômeros.
[0004] Em particular, a polimerização para formação de poliuretanos constitui uma exceção dentre outros processos de polimerização, uma vez que são reações entre isocianatos e compostos hidroxilados e/ou amínicos, exotérmicas, que tendem a gerar grandes quantidades de calor e, em muitos casos, o controle térmico é o principal ponto para que reações fora de controle sejam evitadas. Reações fora de controle podem gerar subprodutos extremamente tóxicos e indesejáveis, podem causar problemas de inflamabilidade e explosão (em casos de polímeros base solvente), bem como problemas de qualidade nos polímeros, com destaque para cor e polidispersão alteradas, entre outros, e, portanto, o controle térmico tende a ser um dos principais limitantes para os tempos de adição e reação de polimerização em processos industriais.
[0005] Normalmente, em aplicações industriais, a polimerização de poliuretano voltado para utilização como polímeros policondensados envolve plantas de médio-grande porte, uma vez que tais plantas precisam compreender um ou mais reatores e todo um conjunto de periféricos como sistemas de aquecimento, torres de resfriamento e chiller, centrais elétricas, trocadores de calor, sistemas de inertização e tancagem para armazenamento de intermediários, já que a fabricação de tais polímeros de policondensação ocorre em etapas sequenciais pré-definidas, tais plantas produtivas demandam grandes áreas para um controle mais eficiente das reações decorrentes e alta demanda de mão-de-obra operacional, já que toda a gama de produtos fabricados são conduzidos por operação assistida por operadores de produção que conduzem receitas de processos por produto fabricado nestes reatores multipropósitos.
[0006] Tal cenário se caracteriza por um problema de cunho econômico e, muitas vezes, ambiental, uma vez que empresas de pequeno e médio porte não possuem recursos para efetivar tais instalações e as empresas que possuem os recursos necessários para essas instalações precisam de grandes extensões de terrenos para a efetivação das mesmas. Além disso, muitas limitações em processos e tempos de conversão são oriundas de se utilizar reatores multipropósitos grandes para uma gama diversificada de produtos, em que todos os processos precisam ser adaptados às limitadas condições destes equipamentos, bem como a alta demanda operacional também tende a gerar maiores tempos de processo, já que todos os controles, carregamento de insumos, descarga de produtos, controles de temperatura etc., são dependentes de ação humana, mesmo que sistemas internos de medição e transferência da planta produtiva sejam automatizados. Ou seja, o operador precisa seguir a receita.
[0007] No intuito de facilitar o acesso a equipamentos de polimerização de polímeros de policondensação, o estado da técnica apresenta uma série de soluções que visam atenuar os problemas técnicos citados, como o documento CN109173965, em cujo resumo é apresentado um aparelho e um método para a produção contínua fechada de resina de pasta de processo de emulsão e se refere ao campo técnico da produção de resina de pasta. O aparelho compreende um grupo auxiliar de tanque de preparação e, pelo menos, uma caldeira de polimerização; o grupo de tanques de preparação auxiliar compreende vários tanques de preparação auxiliares, os tanques de preparação assistentes são comunicados com a pelo menos uma caldeira de polimerização por meio de tubulações de alimentação e cada tubulação de alimentação é fornecida com um dispositivo de medição de fluxo; e cada caldeira de polimerização é fornecida com dispositivos de limpeza automática para limpar a parede interna da caldeira de polimerização correspondente. O objetivo da invenção é fornecer o aparelho e o método para a produção contínua e fechada de resina de pasta de processo de emulsão. O aparelho e o método podem realizar a limpeza automática da caldeira e melhorar as maneiras de preparação e adição de assistentes e podem resolver os problemas do processo de emulsão tradicional de polimerização de resina em pasta em segurança, proteção ambiental, saúde ocupacional, grau automático, consumo, custo e intensidade de trabalho.
[0008] A ideia do documento CN109173965 é apresentar uma solução que visa a diminuição dos custos inerentes a produção de resina, podendo ser aplicada a produção de polímeros de policondensação, no entanto, mesmo representando certo avanço ao estado da técnica, tal documento não descreve um processo automático para polimerização de polímeros de policondensação capaz de reproduzir receitas pré-determinadas.
[0009] Outro documento que se dispõe a resolver os problemas técnicos descritos é o documento de patente CA2661231 , em cujo resumo é apresentado um processo para produzir polímero e, mais particularmente, polímero de policondensação, usando um reator de circuito fechado de recirculação. Em uma modalidade, o reator inclui um ou mais misturadores para misturar o estoque de alimentação com o material polimerizado recirculando no reator. Em outra modalidade, uma extrusora de rolo planetário (PRE) pode ser usada para esta finalidade. Em ainda outra modalidade, uma combinação de um ou mais misturadores estáticos e um ou mais PREs pode ser usada.
[0010] O documento CA2661231 tentar minimizar os problemas associados ao campo técnico a partir de um equipamento de recirculação contendo um reator e misturadores. Tal equipamento, porém, não apresenta uma solução que vise realizar receitas pré-determinadas de polímeros de policondensação e que possa se adaptar a vários tipos de demandas de produção.
[001 1 ] Dessa maneira, é certo que o estado da técnica se beneficiaria de um equipamento capaz de realizar receitas pré-programadas de maneira contínua e/ou semicontínua, controlando quantidades, temperaturas, pressão de trabalho, agitação/mistura e tempos de reação, visando fabricar polímeros para distintas finalidades, incluindo polímeros de policondensação, em escala reduzida para aplicação in situ.
[0012] O estado da técnica também se beneficiaria de um método de funcionamento para um equipamento autônomo capaz de realizar receitas pré-programadas de maneira contínua e/ou semicontínua, controlando quantidades, temperaturas, pressão de trabalho, agitação/mistura e tempo de reação, visando fabricar polímeros para distintas finalidades, incluindo polímeros de policondensação.
OBJETIVOS DA INVENÇÃO
[0013] De modo a solucionar os problemas do estado da técnica, é um objetivo da presente invenção apresentar um equipamento para produção de polímeros para distintas finalidades, incluindo polímeros de policondensação, poliuretanos e seus polímeros intermediários típicos, capaz de realizar receitas pré-programadas de maneira automática, contínua e/ou semicontínua.
[0014] Outro objetivo da presente invenção é apresentar um equipamento que possibilite o controle de quantidades, temperaturas, pressão de trabalho, agitação/mistura e tempos de reação sem a ação de um operador.
[0015] Outro objetivo da presente invenção é a inclusão de sistemas de controle térmico otimizados, quando comparados aos sistemas convencionais de uma planta produtora de poliuretanos, com razão de área- capacidade de troca térmica diferentes dos obtidos em equipamentos de grande porte industrial para uma fábrica de polímeros de policondensação em maiores volumes, logrando, assim, padrões de processos muito mais eficientes, com perfeito controle de reações exotérmicas e menor possibilidade de reações descontroladas.
[0016] É, ainda, um objetivo da presente invenção, apresentar um equipamento que permita o trabalho acima do ponto de ebulição dos solventes sob pressão, por meio de uma ferramenta denominada de pressão positiva.
[0017] Por fim, é outro objetivo da presente invenção apresentar um método de funcionamento do equipamento, que também representa um método de produção de polímeros de maneira autônoma e mais eficiente quanto aos tempos de reação ora estabelecidos pelos processos industriais do estado da técnica.
SUMÁRIO DA INVENÇÃO
[0018] De modo a alcançar os mencionados objetivos, a presente invenção compreende um equipamento para polimerização automática de polímeros de policondensação e outros sistemas de poliuretano, dotado de ao menos uma câmara de reação, ajustada para realizar a reação química entre espécies de maneira a produzir polímeros de forma automatizada diretamente no local de uso.
[0019] O equipamento para polimerização automática pode conter até cinco câmaras, a depender da demanda de produção de polímeros, possibilitando a polimerização por condensação, podendo ser obtidos copolímeros em bloco em sequências específicas.
[0020] Ainda, devido ao seu sistema múltiplo de câmaras, o equipamento para polimerização automática pode apresentar vários tipos de disposição para as mesmas, sendo elas em sequências lineares, processos paralelos e/ou alternados, de maneira flexível e dependendo das características do polímero a ser obtido.
[0021 ] O equipamento apresenta reações com temperatura controlada entre 50 a 150 °C para poliuretanos, e de 130 a 240 °C para polímeros intermediários tais como polióis contendo hidroxilas, sendo estas faixas os seus pontos ótimos de reação em cada caso, uma vez que essas faixas de temperatura proporcionam melhor controle da reatividade e menores tempos de ciclo.
[0022] O equipamento faz uso de um trocador de calor externo em loop, aumentando dramaticamente a razão de troca térmica convencional dos reatores industriais típicos, que poderá funcionar para resfriamento, mas não limitado ao resfriamento, podendo alternativamente ser usado para aquecimento até as temperaturas de reação desejadas, para controle efetivo de temperatura e neutralização da geração de calor.
[0023] O equipamento apresenta, também, um sistema de controle de vaso dimensionado para trabalho em pressão negativa e positiva, permitindo trabalho em temperaturas de reação acima dos pontos de ebulição de solventes típicos utilizados nestes poliuretanos, para ganhos em tempo de reação bem como redução de perdas de solventes por evaporação.
[0024] O equipamento dispõe, ainda, de carregamento de matérias-primas e descarga de produto terminado com filtração totalmente autônomo, com uso de válvulas automáticas para transferência de produtos, software programado inteligente que controla a adição em etapas desenhadas de acordo com a necessidade específica de cada produto a ser produzido.
[0025] Para facilitar o manuseio e reduzir a frequência de abastecimentos de matérias-primas, o sistema pode, alternativamente, ser dotado de tanques de inventário. Estes tanques de inventário podem ser previamente abastecidos com todas os insumos, preparando o equipamento para longos períodos de produção, tornando o seu uso mais amigável e menos dependente de ações de um operador industrial.
[0026] O equipamento apresenta também um sistema de trabalho com redundância no controle das quantidades adicionadas, baseado em tanques de serviço, dispostos sobre o sistema das câmaras de reação, os quais realizam pesagens prévias dos insumos, imediatamente antes de cada ciclo, facilitando o controle da adição de insumos.
[0027] Por fim, o equipamento para polimerização automática de polímeros de policondensação e outros sistemas de poliuretano dispõe de um processo para polimerização autônoma de polímeros de policondensação que visa direcionar a polimerização na utilização do equipamento.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
[0028] A matéria objeto da presente invenção ficará totalmente clara em seus aspectos técnicos a partir da descrição pormenorizada que será feita com base nas figuras abaixo relacionadas, nas quais: a figura 1 mostra uma vista esquemática para ilustrar o equipamento para polimerização automática de polímeros de policondensação e outros sistemas de poliuretano em sua configuração com uma câmara de reação e cinco tanques de insumos, detalhando o posicionamento das válvulas de entra e saída, pontos de entrada de água, pontos de entrada de nitrogênio e esquematização do trocador de calor; e a figura 2 mostra uma vista esquemática para ilustrar o equipamento para polimerização automática de polímeros de policondensação e outros sistemas de poliuretano em sua configuração com uma câmara de reação e cinco tanques de insumos, em uma variante construtiva compreendendo tanques de inventário conectados aos tanques de insumo, detalhando o posicionamento das válvulas de entra e saída, pontos de entrada de água, pontos de entrada de nitrogênio e esquematização do trocador de calor.
DESCRIÇÃO DETALHADA
[0029] Em conformidade com os objetivos mencionados e com as figuras apresentadas, a presente invenção refere-se a um EQUIPAMENTO PARA POLIMERIZAÇÃO AUTOMÁTICA DE POLÍMEROS DE POLICONDENSAÇÃO E OUTROS SISTEMAS DE POLIURETANO, que apresenta um equipamento (E) dotado de ao menos uma câmara de reação (CR), capaz de realizar a mistura de insumos de maneira controlada no tocante a quantidades, temperaturas, agitação/mistura e tempos de reação, resultando em polímeros para distintas finalidades, incluindo polímeros de policondensação e poliuretanos de maneira automática. [0030] O equipamento (E) pode ser dotado de até cinco câmaras de reação (CR), possibilitando a polimerização automática para polímeros por condensação, podendo ser obtidos copolímeros em bloco em sequências específicas. A configuração com mais de uma câmara de reação (CR) possibilita arranjos distintos das mesmas, sendo esses em sequências lineares, processos paralelos e ou alternados, dotando o equipamento (E) de flexibilidade, podendo ajusta-lo para às características do polímero a ser obtido.
[0031] A câmara de reação (CR) é dotada de pás para mistura mecânica dos insumos em seu interior. As câmaras de reação (CR), funcionam como reatores e dispõem de camisa, sistema de agitação, válvulas de entrada (VE) no topo e ao menos uma válvula de saída (VS) no fundo. Tais câmaras de reação (CR) estão dispostas em plataforma e possuem um formato preferencialmente cilíndrico, construído em aço inox, preferencialmente SS- 316L.
[0032] A câmara de reação (CR) compreende, ainda, uma entrada para água (EA), preferencialmente posicionada em sua porção inferior, ou seja, em seu fundo, controlada por uma válvula solenoide, bem como uma entrada posicionada em sua porção superior, para entrada controlada de nitrogênio. A entrada de nitrogênio (EN) também é controlada por meio de válvula solenoide. No equipamento (E), tanto a válvula solenoide de entrada de água (EA), quanto a válvula de entrada de nitrogênio (EN) como as válvulas de entrada (VE) e de saída (VS) são controladas pela interface inteligente (II).
[0033] Na referida câmara de reação (CR) os insumos são introduzidos pela sua porção superior, por meio das válvulas de entrada (VE) no topo, controladas pela interface inteligente (II), saindo pelas válvulas de saída (VS), na porção inferior da câmara de reação (CR), sendo descarregados em embalagens finais ou seguindo para uma próxima câmara de reação (CR), se a reação em questão se tratar de uma reação sequencial.
[0034] Os insumos, por sua vez são armazenados em tanques de insumos (T), sendo que cada equipamento possui ao menos dois tanques de insumo (T) e até vinte tanques (T), em que toda a matéria-prima necessária para as reações nas câmaras de reação (CR) são dispostas nos tanques de insumo (T).
[0035] Em uma configuração alternativa, além dos tanques de insumos (T), o equipamento (E) pode ser dotado de tanques de inventário (TI), os quais possibilitam o armazenamento de insumos para longos períodos de produção. Os tanques de insumo (T), assim como os tanques de inventário (TI) compreendem sistemas de detecção de quantidade que se comunicam com a interface inteligente (II) de programação de receitas, alertando sonora e visualmente quanto à necessidade de reabastecimento de insumos, e, interrompendo o início dos ciclos de produção quando não houver algum insumo em quantidade suficiente para efetivar a produção selecionada de um lote qualquer, até que o reabastecimento seja realizado, evitando, assim, a produção de lotes com desvio de qualidade.
[0036] O equipamento (E) é dotado também de um sistema multicanal que permite o abastecimento em memória de formulações contendo entre duas e vinte matérias-primas distintas, funcionando como um banco de dados de formulações. O intuito do sistema multicanal é condicionar o equipamento (E) para funcionar a partir da seleção de uma formulação pré- estabelecida.
[0037] No equipamento (E), cada câmara de reação (CR) é dotada de um sistema de controle de pesos (SCP), que visa controlar instantaneamente o peso e as proporções de matéria-prima em reação. Nos sistemas de controle de pesos (SCP) podem ser utilizados medidores de vazão mássicos ou células de carga (balanças).
[0038] Uma vez que o intuito do equipamento (E) é alcançar um grau de autonomia que permita o seu funcionamento de maneira contínua, o sistema de controle de pesos (SCP) funciona de maneira redundante, ou seja, compara o peso das matérias-primas adicionadas na etapa de produção com os pesos finais obtidos de polímero ou pré-polímero final, conferindo se estes são compatíveis a partir de uma tolerância de variação considerada aceitável.
[0039] O sistema de controle de pesos (SCP) visa melhorar o controle e a qualidade dos polímeros formulados, bem como agilizar o processo de adições de insumos, por meio da redundância no controle das quantidades adicionadas. Dessa forma, o equipamento (E) compreende em seu sistema de controle de pesos (SCP), tanques denominados de tanques de serviço, dispostos sobre o sistema de câmaras de reação (CR), sendo responsáveis por uma pesagem prévia dos insumos, antes do início de cada ciclo.
[0040] Esses volumes pré-adicionados facilitam o controle de adição de insumos que já se apresentam em quantidades adequadas à produção do polímero definido, resultando em um sistema de controle redundante de adições, uma vez que, posteriormente, quando o insumo é finalmente adicionado a câmara de reação (CR), este será dosado de maneira mais segura pelo sistema de controle de pesos (SCP) e controle de válvulas de entrada (VE), sendo novamente quantificado pela balança da câmara de reação (CR) utilizada para sua adição ao sistema de reações química de polimerização.
[0041 ] Em um aspecto preferencial, as câmaras de reação (CR) são construídas e projetadas para reações cuja temperatura ótima esteja na faixa entre 50 e 120 °C para poliuretanos e de 130 a 240 °C para polióis, com tempo de reação entre dez minutos e três horas em cada etapa para poliuretanos e entre 10 e 24 horas para polióis, dependendo da reatividade das espécies reagentes. Dependendo do tipo reagente, a câmara de reação (CR) será dotada de eixo mecânico agitador com velocidade entre vinte e sessenta RPM.
[0042] O equipamento (E) também é dotado de um sistema de limpeza por meio de uma âncora raspadora com terminações em teflon (PTFE), podendo assumir aspecto de múltiplas pás (seccionado) ou helicoidal, que atua tanto nas paredes cilíndricas do vaso como no fundo toriesférico ou cônico, realizando a limpeza por raspagem mecânica do produto em direção à válvula de saída (VS) com a função de limpar e ou raspar a parede da câmara de reação (CR) a cada etapa e evitar o uso de solventes ou agentes de limpeza químicos entre ciclos contínuos. A remoção mecânica das matérias-primas ou insumos otimiza o rendimento do equipamento (E) e reduz a necessidade de limpezas ou purgas nos sistemas com gás ou solvente.
[0043] O equipamento (E) é dotado de uma interface inteligente (II) para controle dos parâmetros de funcionamento do sistema como um todo. Essa interface inteligente (II) se dá por meio de um sistema de controlador lógico programável - PLC, dotado de tela de programação de receitas para elaboração de processos e receitas, sendo este controlado por: ordem de adição, temperaturas, rotações e tempo entre cada etapa para permitir a reação entre os insumos, controle de temperatura contando com aquecimento e resfriamento e tela de uso/execução, onde as receitas e processos pré- estabelecidos são executados pelo usuário. Ainda, na interface inteligente (II), é possível identificar aspectos de manutenção do equipamento (E), como a introdução de ciclos de limpeza e a identificação para troca do elemento filtrante.
[0044] O equipamento (E) também é dotado de um sistema de alarmes para identificação rápida de anomalias no sistema como falta de matéria-prima, excesso de matéria-prima, erro de pesagem, pico de temperatura, falha no agitador, pressão elevada no sistema de filtração, falha na abertura da válvula, entre outras.
[0045] O equipamento (E) também é dotado de um sistema de condicionamento térmico entre etapas, sendo este realizado diretamente nas câmaras de reação (CR) ou ainda por trocadores de calor (TC) de passagem posicionado antes, entre ou após as câmaras de reação (CR), também controlado pela interface inteligente (II). [0046] O equipamento (E), para evitar contaminações, apresenta em seu sistema de limpeza, um processo automático para destilação de solventes e também uma linha de descarga independente da linha de descarga de produto finalizado, no intuito de descartar solventes sujos em um tanque separado.
[0047] O equipamento (E) compreende também um sistema de trocador de calor (TC), responsável por otimizar o controle térmico das reações exotérmicas, minimizando, assim, a possibilidade de reações descontroladas. A melhor capacidade de troca térmica do equipamento (E) é obtida pela razão volume/área da parede da câmara de reação (CR) e pela utilização de um acessório externo de troca térmica, ou seja, o trocador de calor (TC) que funciona em forma de loop com a câmara de reação (CR), onde o material em polimerização é diretamente mantido em circulação durante as etapas críticas de adições de ingredientes exotérmicos, aumentando expressivamente a razão típica de capacidade térmica/volume de produto.
[0048] A presença do trocador de calor (TC) é uma chave para que reações exotérmicas sejam conduzidas em temperaturas muito mais próximas dos limites máximos sem os mesmos riscos de se afetar a qualidade dos polímeros obtidos, ou a segurança da operação, pois em vasos convencionais contendo toneladas de produtos e limitada capacidade de controle de temperatura (kcal/h) em razão do volume produzido por batelada, é necessário conduzir reações em temperaturas abaixo das temperaturas limite para evitar danos em caso de reações exotérmicas fora de controle, ou mesmo reduzir a taxa de adição de ingredientes reativos para permitir que o sistema de resfriamento mantenha a temperatura dentro do padrão definido pela receita. Isso ocorre porque os volumes são grandes e a oferta de troca térmica é limitada. Já no equipamento (E) tal lógica é invertida, uma vez que o controle térmico otimiza tais trocas térmicas em função do design e de seus acessórios específicos, podendo trabalhar com segurança em temperaturas muito mais próximas dos limites técnicos, resultando em tempos de reação de polimerização muito mais rápidos e eficientes, com maior uniformidade, polidispersividade e segurança operacional.
[0049] O sistema de trocador de calor (TC) é dotado de uma saída por baixo da câmara de reação (CR) com opção de se alinhar, via bombeamento por bomba (B), o material num loop com um trocador de calor (TC) posicionado ao lado, abaixo, ou, preferencialmente, acima da câmara de reação (CR), retornando o polímero à câmara de reação (CR) por cima, no intuito de utilizar uma taxa de circulação de 0,5 a 15 vezes o volume do tanque por minuto e ter uma área de troca (em cm2) que vá de 0,5 até 15 vezes a área de troca das paredes internas da câmara de reação (CR). Com esta circulação de material em um trocador externo construído com as partes em contato em inox SS316L ou SL304, que pode ser com design do tipo de placas , tubo helicoidal ou casco tubos, mas não limitado a estes modelos, tem-se ganho no resfriamento - nestes trocadores, o fluido de resfriamento geralmente será água ou glicol, podendo ser usado fluído de resfriamento à temperatura ambiente ou resfriado por chiller, quando as necessidades de troca forem aumentadas pelo desafio de controle imposto pela liberação de calor do produto forem especificamente maiores.
[0050] Para opção de aquecimento, é possível utilizar o mesmo trocador de calor (TC) e mudar a temperatura do fluido térmico, entretanto é preferível a aplicação de dois trocadores de calor (TC) independentes: um de resfriamento e outro para aquecimento, sendo que o segundo trocador de calor (TC), alternativamente, trabalha com fluido aquecido ou vapor para aquecer o material, que circula até a temperatura desejada definida pela receita do produto. O uso de dois trocadores de calor (TC) é preferido, pois a troca de fluido de frio para quente ou vice-versa é mais lenta e gera desperdício de energia. O controle, quando o segundo acessório for conectado, seria feito por uso de válvulas de 3 vias automáticas (V3) que definem em qual linha o produto circulará, aquecimento ou resfriamento, também controladas pela interface inteligente (II). [0051 ] O equipamento apresenta, também, um sistema de controle e vaso dimensionado para trabalho em pressão negativa e positiva, permitindo trabalho em temperaturas de reação acima dos pontos de ebulição de solventes típicos utilizados nestes poliuretanos, para ganhos em tempo de reação bem como redução de perdas de solventes por evaporação. Nesse sistema de controle em reações cuja pressão esteja em uma faixa entre 1 e 3 bares de pressão, se pode incrementar, por exemplo o ponto de ebulição de um polímero de policondensação contendo acetato de etila de cerca de 77 °C para 1 10 °C, o que representa ganho em reatividade, ou seja, menores tempos de reação. Os ganhos podem variar caso-a-caso, de acordo com o polímero a ser produzido, mas podemos considerar ganhos entre 1 a 5 vezes em menores tempos de reação em relação aos tradicionais para produtos contendo solventes.
[0052] O sistema de controle é realizado pela adição de um sistema automático com válvulas de alívio localizadas no respiro dos tanques, e a operação é segura pelas características de construção especificadas para as câmaras de reação (CR) e seus periféricos. A pressão negativa é realizada por uso de uma bomba de vácuo e, embora não se aplique a polímeros dispersos em solvente, sua utilização é útil para acelerar a secagem do vácuo após ciclos de limpeza, remoção de gases dissolvidos em reações de produtos sem solvente, bem como remoção de umidade e oxigênio da fração não preenchida do sistema (head-space).
[0053] As câmaras de reação (CR) têm como característica intrínseca serem projetados e construídos para resistir às condições de pressão estabelecidas, com PMTA mínima de 3 bares, respeitando as normas específicas de construção, como ASME, e esta especificação de espessura das chapas é gerada mediante a PMTA informada pelo fabricante. As referidas câmaras de reação (CR) são dotados de válvulas e controle de alívio-pressão e vácuo que, por sua vez, possuem direta conexão com o controlador lógico programável - PLC, da interface inteligente (II), fazendo o controle de abertura e trabalho nas condições estabelecidas, sendo que o sistema de condensação, formado pelo condensador da câmara de reação (CR) poderá ser aplicado para ajudar na recuperação de perdas de solvente que venham a evaporar, reduzindo perdas e eventuais emissões atmosféricas (ou seja, mantendo o sistema fechado).
[0054] A presente invenção também apresenta um “MÉTODO PARA POLIMERIZAÇÃO AUTOMÁTICA DE POLÍMEROS DE POLICONDENSAÇÃO E OUTROS SISTEMAS DE POLIURETANO”, sendo que tal método (100) apresenta dois seguimentos de atuação, sendo uma interface para utilização de um usuário com privilégios de edição (IUPE) e uma interface para utilização de um operador (IUO).
[0055] Na interface para utilização de um usuário com privilégios de edição (IUPE), tal usuário com privilégios de edição (UPE) poderá realizar as tarefas de edição e ou exclusão de receitas, bem como acionar o equipamento (E) com o intuito de realizar um teste de parâmetros ou mesmo produção da receita selecionada.
[0056] O equipamento (E) é dotado de um sistema para comunicação remota por meio de internet, o que possibilita o acesso remoto ao mesmo. Dessa forma o usuário com privilégios de edição (UPE) pode acessar o equipamento (E) de maneira remota, sem a necessidade de estar no mesmo local que o referido. Entretanto, o equipamento (E) possui um display de controle no mesmo local de sua instalação, sendo que é por meio do referido display que é estabelecida a interface para utilização de um operador (IUO). Dessa maneira, o usuário operador (UO) não pode acessar o equipamento (E) de maneira remota, sendo necessário à sua presença no local de instalação do equipamento (E).
[0057] O usuário com privilégios de edição (UPE) poderá definir uma receita para ser executada pelo equipamento (E) a partir da definição dos seguintes parâmetros:
(i) Matérias-primas; (ii) Sequência de adição;
(iii) Definição de etapas de reação;
(iv) Definição de temperaturas limítrofes de processo;
(v) Definição de todas as variáveis críticas de processamento, tais como rotação, injeção de gás inerte, pressão ou aplicação de vácuo; e
(vi) Tempo de reação.
[0058] Em todas os parâmetros possíveis de definição, são oferecidas listas pré-definidas para que o usuário com privilégios de edição (UPE) possa selecionar os parâmetros que melhor se adequem à execução da receita.
[0059] Já o usuário operador (UO), por meio da interface para utilização do operador (IUO) tem a possibilidade única de executar e acompanhar as receitas que foram criadas e salvas no equipamento (E) por meio de um usuário com privilégios de edição (UPE). Entretanto, os sinais de alertas, quanto à execução de uma receita, são visíveis na tela de operação do equipamento (E).
[0060] Quanto a execução de uma receita, as seguintes etapas são seguidas pelo equipamento (E):
(i) Abastecimento de matéria-prima (101 );
(ii) Definição da receita e método produtivo (102);
(iii) Fabricação do polímero (103); e
(iv) Finalização (104).
[0061 ] Na etapa de abastecimento de matéria-prima (101 ), é realizada a conexão das fontes de alimentação aos componentes de conexão flexíveis presentes no topo de ao menos uma câmara de reação (CR). [0062] Na etapa de definição da receita e método produtivo (102), é realizada a inclusão de todas as variáveis de interesse da receita a ser realizada pelo equipamento (E), como etapas de adição, ajustes de temperatura de trabalho e reação, injeção de gás inerte, rotação, pressão e tempo de reação.
[0063] Na etapa de fabricação de polímeros (103), todos os parâmetros são determinados e colocados no equipamento (E) por meio do controlador lógico programável - PLC, bem como todas as etapas vinculadas a variáveis como peso (massas adicionadas), delta de temperatura, pressão ou tempo transcorrido em cada etapa reacional.
[0064] Por fim, na etapa de finalização (104), a polimerização é finalizada, a válvula de fundo se abre e, com auxílio de uma bomba de descarga, o produto é descarregado passando por um sistema de filtração diretamente num tanque de armazenamento de produto terminado, podendo ser um tanque específico ou mesmo embalagens como tambores de 200L e/ou IBC’s de 1000L.
[0065] Opcionalmente, na etapa de finalização (104), os tanques de armazenamento podem conter sensores que informem quando estão cheios e sem capacidade de receber novos produtos, para interromper o início de novos ciclos, bem como pode gerar uma demanda de produção, uma vez que estiverem em um nível que suporte mais material.
[0066] Deve ficar entendido que a presente descrição não limita a aplicação aos detalhes aqui descritos e que a invenção é capaz de outras modalidades e de ser praticada ou executada em uma variedade de modos, dentro do escopo das reivindicações. Embora tenham sido usados termos específicos, tais termos devem ser interpretados em sentido genérico e descritivo, e não com o propósito de limitação.

Claims

REIVINDICAÇÕES
1. “EQUIPAMENTO PARA POLIMERIZAÇÃO AUTOMÁTICA DE POLÍMEROS DE POLICONDENSAÇÃO E OUTROS SISTEMAS DE POLIURETANO”, em que um equipamento (E) realiza a mistura de insumos de maneira controlada no tocante a quantidades, temperaturas, agitação/mistura e tempos de reação, em que o equipamento é caracterizado pelo fato de que compreende: ao menos uma câmara de reação (CR), responsável pela polimerização automática para polímeros por condensação, sendo dotada de pás, camisa, sistema de agitação, válvulas de entrada (VE) no topo, ao menos uma válvula de saída (VS) no fundo, entrada de água (EA), entrada de nitrogênio (EN); ao menos dois tanques de insumo (T) para cada câmara de reação (CR), onde cada matéria-prima necessária para a reação é armazenada; um sistema multicanal que permite o abastecimento em memória de formulações contendo entre duas e vinte matérias-primas distintas, um sistema de controle de pesos (SCP), para cada câmara de reação (CR), responsável por controlar instantaneamente o peso e as proporções de matéria-prima em reação, compreendendo medidores de vazão mássica ou células de carga; um sistema de limpeza, para cada câmara de reação (CR), compreendendo uma âncora raspadora com terminações em teflon (PTFE), podendo assumir aspecto de múltiplas pás (seccionado) ou helicoidal, que atua tanto nas paredes cilíndricas do vaso como no fundo, realizando a limpeza/raspagem mecânica do produto em direção à válvula de saída (VS); uma interface inteligente (II) para controle dos parâmetros de funcionamento do sistema como um todo, por meio de um sistema controlador lógico programável - PLC, dotado de tela de programação de receitas para elaboração de processos e receitas; um sistema de condicionamento térmico entre etapas, sendo este realizado diretamente nas câmaras de reação (CR) ou por ao menos um trocador de calor (TC) de passagem posicionado antes, entre ou após a, ao menos uma câmara de reação (CR), compreendendo válvulas de 3 vias automáticas (V3) que controla em qual linha o produto circulará; e um sistema de controle da câmara de reação (CR) dimensionada para trabalho em pressão negativa e positiva, permitindo trabalho em temperaturas de reação acima dos pontos de ebulição de solventes típicos utilizados nestes poliuretanos.
2. “EQUIPAMENTO”, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado pelo fato de que o equipamento (E) pode compreender até cinco câmaras de reação (CR) sendo arranjadas em sequências lineares, processos paralelos ou alternados, em formato preferencialmente cilíndrico, construídas em aço inox, preferencialmente SS-316L, com PTMA mínima de 3 bares, em que ditas câmaras de reação (CR) são construídas e projetadas para reações cuja temperatura ótima esteja na faixa entre 50 e 120 °C e com tempo de reação entre dez minutos e três horas em cada etapa, dependendo da reatividade das espécies reagentes, sendo que, dependendo do tipo de reagente, a câmara de reação (CR) será dotada de eixo mecânico agitador com velocidade entre vinte e sessenta RPM.
3. “EQUIPAMENTO”, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado pelo fato de que no sistema de controle de pesos (SCP) podem ser utilizados medidores de vazão mássicos ou células de carga funcionando de maneira redundante comparando o peso das matérias-primas adicionadas na etapa de produção com os pesos finais obtidos de polímero ou pré-polímero final, conferindo se estes são compatíveis a partir de uma tolerância de variação considerada aceitável.
4. “EQUIPAMENTO”, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado pelo fato de que os parâmetros controlados pela interface inteligente (II) são controlados por: ordem de adição, temperaturas, rotações e tempo entre cada etapa para permitir a reação entre os insumos, controle de temperatura contando com aquecimento e resfriamento e tela de uso/execução, sendo também possível identificar aspectos de manutenção do equipamento (E), em que a dita interface inteligente (II) controla as válvulas de entrada (VE), as válvulas de saída (VS), o sistema de controle de pesos (SCP), a entrada de água (EA), a entrada de nitrogênio (EN), os trocadores de calor (TC) e as válvulas de 3 vias automáticas, bem como a interface inteligente (II) também controla um sistema de alarmes para identificação rápida de anomalias no sistema como falta de matéria-prima, excesso de matéria-prima, erro de pesagem, pico de temperatura, falha no agitador e falha na abertura da válvula.
5. “EQUIPAMENTO”, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado pelo fato de que o trocador de calor (TC) funciona em forma de loop com a câmara de reação (CR), onde o material em polimerização é diretamente mantido em circulação durante as etapas críticas de adições de ingredientes exotérmicos, aumentando expressivamente a razão típica de capacidade térmica/volume de produto, em que o sistema de trocador de calor (TC) é dotado de uma saída por baixo da câmara de reação (CR) com opção de se alinhar, via bombeamento por bomba, o material num loop com um trocador de calor (TC) posicionado ao lado, abaixo, ou, preferencialmente, acima da câmara de reação (CR), retornando o polímero a câmara de reação (CR) por cima, utilizando uma taxa de circulação de 0,5 a 15 vezes o volume da câmara de reação (CR) por minuto e uma área de troca entre 0,5 até 15 vezes a área de troca das paredes internas da câmara de reação (CR).
6. “EQUIPAMENTO”, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o sistema trocador de calor (TC) pode ser do tipo de placas, tubo helicoidal ou casco tubos, sendo o fluido de resfriamento água ou glicol, podendo ser usado fluído de resfriamento à temperatura ambiente ou resfriado por chiller, em que podem ser utilizados dois trocadores de calor (TC), sendo um para aquecimento outro para resfriamento, sendo que o controle, nessa configuração, é realizado por válvulas de 3 vias automáticas (V3) que definem se o produto circulará na linha de aquecimento ou na linha de resfriamento.
7. “EQUIPAMENTO”, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado pelo fato de que o sistema de controle é realizado pela adição de um sistema automático com válvulas de alívio localizadas no respiro dos tanques, sendo que a pressão negativa é realizada por uso de uma bomba de vácuo.
8 “EQUIPAMENTO”, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado pelo fato de que, em uma configuração alternativa, o equipamento (E) é dotado de tanques de inventário para armazenamento de insumos, conectados diretamente aos tanques de insumo (T).
9. “MÉTODO DE FUNCIONAMENTO DO EQUIPAMENTO PARA POLIMERIZAÇÃO AUTOMÁTICA DE POLÍMEROS DE POLICONDENSAÇÃO E OUTROS SISTEMAS DE POLIURETANO”, baseado no equipamento descrito em qualquer uma das reivindicações de 1 a 8, caracterizado pelo fato de que o equipamento (1 ) dispõe de um método (100) apresentando dois seguimentos de atuação, sendo uma interface para utilização de um usuário com privilégios de edição (IUPE) e uma interface para utilização de um operador (IUO), em que: na interface para utilização de um usuário com privilégios de edição (IUPE), o usuário com privilégios de edição (UPE) poderá realizar as tarefas de edição e ou exclusão de receitas, bem como acionar o equipamento (E) para teste de parâmetros ou produção da receita selecionada; em que, usuário com privilégios de edição (UPE) poderá definir uma receita para ser executada pelo equipamento (E) a partir da definição dos seguintes parâmetros: (i) Matérias-primas;
(ii) Sequência de adição;
(iii) Definição de etapas de reação;
(iv) Definição de temperaturas limítrofes de processo; e
(v) Tempo de reação; sendo que, o usuário operador (UO), por meio da interface para utilização do operador (IUO), executa e acompanha as receitas que foram criadas e salvas no equipamento (E) por meio de um usuário com privilégios de edição (UPE), em que os sinais de alertas quanto a execução de uma receita são visíveis na tela de operação do equipamento (E); em que, a execução de uma receita segue as seguintes etapas pelo equipamento (E):
(i) Abastecimento de matéria-prima (101 );
(ii) Definição da receita e método produtivo (102);
(iii) Fabricação do polímero (103); e
(iv) Finalização (104).
10. “MÉTODO”, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que todos os parâmetros são definidos por meio de listas pré-definidas para que o usuário com privilégios de edição (UPE) possa seleciona-los.
11. “MÉTODO”, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que na etapa de abastecimento de matéria-prima (101 ), é realizada a conexão das fontes de alimentação aos componentes de conexão flexíveis presentes no topo de ao menos uma câmara de reação (CR).
12. “MÉTODO”, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que na etapa de definição da receita e método produtivo (102), é realizada a inclusão de todas as variáveis de interesse da receita a ser realizada pelo equipamento (E), como etapas de adição, ajustes de temperatura de trabalho e reação, rotação e pressão e tempo de reação.
13. “MÉTODO”, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que na etapa de fabricação de polímeros (103), todos os parâmetros são determinados e colocados no equipamento (E) por meio do controlador lógico programável - PLC, bem como todas as etapas vinculadas a variáveis como peso (massas adicionadas), delta de temperatura, pressão ou tempo transcorrido em cada etapa reacional são realizadas.
14. “MÉTODO”, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que na etapa de finalização (104), a polimerização é finalizada, a válvula de fundo se abre e, com auxílio de uma bomba de descarga, o produto é descarregado passando por um sistema de filtração diretamente num tanque de armazenamento de produto terminado, podendo ser um tanque específico ou mesmo embalagens como tambores de 200 L e/ou IBC’s de 1000 L.
15. “MÉTODO”, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que na etapa de finalização (104), os tanques de armazenamento podem conter sensores que informem quando estão cheios e sem capacidade de receber novos produtos, para interromper o início de novos ciclos, bem como pode gerar uma demanda de produção uma vez que estiverem em um nível que suporte mais material.
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