UNIVERSIDAD AUTONOMA METROPOLITANA

UNIDAD IZTAPALAPA

DIVISION DE CIENCIAS BASICAS E INGENIERIA

DEPARTAMENTO DE I.P.H.

SECADO DE NYLON 6

LICENCIATURA EN INGENIERIA QUIMICA

TESIS QUE PRESENTAN LOS ALUMNOS:

FUENTES ROMERO SABINAMATRICULA: 92222312

HERNANDEZ CATALAN FABIOLAMATRICULA: 93220941

SUASTE CERVANTES JOSÉ LUISMATRICULA: 93221922

ASESOR:M.C. ANGEL ESCOBAR

MARZO DEL 2003

1

INDICE Página

Resumen.............................................................................. 3

Objetivos .. 3

1 Introducción .. 4

1.1 Aplicaciones del nylon 6 . 4

1.2 Principales consumidores. 4

1.3 Volumen actual y potencial. . 5

1.4 Materia prima para la obtención del nylon 6. .. 5

1.5 Reacción de polimerización. 9

1.6 Obtención de nylon 6. .. 9

1.7 Propiedades y características del nylon 6..................... 14

1.8 Proceso de obtención del nylon 6................................. 16

2 Resultados experimentales .. 18

3 Descripción general del proceso ................................... 28

4 Análisis económico ................................................ 31

4.1 Mercado Internacional................................................... 31

4.2 Mercado nacional.......................................................... 32

4.3 Capacidad de la planta 39

5. Balances de masa del proceso . 41

6. Cotizaciones 43

2

7. Diseño de equipos . 47

8. Evaluación económica del proyecto .. 50

9. Conclusiones 54

10. Apéndice A................................................................ 56

11. Apéndice B .57

12. Apéndice C 58

13. Apéndice D 59

14. Bibliografía 61

3

RESUMEN

El siguiente trabajo tiene como objetivo la presentación de un proceso alternativode secado en la industria del nylon, utilizando un secador de lecho fluidizado, enlugar de un secador de lecho fijo que es el que se utiliza actualmente en losprocesos industriales. Se describirá de una forma mas o menos detallada, lasetapas y componentes necesarios para la producción del polímero Nylon-6.

También contiene un análisis de mercado de Nylon 6, en la República Mexicana,así como un breve panorama mundial, esto es con la finalidad de saber como estáel entorno económico de nylon 6; así mismo contendrá información experimentalsobre el proceso de secado en lecho fluidizado, con la finalidad de conservar laspropiedades y características del producto final, (Textiles o productos moldeados) yobtenerlo con mejor calidad.

OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL:

• Diseñar planta procesadora de nylon 6 con énfasis en el proceso de secado• Estudio de proceso alternativo de secado de nylon 6 evaluando los aspectos

técnicos y económicos de un secador de lecho fluidizado

OBJETIVOS DEL PROYECTO:

Diseño del secador de lecho fluidizado

Diseño de la planta procesadora de nylon 6

JUSTIFICACIÓN:

Como el nylon 6 absorbe rápidamente humedad del ambiente, es necesariosecarlo ya que la presencia de agua por arriba de 0.02% provoca el rompimientopor hidrólisis del polímero en estado fundido. Este rompimiento hidrolítico provocala disminución de las propiedades mecánicas del nylon 6.

En la industria el nylon 6 se seca usando lechos fijos; sin embargo estesistema de secado implica altos costos de energía. Se propone como procesoalternativo el secado mediante lecho fluidizado, el cual se espera, permitirá reducirlos costos.

4

1 INTRODUCCIÓN.

1.1 APLICACIONES DE NYLON 6

El nylon 6 es apropiado para la fabricación de piezas técnicas que soportangrandes esfuerzos gracias a sus propiedades térmicas. Pueden ser empleados enla fabricación de aparatos eléctricos que se someten a esfuerzos y temperaturaselevadas por periodos prolongados de tiempo.

Tiene aplicación en los siguientes sectores:

• Consumo

- Ruedas- Cerdas para cepillo- Cuerdas, mono filamentos y redes- Suelas de Zapato

1.2 Principales consumidores.

El 99% de la producción de nylon 6 en México es en forma de fibras, tanto nylontextil como filamentos industriales, el 1 % restante es moldeado para producirfiguras diversas. Algunas compañías que compran nylon 6 se presentan a continuación:

Termotran S.A. Querétaro. Fabricantes de equipos industriales

Textiles Santa Fe S.A de C. V. Querétaro Fabricantes de hilados y tejidos

Textiles Romatex Estado de México

Chenson nylon de México Estado de México

Kodiak Manufacturera textil S.A. de C. V. Querétaro

5

1.3 VOLUMEN ACTUAL Y POTENCIAL

Clase defibra

Producción(Toneladas)

Consumo nacional (Toneladas)

Nylonfilamentotextil

33,954 28,990

Nylon fibraCorta

0 2,154

Total nylonTextil

33,954 31,144

Nylonfilamentoindustrial

29,890 26,186

Total fibrasde nylon

63,844 57,330

1.3 MATERIA PRIMA PARA LA OBTENCIÓN DE NYLON 6Las Políamidas pertenecen a la familia de los termoplásticos.La poliamida 6 (Nylon 6) y la poliamida 6/6 son las más comerciales, estas sé

Clasifican de acuerdo a :

• Estructura Química• Contenido de monómeros.

El benceno que es el punto de partida para la obtención de las materiasprimas involucradas en la fabricación de Poliamidas. Las materias primasderivadas del benceno son:

v ε-Caprolactama

v Hexametilendiamina

v Acido Adípico

Estos compuestos se obtienen respectivamente de:v Adición de ácido a la ciclohexanona oxima

v Hidrogenación de adiponitrilo

v Adición de NHO3 a ciclohexanol

6

La secuencia de obtención de estos materiales se muestra en la figura 1

Figura 1.1 Diagrama de obtención de Caprolactama

En este caso la materia prima de interés es el ε-Caprolactama, que es la materiaprima de donde se obtiene el Nylon 6. La ε-Caprolactama se obtiene a partir de laCiclohexanona oxima.

7

La estructura de ε-Caprolactama en forma condensada es la siguiente:

Figura 1.2 Estructura de ε-caprolactama

Sus propiedades son las siguientes:PM (g/mol) 113.16TFUS(ºC) 69.2Teb(ºC) a 101.3kpa 6.7kpa 1.3kPa 0.4kPa

268.5174134111

Tburbuja(ºC) 139.5Tignicion(ºC) 375.0Densidad(Kg/L) a: 120 ºC 100 ºC 80 ºC

0.98291.01351.0135

Calor especifico (KJ/Kg K) a: 150 ºC 80 ºC

2.3452.135

Calor de Fusión (KJ/Kg) 123.5Calor de vaporización (KJ/Kg) a: 268 ºC 168 ºC 105 ºC

481574628

Calor de policondensación (KJ/Kg) 138Limite inferior y superior deexplosión (en el aire).

a 135ºC 1.4%vol180ºC 8%vol

Viscosidad (mPa*s) a: 120 ºC 100 ºC 80 ºC

2.934.878.82

8

♦ Se presentan en copos sólidos ó líquidos blancos♦ Es soluble en agua, Disolventes clorados, destilados del petróleo y ciclohexano.♦ Es irritante para las membranas mucosas.

9

1.5 REACCIÓN DE POLIMERIZACIÓN

Como se puede observar en la figura 1.3, el nylon 6 es muy parecido al nylon 6,6.

Figura1.3 Estructura de nylon 6 y nylon 6/6.

Sin embargo, sintetizar nylon 6 es completamente diferente a sintetizar nylon 6,6.En primer lugar el nylon 6 se obtiene a partir de una sola clase de monómero,llamado caprolactama. En cambio el nylon 6,6 se sintetiza a partir de dosmonómeros, el cloruro de adipoilo y la hexametilendiamina. Sus estructuras semuestran en la figura 1.4.

Figura 1.4 Estructuras de las materia primas utilizadas para la obtención del nylon 6y nylon 6/6

1.6 OBTENCIÓN DEL NYLON 6

Concentrémonos en cómo transformar caprolactama en nylon 6. El nylon 6 se obtiene calentando caprolactama a unos 250 oC en presencia de

10

un 5-10% de agua, como se observa en la figura 1.5.

Figura 1.5 Primera fase de la transformación de la Caprolactama

El oxígeno del carbonilo dona un par de electrones al átomo de hidrógeno del agua,robándole ese hidrógeno al agua. Esto conduce a un carbonilo protonado y a ungrupo hidroxilo libre. Pero primero, recordemos que el oxígeno del carbonilo ahoratiene una carga positiva. Al oxígeno no le gusta esto, de modo que toma un par deelectrones del doble enlace del carbonilo, dejando la carga positiva sobre el átomode carbono del carbonilo. ver figura 1.6.

Figura 1.6 Segundo paso de la transformación de la caprolactama a nylon 6

La molécula que se forma ahora es un gem diol inestable. Es decir que acontinuación se produce un reordenamiento de electrones. El átomo de

11

nitrógeno, dona un par de electrones a un átomo de hidrógeno de uno de losgrupos hidroxilo tomándolo para sí. Los electrones que compartía el hidrógeno consu oxígeno, pasan a formar un doble enlace entre el oxígeno y el átomo decarbono. Y por último, los electrones compartidos por el carbono y el nitrógeno semudan hacia el nitrógeno, rompiendo el enlace carbono-nitrógeno (ver figura 1.7).

Figura 1.7 Ruptura del anillo de caprolactama

El anillo se rompió y no hay más caprolactama, ahora nos quedamos con unaminoácido lineal. Ese aminoácido lineal puede reaccionar con otra molécula de caprolactama, deforma muy parecida a como hizo el agua. El oxígeno del carbonilo dona un par deelectrones a ese hidrógeno, separándolo del aminoácido.

Figura 1.8 Formación de la cadena polimérica

Tal como se esperaba, los electrones se reordenan para formar el carbocatión,igual que antes:

12

Figura 1.9 Donación del aminoácido lineal del grupo amonio

Este carbocatión es una invitación abierta a cualquier nucleófilo que se encuentrecerca, pero esta vez, existe un nuevo nucleófilo. Es el aminoácido que acaba deperder su hidrógeno ácidoEsto nos da un derivado de amonio y éste en particular es sumamente inestable, elnitrógeno del anillo toma un hidrógeno del nitrógeno del amonio. Además, el enlaceentre el carbono y el nitrógeno se rompe, abriendo el anillo. Y así se termina otramolécula de caprolactama.

13

Figura 1.10 El oxigeno del caboxilato abstrae el hidrógeno del alcohol

Ese grupo carboxilato en el extremo de la molécula roba el hidrógeno del alcohol.Esto origina un nuevo grupo carbonilo en la mitad de la molécula y regenera elácido carboxílico. ( no se sabe exactamente el orden de los dos últimos pasos.Podrían ocurrir en sentido inverso. Sólo sabemos que los dos ocurren antes de quetermine todo.) Ésta es una polimerización por crecimiento de cadena.Ahora que tenemos otra vez el ácido, es seguro que reaccionará con otra moléculade caprolactama, y luego con otra y otra, hasta que obtengamos largas cadenas denylon 6.

14

1.7 PROCESOS PARA LA PRODUCCION DE NYLON 6

Las lactamas reaccionan en presencia de agua o ácidos acuosos parafabricar poliamidas. También es posible su fabricación en ausencia de agua, porpolimerización iónica con catalizadores del tipo ácido (cationica) o base (aniónica). Actualmente se fabrica por polimerización hidrolítica en un proceso continuoy en polimerización aniónica en un proceso discontinuo

1 Polimerización Hidrolitica:

Este proceso se inicia con la hidrólisis de la caprolactama, formando el ácidoamino caproico, el cual reacciona con más caprolactama. La polimerización ocurrepor reacciones de condensación, en las cuales dos moléculas de ácidoaminocaproico reaccionan formando una cadena de mayor tamaño mas agua. Eltamaño de la cadena o peso molecular del polímero final se controla agregandoagentes de terminación. Uno de los más usados es el ácido acético, aunque sepuede usar el ácido benzoico o bien monoamidas. Estos reaccionan con los gruposterminales hidroxilo o amino del polímero.

En la practica las reacciones de iniciación, adición, condensación yterminación ocurren simultáneamente y el resultado es un equilibrio entre elpolímero de Nylon 6 con aproximadamente 10% de compuestos de bajo pesomolecular (oligómeros), y el mismo monómero, los cuales deben eliminarse en lasección de purificación.

Las ventajas más sobresalientes de este proceso son:

a) Fácil controlb) Apropiado para trabajar a gran escala.c) Se logra una alta conversión

2 Proceso aniónico o catalizado por una base (Anhidro)

En contraste con la polimerización catalizada por agua, la polimerizaciónaniónica se lleva a cabo en condiciones anhidras. La reacción se conducegeneralmente a temperaturas que van de 69ºC (Tfus de caprolactama ) hasta los215 ºC (aproximadamente la Tfus de Nylon 6 ). El catalizador es lactamato depotasio, aunque deben utilizarse otros compuestos básicos. Las polimerizacionesaniónicas son especialmente sensibles al agua, la cual en varios casos ataca alcatalizador y afecta la velocidad de reacción y el grado de polimerización. Lostiempos de polimerización son mas bajos que los utilizados en el procesocatalizado por agua (de minutos y horas para el aniónico, contra cerca de 15 horaspara el hidrolítico).

Las principales ventajas del proceso aniónico son: que además de poderutilizar equipo simple a pequeña escala, el polímero obtenido puede utilizar equipode procesamiento económico. Cualquiera de los dos procesos pueden trabajar

15

en forma continua o por lotes, aunque la polimerización aniónica resulta masadecuado para el trabajo por lotes. Pueden usarse ambos para producir elpolímero en grado fibra.

A escala comercial el proceso que ha obtenido mayor aceptación es elcatalizado por agua, debido en gran parte a la facilidad de control y lo económicode una de las materias primas.

En la producción de nylon 6, se llevan a cabo tres reacciones principales:

La ruptura del anillo de la ε -caprolactama en presencia de agua (hidrólisis), lo cualresulta en la formación del ácido aminocaproico:

NH2(CH2)5CO + H2O NH2(CH2)5COOH .(1)

Esta es la primera de las reacciones y la más importante para que ocurra lapolimerización.

Subsecuentemente la polimerización procede por la policondensación delamino ácido

NH2(CH2)5COOH + NH2(CH2)5COOH NH2---------COOH + H2 .(2)

S1 S1 S2

Y en general

NH2---------COOH + NH2---------COOH NH2---------COOH + H2 .(2a)

Sn Sm Sn+m

O por el mecanismo de poliadición.

Sn +CL Sn+1

16

1.8 DESCRIPCIÓN GENERAL DEL PROCESO:El proceso industrial se desarrolla en los 60 s, teniendo a lo largo de los añosmodificaciones que han permitido un mayor rendimiento.

La materia prima ε -caprolactama se recibe a una temperatura ligeramentesuperior a su temperatura de fusión y se alimenta por medio de bombasdosificadoras junto con el agua (catalizador), el ácido acético o benzoico(agente determinación o control de tamaño de la cadena(estabilizador)) y el deslustrante alreactor de polimerización , el cual es conocido como tubo VK (vereinfachtKontinuierlich = continuo simplificado) , es esencialmente un cilindro en posiciónvertical que tiene una altura de 8-10 metros, el diámetro depende de la rapidez dela producción, provisto de una chaqueta de calentamiento(puede estar dividido entres partes que delimitan las zonas del reactor); el interior del reactor cuenta conuna serie de fluxes a través de los cuales va pasando la mezcla reactiva a lolargo de todo el tubo, permitiendo homogeneidad en la mezcla, la temperatura de lamezcla reactiva se debe mantener entre los 250 270 ºC usando como medio decalentamiento un aceite térmico; en la parte alta del tubo se alimenta N2 para evitarla oxidación de la mezcla; cuenta con una pequeña columna empacada quepermite recircular el caprolactama que ha sido evaporada, cierta cantidad de aguanecesaria para la reacción y en ocasiones el estabilizador. La remoción de unaporción del agua es necesaria para obtener productos de alta calidad. Dependiendode las dimensiones del reactor , la mezcla durará en el interior de éste un tiempoentre 15-22hr, la mezcla tiene una velocidad muy baja. En el fondo del reactor setiene una bomba para transportar el polímero fundido en estado viscoso, se extruyeen forma de macarrón y después se peletiza en frió. Los pelets son sometidos auna eliminación de monómero residual a través de una vaporización, para queposteriormente pase al almacén. En el siguiente diagrama se muestra laobtención de Nylon 6

El proceso de producción de nylon 6 se puede observar con mas detalle en lasiguiente figura, este es un proceso continuo, la viscosidad del fundido llega a unos100 Pa.s . El monómero sin reaccionar se elimina y recupera en un evaporador depelícula descendente a una temperatura de 260 a 280°C y a una presión absolutade 0.001 atm.

La figura representa el proceso que se lleva a cabo en la planta productora denylon-6.

2. RESULTADOS EXPERIMENTALES DEL PROCESO DE SECADO.

OBJETIVOS:El objetivo es determinar el tiempo necesario de secado de nylon-6 mediante elproceso de lecho fluidizado, encontrar el tiempo de secado para lasespecificaciones del producto, así como las condiciones optimas en las cuales selleva acabo el secado.

VELOCIDAD MINIMA DE FLUIDIZACIÓNEs necesario calcular la velocidad mínima de fluidización ya que esto nos garantizaque las partículas están fluidizadas.

VELOCIDAD Vs CAIDA DE PRESIÓN

0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2

VELOCIDAD DEL AIRE(M/S)

CA

IDA

DA

DE

PRES

IÓN

(atm

)

Serie1Serie2

SERIE 1 = IDASERIE 2 = REGRESOFigura 2.1 Grafica que permite determinar la velocidad mínima de fluidización para unacarga de 400 g a 80°C Y 585 mm de Hg.

En la figura 2.1 se muestra la velocidad exacta donde las partículas denylon 6 empiezan a fluidizar, este punto es 1.04 m/s; es donde seinterceptan las curvas y gráficamente tienen la misma pendiente.

Al obtener esta velocidad mínima, aparte de asegurar que las partículasestén fluidizadas también podemos asegurarnos con base en ella que no segastara energía extra por tener un flujo excesivo de aire, pero se hacenecesario aumentarla un 25% y esta es la velocidad a la que fluidizamos ,es decir ya en términos de flujo volumétrico, de 12 pies cúbicos por minutoque se tenia en la velocidad mínima se trabajó en 15 pie³/min

19

Esto se hace por que mientras que con la velocidad mínima se garantiza quela partícula está fluidizada al aumentar un poco esta velocidad se tiene laseguridad de que todo el lecho este fluidizado.

DESARROLLO EXPERIMENTAL

-Secado por medio de lecho fijo

Se colocaron los pelets de nylon con 2.3 % de humedad, en la tolvasecadora, que se muestra en la figura 4.2, poniéndose a secar a lo largo de4 horas.

Después, se retira el nylon del secador y se procede a medir la humedadfinal de los pelets que fue de 1.35%.

Figura 4.2 Esquema de secado por lecho fijo

-Secado por medio de lecho fluidizado.

Al mismo tiempo y con las mismas condiciones de humedad relativa yhumedad del material, se puso a secar 0.5 Kg de nylon 6 en el secador delecho fluidizado como se muestra en la figura 2.3. Después de 4 horas, seretiro el nylon del secador y se determinó el porcentaje de humedad finaldando como resultado un 0.02%.

20

Figura 2.3 Esquema del lecho fluidizado probado experimentalmente.

CINÉTICA DE SECADO:

La curva de cinética de secado se hace con la finalidad de saber cómo seelimina la humedad del sólido con el tiempo y cuál es el periodo critico odecreciente de secado a ciertas condiciones de temperatura y humedadrelativa del aire.

La curva de cinética se obtuvo bajo las siguientes condiciones:

Carga de 0.5KgTemperatura del aire 80ºCHumedad relativa 50%Humedad inicial del sólido 2.3%Flujo de aire 15 ft3 /min

21

Secado de nylon-6 a 80ºC

0

0,5

1

1,5

2

2,5

0 100 200 300

tiempo (minutos)

Hum

edad

del

nyl

on 6

, % e

n pe

so

Secado en lecho fijo

Secado en lechofluidizado

Figura 2.4 Muestra como pierde humedad el nylon 6 en el tiempo, mediante un secador delecho fijo, y un secador de lecho fluidizado.

En la figura 2.4 podemos observar la diferencia de secado en un secador delecho fijo, y un secador de lecho fluidizado, para un mismo tiempo, de estamanera podemos darnos cuenta que el secado por lecho fluidizado nosproporciona una clara ventaja en tiempo de residencia del nylon por lo quela inversión en energía y equipo, queda saldado con una mayor masa denylon seco.

22

EXTRUSIÓNPara que el nylon-6 pueda ser extruido necesita cumplir algunasespecificaciones, la principal y la mas importante es el porcentaje de aguaque contiene el sólido al momento de ser extruido, así como rangos detemperatura al cual debe estar el extrusor, estos son los siguientes:

% de humedad máxima del nylon-6 0.2%

Las temperatura del extrusor son los siguientes:

T1 = 235

T1 = 230

T1 = 230

Se extruyó el nylon 6 con diferentes porcentajes de humedad, esto se hizocon la finalidad de conocer hasta qué porcentaje de humedad era posibleextruir; la extrusión se hizo a una velocidad de 40 rev/min.

Cuando el nylon 6 es extruido y contiene una cantidad mayor al 0.02% estegenera vapores de agua lo cual provoca una reacción hidrólitica que rompela cadena polimérica, provocando así una disminución en sus propiedadesfísicas y mecánicas.

El esquema de este procedimiento se muestra a continuación, en la figura4.5.

Figura 2.5 Esquema de extrusión del Nylon 6

23

% humedad vs Torque

10

20

30

40

0 1 2 3% de humedad

torq

ue (N

m)

Serie1

Figura2.6. Grafica que muestra como disminuye el torque del extrusor al aumentar el % dehumedad del nylon 6; con una velocidad del extrusor de 40 rev/min

24

En la figura 2.6 Se puede observar cómo disminuye el torque del extrusor,conforme se incrementa el % de humedad en el nylon. Se sabe que para poderprocesar el nylon este no debe exceder 0.02% de humedad.La disminución del torque nos da una idea de lo que esta pasando, pues al serfundido el nylon en el extrusor se genera vapor de agua, y entre mayor humedadtenga el material, la cantidad de vapor es mayor, esto trae como consecuencia queel nylon comience a reaccionar con el agua provocando una ruptura en la cadenapolimétrica esto provoca una disminución en el peso molecular y comoconsecuencia una disminución en la viscosidad del mismo, aunque no sabemoshasta qué grado esto pueda afectar las propiedades mecánicas, es un buenindicador que nos ayuda a entender por que el nylon 6 tiene que ser secado.

En la figura 2.6 podemos darnos cuenta que el torque para una muestratotalmente seca es aproximadamente de 29 Nm , pero si el material tiene unahumedad un poco mayor de aproximadamente 0.1%, se nota un decaimiento en el,y se mantiene constante y al pasar por una humedad mayor al 0.4% de se notaun decaimiento muy brusco.

CINÉTICA DE ABSORCIÓN DEL NYLON-6

Se sabe que el nylon 6 tiende a absorber agua rápidamente, se obtuvieron datosexperimentales a diferentes porcentajes de humedad relativa para conocer con querapidez absorbe agua el nylon-6 a diferentes humedades, esto ayudara a sabercuanto tiempo puede ser expuesto al ambiente sin que rebase el limite de humedadpermitido para poder ser extruido.

La cinética de adsorción de agua se hizo para diferentes humedades y atemperatura ambiente.

Los porcentajes de humedad relativa fueron los siguientes:

40%50%60%

El desarrollo experimental consistió en colocar en una caja hermética, unhigrómetro para medir el porcentaje de humedad relativa dentro de la caja; unrecipiente con agua, para aumentar la humedad; un recipiente con nylon 6perfectamente distribuido, para que capte la humedad y por ultimo, una balanzaanalítica para observar el porcentaje en peso de agua absorbida por el nylon 6. Este experimento se llevó a cabo en un tiempo predeterminado de 300 minutos.

El esquema de este desarrollo experimental se muestra en la siguiente figura:

25

Figura 2.7 Esquema del procedimiento para la humidificación del nylon 6.

Las curvas de cinética se muestran en la siguiente figura:

26

Cinetica de absorciòn de agua para nylon 6

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0 50 100 150 200 250 300 350

tiempo(minutos)

% p

eso

de a

gua

abso

rbid

a Serie1Serie2Serie3

SERIE 1 = 40% DE HUMEDAD RELATIVA SERIE 2 = 50 % DE HUMEDAD RELATIVA SERIE 3 = 60 % DE HUMEDAD RELATIVA

Figura 2.8La grafica muestra cómo a diferentes % de humedad relativa, el nylon 6 absorbediferentes cantidades de agua.

27

En la figura se puede ver la capacidad que tiene el nylon para absorber humedad.Esta grafica nos muestra como a diferentes % de humedad relativa el nylonabsorbe cierta cantidad de agua conforme pasa el tiempo, y nos orienta acerca dela cantidad que puede absorber durante la manipulación del material si se tiene unporcentaje de humedad relativa en el ambiente.

También podemos observar cómo a mayor % de humedad el nylon 6 tiende aabsorber una mayor cantidad de agua en menos tiempo, por lo que podemosconcluir que el % de humedad relativa en el ambiente es un factor importante parael manejo del material.

28

3 PROPIEDADES Y CARACTERÍSTICAS DE NYLON 6

PROPIEDADES

HOJA DE SEGURIDAD

ESTE DOCUMENTO CONTIENE IMPORTANTE INFORMACIÓNDE SALUD YSEGURIDAD ACERCA DE LA CAPROLACTAMA Y EL NYLON 6DEBE LEERSE ANTES DE QUE LA SUSTANCIA SEA USADA

1.Composición - información sobre los ingredientes

Composición: caprolactama• Fórmula química: HO -[CO-(CH2)5-NH]n -H• Ingredientes:Nombre de la sustancia :Caprolactama

2. Medidas a tomar en caso de vertido accidental de caprolactama.

• Usar respirador para vapores orgánicos, gafas tipo gogles, botas de caucho y guantes decaucho para trabajo pesado.• Recoger en bolsas para desecho, evitando que se levante polvo. Ventilar el área y lavar elsitio después de que se ha recogido el material completamente.

3. Manipulación y almacenamiento de caprolactama.

• AlmacenamientoPrevenga movimientos accidentales de las estibasSe debe almacenar en un lugar seco, fresco y protegido del sol.Requiere sistema de ventilación.

4. Controles de exposición de caprolactama - Protección personal

• Es recomendable usar respirador para vapores orgánicos, gafas tipo goggles, botas de cauchoy guantes de caucho para trabajo pesado.

5. Información toxicológica de caprolactama..

• Oral rat. LD 50: 3200 mg/kg, Inhalation LC 50: 11 mg/m3/30m.

29

6.Identificación de la sustancia

• Nombre comercial del producto: Resina de Nylon6

• Nombre químico: Nylon 6

• Familia Química: Poliamidas

7. Identificación de peligros

• Peligros físicos: No peligroso• Peligros a la salud En caso de sobrexposición, puede ser dañino por contactodirecto con la piel cuando se encuentra fundido. Puede causar irritación y quemaduras en lapiel.

8. Primeros auxilios

Por contacto con polímero fundido:Si hay quemaduras, enfríe el material fundido adherido a la piel tan rápido como sea posible con aguafría y acuda a un doctor para remover el polímero adherido.

9. Medidas de lucha contra incendios.

Medios de extinción adecuados: Agua, polvo químico seco y CO2.•Exposición especial al peligro:Use equipos de aire autocontenido para proteger de inhalación de humo.

10. Propiedades físicas y químicas

• Gravedad especifica: 1.13•Punto de fusión (°C):220

•Otras características:

11. Informaciones ecológicas.

• Biodegradabilidad: No es biodegradable..12. Consideraciones relativas a la eliminación..

•Reciclabilidad: Es reciclable.

13. Información para el transporte

• No clasificado como peligroso.

14. Información reglamentaria.

• No está clasificado como peligroso con la información disponible

15. Estabilidad y reactividad.

Es estable bajo condiciones normales.

30

Las propiedades de Nylon6 son las siguientes:

Tabla 3.1 Algunas propiedades del nylon 6

PROPIEDAD VALORDensidad 1.13g/cmResistencia a la tensión(húmedo)

50Mpa

Resistencia a la tensión(seco)

80 MPa

Modulo de tensión (húmedo) 1500MpaModulo de tensión (seco) 3000MpaViscosidad 2 Kg/m sPeso molecular (monómero) 113g/g-molPeso molecular (polímetro) 22,600g/g-molRango de T de fusión 270-290°CRango de T de moldeo 40-60 °CRango de abs. de humedad 3-9 %

Características

• Cristalinidad del 60%• Se caracteriza por su excelente tenacidad, bajo coeficiente de fricción• Alta resistencia a la abrasión• Se debe tener en cuenta que absorben y desprenden humedad lo que implica

una alteración en sus propiedades.• El uso de plastificantes reduce el esfuerzo a la tensión y rigidez pero incrementa

el porcentaje de elongación y la resistencia al impacto en un 200%• Puede reforzarse en porcentajes de 10 a 40% con fibra de vidrio permitiendo

que incremente sus propiedades mecánicas y disminuya la capacidad deabsorción de humedad

Otras características importantes son:• Alta rigidez y dureza• Buena resistencia al impacto• Gran capacidad de resistir cargas dinámicas• Amortiguación de ruido y vibraciones• Resistencia a la abrasión y desgaste• Buenas propiedades de deslizamientos• Tiempo de secado 4-5 hrs• Temperatura de secado aproximada 75-80 ºC• Buena estabilidad a productos químicos:

- Solventes aromáticos- Hidrocarburos en general.

4. ANALISIS ECONOMICO

El Nylon 6 tiene un costo que por muchos años se ha mantenido medianamenteconstante (entre 1 y 2 dólares la libra,), como se muestra en la figura 3.1,actualmente el nylon cuesta 1.24 dólares por libra.

HISTORIA EN EL PRECIO DE NYLON6

11.11.21.31.41.51.61.7

1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002

DO

LARE

S ($

)

Figura 4.1 Muestra el costo del nylon 6 (en dólares) desde 1991 hasta el 2000.

4.1 MERCADO INTERNACIONAL

Para poder tener un panorama mundial se hizo un estudio sobre laproducción de nylon 6 en Europa, Estados Unidos así como los principales paísesque producen nylon en América.las principales empresas productoras de nylon en el mundo son:

31

32

Tabla 4.1Tabla que muestra las principales industrias productoras de nylon del mundo

La producción de nylon ha ido en aumento a nivel mundial por lo que algunascompañías han pensado en la posibilidad de reciclar el Nylon, en Estados Unidosexiste una producción aproximada de 90,000 toneladas de Nylon, el aumento denylon en USA es de 450.000 toneladas por año.Si el nylon se reciclara podrían ahorrarse 700,000 barriles de petróleo cada año.

4.2 MERCADO NACIONALLa materia prima para la producción de Nylon 6 es la ε-Caprolactama, de la cualpodemos decir que en 1999 UNIVEX, la compañía que en México produce ε-Caprolactama produjo aproximadamente 80, 000 toneladas y como la producciónde nylon va en aumento, también su materia prima tiende a subir.

El 99% de la producción de nylon en México es en forma de fibras, tanto nylontextil como filamentos industriales, el 1 % restante es moldeado para producirfiguras diversas.

A continuación se presenta una tabla con la producción total (en México) defibras de nylon (en toneladas) en 1999:

33

Tabla4.2 Muestra la Producción de fibras de nylonClase defibra

Producción Importación Exportación Consumonacional

Capacidadinstalada

Nylonfilamentotextil

33,954 4,526 9,490 28,990 38,180

Nylon fibraCorta

0 2,154 0 2,154 0

Total nylonTextil

33,954 6,680 9,490 31,144 38,180

Nylonfilamentoindustrial

29,890 3,112 6,816 26,186 31,320

Total fibrasde nylon

63,844 9,792 16,306 57,330 69,500

La mayor producción de nylon 6 es como filamento textil, que, como se puedeobservar en la siguiente figura su producción sigue en aumento a pesar de que suconsumo aparente no aumente en la misma proporción.

34

NYLON FILAMENTO TEXTIL

20

25

30

35

1994 1996 1998AÑOS

MIL

ES D

E TO

NEL

AD

AS

Serie1Serie2

Serie 1 = Producción Serie 2 = Consumo aparenteFigura4.2 Muestra la producción y consumo aparente del nylon filamento textil

El nylon filamento textil, comparte el mercado del vestido estrechamente con elfilamento textil de poliéster. Entre sus usos principales se encuentra la fabricaciónde medias, lencería, calcetines y ropa deportiva. El mercado de exportación de esteproducto está integrado por E.U.A., El Salvador, Brasil, Perú y Colombia. En la producción de nylon filamento industrial se puede observar en la siguientefigura, que tanto la producción como el consumo aparente están aumentando deforma paralela en los últimos años.

35

NYLON FILAMENTO INDUSTRIAL

10

15

20

25

30

1994 1995 1996 1997 1998 1999AÑO

MIL

ES D

E TO

NEL

AD

AS

Serie1Serie2

Serie 1 = producción Serie 2 = Consumo aparenteFigura4.3 Muestra la producción y consumo aparente del nylon filamento industrial

Para el filamento industrial , sus usos generales están en la industria pesquera yllantera, en la fabricación de lonas, lonetas, y maletas y maletines actualmente,esta fibra se exporta a Estados Unidos , Perú y Brasil.

La producción de nylon fibra corta en México, ha disminuido hasta cero, esto sedebe a que es tan poca la demanda que es preferible importar de Estados Unidos yAlemania lo poco que se necesita de este material, en la siguiente figura sepresenta la producción y consumo aparente de nylon fibra corta en los últimosaños.

36

NYLON FIBRA CORTA

00.5

11.5

22.5

3

1994 1996 1998AÑO

MIL

ES D

E TO

NEL

ADAS

Serie1Serie2

Serie 1 = Producción Serie 2 = Consumo aparente.Figura4.4 Muestra la producción y consumo aparente de Nylon fibra corta

Para que se pueda instalar una planta productora de nylon 6 es necesario tenerconocimiento de que las principales empresas que venden nylon 6 en México son:

Fibras químicas S.A Monterrey N. L.

Fibras Sintéticas S.A de C.V México, D.F.

Kimex S.A. de C.V. Estado de México.

Nylon de México S.A. Monterrey N.L.

De todas estas compañías podemos decir que la principal forma de venderel nylon 6, es como un producto para producir textiles, pero también lo vendencomo Nylon Industrial, para que otras compañías, lo compren y generen productosterminados basados en él.

Los principales países a los que México exporta nylon a parecen en la tablaque se muestra a continuación.

37

TABLA 4.2 .- Muestra las exportaciones totales de nylon en México ( hasta el .31/03/00) Los valores están en dólares y volumen en Kg.

1998 1999 2000

País Valor Volumen

Valor Volumen Valor Volumen

ALEMANIA 200 200 5980 2258

ARGENTINA 66634 36170 225 25

BRASIL 1900 2000 5700 6000

CAIMANCANADA 4191 2074 19823 19823

CHILE 50 50

COLOMBIA 88304 232119 111452 228381 43826 79183

ECUADOR 103950 495000

SALVADOR 2118 416

ESPAÑA 9 50

E.U.A 5716777 294380 2142698 939590 893375 307977

FRANCIA 1575 500

GUATEMALA 7 6

ITALIA 43425 120189 21362 59339

NICARAGUA 3 1

PAISES BAJOS 5180 3041

PANAMAPERU 46200 44800 19600 19600

PUERTO RICO 18010 33564

G. BRETAÑA EIRLANDA

5952 3000

TAIWAN 3240 5000

VENEZUELA 50 8

ISLASVÍRGENES

25444 82078

Total: 23 6065000 3368000 2349977 1337424 982283 486070

38

Algunas compañías que compran nylon 6 se presentan a continuación:

Termotran S.A. Querétaro. Fabricantes de equipos industriales

Textiles Santa Fe S.A de C. V. Querétaro Fabricantes de hilados y tejidos

Textiles Romatex Estado de México

Chenson nylon de México Estado de México

Kodiak Manufacturera textil S.A. de C. V. Querétaro

39

4.3. CAPACIDAD DE LA PLANTA

En la actualidad se tiene una industria química en expansión, lo cual implicaapertura de oportunidad de mercado para nuevos productos, o bien algunos yaexistentes con mejoras demandadas por el mismo consumidor; todos re quieren unproducto que en sus características mas importantes tengan la mayor calidadposible. Por esto, día a día, el industrial necesita realizar un proyecto de mejora oexpansión en su producción, para satisfacer lo que el cliente demanda, ofreciendouna nueva gama de productos a este, con mayor funcionalidad.

La importancia que para industriales de las fibras sintéticas, de uso textil, tiene lacalidad de su producto, es sumamente vital.

En México la industria Textil necesita una producción de nylon 6aproximadamente de 30,000 ton/año, nosotros queremos satisfacer el 20% de estemercado, es decir, producir 6570 ton/año, para que se pueda satisfacer estademanda.

4.3.1LOCALIZACIÓN DE LA PLANTA

El principal productor de caprolactama es la compañía UNIVEX, la cual seencuentra ubicada en Salamanca, Guanajuato. Esta compañía seria el principalproveedor de materia prima, es por esta razón y por que se necesita descentralizara la industria de la zona metropolitana, que se nos obliga a considerar otro sitio dela Republica Mexicana , por lo que se eligió Querétaro, que cuenta con variosparques industriales, además, como Querétaro tiene un clima muy seco es idealpara secar nuestro producto.

Querétaro es un lugar accesible en cuanto a vías de comunicación, lo cual es unfactor importante para el traslado de caprolactama, así como el posterior trasladode nylon a las distintas compañías a donde se va a vender. El nylon se puedetransportar en camiones ya que por ser un producto sólido y muy resistente, nogenera mayores conflictos en su traslado.

Con esta elección se beneficia a las comunidades colindantes que ofrecen manode obra calificada cercana, así como todos los servicios mostrados en la siguientetabla, para la operación de la planta

Se ha decidido ubicar la planta en el parque industrial Benito Juárez. Es unparque administrado por el municipio de Querétaro, el cual esta en la carreteraMéxico-San luis Potosí, en el Km. 229.

40

Tabla 4.3 Servicios con los que cuenta el parque industrial Benito Juárez.

Zona económica Parque industrial Benito JuárezÁrea (m²) 28363448

Capacidad de voltaje (KW) 13200Drenaje Si

Alumbrado SiLíneas telefónicas Si

Agua potable SiGas Si

Guarniciones Si

5 BALANCE DE MASA DEL PROCESO

En la figura 1.11 se muestran los distintos flujos que a continuación se observancon el balance de masa.

TABLA 5.1 Se muestran las corrientes que contiene el proceso de nylon 6

41

SUSTANCIAS

FUJO1

(KG/H)

FLUJO2

(KG/H)

FLUJO3

(KG/H)

FLUJO4

(KG/H)

FLUJO5

(KG/H)

FLUJO6

(KG/H)

FLUJO7

(KG/H)

FLUJO8

(KG/H)

FLUJO9

(KG/H)

CAPROLACTAM

A

1107 1107 1107 1107 X 166.5 166.5 X X

AGUAX 110.7 110.7 110.7 98.96 10.99 8.78 2.214 X

NITROGENO

X X X 6.088 6.088 X X X X

NYLON-6

X X X X X 853.69 X 853.069 853.069

OLIGOMERO

CICLICO

X XX X X X 44.315 44.31 X X

OLIGOMERO

LINEAL

X X X X X 44.315 44.31 X X

BALANCE DE MATERIA PARA EL SECADOR

G(Y2 Y1 ) = M(X2 X1) Para una humedad relativa de 50% con una temperaturade 25°C tenemos la siguiente relación:

0.011Kg de agua/ Kg de aire seco

el tiempo de secado es de 4h

El flujo volumétrico en el secador es: Q=.881m3/sEl flujo másico en el secador es de m= 2.27Kg/sEl balance de masa global es el siguiente:

G =masa total de la mezcla(aire-agua) =32794kgY2 =la humedad con la que entra el aire=0.0109

Y1=la humedad con la que sale =0.0119 M =la masa del solido húmedo =1500KgX2 =la humedad con la que sale el solido=0.002X1 =la humedad con la que entra el solido=0.02

tabla 5.2 muestra la entrada y salida de nylon 6 y del flujo de aireMATERIAL ENTRADA (Kg) SALIDA (kg)

Aire seco 32433.7 32433.7Agua contenida en el aire 360.7 390.7Nylon seco 1467 1467Agua contenida en el nylon 33 3

42

43

6 COTIZACIONES

COTIZACIÓN DE LOS DOS REACTORES.

Se necesitará un reactor con las siguientes dimensiones:

D = 15 m L = 10 m

Usando la ecuación :

Cp v,s = Cpv,r *(Is/Ir) ..(7.1)

Y la figura 5-44b ( Recipientes de proceso vertical) Ulrich página 340. Material de construcción: Acero al carbón recubierto de acero inoxidable. CpCS (año 2000) = CpCS (año 1982) * (369.9/315)

25000*(1.174) = 29350

FBMCS = 9.8

Costo de un reactor en el año 2000 = 29350 * 9.8 = 287630 Dólares.

COTIZACIÓN DE LAS DOS VASIJAS FUNDIDORAS.

Se necesitará un fundidor con las siguientes dimensiones:

D = 1 m L = 1 m

Usando la ecuación 7.1

Y la figura 5-44b Ulrich página 340. Material de construcción: acero inoxidable.

CpCS (año 2000) = CpCS (año 1982) * (369.9/315)

3800*(1.174) = 4461.2

FBMCS = 9.8

Costo de un fundidor en el año 2000 = 4461.2 * 9.8 = 43720 Dólares.

44

COTIZACIÓN DE DOS TANQUES DE MEZCLADO CON AGITADOR.

Cada tanque de mezclado debe tener las siguientes dimensiones:

D = 1.5 m L = 2 m

Usando la ecuación 7.1 Y la figura 5-44b ( Recipientes de proceso vertical) Ulrich página 340. Material de construcción: acero inoxidable.

CpCS (año 2000) = CpCS (año 1982) * (369.9/315)

36000*(1.174) = 42264

FBMCS = 2.5

Costo de un tanque de mezclado en el año 2000 = 42264*2.5 = 105660 Dólares.

COTIZACIÓN DE DOS SECADORES

Cada secador debe tener las siguientes dimensiones:

D = 1 m L = 2.3 m

Material de construcción: Plástico Acrílico.

Costo de cada secador en el año 2000 = 4500 Dólares.

COTIZACIÓN DE LOS DOS COMPRESORES

Cada compresor debe tener las siguientes dimensiones:

D = 1 m L = 2.3 m

Material de construcción: acero inoxidable.El compresor tendrá un impulsor de potencia de 1000KW

Costo en el año 2000 = 450500 Dólares.

COTIZACIÓN DEL EXTRUSOR

El extrusor tiene la siguiente longitud:

L = 2 m

45

Usando la ecuación 7.1 Y la figura 5-46 Ulrich página 341. Material de construcción: recubierto de acero inoxidable.

CpCS (año 2000) = CpCS (año 1982) * (440.3/315)

900*(1.40) = 1260

FBMCS = 2.9

Costo del extrusor en el año 2000 = 1260*2.9 = 3654 Dólares.

COTIZACIÓN DEL PELETIZADOR.

El peletizador tiene la siguiente longitud:

L = 2 m

Usando la ecuación 7.1 Y la figura 5-46 Ulrich página 341. Material de construcción: acero inoxidable.

CpCS (año 2000) = CpCS (año 1982) * (440.3/315)

400*(1.40) = 560

FBMCS = 2.9

Costo del peletizador en el año 2000 = 560*2.9 = 1624 Dólares.

COTIZACIÓN DE LA CALDERA DE FLUJO TERMICO

Usando la ecuación 7.1 Y la figura 5-26b Ulrich página 331. Material de construcción: acero inoxidable.

CpCS (año 2000) = CpCS (año 1982) * (440.3/315)

7000*(1.40) = 98000

FBMCS = 2.2

Costo de la caldera en el año 2000 = 98000*2.2 = 215600 Dólares

46

COTIZACIÓN DE 8 BOMBAS DE CALENTAMIENTO

De la figura 1.11 se obsesa que se necesitan bombas de calentamiento para impulsar el nylon 6 Usando la ecuación 7.1 Y la figura 5-49 Ulrich, página 343. Material de construcción: acero inoxidable.

Potencia de 4 bombas: 1KW.

CpCS (año 2000) = CpCS (año 1982) * (664.6/315)

24*(4.8) = 115

FBMCS = 2

Costo de cada bomba en el año 2000 = 115*2 = 230 Dólares.

Potencia de 4 bombas: 1.5KW.

CpCS (año 2000) = CpCS (año 1982) * (664.6/315)

24.8*(4.8) = 119

FBMCS = 2

Costo de cada bomba en el año 2000 = 119*2 = 238 Dólares.

De aquí tenemos que:

Cp v,s. Es el costo de compra de equipo de proceso que tenga la dimensión ycapacidad v y el año s (para este caso es el año 2000).Cpv,r. Es el costo de compra de equipo de proceso que tenga la dimensión ycapacidad v y el año r (para este caso es el año 1982).Cs. Es usado como superíndice y significa acero al carbón.Is . Índice de costo en el año s.Ir . Índice de costo en el año r.FBM . Es el factor de instalación. El costo de compra del equipo, multiplicado poreste factor da el costo de modelo simple.

47

7 DISEÑO DE EQUIPOS:

FUNDIDOR.Para un flujo de 1107kg/h de caprolactama en polvo y para un tiempo de residenciade 1 hr, necesitamos un fundidor con las siguientes características, el proceso selleva acabo en estado semicontinuo.

V =1.53m3

D =1.15m

L =1.6mSe utilizaran dos fundidores para el proceso, y el material de construcción será deacero inoxidable

MEZCLADORPara un flujo de 1217kg/hr que es el flujo de caprolactama más el flujo del agua,este proceso es semicontinuo.

V =0.790 m3

D =0.875m

L =0.9105mSe utilizaran 2 fundidores para el proceso el material del mezclador será de aceroinoxidableSECADOR DE LECHO FLUIDIZADO.

El término de secado consiste en separar cantidades de agua u otro líquido de unmaterial sólido con el fin de reducir el contenido de líquido residual hasta un valoraceptablemente bajo.

Las poliamidas pueden ser sometidas a diferentes sistemas de secado, la rapidezcon la que se lleva a cabo depende de:

i) La humedad relativa del aire secante.- La rapidez del secado que aumenta amedida que disminuye la humedad contenida en el aire seco.

ii) La temperatura del aire secante.- Al aumentar la temperatura del aire secante,aumenta la rapidez de secado. Cuando la temperatura del aire supera los 95ºCdurante periodos mayores a tres horas, el Nylon se decolora o mancha.

Es necesario combinar apropiadamente la rapidez de secado y la temperatura, éstaúltima se recomienda que sea de 79ºC.

48

El tiempo de secado depende de su rapidez, de las condiciones del secador y loscontenidos inicial y final de agua en la poliamida 6.

El secador opera bajo las siguientes condiciones:T= 80ºCFlujo volumétrico = 0.881 m3/sMasa a secar = 1500kgDensidad del lecho =729 kg/ m3

Volumen del lecho = 2.05 m3

Diámetro = 1.059 mLongitud = 2.33 m

REACTOR:

Con una tasa de reacción de primer orden y considerando que los tubos VKutilizados industrialmente miden de 8-10m de alto tenemos y para un flujo de de1223Kg/hr.

-r A = 0.3517Kmol/hr.

VREA = 17m3.

LREA =1.7m

DREA= 1.7m

Material del reactor es acero inoxidable.

BALANCE DE ENERGIA DEL SECADOR:

Se hacen las siguientes consideraciones:

• Los sólidos tienen una temperatura uniforme en cualquier instante.• El gas que sale del lecho están a la temperatura de los sólidos

QT = QS + QP.

QA = 137153.4 W

QS = 20096.37 W

49

:

Con la siguiente ecuación calculamos el calor que gana el sólido y pierde el aire

Q = hAtx (tg ts)L

El calor que pierde el aire es igual al calor que se disipa por las paredes delsecador + el calor que ganan los sólidos.

50

51

52

53

8.2 CÁLCULO DE LA TIR (TASA INTERNA DE RETORNO)

Año FAI Depreciación IngresoGravable

Impuestos35%

FDI

0 -14500000 - - - -145000001 950000 Equipo= 10% 855000 -299250 6507502 1750000 Transp. = 20% 1400000 -490000 12600003 5000000 Edificios= 5% 4750000 -1662500 33375004 10000000 Equipo de

Segurid. =35%6500000 -2275000 7725000

5 14450000 Otros =25% 10837500 -3793125 10656875

Iterando tenemos que:

14500000 i% = ((VP1)/12.84 i%)

i% = 88.56%

TIR = 88.56 %

CALCULO DE LA TREMA (TASA DE RECUPERACION MINIMA ATRACTIVA)

VPN = -14.5X106 + (8.25X106/5) + (8.25X106/150)+ ..+( 8.25X106/1.5X1010)

VPN = 21%

Donde:

FAI = Flujo antes de impuestos.FDI = Flujo después de impuestos.

i% = Porcentaje de interés. VP = Valor presente.VPN = Valor presente neto.

54

9 CONCLUSIONES:

En base a los datos obtenidos al hacer la evaluación económica, podemos decirque el proceso es rentable, se obtuvo una TIR = 88.6% y una tasa mínima derendimiento atractiva de 21%, esto indica que la inversión hecha puede serrecuperada en un tiempo corto .Era de esperarse que el proyecto fuera rentable,debido a que es un proceso ya existente a nivel industrial, con la variante delproceso de secado, por lecho fluidizado. El cual tiene ventajas en comparación conel secado por lecho fijo ya que disminuye notablemente el tiempo de residencia, enel secado así como evita la degradación térmica del material, permitiendo quetenga mejores propiedades.

Se ha pensado en un proceso de recirculación de aire, como se muestra en lafigura 9.1, con el propósito de disminuir los costos de energía, aun que esteproceso presenta algunas problemáticas Como:

• Seria necesario secar el aire antes de recircularlo ya que este traería unporcentaje de humedad mayor al inicial.

• Se ha pensado secarlo con silica gel, lo que obligaría a hacer un estudio enla cinética de absorción del agua en la silica, para poder saber hasta quegrado se seca el aire.

• Es necesario conocer la humedad que absorbe, el aire del nylon, aun queesto seria un poco complicado debido a que conforme pasa el tiempo, elnylon contiene menos humedad y por lo tanto el agua absorbida por el aire,cambiaria con el tiempo

• Se tendría que elegir en donde se recirculara el aire para que no cambie lascondiciones de secado a las que se esta trabajando.

Podemos concluir que el proceso de secado por lecho fluidizado es masconveniente, aunque tendría que hacerse un estudio mas profundo en el procesode recirculación.

APÉNDICE A:

DISEÑO DEL REACTOR DE POLIMERIZACIÓN:

El reactor utilizado para la polimerización de nylon-6 es un tubo VK que no es otracosa que un reactor tubular de Flujo pistón, el cual parece simple, pero debenconsiderarse varios factores como son el tamaño del reactor, material deconstrucción, la cantidad de iniciador, que en nuestro caso es el agua, así como latemperatura a la que debe operar el sistema. Todo esto tiene un efecto apreciableen los costos, considerando que debe evaporarse agua de manera inmediata encuanto empieza la reacción, debido a que se generan subproductos no deseados.

Para la generación del nylon-6 se tienen 3 mecanismos principales, pero elmas importante y la reacción principal es la de poliadición, por que con estareacción es convertido el caprolactama.

La tasa de reacción es la siguiente:

- rpA= k3[s][[M]-(1-[s1]/ [s])/K3]

De la ecuación tenemos que:

- rpA = tasa de reacción- k3 = cte cinética de reacción =60 Kg/hkmol- K3 = cte de equilibrio 1.363- [s] = concentraciones de cadenas lineales = 4.05e-3kmol/ m3

- [M]= concentración de caprolactama = 8.113kmol/m3

- [s1]= concentración de ácido 6-aminocaproico=2.025kmol/m3.

Con los datos obtenidos en la literatura tenemos que- - rpA= 0.3517kmol/h m3

Con esta tasa de reacción y la ecuación para un RFP homogéneoTenemos que:

V = FAo ∫dx/ -rA

Con

FAo = flujo molar de caprolactama = 9.76 kmol/hr

X =fracción molar del caprolactama convertida a nylon =0.77

57

Con estos datos tenemos que :

V = 17 m3. Y el tiempo de residencia en el reactor se obtuvo con la siguiente ecuación:

τ =CAo ∫ dx / -rA

CAo = 8.113kmol/hr

τ = 14.1h

APENDICE B: Diseño del secador

Para el diseño del secador se utilizaron los siguientes datos:

De los datos experimentales tenemos:

D = 0.1mL = 0.63mLf =0.22m

Tenemos la siguiente relación

L/D =0.22m/0.1m = 2.2 ρLec = 729 Kg/ m3.

Vel= 1 m/s

El secador se diseñara para una carga se 1500KgPara obtener el volumen que necesitamos para esta carga se hace con lasiguiente formula:

V = m/ρLec = 1500Kg/729Kg /m3.= 2.05 m3.

Con la relacion de L/D=2

Obtenemos el diámetro del secador

V = π2.2D3/4

D= 1 m3

L= 2.2D = 2.2m

58

El flujo volumétrico se tiene obtiene con la siguente formula:

Q = V*A

Como deseamos mantener la mismas condiciones a la cual se opero en la parteexperimental

A =πD2/4 = .881 m2.Vel = 1m/s

Q =0.881m2/s

APÉNDICE C

Diseño del fundidor:

El fundidor será un proceso semicontinuo, para una carga de 1107Kg/hr decaprolactama en polvo con un tiempo de residencia de 1 hr.ρLec = 750Kg /m3

V = m/ρLec

V=1.7m3

V=(πD2/4 )*L

Para una relación de L/D = 1.7

D=1.15m

L=2m

Diseño del mezclador:

Para la adimensionalización del mezclador se hizo de la siguiente manera.Para un flujo de 1217.7kg/hr para un tiempo de residencia de 30min., el mezcladortrabajara en forma continua.Como necesitamos una buena agitación las dimensiones de las aspas son lassiguientes.Aspas localizadas centralmente con: L>3D , la distancia entre paleta es de .5m yuna altura de las aspas = L/6Y una velocidad de 300rev*minObtenemos los siguientes resultado

59

V = 0.790 m3

D = 1m

L = 1m

DISEÑO DEL EVAPORADOR:El siguiente diseño se hizo para un flujo igual a 1118.74 Kg/hrSe calculo la velocidad decendente del fluido con la siguiente formula.

U = 0.06(/ρlL- ρg)/ /ρg

U = 2.16 m/sCon el valor de la densidad

APÉNDICE DDISEÑO DE LA CHAQUETAS DE CALENTAMIENTO:Chaqueta del mezcladorPara calcular la chaqueta de calentamiento en el mezclador se ocupo la siguienteecuación:

(hdchaq )/k = a (Lp Nr )b(Cp µ/k )1/3( µ / µpw)m

donde

a = 0.54b = 2/3m = 0.14 Re = (L2

p Np ρ)/ µ =13421.05

Chaqueta del fundidor.

Tem del fluido = 300ºCTem del caprolactama 25ºCArea de contacto= =πD*L = 7.225 m2

D=1.15m

L=2m

Con la siguiente ecuación se calcula la transferencia de calor del seno del fluido ala pared del recipiente

60

.q = k A(tf tp)

una ves que tenemos el calor que transfiere el fluido a la pared, sabemos que elcalor que tramite el calor al fluido es el mismo que tramite la pared al sólido.Y el calor que necesita el sólido para fundirse es el siguiente.

q = mCp∆T =68744700J/h= 19095.75J /s

m = 1107kg/hCp=1380 J/Kg ºK

∆T=45ºK

El calor que se que pierde el aceite es de 19095.75J/s

El flujo de acite que necesitamos para tener este calor es de 1.91Kg/s y esta secalcula de la siguiente forma

M = Q/ Cp∆T

Con este flujo masico podemos calcular la velocidad del fluido.

Fa= flujo volumétrico.= V*A =.01400 m3/s

Si tenemos un área de 0.017 m3

Vel = .8235m/s

de la misma forma se calcula la chaqueta del reactor y del evaporador pero adiferentes condiciones, solo se pondran los datos obtenidos para cada uno de ellos

61

BIBLIOGRAFÍABIRD, Fenómenos de Transporte, editorial reverte,1995

KIRT-OTHMER, Concice Enciclopedia of Tecnology, ed. Wiley-Intersciencie.

LEVENSPIEL OCTAVE. Ingeniería de las Reacciones Químicas. Ed. Reverte, s. a.

PERRY, H.R. Y CHILTON, C.H. Manual del Ingeniero Químico Mcgraw Hill,México, 1984

J.P.HOLMAN Transferencia de Calor. Editorial continental 4 edición, 1991.

DONALD Q. KERN. Procesos de Transferencia de Calor editorial CECSA 1ªedición1965

RICHARD. M. FELDER. Principios Básicos de los Procesos Químicos. Ed. Elmanual moderno. 1ª edición 1978

O. LEVENSPIEL. Flujo de Fluidos e Intercambio de Calor. ed. Reverte. 1ª edición1996.

WELTY. Fundamentos de Transferencia de Momento Calor y Masa. Ed. Limusa. 6ªedición. 1994.FOKUMOTO. O. J. Polimer. Sci. 1956 22 -263

ULRRICH GAEL D. Diseño y Economía de los Procesos de Ingeniería Química.Editorial Interamericana; México D.F. Pág. 330-343

F. RODRÍGUEZ ;Principios de los sistemas poliméricos ; 1ª. Edición ; Mac GrawHill; Pág. 462-464.

Instituto Mexicano de el plástico industrial; Enciclopedia del plástico industrial, EdIMPI, año 1995, Pág. 6-24

Enciclopedia de la tecnología Química Vol 4 Pp 148-180

Anuario Estadístico de la Industria química Mexicana, Editorial ANIQ, edición 1999

Revista: Plastic News; Market data book (1997); pág. 133.

WWW. Bancomex.com

W W W. Tasic.com

www.dms.m/news/releases/1999

www.dupont.com