Obtención de Acido Tereftalico

UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMON FACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGÍA INGENIERIA QUÍMICA GESTIÓN II- 2014

Obtención del ácido tereftálico INTEGRANTES: HURTADO ALVAREZ DAYANA GERALDINE DOCENTE: ING. JOSÉ LUIS BALDERRAMA IDINA MATERIA: DISEÑO DE PLANTAS QUÍMICAS

COCHABAMBA - BOLIVIA DICIEMBRE - 2014

Índice 1. Introducción 2. Antecedentes 3. Justificación 4. Objetivos 4.1

Objetivo Genérale

4.2

Objetivos Específicos

5. Estudio de mercado 5.1 Residuos sólidos plásticos PET (RSPP) en Bolivia. 5.2 La gestión de residuos sólidos urbanos en el mundo 5.3 Métodos de gestión de los residuos sólidos plásticos (RSP) 5.3.1 Reciclaje primario 5.3.2 Reciclaje secundario 5.3.3 Reciclaje terciario 5.3.4 Reciclaje cuaternario 5.4 Producción y aplicaciones 6. Materias primas e insumos 6.1

Reactivos y soluciones

7. Ingeniería del proyecto 7.1 Reacciones químicas 7.2 Esquema del proceso de obtención del ácido Tereftálico 7.3 Balance de masa en corrientes de proceso 7.4 Calculo del balance de masa 7.5 Cálculos del balance de energía 7.5.1 Balance de energía en el reactor (1) 7.6 Cálculos y diseño de equipos 7.6.1. Tiempo muerto 7.6.2. Descripción y cálculo de un sistema de reacción en régimen discontinuo. 7.6.3. Tamaño y características del recipiente en régimen discontinuo para la reacción (1) 7.6.4. Potencia y velocidad del agitador. 7.6.5. Recipiente del sistema de calentamiento y tipo de aceite térmico.

7.6.6. Demanda energética para el medio térmico. 7.6.7. Selección de los componentes del sistema de control. 7.6.8. Características del recipiente de precipitación y su agitador. 7.6.9. Características del separador y lavador. 7.6.10. Características del sistema de filtración. 7.6.11. Sistema de succión con paso de aire. 7.6.12. Diseño del sistema de agitación. 7.6.13. Relaciones normales de diseño en términos de factores de forma S. 7.6.14. Calculo de las propiedades fisicoquímicas de la mezcla de la reacción y potencia teórica. 7.6.15. Diseño del sistema de agitación para el recipiente de precipitación. 7.6.16. Calculo energético para el baño térmico. 7.6.17. Calculo de la longitud necesaria de resistencia eléctrica. 7.6.18. Calculo del espesor del recipiente a presión de la reacción química. 7.6.19. Calculo del número de tornillos necesarios para el recipiente a presión de la reacción química. 8. Conclusiones y recomendaciones 9. Bibliografía

1 Introducción Los desechos plásticos constituyen un porcentaje considerable en peso y volumen del total que se encuentra en los rellenos sanitarios. Uno de los plásticos más comunes es el PET, utilizado en la fabricación de botellas para envasar bebidas gaseosas como otros alimentos. Los materiales plásticos se caracterizan por el poco tiempo de uso ya que luego son descartados. Se estima que en países desarrollados como estados unidos los plásticos descartados llegan a ser de 64 millones de toneladas por año, correspondiendo a un total de 600 libras por persona. El PET y los plásticos en general son polímeros y se generan por un proceso llamado polimerización, es decir la unión de muchas moléculas pequeñas para dar origen a moléculas grandes. Los compuestos simples con los que se hacen polímeros se conocen como monómeros. El PET es un tipo de materia prima plástica derivada del petróleo, correspondiendo su formula a la de un poliéster aromático. Los grupos ester de la cadena de poliéster son polares, donde el átomo de oxigeno del grupo carbonilo tiene una carga negativa y el átomo de carbono del carbonilo tiene una carga positiva. Las cargas positivas y negativas de los diversos grupos ester se atraen mutuamente. Esto permite que los grupos ester de cadenas vecinas se alineen entre sí en una forma cristalina y debido a ello, den lugar a resistentes fibras. Los

polímeros

se

forman

debido

a

dos

métodos

generales:

polimerización reacción en cadena y polimerización por etapas. En Bolivia se utilizan en promedio de 7000 toneladas por año de PET, estos materiales luego de su oso llegan a los botaderos o lugares de acumulación donde quedan almacenados. Los rellenos sanitarios son costosos en inversión y mantenimiento, por lo que la acumulación es un serio problema. Por otra parte, la quema de estos residuos producen la emanación de sustancias toxicas lo que atenta contra el medio ambiente y la salud de las personas.

Hay que tener en cuenta que en los principales países consumidores de PET: Italia, Francia,

Reino unido y España, estos residuos son

recuperados. Así en Italia se recupera un 10% del consumo total del PET, mientras que en los otros países las cifras son aún más moderadas, entre el 1% y el 3%. Comparativamente estas cifras están muy lejos del 35% que se alcanza en Estados Unidos, o de porcentajes cercanos al 90% de reciclado que se consigue en Holanda, Suiza y Suecia. 2 Antecedentes Debido a que los procesos existentes en el mundo requieren de condiciones operativas exigentes se tuvo que elegir un proceso de condiciones accesibles. El método es una buena alternativa desde el punto de vista técnico ya que no se requieren elevadas temperaturas, presiones, lo cual significa menores recursos y equipamiento, aunque tiene buenos rendimientos de proceso requiere de cuidado en el proceso de purificación de productos. Para

evitar

posibles

interferencias

químicas

y/o

malas

interpretaciones de los resultados se utilizó PET post-consumo inmediatamente descartado luego del consumo de su contenido (bebidas con gas o agua de mesa). El trabajo realizado se llevó a cabo con reactivos provenientes de una misma marca y vendedor el cual va acompañado con un certificado de calidad del producto, se empleó material de vidrio por ser inerte y acero inoxidable. Cuidando lo que respecta a leyes como las de control de sustancias en nuestro país. El método empleado también utiliza algunos de estas sustancias pero al ser sustancias empleadas ampliamente en diferentes campos se ve como factible la aplicación de las mismas para este proceso, este es el caso del hidróxido de sodio y el ácido sulfúrico. 3 Justificación

En la actualidad se realizan tratamientos mecánicos con el PET postconsumo posteriormente es acumulado, embalado y comercializado; para luego ser sometido a algún tipo de tratamiento fuera dl país. Por tanto el movimiento de recolección de envases PET está creciendo y se ve la necesidad de proponer algún tipo de procesamiento en el país. El presente proyecto se encargara de proponer y realizar un proceso en laboratorio, con el fin de presentar datos a cerca de dicho proceso luego

del estudio

del mismo,

bajo un

criterio

ambiental de

recuperación de materiales o compuestos a partir de los residuos. Para esta investigación se recurrió a laboratorios, materiales y equipos, al alcance de nuestras posibilidades técnicas y económicas. Por tanto este proyecto tiene la intención de ser el inicio en este tipo de investigación y su alcance investigativo se enmarca en pruebas experimentales a escala laboratorio en base a un diseño factorial completo dentro una etapa importante del proceso con el fin de obtener información inherente al proceso en cuestión y posterior diseño del proceso productivo a nivel escala experimental. 4 Objetivos 4.1. Objetivo general 

Obtención de ácido Tereftálico por degradación química de envases PET post-consumo vía despolimerización en medio básico mediante pruebas experimentales en laboratorio, para posterior diseño del proceso productivo a nivel a escala

experimental. 4.2 Objetivos específicos  Adaptar un proceso de degradación de PET post-consumo grado botella para manejar y despolimerizar este tipo de residuo 

sólido en Cochabamba. Diseñar unidades de

proceso

a

escala

de

producción

experimental en base a los resultados obtenidos de las pruebas en laboratorio.



Estimar los costos de las unidades diseñadas para el proceso productivo a escala experimental de ácido Tereftálico por degradación química vía despolimerización básica del PET posconsumo.

5 Estudio de mercado 5.1. Residuos sólidos plásticos PET (RSPP) en Bolivia Para el caso en Bolivia la situación del PET se observa que en los años 2000 y 2003 la importación anual del PET en Bolivia está alrededor de 7000 toneladas métricas por año, se lo transformamos en número de botellas de 2 litros tendríamos 145.8 millones, 18 botellas/ habitantes año en Bolivia. El año 2003 hubo un descenso del 16%. Estos datos estadísticos nos indican que la cantidad del PET postconsumo podríamos llegar hasta un límite de por lo menos de 4200 TM/año, que representa un 60% del total importado esta cantidad puede ser considerada como la cantidad que podría llegar a parar a los botaderos o ser descartados como residuos sólidos urbanos (RSU). En caso específico de Cochabamba corresponde a un 10% como PET importado para fabricar distintos artículos, generalmente embaces de bebidas y algún tipo de alimentos, esta cantidad de embaces hechos de PET, 680307 unidades de preformas aproximadamente. Los RSPP en Bolivia sino son reutilizados llegan a los botaderos a cielo abierto o a los rellenos sanitarios, debido al volumen que ocupan cada vez necesitan mayores espacios. Aunque esta aumento el movimiento de recolección en el país, existe un porcentaje importante de estos residuos que es llevado a los botaderos mientras que los residuos recolectados son llevados en un buen porcentaje a países vecinos donde son sometidos a tratamientos físicos como químicos. En Bolivia se tiene conocimiento que existe procesamiento físico (lavado, picado y embalado), tratamiento térmico reconversión en otro tipo de recipiente, hasta el momento de realización de esta investigación no se tiene cuenta de que se esté realizado algún tratamiento químico conocido, con los residuos sólidos plásticos desechados dentro la ciudad de Cochabamba o alguna otra ciudad del país. Por tanto es momento de iniciar investigaciones relacionadas a tratamientos posteriores al uso del PET en el país. Aunque a

comparación de otros países estas cantidades son menores, la creciente acumulación de dichos residuos podría ser un problema. 5.2. La gestión de residuos sólidos urbanos en el mundo A mayor disponibilidad de recursos económicos, las naciones aumentan sus esfuerzos para mejorar la gestión de sus RSU, como necesidad comunitaria, en particular por la presión social. Desde 1976, los países afiliados a la organización para la cooperación y desarrollo económico (OCDE) adoptaron otras opciones para la gestión de los RSU, que muestra la tendencia de los países en vías de desarrollo como: México, Brasil y argentina, en donde los gobiernos gestionan los RSU por relleno sanitario entre un: 18%-60% y tiradero a cielo abierto: 40%-80%, con el argumento de bajar costos operativos y de mantenimiento, pero sin considerar el impacto ambiental. Mientras que el reciclaje en una opción poco empleada; de 0%-3% y aún menos la incineración o el compostaje. En los EEUU existen plantas que incineran RSU para generar energía eléctrica. En Hampstead, New York, se procesa 2800 toneladas/ dia que generan 72 MW y abastecen a unos 60000 hogares. En Newark Nueva Jersey procesan 3200 toneladas por dia, que generan 65 MW y abastecen a 54000 hogares. Aunque los datos señalan que los EEUU incineran el 16% de sus RSU, esto no significa que sea la mejor alternativa de gestión. Para EEUU, la literatura reporta interés por el reciclaje, en los últimos 20 años, el relleno sanitario es el principal destino de los RSU, en 1995 lo utilizaron en un 56%, los países miembros de la Unión Europea: Alemania, Francia, Italia, suiza y Austria, entre un 40%-80%. 5.3. Métodos de gestión de los residuos sólidos plásticos (RSP) Para la gestión específica de los RSP existen 4 métodos los cuales se clasifican según al tipo de tratamiento de reciclaje que se ha sometido el residuo plástico: reciclaje primario, secundario, terciario y cuaternario. Según se determine a qué tipo de tratamiento puede ser sometido

residuo sólido plástico. A continuación se desarrolla los

diferentes tipos de reciclaje a los que se puede someter los residuos sólidos. 5.3.1. Reciclaje primario Consiste en la conversión de los residuos plásticos en artículos con propiedades físicas y químicas idénticas a la del material original. El reciclaje primario se hace en termoplásticos como el PET (poli etilen tereftalato), PEAD (polietileno de alta densidad), PEBD (poli etileno de baja densidad), el PS (poliestireno) y el PVC (cloruro de polivinilo). Las propiedades de los termoplásticos son la base de este tipo de reciclaje

debido

a

la

habilidad

de estos

refundirse

a baja

temperaturas sin ningún cambio en su estructura ya que tienen moléculas que se encuentran en un alineamiento casi paralelo. 5.3.2. Reciclaje secundario El reciclaje secundario convierte al plástico e4n artículos con propiedades que son inferiores a las del polímero original. Ejemplo de plásticos recuperados por esta forma son el termostable o plásticos contaminados. El proceso de mezcla de plástico es representativo del reciclaje secundario. Este elimina la necesidad de separar y limpiar los plásticos. La mezcla de plástico, incluyendo tapas de aluminio, etiquetas de papel, polvo y otros se muelen y funde juntas dentro de un extrusor. Los plásticos pasan por un tuvo con una gran abertura hacia un gran baño de agua, y luego son cortadas a varias longitudes dependiendo de las especificación de los clientes. 5.3.3. Reciclaje terciario Este degrada al polímero en compuestos químicos básicos y en combustible. Es fundamentalmente diferente a los dos tipos de reciclaje mencionados anteriormente porque involucra un cambio químico como el físico. Aquí las largas cadenas de polímeros se rompen en pequeños hidrocarburos (monómeros) o monóxidos de carbono e hidróxido. 5.3.4. Reciclaje cuaternario Consiste en el calentamiento del plástico con el objeto de usar la energía térmica liberada de este proceso para llevar a cabo otros procesos, es decir el plástico es usado como un combustible con

objeto de reciclar energía. La incineración puede incluirse en esta clasificación siempre que la recuperación de carbón sea acompañada de un generador de vapor, por el uso directo de gases de horno de alta temperatura de un proceso que requiere una fuente de calor externa. Estos gases de humo son para recalentar, secar o templar hornos. 5.4. Producción y aplicaciones La producción mundial de 1970 fue de alrededor de 1.75 millones de toneladas. En 1977 la capacidad de producción de los EEUU eran de 2.01 millones de toneladas de DMT y 0.91 millones de ácido Tereftálico purificado (ATP), que corresponden, aproximadamente, al 31% de la parte del ácido Tereftálico purificado. En el Japón la capacidad de producción para este mismo año, ascendió a 0.69 y 0.62 millones de toneladas, respectivamente, de DMT y ácido Tereftálico purificado, con una participación de este último del orden del 47%. En Alemania hasta 1981 no se obtuvo ácido Tereftálico puro a escala industrial. La capacidad mundial de ATP/DMT se estimó en 1976 en unos 5.6 millones de toneladas, con una proporción de TPA de apenas 29%, que en 1978 aumento al 34%. En 1993, EEUU produjo un volumen estimado entre 3.8 y 4.8 billones de Kg. Los EEUU proveen aproximadamente el 22% de producción mundial de ácido Tereftálico. En 1993, la producción mundial llego a ser de 17 a 21 billones de Kg de ácido Tereftálico. Para el año 2006, la demanda mundial de ATP había superado los 30 millones de toneladas. El ácido Tereftalico se usa principalmente en la fabricación de fibras de poliéster, películas, Poli Etilen Tereftalato sólido y resinas de PET de ingeniería. En productos de consumo este se emplea en la fabricación de fibras de poliéster que es el mayor campo de aplicación de ácido Tereftalico. El fin de los productos de fibra de poliéster pueden ser hilos para alfombras, prendas de vestir, fibra para llenar productos de consumo y filamentos industriales.

Los restantes incluyen películas de poliéster, con las películas fotográficas y la cinta magnética de base, y resina de ingeniería en base a PET y PBT utilizadas principalmente utilizadas en piezas de automóviles. Para poder mostrar datos sobre la aplicación del ácido tereftálico se muestra el caso estadounidense como ejemplo en la tabla hasta el año 1992. Aplicaciones de ATP Porcentaje % Fibra poliéster 55 Exportación 21 Exportación 21 Cintas de poliéster 10 Varios 4 Tabla 1: Fuente: Ph.D.Trudy A.Dickneider (2001),”módulo de química verde”, US, EEUU, 16. Se conoce por la literatura que el ácido Tereftálico tiene varios campos de aplicación, dentro la industria de los envases y piezas especiales de muchos rubros, por tanto el obtener ácido Tereftálico es una buena alternativa de proceso, por esta razón el presente trabajo busca la despolimerización de PET que genere este compuesto. Al ser el PET un poliéster producido a partir de ácido Tereftálico y etilen glicol, este luego de su utilización llega hacer una posible fuente de obtención de ácido Tereftálico. Por todo lo expuesto el presente proyecto desarrollo el siguiente estudio y diseño el proceso de obtención de

PET post-consumo por degradación química

despolimerización básica

vía

de PET post- consumo a escala de

producción experimental. 6 Materias primas e insumos 6.1 Reactivos y soluciones Los reactivos fueron utilizados sin ningún tipo de tratamiento especial previo y fueron del tipo que no ofrece el mercado nacional. Sustancia Hidróxido de sodio

Origen o fabricante Abendroth

Observaciones Ojuelas blancas o

(s) Acido sulfúrico (l)

Abendroth

solidas al 98% peso Concentrado densidad 1.83 g/ml

Agua destilada PET (s)

CAPN Recolectado de

Partículas picadas de

envases post-consumo

forma cuadrada, sin

en

Cbba-Bolivia

contaminantes,

transparente. Tabla 2: Fuente: elaboración propia (s) solido (l) liquido. 7 Ingeniería del proyecto 7.1. Reacciones químicas Las reacciones químicas para este proceso son las siguientes: (1) PET Q -(-O-CH2CH2-O-CO-(C6H4)-CO-)-+ 2NaOH + H2O à Na-O-OC-(C6H4)CO-O-Na + HO-CH2CH2-OH+ H2O (2) Na-O-O-C-(C6H4)-CO-O-Na + H2SO4 à H-O-O-C-(C6H4)-CO-O-H + Na2SO4 (ACIDO TEREFTALICO) La hidrólisis en condiciones alcalinas de esteres produce el ácido correspondiente en forma de una sal. El ácido luego se libera por la adición de un ácido mineral. 7.2. Esquema del proceso de obtención del ácido Tereftálico Con los resultados obtenidos del diseño factorial completo 2^3 a partir de la información de las experiencias realizadas, para la reacción química 1, se obtiene las condiciones adecuadas de trabajo para esta etapa en base a esta información se propone el siguiente diagrama de proceso hasta la obtención de ácido Tereftálico por la degradación química vía despolimerización básica de PET postconsumo, incluyendo otros instrumentos que podrían complementar al proceso, este es el caso del recipiente de reacción(1) donde se utilizaría agitación neumática y que también se incluirían en el recipiente de precipitación. De este proceso se muestra los mecanismos y descripción de las relaciones involucradas, balance de masa considerando las posibles

pérdidas por generación de gases hasta la obtención del ácido Tereftálico, diseño de las unidades del proceso y planos, diseño mecánico para el recipiente de reacción (1). Aunque se mostró las 2 reacciones químicas involucradas en este proceso no se especifican en este documento las condiciones de la segunda reacción química y otras operaciones unitarias que ampliarían el proceso porque esta información no tiene el fin de ser publica por tener financiamiento particular y otros fines pero se muestran informaciones importante sobre el ácido Tereftálico y el PET. En la gráfica se observan las pasos necesarios para la obtención del ácido Tereftálico y hasta este punto se realizaron las estimaciones de los costos, demanda energética para todos los equipos, manejos y cuidados sobre las sustancias químicas involucradas. Todos los cálculos y estimaciones son para el rendimiento del estudio y para la cantidad de materia prima utiliza el proceso a escala de producción experimental. Sin embargo el trabajo posterior se realizó y como prueba se tiene el espectro UV-VIS del producto purificado con un determinado solvente.

7.3. Balance de masa en corrientes de proceso Para el cálculo de los flujos másicos se realizaron considerando los valores obtenidos para el caso que fue elegido como adecuado. Los de las densidades valores extractaron de NaOH solución de Solvay, para el etilenglicol de Mamen, para el caso del agua de C.J. Geankoplis y para el ácido sulfúrico de Skoog.

Peso molec ular

PET

NaO

H4C10O

H6C2

H8C1

H

4Na2

O2

0O4 192.16

39.99

210.09

62.06

H2O

Na2S

H2S

H6C8

O4

O4

O4

18.0

142.0

98.0

166.1

1

4

8

3

(g/mol ) PET

NaOH

H4C10O4

H6C2

H8C10

Soluci

Na2

O2

O4

ón

(Con

7.5 M 1.27

c)

Densi

1.12

dad

H2O

Na2S

H2S

H6C8

O4

O4

O4

0.99 82

(g/ml) 20⁰C Tabla 3: Propiedades de los compuestos. Considerando la ley de conservación de masa que plantea” en todo cambio químico, la masa se conserva, es decir que no se crea ni se pierde “, y recordando que la mas está íntimamente relacionada con el peso. Tanto para el caso de la primera reacción que genera una sal y

un

alcohol

(hidrólisis

básica),

la

reacción

de

precipitación

(neutralización)que tiene como producto una sal y agua (hidróxido de sodio residual y ácido sulfúrico)y la reacción de tereftálato de sodio y el ácido sulfúrico que genera el ácido Tereftálico y sulfato de sodio, se procedió al cálculo de flujo másico para cada una de las corrientes de proceso a nivel laboratorio en base a las reacciones ya mostradas, la reacción químicas (1) se emplea para los cálculos para la corriente 3 y la reacción química (2) se emplea para los cálculos de la corriente 8, las corrientes 4 y 9 son procesos físicos y las corrientes 1,2,6 y 7 son entradas y las10 es salida. Las

reacciones

químicas

realizadas

pueden

generar

productos

secundarios (gases CO, CO2 y vapores orgánicos) pero por la cantidad que presentan, no se consideraron en el balance de masa lo cual significa que se deban tomar precauciones durante el trabajo. 7.4. Calculo del balance de masa 

Balance de masa  Corriente 1

56 g

PET∗1 m 1mol PET =0.291 moles PET 1 192.16 g PET

 Corriente 2 sol∗7.5 mol NaOH ∗39.99 g NaOH 1000 m 600 ml =179.96 g NaOH (4.500 mol NaOH ) 1 mol NaOH

600

ml∗0.9981 g H 2 O =598.87 g H 2 O(33.252 mol H 2 O) 1 ML H 2O

 Corrientes 3

1 mol PET ∗1 mol H 4 C 8O 4 Na2 192.16 g PET ∗210.09 g H 4 C 8 O 4 Na 2 1mol PET 56 g PET ∗¿ ∗0.225=13.776 g H 1mol H 4 C 8 Na2

PET ∗1mol PET ∗1 mol H 6 C 2 O2 192.16 g PET ∗62.06 g H 6 C 2 O2 1 mol PET 56 g ∗0.225=4.069 g H 6C 2O 2(0.066 mol H 6 C 1 mol H 6 C 2O 2 = 598.87 g H2O (33.252 mol H2O) = 43.394 g PET (0.226 moles PET) = 174.713 g NaOH (4.369 mol NaOH)

 Corriente 4 = 43.394 g PET (0.226 mol PET)

 Corrientes 5 = 782.189 g H2O

 Corriente 6

= 174.713 g NaOH (4.369 mol NaOH) 598.87 g H2O + 782.189 g H2O = 1381.059 g H2O (76.683 mol H2O) = 13.776 g H4C8O4Na2 (0.066 mol H4C8Na2) = 4.069 g H6C2O2 (0.066 mol H6C2O2)

 Corrientes 7 sol∗8.907 mol H 2 SO ∗98.08 g H 2 SO 4 1000 ml sol H 2 SO 4 235.656 ml 1 mol H 2 SO 4 ¿ 205.869 g H 2 SO 4 (2.099 mol H 2 SO 4)

235.656 ml H 2

O∗0.9982 g H 2 O =235 .232 g H 2 O(13 . 061mol H 2 O) 1 ml H 2O

 Corriente 8

2∗1 mol H 4 C 8 Na2 ∗1mol H 6 C 8 O 4 210.09 g H 4 C 8 O 4 Na 2 ∗166.13 g H 6 C 8 O 4 1 mol H 4 C 8 O 4 Na2 13.776 g H 4 C 8 O 4 Na =10.893 g H 6 1 mol H 6 C 8 O 4

2∗1 mol H 4 C 8 Na2 ∗1mol Na 2 SO 4 210.09 g H 4 C 8 O 4 Na 2 ∗42.04 g Na2 SO 4 1mol H 4 C 8 O 4 Na 2 13.776 g H 4 C 8 O 4 Na =9 .731 g Na 2 SO 4 1 mol Na2 SO 4

=4.069 g H6C2O2 (0.066 mol H6C2O2) 1381.059 g H2O + 235.232 g H2O = 1616.291 g H2O (89.744 mol H2O)

 Corriente 9 = 1616.291 g H2O (89.744 mol H2O) = 4.069 g H6C2O2 (0.066 mol H6C2O2)

(10.893∗20) =2.1786 g H 6C 8 O 4( 0.013mol H 6 C 8 O 4 ) 100 (9.731∗20) =1.946 g Na2 SO 4 (0.014 mol Na2 SO 4 ) 100  Corriente 10 10.893 g H6C8O4 - 2.1786 g H6C8O4 = 8.714 g H6C8O4 (0.052 mol H6C8O4) 9.731 g Na2SO4 - 1.946 g Na2SO4 = 7.785 g Na2SO4

7.4. Calculo del Balance de energía 7.4.1 Balance de energía en el reactor (1) 

Términos de entrada:

H (PET) = 0.291gmol*1.047*192* (110 - 25) K = 4972.3 J H (NaOH) = 4.5gmol* 0.92*40*(110 - 25) K = 14076 J H (H2O) = 33.252gmol* 4.183*18.02*(110 - 25) K = 213048 J 

Términos de salida:

H (PET) = 0.226gmol*192*1.047*(110 - 25) K = 3861.7 J H (NaOH) = 4.361*0.92*40*(110 - 25) K = 13641.2 J H (H2O) = 33.252gmol*18.02*4.183*(110 - 25) K = 213048 J H (H4C8O4Na2) = 0.066gmol*0.97*210*(110 - 25) K = 1142.7 J H (H6C2O2) = 0.066gmol*62*2.2*(110 - 25) K = 765.2 J 4972.3 + 14076 + 213048 + (-ΔHr, 298K) + 536073.575 = 3861.7 + 13641.2 + 213048 + 1142.7 + 765.2 (-ΔHr, 298K) = - 535714J/mol 

Baño térmico:

m = 2494.239g= 5.499 Lb Cp = 0.489 Btu/Lb-⁰F Tref = 59⁰F T final = 248 ⁰F

Q calentamiento = 5.499 Lb* 0.489 Btu/Lb-⁰F*(248 - 59) ⁰F Q calentamiento = 508.223 Btu = 536073.575 J = 536.074 KJ

7.6. Cálculos y diseño de equipos 7.6.1. Tiempo muerto Considerando que el volumen corresponde a la propuesta de diseño se tiene el siguiente detalle de tiempo muerto. Volumen de trabajo de 600ml. El tiempo muerto nos sirva para tomar ciertas medidas antes de iniciar el proceso, estos fueron estimados en base a las condiciones de temperatura y el volumen de trabajo propuesto. Tiempo

Unidades

requerido

de tiempo

163

Minutos

5

Minutos

Enfriamiento de la mezcla reactante

30

Minutos

Disolución con agua destilada

10

Minutos

Filtración de sólidos residuales

5

Minutos

Tiempo de precipitación

15

Minutos

5

Minutos

233

Minutos

Actividad Tiempo de calentamiento de baño térmico Tiempo de carga de materia prima y base

Tiempo por cada filtración con succión de aire final

(6 repeticiones)

Tiempo muerto total

Tabla 4: Estimación del tiempo muerto en el proceso de obtención de acido Tereftalico.

7.6.2. Descripción y cálculo de un sistema de reacción en régimen discontinuo Para este caso se tiene la reacción química irreversible, el sistema opera isotérmica mente y a volumen constante: A+B

C+D

-rA=k₁CACB; si CBo >> Cao entonces –

Ra= k₁CA El balance de masa considerado al reactante A que debe ser el reactivo limitante 0

0

Entrada = Salida + Desaparición + Acumulación O bien Velocidad de desaparición De A en el reactor debido a

velocidad de acumulación = -

Reacción química

de A en el reactor

Evaluando términos se tiene: Desaparición del componente A

Mol de A que reaccionan = (rA)V =

Mol/tiempo

volumen de fluido

(tiempo)*(volumen de fluido)

Acumulación del Componente A

= dNA / dt

= d[Nao(1-XA)] / dt = NAo dXA /

dt Mol/tiempo Sustituyendo esta expresión en la segunda ecuación:

(-rA) V = NAo dXA / dt Efectuando operaciones e integrando, resulta: XA t= NAo

d [XA /(- rA)V] O

La ecuación de diseño para un reactor en régimen discontinuo en función del componente o reactante A. para resolver esta expresión se reemplaza –rA= K₁CA o para otro caso la expresión que se defina. 7.6.3. Tamaño y características del recipiente en régimen discontinuo para la reacción (1) El volumen del reactor fue propuesto para realizar el proceso a escala experimental con cantidades que permitan obtener mayor producto pero también considerado las características de los otros equipos de trabajo. Las dimensiones del reactor se detallan en la siguiente tabla. Dimensiones del recipiente Diámetro interno (Dt)

Valor * 1.0E-2 (m) 9.3

Altura total externa

13.30

Altura total interna

13.0

Altura de la mezcla Otras características Diámetro externo D

8.83 100

Material A.S.M.E. SA-240 Grado 304 L Tabla 5: Dimensiones del recipiente de la reacción (1) Para este cálculo se ha considerado recomendaciones de diseño como el que se refiere a que el volumen de mezcla no debe ser igual al volumen del recipiente, por tanto se excedió en un 33% del volumen de mezcla. 7.6.4. Potencia y velocidad del agitador

La velocidad de rotación generalmente se basa por lo común en pruebas experimentales o correlaciones de resultados de pruebas. Considerando que no se pueden tener iguales a todos lo números dimensionales de los modelos teóricos

estos pueden utilizar para

predecir con buenas aproximaciones dentro los limites aceptables de la ingeniería. Por lo tanto recurriendo a las correlaciones existentes en la bibliografía. El calculo se realizo con el fin de tener un alto nivel de mezclado en el sistema reaccionarte y como se tiene partículas solidas en el sistema se recurrió e al ecuación de Zwitering. Características del sistema Volumen de trabajo 600 ml

Resultados

Tipo de agitador (2 palas planas) Tamaño de partícula próxima a malla 7 Factores de forma: Dt/Da=3; Dt/W=4;

Nc= 19 rev/s Potencia = 0.59 W

Para: Da/W=4; S=8 Kp=Np= 2.5 Tabla 6: Características del tipo de agitador necesario para un volumen de 600 ml El cálculo se hizo a una temperatura de 110⁰ que es la temperatura de operación del sistema. Tomando en cuenta que existen perdidas por

fricción,

debido

al

sello

mecánico

principalmente

se

sobredimensionará al sistema de agitación estimado que la perdidas puedan ser de un 70% por tanto la potencia será de 1.003 W. en el mercado se tiene agitadores neumáticos para laboratorio. Según las relaciones adimencionales que se tienen, se propone las siguientes dimensiones para el agitador. Dimensiones del agitador Diámetro de paleta (Da)

Valor*1.0E-2(m) 3.1

Altura desde la base a la paleta (E)

2.3

Espesor de la plancha

0.3

Altura de paleta (W) 0.8 Numero de palas planas 2 Material A.S.M.E. SA-240 Grado 304L Tabla7: Dimensiones propuestas del agitador de palas

7.6.5. Recipiente del sistema de calentamiento y tipo de aceite térmico Para este trabajo se vio conveniente trabajar con aceite térmico que cumpla con las consideraciones técnicas de trabajo el seleccionado es el aceite térmico Thermia B que existe en el mercado nacional, en cuanto al recipiente se muestra a continuación el siguiente detalle de dimensiones y características del mismo. Dimensiones del recipiente Diámetro interno

Valor 1.0E-2 (m) 17.00

Altura total externa

15.10

Altura total interna

15.00

Diámetro externo Otras características Volumen del liquido

17.20 2164.35 ml

Material A.S.M.E. SA-B209 Aluminio Tabla8: Dimensiones del recipiente del baño térmico 7.6.6. Demanda energética para el medio térmico En vista de proponer un diseño factible y que posibilite el proceso se propone un sistema de calefacción eléctrico por resistencias con un control de temperatura integral derivativo (PID) el cual ayuda a tener un temperatura homogénea en el baño térmico de aceite, la resistencia eléctrica es Kanthal con una potencia de 2500 W. Para este proceso se estimo el detalle de requerimientos energéticos, teóricos y real aproximados en base a datos de laboratorio, para llegar a la temperatura de 110⁰C en el interior del recipiente reacción química (1). El cálculo real de calor entregado (24415 KJ) será empleados en los costos del proyecto.

Paleta de Válvula de Sistema de

Termocupl Recipiente de reacción química (1) Baño

Placa calefactora eléctrica

Fig1.: Esquema del sistema de control de temperatura

7.6.7. Selección de los componentes del sistema de control Una de la razones mas importantes en la elección de un controlador es la exactitud que se requiere en el control de la variable, un PID nos da un bajo rango de desviación con respecto al valor de referencia, lo cual en este caso es importante, a parte de otros aspectos como la constante de tiempo de retardo, atraso de la transferencia y tiempo muerto (tiempo real que el cambio del dispositivo corrector permanece indetectado). En este proceso la temperatura es un factor importante por lo tanto se vio que un controlador tipo PID es adecuado para controlar el paso de la corriente hacia la resistencia, controlando así la potencia de la resistencia calefactora. Dispositiv

Ventajas

o Controlad or PID

-

Desventajas

Bajo nivel de error

- Costo superior a otros

1⁰C.

controladores.

-

Fácil armado.

Control de fallo de

-

relé. Bajo costo.

Termocupl

-

No linealidad en todo

-

el rango .

Disponibilidad en

a

el mercado. -

Corrección por la

-

temperatura.

Fácil uso.

Costo superior al

-

No tiene desgaste

resto de elementos

mecánico

finales de control.

Relé de estado solido

-

Mejora y alarga la vida del circuito

-

Posible uso de

disipador de calor y ventilación.

Tabla9: Consideraciones para la selección del sistema de control. Todos los dispositivos cumplen con características del recipiente de precipitación las exigencias técnicas de operación determinadas en los cálculos realizados 7.6.8. Características del recipiente de precipitación

y su

agitador Para el recipiente de precipitación se tiene el siguiente detalle de dimensiones el cual fue calculado considerando al separador y manera en la que se realiza el proceso. Esta etapa utilizara agitación este detalle de condiciones y calculo no se registran. Para el balance de materia en esta etapa se tomo de referencia 20⁰C para la estimación de las propiedades fisicoquímicas. Las características del recipiente y su paleta se muestran el la siguiente tabla, la paleta se calculo en base a los factores de forma

definidos. El recipiente de precipitación estará provisto de un recipiente auxiliar para mantener la temperatura constante. Dimensiones del recipiente Diámetro interno (Dt)

Valor * 1E-2 (m) 17.00

Altura total externa

11.52

Altura total interna Otras características Diámetro externo D

11.50 17.40

Material A.S.M.E. SA-240 Grado 304 Tabla 10: Dimensiones del recipiente de precipitación. Dimensiones del agitador (Dt/Da=3; Dt/E=4; Da/W=4) Diámetro de paleta (Da)

Valor 1E-2 (m) 5.7

Altura de paleta (W)

1.4

Altura desde la base a la paleta (E)

4.3

Espesor de la plancha 0.3 Numero de palas plana 2 Material A.S.M.E. SA-240 Grado 304 Tabla11: Dimensiones propuestas del agitador tipo palas 7.6.9. Características del separador y lavador Para este equipo se utiliza un tamiz metálico inoxidable malla14, por su presencia en el mercado este no será construido sino adquirido, las dimensiones del mismo se muestran en la siguiente tabla. Dimensiones del equipo Valor * 1.0E-2 (m) Diámetro interno 15.24 Abertura de malla 0.1168 Diámetro de hilo 0.0635 Material A.S.M.E. SA-240 Grado 304 Tabla 12: Dimensiones del separador. 7.6.10. Características del sistema de filtración El sistema de filtración para el proceso a escala de producción estará formado por un Buchner de metal y su recipiente de filtro, provisto de papel filtro, el volumen de trabajo del buchner es de 416 ml y el y el

recipiente del filtro es de 2000 ml aproximadamente, en material inoxidable A.S.M.E. SA-240. El precipitado poseerá de un recipiente auxiliar de aluminio A.S.M.E. SA-B209. 7.6.11. Sistema de succión con paso de aire Para determinar las características del sistema de succión, se determinó que una bomba con una caudal de succión de 3 m³/h es aceptable para realizar la filtración del producto. Este equipo es importante porque facilita la recuperación del producto y ayuda a quitarla humedad presente en el mismo ya que este es higroscópico. La siguiente tabla muestra las características del sistema de succión. Características del equipo valor Potencia del equipo ¼ hp Caudal de succión 2-3 m³/h VAC 230 V Tabla 13: Características de la bomba de succión 7.6.12. Diseño del sistema de agitación Para el caso del diseño del sistema de agitación utilizado se eligió recurrir a la correlación de Swietering porque se trata de un sistema con partículas solidas presentes en el liquido, este modelo utiliza la velocidad critica de agitación para una suspensión completa ya que medir la velocidad de distribución es muy difícil, en la bibliografía se señala que la velocidad de agitación critica para paletas tiene los siguientes valores típicos: 7.6.13.

Relaciones

normales

de

diseño

en

términos

factores de forma S se tiene lo siguiente: S1=Da/Dt=1/3; S2=Dt/E=4 ; S6=H/Dt=1; S4=W/Da=0.2; S: Factor de forma Da: diámetro de paleta Dt: diámetro interno de recipiente

de

E: altura desde la base a la paleta H: altura del liquido W: altura de la paleta Se considero a las siguientes condiciones para el diseño: Dt=3;

Dt/E=4;

H/Dt=1.053;

W/Da=0.25

Dt=9.3 cm o Dt=3.661 plg. Cálculos: Da=3.1 cm

1.220 plg

H=8.83 cm

3.476 plg

E=2.325cm

0.915 plg

W=0.775 cm

0.254 plg

7.6.14. Calculo de las propiedades fisicoquímicas de la mezcla de la reacción y potencia teórica Para realizar el cálculo se emplearon las propiedades del sistema reaccionante presente en la literatura. Y en los cálculos se utilizaron la ecuación empírica de Swietering. Este cálculo fue realizado a la temperatura de operación de 110ºC aproximadamente. E: fracción liquida de la suspensión %: Porcentaje en peso NaOH sol: hidróxido de sodio en solución V: viscosidad cinética µ: viscosidad dinámica δ:densidad B: 100*(peso del solido/peso del líquido)

Mο: masa inicial ηс: velocidad critica del agitador Da: diámetro del agitador S: factor de forma Dp: tamaño medio de partícula g: aceleración de la gravedad ∆ δ:diferencia de densidad Da: diámetro de paleta Dt: diámetro interno del recipiente E: altura desde la base a la paleta W: altura de la paleta Kt: factor de potencia P: potencia Según Swietering: ηс* Da^0.85=S*v^0.1* Dp^0.2*(g*(∆ δ/ δ))^0.45*B^0.13 Datos Mο PET= 56 g Vο NaOH (7.5 M)=559.73 ml δ PET=1.39 g/ml δ NaOH sol=1..11 g/ml

δ PET=86.75963 LB/pie³ δ NaOH sol=75.624 lb/pie³ a 110⁰C

extrapolando de fuente µ NaOH sol=1.509 cp extrapolando de fuente

µ NaOH sol=0.001 lb/pie-s

a 110⁰C

Mο NaOH sol=678.168 g

Mο NaOH sol=1.495 lb a 110⁰C

Cálculos: E=(% NaOH sol/ δ NaOH sol)/(% PET/ δ PET+% NaOH sol/ δ NaOH sol) % PET=0.082 % NaOH=0.917 δ PET=1.39 g/ml δ NaOH sol=1.211 g/ml E=0.927 δ mezcla= E* δ NaOH sol + (1-E) δ PET E= 0.927 δ PET=1.39 δ mezcla=1.224 g/ml

δ mezcla=76.434 lb/pie³ a 110⁰C

Para el NaOH sol a 110⁰C V= µ/ δ µ NaOH sol=0.001 lb/pie-s δ NaOH sol=75.624 lb/pie³ v=1.3416*10ˉ⁵ pies²/s

v=0.0124 cm²/s

B: 100*(peso del solido/peso del líquido) Mο PET= 56 g Mο NaOH sol=678.168 g

B= 8.257 Despejando nc: De diseño: Dt=3;

Dt/E=4;

H/Dt=1.053;

Da/W=4

Para paleta de dos palas: Da/W=4; S=8; Kt=Np=2.5 Dp=0.00916667 pies para malla 7 (diámetro equivalente) ηс=(S*v⁰·¹*Dp⁰·²*(g*(∆ δ/ δ)) ⁰·⁴⁵*B⁰·¹³)/Da⁰·⁸⁵ S= 8 V= 0.0124 cm²/s Dp=0.00916667 pies g=32.2 pies/ s² ∆ δ=11.135 lb/pie³ B= 8.257 Da= 0.101 pies Reemplazando los valores en la ecuación: ηс=18.853 rev/s Para el cálculo de la potencia necesaria se utiliza la siguiente ecuación: ηс³=(P*550*gс)/(Kt* δ mezcla*Da⁵) Despejando la potencia: P= (ηс³*Kt* δ mezcla* Da⁵)/(550*gс) ηс=18.852 rev/s Kt=Np=2.5

Da=0.101 pies gс=32.2 lbf-pies/lb- s² P= 0.0007869 hp (us)

P=0.0005868KW

P=0.5668 W

7.6.15. Diseño del sistema de agitación para el recipiente de precipitación De la misma manera que en el sistema de agitación 1 se procedió al cálculo de las dimensiones de la paleta de precipitación. Da=diámetro de paleta Dt= diámetro interno del recipiente E= altura desde la base a la paleta W= altura de la paleta H=altura del liquido Datos: Da=5.667 cm

Da=2.230 plg

E=4.25 cm

E=1.673 plg

W=1.417 cm

W=0.557 plg

Estos son los datos reales calculados de dimensiones de la paleta pero para la construcción se aproximaron al valor inmediato superior entero en milímetros. 7.6.16. Calculo energético para el baño térmico El calor necesario tiene dos componentes principales primero el calentamiento hasta llegar a la temperatura de operación y el calor para la manutención de dicha temperatura durante la reacción química.

δ:densidad v: volumen m: masa Q: calor Cp: capacidad calorífica Tref: temperatura de referencia Tfinal. Temperatura final P: potencia t: tiempo I: intensidad de corriente eléctrica R: resistencia eléctrica V: diferencia de potencia Cálculos: Los cálculos que se muestran a continuación corresponden a los requerimientos de calor y potencia teóricos para el sistema de calentamiento. El aceite térmico utilizado es el Thermia grado B de SHELL. δ aceite= m aceite/V aceite δ aceite= 0.868 g/cm³ a 15⁰C V aceite= 2165 cm³ m aceite=2494.239 g

5.499 lb

Q= mCp∆T m aceite=2494.239 g

5.499 lb

Cp aceite =0.489 Btu/lb-⁰F Tref=59⁰F T Final= 248⁰F Q calentamiento=508.608705 Btu Q calentamiento=536073.575 J Q calentamiento=536.074 Kj

Si se considera como tiempos de calentamiento razonable a los mismos utilizados por la hornilla de 2500 W el tiempo es igual a t= 163 minutos = 9780 segundos para el calentamiento y para la manutención es de t= 40 minutos = 2400 segundos. P teórica= Q/t Q calentamiento=536073.575 J t= 9780 s P teórica= 54.813 W Calor para la manutención de la temperatura del sistema. Q manutención= P teórica*t P teórica= 54.813249 W t= 2400 S Q manutención= 131.551 KJ Entonces el calor teórico es: Q total teórico= Q calentamiento + Q manutención Q calentamiento = 536.074 KJ Q manutención =131.551 KJ Q total teórico= 667.625 KJ

Ahora se presentan los cálculos reales proyectados en base a la potencia nominal de la hornilla para el trabajo a escala experimental, en base a los tiempos experimentales. P= V^2/R Características de la hornilla P= 2500 W V= 220 W R= 19.36 Ω I= V/R V= 220 W R= 19.36 Ω I= 11.3636364 Å El calor de calentamiento Q calentamiento = I²*R*t I= 11.363 Å R= 19.36 Ω t= 9780 S Q calentamiento = 24450 KJ

Ahora se calcula el calor de manutención. Q manutencion = I²*R*t I= 11.363 Å R= 19.36 Ω

t= 2400 S Q manutencion = 6000 KJ Q total real= Q calentamiento + Q manutención Q c= 24450 KJ Q manutención =6000 KJ Q total real= 30450 KJ

7.6.17.

Calculo

de

la

longitud

necesaria

de

resistencia

eléctrica Se emplea una resistencia Nikrothal-80 de 1.024 mm de diámetro y resistencia lineal de 1.329 (Ω/m). L: longitud total necesaria RL: resistencia lineal del material R: resistencia total necesaria Lf: longitud final L= R/ RL Datos: R= 19.36 Ω RL = 1.329 Ω/m L= 19.567 m Sobredimensionamiento de 10%. Lf= 19.567*1.1= 16.024 m La longitud necesaria es : 16.024 m.

Este se enrolla con un diámetro externo de 8 mm. La placa calefactora será de aluminio reforzado en la parte externa bajo la misma se encontrara la resistencia eléctrica enrollada sobre una placa aislante con canales de 10 mm de ancho (arcilla refractaria 1000 ⁰C), la placa aislante tiene 20 cm de lado y 2 cm de espesor aseguradas a la estructura de soporte. La estructura de soporte del sistema calefactor será de fierro de 2 mm de espesor.

7.6.18. Calculo del espesor del recipiente a presión de la reacción química t: espesor del recipiente sin incluir corrosión. P: presión de diseño del recipiente. R: radio interno del recipiente. S: máximo esfuerzo permisible para el material. E: eficiencia de la soldadura. De la fuente recopilada se obtiene la siguiente expresión para calcular es espesor minimo del recipiente cilíndrico. t=(P*R)/(S*E-0.6*P) Datos: P= 2.078 lb/plg² R= 4.65 cm

1.8307 plg

S= 13888 lb/plg² a una temperatura de 120 ⁰C (interpolando datos) E= 0.7 soldadura X Con las especificaciones ya citadas el valor de t= 0.2 mm aproximadamente y agregando para corrosión 2 mm el espesor total

del recipiente es t= 2.2 mm. Por las características que tiene el recipiente se propone que el espesor sea de 3 mm, medida de placa existente

en

el

mercado

nacional.

Este

análisis

nos

da

un

sobredimensionamiento del 36%.

7.5.19. Calculo del número de tornillos necesarios para el recipiente a presión de la reacción química d: diámetro tornillo E: modulo de elasticidad l: longitud de penetración del tornillo Kb: rigidez del tornillo Km: modulo de resorte del material de empaque C: relación de rigidez dt: diámetro interior del tubo p: presión máxima en el interior del recipiente P: presión de separación Suc: resistencia a la tensión axial por tamaño SSe: resistencia a la tensión axial a la fatiga de la muestra de viga rotatoria Kc: factor de confiabilidad kf: factor de efectos diversos kd: factor de temperatura Se: limite de resistencia del elemento mecánico At: área de esfuerzo de tensión del tornillo

n: factor de seguridad Fi: fuerza de precarga Dtor: diámetro de circunferencia de posición de tornillos Ag: área total de empaque Dext-emp: diámetro externo del empaque Dint-emp: diámetro interno del empaque P0: presión mínima de sellado Fi:S precarga media del intervalo de precargas aceptables Fit: precarga total de todos los tornillos Fm: fuerza total de apriete m: factor de empaque Para el tornillo la rigidez Kb Kb=(π *d^2*E)/(4*l) d= 6.35 mm l= 19.05 mm o 3/4¨ E= 207 GPa para acero al carbono Kb: 344.122 MN/m Para el material de empaque el modulo de resorte Km Km=(π *E*d)/(2*In[(5*(I+0.5d)/(I+2.5d)] E= 69 MPa (caucho) d= 6.35 mm l= 3 mm espesor del empaque Km= 1.399 MN/m

La relación de rigidez C C= Kb/(Kb+Km) Kb=344.122 MN/m Km= 1.389 MN/m C= 0.996 La fuerza de separación P P= A*p=(π *d²*p)/(4*10⁶) dt= 93 mm interior de tubo p= 1703.507 KPa (presión interna máxima en el recipiente 247.1 lb/pl²) P= 11.572 KN La resistencia a la tensión SSe= 19.2 + 0.314*Suc S uc= 150000 lp/plg² para tornillos grado 8 SSe= 66300 lb/plg² El límite de Resistencia mecánico Se= Kc *Ke* SSe* Kd Kc= 0.879 para un 97% confianza kf= 3 para rosca laminada y grado 8 Ke= 1/Kf= 0.333 SSe= 456.807 MPa Kd= 1 Se= 136.585 MPa

Relación entre N número de tornillos y Fi (KN) Fi= At *((C*n*P)/2N)*(Sut/ Se+1) At= 20.521 mm para tornillo 1/4¨ con 20 hilos n= 1.5 factor de seguridad Se=0.136 GPa Sut = 1.033 GPa Tabla C.55: Calculo de tornillos versus Fi N

22

20

12

10

8

Fi(KN )

17.843

17.506

15.038

13.804

11.953

Tabla 14: Calculo de tornillos versus Fi La carga de prueba Fp= At* Sp At= 20.521 mm para tornillo de 1/4¨ con 20 hilos Sp = 0.826 GPa para tornillo grado 8 Fp= 16.967 KN Condición a cumplir intervalo de precargas aceptables (requisito de fatiga) 0.6*Fp≤Fi≤ 0.9*Fi 10.180≤Fi≤ 15.270 Luego de analizar la tabla y el rango, se debería elegir 8 tornillos, sin embargo existe otra condición muy importante que se debe cumplir que exige que la presión de empaque sea razonablemente uniforme, para cumplir dicho requerimiento se debe tener los tornillos espaciados a no mas de 10 diámetros de tornillo. Perímetro =π *Dtor

Dtor= 126 mm Perímetro = 395.841 mm Diámetro de perno= Perímetro /(N*d) Perímetro = 395.840 mm N= 12 d= 6.35 mm Diámetro de perno= 5.195 Por tanto 12 tornillos es satisfactorio para cumplir las exigencias de uniformidad. En cuanto al empacado se tiene el siguiente requisito que la precarga debe ser igual o mayor que el producto del área de empaque y la presión mínima de sellado expresado en la siguiente expresión. Fi≥Ag *P0 Ag=π/4*(Dext-emp²- Dint-emp²) – N *π/4*d² Dext-emp = 112 mm Dint-emp= 104 mm d= 6.35 mm Ag= 1.357*10³ mm² El Segundo termino es: Ag*P0 Ag= 1.357*10³ mm² P0= 0.00936929 GPa Ag*P0= 12.716 KN La precarga total es el valor medio dentro el intervalo de precargas aceptables FiS

N* FiS S 12.725 KN Fi= N= 12 S 152.704 KN Fit= N* Fi= Fit≥ Ag*P0 por tanto se cumple el requisito. Finalmente se debe cumplir el requisito de carga de apriete: Fm≥ Ag *m*p Fm= P*(1-C)-Fit P= 11.571 KN C= 0.986 Fit= 101.802 KN Fm= -152.657 KN El Segundo termino: Ag *m*p Ag= 1.357168026 *10³ m= 2 p= 1703.507 KPa Ag *m*p= 4.624 KN el requisito de apriete también queda satisfecho. 8 Conclusiones y recomendaciones 

Se concluye que el método elegido, la despolimerización básica del PET post-consumo, es un método que se puede adaptar fácilmente a la ciudad de Cochabamba con el tipo de PET postconsumo que se tiene dentro el mercado local.



El rendimiento promedio final fue de 23.33% (p/p), el cual esta referido a la cantidad de materia prima procesada.



Se recomienda que el sistema de reacción debe armarse teniendo cuidado de tener un cierre hermético en el equipo para la realización del proceso.



Se recomienda utilizar PET no contaminado con aceites o productos químicos en la realización del proceso con el fin de no dificultar los procesos de separación y disminuir la pureza del producto final.



Se recomienda utilizar el sistema de agitación propuesto ya que ayudara también a mejorar el rendimiento del proceso.



En cuanto a los equipos y materiales de protección personal se recomienda el uso de cada uno de estos con el fin de evitar algún daño en las personas que puedan realizar este trabajo.

9 Bibliografía Morrison – boyd (998),”Quimica Organica” 6ta edición, Ed., Edamsa S.A., Mexico, 834-836-862-863. Himmelblau (1997),”Principio básicos y cálculos de ingeniería química” 6ta Ed. México, 732. McCabe-Smith

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unitarias

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ingeniería

química”6ta Ed. México 289,290, 1156,262. Cisproquim (2005)”hoja de datos de seguridad Hidróxido de sodio, acido sulfúrico”, cisproquim, colombia, 3; argentina, 1. C.J. Geankoplis (1998),”Proceso de transporte y operaciones unitarias”, 3ª Ed., C.E.C.S.A., Mexico, 944,965. Skoog/West/Holler (1995), “Quimica analitica”, 6a Ed., Mc Graw Hill, Mexico, 21.