Ingeniería Básica de Una Planta Comercial de Detergente

8/20/2019 Ingeniería Básica de Una Planta Comercial de Detergente

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UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR

DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES

COORDINACIÓN DE INGENIERÍA QUÍMICA

INGENIERÍA BÁSICA DE UNA PLANTA COMERCIAL DE DETERGENTE

LÍQUIDO

Por:

Joel Alfonso Zambrano Franco


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UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR

DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES

COORDINACIÓN DE INGENIERÍA QUÍMICA

INGENIERÍA BÁSICA DE UNA PLANTA COMERCIAL DE DETERGENTE LÍQUIDO

Por:Joel Alfonso Zambrano Franco

Realizado con la asesoría de:

Tutor académico: Prof. Alexis BouzaTutor industrial: Ing. Ernesto Artahona


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RESUMEN

La presente investigación tuvo como finalidad el desarrollo de la ingeniería básica de una

planta de producción de detergentes líquidos, capaz de procesar 900 Tm/a de ácido alquilbenceno

sulfónico (LABSA) como materia prima principal.

Para cumplir dicho objetivo se elaboraron las bases de diseño del proceso, donde se

estableció la capacidad de la planta, alimentación de diseño, factor de servicio, entre otrasvariables operacionales. Además se elaboró el balance de masa y energía del proceso.

Posteriormente se diseño el reactor donde se llevaría a cabo la reacción de neutralización de la

LABSA con Soda Caustica al 17,6%, este es un reactor flujo pistón modificado donde se utilizan

mezcladores estáticos para aumentar el rendimiento de la reacción y la transferencia de calor.

Se elaboraron los documentos de la ingeniería básica, es decir, el diagrama de flujo del proceso, la ubicación de equipos, lista de líneas, entre otros. También se diseñaron y

dimensionaron lo equipos principales de la planta como: tanques de almacenamiento y mezclado,

mezclador estático, bombas y agitadores.

El costo total estimado para la compra de los equipos es de Bs. 1.500.000 y la inversión

de capital total está valorada en 5.000.000 Bs. El estudio de factibilidad económica del proyectomuestra que es rentable debido a que la tasa interna de retorno (TIR) es de 132% siendo superior

al costo de la oportunidad (62 18%) además de una recuperación de la inversión antes del primer


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Dedicado a mí Hermana fuente de luz de mi vida, a mi Madre por ser mi apoyo

incondicional y a mi Padre por ser mi guía, los amo.


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AGRADECIMIENTOS

GRACIAS…

Ante todo a eso que algunos llaman Dios, Jehova, otros lo llaman Santos. Yo solo diré que

gracias Energías del universo.

A esos familiares importantes que aunque no estén presentes físicamente su ejemplo y legado si,

en especial a mi abuela Rosa y mi papá Ricardo.

A ese ser lleno de dulcura e infinito amor, mi luz, mi hermana Yaijary.

A la persona más fuerte que conozco, que me ha apoyado en cada paso sin importar cual. A ti

Madre, mi amor.

A esa guía llena de consejos y firmeza, a mi Padre, un ejemplo a seguir.

A mi madrina Menejo, a su cariño infinito.

A mi familia, en especial a GUAJOFE, mis hermanos.

A mis Amigos Mariana, Jesus y Alexander, por acompañarme en todo este viaje, los amo.

A Riad, Arturo y mis compañeros de Caribay.

A Adriana, Maria, Luisa, Veronica, Sofia, Andrea, mis compañeras de Cea.

A Gaby y Jesse, mis compañeras de estudios.


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INDICE GENERAL

INTRODUCCIÓN ....................................................................................................................... 2 CAPÍTULO 1: BREVE DESCRPCIÓN DE LA EMPRESA ..................................................... 3

CAPÍTULO 2: DETERGENTES ................................................................................................ 5

2.1.Antecedentes .......................................................................................................................... 5

2.2.Definición .. ........................................................................................................................... 6

2.3.Proceso de detergencia .......................................................................................................... 6

2.4.Formas físicas de los detergentes .......................................................................................... 7

2.5.Componentes de los detergentes sintéticos y sus funciones .................................................. 8

2.5.1.Surfactantes … ................................................................................................................... 8

2.5.2.Fortificadores o agentes secuestradores de dureza ........................................................... 11

2.5.3.Inhibidores de corrosión ................................................................................................... 14

2.5.4.Blanqueadores .................................................................................................................. 14

2.5.5.Blanqueadores ópticos ...................................................................................................... 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 P d f 16


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3.3.Comparación entre reactores Batch, TAC y FPI en procesos isotérmicos .......................... 27

3.3.1.Capacidad de producción ................................................................................................. 28 3.3.2.Condiciones y variables de operación. ............................................................................. 28

3.3.3.Tiempo de residencia ........................................................................................................ 28

3.4.Análisis del comportamiento de reactores continuos en procesos isotérmicos. .................. 29

3.5.Reactor flujo pistón modificado .......................................................................................... 32

3.6.Intercambiador tubos y coraza ............................................................................................. 33

3.6.1.Descripción 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 ESTÁTICOS ...................................................................... 43

4.1.Descripción del equipo ........................................................................................................ 43

4.2.Ventajas de uso .................................................................................................................... 43

4.3.Principales aplicaciones ....................................................................................................... 44

4.4.Principios de Operación....................................................................................................... 45

4.4.1.Mezclado radial ................................................................................................................ 46

4.4.2.Efecto flujo pistón ............................................................................................................ 46

4 4 3 I d l f i d l 48


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6.2.3.Diseño y evaluación.......................................................................................................... 57

CAPITULO 7: RESULTADOS Y DISCUSIÓN ...................................................................... 60 7.1.Detergencia de LABSS ........................................................................................................ 60

7.2.Bases de diseño .................................................................................................................... 62

7.2.1.Capacidad de diseño ......................................................................................................... 63

7.2.2.Alimentación de diseño .................................................................................................... 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.Localización de la planta .................................................................................................. 67

7.3.Etapas del proceso ............................................................................................................... 67

7.4.Balance de Masa .................................................................................................................. 71

7.5.Balance de energía ............................................................................................................... 71

7.6.Reactor de neutralización .................................................................................................... 71

7.7.Diseño de equipos del proceso ............................................................................................ 75

7.7.1.Calculo hidráulico ............................................................................................................ 75

7.7.2.Tanques ……. ................................................................................................................... 75

7.7.3.Equipos de mezclado ........................................................................................................ 76

7 8 D d l 79


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APÉNDICE C: BALANCE DE ENERGÍA .............................................................................. 97

APÉNDICE D: DIMENSIONAMIENTO DE REACTORES ................................................ 100 D.1.Premisas para el cálculo del reactor: ................................................................................ 100

APENDICE E: DIMENSIONAMIENTO DE TANQUES ..................................................... 115

E.1.Premisas para el cálculo de tanques de almacenamiento de materia prima ...................... 115

E.2.Premisas para el cálculo 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 solución de soda cáustica (TQ-003 A/B) ..................... 117

E.3.3.Tanque de almacenamiento de LABSA (TQ-004)......................................................... 118

E.3.4.Tanque de aditivación y mezclado (MD-001 A/B) ........................................................ 118

APÉNDICE F: DIMENSIONAMIENTO DE BOMBAS ....................................................... 120

F.1.Premisas para el cálculo de las bombas............................................................................. 120

F.2.Dimensionamiento de bombas .......................................................................................... 121

APENDICE G: DIMENSIONAMIENTO DE MEZCLADORES ESTÁTICOS ................... 146

G.1.Dimensionamiento del mezclador estático ....................................................................... 146

G.1.1.ME-001 ……………………………………………………………………………….146

APÉNDICE H: DIMENSIONAMIENTO DE AGITADORES .............................................. 151

H.1.Dimensionamiento de agitadores ...................................................................................... 151

H 2 A i d M 001 A/B 156


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INDICE DE TABLAS

Tabla 1.1 Composición del LABSA ................................................................................................ 4 Tabla 2.1. Calores de reacción (4) .................................................................................................. 18

Tabla 3.1. Estimación de los tiempos de reacción para diseño de reactores por lotes (9) .............. 24

Tabla 3.2. Estimación del volumen para un reactor FPI en función al grado de reacción (9) ........ 25

Tabla 3.3. Estimación del volumen para un reactor TAC en función al grado de reacción (9) ...... 27

Tabla 3.4. Número Damköhler en función del orden de reacción (9)............................................. 30

Tabla 4.1. Comparación de mezcladores estáticos con otros elementos de mezclado en línea (8) 45

Tabla 5.1. Estimación del costo de producción ............................................................................. 52

Tabla 7.1. Materiales y elementos de suciedad seleccionados ...................................................... 60

Tabla 7.2. Composición agua suavizada. ...................................................................................... 63

Tabla 7.3. Composición NaOH 50% p/p. ...................................................................................... 63

Tabla 7.4. Composición de LABSS .............................................................................................. 64

Tabla 7.5. Fórmula 1: Detergente líquido para ropa...................................................................... 64

Tabla 7.6.Fórmula 2: Detergente liquido para ropa....................................................................... 64

Tabla 7.7. Fórmula 3: Lavaplatos líquido ..................................................................................... 65

Tabla 7.8. Composición de diseño del detergente líquido ............................................................. 66

Tabla 7.9. Tanques de almacenamiento de materia prima ............................................................ 66

Tabla 7.10. Distribución de las regiones y localización de las plantas a nivel nacional ............... 68

T bl 7 11 B l d d l i l d d lí id 72


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Tabla 7.23. Escenarios para la tasa de descuento .......................................................................... 86

Tabla A.1. Distribución Geográfica………………………………………………………………93Tabla D.1. Dimensiones del mezclador estático dentro del reactor ............................................ 100

Tabla D.2. Datos para la evaluación del mezclador estático ....................................................... 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 según el tipo de arreglo ............................ 107 Tabla D.6. Distancia efectiva de las filas de tubos en dirección del flujo en función del arreglo de

tubos ............................................................................................................................................ 109

Tabla D.7. Valores de constantes para el cálculo 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 succión 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







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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. Desactivación de los metales de dureza (8) ...................................................... 12

Figura 3.1. Operación por lotes (Batch) (6) ........................................................................ 21

Figura 3.2. Operación continúa (A) Modelo ideal de flujo pistón. (B) Modelo de tanque de

agitación perfecta (6) ........................................................................................................... 22

Figura 3.3. Perfil de velocidad de un FPI (6) ...................................................................... 24

Figura 3.4. Esquema de la variación de la conversión en un reactor flujo pistón ideal (6) 25

Figura 3.5. Reactor de agitación continua (7) ..................................................................... 26

Figura 3.6. Reactores TAC en serie con intercambiadores intermedios para reacciones

exotérmicas(10)

................................................................................................................... 27 Figura 3.7. Comparación entre los diferentes tipos de reactores (6) ................................... 29

Figura 3.8. Comparación entre el TAC y el FPI de volúmenes similares para estimación

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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 estáticos (13) ............................................................ 43

Figura 4.2. Patrones de mezclado radial en mezcladores estáticos (16) .............................. 46

Figura 4.3. Comparación del perfil de velocidad del fluido en una tubería vacía y con

mezcladores estáticos con el régimen de flujo pistón ideal (8). .......................................... 47

Figura 4.4. Curva para flujo pistón ideal, con mezclador estático y con tubería vacía (8). 47

Figura 6.1. Montaje experimental para pruebas en tejidos ................................................ 56

Figura 7.1. Ejemplo de materiales después 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 estáticos KOMAX (5) ........................................ 74

Figura 7.5. Arreglo de tubos y estructura de los mezcladores estáticos ............................ 75

Figura 7.6. Diseño 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

Fi 7 9 Pl d bi ió d i d l l (Ni l 1) 80

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INTRODUCCIÓN

Industrias Venoco C.A. es una organización empresarial conformada por un grupo deempresas de origen venezolano de capital privado, con un amplio desarrollo en el área química,

petroquímica y de lubricantes con más de 50 años de experiencia, ubicada en Guacara Edo.

Carabobo.

Actualmente, en su esfuerzo por contribuir con el desarrollo social y económico del país,

ha previsto destinar el 30 % (7.200 Tm/a) de la producción de ácido alquilbencensulfónico lineal

(LABSA), provenientes de la nueva planta de sulfonación a pequeñas y medianas empresas

(PYMES) que estarán distribuidas en diferentes regiones del país, cuyo objetivo será la

producción de detergentes líquidos.

Como parte del compromiso, Industrias Venoco acordó con el Ministerio de Poder

Popular de Ciencia y Tecnología realizar la ingeniería, procura y construcción una planta de

producción de detergente líquido con una capacidad de 5600 Tm/a a partir de soda cáustica y

LABSA en Guanare, Edo. Portuguesa, siendo esta la empresa piloto para luego multiplicarla a

nivel nacional. Entre los principales objetivos de dicha planta están: fabricar detergentes líquidos

biodegradables, incrementar la oferta de productos nacionales a precios competitivos a través de

las redes gubernamentales, el ahorro de divisas a través de la sustitución de la importación dedetergentes de otros países y la generación de empleos tanto directos como indirectos, en el

proceso de manufactura transporte y distribución


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Diseñar un reactor flujo pistón modificado donde se llevara a cabo la reacción de

neutralización del proceso, tomando en cuenta los datos obtenidos en la planta piloto y las bases de diseño.

Diseñar los equipos necesarios para el proceso de producción de detergentes líquidos.

Elaborar el diagrama de flujo del proceso (DFP), el diagrama de tuberías e instrumentación y

el plano de ubicación de equipos correspondiente a la planta comercial.

Realizar estimado de costos clase III (precisión ± 20%).

Evaluar la factibilidad económica del proyecto mediante la tasa interna de retorno y el tiempo

de retorno de inversión.


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CAPÍTULO 1

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA EMPRESA

La organización empresarial Industrias Venoco C.A. se convirtió en la primera empresa

privada venezolana destinada a la transformación de derivados de hidrocarburos en 1960, cuando

inició operaciones la Compañía Anónima Nacional de Grasas Lubricantes en la ciudad de

Valencia. Para el momento, esta actividad era exclusiva de compañías trasnacionales y realizada

con productos importados. Desde entonces, la empresa se ha destacado a nivel nacional e

internacional por la calidad de sus productos y procesos. Actualmente, su sede principal se

encuentra ubicada en la Carretera Nacional Vía Aragüita, Guacara, Edo. Carabobo (1).

Actualmente, la empresa ha modelado su organización empresarial estructurando sus

líneas de producción de la siguiente manera: C.A. Nacional de Grasas y Lubricantes (CANGL,

1960), Química Venoco (QVCA, 1969), Aditivos Orinoco (ADINOVEN, 1979) y Lubricantes

Venoco Internacional, C.A (LVICA, 1994).

Durante los últimos años, la empresa, con el objetivo de ampliar sus horizontes, construyo

una planta de sulfonación ubicada dentro de la sede principal para producir Acido sulfónico de


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Tabla 1.1 Composición del LABSA

Componente %Peso

LABSA 97,0

H2SO4 1,07

LAB 1,04

H2O 0,89

El Gobierno Nacional exoneró a Industrias Venoco de aranceles e impuestos al valor

agregado (I.V.A) en lo referente a la importación de los equipos para la planta de Sulfonación.

Como parte del compromiso, Industrias Venoco acordó en conjunto con el Ministerio del Poder

Popular para la Ciencia y Tecnología, promover y apoyar la creación de PYMES (Pequeñas y

Medianas Empresas) para la producción de detergentes líquidos, empleando como materia prima

básica el Ácido Sulfónico producido en la planta de Sulfonación. De esta manera se estaría

originando capacitación y entrenamiento para el desarrollo de la comunidad.


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CAPÍTULO 2

DETERGENTES

A continuación se presentara la información relacionada con detergentes, el proceso de

detergencia, el proceso de manufactura y características de los detergentes sintéticos, sus

componentes y funciones.

2.1. Antecedentes

El desarrollo en la formulación y producción de detergentes ha sido escalonado a lo largo

de la historia, desarrollando paulatinamente tecnologías y productos destinados a satisfacer las

demandas técnicas y de mercado.

En el año 600 a.C., los fenicios obtuvieron el primer jabón mezclando grasa de cabra con

cenizas de madera. En Europa, la fabricación de jabones se inició en Marsella en la Edad Media

y se extendió a Génova, Venecia y Savona. En el siglo XVIII, la fabricación de éste se convirtió

en un negocio floreciente y se difundió en Europa y Norteamérica, llegando a ser una gran

industria para fines de siglo (1).


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6

una amplia gama de detergentes sintéticos que no dejaban residuo alguno, y que en muchos

aspectos eran muy superiores al jabón.Posteriormente a la Segunda Guerra Mundial, la rápida disponibilidad de hidrocarburos

procedentes de la industria petroquímica en desarrollo, hizo atractiva la idea de que existiese un

sistema de detergentes económico y eficiente, y es en 1946, cuando aparece el primer detergente

para lavar la ropa en casa: el Tide®, que coincidió con el momento en que las amas de casa en los

Estados Unidos no podían vivir sin una lavadora automática. El éxito del Tide®

fue rápido y seconvirtió en el precursor de muchísimos detergentes delicados que no tardarían en abarrotar las

estanterías de los supermercados (2).

2.2. Definición

Un detergente representa un conjunto de moléculas compuestas de dos partes, una

hidrofóbica (insoluble en agua) y una hidrofílica (soluble en agua). Estas moléculas, mejor

conocidas como surfactantes, son altamente activas en las interfaces entre aire y agua o aceite y

agua (1).

Los detergentes contienen entre los componentes que forman parte de su formulación, uno

o varios agentes tensoactivos o surfactantes, en combinación con otras sustancias orgánicas e

inorgánicas, que incrementan la eficacia de la limpieza en comparación con la acción del agente

tensoactivo aislado (3).


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7

Fragmentación del sucio en partículas pequeñas, dispersiones o componentes solubles en

agua, por medio de diversos componentes presentes en la formulación del detergente. Prevención de redeposición de los fragmentos de sucio o trazas de tinte sobre la tela ya

lavada.

Blanqueo del sucio residual o redepositado (percudido) con la finalidad de dar una mejor

sensación y resultado visual.

Modificación final de la fibra para mejorar la satisfacción del consumidor, utilizando paraello agentes tales como abrillantadores, perfumes, polímero anti-redepositantes de sucio y

agentes acondicionadores de tejido.

Figura 2.1. Mecanismo general de la detergencia (1)

2 4 Formas físicas de los detergentes


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8

-

Pastas:

Son utilizadas básicamente en la industria textil y en algunos casos para operaciones delimpieza industrial y mantenimiento.

- Líquidos:

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 sintéticos y sus funciones

La clasificación de los detergentes se realiza de acuerdo al tipo de agente tensoactivo y de

los componentes secundarios que lo conforman. Su formulación varía enormemente

dependiendo del fin o la aplicación que se le quiere dar, así como también de acuerdo al mercado

donde va dirigido el producto.

Entre los principales compuestos que se usan para la manufactura y formulación de

detergentes se encuentran:

2.5.1. Surfactantes

Un surfactante o agente tensoactivo es una sustancia química que tiene la habilidad deadsorberse en una interface, modificando la energía libre interfacial. Las moléculas e iones de

tensoactivo forman capas monomoleculares orientadas a la interface sucio-tela-agua para


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9

embargo, como se observa que muchos surfactantes son susceptibles de ser utilizados en

aplicaciones diferentes, lo que provoca confusiones, se prefiere clasificarlos de acuerdo a laestructura de su molécula, o de manera más exacta según la forma de disociación de esta en el

agua (4).

Figura 2.2. Tipos de surfactantes (1)

- Surfactantes aniónicos

Los surfactantes aniónicos se ionizan en solución en un anión anfífilo y un catión. La

parte lipofílica está compuesta por una cadena parafínica lineal o ramificada que va desde 10 a 14

átomos de carbono, y está unida a un anillo aromático. El extremo hidrofílico de la molécula,

con pocas excepciones, es, un grupo sulfatado (-O-SO3-), o un grupo sulfonado (-SO3

-). De los

cationes asociados con los grupos polares, el sodio y el potasio imparten solubilidad en agua,

mientras que el calcio, bario y magnesio favorecen la solubilidad en aceite. Una mayor fuerza

iónica en el medio disminuye la solubilidad del tensoactivo.

De los distintos tipos de agentes tensoactivos, los aniónicos pertenecen a la clase


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10

- Surfactantes catiónicos

A diferencia de los aniónicos, el grupo polar posee una carga positiva. Prácticamentetodos los tensoactivos catiónicos de importancia industrial son compuestos grasos nitrogenados y

a bases de amonio cuaternario. Son de poca utilidad en limpieza porque la mayoría de las

superficies tienen una carga negativa y los cationes se adsorben sobre ellas en lugar de solubilizar

la suciedad adherida.

Los surfactantes catiónicos son usados en cantidades limitadas debido a su costo de producción y se utilizan como auxiliares en la fabricación de antisépticos, bactericidas y

suavizado de textiles, así como también para productos de especialidad, tales como limpiadores

de metales para galvanizado. El surfactante catiónico más utilizado es el cloruro de dimetil

amonio de doble ramificación.

Figura 2.4. Alquilbenceno Sulfonato de Sodio Lineal (3)

- Surfactantes no iónicos

A diferencia de los surfactantes aniónicos o catiónicos, carecen de cargas discretas cuando


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11

Figura 2.5. Acido Abietico(3)

- Surfactantes anfóteros

Contienen grupos hidrofílicos ácidos y básicos, y dependiendo del pH de la solución en la

que se utilicen, pueden ser aniónicos (básico) y catiónicos (ácido), como es el caso del ácido

acetilamino acético. Este grupo de surfactantes, presentan buenas propiedades tensoactivas en un

amplio intervalo de pH y son compatibles con los aniónicos y los catiónicos. Los anfóteros sonen general tan caros como los catiónicos y por esta razón su utilización se reduce a aplicaciones

particulares.


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12

secuestradores: silicio, carbono y fósforo (Figura 2.7).

Figura 2.7. Principales elementos en los agentes secuestradores (1)

El fosfato no solo funciona como enlazante de los iones de dureza del agua, sino que

también favorece la suspensión del sucio en la solución de lavado y actúa como buffer del pH de

la solución. En las regiones en las que los compuestos de fosfato tienen regulaciones ambientales

por su efecto en las aguas residuales, se comenzó a emplear otros compuestos capaces de cumplir

las mismas funciones, pero que su vez, aumentaron la complejidad de la formulación.

Así, desde la década de los 70 se empezaron a utilizar materiales con capacidad de

intercambio iónico como lo son las zeolitas y silicatos, polímeros de policarboxilato para la


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La remoción de los iones libres de calcio y magnesio es esencial para el desempeño en el

lavado. Las durezas de calcio y magnesio libre se encuentran presentes en las aguassuperficiales, en diferentes cantidades y relaciones dependiendo de la zona geográfica y el

tipo de tratamiento al que es sometida el agua. Estas durezas implican inconvenientes en el

proceso de lavado ya que:

Intervienen en el desempeño de los surfactantes aniónicos reduciendo su solubilidad y su

eficiencia en la remoción y dispersión del sucio.

Interactúan con sucios de ácidos grasos formando jabones de calcio y magnesio, los cuales

son altamente insolubles y difíciles de extraer de las telas.

Mantienen atrapados los sucios de tipo aniónico en las telas a través de puentes iónicos.

Se absorben sobre las telas de algodón y precipitan como carbonatos y silicatos, así como

sales de calcio de ácidos grasos. Esto origina serias dificultades para el mantenimiento de la

blancura de las telas.

Interactúan con sucios específicos (por ejemplo la tierra) para causar aglomerados, trayendo

como consecuencia una remoción pobre del sucio y la redeposición del mismo.

2) Fuente de alcalinidad/capacidad de buffer: Las condiciones alcalinas de un proceso de

lavado a un pH entre 9,5 y 11 promueve la remoción de sucio de las telas. Además, la

alcalinidad saponifica y emulsiona las grasas y favorece la solubilidad o dispersión de

material proteínico en la solución.


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14

2.5.3. Inhibidores de corrosión

Son sustancias que inhiben la acción corrosiva de los tensoactivos sulfatados y sulfonadossobre los metales de las máquinas lavadoras, siendo el más común el silicato de sodio. Éste

además disminuye el efecto de separación en capas cuando se transporta el detergente a largas

distancias, debido a la diferencia de densidades que poseen cada uno de sus componentes,

estabiliza la mezcla y mejora la velocidad de solubilización del detergente (3).

2.5.4.

Blanqueadores

La suciedad que no se elimina por los mecanismos usuales, con frecuencia puede

modificarse mediante un blanqueador para retirarla con mayor facilidad. Los blanqueadores de

cloro (por ejemplo, hipoclorito de sodio o ácido tricloroisocianúrico, que se utilizan en polvos

limpiadores) tienen un olor desagradable y tienden a descomponerse durante el almacenamiento,

dañar 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 descomponen formando peróxido de

hidrógeno y el más usado es el perborato de sodio.

2.5.5. Blanqueadores ópticos

Los agentes fluorescentes son tintes incoloros que producen una fluorescencia azul al

adsorberse sobre las telas cuando son expuestos a la luz del sol. Estos enmascaran cualquier tono

amarillo debido al envejecimiento de la tela y producen un aspecto genuinamente “más blanco


29/182

15

2.5.7. Estabilizadores de espuma

Para el público, un detergente efectivo debe producir espuma. No sólo se considera a laespuma como una ayuda en el proceso de limpieza, sino que también oculta el agua, la cual

debido a la formación de micelas y la suspensión de suciedad, siempre aparece sucia. De hecho

no hay relación directa entre la espuma y la detergencia, y en ciertos casos (por ejemplo,

máquinas lavadoras de carga frontal o lavadoras de platos) la espuma excesiva constituye una

desventaja. Sin embargo, en las formulaciones generales se considera conveniente agregar unestabilizador de espuma, como la n-hidroxietil-lauramida.

2.5.8. Agentes suspensores de suciedad

El principal agente suspensor de suciedad es la carboximetilcelulosa sódica. Su función

es evitar la redeposición de suciedad y actúa incrementando la carga negativa sobre la superficie

de las telas, que entonces repelen las partículas de suciedad, las cuales poseen cargas negativas.

2.5.9.

Enzimas

Las manchas producidas por proteínas como huevo, leche y sangre son difíciles de

eliminar por la acción del detergente, ya que son insolubles en agua, se adhieren con fuerza a las

fibras e impiden la penetración del detergente. Al agregar una enzima proteolítica a la

formulación, ésta cataliza la hidrólisis de las proteínas formando péptidos solubles en agua y

aminoácidos, o cuando menos las hacen permeables al agua, por lo que la mancha puede


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16

es el principal componente activo de esencialmente casi todos los detergentes en polvo de uso

doméstico (3).

Al final de los años 40, su antecesor, el dodecil benceno sulfonato basado en el tetrámero

de propileno desplazó los jabones de ácidos grasos como producto doméstico para lavar la ropa.

Estos detergentes llamados ABS, tenían una mejor tolerancia al agua dura y eran netamente

superiores a los jabones. Sin embargo tenían un inconveniente mayor, que los países

industrializados no tardaron en constatar, en particular en las zonas pobladas: su biodegradaciónen las aguas negras era lenta e incompleta. Como consecuencia, los ríos o lagos que recibían las

aguas tratadas empezaron a exhibir espumas persistentes, reducción de su oxígeno disuelto y

desaparición de la flora y de la fauna. Estudios realizados a principios de los años 60 demostraron

que las ramificaciones del alquilato eran los sitios resistentes a la biodegradación. Para resolver

este problema la industria de los detergentes, bajo la amenaza de los reglamentos y de las leyes,

desarrolló procesos de producción de alquilatos lineales los cuales conducen a los llamados LAS

biodegradables. El cambio total se efectuó en Europa y Norte América entre los años 1964 y

1966. Sin embargo todavía en Latinoamérica el 90 % de los alquil benceno sulfonatos eran del

tipo no biodegradable en 1976. En 1982 fue promulgada en Venezuela una ley prohibiendo la

venta de ABS ramificados. Sin embargo todavía se fabrican este tipo de producto para la

exportación.

2.6.1. Proceso de manufactura


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17

neutralizante y dicho ácido. La reacción puede ser en fase homogénea o heterogénea dependiendo

del agente neutralizante que se utilice y por lo general se realiza a presión atmosférica. Los

agentes neutralizantes comúnmente utilizados son la soda cáustica (NaOH) y el carbonato de

sodio (Na2CO3), siendo menos comunes la solución amoniacal (NH3), la monoetanolamina,

dietanolamina y trietanolamina (4).

El control del pH resulta esencial para la obtención de un producto de excelente calidad.

Un pH muy bajo (11) deja demasiada soda cáustica arraigando consecuencias negativas en las

propiedades del producto final. Resulta prácticamente imposible controlar el pH entre 7 y 9 para

sistemas ácido-base fuertes, como el caso de LABSA-NaOH. Sin embargo, es posible controlar el

pH entre 9 y 10 donde la curva de valoración se torna más estable, considerándose un pH de 10

como óptimo.

La operación de mezclado de la solución cáustica con el LABSA, se realiza a alta

velocidad ya que el producto de la reacción es un fluido no newtoniano del tipo pseudoplástico, y

por ende su viscosidad disminuye al aumentar el esfuerzo cortante. El producto de reacción

(LABSS), se conoce también con el nombre de “pasta”.

Debido al carácter de base fuerte de la soda cáustica, el calor de neutralización es mayoral obtenido con los otros agentes, dependiendo también de la concentración de la solución

utilizada Normalmente se utiliza solución de soda cáustica al 50 %


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18

La reacción global es altamente exotérmica debido al calor de neutralización y de dilución

de los ácidos fuertes y de la base fuerte. Los calores involucrados en la reacción de neutralización

del LABSA con soda cáustica son los expresados en la Tabla 2.1.

Tabla 2.1. Calores de reacción (4)

Nomenclatura Descripción Valor (kJ/mol)

ΔH1Calor de dilución infinita del

ácido sulfónico en agua39,3

ΔH2 Calor de neutralización del ácidosulfónico

61,4

ΔH3Calor de dilución infinita del

ácido sulfúrico97,0

ΔH4Calor de neutralización del ácido

sulfúrico112

ΔH5 Calor de dilución de una solución50% p/p en NaOH a 17,6 % p/p 17,99

ΔH6Calor de dilución de una solución

17,6 % p/p en NaOH aconcentraciones inferiores

0,36

2.7.

Consideraciones tóxicas y ambientales

Los detergentes son productos que se utilizan en grandes cantidades para la limpieza


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19

del agua, haciendo que los peces mueran y se perturbe el equilibrio ecológico. El fenómeno es

conocido como eutroficación. El uso de fosfato en los detergentes continúa siendo un tema de

debate en cuanto a su impacto ambiental. En la región latinoamericana se continúa utilizando los

fosfatos en las formulaciones de detergentes, y en el caso específico de nuestro país, no hay

regulaciones por parte del gobierno nacional.


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CAPITULO 3

REACTORES QUÍMICOS

Un reactor químico se refiere a cualquier equipo utilizado para llevar a cabo la

transformación molecular de uno o varios compuestos. Sin embargo, en el presente trabajo, se

restringe el término a los casos donde la transformación química es designada únicamente para

producir uno o más compuestos químicos predeterminados o para eliminar uno o varios

compuestos de una mezcla en particular.

Los reactores químicos constituyen básicamente el corazón 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. Características de los reactores

Existen diversos criterios que establecen la clasificación de los reactores, bien sea por la

naturaleza de los reactivos o por las condiciones del proceso como tal. Entre los criterios másresaltantes se encuentran los siguientes (6):


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21

3.1.2. Tipo de proceso

Se refiere esencialmente al modo de operación de los reactores, los cuales pueden ser porlotes (batch) o de forma continua.

En los procesos tipo batch, los reactivos son cargados dentro del reactor donde ocurre la

transformación química. El tiempo el cual ocurra la reacción determinará la residencia de los

compuestos dentro del reactor. Estos sistemas son más comúnmente llamados sistemas cerrados,

referidos a la ausencia de alimentación y descarga durante la reacción.

Figura 3.1. Operación por lotes (Batch) (6)

P t t ti l t fl j i t


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22

variaciones espaciales en la concentración, temperatura o velocidad de reacción en todos los

puntos del recipiente de mezclado.

Figura 3.2. Operación continúa (A) Modelo ideal de flujo pistón. (B) Modelo de tanque de

agitación perfecta

(6)

Normalmente, en los procesos continuos, se expresan los flujos molares de entrada y de

salida de una especie A en función de la conversión ( x) que sufre por acción de la reacción. La


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23

reacción y, por otro lado, los procesos adiabáticos, en los cuales no existe transferencia de calor

con la superficie del reactor.

Los reactores isotérmicos son más comúnmente usados en los procesos continuos, ya que

los modelos para su predimensionamiento arrojan una aproximación bastante aceptable al

momento de llevarlo a la práctica.

3.2. Tipos de reactores

La clasificación de los reactores se basa principalmente, en las condiciones de flujo del

proceso, es decir, los procesos por lotes y procesos continuos. Es importante resaltar que los

modelos descritos a continuación son válidos únicamente para procesos isotérmicos (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 salidade productos mientras se efectúa la reacción. El balance de masa general para estos reactores se

expresa como:

V

A

Ad r

dt

dN

0 (3.1)

Donde:

dt dN A

= variación de los moles de la especie A en función del tiempo (mol/s)


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24

reacción. En la tabla 3.1 se muestran las ecuaciones de diseño de reactores batch para reacciones

de orden cero, uno y dos para una reacción de tipo PRODUCTOS

:

Tabla 3.1. Estimación de los tiempos de reacción para diseño de reactores por lotes (9)

Orden de reacción 0 1 2

Ecuación cinética (- Ar ) K AC K

2

AC K

Estimación de tiempode reacción

x K

C t

A 0

x Ln

K t

1

11

)1(0 xC K xt

A

Donde:

)1(0 xC C A A , al igual que en los sistemas continuos.

Los tiempos de estimación mostrados en la Tabla 3.1 representan simplemente el tiempoque necesita la especie A para reducir su concentración. Sin embargo, el tiempo del ciclo total en

cualquier operación por lotes es mucho mayor que el tiempo de reacción, ya que hay que tomar

en cuenta el tiempo necesario para llenado, de vaciado y de limpieza del reactor.

3.2.2. Reactor flujo pistón ideal (FPI)

Los reactores de tipo flujo pistón o tubulares consisten en una tubería que opera en estado

estacionario por la cual circula una o varias especies que van reaccionando a medida que


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25

A medida que los reactivos avanzan por la tubería, la composición varía axialmente, pero

mantiene una concentración radialmente uniforme.

La temperatura es constante a lo largo de todo el reactor.

Figura 3.4. Esquema de la variación de la conversión en un reactor flujo pistón ideal (6)

Al tomar en cuenta estas suposiciones, la ecuación de diseño del reactor tubular se puede

resumir como:

A A r

dV

dx F 0

(3.3)

Esta ecuación diferencial indica la variación de la concentración de la especie A a lo largo

del reactor, al resolver la ecuación diferencial se tiene:

x

A

Ao

r

dx F V

0 (3.4)


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Es de gran importancia destacar que las ecuaciones de diseño de la Tabla 3.2 son válidas

únicamente para reacciones en fase líquida, sin cambios de flujo volumétrico, de manera que las

Ecuaciones (3.2) y (3.4) puedan ser usadas y establecer las relaciones pertinentes con el

dimensionamiento del reactor. En el caso de reacciones en fase gaseosa, existe un factor de

expansión de los gases por acción de los cambios de presiones.

3.2.3.

Reactor de agitación continua (TAC)

Es el más común utilizado en la industria. Se conforma de un tanque con agitación queopera continuamente en estado estacionario. La principal característica asumida en el diseño de

este tipo de tanques es el mezclado ideal, donde no existan puntos en el tanque con variaciones de

concentración, temperatura o velocidad de reacción (7).

Figura 3.5. Reactor de agitación continua (7)


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27

Tabla 3.3. Estimación del volumen para un reactor TAC en función al grado de reacción (9)

Orden de reacción 0 1 2

Ecuación cinética (- Ar ) K AC K 2

AC K

Estimación del volumen K

x F V

A

0

)1(0

0

xC K

x F V

A

A

20

0

)1( xC K

x F V

A

A

Una forma muy común usada para optimizar los procesos de reacción con TAC es

conectar los reactores en serie de tal manera que el flujo de salida de un reactor sea el flujo de

alimentación del otro. El la Figura (3.6) se muestra un esquema de este arreglo de reactores para

una reacción exotérmica con intercambiadores de calor entre cada reactor.


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28

siguientes (7):

3.3.1.

Capacidad de producción

La capacidad de producción es la principal característica para la elección entre un proceso

continuo y por cargas. Una buena aproximación es estimar que para altas capacidades de

producción (aproximadamente 10.000 Tm/a), los sistemas continuos son los más recomendados.

Por el contrario, cuando se realizan procesos de manufactura relativamente pequeñas, que

involucran diversas etapas, se prefiere utilizar un proceso por cargas.

La principal ventaja de los procesos continuos se refleja en su alta capacidad de

producción, mientras que la ventaja de los procesos por lotes es su flexibilidad y adaptabilidad

para los diferentes tipos de reacciones que existen. Sin embargo, cuando se trabaja con

capacidades intermedias, el parámetro que trasciende a la elección de un proceso y otro es el

costo en dinero y en mantenimiento. Los sistemas continuos requieren de atención constante porel personal de la planta (entre 4 y 6 turnos), mientras que los procesos por lotes se pueden llevar a

cabo con un día en 1 o 2 turnos.

3.3.2. Condiciones y variables de operación.

Otra forma de elegir los tipos de reactores son las variables del proceso como la fase en

que se encuentran los reactivos y los productos, las temperaturas de operación y las presiones.

A pesar de que los reactores tubulares son los más adaptables para trabajar con procesos


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tiempos de reacción (entre 10 y 20 horas). Contrariamente, los reactores tubulares son más

adecuados para tiempos de reacción cortos (entre 1 segundo y 1 hora). Por último, 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 ubicación de los reactores en función del tiempo

de residencia, capacidad de producción y condiciones de operación. Los límites entre los campos

de aplicación indicados en el mapa no son estrictos, pero sirven como guía para aproximar laselecciones más adecuadas de reactores en algún proceso determinado.


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tubular, el volumen del FPI será mucho menor comparado con el volumen requerido para un

TAC para una misma conversión, de la misma manera, la conversión alcanzada para un TAC será

mucho menor comparado con el FPI para un mismo volumen.

Para realizar esta comparación, se puede estudiar el caso de una reacción de primer orden

del tipo:

PRODUCTOS

Cuya constante cinética es K a una temperatura específica. Se establece una relación

adimensional denominado número de Damköhler. Este número establece una relación entre la

cinética de reacción y el tiempo de residencia (t ), que permite analizar el comportamiento con el

grado de conversión de una reacción.

La ecuación del número de Damköhler varía según el orden de reacción, de esta manera

se tiene para los órdenes 0, 1 y 2 los siguientes números adimensionales:

Tabla 3.4. Número Damköhler en función del orden de reacción (9)

Orden de

reacción0 1 2

Número de

Damköhler ( Da ) 0 AC

t K

t K 0 AC t K


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condiciones del proceso sean las mismas (temperatura, presión, volumen, concentración inicial de

los reactivos y flujos molares)

Figura 3.8. Comparación entre el TAC y el FPI de volúmenes similares para estimación de los


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32

Figura 3.9. Comparación de los volúmenes de un TAC y un FPI para lograr la misma

conversión (10)

3.5. Reactor flujo pistón modificado

Los reactores flujo pistón por su forma tubular dan cabida a diferentes tipos de diseño con

la finalidad de adaptarse mejor al tipo de reacción o a las condiciones del proceso uno de estos


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33

como enfriar dependiendo del caso. En este sentido, la transferencia de calor en este tipo de

reactores se puede asemejar a la existente en un intercambiador de calor tubos y coraza.

3.6. Intercambiador tubos y coraza

A continuación se presenta una información relacionada con los intercambiadores de calor

tubo y coraza, decripciones, ventajas de uso, aplicaciones, tipos y sus elementos principales.

3.6.1. Descripción del intercambiador tubos-coraza

En general, el intercambiador de tubos y coraza, consiste en una serie de tubos lineales

colocados dentro de un cilindro de diámetro lo suficientemente grande para contenerlos, llamado

coraza, y representan una opción eficaz para operaciones que necesiten transferencia de grandes

cantidades de calor. Los intercambiadores del tipo de coraza y tubo constituyen la parte más

importantes de los equipos de transferencia de calor sin combustión en las plantas de procesos

químicos. Este tipo de intercambiadores de calor a medida que se han ido desarrollando con los

años es el tipo de intercambiador de mayor utilización debido a la simplicidad construcción y el

amplio rango de diseños y condiciones de operación que pueden ser logradas (10).

3.6.2. Ventajas de uso del intercambiador tubos-coraza

Entre algunas de estas se tienen:

Su rango de operación va desde vacio hasta valores muy altos de presión.


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34

Es posible utilizar una amplia gama de materiales para su elaboración, para ajustarse a

requerimientos de bajos costos de construcción, resistencia a la corrosión, resistencia a

altas presiones/temperaturas, entre otras.

El banco de tubos puede ser removido para limpieza o reparación.

3.6.3. Principales aplicaciones

Sistemas vapor / agua, para condensar vapor y / o calentar agua.

Sistemas aceite / agua, para enfriar aceite en sistemas de lubricación o hidráulicos y

transformadores eléctricos.

Sistemas vapor / combustóleo, para calentar combustóleo en tanques de almacenamiento,

fosas de recepción y estaciones de bombeo.

Sistemas aire / agua, para enfriar aire como after - coolers (post-enfriadores) de

compresor de aire.

Sistemas refrigerante / agua, para condesar refrigerantes.

Intercambiadores de calor para procesos químicos y petroquímicos, fabricados en acero al

carbón, acero inoxidable y aceros especiales.

Chillers intercambiadores de calor para enfriar agua con gas refrigerante para unidades de

h l d


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35

Figura 3.10. Cabezal de tubos fijo (11)

Esta variedad se utiliza cuando:

Se desea minimizar en número de juntas.

Las condiciones de temperatura no representan problemas de termal stress (esfuerzo

térmico).

El fluido de la coraza es limpio no se requiere remover el banco de tubos.

3.6.4.2. Cabezal de tubos flotante

Los intercambiadores de cabezal flotante consisten en una masa de tubos fija y otra

flotante para el ajuste de la expansión térmica del banco de tubos. Hay cuatro tipos básicos de

estos intercambiadores.

3.6.4.3. Cabezal de tubos flotantes externo (Cabezal P)


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36

Figura 3.11. Cabezal de tubos flotantes externo (11)

3.6.4.4.

Cabezal de tubos flotantes con anillo de cierre hidráulico (Cabezal W)

El diseño de cabezal flotante interno se utiliza mucho en las refinerías petroleras, pero su

uso ha declinado en años recientes. En este tipo de cambiador de calor el haz de tubos y el espejo

flotante se desplaza (o flota) para acomodar las dilataciones diferenciales entre la coraza y los

tubos, así como se puede ver en la figura 3.13.

Figura 3 12 Cabezal de tubos flotante con anillo de cierre hidráulico (11)


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37

Figura 3.13. Cabezal de tubos flotante removible (11)

3.6.4.6. Cabezal de tubos flotante interno (Cabezal S)

Esta construcción 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 distintosseparados por un anillo de cierre hidráulico y se instalan en el espejo flotante, así como se

observa en la figura 3.15.


52/182

38


53/182

39

Figura 3.16. Elementos de un intercambiador de calor de tubos y coraza (11)

3.6.4.7. Banco de tubos

Algunos parámetros que definen el banco de tubos se describen a continuación.

Diámetro de tubos


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turbulencia del fluido (coeficiente de transferencia de calor por convección deseado) y la caída de

presión por el lado de la coraza.

Patrones de arreglos

Los principales patrones de arreglo son:

Triangular y triangular rotado

Proveen un arreglo compacto, un mayor coeficiente de transferencia de calor para el lado de

la coraza, y un banco de tubos más fuerte para determinadas aéreas de flujo de la coraza. Estos

patrones de arreglos son buenos para los servicios de limpieza, pero tienen la desventaja de hacer

espacios entre los tubos que son prácticamente inaccesibles para la limpieza mecánica, como se

puede observar en la figura 3.18.

Figura 3.17. Patrones Triangulares de arreglos de tubos (13)

Cuadrado y cuadrado rotado


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Pasos

Un paso es cuando el líquido fluye de un extremo a otro del intercambiador de calor. Secuentan los pasos de los tubos y de la coraza. Se utilizan grandes números de pasos de tubos para

incrementar la velocidad del fluido y el coeficiente de transferencia de calor del lado de los tubos,

además también minimiza el ensuciamiento, todo a costa de un incremento de la caída de presión.

Por lo general el número de pasos de los tubos se encuentran de 1 a 10 (13).

Baffles (Deflectores)

Para inducir turbulencia fuera de los tubos, es costumbre emplear deflectores que hacen que

el líquido fluya a través de la coraza en dirección transversal a la longitud de los tubos. Los

deflectores pueden colocarse con espaciamientos variables con el propósito de producir un

determinado patrón de flujo en el fluido de la coraza a través de la masa de tubos; por lo que el

flujo másico no depende de los baffles. Usualmente el espaciado de los deflectores no es mayorque una distancia igual al diámetro interior de la coraza, o menor que una distancia igual a un

quinto del diámetro interior de la coraza.

Tipos

Hay varios tipos de deflectores que se emplean en los intercambiadores de calor, entre ellos

se tienen:

Deflectores segmentados :


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-

Deflectores de disco y corma:

El sistema de deflectores es un conjunto de discos alternados, uno tipo anillo y uno circular pequeño. 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 diseño de

deflectores produce una menor caída de presión que los de tipo segmentado para la misma

extensión 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 orificio

En este tipo de deflector la distancia entro los tubos y el orificio del deflector es grande, de

manera que actúa como un orificio para el flujo de lado de la coraza, como se muestra en lafigura 3.22. Estos deflectores no proveen soporte a los tubos y las incrustaciones debido al

i i t difí il d li i E t di ñ d d fl t tili d (10)


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CAPITULO 4

MEZCLADORES ESTÁTICOS

A continuación se realizará una descrpción de los mezcladores estáticos, sus ventajas de

uso, principales aplicaciones asi como sus principios de operación.

4.1. Descripción del equipo

Un mezclador estático es un dispositivo de mezcla que no posee partes móviles. Consiste

en elementos fijos montados en una tubería, los cuales crean patrones de flujo que causan que los

fluidos se mezclen a medida que son bombeados a través de la tubería. Los mezcladores estáticosson ampliamente utilizados en procesos industriales alrededor del mundo.


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44

La caída de presión es pequeña, para la mayoría de los elementos tratados, de modo que el

consumo de energía es bajo.

No tienen ninguna parte móvil, así que requieren poco mantenimiento y el tiempo

improductivo es minimizado.

Requieren bajos costo de inversión y operacional.

Su rendimiento es predecible, uniforme y consistente.

Son compactos y requieren poco espacio.

Al no poseer piezas móviles, se eliminan los problemas de sellado.

Las diferencias en la concentración, la temperatura y velocidad se igualan en la sección

transversal del flujo.

En la tabla 4.1 se puede observar una comparación del desempeño de diversos

mezcladores en línea, entre los cuales se encuentran los mezcladores estáticos, donde se puede

apreciar que estos son los de mayor rango de aplicaciones.

4.3. Principales aplicaciones

Los mezcladores estáticos proporcionan los medios para conseguir la homogeneización degases, líquidos y materiales viscosos sin el uso de piezas mecánicas móviles (16). Son utilizados


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45

Tabla 4.1. Comparación de mezcladores estáticos con otros elementos de mezclado en línea (8)

Régimen

de Flujo

Tubería

vacía

Mezclador

“Tee”

Mezclador

de chorro

Boquilla

de spray

Mezclador

estático

Mezcladormecánico

en línea

Régimen

Laminar- - - - - -

Mezclado - - - - X X

Dispersión - - - - X X

Transferen

cia de calor- - - - X X

Reacción - - - - X X

Flujo

pistón- - - - X -

Régimen

Turbulento- - - - - -

Mezclado X X X X X -

Di ió X X X X X


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46

4.4.1. Mezclado radial

En una tubería vacía, los materiales viscosos que viajan en régimen de flujo laminar no presentan mezcla radial, simplemente mantienen la misma posición con la que ingresaron en la

tubería. Al incluir un dispositivo de mezclado estático, se creará suficientes cortes y movimientos

inducidos al flujo para lograr crear un grado importante de mezcla radial. Esto está ilustrado en la

Figura 4.1 (14).

Figura 4.2. Patrones de mezclado radial en mezcladores estáticos (16)

4.4.2. Efecto flujo pistón

Cuando la aplicación es un reactor tubular, los mezcladores estáticos internos pueden

proveer grandes beneficios en términos de desempeño, control y confiabilidad. Es conocido de la


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47

Los mezcladores estáticos son especialmente diseñados para crear flujo pistón en los

reactores tubulares. El perfil de velocidad parabólico del flujo laminar en una tubería vacía es

aplanado a medida que el material fluye a través del mezclador estático. En consecuencia se logra

establecer un perfil de concentración más cercana al del reactor flujo pistón ideal, según lo

mostrado en la Figura 4.4. Los reactores pueden ser diseñados para alcanzar condiciones cercanas

al flujo pistón aún en tuberías con grandes diámetros y corta longitud. Los mezcladores estáticos

son aplicados en reactores tubulares para el procesamiento de materiales tanto de baja como alta

viscosidad. Aunque los diseños son significativamente diferentes, dependiendo de la viscosidad,

el flujo pistón es rápidamente alcanzado en ambos casos.

Figura 4.3. Comparación del perfil de velocidad del fluido en una tubería vacía y con

mezcladores estáticos con el régimen de flujo pistón ideal (8)


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Las recirculaciones son eliminadas por una apropiada selección del mezclador estático y

un diseño detallado. Frecuentemente se requieren pruebas a escala piloto o de laboratorio para

establecer las condiciones exactas de operación (8).

4.4.3. Incremento de la transferencia de calor

Cuando la aplicación es de intercambio de calor, los mezcladores estáticos pueden

aumentar el calor transferido y proveer un mejor tratamiento al producto tratado del que puede

ser alcanzado 20 en tubos vacios. El incremento de la transferencia de calor se alcanza utilizandomezcladores estáticos en tubos enchaquetados y en tubos de intercambiadores de calor

multitubos.

Los elementos internos mezclan el fluido durante el proceso de transferencia de calor,

continuamente intercambiando el material de la pared con el material del centro. La ruptura de la

continuidad de la capa laminar de colindante a la pared resulta en un incremento de la capacidadde transferencia de calor a lo largo de la tubería. En flujo laminar esta es usualmente la

resistencia controlante.


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CAPITULO 5

ANALISIS ECONÓMICO

A continuación se realizaráuna breve definición de los principales términos usados en el

análisis económico de un proyecto, tales como: inversión de capital, costos de producción, tasainterna de retorno.

5.1. Inversión de capital

Un plan de diseño aceptable debe presentar un proceso que sea capaz de operar bajo

condiciones que produzcan beneficios. Se debe estar consciente de que existen diferentes tipos de

costos dentro del proceso de manufactura.

Antes de que una planta industrial pueda entrar en operación, una gran cantidad de capital

debe ser suministrada con el objetivo de instalar la maquinaria y equipo necesarios. El terreno y

los servicios de ser obtenidos, y la planta debe estar erigida completamente. Además,

adicionalmente debe ser necesario tener dinero disponible para pagos de gastos intrínsecos a la

operación de la planta.


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de no-manufactura. Entre dichos componentes están: el terreno, edificios del proceso,

administrativos, almacén, laboratorio, gastos de ingeniería, contingencias, etc.

5.1.2.

Capital de trabajo

Para la planta industrial consiste en la cantidad total de dinero invertido en materia prima,

suministros y productos terminados en inventario, semiterminados en el proceso de manufactura,

cuentas por cobrar, etc. Normalmente la materia prima de inventario es suficiente para operar un

mes. Esto debido a que en términos de crédito por lo general se maneja periodos de pago de unmes.

La relación entre el capital de trabajo y el total de capital invertido varía según las

diferentes empresas, pero la mayoría de las plantas químicas usan como cantidad inicial un

estimado del 10 al 20% del total de capital invertido.

5.2. Estimación de la inversión de capital

1) Costos directos: Materiales y trabajo involucrado en la instalación de la planta (70-

85% de la inversión de capital fijo)

a. Equipos+instalación+instrumentación+tuberías+eletricidad+pintura (50-60% de la

inversión de capital fijo)

i. Equipos comprados (15-40% de la inversión de capital fijo)

ii Instalación incluyendo pintura (25-55% del costo de los equipos)


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4)

Capital de trabajo (10-20% de la inversión total de capital)

5) Inversión total de capital= Inversión de capital fijo + Capital de trabajo

5.3. Costos de producción

Es otro factor importante para la operación de una planta, incluye diferentes tipos de costos,

todos relacionados con la producción de la planta. En la Tabla 5.1 se puede observar la

clasificación de los mismo y como obtenerlo a partir del costo total del producto. El costo de

producción es una variable contable que varía según diferentes factores internos con los niveles

de producción y externos a la empresa como la inflación, por lo que se calcula para diferentes

periodos dependiendo de la empresa y su uso.

Tabla 5.1. Estimación del costo de producción

Costo deM f t

Costos Directos deProducción (cerca del

60% del costo totaldel producto)

Materia Prima10-50% del costo total

del producto

Trabajo operativo10-20% del costo total

del producto

Servicios10-20% del costo total

del producto

Mantenimiento yreparaciones

2-10% de inversión decapital fijo

Suministros de operación

10-20% del costo de

mantenimiento yreparaciones

Gastos por laboratorio10-20% del trabajo

ti


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5.4. Tasa interna de retorno

Está definida como la tasa de interés con la cual el valor actual neto o valor presente neto(VAN o VPN) es igual a cero. El VAN o VPN es calculado a partir del flujo de caja anual,

trasladando todas las cantidades futuras al presente. Es un indicador de la rentabilidad de un

proyecto, a mayor TIR, mayor rentabilidad.

Se utiliza para decidir sobre la aceptación o rechazo de un proyecto de inversión. Para

ello, la TIR se compara con una tasa mínima o tasa de corte, el coste de oportunidad de lainversión (si la inversión no tiene riesgo, el coste de oportunidad utilizado para comparar la TIR

será la tasa de rentabilidad libre de riesgo). Si la tasa de rendimiento del proyecto - expresada por

la TIR- supera la tasa de corte, se acepta la inversión; en caso contrario, se rechaza.

5.4.1. Dificultades en el uso de la TIR

Criterio de aceptación o rechazo, el criterio general sólo es cierto si el proyecto es del tipo

"prestar" , es decir, si los primeros flujos de caja son negativos y los siguientes positivos.

Si el proyecto es del tipo "pedir prestado" (con flujos de caja positivos al principio y

negativos después), la decisión de aceptar o rechazar un proyecto se toma justo al revés,

es decir, TIR mayores al coste de oportunidad implica un proyecto poco rentable y

viceversa.

Comparación de proyectos excluyentes, dos proyectos son excluyentes si solo se puede

http://es.wikipedia.org/wiki/Tasa_de_inter%C3%A9shttp://es.wikipedia.org/wiki/Valor_actual_netohttp://es.wikipedia.org/wiki/Valor_presente_netohttp://es.wikipedia.org/wiki/Flujo_de_cajahttp://es.wikipedia.org/wiki/Flujo_de_cajahttp://es.wikipedia.org/wiki/Valor_presente_netohttp://es.wikipedia.org/wiki/Valor_actual_netohttp://es.wikipedia.org/wiki/Tasa_de_inter%C3%A9s


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CAPITULO 6

MARCO METODOLOGICO

El presente capitulo describe el conjunto de procedimientos lógicos aplicados en la

persecución de los objetivos establecidos en la investigación.

6.1. Tipo de investigación

La investigación a desarrollar en este trabajo consta de dos (2) fases, la primera es

de tipo experimental, debido a que se pretende visualizar a nivel de laboratorio la capacidad de

detergencia del LABSS. La segunda fase y la más extensa es de tipo proyectiva o factible, debidoa que se diseña una propuesta satisfactoria de un modelo operativo viable, ofreciendo una

solución a un problema o necesidad (16).

6.2. Diseño de la investigación

A continuación se presenta las diferentes fases del proyecto: Revisión bibliográfica,

sección experimental y la fase de diseño y evaluación.

6 2 1 R i ió bibli áfi

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características físicas y químicas del producto final, tales como: detergencia, viscosidad, pH,

formación de espuma, entre otros.

Se lleva a cabo en el laboratorio químico de la empresa, los equipos, instrumentos y

materiales a utilizar son: cilindros graduados, beakers, varilla de agitación, balanza digital, motor

y agitador mecánico, medidor de pH, equipos de seguridad, entre otros.

Estos ensayos se realizan neutralizando LABSA con soda caustica al 17,6% para producir

LABSS, luego se disuelve la materia activa en agua suavizada según la composición de diseñodel detergente (16%p/p), luego se realizan pruebas de detergencia sobre distintos materiales

utilizando diferentes agentes de suciedad.

El procedimiento general de las pruebas sigue las siguientes etapas:

1) Preparación del LABSS:

Utilizando las instalaciones de la planta piloto se procede a producir 1 l de LABSS

aproximadamente, dicha planta piloto está ubicada en las instalaciones de Venoco, siendo

diseñada por el Ing. Daniel Contreras durante sus pasantías en dicha empresa. Luego se procedió

a diluir el LABSS con agua suavizada al porcentaje establecido para el producto según trabajos

anteriores.

2) Selección de elementos de suciedad y superficies de prueba

S b fi i d d f d ú l d lí id d á d

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4)

Proceso de lavado

Para los tejidos se realiza el montaje experimental mostrado en la Figura 6.1, para losmateriales con más dureza se realizo un lavado manual.

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sobre todo el proceso en general, es decir, desde la apariencia de la solución diluida, la

solubilidad de la materia activa, la formación de espuma, etc. Después de analizar los resultados

del proceso se dispondrá de buscar los aditivos que mejoren las características del detergente y de

esta manera aumentar su calidad.

6.2.3.

Diseño y evaluación

Tomando como datos las fases anteriores del proyecto, la planta de piloto existente, entre

otras, se realizará el diseño de la planta de producción de detergente líquido y su evaluación.6.2.3.1. Bases de diseño

Con los datos obtenidos de la bibliografía consultada, la planta piloto y los requerimientos

planteados por Industrias Venoco, se realizaran las bases de diseño de la planta de producción de

detergentes líquidos. Las bases incluyen entre otras cosas la localización de las empresas a nivel

nacional (Apéndice A), así como las formulas de detergentes usadas para el diseño de la planta, lacapacidad de las mismas, etc.

6.2.3.2. Balance de masa y energía

Se realizará el balance de masa del proceso tomando en cuenta los porcentajes másicos

planteados en las bases de diseño. Además se realizará el balance de energía en los equipos donde

la transferencia de calor juegue un papel importante tales como: el mezclador estático donde se

lleva a cabo la dilución de soda cáustica, el reactor de neutralización donde se realiza la reacción

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6.2.3.4. Diseño de equipos necesarios para el proceso

Se realizará un cálculo riguroso de los diferentes equipos necesarios para la producción dedetergente líquido, entre los cuales están:

Tanques de almacenamiento de materia prima: Tomando en cuenta 15 días de inventario

como factor determinante para su diseño.

Tanques de mezclado de detergente: Tomando como base de diseño el tiempo de

residencia necesario para el mezclado de los componentes del detergente.

Bombas de suministro de materia prima y de control de caudal: Se efectuará un cálculo

riguroso evaluando las características de los fluidos con los cuales trabajarían, así como

un estudio de las pérdidas en el recorrido de la descarga.

Mezclador estático: Su cálculo es vital para el estudio ya que se usara no solo para diluir

la Soda Cáustica sino también dentro del reactor para la neutralización de la LABSA.

Agitador: Se diseñara un agitador que permita el mejor mezclado de los componentes del

detergente sin producir un exceso de espuma y favoreciendo el intercambio de calor.

Fijando las condiciones de operación a partir de la información obtenida de las bases de

diseño. Para su cálculo se realizará usando las ecuaciones y métodos de cálculos hallados en la bibliografía. (Apéndices E, F, G y H)

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6.2.3.6. Análisis económico

En cada fase de la elaboración de un proyecto se debe realizar no solo cálculos técnicossino también de tipo económico, ya que todo proyecto y más una planta química debe garantizar

que en operación genere ganancias o beneficios.

A partir de las dimensiones y especificaciones derivadas de la ingeniería básica, se

realizará una estimación de costos clase III. Luego, con el costo total de los equipos y el tipo de

planta, se puede estimar el valor de la inversión total de capital a realizar.Posteriormente, se estudian los costos directos e indirectos implicados en el proceso de

producción, con la finalidad de realizar el análisis de rentabilidad del modelo operativo propuesto

mediante el uso de criterios para la evaluación de proyectos. (Apéndice I)


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CAPITULO 7

RESULTADOS Y DISCUSIONES

En este capítulo se presentarán en detalle los resultados experimentales obtenidos y

documentos elaborados a lo largo de la investigación para el desarrollo de la ingeniería básica deuna planta comercial para la producción de detergentes líquidos.

Ingeniería Básica de Una Planta Comercial de Detergente

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