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UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
CARRERA INGENIERÍA QUÍMICA
Estudio cinético de la reacción para la obtención de la
resina tereftálica utilizando el anhídrido maleico
AUTORES:
JAIRO JAVIER BAQUE MORA
JOSE EMILIO QUEZADA ANDRADE
TUTOR:
Ing. Tonny Coloma Coloma
CO TUTOR:
Ing. Enrique Tandazo Delgado
GUAYAQUIL - ECUADOR
2016
II
DERECHO DE AUDITORÍA
JAIRO JAVIER BAQUE MORA y JOSE EMILIO QUEZADA ANDRADE,
declaramos bajo juramento que el trabajo aquí descrito es de su autoría,
que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación
personal, y que hemos consultado las referencias bibliográficas que se
incluyen en este documento.
A través de la presente declaración cedemos los derechos de propiedad
intelectual a la UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL FACULTAD DE
INGENIERÍA QUÍMICA, según lo establecido por la ley de la propiedad
intelectual y su reglamento.
__________________________________ JAIRO JAVIER BAQUE MORA
__________________________________ JOSE EMILIO QUEZADA ANDRADE
III
CERTIFICADO DEL TUTOR
ING. QUIM. TONNY COLOMA COLOMA Msc. certifico haber tutelado el
trabajo de titulación; “DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN REACTOR
PARA REALIZAR UN ESTUDIO SOBRE LA RESINA TEREFTÁLICA A
PARTIR DE LOS RESIDUOS PET”, que ha sido desarrollada por JAIRO
JAVIER BAQUE MORA Y JOSE EMILIO QUEZADA ANDRADE, previa
la obtención del título de Ingeniero Químico, de acuerdo al reglamento
para la elaboración de trabajo de titulación para el grado de tercer nivel de
la Universidad de Guayaquil, Facultad de Ingeniería Química.
_______________________________________ ING. QUIM. TONNY COLOMA COLOMA Msc.
IV
AGRADECIMIENTOS
Agradecezco en primer lugar a Dios, por darme salud y fuerzas para salir
adelante, a mi madre por no dejare desmallar para lograr este objetivo, a
mis tutores habernos brindado y compartido todos sus conocimientos para
poder desarrollar esta tesis, también a todo ese claustro de profesores(as)
que nos impartieron sus grandes conocimientos para así llegar hacer
grandes profesionales, a nuestros compañeros por ser un apoyo
fundamental en todo el transcurso de nuestra vida como estudiantes y por
último a todas esas personas que de una u otra manera nos ayudaron a
cumplir con nuestra meta.
Jairo Javier Baque Mora
A mis padres quienes me motivaron y apoyaron en cada una de mis
decisiones, como estudiante se me presentaron dificultades y he logrado
levantarme, en este objetivo, he podido darme cuenta lo importante que
es tener el apoyo de ellos y de mi familia quienes comparten conmigo día
a día.
José Emilio Quezada Andrade
V
DEDICATORIA
Dedico este trabajo de titulación a
mi madre, amigos y demás
personas quienes ha sido mi apoyo
incondicional en todos mis años de
estudio, quienes estuvieron
motivándome siempre para que no
desmaye, también a los profesores
que me brindaron sus
conocimientos para lograr este
objetivo.
Jairo Javier Baque Mora
A mis padres por haberme
apoyado en todo momento, por
los ejemplos de perseverancia y
constancia que lo caracterizan y
que me ha infundado siempre, a
mi esposa e hijos, ya que ellos
fueron mi motivación para seguir
adelante en mis estudios.
José Emilio Quezada Andrade
VI
ÍNDICE GENERAL
UNIVERSIDAD ........................................................................................... I
DERECHO DE AUDITORÍA ...................................................................... II
CERTIFICADO DEL TUTOR .................................................................... III
AGRADECIMIENTOS .............................................................................. IV
DEDICATORIA .......................................................................................... V
ÍNDICE GENERAL ................................................................................... VI
ÍNDICE DE GRÁFICO ............................................................................... X
ÍNDICE DE TABLA .................................................................................... X
ÍNDICE DE FIGURA ................................................................................. XI
RESUMEN ............................................................................................... XII
SUMMARY ............................................................................................. XIII
INTRODUCCION ....................................................................................... 1
CAPÍTULO I............................................................................................... 2
1 EL PROBLEMA ................................................................................... 2
1.1 Tema............................................................................................. 2
1.2 Planteamiento del Problema ......................................................... 2
1.3 Formulación del Problema ............................................................ 2
1.4 Diagnóstico del Problema ............................................................. 3
1.5 Delimitación del problema ............................................................. 3
1.6 Objetivos ....................................................................................... 3
1.6.1 Objetivo general ..................................................................... 3
1.6.2 Objetivos específicos: ............................................................ 4
1.7 Justificación de la Investigación .................................................... 4
1.8 Hipótesis ....................................................................................... 4
1.9 Variables ....................................................................................... 5
1.9.1 Variables Independientes ....................................................... 5
1.9.2 Variables dependientes .......................................................... 5
1.10 Operacionalización de las variables ............................................. 5
VII
CAPÍTULO II .............................................................................................. 6
2 FUNDAMENTOS DE DISEÑO DE UN REACTOR .............................. 6
2.1 Introducción al Diseño de Reactores ............................................ 6
2.2 Ingeniería de la Reacción Química ............................................... 6
2.3 Cinética Química .......................................................................... 7
2.4 Velocidad de Reacción ................................................................. 8
2.4.1 Factores que dependen la velocidad de reacción .................. 9
2.4.2 Orden de reacción .................................................................. 9
2.4.3 Cinéticas de segundo orden ................................................. 10
2.5 Reacciones Químicas ................................................................. 11
2.5.1 Reactivos y productos .......................................................... 11
2.5.2 Clasificación de las reacciones ............................................ 11
2.6 Reactores Químicos ................................................................... 14
2.6.1 Reactores Ideales ................................................................ 16
2.6.2 Clasificación de los reactores ............................................... 18
2.6.3 Funciones de un reactor químico ......................................... 20
2.7 Tipos de Reactores ..................................................................... 20
2.7.1 Según el modo de operación ............................................... 20
2.7.2 Según el tipo de flujo interno. ............................................... 20
2.7.3 Según las fases que albergan .............................................. 21
2.7.3.1 Reactor Discontinuo .......................................................... 21
2.8 PET ............................................................................................. 24
2.8.1 Estructura del PET ............................................................... 24
2.9 Reciclaje Químico ....................................................................... 25
2.10 Resina Tereftálica ....................................................................... 25
Reactor de Tipo Flujo en Pistón.- ............................................................. 26
Reactor de Mezcla Completa ................................................................... 27
2.11 Descripción de un Reactor Discontinuo de Mezcla Perfecta ...... 27
2.11.1 Tipos de Reacciones ............................................................ 29
Reacción Homogénea ............................................................................. 30
Reacción Heterogénea ............................................................................ 30
2.12 Cinética de las Reacciones Homogéneas .................................. 30
VIII
Condiciones de reacción .......................................................................... 33
Calor de reacción ..................................................................................... 34
Necesidades de agitación y mezcla de reacción ..................................... 34
El material de construcción del reactor y del equipo auxiliar: .................. 34
2.13 Introducción al PET .................................................................... 34
2.13.1 Síntesis del PET ................................................................... 35
2.14 Reciclado Químico ...................................................................... 36
2.14.1 El proceso químico ofrece las siguientes ventajas ............... 37
2.15 Procesos de Depolimerizacion ................................................... 38
2.15.1 Hidrólisis. .............................................................................. 38
2.15.2 Glicólisis ............................................................................... 40
2.16 Resinas de poliéster no saturado ............................................... 42
2.17 Resina Tereftálica ....................................................................... 43
2.17.1 Usos y aplicaciones: ............................................................. 44
2.17.2 Características de la resina de poliéster tereftálica: ............. 45
2.17.3 Beneficios de la resina de poliéster tereftálica: .................... 45
CAPÍTULO III ........................................................................................... 47
3 MATERIALES Y METODOLOGIA .................................................... 47
3.1 Descripción del Área de Estudio ................................................. 47
3.2 Métodos de Diseño del Proceso ................................................. 47
3.3 Materiales ................................................................................... 48
3.4 Componentes para armar el Reactor .......................................... 49
Acero Inoxidable SS 304 ......................................................................... 50
Bridas.-......................................................................................................50
Termómetro.- ........................................................................................... 50
Manómetro.-............................................................................................. 50
Válvula de bola.- ...................................................................................... 50
Condensador.- ......................................................................................... 50
Hornilla Eléctrica.- .................................................................................... 51
Agitador.-…………………………………………………………………….....51
Motor Eléctrico.- ....................................................................................... 51
Tanque de Separación.- .......................................................................... 51
IX
Válvula Reguladora.- ............................................................................... 51
3.5 Proceso para armar el Reactor ................................................... 52
3.6 Características del Reactor ......................................................... 53
3.6.1 Proceso para la producción del Ácido Tereftálico. ............... 55
3.6.2 Proceso para la producción de la Resina Tereftálica. .......... 55
3.7 Diagrama de proceso de la Glicólisis .......................................... 56
3.8 Diagrama de proceso de la resina. ............................................. 56
3.9 Procedimiento de la Glicólisis del PET ....................................... 57
3.10 Datos experimentales: ................................................................ 48
3.11 Proceso de la Resina Tereftálica ................................................ 61
3.12 Calculo para la concentración del Anhídrido Maleico. ................ 63
3.13 Balance de la Reacción .............................................................. 64
3.13.1 Balance de materia y energía: Reacción acido .................... 64
3.13.2 Balance de energía de la ecuación ...................................... 65
3.13.3 Calculo de Diseño ................................................................ 67
3.13.4 Tiempo de reacción .............................................................. 69
3.13.5 Eficiencia o rendimiento de la reacción ................................ 70
3.14 Prueba de la calidad de la resina ................................................ 71
3.14.1 Análisis de Resultados ......................................................... 72
3.15 CONCLUSIONES ....................................................................... 73
3.16 RECOMENDACIONES ............................................................... 73
BIBLIOGRAFIA ....................................................................................... 75
ANEXOS .................................................................................................. 78
X
ÍNDICE DE GRÁFICO
Gráfico 1. Curva de 1era prueba de ácido tereftálico. ............................. 48
Gráfico 2. Curva de 2da prueba de ácido tereftálico. .............................. 49
Gráfico 3. Curva de 3era prueba de Ácido Tereftálico. ........................... 50
Gráfico 4. Prueba de Resina Tereftálica. ................................................ 62
Grafico 5. Curva de Concentración de Anhídrido Maleico. .................... 62
ÍNDICE DE TABLA
Tabla 1. Cuadro de Operacionalización de las variables. .......................... 5
Tabla 2. Clasificación de las reacciones químicas empleada en el diseño
de reactores. ............................................................................................ 13
Tabla 3. Criterios para la clasificación de reactores. ............................... 19
Tabla 4. Propiedades Físicas Resina Treftalica. ..................................... 26
Tabla 5. Proceso y aspectos de un reactor. ............................................ 29
Tabla 6. Resultados de la resina ............................................................. 71
XI
ÍNDICE DE FIGURA
Figura 1. Velocidad de Reacción. ............................................................. 9
Figura 2. Tipos de reactores ideales: (a) Reactor discontinuo, (b) Reactor
flujo en pistón, (c) Reactor de mezcla completa. ..................................... 16
Figura 3. Poli (etilen-tereftálato), PET ..................................................... 24
Figura 4. Diferentes métodos de Despolimerización del PET. ................ 38
Figura 5. Hidrolisis Del PET .................................................................... 39
Figura 6. Metanólisis Del PET ................................................................. 40
Figura 7. Glicólisis del PET. ................................................................... 41
Figura 8. Medidas de Reactor Químico para Resina. ............................. 53
Figura 9. Componentes de Reactor Químico para Resina. .................... 54
Figura 10. Diagrama del proceso de la Glicólisis. ................................... 56
Figura 11. Diagrama de proceso de la resina. ........................................ 56
XII
RESUMEN
Se realizó este estudio para contribuir en lo que es poder minimizar en
gran parte la contaminación que se produce a diario debido a este tipo de
material (Pet). Por lo cual con la ayuda de este prototipo de reactor tipo
batch se pudo realizar la degradación del Pet, se espera que dicho
proceso sea implementado en el Laboratorio de Operaciones Unitarias de
la Facultad de Ingeniería Química de la Universidad de Guayaquil. Como
sabemos que el Pet es un material que tarda años en degradarse,
provocando así un gran impacto ambiental por su excesiva utilización en
todo el planeta, y por lo cual es de mucha importancia este estudio para la
realización de este tipo de proceso para la población estudiantil. El equipo
se armó con acero inoxidable, con un sistema de agitación que consta
con (un motor de 0.5 Hp y un eje transmisión de 3 paletas), un tanque de
2.75 lts., y utilizando una fuente de energía de 110V. Los principales
métodos utilizados dentro de esta investigación es la degradación por
medio de Glicólisis para así obtener el ácido tereftálico y etilen glicol como
residuo, el otro método a seguir es una reacción en cadena del producto
obtenido en el primer método con algunos aditivos para así obtener la
resina tereftálica. Los resultados obtenidos dentro de esta investigación
fueron satisfactorios ya que se obtuvo la resina tereftálica, con olor, color,
textura con viscosidad de 320 cps y una acidez de 28, las cuales son
carácteriscas propias de esta resina.
Palabras Claves: Glicólisis Reacción reversible Resina
XIII
SUMMARY
This study was conducted to contribute to what is to minimize the pollution
that occurs daily due to this type of material (Pet) largely. Therefore with
the help of this prototype batch type reactor could be performed Pet
degradation, it is expected that this process is implemented in the
Laboratory of Unit Operations of the Faculty of Chemical Engineering at
the University of Guayaquil. As we know that PET is a material that takes
years to degrade, causing a major environmental impact due to its
excessive use around the world, and so it is very important this study to
carry out this type of process for the population student. The team was
assembled with stainless steel, with a stirring system consisting with (0.5
Hp engine and transmission shaft 3 pallets), a tank of 2.75 liters., And
using a 110V power source. The main methods used in this research is
the degradation by means of glycolysis to obtain terephthalic acid and
ethylene glycol as a residue, other method to follow is a chain reaction of
the product obtained in the first method with some additives to obtain the
terephthalic resin. The results obtained in this research were satisfactory
since the terephthalic resin was obtained, with odor, color, texture with
viscosity of 320 cps and an acidity of 28, which are characteristic of this
resin caracteriscas.
Keywords: Glycolysis Reversible reaction Resin
1
INTRODUCCION
Este tema de investigación se basa en aportar en el cuidado del medio
ambiente, a través de la degradación de los residuos del PET, proceso
que es empleado en algunos países del mundo, para así disminuir el
impacto ambiental que producen este tipo de contaminación que viene
hacer una de las principales causas de contaminación, por su alto tiempo
que toma en degradarse este componente.
Estudios realizados por otras investigadores sobre este tema, nos llevaron
a poder también realizar este tipo de estudio, para así aportar en la
disminución de la contaminación dentro del país, creando así un equipo
que nos permita realizar este proceso investigativo, para la realización de
este tipo de pruebas y experimentaciones, que conllevan a realización de
la investigación que requiere realizar.
Con este tipo de investigación que vamos a realizar esperemos que sea
de gran aporte para el medio ambiente, sino que también para poder
contribuir con el desarrollo de la matriz productiva del país.
2
CAPÍTULO I
1 EL PROBLEMA
1.1 Tema
Estudio cinético de la reacción para la obtención de la resina tereftálica
utilizando el anhídrido maleico.
.
1.2 Planteamiento del Problema
El PET es un material que tarda años en degradarse, este tipo de material
está presente en la elaboración de envases plásticos a nivel mundial
provocando un gran impacto ambiental en todo el mundo, por su excesiva
utilización en todo el planeta.
En la actualidad es necesario conocer cuáles son los conocimientos
técnicos y prácticos sobre el contaminante de este material, para los
estudiantes de la facultad de Ingeniería Química.
El estudio de estas reacciones dentro de un equipo apropiado, permitirá
realizar estudios de mucha importancia en el laboratorio de operaciones
unitarias de la facultad.
1.3 Formulación del Problema
Realizar el estudio de este tipo de experimentaciones, permitirá que
demás personas, principalmente los estudiantes de Ingeniería Química de
la Universidad de Guayaquil puedan saber un poco más del tema y así
mismo seguir ampliando dicho estudio de esta resina tereftálica.
3
1.4 Diagnóstico del Problema
Implementar este tipo de estudio dentro del laboratorio, utilizando como
estudio el PET para poder obtener resina tereftálica. Esto ayudara para el
estudio y aprendizaje de los estudiantes de manera práctica y didáctica ya
que podrán verificar más detalladamente cual es el comportamiento de
esta resina.
Es importante que conozcan muy bien cuáles son las reacciones que
ocurren dentro de estas pruebas, para así ayudar a los estudiantes a ver
cuál es el proceso y los parámetros de control a seguir dentro de estas
experimentaciones.
1.5 Delimitación del problema
Campo: Industrial
Área: Ingeniería
Aspectos: Reacción cinética, reactor químico, obtención de resina
tereftálica,
Tema: Estudio cinético de la reacción para la obtención de la resina
tereftálica utilizando el anhídrido maleico.
1.6 Objetivos
1.6.1 Objetivo general
Analizar la reacción cinética para la obtención de la resina tereftálica
utilizando el anhídrido maleico.
4
1.6.2 Objetivos específicos:
Determinar los parámetros de control dentro de estas reacciones.
Establecer métodos para la obtención de la resina tereftálica.
Determinar la calidad de resina obtenida como producto.
1.7 Justificación de la Investigación
Obtener resina a partir de los residuos del PET por medio de un reactor
didáctico, enfocándonos principalmente a los diferentes tipos de
reacciones que ocurren, para que de esta manera se pueda brindar al
estudiante una mayor amplitud de conocimientos sobre los diferentes
procesos que se pueden realizar y los controles que se deben tomar para
la obtención de otro producto, como es el caso de la resina tereftálica, la
cual se puede utilizar para recubrir materiales con fibra de vidrio dándole
así a estos materiales mayor resistencia al ambiente y a la humedad
como son a barcos, tuberías, tanques, etc.
1.8 Hipótesis
Realizar este tipo de estudio del comportamiento de las reacciones,
permitirá enriquecer los conocimientos de los estudiantes, sobre los
diferentes procesos que se puedan realizar en un equipo, como es la
producción de Resina Tereftálica, que se realiza por diferentes reacciones
para este proceso, estoy permitirá que los estudiantes realicen este tipo
de experimentación, sino que también puedan realizar otros tipos de
experimentaciones acorde a los parámetro de estudio.
5
1.9 Variables
1.9.1 Variables Independientes
Reactor químico.
1.9.2 Variables dependientes
Obtención de Resina Tereftálica.
1.10 Operacionalización de las variables
Tabla 1. Cuadro de Operacionalización de las variables.
Tipo de variables
Variables Sub-
variables Definición
Dependientes
Lavado Troceado Reacción reversible
Temperatura Magnitud que mide partículas en agitación.
Tiempo Magnitud obtenida del cambio de estado.
Masa Magnitud física que es la medición de cantidad de material utilizado.
Independientes Reactor
Presión Magnitud que es propia de cada material.
Volumen Magnitud Físicas de Sustancia a Mezclar.
Temperatura Magnitud de resistencia de los materiales.
Fuente: Jairo Javier Baque Mora y José Emilio Quezada Andrade Elaborado Por: Jairo Javier Baque Mora y José Emilio Quezada Andrade
6
CAPÍTULO II
2 FUNDAMENTOS DE DISEÑO DE UN REACTOR
2.1 Introducción al Diseño de Reactores
El diseño de estos reactores se realiza en forma empírica ya que los
modelos teóricos son extremadamente imprecisos, debido a que se
desconoce hasta ahora la manera en que algunos parámetros relevantes
influyen sobre la conversión en la reacción química. Consecuentemente,
es típico que los rendimientos de estos equipos (medidos por el porciento
de conversión de productos a reactivos respecto de la máxima conversión
posible) sean bajos. Por otro lado es importante hacer notar que en
muchos de los casos no se sabe con exactitud cuál pudiera ser el límite
del proceso, a las condiciones a las cuales ocurre.
En un principio la Ingeniería Química estudiaba conjuntamente todo tipo
de operaciones unitarias. Sin embargo, a partir de los años 40, la
operación química adquiere entidad propia, se profundiza en su estudio y
se desarrolla un lenguaje específico. Todo ello culmina con la
consolidación, en 1957.
2.2 Ingeniería de la Reacción Química
La Ingeniería de la Reacción Química o Ciencia de los Reactores, de
acuerdo a la definición en el Congreso de Ámsterdam de 1957, tiene por
objeto el Diseño y control de reactores químicos para producciones
industriales. Ello comporta el análisis de reactores, tanto el diseño como la
operación de los mismos. (CUNILL, IBORRA, & TEJERO, 2010) .
7
Para el diseño de un reactor se debe considerar el tamaño, tipo de reactor
y las condiciones de operación más adecuada para el fin propuesto. En
base a esto debemos constar con la siguiente información.
1.- El tipo de reacción simple o compleja.
2.- La necesidad de un catalizador o no.
3.- Las fases comprendidas dentro de la reacción.
4.- Las condiciones de operaciones requeridas (temperatura, presión,
etc.).
5.- Las composición de las corriente de alimentación, velocidad de flujo (o
bien la carga inicial para un reactor por lotes o Bath). (CUNILL, IBORRA,
& TEJERO, REACTORES MULTIFÁSICOS, 2012)
Estas características imponen serias dificultades en el diseño del reactor,
principalmente cuando se quiere preservar la seguridad y el medio
ambiente y optimizar el rendimiento y los costes.
2.3 Cinética Química
La cinética química es el estudio de la velocidad y del mecanismo por
medio de los cuales una especie química se transforma en otra. La
velocidad es la masa, en moles, de un producto formado o de un
reactante consumido por unidad de tiempo. El mecanismo es la secuencia
de eventos químicos individuales cuyo resultado global produce la
reacción observada.
La palabra mecanismo indica todos los procesos individuales colisiónales
o elementales en los que intervienen moléculas (átomos radicales o iones)
que se verifican simultánea o consecutivamente, produciendo la velocidad
total observada. Se entiende también que el mecanismo de una reacción
debe proporcionar una idea estereoquímica detallada de cada etapa a
medida que se verifica. Esto implica un conocimiento del llamado
8
complejo activado o estado de transición, no sólo en términos de las
moléculas constitutivas sino también en términos de la geometría, tales
como las distancias y los ángulos interatómicos. En la mayor parte de los
casos, el mecanismo postulado es una teoría ideada para explicar los
resultados finales observados en los experimentos. Como cualquier otra
teoría, la de los mecanismos está sujeta a modificaciones con el correr de
los años, a medida que se obtienen nuevos datos o se establecen
conceptos referentes a las interacciones químicas. (Levenspiel, Ingeniería
de las reacciones quimicas , 2004)
2.4 Velocidad de Reacción
La velocidad o también llamado “rapidez” de una reacción química se
puede expresar de varias formas. A veces, conviene medir la
concentración “x” de un producto de reacción a diversos tiempos.
En la curva a de la Figura, se muestra esquemáticamente cómo puede
variar esta concentración con el tiempo. La velocidad en un instante
determinado se puede deducir de la pendiente
de la curva en el punto
que corresponde a dicho instante. Si las unidades de concentración se
toman en
, las unidades de velocidad serán
.
También se puede tomar como referencia la concentración de uno de los
reactivos en función del tiempo, con lo que se obtendría la curva de la
Figura 1-1, en este caso, las pendientes
son de signo negativo. Por lo
tanto, habrá que tenerlo en cuenta y enunciar la velocidad como
.
Es importante hacer notar que la velocidad de una reacción química
puede presentar un valor numérico diferente según la forma en que se la
defina y mida. (Perry, 2001)
9
Figura 1. Velocidad de Reacción.
Fuente: (Levenspiel, Ingeniería de las reacciones químicas, 2005) Elaborado Por: Jairo Javier Baque Mora y José Emilio Quezada Andrade
2.4.1 Factores que dependen la velocidad de reacción
La velocidad de una reacción depende de la composición de las
sustancias reaccionantes así como también de una serie de otros
factores. Entre ellos destacan, su forma física, del nivel de mezcla de los
reactivos, del tamaño y concentración de los reactivos, de la temperatura,
de la presión, de las concentraciones de los reactivos, de sustancias que
afecten la reacción sin ser ellas un reactivo o producto (catalizadores) y
de algunas condiciones especiales propias del sistema como pueden ser
la radiación de luz visible, UV, RX, neutrones u otras.
2.4.2 Orden de reacción
En algunas reacciones, las velocidades son proporcionales a las
concentraciones de los reactivos elevadas a una potencia. Sólo en esos
casos, es conveniente hablar de orden de reacción. Si la velocidad es
directamente proporcional a una sola concentración, se tendrá que:
1
10
Y se dice que la reacción es de primer orden. El término segundo orden
es aplicable a dos tipos de reacciones: aquellas cuya velocidad es
proporcional al cuadrado de una sola concentración.
2
y a aquellas cuya velocidad es proporcional al producto de dos
concentraciones de diferentes reactivos.
2.4.3 Cinéticas de segundo orden
En el caso de reacciones de segundo orden hay dos posibilidades: la
primera la velocidad puede ser proporcional al producto de dos
concentraciones iniciales iguales y la segunda el producto de dos
concentraciones iniciales diferentes.
El primer caso se da cuando se parte de un solo reactivo, proceso que se
puede representar esquemáticamente como:
También puede darse el caso de una reacción entre dos sustancias
diferentes, siempre y cuando sus concentraciones iniciales sean iguales.
11
2.5 Reacciones Químicas
2.5.1 Reactivos y productos
Las transformaciones químicas son aquellas en las que las sustancias
que están presentes originalmente desaparecen para aparecer unas
sustancias nuevas. Estas transformaciones se llaman reacciones
químicas.
Las sustancias que empiezan y van desapareciendo, transformándose en
otras reciben el nombre de reactivos, mientras que las sustancias que se
van produciendo por la transformación química que sufren los reactivos se
conocen con el nombre de productos.
En principio, antes de que empiece la reacción química, sólo tendremos
reactivos. Cuando la reacción química comienza, la cantidad de reactivos
va disminuyendo y aparece y aumenta la cantidad de productos. Al
finalizar la reacción, normalmente tendremos productos y no habrá alguno
o algunos de los reactivos iniciales.
A veces los productos de la reacción química son, a su vez, reactivos de
otra. Tendremos entonces un conjunto de reacciones químicas sucesivas.
Un caso especial es cuando los productos dan lugar a la misma reacción
química, pero en sentido inverso, originándolas sustancias iniciales. Esta
reacción, que se da en los dos sentidos, se llama equilibrio químico.
(Universidad Politécnica de Madrid, 2008)
2.5.2 Clasificación de las reacciones
“Hay muchas maneras de clasificar las reacciones químicas. En la
Ingeniería de las reacciones químicas probablemente el esquema más útil
es el que resulta de dividirlas, de acuerdo con el número y tipo de fases
12
implicadas, en dos grandes grupos: sistemas homogéneos y
heterogéneos.
Una reacción es homogénea si se efectúa solamente en una fase, y es
heterogénea si, al menos, se requiere la presencia de dos fases para que
transcurra a la velocidad que lo hace.
Es indiferente que la reacción heterogénea tenga lugar en una, dos, o
más fases, o en la interface, o si los reactantes y los productos están
distribuidos entre las fases o están todos contenidos en una sola fase; lo
único que interesa es que se necesitan, al menos, dos fases para que la
reacción transcurra del modo que lo hace.
Esta clasificación no está, a veces, perfectamente diferenciada, como
ocurre en el gran grupo de reacciones biológicas sustrato-enzima, en las
que la enzima actúa como catalizador para la producción de proteínas.
Ahora bien, las propias enzimas son proteínas altamente complicadas de
gran peso molecular y de tamaño coloidal comprendido entre 10 y 100
m.u. por lo que las soluciones que contienen enzimas representan una
región confusa entre los sistemas homogéneos y heterogéneos.
Otros ejemplos en los que la distinción entre sistemas homogéneos y
heterogéneos no es tajante, lo constituyen las reacciones químicas muy
rápidas tales como la llama de combustión de un gas, en las que puede
no existir homogeneidad en la composición o en la temperatura.
Por consiguiente, estrictamente hablando, no tienen una sola fase, ya que
una fase implica uniformidad en la temperatura, la presión y la
composición. El modo de clasificar estos casos límites es sencillo;
depende de cómo decidamos tratarlos, y esto a su vez depende de qué
descripción.” (Levenspiel, Ingeniería de las reacciones químicas, 2005)
13
Tabla 2. Clasificación de las reacciones químicas empleada en el diseño de
reactores.
Catalizadas No catalizadas
Homogéneas La mayor parte de las
reacciones en fase
liquida
La mayor parte
de las reacciones
en fase gaseosa
Heterogéneas Reacciones en sistemas
coloidales
Reacciones con enzimas
microbiológicas
reacciones
rápidas como la
combustión de
una llama
Sistemas del amoniaco
Oxidación del amoniaco
para dar ácido nítrico
Cracking del petróleo
Oxidación de SO2 a SO3
Combustión del
carbón
Tostación de
minerales
Ataque de solidos
por ácidos
Absorción gas-
líquido con
reacción
Reducción de
minerales de
hierro a Hierro y
acero
Fuente: LEVENSPIEL O., Ingeniería de las Reacciones Químicas; pag. 4 Elaborado Por: Jairo Javier Baque Mora y José Emilio Quezada Andrade
14
2.6 Reactores Químicos
“Un reactor químico es una unidad de proceso diseñada para llevar a
cabo una o varias reacciones químicas. Esta definición generalmente
implica un sistema bien delimitado, casi siempre un recipiente cerrado,
con líneas de entrada y salida claramente especificadas y un estricto
algoritmo de control.”
La importancia del reactor viene dada porque condiciona en gran medida
el éxito de una planta química. Esto es así porque, aunque el coste del
reactor en sí mismo, incluyendo su equipo auxiliar, a menudo constituye
sólo una pequeña parte del coste total en la planta, los procesos de
separación de productos y tratamiento de efluentes, una fracción muy
significativa no sólo del inmovilizado en la planta sino sobre todo de sus
costes de operación, dependen fuertemente de la composición obtenida a
la salida del reactor.
En los reactor es, además, donde suele encontrarse la mayor complejidad
del proceso, las condiciones más severas de presión y temperatura y las
mejores oportunidades para el desarrollo del proceso, junto con las
probabilidades más altas para un accidente grave en la operación de la
planta. (Perry, 2001)
“El diseño del reactor debe asegurar que éste cumpla con su objetivo:
proporcionar un producto dado a partir de reactantes conocidos, con una
velocidad y selectividad determinadas, mediante un proceso seguro y
respetuoso con el medio ambiente.”
En un sentido amplio, supone la determinación de:
El tipo de reactor más adecuado para el proceso de reacción que se
quiere realizar.
15
La dimensión característica del reactor seleccionado (volumen del
reactor, tiempo de reacción necesario, longitud del reactor, etc.)
Las condiciones óptimas de operación (temperatura o perfil de ésta,
presión, agitación, etc.), los intervalos permisibles de las mismas y la
respuesta ante su variación.
Las medidas de seguridad asociadas al reactor y su operación.
Aunque el reactor en si no represente económicamente un porcentaje
elevado de la inversión (normalmente < 10%), se considera que es el
núcleo del proceso químico. Ello es debido a que su comportamiento
condiciona las operaciones de acondicionamiento y separación.
Para implementar un reactor en un proceso hay que:
Diseñarlo
Hacerlo construir
Mantenerlo en operación
En el diseño del reactor es necesario:
Seleccionar el tipo 10
Dimensionar
Realizar el diseño o ingeniería de detalle
“La selección del tipo de reactor tiene por objeto maximizar el rendimiento
material y energético de la planta. Para ello hay que considerar:
16
Las características de la reacción: Las reacciones químicas varían
radicalmente según el número de las fases presentes, el mecanismo de
reacción (una o varias etapas), la existencia de equilibrios, los efectos
térmicos y la sensibilidad a las condiciones físicas (presión, temperatura,
agitación).
Estas características imponen serias dificultades en el diseño del reactor,
principalmente cuando se quiere preservar la seguridad y el medio
ambiente y optimizar el rendimiento y los costes.
Aspectos técnicos (agresividad del medio, naturaleza de los materiales)
Económicos (materiales disponibles en el mercado, producción, costes de
la energía). Todo ello empíricamente viene englobado en la afirmación
que indica que para grandes producciones “unidades continuas” y para
pequeñas producciones “unidades discontinuas”.
2.6.1 Reactores Ideales
Existen tres tipos de rectores ideales, como se indica en la figura 2.
Figura 2. Tipos de reactores ideales: (a) Reactor discontinuo, (b) Reactor flujo en pistón, (c) Reactor de mezcla completa.
Fuente: (CUNILL, IBORRA, & TEJERO, Reactores Químicos, 2010)
17
a. “El primero es un reactor discontinuo en donde los reactantes se
introducen en el reactor, se mezclan, se deja que reaccionen en un
tiempo determinado y finalmente se descarga la mezcla resultante.
Es ésta una operación no estacionaria en la que la composición va
variando con el tiempo, aunque en cada instante es uniforme en
todos los puntos del reactor.
b. El primero de los dos reactores ideales de flujo estacionario, es el
reactor de flujo en pistón, este reactor se caracteriza porque el flujo
del fluido perpendicular a una sección transversal es ordenado, sin
que ningún elemento del mismo sobrepase o se mezcle con
cualquier otro elemento situado antes o después de aquél; en
realidad, en este reactor puede haber mezcla lateral de fluido, pero
nunca ha de existir mezcla o difusión a lo largo de la trayectoria de
flujo. La condición necesaria y suficiente para que exista flujo en
pistón es que el tiempo de residencia en el reactor sea el mismo
para todos los elementos del fluido.
c. El otro reactor ideal de flujo estacionario, se denomina reactor de
mezcla completa, y como su nombre indica, es el reactor que su
contenido está perfectamente agitado y su composición en cada
instante es la misma en todos los puntos del reactor. Por
consiguiente, la corriente de salida de este reactor tiene la misma
composición que la del fluido contenido en el mismo.” (CUNILL,
IBORRA, & TEJERO, Reactores Químicos, 2010)
Un reactor se considera un REACTOR IDEAL si:
1. Los reactantes están mezclados a la entrada del reactor, es decir, el
tiempo de mezcla es cero y todo el volumen es útil para la reacción.
2. No se forman agregados moleculares
18
3. Se sigue un modelo de flujo ideal. El modelo de flujo tiene dos
extremos de mezcla que representan la máxima mezcla posible y la
inexistencia de la misma y que constituyen los dos modelos de flujo
ideales posibles; los cuales se representan en el esquema siguiente:
2.6.2 Clasificación de los reactores
Los reactores pueden clasificarse según los siguientes criterios:
Tipo de modelo de flujo: ideal al que tiende (mezcla perfecta, flujo en
pistón) o real.
Número de fases en contacto: homogénea (1 fase), heterogénea (2
fases = bifásica, 3 fases = trifásica).
Modo de operación: continuo, semicontinuo, discontinuo.
Evolución en el tiempo: régimen estacionario y régimen no
estacionario.
Tipo de reacción química: catalítica, bioquímica, esterificación.
19
Tabla 3. Criterios para la clasificación de reactores.
Fuente: CUNILL F., IBORRA M.; TEJERO J.; “Reactores Químicos”, Universidad de Barcelona; Pag. 6. Elaborado Por: Jairo Javier Baque Mora y José Emilio Quezada Andrade
20
2.6.3 Funciones de un reactor químico
Los reactores químicos tienen como funciones principales:
Asegurar el tipo de contacto o modo de fluir de los reactantes en el
interior del tanque, para conseguir una mezcla deseada con los
materiales reactantes.
Proporcionar el tiempo suficiente de contacto entre las sustancias y
con el catalizador, para conseguir la extensión deseada de la
reacción.
Permitir condiciones de presión, temperatura y composición de modo
que la reacción tenga lugar en el grado y velocidad deseada,
atendiendo a los aspectos termodinámico y cinético de la reacción.
2.7 Tipos de Reactores
2.7.1 Según el modo de operación
Reactores discontinuos: son aquellos que trabajan por cargas, es
decir se introduce una alimentación, y se espera un tiempo dado,
que viene determinado por la cinética de la reacción, tras el cual se
saca el producto.
Reactores continuos: son todos aquellos que trabajan de forma
continua.
2.7.2 Según el tipo de flujo interno.
Reactores ideales: suelen ser descritos con ecuaciones ideales
sencillas y no consideran efectos físicos más complejos o
perturbaciones pequeñas.
21
Reactores no ideales: consideran el patrón de flujo, la existencia de
zonas muertas dentro del reactor donde el material no circula,
además consideran una dinámica de fluidos más compleja, suelen
describirse conociendo la cinética de las reacciones, la
RTD (distribución de edad del fluido) del flujo, el tipo de mezclado
pudiendo ser este tardío o inmediato, y conociendo si el tipo de fluido
es micro o macro fluido. (López & Borzacconi, 2009)
2.7.3 Según las fases que albergan
Reactores homogéneos: tienen una única fase, líquida o gas.
Reactores heterogéneos: tienen varias fases, gas-sólido, líquido-
sólido, gas-líquido, gas-líquido-sólido.
Idealmente, pueden suponerse tres tipos de reactores homogéneos:
2.7.3.1 Reactor Discontinuo
Trabajan en estado no estacionario y el más sencillo sería un tanque
agitado. Este reactor tiene la ventaja de que su costo de instrumentación
es bajo, además de ser flexible en su uso (se le puede detener de modo
fácil y rápido). Tiene la desventaja de un elevado costo en su
funcionamiento y de mano de obra debido a la gran cantidad de tiempo
que se pasa parado debido a la carga, descarga y limpieza; Además no
siempre es posible implementar un sistema de control adecuado. Este
reactor suele usarse en pequeñas producciones o pruebas piloto.
Asumiendo que en un reactor batch la composición es uniforme en
cualquier instante y basándose en la selección de un componente
Ec. 4
22
limitante; Las ecuaciones de diseño para este tipo de reactor en estado
estacionario se deducen de la siguiente forma (se toma como ejemplo la
especie molar A):
Siendo V el volumen del fluido en el reactor y la velocidad de
reacción para el componente limitante. Evaluando los términos de la
ecuación anterior se puede calcular el tiempo de residencia necesario
para alcanzar la conversión deseada.
Donde X representa la conversión lograda y está relacionada con la
concentración, están relacionadas por:
X toma un valor entre 0 y 1
Para aquellas reacciones en las que el volumen de la mezcla cambia
proporcionalmente a la conversión la ecuación se transforma en
Ec. 5
Ec. 6
Ec. 7
Ec. 8
Ec. 9
23
Siendo una constante representativa del cambio del volumen en
relación con la conversión, en términos matemáticos:
Para cambios en otros componentes se tiene:
Aparte del tiempo de reacción, en un proceso industrial debe añadirse el
tiempo de carga, descarga y limpieza para un este tipo de reactores y en
general procesos en lotes. El balance de energía para este tipo de reactor
ofrece 3 posibilidades que dependen del modo de operación y de las
exigencias de producción requeridas.
Modo politrópico:
Modo isotérmico:
Modo adiabático:
Ec. 10
Ec. 11
Ec. 12
Ec. 13
Ec. 14
24
Al mencionar servicio se hace referencia a los servicios térmicos, como
ejemplo se puede mencionar el sistema de calentamiento por vapor, o el
uso de un intercambiador de chaqueta en un recipiente. (Revista
Iberoamericana de Polímeros, 2005)
2.8 PET
El PET o poli (etileno tereftálato), es un producto obtenido del petróleo
que corresponde a un poliéster aromático es termoestable. El PET es
obtenido a partir de reacciones de poli-condensación del ácido tereftálico
(ATP) y mono etilenglicol (EG), se obtuvo por primera vez en la década
de los 50 en forma industrial.
El crecimiento industrial del último siglo ha tenido un rol determinante en
el estilo de vida moderno, generando un crecimiento vertiginoso de los
niveles de consumo, en general. Este mayor desarrollo conlleva, a su vez,
un incremento exponencial en la generación de desechos que constituyen
un problema medioambiental que se agrava cada vez más. Una porción
importante de los residuos que genera nuestro estilo de vida moderno,
está constituida por desechos plásticos provenientes principalmente de
envases y empaques, y que, en muchos casos, son desechados luego de
ser utilizados una sola vez. En vista de la creciente conciencia ambiental
en la sociedad, el reciclaje sigue siendo la opción más viable para el
tratamiento de residuos de PET. Entre los varios métodos de reciclaje de
PET (primaria o 'dentro de la planta', secundaria o mecánico, terciaria o
química, cuaternario que implica la recuperación de energía).
2.8.1 Estructura del PET
Figura 3. Poli (etilen-tereftálato), PET
Fuente: (Ramírez, s.f.)
25
2.9 Reciclaje Químico
El reciclado químico se ajusta a los principios del desarrollo sostenible, ya
que conduce a la formación de las materias primas de la que está hecho
de PET originalmente. El reciclado químico utiliza procesos como
hidrólisis, metanólisis, Glicólisis, aminolisis y aminolisis. Sin embargo, la
metanólisis e hidrólisis se llevan a cabo a condiciones de presión y
temperatura mayores que en el caso de la glicólisis, y además, debido a
las condiciones ácidas o básicas de la hidrólisis, esta puede generar
mayores problemas ambientales.En el caso de la glicólisis, el proceso
más empleado, es llevado a cabo con etilenglicol (EG). El producto
principal es el monómero tereftálato de bis (2-hidroxietileno) (BHET) que
puede ser utilizado directamente para la síntesis de PET o de resinas de
poliéster insaturado.
Cuando el PET es disuelto en exceso de EG a altas temperaturas, la
reacción de condensación es reversada, esto es lo que se conoce como
glicólisis, en la cual también se va a tener algunos oligómeros de bajo
peso molecular.
2.10 Resina Tereftálica
La resina tereftálica se caracteriza por tener una alta resistencia al medio
que se lo exponga como puede ser el agua u otro medio, se puede curar
fácilmente el material que está siendo protegido por este tipo de resina.
Sustituyendo así a otros tipos de resina que son menos resistentes. Se
fabrica combinando sustancias químicas como es el ácido tereftálico con
anhídrido maleico, etilen glicol, estireno, solveso, los cuales son utilizado
para obtener un resina de mejor calidad.
En general el uso de esta resina sirve como protección en todo lo que se
vaya a utilizar ya que se hace un revestimiento con este tipo de resina con
26
varias capas de fibra de vidrio, sirve para recubrir como son barcos, botes
y demás materiales que se deseen reforzar.
Tabla 4. Propiedades Físicas Resina Tereftálica.
Viscosidad: 300 – 350 cps
Sólidos: 55 % mínimo
Tixotropía: 1,30 Mínimo
Gel time: 25 -30 Min.
Intervalo de reacción: 10 – 25 Min.
Pico exotérmico: 120 – 200 °C
Índices de acidez: 30 Max
Fuente (Mansilla & Ruiz, 2009) Elaborado Por: Jairo Javier Baque Mora y José Emilio Quezada Andrade
Reactor de Tipo Flujo en Pistón.- También se conoce como reactor de
flujo de tapón, de flujo tubular ideal, y de flujo uniforme; por lo general se
le denomina reactor de flujo en pistón y a su modelo de flujo se le
designa por flujo en pistón.
Se caracteriza por que el flujo del fluido a través de él es ordenado, sin
que ningún elemento del mismo sobrepase o se mezcle con cualquier otro
elemento situado antes o después de aquel; en realidad, en este reactor
puede haber mezcla lateral del fluido, pero nunca ha de existir mezcla o
difusión a lo largo de la trayectoria del flujo.
La condición necesaria y suficiente para que exista flujo en pistón es que
el tiempo de residencia en el reactor sea el mismo para todos los
elementos del fluido. (Levenspiel, 2005)
27
Reactor de Mezcla Completa.- Llamado también reactor de retro
mezclado, reactor ideal de tanque con agitación, o reactor CFSTR
(Constant Flow Stirred Tank Reactor), y como su nombre lo indica, es el
reactor en el que su contenido está perfectamente agitado, y su
composición en cada instante es la misma en todos los puntos del reactor.
Por consiguiente la corriente de salida de ese reactor tiene la misma
composición que la del fluido contenido en el mismo. A este tipo de flujo le
denominaremos flujo en mezcla completa, y el reactor correspondiente
reactor de flujo en mezcla completa. (Revista Iberoamericana de
Polímeros, 2005).
2.11 Descripción de un Reactor Discontinuo de Mezcla Perfecta
Por lo general se fabrican en acero, acero inoxidable, vidrio revestido de
acero, vidrio o aleaciones. Líquidos y sólidos suelen ser cargados a través
de conexiones en la tapa del reactor. Los vapores y gases también se
alimentan a través de conexiones en la parte superior.
El agitador consta de un motor al que se conecta un eje el cual lleva
montados los álabes o paletas. Hay una amplia variedad de diseños de
paletas y normalmente ocupan aproximadamente dos tercios del diámetro
del reactor.
Dicho agitador se suele colocar a 1/3 de la base. En caso de manejar
productos viscosos, se utilizan modelos en los que la paleta dista poco de
la pared del recipiente. La mayoría de los reactores discontinuos utilizan
también paredes deflectoras, cuya función es romper el flujo causado por
la rotación de agitador, es decir, la formación de vórtice. Estas pueden
estar fijadas en la tapa o montadas en las paredes laterales.
Los vórtices son formados por la fuerza centrífuga creada por el impulsor
en un tanque agitador con forma cilíndrica. Un vórtice, además de
28
dificultar el mezclado, introduce gas o aire en el líquido que se está
mezclando. La formación de un vórtice puede tener ventajas en algunos
casos concretos como cuando se desea que el aire o el gas se mezcle,
cuando se desea que la potencia del motor requerida sea menor que si se
tuvieran paredes deflectoras y si se desea utilizar el tanque para
transferencia de calor. Las dimensiones de un vórtice en un tanque
agitador dependen de las relaciones geométricas del cilindro como
relación de Altura/diámetro, del tipo de impulsor (número de aspas, tipo,
dimensiones, forma y ángulo) y de la cantidad de impulsores.
El calor generado en la reacción y la agitación o el calor absorbido en la
reacción se elimina o añade a través de una camisa o de un sistema de
tubos. Dentro de las industrias química y farmacéutica, camisas de
refrigeración externa son generalmente preferidas, ya que el tanque
resulta más fácil de limpiar.
La operación de estas camisas puede ser definida por 3 parámetros:
Tiempo de respuesta para modificar su temperatura.
Homogeneidad de dicha temperatura.
Estabilidad de su temperatura.
La camisa única es el diseño más antiguo cuya utilidad está probada pero
que presenta ciertas limitaciones. Cuando el tanque es grande cuesta
ajustar la temperatura del fluido inyectado, lo cual se traduce en lentitud
en el control. Por otro lado la distribución de dicho fluido también es
defectuosa produciéndose diferencias entre las paredes laterales y el
fondo. A continuación se explican algunas soluciones a este diseño. Una
es usar varias camisas en el mismo reactor cubriendo diferentes
secciones. Otra es la camisa de media bobina se hace soldando tuberías
alrededor del exterior del tanque para crear un flujo circular en el
semicanal con el que se mejora la transmisión. Y una última es la camisa
29
de flujo constante (Co-flujo) es una camisa pero con 20 o más pequeños
elementos. La válvula de control abre o cierra cada uno de estos
elementos según convenga. Al variar la zona de transferencia de calor de
este modo, el proceso se puede regular sin modificar la temperatura de la
camisa. Esta camisa tiene una muy rápida respuesta al control de la
temperatura (por lo general menos de 5 segundos), debido a la corta
duración del flujo y alta velocidad del fluido en los canales. Al igual que en
la camisa de media bobina el flujo es uniforme. Debido a que la camisa
opera a temperatura constante las oscilaciones de temperatura en la
entrada vistas en otras camisas están ausentes. Una característica de
este tipo camisas es que se puede controlar el flujo de calor de una forma
muy precisa lo que permite un mejor control de la velocidad de reacción
para la detección de puntos finales, además de los rendimientos, etc.
(Revista Iberoamericana de Polímeros, 2005).
2.11.1 Tipos de Reacciones
Tabla 5. Proceso y aspectos de un reactor.
Fuente: F.Cunill, M.Iborra, J.Tejero, Universidad de Barcelona Elaborado Por: Jairo Javier Baque Mora y José Emilio Quezada Andrade
30
Basándose en las definiciones anteriores podemos clasificar los tipos de
reacciones en:
Reacción Homogénea.- Involucra una sola fase.
Reacción Heterogénea.-Cuando se requiere más de una fase para que
la reacción se lleve a cabo. Por lo tanto, puede Involucrar más de dos
fases.
Entonces de acuerdo a lo anterior podemos encontrar reactores que
reactores heterogéneos los reactores catalíticos, que operan con la
presencia de catalizador, y los reactores no catalíticos.
Al existir más de una fase se deben tomar en cuenta los fenómenos de
transferencia de masa y energía.
2.12 Cinética de las Reacciones Homogéneas
En las reacciones homogéneas todas las sustancias reaccionantes se
encuentran en una sola fase: gaseosa o líquida, en general. Supóngase
que se tiene cierta reacción química homogénea en la que dos sustancias
A y B (reactivos) reaccionan para dar ciertos productos R y S:
La ecuación estequiométrica dice que 1 mol de A reacciona con b moles
de B para producir r moles de R y s moles de S. Para definir la velocidad
de reacción debemos precisar primero respecto a cuál de todas las
sustancias se refiere, por ejemplo respecto al reactivo A. La velocidad de
reacción se define entonces como la variación de moles de A en el
tiempo. Como conviene definir la velocidad de reacción de manera
intensiva se refiere esa variación al volumen de reacción:
31
De acuerdo a esta definición la velocidad de reacción de un reactivo
(velocidad de desaparición) es positiva. Si rA se definiera respecto a un
producto (velocidad de formación) la expresión no incluye el signo de
menos a los efectos de que la expresión quede positiva.
En sistemas homogéneos la velocidad de reacción depende de la
composición de las sustancias en la fase considerada, así como de la
temperatura y presión del sistema (esta última variable en los sistemas
gaseosos). No obstante, dichas variables son interdependientes, en el
sentido de que la presión queda determinada dada la temperatura y la
composición de la fase. En consecuencia se puede escribir la siguiente
ecuación cinética:
En muchas reacciones se puede encontrar una expresión para la
velocidad de reacción que esté constituida por dos factores: uno
dependiente exclusivamente de la concentración y otro dependiente
exclusivamente de la temperatura. Si se trabaja en condiciones
isotérmicas
donde k se denomina constante cinética de la reacción.
En muchas oportunidades el término que depende de la composición de
la mezcla puede sustituirse por una expresión del tipo:
Ec. 15
Ec. 16
Ec. 17
Ec. 18
32
donde Ci es la concentración (masa por unidad de volumen) de la
sustancia i, donde i = A, B,…..,D son las sustancias que intervienen en la
reacción. Los coeficientes a los cuales están elevados las
concentraciones se denominan órdenes de reacción, esto es, a es el
orden de reacción con respecto al reactivo A, b el orden de reacción de B,
etc., siendo n el orden global de reacción.
En las reacciones elementales ocurren colisiones o interacciones de las
sustancias reaccionantes a nivel molecular que se dan en un solo paso.
Por lo tanto, a una temperatura dada, la velocidad de reacción es
proporcional a la concentración de los reactantes. Por ejemplo, para una
reacción elemental , la expresión de la ecuación cinética será
. Sin embargo, una reacción que responda a una expresión
cinética como la anterior puede no ser elemental.
Las reacciones no elementales pueden tener expresiones cinéticas que
no se correspondan con la estequiometría, pues en realidad son el
resultado final de una serie de pasos (estos si elementales). Su expresión
final, que puede llegar a ser relativamente compleja, deberá determinarse
experimentalmente y eventualmente recurriendo a la verificación de algún
modelo de mecanismo de reacción. (Ramírez, s.f.)
Ciertas reacciones no son irreversibles sino que dado el suficiente tiempo
se llegará a un estado de equilibrio entre reactivos y productos. Muchas
de estas reacciones reversibles pueden considerarse como una
combinación de dos reacciones elementales, una en sentido directo y otra
en sentido inverso:
La velocidad de desaparición de A por la reacción directa está dada por
33
y la velocidad de formación por la reacción inversa está dada por
En el equilibrio la velocidad de desaparición es igual a la velocidad de
formación por lo que:
Donde, es la constante de equilibrio para esta reacción reversible
compuesta por dos reacciones elementales. (La constante de equilibrio
está relacionada también con variables termodinámicas: ,
donde es la variación de energía libre en la reacción, R es la
constante de los gases y T la temperatura absoluta). (López & Borzacconi,
2009)
Parámetros para la selección de un Reactor Químico para su Diseño
y Construcción
Para realizar la selección de un reactor químico se necesita tener en
cuenta diferentes parámetros:
Condiciones de reacción: Se debe determinarse mediante trabajos de
laboratorio la temperatura, presión, caudales, catalizadores,
concentraciones, tiempos de reacción, conversiones y rendimientos.
Pueden obtenerse de un solo experimento, pero se debe disponer de
datos experimentales. No es necesario determinar la cinética o el
Ec. 19
Ec. 20
Ec. 21
Ec. 22
34
mecanismo de la reacción, pero debe realizarse una determinación
experimental de las condiciones de reacción, geometría del reactor,
conversión y rendimiento.
Calor de reacción: Es necesario conocer el calor desprendido o
absorbido dentro de la reacción, o sino estimarlo con bastante exactitud.
Normalmente el calor de reacción se debe estimar debido a que es difícil
su medición. El calor de reacción se mide siempre por unidad de volumen
y unidad de tiempo en el reactor. A partir de esta información puede
diseñarse el reactor ya que se tiene una idea bastante clara sobre la
capacidad necesaria de intercambio de calor dentro del reactor.
Necesidades de agitación y mezcla de reacción: La mezcla de las
sustancias contenidas en el reactor puede que tenga que ser intensa
(para dar lugar a una transferencia de masa y calor) o nula (como en el
caso de mezclas homogéneas de gases y líquidos). Una intensa agitación
necesita de equipos e instalaciones mecánicamente bastante complejas y
que pueden presentar muchos problemas de coste y relación de
materiales de construcción.
El material de construcción del reactor y del equipo auxiliar: Conocer
las propiedades de las sustancias reaccionante si son corrosivas o no, de
esta forma el reactor se puede construir en materiales convencionales
(acero) y casi con cualquier forma. Por el contrario si existe un problema
importante de corrosión y deben utilizarse materiales cerámicos, el
tamaño y la forma, a la vez que las características de transmisión de
calor y transferencia de materia quedan fuertemente restringidas.
2.13 Introducción al PET
El poli (tereftálato de etileno) o PET, más comúnmente conocido como
PET en la industria del embalaje y generalmente conocido como
35
"poliéster" en la industria textil, es un material indispensable con inmensas
aplicaciones debido a sus excelentes propiedades físicas y químicas. Por
otra parte, debido a su creciente consumo y no biodegradabilidad,
eliminación de residuos de PET tiene creadas las preocupaciones
ambientales y económicas graves. Por lo tanto, la gestión de los residuos
de PET tiene convertido en un importante problema social. En vista de la
creciente conciencia ambiental en la sociedad, el reciclaje sigue siendo la
opción más viable para el tratamiento de residuos de PET.
Entre los diversos métodos de reciclaje de PET (primarias o 'en la planta',
secundarias o mecánicos, terciarios o químico, que implica cuaternario de
recuperación de energía), sólo el reciclado químico se ajusta a la
principios del desarrollo sostenible, ya que conduce a la formación de las
materias primas PET de la que se hizo originalmente. El reciclado químico
utiliza procesos como hidrólisis, metanólisis, glicólisis, amonolisis y
aminolisis. En una gran colección de investiga para el reciclado químico
de PET, el objetivo principal es aumentar la rendimiento de monómero al
tiempo que reduce el tiempo de reacción y / o llevando a cabo la reacción
bajo condiciones suaves. Los esfuerzos continuos de los investigadores
han traído grandes mejoras en los procesos de reciclado químico. Este
artículo revisa los métodos de reciclado químico de PET con especial
énfasis en la despolimerización glicolítica con etilenglicol.
2.13.1 Síntesis del PET
El PET es obtenido comercialmente por dos métodos, cada uno de los
cuales involucra la policondensación de bis (hidroxietil) tereftálato (BHET)
pero difieren en términos de la materia prima utilizada. Uno de los
métodos emplea dimetil tereftálato y la generación del BHET por trans-
esterificación con etileno a temperaturas de 150 – 200oC. Este proceso es
catalizado a través de una variedad de metales como: Acetatos de calcio,
Magnesio, Zinc, Cadmio, Plomo o Cobalto, al final el material producido es
36
destilado. El segundo método es el más reciente, el cual involucra la
generación de BHET partiendo de la esterificación del ácido tereftálico
(TPA) con etilen- glicol. En la policondesación del BHET se utiliza
generalmente catalizadores de antimonio, como el trióxido de antimonio
(Sb2O3), el triacetato de antimonio Sb(OAc)3, el etilen glicolate de
antimonio [Sb2(OCH2CH2O)3]n y el complejo híbrido
[Sb(OCH2CH2O)(OAc)]n. (Ramírez, s.f.)
2.14 Reciclado Químico
Hoy en día muchos plásticos son reciclados físicamente, para ello,
generalmente son recolectados, lavados y molidos. Una vez molidos se
les calienta (funde) y da la forma que se desea para su nueva aplicación.
Este proceso es relativamente sencillo, pero no puede aplicarse a todos
los plásticos ni realizarse numerosas veces, los plásticos reciclados son
de menor calidad que el material nuevo (material virgen). Cada vez que el
material es reciclado sufre un proceso de degradación que disminuye sus
propiedades. Además, el reciclaje físico requiere que el material se
encuentre libre de impurezas y contaminación, no sólo de sustancias
tóxicas o peligrosas, sino también de otros plásticos o materiales. Este es
uno de los inconvenientes más grandes para lograr un buen reciclaje
físico, la separación de los materiales.
Como una alternativa al reciclaje físico se puede realizar el reciclaje
químico, el cual, a diferencia del primero, implica cambios en la
estructura química del material. El reciclaje químico, al basarse en una
reacción química específica, no necesita los complicados pasos de
purificación que son indispensables para el reciclaje físico. Además,
permite utilizar al desecho plástico como fuente de materia prima, no sólo
para producir nuevamente el material original (como material virgen), sino
producir otros materiales con diferentes características.
37
Existen varios procesos de reciclado químico, de los cuales los más
importantes son:
Metanólisis,
Glicólisis e hidrólisis.
Otra alternativa a estas es para fabricar un material, denominado concreto
polimerico, con aplicación en el campo de la construcción.
Los procesos de Glicólisis, metanólisis e hidrólisis son similares, por lo
tanto desarrollaremos con más detalle solamente uno de ellos y a
continuación explicaremos la formación del concreto polimerico a partir de
PET.
2.14.1 El proceso químico ofrece las siguientes ventajas
Muy competitivo económicamente.
No selección o lavado previo es necesario.
No eliminación de tapas o etiquetas necesaria.
Botellas con estratificación de capas bloqueantes para oxigeno son
tratados sin problemas.
Ácido Tereftálico y Etilenglicol vendibles directamente a las
industrias químicas o utilizadoras especializados.
Alternativamente se puede producir un producto PHT
(Polyhidroxilethilterephtalato) que puede ser utilizado directamente
para la producción de botellas PET
Plantas existentes convencionales de reciclaje PET pueden ser
adaptadas para el proceso químico.
38
2.15 Procesos de Depolimerizacion
La depolimerización se puede entender como el proceso inverso a la
síntesis del polímero. Se han llevado a cabo una gran cantidad de
investigaciones sobre el reciclado del PET, basado en un proceso de
despolimerización del PET a sus monómeros TPA y EG.
Figura 4. Diferentes métodos de Despolimerización del PET.
Fuente: (Mansilla & Ruiz, 2009)
2.15.1 Hidrólisis.
En este tipo de proceso, se trabaja con muestras cuyas dimensiones son
medidas micro métricas (µm) con las cuales se obtiene una mejor
hidrólisis; previamente la muestra es sumergida en agua durante un
periodo de 25 días a 85oC, después se lleva a una temperatura de 200oC
durante un tiempo de 30 minutos, obteniéndose un grado de conversión
del 45% (Seyed, 2005). En otros casos, las dimensiones de la muestra
son de 3.5 mm en su diámetro y longitud, colocándose en un reactor que
es llevado a las temperaturas de 235o, 250o y 265oC presión constante,
en estas condiciones se obtiene una conversión del 98%. En la etapa 1 se
39
forman los productos etilen-glicol y el ácido tereftálico. En la etapa 2 se
forman el dietilen-glicol y agua como se ilustra en la figura. (Ramírez, s.f.)
Figura 5. Hidrolisis Del PET
Fuente: (Ramírez, s.f.)
Metanólisis
La despolimerización del PET a través de la metanólisis se lleva a cabo
por medio del tratamiento del polímero con altas cantidades de metanol
en presencia de un catalizador (trisopropóxido de aluminio o acetato de
zinc y sales de ácido arilsulfónico) a altas presiones (20-25 Kg/cm3) y a
temperatura (180-280ºC). Este proceso incluye un alto número de
operaciones unitarias, como la filtración (centrífuga), cristalización
multietapa, destilación al vacío, etc. En la metanólisis se descompone el
PET en sus moléculas básicas, dimetil tereftalato y etilenglicol que pueden
ser nuevamente polimerizados para la obtención de PET virgen. Se
obtiene un producto de DMT de muy buena calidad y los resultados son
bastante consistentes. Este proceso también puede ser usado para PET
coloreado y con contenidos de otros polímeros contaminantes (PE, PVC,
polímeros termoestables). El metanol recuperado es reutilizado.
40
Figura 6. Metanólisis Del PET
Fuente: (Ramiréz, 2015)
2.15.2 Glicólisis
Cuando el PET es disuelto en exceso de EG a altas temperaturas, la
reacción de condensación es reversada, esto es lo que se conoce como
glicólisis. Los productos de dicha reacción son el bis-
hidroxietilentereftalato (BHET) y algunos oligómeros de bajo peso
molecular.
41
Figura 7. Glicólisis del PET.
Fuente: (Mariano, 2011)
El BHET que se forma se depura por filtración bajo presión para eliminar
las impurezas físicas y se trata con carbono para eliminar las impurezas
químicas. La Glicólisis no elimina todas las impurezas y se produce una
cierta degradación amarillenta del material. La Glicólisis del PET tiene
amplia aplicación en la producción de resina poliéster insaturadas,
utilizando propilenglicol junto con anhídrido maleico se obtiene un
poliéster que luego es disuelto en estireno para producir la denominada
resina.
42
2.16 Resinas de poliéster no saturado
Las resinas de poliéster insaturado son líquidos muy viscosos que tienen
la característica de poder entrelazar sus cadenas mediante la adición de
un monómero vinílico obteniéndose de este modo productos sólidos
termoestables.
Para la obtención de resinas de poliéster insaturado, se sintetiza un
poliéster lineal de bajo peso molecular que contiene insaturaciones
(dobles enlaces carbono-carbono). El anhídrido maleico es el monómero
más utilizado para introducir la insaturación a la cadena debido a su alta
reactividad. La reacción también se lleva a cabo con etilenglicol y ácido
adípico, el cual permite aumentar la separación de las insaturaciones y
por lo tanto disminuir la fragilidad del producto final.
Posteriormente a la síntesis del poliéster insaturado, el curado de la resina
produce el entrelazamiento de los dobles enlaces del poliéster lineal con
la ayuda de un monómero vinílico (estireno). En esta etapa, además, es
necesaria la adición de un catalizador y un iniciador que permita la
reacción de entrelazamiento.
Los poliésteres insaturados fueron sintetizados por primera vez en 1946
utilizando anhídrido maleico y distintos glicoles como materia prima. El
uso más común de las resinas es reforzándola con fibra de vidrio, para la
fabricación de diversos objetos como botes, partes de automóviles, entre
otros. (Mansilla & Ruiz, 2009)
Resinas de poliéster representan aproximadamente el 75% del total de las
resinas utilizadas en el mercado de los materiales compuestos de matriz
termoestable. Son grupos de resinas sintéticas producidas por poli-
condensación de ácidos dicarboxílicos con alcoholes dihidroxilados.
Productos termoestables que una vez moldeados no pueden
43
reblandecerse con el calor, debido a que experimentan una
transformación química llamada fraguado (reticulación o curado).
Durante este proceso las moléculas se enlazan permanentemente
mediante polimerización (unión de las cadenas lineales obtenidas por
condensación del diácido con el dialcohol a través de las moléculas de
monómero insaturado, quedando rígido el polímero). Están formados por
cadenas hidrocarbonadas que contienen uniones éster.
Las resinas de poliéster son una variedad de líquidos de diferentes
viscosidades que están formados por la mezcla de los dos compuestos
siguientes:
Poliéster insaturado: Producto de la condensación lineal de un
diácido (maleíco, ftálico, adípico) con un dialcohol (propilenglicol,
etilenglicol, neopentilglicol).
Monómero insaturado: Generalmente estireno.
Las resinas de poliéster endurecidas por polimerización son sólidas,
generalmente transparentes, de propiedades mecánicas y químicas muy
diversas, dependiendo de las materias primas utilizadas, pero con una
baja resistencia a la tracción y al impacto, la cual se mejora con su
refuerzo con fibra de vidrio, reemplazando esta mezcla a muchos
productos por sus cualidades y su larga vida útil.
2.17 Resina Tereftálica
La corrosión en la industria ha provocado diversos problemas tanto de
seguridad como económicos. Las pérdidas económicas que genera la
corrosión pueden ser directas o indirectas y se deben a diversos factores,
entre los más comunes se encuentran:
44
Paro en plantas imprevistas, con el fin de realizar las reparaciones.
Pérdidas de producto de contenedores, cañerías, y tanques.
Pérdidas de eficiencia por productos de corrosión en
intercambiadores de calor.
Contaminación por derrames.
Sobredimensionamiento en el diseño de instalaciones.
Con el fin de evitar la corrosión de equipos existe la gama de resinas de
poliéster tereftálica que ayudan a los ingenieros y especialistas a
encontrar las mejores resinas para equilibrar las necesidades de costo y
rendimiento. Los poliésteres insaturados de están diseñados para resistir
ambientes corrosivos bajos a moderados.
Los esteres de vinilo son utilizados para aplicaciones de mayor
resistencia, mayor estabilidad térmica y excelente resistencia a las
condiciones más agresivas en tuberías, tanques de almacenamiento,
ductos y depuradores.
La resina es un poliéster tereftálico de alto peso molecular, con
propiedades de anticorrosión. Estas resinas fueron diseñadas para
satisfacer los exigentes requerimientos de fabricación de tanques de
almacenamiento subterráneos de plástico reforzado para contener
petróleo, sus derivados y combustibles oxigenados (gasolina, diesel,
etcétera). (Padilla, 2014)
2.17.1 Usos y aplicaciones:
45
Las resinas se utilizan en:
Fabricación de tanques subterráneos, denominados de doble pared
pues las paredes pueden ser de acero y plástico reforzado, fibra de
vidrio/plásticos reforzado, fibra de vidrio ambas paredes.
Fabricación de tanques de almacenamiento para contener productos
varios.
2.17.2 Características de la resina de poliéster tereftálica:
Resina tereftálica.
Resistencia a la corrosión.
Viscosidad adecuada al tipo de proceso productivo en el cual va a
ser utilizada.
Resistencia a la corrosión a ácidos orgánicos e inorgánicos.
Gran resistencia a los solventes, la cual está ampliamente probada
para muchos combustibles incluidos la gasolina, la kerosina, aceite
de calentamiento (térmico) y aceites crudos.
2.17.3 Beneficios de la resina de poliéster tereftálica:
Cumple con los requerimientos de las normas en referencia a la
construcción de tanques subterráneos que sirven para almacenar:
Petróleo y derivados.
46
Combustibles oxigenados (gasolina, diesel y otros).
Alcoholes.
Mezclas de alcohol.
Gasolina.
47
CAPÍTULO III
3 MATERIALES Y METODOLOGIA
3.1 Descripción del Área de Estudio
En nuestra investigación se seguirá método de desarrollo,
experimentación y elaboración, como lo es para la realización del estudio
de la obtención de la resina tereftálica, realizando diversas prácticas y
pruebas para la elaboración de esta resina utilizando como materia prima
los residuos del Pet, con sus principales características y a la vez
aportando al mejoramiento dando mayor resistencia a los materiales que
se vaya a recubrir como pueden ser barcos, tuberías subterráneas. Se
van a realizar los diferentes análisis para la realización de este proyecto
por medio de un reactor, donde vamos a tener en cuenta los parámetros
de control que se debe seguir para la utilización de este equipo, como
para el producto que se vaya a obtener, este proyecto va a garantizar una
buena calidad del producto que vayamos a obtener.
3.2 Métodos de Diseño del Proceso
Se realiza dependiendo de las fases correspondientes, tiempos de
residencia, temperatura, presión, agitación, resistencia a la humedad, etc.,
empleando cuatro tipos básicos: tanques agitados, tubos largos vacíos,
columnas cortas rellenas y lechos fluidizados, para compaginar las
necesidades de la reacción con los reactores adecuados (tipo de flujo,
volumen, relación de aspecto y número de tubos, superficie de
transmisión y materiales).
48
Para un diseño preliminar no es necesaria la cinética o mecanismo
de la reacción, pero debe determinarse con un experimento las
condiciones de reacción, geometría del reactor, conversión y
rendimiento.
Debe calcularse el calor de reacción por unidad de tiempo o volumen
del reactor para estimar la capacidad necesaria de intercambio de
calor.
Según la reacción y la transferencia de masa o calor, la mezcla
deseada puede ser intensa o nula, en cuyo caso se requieren
dispositivos mecánicos y materiales más o menos complejos.
Los materiales constructivos pueden ser convencionales (acero),
salvo si existen problemas de corrosión importantes (cerámicos, con
mayores limitaciones de forma, tamaño y transmisión de calor).
(Universidad Politécnica de Madrid, 2008)
3.3 Materiales
Reactor:
Acero Inoxidable SS 304
Termómetro
Manómetro
Brida
Válvulas de bola
Condensador
Hornilla Eléctrica
Tanque separador
Agitador
Motor de 110V
Válvula reguladora
49
Ácido Tereftálico:
Pet
Etilen Glicol
Catalizador
Resina Tereftálica:
Etilen Glicol
Estireno
Anhídrido Maleico
Solveso
CO2
3.4 Componentes para armar el Reactor
Primero se comienza armar el cuerpo del reactor con el acero este va a
tener una forma de balón para que la transferencia de calor sea
uniformemente igual en todo el equipo, este recipiente se le pondrá unas
bridas para realizar un buen sellado al reactor para que no haya la salida
de los gases de la reacción, la tapa del reactor tendrá varios orificios por
donde se va a introducir los reactivos, e instrumentación a la vez y
constara con un agitador para realizar la respectiva agitación de los
reactivos, el cual va a estar también conectado a un condensador en
donde se condensaran los gases emitidos por la reacción. Este equipo va
a constar con un instrumento para medir la temperatura y uno para medir
la presión. Para realizar el calentamiento del equipo se va a instalar una
hornilla eléctrica a la que se le dará una forma redonda que rodea toda la
parte inferior del reactor para que haya una mejor transferencia de calor
en el equipo.
50
Acero Inoxidable SS 304.- Se utilizó este tipo de acero ya que es un
material muy resistente a la corrosión, debido a que las sustancias
químicas que van a reaccionar dentro del reactor la mayoría son
corrosivas y por eso la utilización de este tipo de material.
Bridas.- Este material es de gran espesor y esta soldado en forma
circular en el contorno superior del reactor. Estas tienen perforaciones de
1.1cm. Que permitirá mediante pernos el cierre hermético del reactor.
Termómetro.- Es uno de los instrumentos primordiales ya que en base a
este vamos a controlar la temperatura a la cual se va a llevar a cabo la
reacción de degradación del PET y la reacción para la obtención de la
resina tereftálica, ya que la temperatura en un factor primordial en esta
experimentación. Dicho instrumento a utilizar es un termómetro de
mercurio el mismo que va estar en un rango de temperatura de 0 a 250
Grados Celsius.
Manómetro.- El uso de este instrumento juega un papel muy importante
en el equipo ya que en base a este instrumento vamos a poder controlar y
verificar la variación de presión dentro del reactor lo cual es importante
controlar dentro de la reacción y primordialmente en la reacción de la
obtención de la resina tereftálica la cual no tiene que sobrepasar a 1
atmosfera de presión dentro del reactor.
Válvula de bola.- Este instrumento no solo nos va a servir para poder
sacar el producto de las dos reacciones que se va a realizar dentro del
reactor, sino que también va a facilitar una limpieza rápida en el interior
del reactor, la cual va a estar ubicada a un costado de la parte inferior del
reactor.
Condensador.- Es también un instrumento de gran importancia ya que
dentro de él se va a realizar la condensación de los vapores producido
dentro del reactor, ya que tales vapores contiene un porcentaje mínimo de
51
etilen glicol mezclado conjuntamente con agua por lo que es necesario su
separación para así volverlo a reutilizar dentro del proceso.
Hornilla Eléctrica.- Esta juega un papel esencial ya que con este
instrumento se va realizar el calentamiento al reactor para poder realizar
la experimentación a la temperatura que se requiere para realizar la
reacción de la Glicólisis y para la reacción de resina tereftálica.
Agitador.- El objetivo de este instrumento es generar desequilibrios en el
fluido mediante la agitación, el tipo de agitador que se va u utilizar es de
paleta tipo ancla, esto quiere decir que el agitador va a estar casi topando
el fondo del reactor, para que haiga así una mejor agitación de los
reactivos y poder obtener un mejor producto.
Motor Eléctrico.- Este instrumento es también una parte primordial del
reactor, el cual va a permitir mover el agitador para realizar la agitación
necesaria para realizar la reacción tanto para la Glicólisis y la resina
tereftálica.
Tanque de Separación.- En este prototipo de equipo se va a realizar la
separación del solveso con el agua, los cuales son los gases que se
desprenden de la reacción dentro del reactor los mismos que son llevado
al condensador para condensarlos y de ahí pasar el condensado al
tanque de separación para tener como producto de separación el solveso
libre de agua.
Válvula Reguladora.- Este instrumento va hacer de mucha importancia a
la hora que se va a realizar la producción de la resina tereftálica, por lo
que se tiene que regular con exactitud el flujo de entrada de CO2 en el
reactor para que no haiga una variación de presión dentro del reactor,
puesto que si hay un aumento de presión esto podría provocar la
explosión del reactor, por eso es indispensable mantener bien regulado
este gas.
52
3.5 Proceso para armar el Reactor
1. Luego de hacer investigaciones sobre el proceso para elaborar resina
Tereftálica, se concluye que el diseño del reactor más apropiado para este
proceso sería un reactor de forma esférica, ya que al utilizar el PET como
materia prima, toda su carga se asentaría en la parte inferior del reactor.
Así al calentar con el serpentín de la hornilla, el calor se concentraría
desde abajo y la transferencia de calor seria uniforme.
2. El reactor se lo diseño con una tapa grande con forma de brida para
que al momento de limpiarlo sea fácil su manipulación.
3. En la parte inferior del reactor se le coloco una llave de bolas para
sacar muestras durante el proceso, y al finalizar poder descargar el
producto terminado.
4. En la tapa del reactor se le realizaron 5 orificios, para el agitador, la
entrada del CO2, el manómetro, el termómetro, y para conectar al
condensador, respectivamente.
5. El reactor fue construido de Acero Inoxidable tipo 304, ya que es fácil
de formar, soldar y tiene resistencia a la corrosión. Es muy utilizado en la
industria porque resiste bien al calor hasta 400 0C.
6. El condensador y el tanque de separación también fueron construidos
de Acero Inoxidable tipo 304.
7. Al condensador se lo diseño para que quede ubicado de forma vertical,
así pueda haber un reflujo del Solveso (aditivo) liberado en la destilación,
solo el agua obtenida de la reacción es retirada por medio de una llave de
salida en la parte inferior del tanque de separación. Este proceso se lo
controla con el visor puesto en el tanque de separación, donde se puede
observar la división del Solveso con el Agua obtenida.
53
3.6 Características del Reactor
Figura 8. Medidas de Reactor Químico para Resina.
Fuente: Jairo Javier Baque Mora y José Emilio Quezada Andrade Elaborado Por: Jairo Javier Baque Mora y José Emilio Quezada Andrade
54
Figura 9. Componentes de Reactor Químico para Resina.
Fuente: Jairo Javier Baque Mora y José Emilio Quezada Andrade Elaborado Por: Jairo Javier Baque Mora y José Emilio Quezada Andrade
55
3.6.1 Proceso para la producción del Ácido Tereftálico.
Para obtener este producto se va a realizar el proceso de la Glicólisis a
los residuos del PET. En este proceso se va a emplear una pequeña
cantidad de Etilen Glicol, incluido un catalizador el cual nos va a permitir
acelerar el proceso de reacción de la Glicólisis dentro del reactor, se deja
transcurrir el tiempo necesario hasta obtener una reacción inversa, esto
nos va a indicar el final del proceso. Donde se va a obtener como
producto el ácido tereftálico mezclado con pequeñas cantidades de etilen
glicol. Cabe indicar que la relación de esta mezcla de producto será de 2
a 1.
3.6.2 Proceso para la producción de la Resina Tereftálica.
El ácido tereftálico obtenido en la Glicólisis de los residuos del PET, se lo
va a utilizar como materia prima para la elaboración de la resina
tereftálica, en donde vamos a emplear otros productos químicos como
materia prima que se van a mezclar y reaccionar dentro del proceso, las
sustancias a utilizar son: etilen glicol, anhídrido maleico, solveso y
estireno monómero.
La obtención de la resina tereftálica va estar dividida en dos proceso. En
el primer proceso se va hacer reaccionar en el reactor las siguientes
sustancias: ácido tereftálico, etilen glicol, anhídrido maleico y el solveso.
Estos se lo lleva a un proceso de calentamiento dentro del reactor hasta
alcanzar una temperatura aproximadamente de 220 °C, el producto de
esta reacción se lo deja enfriar hasta una temperatura de 110 °C. Una vez
alcanzada la temperatura de enfriamiento indicada se vierte en el reactor
el estireno, el cual se procede a mezclar hasta obtener una mezcla
homogénea de los productos y como resultado de este proceso
tendremos el producto final que es la resina Tereftálica.
56
3.7 Diagrama de proceso de la Glicólisis
Figura 10. Diagrama del proceso de la Glicólisis.
Elaborado Por: Jairo Javier Baque Mora y José Emilio Quezada Andrade
3.8 Diagrama de proceso de la resina.
Figura 11. Diagrama de proceso de la resina.
110°C
Elaborado Por: Jairo Javier Baque Mora y José Emilio Quezada Andrade
PRODUCTO
ACIDO TEREEFTALICO
ETILEN GLICOL
REACTOR
MATERIA PRIMA
PET
ETILEN GLICOL
ETILEN GLICOL
ANHÍDRIDO MALEICO
SOLVESO
ACIDO TEREFTÁLICO
(OBTENIDO DEL PET)
REACTOR
(220°C)
TANQUE DE
MEZCLA
RESINA
TEREFTÁLICA
ESTIRENO
MONOMERO
57
3.9 Procedimiento de la Glicólisis del PET
1) Se pesa 500g. de Pet y 1000g de etilenglicol.
2) Se agrega 1gr de catalizador Status.
3) Agregar pequeña cantidad de agua en el condensador, esto permitirá
realizar una mejor experimentación.
4) Luego se agita la mezcla antes de proceder a realizar el
calentamiento, para tener completamente mezclados los reactivos.
5) Comenzamos a realizar el calentamiento respectivo, este se comienza
a baja temperatura y se va incrementando de apoco para evitar así el
cambio brusco de temperatura.
6) En el trascurso de calentamiento se toma la temperatura cada 10min.
7) Anotar la temperatura precisa de destilación que esta entre 186°C a
188°C, que viene hacer la primera gota que cae.
8) Tomar la temperatura de fusión del PET que esta entre 189°C A
191°C, aquí ya tendremos una mezcla homogénea.
9) Obtenida esta mezcla homogénea, esperaremos llegar hasta la
temperatura de 197°C aproximadamente donde esta temperatura
permanece casi constante.
10) Teniendo una temperatura exacta sacamos la primera muestra, para
observar si ya tenemos la reacción correspondiente.
11) Dejamos la muestra por varios minutos para que se enfríe al
ambiente, sino toma un color como lechoso, esto quiere decir, que ya
tenemos la reacción inversa de la Glicólisis.
12) Si no se ha obtenido todavía la reacción correspondiente, se debe
realizar el paso 11 y 12 respectivamente, hasta obtener la reacción
indicada.
3.10 Datos experimentales:
t(seg) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240
T°(|C) 27 27 39 53 60 64 89 185 184 184 184 185 187 188 188.5 189 190 191 191 191 192 192 192 192 192
Gráfico 1. Curva de 1era prueba de ácido tereftálico.
Fuente: Jairo Javier Baque Mora y José Emilio Quezada Andrade Elaborado Por: Jairo Javier Baque Mora y José Emilio Quezada Andrade
0
50
100
150
200
250
0 50 100 150 200 250 300
Tíem
per
atu
ra (
C)
Tíempo (min)
58
t(seg) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320 330 340 350 360 370 380
T°(|C) 27 27 86 87 150 170 179 185 186 187 187 187 188 189 191 192 192 193 194 194 196 196 196 197 197 197 197 197 197 197 197 197 197 197 197 197 197 197 197
Gráfico 2. Curva de 2da prueba de ácido tereftálico.
Fuente: Jairo Javier Baque Mora y José Emilio Quezada Andrade Elaborado Por: Jairo Javier Baque Mora y José Emilio Quezada Andrade
0
50
100
150
200
250
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Tem
per
atu
ra (
C)
Tiempo (min)
59
t(seg) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320 330 340 350
T°(|C) 27 27 89 125 155 182 186 187 189 191 191 191 192 192 192 193 193 193 193 193 194 195 196 197 197 197 197 197 197 197 197 197 197 197 197 197
Gráfico 3. Curva de 3era prueba de Ácido Tereftálico.
Fuente: Jairo Javier Baque Mora y José Emilio Quezada Andrade Elaborado Por: Jairo Javier Baque Mora y José Emilio Quezada Andrade
0
50
100
150
200
250
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Tem
per
atu
ra (
C)
Tiempo (min)
60
61
3.11 Proceso de la Resina Tereftálica
1. Prender la hornilla.
2. Calentar la solución de la 1era Parte (Glicólisis).
3. Prender el agitador del Reactor.
4. A los 80 C cargar el reactor con el Anhídrido Maleico.
5. Abrir el paso del CO2 al reactor.
6. Observar el visor del tanque de separación, cuando la división del
Solveso con el agua empiece a aumentar su nivel nos indica que la
destilación a iniciado.
7. Anotar la temperatura del reactor cada 10 minutos luego de que
inicia la destilación.
8. En un matraz ir sacando poco a poco el agua que sale de la reacción
en el tanque de separación, para luego anotar la cantidad de agua
obtenida del proceso.
9. Calentar hasta alcanzar una temperatura de 220 C. A esta
temperatura la reacción ya ha sido completada.
10. Apagar la hornilla.
11. Se deja enfriar, a los 130 C se agrega la Hidroquinona.
12. A los 110 C se mezcla la solución con el Estireno Monómero.
13. Dejar mezclar por unos 20 minutos.
14. Apagar el Agitador del Reactor.
15. Cerrar la entrada del CO2.
16. Cuando haya alcanzado la temperatura de 65 C descargar la Resina
Tereftálica obtenida en un envase metálico o de vidrio.
17. Fin del proceso.
62
Gráfico 4. Prueba de Resina Tereftálica.
Fuente: Jairo Javier Baque Mora y José Emilio Quezada Andrade Elaborado Por: Jairo Javier Baque Mora y José Emilio Quezada Andrade
Grafico 5. Curva de Concentración de Anhídrido Maleico.
Fuente: Jairo Javier Baque Mora y José Emilio Quezada Andrade Elaborado Por: Jairo Javier Baque Mora y José Emilio Quezada Andrade
t(seg) T°(|C)
0 28
10 80
20 165
30 174
40 184
60 194
80 203
100 213
120 220
140 130
160 110
180 70
Anhídrido Maleico
(NA) Temperatura
(°C)
500 173
457.7 174
400 175
300 176
200 180
100 185
75 190
50 195
40 200
30 220
20
10
0
50
100
150
200
250
0 50 100 150 200
Tem
per
atu
ra (
C)
Tíempo (min)
0
100
200
300
400
500
600
0 50 100 150 200 250
Nu
um
ero
de
aci
do
Temperatura °C
63
3.12 Calculo para la concentración del Anhídrido Maleico.
Numero de ácido inicial
Numero de ácido final.
%
64
Datos de experimentación
Inicio de destilación 174°c
Fin de reacción 220°c
3.13 Balance de la Reacción
Base: 500g
3.13.1 Balance de materia y energía: Reacción acido
65
3.13.2 Balance de energía de la ecuación
66
Balance de materia y energía: reactivo
67
3.13.3 Calculo de Diseño
Fracción entre la conversión nula y la completa:
yA = (6.25 – 3) / 3
yA = 1.083
68
Fracción molar de la reacción:
xA = (Ns – Ne) / Ns
xA = (24.412 – 11.718) / 24.412
xA = 0.52 mol
69
3.13.4 Tiempo de reacción
70
3.13.5 Eficiencia o rendimiento de la reacción
71
3.14 Prueba de la calidad de la resina
Prueba de la acidez
Reactivos
1.1g Resina
40g Resinol
12 ml de COH
Titulante KOH
Procedimiento:
Se mezcla los 1.1g de resina con los 40g de resinol, donde se genera una
mezcla de xileno, que después se le agrega un 12 ml de COH, pasar
realizar la titulación con el KOH que nos na como resultado una acidez
máxima de 28.
Tiempo de gel
Reactivo
100 g de resina
0.3 g de Cobalto
2 g de Mek (Secante)
Procedimiento:
Se mezclan los 100g de resina con 0.3g de cobalto y 2g De Mek, se toma
el tiempo con un cronometro y la temperatura con el termómetro
dándonos, un tiempo de gel de 4.20 minutos y una temperatura de 40.7
oC.
72
el cual este mismo análisis nos da el valor del pico exotérmico de la resina
con un valor de 5.8 min y una temperatura de 173.1oC.
Tabla 6. Resultados de la resina
Resina Tereftálica Propiedades Físicas Propiedades
Químicas
Textura Ligeramente denso
Color Marrón
Olor Etero
Tiempo de Gel 4.20 min.
Pico Exotérmico 173.1 0C
Viscosidad 320 cps
Índice de Acidez 28 Máx.
Fuente: Datos de Investigación Elaborado Por: Jairo Javier Baque Mora y José Emilio Quezada Andrade
3.14.1 Análisis de Resultados
A partir de los resultados obtenidos tanto en las experimentaciones como
en los cálculos, cabe destacar que se obtuvieron muy buenos resultados,
como el tipo de resina que se obtuvo cumple todo los parámetros
establecidos ya sea físico y químico, esto quiere decir que se obtuvo una
resina similar o casi igual a las obtenidas por otros estudios realizados en
otras investigaciones.
También podemos analizar que los resultados dados en los cálculos
correspondientes del número de ácido del anhídrido maleico y reacción
cinética, son óptimos para la realización de este estudio en otras
experimentaciones, ya que estos parámetros requeridos son necesarios
para realizar este tipo de pruebas de la resina.
73
3.15 CONCLUSIONES
Determinado los parámetros de control del equipo dado en la
experimentación con una temperatura alcanzada de 220oC y una
presión de 1atm. se pudo verificar que el reactor es factible para
realizar el proceso de la resina, por lo cual, puede servir para realizar
otros tipos de experimentos a estas condiciones.
Se puede establecer los métodos empleados para la obtención de la
resina realizando una reacción inversa del PET donde se produjo
una ruptura de la cadena de los esteres para obtener el primer
componente (ácido tereftálico) de la resina, que mezclado con otras
sustancias como es el estireno monomero y el anhídrido maleico,
obteniendo como producto final lo que es la resina tereftálica.
Determinada su calidad de resina obtenida con una viscosidad de
320 cps. Una acidez de 28 como máx., colores y olores respectivos
de una resina insaturada. Se concluyó que esta resina es casi igual
o mejor a la realizada en otros estudios.
3.16 RECOMENDACIONES
En primer lugar se recomienda leer la ficha técnica de cada material
que se va a utilizar ya sea para el montaje del equipo, como para la
realización de experimentaciones.
En esta última hay que tener mucho en cuenta los procedimientos de
experimentación, ya que si no se tiene precaución al realizar estas
experimentaciones puede ocasionar un accidente químico que
puede afectar no tan solo externamente, también puede ser
internamente, causando daños físicos y de salud en una persona.
74
Correspondientemente a lo que se ha dicho vale recomendar que no
solo hay que basarse en una información de una investigación sino
que hay que indagar algo más para poder realizar este tipo de
pruebas que son algo peligrosas por los esteres producidos.
Se recomienda realizar estudios más profundos de esta
experimentación para obtener una mayor factibilidad del proceso
antes realizado.
75
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a+que+exista+flujo+en+pist%C3%B3n+es+que+el+tiempo+de+resi
dencia+en+el+reactor+sea+el+mismo+para+todos+los+elementos+
del+fluido.&source=bl&
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reaccion-quimica/contenidos/OCW/LO/cap1.pdf
78
ANEXOS
Anexo 1. Reactor Químico para Resina.
Fuente: Jairo Javier Baque Mora y José Emilio Quezada Andrade Elaborado Por: Jairo Javier Baque Mora y José Emilio Quezada Andrade
Reactor sin especificación
Componentes del Reactor Medida del Reactor
Anexo 2. Preparación del equipo.
Fuente: Sitio de práctica (Empresa RESMAQ S.A)
Anexo 3.
Preparación del Reactor.
Fuente: Sitio de práctica (Empresa RESMAQ S.A)
Anexo 4. Prácticas para la obtención de ácido tereftálico
Fuente: Sitio de práctica (Empresa RESMAQ S.A)
Anexo 5. Prácticas para la obtención de ácido tereftálico
Fuente: Sitio de práctica (Empresa RESMAQ S.A)
Anexo 6. Prácticas para la obtención de resina tereftálica
Fuente: Sitio de práctica (Empresa RESMAQ S.A)
Anexo 7. Prácticas para la obtención de resina tereftálica
Fuente: Sitio de práctica (Empresa RESMAQ S.A)
Anexo 8. Inicio del Proceso de la Resina.
Fuente: Sitio de práctica (Empresa RESMAQ S.A)
Anexo 9. Producto del Proceso.
Fuente: Sitio de práctica (Empresa RESMAQ S.A)
Anexo 10. Análisis de Tiempo Gel
Fuente: Sitio de práctica (Empresa RESMAQ S.A)
Anexo 11. Pico Exotérmico de la Reacción.
Fuente: Sitio de práctica (Empresa RESMAQ S.A)
Anexo 12. Producto final (Resina Tereftálica).
Fuente: Sitio de práctica (Empresa RESMAQ S.A)