Buna alemán con sabor a movilización militar.
El caucho sintético alemán, también conocido como Buna, de la Segunda Guerra Mundial es muy interesante. historia No se trata tanto de un descubrimiento científico, sino más bien de la creación de una compleja cadena tecnológica para la producción de los productos semielaborados necesarios para la fabricación del producto final.
A pesar de la gran cantidad de información escrita sobre el Buna, su historia está plagada de omisiones por razones que aún se desconocen. Quizás se perdieron algunos documentos y los involucrados no dejaron constancia de sus memorias ni comentarios. De hecho, los dos principales promotores del Buna fallecieron poco después de la guerra: Walter Bock en octubre de 1948 y Eduards Chunkur (originario de Livonia y graduado del Instituto Politécnico de Riga) en 1946.
Los extraños giros y vueltas del Buna alemán
Aunque el nombre buna deriva de la abreviatura de las palabras butadieno y sodio, en esta tecnología no se utilizó sodio metálico en absoluto.
IG Farbenindustrie, por supuesto, producía cauchos de butadieno obtenidos por polimerización en presencia de sodio y potasio metálicos, pero estos se producían en pequeñas cantidades y con fines auxiliares. El Buna 32 y el 115 (índice de viscosidad) se producían utilizando sodio metálico; el primero como suavizante para polímeros producidos por el método de emulsión, mientras que el segundo, al igual que el Buna 85, producido con potasio metálico, se utilizaba para producir ebonita.
La tecnología básica empleaba un agente emulsionante conocido como Necal BX, que contenía sulfato de sodio y una pequeña cantidad de cloruro de sodio. Walter Bock, en sus primeros trabajos sobre caucho sintético, se apartó del camino ya recorrido por S. V. Lebedev y, a finales de 1926, logró acelerar la muy lenta polimerización del isopreno en una emulsión acuosa mediante la adición de una pequeña cantidad de peróxidos, alcanzando un tiempo de hasta 25 días. El 15 de enero de 1927 se concedió una patente alemana para este método.
Aquí surge una pregunta para la cual la literatura no ofrece una respuesta clara. Como químico experimentado, a Bock le habría resultado fácil reproducir la misma tecnología que S.V. Lebedev estaba perfeccionando simultáneamente: la polimerización en presencia de sodio metálico. Pero, por alguna razón, Bock optó por su propio camino desde el principio.
El desarrollo posterior del uso del butadieno, y luego de un copolímero de butadieno y estireno, sigue sin estar claro, ya que el estireno, por supuesto, añadió resistencia al desgaste al juanete, pero también complicó seriamente la tecnología de preparación para la vulcanización.
Por no mencionar que el butadieno en sí no se producía a partir de alcohol etílico, como ocurría con la tecnología soviética, sino a partir de acetileno, que se obtiene del carburo de calcio.
El resultado es una tecnología bastante peculiar, aparentemente modificada desde el principio por alguien que, con delicadeza pero con insistencia, exigía: «Busquen otra solución». El Buna alemán tiene un marcado carácter militar, pero, hasta donde sé, no se ha estudiado en detalle. Aunque es difícil asegurarlo, ya que es imposible revisar toda la bibliografía existente.
En resumen, entre 1927 y 1929, Bok y Chunkur, tras desarrollar el método de polimerización en emulsión, se dedicaron a perfeccionar la tecnología de copolimerización de butadieno y estireno. Invirtieron mucho tiempo en encontrar las proporciones adecuadas, y no fue hasta el 21 de junio de 1929 que se concedió la patente para el caucho sintético de butadieno-estireno, o Buna S. El 11 de julio de 1929, se concedió una patente para un nombre que no reflejaba la esencia de la tecnología.
Luego llegó la Gran Depresión, que provocó el desplome del mercado mundial, incluido el precio del caucho natural. Se dice que IG Farbenindustrie perdió interés en la tecnología y recortó la financiación para la investigación, pero con el ascenso de Hitler al poder, resurgió el interés por el caucho sintético. Esta es la versión generalmente aceptada; algunos investigadores incluso bromearon diciendo: «Hitler como catalizador».
Sin embargo, si analizamos los resultados, se observa que se creó una tecnología específicamente adaptada para la producción industrial a gran escala en Alemania, utilizando materias primas alemanas. Y su desarrollo se completó en gran medida antes de que Hitler se convirtiera en Canciller del Reich.
Me intriga saber quién tuvo la perspicacia de supervisar el trabajo de dos químicos. Por cierto, hay un candidato idóneo: el teniente general Karl Eduard Wilhelm Groener, oficial del Estado Mayor alemán. Durante la Primera Guerra Mundial, dirigió el departamento de ferrocarriles de campaña del Estado Mayor, responsable del transporte y el suministro de tropas. Posteriormente, dirigió el Departamento de Alimentación Militar dependiente del gobierno y, más tarde, el Departamento de Guerra del Ministerio de Guerra prusiano. Al finalizar la guerra, comandó el XXV Cuerpo de Reserva y, en 1918, dirigió la política de ocupación alemana en Ucrania. Tras la guerra, fue ministro de Ferrocarriles en el gobierno republicano, luego, de 1923 a 1928, jefe del departamento de estadística del Ministerio de Guerra y, posteriormente, de 1928 a 1932, ministro de Guerra e incluso ministro del Interior. Este general era un experto en movilización militar y, sin duda, comprendía la importancia del caucho sintético para el transporte militar, ya que había experimentado de primera mano todos los problemas del abastecimiento de tropas durante la guerra. Es muy posible que esas instrucciones provinieran de él.
Butadieno
Así pues, la tecnología constaba de tres etapas principales. La primera era la producción de butadieno y estireno, cada uno mediante una tecnología específica. La segunda era la copolimerización. La tercera era el procesamiento y la preparación para la vulcanización.
La etapa de obtención de productos semielaborados constaba de dos líneas tecnológicas separadas, cada una de las cuales constaba de subetapas.
La línea de producción de butadieno incluía la producción de carburo de calcio, la producción de acetileno y la síntesis de butadieno a partir de acetileno.
La producción de carburo de calcio era una tecnología consolidada, pero altamente intensiva en energía. El coque y la cal viva se transportaban a la planta de Schkopau, donde, en hornos de foso bajo equipados con ánodos de carbono autocalentables desarrollados por el diseñador noruego Wilhelm Söderberg para la fundición de aluminio, el carbón se fusionaba con la cal a temperaturas de 2000 a 2200 grados Celsius, produciendo carburo de calcio líquido. Tras el enfriamiento y la trituración mecánica, el carburo de calcio se cargaba en generadores de acetileno, donde reaccionaba con agua para producir acetileno.
A partir de este momento, la planta de Schkopau ya se encontraba en la época socialista, en 1953. Pero, básicamente, salvo algunas modificaciones y trabajos de restauración, era la misma que durante la guerra.
Luego vino la síntesis del butadieno. La primera etapa fue la hidratación del acetileno. Primero, el acetileno se hizo pasar a través de grandes torres de acero que contenían sulfato de mercurio (una sustancia altamente tóxica), de donde se liberó acetaldehído, una sustancia gaseosa, inflamable y explosiva.
La segunda etapa es la condensación aldólica. El acetaldehído se introdujo en reactores agitados con camisa de agua y un potente sistema de refrigeración, ya que generaba mucho calor y la reacción debía realizarse a una temperatura de 10 a 20 grados Celsius. Estos reactores se conectaron en cascada para asegurar la máxima condensación del gas. El aldol es un jarabe espeso.
La tercera etapa consiste en la producción de butanodiol. Esto se logró utilizando potentes reactores de acero forjado de gran espesor. A una temperatura de 100 grados Celsius y una presión de 296 atmósferas, en presencia de un catalizador de cobre-cromo, se produce 1,4-butanodiol, un líquido viscoso que se solidifica a 20 grados Celsius.
Finalmente, la cuarta etapa consistió en la deshidratación del butanodiol. Esto se logró mediante un horno de craqueo con una serpentina rellena de coque recubierto con ácido fosfórico como catalizador. A una temperatura de 280 grados Celsius, el butanodiol se convirtió en butadieno. El horno emitió una mezcla de butadieno, vapor de agua, butanodiol sin reaccionar y diversos subproductos.
Tras todo este proceso, el butadieno fue purificado y refinado. Primero, el gas se hizo pasar por una torre de enfriamiento llena de agua, donde el butanodiol y varios componentes de alto punto de ebullición se condensaron y se bombearon por la parte inferior de la torre. El gas que contenía butadieno se enfrió, se comprimió y se envió para su posterior purificación.
El gas que contenía butadieno pasó luego por dos columnas de destilación, cada una de 30 a 40 metros de altura y con 60 platos. En la primera columna, se eliminaron del gas los componentes de menor punto de ebullición, como el acetileno y el etileno. En la segunda columna, se destilaron el butadieno y sus isómeros.
Posteriormente, el gas butadieno se purificó de aldehídos residuales lavándolo en una torre de lavado con bisulfito de sodio. A continuación, el gas se hizo pasar por una torre de secado, donde el agua restante fue absorbida por cloruro de calcio. Solo entonces se pudo enfriar, comprimir y almacenar el butadieno.
Estireno
La segunda línea de producción de estireno. Para obtener otro componente, el estireno, se utilizaba benceno, producido en grandes cantidades durante la coquización del carbón, en Alemania. Llegaba a la planta listo para su uso.
Para procesar el benceno, se producía etileno a partir de acetileno, obtenido de generadores de acetileno en una línea adyacente, mediante hidratación con hidrógeno. Esto se realizaba en una batería de grandes reactores verticales, cada uno con tubos rellenos de tierra de diatomeas recubierta con un catalizador de óxido de paladio. El espacio alrededor de los tubos se llenaba con agua a presión, ya que la reacción generaba una cantidad considerable de calor y debía llevarse a cabo a temperaturas entre 200 y 250 grados Celsius.
La planta de Schkopau recibía hidrógeno a través de un gasoducto especial procedente de Leuna Werke, donde se producía a partir de gas de agua, que posteriormente se hacía pasar por un reactor de hidrogenación de monóxido de carbono. La mezcla de gas de agua y vapor, a una temperatura de 400-500 grados Celsius y en presencia de un catalizador de cromo-hierro, se convertía casi por completo en una mezcla de dióxido de carbono e hidrógeno. Esta mezcla, a una presión de 28 atmósferas, se bombeaba a una torre de lavado llena de agua, donde el dióxido de carbono se disolvía. Dado que el monóxido de carbono destruía el catalizador de paladio, el hidrógeno para la planta de Schkopau se purificaba en un reactor especial a una presión de 200 atmósferas, haciéndolo pasar por una solución de acetiluro de cobre en amoníaco.
Se bombeó una mezcla de acetileno e hidrógeno al reactor de hidratación desde arriba, con el gas fluyendo hacia abajo. El gas resultante se enfrió y luego se hizo pasar por una columna de lavado y separación, desde la cual el etileno se envió para su posterior procesamiento, y el acetileno restante se recirculó al siguiente ciclo.
La alquilación del benceno se llevó a cabo en un reactor lleno de benceno líquido, al que se añadieron cloruro de aluminio y una pequeña cantidad de ácido clorhídrico en polvo. El reactor se calentó a 90-95 grados Celsius y se introdujo etileno desde abajo a una presión de 1-2 atmósferas. El producto resultante fue etilbenceno líquido.
Una mezcla de benceno, etilbenceno y polietilbenceno se bombeó desde la parte superior del reactor y se envió a un decantador, donde el catalizador, mezclado con ácido clorhídrico para formar un líquido aceitoso denso, se separó y se bombeó de nuevo al reactor de alquilación. A continuación, la mezcla se hizo pasar por dos columnas de lavado (una con agua y la otra con una solución diluida de hidróxido de sodio) para eliminar trazas de ácidos y cloruros. Posteriormente, se llevó a cabo la destilación en tres columnas de destilación: la primera destiló el benceno y lo recicló, la segunda destiló el etilbenceno y la tercera mezcló el residuo con benceno fresco y lo envió a un reactor aparte para producir etilbenceno.
A continuación, se deshidrogenó el etilbenceno para producir estireno. Para ello, se utilizó un reactor tubular cuyos tubos estaban hechos de acero especial al cromo-níquel. El etilbenceno en fase gaseosa se mezcló con vapor de agua sobrecalentado a 700 °C en una proporción de 1:10 o 1:15 y se introdujo en los tubos. Estos contenían un catalizador: óxido de zinc y alúmina prensados en gránulos. A medida que los tubos circulaban a una temperatura de 600-620 °C, se liberaba hidrógeno del etilbenceno, produciendo estireno. El gas caliente se introdujo en enfriadores, donde primero se separó el hidrógeno (que se recirculó al proceso de alquilación), luego se condensó el agua y, finalmente, se obtuvo una mezcla de compuestos orgánicos compuesta por un 35-40 % de estireno, así como etilbenceno, benceno y tolueno sin reaccionar.
Esta mezcla se destiló en una columna de destilación al vacío para evitar tanto la explosión del estireno como su polimerización espontánea. Este proceso resultó exitoso en la columna de vacío, y tras añadir hidroquinona, que impidió la polimerización espontánea del estireno, se introdujo en un autoclave de polimerización.
Solo los alemanes se atrevieron a trabajar con una mezcla de gases explosivos —hidrógeno y estireno— calentada a 600 grados Celsius. Este tipo de producción requiere un cuidado excepcional, ya que un apriete descuidado, un sello defectuoso o una grieta apenas perceptible pueden provocar fugas de gas, que se mezclarán con el aire y explotarán con gran estruendo.
Polimerización
La polimerización se llevó a cabo en una serie de seis a ocho autoclaves con agitadores de acero inoxidable o esmaltado, cada uno con una capacidad de 10 a 20 metros cúbicos. Al primer autoclave se le añadió una mezcla de 75 % de butadieno líquido y 25 % de estireno líquido, junto con agua destilada. A continuación, se añadieron el emulsionante (nekal, mencionado al principio), el iniciador de la reacción (persulfato de potasio) y el regulador (compuestos de azufre, como el diproxeno). Cada reactor se calentó a 50 grados Celsius y se mantuvo a una presión de 3 a 5 atmósferas. Debido a que la reacción generó una cantidad considerable de calor, los reactores se enfriaron con agua.
La mezcla se hizo circular por todos los reactores con agitación constante hasta que se formaron partículas blancas de látex artificial. Periódicamente se añadieron reguladores a los distintos reactores. El seguimiento del proceso fue sencillo, ya que se podían tomar muestras del autoclave en cualquier etapa. El proceso en sí era continuo: se añadían nuevas porciones de materia prima al primer autoclave y se extraían porciones del producto terminado del último.
La reacción se llevó a cabo hasta alcanzar aproximadamente el 60 % del consumo de material requerido, ya que, superado este punto, las largas cadenas de moléculas de caucho comenzaban a unirse formando una red que generaba un gel inadecuado para la producción de neumáticos. Cuando fue necesario detener la reacción, se inyectó ditionito de sodio en la mezcla de agua y caucho al extraerla del reactor final, deteniendo instantáneamente la reacción de polimerización.
Posteriormente, el butadieno y el estireno, que permanecieron en grandes cantidades, se eliminaron de la mezcla. El butadieno se extrajo en un desgasificador al vacío, donde se evaporó rápidamente del líquido, se bombeó, se comprimió y se reincorporó al ciclo. A continuación, la mezcla se envió a una columna de destilación, donde el vapor eliminó el estireno, que también se recogió y se reincorporó al ciclo. Finalmente, se añadió sal común a la mezcla restante, lo que separó el caucho del agua. El caucho se separó, se lavó y se secó, obteniendo así un producto apto para su posterior procesamiento.
El producto de un esfuerzo deliberado
¿Qué te parece todo esto?
En primer lugar, una tecnología tan compleja y multietapa no pudo haberse logrado por casualidad. Fue el resultado de un esfuerzo prolongado y concentrado, enfocado persistentemente en un único objetivo. Dicha tecnología requirió no solo químicos que desarrollaron el proceso de polimerización, sino también un diseñador y tecnólogo jefe que ensambló una cadena de producción tan compleja, compuesta por numerosas etapas, cada una con su propio aparato de diseño exclusivo. Este tecnólogo tuvo que establecer los requisitos de diseño para dichos aparatos. Era un auténtico genio.
En segundo lugar, se trata sin duda de una tecnología de movilización militar, que depende casi por completo del carbón y sus derivados, así como de la cal, de la que Alemania disponía de cantidades considerables. Químicos e ingenieros habrían estado encantados de simplificarla, pero al parecer existía la exigencia de que todas las materias primas fueran exclusivamente alemanas, sin importar el coste. En caso de otra guerra, no habría materias primas importadas.
En tercer lugar, Hitler solo consideró brevemente este tema cuando esta compleja tecnología se encontraba en las etapas finales de su desarrollo y transformación en tecnología industrial. Cuando se quejó en un memorándum secreto en agosto de 1936 sobre la incapacidad de resolver los problemas del caucho sintético, IG Farbenindustrie sin duda tenía buenas razones para tales excusas. Esta tecnología es difícil de describir, y mucho menos de implementar con todo el detalle necesario y lanzarla al mercado.
La dirección de IG Farbenindustrie, especialmente Karl Krauch, comprendió sin duda que su método aún era rudimentario y necesitaba perfeccionarse. Tras la liberación del vapor sobrecalentado, las partes aparentemente alcanzaron un acuerdo razonable. IG Farbenindustrie, de acuerdo con las exigencias de Hitler, puso en marcha la planta lo antes posible, pero también inició un intenso trabajo para mejorar la tecnología. De hecho, la planta de Schkopau produjo 2110 toneladas de Buna S en 1937 y 3994 toneladas en 1938, lo que indica que aún se trataba de una planta piloto. En 1939, la producción aumentó a 20 173 toneladas, marcando el inicio de la producción industrial a gran escala.
Además, era necesario perfeccionar la tecnología para la fabricación de productos de caucho a partir del caucho resultante. Con este fin, en 1939 se estableció un laboratorio central de investigación en Leverkusen, donde IG Farbenindustrie contaba con una planta piloto, con un coste de 10 millones de Reichsmarks. Este laboratorio empleaba a 35 doctores en ciencias, 150 ingenieros y técnicos, y 300 trabajadores. Este equipo científico central abordó numerosos problemas relacionados con la producción y el procesamiento del caucho sintético.
Por lo tanto, cabe concluir que los alemanes no han contado ni la mitad de la historia del origen y la producción de su buna, guardando silencio sobre muchos detalles importantes e interesantes.
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