Diseño de un sistema de reacción batch para polimeros biodegradables

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(1)IQ-2003-II. 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.. 1.

(2) IQ-2003-II. 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.. 2.

(3) IQ-2003-II. 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. 3.

(4) IQ-2003-II. 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. 4.

(5) IQ-2003-II. 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. 5.

(6) IQ-2003-II. 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. 6.

(7) IQ-2003-II. 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 7.

(8) IQ-2003-II. 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 . 8.

(9) IQ-2003-II. 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. 9.

(10) IQ-2003-II. 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.. Tomado de http://www.industryweek.com/CurrentArticles/asp/articles.asp?ArticleID=944 el dia 15 de diciembre de 2003. 1. 10.

(11) IQ-2003-II. Este proyecto es una oportunidad de generar conocimiento dentro de la universidad y de crear una tecnología propia. Permite que Ingeniería Química. los estudiantes del departamento de. se familiaricen con procesos de reacción comunes pero difíciles. de realizar en estos momentos por falta de infraestructura. 11.

(12) IQ-2003-II. 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 consecuente con. las variables encontradas y. y de equipos debe. por sobretodo. ser. 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.. 12.

(13) IQ-2003-II. 1. REVISION BIBLIOGRAFICA. 1.1 ANALISIS SISTEMAS BATCH. Un sistema Batch se define, según Fogler 3, 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:. dN j / dt = ∫ r j dV V. 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: dN j / dt = r jV. 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. 14.

(14) IQ-2003-II. 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:. N A = N AO (1 − X ). 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. N AO dX / dt = −rAV. 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:. X (t ). t = N AO. ∫ dX /( −r V ) A. 0. 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 5. FOGLER, Scott elements of chemical reaction engineering. Prentice Hall.1999. pag35 RASE, H. chemical reaction design for process plants. New york. John wiley and sons.1977. 15.

(15) IQ-2003-II. 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. 16.

(16) IQ-2003-II. 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 Æ Mn +H2O Mm + Mi Æ 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 MARK.H ,BIKALES. N Enclyclopedia of polymer science ad enginnnering. New York : John Wiley & Sons, c1985. 2a. ed. vol5 pag 112 8. 17.

(17) IQ-2003-II. 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:. ∞ ⎧∞ ⎫ − d ∑ [Mi ] / dt = k / 2⎨∑ [Mi ]⎬ 2 i =1 ⎩ i =1 ⎭. 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:. Wm = n m (1 − Θp ) Θp nm −1 2. Donde Θp se puede obtener de la siguiente ecuación:. Θp /(1 − Θp ) = k / 2[Mo ]t. 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.. 18.

(18) IQ-2003-II. 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 Tomado de http://www.quimica.urv.es/w3qo/docencia/polimers/pdf/46.pdf el dia 7 de diciembre de 2003 10. 19.

(19) IQ-2003-II. 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. 20.

(20) IQ-2003-II. 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 aciloxigeno12. 12. Tomado de http://www.quimica.urv.es/w3qo/docencia/polimers/pdf/tema7/polilactona.pdf el dia 25 de Noviembre de 2003. 21.

(21) IQ-2003-II. 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. 22.

(22) IQ-2003-II. 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 15. Tomado de www.uspto.gov con el numero de patente US6150497 el día 20 de Noviembre de 2003 Tomado de www.uspto.gov con el numero de patente US6156910 el día 20 de Noviembre de 2003. 23.

(23) IQ-2003-II. 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 17. Tomado de www.uspto.gov con el numero de patente US6448367 el día 20 de noviembre de 2003 Tomado de www.uspto.gov con el numero de patente US6166169 el día 20 de Noviembre de 2003. 24.

(24) IQ-2003-II. 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. 25.

(25) IQ-2003-II. 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. 26.

(26) IQ-2003-II. 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 MARK.H ,BIKALES. N Enclyclopedia of polymer science ad enginnnering.New York : John Wiley & Sons, c1985. 2a. ed. Vol 12 pg548 21 Tomado de http://65.108.128.37/pub/prodsvc/corning-pyrex-properties.php el día 5 de Enero de 2004 20. 27.

(27) IQ-2003-II. 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 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 23. 28.

(28) IQ-2003-II. 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 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 27. 29.

(29) IQ-2003-II. 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 30. INCROPERA ,F. Fundamentos de transferencia de calor. Prentice hall México. 4 ed .1999 Pág. 827 Tomado del catalogo en linea de www.Parrinst,com ; Chapter1.pdf el día 15 de Octubre de 2004. 30.

(30) IQ-2003-II. 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.. 31.

(31) IQ-2003-II. 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 32.

(32) IQ-2003-II. 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 Orings más comunes y su desempeño en ciertas características:. Tabla 5.Características materiales O-ring31 Buna-N. Material. Vitón. Silicona. Teflón. Kalrez. ( Nitrilo). Color. Negro. Negro. Rojo. Blanco. Negro. Resistencia al calor. Justa. Excelente. Excelente. buena. Excelente. Resistencia química Justa. Excelente. Buena. Excelente. Excelente. Resitencia. Buena. Pobre. Excelente. Buena. al Justa. rasgado 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. 33.

(33) IQ-2003-II. 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. No recomendado para:. para: Buna-N. Aceites. Ácidos fuertes. ( Nitrilo). Agua. Compuestos Halogenados. Grasas. Ozono. Vacío. Acetona. Ácidos. Amoniaco. Aceites. Etil Acetato. Viton. Grasas Lubricantes Silicona. Calor seco. Ácidos. Intermperie. Aceites de silicona. Amplio rango Teflón. Resistencia. No elástico. química Combustibles Kalrez. Altas. Metales en estado fluido. temperaturas Alta. resistencia. química. 32. Tomado de http://www.marcorubber.com/materialguide.htm el dia 10 de diciembre de 2003. 34.

(34) IQ-2003-II. 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.. 35.

(35) IQ-2003-II. 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.. 36.

(36) IQ-2003-II. 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:. h fg = 2079.66kJ / kg 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. 37.

(37) IQ-2003-II. 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: Ea = 29.3 KJ / mol. 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. 38.

(38) IQ-2003-II. 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. Carga /Descarga/Muestreo. Numero de. Tipo. de. orificios. conexión/racor. 2. Enchufe rápido Rosca Hembra. Termocupla. 1. 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. ¼ NPT. A continuación se presenta una figura de la tapa del reactor con los orificios: 39.

(39) IQ-2003-II. 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:. 40.

(40) IQ-2003-II. 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 41.

(41) IQ-2003-II. 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. 42.

(42) IQ-2003-II. 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 Mínimo Temperatura media. 15. Caudal(kg/s). 0,0033. Fluido caliente Máximo. Mínimo. Máximo. 110 0,3333. 36. 6,94E-07. 1,38E-06. VARGAS E ,S J. Síntesis y caracterizaron de polímeros biodegradables a base de ácido lactico. Pags 63-74. 43.

(43) IQ-2003-II. 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. Temperatura (ºC). Fluido caliente. Entrada. Salida. Entrada. Salida. 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. 37. Lado caliente. Φ int. Φ ext. Φ int. Φ ext. Tubería(in). 0.917. 1. 0.215. 0.25. Material. SS316. SS316. Tomado de www.swagelok.com tubing.pdf el dia 20 de Diciembre de 2003. 44.

(44) IQ-2003-II. 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:. D eq = 4 A t / P = 4 (π / 4 )( D o − D i ) /( π D o + π D i ). 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.. Nu D = hD / K = 0.027 Re D. 38 39. 4/5. Pr 1 / 3 (µ / µ S ) 0.14. INCROPERA., F .Fundamentos de transferencia de calor..Prentice hall mexico1999 .Pág. 449 INCROPERA., F .Fundamentos de transferencia de calor. Prentice hall mexico1999 Pág. 445. 45.

(45) IQ-2003-II. 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. 10,25696907. 10,2569691. 1,006945736. 1,006945736. 9710,9299. 14,87055118. 1,77E+01. Numero Prandtl. Coef de película 1,50E+02 2. (W/m K). 46.

(46) IQ-2003-II. 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:. U = 1 /((1 / h0 + 1 / h1 + l / k + 1 / F ). 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.. Tabla 13.Datos necesarios para el cálculo de el coeficiente global. Mínimo. Máximo. Lado. Lado. Frío. Caliente. Coef de pelicula. 1,50E+02. 14,87055118. Espesor tubería (in). 0.035. Lado frío. Lado Caliente. 9710,9299. 1,77E+01. K(W/m*k) 15.2. F (W/m2 K)41. 432.68. Coef Global U. 13,48937785. 40. 17,6173195. 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. 47.

(47) IQ-2003-II. 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:. Q = UALMTD = Wh fg. 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. 42. 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. INCROPERA., F .Fundamentos de transferencia de calor..Prentice hall mexico1999 .Pág. 846. 48.

(48) IQ-2003-II. 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:. 49.

(49) IQ-2003-II. 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:. W = 1 / 5D. Este impeler esta recomendado para. a 45º. viscosidades medias y bajas en donde hay. necesidad de hacer esfuerzos en el fluido. En el caso de los polímeros biodegradables a 43. OLDSHUE ,J. Fluid mixing, technology and practice. Chemical Enginnering. June 13 1983 Pag 88 OLDSHUE ,J. Fluid mixing technology and practice. Chemical Enginnering , junio 13 1983.pag 84. 44. 50.

(50) IQ-2003-II. 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: Hp = torque * rpm / 63625 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.. 45. Tomado de www.uspto.gov con el numero de patente US6150497 el día 20 de Diciembre de 2003 Tomado de www.maquimsa.com/html/Nuevo/troemner1.pdf el día 20 de Diciembre de 2003. 46. 51.

(51) IQ-2003-II. 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. 52.

(52) IQ-2003-II. 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. 53.

(53) IQ-2003-II. Figura 9. Disposición Final. Figura 10. Detalle de las conexiones a la tapa. 54.

(54) IQ-2003-II. 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. 55.

(55) IQ-2003-II. 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.. 56.

(56) IQ-2003-II. 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. 57.

(57) IQ-2003-II. BIBLIOGRAFIA. LIBROS Y ARTICULOS. ASKELAND,D Cmpany.1994. The science and engineering of materials, 3ed.PWS publishing. 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 58.

(58) IQ-2003-II. 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. 59.

(59) IQ-2003-II. Anexo 1. Listado de compatibilidad química de diferentes materiales. 60.

(60) IQ-2003-II. 61.

(61) IQ-2003-II. Anexo 2. Plano del sello mecánico. 62.

(62) IQ-2003-II. Anexo 3. Isométrico Brida. 63.

(63) IQ-2003-II. Anexo 4. Isométrico Cuerpo Reactor. 64.

(64) IQ-2003-II. Anexo 5. Isométrico Tapa del reactor. 65.

(65) IQ-2003-II. Anexo 6. Parte interior condensador. 66.

(66) IQ-2003-II. Anexo 7. Parte exterior condensador. 67.

(67) IQ-2003-II. Anexo 8. Detalle del Impeler. 68.

(68) IQ-2003-II. Anexo 9. Respuesta cotización Parr Instrument Company. 69.

(69) IQ-2003-II. Anexo 10. Cotizaciones. 70.

(70) IQ-2003-II. 71.

(71) IQ-2003-II. 72.

(72) IQ-2003-II. 73.

(73) IQ-2003-II. 74.

(74) IQ-2003-II. 75.

(75) IQ-2003-II. 76.

(76) IQ-2003-II. 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. Project Name:. 332-4330. Fax:. Quote Number: 349E-0080. Univesidad Andes. Comments: Please add U$120 to place the mixer FCA Miami.. Item No Mixer. Details:. Product General Purpose. Description. Quantity. Model G2S05R. 1. Price Each $1,550.00. Motor:. Electric Motor, 1/15 HP. Machine:. Output Speed: Mounting Option: Sealing Option:. 90 - 1600 RPM 2 inch ANSI Flange Mechanical Seal - 25 psig. Shaft:. Dimensions (inches):. 3/8 x 24. Impeller(s):. Single 2.0", A200. Shipment In: Payment Terms: Delivery Terms: Quote Expiration Date:. 1 Week After Receipt of Order Net 30 Days 01/17/2004. 77.

(77) IQ-2003-II. Anexo11. Especificaciones Bomba de vacío Vaccum/Pressure Station A-07059-40. 78.

(78) IQ-2003-II. Anexo12. Especificaciones Steam Generator U-07602-00. 79.

(79) IQ-2003-II. Anexo 13. Especificaciones Bombas. 80.

(80) IQ-2003-II. Anexo 14. Costeo Descripcion Cuerpo de reactor O-Ring Viton Agitador mecanico Sello mecanico Controlador de temperatura Union Termopar Manometro Generador de vacio Generador de vapor Bomba Tapon macho inoxidable(1/4 in NPTM) valvula de aguja(1/4 in OD) Tubo 20 ft (1/4in). Nombre G2S05-R Tipo21. Vacuum/Pressure Station Steam generator Masterflex C/L. Base enchufe rapido., 1/4 NPT macho Conector macho, 1/4" O.D. - 1/4" NPTM Te hembra recta, 1/4"" O.D. - 1/4" NPTH 1/4" O.D. Manguera flexible Swagelok, 1/4" O.D. 1/4-18 macho, 30 cm. de longitud Valvula de bola de 1 pieza inoxidable, 1/4" O.D., modelo en ángulo Valvula de bola de 1 pieza inoxidable, 1/4" O.D.. Empresa/Contacto Danilo Zuluaga Ciel Lightnin John Crane Rodriguez y urbina Rodriguez y urbina Rodriguez y urbina Coleparmer Coleparmer Coleparmer Swagelok Swagelok Swagelok Swagelok Swagelok. numero piezas Us/unidad Pesos/unidad Total 1 5800000 5800000 3 6540 19620 1 1550 4262500 4262500 1 20000 20000 1 246 676500 676500 1 52 143000 143000 1 240000 240000 1 540* 1485000 1485000 1 2700* 7425000 7425000 2 447* 1229250 2458500 4 15390 61560 1 522485 522485 1 111800 111800 4 141515 566060 2 29465 58930. Swagelok. 1. 95985. 95985. Swagelok. 1. 382295. 382295. Swagelok. 1. 306270. 306270. Swagelok. 1. 290000. 290000. Swagelok Steamcontrol Sanitarias e hidraulicas. 1 1 3. 216630 2189000 15500. 216630 2189000 46500. Valvula On/OFF Valvula de control Aislamiento térmico. * Datos Tomados de Coleparmer.com. Datos sin impuestos. 796 Total. 81. 27377635.

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