diseÑo de un sistema de reacciÓn batch para …
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IQ-2003-II
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DISEÑO DE UN SISTEMA DE REACCIÓN BATCH PARA POLIMEROS
BIODEGRADABLES
JUAN ANDRES RODRIGUEZ RODRIGUEZ
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA
BOGOTÁ, ENERO DE 2004.
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AGRADECIMIENTOS
El autor expresa su agradecimiento a
Felipe Muñoz por sus ayudas en tiempo record y por la paciencia de tenerme en su
oficina solucionando mis problemas.
Jose Maria por ayudarme en el primer y nunca terminado proyecto.
Javier Martínez por llevarme la idea.
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TABLA DE CONTENIDO
INTRODUCCION…………………………………………………………………….13
1.REVISION BIBLIOGRAFICA……………………………………………………..15 1.1 ANALISIS SISTEMAS BATCH……………………………………………………… .15
1.2 CINETICA REACCIONES DE POLIMERIZACION………………………………….17 1.2.1POLIMERIZACION POR CONDENSACION………………………………………………18
1.2.2 POLIESTERES………………………………………………………………………………20
1.2.2.2 SINTESIS…………………………………………………………………………20
2. DISEÑO DE UN REACTOR PARA POLIMEROS BIODEGRADABLES………23
2.1 METODOS DE PORDUCCION DE POLIMEROS BIODEGRADABLES……………23 2.1.1ACIDO POLILACTICO……………………………………………………………………..-23
2.1.2 ACIDO POLIGLICOLICO…………………………………………………………………..24
2.1.3 POLICAPROLACTONA…………………………………………………………………….24
2.1.4 POLI-P-DIOXANONA………………………………………………………………………25
2.1.5 POLIESTERES ALIFATICOS………………………………………………………………25
2.2 DISEÑO DEL SISTEMA DE REACCION………………………………………………25 2.2.1 REACTOR…………………………………………………………………………………..26
2.2.1.1 PARAMETROS…………………………………………………………………...26
2.2.1.2 VOLUMEN……………………………………………………………………….27
2.2.1.3 MATERIALES DE CONSTRUCCION………………………………………….27
2.2.1.3.1 PYREX…………………………………………………………………28
2.2.1.3.2ACERO INOXIDABLE 304……………………………………………28
2.2.1.3.3 ACERO INOXIDABLE 316…………………………………………...30
2.2.1.3.4 OTROS MATERIALES………………………………...........................31
2.2.1.3.5 ANALISIS………………………………………………………………32
2.2.1.4 LIMITES DE TEMPERATURA Y PRESION……………………………………33
2.2.1.5 SISTEMA DE SELLO…………………………………………………………….33
2.2.1.5.1 O-RING TAPA REACTOR………………………………………………..34
2.2.1.5.2 SELLO MECANICO DEL AGITADOR…………………………………..36
2.2.1.6 ACCESORIOS………………………………………………………………………...36
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2.2.1.6.1 CHAQUETA………………………………………………………………..37
2.2.1.6.1.1 CALCULO DE LA CARGA TERMICA NECESARIA……….38
2.2.1.6.1.2 DISEÑO DE LA CHAQUETA…………………………………40
2.2.1.6.2 ORIFICIOS…………………………………………………………………..40
2.2.1.6.3 AISLAMIENTO……………………………………………………………..41 2.2.2 CONDENSADOR……………………………………………………………………………...42
2.2.2.1 DETERMINACION DEL AREA DE INTERCAMBIO……………………………43
2.2.2.2 DISEÑO…………………………………………………………………………….50
2.2.3 SISTEMA DE AGITACION…………………………………………………………………....50
2.2.3.1 IMPELER……………………………………………………………………………….51
2.2.3.2 MOTOR…………………………………………………………………………………52
2.2.4 SISTEMA DE CONTROL……………………………………………………………………...52
2.2.5 SISTEMA DE VACIO………………………………………………………………………….53
2..3 MONTAJE FINAL……………………………………………………………………...54
2.4 FICHA TECNICA………………………………………………………………………..56
3 .COSTEO……………………………………………………………………………..57
4..ANEXOS…………………………………………………………………………….58
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LISTA DE TABLAS
Tabla 1. Características del Pyrex 7740………………………………………………..28
Tabla 2. Características del SS304……………………………………………………..29
Tabla 3.Características del SS316……………………………………………………...31
Tabla 4.Condiciones necesarias para el sistema de reacción…………………………..33
Tabla 5.Características materiales O-ring……………………………………………...34
Tabla 5.Compatibilidad química de ciertos O-rings……………………………………35
Tabla 6.Especificaciones Generador de Vapor…………………………………………38
Tabla 7.Usos de los orificios de la tapa del reactor…………………………………….40
Tabla 8.Caudales de vapor estimados ………………………………………………....44
Tabla 9.Caudales de agua obtenidos para el diseño…………………………………...44
Tabla10. Propiedades de los fluidos a la temperatura media………………………….45
Tabla 11. Datos tubería Swagelok para condensador ………………………………….45
Tabla 12.Calculo del coeficiente de película…………………………………………...47
Tabla 13.Datos necesarios para el cálculo de el coeficiente global ……………………48
Tabla 14. Área de intercambio de calor para caudales máximo y mínimo……………..49
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LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Polimerización poliésteres alifáticos……………………………………….21
Figura 2.Ensamble del reactor…………………………………………………………37
Figura 3. Disposición de los orificios………………………………………………….41
Figura 4 .Interfase software Ecowin……………………………………………………42
Figura 5. Detalle del condensador……………………………………………………...50
Figura 6. Impeler axial………………………………………………………………….51
Figura 7. Lazo de control……………………………………………………………….53
Figura 8. Montaje del equipo…………………………………………………………..54
Figura 9. Disposición Final ………………………………………..……………….....55
Figura 10. Detalle de las conexiones a la tapa………………………………………….55
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RESUMEN
El objetivo de este proyecto es diseñar un sistema de reacción para ciertos polímeros
biodegradables, en especial para aquellos no derivados de procesos microbiológicos.
Dentro de este grupo se encuentran el ácido poliláctico, el ácido poliglicólico, la
policaprolactona, la polidioxanona y copolímeros que contienen estas especies en su
estructura.
En particular este proyecto se refiere al diseño de un reactor Batch con base en
reacciones de síntesis de poliésteres alifáticos. Sin embargo otro tipo de reacciones no
contempladas aquí pueden hacer uso del sistema de reacción siempre y cuando se
cumpla con las condiciones de reacción del sistema.
Luego de haber identificado las condiciones de reacción típicas para este tipo de
materiales se procedió a diseñar el sistema de reacción. Este consiste de un reactor
Batch enchaquetado, un condensador, un sistema de vacío, una alimentación de
nitrógeno, un sistema de agitación y un generador de vapor para calentar y esterilizar. A
continuación se especificara los sistemas diseñados:
Reactor Batch: Reactor cilíndrico de 1 litro de volumen. Posee chaqueta y
disponibilidad de varias conexiones. El sistema de sello consiste en dos partes:
el sello entre la tapa del reactor a la vasija y el sello del agitador. Para el primero
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se considero necesario usar un O-ring de Fluoroelastomero, pero por
recomendaciones del proveedor se cambio por un O-ring de Viton. Para el
segundo, se recomendó usar un sello mecánico pero se esta considerando un
sello magnético ya que permite mayor rango de aplicación.
Condensador: Diseñado como sistema de reflujo para algunas reacciones de poli
condensación que necesitan la eliminación de agua.
Sistema de agitación: Las viscosidades aumentan a medida que las reacciones
de polimerización se llevan a cabo. Además el flujo generado por el agitador
debe mejorar la transferencia de calor en la reacción. Para esto se considero
usar un agitador axial.
Sistema de control: Se creo un lazo de control cerrado para el flujo de vapor en
la chaqueta. Se utilizo una termocupla, un serpentín, un controlador con dos
salidas, una válvula On/Off para el agua y una válvula proporcional para el
vapor.
A partir de estas consideraciones se continuó con el proceso de diseño haciendo la
correspondiente ingeniería detallada. Se hicieron los planos del condensador y del
reactor y se procedió a hacer el montaje del sistema. Se hicieron las respectivas
cotizaciones de cada uno de más partes del sistema incluyendo racores y tuberías. Por
ultimo se comparo la evaluación económica con el costo de un equipo similar de Parr
Instrument Company .
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OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
Diseñar un sistema de reacción tipo Batch homogéneo para el Laboratorio
con base a reacciones de polimerización de tipo biodegradable, especialmente
poliésteres alifáticos.
OBJETIVOS ESPECIFICOS
Realizar los planos del reactor
Realizar los planos del condensador
Diseño del sistema de agitación
Diseño del sistema de intercambio de calor
Diseño del el sistema de control
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JUSTIFICACION
Los polímeros biodegradables constituyen una de las alternativas de mayor crecimiento
dentro de la industria de los polímeros. Grandes empresas como Cargill-Dow, Mitsui
entre otras comercializan este tipo de polímeros e invierten grandes sumas de dinero
en Investigación y desarrollo1. Las principales aplicaciones de estos polímeros se
encuentran en el área biomédica, como suturas y en el área de empaques como
material fácilmente biodegradables.
En lo personal, considero relevante que el laboratorio de Ingeniería Química adquiera
un reactor Batch homogéneo multipropósito ya que el laboratorio no posee equipos
de amplio rango similares. Además, luego de la ruptura del reactor Batch en el que se
hacían pruebas de polimerizaciones de pequeña escala se hace urgente suplir a este
equipo con uno de más amplio rango y de mayor operabilidad.
Este equipo que inicialmente esta diseñado para polímeros de tipo biodegradable,
puede ser usado para otro tipo de sistemas de reacción que cumplan con los rangos de
operación del equipo presentado. Su versatilidad, propia de sistemas Batch, es una
ventaja propia del equipo y permite acoplar otro tipo se sistemas y accesorios de
acuerdo a las necesidades del experimentador y del sistema a montar.
1 Tomado de http://www.industryweek.com/CurrentArticles/asp/articles.asp?ArticleID=944 el dia 15 de diciembre de 2003
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Este proyecto es una oportunidad de generar conocimiento dentro de la universidad y
de crear una tecnología propia. Permite que los estudiantes del departamento de
Ingeniería Química se familiaricen con procesos de reacción comunes pero difíciles
de realizar en estos momentos por falta de infraestructura
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INTRODUCCION
Proceso de diseño
En el diseño de un reactor, según Seader2 se llevan a cabo varios pasos los cuales se
deben seguir sistemáticamente: Primero, es necesario conocer sobre las reacciones
involucradas con el diseño, es decir, que reactivos y productos van a ser usados por el
reactor a diseñar. En pocas palabras, es necesario conocer los métodos de reacción que
se van a dar dentro del reactor.
Una vez conocidos los métodos de reacción, el siguiente paso es, conocer cuales son las
condiciones de reacción. Variables como las temperaturas y presiones de operación,
compatibilidades químicas de materiales, catalizadores, inhibidores, solventes, calores
y flujos son necesarias para evaluar cuales son las restricciones del sistema.
Luego de conocer estas variables, el diseño de partes y de equipos debe ser
consecuente con las variables encontradas y por sobretodo deben basarse en
estándares que conoce el mercado. Este es el caso de las tuberías, las cuales solo vienen
en ciertas referencias. En conclusión, debemos tornar nuestro proceso de diseño a
abarcar estas referencias.
Por ultimo luego del que el diseño esta hecho con base a las condiciones de los métodos
de reacción, es necesario hacer un costro preliminar del proyecto de diseño. Esta etapa
es clave en la determinación de la factibilidad del diseño en términos de presupuesto. 2 SEIDER. W SEADER JD. Process design principles: synthesis analysis and evaluation.New York : John Wiley & Sons, 1999.
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1. REVISION BIBLIOGRAFICA
1.1 ANALISIS SISTEMAS BATCH
Un sistema Batch se define, según Fogler3, como un reactor que no tiene flujo de
entrada ni flujo de salida:
Fj0 = Fj = 0 para cualquier especie j en la reacción,
Así de esta forma el balance molar para cualquier especie es:
dVrdtdNV
jj ∫=/
Si el reactor es ideal, la mezcla de reactivos es perfecta a lo largo del volumen de
reacción podemos sacar a rj de la integral y escribir el balance molar de la siguiente
forma:
VrdtdN jj =/
Es decir que la tasa de aparición o desaparición de reactivos o productos en
términos molares esta dada por la velocidad de reacción y el volumen del reactor. En
este tipo de reactores, entre más tiempo un reactante se encuentre en el reactor, mas
reactante se puede convertir a producto hasta que se llegue al equilibrio u el reactivo
3 FOGLER, Scott elements of chemical reaction engineering. Prentice Hall.1999. pag8
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se agote. Por lo tanto en este tipo de reactores la conversión es función del tiempo.
Para un reactivo A, el número de moles en un tiempo t y una conversión X se
relaciona con el número de moles de A originales de la siguiente manera4:
)1( XNN AOA −=
Teniendo en cuenta la ecuación anterior y la ecuación de balance molar podemos
llegar a la ecuación de diseño de un reactor Batch de forma diferencial
VrdtdXN AAO −=/
La anterior reacción es particularmente útil para entender la dinámica en un reactor
Batch. Ahora el tiempo (t) necesario para alcanzar una conversión X determinada se
puede conseguir arreglando la anterior ecuación de forma integral:
)/()(
0
VrdXNttX
AAO ∫ −=
Las reacciones de tipo Batch se hacer regularmente en reactores agitados, los cuales
son mas flexibles que otro tipo de reactores. Las ventajas de un sistema Batch, según
Race5 se enumeran a continuación:
4 FOGLER, Scott elements of chemical reaction engineering. Prentice Hall.1999. pag35 5 RASE, H. chemical reaction design for process plants. New york. John wiley and sons.1977
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1. La adición o remoción de producto o de alimentación puede ser controlada en el
tiempo.
2. La temperatura puede ser controlada (en términos de tiempo) como una función
del tiempo de contacto con más facilidad que en un reactor continuo.
3. El tiempo de contacto puede variar en rangos más amplios que para un reactor
tubular de un largo fijo.
Además de las ventajas enunciadas anteriormente, los reactores Batch son atractivos
para el desarrollo de productos que requieren muchas pruebas o cuando se quiere
producir pequeñas cantidades. Además este último factor hace que la inversión sea
menor que un reactor continuo, el cual requiere mas cantidad de reactivos para su
operación6.
Para el caso de la reacciones de polimerización a las que se refiere en este escrito, el
reactor Batch es una excelente alternativa, ya que tiene un bajo costo de operación y se
ajusta a cambios en cuanto a variables del proceso.
6 RASE, H. chemical reaction design for process plants. New york. John wiley and sons.1977.. pag 555
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1.2 CINETICA REACCIONES DE POLIMERIZACION
1.2.1 Polimerización por condensación
Las reacciones de polimerización ocurren por una variedad de mecanismos complejos
por lo que las variables más importantes a tener en cuenta en la cinética de este tipo de
reacciones son, por ejemplo: la tasa de desaparición del monómero, el grado de
polimerizacion y la distribución de pesos moleculares.7
Las reacciones de polimerización se dividen en dos grupos: las polimerizaciones por
condensación (step reactions) y polimerizaciones por adición (chain reactions) .Las
reacciones de polimerización por condensación básicamente se muestran a
continuación8:
Mi + Mi-m Mn +H2O
Mm + Mi M i+m +H2O
La polimerización por condensación requiere que al menos haya un grupo funcional
del monómero que reaccione como los grupos funcionales de otros monómeros.
En el desarrollo de la reacción, es importante conocer el grado de polimerización
existente y la cantidad de mero que ha reaccionado. En el caso donde la constante de
velocidad de reacción sea independiente del tamaño del polímero, la fracción en peso
7 RASE, H. chemical reaction design for process plants. New york. John wiley and sons.1977. pag175 8 MARK.H ,BIKALES. N Enclyclopedia of polymer science ad enginnnering. New York : John Wiley & Sons, c1985. 2a. ed. vol5 pag 112
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de un mero dado en el tiempo se puede calcular utilizando la tasa de desaparición de
los grupos funcionales de un tipo, por ejemplo, en el caso de reactores Batch:
[ ] [ ] 2
11
2//⎭⎬⎫
⎩⎨⎧
=− ∑∑∞
=
∞
= ii
MikdtMid
Donde k es la constante de velocidad para cierta reacción de polimerización y Mi es la
concentración de los meros i involucrados en la creación del polímero. Utilizando la
ecuación anterior se puede obtener una relación entre el grado de polimerización
(llamado Θp) y el tiempo. De esta forma la fracción en peso promedio del mero se
puede calcular de la siguiente manera:
( ) 121 −ΘΘ−= mnmm ppnW
Donde Θp se puede obtener de la siguiente ecuación:
[ ]tMokpp 2/)1/( =Θ−Θ
Las anteriores ecuaciones permiten conocer la fracción de mero que reacciona, si
embargo otros parámetros como la distribución del peso molecular se puede obtener a
partir de datos de fracción en peso para varios largos de cadena, temperaturas y
tiempos de contacto.
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En las reacciones de polimerización por adición no hay producción de agua pero se
necesita un iniciador para comenzar la polimerización. Aunque hay variado material
bibliográfico acerca de este tipo de reacciones, no se considero esencial enfatizar en
este tipo de reacciones ya que las reacciones de los polímeros a los que se va a hacer
referencia no tienen este comportamiento.
1.2.2 Poliésteres
Los poliésteres se utilizan ampliamente como fibras, plásticos y recubrimientos. Se
obtienen a partir de la policondensación de uno o varios glicoles sobre uno o varios
diácidos. Su síntesis incluyen varios métodos como la esterificación directa,
transesterificacion, acidolisis y la esterificación de esteres cíclicos9. La primera y la
última son las más utilizadas. Poseen una elevada impermeabilidad a los gases y son
poco sensibles a los disolventes10 . Los poliésteres derivados de las lactonas y láctidos
poseen una alta biodegrabilidad y tienen aplicaciones biomédicas.
1.2.2.1 Síntesis
Los poliésteres se pueden sintetizar a partir de de muchos tipos de reacciones pero las
mas importantes son la polimerización por condensación y la polimerización por
9 FRIED,J. Polymer science and technology.Upper saddle river NJ.prentice Hall.1995 pag 339 10 Tomado de http://www.quimica.urv.es/w3qo/docencia/polimers/pdf/46.pdf el dia 7 de diciembre de 2003
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apertura de anillo de los esteres cíclicos11. Sin embargo, ambos tipo de reacciones
están directamente relacionadas como se muestra a continuación:
Figura 1. Polimerización poliésteres alifáticos
La auto condensación puede ocurrir tanto bimolecularmente con es el caso de la
primera reacción (a) o unimolecularmente como en la segunda así formando un éster
cíclico (b). En cada paso de la reacción la polimerización puede ir por cualquier
camino ya sea formando un poliéster lineal o un oligoéster cíclico. El camino e
representa la polimerización por apertura de anillo a poliéster lineal.
El camino por el cual la polimerización se lleva a cabo depende tanto como del mero
como de la condiciones de reacción, como lo son la disponibilidad de un catalizador, la
temperatura y la presión. Sin embargo, la polimerización por apertura de anillo
produce poliésteres de mayor peso molecular, en especial cuando hay polimerización
de varios oligómeros cíclicos.
11 MARK. H, BIKALES, N. Enclycolpedia of polymer science ad engineering.New York : John Wiley & Sons, c1985. 2a. e. vol5 pag 112
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En le caso de la esterificación directa, la temperatura de reacción debe ser superior a los
150C para la iniciación de la reacción y evitar la degradación térmica durante la
polimerización. En la polimerización por apertura de anillo, la mayoría de lactonas
(esteres de acidos hidroxicarboxilicos) y de esteres cíclicos (esteres de de dioles con
acidos dicarboxilicos) polimerizan cuando son calentados en la presencia de in
iniciador, como por ejemplo ácidos protónicos o de Lewis, aminas y fosfinas.
Existen varios tipos de polimerizaciones dependiendo del iniciador, entre ellas
encontramos la polimerización cationica, anionica y por coordinación. La primera
ocurre por la presencia de un ion acilo y la ruptura del enlace acil-oxigeno. La segunda
se refiere al ataque nucleofilo al grupo carbonilo seguido de una ruptura acil-oxigeno y
la tercera se refiere a la adición de metaloporfirinas para la ruptura del enlace acil-
oxigeno12
12 Tomado de http://www.quimica.urv.es/w3qo/docencia/polimers/pdf/tema7/polilactona.pdf el dia 25 de Noviembre de 2003
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2. DISEÑO DE UN REACTOR PARA POLIMEROS BIODEGRADABLES
2.1 Métodos de producción Polímeros Biodegradables
Los métodos de producción de polímeros biodegradables que fueron consultados son
producto de métodos patentados de Estados Unidos. Sin embargo no significan que
sean los únicos, ya que estos corresponden a patentes no vencidas. Se considero que
estos desarrollos son los mas recientes por lo que se baso el diseño en estos métodos.
2.1.1 Ácido Poliláctico13
El ácido poliláctico se puede encontrar en varias formas o estereoisomeros. Dos
compuestos isotacticos , el ácido poli(D)láctico y el poli(L)láctico , el sindiotactico
D,L copolímero y las diferentes mezclas entre el los dos polímeros nombrados
anteriormente. En general el método mas común de producir el ácido láctico vía
laboratorio se consigue a través de la polimerización del ácido láctico por destilación
azeotrópica usando el benceno como agente para separar al agua, usando oxido de Zinc
como catalizador. Sin embargo para obtener polímeros con buenas propiedades solo se
puede lograr a través la apertura del anillo láctido. De esta forma el anillo láctido se
convierte en polímero a través de una catálisis con un ácido de Lewis a 150ºC (cloruro
de estaño por ejemplo) produce polímeros de alto peso molecular.
13 Tomado de www.uspto.gov con el numero de patente US5574129 el dia 20 de Noviembre de 2003
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Patentes como las US4463168 o la US4464526 o US5470944 describen el método para
producir ácido poliláctico de alto peso molecular (25,00a 70000). De acuerdo a la
patente numero US5574129, la polimerización del ácido láctico (D,L ;L ;D) se puede
llevar a cabo en un reactor Batch con reflujo de los subproductos y al eliminación de
agua. El ácido láctico se calienta a una temperatura de entre 125 y 175 C y la reacción
se mantiene a un vacío de entre 1 y 10 mm Hg. Se usan catalizadores derivados el
estaño.
2.1.2 Ácido Poliglicólico14
La polimerización del anillo glicólico ( US6150497) se lleva a cabo a través de rampas
de calentamiento que comienzan a los 115 ºC y terminan a los 235ºC en un vacío de 40
a 90 mmHg. Se utiliza un iniciador como lauril alcohol o dietilen-glicol y como
catalizador octoato de estaño.
2.1.3 Policaprolactona15
De acuerdo a la patente número US 6156910, la polimerización de la ε-caprolactona se
hace con una amina a una temperatura de 90 a 160 ºC y se utilizan como catalizadores
compuestos de estaño.
14 Tomado de www.uspto.gov con el numero de patente US6150497 el día 20 de Noviembre de 2003 15 Tomado de www.uspto.gov con el numero de patente US6156910 el día 20 de Noviembre de 2003
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2.1.4 Poli-p-dioxanona16
De acuerdo a la patente numero US6448367, la polimerización de la p-dioxanona de
lleva a cabo a una temperatura de 85-105 ºC y se utiliza como catalizador compuestos
de estaño y como solvente algún alcohol alifático.
2.1.5 Otros polímeros
Estos abarcan polímeros como el PES ( polyethylene succinate) , el PEA (polyethilene
adipate) y el PBS(polybutylene succinate) los cuales se producen por polimerización
por condensación de un diol alifático y un ácido carboxílico .La temperatura de
reacción varia ente los 120-280ºC y se necesitan entre 0.1-10mmHg de vacio17. Como
catalizadores de estas especies se tienen compuestos de titanio, germanio y antimonio.
2.2 DISEÑO DEL SISTEMA DE REACCION
El diseño del sistema de reacción se hizo teniendo en cuenta las condiciones de síntesis
de ciertos polímeros. Sin embargo, la idea es elaborar un reactor multipropósito para el
Laboratorio de Ingeniería química de la Universidad de los Andes de amplio espectro
que pueda ser utilizado para otras aplicaciones. El sistema consta esencialmente de un
reactor, un condensador y varios accesorios que permiten varias condiciones de
reacción.
16 Tomado de www.uspto.gov con el numero de patente US6448367 el día 20 de noviembre de 2003 17 Tomado de www.uspto.gov con el numero de patente US6166169 el día 20 de Noviembre de 2003
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2.2.1 Reactor
El reactor es la pieza de donde se desprende todo el diseño. Por lo tanto se tomaran en
cuanta todas las variables de acuerdo a prioridades establecidas bajo los siguientes
parámetros.
2.2.1.1 Parámetros
El reactor tipo “batch” se diseño teniendo en cuenta los siguientes parámetros:
• Aplicación: el reactor debe ser usado para hacer pruebas principalmente. Su
función principal es como instrumento útil en la fabricación y en pruebas de
mejoramiento de material polimérico biodegradable.
• Personal de uso: las personas relacionadas con el reactor son estudiantes y por
lo tanto este debe ser resistente al uso continuado.
• Precio: aunque se requiere un material poco costoso, es importante que sea
duradero para evitar mas gastos a corto y largo plazo
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2.2.1.2 Volumen
De acuerdo con los anteriores parámetros y con las pruebas realizadas por Sandra
Vargas,18 en los cuales no se usaba un volumen de reacción de mas de 400mL se
considero que le volumen apropiado para el reactor era de no mas de 1000 mL. Un
reactor de más de ese volumen podría ser inconveniente para pruebas que involucren
menos cantidad de reactivo debido a que el impeler utilizado podría no ser útil o que el
producto se quede adherido a las paredes del reactor.
En el mercado colombiano es posible conseguir tubería SS316 de 4 pulgadas de
diámetro interior y de ¼ de pulgada de espesor. De acuerdo a estos datos el reactor
será diseñado con 4 pulgadas de diámetro interior y 13 cms de altura, para lograr un
volumen de un litro.
2.2.1.3 Materiales de construcción
Se evaluaron distintos materiales que se consideraron adecuados para el diseño. Su
compatibilidad química con ciertos materiales se puede ver en el Anexo 1.
18 VARGAS E, sandra J. Síntesis y caracterización de polímetros biodegradables preparados a base de ácido lactico.pag 44
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2.2.1.3.1 Pyrex
Los vidrios de borosilicato (como el Pyrex), poseen buena estabilidad química y
dimensional. 19 El Pyrex es usado para material de laboratorio y es recomendado en
polimerizaciones a presión atmosférica y en vacío bajo ciertas precauciones, como el
fondo redondo. Sin embargo este nunca debe ser usado en polimerizaciones que
requieran presión20. A continuación ciertas características térmicas del Pyrex
Tabla 1. Características del Pyrex 774021
Calor especifico(cal/g-ºC) 0.18
Densidad (a 20ºC, 2.23 g/cm3) 2.23
Conductividad térmica(W/m-K) 1.1
Temperatura máxima de uso(ºC) 490
En el anexo 1 se da información acerca de las compatibilidades químicas de diferentes
materiales.
2.2.1.3.2 Acero Inoxidable 304
El acero inoxidable 304 es el más usado de los aceros inoxidables. Su composición
química permite unas buenas propiedades mecánicas y de resistencia a la corrosión
19 ASKELAND,D The science and engineering of materials, 3ed.PWS publishing Cmpany.1994 pag448 20 MARK.H ,BIKALES. N Enclyclopedia of polymer science ad enginnnering.New York : John Wiley & Sons, c1985. 2a. ed. Vol 12 pg548 21Tomado de http://65.108.128.37/pub/prodsvc/corning-pyrex-properties.php el día 5 de Enero de 2004
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proveen un buen desempeño a un bajo costo22. Como principales usos tenemos tanques,
containers, equipos de proceso y arquitectura.
Aunque es el más disponible actualmente en el mercado colombiano, tiene se problemas
de corrosión con el ácido sulfúrico, el cual puede ser un solvente en ciertas
polimerizaciones23 y no se utiliza para vasijas de reacción. A continuación, algunas de
las propiedades de este acero inoxidable:
Tabla 2. Características del SS30424
Calor especifico(J/kg-K) 477
Densidad (a 20ºC, kg/m3) 7900
Conductividad térmica(W/m-K) 14.9
Temperatura máxima de uso(ºC)
Intermitente 850
Continuo 925
La corrosión es una variable critica en la escogencia del material, a continuación se
muestra la resistencia del material a varios ácidos fuertes lo cuales pueden ser usados
en el proceso. No es recomendable usarlo para ácido sulfúrico en soluciones de menos
de 80% wt en temperaturas de 20 a 80 ºC, al igual que para el ácido nítrico en
concentraciones de alrededor de 80% en peso al igual que para el ácido fosfórico puro25.
Si la temperatura sube a un valor alrededor de 80ºC, éstos ácidos tienden a incrementar
22 Tomado de http://www.vrnsteel.co.za/ss304.html el día 23 de Diciembre de 2003 23 Entrevista dada por Danilo Zuluaga, Gerente de Diseños Biotecnológicos Ldta 24 INCROPERA ,F. Fundamentos de transferencia de calor. Prentice hall México. 4 ed .1999 Pág. 827 25 Tomado de http://www.vrnsteel.co.za/ss304.html el día 5 de enero de 2004
IQ-2003-II
29
su capacidad corrosiva por lo que es recomendable no usarlos con este tipo de acero.
Para observar la resistencia química del material es recomendable ver al anexo 1
2.2.1.3.3 Acero Inoxidable 316/316L
El acero inoxidable 316 es recomendable cuando se requiere más resistencia a la
corrosión que el acero 304. Tiene las mismas propiedades mecánicas y físicas del acero
304 pero su resistencia a la corrosión es mejor.26 El elemento que da esta mejor
característica es el molibdeno el cual le da al acero una mejor resistencia a la
corrosión de punto. Las aplicaciones típicas del acero inoxidable 316 son equipos de
fabricación de comidas, equipo de laboratorio, containers químicos, intercambiadores de
calor entre otros27
Este tipo de acero es muy útil cuando se trabajan compuestos orgánicos y a
temperaturas moderadas es atacado por muy pocos ácidos28. Sin embargo posee una
alta resistencia a materiales cáusticos, amoniaco y varios ácidos orgánicos. Ácidos
fuertes como el sulfuroso, nítrico y fosfórico pueden usados a temperaturas y presiones
moderadas al igual que ácido clorhídrico, fluorhídrico y cloro gaseoso
26 Tomado de http://www.assda.asn.au/316.html el día 10 de enero de 2004 27 Tomado de http://www.azom.com/details.asp?articleID=863 el dia 5 de nero de2044 28 Tomado del catalogo en linea de www.Parrinst,com chapter 1.pdf el dia 15 de Octubre de 2004
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30
Tabla 3.Características del SS31629
Calor especifico(J/kg-K) 468
Densidad (a 20ºC, kg/m3) 8238
Conductividad térmica(W/m-K) 13.4
Temperatura máxima de uso(ºC)
Intermitente 870
Continuo 925
2.2.1.3.4 Otros materiales
Dentro de esta categoría tenemos los aceros al carbón y aleaciones nuevas como
Carpenter 20, Monel 40, Iconel 600, Hastelloy B-3, Hastelloy C-276, Hastelloy C-2000.
Estas aleaciones están especialmente diseñadas para suplir ciertas diferencias del
SS316, como es el caso del Carpenter 20 el cual es un acero inoxidable enriquecido, el
cual provee una gran resistencia al ácido sulfúrico a altas temperaturas30. Sin embargo
su precio y su poca disponibilidad los hacen difíciles de conseguir. En cuanto al acero
el carbón, este es corroído fácilmente por sustancias orgánicas, por lo que no es
recomendable para sistemas de amplio rango
29 INCROPERA ,F. Fundamentos de transferencia de calor. Prentice hall México. 4 ed .1999 Pág. 827 30 Tomado del catalogo en linea de www.Parrinst,com ; Chapter1.pdf el día 15 de Octubre de 2004
IQ-2003-II
31
2.2.1.3.5 Análisis
Aunque le vidrio es un excelente material para realizar polimerizaciones a condiciones
normales y de vacío, además de ser un material pedagógico por excelencia, tiene la
desventaja de acumular esfuerzos térmicos y mecánicos que a la larga producen el
desgaste del material. Además nunca pueden ser usados bajo presión, lo que disminuye
su rango de operación.
El acero inoxidable es una buena opción para suplir las deficiencias del vidrio, ya que
puede ser usado a un rango más amplio de presiones y temperaturas que el vidrio
además de no ser tan sensible a esfuerzos de tipo mecánico y térmico. La limitante en
este tipo de material es la resistencia a ciertos reactivos químicos. El acero inoxidable
304 es especialmente sensible a ácidos orgánicos mientras que el acero al carbón lo es
a una gama más amplia de reactivos.
En cuanto a las aleaciones especiales, su desventaja radica en su alto precio y su
excesiva especialización. En conclusión el material mas conveniente es el acero
inoxidable 316 ya que es el que tiene una gama mas amplia de operación, en cuanto a
presiones, temperaturas y reactivos. Una desventaja del SS316 es su alto precio lo cual
es compensado por su alta flexibilidad.
IQ-2003-II
32
2.2.1.4 Limites de temperatura y presión
Los requerimientos de temperatura y presión del reactor para producir ciertos
polímeros biodegradables se muestran a continuación:
Tabla 4.Condiciones necesarias
para el sistema de reacción
Temperatura (ºC) 15-280
Vacío(mmHg) 0-100
Presión(bar) 5
Viscosidad(cP) 1-7000
Agitación(rpm) 150-300
Aunque generalmente la temperatura y la presión máxima a la cual un reactor puede
operar esta dada por los materiales de construcción y por el diseño del reactor, en este
caso hay otras variables que determinan estas consideraciones.
2.2.1.5 Sistema de sello
El sistema de sellos del reactor consiste en dos partes de acuerdo a los lugares donde
hay mas posibilidad de fugas: el sistema de sellado del eje del agitador y el sello entre
la tapa y el reactor. Para el primero se utilizara un sello de tipo 21 mecánico
IQ-2003-II
33
suministrado por John Crane Colombia S.A y un O-ring de Viton suministrado por
Ciel Ltda.
2.2.1.5.1 O-Ring Tapa-Reactor
El O-ring que se encuentra entre la tapa del reactor y el cuerpo del reactor es una
variable importante en el diseño ya que es una limitante en la temperatura de operación
del reactor. A continuación se puede observar una relación entre los v materiales de O-
rings más comunes y su desempeño en ciertas características:
Tabla 5.Características materiales O-ring31
Material Buna-N
( Nitrilo)
Vitón Silicona Teflón Kalrez
Color Negro Negro Rojo Blanco Negro
Resistencia al calor Justa Excelente Excelente buena Excelente
Resistencia química Justa Excelente Buena Excelente Excelente
Resitencia al
rasgado
Justa Buena Pobre Excelente Buena
Mínima Temp(ºC) -54 -54 -85 -79 -37
Máxima Temp(ºC) 150 205 232 260 288
De acuerdo a la tabla anterior, el Vitón, el Teflón y el Kalrez son los materiales
adecuados para el sello entre el cuerpo del reactor y la tapa, Sin embargo, según
recomendaciones de Ciel Ltda, el o-ring de Vitón es el mas adecuado en cuanto a
31 Tomado de http://www.sisweb.com/catalog/?page=F58 el dia 10 de Diciembre de 2003
IQ-2003-II
34
precio y propiedades, ya que aunque el teflón posee mayor resistencia química a varios
compuestos , el Vitón y el teflón tienen rangos de temperatura mas o menos similares.
De acuerdo a costos, la decisión mas justa es escoger un sello de Viton. El Kalrez es un
material más costoso, pero puede ser una opción si el presupuesto lo permite.
Tabla 5.Compatibilidad química de ciertos O-rings32
Material Recomendado
para:
No recomendado para:
Buna-N
( Nitrilo)
Aceites
Agua
Grasas
Ácidos fuertes
Compuestos Halogenados
Ozono
Viton Vacío
Ácidos
Aceites
Grasas
Lubricantes
Acetona
Amoniaco
Etil Acetato
Silicona Calor seco
Intermperie
Amplio rango
Ácidos
Aceites de silicona
Teflón Resistencia
química
Combustibles
No elástico
Kalrez Altas
temperaturas
Alta resistencia
química
Metales en estado fluido
32Tomado de http://www.marcorubber.com/materialguide.htm el dia 10 de diciembre de 2003
IQ-2003-II
35
2.2.1.5.2.1 Sello mecánico del agitador.
El sello mecánico permite que el eje del agitador ruede libremente en la tapa sin que
haya escapes de material desde el cuerpo del reactor hacia el exterior. Se escogió un
sello tipo 21 de elastómero, marca John Crane de 3/8 de pulgada, el cual tiene una
resistencia aceptable a un muy buen precio. Consta de varias partes que permiten que
haya un buen sellado. Los elementos secundarios del sello esta hechos de
Fluoroelastomero (Vitón), el anillo primario de grafito y el resto de las partes están
hechos de acero inoxidable 316, como lo son el resorte, el retenedor y más
accesorios.(Ver el plano del sello, anexo 2).
2.2.1.6 Accesorios
El reactor posee conexiones para diferentes tipos de accesorios. En especial tiene 8
conexiones en la tapa , una conexión en la chaqueta , una trampa de vapor y un
descargue.
IQ-2003-II
36
Figura 2.Ensamble del reactor
El reactor posee un aislamiento térmico el cual se explicara en le numeral 2.2.1.6.3.
Además el reactor cuanta con dos bombas peristálticas de cargue o descargue de
material y de una alimentación de nitrógeno a través de una tubería de Acero inoxidable
316.
2.2.1.6.1 Chaqueta
Para calcular la capacidad máxima de la chaqueta fue necesario hacer un cálculo de la
carga de calentamiento que podía ofrecer el equipo.
IQ-2003-II
37
2.2.1.6.1.1 Calculo de la carga térmica necesaria
El reactor tiene un sistema de calentamiento a base de vapor de agua. Este vapor entra
al reactor para hacer el calentamiento necesario a través de una chaqueta. El vapor
requerido es proporcionado por un generador de vapor que posee las siguientes
especificaciones:
Tabla 6.Especificaciones
Generador de Vapor
Modelo U-07602-00 Cole Parmer
Fases Tres
Caudal de salida 27 lb/h
Capacidad eléctrica 9KW
Rango de presiones 0-90 psi
Si la presión de entrada del vapor saturado a la chaqueta es la máxima (90 psi) , la
temperatura de entrada a la chaqueta es de 160.15ºC ya que el vapor es saturado. La
energía disponible de la condensación de este vapor será entonces la encargada de
calentar el recipiente para que la reacción endotérmica tome lugar. La entalpía de
vaporización es:
kgkJh fg /66.2079= 33
l flujo de vapor del generador es de 27lb/h es decir alrededor de 12.247 Kg de vapor
por hora. Multiplicando por el dato anterior se obtiene una carga térmica de 25469KJ
por hora es decir aproximadamente 425 KJ por minuto.
33 SONNTAG R. Fundamentas of thermodynamics.5 ed 1998. pag668
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38
Sin embargo las condiciones anteriores son máximas. Para conocer las condiciones
normales de operación es necesario conocer los requerimientos energéticos dentro del
reactor. Debido a que en la literatura consultada no se hallo ningún dato referente a
energía de activación de reacciones de polimerización para los polímeros
anteriormente descritos, fue necesario utilizar al poliestireno como referente de diseño.
La polimerización del estireno es endotérmica. La energía de activación por mol de
estireno34 es:
molKJEa /3.29=
Para el caso típico en el que solo se utilizan 400mL de monómero en el reactor, esto
equivale a tener 34.79 mol de estireno en le reactor. Es decir que la carga térmica
necesaria para la polimerización del estireno es de 1019.373 KJ en aproximadamente
un minuto ya que esta polimerización es instantánea. Este valor puede ser alcanzado en
aproximadamente tres minutos de operación de la chaqueta del reactor
Como el calor generado por el vapor es altamente superior al requerido por la
reacción de polimerización de estireno se hace necesario instalar un sistema de control
que regule el flujo de vapor a la chaqueta tomando como referencia la temperatura de
la reacción. Para esto se hace necesaria la incorporación de una termocupla en el
reactor que haga parte del sistema de control (ver sección 2.2.4).
34 MARK, H, BIKALES, Nt. Encyclopedia of polymer sciance and enginnering. 1989.John Wiley and sons, Vol 16 pag 25
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39
2.2.1.6.1.2 Diseño de la chaqueta
Para diseñar la chaqueta fue necesario saber cuales son las referencias disponibles en
el mercado para tubería SS304. Se uso tubería de acero inoxidable de 4 ¼ para la
chaqueta que hace parte del ensamble del reactor.( ver Anexo 4 )
2.2.1.6.2 Orificios
El reactor constara de 8 orificios disponibles de 1/4 in rosca NPT para aplicaciones
varias. Tres de ellos serán usados para carga y descarga de material. Dos para
alimentación y uno para descarga. A continuación se listara los posibles usos de los
orificios.
Tabla 7.Usos de los orificios de la tapa del reactor
Descripción Numero de
orificios
Tipo de
conexión/racor
Carga
/Descarga/Muestreo2 Enchufe rápido
Termocupla 1 Rosca Hembra
¼ NPT
Bomba de vacío 1 Enchufe Rápido
Alimentación N2 1 ¼ Macho O.D
Condensador 1 ¼ Macho O.D
Esterilización 1 Enchufe Rápido
Serpentín 1 Rosca ¼ NPT
Total 8
A continuación se presenta una figura de la tapa del reactor con los orificios:
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40
Figura 3. Disposición de los orificios
2.2.1.6.3 Aislamiento
Fue necesario usar una capa aislante de fibra de vidrio, la cual va colocada alrededor
del cuerpo con zunchos. El espesor de esa capa se calculo con el software ECOWIN de
Fiberglass Colombia S.A:
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41
Figura 4 .Interfase software Ecowin
El espesor recomendado es de 2.5 pulgadas de espesor, por lo que se necesitaran
alrededor de 3 laminas de lana de fibra de vidrio, cada una de 1 pulgada de espesor,
según dimisiones suministradas por Sanitarias e Hidráulicas Ltda. (Ver anexo 10).
2.2.2 Condensador
El condensador se considera necesario para los métodos en que se requiere el reflujo
de monómeros y oligómeros, como es el caso del método de producción del ácido
IQ-2003-II
42
poliláctico. La idea en el anterior método es condensar la mayor cantidad de
monómero y oligómero evaporado para devolverlo al reactor para que de esta forma
contribuya a la síntesis del polímero al mismo tiempo que evacuar la mayor cantidad
de agua producida en la policondensación . Para esto se usara un condensador de tipo
vertical. La eliminación de agua de la reacción permite que el equilibrio químico entre
los reactivos y productos de traslade hacia los productos, acelerando la producción de
polímero.
2.2.2.1 Determinación del área de intercambio de calor
El calculo de la cantidad de monómero y oligómero que se debe condensar es difícil de
conocer y requeriría pruebas experimentales adicionales. Se conoce que el monómero
ácido láctico se evapora a 123ºC a 1 atm35. Sin embargo, no fue posible hallar un dato
para el calor de evaporación del monómero (ácido láctico) como de alguno de sus
oligómeros en la literatura que se consultó.
De esta forma el diseño se hizo tomando en cuanta la cantidad de agua que se evapora
en una corrida de síntesis de ácido poliláctico. Para esto fue necesario recurrir a los
datos obtenidos por Sandra Vargas en su proyecto de grado para optar por el titulo de
Ingeniera química. Estos datos estimados se muestran a continuación:
35 Tomado de http://www.astrochemicals.com/6125.pdf el día 10 de Diciembre de 2003
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43
Tabla 8.Caudales de vapor estimados 36
Nº expermiento Valor promedio
estimado
Experimento 2 5 g/h
Experimento 3 10g/h
Experimento 4 10g/h
Experimento 5 5 g/h
Experimento 6 5 g/h
Experimento 7 10g/h
Experimento 8 5 g/h
Experimento 9 10g/h
A partir de estos datos se determino un caudal máximo y mínimo de evaporación de
agua con los cuales se procedió a hacer une estimación del área de intercambio de calor
para condensar el agua evaporada. De la misma forma se recurrió a medir los caudales
máximos y mínimos de agua fría para la cámara de extracción de gases del Citec Estos
datos preliminares se muestran a continuación:
Tabla 9.Caudales de agua obtenidos para el diseño
Fluido frío Fluido caliente
Mínimo Máximo Mínimo Máximo
Temperatura media 15 110
Caudal(kg/s) 0,0033
0,3333
6,94E-07
1,38E-06
36 VARGAS E ,S J. Síntesis y caracterizaron de polímeros biodegradables a base de ácido lactico. Pags 63-74
IQ-2003-II
44
Se supondrá que el agua fría se calienta 1ºC durante su paso por el condensador y que
el vapor de agua que se quiere enfriar no cambia su temperatura a lo largo del proceso
de condensación. Las propiedades se valuaran entonces la temperatura media.
Tabla10. Propiedades de los fluidos a la temperatura media
Fluido frío Fluido caliente
Entrada Salida Entrada Salida
Temperatura (ºC) 15 16 110 110
Temperatura media 15.5 110
µ (N*s/m2) 0,001422 1,25E-05
Cp((J/Kg*k) 4198 2,08E+03
K(W/m*k) 0,582 2,58E-02
Para el cálculo del diámetro equivalente se hizo necesario escoger una geometría
sencilla por lo que se escogió un diseño de dos tubos concéntricos, las características se
dan a continuación:
Tabla 11. Datos tubería Swagelok para condensador 37
Lado frío Lado caliente
Φ int Φ ext Φ int Φ ext
Tubería(in) 0.917 1 0.215 0.25
Material SS316 SS316
37 Tomado de www.swagelok.com tubing.pdf el dia 20 de Diciembre de 2003
IQ-2003-II
45
Se escogió acero inoxidable 316, ya que la presencia de solventes corrosivos y volátiles
pueden afectar tubería en acero inoxidable 304. Para el cálculo del diámetro
equivalente del lado del anulo se utilizo la siguiente ecuación38:
)/())(4/(4/4 ioioteq DDDDPAD πππ +−==
Donde At es el área de la sección transversal y P el perímetro mojado. Desarrollando
esta ecuación se puede llegar que el diámetro equivalente es la diferencia entre
diámetros. A partir de los caudales máximo y mínimo se calcularon los respectivos
coeficientes de película para ambos lados del condensador. Se utilizo la relación de
Sieder y Tate39 para calcular el coeficiente de película si el número de Reynolds era
mayor que 10000 (turbulento completamente desarrollado) y en número de Prandtl
variara entre 0.7 y 16,700.
14.03/15/4 )/(PrRe027.0/ SDD KhDNu µµ==
38 INCROPERA., F .Fundamentos de transferencia de calor..Prentice hall mexico1999 .Pág. 449 39 INCROPERA., F .Fundamentos de transferencia de calor. Prentice hall mexico1999 Pág. 445
IQ-2003-II
46
Para flujo laminar se tiene que el numero de Nusselt es constante con un valor de 4.36
para un flujo de calor constante, como el que se asumirá en el condensador. A
continuación se muestran los valores de los números adimensionales y los respectivos
valores de los coeficientes de película para caudales máximo y mínimo para ambos
lados del condensador.
Tabla 12.Calculo del coeficiente de película
Lado frío Lado caliente
Mínimo Máximo Mínimo máximo
Caudal(kg/s) 0,0033
0,3333
6,94E-07
1,38E-06
Numero Reynolds 402,7575317
70467,4722
4,46E+01 89,1867697
Numero Prandtl
10,25696907
10,2569691
1,006945736
1,006945736
Coef de película
(W/m2K) 1,50E+02
9710,9299
14,87055118
1,77E+01
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47
Luego para calcular los coeficientes de película para ambos lados del condensador, es
necesario calcular el coeficiente global de transferencia de calor de la siguiente
forma40:
)/1//1/1/((1 10 FklhhU +++=
Donde h0 y h1 son los coeficientes de película para e lado frío y caliente del
condensador, l es el espesor de la tubería, K la conductividad térmica del acero
inoxidable 316 y F el coeficiente de ensuciamiento debido al uso. A continuación se
muestran los valores de cada una de estas variables para el caudal máximo y mínimo.
40 RODRIGUEZ J. Apuntes de clase Operaciones unitarias, 1 semestre 2002 con el profesor Oscar Álvarez, Universidad de los Andes 41 Tomado de www.modeladoeningenieria.edu.ar/matacad.htm : Introducción a la termodinámica, jorge Rodríguez el dia 15 de noviembre de 2003
Tabla 13.Datos necesarios para el cálculo de el coeficiente global
Mínimo Máximo
Lado
Frío
Lado
Caliente
Lado frío Lado
Caliente
Coef de pelicula 1,50E+02
14,87055118
9710,9299
1,77E+01
Espesor tubería (in) 0.035
K(W/m*k)
15.2
F (W/m2 K)41 432.68
Coef Global U 13,48937785
17,6173195
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48
Ahora para conocer el área de intercambio de calor, es necesario conocer cual es la
carga térmica a partir de los datos con los que se elaboro del diseño. Esta carga térmica
responde a la energía necesaria para condensar el vapor generado por la polimerización.
La entalpía de vaporización hfg del agua a 385 K(110ºC) a 1.5 bar es de 2225 KJ/Kg,
dato por el cual se calculo el área de intercambio de calor según la siguiente
ecuación42:
fgWhUALMTDQ ==
Donde U es el coeficiente global de transferencia de calor, A es el área, LMTD es la
diferencia logarítmica de temperatura en flujo en contracorriente y W es el flujo
másico de agua. A continuación se presenta los valores de área para los caudales
mínimo y máximo.
Tabla 14. Área de intercambio de calor para caudales máximo y
mínimo
Mínimo Máximo
Caudal de vapor (Kg/s) 6,94E-07
1,38E-06
Carga térmica (KJ/Kg) 2225 2225
Coeficiente global 13,48937785
17,6173195
LMTD 96,34913509
96,34913509
Área(cm2) 11,88851974
18,20580421
42 INCROPERA., F .Fundamentos de transferencia de calor..Prentice hall mexico1999 .Pág. 846
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49
Sin embargo para propósitos de diseño el área de intercambio de calor se
sobredimensionara un 50%. Se tomara el dato de caudal máximo para hacer el diseño
ya que es el mayor y sobre este valor se hará el sobredimensionamiento. Es decir que el
área sobre la cual se hará el diseño es de 27.308 cm2
2.2.2.2 Diseño
Figura 5. Detalle del condensador
Como se ve en la figura 4 el condensador consta de dos tubos concéntricos. El tubo
exterior tiene conexiones laterales a ¼ NPT
2.2.3 Sistema de agitación
El sistema de agitación fundamentalmente consta de un motor y un eje de agitación. El
eje de agitación posee un impeler el cual se detallará a continuación:
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50
2.2.3.1 Impeler
La escogencia del impeler es un aspecto muy importante en este tipo de
polimerizaciones. Un impeler axial mejorara en proceso de transferencia de calor por lo
que lo recomendado para este tipo de aplicaciones homogéneas es un impeler de flujo
axial43. En la figura se ve un impeler axial:
Figura 6. Impeler axial
La relación entre el ancho de las hélices y el diámetro del impeler tiene la siguiente
relación44:
º455/1 aDW =
Este impeler esta recomendado para viscosidades medias y bajas en donde hay
necesidad de hacer esfuerzos en el fluido. En el caso de los polímeros biodegradables a 43OLDSHUE ,J. Fluid mixing, technology and practice. Chemical Enginnering. June 13 1983 Pag 88 44 OLDSHUE ,J. Fluid mixing technology and practice. Chemical Enginnering , junio 13 1983.pag 84
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51
los que se hace referencia, que poseen una viscosidad de máximo 7000 cP, es
importante generar esfuerzos que se traduzcan en mejor mezclado y transferencia de
calor al igual que generan un flujo que permite que las mezcla no se estanque en le
reactor45.
El impeler a utilizar tiene 1.5 pulgadas de diámetro que equivalen a 0.3 pulgadas de
ancho de cada hélice a 45 º.
2.2.3.2 Motor
Se utilizará un motor General Purpose de marca Lightnin, ideal para reactores
pequeños, de velocidad variable de 90-1600 rpm. Su potencia es de 1/15 hp y puede
generar un torque de hasta 47.12 pulgadas-libra. Este valor se calculo usando la
relación46:
2.2.4 Sistema de control
Se utilizara un control de lazo cerrado en la alimentación de vapor saturado a la
chaqueta del reactor. Además se utilizara un serpentín para enfriamiento si es
necesario. En la siguiente figura se puede observar el lazo de control a utilizar.
45Tomado de www.uspto.gov con el numero de patente US6150497 el día 20 de Diciembre de 2003 46 Tomado de www.maquimsa.com/html/Nuevo/troemner1.pdf el día 20 de Diciembre de 2003
63625/*rpmtorqueHp =
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52
Figura 7. Lazo de control
Este lazo de control consta de una válvula de control eléctrica que regula el flujo de
vapor al reactor y una válvula On/Off, que regula el flujo de agua de enfriamiento en el
serpentín. Ambas válvulas están conectadas a un controlador de dos vías, el cual esta
conectado a una termocupla tipo K.
2.2.5 Sistema de vacío
Una bomba de vacío es necesaria para las aplicaciones que necesitan remover
volátiles. En le mercado se evaluó la posibilidad de una bomba que generara presión al
igual que vacío. La máxima presión que puede generar es de 18 psi y el vacío máximo
es de alrededor de 20 pulgadas de mercurio o 508 milímetros de mercurio. Sin embargo
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53
en lo que concierne con los referentes de diseño se considero importante un equipo que
pueda generar el vacío necesario en la polimerización (ver anexos)
2.3 Montaje Final
En las figuras siguientes se puede ver el montaje del sistema de reacción. Los cubos
corresponden al generador de vacío, a dos bombas de cargue y descargue y al
generador de vacío según su tamaño
Figura 8. Montaje del equipo
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54
Figura 9. Disposición Final
Figura 10. Detalle de las conexiones a la tapa
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55
2.4 FICHA TECNICA
Rangos de temperatura 15ºC-200 ºC
Rangos de presión 0-10 bar(145psi)
Vacío 0 - 25inHg vacío
Agitación 90-1600 rpm
Viscosidades 1000-20000 cP
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56
3. COSTEO
En le anexo 14 se muestra con detalle el costo de cada una de las partes del sistema
de reacción. Esta evaluación genera un costo total de 27`377635 pesos a Diciembre de
2003-Enero de 2004.
Además de esta evaluación se cotizo un equipo similar a Parr Instrument Company,
específicamente a Equilab Cientifica, representantes de la marca en Caracas,
Venezuela. El precio ofrecido en el anexo 9 es del equipo puesto en Bogota, el cual
estriba en aproximadamente 69´286250 pesos.
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57
ANEXOS
Anexo 1. Listado de compatibilidad química de diferentes materiales
Anexo 2. Plano del sello mecánico
Anexo 3. Isométrico Brida
Anexo 4. Isométrico Cuerpo Reactor
Anexo 5. Isométrico Tapa del reactor
Anexo 6. Parte interior condensador
Anexo 7. Parte exterior condensador
Anexo 8. Detalle del Impeler
Anexo 9. Respuesta cotización Parr Instrument Company
Anexo 10. Cotizaciones Anexo11. Especificaciones Bomba de vacío Vaccum/Pressure Station A-07059-40 Anexo12. Especificaciones Steam Generator U-07602-00 Anexo 13. Especificaciones Bombas Anexo 14. Costeo
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BIBLIOGRAFIA
LIBROS Y ARTICULOS
ASKELAND,D The science and engineering of materials, 3ed.PWS publishing Cmpany.1994 FOGLER, Scott. Elements of chemical reaction engineering. Prentice Hall.1999. FRIED,J. Polymer science and technology. Upper saddle river NJ.prentice Hall.1995 INCROPERA ,F. Fundamentos de transferencia de calor. Prentice hall México. 4 ed .1999 MARK.H ,BIKALES. N . Enclyclopedia of polymer science ad engineering. New York: John Wiley & Sons, c1985. 2a. Ed.
OLDSHUE ,J. Fluid mixing, technology and practice. Chemical Engineering. June 13 1983
RASE, H. Chemical reaction design for process plants. New York. John Wiley and sons.1977
SEIDER. W SEADER JD. Process design principles: synthesis analysis and evaluation. New York : John Wiley & Sons, 1999. SONNTAG R. Fundamentals of thermodynamics.5 ed John Wiley and sons.1998. 1 VARGAS E, S J. Síntesis y caracterización de polímetros biodegradables preparados a base de ácido láctico.
PAGINAS WEB RELACIONADAS http://www.industryweek.com/CurrentArticles/asp/articles.asp?ArticleID=944 http://www.quimica.urv.es/w3qo/docencia/polimers/pdf/46.pdf http://www.quimica.urv.es/w3qo/docencia/polimers/pdf/tema7/polilactona.pdf www.uspto.gov
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59
http://65.108.128.37/pub/prodsvc/corning-pyrex-properties.php http://www.vrnsteel.co.za/ss304.html http://www.assda.asn.au/316.html http://www.azom.com/details.asp?articleID=863 www.parrinst,com http://www.sisweb.com/catalog/?page=F58 http://www.astrochemicals.com/6125.pdf www.swagelok.com www.modeladoeningenieria.edu.ar/matacad.htm www.maquimsa.com/html/Nuevo/troemner1.pdf
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Anexo 1. Listado de compatibilidad química de diferentes materiales
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Anexo 2. Plano del sello mecánico
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Anexo 3. Isométrico Brida
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Anexo 4. Isométrico Cuerpo Reactor
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Anexo 5. Isométrico Tapa del reactor
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Anexo 6. Parte interior condensador
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Anexo 7. Parte exterior condensador
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Anexo 8. Detalle del Impeler
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Anexo 9. Respuesta cotización Parr Instrument Company
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Anexo 10. Cotizaciones
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Hernan Escobar Posada Cra. 11A No. 93-94 Of. 201 , Bogota, D.C., N/A Colombia
Phone: 011-571-6219711 Fax: 011-571-6219860 [email protected]
Quote Form
Attention: Felipe Muñoz Date: 12/18/2003
Univesidad de los Andes Bgta Bogota, Colombia
Fax: 332-4330
Project Name: Univesidad Andes Quote Number: 349E-0080 Comments: Please add U$120 to place the mixer FCA Miami.
Item No
Product Description Quantity Price Each
Mixer General Purpose
Model G2S05R 1 $1,550.00
Details:
Motor: Electric Motor, 1/15 HP Machine: Output Speed: 90 - 1600 RPM Mounting Option: 2 inch ANSI Flange Sealing Option: Mechanical Seal - 25 psig Shaft: Dimensions (inches): 3/8 x 24 Impeller(s): Single 2.0", A200
Shipment In: 1 Week After Receipt of OrderPayment Terms: Net 30 Days Delivery Terms: Quote Expiration Date: 01/17/2004
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Anexo11. Especificaciones Bomba de vacío Vaccum/Pressure Station A-07059-40
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Anexo12. Especificaciones Steam Generator U-07602-00
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Anexo 13. Especificaciones Bombas
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Anexo 14. Costeo Descripcion Nombre Empresa/Contacto numero piezas Us/unidad Pesos/unidad Total Cuerpo de reactor Danilo Zuluaga 1 5800000 5800000 O-Ring Viton Ciel 3 6540 19620 Agitador mecanico G2S05-R Lightnin 1 1550 4262500 4262500 Sello mecanico Tipo21 John Crane 1 20000 20000 Controlador de temperatura Rodriguez y urbina 1 246 676500 676500 Union Termopar Rodriguez y urbina 1 52 143000 143000 Manometro Rodriguez y urbina 1 240000 240000 Generador de vacio Vacuum/Pressure Station Coleparmer 1 540* 1485000 1485000 Generador de vapor Steam generator Coleparmer 1 2700* 7425000 7425000 Bomba Masterflex C/L Coleparmer 2 447* 1229250 2458500 Tapon macho inoxidable(1/4 in NPTM) Swagelok 4 15390 61560 valvula de aguja(1/4 in OD) Swagelok 1 522485 522485 Tubo 20 ft (1/4in) Swagelok 1 111800 111800 Base enchufe rapido., 1/4 NPT macho Swagelok 4 141515 566060 Conector macho, 1/4" O.D. - 1/4" NPTM Swagelok 2 29465 58930 Te hembra recta, 1/4"" O.D. - 1/4" NPTH - 1/4" O.D.
Swagelok 1 95985 95985
Manguera flexible Swagelok, 1/4" O.D. - 1/4-18 macho, 30 cm. de longitud
Swagelok 1 382295 382295
Valvula de bola de 1 pieza inoxidable, 1/4" O.D., modelo en ángulo
Swagelok 1 306270 306270
Valvula de bola de 1 pieza inoxidable, 1/4" O.D.
Swagelok 1 290000 290000 Valvula On/OFF
Swagelok 1 216630 216630 Valvula de control Steamcontrol 1 796 2189000 2189000 Aislamiento térmico Sanitarias e hidraulicas 3 15500 46500 * Datos Tomados de Coleparmer.com Datos sin impuestos Total 27377635