Embed Size (px)
Citation preview
UNIVERSIDAD AUTÓNOMA METROPOLITANA
UNIDAD IZTAPALAPA
CIENCIAS BÁSICAS E INGENIERÍA
LICENCIATURA EN INGENIERÍA QUÍMICA
SÍNTESIS PROCESO Y CARACTERIZACIÓN DEL NYLON 6,10
TESIS PROFESIONAL QUE PARA OBTENER EL GRADO DE
LICENCIATURA EN INGENIERÍA QUÍMICA PRESENTAN ALMANZA CONDE VÍCTOR VÁZQUEZ VERA OSCAR ASESOR. M. C. ÁNGEL ESCOBAR
JULIO DEL 2002
Vo Bo
ÍNDICE I. Introducción II. Antecedentes 2.1 Historia del nylon 2.2 Síntesis de nylon 6,10 2.3 Obtención del nylon 6,10 en el laboratorio
2.4 Caracterización del 6,10 2.5 Mercado del nylon
III. Parte experimental
3.1 Planteamiento del problema 3.2 Reactivos 3.3 Equipo para la síntesis del nylon 6,10
3.4 Condiciones óptimas de reacción 3.5 Desarrollo experimental 3.6 Medidas de seguridad IV. Resultados
4.1 Resultados obtenidos de la reacción 4.2 Resultados obtenidos del punto de fusión 4.3 Resultados del IR 4.4 Discusión de resultados
V. Diseño de la planta
5.1 Antecedentes 5.2 Balance de masa 5.3 Diseño de los contenedores 5.4 Diseño del reactor 5.5 Proceso de separación de disolventes 5.6 Selección del secador 5.7 Tratamiento de los disolventes 5.8 Distribución de la planta 5.9 Ubicación de la planta
VI. Costos 6.1 Inversión inicial
6.2 Costos de mantenimiento y servicios 6.3 Costos de materia prima 6.4 Ventas de nylon 6,10 6.5 Factibilidad del proceso
Conclusiones y recomendaciones Apéndice Bibliografía
1 2 3 7 8 10 12 12 13 13 14 15 16 17 18 19 20 20 23 24 27 28 29 30 31 32 33 34 34 35 36 37
1
I. INTRODUCCIÓN
Los materiales poliméricos que tienen en su estructura grupos amida, reciben el nombre de poliamidas, mejor conocidas como nylon. El nylon vino a revolucionar la industria en general, debido a las innumerables aplicaciones que se le han podido encontrar a este producto, como por ejemplo, para fabricar medias, ropa de noche, ropa interior, blusas, camisas e impermeables. Este tipo de fibra no deja pasar el agua, se seca rápidamente cuando se lava y no suele requerir planchado. El nylon se usa también para fabricar paracaídas, redes contra insectos, suturas para cirugía, cuerdas para raquetas de tenis, cerdas para cepillos, sogas, redes de pesca y sedal; el nylon moldeado se utiliza en aislamientos, peines y piezas para maquinaria.
La familia del nylon esta formada por diferentes tipos, entre los cuales están; Nylon 6,6, nylon 6, nylon 6,10, nylon 6,12, nylon 11 y nylon 12. Los números se refieren a cuántas unidades del metilo (-CH2 -) se repitan en cada lado de los átomos de nitrógeno (el grupo amida). La diferencia en el número de metilos define el perfil de propiedades de los distintos nylon, por ejemplo, la absorción de humedad disminuye debido a la reducida polaridad causada por la separación y la ubicación menos regular de los grupos amida. La resistencia a la deformación térmica es baja debido a la flexibilidad y movilidad en los grupos metilos de la cadena principal. Cuando estos grupos aumentan en longitud, hacen que el arreglo molecular se asemeje a la del polietileno, en consecuencia las propiedades del nylon cambian ligeramente tendiendo hacia las del polietileno.
Es importante considerar la menor absorción de humedad del nylon 6,10, la cual le da su utilidad. La absorción de humedad del nylon 6,10 es aproximadamente la mitad que la del nylon 6,6, esto significa que las propiedades son mucho más consistentes y experimentan menos fluctuaciones debido a la humedad del ambiente. Aunque todos los polímeros absorben una cierta cantidad de humedad, en el nylon la humedad tiene gran influencia debido a que el agua produce ataduras polares con los grupos amida. Aunque en cantidad pequeña, las moléculas de agua ocupan espacio cambiando de sitio a las moléculas de nylon, esto produce que el nylon varíe su tamaño aproximadamente un 0.7% en un medioambiente con 50% de humedad relativa. Este cambio ocurre en aproximadamente 150 días para un nylon con espesor de 0.060 pulgadas (1.5 mm). El aumento en el espacio entre las moléculas de nylon baja las fuerzas secundarias y permiten más fácilmente el movimiento traslacional.
La humedad en la poliamida debe ser considerada en la fabricación, durante el
moldeo del nylon ( al ser fundido el nylon, la humedad se evapora y el volumen del nylon disminuye). Aunque la humedad causa problemas al trabajar con nylon, contribuye a mejorar dureza, suavidad y una mayor flexibilidad.
2
II. ANTECEDENTES
2.1 Historia del nylon
Figura 2.1-1 En los años 30, un químico de Du Pont, llamado Wallace Hume Carothers, investigaba las moléculas que contenían grupos amino y grupos carboxilo, con la esperanza de descubrir un método para condensarlos de tal forma que diera lugar a moléculas con grandes anillos. En lugar de esto halló que se condensaban formando moléculas de cadena larga.
Cuando Carothers mezcló ácido adípico y la Hexametiléndiamina, observo que se condensaron para dar un polímero con estructura similar a la hallada en la seda. Esta primera fibra completamente sintética fue llamada nylon (nylon 6,6). Carothers no llego a ver como fructificaba su descubrimiento, ya que falleció en 1937. En Berlín, el D. Schlack consiguió en 1938 sintetizar otra poliamida, el nylon 6, a partir de la polimerización de la caprolactama, inicialmente se destinó a fibras textiles bajo el nombre de Perlón. En la planta de la I. G. Farben se desarrollaron, a partir de 1940, tipos de poliamidas 6 y 6,6 de alto peso molecular, aptas para inyección y extrusión de piezas técnicas. Posteriormente aparecieron en el mercado otros homopolímeros: nylon 6,10, nylon 4,6 (Stanyl), nylon 11 (Rilsan) y nylon 12 (Grilamid y Vestamid). El éxito del nylon vino con el empleo en la confección de medias femeninas, alrededor de 1940. Fueron un gran suceso, pero pronto se hicieron muy difíciles de conseguir, porque al año siguiente los Estados Unidos entraron en la Segunda Guerra Mundial y el nylon fue necesario para hacer material de guerra, como cuerdas y paracaídas.
Figura 2.1-2 En la actualidad el nylon tiene infinidad de aplicaciones, entre las cuales se encuentran: partes automotrices, aislante eléctrico, velcro, ruedas, prendas de vestir, etc.
3
2.2 SÍNTESIS DE NYLON 6,10 Para comprender la síntesis del nylon 6,10 es recomendable mencionar los siguientes puntos. A) POLICONDENSACIÓN En 1929, Carothers separó las polimerizaciones en dos grupos, de acuerdo con la composición o la estructura de los polímeros. Con esta clasificación, se dividen las reacciones de polimerización en poliadiciones (por adición) y policondensaciones (por condensación). La poliadición puede darse en monómeros que contengan al menos un doble enlace, la cadena polimérica se forma por la apertura de este, adicionando un monómero seguido de otro. En la policondensación, la reacción se lleva acabo entre monómeros que porten dos o más grupos funcionales, formando moléculas de bajo peso molecular como el agua u amoniaco.
Figura 2.2-1 Diferencias entre policondensación y poliadición
Años más tarde, en 1953, Flory generalizó y perfeccionó esta clasificación utilizando como criterio el mecanismo de reacción, dividiendo las reacciones en polimerizaciones en cadena y en etapas, que corresponden, respectivamente, a las poliadiciones y policondensaciones. Las polimerizaciones en cadena y en etapas poseen características diferentes, como se muestra en la siguiente tabla.
4
POLIMERIZACIÓN EN CADENA POLIMERIZACIÓN EN ETAPAS Apenas el monómero y las especies propagantes pueden reaccionar entre sí.
Cualesquiera de las especies moleculares presentes en el sistema pueden reaccionar entre sí.
La polimerización envuelve al mínimo dos procesos cinéticos
La polimerización solo tiene un proceso cinético.
La concentración del monómero disminuye gradualmente durante la reacción.
El monómero se consume totalmente
La velocidad de reacción aumenta con el tiempo hasta alcanzar un valor máximo, en el que permanece.
La velocidad de reacción es máxima en el comienzo y disminuye con el tiempo.
Polímeros con alto peso molecular se forman desde el inició de la reacción, y este no se altera con el tiempo.
Mucho tiempo de reacción es esencial para obtener un polímero con elevado peso molecular, el cual aumenta durante la reacción.
La composición química porcentual del polímero es igual que la del monómero que lo origina.
La composición química porcentual del polímero es diferente de aquella del monómero que lo origina.
Tabla 2.2-1:
Diferencias entre las polimerizaciones en cadena y en etapas Con esta nueva clasificación, polímeros que antes eran incorrectamente considerados como productos de poliadición, tal es el caso de los poliuretanos ( no liberan moléculas de bajo peso molecular, son característicamente obtenidos por una reacción de condensación), pasan a recibir una clasificación más precisa al considerarlos provenientes de una polimerización en etapas. Las polimerizaciones en cadena presentan reacciones de iniciación, propagación y terminación distintas y bien definidas.
5
B) MECANISMO DE REACCIÓN
Cloruro de sebacoílo Hexametiléndiamina dímero del nylon 6,10 El cloruro de sebacoílo reacciona con la Hexametiléndiamina de forma espontánea e isotérmica, desprendiendo HCl gaseoso que se difunde en el agua la cual es utilizada como disolvente para la Hexametiléndiamina
La polimerización se lleva a cabo mediante la unión de dos dímeros, o un dímero con un monómero, o trímeros, etc., hasta formar la macromolécula del nylon 6,10
Polímero de nylon 6,10
6
C) SE DEBE RETIRAR CONSTANTEMENTE EL NYLON FORMADO EN LA
INTERFASE
Figura 2.2-2 Formación del nylon 6,10 en la interfase
Principio de Le Chatelier: Este principio dice que si un sistema es sometido a tensión, reaccionará para compensar esa tensión. Si se aplica a las reacciones químicas, quiere decir que si un producto o subproducto es eliminado del sistema, el equilibrio se verá perturbado y la reacción producirá más producto con el objeto de compensar la pérdida. En la polimerización del nylon 6,10 este truco es usado para hacer que la reacción alcance una alta conversión.
7
2.3 OBTENCIÓN DEL NYLON 6,10 EN EL LABORATORIO
MATERIAL: 1 Matraz aforado de 2 L. 1 Matraz aforado de 1 L. 1 Vaso de precipitado de 250 ml. 1 Varilla de vidrio. PROCEDIMIENTO:
1. Disuelva aproximadamente 174 g de Hexametiléndiamina en agua, aforando a 2Ls. 2. Haga una solución de aproximadamente 34 ml de cloruro de sebacoílo en l lt de
tetracloruro de carbono. 3. Suavemente vierta la solución de (cloruro de sebacoílo)/ tetracloruro encima de la
solución de diamina / agua con Hexametiléndiamina en el reactor. 1. Con una varilla de vidrio saque un hilo de la interfase. Despacio enrolla al hilo
cuando usted lo saca.
Figura 2.3-1
Extracción del nylon de la interfase
5. Después de que todo el polímero ha sido reunido, lávelo completamente con agua y metanol, séquelo superficialmente con una toalla.
MEDIDAS DE SEGURIDAD
• Usar bata • Protección en los ojos y guantes. • No use cerca llamas o fuego directo para calentar • Usar mascarilla
8
2.4 CARACTERIZACIÓN DEL NYLON 6,10 ESPECTROSCOPIA DE INFRARROJA (IR)
Los átomos que constituyen una molécula están en constante vibración. Cuando el número de átomos en una molécula excede de diez o más, el número de modos posibles de vibración se vuelve muy grande. Afortunadamente, muchas frecuencias son características para enlaces localizados. Así, la absorción de la luz por el estiramiento del enlace C-H casi siempre ocurre entre 2880 y 2900 cm-1. la mayoría de los espectrofotómetros usan una fuente de luz incandescente para proporcionar luz con longitudes de onda de 2.5 a unos 15 µm. Un sistema alterno de nomenclatura se refiere ala reciproca de la longitud de onda como numero de onda o frecuencia. Una longitud de onda de 2.5 µm corresponde a un numero o frecuencia de 4000 cm-1, 10µm son equivalentes a 1000cm-1 y así sucesivamente.
La muestra puede ser una película delgada sin soporte (generalmente alrededor de 0.001pda de espesor), una película por evaporación sobre un substrato no absorbente como el NaCl, una solución en una celda de un material no absorbente.
Grupo Rango de Frecuencia, cm-1
Vibraciones por estiramiento OH Libre OH Enlaces de hidrogeno intramoleculares Enlaces de hidrogeno intermoleculares Compuestos quelato Vibraciones por estiramiento NH Libre NH NH enlazado con hidrogeno Vibraciones por estiramiento CH =C-H CH2 CH Vibraciones por estiramiento C=O No conjugado Conjugado Amidas Vibraciones flexionantes CH CH2
CH3
3610-3645 (agudo) 3450-3600 (agudo) 3200-3550 (amplio) 2500-3200 (muy amplio) 3300-3500 3070-3350 3000-3100 2853±10,2926±10 2880-2900 1700-1900 1590-1750 ∼1650 1405-1465 1355-1395, 1430-1470
Tabla 2.4-1 Posiciones de las bandas infrarrojas características
9
En la tabla 2.4-1 se resumen las posiciones de algunas bandas características de absorción. Aunque estas son valiosas al analizar los espectros, a menudo se puede saber mucho considerando al espectro completo como si fuera una huella digital de esta manera se pueden identificar con rapidez los homopolímeros más comunes por simple comparación de espectros estándar. Los copolímeros, terpolímeros y las mezclas traen complicaciones aunque los espectros pueden ser simplemente aditivos. Algunas bandas se corren por cambios en el ambiente. Las bandas del OH y del NH se mueven por enlaces de hidrogeno.
figura 2.4-1 Espectro típico de transmisión infrarroja del nylon 6,10 En la figura se observa con claridad las vibraciones por estiramiento del NH en el rango de frecuencia de ∼3070cm-1 ,los grupos carbonilo se ubican en el rango de frecuencia de ∼1590-1750cm-1, los grupos metilos se encuentran en el rango de frecuencia de ∼2853cm-1 PUNTO DE FUSIÓN El punto de fusión es un método de caracterización fácil de aplicar, consiste en determinar la temperatura de fusión del compuesto a analizar, para lo cual es necesario calentar una pequeña muestra (de nylon 6,10) sobre una placa de metal conectada a un termómetro, hasta que la muestra se funda. La temperatura de fusión del nylon 6,10 es de 215 °C.
10
2.5 MERCADO DE NYLON 6,10 El mercado del nylon sé ha incrementado en los últimos años, debido a las múltiples aplicaciones que se le han encontrado conforme a avanzado la tecnología, el nylon a remplazado a varios materiales, como por ejemplo al hierro en recubrimientos de herramientas. A continuación presentamos las tendencias de la producción y el consumo del nylon con respecto al tiempo.
30
40
50
60
70
80
1994 1995 1996 1997 1998 1999
Años
Mile
s de
tone
lada
s
Producción Consumo aparente
Grafica 2.5-1: Producción y consumo del nylon con respecto al tiempo
(Datos obtenidos en el anuario ANIQ) En el grafico 2.5-1 se nota que la producción sigue una tendencia aproximadamente lineal con un incremento de 3.34 toneladas por año, por otro lado la línea de consumo presento un significativo decremento en las ventas en el año de 1995, todo esto debido a los problemas político-económicos que se suscitaron, pero para el año de 1996 el consumo empezó a recuperarse con un incremento de 3. 32toneladas anuales hasta el año de 1999, para efectos de proyecciones se omitirán la cifra de consumo de 1995. A partir de la interpretación de la grafica 2.5-1 es posible estimar una proyección a futuro, utilizando mínimos cuadrados se obtiene un coeficiente de correlación de 0.998 para el consumo y 0.989 para la producción lo cual nos indica que la proyección que a continuación presentamos no presenta un error significativo para años subsecuentes.
11
60
70
80
90
2000 2001 2002 2003 2004 2005
Años
Mile
s de
tone
lada
s
Producción Consumo aparente
Grafico 2.5-2 Datos estadísticos a futuro (utilizando mínimos cuadrados)
A partir del dato de consumo aparente del 2002, obtenemos un aproximado del nylon 6,10, considerando que solo el 5% del nylon consumido corresponde al nylon 6,10.
10,6nylon
deConsumo=
nylon
deConsumo*0.05
10,6nylon
deConsumo= 3 550
añoToneladas
Como podemos observar, el mercado del nylon 6,10 es creciente con respecto a los años
12
III. PARTE EXPERIMENTAL
3.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA A partir de la información presentada en los capítulos anteriores, estamos en posibilidad de generar un procedimiento a nivel planta piloto para la determinación de los parámetros necesarios que nos llevaran a la síntesis del nylon 6,10. Como primer punto tendremos la síntesis den nylon 6,10, utilizando tres distintos disolventes, tetracloruro de carbono, tetracloroetileno ( propuesto) y dicloroetano. Para la síntesis del nylon, es necesario determinar las condiciones optimas de reacción, para lo cual se variara la concentración de los reactivos. Como se observa el disolvente propuesto tiene una densidad similar al CCl4, además proporciona estabilidad al sistema, si tuviese menos de 4 cloros, este entraría en competencia con la reacción, teniendo como resultado una menor conversión del producto deseado (nylon 6,10). Las muestras experimentales serán identificadas, utilizando distintos métodos de caracterización, entre los cuales podemos mencionar: calorimetría diferencial de barrido (DSC), espectroscopia infrarroja (IR), viscosimetría, puntos de fusión, etc. Todo esto nos conducirá a la mejor elección del disolvente y a estar en posibilidades del escalamiento de la planta.
3.2 REACTIVOS: Hexametiléndiamina: Cloruro de sebacoílo: Tetracloruro de carbono: (grado técnico) Tetracloroetileno: Dicloroetano:
Punto de fusión de 128 a 129 °C, PM de 116.21, es soluble en agua. PM de 239.14, Punto de fusión de –2.5 °C, punto de ebullición de 168°C, densidad igual a 1.121 g/cm3. Este disolvente tiene la ventaja de ser barato, pero contiene impurezas, por lo cual se requiere filtrar con el fin de evitar que estas intervengan en nuestra reacción y puedan afectar las propiedades del producto. Punto de fusión de –19°C, densidad de 1.624 g/cm3, punto de ebullición 121°C. Disolvente propuesto (innovación) PM 98.96, densidad 1.25, punto de fusión –35.7 °C, punto de ebullición 57.3 °C
13
3.3 EQUIPO UTILIZADO PARA LA SÍNTESIS DEL NYLON 6,10
Para realizar la parte experimental, se propuso un equipo el cual se detalla a continuación. Velocidad radial = 5 rpm. Velocidad tangencial = 1.15 m/min Área interfacial del reactor = 12. 56 cm2 Volumen del reactor = 250 ml. Figura 3.3-1
Equipo para la síntesis del nylon 6,10 Con el equipo propuesto se procedió a sintetizar nylon 6,10 utilizando las concentraciones reportadas en la sección 2.3, comprobando que las características del equipo son las apropiadas.
3.4 CONDICIONES ÓPTIMAS DE REACCIÓN
Para poder encontrar las condiciones óptimas, se tomó como inicio lo encontrado en la literatura, la cual nos menciona que la reacción se lleva acabo a temperatura ambiente y presión atmosférica, con una concentraciones de 87g de Hexametiléndiamina/1litro de agua (0.75 M) y 34ml de cloruro de sebacoílo/1litro de disolvente CCl4 (0.16 M), las cuales se utilizaron en un primer experimento haciendo uso del equipo antes mencionado, encontrando una buena calidad de producto (nylon 6,10). Reduciendo la concentración del cloruro de sebacoílo, se encontró un polímero de la misma calidad a la concentración de 20 ml de cloruro de sebacoílo / 1 litro de disolvente (0.09 M). Un punto importante a mencionar es el querer optimizar el cloruro de sebacoílo a causa de estar limitados por la cantidad de reactivo. Nota: las concentraciones optimas encontradas son validas única y exclusivamente para una velocidad de extracción del nylon 6,10 de 1.15 m/min.
14
3.5 DESARROLLO Se procedió a purificar el tetracloruro de carbono (grado técnico) para obtener un disolvente con un grado de pureza mayor y realizar una nueva corrida de reacción (posteriormente se explica) para ver sus posibles variaciones de producto La purificación se realiza por destilación al vació, la cual se llevo a cabo a una temperatura de 65 °C
Para la síntesis del nylon 6,10 se montó el equipo como se muestra en la en la figura 3.5-1
Se preparan 130 ml de una solución de Hexametiléndiamina en agua con concentración de 0.75 M y se le adiciona cuidadosamente (sin agitación) 130 ml de una solución de cloruro de sebacoílo en tetracloruro de carbono con una concentración de 0.09 M Figura3.5-1
Equipo utilizado a nivel planta piloto para la síntesis del nylon 6,10.
Con una varilla de vidrio se extrae la película de nylon, la cual se forma en la interfase (figura 3.5-2). El hilo se coloca sobre los ejes del motor, para extraerlo continuamente.
Figura3.5-2 Reacción en la interfase
15
Se tomaron muestras de nylon producido con intervalos de 10 min para cada disolvente, con el fin de ver la conversión con respecto al tiempo, cada experimento se llevo a cabo 6 veces para ver si eran reproducibles nuestras determinaciones
Figura3.5-3 Muestras de nylon 6,10 ya seco Las muestras obtenidas se lavaron con el fin de remover los remanentes de monómeros, así como las impurezas. El lavado se realizo en vasos de precipitados de 200 ml con porciones de 50% de etanol y 50% de agua, para cada muestra. El lavado se repitió hasta que la solución de etanol-agua a simple vista no contenga residuos de la reacción. Posteriormente se procedió al secado del nylon haciendo uso de un horno al vació a una temperatura de 200 °C por un periodo de tiempo de 5 horas. Él vació se debe introducir debido a que se corre el riesgo de la oxidación del polímero
3.6 MEDIDAS DE SEGURIDAD Usar protección en los ojos y guantes. Tetracloruro de carbono. No use cerca de llamas o fuego directo para calentar. Pueden irritan al tracto respiratorio y, en concentraciones altas, narcótico. Hexametiléndiamina es corrosivo. Es un poderoso irritante. Cuando se calienta se descompone emite humos tóxicos de NOx. El Cloruro de Sebacoílo es sumamente destructivo al tejido de las membranas mucosas y al tracto respiratorio superior, ojos y piel.
16
IV. RESULTADOS
4.1 Resultados obtenidos de la reacción A continuación se reportan los promedios de las masas obtenidas de nylon 6,10 utilizando los tres diferentes disolventes antes mencionados
Tiempo CCl4 (Técnico) CCl4 (Reactivo) Tetracloroetileno 10 (min.) 0.479±0.005 g. 0.466±0.005 g. 0.488±0.005 g. 20 (min.) 0.490±0.005 g. 0.460±0.005 g. 0.480±0.005 g. 30 (min.) 0.482±0.005 g. 0.460±0.005 g. 0.488±0.005 g. 40 (min.) 0.474±0.005 g. 0.462±0.005 g. 0.478±0.005 g. 50 (min.) 0.454±0.005 g. 0.458±0.005 g. 0.480±0.005 g. 60 (min.) 0.466±0.005 g. 0.460±0.005 g. 0.468±0.005 g. Tabla 4.1-1 Tabla comparativa de nylon 6,10 utilizando distintos disolventes
La reacción se detiene exactamente a los 64 minutos obteniendo 0.22 gr. más (utilizando el Tetracloroetileno) Nota: estos resultados corresponden a las condiciones optimas y no se reportan a otras concentraciones En la tabla 4.1-1 observamos que el rendimiento obtenido a partir de los distintos disolventes no varia significativamente, por lo cual el cambio de disolvente las impurezas del tetracloruro de carbono no afectan a la reacción con lo cual podemos concluir que el disolvente propuesto es el adecuado. A partir de los resultados de la tabla 4.1-1 se procedió a realizar un balance de materia ( ver apéndice) con el cual se calculo una conversión del 94% con respecto al reactivo limitante ( cloruro de sebacoílo).
17
4.2 Resultados obtenidos de la determinación del punto de fusión.
A continuación reportamos los promedios de las temperaturas obtenidas de las muestras de nylon, anteriormente mencionadas.
Tiempo CCl4 (Técnico) CCl4 (Reactivo) Tetracloroetileno 10 (min.) 216 ± 1 °C 215 ± 1 °C 215 ± 1 °C 20 (min.) 215 ± 1 °C 215 ± 1 °C 216 ± 1 °C 30 (min.) 215 ± 1 °C 215 ± 1 °C 215 ± 1 °C 40 (min.) 215 ± 1 °C 216 ± 1 °C 215 ± 1 °C 50 (min.) 216 ± 1 °C 216 ± 1 °C 214 ± 1 °C 60 (min.) 214 ± 1 °C 214 ± 1 °C 215 ± 1 °C
Tabla4.2-1 Resultados de puntos de fusión En la tabla 4.2-1se observa que los puntos de fusión no varían, por lo cual comparando con el punto de fusión reportado en la literatura para el nylon 6,10 (215 °C), podemos suponer que el peso molecular de nuestro polímetro es semejante al del nylon 6,10 reportado en la literatura.
En una prueba posterior se determino el tiempo en el cual el polímero empezaba a degradarse después de haber alcanzado su temperatura de fusión. Esto se realizo calentando previamente el dial del fischer a 216 °C, aproximadamente, y tomando el tiempo que tarda el nylon en cambiar de color desde que se funde hasta el principio de la degradación. Tiempo de degradación de 5 min. a 7 min. Nota: el tiempo reportado, es el promedio total de muestras. La prueba anterior nos indica el tiempo de residencia que debe de tener el nylon dentro del extrusor para evitar la degradación del mismo, lo cual repercutiría en la calidad del material.
18
4.3 Resultados del IR A continuación se presenta el espectro del producto sintetizado a nivel planta piloto, el cual fue analizado con el objeto de comprobar si efectivamente corresponde al nylon 6,10.
Figura 4.4-1 Infrarrojo obtenido del nylon 6,10 sintetizado con los distintos disolventes. Comparando el espectro obtenido experimentalmente (figura 4.4-1) con el espectro reportado en literatura ( figura 2.4-1) se observa que las bandas de absorción de los grupos funcionales del nylon 6,10 son idénticas por lo cual se deduce que el producto obtenido de la síntesis efectivamente es el nylon 6,10.
19
4.4 DISCUSIÓN DE RESULTADOS
Comparando las conversiones de nylon obtenidas con el tetracloroetileno contra las obtenidas con el tetracloruro de carbono (grado reactivo), podemos ver que solo al inicio se tienen conversiones menores pero conforme avanza la reacción empiezan a comportarse de igual manera, esto se puede verse con facilidad en la tabla de resultados (Tabla 4.2-1). Por lo que el cambio de disolvente no nos afecta en la conversión del polímero que requerimos, además de abatir el costo de producción debido a que el nuevo disolvente no tiene restricciones comerciales. Una observación que se apreció durante el proceso de secado del nylon 6,10, fue que presentaba coloración, esto se atribuye a la oxidación por lo cual fue necesario secarlo en una atmósfera. Con respecto a las impurezas de los disolventes se observo que el nylon obtenido con el tetracloruro de carbono grado técnico presenta una mayor oxidación al secarlo sin vació, que el nylon obtenido con el disolvente grado reactivo. Esto lo podemos atribuir a las impurezas presentes en el disolvente grado técnico.
Con respecto a los puntos de fusión obtenidos con el Fischer para los tres medios de reacción, se observa que son semejantes y en promedio se tiene la Tf de 215 ± 1 °C que concuerda con lo reportado en la literatura lo que nos lleva a decir que el polímero sintetizado tiene un peso molecular similar al del nylon 6,10. En lo que se refiere a las pruebas de IR al ser comparados con el gráfico de la literatura (figura 2.4-1) notamos que los picos principales de las vibraciones más importantes que nos interesan, corresponden a los grupos funcionales que nos llevan a decir que el polímero sintetizado es efectivamente el nylon 6,10. La intensidad de las bandas depende del grosor de la pastilla con la cual se trabajó. En el espectro infrarrojo obtenido del nylon sintetizado con el disolvente grado técnico, no presenta bandas ajenas al nylon, esto debido a que en el proceso de lavado las impurezas fueron removidas.
20
V. Diseño de la planta
5.1 Antecedentes Con base en el análisis de mercado del nylon 6,10 (sección 2.5) se desea abarcar el 20% del mercado nacional, equivalente a 700 toneladas por año, y por lo tanto obteniendo una producción diaria de 2.77 toneladas, esto se obtuvo considerando 256 días hábiles al año. Con base en la experimentación en la cual se observo que la policondensación depende del área interfacial, para el caso de concentraciones altas de los reactivos (capitulo 3), se propone un proceso en el ámbito industrial (figura 5.2) cuyas características son similares al proceso nivel planta piloto, sobre la base de esto suponemos una eficiencia del reactor del 94%, un lavado con una solución de alcohol al 50% en agua, utilizando una cantidad de tres veces el peso de la corriente de salida del reactor.
5.2 Balance de masa Para él calculo del balance de masa, es necesario contar con la reacción balanceada.
Cloruro de sebacoílo Hexametiléndiamina polímero del nylon 6,10 Con fines matemáticos, a la ecuación balanceada se le puede quitar la n, quedando de la siguiente manera.
Con lo cual los cálculos se facilitan, al solo tomar el peso molecular de la unidad repetitiva del nylon 6,10
21
PRO
CE
SO I
ND
UST
RIA
L R
ealiz
ando
los
cálc
ulos
(ver
apé
ndic
e) s
e ob
tiene
la s
igui
ente
tabl
a de
mas
a, la
cua
l nos
def
ine
toda
s la
s co
rrie
ntes
del
pro
ceso
Hex
amet
ilénd
iam
ina
en a
gua
Clo
ruro
de
seba
coílo
en
tetr
aclo
roet
ileno
Rea
ctor
de
polic
onde
nsac
ión
Proc
eso
de e
limin
ació
n de
di
solv
ente
s Se
cado
Ext
ruso
r con
pel
etiz
ador
Nyl
on
6,10
Figu
ra 5
.2-1
: Dia
gram
a de
l pro
ceso
par
a la
pro
ducc
ión
del n
ylon
6,1
0
1 2
3
4
5
6
7
8 9
10
22
Com
pone
nte
1 2
3 4
5 6
7 8
9 10
H
exam
etilé
ndia
min
a 12
35.3
1095
.86
0.54
28
.52
1046
.4
Agu
a 14
180
14
180
502.
29
519
26 0
22
25 9
03
13 7
90
Clo
ruro
de
seba
coílo
30
5.14
18
.17
9.23
E-3
0.
48
17.6
7 T
etra
clor
oetil
eno
23
028
2302
8 11
.62
610.
14
22 3
86
Áci
do c
lorh
ídri
co
87.6
0.
043
2.24
82
.21
Alc
ohol
etíl
ico
49
5. 9
5 51
9
26
399
25
903
Nyl
on 6
,10
346
346
34
6 34
6
Tab
la 5
.2-1
Tab
la d
e m
asa
en k
g/h
para
el p
roce
so a
niv
el in
dust
rial
En
la ta
bla
se p
uede
obs
erva
r qu
e es
nec
esar
io u
tiliz
ar u
na g
ran
cant
idad
de
diso
lven
tes
( ag
ua y
tetr
aclo
roet
ileno
), po
r lo
cua
l se
rá n
eces
ario
util
izar
var
ios
reac
tore
s.
23
5.3 Diseño de los contenedores El diseño de los contenedores se realiza considerando que se requiere 14.18 m3/h tanto para la fase orgánica como para la fase acuosa, por lo cual se desea contar con contenedores de 15 m3 de capacidad. Para mantener constantes las concentraciones en los contenedores, se propone utilizar contenedores alternos, con el fin de realizar las mezclas y conectar posterior mente al reactor.
Figura 5.3-1 Contenedores utilizados para una hora de producción Para él calculo de las dimensiones de los contenedores, se considera que los cuatro son iguales.
15 m3 = LD4
2
π
Considerando L = D se obtiene D = 2.67 m Figura 5.3-2 dimensiones del contenedor Costos: Para un volumen de 15 m3, los costos por contenedor se ubican en 7 500 dólares hechos de viniléster reforzado con fibra de vidrio.
Hexametiléndiamina En agua
Cloruro de sebacoílo en tetracloroetileno
Corriente 1 Corriente 2
L
D
24
5.4 Diseño del reactor Para el diseño del reactor se considera los siguientes parámetros:
• Velocidad de extracción • Dimensiones del reactor • Material del reactor
Velocidad de extracción Para la velocidad de reacción, tanto los efectos difusivos como los de concentración sobre las colusiones no limitan la reacción, la única limitante es la difusión sobre el producto (nylon 6,10) la cual es muy lenta, por esta razón es necesario retirarlo constantemente. Tomando en cuenta lo anterior se deduce que el área interfacial juega un papel importante en la velocidad de extracción, a mayor área interfacial la velocidad de extracción aumenta. Dimensiones del reactor Como se menciono antes, el área interfacial es importante para obtener una velocidad de extracción del nylon 6,10. Experimentalmente se obtuvo una velocidad de producción de nylon 6,10 igual a 2.882 E-3 kg/h con una velocidad de extracción de hilo de 69 m/h, a nivel industrial se desea producir 346 kg/h. Se propone un reactor rectangular el cual consta de varios cilindros sin tapa superior e inferior, esto con el fin de separar el área interfacial y obtener simultáneamente varios puntos de extracción del nylon 6,10. Las dimensiones de los cilindros internos se propone con una área de circunferencia igual al manejado durante la experimentación (1.256 E-3 m2) con lo cual obtenemos un diámetro de 0.04 m. La altura del cilindro depende de las fluctuaciones del nivel de la interfase y de la fricción provocada por el nylon con las paredes internas del tubo, por lo cual proponemos una altura de 0.1 m (figura 5.5-1).
Figura 5.5-1 Dimensiones de un cilindro interno
Altura (0.1 m)
Diámetro (0.04 m)
25
El número de tubos internos se determina a partir de la cantidad que se desea producir de nylon 6,10, considerando que cada tubo tiene una producción de 2.882 E-3 kg/h
tuboporMasatotalMasa
tubos
denúmero=
=
hkgEhkg
/3882.2/346
−=120 139
Debido a la gran cantidad de tubos, se propone utilizar 4 reactores principales, los cuales contendrán 30 276 cilindros cada uno, obteniendo unas dimensiones de 6.96 x 6.96 metros, con una altura de 0.3 m (propuesta)
Figura 5.5 2 Dimensiones del reactor Para optimizar el espacio de los cuatro reactores se propone colocarlos uno sobre otro, con una separación entre reactor de 2 metros, dándonos una altura de torre de 10m ( figura 5.5-3)
0.3 m
6.96 m
26
Figura 2.5-3 Torre de 4 reactores Parte de la torre son los ejes para extraer el nylon los cuales están ubicados en cada esquina, en la parte superior se encuentra el motor con potencia de Material del reactor Se propone utilizar acero inoxidable, debido a que los disolventes utilizados con el tiempo corroen al reactor tal es el caso del ácido clorhídrico y el agua. Costos: Realizando una comparación con un contenedor del mismo volumen (14.5 m3) se obtiene un costo de 20 000 dólares por carcasa, el precio de la serie de tubos se ubica en 5 000 dólares, obteniendo un precio por unidad de 25 000 dólares El precio total del reactor se considera de 100 000 dólares en el año de 1979
8 m
2 m
Reactor
27
5.5 DISEÑO DEL PROCESO DE SEPARACIÓN DE DISOLVENTES
Para la separación de los disolventes se propone utilizar una serie de dos lavados y 3 exprimidores, como se muestra en la figura siguiente Exprimido 1 Lavado 1 Exprimidor 2
Figura 5.6-1 Proceso de separación de disolventes Para obtener los compuestos en la corriente 4, es necesario realizar un balance de materia en el proceso, del cual obtenemos la siguiente tabla.
Componente 3 a 4 8 9 10 Hexametiléndiamina 1095.86 29.06 0.54 28.52 1046.4 Agua 14180 383.02 502.29 26 022 25 903 13 790 Cloruro de sebacoílo 18.17 0.49 9.23 E-3 0.48 17.67 Tetracloroetileno 23028 621.76 11.62 610.14 22 386 Ácido clorhídrico 87.6 0.28 0.043 2.24 82.21 Alcohol etílico 495.95 26 399 25 903 Nylon 6,10 346 346 346 Tabla 5.6-1 Balance de materia para el proceso de separación Costos: El exprimidor se clasifica como de presión alta, media o baja. Sus costos varían con la presión, la capacidad y los materiales de construcción. Las prensas desecadoras de hule y polímeros se fabrican por lo común de acero inoxidable y cuestan de 40 000 a 125 000 dólares. El precio de la unidad de lavado es de 40 000 dólares, en el año de 1979, esto es para una unidad de 3*3*6 y de acero inoxidable
a
4
3
10 8 9
28
5.6 SELECCIÓN DEL SECADOR Para el secado del nylon 6,10 se recomienda utilizar un secador rotatorio al vacío, esto debido a la gran cantidad a secar y por que el polímetro es sensible al calor. El secador rotatorio al vació es un equipo que opera por lotes, por lo menos en las formas comerciales disponibles en la actualidad. El tipo más común de secadores rotatorios al vació consiste en una cubierta cilíndrica estacionaria, montada horizontalmente, en la cual hay un conjunto de aspas de agitador montadas en un eje central revolvente, que agita al polímero que sé esta tratando. El calor se suministra por circulación de agua caliente, vapor o Dowtherm por un encamisado que rodea al casco, él vació se aplica y mantiene por cualquiera de los métodos tradicionales, esto es, chorros de vapor, bombas de vacío, etcétera. Material Humedad
inicial ( %base seca)
Peso seco del lote
(kg)
Humedad final, (% base seca)
Tiempo, ( h )
Velocidad del agitador
(rpm )
Vacío Pax103
Presión de vapor kg/(h m2)
Polímeros sensibles al calor
87.5 - 115 610 6 7 5.25 90-91 1.5
Tabla 5.7-1 Datos técnicos de operación del equipo de secado Costos: Diámetro m
Longitud m
Superficie de calentamiento
m2
Velocidad del agitador rpm
Unidad motriz kW
Peso, kg Costo Dólares
1.5 9.1 57.7 6 22.4 19 050 175 000 Tabla 5.7-2 Datos dimensiónales del secador rotatorio al vació El costo en la tabla 5.7-1 incluye la cubierta, la chaqueta de 50 lb/in2 manométricas, el agitador, la unidad motriz y el motor, los recolectores de polvo y los condensadores. Por las características anteriores mencionadas (tabla 5.7-1) para el secador rotatorio, se propone utilizar dos secadores, con 8 horas de trabajo para 2 horas de producción de nylon, con 2 cargas por día.
29
5.7 TRATAMIENTO DE LOS DISOLVENTES POS-REACCIÓN Lo obtenido en la corriente 10 se trata con una centrifugadora la cual consta de las siguientes características.
Tipo de rotor Tipo de centrífuga Método de descarga Capacidad Tiempo Tazón sólido Decantador,
continua continua 68 m3 1 hora
Tabla 5.7-1 característica de la centrífuga elegida Esta centrifugadora nos permite separar de la corriente 10 la fase orgánica de la acuosa obteniendo una recuperación de tetracloetileno igual a 22 386 kg / h . La fase acuosa es tratada con una base para neutralizar la acidez debido a la producción de HCl y posteriormente incorporada al proceso no sin antes adicionarle Hexametiléndiamina con el fin de mantener la concentración adecuada. Para el caso de la corriente 9 que principalmente contiene alcohol y agua se pasara a una torre de destilación en la cual se recuperara el 90% del alcohol alimentado Costo: La unidad de centrifugado se obtiene en 45 000 dólares en el año de 1981 de acero inoxidable La torre de destilación tiene un costo aproximado de 160 000 dólares en el año de1990 de acero inoxidable, con 60 platos reales.
30
5.8 DISTRIBUCIÓN DE LA PLANTA
Figura5.8-1 Diagrama de Distribución de la planta La distribución de la planta se realizo a partir de las dimensiones del equipo el cual nos llevó a considerar un área aproximada de 15 000 m2, en la cual se ubica una nave de 40*30, también se cuenta con un almacén de 15*40. Las instalaciones cuentan con áreas verdes, una cancha de Basketball y dos estacionamientos (uno de carga y el otro para empleados). Para el almacenamiento del disolvente orgánico se dispondrá de cuatro tanques de almacenamiento con una capacidad de 114m3 cada uno de ellos, para el cloruro de sebacoílo se tendrá un contenedor semejante
31
5.9 UBICACIÓN DE PLANTA La planta para producir Nylon 6,10 se localizara en el fideicomiso ciudad industrial de Matamoros (Matamoros Tamaulipas), el cual cuenta con todos los servicios tal es el caso de energía eléctrica, drenaje, agua potable, tuberías de gas, vía de ferrocarril, teléfonos, carreteras, etc.
Figura 5.9-1 Fideicomiso ciudad industrial de Matamoros Ciudades cercanas: Ciudad Victoria, Reynosa, Tampico, Brownsville Texas y Altamira Distancia a zonas habitacionales de 1.5 km. Costos: Precio máximo por metro cuadrado 2.5 dólares
Figura 5.9-2 vista aérea del fideicomiso ciudad industrial de Matamoros
32
VI. COSTOS
6.1 INVERSIÓN INICIAL
A fin de evaluar la rentabilidad del proyecto se requiere definir con precisión los diversos equipos utilizados con el fin de obtener la inversión inicial.
Unidad cantidad Precio unitario (Dólares)
Precio de Instalación (Dólares)
Precio Total
(Dólares) Contenedores (15m3 )
4 7 500 750 30 750
Contenedores (114m3)
5 63 591 6 359 349 750
Reactor 1 106 000 10 600 116 600 Exprimidor 2 132 482 13 248 291 460 Lavado 1 42 395 4 240 46 635 Secador 2 185 475 18 548 408 046 Centrifuga 1 47 694 4 769 52 463 Peletizador 1 150 000 Torre de destilación
2 160 000 16 000 176 000
Terreno 37 500 Varios 286 808 Total 1 946 012 Tabla 6-1 Costos actuales de equipo De la tabla 6-1 se obtiene una inversión inicial de 1 946 012 dólares
33
6.2 COSTOS DE MANTENIMIENTO Y SERVICIOS Para realizar el análisis de costos de servicios, se considero el 15% del costo de la inversión inicial, para costos de mantenimiento se considero un 10%, lo cual nos arroja los siguientes resultados.
Unidad Costos de mantenimiento (Dólares / año)
Servicios (Dólares / año)
Contenedores (15m3 )
4612.5 3075
Contenedores (114m3)
63 591 47 693
Reactor 106 000 15 900 Exprimidor 132 482 39 745 Lavado 42 395 6 359 Secador 185 475 55 642 Centrifuga 47 694 7 154 Peletizador 15 000 22 500 Varios 28 680 4 302 Total 625 929 202 370
Tabla 6-2 Costos anuales de mantenimiento y servicios De la tabla 6-2 se obtiene un costo por año de 828 300 dólares, lo cual equivale al 50% de la inversión inicial. Para el funcionamiento de la planta se requerirá del siguiente personal, el cual será capas de operar satisfactoriamente el equipo industrial con todas las medidas de seguridad que la ley marca. A continuación se detalla el salario de cada tipo de empleado.
Empleado Cantidad Salario unitario (MN/ año)
Total (MN/ año)
Obreros 15 18 278 274 176 Chofer 2 22 125 44 251 Recepcionista 1 27 669 27 669 Intendencia 3 18 278 54 835 Vigilante 4 18 278 73 112 Enfermero 2 23 352 46 704 Ingeniero 2 120 000 240 000 Total 760 247
Tabla 6-3 Costos por salarios de empleados Comparando los gastos de salarios con los de servicios, se observa que son una cantidad semejante, por lo cual los gastos entre servicios, mantenimiento y salarios son equiparables con el costo de la inversión inicial.
34
6.3 COSTOS DE MATERIA PRIMA Basándonos en los flujos para satisfacer las 700 toneladas anuales que se desea producir, se ara un análisis de costos de la materia prima a utilizar, considerando los precios por unidad los cuales se detallan en la siguiente grafica, los costos anuales se obtiene del producto del costo por unidad y la cantidad requerida (ver apéndice). Materia prima Costo por unidad Costo anual (Dólares) Tetracloroetileno 1 000 Dólares / m3 819200 Hexametiléndiamina 13625Dolares/ Tonelada 5271000 Cloruro de sebacoílo 26150Dólares/ Tonelada 15398000 Alcohol etílico 1E-4Dólares/ m3 109638 Total 21597838 Tabla 6-4 Costos anuales de materia prima El total de los costos de la materia prima, es el más significativo comparado con los gastos anteriormente analizados
6.4 VENTAS DE NYLON 6,10 Considerando el precio del nylon 6,10 (148 dólares por kg) y la producción de 700 toneladas por año, que corresponden al 20% del mercado nacional, se obtiene las ganancias por venta. Producto Precio por unidad Ventas anuales (Dólares) NYLON 6,10 148000 Dólares/ Tonelada 25900000 Tabla 6-5 Ganancias anuales por la venta de nylon 6,10 Cabe mencionarse que nuestras ganancias netas hacienden ha 2 001 291 dólares por año, considerando la diferencia entre las ganancias con la materia prima e impuestos
35
6.5 FACTIBILIDAD DEL PROCESO Para que una inversión en un proceso valga la pena, debe rendir más que el costo del capital. Cuanto mayores sean las ganancias adicionales, más rentable será la empresa y mayor será la justificación para poner a riesgo el capital. A fin de evaluar la rentabilidad del proyecto y el proceso es necesario definir los diversos parámetros, como son costos, utilidades y flujos de efectivos anuales, los cuales se engloban en la grafica (6.5-1).
Flujo de dinero
-2500
-2000
-1500
-1000
-500
0
500
1000
1500
2000
2500
0 1 2 3
Año
Mile
s de
dól
ares
Grafica 6.5-1 Flujo de dinero a tres años
A partir de los resultados obtenidos de la grafica 6.5-1 se calcula la TIR (ver apéndice) que es aproximadamente 0.87, considerando una TREMA de 30%.
TIR > TREMA ⇒ FACTIBILIDAD DEL PROYECTO Con la lo cual obtenemos que nuestro proceso es factible, recuperando la inversión inicial en el primer año.
36
CONCLUSIONES Para el análisis del proceso propuesto se utilizaron las herramientas básicas de la ingeniería química, entre las cuales se encuentran el análisis químico, físico e ingenieríl, sin dejar de lado la parte económica. Se concluye que el escalamiento del proceso a nivel laboratorio es factible, esto fundamentado en el análisis de costos realizados sobre el equipo, personal, materia prima y lo más importante el producto (capitulo 6.5), con los cuales obtenemos una TIR de 0.87 el cual es mayor a la TREMA. Las ganancias obtenidas, nos permiten recuperar la inversión inicial en el primer año de operación y para años subsecuentes obtener ganancias de 2 millones de dólares por año.
RECOMENDACIONES •Trabajar con diferentes concentraciones de reactivos a nivel laboratorio Es necesario optimizar los disolventes, debido a los enormes costos que estos generan. Se requerirá un kilogramo de hexametiléndiamina y 5 litros de cloruro de sebacoílo •Proponer un sistema de lavado más eficiente Es importante retirar la mayor cantidad posible de disolventes, esto disminuye la contaminación a demás de evitar problemas al extruir. •Realizar mezclas Esto con el fin de encontrar nuevas aplicaciones que se traduzcan en mayores nichos de Mercado (Proyecto paralelo).
37
APÉNDICE CARACTERIZACIÓN
Figura 1. I.R del nylon 6,10 utilizando como disolvente el tetracloruro de carbono En el espectro se puede apreciar la mayor similitud que existe con el reportado a nivel literatura, esto se atribuye a que no se cuenta ya con impurezas, aunque realmente las impurezas no afectan CALCULO DE LA EFICIENCIA DEL REACTOR (NIVEL PLANTA PILOTO)
f = entadosaMolesumidosMoles
limcos
Las moles consumidos del reactivo limitante (cloruro de sebacoílo) es igual a las moles producidas de nylon 6,10. para fines prácticos utilizaremos el peso molecular de la unidad repetitiva ( Detallada en la sección 5.2).
Moles de nylon producidas = molecularPeso
nylonMasa
38
Moles de nylon producidas = gmolg
g/423.282
102.3 = 0.011 mol
Las moles alimentadas del reactivo limitante (cloruro de sebacoílo) se determina a partir de su molaridad.
M = Vn
n = MV
n = (0.09 mol/L )(0.13 L) = 0.0117 moles La conversión fraccionada es
molmol
f0117.0011.0= = 0.94
BALANCE DE MATERIA Se desea producir 2.77 toneladas por día esto es equivalente a producir 346 kilogramos por hora Moles de nylon 6,10
• Corriente 8 de la figura 5.2-1
nnylon = PM
masa =
kmolkghkg
/423.282/346
= 1.2 kmol/h
• Corrientes 7, 6, 4 y 3
Las moles de nylon de estas corrientes son iguales a las moles de la corriente 8 Masa de HCl
• Corriente 3 Conocidos los moles de nylon producidos en la corriente 3, por estequiometria de la reacción ( 2 a 1) se procede al calculo de masa de HCl.
39
nHCl = 2 nnylon =(2) (1.2 kmol/h) =2.4 kmol/h m = (2.4 kmol/h) (36.5 kg/kmol) = 87.6 kg
• Corriente 10 La masa del ácido clorhídrico en la corriente 3 es la misma que la corriente 10 Masa cloruro de sebacoílo
• Corriente 2 Utilizando la conversión de 0.94 y considerando que las moles producidas de nylon son iguales a las moles consumidas de cloruro de sebacoílo (relación estequiometrica)
entadasamolesconsumidasmoles
flim
= ⇒ f
consumidasmolesentadasaMoles =lim
n = 94.0
/2.1 hkmol = 1.276 kmol/h
m = (1.276 kmol/h) (239.14 kg/kmol) = 305.14 kg/h
• Corriente 3 Moles a la salida = moles a la entrada – moles consumidos n = (1.276 kmol/h) – (1.2 kmol/h) =0.076 kmol/h m = (0.076 kmol/h) (239.14 kg/kmol) = 18.17 kg/h
• Corriente 10 La masa de cloruro de sebacoílo de la corriente 10 es la misma que la corriente 3
Masa de tetracloroetileno
• Corriente 2 Utilizando la molaridad
M=Vn
⇒ V=Mn
V = Lkmolhkmol
/09.0/276.1
= 14.18 m3/h
m = (14.18 m3/h) (1624 kg/m3) = 23 028 kg/h
40
• Corriente 3 y 10 Como el tetracloroetileno solo es el disolvente, no interviene en la reacción, por lo tanto lo que entra por la corriente 2, pasa por la corriente 3 y sale por 10
Masa de Hexametiléndiamina
• Corriente 1 Para realizar la reacción se toman volúmenes iguales de las soluciones de Hexametiléndiamina en agua y de cloruro de sebacoílo en tetracloroetileno. Utilizando la molaridad calculamos los moles de Hexametiléndiamina.
M=Vn
⇒ n = MV
n = (0.75 kmol/m3) (14.18 m3) = 10.63 kmol m = (10.63 kmol) (116.21 kg/kmol) = 1235.3 kg
• Corriente 3 y 10
Moles a la salida = moles a la entrada – moles consumidos n = 10.63 kmol/h– 1.2 kmol/h = 9.43 kmol/h m = (9.43 kmol/h) (116.21 kg/kmol) = 1095.86 kg /h
Masa de agua
• Corriente 1y 3 Para obtener una aproximación del agua utilizada como disolvente, tomaremos el volumen de la solución de cloruro de sebacoílo en tetracloetileno. V = 14.18 m3/h m = (14.18 m3/h) (1000 kg/m3) = 14 180 kg/h La masa de la corriente 3 es la misma que la masa de la corriente 1
• Corriente 4 y 5
Experimentalmente se observo que el nylon después de lavar contenía una humedad de tres veces su peso.
41
hkgalcoholagua
solucióndeMasa/346*3
)(=
+
= 1038 Kg/h
suponiendo que la relación de proporcionalidad agua-alcohol se conserva
masa de agua =2
/1038 hkg = 519 kg/h
• Corriente 9
Experimentalmente, el nylon obtenido se lavo con una solución de agua-alcohol, utilizando una cantidad de 3veses el peso de lo obtenido del reactor Agua-alcohol = ∑mi Agua-alcohol = 195.86 + 14 180 + 18.17 + 23 028 + 87.6 + 346 = 37 855.63 Masa de agua = (37 855.63) ( 0.5 ) = 18 927.815 kg/h
• Corriente 10
Realizando un balance de masa para el agua sobre el lavado Masa de agua = 14 180 + 18927.815 - 519 = 32 588.815 kg /h
Masa de alcohol
• Corriente 4 y 5 Suponiendo un lavado perfecto y que la humedad del nylon consta de las misma proporción para el agua y el alcohol, por lo tanto Masa de alcohol = Masa de agua = 519 kg/h
• Corriente 9 Considerando que para lavar el nylon se utilizo la misma cantidad de agua y alcohol Masa de alcohol = masa de agua = 18 927.815 kg/ h
• Corriente 10 Realizando un balance de masa de alcohol alrededor del lavado, tenemos lo siguiente Masa de alcohol = 18 927.815- 519 = 18 408.81
42
Proceso de separación de disolventes
• Exprimidor 1 Conocida las composiciones en la corriente 3, procedemos a realizar un balance de materia para el primer exprimidor. Corriente 3 = 38 419.63 kg/h sin nylon Se sabe que el nylon húmedo pesa tres veces su propio peso por lo cual Corriente a = 1 038 kg/h sin nylon Suponemos que las composiciones en el líquido se conservan
Componente Corriente 3 Hexametiléndiamina 0.028 Agua 0.369 Cloruro de sebacoílo 0.000473 Tetracloroetileno 0.599 Ácido clorhídrico 0.00022
Para conocer la corriente a de cada componente, simplemente multiplicamos la composición de cada componente por el flujo de masa total en la corriente ( a ) Para obtener la corriente 11 solo se realiza un balance de materia para cada componente
43
COSTOS
Actualización de los precios de compra de equipo utilizado para la planta química
( )
=
yañodelindicexañodelindice
yañoequipodeCostoxañoequipodeCosto
Unidad Precio unitario (Dólares)
Año Precio actual
Contenedores (114m3)
60 000 1979 63 591
Reactor 100 000 1979 106 000 Exprimidor 125 000 1980 132 482 Lavado 40 000 1979 42 395 Secador 175 000 1981 185 475 Centrifuga 45 000 1981 47 694
ANÁLISIS ECONÓMICO Costos anuales 23 186 385 Dólares Ventas 25 900 000 Dólares Ganancias 2 713 615 Dólares
Año FAI Depreciación Ingreso gravable
Ing grav Por imp FDI
0 -1946012 1 2713615 -678403.75 2035211.25 -712323.9375 2001291.06 2 2713615 -678403.75 2035211.25 -712323.9375 2001291.06 3 2713615 -678403.75 2035211.25 -712323.9375 2001291.06
44
VPN = 32 )1(2910012
)1(2910012
)1(2910012
0129461iii +
++
++
+− = 0
i = 0.87
45
BIBLIOGRAFÍA BANCO NACIONAL DE COMERCIO EXTERIOR BANCO DE MÉXICO ANUARIO (ANIQ 1999) QUÍMICA ORGÁNICA ( H. PINE) PRINCIPIOS DE POLIMERIZACIÓN (GEORGE ODIAN) PRINCIPIOS DE SISTEMAS DE POLÍMEROS (FERDINAN RODRIGUEZ) MACROGALERIA DE POLIMEROS (UNIVERSIDAD DE MISSISSIPI) MANUAL DEL INGENIERO QUIMICO (PERRY) CONCEPTUAL DESIGN OF CHEMICAL PROCESSES (DOUGLAS) ENCYCLOPEDIA OF CHEMICAL TECHNOLOGY (KIRK-OTHMER) MODERN PLASTICS MID-NOVEMBER 1998 MODERN PLASTICS MID-OCTUBER 1998 HYDROCARBON PROCESSING, NOVEMBER 1981
