OBTENCION DE NYLON 6 A PARTIR DE ɛ-CAPROLACTAMA 1. RESUMEN EJECUTIVO: El nylon 6 es apropiado para la fabricación de piezas técnicas que soportan grandes esfuerzos gracias a sus propiedades térmicas. Pueden ser empleados en la fabricación de aparatos eléctricos que se someten a esfuerzos y temperaturas elevadas por periodos prolongados de tiempo. Tiene aplicación en los siguientes sectores: Consumo - Ruedas - Cerdas para cepillo - Cuerdas, mono filamentos y redes - Suelas de Zapato El 90% de la producción de nylon 6 en el mundo es en forma de fibras, tanto nylon textil como filamentos industriales, el 1 % restante es moldeado para producir figuras diversas. Asumiendo una inversión y un crédito crédito del banco la planta no llegara a dar frutos si no es hasta los 3 años de funcionamiento, pero pasado este tiempo se lograra cubrir todas las deudas del crédito incluyendo todos los impuestos, y a partir de ese momento será ganancia neta, tomando en cuenta que se deberá hacer mantenimiento a los equipos cada pocos años que también están contemplados dentro de los primeros 3 años .
2. ANTECEDENTES DEL PROYECTO: La caprolactama se puede producir a partir de tres materias primas hidrocarbonadas: ciclohexano, fenol, y tolueno. Aproximadamente el 68% de la producción producción mundial de caprolactama se se obtiene a partir de ciclohexano, 31% a partir de fenol, y 1% a partir de tolueno. Toda la producción basada en ciclohexano y en fenol procede de la formación de la oxima de la ciclohexanona. En el 94% de la producción de caprolactama basada en ciclohexano y en fenol, la formación de esta oxima requiere una etapa de oxidación de amoníaco. El nylon es un polímero artificial que pertenece al grupo de las poliamidas. Se genera por policondensación de un diácido con una diamina. El más conocido, el PA66, es por lo tanto el producto del ácido butandicarboxílico (ácido adipínico) y la hexametilendiamina. Por razones prácticas no se utiliza el ácido y la amina sino soluciones de la amina y del cloruro del diácido. En el límite entre las dos capas se forma el polímero que puede ser expandido para dar el hilo de nailon. El descubridor del nylon y quien lo patentó primeramente fue Wallace Hume Carothers. Los Laboratorios Du Pont, en 1938, produjeron esta fibra sintética fuerte y elástica, que reemplazaría en parte a la seda y el rayón. El nylon es una fibra textil elástica y resistente, no la ataca la polilla, no requiere
de planchado y se utiliza en la confección de medias, tejidos y telas de punto, también cerdas y sedales. El nailon moldeado se utiliza como material duro en la fabricación de diversos utensilios, como mangos de cepillos, peines, etc. Con este invento, se revolucionó en 1938 el mercado de las medias, con la fabricación de las medias de nailon. Las primeras partidas llegaron a Europa en 1945.
Nylon 6 y nylon 6,6, mostrando la dirección de los enlaces peptídicos, única diferencia estructural entre ellos. Los nylons también se llaman poliamidas, debido a los característicos grupos amida en la cadena principal. Las proteínas, tales como la seda a la cual el nylon reemplazó, también son poliamidas. Estos grupos amida son muy polares y pueden unirse entre sí mediante enlaces por puente de hidrógeno. Debido a esto y a que la cadena de nylon es tan regular y simétrica, los nylons son a menudo cristalinos, y forman excelentes fibras.
El nylon se llama nylon 6.6, porque cada unidad repetitiva de la cadena polimérica, tiene dos extensiones de átomos de carbono, cada una con una longitud de seis átomos de carbono. Otros Ot ros tipos de nylon pueden tener diversos números de átomos de carbono en estas extensiones. Los nylons se pueden sintetizar a partir de las diaminas y los cloruros de diácido. El nylon 6.6 se hace con los monómeros cloruros del adipoilo y hexametilén diamina.
Otra clase de nylon es el nylon 6. Es muy parecido al nylon 6.6, excepto que tiene sólo un tipo de cadena carbonada, de seis átomos de largo.
Se hace a partir del monómero caprolactama, por medio de una polimerización por apertura de anillo. Haga clic aquí para descubrir más sobre este tipo de polimerización. El nylon 6 no se comporta de manera diferente al nylon 6.6. La única razón por la que se fabrican los dos tipos, es porque DuPont patentó el nylon 6.6 y otras compañías tuvieron que inventar el nylon 6 para poder entrar en el negocio del nylon.
3. INTRODUCCION: Este método se utiliza en la industria para producir materiales de alto peso molecular para cuerdas de neumáticos y plásticos de ingeniería. El procedimiento utilizado en esta planta es un procedimiento mejorado para la obtención de NYLON 6 a partir de caprolactama caprolactama mediante la polimerización polimerización en masa fundida alta temperatura donde se genera por policondensación de un diácido con una diamina y la reacción es catalizada por acido. En este caso el proceso de producción de nylon 6 e realiza en fase f ase liquida en un reactor de paso tubo VK, previamente e funde la caprolactama en un fundidor a una temperatura por encima de los 280 ºC, que será calentado por aceite caliente que pasara por la chaqueta del fundidor. Esta materia prima fundida será mezclada con agua y con ácido benzoico para iniciar las rupturas de las cadenas de caprolactama para poder iniciar la polimerización y obtención del producto. Por cada 90 Kg de Caprolactama se usaran 10 Kg de Agua y 5 Kg de Nitrógeno. El nitrógeno se inyecta antes de la entrada al reactor, esto porque el Nitrógeno evita que la polimerización de l as moléculas carbonadas sigan creciendo, lo que sirve para controlar la polimerización de las moléculas dentro del reactor evitando así que el rendimiento de la reacción caiga. Dentro del reactor, las reacciones se llevaran a cabo a una temperatura de entre 250 y 280 ºC, ya que el flujo, tanto de la caprolactama y del producto resultante, Nylon, deben estar en forma líquida para poder facilitar las reacciones. A pesar de su amplia aplicación, muy poco se ha publicado sobre su mecanismo y la cinética, sorprendente también es que a temperaturas muy por debajo de la temperatura de fusión de la del polímero, se se obtienen todavía todavía bastante altas velocidades de reacción.
En una polimerización en masa fundida, la velocidad de r eacción depende de la concentración de grupos terminales amina y ácido en corriente continua:
=
En la polimerización en estado sólido (SSP), la difusión de la reaccionan grupos terminales deben ser entonces el proceso limitante la policondensación en el estado sólido que la fase cristalina tiene una gran influencia en la velocidad de difusión de los grupos terminales reactivos.
4. JUSTIFICACION: La planta de obtención de nylon traerá muchos beneficios económicos tanto para los propietarios como para toda la población. Se espera que para el tercer año se haya recuperado la inversión inicial ya que este es un producto de gran crecimiento a nivel mundial y la demanda de este está creciendo a gran velocidad sobre todo en la industria de los textiles. . Aportará grandes beneficios a nivel nacional ya que dejaríamos de importar este producto y se reducirían los costos de materia prima para la industria textil del país. Dara trabajo a muchos ingenieros, obreros, entre otros. Además que se pondrá en el mercado este producto para así arrancar y maximizar mucho más la además en la industria textil. El nylon también tiene numerosas aplicaciones en ingeniería, gracias a la gran resistencia que presenta este material a los agentes químicos, disolventes y de abrasión, aunado de gran dur eza y tenacidad que hacen de este material ideal para su uso en piezas que esta sometidas aun gran desgaste, por ejemplos rodamientos, engranajes, neumáticos, etc.
5. MERCADO Y CAPACIDAD DE LA PLANTA: 5.1. DECRIPCION DEL PRODUCTO: Es el más conocido y utilizado de los plásticos técnicos, otros nombres comerciales más comunes son: -
Nylon Grilon Ertalon Sustamid
El nylon 6 únicamente puede sintetizarse a partir de la caprolactama, este es el proceso de la obtención del nylon 6 a partir de la caprolactama:
En esta, el anillo de la caprolactama se rompe y forma oligomero
El oligomero reacciona con otra molécula de caprolactama.
El enlace entre el carbono y el nitrógeno e rompe, abriendo el anillo
El carboxilato en el extremo de la molécula roba el hidrogeno del alcohol, esto origina un nuevo grupo carbonilo en la mitad de la molécula y regenera el ácido carboxílico. Esta es la polimerización por crecimiento de la cadena. Un grupo de propiedades difíciles de medir cuantitativamente están asociadas a la estética, el estilo y el valor percibido. En indumentaria, pueden mencionarse la suavidad de los géneros, el movimiento, la reflexión de la luz y el confort. En alfombras, pueden incluirse la firmeza, el brillo y su grado de similitud con la felpa. El nylon 6 tiene como características principales: -
Alta resistencia mecánica, rigidez, dureza y tenacidad Buena resistencia a la fatiga Alto poder amortiguador Buenas propiedades de deslizamiento Resistencia sobresaliente al desgaste
Algunas propiedades son: -
Gravedad especifica 1.13 - 1.14 Módulo de Elasticidad (N/mm2): Plástico = 70 Fibra = 200 – 300
-
Resistencia a la Tensión: 6 – 7 Resistencia a la flexibilidad: 5 Resistencia a la compresión: >2 Resistencia al impacto (ft lbf / in): 3 - 4.5 Dureza (rockwell): R65 – R85 Fricción: 0.2 – 0.35
Las propiedades físicas más importantes son:
Este plástico es especialmente diseñado para fabricar piezas mecánicas tal como, ruedas, engranajes, descansos, polines, poleas y en general todo tipo de piezas mecánicas para alta carga. Desventajas significativas de tener humedad en el nylon. Cuando hace calor con una humedad relativa superior al 0.2% resultará la degradación hidrolítica y
una significante pérdida de propiedades físicas (La degradación de hidrolítica es una reacción química que ocurre a temperaturas altas con algunos polímeros en presencia de agua), para evitar la degradación hidrolítica es necesario una humedad inferior al 0.08%. Causa ataduras en las cadenas moleculares, al ser desunidas reducen el peso molecular. La humedad del nylon debe ser considerada en la fabricación durante el moldeo del nylon (al ser fundido el nylon, la humedad se evapora y el volumen del nylon disminuye). Aunque la humedad causa problemas trabajando con nylon, contribuye a: mejorar dureza, suavidad y una mayor flexibilidad. Las formas más comerciales del nylon 6 se dan en distintos tipos de fibras: - Nylon filamento textil - Nylon fibra Corta - Nylon filamento Industrial
5.2. DESCRIPCION DEL MERCADO: A nivel Latinoamérica los grandes consumidores de Nylon 6 son: Brasil, Argentina, Colombia y México. A nivel Mundial los más grandes productores de Nylon 6 son: Alemania, Estados Unidos, Japón, Argentina, Brasil, Colombia, España, Rusia y Holanda. Hasta el año 2007, las principales empresas productoras de nylon en el mundo eran:
En el año 2008 las grandes fábricas productoras de Caprolactama en el m undo tuvieron un receso en sus inversiones, lo cual afecto seriamente a las plantas productoras de nylon 6 en el mundo, por lo que algunas de las fábricas anteriormente mencionadas se vieron afectadas en su producción anual del producto.
En Brasil, más de 4 fábricas de Caprolactama se vieron afectadas por la baja en las ventas de dicho producto, derivando en su posterior cierre y/o solo abastecimiento al mercado local. Esto también ocurrió en Europa excepto en España. A pesar de estos inconvenientes y del aviso de cierre de varias plantas en Latinoamérica y en Europa, este mercado volvió a tomar fuerza con la demanda del Nylon para la textileria en el año 2013, lo cual hizo suponer que se avecinan nuevas oportunidades para este mercado. Un estudio de mercado propuso que la demanda del Nylon alcanzaría buenos resultados en los años venideros.
El fuerte crecimiento en la demanda de plásticos y fibras que se ha visto durante los últimos dos años fue sostenido, debido a la serie de problemas económicos en Asia, junto con un crecimiento explosivo en Corea y con un alto nivel de demanda continua en China, y se alentó aún más por la tangible recuperación económica de Europa occidental. Los mercados de Norteamérica mostraron un crecimiento ininterrumpido hasta muy avanzado el año 2000, no obstante una recesión amenaza actualmente cambiar este curso. Considerando las altas tasas de crecimiento que ha tenido el sector, dada la importancia de sus productos como materiales básicos para producir gran cantidad de bienes finales, la industria del plástico será una de las industrias globales principales en el futuro próximo. A nivel sud americano, el mayor productor y exportador de nylon 6 es Brasil; el cual desea abarcar el 10% del mercado nacional además del 10% de las exportaciones nacionales dirigidas al mercado de Norteamérica (E.U.A. y Canadá) debido a que la balanza comercial es deficitaria por ende el rubro de las exportaciones han sido menores en contraparte de las importaciones en los últimos años.
6. MATERIALES E INSUMOS: 6.1.
DESCRIPCION DE MATERIAS PRIMAS:
6.1.1. Ɛ-CAPROLACTAMA: El benceno que es el punto de partida para la obtención de las materias primas involucradas en la fabricación de Poliamidas. Las materias primas derivadas del benceno son: -Caprolactama Hexametilendiamina Ácido Adípico En este caso la materia prima de interés es el -Caprolactama, que es la materia prima de donde se obtiene el Nylon 6. La -Caprolactama se obtiene a partir de la Ciclohexanona-oxima. Su estructura condensada es la siguiente:
Estructura de -caprolactama
Sus propiedades físicas son las siguientes:
6.1.2. AGUA: El agua a utilizarse para este proceso será el agua potable de distribución por las redes de distribución, la cual no deberá tener demasiados solidos suspendidos, agua blanda, tampoco que esta no esté contaminada, ni que contenga algún otro tipo de compuesto que perjudique la reacción con la caprolactama. 6.1.3. NITROGENO:
El nitrógeno es un gas incoloro, inodoro, insípido e inerte por lo general (no reactivo). El nitrógeno se utiliza para conservar los alimentos envasados al detener la oxidación de los alimentos que hace que se estropeen. Las bombillas pueden contener nitrógeno como una alternativa más barata al argón. El gas nitrógeno se utiliza a menudo en la parte superior de los explosivos líquidos para evitar que se detonen. El nitrógeno se usa para producir muchas piezas eléctricas tales como transistores, diodos y circuitos integrados. Cuando se seca y se presuriza, el gas nitrógeno se usa como un gas dieléctrico para equipos de alta tensión. Se utiliza para la fabricación de acero inoxidable.
Se utiliza para reducir el riesgo de incendio en los sistemas militares de combustible de la aeronave. El gas nitrógeno se utiliza para rellenar los neumáticos de los aviones y los automóviles (coches). Sin embargo, los vehículos comerciales suelen usar aire normal.
Algunas propiedades físico-químicas del nitrógeno son: Estructura cristalina hexagonal Estado gaseoso Punto de fusión 63.14 K Punto de ebullición 77.35 K Calor de fusión 0.3604 kJ/mol Temperatura crítica 126,19 K Presión crítica 3.39 MPa Pa Electronegatividad 3,04 Calor específico 1040 J/(K·kg) Conductividad eléctrica __ 106S/m Conductividad térmica 0,02598 W/(K·m) La función del Nitrógeno en este proceso es la de evitar la oxidación de las moléculas reactivas dentro del reactor debido a la presencia de moléculas de agua, en si el nitrógeno no interviene en la reacción, simplemente es utilizado como agente antioxidante y así evitar reacciones no deseadas y evitar la corrosión del reactor.
6.1.4. ACIDO BENZOICO El ácido benzoico es un ácido carboxílico aromático que tiene un grupo carboxilo unido a un anillo fenílico. En condiciones normales se trata de un sólido incoloro con un ligero olor característico. Es poco soluble en agua fría pero tiene buena solubilidad en agua caliente o disolventes orgánicos. El ácido benzoico es un derivado común de la sustancia química llamada benceno. Contiene el ácido carboxílico como su componente principal y se conoce con diferentes nombres incluyendo el ácido carboxybenzeno carboxílico y ácido fenlyformico ; es conocido por ser químicamente débil en comparación con los otros ácidos. Este ácido se deriva de un árbol llamado árbol de benzoína que se encuentra en gran parte en el sudeste de Asia. Punto de inflamación (ºC): Temperatura de auto ignición (ºC): Límites de inflamabilidad (%V/V): Peligros de incendio y/o explosión:
121 574 N.R
Sólido inflamable, puede encender por calor, chispas o llamas, el polvo puede formar mezclas explosivas con el aire, el incendio produce gases tóxicos e irritantes. 7.
UBICACIÓN Y EMPLAZAMIENTO:
7.1. TAMAÑO DE PLANTA La planta no debe ser muy grande debido a que la producción es de 578.9 KG de nylon 6 por hora. Se estima que se necesita un terreno de aproximadamente 500m² para construir la planta, esto es para el almacenado, la distribución de equipos y para los vehículos necesarios para el traslado del producto.
7.2. TAMAÑO DE FINANCIAMIENTO El financiamiento de esta planta puede ser de dos modos Préstamo bancario Socio capitalista
7.3.
UBICACIÓN DE LA PLANTA
El principal productor de Caprolactama en Latinoamérica está en la Republica del Brasil, siendo este un importante productor mundial debido a que tiene varias fábricas productoras de caprolactama instaladas a los largo y ancho de su territorio. Por tal efecto es que se ve la necesidad de Localizar la planta productora de Nylon 6 en el parque industrial de la ciudad de Santa Cruz, debido a la proximidad con la Hermana República, y por qué este recinto ya ofrece todos los servicios básicos requeridos para el proyecto Santa Cruz es un lugar accesible ya que cuenta con una vía de alto tráfico y de buenas condiciones que nos permita transportar tanto nuestro producto como las materias primas requeridas. Además en esta ciudad se tiene una alta oferta de mano de obra, ya sea bruta, técnica y profesional. La única desventaja que se presenta al instalar nuestra planta productora de Nylon 6 en la ciudad de Santa Cruz, es que nuestro producto estará expuesto a la humedad del aire del medio, lo cual es perjudicial para la calidad del producto. Servicios con los que cuenta el parque industrial de la ciudad de Santa Cruz Zona Económica Parque Industrial De Santa Cruz Vías aptas para traslado SI Alumbrado SI Líneas Telefónicas SI Agua Potable SI
Drenaje Gas Energía Eléctrica con buena capacidad
Si SI SI
8. INGENIERIA DEL PROYECTO: 8.1.
DIAGRAMA DE FLUJO DEL PROCESO: 1
5
8
2
2
G-312
B-110
10
F-315
L-211
F-411
11
P-3
3
P-1
L-212
4
7
9
H-210
12 V-410
R-310
V-510
9 L-314
L-420
L-520 C-610
B-110
L-211
L-212
H-210
FUNDIDOR
BOMBA
BOMBA
MEZCLADOR
CENTRIFUGA CENTRIFUGA
L-314
R-310
F-315
BOMBA
REACTOR
TANQUE
CENTRIFUGA
TUBO VK
(H2O N2) DE DESECHO
F-411
V-510
G-312
L-520
TANQUE DE
SECADOR
COMPRESOR
BOMBA
DE LECHO
DE NITROGENO
ALMACENAMIENTO
CENTRIFUGA
C-610
13
V-410
EXTRUSOR EVAPORADOR
FLUIDIZADO
8.2.
INGENIERIA DEL PROYECTO:
El proceso industrial empezó a desarrollarse en los años 60`s, teniendo a lo largo de estos años modificaciones permitiendo un mayor rendimiento. La materia prima Caprolactama se recibe en un fundidor donde por una transferencia de calor el sólido se funde a una temperatura un poco mayor a su temperatura de fusión y se alimenta por medio de bombas dosificadoras. Por otra línea se alimenta agua, en una relación del 10% respecto a la masa de la caprolactama, a la misma temperatura, las líneas entran a un mezclador donde las dos corrientes son mezclados homogéneamente, al mismo mezclador añadimos el ácido acético o acido benzoico (agentes de terminación o control de la cadena), ya que en la reacción de formación de la poliamida se da un crecimiento sucesivo y constante que tiende a no detenerse. Antes de ingresar al reactor se añade una corriente de Nitrógeno, en una relación del 5.5% de la masa de agua que ingresa al reactor, este se añade en la reacción para evitar la oxidación de la mezcla y de los productos dentro del reactor.
2 → ɛ- Caprolactama
Agua
Nylon 6
El reactor debe ser un reactor cilíndrico de polimerización, el cual es conocido como tubo VK (continuo simplificado), deberá estar posicionado en sentido vertical, con una altura de más o menos 10 metros, a la misma ves deberá estar dotado de una chaqueta de calentamiento, ya que la reacción debe llevarse a cabo a unos 250- 290°C, que es la temperatura ligeramente por encima de la temperatura de fusión del nylon 6, circulando por la chaqueta del reactor aceite térmico, este reactor cuenta deberá contar con una pequeña columna empacada para la recirculación de la caprolactama que ha sido evaporada. Por el fondo del reactor sale la mezcla del nylon, subproductos y demás materia prima sin reaccionar, estas serán transportadas por una bomba hacia un evaporador, donde se separara los reactivos que no reaccionaron y separar el nylon 6.
Por la parte de abajo del evaporador se obtendrá el nylon fundido, y por la parte de arriba se obtendrán las sustancias extraíbles a recuperación (agua, caprolactama sin reaccionar). Todo lo que se obtenga por la parte de abajo del evaporador será bombeado hacia un secador de película descendente con lecho fluidizado, donde el nylon 6 estará con una humedad inicial del 2.3 % y una humedad relativa del 50%. Este nylon deberá ser secado hasta un 0.2% de humedad máxima a una presión de 0.001 atm, ya que la humedad reduce la calidad del producto y con el tiempo va desintegrándose y haciéndose inservible. Además, el extrusor a utilizarse requiere que el sólido tengo una baja humedad, ya que al extrudir este se genera con los vapores de agua, los cuales provocan una reacción hidrolitica que rompe la cadena polimérica degradando el producto y afectando también en la velocidad de extrusión, disminuyendo el torque de la extrusora a medida que se aumenta la humedad del sólido. Al ser extruido en forma de macarrón, el nylon 6 pasara hacia una peletizadora, que son sometidos a una eliminación del monómero, para que posteriormente se almacene.
9. DIEÑO DE EQUIPOS: 9.1.
DISEÑO DE UN FUNDIDOR DE CHAQUETA
2 →
ACERO INOXIDABLE
ɛ- Caprolactama
m =751 kg/h
Agua
Nylon 6
=751⁄ℎ
v = 1.53 m3
El fundidor será un proceso semicontinuo con una masa de caprolactama en polvo con un tiempo de residencia de 1 h
=750 = ρmlec =1.7 m3 π D = 4 ∗L =2.01 L de capacidad
Calculamos el volumen de fundidor
Para una relación de D=1.15
;
L=2 m
=1. 7
9.2. CHAQUETA DEL FUNDIDOR Tem del fluido aceite= 300 C Tem de caprolactama = 70 C Área de contacto
= π∗D∗L=7.225 m2
Calculamos la transferencia de calor del seno del fluido a la pared del recipiente K = 1.318 J/kg h
=K A = 2190.1865 J/h
Una vez que tenemos el calor que se transfiere al fluido de la pared sabemos que el calor que transmite el calor al fluido es el mismo que transmite a la pared del sólido y el calor que necesita el sólido es el siguiente
m= 751kg/h
=m∗Cp∗ ∆T
Cp = 1380 J/kgk Tem del fluido agua= 300 C Tem de caprolactama = 70 C el calor que pierde el aceite es :
=22800360 hJ = 6333.43
El flujo de aceite que se necesita para tener este calor es el siguiente para su obtención se calcula lo siguiente: Cp = 2.342 J/ kg K
q = 0.8215h kg = Cp∗∆T
con este flujo másico podemos calcular la velocidad del fluido
Fa= flujo volumétrico = V*A = 0.051 si tenemos un área de 0.017
= = 0.0.005117 => =3
9.3.
MEZCLADOR
En el mezclador ingresan la 751 Kg/h de caprolactama en estado liquido (72°C) y 75,1Kg/h agua (10% en relación al flujo de caprolactama) precalentada hasta los (72°C) para evitar pérdidas de energía. El mezclador es un cilindro vertical que opera mediante aspas, que están localizadas centralmente con una relación de diseño de L>2D. La capacidad volumétrica del mezclador se determinara por la relación V = π* r 2*L
(1)
Con D= L/2, r=L/4 Reemplazando tenemos: V = π* (L/4) 2*L= π*L3/16
Con los flujos molares podemos obtener el volumen de mezcla. V=
, , V= 0,816 m3
0,816 = π*L3/16 L1 = 1,6m = 2m para condiciones de construcción D = 1m = 1,3m
(2)
Se utilizaran cinco paletas ubicadas a lo largo del tanque, la longitud total del propulsor de paletas es del 80% del diámetro del mezclador, y la anchura de la paleta es 1/6 de la longitud del propulsor L2= 0,8(1,3) = 1.04= 1m W= 1/6(1,04) = 0,17= 0.2m La velocidad de agitación es de 120rpm. http://mezclasdefluidos.blogspot.com/p/tipos-de-agitadores.html
DISEÑO DEL INTERCAMBIADOR DE CHAQUETA
El intercambiador deberá elevar la temperatura de la mezcla pastosa hasta los 70°C, de manera que la mezcla sea estable y el agua no se evapore. Teniendo el coeficiente de calentamiento por convección libre para placas horizontales: ho = 0,2 ΔT0,25 (1)
ho = 0.2(40)0,25 ho = 0,503
U= +∗
(2)
65∗0,550303 U= 0,0,22650,
U= 0,174 W/m2°C Q= U*A*ΔT
Q= 0,174* 2* (40) Q= 13,92 W
9.2.1. DISEÑO DEL CALDERO: La caldera a utilizar es del tipo acuotubular, ello nos indica que la transferencia de calor se la realiza del medio (Cámara de Combustión) hacia el par de tubos por el que circula el agua, el tipo de transferencia de calor es por convección ya que se trata en transferencia de calor de gas-fluido pero también existe una transferencia de calor por conducción en las paredes de los tubos de la cámara de combustión. Con una capacidad de producción de 350kg/h de vapor de media presión 10Kg/cm 2 (150PSIG), una temperatura de 156°C, y una eficiencia del 85%. Combustible: Fuel Gas debe suministrarse a una presión de 3,5 a 4 (kg/cm 2) a una temperatura menor de 25(°C). Considerando la altura del mezclador y la disposición en espiral del serpentín se asume L2= 2L1= 2(1,704) = 3,408m, Diámetro del serpentín:
=0,0102 1. Por tanto el volumen del serpentín será:
Norma.
= ∗ ∗ ∗ = ∗v= ∗ ∗
(0,0102)2 3,408= 0,001m3
L=
Con una velocidad de 2m/s tenemos el caudal de entrada de vapor: (0,0102)2 2 = 0,0006m3/s = 2,352m 3/h
El agua de alimentación a los calderos es agua de pozo (4pmm de dureza), por lo que no necesita ablandamiento. Es almacenada en un tanque de 25m 3 de capacidad.
9.3. REACTOR DE POLIMERIZACION La Cinetica de reacción es:
1 =
Datos:
= Velocidad de reacción
60 4.05∗10− 2,025 5,616 = ∫
= Constante cinetica de equilibrio = = Constante de equilibrio = 1,363
= Concentracion de Cadenas Lineales =
= Concentracion de Acido 6-aminocaproico =
= Concentracion de Caprolactama =
Donde
=0,714
; conversión de caprolactama hacia Nylon.
Calculamos la velocidad de reaccion:
2. 0 25 1 − 4. 0 5∗10 − =60 () ∗4. 0 5∗10 () 6.646() 1.363 ℎ [ ] =0,3517 ℎ . = ∫ . 6. 6 46 = 0.3517 ∫ =14,5505
Calculamos el volumen del reactor:
9.4. DISEÑO DEL EVAPORADOR Consideraciones
Existe sólo una fase líquida y vapor (L-V). No existe reacción química. Suponer que toda la Caprolactama ha reaccionado.
T
3
1 1
2 P
4
Donde:
= = = . = . Balance de Masa: Y donde:
Diseñando:
Velocidad del gas dentro del evaporador
=∗ √ Donde K= constante de separación, según teoría se lo considerara 0.2 .
Como:
̃ =0.0977 ⁄
=0.20∗ √ (940.940.141.14 14) =0.1998 ⁄ ̃ =0.7467 ⁄
En estado liquido
En estado gaseoso.
̃ =0.0332/
̇ =7.607⁄ℎ ̇ =578.9 ⁄ℎ ̇ =6.07 ⁄ℎ 7.607 ∗ =0.4226 578.9 ∗ =2.382Kgmol nylon 6.07 ∗ =0.337
̃
Alimentación
Gas
Balance de Energía:
∗ =̃ ∗ ̃ ∗ 2.8046478257.13=0.84988034.7152.27415749.35 1341319.947=74741.47943751.024 =322827.45
La expresión básica para determinar la capacidad de un evaporador de efecto simple:
=∗∗∆
Donde U es el coeficiente típico de transferencia de calor; y como se trata de un evaporador de tubo vertical largo y circulación forzada, éste será:
=400⁄ ∗ 322827.45 ℎ =1440 ∗ℎ ∗∗27 322827.45=1440∗∗27 322827.45=38880∗ =8.30 =2ℎ
8.30=6.28∗ℎ ∗ℎ=1. 3 2 9.5.
8. 3 0=2∗∗ℎ h=1.65
r=0.8
SECADOR DE LECHO FLUIDIZADO
9.5.1. DISEÑO DEL SECADOR DE LECHO Tasa de producción ms: La tasa de producción de material m s es la cantidad de material que el secador es capaz de secar con cierta humedad final requerida por unidad de tiempo y superficie de secador, expresados en Kg/s*m 2. Su expresión es la siguiente: ms = Wt / (60 * t d * Ad) donde: ms = tasa de producción de material (Kg/h*m 2) Wt = Masa de producto a cierto contenido de humedad final (Kg) td = Tiempo de secado (min). Ad = Sección transversal de la base de la cámara de secado. (m 2).
Considerando el valor obtenido en un ensayo de laboratorio para el diseño del secador tenemos: Tiempo de secado (min)
13,5
Consumo energético (KJ/Kg) 2806 Rendimiento Térmico (%)
85,3
9.5.2. CÁLCULO DE ÁREA DE LA BASE DE LA CÁMARA DE SECADO De la expresión anterior podemos despejar A d: Ad =
, ,∗,
Ad = 3,14 m 2.
Por lo tanto el diámetro en la base del secador será: dCS=1999,49 mm = 2000mm
9.5.3. CÁLCULO DE VELOCIDAD MÍNIMA DE FLUIDIZACIÓN (Fuerza de arrastre por movimiento del gas ascendente) = (Peso de las partículas) Umf =
μ∗.SQ+,GM , −, ∗ / ∗ ¨
¨
Donde
Umf = Velocidad mínima de fluidización (m/s) μg = Viscosidad del fluido (Kg*s/m)
GaMv = Numero de Arquímedes (Adimensional) dp1/3 = Factor de corrección experimental Dp= Tamaño de partícula semejante al de una esfera (m) ρ
=
Densidad del fluido (Kg/m 3)
Umf = 0,1 (m/s)
9.5.4. DISEÑO DE LA CÁMARA DE SECADO La velocidad en el interior de la cámara debe ser variable para satisfacer igualdad de condiciones para todos los tamaños de partículas, esto se consigue variando la sección transversal del secador, cuyo resultado geométrico es un trono de cono, con sus diámetros inferior y superior, calculados para U mf1 y Umf2.
Teniendo que: Q1 = Umf1*A1 Q2 = Umf2 * A2 Donde: A1 = Área de la base de la cámara (m 2). A2 = Área superior de la cámara (m2). Umf1 = Velocidad mínima de fluidización en la base de la cámara (m/s) Umf2 =Velocidad mínima de fluidización en la parte superior de la cámara (m/s) A1*Umf1 = A2* Umf2 De ahí tenemos:
= √ =2000√ 00..12 =1414.21 Por tanto el área de la parte superior será : A2 = 1,57m2 El caudal de aire que ingresa por la parte inferior será:
̇ = 0,1 ∗ 3,14= 0,314 = 1130,4 ℎ
9.6.
EXTRUSOR
El extrusor, usualmente, tendrá un diámetro que puede variar entre 25 y 150 mm., con una relación Longitud/ Diámetro de 25-30 Cuadros de relación L/D y RC
Extrusor Tipo Nylon para polímeros cristalinos con punto de fusión abrupto
Eligiendo una relación dentro de los parámetros de Rel L/D= 25 D= 132 mm
=
L= 3300 mm (longitud del tornillo)
Relación de compresión RC = 3.6 =
Dm =3.19 mm Df =11.5 mm = 0.453 plg Angulo de hélice del tornillo 17.66˚
Densidad de nylon =
=1.13 /
Diámetro del tornillo= D= 132 mm = 5.2 plg N = 40 rpm Df = 11.5 mm = 0.453 pulg
ṁ =2.3 ∗ ∗ ∗ ∗ ṁ = 2.3 ∗ 5.2 ∗0.453∗1.13∗40 ṁ =1273.41 ℎ =577.6 ℎ 577. 6 = 1130ℎ ∗3 =0.511 3ℎ
Tiempo de residencia R = radio promedio del tornillo hacia la camisa
∗ ∗ =
∗ 3. 3 ∗0. 0 7 = 0.511 = 0.099 ℎ=5.94
