PRODUCCIN DE RESINAL ACRLICAS CON REACTORES BATCH UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Ingeniera Qumica y Textil1 1.INTRODUCCIN: RESINAS Y LA POLIMERIZACINHablarderesinas,eshablardepolimerizacin,lapolimerizacinabarcacomplejas reacciones, lo que conlleva a la formacin de estructuras moleculares complejas. Las condiciones bajo las cuales es llevada a cabo la polimerizacin tienen un gran efecto sobrelalongituddelacadena,gradoderamificacin,distribucinenlacomposicin delcopolmero,distribucindelasecuenciadelcopolmeroyotrasmedidasdelas estructurasmolecularesqueafectandirectamenteasuspropiedadesfinales.Estas ltimas difciles de alcanzar debido a la variedad y complejidad de la microestructura. Acontinuacinsemuestraunesquemadondeserepresentanlasvariablesdeun proceso de polimerizacin. Elingenierodereaccionesdepolimerizacinnosolohadereunirproporciones especficas,produccionesypurezas,sinotambinobtenerunproductoconciertas caractersticasdeprocesadoypropiedadesfinalesqueson,enlaprctica,las PRODUCCIN DE RESINAL ACRLICAS CON REACTORES BATCH UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Ingeniera Qumica y Textil2 verdaderasmedidasdelfuncionamientodelosreactoresdepolimerizacin. La disponibilidad de un modelo matemtico que prediga con precisin las propiedades molecularesdelpolmeroproducidoenunreactortieneunagranimportancia econmica.Lallavepararealizarunbuenmodeloesdescribirmatemticamentelos fenmenosqumicosyfsicosdelproceso,obteniendolosbalancesnecesariosde materia,energaymomento.Estadescripcinimplicaecuacionesnolineales (algebraicas, diferenciales,..). Los principales problemas que se plantean a la hora de realizar una modelizacin para la produccin de polmeros son: Lacomprensindelasreaccionesdepolimerizacin.Lascinticasdepolimerizacin son complejas debido al nmero de reacciones diferentes que ocurren y a que stas, sonfuertementeinfluenciadasporcambiosfsicosenelsistema,talescomoel incremento de la viscosidad. La combinacin de grandes incrementos en la viscosidad ylaimplicacindemolculasdecadenalargaenlasreacciones,conducealcontrol difusional de algunas reacciones. La difusin puede entonces determinar la velocidad delareaccinyseestableceunarelacindirectaentrelafsicadepolmerosylas cinticas de polimerizacin. INFORMACIN DE LA PRODUCCIN DE MONMEROS Y POLMEROS: DESCRIPCIN DEL PROCESO: LasResinasacrlicassonpolmerosacrlicosoesteresmetacrlicos.Estosalgunas vecessonmodificadosconmonmeroscomoelacrilonitriloyestireno.Losacrilatos ms comunes son el metil acrilato, etil acrilato, n-butil acrilato y 2-etilhexil acrilato. Los PRODUCCIN DE RESINAL ACRLICAS CON REACTORES BATCH UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Ingeniera Qumica y Textil3 metacrilatos incluyen metil metacrilato, etil metacrilato, butil metacrilato, y steres con alcohol superiores. Lasresinasacrlicassonusadascomoresinashibridascuandolascombinancon uretanos, epxidos y siliconas. Desdequeelcalentamientonoeselprimerobjetivo,estasaplicacionesnosern especificadas. Las resinas acrlicas con ampliamente usadas en aplicaciones dentales. PMMA es hecho industrialmente por 4 procesos diferentes, entre ellos, polimerizacin enmasa,moldeadoenmasa,polimerizacinensuspensinypolimerizacinen emulsion, todos estos basados en la qumica de los radicales libres. El esquema de la reaccinsiguelos4pasosbsicosdelapolimerizacinderadicaleslibres,ie, iniciacin, propagacin, transferencia de cadena, y terminacin. La iniciacin consiste enlageneracinderadicaleslibesdetermlisisdecompuestosdeperxidoo compuestos azo (como 2,2-azobisisobutyronitrile, AIBN). Luego la propagacin sigue: Transferencia de cadena por medio de mercaptanos alquil de cadena larga permite el controldepesomolecular.Laterminacinocurreporunacombinacindecabeza-cabeza,opordesproporcin,consisteenquelatransferenciadeuntomode hidrogeno de una cadena en crecimiento a otra. Solamente,moldeadoenmasaypolimerizacinsonadecuadasparaaplicaciones rgidas,considerandolapolimerizacinensuspensinesbsicamenteusadapara obtenerpolvomoldeadoyresinasintercambiadorasdeiones.Polimerizacinen emulsin es apropiado para aplicaciones no ingenieriles de inters para pintura, papel, textil y la industria del cuero. Finalmente,lapolimerizacinbrindaproductospararecubrimientos,adhesivos, impregnados y laminados. Lainiciacinesfavorecidaporlatermlisisdeperxidosoporlareaccinredox (principalmenteenelprocesodeemulsin).LatacticidaddelPMMAdependedel PRODUCCIN DE RESINAL ACRLICAS CON REACTORES BATCH UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Ingeniera Qumica y Textil4 mtodo y condicin de polimerizacin y puede ser controlada exactamente. Rangos de Tgde45CparaPMMAisotacticoa110Cparaatacticoy160Cparasindiotactico PMMA.Materialescomercialescontienendiferentesporcentajesdetacticidady consecuentemente tienen un Tg intermedio. PMMAmuestraexcelentespropiedadespticas, claridadytransparencia,tambines usado ampliamente como un sustituto del vidrio en varios sectores. Por su alto ndice derefractividad,aplicacionessofisticadasensectoresavanzados(lentespticos, prismas,fibras,etc)tambinsonposibles.Elaltobrillodesusuperficieylabuena resistenciaalarayaduradelPMMAfavorecesuentradaalmercadodelaindustria sanitaria.Mediantelaadicindehastael60%derellenoinorgnico(hidrxidode aluminio,carbonatodecalcio,etc),mrmolsintticocomoproductosderesina pueden ser preparados. Las propiedades del PMMA se reportan en la siguiente tabla (Tabla 16). PRODUCCIN DE RESINAL ACRLICAS CON REACTORES BATCH UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Ingeniera Qumica y Textil5 Los pesos moleculares de materiales comerciales, son regulados por los agentes de la cadenadetransferencia,sonde70000-200000Daparaaplicacionesdemoldeadoy extrusiny1millonDaymasparahojasdereparto.Materialescomercialescon frecuencia contienen un porcentaje limitado de co- monmeros como metil acrilato, etil acrilato, o acrilonitrilo, con el objetivo de aumentar la flexibilidad y dureza de la cadena. La viscosidad de fusin y Tg se reducen proporcionalmente. Enfinalesdelos1980,Rohm&HaasintrodujoenelmercadounPMMAmodificado porN-metilaminaimidizacion,teniendounmayorTg(150-180C,dependiendodel grado de imidizacin) y fue vendido bajo el nombre de Kamax. PRODUCCIN DE RESINAL ACRLICAS CON REACTORES BATCH UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Ingeniera Qumica y Textil6 UNIDADES PRODUCTIVAS: LAS PRINCIPALES UNIDADES PRODUCTIVAS SON: La seccin donde se encuentra el reactor En esta unidad productiva se encuentra el reactor que es el equipo en el cual se forma la resina acrlica (producto) a partir de otras los reactantes para nuestro caso son losmetacrilato como el etil acrilato, adems de agregarse el iniciador que es el que lleva a cabo la reaccin de polimerizacin por radicales libres.Losreactoresporlotesconstituyenunaoperacinintermitentebastantecompleja, dadoquerequierenprocedimientostalescomollenado,mezcladoyvaciadodel producto obtenido. ZONADE ALMACENAMIENTO DE LA MATERIA PRIMA Es el rea donde se encuentra los tanques de almacenamiento de la materia primay el iniciador. Sedebenconsiderarlosparmetrosadecuadosparasualmacenamientocomoson presin, temperatura. PRODUCCIN DE RESINAL ACRLICAS CON REACTORES BATCH UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Ingeniera Qumica y Textil7 ANLISIS DEL CASO: -Unareaccinqumicadepolimerizacin,comoloeslaproduccinderesinas acrlicasmediantelapolimerizacindemonmeros,espreponderantecontrolarla naturalezaexotrmicadeestapuesamedidaquelareaccintranscurre,vagenerando caloryesteasuvezconllevaaldesprendimientodeenerga,estopuedeincluso ocasionar sucesos catastrficos si se descontrola totalmente. Sin embargo, hay que hacer hincapienquenosololasreaccionesfuertementeexotrmicassonpotencialmente peligrosas. Tambinlasdbilmenteexotrmicaspuedenoriginarunincrementodetemperatura suficiente para permitir la aparicin posterior deotra reaccin fuertemente exotrmica; esdecirlaaparicindeunareaccinsecundarianodeseada,comoporejemplouna descomposicin o polimerizacin. Sienunsistemadereaccinlavelocidaddegeneracindecaloressuperiorala velocidadalaqueesteseelimina,latemperaturadelamasadereaccinempiezaa aumentar considerablemente. Debido a este aumento de la temperatura, la velocidad de la reaccin se acelera y con ella la velocidad de desprendimiento de color, conduciendo aunposibledescontroltrmico.Estaprdidadecontrolocurreporquelavelocidadde autocalentamientodeunareaccin(ylaenergatrmicaproducida)aumenta exponencialmente con la temperatura, mientras que la disipacin de calor aumenta solo como una funcin lineal de la temperatura. Laprdidadecontroldeunareaccinpuedetenerlugarnonicamenteenelreactor qumico durante un proceso productivo, sino tambin en otras unidades como columnas de destilacin, durante la purificacin en tuberas o en depsitos de almacenamiento. Lapolimerizacinessusceptibleaunareaccinfueradecontrolpuespuede desencadenarsepordiversascausascomo,porejemplo,unprdidadelacapacidad refrigerantedelsistema(provocadaporlaprdidadefluidorefrigerante,por disminucin del rea de intercambio, por disminucin del coeficiente de intercambio de calor, por una temperatura de refrigeracin demasiado alta, o por perdida de agitacin), alteracionesdemateriaprimautilizadacomoreactivo(ensuconcentracin,enlas caractersticasdeflujodeadicin,presenciadeimpurezas,etc.),oinclusoporcausas externas (fuego, etc.). -Parauncontroladecuadodelatemperaturahayquetenerencuentacomo interactaunreactorbatchexotrmicodurantelaoperacinencadaunadesus steps o etapas : 1.Faseinicial:Elevarlatemperaturadelreactormedianteelusodevaporhastala temperatura predefinida de la reaccin. 2.Reaccin:Mantenerlatemperatura medianteaguaderefrigeracinovaporunavez hafinalizadolareaccinprincipalyacabandereaccionarelrestodecomponentes, hasta que se haya completado la reaccin. PRODUCCIN DE RESINAL ACRLICAS CON REACTORES BATCH UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Ingeniera Qumica y Textil8 3.Digestin:Mantenerlatemperaturamedianteaguaderefrigeracinovaporunavez hafinalizadolareaccinprincipalyacabandereaccionarelrestodecomponentes, hasta que se haya completado la reaccin. 4.Fase final: Bajar la temperatura para la descarga de los productos. Aliniciarlafase2,existeunincrementodetemperaturadebidoalanaturaleza exotrmicadelareaccin,siendocrticomanteneralreactordentrodeloslmitesde operacin de seguridad para evitar una reaccin fuera de control. Durante la transmisin delafase2ala3,elreactorpuedepasarrpidamentedegenerarcaloraconsumirlo. Esto ocurre sin un evento iniciador apreciable, debido a que la reaccin puede analizar encualquiermomento,dependiendoeltipodereactivosutilizados,elcatalizador,la concentracinylatemperaturadereaccin.Duranteuncortoperiododetiempo,la temperatura del reactor puede caer de manera significativa. En la transmisin de la fase 3 a la 4, se produce un cambio importante en la temperatura de referencia. Modelo matemtico para el control de temperatura. La transferencia o flujo de calor entre reactor y camisa, o entre intercambiador y camisa, se define mediante la ecuacin: Q = UA(T1 T2) Q = Transferencia o flujo de calor. U = Coeficiente de transmisin de calor. A = superficie de conduccin de calor. Laconcentracindelosdiferentescomponentesenelinteriordelreactor,producto inicialCatransformadoenCbmediantelareaccinexotrmica,esfuncindela ecuacin de la velocidad de la reaccin k(T): Laecuacinquedefinelavelocidaddereaccinesfuncindelatemperatura.La representacinmsusualyqueutilizaremosparaeldesarrollodelasecuacionesde modelado, es la ley de Arrhenius: EQUIPOS USADOS Elequipoparalafabricacinderesinasacrlicasconstadevariaspartesuotros equiposdeoperacionesunitarias.Constapuesprincipalmentedeunreactortipo BACH, o sea, que opera por lotes. Este reactor tiene un agitador tipo turbina de aspas inclinadas en ngulos de 45. Tiene tambin dos compartimientos de serpentines, por PRODUCCIN DE RESINAL ACRLICAS CON REACTORES BATCH UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Ingeniera Qumica y Textil9 donde se hacen pasar tanto el vapor saturado a 100 psig proveniente de una caldera y agua fra proveniente de un chiller. Contiene tambin una chaqueta la cual cumple la mismafuncinquelosserpentinesyademsunavlvuladealivioporseguridad. Contienesuzonadecargue,unmedidordepresinyunatermocuplatipoJconsu registradordetemperatura.Elreactorestcompletamentehermticoduranteel perodo de reaccin REACTOR Eldiseodereactoresdepolimerizacin,untemapropiodelaingeniera,tambin puede ser de inters para los qumicos y otros especialistas por varias razones: de una parteeldiseodelreactorsefundamentaenlosmodelosdereaccionesde polimerizacingeneralmentepropuestosporlosqumicos;deotraparte,las propiedades finales del material obtenido pueden coincidir o diferir de las esperadas a partir de las pruebas hechas sobre muestras preparadas por tcnicas convencionales de laboratorio, segn sea el tipo de reactor y las condiciones de operacin empleados para su produccin industrial.

PRODUCCIN DE RESINAL ACRLICAS CON REACTORES BATCH UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Ingeniera Qumica y Textil10 Es aqu donde se lleva a cabo la reaccin de polimerizacin entre los monmeros y los iniciadoresEsteequipoesuntanquequetienecapacidadvariadasegnel requerimiento en Toneladas de producto. Es de acero inoxidable y tiene en su interior un sistema de agitacin tipo turbina con su respectivo motor. Elreactordiscontinuoconsisteenuntanqueconfacilidadesparalacargayla descarga, para la transferencia de calor (intercambiadores, serpentines, bafles, reflujo, recirculacin externa y otros), lo mismo que para agitacin de la mezcla reaccionante. En condiciones ideales la mezcla es homognea. CaractersticasdelosreactoresBatch.Elreactordiscontinuo,comosunombrelo indica, opera por ciclos. Cadaciclocomprendealgunasotodasdelassiguientestareas:cargadereactivos, puestaapuntoalascondicionesdereaccin(temperatura,presin,otros),reaccin, puestaapuntoalascondicionesdedescarga,limpiezayvueltaacargar.Partedel tiempodelcicloseempleaenlaboresnecesariasperodiferentesalaconversinde reactivos en productos. Tambin es de anotar que de carga a carga (discontinuo) bien puedenocurrirdiversashistoriastrmicasuotroseventosalazar,queenalgunos casos, como en el de la produccin de polmeros,pueden afectar las propiedades del producto obtenido. Elreactordiscontinuooperaenestadonoestacionarioyporlomismo,laconversin aumenta con el tiempo siempre y cuando el sistema no est en equilibrio qumico. De otra parte,por efecto de la agitacin, idealmente el reactor es homogneo. Lasecuacionesprincipalesdediseodelreactordiscontinuo,derivadasdelos balances molar y de calorpueden expresarse as: PRODUCCIN DE RESINAL ACRLICAS CON REACTORES BATCH UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Ingeniera Qumica y Textil11 BOMBA Utilizadoparaimpulsarlaalimentacindelaguaalachaquetadeenfriamiento.Se usaran las bombas de desplazamiento positivo. CHAQUETA DE ENFRIAMIENTOY CALENTAMIENTO: Utilizadaparallevaracaboelintercambiodecalorentreelreactoryelaguade enfriamiento que circula por esta, yasea para su enfriamiento o calentamiento, de tal manera que la reaccin se mantenga en un rango de 110-160 C. PRODUCCIN DE RESINAL ACRLICAS CON REACTORES BATCH UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Ingeniera Qumica y Textil12 ENFRIADOR O CHILLER Unchilleresunaunidadenfriadoradelquidos.Losairesacondicionadosylos deshumificadoresacondicionanelaire,mientrasqueunchiller,usandolamisma operacin de refrigeracin, enfria el agua, aceite o cualquier otro fluido.Lo utilizaremos para enfriar el agua de salida de la chaqueta. VLVULA DE ALIVIO Lasvlvulasdealiviodepresin,tambinllamadasvlvulasdeseguridadovlvulas dealivio,estndiseadasparaliberarfluidocuandolapresininternasuperael umbral establecido. Su misin es evitar una explosin, el fallo de un equipo otubera porunexcesodepresin.Existentambinlasvlvulasdealivioqueliberanelfluido cuandolatemperaturasuperaunlmiteestablecido.Estasvlvulassonllamadas vlvulas de alivio de presin y temperatura, por ello se ubican enel reactor. PRODUCCIN DE RESINAL ACRLICAS CON REACTORES BATCH UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Ingeniera Qumica y Textil13 AGITADOR LaOperacindeagitacinesunadelosmsimportantesdentrodelaindustria qumica de los resinas acrlicas, porque el xito de la reaccin qumica depende de la interaccinconstantedelosreactantes,porelloelagitadorsemantienesiempreen operacintomandoenconsideracinlaspropiedadesfisicoqumicasdelos componentesparalacorrectayeficazoperacindenuestroagitador,seusaranun agitador de tipo turbina de aspas inclinadas a 45. MATERIAS PRIMAS Resinasacrlicassonderivadosdelcidometacrlico,cidoacrlicoodeotros compuestosrelacionados,estassustanciasestnrelacionadasconplsticos termoestables o termoplsticos. Para la industria textil, acabados de lacas y adhesivos seutilizadepolimetacrilatodeacrilato.Polimetacrilatodeacrilatoesunaresina acrlica,peroenunaformaemulsin.Polimetacrilatodemetiloesotroderesina acrlicaquetieneunusodiferente,queseutilizaparahacerplsticoduro,estos plsticos duros sin embargo, tienen propiedades de transmisin de la luz. PRODUCCIN DE RESINAL ACRLICAS CON REACTORES BATCH UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Ingeniera Qumica y Textil14 Metil acrilato Etil acrilato MONOMEROS PARA LA ELABORACION DERESINAS ACRILICAS INICIADORES DE POLIMERIZACIN PRODUCCIN DE RESINAL ACRLICAS CON REACTORES BATCH UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Ingeniera Qumica y Textil15 Sustancia qumica distinta a los monmeros, que forma la especie activa que da inicio a la polimerizacin. PRINCIPALES INICIADORES DE LA REACCION OBJETIVOSDELCONTROLDEPROCESOSENLAPRINCIPALDESUS UNIDADESElsistemadecontroldebereaccionarrpidamentefrenteacambiosdetemperatura deoperacinoconsignasentrelasdiferentesfases,ascomoevitaralmximolas PRODUCCIN DE RESINAL ACRLICAS CON REACTORES BATCH UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Ingeniera Qumica y Textil16 perturbaciones producidas por la reaccin exotrmica. Un controlador PID difcilmente puede controlar correctamente la temperatura en la transmisin de las 2a la 3, si ha estado sintonizado para controlar el proceso en las fases 1 y 2. En la prctica, muchos reactoresbatchsonoperadosdeformamanualporoperadoresbienentrenados durante las transiciones crticas. Elobjetivoprimordialdelcontroldeprocesosselimitaalsistemadeenfriamientodel reactor,puesaserunareaccinexotrmicalatemperaturaseelevayespropicio mantenerlaenunrangode120a160Ceinclusolareaccinnonecesariamente concluyealinstanteyelsistemapuedeenfriarseyporelloseincluiraun calentamientoconvaporsaturadoa100psigydeesamaneralareaccinde polimerizacin se lleve a cabo con xito, a la vez se busca contrastar un sistema tpico delcontroldedichavariablequeusualmenteoperaconuncontroladorON/OFFdel sensor de temperatura de la masa interna del reactor. Esto implicara que este control de temperatura tendra sobrepicos en cuanto a la respuesta de la temperatura interna delreactormientrasquesisediseauncontrolptimoparaestatemperaturapor ejemplouncontrolPIDseeliminaranestossobrepicosalusarseunfeedbackcomo estrategia de control. Selimitelproyectonicamentealestudioydiseodelcontroldelatemperatura internadelreactorynoenlacompletaautomatizacindelproceso,aunquese menciona algo muy importante al respecto; luego se entra en detalle con el anlisis de dos posibles formas de control se eligi una. Esta se escogi por lo que dara buenos resultados(segnnuestrocriterio)ysebuscabatambinunaquefuerafcilde manipular.Escogidaestaposibleformadecontroldetemperatura,pormediode tcnicasdeingenieradecontrolseprocediahallarelmodelamientoofuncin matemticadeestesistema.Paraellosedefinieronlasentradasylassalidasdel sistema de calentamiento del reactor. Halladalafuncinmatemtica,queeslaquedeterminaraelcomportamientodel sistemadecalentamientodelreactor,seencontrlafuncinmatemticadel controlador.LuegosesimulelmodeloenMATLABysevioquedieronbuenos resultados. Enloslibrosporlogeneralexistenecuacionesdiferencialesquepredicenel comportamientodeundeterminadosistema.Teniendounaecuacinmatemticaen trminos de tiempo, se pueden definir cuales son la entrada y salida del sistema y con PRODUCCIN DE RESINAL ACRLICAS CON REACTORES BATCH UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Ingeniera Qumica y Textil17 estosacarunafuncindetransferenciaentrminosdetransformadadeLAPLACE entre la salida y la entrada del sistema en cuestin, ello se detalla ms adelante. -Variable controlada: Temperatura en el interior del reactor batch (Tb). -Variable manipulada: Flujo de agua de enfriamiento (W) VARIABLES DEL PROCESO Paraestesistemadereaccinesconvenientedecirprimeroqueloqueseesta planteando es el control de temperatura interna de un reactor de resinas acrlicas y por ende tenemos que definir primero cuales son las entradas y salidas del sistema. La salida de un sistema de control es la variable que se desea controlar, en este caso la salida del sistema de control es la temperatura de la resina que se encuentra dentro del reactor. La entrada del sistema de control es la variable que se va a manipular, en estecasopodranserelcaudaldevaporsaturadoprovenientedelacalderaola entrada al reactor tanto de vapor y agua fra. Definiendo la entrada(s) y la salida(s) se tratadebuscarunafuncindetransferenciaolaecuacinmatemticadelsistema, para luego buscar tambin la funcin de transferencia o ecuacin del controlador que es el que va a regular o manipular la variable de entrada. Teniendo ya estas dos funciones se puede implementar fsicamente en un equipo de control como por ejemplo en un PLC. 1.CONTROL DE FLUJO DE VAPOR Y AGUA FRIA Estaopcinesalgocomplicadadesdeelpuntodevistadecontrolcomodesdeel puntodevistadeprocesos.Osea,elcontroldeestamaneraseriauncontrol multivariable donde las variables de entrada son los caudales de vapor caliente y agua fra.Manipular dos vlvulas proporcionales en el sistema con un control multivariable seriarecomendabledejaruncaudal fijo (agua)ysevacontrolandocon elcaudaldel vapor saturado. Hay que tener cuidado que las temperaturas de ambos tienen que ser constantes o sino tendramos perturbaciones en el sistema y no solo el sistema seria de dos variables sino se tendra un sistema multivariable de ms de dos variables a la entrada. PRODUCCIN DE RESINAL ACRLICAS CON REACTORES BATCH UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Ingeniera Qumica y Textil18 Este control implica: a.Una respuesta rpida del sistema. b.Sistema multivariable. c.Fuertes choques trmicos en la tubera entre el vapor caliente y agua fra, que estaran a 170 y 20 grados centgrados respectivamente. d.Altos costos de automatizacin

2.CONTROL DE FLUJO DE SOLO VAPOR SATURADO O SLO AGUA. Estaformadecontroldelatemperaturadelreactorpodraserlamsrecomendable para aplicar en un futuro. Solo se esta manipulando proporcionalmente la entrada de vapor caliente proveniente de la caldera a una temperatura constante de 170 grados o agua de enfriamiento a 20 grados,peroportratarsedereaccionesdepolimerizacinseenfriarelreactor,es decir que se usar la disposicin de agua de enfriamiento. Este sistema implica: a.Una respuesta un poco ms lenta que en el anterior tem. Pero an es rpida. Dependera ms de la capacidad de control sobre el agua de enfriamiento. b.Elsistemadeenfriamientodependedeunasolavariablequeeselflujode agua de enfriamiento. c.Para efectos de control, el sistema de enfriamiento quedara independiente del sistema de calentamiento del reactor (opcional). d.Semanipulalaentradadeaguadesdeunavlvulaproporcionalqueestara ubicada antes de las vlvulas de entrada al reactor que son las vlvulas de los dos serpentines y la vlvula de entrada a la chaqueta del reactor. e.Costos considerables de Automatizacin.

Esta ltima opcin es la que se escogi para el clculoy diseo del control de la temperatura interna de un reactor de Resinas acrlicas PRODUCCIN DE RESINAL ACRLICAS CON REACTORES BATCH UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Ingeniera Qumica y Textil19 DESCRIPCION DE VARIABLES DEL PROCESO Laprincipalvariableacontrolarenesteprocesodepolimerizacineslatemperatura delareaccinquesellevadentrodelreactorbatch,lacualliberacalorporlareaccin de polimerizacin por emulsin, por ello se busca enfriar el reactor para una completa polimerizacin. INSTRUMENTOS USADOS PARA SU MEDICION Losinstrumentosusadosparasumedicinesunatermocuplaqueseencontrada dentro del reactor. Termocupla Las termocuplas son el sensor de temperatura ms comn utilizado industrialmente. Una termocupla se hace condos alambres de distinto material unidos en un extremo (soldados generalmente). Al aplicar temperatura en la unin de los metales se genera unvoltajemuypequeo(efectoSeebeck)delordendelosmilivoltselcualaumenta con la temperatura. Porejemplo,unatermocupla"tipoJ"esthechaconunalambredehierroyotrode constantn (aleacin de cobre y nquel) Al colocar la unin de estos metales a 750 C, debe aparecer en los extremos 42.2 milivolts. Normalmentelastermocuplasindustrialesseconsiguenencapsuladasdentrodeun tubodeaceroinoxidableotromaterial(vaina),enunextremoestlauninyenel otroelterminalelctricodeloscables,protegidoadentrodeunacajaredondade aluminio (cabezal). Existen una infinidad de tipos de termocupla, en la tabla aparecen algunas de las ms comunes, pero casi el 90% de las termocupla utilizadas son del tipo J del tipo K. PRODUCCIN DE RESINAL ACRLICAS CON REACTORES BATCH UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Ingeniera Qumica y Textil20 LastermocuplastipoJseusanprincipalmenteenlaindustriadelplstico,goma (extrusin e inyeccin) y fundicin de metales a bajas temperaturas (Zamac, Aluminio). La termocupla K se usa tpicamente en fundicin y hornos a temperaturas menores de 1300 C, por ejemplo fundicin de cobre y hornos de tratamientos trmicos. LastermocuplasR,S,BseusancasiexclusivamenteenlaindustriaSiderrgica (fundicin de acero). Finalmente las tipo T eran usadas hace algn tiempo en la industria de alimentos, pero han sido desplazadas en esta aplicacin por los Pt100. VARIABLES CONTROLADAS Variable controlada. Se refiere a la variable cuyo valor debe mantenerse igual al de referencia, durante el proceso. La variable a controlar en nuestro caso es el control de temperatura a la cual se realiza la reaccin de polimerizacin. PRODUCCIN DE RESINAL ACRLICAS CON REACTORES BATCH UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Ingeniera Qumica y Textil21 VARIABLE MANIPULADAS Esla variable que se manipula para cambiar las condiciones de la variable controlada. Lavariable manipulada para nuestro caso es el flujo de agua de enfriamientodel reactor, dicho sistema operara con coeficientes de transferencia de calor a fin de transferir lamayor cantidad de calor posible del reactor a la chaqueta. CARACTERSTICAS DEEQUIPOS PRINCIPALES EN E PROCESO: Las caractersticas del reactor son: Temperatura media de reaccin= 120 C Mx. presin del reactor= 5 bar Capacidad=43 m^3 Las caractersticas de la camisa del reactor son: Capacidad= 7 m^3 Caudal de entrada mximo= 60 m^3/h rea de conduccin de calor= 48 m^3 Coeficiente de transferencia de calor= 120 Kcal/h.C.m^2 Las caractersticas de la bomba centrfuga de alimentacin de agua al reactor son: Amperaje nominal = 100 A Mximo caudal= 150 m^3/h PRODUCCIN DE RESINAL ACRLICAS CON REACTORES BATCH UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Ingeniera Qumica y Textil22 PARAMETROS DEL PROCESO: LAZOS DE CONTROL USADOS PARA CUMPLIR LOS OBJETIVOS DE CONTROL. Se usar un lazo de control cerrado, para que la realimentacin de informacin desde los transmisorescorrija y mejore los valores seteados. DIAGRAMA DE INSTRUMENTACIN Y PROCESOS ANLISIS DINMICO PRODUCCIN DE RESINAL ACRLICAS CON REACTORES BATCH UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Ingeniera Qumica y Textil23

Consideraciones -Previo calentamiento al reactor antes de aadir la solucin (iniciador).-Latemperaturadelproductoalasalidadelreactorserlamisma temperatura a la que se encuentra en el reactor.-Consideraremosla presin constante para poder realizar el control de la temperatura. -Elflujoytemperaturadelasalidadelproducto(resinaacrlica)sern constantes. -Consideraremos el flujo del monmero y temperatura constante. De acuerdo al diagrama de proceso, planteamos los balances tanto en estado dinmico y estacionario.

LosSubndices: M: Referido alas propiedades delmonmero. PRODUCCIN DE RESINAL ACRLICAS CON REACTORES BATCH UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Ingeniera Qumica y Textil24 i: Referido alas propiedades deliniciador. P: Referido alas propiedades delProducto a la salida del reactor. Balancede Energa en el Reactor : Balance en Estado Dinmico: qM.M.CpM.TM + qA(t).M.CpA.TA qP(t) P.Cp.P.T(t)- UA(T(t) Tc(t) ) - VR rA(AHr) = VR..P.Cp.P.dT(t) dt Luego: Vr = volumen del reactor M qM+ A qA(t) = P qP(t) Balance en el estado estacionario: qM M CpM TM + qAss i Cpi Ti - qPss P CpPTss - UA(Tss Tcss ) - VR rAss(AHr) =0 Definiendo las variables de Desviacin: QA(t) qAss== QA(t) T(t) Tss =T(t) Tc(t) Tcss =TC(t) La expresin de la cte de Velocidad como variable de desviacin : k(Tss) E . T R(Tss)2 Reordenando y Linearizando los trminos correspondientes tenemos: ()() ()() () ()

()() () (()()) () ()

Luego: ()() t()

() PRODUCCIN DE RESINAL ACRLICAS CON REACTORES BATCH UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Ingeniera Qumica y Textil25 Aplicando la transformada de Laplace: () ()t

()t () Luego definimos: C1 =VR . (AHr) . (Ci)0.5 . CiL . k(Tss) E ; R(Tss)2 B = (iCpiTi - i CpP Tss); s K/m3 (P CpP qiss+UA + Ci)

D= UA; sin unidades (P CpP qiss+UA + Ci) t1= VRPCpP ; tiempo (i CpP qiss+UA + Ci) Realizando el balance en laChaqueta Por la chaqueta pasa vapor de agua por ende todas laspropiedades estn referidas al agua y sin subndice: Balance Dinmico q(t) Cp

TS+ UA(T(t) TC(t) ) q(t) Cp

TC(t) = Vj Cp dTC

dt Vj = volumen de la chaqueta Balance Estado Estacionario q(t) Cp

TS+ UA(T(t) Tc(t) ) q(t) Cp

TC(t) =0 Definiendo la variable de desviacin: q(t) q= Q(t) ( Cp

TS(ss)- Cp TC(ss)) Q(t)+UAT(t) = Vj Cp dTC (t) + ( UA +qss Cp

) TC(t) dt Ordenado y aplicando la transformado de la Laplace: PRODUCCIN DE RESINAL ACRLICAS CON REACTORES BATCH UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Ingeniera Qumica y Textil26 TC(s)=EQ (s)+F T(s) .......................(IV) (t2S +1) (t2S +1) Luego: ( () ())

() t

()() AhoraReemplazando IV enII : T(s)= B(t2S +1)Q1 (s) + D.E Q

(s)

(t1S +1) (t2S +1)- C3C5 (t1S +1) (t2S +1)- C3C5 Finalmente Mostrando el diagrama de Bloques del Proceso: Simplificando el diagrama de bloques obtenemos:12+ sEt 12+ sFt11+ sBt 11+ sDt Q(s) Tc(s) Qi(s) T(s) PRODUCCIN DE RESINAL ACRLICAS CON REACTORES BATCH UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Ingeniera Qumica y Textil27 FUNCIN DELA VLVULA LINEAL ) 1 ( +=sKvGvtt = 2seg =2/60 minutos Donde:16 . 00 1000 16== Kv 1 216 . 0+=sGv TRANSMISOR- SENSOR Termocupla tipo T , rango : 250-400 C Tensin : -6.181-20.873 mV DIAGRAMAS DE BLOQUES PARA EL CONTROL DE LA TEMPERATURA F D s ss B + ++) 1 )( 1 () 1 (2 12t tt F D s sE D + +) 1 )( 1 (2 1t t Q(s) Qi(s) T(s) PRODUCCIN DE RESINAL ACRLICAS CON REACTORES BATCH UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Ingeniera Qumica y Textil28 -Isobutyronitrile es un iniciador. -Methyl methacrylate es el monmero. - + Gc(s) Gm(s) Gv(s) ( ) 0 02 2002. . . . . . . ... . . . ..2 . . .2A A p BA p Apw pwH k V C MV CT sU AMV CC s U AU AmC s CC+| | | | +| | |+ + ||\ . \ .C(s) CA(s) Diagramas de Bloques del Sistema de Control Tb(s) ( )( )00 0 0..*. 2. . . . 2. . . . . . . .2pw C Dpw pw A A p BC T TU AU AmC s CC H k V C MV CT s| |+ + + |\ .