UNIVERSIDAD SIMN BOLVAR DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES COORDINACIN DE INGENIERA QUMICA INGENIERA BSICADE UNA PLANTACOMERCIAL DE DETERGENTE LQUIDO Por: Joel Alfonso Zambrano Franco INFORME DE PASANTA: Presentado ante la Ilustre Universidad Simn Bolvar como requisito parcial para optar al ttulo de Ingeniero Qumico Sartenejas, Octubre de 2010 UNIVERSIDAD SIMN BOLVAR DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES COORDINACIN DE INGENIERA QUMICA INGENIERA BSICADE UNA PLANTA COMERCIAL DE DETERGENTE LQUIDO Por: Joel Alfonso Zambrano Franco Realizado con la asesora de: Tutor acadmico: Prof. Alexis Bouza Tutor industrial: Ing. Ernesto Artahona INFORME DE PASANTA: Presentado ante la Ilustre Universidad Simn Bolvar como requisito parcial para optar al ttulo de Ingeniero Qumico Sartenejas, Octubre de 2010 iv RESUMEN La presente investigacintuvo como finalidad el desarrollo de la ingeniera bsica de una planta de produccin de detergentes lquidos, capaz de procesar 900 Tm/a de cido alquilbenceno sulfnico (LABSA) como materia prima principal. Paracumplirdichoobjetivoseelaboraronlasbasesdediseodelproceso,dondese establecilacapacidaddelaplanta,alimentacindediseo,factordeservicio,entreotras variablesoperacionales.Ademsseelaborelbalancedemasayenergadelproceso. Posteriormentesediseoelreactordondesellevaraacabolareaccindeneutralizacindela LABSA con Soda Caustica al 17,6%, este es un reactor flujo pistn modificado donde se utilizan mezcladores estticos para aumentar el rendimiento de la reaccin y la transferencia de calor. Seelaboraronlosdocumentosdelaingenierabsica,esdecir,eldiagramadeflujodel proceso,laubicacindeequipos,listadelneas,entreotros.Tambinsedisearony dimensionaron lo equipos principales de la planta como: tanques de almacenamiento y mezclado, mezclador esttico, bombas y agitadores. El costo total estimado para la compra de los equipos es de Bs. 1.500.000y la inversin de capital total est valorada en 5.000.000 Bs. El estudio de factibilidad econmica del proyecto muestra que es rentable debido a que la tasa interna de retorno (TIR) es de 132% siendo superior al costo de la oportunidad (62,18%), adems de una recuperacin de la inversin antes del primer ao. Asimismo se verific la capacidad de detergencia del cido alquilbencenosulfnico como materiaactivadedetergentesyseplantearonaditivosquemejorenlascaractersticasfsicasy qumicas de los productos finales de la planta. Palabras clave: Bases de diseo, ingenieria bsica, reactores, rentabilidad v Dedicado a m Hermana fuente de luz de mi vida, a mi Madre por ser mi apoyo incondicional y a mi Padre por ser mi gua, los amo. vi AGRADECIMIENTOS GRACIAS AntetodoaesoquealgunosllamanDios,Jehova,otroslollamanSantos.Yosolodirque gracias Energas del universo. A esos familiares importantes que aunque no estn presentes fsicamente su ejemploy legado si, en especial a mi abuela Rosa y mi pap Ricardo. A ese ser lleno de dulcura e infinito amor, mi luz, mi hermana Yaijary. Alapersonamsfuertequeconozco,quemehaapoyadoencadapasosinimportarcual.Ati Madre, mi amor. A esa gua llena de consejos y firmeza, a mi Padre, un ejemplo a seguir. A mi madrina Menejo, a su cario infinito. A mi familia, en especial a GUAJOFE, mis hermanos. A mis Amigos Mariana, Jesus y Alexander, por acompaarme en todo este viaje, los amo. A Riad, Arturo y mis compaeros de Caribay. A Adriana, Maria, Luisa, Veronica, Sofia, Andrea, mis compaeras de Cea. A Gaby y Jesse, mis compaeras de estudios. A mis amigos Sebastian, Juan Jose, Cesar, Luisa, Laura, Carla, Ivan, Arturo, Roxana, Jose, Will, Oneliz, Abid, Nacho, Kachu, Ines, Filipor su apoyo y amistad.A mis compaeros de ASEIQ-USB, en especial a mis Presidentas Mimi y Maria Jose. A Industrias VENOCO por la oportunidad brindada y en especial al Ing. Artahona por su gua y consejos. Tambien al personal de S.T.A.V.C.A. por la yuda brindada. A Haibsel y Robert por ser el mejor equipo de trabajo. Finalmente, a todas las personas que hicieron esto posible, GRACIAS. vii INDICE GENERAL INTRODUCCIN ....................................................................................................................... 2 CAPTULO 1: BREVE DESCRPCIN DE LA EMPRESA ..................................................... 3 CAPTULO 2: DETERGENTES ................................................................................................ 5 2.1.Antecedentes .......................................................................................................................... 5 2.2.Definicin .. ........................................................................................................................... 6 2.3.Proceso de detergencia .......................................................................................................... 6 2.4.Formas fsicas de los detergentes .......................................................................................... 7 2.5.Componentes de los detergentes sintticos y sus funciones .................................................. 8 2.5.1.Surfactantes ................................................................................................................... 8 2.5.2.Fortificadores o agentes secuestradores de dureza ........................................................... 11 2.5.3.Inhibidores de corrosin ................................................................................................... 14 2.5.4.Blanqueadores .................................................................................................................. 14 2.5.5.Blanqueadores pticos ...................................................................................................... 14 2.5.6.Cargas auxiliares y de procesamiento .............................................................................. 14 2.5.7.Estabilizadores de espuma ................................................................................................ 15 2.5.8.Agentes suspensores de suciedad ..................................................................................... 15 2.5.9.Enzimas . .................................................................................................................. 15 2.6.Alquilbenceno Sulfonato de sodio ....................................................................................... 15 2.6.1.Proceso de manufactura .................................................................................................... 16 2.6.2.Neutralizacin ................................................................................................................... 16 2.7.Consideraciones txicas y ambientales ............................................................................... 18 CAPITULO 3: REACTORES QUMICOS .............................................................................. 20 3.1.Caractersticas de los reactores ............................................................................................ 20 3.1.1Fases de los fluidos presentes ............................................................................................ 20 3.1.2.Tipo de proceso ................................................................................................................ 21 3.1.3.Transferencia de calor ...................................................................................................... 22 3.2.Tipos de reactores ................................................................................................................ 23 3.2.1.Reactor por lotes (batch) .................................................................................................. 23 3.2.2.Reactor flujo pistn ideal (FPI) ........................................................................................ 24 3.2.3.Reactor de agitacin continua (TAC) ............................................................................... 26 viii 3.3.Comparacin entre reactores Batch, TAC y FPI en procesos isotrmicos .......................... 27 3.3.1.Capacidad de produccin ................................................................................................. 28 3.3.2.Condiciones y variables de operacin. ............................................................................. 28 3.3.3.Tiempo de residencia ........................................................................................................ 28 3.4.Anlisis del comportamiento de reactores continuos en procesos isotrmicos. .................. 29 3.5.Reactor flujo pistn modificado .......................................................................................... 32 3.6.Intercambiador tubos y coraza ............................................................................................. 33 3.6.1.Descripcin del intercambiador tubos-coraza .................................................................. 33 3.6.2.Ventajas de uso del intercambiador tubos-coraza ............................................................ 33 3.6.3.Principales aplicaciones .................................................................................................... 34 3.6.4.Tipos .. .................................................................................................................. 34 3.6.5.Elementos del intercambiador de tubos y coraza ............................................................. 38 CAPITULO 4: MEZCLADORES ESTTICOS ...................................................................... 43 4.1.Descripcin del equipo ........................................................................................................ 43 4.2.Ventajas de uso .................................................................................................................... 43 4.3.Principales aplicaciones ....................................................................................................... 44 4.4.Principios de Operacin....................................................................................................... 45 4.4.1.Mezclado radial ................................................................................................................ 46 4.4.2.Efecto flujo pistn ............................................................................................................ 46 4.4.3.Incremento de la transferencia de calor ............................................................................ 48 CAPITULO 5: ANLISIS ECONMICOS ............................................................................. 49 5.1.Inversin de capital .............................................................................................................. 49 5.1.1.Inversin de capital fijo .................................................................................................... 49 5.1.2.Capital de trabajo .............................................................................................................. 51 5.2.Estimacin de la inversin de capital .................................................................................. 51 5.3.Costos de produccin .......................................................................................................... 52 CAPITULO 6: MARCO METODOLGICO .......................................................................... 54 6.1.Tipo de investigacin .......................................................................................................... 54 6.2.Diseo de la investigacin ................................................................................................... 54 6.2.1.Revisin bibliogrfica ...................................................................................................... 54 6.2.2.Seccin experimental ........................................................................................................ 54 ix 6.2.3.Diseo y evaluacin.......................................................................................................... 57 CAPITULO 7: RESULTADOS Y DISCUSIN ...................................................................... 60 7.1.Detergencia de LABSS ........................................................................................................ 60 7.2.Bases de diseo .................................................................................................................... 62 7.2.1.Capacidad de diseo ......................................................................................................... 63 7.2.2.Alimentacin de diseo .................................................................................................... 63 7.2.3.Calidad del producto ......................................................................................................... 63 7.2.4.Almacenaje . ................................................................................................................. 65 7.2.5.Factor de servicio.............................................................................................................. 67 7.2.6.Servicios industriales ........................................................................................................ 67 7.2.7.Localizacin de la planta .................................................................................................. 67 7.3.Etapas del proceso ............................................................................................................... 67 7.4.Balance de Masa .................................................................................................................. 71 7.5.Balance de energa ............................................................................................................... 71 7.6.Reactor de neutralizacin .................................................................................................... 71 7.7.Diseo de equipos del proceso ............................................................................................ 75 7.7.1.Calculo hidrulico ............................................................................................................ 75 7.7.2.Tanques . ................................................................................................................... 75 7.7.3.Equipos de mezclado ........................................................................................................ 76 7.8.Documentos del proceso ...................................................................................................... 79 7.9.Anlisis econmico ............................................................................................................. 81 7.9.1.Inversin total de capital................................................................................................... 81 7.9.2.Costos de produccin ....................................................................................................... 82 7.9.3.Ingresos. ................................................................................................................ 83 7.9.4.Flujo de caja .. .......................................................................................................... 84 7.9.5.Anlisis de rentabilidad .................................................................................................... 86 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ........................................................................ 88 BIBLIOGRAFA ....................................................................................................................... 91 APNDICE A: LOCALIZACIN DE LA PLANTA A NIVEL NACIONAL92 APENDICE B: BALANCE DE MASA .................................................................................... 94 x APNDICE C: BALANCE DE ENERGA .............................................................................. 97 APNDICE D: DIMENSIONAMIENTO DE REACTORES ................................................ 100 D.1.Premisas para el clculo del reactor: ................................................................................ 100 APENDICE E: DIMENSIONAMIENTO DE TANQUES ..................................................... 115 E.1.Premisas para el clculo de tanques de almacenamiento de materia prima ...................... 115 E.2.Premisas para el clculo del tanque agitado ...................................................................... 115 E.3.Dimensionamiento Tanques .............................................................................................. 115 E.3.1Tanque de almacenamiento de agua cruda (TQ-001 A/B/C/D)..116 E.3.2.Tanque de almacenamiento de solucin de soda custica (TQ-003 A/B) ..................... 117 E.3.3.Tanque de almacenamiento de LABSA (TQ-004)......................................................... 118 E.3.4.Tanque de aditivacin y mezclado (MD-001 A/B) ........................................................ 118 APNDICE F: DIMENSIONAMIENTO DE BOMBAS ....................................................... 120 F.1.Premisas para el clculo de las bombas............................................................................. 120 F.2.Dimensionamiento de bombas .......................................................................................... 121 APENDICE G: DIMENSIONAMIENTO DE MEZCLADORES ESTTICOS ................... 146 G.1.Dimensionamiento del mezclador esttico ....................................................................... 146 G.1.1.ME-001 .146 APNDICE H: DIMENSIONAMIENTO DE AGITADORES .............................................. 151 H.1.Dimensionamiento de agitadores ...................................................................................... 151 H.2.Agitador M-001 A/B ........................................................................................................ 156 APNDICE I: ESTIMACIN ECONMICA ....................................................................... 158 I.1.Estimacin de inversin total de capital ............................................................................. 158 I.2.Estimacin de costos de produccin .................................................................................. 160 APNDICE J: OTROS DOCUMENTOS DEL PROCESO ...161 xi INDICE DE TABLAS Tabla 1.1 Composicin del LABSA ................................................................................................ 4 Tabla 2.1. Calores de reaccin (4) .................................................................................................. 18 Tabla 3.1. Estimacin de los tiempos de reaccin para diseo de reactores por lotes (9) .............. 24 Tabla 3.2. Estimacin del volumen para un reactor FPI en funcin al grado de reaccin (9) ........ 25 Tabla 3.3. Estimacin del volumen para un reactor TAC en funcin al grado de reaccin (9) ...... 27 Tabla 3.4. Nmero Damkhler en funcin del orden de reaccin (9)............................................. 30 Tabla 4.1. Comparacin de mezcladores estticos con otros elementos de mezclado en lnea (8)45 Tabla 5.1. Estimacin del costo de produccin ............................................................................. 52 Tabla 7.1. Materiales y elementos de suciedad seleccionados ...................................................... 60 Tabla 7.2. Composicin agua suavizada. ...................................................................................... 63 Tabla 7.3. Composicin NaOH 50% p/p. ...................................................................................... 63 Tabla 7.4. Composicin de LABSS .............................................................................................. 64 Tabla 7.5. Frmula 1: Detergente lquido para ropa...................................................................... 64 Tabla 7.6.Frmula 2: Detergente liquido para ropa....................................................................... 64 Tabla 7.7. Frmula 3: Lavaplatos lquido ..................................................................................... 65 Tabla 7.8. Composicin de diseo del detergente lquido ............................................................. 66 Tabla 7.9. Tanques de almacenamiento de materia prima ............................................................ 66 Tabla 7.10. Distribucin de las regiones y localizacin de las plantas a nivel nacional ............... 68 Tabla 7.11. Balance de masa de una planta comercial de detergente lquido ............................... 72 Tabla 7.12. Dimensiones y datos termodinmicos del reactor R-001 ........................................... 73 Tabla 7.13. Especificaciones del los mezcladores estticos del reactor ........................................ 74 Tabla 7.14. Especificaciones de las bombas de la planta comercial de detergente lquido ........... 76 Tabla 7.15. Especificaciones de los tanques de la planta comercial de detergente lquido ........... 77 Tabla 7.16. Dimensiones del mezclador ME-001 ......................................................................... 78 Tabla 7.17. Especificaciones de los agitadores ............................................................................. 78 Tabla 7.18. Lista de lneas de la planta.......................................................................................... 81 Tabla 7.19. Estimacin de Inversin Total de Capital .................................................................. 82 Tabla 7.20. Costos de produccin para el primer ao de operacin (2011) .................................. 83 Tabla 7.21. Estructura del flujo de caja ......................................................................................... 84 Tabla 7.22. Flujo de caja (Bs)........................................................................................................ 85 xii Tabla 7.23. Escenarios para la tasa de descuento .......................................................................... 86 Tabla A.1. Distribucin Geogrfica93 Tabla D.1. Dimensiones del mezclador esttico dentro del reactor ............................................ 100 Tabla D.2. Datos para la evaluacin del mezclador esttico ....................................................... 101 Tabla D.3. Temperaturas de entrada y salida del reactor ............................................................ 102 Tabla D.4. Valores de CPT y CL ................................................................................................ 104 Tabla D.5. Distancia efectiva entre centros de tubos segn el tipo de arreglo ............................ 107 Tabla D.6. Distancia efectiva de las filas de tubos en direccin del flujo en funcin del arreglo de tubos ............................................................................................................................................ 109 Tabla D.7. Valores de constantes para el clculo del coeficiente ideal de Colburn. ................... 111 Tabla F.1. Rangos de velocidades de fluido dependiendo de su viscosidad ............................... 121 Tabla F.2. Longitud equivalente en ft/accesorios del lado de succin para la bomba P-002 ...... 122 Tabla F.3. Longitud equivalente en ft/accesorios del lado de descarga para la bomba P-002 .... 124 Tabla F.4. Longitud equivalente en pies por accesorios para la bomba P-001 ........................... 129 Tabla F.5. Longitud equivalente en pies por accesorios para la bomba P-003 ........................... 131 Tabla F.6. Longitud equivalente en pies por accesorios para la bomba P-004 ........................... 134 Tabla F.7. Longitud equivalente en pies por accesorios para la bomba P-005 ........................... 136 Tabla F.8. Longitud equivalente en pies por accesorios para la bomba P-006 ........................... 139 Tabla F.9. Longitud equivalente en pies por accesorios para la bomba P-007 ........................... 141 Tabla F.10. Longitud equivalente en pies por accesorios para la bomba P-008 A/B .................. 143 Tabla G.1. Cantidad de mdulos en funcin del nmero de Reynolds ....................................... 147 Tabla G.2. Especificaciones para el dimensionamiento del mezclador ...................................... 147 xiii INDICE DE FIGURAS Figura 2.1. Mecanismo general de la detergencia (1) ........................................................... 7 Figura 2.2. Tipos de surfactantes (1) ..................................................................................... 9 Figura 2.3. Alquilbenceno Sulfonato de Sodio Lineal (3) .................................................... 9 Figura 2.4. Alquilbenceno Sulfonato de Sodio Lineal (3) .................................................. 10 Figura 2.5. Acido Abietico (3) ............................................................................................ 11 Figura 2.6. Dodecil Betaina (3) ........................................................................................... 11 Figura 2.7. Principales elementos en los agentes secuestradores (1) .................................. 12 Figura 2.8. Desactivacin de los metales de dureza (8) ...................................................... 12 Figura 3.1. Operacin por lotes (Batch) (6) ........................................................................ 21 Figura 3.2. Operacin contina (A) Modelo ideal de flujo pistn. (B) Modelo de tanque de agitacin perfecta (6) ........................................................................................................... 22 Figura 3.3. Perfil de velocidad de un FPI (6) ...................................................................... 24 Figura 3.4. Esquema de la variacin de la conversin en un reactor flujo pistn ideal (6)25 Figura 3.5. Reactor de agitacin continua (7) ..................................................................... 26 Figura3.6.ReactoresTACenserieconintercambiadoresintermediosparareacciones exotrmicas (10) ................................................................................................................... 27 Figura 3.7. Comparacin entre los diferentes tipos de reactores (6) ................................... 29 Figura3.8.ComparacinentreelTACyelFPIdevolmenessimilaresparaestimacin delostiemposderesidenciaenreaccionesdeordennatravsdelnmerode Damkhler (10) .................................................................................................................... 31 Figura 3.9. Comparacin entre un reactor flujo pistn nico (A) y un banco (B) ............. 32 Figura 3.10. Cabezal de tubos fijo (11) ............................................................................. 35 Figura 3.11. Cabezal de tubos flotantes externo (11) .......................................................... 36 Figura 3.12. Cabezal de tubos flotante con anillo de cierre hidrulico (11) ........................ 36 Figura 3.13. Cabezal de tubos flotante removible (11) ........................................................ 37 Figura 3.14. Cabezal de tubos flotante interno (11). ............................................................ 37 Figura 3.15. Identificacin TEMA de Intercambiadores de calor de tubos y coraza (11) ... 38 Figura 3.16. Elementos de un intercambiador de calor de tubos y coraza (11) ................... 39 Figura 3.17. Patrones Triangulares de arreglos de tubos (13) ............................................. 40 xiv Figura 3.18. Patrones cuadrados de arreglos de tubos (13) ................................................. 40 Figura 3.19. Deflector segmentado (13) .............................................................................. 41 Figura 3.20. Deflector de disco y corma (10) ...................................................................... 42 Figura 3.21. Deflector de orificio (10). ................................................................................ 42 Figura 4.1. Ejemplos de mezcladores estticos (13) ............................................................ 43 Figura 4.2. Patrones de mezclado radial en mezcladores estticos (16) .............................. 46 Figura4.3.Comparacindelperfildevelocidaddelfluidoenunatuberavacaycon mezcladores estticos con el rgimen de flujo pistn ideal (8). .......................................... 47 Figura 4.4. Curva para flujo pistn ideal, con mezclador esttico y con tubera vaca (8).47 Figura 6.1. Montaje experimental para pruebas en tejidos ................................................ 56 Figura 7.1. Ejemplo de materiales despus de pasar por el lavado ................................... 61 Figura 7.2. Esquema del proceso ....................................................................................... 70 Figura 7.3. Diagrama integral del proceso ......................................................................... 70 Figura 7.4. Esquema de los mezcladores estticos KOMAX (5) ........................................ 74 Figura 7.5. Arreglo de tubos y estructura de los mezcladores estticos ............................ 75 Figura 7.6. Diseo de los tanques de almacenamiento de materia prima (A) y de mezclado (B) ...................................................................................................................................... 77 Figura 7.7. Agitador tipo palas inclinadas 45 .................................................................. 78 Figura 7.8. Diagrama de flujo del proceso (DFP) ............................................................. 79 Figura 7.9. Plano de ubicacin de equipos de la planta (Nivel 1) ..................................... 80 Figura 7.10. Plano de ubicacin de equipos de la planta (Nivel 2) ................................... 80 Figura 7.11. Flujo de caja en el tiempo ............................................................................. 87 Figura A.1. Mapa de Venezuela distribuido por regiones. ................................................ 89 Figura F.1. Longitud equivalente para los distintos accesorios ........................................ 120 FiguraF.2.Alcancesdelasbombasenrangosdefuncionamiento,paralostiposcomerciales ...................................................................................................................... 125 Figura G.1. Factor A vs Nmero de Reynolds en flujo laminar ....................................... 146 Figura G.2. Factor B vs Nmero de Reynolds en flujo turbulento146 INTRODUCCIN IndustriasVenocoC.A.esunaorganizacinempresarialconformadaporungrupode empresas de origen venezolano de capital privado, con un amplio desarrollo en el rea qumica, petroqumicaydelubricantesconmsde50aosdeexperiencia,ubicadaenGuacaraEdo. Carabobo.Actualmente, en su esfuerzo por contribuir con el desarrollo social y econmico del pas, ha previsto destinar el 30 % (7.200 Tm/a) de la produccin de cido alquilbencensulfnico lineal (LABSA),provenientesdelanuevaplantadesulfonacinapequeasymedianasempresas (PYMES)queestarndistribuidasendiferentesregionesdelpas,cuyoobjetivoserla produccin de detergentes lquidos.Comopartedelcompromiso,IndustriasVenocoacordconelMinisteriodePoder PopulardeCienciayTecnologarealizarlaingeniera,procurayconstruccinunaplantade produccindedetergentelquidoconunacapacidadde5600Tm/aapartirdesodacusticay LABSAenGuanare,Edo.Portuguesa,siendoestalaempresapilotoparaluegomultiplicarlaa nivel nacional. Entre los principales objetivos de dicha planta estn: fabricar detergentes lquidos biodegradables, incrementar la oferta de productos nacionales a precios competitivos a travs de lasredesgubernamentales,elahorrodedivisasatravsdelasustitucindelaimportacinde detergentesdeotrospasesylageneracindeempleostantodirectoscomoindirectos,enel proceso de manufactura, transporte y distribucin. Objetivo generalElaborarlaingenierabsicadeunaplantacomercialdedetergenteslquidosapartirde cido alquilbencensulfnico lineal (LABSA). Objetivos especficos -Realizarexperimentosaniveldellaboratorioparaverificarlacapacidaddedetergenciadel cidoalquilbencensulfnicocomomateriaactivadedetergentesyproponeraditivosque mejoren las caractersticas fsicas y qumicas de los mismos. -Elaborarlasbasesdediseoparaelprocesodemanufacturadedetergenteslquidosanivel comercial. -Realizar el balance de masa y energa del proceso.2 -Disearunreactorflujopistnmodificadodondesellevaraacabolareaccinde neutralizacindelproceso,tomandoencuentalosdatosobtenidosenlaplantapilotoylas bases de diseo. -Disear los equipos necesarios para el proceso de produccin de detergentes lquidos. -Elaborar el diagrama de flujo del proceso (DFP), el diagrama de tuberas e instrumentacin y el plano de ubicacin de equipos correspondiente a la planta comercial. -Realizar estimado de costos clase III (precisin 20%). -Evaluar la factibilidad econmica del proyecto mediante la tasa interna de retorno y el tiempo de retorno de inversin. CAPTULO 1 BREVE DESCRIPCIN DE LA EMPRESA LaorganizacinempresarialIndustriasVenocoC.A.seconvirtienlaprimeraempresa privada venezolana destinada a la transformacin de derivados de hidrocarburos en 1960, cuando inicioperacioneslaCompaaAnnimaNacionaldeGrasasLubricantesenlaciudadde Valencia.Para el momento, esta actividad era exclusiva de compaas trasnacionales y realizada conproductosimportados.Desdeentonces,laempresasehadestacadoanivelnacionale internacionalporlacalidaddesusproductosyprocesos.Actualmente,susedeprincipalse encuentra ubicada en la Carretera Nacional Va Aragita, Guacara, Edo. Carabobo (1). Actualmente,laempresahamodeladosuorganizacinempresarialestructurandosus lneasdeproduccindelasiguientemanera:C.A.NacionaldeGrasasyLubricantes(CANGL, 1960),QumicaVenoco(QVCA,1969),AditivosOrinoco(ADINOVEN,1979)yLubricantes Venoco Internacional, C.A (LVICA, 1994).Durante los ltimos aos, la empresa, con el objetivo de ampliar sus horizontes, construyo unaplanta de sulfonacin ubicada dentro de lasede principal para producirAcido sulfnico de alquilbencenolineal(LABSA).Estehidrocarburoeslaprincipalmateriaprimaparalaindustria de manufactura de detergentes aninicos sintticos. Hoy en da, esta planta de sulfonacinya se encuentra en operacin, utilizando como materia prima alquilbenceno lineal (LAB) proveniente de la planta qumica ubicada en el mismo complejo. De acuerdo a la tecnologa de la unidad de procesos desarrollada por la compaa italiana BallestraS.P.A.,elprocesodemanufacturaparalaobtencindelhidrocarburosulfonado consiste,bsicamente,enlatransformacindelalquilbencenolineal(LAB)enunreactorde pelcula fina descendente, donde se pone en contacto el LAB con trixido de azufre (SO3), dando lugaralareaccindesulfonacin.Elproductofinal,LABSA,tienelasiguientecomposicin qumica expresada en porcentaje de masa (Tabla 1.1). 4 Tabla 1.1 Composicin del LABSA Componente%Peso LABSA97,0 H2SO41,07 LAB1,04 H2O0,89 ElGobiernoNacionalexoneraIndustriasVenocodearanceleseimpuestosalvalor agregado(I.V.A)enloreferentealaimportacindelosequiposparalaplantadeSulfonacin. Como parte del compromiso,Industrias Venocoacorden conjunto conelMinisterio del Poder PopularparalaCienciayTecnologa,promoveryapoyarlacreacindePYMES(Pequeasy Medianas Empresas) para la produccinde detergentes lquidos, empleando como materia prima bsicaelcidoSulfnicoproducidoenlaplantadeSulfonacin.Deestamaneraseestara originando capacitacin y entrenamiento para el desarrollo de la comunidad. CAPTULO 2 DETERGENTES Acontinuacinsepresentaralainformacinrelacionadacondetergentes,elprocesode detergencia,elprocesodemanufacturaycaractersticasdelosdetergentessintticos,sus componentes y funciones. 2.1. Antecedentes El desarrollo en la formulacin y produccin de detergentes ha sido escalonado a lo largo delahistoria,desarrollandopaulatinamentetecnologasyproductosdestinadosasatisfacerlas demandas tcnicas y de mercado.En el ao 600 a.C., los fenicios obtuvieron el primer jabn mezclando grasa de cabra con cenizas de madera.En Europa, la fabricacin de jabones se inici en Marsella en la Edad Media y se extendi a Gnova, Venecia y Savona.En el siglo XVIII, la fabricacin de ste se convirti enunnegocioflorecienteysedifundienEuropayNorteamrica,llegandoaserunagran industria para fines de siglo (1). Para1890,A.Krafft,qumicoalemndedicadoalainvestigacin,observqueciertas molculas de cadena corta, que no eran sustancias jabonosas, producan espuma como el jabn al unirseconalcohol.Kraffthabaproducidoelprimerdetergentedelmundo,peroenaquel momento este descubrimiento no interes a nadie y permaneci como mera curiosidad qumica.Despus de la primera guerra mundial, el bloqueo aliado priv a Alemania del suministro degrasasnaturalesutilizadasparafabricarlubricantes,lasgrasasdelosjabonesfueron sustituidas,yelpropiojabnseconvirtienunartculodifcildeconseguirenelpas.Dos qumicos, H. Gunther y M. Hetzer, recordaron entonces hallazgo de Krafft y elaboraron el primer detergente comercial, llamado Nekal, creyendo que servira como sustituto del jabn tan slo en tiempos de guerra. Sin embargo, las ventajas del detergente con respecto al jabn no tardaron en manifestarse, de tal manera que para el ao 1930, gran parte del mundo industrializado fabricaba 6 unaampliagamadedetergentessintticosquenodejabanresiduoalguno,yqueenmuchos aspectos eran muy superiores al jabn.PosteriormentealaSegundaGuerraMundial,larpidadisponibilidaddehidrocarburos procedentes de la industria petroqumica en desarrollo, hizo atractiva la idea de que existiese un sistema de detergentes econmico y eficiente, y es en 1946, cuando aparece el primer detergente para lavar la ropa en casa: el Tide, que coincidi con el momento en que las amas de casa en los Estados Unidos no podan vivir sin una lavadora automtica.El xito del Tide fue rpido y se convirtienelprecursordemuchsimosdetergentesdelicadosquenotardaranenabarrotarlas estanteras de los supermercados (2). 2.2. Definicin Undetergenterepresentaunconjuntodemolculascompuestasdedospartes,una hidrofbica(insolubleenagua)yunahidroflica(solubleenagua).Estasmolculas,mejor conocidas como surfactantes, son altamente activas en lasinterfaces entre airey agua o aceitey agua (1). Los detergentes contienen entre los componentes que forman parte de su formulacin, uno ovariosagentestensoactivososurfactantes,encombinacinconotrassustanciasorgnicase inorgnicas, que incrementan la eficacia de la limpieza en comparacin con la accin del agente tensoactivo aislado (3). 2.3. Proceso de detergencia La detergencia consiste en la extraccin del sucio en un sustrato, mediante un compuesto quetienelacapacidaddeemulsificar,humectar,deflocular,blanqueareinhibirlacorrosin inherenteenelprocesodelavado;asegurandoquelosmaterialespertenecientesalostejidos, comoporejemplo,loscolorantes,noseanafectados.Elmecanismofsico-qumicoqueest involucradoenelprocesoesampliamentecomplejo.Sinembargo,puedeserdescritoenseis pasos (Figura 2.1) (4): -Hidratacin del sucio: es necesario hidratar las piezas de tela, debido a que sufren un proceso de almacenamiento previo al lavado, durante el cual el sucio pierde gran parte de su humedad. -Remocin del sucio de la tela por medio de acciones mecnicas y qumicas. 7 -Fragmentacindelsucioenpartculaspequeas,dispersionesocomponentessolublesen agua, por medio de diversos componentes presentes en la formulacin del detergente. -Prevencinderedeposicindelosfragmentosdesuciootrazasdetintesobrelatelaya lavada. -Blanqueodelsucioresidualoredepositado(percudido)conlafinalidaddedarunamejor sensacin y resultado visual. -Modificacinfinaldelafibraparamejorarlasatisfaccindelconsumidor,utilizandopara elloagentestalescomoabrillantadores,perfumes,polmeroanti-redepositantesdesucioy agentes acondicionadores de tejido. Figura 2.1. Mecanismo general de la detergencia (1) 2.4. Formas fsicas de los detergentes Losdetergentessefabricanenunavariedaddeformasypresentacionesdependiendoen cierta medida del tipo de formulacin y la funcin que debe cumplir.Segn la forma, la mayora de los detergentes pertenecen a uno de los siguientes grupos:(4) -Polvos: Losdetergentesenpolvotradicionalesquesefabricanycomercializan,superanen cantidadalasdemsformasfsicasexistentes.Representamsdel60%delaproduccin mundial.Su densidad se encuentra entre 200 g/l y 700 g/l, dependiendo de la regin. -Barras: Se fabrican tanto para el lavado a mano como en pastillas para lavadoras.Igualmente se fabrican para uso personal y en cosmtica en general. 8 -Pastas: Sonutilizadasbsicamenteenlaindustriatextilyenalgunoscasosparaoperacionesde limpieza industrial y mantenimiento.-Lquidos: Este tipo de detergentes se venden mayormente en soluciones diluidas; para aplicaciones como el lavado de ropa, lavaplatos, etc.2.5. Componentes de los detergentes sintticos y sus funcionesLa clasificacin de los detergentes se realiza de acuerdo al tipo de agente tensoactivo y de loscomponentessecundariosqueloconforman.Suformulacinvaraenormemente dependiendo del fin o la aplicacin que se le quiere dar, as como tambin de acuerdo al mercado donde va dirigido el producto. Entrelosprincipalescompuestosqueseusanparalamanufacturayformulacinde detergentes se encuentran: 2.5.1.Surfactantes Unsurfactanteoagentetensoactivoesunasustanciaqumicaquetienelahabilidadde adsorberseenunainterface,modificandolaenergalibreinterfacial.Lasmolculaseionesde tensoactivoformancapasmonomolecularesorientadasalainterfacesucio-tela-aguapara promover la limpieza (detergencia) y en la interface aire-agua para producir espuma, mediante la disminucindelatensinsuperficialdelasinterfaces.Adems,estospresentanpropiedades funcionales de humectacin, emulsificacin, solubilizacin y dispersin. Los agentes tensoactivos tienen una estructura molecular comn que consiste en una larga cadena no polar, casi siempre una cadena de hidrocarburo, que es soluble en aceite pero insoluble en agua, conocida como la parte lipoflica o hidrofbica. El otro extremo de la molcula conocida como la parte hidroflica, es insoluble en aceite pero soluble en agua, y es lo suficientemente afn a ella para conferir solubilidad en agua a todo el compuesto (1). 2.5.1.1.Clasificacin de los surfactantes Desde el punto de vista comercial los surfactantes se clasifican segn su aplicacin.Sin 9 embargo,comoseobservaquemuchossurfactantessonsusceptiblesdeserutilizadosen aplicacionesdiferentes,loqueprovocaconfusiones,seprefiereclasificarlosdeacuerdoala estructuradesumolcula,odemaneramsexactasegnlaformadedisociacindeestaenel agua (4). Figura 2.2. Tipos de surfactantes (1) -Surfactantes aninicos Lossurfactantesaninicosseionizanensolucinenunaninanffiloyuncatin.La parte lipoflica est compuesta por una cadena parafnica lineal o ramificada que va desde 10 a 14 tomosdecarbono,yestunidaaunanilloaromtico.Elextremohidroflicodelamolcula, conpocasexcepciones,es,ungruposulfatado(-O-SO3-),oungruposulfonado(-SO3-).Delos cationesasociadosconlosgrupospolares,elsodioyelpotasioimpartensolubilidadenagua, mientrasqueelcalcio,barioymagnesiofavorecenlasolubilidadenaceite.Unamayorfuerza inica en el medio disminuye la solubilidad del tensoactivo. Delosdistintostiposdeagentestensoactivos,losaninicospertenecenalaclase comercialmsimportante,siendosteelsurfactanteprincipalenlaformulacindedetergentes lavaplatosydetextiles.Suproduccinrepresentaalrededordel55%delossurfactantes producidosanualmenteenelmundo.Enlaactualidad,elcompuestomsutilizadoesel alquilbencensulfonato de sodio lineal (LABSS), seguido de los alcoholes sulfatados, alcohol ter sulfatos, sulfonatos de alfa olefinas, y parafinas o sulfonatos de alcanos secundarios. Figura 2.3. Alquilbenceno Sulfonato de Sodio Lineal (3) 10 -Surfactantes catinicos Adiferenciadelosaninicos,elgrupopolarposeeunacargapositiva.Prcticamente todos los tensoactivos catinicos de importancia industrial son compuestos grasos nitrogenados y abasesdeamoniocuaternario.Sondepocautilidadenlimpiezaporquelamayoradelas superficies tienen una carga negativa y los cationes se adsorben sobre ellas en lugar de solubilizar la suciedad adherida. Lossurfactantescatinicossonusadosencantidadeslimitadasdebidoasucostode produccinyseutilizancomoauxiliaresenlafabricacindeantispticos,bactericidasy suavizadodetextiles,ascomotambinparaproductosdeespecialidad,talescomolimpiadores demetalesparagalvanizado.Elsurfactantecatinicomsutilizadoeselclorurodedimetil amonio de doble ramificacin. Figura 2.4. Alquilbenceno Sulfonato de Sodio Lineal (3) -Surfactantes no inicos A diferencia de los surfactantes aninicos o catinicos, carecen de cargas discretas cuando se disuelven en medios acuosos. La parte hidroflica contiene tomos no ionizables de oxgeno, nitrgenooazufre;susolubilidadesproporcionadaporlosenlacesdehidrgenoconlas molculas de agua.Generalmente, la parte hidroflica es una cadena de polioxietileno, sustituido en un extremo con el grupo hidrofbico, formado por grupos muy similares a sus equivalentes en los surfactantes aninicos o catinicos.Tienden a ser ceras de bajo punto de fusin o lquidos y, por consiguiente, es difcil formularlos en forma de polvo. Son excelentes agentes humectantes, compatibles tanto concompuestos aninicos comoconcatinicos,ynosonafectadosporlosionescalcioymagnesiodelaguadura.Su produccinrepresentaunpocomenosdel40%deltotal.Dentrodelostensoactivosnoinicos quetienenimportanciacomercialseencuentranlosalquiletoxilatos,losalquilfenolesetoxilatos, el etanol amidas de cidos grasos, los polmeros complejos de xido de etileno, entre otros. 11 Figura 2.5. Acido Abietico (3) -Surfactantes anfteros Contienen grupos hidroflicos cidos y bsicos, y dependiendo del pH de la solucin en la queseutilicen,puedenseraninicos(bsico)ycatinicos(cido),comoeselcasodelcido acetilamino actico.Este grupo de surfactantes, presentan buenas propiedades tensoactivas en un amplio intervalo de pH y son compatibles con los aninicos y los catinicos.Los anfteros son en general tan caros como los catinicos y por esta razn su utilizacin se reduce a aplicaciones particulares. Figura 2.6. Dodecil Betaina (3) -Surfactantes polimricos Haceunosveinticincoaossurgieronestetipodesurfactantes.Estossonproducidos asociandoestructuraspolimerizadasdetipohidroflicoolipoflico,enformadebloquesode injertos.Algunos de estos surfactantes son indispensables en procesos donde estn involucradas macromolculasnaturalescomoenladeshidratacindepetrleo.Dentrodeestegrupose encuentran las resinas sulfonadas o etoxiladas y los copolmeros bloque de xido de etileno o de xido de propileno (3). 2.5.2.Fortificadores o agentes secuestradores de dureza Existentreselementosqumicosqueformanlabaseparacasitodoslosagentes 12 secuestradores: silicio, carbono y fsforo (Figura 2.7). Figura 2.7. Principales elementos en los agentes secuestradores (1) Elfosfatonosolofuncionacomoenlazantedelosionesdedurezadelagua,sinoque tambin favorece la suspensin del sucio en la solucin de lavado y acta como buffer del pH de la solucin.En las regiones en las que los compuestos de fosfato tienen regulaciones ambientales por su efecto en las aguas residuales, se comenz a emplear otros compuestos capaces de cumplir las mismas funciones, pero que su vez, aumentaron la complejidad de la formulacin. As,desdeladcadadelos70seempezaronautilizarmaterialesconcapacidadde intercambioinicocomolosonlaszeolitasysilicatos,polmerosdepolicarboxilatoparala suspensin del sucio en la solucin de lavado, cido ctrico para la dispersin y control de pH, y carbonato para el control de calcio y como buffer.Dentro de las funciones principales de los agentes secuestradores se tienen: 1)Suavizantesdelagua:Lafuncinbsicadelosbuildersesenlazarsealosionesde dureza en el agua corriente y proveer en cambio iones de sodio (Figura 2.8). Figura 2.8. Desactivacin de los metales de dureza (8) 13 -Laremocindelosioneslibresdecalcioymagnesioesesencialparaeldesempeoenel lavado.Lasdurezasdecalcioymagnesiolibreseencuentranpresentesenlasaguas superficiales,endiferentescantidadesyrelacionesdependiendodelazonageogrficayel tipo de tratamiento al que es sometida el agua. Estas durezas implican inconvenientesenel proceso de lavado ya que: -Intervieneneneldesempeodelossurfactantesaninicosreduciendosusolubilidadysu eficiencia en la remocin y dispersin del sucio. -Interactanconsuciosdecidosgrasosformandojabonesdecalcioymagnesio,loscuales son altamente insolubles y difciles de extraer de las telas. -Mantienen atrapados los sucios de tipo aninico en las telas a travs de puentes inicos. -Seabsorbensobrelastelasdealgodnyprecipitancomocarbonatosysilicatos,ascomo sales de calcio de cidos grasos.Esto origina serias dificultades para el mantenimiento de la blancura de las telas. -Interactanconsuciosespecficos(porejemplolatierra)paracausaraglomerados,trayendo como consecuencia una remocin pobre del sucio y la redeposicin del mismo. 2)Fuentedealcalinidad/capacidaddebuffer:Lascondicionesalcalinasdeunprocesode lavadoaunpHentre9,5y11promuevelaremocindesuciodelastelas.Adems,la alcalinidadsaponificayemulsionalasgrasasyfavorecelasolubilidadodispersinde material protenico en la solucin. 3)Actividaddispersante/antiredepositante:Otrafuncinimportantedelosagentes secuestrantesesladesuspenderlossuciosquehansidoremovidosenlasolucinde lavado.Los materiales que tienen polianiones, tales como el tripolifosfato, los silicatos y en especial los policarboxilatos polimricos, son efectivos gracias a la repulsin entre las partculas de sucio cargadas negativamente y los polianiones. 4)Estabilizacindeblanqueadores:Losblanqueadoresactivossoninestablestantoensu almacenamientocomoduranteelprocesodelavado,debidoaquesonmuysensiblesa trazasdeionesdemetalespesadosloscualespuedencausarladescomposicin instantneadelperxidosiseencuentranlibrementeensolucin.Losagentesquelantes son muy efectivos a la hora de reaccionar con los iones de metales pesados y prevenir la descomposicin de los radicales de los blanqueadores oxigenados (1).14 2.5.3.Inhibidores de corrosin Son sustancias que inhiben la accin corrosiva de los tensoactivos sulfatados y sulfonados sobrelosmetalesdelasmquinaslavadoras,siendoelmscomnelsilicatodesodio.ste ademsdisminuyeelefectodeseparacinencapascuandosetransportaeldetergentealargas distancias,debidoaladiferenciadedensidadesqueposeencadaunodesuscomponentes, estabiliza la mezcla y mejora la velocidad de solubilizacin del detergente (3). 2.5.4.Blanqueadores Lasuciedadquenoseeliminaporlosmecanismosusuales,confrecuenciapuede modificarsemedianteunblanqueadorpararetirarlaconmayorfacilidad.Losblanqueadoresde cloro(porejemplo,hipocloritodesodioocidotricloroisocianrico,queseutilizanenpolvos limpiadores) tienen un olor desagradable y tienden a descomponerse durante el almacenamiento, daar las telas y los colorantes, y en el caso del nylon le confieren un color amarillo brillante.Es por esto que es preferible utilizar los blanqueadores que se descomponenformando perxido de hidrgeno y el ms usado es el perborato de sodio. 2.5.5.Blanqueadores pticos Losagentesfluorescentessontintesincolorosqueproducenunafluorescenciaazulal adsorberse sobre las telas cuando son expuestos a la luz del sol.Estos enmascaran cualquier tono amarillodebidoalenvejecimientodelatelayproducenunaspectogenuinamentemsblanco que el blanco.Estos agentes no funcionan muy bien con fibras sintticas porque no se adsorben en forma adecuada.Con frecuencia se emplean mezclas de blanqueadores pticos y cada uno de los componentes es efectivo con una fibra distinta. 2.5.6.Cargas auxiliares y de procesamiento Seutilizancomorellenoparaabaratarelproducto.Nocontribuyenenelprocesode detergenciaperoleconfierenalpolvomayorsolturayunmejorflujo,disminuyendoasla cantidad de detergente necesaria para efectuar un buen lavado.En contraposicin, ocasionan un aumentoenlaredeposicindelsucio,locualsehacenecesarialaexistenciadeunarelacin ptima de trabajo.El compuesto ms utilizado es el sulfato de sodio. 15 2.5.7.Estabilizadores de espuma Para el pblico, un detergente efectivo debe producir espuma.No slo se consideraa la espumacomounaayudaenelprocesodelimpieza,sinoquetambinocultaelagua,lacual debido a la formacin de micelas y la suspensin de suciedad, siempre aparece sucia.De hecho nohayrelacindirectaentrelaespumayladetergencia,yenciertoscasos(porejemplo, mquinaslavadorasdecargafrontalolavadorasdeplatos)laespumaexcesivaconstituyeuna desventaja.Sinembargo,enlasformulacionesgeneralesseconsideraconvenienteagregarun estabilizador de espuma, como la n-hidroxietil-lauramida. 2.5.8.Agentes suspensores de suciedad Elprincipalagentesuspensordesuciedadeslacarboximetilcelulosasdica.Sufuncin es evitar la redeposicin de suciedad y acta incrementando la carga negativa sobre la superficie de las telas, que entonces repelen las partculas de suciedad, las cuales poseen cargas negativas. 2.5.9.Enzimas Lasmanchasproducidasporprotenascomohuevo,lecheysangresondifcilesde eliminar por la accin del detergente, ya que son insolubles en agua, se adhieren con fuerza a las fibraseimpidenlapenetracindeldetergente.Alagregarunaenzimaproteolticaala formulacin,stacatalizalahidrlisisdelasprotenasformandopptidossolublesenaguay aminocidos,ocuandomenoslashacenpermeablesalagua,porloquelamanchapuede eliminarse junto con la mugre grasosa (3). Las enzimas se han adicionado a algunas formulaciones de detergentes desde mediados de losaossesenta.Estasfuncionanconmseficienciaatemperaturasinferioresaladellavado normal y es mejor dejar los artculos en el detergente con enzimas durante la noche. La enzima puedepresentarunriesgotxicoalaspersonasquehabitualmenteestnexpuestasaellas,as como la inhalacin de polvo de enzimas puede ser daina. 2.6. Alquilbenceno Sulfonato de sodioLosn-alquil-arilsulfonatossonlacategoradesurfactantedemayorproduccinparala fabricacin de detergentes en polvo. El tipo ms representativo es el alquilbenceno sulfonato que 16 eselprincipalcomponenteactivodeesencialmentecasitodoslosdetergentesenpolvodeuso domstico (3).Al final de los aos 40,su antecesor,el dodecilbenceno sulfonato basado enel tetrmero de propileno desplaz los jabones de cidos grasos como producto domstico para lavar la ropa. EstosdetergentesllamadosABS,tenanunamejortoleranciaalaguadurayerannetamente superioresalosjabones.Sinembargotenanuninconvenientemayor,quelospases industrializados no tardaron en constatar, en particular en las zonas pobladas: su biodegradacin en las aguas negras era lenta e incompleta. Como consecuencia, los ros o lagos que reciban las aguastratadasempezaronaexhibirespumaspersistentes,reduccindesuoxgenodisueltoy desaparicin de la flora y de la fauna. Estudios realizados a principios de los aos 60 demostraron quelasramificacionesdelalquilatoeranlossitiosresistentesalabiodegradacin.Pararesolver este problema la industria de los detergentes, bajo la amenaza de los reglamentos y de las leyes, desarroll procesos de produccin de alquilatos lineales los cuales conducen a los llamados LAS biodegradables.ElcambiototalseefectuenEuropayNorteAmricaentrelosaos1964y 1966.SinembargotodavaenLatinoamricael90%delosalquilbencenosulfonatoserandel tiponobiodegradableen1976.En1982fuepromulgadaenVenezuelaunaleyprohibiendola ventadeABSramificados.Sinembargotodavasefabricanestetipodeproductoparala exportacin.2.6.1.Proceso de manufacturaLosprocesosdemanufacturadedetergentesaninicossintticosseinician indistintamenteconlaneutralizacindelcidoalquilbencenosulfnico,dedonderesultael agente tensoactivo como producto intermedio, el cualse incorporacomo componente activo en laformulacindeldetergente,seguidodeunprocesodeaditivacinoincorporacindelos diferentesaditivosquecomplementanlaelaboracindeldetergenteyporltimounafasede terminacindonde,generalmente,seretiralahumedadexcesivaparacumplirconlos requerimientosdeldetergenteparaservendidoenlasdiferentesformasfsicascomopolvo, barras o pastillas (4).2.6.2.NeutralizacinLaneutralizacindelLABSAconsisteenunareaccinexotrmicaentreunagente 17 neutralizante y dicho cido. La reaccin puede ser en fase homognea o heterognea dependiendo delagenteneutralizantequeseutiliceyporlogeneralserealizaapresinatmosfrica.Los agentesneutralizantescomnmenteutilizadossonlasodacustica(NaOH)yelcarbonatode sodio(Na2CO3),siendomenoscomuneslasolucinamoniacal(NH3),lamonoetanolamina, dietanolamina y trietanolamina (4).El control del pH resulta esencial para la obtencin de un producto de excelente calidad. Un pH muy bajo (11)dejademasiadasodacusticaarraigandoconsecuenciasnegativasenlas propiedades del producto final. Resulta prcticamente imposible controlar el pH entre 7 y 9 para sistemas cido-base fuertes, como el caso de LABSA-NaOH. Sin embargo, es posible controlar el pH entre 9y 10 donde la curva de valoracin se torna ms estable, considerndose un pH de 10 como ptimo.LaoperacindemezcladodelasolucincusticaconelLABSA,serealizaaalta velocidad ya que el producto de la reaccin es un fluido no newtoniano del tipo pseudoplstico, y porendesuviscosidaddisminuyealaumentarelesfuerzocortante.Elproductodereaccin (LABSS), se conoce tambin con el nombre de pasta.Debido al carcter de base fuerte de la soda custica, el calor de neutralizacin es mayor alobtenidoconlosotrosagentes,dependiendotambindelaconcentracindelasolucin utilizada. Normalmente se utiliza solucin de soda custica al 50 %.Las reacciones de neutralizacin que se llevan a cabo son las siguientes:Reaccin principal: (2.1) Reaccin secundaria: (2.2) 18 La reaccin global es altamente exotrmica debido al calor de neutralizacin y de dilucin de los cidos fuertes y de la base fuerte. Los calores involucrados en la reaccin de neutralizacin del LABSA con soda custica son los expresados en la Tabla 2.1. Tabla 2.1. Calores de reaccin (4) NomenclaturaDescripcinValor (kJ/mol) H1 Calor de dilucin infinita del cido sulfnico en agua 39,3 H2 Calor de neutralizacin del cido sulfnico 61,4 H3 Calor de dilucin infinita del cido sulfrico 97,0 H4 Calor de neutralizacin del cido sulfrico 112 H5 Calor de dilucin de una solucin 50% p/p en NaOH a 17,6 % p/p 17,99 H6 Calor de dilucin de una solucin 17,6 % p/p en NaOH a concentraciones inferiores 0,36 2.7. Consideraciones txicas y ambientales Losdetergentessonproductosqueseutilizanengrandescantidadesparalalimpieza domstica e industrial. Estos actancomo contaminantes del agua al serarrojadosen las aguas residuales debido a que no son descompuestos fcilmente por la accin bacteriana. El principal agente tensoactivo que se usa en los detergentes es alquilbenceno sulfonato de sodio.A medida que la cadena parafnica lateral crece, disminuye la solubilidad del producto en aguayaumentaladetergencia.Tambin,amedidaquelasramificacionesenlapartelipoflica aumentanyelproductosehacecadavezmenosbiodegradable.Esporelloquehoyenda,la materiaprimamsutilizadaparalamanufacturadelcidosulfnicoeselalquilbencenolineal (LAB). Losfortificadoresdefosfatosonnutrientesparalasplantasyensupresencialasalgas azul-verdespuedencreceraunavelocidadexplosivaycubrirgrandesreasdesuperficie.Las algasqueseencuentrandebajodecadaunadelasplantasnuevas,sepudrenyextraenoxgeno 19 delagua,haciendoquelospecesmueranyseperturbeelequilibrioecolgico.Elfenmenoes conocidocomoeutroficacin.Elusodefosfatoenlosdetergentescontinasiendountemade debate en cuanto a su impacto ambiental. En la regin latinoamericana se contina utilizando los fosfatosenlasformulacionesdedetergentes,yenelcasoespecficodenuestropas,nohay regulaciones por parte del gobierno nacional. CAPITULO 3 REACTORES QUMICOS Unreactorqumicoserefiereacualquierequipoutilizadoparallevaracabola transformacinmoleculardeunoovarioscompuestos.Sinembargo,enelpresentetrabajo,se restringeeltrminoaloscasosdondelatransformacinqumicaesdesignadanicamentepara producirunoomscompuestosqumicospredeterminadosoparaeliminarunoovarios compuestos de una mezcla en particular.Los reactores qumicos constituyen bsicamente el corazn de las plantas de manufactura de los diversos productos utilizados en la vida cotidiana e incluso para el control de emanaciones y desechos de elementos perjudiciales para el medio ambiente. 3.1. Caractersticas de los reactores Existendiversoscriteriosqueestablecenlaclasificacindelosreactores,bienseaporla naturalezadelosreactivosoporlascondicionesdelprocesocomotal.Entreloscriteriosms resaltantes se encuentran los siguientes (6):3.1.1.Fases de los fluidos presentes Indicabsicamentesilareaccinserealizaconunamezclahomogneaoheterognea. Lasreaccioneshomogneassonenfasegaseosaolquidanicamente.Paralasreacciones heterogneasomultifsicascorrespondealossistemasconconfiguracionespermutaentrelas fases gaseosa, lquida y solida Lasreaccionesheterogneasmscomunessonlasquepresentanunafaseslidaque trabajacomocatalizadorparaoptimizarelprocesodetransformacinqumicadelosreactivos. Enunoscasosnoseconsumendurantelareaccinyenotroscasospuedeformarpartecomo reactante e, inclusive, como producto. 21 3.1.2.Tipo de proceso Se refiere esencialmente al modo de operacin de los reactores, los cuales pueden ser por lotes (batch) o de forma continua. En los procesos tipo batch, los reactivos son cargados dentro del reactordonde ocurre la transformacinqumica.Eltiempoelcualocurralareaccindeterminarlaresidenciadelos compuestos dentro del reactor. Estos sistemas son ms comnmente llamados sistemas cerrados, referidos a la ausencia de alimentacin y descarga durante la reaccin. Figura 3.1. Operacin por lotes (Batch) (6) Porotraparte,enunprocesocontinuo,losreactoresoperanconunflujointernoque comienzaenelpuntodealimentacinyculminaenelpuntodedescarga.Esteflujointernose puedeasumirdevariasmaneras,dependiendodelaestructuradelosequipos.Sepueden identificar diversos tipos de flujo en un proceso determinado y, a su vez, compararlos con los dos modelos ideales establecidos para el estudio de los reactores continuos: -Flujopistn:Concierneaunreactortipotubulardondelosreactivosingresanyvan reaccionando de manera gradual a medida que viajan a lo largo de la tubera. Entre el ingreso yladescargadelreactor,laconcentracindelreactantedecrecedeformacontinua,poresta razn,estosreactoressoncomnmentedenominadoscomoreactoresdegradientesde concentracin. -Tanquedeagitacincontinua:Lareaccinentreloscompuestosocurreuniformementesin 22 variaciones espaciales en la concentracin, temperatura o velocidad de reaccin en todos los puntos del recipiente de mezclado. Figura 3.2. Operacin contina (A) Modelo ideal de flujo pistn. (B) Modelo de tanque de agitacin perfecta (6) Normalmente,enlosprocesoscontinuos,seexpresanlosflujosmolaresdeentradayde salidadeunaespecieAenfuncindelaconversin(x)quesufreporaccindelareaccin.La conversinaumentaconeltiempoquelosreactivospermanecenenelreactor.Estetiempose incrementa al aumentar el volumen del reactor.3.1.3.Transferencia de calor Otracaractersticaimprescindibleparaeldiseodelosreactoresqumicoseselefecto trmico que est asociado con la naturaleza de la reaccin. A nivel industrial, algunas reacciones producencambiosmuygrandesdetemperaturasenelprocesocuandosonexotrmicaso endotrmicas, forzando a la necesidad de equipar los reactores con superficies de intercambio de calor capaces de mantener un control en la temperatura de la reaccin llevada a cabo. Existen dos casos en cuanto a las condiciones de intercambio de calor se refiere. Existen losreactoresisotrmicosdondesemantienelatemperaturadelreactorconstantedurantela 23 reacciny, por otro lado, los procesos adiabticos, en los cuales no existe transferencia de calor con la superficie del reactor.Los reactores isotrmicos son ms comnmente usados en los procesos continuos, ya que losmodelosparasupredimensionamientoarrojanunaaproximacinbastanteaceptableal momento de llevarlo a la prctica.3.2. Tipos de reactores Laclasificacindelosreactoressebasaprincipalmente,enlascondicionesdeflujodel proceso,esdecir,losprocesosporlotesyprocesoscontinuos.Esimportanteresaltarquelos modelos descritos a continuacin son vlidos nicamente para procesos isotrmicos (8): 3.2.1.Reactor por lotes (batch)

Un reactor por lotes es aquel que no posee flujo de entrada de reactivos ni flujo de salida de productos mientras se efecta la reaccin. El balance de masageneral para estos reactores se expresa como: } =VAAdV rdtdN0(3.1) Donde: dt dNA = variacin de los moles de la especie A en funcin del tiempo (mol/s) V = volumen del reactor (l) Ar = ecuacin cintica de la reaccin llevada a cabo. Usualmente,enestetipodereactoresseasumequelatemperaturaylacomposicinson idnticasencualquierpuntodelafasereactiva,esdecir,silamezclaesperfectamente homognea de modo que no ocurra ningn tipo de variacin en la rapidez de la reaccin en todo el volumen del reactor, al resolver la integral, la ecuacin (3.1) se puede representar como: V rdtdNAA =(3.2) Encondicionesdetemperaturayvolumenconstante,eltiempoquesepermanecenlos reactivosdentrodelreactordependeproporcionalmentedelaleydevelocidadcinticadela 24 reaccin. En la tabla 3.1 se muestran las ecuaciones de diseo de reactores batch para reacciones de orden cero, uno y dos para una reaccin de tipoPRODUCTOS A : Tabla 3.1. Estimacin de los tiempos de reaccin para diseo de reactores por lotes (9) Orden de reaccin012 Ecuacin cintica (-Ar ) KAC K 2AC K Estimacindetiempo de reaccin xKCtA =0 |.|

\| =xLnKt11 1 ) 1 (0x C KxtA = Donde:) 1 (0x C CA A = , al igual que en los sistemas continuos.Los tiempos de estimacin mostrados en la Tabla 3.1 representan simplemente el tiempo que necesita la especie A para reducir su concentracin. Sin embargo, el tiempo del ciclo total en cualquier operacin por lotes es mucho mayor que el tiempo de reaccin,ya que hay que tomar en cuenta el tiempo necesario para llenado, de vaciado y de limpieza del reactor.3.2.2.Reactor flujo pistn ideal (FPI) Los reactores de tipo flujo pistn o tubulares consisten en una tubera que opera en estado estacionarioporlacualcirculaunaovariasespeciesquevanreaccionandoamedidaque atraviesandichatuberatalycomosemuestraenlafigura(3.2)(A).Paraestemodelo,existen ciertas consideraciones de idealidad: Todos los compuestos que ingresan poseen la misma velocidad lineal de flujo, asegurando un campo radial uniforme tipo pistn (figura 3.3) Velocidad lineal Figura 3.3. Perfil de velocidad de un FPI (6) 25 A medida que los reactivos avanzan por la tubera, la composicin vara axialmente, pero mantiene una concentracin radialmente uniforme.La temperatura es constante a lo largo de todo el reactor. Figura 3.4. Esquema de la variacin de la conversin en un reactor flujo pistn ideal (6) Al tomar en cuenta estas suposiciones, la ecuacin de diseo del reactor tubular se puede resumir como: A ArdVdxF =0 (3.3) Esta ecuacin diferencial indica la variacin de la concentracin de la especie A a lo largo del reactor, al resolver la ecuacin diferencial se tiene: } =xAAordxF V0(3.4) La ecuacin de diseo para el reactor FPI se rige, al igual que el reactor Batch, por la ley delacinticadereaccin.Alcolocarlaecuacincinticadereaccinenfuncindela conversin, las expresiones de diseo para reacciones de grado 0, 1 y 2 resultan: Tabla 3.2. Estimacin del volumen para un reactor FPI en funcin al grado de reaccin (9) Orden de reaccin012 Ecuacin cintica (-Ar ) KAC K 2AC K Estimacin del volumen KxF VA =0 |.|

\|=xLnC KFVAA1100 ) 1 (200x C KFVAA = 26 Es de gran importancia destacar que las ecuaciones de diseo de la Tabla 3.2 son vlidas nicamente para reacciones en fase lquida, sin cambios de flujo volumtrico, de manera que las Ecuaciones(3.2)y(3.4)puedanserusadasyestablecerlasrelacionespertinentesconel dimensionamientodelreactor.Enelcasodereaccionesenfasegaseosa,existeunfactorde expansin de los gases por accin de los cambios de presiones.3.2.3.Reactor de agitacin continua (TAC) Eselmscomnutilizadoenlaindustria.Seconformadeuntanqueconagitacinque operacontinuamenteenestadoestacionario.Laprincipalcaractersticaasumidaeneldiseode este tipo de tanques es el mezclado ideal, donde no existan puntos en el tanque con variaciones de concentracin, temperatura o velocidad de reaccin (7). Figura 3.5. Reactor de agitacin continua (7) La ecuacin que adopta el diseo de un TAC se conoce como: AA ArF FV =0 (3.5) Al combinar esta expresin con la Ecuacin (3.1) y haciendo el rearreglo de las variables, se tiene la relacin: AArx FV =0(3.6) De esta manera se obtiene el diseo de reactores de agitacin continua para reacciones de orden 0, 1 y 2. 27 Tabla 3.3. Estimacin del volumen para un reactor TAC en funcin al grado de reaccin (9) Orden de reaccin012 Ecuacin cintica (-Ar) KAC K 2AC K Estimacin del volumen Kx FVA =0 ) 1 (00x C Kx FVAA = ( )200) 1 ( x C Kx FVAA = UnaformamuycomnusadaparaoptimizarlosprocesosdereaccinconTACes conectarlosreactoresenseriedetalmaneraqueelflujodesalidadeunreactorseaelflujode alimentacin del otro. El la Figura (3.6) se muestra un esquema de este arreglo de reactores para una reaccin exotrmica con intercambiadores de calor entre cada reactor. Figura 3.6. Reactores TAC en serie con intercambiadores intermedios para reacciones exotrmicas (10) 3.3. Comparacin entre reactores Batch, TAC y FPI en procesos isotrmicos Parapoderrealizarunadescripcincomparativadelosdiferentestiposdereactores,es precisodescribirvariosaspectoscaractersticosdelosprocesosquedeterminanlaconveniencia de cada reactor. Cada uno de estos aspectos juega un papel especfico para poder llevar a cabo un nicoobjetivo:realizarlatransformacinqumicabajocondicionesoperativasptimas, produciendo una cantidad determinada de producto en un lapso de tiempo fijado, con la mxima conversin posible en las reacciones presentes (7). Losaspectosmsresaltantesquesepuedendescribirparaestacomparacinsonlos 28 siguientes (7): 3.3.1.Capacidad de produccin La capacidad de produccin es la principal caracterstica para la eleccin entre un proceso continuoyporcargas.Unabuenaaproximacinesestimarqueparaaltascapacidadesde produccin (aproximadamente 10.000 Tm/a), los sistemas continuos son los ms recomendados. Porelcontrario,cuandoserealizanprocesosdemanufacturarelativamentepequeas,que involucran diversas etapas, se prefiere utilizar un proceso por cargas.Laprincipalventajadelosprocesoscontinuossereflejaensualtacapacidadde produccin,mientrasquelaventajadelosprocesosporlotesessuflexibilidadyadaptabilidad paralosdiferentestiposdereaccionesqueexisten.Sinembargo,cuandosetrabajacon capacidadesintermedias,elparmetroquetrasciendealaeleccindeunprocesoyotroesel costo en dinero y en mantenimiento. Los sistemas continuos requieren de atencin constante por el personal de la planta (entre 4 y 6 turnos), mientras que los procesos por lotes se pueden llevar a cabo con un da en 1 o 2 turnos.3.3.2.Condiciones y variables de operacin. Otraformadeelegirlostiposdereactoressonlasvariablesdelprocesocomolafaseen que se encuentran los reactivos y los productos, las temperaturas de operacin y las presiones.A pesar de que los reactores tubulares son los ms adaptables para trabajar con procesos en fase gaseosa,todos los reactores son apropiados para trabajar con fluidos en fase lquida.LosreactorestipobatchytipoTACsoncapacesdeoperaratemperaturasopresiones altas. Pero, por razones de la tecnologa y la geometra requerida para estos reactores, es bastante complejolograrunabuenaoperacinaaltaspresionesytemperaturassimultneamente.Para estoscasos,esrelativamentemssencillollevaracaboestastareasenunreactortubular,los cuales pueden operar en condiciones severas de temperatura (entre 800 y 900 C) y presin (hasta 3000 bar). 3.3.3.Tiempo de residencia Eltiempoderesidenciadelamezclaesotroparmetroindicativodeltipodereactora utilizar en ciertos procesos. Los reactores Batch son utilizados para procesos que requieren altos 29 tiemposdereaccin(entre10y20horas).Contrariamente,losreactorestubularessonms adecuados para tiempos de reaccin cortos (entre 1 segundo y 1 hora). Por ltimo, se encuentran los TAC ubicados entre los reactores nombrados anteriormente, con capacidades de operar entre 10 minutos y 5 horas generalmente. En la Figura (3.7) se muestra un mapa de ubicacin de los reactores en funcin del tiempo de residencia, capacidad de producciny condiciones de operacin. Los lmites entre los campos deaplicacinindicadosenelmapanosonestrictos,perosirvencomoguaparaaproximarlas elecciones ms adecuadas de reactores en algn proceso determinado. Figura 3.7. Comparacin entre los diferentes tipos de reactores (6) 3.4. Anlisis del comportamiento de reactores continuos en procesos isotrmicos. Enlosreactorescontinuosexisten,ademsdelasdiferenciasysimilitudesexpuestas anteriormente, relaciones que requieren de un anlisis de mayor profundidad. (6)

ResultainteresantecompararlosvolmenesdeunTACyunFPIqueserequierenpara unamismatarea.Enunprocesodondesetieneunflujomolardealimentacin AF yuna conversinx establecida, al utilizar los modelos de diseo de un reactor agitado continuo y uno 30 tubular,elvolumendelFPIsermuchomenorcomparadoconelvolumenrequeridoparaun TAC para una misma conversin, de la misma manera, la conversin alcanzada para un TAC ser mucho menor comparado con el FPI para un mismo volumen. Para realizar esta comparacin, se puede estudiar el caso de unareaccin de primer orden del tipo: PRODUCTOS A CuyaconstantecinticaesK aunatemperaturaespecfica.Seestableceunarelacin adimensionaldenominadonmerodeDamkhler.Estenmeroestableceunarelacinentrela cintica de reaccin y el tiempo de residencia (t), que permite analizar el comportamiento con el grado de conversin de una reaccin. LaecuacindelnmerodeDamkhlervarasegnelordendereaccin,deestamanera se tiene para los rdenes 0, 1 y 2 los siguientes nmeros adimensionales: Tabla 3.4. Nmero Damkhler en funcin del orden de reaccin (9) Orden de reaccin 012 Nmero de Damkhler ( Da)0 ACt K t K 0 AC t K SisetieneunreactorTACyunFPIconelmismovolumen,parapoderlograrlauna misma conversin, como se mencion anteriormente, el tiempo de residencia ser distinto. Para verificar la tendencia de los tiempos de residencia en funcin de la conversin para los reactores continuos, se grafica la relacin entre el nmero de Damkhler del TAC( )CSTRDay el del FPI( )TDacontra( ) x 1 : AlanalizarlaFigura(3.8),sepuederesaltarquelaconversindelreactorFPIesms eficienteporunidaddetiempoqueelTACparareaccionesderdenesmayoracero.Por consiguiente, para que el TAC pueda lograr la misma conversin queel FPI necesita un tiempo msprolongadoderesidenciaenreaccionesporencimadelorden0,siempreycuandolas 31 condiciones del proceso sean las mismas (temperatura, presin, volumen, concentracin inicial de los reactivos y flujos molares) Figura 3.8. Comparacin entre el TAC y el FPI de volmenes similares para estimacin de los tiempos de residencia en reacciones de orden n a travs del nmero de Damkhler (10) Sin embargo, si se establece como parmetro fijo el tiempo de residencia para lograr una misma conversin en ambos reactores, la discrepancia se encuentra en el volumen del reactor. La conversin en un FPI es ms eficiente por unidad de volumen que en un TAC.La Figura 3.9 resalta el hecho de que el rea que indica el requerimiento volumtrico de unreactortubularesnotablementemenorqueeldeuntanqueagitadoparalograrunamisma conversin en una reaccin de orden mayor a cero. Este es el comportamiento ms comn que se presentaenloscasosreferidoscomoreaccionesdecinticanormalesconordenpositivo(caso (a)).Enelcasodeunareaccindeordencero,ambosreactoressecomportandeformasimilar, requiriendo el mismo volumen para una conversin determinada (caso (b)). Pero, si la cintica de la reaccin es anormal, de orden menor a cero, el TAC resulta ms eficiente que el FPI (caso (c)). 32 Figura 3.9. Comparacin de los volmenes de un TAC y un FPI para lograr la misma conversin (10) 3.5. Reactor flujo pistn modificado Los reactores flujo pistn por su forma tubular dan cabida a diferentes tipos de diseo con la finalidad de adaptarse mejor al tipo de reaccin o a las condiciones del proceso, uno de estos casos es transformar un nico reactor flujo pistn en un banco como se observa en la Figura 3.10. Figura 3.9. Comparacin entre un reactor flujo pistn nico (A) y un banco (B) El diseo tipo banco permite trabajar con flujos mayores y al mismo tiempo ofrece mayor readetransferenciadecalor,estoesmuybeneficiosoparareaccionesdondesenecesite controlarlatemperatura,paraellosepuedeagregarunachaquetaquepermitiratantocalentar 33 comoenfriardependiendodelcaso.Enestesentido,latransferenciadecalorenestetipode reactores se puede asemejar a la existente en un intercambiador de calor tubos y coraza. 3.6. Intercambiador tubos y coraza A continuacin se presenta una informacin relacionada con los intercambiadores de calor tubo y coraza, decripciones, ventajas de uso, aplicaciones, tipos y sus elementos principales. 3.6.1.Descripcin del intercambiador tubos-coraza Engeneral,elintercambiadordetubosycoraza,consisteenunaseriedetuboslineales colocados dentro de un cilindro de dimetro lo suficientemente grande para contenerlos, llamado coraza,yrepresentan una opcin eficaz para operaciones que necesiten transferencia degrandes cantidadesdecalor.Losintercambiadoresdeltipodecorazaytuboconstituyenlapartems importantesdelosequiposdetransferenciadecalorsincombustinenlasplantasdeprocesos qumicos. Este tipo de intercambiadores decalora medida que se han ido desarrollandocon los aos es el tipo de intercambiador de mayor utilizacin debido a la simplicidad construcciny el amplio rango de diseos y condiciones de operacin que pueden ser logradas (10).3.6.2.Ventajas de uso del intercambiador tubos-coraza Entre algunas de estas se tienen:-Su rango de operacin va desde vacio hasta valores muy altos de presin.-La cada de presin permitida puede variar dentro de un amplio rango, con un mximo de 10a15psi;teniendoencuentaquemientrasmenorsealavariacindepresin,la operacinsermejor.Deestaforma,eldiseopuedeserajustadoindependientemente para cada fluido gracias a una gran variedad de tipos de flujo por la coraza y arreglos del banco de tubos.-Elesfuerzotrmicopuedeserajustadosincostosadicionales.Teniendoencuentaque esfuerzo trmico se conoce como aquellas inducidas en un cuerpo debido a variaciones en la temperatura.-El rango de tamaos pueden ser desde muy pequeos, hasta relativamente grandes34 -Esposibleutilizarunaampliagamadematerialesparasuelaboracin,paraajustarsea requerimientosdebajoscostosdeconstruccin,resistenciaalacorrosin,resistenciaa altas presiones/temperaturas, entre otras.-El banco de tubos puede ser removido para limpieza o reparacin.3.6.3.Principales aplicaciones-Sistemas vapor / agua, para condensar vapor y / o calentar agua.-Sistemasaceite/agua,paraenfriaraceiteensistemasdelubricacinohidrulicosy transformadores elctricos.-Sistemas vapor / combustleo, para calentar combustleo en tanques de almacenamiento, fosas de recepcin y estaciones de bombeo.-Sistemasaire/agua,paraenfriarairecomoafter-coolers(post-enfriadores)de compresor de aire.-Sistemas refrigerante / agua, para condesar refrigerantes.-Intercambiadores de calor para procesos qumicos y petroqumicos, fabricados en acero al carbn, acero inoxidable y aceros especiales.-Chillers intercambiadores de calor para enfriar agua con gas refrigerante para unidades de agua helada-Inter-enfriadores y post-enfriadores para cierto tipo de compresores.3.6.4.TiposLos intercambiadores de calor tubo y coraza constan de distintos tipos de cabezal de tubo, cada uno de ellos explicado a continuacin.3.6.4.1.Cabezal de tubos fijoEsteeseltipomspopulardeintercambiadordecalordetuboycoraza.Utilizatubos rectos asegurados en ambos extremos a los cabezales de tubos, los que a su vez estn firmemente soldadosalacoraza.Debidoaestolasarticulacionesconjuntasseminimizanyporlotantose requiere menor mantenimiento (12). Como se muestra en la figura 3.11. 35 Figura 3.10. Cabezal de tubos fijo (11) Esta variedad se utiliza cuando:-Se desea minimizar en nmero de juntas.-Lascondicionesdetemperaturanorepresentanproblemasdetermalstress(esfuerzo trmico).-El fluido de la coraza es limpio no se requiere remover el banco de tubos.3.6.4.2.Cabezal de tubos flotanteLosintercambiadoresdecabezalflotanteconsistenenunamasadetubosfijayotra flotanteparaelajustedelaexpansintrmicadelbancodetubos.Haycuatrotiposbsicosde estos intercambiadores.3.6.4.3.Cabezal de tubos flotantes externo (Cabezal P)Esteintercambiadordecalorutilizalafaldaexternadelamasadetubosflotantescomo parte del cabezal flotante, como se observa en la figura 3.12. La caja de relleno empacada sella el fluido del lado de la coraza mientras que permite el movimiento del cabezal flotante. El banco de tubospuedeserremovible.Elmantenimientoesbastantesencillodebidoaqueelselladoes nicamenteexterno.Conestecabezalflotantecualquierfuga(tantodelladodelacorazacomo del lado de tubos) en las juntas es hacia el exterior y no hay posibilidad de contaminacin de los fluidos. 36 Figura 3.11. Cabezal de tubos flotantes externo (11) 3.6.4.4.Cabezal de tubos flotantes con anillo de cierre hidrulico (Cabezal W)El diseo de cabezal flotante interno se utiliza mucho en las refineras petroleras, pero su uso ha declinado en aos recientes. En este tipo de cambiador de calor el haz de tubos y el espejo flotantesedesplaza(oflota)paraacomodarlasdilatacionesdiferencialesentrelacorazaylos tubos, as como se puede ver en la figura 3.13. Figura 3.12. Cabezal de tubos flotante con anillo de cierre hidrulico (11)

3.6.4.5.Cabezal de tubos flotante removible (Cabezal T)Laconstruccinessimilaraladelintercambiadordecabezalflotanteinternoconanillo divididoderespaldo,conlaexcepcindequelacubiertadelcabezalflotantesesujeta directamenteconpernosenelespejoflotante,comosemuestraenlafigura3.14.Esta caracterstica reduce el tiempo de mantenimiento durante la inspeccin y las reparaciones (11).37 Figura 3.13. Cabezal de tubos flotante removible (11) 3.6.4.6.Cabezal de tubos flotante interno (Cabezal S)Esta construccin es la menos costosa de los tipos de tubos rectos y haz desmontable. Los fluidos del lado de la coraza y del lado del tubo se retienen mediante anillos de empaque distintos separadosporunanillodecierrehidrulicoyseinstalanenelespejoflotante,ascomose observa en la figura 3.15. Figura 3.14. Cabezal de tubos flotante interno (11). TEMA(TheTubularExchangersManufacturersAssociation;AsociacindeFabricantes deIntercambiadoresTubulares)publiclosestndaresquedefinencomodebenserconstruidos losintercambiadoresdetubosycoraza.Ellosdefinieronelsistemadenomenclaturaqueseusa comnmente, el cual se muestra en la figura 3.16.38 Figura 3.15. Identificacin TEMA de Intercambiadores de calor de tubos y coraza (11) 3.6.5.Elementos del intercambiador de tubos y corazaAcontinuacinsepresentanlasdistintaspartesquecomponenlosintercambiadoresde calordetubosycoraza,mostradasenlafigura3.18,yposteriormenteseexplicaranalgunasde ellas.39 Figura 3.16. Elementos de un intercambiador de calor de tubos y coraza (11) 3.6.4.7.Banco de tubosAlgunos parmetros que definen el banco de tubos se describen a continuacin.-Dimetro de tubosDesde el punto de vista de la trasferencia de calor, dimetro de tuberas pequeos se traducen enaltoscoeficientesdetransferenciadecaloryunintercambiadordecalormscompacto.Sin embargo, tubos de gran dimetro son ms fciles de limpiar y son necesarios cuando la cada de presin deseada en el lado de los tubos es pequea. Los dimetros de tubos de la mayora de los intercambiadores de calor se encuentran entre a 2 in (6,4x10-3 a 5,08x10-2 m) (13). -Arreglo de tubosLos arreglos de tubosestn diseados de tal forma que incluyan la mayor cantidad de tubos posiblesdentrodelacorazaparaalcanzarlamayorreadetransferenciadecalor.Avecesel arregloesseleccionadoparaquepermitaelaccesoalostuboscuandolalimpiezaesrequerida porcondicionesdeproceso.Adems,tambininfluyeenlaseleccindelarreglodetubos,la 40 turbulencia del fluido (coeficiente de transferencia de calor por conveccin deseado) y la cada de presin por el lado de la coraza.-Patrones de arreglosLos principales patrones de arreglo son:Triangular y triangular rotadoProveen un arreglo compacto, un mayor coeficiente de transferencia de calor para el lado de lacoraza,yunbancodetubosmsfuerteparadeterminadasareasdeflujodelacoraza.Estos patrones de arreglos son buenos para los servicios de limpieza, pero tienen la desventaja de hacer espaciosentrelostubosquesonprcticamenteinaccesiblesparalalimpiezamecnica,comose puede observar en la figura 3.18. Figura 3.17. Patrones Triangulares de arreglos de tubos (13) Cuadrado y cuadrado rotadoCuando se necesita limpieza mecnica en el ladode la coraza, se deben utilizar este tipo depatrn,conalmenosunadistanciaentrelostubosde6,35mm.Estospatronesdearreglo, observados en la figura 3.19, ofrecen menores cadas de presin y coeficientes de transferencia de calor que los arreglos triangulares (13). Figura 3.18. Patrones cuadrados de arreglos de tubos (13) 41 -PasosUnpasoescuandoellquidofluyedeunextremoaotrodelintercambiadordecalor.Se cuentan los pasos de los tubos y de la coraza. Se utilizan grandes nmeros de pasos de tubos para incrementar la velocidad del fluido y el coeficiente de transferencia de calor del lado de los tubos, adems tambin minimiza el ensuciamiento, todo a costa de un incremento de la cada de presin. Por lo general el nmero de pasos de los tubos se encuentran de 1 a 10 (13). -Baffles (Deflectores)Para inducir turbulenciafuera de los tubos, escostumbre emplear deflectores que hacen que ellquidofluyaatravsdelacorazaendireccintransversalalalongituddelostubos.Losdeflectorespuedencolocarseconespaciamientosvariablesconelpropsitodeproducirun determinado patrn de flujo en el fluido de la coraza a travs de la masa de tubos; por lo que el flujo msico no depende de losbaffles. Usualmente el espaciado de los deflectores no es mayor queunadistanciaigualaldimetrointeriordelacoraza,omenorqueunadistanciaigualaun quinto del dimetro interior de la coraza.TiposHay varios tipos de deflectores que se emplean en los intercambiadores de calor, entre ellos se tienen:-Deflectores segmentados : Los deflectores segmentados son hojas de metal perforadas cuyas alturas son generalmente un 75% del dimetro interior de la coraza, como se muestra en la figura 3.20. Estos se conocen como deflectores con 25% de corte. Figura 3.19. Deflector segmentado (13) 42 -Deflectores de disco y corma:Elsistemadedeflectoresesunconjuntodediscosalternados,unotipoanilloyunocircular pequeo. El fluido de la coraza alterna pasando por el agujero central del primero y luego por el espacio entre el borde exterior del segundo y la coraza, ilustrado en la figura 3.21. Este diseo de deflectoresproduceunamenorcadadepresinquelosdetiposegmentadoparalamisma extensin de tubos no soportados y eliminan las corrientes de by-pass entre el banco de tubos y la coraza (10). Figura 3.20. Deflector de disco y corma (10) -Deflectores de orificioEnestetipodedeflectorladistanciaentrolostubosyelorificiodeldeflectoresgrande,de maneraqueactacomounorificioparaelflujodeladodelacoraza,comosemuestraenla figura3.22.Estosdeflectoresnoproveensoportealostubosylasincrustacionesdebidoal ensuciamiento son difciles de limpiar. Este diseo de deflector es muy poco utilizado (10). Figura 3.21. Deflector de orificio (10). CAPITULO 4 MEZCLADORES ESTTICOS Acontinuacinserealizarunadescrpcindelosmezcladoresestticos,susventajasde uso, principales aplicaciones asi como sus principios de operacin. 4.1. Descripcin del equipo Un mezclador esttico es un dispositivo de mezcla que no posee partes mviles. Consiste en elementos fijos montados en una tubera, los cuales crean patrones de flujo que causan que los fluidos se mezclen a medida que son bombeados a travs de la tubera. Los mezcladores estticos son ampliamente utilizados en procesos industriales alrededor del mundo. Figura 4.1. Ejemplos de mezcladores estticos (13) 4.2. Ventajas de uso-Los mezcladores estticos no requieren un suministro de energa separado, como bombas o sopladores, mientras la cantidad de movimiento de los materiales a ser mezclados proporcionen toda la energa requerida. 44 -La cada de presin es pequea, para la mayora de los elementos tratados, de modo que el consumo de energa es bajo. -No tienen ninguna parte mvil, as que requieren poco mantenimiento y el tiempo improductivo es minimizado.-Requieren bajos costo de inversin y operacional.-Su rendimiento es predecible, uniforme y consistente.-Son compactos y requieren poco espacio.-Al no poseer piezas mviles, se eliminan los problemas de sellado.-Las diferencias en la concentracin, la temperatura y velocidad se igualan en la seccin transversal del flujo.Enlatabla4.1sepuedeobservarunacomparacindeldesempeodediversos mezcladoresenlnea,entreloscualesseencuentranlosmezcladoresestticos,dondesepuede apreciar que estos son los de mayor rango de aplicaciones.4.3. Principales aplicacionesLos mezcladores estticos proporcionan los medios para conseguir la homogeneizacin de gases,lquidosymaterialesviscosossinelusodepiezasmecnicasmviles (16).Sonutilizados principalmenteparalograrhomogeneidadenmezclasdeltipolquidolquido,dispersinde slidosenlquidos,gaslquidoymezcladegases (14).Ademsparaelmezclado,los mezcladoresestticostambinsonutilizadosparaaumentarlatransferenciadecalor,paracrear flujopistnenreactorestubularesytambinenprocesosdetransferenciademasatalcomola adsorcin y la extraccin.Lasformasespecialesdelosmezcladoresestticossonusadasenmuchossectores industriales: produccin de petrleo y gas natural, refinacin de petrleo, petroqumica, qumica, polmerosyplsticos,pulpaypapel,cosmticos,detergentes,alimentos;aguasindustriales residuales, energa y proteccin ambiental. 45 Tabla 4.1. Comparacin de mezcladores estticos con otros elementos de mezclado en lnea (8) Rgimen de Flujo Tubera vaca Mezclador Tee Mezclador de chorro Boquilla de spray Mezclador esttico Mezclador mecnico en lnea Rgimen Laminar ------ Mezclado----XX Dispersin----XX Transferencia de calor ----XX Reaccin----XX Flujo pistn ----X- Rgimen Turbulento ------ MezcladoXXXXX- DispersinXXXXX- Transferencia de calor X--XX- Reaccin--XXXX 4.4. Principios de OperacinAcontinuacinseexplicarantresdelosprincipiosdeoperacindemayorimportanciaenlos mezcladores estticos.46 4.4.1.Mezclado radialEnunatuberavaca,losmaterialesviscososqueviajanenrgimendeflujolaminarno presentanmezclaradial,simplementemantienenlamismaposicinconlaqueingresaronenla tubera. Al incluir un dispositivo de mezclado esttico, se crear suficientes cortes y movimientos inducidos al flujo para lograr crear un grado importante de mezcla radial. Esto est ilustrado en la Figura 4.1 (14). Figura 4.2. Patrones de mezclado radial en mezcladores estticos (16) 4.4.2. Efecto flujo pi