UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR

FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA

CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA

“CÁLCULO Y DISEÑO DE PLANTA PILOTO PARA LA OBTENCIÓN DE FORMIATO

DE POTASIO COMO FLUIDO DE PERFORACIÓN”

TRABAJO DE GRADO PARA LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO QUÍMICO

AUTOR: JHONY WALTHER ROSERO ANDRADE

QUITO

2015

UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR

FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA

CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA

“CÁLCULO Y DISEÑO DE PLANTA PILOTO PARA LA OBTENCIÓN DE FORMIATO

DE POTASIO COMO FLUIDO DE PERFORACIÓN”

TRABAJO DE GRADO PARA LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO QUÍMICO

AUTOR: JHONY WALTHER ROSERO ANDRADE

TUTOR: ING. MARIO ROMEO CALLE MIÑACA

QUITO

2015

iii

APROBACIÓN DEL TUTOR

Certifico que el trabajo de grado denominado: “CÁLCULO Y DISEÑO DE PLANTA PILOTO

PARA LA OBTENCIÓN DE FORMIATO DE POTASIO COMO FLUIDO DE

PERFORACIÓN”, es original y ha sido desarrollado por el Sr. Jhony Walther Rosero Andrade,

bajo mi dirección y conforme a todas las observaciones realizadas.

En la ciudad de Quito, a los 22 días del mes de Julio de 2015

……………………….

Firma del Tutor

iv

AUTORIZACIÓN DE LA AUTORÍA INTELECTUAL

Yo, JHONY WALTHER ROSERO ANDRADE en calidad de autor del trabajo de grado realizado

sobre “CÁLCULO Y DISEÑO DE PLANTA PILOTO PARA LA OBTENCIÓN DE

FORMIATO DE POTASIO COMO FLUIDO DE PERFORACIÓN”, por la presente autorizo a

la UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR, hacer uso de todos los contenidos que me

pertenecen o de parte de los que contiene esta obra, con fines estrictamente académicos o de

investigación.

Los derechos que como autor me corresponden, con excepción de la presente autorización,

seguirán vigentes a mi favor, de conformidad con lo establecido en los artículos 5, 6, 8, 19 y

demás pertinentes de la Ley de Propiedad Intelectual y su Reglamento.

Quito, miércoles 22 de julio de 2015

……………………………….

Jhony Walther Rosero Andrade

C.C: 1721532347

rawjkegn1990@gmail.com

v

DEDICATORIA

A mi querida madre Doris Alicia Andrade Guzmán, por

ser mi vida, mi amiga, mi ejemplo de lucha para lograr

mis ideales y objetivos de superación. Por mi gran

herencia mi educación intelectual y espiritual. Te

quiero mucho Mamá.

A mi abuelita Alba Dolores Guzmán Ulloa, por ser mi

apoyo, enseñanza en mi niñez y adolescencia, con lo

que he logrado vencer todas mis adversidades en mi

vida. Gracias Mamá

A mis tíos por ser un apoyo incondicional para mi

superación profesional.

A mis hermanos por ser mis amigos y compañeros.

A Estefy una amiga muy especial que la llevaré siempre

en mi corazón.

vi

AGRADECIMIENTOS

A Dios padre celestial que me dio la salud y fortaleza para alcanzar este logro tan esperado por

mi familia y mi persona.

A mi madre amada Doris Andrade Guzman que con su apoyo incondicional contribuyó en mayor

parte para cumplir una meta más en vida.

A mi tío Rigoberto Andrade y esposa Rosita Jácome que me apoyaron incondicionalmente en

escenarios adversos de mi vida.

Al Ingeniero Mario Calle por apoyarme en este trabajo de grado, alcanzando los objetivos y metas

propuestas.

A mis hermanos, tíos, primos y amigos que no perdieron la esperanza de que un hermano, sobrino,

primo y amigo más de la familia llegaría a ser profesional.

A los ingenieros: Patricio Llerena amigo que con su ayuda se logró plasmar la idea del trabajo de

grado y Andrés De la Rosa profesor amigo en mi querida Facultad de Ingeniería Química.

A mis amigos y hermanos ELITE F.C que estuvieron en las buenas y en las malas con su apoyo

incondicional.

A la universidad central del ecuador por haberme abierto sus puertas y enseñarme todo sobre

Ingeniería Química, además por instruirme que el estudio es el desarrollo de los pueblos.

A mi segunda casa mi querida Facultad de Ingeniería Química por acogerme como estudiante y

ahora como profesional; para poder demostrar todos mis conocimientos adquiridos en las aulas.

A los profesores que comparten y compartieron sus conocimientos en mi querida Facultad de

Ingeniería Química y en especial a quienes fueron mis profesores por compartir su experiencia y

sus valores.

¡¡¡¡¡ GRACIAS TOTALES!!!!!

vii

CONTENIDO

Pág.

CONTENIDO ........................................................................................................................... vii

LISTA DE FIGURAS .............................................................................................................. xiii

LISTA DE TABLAS.................................................................................................................xiv

LISTA DE GRÁFICOS ............................................................................................................xvi

LISTA DE ANEXOS .............................................................................................................. xvii

RESUMEN ............................................................................................................................ xviii

ABSTRACT ..............................................................................................................................xix

INTRODUCCIÓN .......................................................................................................................1

1. FUNDAMENTOS TEÓRICOS ...............................................................................................3

1.1. Fluidos de perforación ...........................................................................................................3

1.1.1. Propiedades .......................................................................................................................4

1.1.1.1. Densidad. ........................................................................................................................4

1.1.1.2. Propiedades de filtración. ...............................................................................................5

1.2. Formiato de potasio ...............................................................................................................6

1.3. Métodos de obtención de formiato de potasio .......................................................................7

1.3.1. A partir de monóxido de carbono .......................................................................................7

1.3.2. A partir de ácido fórmico ...................................................................................................7

1.3.3. A partir de formaldehido ....................................................................................................8

1.4. Propiedades del formiato de potasio ......................................................................................8

1.4.1. Propiedades químicas ........................................................................................................9

1.4.2. Propiedades físicas ............................................................................................................9

viii

1.5. Reacción de neutralización .................................................................................................. 10

1.5.1. Ácidos ............................................................................................................................... 11

1.5.2. Bases ................................................................................................................................ 11

1.6. Factores que afectan la velocidad de reacción. .................................................................... 11

1.6.1. Cinética de reacción ......................................................................................................... 13

1.6.1.1. Velocidad de reacción ................................................................................................... 13

1.6.2. Ecuación general de balance molar ................................................................................. 14

1.6.3. Diseño de reactores .......................................................................................................... 16

1.6.3.1. Reactores intermitentes (Batch) .................................................................................... 16

1.6.3.2. Reactores de flujo continuo ........................................................................................... 17

1.6.4. Materias primas ............................................................................................................... 20

1.6.4.1. Hidróxido de potasio ..................................................................................................... 20

1.6.4.2. Propiedades................................................................................................................... 21

1.6.5. Ácido fórmico ................................................................................................................... 21

1.6.5.1. Historia ......................................................................................................................... 21

1.6.5.2. Propiedades físicas........................................................................................................ 22

1.6.5.3. Propiedades químicas ................................................................................................... 23

1.7. Aplicaciones del formiato de potasio .................................................................................. 25

2. TRANSFERENCIA DE CALOR ........................................................................................... 26

2.1. Procesos de transferencia de calor ....................................................................................... 26

2.2. Mecanismos básicos de transferencia de calor .................................................................... 26

2.2.1. Conducción. ..................................................................................................................... 26

2.2.2. Convección. ...................................................................................................................... 27

2.2.3. Radiación. ........................................................................................................................ 27

2.3. Procesos por lotes y de estado inestable .............................................................................. 27

2.4. Reactores ............................................................................................................................. 28

2.5. Estudio de opciones de cálculo ............................................................................................ 29

2.6. Metodología de cálculo ....................................................................................................... 30

ix

2.6.1. Análisis técnico ................................................................................................................ 30

2.7. Transferencia de calor en tanques agitados ......................................................................... 30

2.7.1. Recipientes enchaquetados con agitación mecánica ........................................................ 31

2.7.2. Serpentines de tubos ......................................................................................................... 31

2.8. Consideraciones para el calentamiento y enfriamiento de lotes agitados ............................. 33

2.9. Material a utilizar para construir el equipo de transferencia de calor................................... 34

3. AGITACIÓN ......................................................................................................................... 35

3.1. Definición............................................................................................................................ 35

3.2. Objetivos de la agitación ..................................................................................................... 35

3.3. Equipo para agitación .......................................................................................................... 36

3.3.1. Agitador propulsor de tres aspas. .................................................................................... 36

3.3.2. Agitadores de paletas. ...................................................................................................... 37

3.3.3. Agitadores de turbina. ...................................................................................................... 37

3.3.4. Agitadores de banda helicoidal. ....................................................................................... 38

3.3.5. Selección del agitador e intervalos de viscosidad. ........................................................... 38

3.4. Sistemas de agitación especiales ......................................................................................... 39

3.4.1. Suspensión de sólidos. ...................................................................................................... 39

3.4.2. Dispersión de gases y líquidos en líquidos. ...................................................................... 39

3.4.3. Mezcladoras sin movimiento. ........................................................................................... 39

4. PARTE EXPERIMENTAL .................................................................................................... 40

4.1. Condiciones de trabajo ........................................................................................................ 40

4.2. Sustancias y reactivos .......................................................................................................... 40

4.3. Combinación de condiciones ............................................................................................... 41

4.4. Dilución de hidróxido de potasio ......................................................................................... 41

4.4.1. Materiales ........................................................................................................................ 41

4.4.2. Equipos ............................................................................................................................ 41

4.4.3. Procedimiento .................................................................................................................. 42

x

4.5. Armado del equipo agitador ................................................................................................ 42

4.5.1. Materiales ........................................................................................................................ 42

4.5.2. Equipos ............................................................................................................................ 42

4.5.3. Procedimiento .................................................................................................................. 42

4.6. Neutralización de la base con ácido fórmico ....................................................................... 43

4.6.1. Materiales ........................................................................................................................ 43

4.6.2. Equipos ............................................................................................................................ 43

4.6.3. Procedimiento .................................................................................................................. 43

4.7. Caracterización del producto obtenido ................................................................................ 44

4.7.1. Densidad .......................................................................................................................... 44

4.7.2. Viscosidad ........................................................................................................................ 44

4.7.2.1. Equipo ........................................................................................................................... 44

4.7.2.2. Procedimiento del uso del reómetro .............................................................................. 44

4.8. pH........................................................................................................................................ 45

4.9. Cinética de reacción ............................................................................................................ 45

4.9.1. Materiales ........................................................................................................................ 45

4.9.2. Equipos ............................................................................................................................ 45

4.9.3. Procedimiento .................................................................................................................. 46

5. DATOS EXPERIMENTALES .............................................................................................. 47

5.1. Datos hidróxido de potasio .................................................................................................. 47

5.2. Datos ácido fórmico ............................................................................................................ 48

5.3. Obtención de formiato de potasio ........................................................................................ 48

5.4. Análisis de formiato de potasio ........................................................................................... 49

5.5. Cinética de reacción ............................................................................................................ 50

6. CÁLCULOS........................................................................................................................... 51

6.1. Metodología de cálculo ....................................................................................................... 51

6.1.1. Selección del tipo de enfriamiento para tanques .............................................................. 54

xi

6.1.2. Cálculo de la cinética de reacción para 100 RPM ........................................................... 56

6.1.3. Diseño del reactor por lotes ............................................................................................. 59

6.1.3.1. Cálculo del tiempo de reacción ..................................................................................... 60

6.1.4. Escalado ........................................................................................................................... 61

6.1.4.1. Cálculo del tiempo de reacción ..................................................................................... 64

6.1.4.2. Cantidad de materia prima utilizada ............................................................................. 65

6.1.4.3. Cálculo de la potencia del agitador y dimensiones ....................................................... 66

6.1.4.4. Capacidad calorífica del formiato de potasio .............................................................. 68

6.1.4.5. Número de prandalt para el formiato de potasio........................................................... 69

6.1.4.6. Coeficiente convectivo interno ...................................................................................... 69

6.1.4.7. Número de prandalt para el fluido de enfriamiento ...................................................... 70

6.1.4.8. Coeficiente convectivo externo ...................................................................................... 71

6.1.4.9. Coeficiente total de transferencia de calor limpio ......................................................... 72

6.1.4.10. Coeficiente total de transferencia de calor sucio......................................................... 72

6.1.4.11. Área total de transferencia de calor ............................................................................ 73

6.1.4.12. Flujo másico del agua para la transferencia de calor de la solución .......................... 73

6.1.4.13. Flujo de calor generado por la reacción ..................................................................... 74

6.1.4.14. Temperatura de salida del fluido de enfriamiento ....................................................... 75

6.1.4.15. Cálculo del estanque de ácido fórmico ........................................................................ 75

6.1.4.16. Características de equipos de la planta ....................................................................... 76

6.1.4.17. Coste de la planta piloto .............................................................................................. 77

7. RESULTADOS ...................................................................................................................... 79

7.1. Propiedades fisicoquímicas del producto obtenido .............................................................. 79

7.2. Reactor agitado.................................................................................................................... 79

7.3. Variables calculadas ............................................................................................................ 81

7.4. Cantidad de materias primas ............................................................................................... 82

xii

8. DISCUSIÓN .......................................................................................................................... 83

8.1. Materias primas ................................................................................................................... 83

8.2. Diseño de equipos principales ............................................................................................. 83

8.3. Especificación de otros equipos .......................................................................................... 84

8.4. Estimación de costos de producción y operación ................................................................ 84

9. CONCLUSIONES ................................................................................................................. 85

10. RECOMENDACIONES ...................................................................................................... 87

CITAS BIBLIOGRÁFICAS ...................................................................................................... 88

BIBLIOGRAFÍA ....................................................................................................................... 91

ANEXOS ................................................................................................................................... 93

xiii

LISTA DE FIGURAS

Pág.

Figura 1. Balance en el volumen del sistema .............................................................................. 14

Figura 2. División de volumen del sistema V ............................................................................. 15

Figura 3. Balance de moles para la especie j en el volumen ∆V ................................................. 18

Figura 4. Esquema de un reactor de lecho empacado ................................................................. 20

Figura 5. Tanque enchaquetado .................................................................................................. 31

Figura 6. Tipos de serpentines .................................................................................................... 33

Figura 7. Tanque con deflectores y agitador de turbina de paletas planas .................................. 36

Figura 8. Tipo de agitadores de turbina de paletas planas .......................................................... 37

Figura 9. Tanque con deflectores con un agitador de turbina de seis aspas ................................ 38

Figura 10. Modelo de reactor con un agitador de turbina. .......................................................... 53

Figura 11. Agitador de turbina de 6 aspas. ................................................................................. 53

Figura 12. Dimensiones simétricas para un agitador de turbina de 6 aspas. ............................... 66

xiv

LISTA DE TABLAS

Pág.

Tabla 1. Propiedades químicas de la sal formiato de potasio ........................................................9

Tabla 2. Propiedades físicas de la sal de formiato de potasio .......................................................9

Tabla 3. Propiedades físicas del ácido fórmico .......................................................................... 22

Tabla 4. Dilución de hidróxido de potasio condición #1 ............................................................ 47

Tabla 5. Dilución de hidróxido de potasio condición #2 ............................................................ 47

Tabla 6. Propiedades físicas y químicas del agua destilada ........................................................ 47

Tabla 7. Propiedades del ácido fórmico ..................................................................................... 48

Tabla 8. Incremento de temperatura en el reactor ....................................................................... 48

Tabla 9. Condiciones de operación para la obtención de formiato de potasio, estado 1 ............. 49

Tabla 10. Condiciones de operación para la obtención de formiato de potasio, estado 2 ........... 49

Tabla 11. Impurezas del producto formiato de potasio ............................................................... 49

Tabla 12. Resultados del producto obtenido formiato de potasio, estado 1 y 2 .......................... 50

Tabla 13. Datos experimentales volumen y tiempo .................................................................... 50

Tabla 14. Datos de formulaciones de formiato de potasio .......................................................... 52

Tabla 15. Propiedades del acero AISI 316L ............................................................................... 54

Tabla 16. Media aritmética de la densidad para estado 1 y 2 ...................................................... 55

Tabla 17. Desviación estándar de la densidad para estado 1 y 2................................................. 55

Tabla 18. Titulación de la solución de hidróxido de potasio sobrante ........................................ 57

Tabla 19. Velocidad de reacción ................................................................................................ 58

Tabla 20. Resultados de velocidad y orden de reacción ............................................................. 61

Tabla 21. Datos fisicoquímicos de especies químicas ................................................................ 65

Tabla 22. Balance de materiales de especies químicas ............................................................... 66

xv

Tabla 23. Cantidades exactas para adicionar al reactor .............................................................. 66

Tabla 24. Dimensiones agitador de turbina ................................................................................ 67

Tabla 25. Datos fisicoquímicos del fluido de enfriamiento agua a T = 19ºC .............................. 70

Tabla 26. Costos de materiales y equipos principales utilizados en la planta ............................. 77

Tabla 27. Costos de materiales y equipos auxiliares utilizados en la planta ............................... 78

Tabla 28. Producto obtenido ..................................................................................................... 79

Tabla 29. Reactor agitado .......................................................................................................... 79

Tabla 30. Especificaciones del agitador ..................................................................................... 80

Tabla 31. Resultados del producto formiato de potasio .............................................................. 80

Tabla 32. Resultados del producto obtenido formiato de potasio, estado 1 y 2 .......................... 80

Tabla 33. Velocidad de reacción ................................................................................................ 81

Tabla 34. Variables calculadas para coeficientes convectivos .................................................... 81

Tabla 35. Coeficientes convectivos de transferencia de calor..................................................... 81

Tabla 36. Coeficientes totales de transferencia de calor ............................................................. 81

Tabla 37. Área de transferencia de calor .................................................................................... 82

Tabla 38. Flujo másico de agua necesario .................................................................................. 82

Tabla 39. Temperatura de salida del agua de enfriamiento......................................................... 82

Tabla 40. Materias primas .......................................................................................................... 82

xvi

LISTA DE GRÁFICOS

Pág.

Gráfico 1. Curva temperatura vs tiempo, en la prueba piloto a escala laboratorio ...................... 51

Gráfico 2. Densidad de formiato de potasio vs concentración .................................................... 52

Gráfico 3. Diagrama concentración de KOH vs Tiempo ............................................................ 57

Gráfico 4. Diagrama velocidad de reacción vs concentración .................................................... 58

xvii

LISTA DE ANEXOS

Pág.

ANEXO A. Especificaciones técnicas del ácido fórmico ........................................................... 94

ANEXO B. Especificaciones físicas y químicas del ácido fórmico ............................................ 95

ANEXO C. Especificaciones físicas y químicas del hidróxido de potasio ................................. 96

ANEXO D. Especificaciones físicas y químicas del agua destilada tipo I .................................. 97

ANEXO E. Preparación de materias primas ............................................................................... 98

ANEXO F. Equipos y obtención de formiato de potasio ............................................................ 99

ANEXO G. Tabla t – student intervalos de confianza y prueba de hipótesis ............................ 100

ANEXO H. Características en potencia de diferentes agitadores ............................................. 101

ANEXO J. Características de tiempo de mezcla de los tipos de agitadores .............................. 102

ANEXO K. Relación de la viscosidad del líquido con la viscosidad a la pared del tubo .......... 103

ANEXO L. Velocidades recomendadas ................................................................................... 104

ANEXO M. Resistencia de las incrustaciones .......................................................................... 105

ANEXO N. Solución de flujo másico mediante el software WolframAlpha ............................ 106

ANEXO O. Diagrama de flujo para la obtención de formiato de potasio ................................. 107

xviii

CÁLCULO Y DISEÑO DE PLANTA PILOTO PARA LA OBTENCIÓN DE

FORMIATO DE POTASIO COMO FLUIDO DE PERFORACIÓN

RESUMEN

Diseño y especificación de equipos para una planta piloto productora de formiato de potasio como

fluido de perforación, a partir de la reacción de neutralización de hidróxido de potasio con ácido

fórmico.

En nivel de laboratorio se prepararon soluciones sobresaturadas de hidróxido de potasio al 75 %

en peso con agitación de 50 y 100 RPM, en el reactor a cada solución se añadió 24,2 mL de ácido

fórmico al 85 % en peso como neutralizante y se obtuvo la cinética de reacción, manteniendo

constante la velocidad de agitación y controlando la temperatura de reacción. Las soluciones

fueron caracterizadas.

Con los datos obtenidos, se realizó el escalado para una capacidad de la planta piloto de 100 kg

por lote de formiato de potasio y se dimensionaron los siguientes equipos: un agitador de turbina

de seis aspas y un reactor con chaqueta de enfriamiento para la reacción de neutralización.

De los resultados, se concluyó que las materias primas deben tener elevadas para mejorar la

transformación de reactivos a productos; la agitación mecánica ayudó a tener mayor conversión

y disipó mejor el calor de reacción, la chaqueta de enfriamiento permitió controlar la calidad del

producto final.

PALABRAS CLAVES: / PLANTAS PILOTO/ REACCIÓN DE NEUTRALIZACIÓN/

HIDRÓXIDO DE POTASIO/ ÁCIDO FÓRMICO/ FORMIATO DE POTASIO/ CINÉTICA DE

REACCIÓN/ FLUIDO DE PERFORACIÓN/

xix

CALCULATION AND DESIGN OF A PILOT PLANT FOR OBTAINING POTASSIUM

FORMATE AS A DRILLING FLUID

ABSTRACT

Equipment design and specification of a pilot plan for production of potassium formate as drilling

fluid from the neutralization reaction of potassium hydroxide with formic acid.

In laboratory level, supersaturated solutions of potassium hydroxide at 75% by weight were

prepared with 50 and agitation 100 rpm, in the reactor each solution was added with 24,2 mL of

formic acid at 85% by weight and it was obtained kinetics reaction while keeping the stirring rate

and controlling the reaction temperature. The solutions were characterized.

With the data, scaling was performed to a capacity of 100 kg pilot plant batch of potassium

formate and the following equipment was sized: a stirring six-blade turbine and a reactor with

cooling jacket for the reaction of neutralization.

From the results, it was concluded that raw materials must be higher to enhance the transformation

of reactants to products; mechanical agitation helped to have higher conversion and dissipated

better the heat reaction, the cooling jacket allowed to control the quality of the final product.

KEYWORDS: / PILOT PLANT / NEUTRALIZATION REACTION / POTASSIUM

HYDROXIDE / FORMIC ACID / POTASSIUM FORMATE / KINETICS REACTION /

DRILLING FLUID /

1

INTRODUCCIÓN

La investigación hace referencia al diseño de una planta piloto para la producción de formiato de

potasio como fluido de perforación, que lo podemos definir de forma oficial como el diseño de

una planta para elaborar un producto básico en las perforaciones de pozos petroleros, que es

importado por empresas ecuatorianas a costos elevados.

Este fluido de perforación, tiene como característica ser soluble en agua y etanol, de fácil

tratamiento o biodegradación que se usa para perforación, completación, reacondicionamiento y

fractura de pozos petroleros.

La problemática que trataremos, nos obliga a mencionar causas de aplicación a implantar una

nueva planta para la producción de formiato de potasio. La causa principal, es la calidad del

producto a obtener. El incremento de los costos de las importaciones de este tipo de productos

hace que la implementación de estas plantas sea una magnífica salida.

El interés que lleva a realizar este tipo de trabajo es el crecimiento desproporcionado de

importaciones que cada vez más, incrementan sus costos, asimismo como un medio para

salvaguardar a empresas ecuatorianas por parte de las autoridades gubernamentales.

Desde el punto de vista académico, nos centraremos en aportar datos operacionales de una planta

semi industrial, también abarcaremos un ámbito profesional, haciendo hincapié en contextos

laborales que promueven esta práctica.

La teoría de Operaciones Unitarias, nos permite realizar investigaciones de qué tipo de equipos

son necesarios para llevar a cabo estos procesos de transformación de materias primas, así como

a las partes más importantes y operacionales.

Luego de conocer los equipos a utilizar, hemos decidido a realizar un estudio experimental, sobre

la obtención de formiato de potasio por neutralización con ácido fórmico, que es un proceso de

alto rendimiento, fiable y rápido para la producción de formiato de potasio de una manera

industrialmente adecuado y conveniente.

2

El proceso consistió en preparar una solución sobresaturada de hidróxido de potasio al 75 % en

peso con agitación de 50 y 100 revoluciones por minuto respectivamente; utilizando 24,2

mililitros de ácido fórmico al 85 % en peso se añadió al reactor como neutralizante; manteniendo

constantes las condiciones de velocidad de agitación y controlando la temperatura de reacción.

Luego se realizó la caracterización fisicoquímica del mejor producto con las mejores condiciones

operacionales 100 revoluciones por minuto de agitación, propiedades de viscosidad, densidad y

cantidad de impurezas disueltas en la solución final. Estos ensayos se llevaron a cabo con

procedimientos experimentales de laboratorio método del picnómetro para la densidad,

RHEOPLUS PHYSICA MRC 301 para viscosidad y mientras que para el análisis de impurezas

se realizaron el laboratorio de aguas que se cuenta en el Departamento de Petróleo Energía y

Contaminación (DPEC).

Analizar los mecanismos operacionales para el diseño de la planta piloto, obteniendo las mejores

condiciones para su cálculo y especificación de los diferentes equipos a emplearse que influyen

positivamente en la obtención de formiato de potasio. Verificar si los datos obtenidos son reales

y coherentes con bibliografía especializada, buscar las formas de solucionar condiciones

operacionales confusas en los equipos. Comparando datos existentes de empresas con, resultados

logrados en la investigación al que están ligados, que es lo que nos da como consecuencia un

favorable diseño y especificación.

Se obtuvieron como resultado del estudio para la formación de formiato de potasio y condiciones

operaciones para una planta semi industrial son la pureza de los reactivos, la agitación mecánica

constante y el control de temperatura de reacción para evitar problemas posteriores, de estos

resultados se concluyó que para tener las mejores condiciones de reacción las materias primas

deben poseer concentraciones altas, además de las condiciones de operación deben permanecer

constantes. También en el diseño y especificación de equipos los materiales adecuados para su

cálculo deben tener propiedades de resistencia y una buena vida útil.

3

1. FUNDAMENTOS TEÓRICOS

1.1. Fluidos de perforación

El éxito de cualquier operación de perforación de pozos depende de muchos factores, uno de los

más importantes entre los cuales es el fluido de perforación. Este líquido lleva a cabo una variedad

de funciones que influyen en la velocidad de perforación, el coste, la eficiencia y seguridad de la

operación. El fluido de perforación o lodo, como comúnmente se le llama, es bombeado por una

columna de perforación hueca a través de boquillas en la broca en el fondo del pozo, y retorna

por el anillo formado entre la broca y la carcasa de perforación a la superficie. La broca se activa

mediante la rotación de toda la columna de perforación en la superficie o mediante el uso de un

motor de fondo de pozo sólo para girar la broca. Después de alcanzar la superficie, el fluido de

perforación pasa a través de una serie de tamices vibratorios, tanques de sedimentación,

hidrociclones, centrífugas para eliminar el material de formación traído a la superficie. Se trata a

continuación con aditivos para obtener un conjunto de propiedades físicas y químicas deseadas.

Una vez tratado, el líquido se bombea nuevamente hacia el pozo y el ciclo se repite.

Los fluidos de perforación generalmente se componen de líquidos, por ejemplo, agua, aceites de

petróleo y otros líquidos orgánicos; disuelto aditivos orgánicos e inorgánicos; y suspendidos

sólidos finamente divididos de varios tipos. La química de la fase líquida y el nivel de sólidos en

suspensión determinan la estrategia de tratamiento en la eficiencia del equipo y manipulación de

lodo. Esta química también influye en el tipo y cantidad de materiales necesarios para mantener

o cambiar la densidad, la viscosidad y otras propiedades como se requiere. Los fluidos de

perforación son sistemas dinámicos. Estos lodos cambian constantemente en respuesta a las

condiciones cambiantes como las temperaturas y presiones. Ocasionalmente el medio ambiente

de fondo de pozo requiere el reemplazo de un fluido con otro de un tipo diferente. Los costes de

perforación en fluidos van desde varios miles hasta varios millones de dólares por pozo y

dependen de la naturaleza del pozo que se está perforando. La duración de perforación puede

variar desde unos pocos días hasta más de un año. En promedio, aproximadamente 6 a 8 % del

coste total de taladrado surge directamente del fluido de perforación y aditivos. El total de las

ventas mundiales de aditivos de fluidos de perforación en 1994 se estimó en $ 1,2*109. Alrededor

del 50% de esta se gasta en los Estados Unidos. El primer fluido usado para perforación de pozos

petroleros era agua. [1]

4

Diversos aditivos controlan la pérdida de agua a las formaciones permeables expuestas en el pozo.

Ya en 1901, el material de formación de suelo y las arcillas de superficie se utilizaron para impartir

viscosidad y densidad en la parte superior de cabeza del pozo perforado cerca de Beaumont,

Texas. Sólidos de alta densidad, como hematita y barita se aplicaron a principios de 1920 para

aumentar la densidad del fluido de perforación, prevenir aglomeración de fluidos de la formación,

y controlar así los escapes. Los fluidos de perforación se comercializaron alrededor de 1926.

Desde 1980 más de 1.000 patentes se han emitido para la perforación de los sistemas y materiales

fluidos en los Estados Unidos solamente. Un listado de productos, 1994 proveedores 117 ofrece

3000 nombres comerciales. Esta gama de productos de nombre comercial representa en realidad

a menos de 100 tipos químicos diferentes que se pueden comprar por separado o como una

mezcla. Por otra parte, algunos de estos materiales son para terminación y reparación de pozos.

Estos difieren de los fluidos de perforación en que los fluidos de terminación se utilizan después

que el pozo ha sido perforado y antes del inicio de la producción, mientras que los fluidos de

reacondicionamiento se utilizan durante los trabajos de reparación de los pozos más antiguos.

1.1.1. Propiedades. El fluido de perforación elimina fragmentos de formaciones por debajo de

la broca y transporta estos fragmentos a la superficie, impide afluencia de fluidos de la formación

en el pozo, sellos expuestos a formaciones permeables, mantiene la estabilidad de las formaciones

expuestas, enfría y lubrica la broca de perforación en los puntos de contacto con el pozo entubado

o sin entubar, y ayuda a suspender el peso de la cadena de perforación y la carcasa. Además, el

fluido no debe dañar las formaciones productivas, no debe ser corrosivo para el equipo, y debe

ser rentable. El líquido debe ser seguro para el manejo y ser compatible con el medio ambiente o

ser desechable en forma ambientalmente racional. Cómo así el fluido de perforación cumple estas

funciones se determina principalmente por la respuesta del pozo. La operación de perforación

conjunto sufre si el líquido no es adecuado. En casos extremos, la perforación puede ser parada.

Una variedad de propiedades físicas y químicas son monitoreadas para asegurar un rendimiento

satisfactorio y orientar la formulación y el tratamiento de líquidos. [1]

1.1.1.1. Densidad. La densidad del fluido de perforación se ajusta usando sólidos de alta

densidad en polvo o sales disueltas para proporcionar una presión hidrostática contra formaciones

expuestas en exceso de la presión de los fluidos de la formación. Además, la presión hidrostática

de la columna de lodo previene el colapso de formaciones débiles en el pozo.

5

Densidades de los fluidos pueden oscilar entre la del aire a > 2500 kg/m3 (20,8 lb / gal). La

mayoría de los fluidos de perforación tienen densidades > 1000 kg/m3 (8,33 lb / gal), la densidad

del agua. La presión hidrostática impuesta por una columna de fluido de perforación se expresa

como sigue:

P = 0,098 L ∗ ρ𝑚 (= 0,052 L ∗ ρ𝑚) (1)

Donde P = presión hidrostática en kPa (psi); ρm = la densidad del fluido de perforación, en kg/m3

(lb/gal); y L = la longitud de la columna o de la profundidad del pozo, m (ft.). Los pozos con

presiones de fondo de 100 MPa (14.500 psi) a 5000 m (16.400 ft.) No son inusuales. Dicho así

requeriría una densidad del lodo > 2040 kg/m3 (17 lb/gal) para evitar la formación de afluencia

del fluido. Al menos 2 MPa (290 psi) por encima de las presiones de formación normalmente se

recomienda para asegurar el control del pozo. Presiones de fondo impuestas por la columna de

lodo que son más altos de lo necesario pueden reducir las tasas de perforación e inducir fracturas

en las formaciones expuestas permite la pérdida de fluido de perforación a las fracturas (pérdidas

de circulación). [1]

1.1.1.2. Propiedades de filtración. Los fluidos de perforación tienen una tendencia natural a fluir

en formaciones permeables porque la presión del pozo es generalmente más alto que en la

formación. Para evitar excesiva fugas, se forma una torta de filtro de baja permeabilidad fina

utilizando aditivos. La filtración se produce en ambas condiciones (no hay circulación) estáticas

y dinámicas (durante la circulación). Los aditivos pueden afectar a cada una de estas condiciones

de filtración diferente.

La tasa de filtración se ajusta usando sólidos coloidales y polímeros orgánicos para reducir la

pérdida de filtrado a la formación y evitar la acumulación de una torta de filtro grueso que pueda

limitar el pozo. Disminución excesiva de la velocidad de filtración puede ser costoso y puede

resultar en un fluido viscoso que puede afectar negativamente a la velocidad de perforación.

Partículas sólidas grandes de diversos tamaños y formas pueden añadirse a controlar la pérdida

de circulación en las fracturas naturales o inducidas, formaciones altamente porosas o zonas

fisuradas, es decir, se encuentran formaciones que contienen cavidades pequeñas mayores que el

tamaño de grano de la matriz. Los tamaños de partícula de aquellos lo suficientemente grande

como para cerrar la abertura hacia abajo de aquellos lo suficientemente pequeños para sellar

espacios entre las partículas más grandes pueden ser necesarias para evitar pérdidas de fluidos de

perforación en estas zonas. [1]

6

1.2. Formiato de potasio

Los Formiatos son sales provenientes del Ácido Fórmico, solubles en agua y cuyas soluciones

pueden alcanzar elevadas densidades libre de sólidos. La comercialización y posterior

introducción de estos fluidos tomaron un largo tiempo inicialmente por sus elevados costos y

segundo por las pocas empresas que los producen, esto genera lo excesivo de sus costos.

Esta situación ahora ha cambiado las nuevas legislaciones ambientales, individualmente sobre el

manejo de los residuos base aceite, base agua y las derivadas de salmueras de haluros referida a

sus disposiciones finales han reducido el camino en la búsqueda de alternativas, relacionados con

los sistema de fluidos para la perforación y completación de pozos que sean generosos

ambientalmente, de allí la propuesta viable del uso de los formiatos. [2]

Estos están representados por tres sistemas de sales monovalentes:

Formiato de Sodio

Formiato de Potasio

Formiato de Cesio.

El sistema seleccionado en el presente proyecto es formiato de potasio, este sistema es un fluido

limpio que utiliza como material densificante sal orgánica de metal alcalino derivado del ácido

fórmico solubles en agua, donde se manejan densidades tipificada por el Formiato de Potasio con

una máxima densidad de 13.1 lpg (1.57 SG).

Las circunstancias antes nombradas nos permiten tener un fluido ideal para los trabajos de

completación. Si analizamos las sales de haluros de altas densidades como el Bromuro de Calcio

y el Bromuro de Zinc hoy en día son de aplicación limitada, existen países donde las autoridades

que regulan las normas ambientales realizan un seguimiento muy estricto por el uso de estas sales,

ya que no solo son tóxicas y requieren de aditivos e inhibidores especiales sino ambientalmente

difícil de tratar, el tiempo de tratamiento es largo. De allí que el Formiato de Potasio toma alto

valor al exhibir características ambientales de muy baja incidencia, baja corrosión y se exime del

hecho de agregar aditivos especiales como inhibidores secuestrantes y bactericidas. [2]

7

1.3. Métodos de obtención de formiato de potasio

1.3.1. A partir de monóxido de carbono. Formiato de potasio se produce lentamente por la

absorción de monóxido de carbono en 50 a 80% en peso de solución acuosa de hidróxido de

potasio de 100 a 200 °C y una presión parcial de monóxido de carbono sobre las 7 atmósferas.

CO + KOH → HCOOK 1

Formiato de potasio también se puede formar haciendo pasar monóxido de carbono puro o gas

productor purificado (a veces denominado gas de soplado) que contiene aproximadamente 30%

de monóxido de carbono bajo presión a través de una solución caliente de sulfato de potasio y la

leche de cal:

K2SO4 + Ca (OH) 2 + 2CO → 2HCOOK + CaSO4 2

La solución es filtrada para eliminar el sulfato de calcio. [3]

1.3.2. A partir de ácido fórmico. Formiato de potasio, naturalmente, se puede hacer por la

reacción fundamental, pero industrialmente adecuada y conveniente entre ácido fórmico e

hidróxido de potasio según:

HCOOH + KOH → HCOOK + H2O 3

La presente invención proporciona un proceso de alto rendimiento, fiable y rápido para la

producción de formiato de potasio de una manera industrialmente adecuado y conveniente. El

proceso produce formiato de potasio y agua a partir de una reacción entre el ácido fórmico y el

hidróxido de potasio. La reacción se lleva a cabo en estado líquido, preferiblemente acuoso, estado

en una relación molar de ácido fórmico para hidróxido de potasio de 1,0: 1,0. La temperatura de

reacción es de 0 – 100 °C. Una temperatura demasiado alta causará en la reacción, decoloración.

La reacción de acuerdo con el proceso de la invención tiene una importante ventaja de ser

irreversible. [4]

8

1.3.3. A partir de formaldehido

HCHO + KOH → HCOOK + CH3OH 4

El proceso puede llevarse a cabo primero como un proceso por lotes, por lo que se añade una

solución acuosa de hidróxido de potasio a una solución acuosa de formaldehído durante un

máximo de 24 horas. La solución de formaldehído tiene un porcentaje de formaldehído de 15 –

65, preferible 30 – 45 en peso, y el hidróxido de potasio de 20 – 60, preferible 30 – 50, en peso

de la solución de hidróxido de potasio. El tiempo de adición para el tiempo de reacción posterior

está normalmente en el intervalo de 30 minutos a 6 horas.

El proceso existe, cuando se usa un exceso de hidróxido de potasio sobre formaldehido,

apropiadamente terminada por una neutralización con un ácido, tal como ácido fórmico. Dicha

adición y tiempo de reacción, así como dichos porcentajes y la neutralización son, por supuesto

válido también para otras formas de elaboración de la invención no ser solo por procesos por

lotes, tales como un proceso continuo. [4]

1.4. Propiedades del formiato de potasio

La salmuera de formiato de potasio es una solución acuosa de sal de metal álcali del ácido fórmico.

Esta sal es fácilmente solubles en agua, que da salmuera de alta densidad con bajas temperaturas

de cristalización. Las estructuras químicas de la sal de formiato usado en los yacimientos es la

siguiente:

Formiato de potasio 𝐇 – 𝐂 −

= 𝐎 𝐎− 𝐊+

El anión formiato es el más hidrófilo de la familia de los aniones de ácido carboxílico, aunque

conserva características orgánicas significativas cuando se compara con los haluros. Este carácter

orgánico se ve en la solubilidad de las sales de formiato en solventes orgánicos, tales como el

metanol o el etilenglicol. El catión de metal álcali (K+) es monovalente, lo que le otorga su

compatibilidad única con biopolímeros, mientras que al mismo tiempo contribuye con su

comportamiento no dañino en los depósitos. [5]

9

1.4.1. Propiedades químicas

Tabla 1. Propiedades químicas de la sal formiato de potasio

PROPIEDADES QUÍMICAS

Formula Química HCOOK

Estructura Química H − C

⋰=

O−K+

O

Peso Molecular (g/mol) 84,12

Fuente: Manual de formiatos. Cabot specialty fluids, Massachusetts, Estado Unidos, 14 de

Septiembre 2013. p. Sección A1, 04, col 1.

1.4.2. Propiedades físicas. En estado sólido es incoloro cristales romboédricos o gránulos

delicuescente; densidad de 1,91 g/cm3; funde a 167,5 °C; se descompone en un calentamiento

adicional; altamente soluble en agua, 331 g / 100 mL a 18 °C, mucho mayor solubilidad en agua

caliente, 657 g / 100 ml a 80 °C; soluble en alcohol; insoluble en éter. [6]

Tabla 2. Propiedades físicas de la sal de formiato de potasio

PROPIEDADES FÍSICAS DE LA SAL 1.57 g/cm3

Apariencia Líquido Claro

Color Incoloro

Viscosidad (CP)

a 0°C 43

a 25°C 15

a 50°C 7.7

pH (tampón) 10.0 – 11.0

Constante de Disociación (pKa) 3.75

Presión de Vapor (Pa)

a 20°C 576

a 30°C 1,096

a 40°C 1,992

Punto de Ebullición (°C) 138

10

Continuación Tabla 2.

Coeficiente de conductividad térmica (W/m/K)

a 10°C 0.417

at 70°C 0.461

Capacidad calórica (J/g/K) at 10 – 70°C 2.10

Coeficiente de fricción at 93°C

Metal – metal 0.196

Metal - arena 0.172

Turbidez (NTUs) < 5

Fuente: Manual de formiatos. Cabot specialty fluids, Massachusetts, Estado Unidos, 14 de

Septiembre 2013. p. Sección A1, 04, col 1.

1.5. Reacción de neutralización

Una reacción de neutralización es una reacción entre un ácido y una base, generalmente en las

reacciones acuosas ácido – base se forma agua y una sal, un ejemplo es el producto de la reacción

ácido – base del HCl con NaOH. [7]

HCl (ac)+ NaOH (ac) → NaCl (ac) + H2O (liq) 5

Las soluciones acuosas son buenas conductoras debido a la presencia de iones positivos y

negativos a estos compuestos se les llama electrolitos. Los compuestos iónicos que se disocian

completamente se conocen como electrolitos fuertes, un ejemplo de ellos es el NaCl.

Las constantes de equilibrio para la disociación de electrolitos son llamadas constantes de

disociación, un ejemplo de disociación es la del agua:

2H2O ↔ H3O+ + OH- 6

Los subíndices se utilizan por comodidad, para las diferentes constantes:

Ka = constante de disociación de ácido

Kb = constante de disociación de base

Kw = constante de disociación del agua o de autoprotólisis = 1*10-14 o producto iónico del agua.

11

Este producto indica que en agua pura o en cualquier solución acuosa deben estar presentes iones

hidrógeno y oxhidrilo, el producto de sus concentraciones debe ser una constante igual a Kw =

1*10-14. [7]

H2O ↔ H+ + OH- 7

En el agua se ha establecido una escala de pH el cual está definido como el – log [H+] donde:

Medio ácido Medio básico

0 7 14

1.5.1. Ácidos. Históricamente, una sustancia que produce un ion H+ cuando se disocia en

solución, resultando en un pH < 7. En la definición de Brönsted, un ácido es una sustancia que

dona un protón en cualquier tipo de reacción. La definición más general, debido a G.N. Lewis,

clasifica las especies químicas capaces de aceptar un par de electrones tal como un ácido. [8]

1.5.2. Bases. Históricamente, una sustancia que produce un ion OH- cuando se disocia en

solución, resultando en un pH > 7. En la definición de Brönsted, una base es una sustancia capaz

de aceptar un protón en cualquier tipo de reacción. La definición más general, debido a G.N.

Lewis, clasifica cualquier especie química capaz de donar un par de electrones como una base. [8]

1.6. Factores que afectan la velocidad de reacción.

Naturaleza de la reacción

Algunas reacciones son, por su propia naturaleza, más rápidas que otras. El número de

especies reaccionantes, su estado físico las partículas que forman sólidos se mueven más

lentamente que las de gases o de las que están en solución, la complejidad de la reacción, y

otros factores pueden influir enormemente en la velocidad de una reacción. [9]

Concentración

La velocidad de reacción aumenta con la concentración, como está descrito por la ley de

velocidad y explicada por la teoría de colisiones. Al incrementarse la concentración de los

reactantes, la frecuencia de colisión también se incrementa.

12

Presión

La velocidad de las reacciones gaseosas se incrementa muy significativamente con la presión,

que es, en efecto, equivalente a incrementar la concentración del gas. Para las reacciones en

fase condensada, la dependencia en la presión es débil, y sólo se hace importante cuando la

presión es muy alta.

Orden

El orden de la reacción controla cómo afecta la concentración (o presión) a la velocidad de

reacción. [9]

Temperatura

Generalmente, al llevar a cabo una reacción a una temperatura más alta provee más energía

al sistema, por lo que se incrementa la velocidad de reacción al ocasionar que haya más

colisiones entre partículas, como lo explica la teoría de colisiones. Sin embargo, la principal

razón porque un aumento de temperatura aumenta la velocidad de reacción es que hay un

mayor número de partículas en colisión que tienen la energía de activación necesaria para que

suceda la reacción, resultando en más colisiones exitosas.

La influencia de la temperatura está descrita por la ecuación de Arrhenius. Como una regla

de cajón, las velocidades de reacción para muchas reacciones se duplican por cada aumento

de 10 ° C en la temperatura, aunque el efecto de la temperatura puede ser mucho mayor o

mucho menor que esto.

Solvente:

Muchas reacciones tienen lugar en solución, y las propiedades del solvente afectan la

velocidad de reacción. La fuerza iónica también tiene efecto en la velocidad de reacción.

Radiación electromagnética e intensidad de luz

La radiación electromagnética es una forma de energía. Como tal, puede aumentar la

velocidad o incluso hacer que la reacción sea espontánea, al proveer de más energía a las

partículas de los reactantes. Esta energía es almacenada, en una forma u otra, en las partículas

reactantes (puede romper enlaces, promover moléculas a estados excitados electrónicos o

vibracionales, etc.), creando especies intermediarias que reaccionan fácilmente. Al aumentar

la intensidad de la luz, las partículas absorben más energía, por lo que la velocidad de reacción

aumenta. Por ejemplo, cuando el metano reacciona con cloro gaseoso en la oscuridad, la

velocidad de reacción es muy lenta. Puede ser acelerada cuando la mezcla es irradiada bajo

luz difusa. [9]

13

Un catalizador

La presencia de un catalizador incrementa la velocidad de reacción (tanto de las reacciones

directa e inversa) al proveer de una trayectoria alternativa con una menor energía de

activación. Por ejemplo, el platino cataliza la combustión del hidrógeno con el oxígeno a

temperatura ambiente.

Isótopos

El efecto isotópico cinético consiste en una velocidad de reacción diferente para la misma

molécula si tiene isótopos diferentes, generalmente isótopos de hidrógeno, debido a la

diferencia de masa entre el hidrógeno y el deuterio. [9]

Superficie de contacto

En reacciones en superficies, que se dan por ejemplo durante catálisis heterogénea, la

velocidad de reacción aumenta cuando el área de la superficie de contacto aumenta. Esto es

debido al hecho de que más partículas del sólido están expuestas y pueden ser alcanzadas por

moléculas reactantes.

Mezclado

El mezclado puede tener un efecto fuerte en la velocidad de reacción para las reacciones en

fase homogénea y heterogénea. [9]

1.6.1. Cinética de reacción. La cinética química es el estudio de las velocidades de reacciones

químicas y los mecanismos de reacción. En el estudio de la ingeniería de las reacciones químicas

(CRE), se combina el estudio de la cinética química con los reactores en los cuales se llevan a

cabo dichos procesos. El diseño de reactores y la cinética química constituyen la base de la

producción de casi todos los productos químicos industriales, tales como la manufactura de

nuevos productos. La selección de un sistema de reacción que opere de la forma más segura y

eficiente puede ser la clave para el éxito o el fracaso económico de una planta química. [10]

1.6.1.1. Velocidad de reacción. La velocidad de una reacción nos indica con qué rapidez se

consume cierta cantidad de moles de una especie química para formar otra especie química. El

término especie química se refiere a cualquier compuesto o elemento químico con una identidad

dada. La identidad de una especie química la determinan el tipo, el número y la configuración de

los átomos de esa especie. [11]

14

La definición matemática de velocidad de una reacción química ha sido fuente de confusión en la

literatura sobre química e ingeniería química durante muchos años. El origen de esta confusión

se deriva de los experimentos a escala de laboratorio que se realizaron para obtener datos de

velocidades de reacciones químicas. Estos primeros experimentos se realizaban de manera

intermitente, en un recipiente de reacción cerrado y rígido; en consecuencia, la reacción se llevaba

a cabo a volumen constante. Los reactivos se mezclaban en el tiempo t = 0, en tanto la

concentración de uno de los reactivos, CA, se medía a distintos tiempos t. Se determinaba la

velocidad de reacción a partir de la pendiente de una gráfica de CA en función del tiempo.

Considerando que rA es la velocidad de formación de A por unidad de volumen (por ejemplo,

mol/s*dm3), los investigadores definían y reportaban la velocidad de la reacción química como:

rA =dCA

dt (2)

Es simplemente un balance molar que sólo es válido para un sistema intermitente a volumen

constante. La ley de velocidad de una reacción química es esencialmente una ecuación algebraica

que involucra la concentración, no una ecuación diferencia. Por ejemplo, la forma algebraica de

la ley de velocidad – rA para la reacción: [12]

A → productos 8

Puede estar en función lineal de la concentración

rA = kCA (3)

1.6.2. Ecuación general de balance molar. Para realizar un balance de moles en cualquier

sistema, primero hay que especificar las fronteras del sistema. El volumen encerrado por dichas

fronteras se conoce como volumen del sistema. Realizaremos un balance de moles para la especie

j en un volumen del sistema, donde j representa una especie química específica de interés. [13]

Figura 1. Balance en el volumen del sistema

15

Un balance de moles para la especie j en cualquier instante del tiempo, t, da la siguiente ecuación:

[

Velocidad de flujo de j que

entra al sistema(moles/tiempo)

] − [

Velocidad deflujo de j que

saledel sistema (moles/tiempo)

] +

[

Velocidad degeneracion de j porreacción químicadentro del sistema(moles/tiempo) ]

=

[

Velocidad deacumulacionde j dentrodel sistema

(moles/tiempo)]

(4)

E N T R A D A – S A L I D A + G E N E R A C I Ó N = A C U M U L A C I Ó N

Fj0 − Fj + Gj = dNj

dt (5)

Donde Nj representa el número de moles de la especie j en el sistema en el tiempo t. Si todas las

variables del sistema (por ejemplo, temperatura, actividad catalítica, concentración de la especie

química) son espacialmente uniformes en todo el volumen del sistema, la velocidad de generación

de la especie j, Gj, es sólo el producto del volumen de reacción V, por la velocidad de formación

de la especie j, rj:

Gj = rj ∗ V (6)

moles

tiempo=

moles

tiempo ∗ volumen∗ volumen

Figura 2. División de volumen del sistema V

La velocidad de generación, ∆Gjl, en términos de rjl y el subvolumen, ∆V1, es:

∆Gj1 = rj1 ∗ ∆V1 (7)

Se pueden escribir expresiones similares para ∆Gj2 y los otros subvolúmenes del sistema ∆Vi, La

velocidad total de generación dentro del volumen del sistema es la suma de todas las velocidades

de generación en cada uno de los subvolúmenes. Si el volumen total del sistema se divide en M

subvolúmenes, la velocidad total de generación es: [13]

16

Gj = ∑∆Gji

M

I=1

= ∑rji

M

i=1

∗ ∆Vi (8)

Tomando los límites adecuados (por ejemplo, sea M → ∞ y ∆V→ 0) Y usando la definición de

una integral, es posible escribir la ecuación anterior en la forma:

Gj = ∫ rj ∗ dVV

0

(9)

En esta ecuación vemos que rj será una función indirecta de la posición, ya que las propiedades

de los materiales que reaccionan y las condiciones de reacción (por ejemplo, concentración,

temperatura) pueden tener diferentes valores en distintos puntos dentro del reactor. [13]

Ahora sustituimos Gj en la ecuación (9) por su forma integral para obtener una forma de la

ecuación general del balance de moles para cualquier especie química j que esté entrando,

saliendo, reaccionando o acumulándose dentro de cualquier volumen del sistema V. [13]

Fj0 − Fj + ∫ rj ∗ dVV

0

=dNj

dt (10)

A partir de esta ecuación general de balance de moles podemos desarrollar las ecuaciones de

diseño para diversos tipos de reactores industriales: discontinuo, semicontinuo y de flujo

continuo.

1.6.3. Diseño de reactores

1.6.3.1. Reactores intermitentes (Batch). Un reactor intermitente se emplea para operaciones a

pequeña escala para probar nuevos procesos que aún no se han desarrollado en su totalidad, para

fabricar productos costosos y para procesos difíciles de convertir en operaciones continuas. El

reactor intermitente tiene la ventaja de permitir una alta conversión, que puede obtenerse dejando

el reactivo dentro del reactor por periodos prolongados. [13]

Un reactor intermitente no tiene flujo de entrada de reactivos ni flujo de salida de productos

mientras se efectúa la reacción: Fj0 = Fj = 0. El balance general de moles resultante para la especie

j es:

17

dNj

dt= ∫ rj ∗ dV

V

0

(11)

Si la mezcla de reacción es perfectamente mezclada, de manera que no hay variación en la

velocidad de reacción en todo el volumen del reactor, es posible sacar r j de la integral, integrar y

escribir el balance de moles en la forma

dNj

dt= rj ∗ V (12)

1.6.3.2. Reactores de flujo continuo. Los reactores de flujo continuo casi siempre se operan en

estado estacionario. Consideraremos tres tipos: el reactor continuo de mezcla perfecta (CSTR), el

reactor de flujo tapón (PFR) y el reactor empacado (PBR). [13]

Reactor continuo de mezcla perfecta

Un tipo de reactor de uso común en procesos industriales es el reactor continuo de mezcla

perfecta. Se llama reactor continuo de mezcla perfecta (CSTR) o reactor de retromezcla

(backmix), y se emplea sobre todo para reacciones en fase líquida. Normalmente se opera en

estado estacionario y se asume que produce una mezcla perfecta. No hay dependencia del tiempo

o de la posición en la temperatura, la concentración o de la velocidad de reacción dentro del

CSTR. Es decir, todas las variables son iguales en todos los puntos del interior del reactor. Como

la temperatura y la concentración son también idénticas en todo el interior del recipiente de

reacción, son las mismas en el punto de salida. [13]

Se aplica a un CSTR que opera en estado estacionario (es decir, las condiciones no cambian con

el tiempo),

dNj

dt= 0 (13)

En el cual no hay variaciones espaciales en la velocidad de reacción (es decir, hay mezclado

perfecto),

∫ rj ∗ dVV

0

= V ∗ rj (14)

18

La ecuación adopta la forma conocida como ecuación de diseño para un CSTR:

V =Fj0 − Fj

−rj (15)

La ecuación de diseño del CSTR da el volumen de reactor V necesario para reducir la velocidad

de flujo de entrada de la especie j, desde Fj0 a la velocidad de flujo de salida Fj, cuando la especie

j desaparece a velocidad de –rj. [13]

Reactor Tubular

Consta de un tubo cilíndrico y normalmente opera en estado estacionario, igual que el CSTR. Los

reactores tubulares se emplean con mayor frecuencia para reacciones en fase gas. En el reactor

tubular, los materiales que reaccionan se consumen de manera continua a medida que fluyen a lo

largo del reactor. Al modelar el reactor tubular asumimos que la concentración varía

continuamente en la dirección axial a todo lo largo del reactor. [13]

El volumen diferencial ∆V, que se muestra en la, se elegirá de manera que sea suficientemente

pequeño para que no haya variaciones espaciales en la velocidad de reacción dentro de este

volumen. Por lo tanto, el término de generación, ∆G es: [13]

∆Gj = ∫ rj ∗ dV∆V

0

= rj ∗ ∆V (16)

Figura 3. Balance de moles para la especie j en el volumen ∆V

[

Velocidad de flujo molar dela especie j.Entrada a V

] − [

Velocidad de flujo molar dela especie j.

Salida a (V + ∆V)

] +

[

Velocidad molar de

generaciónde la especie jdentro de ∆V ]

=

[

Velocidad molar de

acumulaciónde la especie jdentro de ∆V ]

(17)

19

E N T R A D A – S A L I D A + G E N E R A C I Ó N = A C U M U L A C I Ó N

Fj V − Fj V+∆V + rj ∗ ∆V = 0 (18)

Dividiendo entre ∆V y reordenando

[Fj V − Fj V+∆V

∆V] = rj (19)

El término entre corchetes se asemeja a la definición de la derivada

lim∆𝑥→0

[f(x+∆x) − F∆x

∆x] =

df

𝑑𝑥 (20)

Tomando el límite cuando ∆V tiende a cero, obtenemos la forma diferencial del balance de moles

en estado estacionario para un PFR. [13]

dFj

dV= rj (21)

Reactor de lecho empacado

La principal diferencia entre los cálculos de diseño de reactores en los que intervienen reacciones

homogéneas y aquellos en los cuales se realizan reacciones heterogéneas, fluido- sólido, es que

en el segundo caso la reacción tiene lugar sobre la superficie del catalizador. Por consiguiente, la

velocidad de reacción se basa en la masa de catalizador sólido, W, y no el volumen de reactor, V.

Para un sistema heterogéneo fluido – sólido, la velocidad de reacción de una sustancia A se define

como:

-r´A = mol de A que reaccionó/s*g catalizador

Se usa la masa de catalizador sólido porque la cantidad de catalizador es importante en la

velocidad de formación del producto. El volumen del reactor que contiene el catalizador tiene

importancia secundaria. [13]

La deducción de la ecuación de diseño para un moles para PBR reactor catalítico de lecho

empacado (PBR) se efectuará de forma análoga al desarrollo de la ecuación de diseño para reactor

tubular. Para llevar a cabo esta deducción, simplemente sustituiremos la coordenada de volumen

de la ecuación (21) por la coordenada de peso del catalizador W.

20

Figura 4. Esquema de un reactor de lecho empacado

Igual que en el PFR, se asume que el PBR no tiene gradientes radiales de concentración,

temperatura o velocidad de reacción. El balance de moles generalizado para la especie A sobre el

peso de catalizador ∆W da la ecuación: [13]

E N T R A D A – S A L I D A + G E N E R A C I Ó N = A C U M U L A C I Ó N

FA W − FA W+∆W + r´A ∗ ∆W = 0 (22)

Después de dividir entre ∆W y tomar el límite cuando ∆W → 0, llegamos a la forma diferencial

del balance de moles para un reactor de lecho empacado: [13]

dFA

dW= r´A (23)

1.6.4. Materias primas

1.6.4.1. Hidróxido de potasio. El hidróxido de potasio se utiliza para fabricar jabón suave, en

frotado y operaciones de limpieza, como penetrante para bosque, en tintes y colorantes, y para la

absorción de dióxido de carbono. Otros usos principales de potasa cáustica están en la preparación

de varias sales de potasio, valoraciones ácido – base, y en la síntesis orgánica. Además, es un

electrolito de KOH en ciertas baterías de almacenamiento alcalino y celdas de combustible. [14]

21

1.6.4.2. Propiedades

Puro, Hidróxido de potasio sólido puro, KOH, potasa cáustica, Sr. 56.11, p 2,044 g / cm3, punto

de fusión 410 ºC, punto de ebullición 1327 ºC, calor de fusión 7,5 kJ / mol, es una sustancia blanca

y dura. Es delicuescente y absorbe vapor de agua y dióxido de carbono del aire. El hidróxido de

potasio se disuelve fácilmente en alcoholes y agua (calor de solución de 53,51 kJ/mol). La

solubilidad de KOH (gKOH/100gH2O) en agua se muestra a continuación:

Temperatura, ºC 0 10 20 30 50 100

Solubilidad 97 103 112 126 140 178

Los mono-, di-, y tetrahidratado se forman con agua. Hidróxido de potasio acuoso es un líquido

incoloro, fuertemente básico, jabón, líquido cáustico, cuya densidad depende de la concentración:

Concentración, % en peso 10 20 30 40 50

Densidad, g / cm3 1,092 1,188 1,291 1,395 1,514

Potasa cáustica técnica (90 – 92 % KOH) funde a condiciones atmosféricas. 250 ºC; el calor de

fusión es condiciones atmosféricas. 6,7 kJ / mol. [15]

1.6.5. Ácido fórmico

1.6.5.1. Historia. El ácido fórmico (ácido metanoico) es el primer miembro de la serie homóloga

de ácidos carboxílicos de alquilo. Se produce naturalmente en las secreciones defensivas de un

número de insectos, en particular de las hormigas. Aunque la naturaleza ácida de los vapores por

encima de nidos de hormigas había sido conocida desde al menos 1488, el ácido puro no fue

aislado hasta 1671, cuando el químico británico John Ray describe el aislamiento del ácido puro

por destilación de hormigas. Este sigue siendo el método preparativo principal durante más de un

siglo hasta que un método conveniente de laboratorio fue descubierto por Gay – Lussac. [16]

La preparación de formiatos utilizando monóxido de carbono fue descrito por Berthelot en 1856.

El ácido fórmico fue producto de modesta importancia industrial hasta la década de 1960 cuando

se hizo disponible como un subproducto de la producción de ácido acético por oxidación en fase

líquida de hidrocarburos.

22

Desde entonces, han aparecido los procesos de primera intención y la capacidad mundial ha

subido a alrededor de 330.000 t / año, haciendo de este un producto químico de volumen medio.

El ácido fórmico tiene una variedad de usos industriales, incluyendo la conservación de ensilado,

el acabado de textiles, y como un producto químico intermedio. [16]

1.6.5.2. Propiedades físicas. El ácido fórmico es un líquido incoloro, altamente corrosivo con

un olor intenso y picante. Sus propiedades físicas básicas se dan en la Tabla 3. El ácido fórmico

es totalmente miscible con agua, acetona, éter, acetato de etilo, metanol y etanol. [16]

Se disuelve en la medida de aproximadamente 10% en benceno, tolueno y xilenos y, en menor

medida, en los hidrocarburos alifáticos. El ácido fórmico es inusual en la formación de un

azeótropo de alto punto de ebullición (punto de ebullición = 107 ºC a presión normal) con agua,

que contiene 77,5% en peso del ácido.

Las mezclas azeotrópicas se forman también con muchas otras sustancias. El ácido fórmico y el

agua forman una mezcla eutéctica que se congela a -48.5 ºC y contiene 70% en peso de ácido

fórmico. [16]

Tabla 3. Propiedades físicas del ácido fórmico

PROPIEDAD VALOR

Peso molecular 46,026

Punto de fusión, ºC 8,4

Punto de ebullición, ºC 100,7

Densidad, g / cm3 a 20 °C 1,220

Índice de refracción 𝑛𝑑20 1,3714

La tensión superficial a 20 °C, mN / m (= dinas / cm) 37,67

Viscosidad a 20 ºC, mPa • s (= cP) 1,784

Conductancia específica, Ω / m 6,08*10-3

Constante Dieléctrica a 20 °C 57,9

Calor latente de vaporización a punto de ebullición, kJ / kg 483

Energía libre de formación, ∆Gof (g), kJ / mol -351

Entalpía de formación, ∆Hof (g), kJ / mol -377

Fuente: KIRK – OTHMER. Enciclopedia of Chemical Tecnology, Cuarta Edición. Estados

Unidos. Watcher, 1998. Vol 11. p. 503

23

En la fase de vapor de ácido fórmico forma un dímero con enlaces de hidrógeno:

A temperatura ambiente y presión atmosférica, el 95% del vapor consiste en dímeros. Las

propiedades del vapor se desvían considerablemente de comportamiento de gas ideal debido a la

dimerización. En el estado sólido, ácido fórmico forma cadenas infinitas que consiste en

monómeros unidos por enlaces de hidrógeno:

La estructura de la cadena persiste en ácido fórmico líquido, pero en solución en hidrocarburos

predomina la forma dimérica. [16]

1.6.5.3. Propiedades químicas. El ácido fórmico exhibe muchas de las propiedades químicas

típicas de los ácidos carboxílicos alifáticos, por ejemplo, esterificación y amidación, pero, como

es común para el primer miembro de una serie homóloga, hay diferencias distintivas en las

propiedades entre el ácido fórmico y sus homólogos superiores. El efecto inductivo más pequeño

de hidrógeno en comparación con un grupo alquilo que lleva, por ejemplo, al ácido fórmico (pK

= 3,74) que es un ácido considerablemente más fuerte que el ácido acético (pK = 4,77). Y de

hecho el más fuerte de los ácidos carboxílicos simples, no sustituido. El hidrógeno también puede

ser formilo observaba como confiriendo un poco de carácter aldehído, y ácido fórmico, por

ejemplo, reduce acuoso de nitrato de plata para producir plata metálica, ésteres se forman del

ácido fórmico con alcoholes primarios, secundarios y terciarios. La alta acidez de ácido fórmico

hace uso de los catalizadores de ácidos minerales habituales innecesarios en esterificaciones

simples. El ácido fórmico reacciona con la mayoría de aminas para formar compuestos amino

formilo. Con ciertas diaminas se produce la formación de imidazol, una reacción que tiene utilidad

sintética: [16]

24

9

El ácido fórmico puede descomponer ya sea por deshidratación, HCOOH → H2O + CO (∆GO =

-30,1 kJ / mol; ∆HO = 10.5 kJ / mol) o por deshidrogenación, HCOOH → H2 + CO2 (∆GO = -58,6

kJ / mol; ∆HO = -31,0 kJ / mol).

La cinética de estas reacciones se ha estudiado ampliamente. En los catalizadores metálicos en

fase gaseosa a favor de deshidrogenación, mientras que los catalizadores de óxido favorecen la

deshidratación. La deshidratación es la principal vía de descomposición en la fase líquida, y es

catalizada por ácidos fuertes. El mecanismo se cree que es como sigue:

HCOOH + H+ → HCOOH2+ → HCO+ + H2O 10

HCO+ → H+ + CO 11

El catión formilo, HCO+, es también probable que sea un producto intermedio en la modificación

de la reacción de Koch mediante el cual el ácido fórmico reacciona con olefinas para dar ácidos

carboxílicos: [16]

12

Esta reacción se produce fácilmente en presencia de ácido sulfúrico o ácido fluorhídrico. En

ausencia de tales ácidos fuertes, ácido fórmico reacciona fácilmente con olefinas para dar ésteres

de formiato. El anhídrido de ácido fórmico no ha sido aislado, pero anhídridos mixtos son

conocidos, y, con ácido acético, estos últimos tienen utilidad como agentes de formilación. El

haluro de formilo sólo conocido es el fluoruro, que tiene un punto de ebullición de – 29 ºC. [16]

25

1.7. Aplicaciones del formiato de potasio

Agentes anticongelantes

Aplicaciones descongelantes y anticongelantes

Medio termotransferente

Operaciones de perforación y producción en campos de petróleo

Producto químico del tratamiento del agua

Reactivos para laboratorio Agentes de deshielo y anti hielo

Refrigerantes

Industria Alimentaria

Los fluidos de perforación para la extracción de petróleo y la minería

Aditivos para la industria de la construcción

Aditivos para poliuretanos, espumas duras

Adiciones para los revestimientos de suelo con función antiestática

Producción de polímeros, látex

Los retardantes de llama

Impresión, de textiles y la industria del cuero (pigmentos, curtido)

Metalurgia y acabados

Los aditivos para Alimento animal

Es ampliamente utilizado en la construcción como aditivo anti – congelación para hormigón y

aditivo a los adhesivos para baldosas. También sirve como refrigerante en los congeladores

industriales y como agente de formación de hielo. Industria de alimentos encuentra su uso como

un agente conservante y un sustituto de sal (NaCl). [17]

26

2. TRANSFERENCIA DE CALOR

2.1. Procesos de transferencia de calor

La ciencia de la termodinámica trata de las transiciones cuantitativas y reacomodos de energía

como calor en los cuerpos de materia. La ciencia de la transferencia de calor está relacionada con

la razón de intercambio de calor entre cuerpos calientes y fríos llamados fuente y recibidor.

En las industrias, el proceso de transferencia de calor entre dos fluidos casi siempre se lleva a

cabo en intercambiadores de calor, donde la transferencia de calor se efectúa por convección

desde el fluido caliente a la pared o la superficie de los tubos, a través de los tubos o placas por

conducción, y finalmente por convención al fluido frío. [18]

2.2. Mecanismos básicos de transferencia de calor

La transferencia de calor puede verificarse por medio de uno o más de los tres mecanismos de

transferencia: conducción, convección o radiación. [19]

2.2.1. Conducción. Por este mecanismo, el calor puede ser conducido a través de sólidos,

líquidos y gases. La conducción se verifica mediante la transferencia de energía cinética entre

moléculas adyacentes. En un gas las moléculas “más calientes”, que tienen más energía y

movimiento, se encargan de impartir energía a moléculas colindantes que están a niveles

energéticos más bajos. Este tipo de transferencia siempre está presente, en mayor o menor grado,

en sólidos, líquidos y gases en los que existe un gradiente de temperatura. [19]

En la conducción la energía también se transfiere por medio de electrones “libres”, un proceso

muy importante en los sólidos metálicos. Entre los ejemplos en los que la transferencia se verifica

ante todo por conducción, se cuentan la transferencia a través de paredes o intercambiadores de

una nevera, el tratamiento térmico en el forjado de acero, la congelación del suelo durante el

invierno, etcétera.

27

2.2.2. Convección. La transferencia de calor por convección implica el transporte de calor en un

volumen y la mezcla de elementos macroscópicos de porciones calientes y frías de un gas o un

líquido. Además, con frecuencia incluye también el intercambio de energía entre una superficie

sólida y un fluido. Conviene aclarar que hay una diferencia entre la transferencia de calor por

convección forzada en la que se provoca el flujo de un fluido sobre una superficie sólida por

medio de una bomba, un ventilador, u otro dispositivo mecánico y la convección libre o natural,

en la cual un fluido más caliente o más frío que está en contacto con la superficie sólida causa una

circulación debido a la diferencia de densidades que resulta del gradiente de temperaturas en el

fluido. Entre los ejemplos de transferencia de calor por convección puede citarse la pérdida de

calor en el radiador de un automóvil (un ventilador hace circular aire), la cocción de alimentos en

un recipiente que se agita, el enfriamiento de una taza de café caliente al soplar en su superficie,

etcétera. [19]

2.2.3. Radiación. La radiación difiere de la conducción y la convección en cuanto a que no se

requiere un medio físico para la transferencia. La radiación es la transferencia de energía a través

del espacio por medio de ondas electromagnéticas, de manera similar a las ondas

electromagnéticas que propagan y transfieren la luz. La transferencia radiante de calor se rige por

las mismas leyes que dictan el comportamiento de la transferencia de luz. Los sólidos y los

líquidos tienden a absorber la radiación que está siendo transferida a través de ellos, por lo que la

radiación es más importante en la trasferencia a través del espacio o de gases. El ejemplo de

radiación más ilustrativo es el transporte de calor del Sol a la Tierra. Otros ejemplos son la cocción

de alimentos cuando se hacen pasar bajo calentadores eléctricos al rojo, el calentamiento de

fluidos en serpentines dentro de un horno de combustión, etcétera. [19]

2.3. Procesos por lotes y de estado inestable

En la formulación del formiato se presenta una operación discontinua en la cual se tiene como

objetivo el enfriamiento de un recipiente. El sistema es un proceso en estado inestable debido a

que el flujo de calor y la temperatura varían con el tiempo en un punto fijo. Los procesos de estado

inestable se caracterizan porque el flujo de calor, la temperatura o ambas varían al transcurrir del

tiempo en un punto fijo. Lo anterior es debido a que la reacción generada en el reactor es

exotérmica. [20]

Estos son procesos típicos en los que ocurren cambios discontinuos de calor con cantidades

específicas de material.

28

Entre las varias razones que existen para usar un proceso por lote se han determinado varios

factores, siendo los más importantes:

a) El líquido que se procesa no se encuentra disponible continuamente.

b) El medio calefactor o enfriador no se encuentra disponible continuamente.

c) Tiempos de reacción o permanencia.

d) Procesar lotes grandes intermitentemente presenta mayor economía que utilizar un proceso

continuo. [20]

2.4. Reactores

Las reacciones líquido/líquido de importancia industrial son bastante numerosas. Ejemplos de

estas son la producción de jabón empleando grasas y álcali, nitración de compuestos aromáticos.

Dichas reacciones pueden llevarse a cabo en cualquier tipo de equipo que sea adecuado para la

operación de extracción física, incluidos precipitadores, decantadores y torres de diferentes tipos.

Los equipos más adecuados son los tanques con agitación mecánica ya que pueden proporcionar

una superficie interfacial de hasta 100 veces la proporcionada por las torres de rociado, por

ejemplo. Las necesidades energéticas de un mezclador normalmente son del orden de 5 HP/1000

galones, mientras que las velocidades punta de un agitador tipo turbina son de 4.6 a 6.1 m/s.

Consecuentemente las reacciones liquido/liquido no pueden será tan sensibles a la temperatura

como las reacciones químicas ordinarias, aunque puede afectar la viscosidad del producto. Los

reactores químicos se clasifican en dos formas; dependiendo del tipo de operación y segundo por

sus características de diseño. [21]

Por la forma de operarlos:

a) Discontinuos:

Este tipo admite todos los reactivos al inicio del proceso y durante el cual no se alimenta o se

extrae ningún material. Se usa principalmente en producción a pequeña escala.

b) Continuos:

Reactivos se introducen y productos se extraen al mismo tiempo en forma continua. [21]

c) Semicontinuo:

Algunos de los reactivos cargados en un inicio y los restantes se dosifican continuamente.

29

Por su forma física:

d) Reactor tanque:

Es el de uso más común y está equipado con medios de agitación y transferencia de calor. El

tanque produce un mezclado casi perfecto.

e) Reactor tubular:

Es un tubo continuo o varios en paralelo y los reactivos ingresan en un extremo y el producto

sale por el otro. [21]

f) Reactor de torre:

Estructura cilíndrica vertical. Y se utiliza para procesos continuos.

2.5. Estudio de opciones de cálculo

Como parte de las metas de todo ingeniero químico está el desarrollar equipos necesarios para

transformar las materias primas en productos terminados. Para ello son necesario tres aspectos:

a) Selección del tipo de equipo entre muchas alternativas de diseño

b) Especificar las condiciones de funcionamiento

c) Determinar el tamaño necesario del equipo

Uno de los principales problemas que se tiene es que muy pocas variables están definidas y en

cambio muchas otras son indefinidas. Además se realizan suposiciones de equipos que deben

emplearse y como deben comunicarse.

Datos importantes que se deben conocer:

a) Equipos requeridos

b) Posibles procesos de manufactura

c) Propiedades físicas, químicas y termodinámicas de la materia prima y de los productos

deseados y secundarios

d) Aspectos de seguridad relacionados con el material y los procesos.

e) Materiales de construcción

f) Capacidad extra deseada.

g) Operaciones unitarias que intervienen en el proceso.

h) Modificaciones que se pueden dar en el diseño.

30

Normalmente se pretende encontrar la alternativa más económica, pero es también necesario

garantizar que el proceso seleccionado sea seguro, de fácil arranque, operación y mantenimiento.

Muchas de las grandes empresas dedican un gran porcentaje de sus utilidades a la investigación

y desarrollo de nuevos productos o mejores alternativas de producción.

2.6. Metodología de cálculo

El procedimiento y evaluación de alternativas para la recuperación de calor en un reactor agitado

de formiato de potasio para la planta piloto está dado bajo los criterios técnicos utilizados en

Ingeniería Química.

2.6.1. Análisis técnico. Se procedió a realizar una prueba piloto de la obtención de formiato de

potasio a escala de laboratorio, utilizándose para ello un recipiente aislante sin flujo de

enfriamiento. A partir de los datos obtenidos se realizó la curva de temperatura vs. tiempo (ver

gráfico 2), siendo la base para los cálculos de los equipos evaluados.

Para esta recopilación de datos se debe recurrir a múltiples fuentes bibliográficas, proveedores y

artículos de publicaciones periódicas especializadas en ingeniería química y en otros tópicos de

importancia relacionados con el tema. Para conceptualizar y definir el proceso se debe conocer

las bases y suposiciones necesarias que se van a dar en el diseño de equipos. Se debe definir la

metodología que se va a seguir, se debe tomar en cuenta estas interrogantes:

a) Precisión de los resultados.

b) Principales equipos que se utilizaran.

Las principales etapas que poseerá el proceso.

2.7. Transferencia de calor en tanques agitados

Entre las aplicaciones habituales de procesos químicos y biológicos, se requiere el uso de

recipientes agitados en operaciones discontinuas en las cuales se presenta un calentamiento o

enfriamiento del reactor agitado, manteniendo una temperatura constante durante el periodo de

reacción, por lo que en la actualidad se utilizan dos tipos de sistemas de intercambio de calor,

siendo estos: [22]

31

a) Chaquetas de enfriamiento o calentamiento.

b) Serpentines de tubería.

2.7.1. Recipientes enchaquetados con agitación mecánica. Se utilizan cuando se precisa de una

limpieza frecuente del tanque en cuestión, así como recipientes en los cuales sea difícil colocar

serpentines internos. Este proporciona un mejor coeficiente global de transmisión de calor que

los serpentines externos. Contrariamente se dispone de área limitada para llevar a cabo la

transmisión de calor, así como el fluido líquido no mantiene uniformes sus características en el

interior de la camisa. En la figura 5 se muestra un recipiente enchaquetado estándar. Consiste de

un recipiente y su chaqueta y los medios apropiados para circular el líquido dentro de la misma y

un agitador de aspas planas.

Las dimensiones básicas para el cálculo de chaquetas son: altura de la porción húmeda del

recipiente Z, diámetro del recipiente D, longitud de la paleta del agitador L y la altura desde el

fondo de la paleta hasta el fondo del recipiente B. [22]

Figura 5. Tanque enchaquetado

2.7.2. Serpentines de tubos. El serpentín de tubos proporciona uno de los medios más baratos

de obtener superficie para transferencia de calor. Para el diseño de serpentines para transferencia

de calor se debe determinar el área de transmisión de calor necesaria para mantener el líquido

contenido dentro del tanque a una temperatura constante o para aumentarla o disminuirla, en un

tiempo determinado.

32

Los serpentines de calentamiento se colocan en la zona baja del tanque, mientras que los de

enfriamiento se sitúan en la parte alta del tanque. Pueden también estar colocados en pendiente

para facilitar su drenaje. Generalmente, los serpentines se fabrican en gran variedad de

configuraciones y materiales partiendo de las aplicaciones y geometría del recipiente. Se

construyen doblando longitudes variables de tubería de cobre, acero o aleaciones, para darle forma

de hélices, o serpentines helicoidales dobles en los que la entrada y salida están convenientemente

localizadas lado a lado. El espesor de pared a seleccionar varía con el tipo de servicio y el material.

En el caso de serpentines de acero al carbón se fabrican con tubería catalogo 80 o superior para

que pueda resistir cierto grado de corrosión. Los de acero inoxidable u otras aleaciones resistentes

a la corrosión, pueden utilizarse tubería catalogo 5 o 10 para obtener costos mínimos, aunque se

requieren soldaduras de alta calidad para este tipo de paredes delgadas, a fin de asegurar un

servicio sin problemas. [23]

Los diferentes tipos de serpentines son:

a) Serpentines helicoidales de cualquier tipo:

Se instalan frecuentemente en recipientes cilíndricos verticales, ya sea con agitador o sin él,

y siempre se provee de espacio entre el serpentín y la pared del recipiente para circulación.

Cuando estos serpentines se usan con agitación mecánica, el eje vertical del agitador

corresponde usualmente al eje vertical del cilindro. [23]

b) Serpentines de doble espiral:

Pueden instalarse dentro de corazas con sus conexiones pasando a través de la coraza o sobre

su tapa. Tales aparatos son similares a un intercambiador tubular, aunque limitados a

pequeñas superficies.

c) Serpentín de espiral plano:

Espiral enrollado en un plano de manera que se puede localizar cerca del fondo de un

recipiente para transferir calor por convección libre. [23]

33

Figura 6. Tipos de serpentines

La manufactura de los serpentines, particularmente con diámetros superiores a 1 pulgada, requiere

técnicas especiales para evitar que el tubo se colapse dando secciones elípticas, lo cual reduce el

área de flujo del líquido en el interior. [23]

2.8. Consideraciones para el calentamiento y enfriamiento de lotes agitados

Calentamiento y enfriamiento de lotes agitados. Hay varios modos de considerar los procesos de

transferencia de calor por lotes. Si se desea lograr cierta operación en un tiempo dado, los

requerimientos de superficie usualmente se desconocen. Para los procesos de transferencia de

calor por lote o discontinuos, se consideran las siguientes suposiciones: [24]

a) U es constante en toda la superficie y para el proceso completo.

b) El flujo de líquido de enfriamiento es constante.

c) Los calores específicos son constantes.

d) La temperatura de entrada constante del medio calefactor o enfriador.

e) La temperatura es homogénea en el fluido agitado (mezcla perfecta).

f) No se tienen cambios parciales de fase.

g) Las pérdidas de calor son despreciables.

Para un serpentín en tanque o recipiente enchaquetado, con un medio refrigerante no isotérmico

se tiene una razón de flujo constante y una temperatura de entrada T1 pero una temperatura de

salida variable. Aparte de lo anterior, cabe aclarar que la agitación aumenta los coeficientes de

película y por ende disminuye el tiempo requerido cuando se calienta o enfrían líquidos a partir

de serpentines en un tanque. [24]

34

2.9. Material a utilizar para construir el equipo de transferencia de calor

Debido a que los reactivos dentro del reactor tanque son corrosivos, se debe de usar acero

inoxidable del cual en el mercado existen más de 70 aleaciones, y las cuales tienen como

característica que son resistentes al calor y a la corrosión, son de fabricación sencilla. Este tipo de

aleaciones se dividen en martensíticos, los cuales contienen entre 12 a 20 % de Cromo (Cr). Los

ferríticos contienen de un 15 a 30 % de Cr con bajo contenido de Carbono C y por último los

austeníticos, los cuales contienen además de Cr cierta cantidad de níquel, lo cual los hace tenaces

y dúctiles a la vez. En la planta se tiene disponible acero inoxidable 316 L, el cual es del tipo

austeníticos. Este material contiene entre un 16 a 18 % de Cr, 10 – 14 % de Ni, 3 % de Molibdeno

(Mo), 0,08 % de C, 1 % de Silicio (Si) y 2 % de Manganeso (Mn).

En esta aleación el Mo incrementa la resistencia a la corrosión, mientras que la reducción de C

sirve para evitar la sensitización durante la soldadura. Está hecho para resistir la corrosión de

ambientes químicos normales, ácidos y reductores. [25]

35

3. AGITACIÓN

3.1. Definición

Entenderemos por agitación la operación por la cual creamos movimientos violentos e irregulares

en el seno de una materia fluida o que se comporte más o menos perfectamente como tal.

Mediante estos movimientos situamos las partículas o moléculas de una o más fases de tal modo

que se obtenga el fin pretendido en el mínimo de tiempo y con un mínimo de aportación

energética. Si la materia que recibe la acción violenta e irregular que hemos citado es una

sustancia única, se trata entonces de una agitación propiamente dicha; si son dos o más especies

o sustancias, sean o no miscibles entre sí, se trata de una mezcla. Si la operación se practica sobre

sistemas pastosos, muy consistentes (masa de pan, hormigón, materias plásticas), nos

encontramos con el caso particular del amasado. [26]

3.2. Objetivos de la agitación

En las industrias químicas de procesos y en otras semejantes, muchas operaciones dependen en

alto grado de la agitación y mezclado eficaz de los fluidos, Por lo general, la agitación se refiere

a forzar un fluido por medios mecánicos para que adquiera un movimiento circulatorio en el

interior de un recipiente. El mezclado implica partir de dos fases individuales, tales como un

fluido y un sólido pulverizado o dos fluidos, y lograr que ambas fases se distribuyan al azar entre

sí. [27]

Existen varios objetivos en la agitación de fluidos y algunos de ellos son:

a. Mezclado de dos líquidos miscibles, tales como alcohol etílico y agua.

b. Disolución de sólidos en líquidos, tales como sal en agua.

c. Dispersión de un gas en un líquido en forma de burbujas pequeñas, como en el caso del

oxígeno del aire en una suspensión de microorganismos para la fermentación, o para el

proceso de activación de lodos en el tratamiento de aguas de desperdicio.

d. Suspensión de partículas sólidas finas en un líquido, tal como en la hidrogenación catalítica

de un líquido, donde las partículas del catalizador sólido y las burbujas de hidrógeno se

dispersan en un líquido.

36

e. Agitación de un fluido para aumentar la transferencia de calor entre dicho fluido y un

serpentín una camisa en las paredes del recipiente.

3.3. Equipo para agitación

Generalmente, los líquidos se agitan en un recipiente cilíndrico que puede estar cerrado o abierto.

La altura del líquido debe equivaler en forma aproximada al diámetro del tanque. Un motor

eléctrico impulsa al propulsor agitador, que está montado en un eje. En la figura 7 se muestra un

sistema de agitación típico. [27]

Figura 7. Tanque con deflectores y agitador de turbina de paletas planas

3.3.1. Agitador propulsor de tres aspas. Existen varios tipos de agitadores de uso común. Uno

de los más conocidos es el agitador de tres aspas de tipo marino, similar a la hélice de un motor

fuera de borda para lanchas. El agitador puede ser móvil para introducirlo lateralmente en el

tanque o estar montado en la pared de un tanque abierto, en posición desplazada del centro. Estos

agitadores giran a velocidades de 400 a 1750 rpm (revoluciones por minuto) y son propios para

líquidos de baja viscosidad. En la figura 7 se muestra el patrón de flujo en un tanque con

deflectores y con un propulsor colocado en el centro del tanque.

Este tipo de patrón de flujo se llama flujo axial, ya que el fluido fluye axialmente hacia abajo en

el eje central o eje de la hélice y hacia arriba a los lados del tanque, como se muestra en la citada

figura. [27]

37

3.3.2. Agitadores de paletas. Para velocidades de 20 a 200 rpm se emplean diversos tipos de

agitadores de paletas. Tal como lo muestra la figura 4a se tienen sistemas de dos a cuatro paletas

planas. La longitud total del propulsor de paletas mide del 60 al 80% del diámetro del tanque y la

anchura de la paleta es de 1/6 a l/10 de su longitud. A bajas velocidades se consigue una agitación

suave en un recipiente sin deflectores. A velocidades más altas se usan deflectores porque, sin

ellos, el líquido simplemente hace remolinos y en realidad casi no se mezcla. El agitador de paletas

no es efectivo para sólidos en suspensión porque, aunque hay un buen flujo radial, hay poco flujo

axial o vertical. Se suele usar una paleta de ancla o compuerta, ilustrada en la figura 8b, la cual

barre o raspa las paredes del tanque y a veces su fondo. Se emplea con líquidos viscosos que

pueden generar depósitos en las paredes y para mejorar la transferencia de calor hacia las mismas,

pero no es buen mezclador. Se suele usar para procesar pastas de almidón, pinturas, adhesivos y

cosméticos. [27]

Figura 8. Tipo de agitadores de turbina de paletas planas

3.3.3. Agitadores de turbina. Cuando se procesan líquidos con amplia diversidad de

viscosidades se usan turbinas semejantes a un agitador de paletas múltiples con aspas más cortas.

El diámetro de una turbina suele medir del 30 al 50 % del diámetro del tanque. Normalmente las

turbinas tienen cuatro o seis aspas. En la figura 8 se muestra un agitador de turbina de seis aspas,

con disco; en la figura 8c se ilustra una turbina plana abierta de seis aspas. Las turbinas con aspas

planas producen un flujo radial, como se muestra en la figura 7. Para dispersar un gas en un

líquido, el gas puede hacerse penetrar justo por debajo del propulsor de la turbina en su eje; de

esa manera las paletas dispersan el gas en muchas burbujas tinas. Con la turbina de hojas

inclinadas que se muestra en la figura 8d, con las aspas a 45º, se imparte cierto flujo axial, de

modo que hay una combinación de flujos radial y axial. Este tipo es útil para sólidos en

suspensión, ya que las corrientes fluyen hacia abajo y luego levantan los sólidos depositados. [27]

38

Figura 9. Tanque con deflectores con un agitador de turbina de seis aspas

3.3.4. Agitadores de banda helicoidal. Este tipo de agitadores se usa para soluciones sumamente

viscosas y opera a pocas rpm, en la región laminar. La banda se forma en una trayectoria helicoidal

y está unida a un eje central. El líquido se mueve en una trayectoria de flujo tortuosa hacia abajo

en el centro y hacia arriba a los lados, con movimiento de giro, Otros tipos semejantes son el de

banda helicoidal doble y el de banda helicoidal con tornillo. [27]

3.3.5. Selección del agitador e intervalos de viscosidad. La viscosidad del fluido es uno de los

diferentes factores que influyen en la selección del tipo de agitador. En seguida se dan algunas

indicaciones de los intervalos de viscosidad de esos agitadores. Los propulsores se usan para

viscosidades del fluido inferiores a 3 Pa*s (3000 cP); las turbinas pueden usarse por debajo de

unos 100 Pa*s (100000 cP); las paletas modificadas como los agitadores tipo ancla se pueden usar

desde más de 50 Pa*s hasta unos 500 Pa*s (500000 cP); los agitadores helicoidales y de tipo

banda se suelen usar desde arriba de este intervalo hasta cerca de 1000 Pa*s y se han utilizado

hasta para más de 25000 Pa*s. Para viscosidades mayores de unos 2,5 a 5 Pa*s (5000 cP) o más,

los deflectores no se necesitan porque hay poca turbulencia. [27]

39

3.4. Sistemas de agitación especiales

3.4.1. Suspensión de sólidos. En algunos sistemas de agitación se suspende un sólido en el

líquido agitado. Hay ejemplos en los que un sólido finalmente disperso se debe disolver en el

líquido, se suspenden microorganismos en la fermentación, se debe producir una mezcla

homogénea de sólido y líquido para alimentar un proceso o se usa un sólido suspendido como

catalizador para apresurar una reacción. La suspensión de sólidos es un tanto parecida a un lecho

fluidizado. En el sistema agitado, las corrientes de circulación del líquido conservan las partículas

en suspensión. La cantidad y tipo de agitación necesaria depende principalmente de la velocidad

terminal de sedimentación de las partículas. [28]

3.4.2. Dispersión de gases y líquidos en líquidos. En los procesos de dispersión de gas-líquido,

el gas se introduce por debajo del impulsor, que corta el gas en burbujas sumamente finas. El tipo

de agitación determina el tamaño de las burbujas y el área interfacial total. Los más típicos de

estos procesos son la aereación en plantas de tratamiento de aguas negras, la hidrogenación de

líquidos mediante hidrógeno gaseoso en presencia de un catalizador, la absorción del soluto de

un gas mediante un líquido, y la fermentación. La potencia requerida por el agitador en los

sistemas de dispersión gas-líquido puede ser hasta del 10 al 50 % menos de la que se necesita

cuando no hay gas presente.

3.4.3. Mezcladoras sin movimiento. La mezcla de dos fluidos puede realizarse en mezcladoras

inmóviles que no tienen partes móviles. En estos dispositivos comerciales, unos elementos

estacionarios que se encuentran dentro de una tubería dividen sucesivamente porciones de la

corriente y luego las recombinan. En un tipo de mezcladoras, un elemento helicoidal corto divide

la corriente en dos y la hace girar 180º. El segundo elemento, puesto a 90º respecto al primero,

vuelve a dividir la corriente en dos. Por cada elemento existen 2 divisiones y recombinaciones, o

2n para n elementos en serie. [28]

Para 20 elementos ocurren cerca de 106 divisiones. Hay disponibles otros tipos que consisten en

barras o placas planas colocadas a lo largo en una tubería. Las caídas a baja presión son

características de todos estos tipos de mezcladoras, y en ellas es bastante buena la mezcla incluso

de materiales sumamente viscosos.

40

4. PARTE EXPERIMENTAL

En este capítulo se detallan los diferentes medios experimentales empleados, para llevar a cabo

la investigación propuesta, los pasos que se siguieron están en función del procedimiento de

obtención de formiato de potasio por neutralización, los cuales son: preparación de las materias

primas, obtención de formiato de potasio mediante el procedimiento seleccionado. Así como los

análisis realizados en la caracterización de la materia prima como también de los productos

obtenidos. La parte experimental se realizó en el Laboratorio de Ingeniería de Las Reacciones

Químicas de la Facultad de Ingeniería Química de la Universidad Central del Ecuador, mientras

que para el análisis instrumental se ocuparon los equipos que se cuenta en el Departamento de

Petróleo Energía y Contaminación (DPEC) y convenio con Petroecuador.

4.1. Condiciones de trabajo

Cantidad de hidróxido de potasio: K1 = 26,1 mL [20,5 M]

Número de revoluciones del agitador: N1 = 50 RPM, N2 = 100 RPM

Volumen de ácido fórmico: V1 = 24,2 mL

Temperatura de enfriamiento: T = 19 ºC

4.2. Sustancias y reactivos

Ácido fórmico al 85% en peso (HCOOH)

Agua Tipo 1 (H2O)*

Agua potable de enfriamiento (H2O)

Hidróxido de sodio grado reactivo (KOH)

* Agua tipo 1: El agua químicamente pura tiene una conductividad de 0.056 µS/cm o 18 MΩ y

una densidad de 1 g/cm3, es el máximo grado de pureza que se puede obtener de acuerdo a los

estándares de la ASTM.

41

4.3. Combinación de condiciones

De acuerdo a las combinaciones establecidas se tendrá las siguientes combinaciones y réplicas.

4.4. Dilución de hidróxido de potasio

4.4.1. Materiales

Vaso de precipitación de 50 mL Ap ± 10 mL

Varilla de vidrio

Probeta de 500 mL Ap ± 1 mL

Termómetro R: (0 – 100) ºC Ap ±1 ºC

4.4.2. Equipos

Balanza Analítica R: (0 – 210) g Ap ± 0,1

K1

N1 V1

ρ1

ρ2

ρ3

ρ4

ρ5

N2 V1

ρ1

ρ2

ρ3

ρ4

ρ5

42

4.4.3. Procedimiento

a. Encerar la balanza analítica para proceder al pesado del soluto.

b. Pesar 30 gramos de Hidróxido de potasio grado reactivo (KOH).

c. Medir 10 mL de agua destilada tipo 1.

d. Disolver el hidróxido de potasio agitando con una varilla de vidrio.

e. Esperar a que la solución sea homogénea.

f. Medir el volumen formado por la solución de hidróxido de potasio con la ayuda de la probeta

de 500 mL.

g. Tomar la temperatura de la solución.

4.5. Armado del equipo agitador

4.5.1. Materiales

Agitador de paletas modificado

Cinta adhesiva

Vaso de precipitación de 50 mL Ap ± 10 mL

4.5.2. Equipos

Motor eléctrico 60Hz / 18 W

4.5.3. Procedimiento

a. Se utilizó el equipo agitador de paletas modificado.

b. Fijar el agitador en las revoluciones deseadas.

c. Para los dos casos expuestos 50 y 100 vueltas por minuto.

d. Colocar el agitador en el reactor (vaso de precipitación de 50 mL Ap ± 10 mL).

e. Agitar la solución de hidróxido de potasio.

f. Esperar que la solución se homogeneice.

43

4.6. Neutralización de la base con ácido fórmico

4.6.1. Materiales

Erlenmeyer de 250 mL Ap ± 25 mL

Probeta de 50 mL Ap ± 0,5 mL

Vaso de precipitación de 100 mL Ap ± 20 mL

Vaso de precipitación de 50 mL Ap ± 10 mL

Pipeta de 1 mL Ap ± 0,1 mL

Embudo de vidrio

Vaso de precipitación de 1000 mL Ap ± 50 mL

Bureta de 50 mL Ap ± 0,1 mL

Cronometro survivor Ap ± 0,01 s

Agitador de paletas modificado

Soporte universal y pinzas de sujeción

4.6.2. Equipos

Motor eléctrico 60Hz / 18 W

4.6.3. Procedimiento

a. Armar un sistema de enfriamiento para la adición de ácido fórmico.

b. Sumergir el reactor (vaso de precipitación de 50 mL Ap ± 10 mL) hasta el nivel del líquido

reaccionante en un recipiente con circulación constante de agua para el enfriamiento de la

solución.

c. Medir la temperatura del agua de enfriamiento.

d. Evaluar la temperatura inicial de la solución de hidróxido de potasio.

e. Medir el volumen de 24,2 mL de ácido fórmico y colocar en la bureta para agregar al reactor

(vaso de precipitación de 50 mL Ap ± 10 mL).

f. Agitar la solución de hidróxido de potasio y agregar el volumen de ácido fórmico ajustado.

g. Medir la temperatura que se genera en la reacción.

h. Controlar el pH mediante la adición del ácido fórmico.

44

i. Tomar las temperaturas al inicio, durante y final de la reacción.

j. Almacenar la solución en un recipiente para su posterior caracterización.

4.7. Caracterización del producto obtenido

4.7.1. Densidad. Determinación de la densidad de fluidos, para ello se utilizó el método del

picnómetro, instrumento de precisión también conocido como botella de gravedad que fue usado

para conocer la relación existente entre el volumen y el peso de la sustancia.

4.7.2. Viscosidad. Se utilizó el reómetro RHEOPLUS PHYSICA MRC 301 que se encuentra en

el laboratorio de tratamiento de aguas del Departamento de Petróleo Energía y Contaminación

(DPEC) en la Facultad de Ingeniería Química de la Universidad Central del Ecuador.

4.7.2.1. Equipo

Reómetro

4.7.2.2. Procedimiento del uso del reómetro

a. Encender el compresor y abrir los filtros de aire para eliminar toda el agua que se pudiera

encontrar condensada.

b. Encender el Reómetro y esperar hasta tener una presión de 2,7 bares, que se indica en el panel

de control del equipo, retirar la protección del rotor.

c. Con ayuda del software RHEOPLUS V3.40 realizar las pruebas de inercia del equipo sin

colocar el usillo (tool-master).

d. Seleccionar el tool-master con su respectiva copa y colocarlos en el reómetro, realizar la

prueba de inercia del respectivo elemento de medida.

e. Establecer la temperatura de inicio en 4°C

f. Colocar la muestra, aproximadamente 20 mL en la copa.

g. Poner el elemento de medida en la posición de medida y resetear la Fuerza Normal (Normal

Force).

45

h. Determinar la curva de viscosidad en función de la temperatura.

i. Oprimir el icono start test para empezar el ensayo.

4.8. pH

Se utilizó el pH metro que se encuentra en el laboratorio de Convenio con Petroecuador en la

Facultad de Ingeniería Química de la Universidad Central del Ecuador. Se realiza con el método

del pH – metro, en este método se hace uso de un pH – metro para realizar la medida, el

fundamento de este equipo consiste en realizar la medida del pH por un método potenciométrico.

Este método se basa en el hecho de que entre dos disoluciones con distinta concentración de iones

hidrógeno [H+] se establece una diferencia de potencial.

Esta diferencia de potencial determina que cuando las dos disoluciones se ponen en contacto se

produzca un flujo de [H+], o en otras palabras, una corriente eléctrica.

4.9. Cinética de reacción

4.9.1. Materiales

Probeta de 10 mL Ap ± 0,1 mL

Probeta de 50 mL Ap ± 0,5 mL

Vaso de precipitación de 100 mL Ap ± 20 mL

Vaso de precipitación de 50 mL Ap ± 10 mL

Pipeta de 5 mL Ap ± 1 mL

Embudo de vidrio

Bureta de 50 mL Ap ± 0,1 mL

Cronometro survivor Ap ± 0,01 s

Soporte universal y pinzas de sujeción

4.9.2. Equipos

Balanza Analítica R: (0 – 210) g Ap ± 0,1

pH metro R:(0 – 14) Ap ± 0,1

46

4.9.3. Procedimiento

a. Llenar la bureta de (50 mL Ap ± 0,1 mL) con un volumen de 24,2 mL de ácido fórmico

HCOOH (85%)

b. Preparar una solución de hidróxido de potasio KOH (20,5 M) en un vaso precipitación y

agregar gotas de indicador fenolftaleína.

c. Abrir la llave de la bureta regulando que salga 1 gota por segundo.

d. Con el cronometro cada 180 a 200 tomar una muestra de 10mL realizarlo hasta que se

neutralice la solución sobrante.

e. Colocar una gota de fenolftaleína en cada vaso y titular con ácido fórmico registrando el

volumen gastado en las muestras.

47

5. DATOS EXPERIMENTALES

5.1. Datos hidróxido de potasio

Tabla 4. Dilución de hidróxido de potasio condición #1

Réplicas Volumen de

H2O, [mL]

Cantidad de

KOH, [g]

Temperatura,

[°C]

Revoluciones,

[RPM] pH

1

10 30

23

50

14,00

2 24 13,96

3 22 13,95

4 23 14,00

5 24 13,94

Tabla 5. Dilución de hidróxido de potasio condición #2

Réplicas Volumen de

H2O, [mL]

Cantidad de

KOH, [g]

Temperatura,

[°C]

Revoluciones,

[RPM] pH

1

10 30

22

100

13,97

2 21 13,95

3 23 14,00

4 21 13,94

5 22 14,00

Tabla 6. Propiedades físicas y químicas del agua destilada

Parámetros Fisicoquímicos Tipo I

Carbono Orgánico Total (COT) valor máximo [mg/L] 50

Cloruros valor máximo [mg/L] 1

Densidad [g/cm3] 0,999829

Viscosidad [kg/m*s] 0,001003

Nota: Más información tabulada por el proveedor, en el ANEXO D.

48

5.2. Datos ácido fórmico

Tabla 7. Propiedades del ácido fórmico

N.- Volumen de HCOOH,

[mL] pH

Densidad,

[g/mL]

1

24,1

2,23

1,195

2 2,17

3 2,20

4 2,18

5 2,21

5.3. Obtención de formiato de potasio

Tabla 8. Incremento de temperatura en el reactor

N.- Temperatura, [°C] Tiempo, [s]

1 32 0

2 34 5

3 36 10

4 38 15

5 40 20

6 42 25

7 44 30

8 46 35

9 49 40

10 52 45

11 54 50

12 56 55

13 60 60

49

Tabla 9. Condiciones de operación para la obtención de formiato de potasio, estado 1

Réplicas Volumen de KOH

en solución, [mL]

Revoluciones,

[RPM]

Volumen de HCOOH,

[mL]

Densidad 20ºC

[g/mL]

1

26,1 50 24,2

1,5272

2 1,5310

3 1,5274

4 1,5266

5 1,5283

Tabla 10. Condiciones de operación para la obtención de formiato de potasio, estado 2

Réplicas Volumen de KOH

en solución, [mL]

Revoluciones,

[RPM]

Volumen de HCOOH,

[mL]

Densidad 20ºC

[g/mL]

1

26,1 100 24,2

1,5306

2 1,5282

3 1,5256

4 1,5276

5 1,5268

5.4. Análisis de formiato de potasio

Tabla 11. Impurezas del producto formiato de potasio

Producto Revoluciones,

[RPM] Impurezas

Concentración,

[mg/ L]

Viscosidad,

[cP]

HCOOK 100

Cloruros 1,143

5,94

Carbonatos 1354,6

Sulfatos 1500,0

Densidad 1,5276

pH 9,5 ± 1

Nota: El análisis de las impurezas para cloruros, carbonatos y sulfatos se realizaron en el

Departamento de Petróleo Energía y Contaminación (DPEC) en el área de aguas, empleándose

métodos gravimétricos, potenciométricos, volumétricos y espectrofotométricos.

50

Tabla 12. Resultados del producto obtenido formiato de potasio, estado 1 y 2

Réplicas Producto Revoluciones

[RPM]

Densidad 20ºC

[g/mL]

1

HCOOK

50

1,5272

2 1,5310

3 1,5274

4 1,5266

5 1,5283

1

100

1,5306

2 1,5282

3 1,5256

4 1,5276

5 1,5268

5.5. Cinética de reacción

Tabla 13. Datos experimentales volumen y tiempo

Volumen KOH en

solución, [ml] Tiempo, [s]

Volumen de

HCOOH, [mL]

Revoluciones,

[RPM]

CKOH de la solución

titulada, [mol/L]

26,1

0 0

50

20,53

187,8 8 13,84

364,8 14 8,73

541,8 20 3,83

718,8 24,2 0,03

0 0

100

20,53

187,8 8 13,76

364,8 14 8,69

541,8 20 3,61

718,8 24,2 0,02

Nota: La reacción se lleva a cabo casi en su totalidad al adicionar el volumen final de ácido

fórmico, este neutraliza la solución del reactivo Hidróxido de Potasio (KOH), con una pequeña

cantidad no reaccionante.

51

6. CÁLCULOS

6.1. Metodología de cálculo

El reactor que se desea diseñar con el equipo de transferencia de calor tiene las características

siguientes:

a) Es un tanque elevado para optimizar el espacio de formulación y utilizar la altura del mismo

al momento de vaciar el tanque y transportar el líquido. Figura 10.

b) En su parte superior consta de un motor con un agitador de turbinas para generar el flujo

turbulento dentro del tanque. Figura 11.

Gráfico 1. Curva temperatura vs tiempo, en la prueba piloto a escala laboratorio

En este punto se investigó el aumento de temperatura con el paso del tiempo al añadir el reactivo

neutralizante ácido fórmico, y tomando lecturas de temperatura cada 5 segundos con el

termómetro inmerso en el reactor hasta su máximo valor de temperatura y cuando esta empezó a

descender. Con mayor energía cinética, las moléculas se mueven más rápido y chocan con más

frecuencia y con más energía.

3234

3638

4042

4446

4952

5456

60

20

24

28

32

36

40

44

48

52

56

60

64

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65

Tem

per

atu

ra [

ºC]

Tiempo [s]

Curva Temperatura vs Tiempo

52

Tabla 14. Datos de formulaciones de formiato de potasio

Producto Densidad 20ºC, [g/mL] Concentración

HCOOK

1,4952 65,59

1,5035 66,34

1,5092 67,24

1,5119 68,29

1,5209 69,34

1,5343 71,29

1,5398 72,34

1,5446 73,25

1,5526 74,3

1,5608 75,04

Fuente: OXIQUIM S.A. Desarrollo de formiato de potasio como fluido de Perforación Pozo

Petrolero en Planta Piloto. El Salto – Viña del Mar. 30 mayo 2000. 25 p.

Gráfico 2. Densidad de formiato de potasio vs concentración

1,4952

1,5035

1,50921,5119

1,5209

1,5343

1,5398

1,5446

1,5526

1,5608ρ = 0,0065C + 1,0689

R² = 0,99

1,49

1,5

1,51

1,52

1,53

1,54

1,55

1,56

1,57

64 66 68 70 72 74 76

DE

NS

IDA

D

CONCENTRACIÓN

ρHCOOK vs Concentracion

53

Figura 10. Modelo de reactor con un agitador de turbina.

Figura 11. Agitador de turbina de 6 aspas.

AGUA

DESTILADA ESTANQUE

DE ÁCIDO

FÓRMICO

DOSIFICACIÓN

MANUAL DE KOH

AGUA DE

ENFRIAMIENTO

54

6.1.1. Selección del tipo de enfriamiento para tanques. El material recomendado para la

construcción de reactores químicos es el acero inoxidable AISI 316L, es utilizado en refinerías,

en la Industria alimenticia, minera, pesquera, química, farmacéutica y en la agroindustria.

Algunos usos son silos de almacenamiento de pulpa y cemento, estanques para ácido sulfúrico y

combustibles. Estanques para fermentación y sistemas de drenaje.

Con esto se busca tener espacio suficiente para realizar limpiezas periódicas del equipo y evitar

cualquier tipo de incrustaciones en los mismos.

Tabla 15. Propiedades del acero AISI 316L

Propiedades Eléctricas

Resistividad Eléctrica ( µOhm cm ) 70 – 78

Coeficiente de Temperatura ( K-1 ) ----

Propiedades Físicas

Densidad ( g cm-3 ) 7,96

Punto de Fusión (ºC ) 1370 – 1400

Propiedades Mecánicas

Alargamiento ( % ) < 60

Dureza Brinell 160 – 190

Impacto Izod ( J m-1 ) 20 – 136

Módulo de Elasticidad ( GPa ) 190 – 210

Resistencia a la Tracción ( MPa ) 460 – 860

Propiedades Térmicas

Coeficiente de Expansión Térmica @20 – 100ºC ( x10-6 K-1 ) 16 – 18

Conductividad Térmica a 23ºC ( W m-1 K-1 ) 16,3

Fuente: MOTT Robert L. Resistencia de Materiales Aplicada. Tercera Edición. México. Pearson

Prentice Hall. 1996. p.56

55

a) Se pretende investigar si existen diferencias significativas entre ambas condiciones para

obtención de formiato de potasio a nivel de laboratorio.

Cálculo de la media:

X̅ =∑ Xi

ni=1

n (24)

X̅ = 1,5286

Tabla 16. Media aritmética de la densidad para estado 1 y 2

Producto

Velocidad

[RPM]

Media Símbolo

HCOOK

50 1,5286 �̅�1

100 1,5277 �̅�2

Cálculo de la desviación estándar:

s = √∑ (Xi − X̅) n

i=1

n − 1 (25)

s = 0,0017

Tabla 17. Desviación estándar de la densidad para estado 1 y 2

Producto

Velocidad

[RPM]

Desviación

Estándar

Símbolo

HCOOK

50 0,0017 𝑠1

100 0,0019 𝑠2

Hipótesis:

NULA Ho ∶ X̅1 = X̅2

ALTERNATIVA H ∶ X̅1 ≠ X̅2

Para el análisis de densidades se utilizó la test de la t – studen con intervalo de confianza de 0,05

56

Grados de Libertad = n50𝑅𝑃𝑀 + n100𝑅𝑃𝑀 − 2 (26)

GL = 10 − 2 = 8

t – student calculada:

sT = √s1

2(n50RPM − 1 ) + s12(n100RPM − 1)

n50RPM + n100RPM − 2 (27)

sT = 0,0018

tc =X̅1 − X̅2

sT ∗ √1

n50RPM+

1n100RPM

(28)

tc = 1,58

De la tabla t – student se obtiene:

t = 2,31

El valor de t se obtiene de la t – student de dos colas, el trazado se presenta en el ANEXO G.

tc < t

"Por lo tanto se acepta la hipótesis nula Ho y se descarta la hipótesis alternativa, es decir

que las dos condiciones son válidas para obtener formiato de potasio de buena calidad".

6.1.2. Cálculo de la cinética de reacción para 100 RPM.

a) Cálculo de la titulación

CKOH ∗ VKOH = CHCOOH ∗ VKCOOH (29)

Donde:

CKOH: Concentración de solución de Hidróxido de Potasio

VKOH: Volumen de solución de Hidróxido de Potasio

CHCOOH: Concentración de Ácido Fórmico

VHCOOH: Volumen de Ácido Fórmico

CKOH =CHCOOH ∗ VKCOOH

VKOH

57

CKOH =22,01

molL

∗ 9,3 mL

10 mL

CKOH = 20,53 mol/L

Tabla 18. Titulación de la solución de hidróxido de potasio sobrante

N.- VHCOOH, [mL]

CHCOOH,

[mol/L]

VKOH, [mL]

CKOH,

[mol/L]

1 9,3

22,07 10

20,53

2 6,2 13,76

3 3,9 8,69

4 1,6 3,61

5 0 0,02

b) Realizar el diagrama CKOH = f (t)

Gráfico 3. Diagrama concentración de KOH vs Tiempo

20,53

13,76

8,69

3,614

0,02

y = 1E-05x2 - 0,0377x + 20,507

R² = 0,9996

0,00

5,00

10,00

15,00

20,00

25,00

0 100 200 300 400 500 600 700 800

Co

nce

ntr

aci

ón

KO

H, [m

ol/

L]

Tiempo, [s]

58

CKOH = 20,507 − 0,0377 t − 0,00001 t2 (30)

c) Derivar la ecuación (42)

−rKOH = −dCKOH

dt= 0,03777 − 2 x 10−5 t (31)

d) Realizar el diagrama Ln (- dCKOH/dt) = f (Ln(CKOH))

Tabla 19. Velocidad de reacción

Tiempo,

[s]

- dCKOH/dt,

[mol/s] Ln(- dCKOH/dt)

CKOH,

[mol/L] Ln(CKOH)

0 0,038 -3,278 20,53 3,02

187,8 0,034 -3,383 13,76 2,62

364,8 0,030 -3,493 8,69 2,16

541,8 0,027 -3,617 3,614 1,28

718,8 0,023 -3,758 0,02 -3,91

Gráfico 4. Diagrama velocidad de reacción vs concentración

Recordar:

−rA = −dCA

dt= k CA

n (32)

Ln (−dCA

dt) = Ln (k CA

n )

y = 0,1926x - 3,8805

R² = 0,9752

-3,700

-3,650

-3,600

-3,550

-3,500

-3,450

-3,400

-3,350

-3,300

-3,250

0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50

Ln

(-r

KO

H)

Ln (CKOH)

Ln(-rKOH)=f(ln(CKOH)

59

Ln (−dCA

dt) = Ln (k) + n Ln (CA )

e) Del diagrama Ln (- dCKOH/dt) = f (Ln(CKOH))

Ln (−dCKOH

dt) = 0,1926 t − 3,8805 (33)

(−3,8805) = Ln (k) (34)

k = e−3,8805

k = 0,021 mol

L ∗ s

n = 0,1926

−rKOH = −dCKOH

dt= 0,021 ∗ CKOH

0,1926 (35)

6.1.3. Diseño del reactor por lotes.

Balance de materiales

Fj0 + Gj − Fj =dNj

dt (36)

Donde:

Fj0 = Velocidad de flujo de j hacia el sistema, moles/tiempo

Gj = Velocidad de generación de j por reacción dentro del sistema, moles/tiempo

Fj = Velocidad de flujo de j desde el sistema, moles/tiempo

dNj/dt = Velocidad de acumulación de j dentro del sistema, moles/tiempo

El reactor a diseñar no tiene flujo de entrada de reactivos ni un flujo de salida de productos

mientras la reacción se está efectuando:

Fj0 = Fj = 0 (37)

Gj = rj ∗ V = ∫ rj ∗ VV

0

(38)

60

Por lo tanto para una velocidad de reacción constante:

dNj

dt= rj ∗ V (39)

d(Nj/V)

dt= rj

dCA

dt= rj (40)

6.1.3.1. Cálculo del tiempo de reacción. Para una conversión del 99,9%

−rKOH = 0,021 ∗ CKOH0,1926 (41)

t = −∫dCKOH

rKOH

CKOH

CKOH0

X = (CKOHo − CKOH

CKOHo) 100 (42)

CKOH = (1 − X) ∗ CKOHo (43)

CKOH = (1 − 0,999) ∗ 20,53mol

L

CKOH = 0,02mol

L

t = −∫dCKOH

0,021 ∗ CKOH0,1926

CKOH

CKOH0

(44)

t = −1

0,021∫

dCKOH

CKOH0,1926

0,02

20,5

t = −1

0,021(1,238 ∗ CKOH

0,8074) (45)

61

t = −1

0,021molL ∗ s

(0,053 − 14,2)mol

L

t = (−2,52 + 676,2)𝑠

t = 674 s = 11,2 min

Tabla 20. Resultados de velocidad y orden de reacción

N.- Tiempo, [s] Concentración KOH,

[mol/L]

Constante Cinética,

[mol/L*s]

Orden de

Reacción

1 0 20,53

0,021 0,1926

2 187,8 13,76

3 364,8 8,69

4 541,8 3,614

5 718,8 0,02

La reacción se da en 674 segundos u 11 minutos aproximadamente, lo que nos indica que el

cálculo de la velocidad de reacción tiene un coeficiente de correlación considerable y por lo tanto

un nivel de error correspondiente.

6.1.4. Escalado. Densidad de la solución de hidróxido de potasio

ρKOH =mSol KOH

Vsol=

30 gKOH + 10 gHCOOH

26,1 mL= 1,5326

g

mL

El marco experimental se realizó con una base de cálculo de 26,1 mL de hidróxido de potasio

cuya densidad es 1,5326 g/mL y se neutralizó con 24,2 mL de ácido fórmico cuya densidad es

1,195 g/mL, para obtener una solución de formiato de potasio con densidad 1,5276 g/mL.

mKOH = 26,1 mL ∗ 1,5326g

mL= 40 g KOH

Nota: La densidad del hidróxido de potasio se determinó por adición de hidróxido de potasio

sólido y agua destilada con la lectura de volumen formado, además la densidad de ácido fórmico

se detalla más información por el proveedor GLOBAL QUIM, en el ANEXO A y B.

62

mHCOOH = 24,2 mL ∗ 1,195g

mL= 28,92 gHCOOH

mTotal KCOOH = 28,92 gHCOOH + 40 gKOH = 68,92 gHCOOK

VKCOOH =68,92 g

1,5276g

mL

= 45,12 mL

La cantidad de formiato de potasio (KCOOH) formado es de 68,92 gamos y para una producción

de 100 kg por lote para la planta piloto se necesita un volumen de:

VKCOOH =100 kg

1,5276g

mL

∗1

gmL

1000kgm3

= 0,0655 m3

En donde:

VKCOOH: Volumen total de formiato de potasio formado para la planta piloto.

El tamaño del reactor debe poseer una capacidad total de 0,066 m3 y se toma un factor de

seguridad del 15% para evitar inconvenientes en el proceso de producción de formiato de potasio.

Vreal = Vagua + Vseguridad (46)

Vseguridad = Fs ∗ Vagua (47)

Donde:

Fs = factor de seguridad %

Sustituyendo datos en la ecuación (47) se obtuvo:

VSeguridad = 0,15 ∗ 0,0655 m3

VSeguridad = 0,010 m3

Sustituyendo datos en la ecuación (46) se obtuvo:

Vreal = 0,0655 m3 + 0,010 m3

63

Vreal = 0,0755 m3

Tamaño del reactor

Vreactor = π ∗D

4∗ H (48)

Se considera la relación

D =2

3∗ H (49)

Por lo tanto

Vreactor = π ∗D

4∗

3

2∗ D (50)

D = √8 ∗ Vreactor

3 ∗ π

3

(51)

Sustituyendo datos en la ecuación (51) se obtuvo:

D = √8 ∗ 0,076m3

3 ∗ 3,1416

3

D = 0,40 m

Sustituyendo datos en la ecuación (49) se obtuvo:

H =3

2∗ 0,40 m

H = 0,60 m

64

6.1.4.1. Cálculo del tiempo de reacción.

Para el 99,9% de conversión y −rKOH = 0,021 ∗ CKOH0,1926

[k-mol/m3*s]

X = (CKOHo − CKOH

CKOHo) 100

CKOH = (1 − 0,999) ∗ 20,53kg − mol

m3

CKOH = 0,02kg − mol

m3

Masa de KOH sobrante

mKOH = CKOH ∗ V = 0,02kg − mol

m3 ∗ 0,0655 m3

mKOH = 0,00131 kg − mol ∗ 56,1 kg

1 kg − mol

mKOH = 0,073 kg KOH

t = −∫dCKOH

0,021 ∗ CKOH0,1926

CKOH

CKOH0

t = −1

0,021∫

dCKOH

CKOH0,1926

0,02

20,5

t = −1

0,021(1,238 ∗ CKOH

0,8074)

t = −1

0,021kg − molm3 ∗ s

(0,053 − 14,2)kg − mol

m3

t = (−2,52 + 676,2)𝑠

t = 674 s = 11,2 min

65

6.1.4.2. Cantidad de materia prima utilizada.

𝐊𝐎𝐇 + 𝐇𝐂𝐎𝐎𝐇 → 𝐇𝐂𝐎𝐎𝐊 + 𝐇𝟐𝐎 13

Tabla 21. Datos fisicoquímicos de especies químicas

Especie Química M, [g/mol]

HCOOH 46,0254

KOH 56,1056

HCOOK 84,12

H2O 18,0153

Para una formulación de producto con una densidad de 1527,6 kg/m3 y cantidad de 100 kg por

lote.

ρ =m

V (52)

Sustituyendo datos en la ecuación (52) se obtuvo:

V =100 kg

1527,6kgm3

V = 0,0655 m3 = 65,5 L

Cálculo de las cantidades para la planta piloto

Ácido Fórmico HCOOH

65,5 L ∗1000 ml KCOOH

1 L∗

28,92g HCOOH

45,12 mL KCOOH∗

1Kg HCOOH

1000 g HCOOH= 41,9 kg HCOOH

Hidróxido de potasio KOH

65,5 L ∗1000 ml KCOOH

1 L∗

40g HCOOH

45,12 mLKCOOH∗

1Kg KOH

1000 g KOH= 58,1 kg KOH

66

Tabla 22. Balance de materiales de especies químicas

Especies

Químicas

Cantidades Iniciales Cantidades Reaccionantes Cantidades Finales % en

Peso [kg] kg-mol [kg] kg-mol [kg] kg-mol

HCOOH 35,615 0,774 35,6 0,774 0,00 0,000 0,00

KOH 43,575 0,777 43,4 0,774 0,16 0,0028 --

H2O 20,8 1,155 0 0 34,75 1,929 34,75

HCOOK - - - - 65,25 0,776 65,25

TOTAL 100,00 2,71 79,03 1,55 100,00 2,71 100,00

Tabla 23. Cantidades exactas para adicionar al reactor

Especie Química M, [g/mol] m, [kg] ρ, [kg/L] V, [L]

Ácido Fórmico 46,0254 41,9 1,195 35

Hidróxido de Potasio 56,1056 58,1 1,5326 38

Agua destilada Tipo I 18,0153 - 1000 -

6.1.4.3. Cálculo de la potencia del agitador y dimensiones.

Figura 12. Dimensiones simétricas para un agitador de turbina de 6 aspas.

Fuente: ULLMANN’S, Encyclopedia of Industrial Chemestry, Wiley – VCH, séptima edición,

Weinheim, 2010, Capitulo de agitación, p.9, Figura 8.

𝑱 =𝟏

𝟏𝟐𝑫

𝑾 =𝟏

𝟓𝑫

𝑳 =𝟏

𝟒𝑫

67

Las dimensiones del agitador se calcularon conforme a la bibliografía consultada.

Tabla 24. Dimensiones agitador de turbina

Dimensiones Unidades

D 0,4 m

d 0,1201 m

h 0,1201 m

J 0,033 m

W 0,024 m

L 0,030 m

Cálculo del número de Reynolds para una velocidad de 100 RPM.

N`Re =d2 ∗ N ∗ ρ

μ (53)

Donde:

d = Diámetro del agitador

N = Velocidad del agitador en RPS

ρ = Densidad del líquido dentro del recipiente

μ = Viscosidad del líquido dentro del recipiente

Sustituyendo datos en la ecuación (53) se obtuvo:

N`Re =(0,1201m)2 ∗ (

10060 s

) ∗ 1532,6kgm3

0,001003kg

m ∗ s

N`Re = 3,7 x 104

El número de Reynolds corresponde a régimen turbulento por lo que es necesario colocar

deflectores para evitar remolinos.

El número de potencia Ne se obtiene del diagrama número de Potencia vs número de Reynolds y

la curva gs, el trazado se presenta en el ANEXO H.

68

Ne = 5

P = Ne ∗ ρ ∗ N3 ∗ d5 (54)

Donde:

Ne = Número de potencia

P = Potencia del agitador en SI

N = Velocidad del agitador en RPS

ρ = Densidad del líquido dentro del recipiente

d = Diámetro del agitador

P = 5 ∗ 1532,6kg

m3 ∗ (100

60 s)3

∗ (0,1201m)5

P = 0,887 W

El rotor debe tener una potencia de 0,887 Watts o 1,2 x 10-3 hp para obtener 38,1 litros de una

solución de hidróxido de potasio con una concentración de 75%.

Cálculo del tiempo de mezcla para la dilución del hidróxido de potasio, a partir del diagrama

tiempo de mezcla vs número de Reynolds y la curva gs, el trazado se presenta en el ANEXO J.

N*Ө = 45

N ∗ θ = 45 (55)

Donde:

N = Velocidad del agitador en RPS

Ө = Tiempo de Mezcla

θ =45

10060 s

= 27 s

6.1.4.4. Capacidad calorífica del formiato de potasio. [29]

Cp = 0,5422kcal

kg ∗ °C

69

6.1.4.5. Número de prandalt para el formiato de potasio. [29]

N`Pr =μ ∗ Cp

k (56)

Donde:

k = Conductividad térmica igual a 0,398 kcal/m*h*ºC

μ = Viscosidad de la solución igual a 21,38 Kg/m*h [30]

Sustituyendo datos en la ecuación (56) se obtuvo:

N`Pr =21,38

kgm ∗ h

∗ 0,5422kcal

kg ∗ °C

0,398kcal

h ∗ m ∗ °C

N`Pr = 29,1

6.1.4.6. Coeficiente convectivo interno.

Para calcular el coeficiente convectivo interno utilizando, se empleó la siguiente ecuación:

hi ∗ D

k= 0,74 ∗ (

d ∗ N ∗ ρ

μ)

23(Cp ∗ μ

k)

13(

μ

μw)0,14

(57)

Donde:

hi = Coeficiente de convectivo o de película interno, kcal/m2*h*ºC

D = Diámetro interior del tanque, m

k = Conductividad térmica, kcal/m*h*ºC

d = Diámetro del agitador, m

N = Velocidad del agitador, RPS

ρ = Densidad del líquido, kg/m3

μ = Viscosidad de la solución, Kg/m*h

μw = Viscosidad experimental de la solución a la pared del tanque

70

Para la relación de viscosidades, para el caso experimental se desconoce la viscosidad a la pared

del tubo, y se asume que será igual a la viscosidad de la temperatura calórica, por lo que la relación

es igual a 1. Como referencia ver ANEXO J de la sección de anexos, la cual nos da una idea de

la inexactitud en que se puede incurrir.

Sustituyendo datos en la ecuación (57) se obtuvo:

hi = 0,74 ∗0,398

kcalh ∗ m ∗ °C

0,39 m∗ (6,2 x 103)

23 ∗ (29,1)

13 ∗ (

21,38kg

m ∗ h

21,38kg

m ∗ h

)

0,14

hi = 782,9kcal

m2 ∗ °C ∗ h

Nota: El número de Reynolds se modifica al agregar el ácido fórmico por aumento de viscosidad.

6.1.4.7. Número de prandalt para el fluido de enfriamiento.

Tabla 25. Datos fisicoquímicos del fluido de enfriamiento agua a T = 19ºC

Propiedad Valor

ρ, [Kg/m3] 998,49

μ, [kg/m*h] 3,7

k, [kcal/m*ºC*h] 0,499

Cp, [kcal/Kg*ºC] 1

Fuente: VIAN Ángel y OCÓN Joaquín. Elementos de Ingeniería Química. Quinta Edición.

España. AGUILAR, 1976. p.778

N`Pr =μ ∗ Cp

k (58)

Donde:

k = Conductividad térmica igual a 0,499 kcal/m*ºC*h

71

Sustituyendo datos en la ecuación (58) se obtuvo:

N`Pr =3,7

kgm ∗ h

∗ 1kcal

kg ∗ °C

0,499kcal

h ∗ m ∗ °C

N`Pr = 7,42

6.1.4.8. Coeficiente convectivo externo. Para calcular el coeficiente convectivo externo

utilizando, se empleó la siguiente ecuación: [31]

ho ∗ De

ka= 0,74 ∗ (

De ∗ v ∗ ρa

μa)

23∗ (

μa ∗ Cp

ka)

13∗ (

μ

μw)0,14

(59)

Donde:

v = Velocidad del agua 0,39 m/s

ho = Coeficiente de convectivo o de película externo, kcal/m2*h*ºC

ka = Conductividad térmica del agua, kcal/m*h*ºC

De = Diámetro interno de la chaqueta, m

ρa = Densidad del agua, kg/m3

Cp = Capacidad calorífica del agua a la temperatura de entrada

μ = Viscosidad del agua a la temperatura de entrada 19 ºC

μw = Viscosidad experimental de la solución a la pared de la chaqueta

Nota: Más información de velocidades recomendadas ver en el ANEXO K.

Sustituyendo datos en la ecuación (59) se obtuvo:

ho = 0,740,49

kcalh ∗ m ∗ °C

0,445 m(0,445 m ∗ 0,39

ms

∗ 3600 ∗ 998,49kgm3

3,7kg

m ∗ h

)

23

(7,42)13 (

3,7kg

m ∗ h

3,7kg

m ∗ h

)

0,14

ho = 4936,48 kcal

h ∗ m2 ∗ °C

72

6.1.4.9. Coeficiente total de transferencia de calor limpio. Para calcular el coeficiente

convectivo externo utilizando, se empleó la siguiente ecuación:

Uc =1

1hi

+1ho

(60)

Donde:

Uc = Coeficiente total de transferencia de calor limpio

ho = Coeficiente de convectivo o de película externo

hi = Coeficiente de convectivo o de película interno

Sustituyendo datos en la ecuación (60) se obtuvo:

Uc =1

1

782,9kcal

m2 ∗ °C ∗ h

+1

4936,48 kcal

h ∗ m2 ∗ °C

Uc = 675,73 kcal

h ∗ m2 ∗ °C

6.1.4.10. Coeficiente total de transferencia de calor sucio. Para calcular el coeficiente

convectivo externo utilizando, se empleó la siguiente ecuación: [31]

Uf =1

1Uc

+ R (61)

Donde:

Uf = Coeficiente total de transferencia de calor sucio

R = Resistencia de las incrustaciones 0,001

Nota: Más información de resistencia de incrustaciones ver en el ANEXO L.

Sustituyendo datos en la ecuación (61) se obtuvo:

Uf =1

1

675,73 kcal

h ∗ m2 ∗ °C

+ 0,001

73

Uf = 403,25 kcal

h ∗ m2 ∗ °C

6.1.4.11. Área total de transferencia de calor. Para calcular el área total, se empleó la siguiente

ecuación:

Atotal = π ∗D2

4+ 2 ∗ π ∗

D

2∗ H (62)

Donde:

A = Área total de transferencia de calor, m2

D = Diámetro del reactor, m

H = Altura del reactor, m

Sustituyendo datos en la ecuación (62) se obtuvo:

Atotal = π ∗(0,4m)2

4+ 2 ∗ π ∗

0,4m

2∗ 0,6m

Atotal = 0,88 m2

6.1.4.12. Flujo másico del agua para la transferencia de calor de la solución. Para calcular el

flujo de agua necesario para transferir el calor generado por la solución dentro del reactor, se

utilizó la siguiente ecuación: [32]

ln (T1 − t1

T2 − t1) =

W ∗ C

M ∗ c(eUc∗AW∗C − 1

eUc∗AW∗C

) ∗ θ (63)

Donde:

M = Cantidad de solución, kg

c = Capacidad calorífica de la solución, kcal/kg*ºC

t1 = Temperatura de entrada del agua al equipo de enfriamiento, 19 ºC

T1 = Temperatura inicial de la solución, 60 ºC

T2 = Temperatura final de las solución, 25,5 ºC

W = Razón de flujo constante de líquido de enfriamiento, kg/s

A = Área total de transferencia de calor del equipo a evaluar, m2

Ө = Tiempo de residencia de la solución, s

74

Sustituyendo datos en la ecuación (63) se obtuvo:

Para un tiempo de 674 segundos y una masa promedio de 100 kg por lote de formiato de potasio

y sustituyendo datos en la ecuación anterior para la chaqueta, se obtuvo por el flujo másico

de agua necesario:

ln (60°C − 19°C

25,5°C − 19°C) =

W ∗ 1kcal

kg ∗ °C

100 kg ∗ 0,5422kcal

kg ∗ °C

(

e

675,73 kcal

h∗m2∗°C∗0,88m2

W∗1kcalkg∗°C − 1

e

675,73 kcal

h∗m2∗°C∗0,88m2

W∗1kcalkg∗°C )

∗ 674s

W = 0,403 kg

s∗

1

998,49kgm3

= 0,0004m3

s

Nota: Más información de solución mediante el software WolframAlpha en el ANEXO M.

6.1.4.13. Flujo de calor generado por la reacción. Para calcular el flujo de calor generado por

la solución dentro del reactor, se utilizó la siguiente ecuación:

QSol =W

θ∗ Cp ∗ ∆T (64)

Donde:

Qsol = Calor generado por la reacción, kcal/s

W = Masa de formiato formado, Kg

Cp = Capacidad calorífica del formiato, kcal/kg

Sustituyendo datos en la ecuación (64) se obtuvo:

QSol =100 kg

674 s∗ 0,5422

kcal

kg ∗ °C∗ (60 − 25,5)°C

QSol = 2,78 kcal

s

75

6.1.4.14. Temperatura de salida del fluido de enfriamiento. El calor generado por la reacción

debe ser retirado por el fluido de enfriamiento por esta razón se debe calcular la temperatura de

salida del fluido frio. Para ello se utiliza la suposición de que el calor que entrega la corriente

caliente es el mismo que recibe la fría, esto es particularmente valido cuando las pérdidas de calor

entre la chaqueta y los alrededores son despreciables (Qcedido = Qganado).

QCedido = QCedido = W ∗ Cp ∗ (t2 − t1) (65)

t2 = t1 +QCedido

W ∗ Cp (66)

Sustituyendo datos en la ecuación (66) se obtuvo:

t2 = 19 °C +2,78

kcals

0,403 kgs

∗ 1kJ

kg ∗ K

t2 = 24,42 °C

6.1.4.15. Cálculo del estanque de ácido fórmico. El tamaño del estanque debe poseer una

capacidad total de 0,035 m3 y se toma un factor de seguridad del 15% para evitar inconvenientes

en el proceso de producción de formiato de potasio.

Vreal = 0,035 m3 + 0,035 m3 ∗ 0,15

VEstanque = 0,04 m3

Tamaño del reactor

VEstanque = π ∗Dt

4∗ H (67)

Se considera la relación

D =2

3∗ H (68)

76

Por lo tanto

VEstanque = π ∗D

4∗

3

2∗ D (69)

D = √8 ∗ VEstanque

3 ∗ π

3

(70)

Sustituyendo datos en la ecuación (70) se obtuvo:

D = √8 ∗ 0,04m3

3 ∗ 3,1416

3

D = 0,34 m

Sustituyendo datos en la ecuación (68) se obtuvo:

H =3

2∗ 0,34 m

H = 0,51 m

6.1.4.16. Características de equipos de la planta

Reactor agitado con chaqueta

Material : acero inoxidable AISI 316L

Dimensiones : diámetro de 0,40 m

: Altura 0,6 m

Función : reacción exotérmica y la chaqueta para retirar el calor

generado, en el reactor por la formación de formiato de

potasio.

77

Estanque de ácido fórmico

Material : acero inoxidable AISI 316L

Dimensiones : diámetro de 0,34 m

: altura 0,51 m

Función : Mantener a presión la cantidad requerida de ácido

fórmico para su posterior inyección.

Agitador

Tipo : turbina

Material : acero inoxidable AISI 316L

Potencia : 0,1 kW

Revoluciones : 10 – 200 rpm

Función : Facilitar la dilución de la potasa, mejorar la conversión

de la reacción y homogeneizar el producto.

6.1.4.17. Coste de la planta piloto. Para la estimación de los costos para la construcción de la

planta se ha averiguado a empresas extranjeras y nacionales que proveen este tipo de accesorios

e instrumentos y se muestran en la tabla 26.

Tabla 26. Costos de materiales y equipos principales utilizados en la planta

Equipo Capacidad Material Cantidad Costo

Agitador 10 – 200 rpm

Acero inoxidable AISI

316L

1 320

Reactor 75,3 L

Acero inoxidable AISI

316L

1 450

Total 770

78

Los valores son estimados para los accesorios suplementarios a utilizar para la implementación

de la planta piloto, los cuales se detallan en la tabla 27.

Tabla 27. Costos de materiales y equipos auxiliares utilizados en la planta

Equipo Capacidad Material Costo unitario Cantidad Costo

Válvula de

globo

---

Acero

inoxidable

AISI 316L

66,58 2 133,16

Estanque de

Ácido Fórmico

40 L

Acero

inoxidable

AISI 316L

320 1 320

Subtotal 453,16

IVA 12 % 54,38

Total 507,54

Nota: el diseño final de la planta piloto con sus respectivas corrientes se ilustra de mejor manera

en el ANEXO M.

79

7. RESULTADOS

7.1. Propiedades fisicoquímicas del producto obtenido

Tabla 28. Producto obtenido

Producto Formiato de Potasio

Nombre químico Formiato de Potasio

Formula química HCOOK

Peso Molecular 84,12 [g/mol]

Viscosidad 5,94 [cP]

Densidad 1,5276 [g/cm3]

7.2. Reactor agitado

Tabla 29. Reactor agitado

Dimensiones Descripción Dimensiones Unidad

H Altura del reactor 0,60 m

D Diámetro del reactor 0,40 m

H´ Altura del agitador 1 m

h Altura del agitador 0,12 m

d Diámetro del agitador 0,12 m

J Distancia de los bafles 3,3 cm

W Ancho de la turbina 2,4 cm

L Largo de la turbina 3 cm

Dc Diámetro de la Chaqueta 0,45 m

e Espesor del acero AISI 316L 5 mm

80

Tabla 30. Especificaciones del agitador

Especificación Características

Agitador Turbina de 6 aspas

Diámetro 0,1201 m

Velocidad de agitación 10 – 200 RPM

Potencia 0,1 kW

Tabla 31. Resultados del producto formiato de potasio

Producto Impurezas Concentración, [mg/ L]

HCOOK

Cloruros 1,143

Carbonatos 1354,6

Sulfatos 1500,0

Densidad 1,5276

pH 9,5 ± 1

Tabla 32. Resultados del producto obtenido formiato de potasio, estado 1 y 2

Producto

Revoluciones

[RPM]

Densidad 20ºC

[g/mL]

Réplicas

HCOOK

50

1,5272 1

1,5310 2

1,5274 3

1,5266 4

1,5283 5

100

1,5306 1

1,5282 2

1,5256 3

1,5276 4

1,5268 5

81

Tabla 33. Velocidad de reacción

N.- Tiempo, [s] CKOH, [mol/L] (- dCKOH/dt) Ln (CKOH) - rKOH, [mol /L*s]

1 0 20,53 0,038 3,02

0,021

2 187,8 13,76 0,034 2,62

3 364,8 8,69 0,030 2,16

4 541,8 3,614 0,027 1,28

5 718,8 0,02 0,023 -3,91

7.3. Variables calculadas

Tabla 34. Variables calculadas para coeficientes convectivos

Variable Formiato de potasio Agua de enfriamiento

N`Re 6,2 x 103 -

N`Pr 29,1 7,42

Tabla 35. Coeficientes convectivos de transferencia de calor

Variable Valor Unidad

hi 782,9 [kcal/m2*h*ºC]

ho 4936,48 [kcal/m2*h*ºC]

Tabla 36. Coeficientes totales de transferencia de calor

Variable Valor Unidad

Uc 675,73 [kcal/m2*h*ºC]

Uf 403,25 [kcal/m2*h*ºC]

82

Tabla 37. Área de transferencia de calor

Área Valor Unidad

Total para la Chaqueta 0,88 [m2]

Tabla 38. Flujo másico de agua necesario

Equipo Valor Unidad

Chaqueta 0,403 [kg/s]

Flujo de calor generado por la Solución: QSol = 2,78 kJ

s

Tabla 39. Temperatura de salida del agua de enfriamiento

Equipo Valor Unidad

Chaqueta 24,42 [ºC]

7.4. Cantidad de materias primas

Tabla 40. Materias primas para el reactor

Especie Química Cantidad, [kg] Volumen, [L]

Ácido Fórmico 41,9 35

Hidróxido de Potasio (sólido) 58,1 38

83

8. DISCUSIÓN

8.1. Materias primas

Las propiedades de la materia prima disponible para la experimentación se seleccionaron a

partir de condiciones de reacción y producto final a obtener como se muestran en el ANEXO

B y ANEXO C, características fundamentales para obtener una concentración de producto

final favorable y con las propiedades deseadas para su posterior uso y comercialización.

Las propiedades fisicoquímicas de la solución de hidróxido de potasio como reactivo en

exceso para la producción de formiato de potasio en ensayos de laboratorio se tomaron de

acuerdo a la concentración de solución a utilizar, para esta recopilación de datos se debió

recurrir a múltiples fuentes bibliográficas, archivos de compañías dedicadas a la fabricación

de este producto y artículos especializados de ingeniería química referente al tema. Para

conceptualizar las propiedades de la materia prima pueden variar aunque no

significativamente debido a la pureza de la solución. Las propiedades del reactivo en exceso

ácido fórmico se encuentran en los ANEXOS A Y B respectivamente suministrados por el

proveedor de la materia prima.

En el proceso de obtención de producción de formiato de potasio se hace inminente la

necesidad de controlar variables pH, viscosidad y densidad del producto terminado. Para ello,

se controló la adición de ácido fórmico evaluando el pH y los rangos de densidad, así se

mejora las características fisicoquímicas del formiato de potasio.

8.2. Diseño de equipos principales

Para el escalado se incrementó el volumen en 1000 veces el experimental, tomando en cuenta

que una planta piloto debe trabajar con bajas cantidades de materia prima, además del costo

del formiato de potasio y su dificultad al momento de conseguir las materias primas.

La cantidad de producto final de una planta piloto debe ser proporcional a la cantidad de

materia prima utilizada en el proceso. Existe una reacción la cual es exotérmica razones por

las cuales se debe retirar el calor generado por medio de una chaqueta de enfriamiento.

84

8.3. Especificación de otros equipos

Respetando la idea del diseño, para un mejor control de la temperatura y el pH se adaptó una

válvula de control de flujo para evitar posibles inconvenientes en el proceso de neutralización

con ácido fórmico y poder controlar estas propiedades.

La especificación del agitador es importante para mejorar la conversión de reactivos a

productos además de disipar la temperatura de reacción, ya que mejora el movimiento de las

moléculas y la turbulencia mejora la convección, asimismo la de minimizar los costos de

producción.

8.4. Estimación de costos de producción y operación

Los costos de producción al final alcanzan ser viables para un desarrollo exitoso del producto

obtenido por su aplicabilidad y alto rendimiento en diferentes campos de la industria y así

permitir insertarlo en el mercado nacional e internacional.

La producción de formiato de potasio se basa en la reacción de neutralización de ácido

fórmico con hidróxido de potasio, ambos productos pueden ser adquiridos a los mejores

precios del mercado con alta calidad para un buen resultado en la obtención del producto y

en los costos de producción. Debido al desplazamiento de los fluidos de perforación basados

en sales halúricas, por los formulados con sales de formiato, las sales halúricas producen un

significativo daño a la flora y fauna en zonas de perforación. La biodegradabilidad de las sales

de formiato, por ser sales orgánicas, fortalece la inserción de estas al mercado, favoreciendo

los costos de producción al operar a futuro la planta piloto.

Debido a la necesidad de adquirir equipos previamente fabricados por empresas

especializadas en este tipo de actividad, los resultados muestran las características solicitadas

para esta planta piloto; se ha diseñado y calculado un reactor agitado con chaqueta de

enfriamiento para la reacción de neutralización. Conjuntamente con este conocimiento se ha

realizado un estudio sobre los costos de operación de la planta.

85

9. CONCLUSIONES

Las materias primas empleadas para la experimentación fueron altamente puros, 75% en peso

de la solución de hidróxido de potasio y 85% en peso de ácido fórmico, debido a que la

reacción en particular tiene como producto agua y para llegar a características del producto

deseadas como concentración y densidad se debe utilizar una mínima cantidad de solvente,

la dilución de potasa cáustica se debe realizar hasta la sobresaturación, además se debe

controlar la adición de ácido fórmico para controlar el pH y con ello la densidad.

La agitación mejora la conversión de la reacción debido a la turbulencia que esta operación

ejecuta al proporcionar mayor velocidad a las moléculas, los resultados obtenidos muestran

la validez del uso de un reactor agitado con chaqueta obteniéndose una densidad de 1,5276

g/cm3 y con concentración elevada, conjuntamente que la reacción es exotérmica y mejora la

conversión de reactivos a productos razón por el cual el reactivo limitante en este caso potasa

cáustica se consume casi en su totalidad por la neutralización con ácido fórmico.

El reactivo en exceso hidróxido de potasio se utilizó en cinco pruebas como muestran los

resultados de la Tabla 9 y 10 obteniéndose productos finales con densidades similares entre

el rango 1,52 – 1,53 g/mL, esto quiere decir que la adición del reactivo limitante (ácido

fórmico) es crítico al momento de obtener el producto esperado razones fundamentales para

evaluar las propiedades de las materias primas empleadas.

En el grafico 1 se muestra el incremento de la temperatura en el reactor, esto ocurre al agregar

el neutralizante (ácido fórmico) causando un la inestabilidad en la reacción y provocando una

disminución en la calidad del producto final.

Se ha diseñado una planta que está en la capacidad de tratar 100 kilogramos por lote de

materias primas para la obtención de formiato de potasio con densidades y viscosidades

similares a la que se encuentran en el mercado, esta planta estaría en la capacidad de producir

al menos 69 kg de formiato de potasio sin contar con las impurezas de las materias primas.

86

El coeficiente total de transmisión de calor de la chaqueta es 675,73 kcal/m2*h*ºC mucho

más pequeño que el de un intercambiador de calor de tubos si comparamos con la bibliografía

recomendada y comentada, debido a su menor área de transferencia y su capacidad de retirar

de calor por unidad de área.

Las condiciones de agitación y concentración de materias primas constante fueron definidas

estrictamente por consideraciones de seguridad, factor que se transformó en elemento a

considerar dada las limitaciones de los equipos utilizados.

Los gráficos 3 y 4 muestran el tratamiento de datos para la obtención de la velocidad de

reacción y ecuación cinética experimental, lo que nos indica que la reacción se puede realizar

en menos o más tiempo lo que indica que es una variable independiente que se manipuló de

acuerdo a los resultados mostrados en la tabla 19.

El coeficiente total de transmisión de calor de la chaqueta es mucho más pequeño que el de

un intercambiador de calor de tubos si comparamos con la bibliografía recomendada y

comentada, debido a su menor área de transferencia y su capacidad de retirar de calor por

unidad de área.

La tabla 21 y 22 se muestra las cantidades exactas de carga para los reactivos hidróxidos de

potasio, ácido fórmico y agua para obtener 100 kilogramos de formiato de potasio con una

cierta cantidad de reactivo en exceso hidróxido de potasio y con una densidad proporcional.

La cantidad base fijada para la planta piloto nos muestra el tamaño de la planta para producir

100 kg por lote de formiato de potasio como muestra la tabla 23, las dimensiones del reactor

son: 0,6 m de altura y 0,4 m de diámetro con un volumen aproximado de 66 litros; un agitador

de turbina de 12 cm de diámetro y 0,1 kW de potencia.

87

10. RECOMENDACIONES

Realizar el estudio de la cinética de reacción más detallada para conocer que mejoras se

pueden realizar para optimizar recursos en la obtención de formiato de potasio y conocer la

velocidad de reacción y así disminuir las pérdidas posteriores por factores que afectan la

cinética de reacción química.

Desde el punto de vista económico, al instalar el equipo de transferencia de calor (chaqueta)

en el sistema de formulación, existen otros tipos más convencionales para retirar el calor

generado por la reacción como serpentines o intercambiadores de calor dispuestos como

reactores de flujo pistón se debe realizar una evaluación de las alternativas para la

recuperación de calor.

Se puede dimensionar un equipo para un proceso continuo (reactor de mezcla perfecta), pero

como se trata de una planta a pequeña escala se procura tener un producto de calidad y

competitivo, para eso se debe encaminar y realizar ensayos preliminares.

Para evitar inconvenientes de corrosión se debe utilizar el material acero inoxidable AISI

316L que por sus propiedades es muy favorable para resistencia de materiales de productos

químicos.

Realizar el diseño de un reactor de mezcla perfecta (Backmix) debido a que las condiciones

de trabajo para producir este tipo de sales de formiato de potasio necesita la evaluación

constante del producto final con calidad deseada.

Realizar el estudio de la obtención de formiato de potasio por otras técnicas empleadas a nivel

escala de laboratorio y así comparar los procedimientos.

La obtención de la cinética de reacción se puede analizar por espectrometría de masas para

mayor exactitud al medir las concentraciones de los reactivos.

88

CITAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] KIRK – OTHMER. Encyclopedia of Chemical Tecnology. Cuarta Edición. Estados Unidos.

Watcher. 1998. Vol 18. pp.174 – 176

[2] SANTODOMINGO, Leonardo. Formiatos como fluidos de completación. En: Trabajos.

Halliburton Energy Services. (1°, 2004, Baroid, Venezuela). Trabajos. Baroid, Venezuela

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[3] PATNAIK, Pradyot, Ph.D. Handbook of Inorganic Chemicals. Estados Unidos de

América. McGraw-Hill. p.755

[4] SJOEGREEN, Carl – Axel y SALLMEN, Bengt. A Process for Making Potassium

Formate. U.S. WO1996001248 A1. 4 July 1994. (PCT/000725). 18 – 01 – 1996. p.3

[5] MANUAL DE FORMIATOS. Cabot specialty fluids, Massachusetts, Estado Unidos, 14

de Septiembre 2013. p. Sección A1, 04

[6] PATNAIK, Op. Cit., p.755

[7] MALLEN, Martha V. (sin fecha). Manual de Química Analítica [en línea]. Disponible:

http://www.ibero.mx/campus/publicaciones/quimanal/pdf/5reaccionesneutralizacion.pdf.

[2014, diciembre]

[8] LIDE, David R. CRC Handbook of Chemistry and Physics. New York. Advisory Board.

2003. Vol 2. pp.38 – 40

[9] LEVENSPIEL, Octave. Ingeniería de las reacciones químicas. Tercera edición. México.

Limusa Wiley. 2004. Cap. 1. p.3

[10] FOGLER, H. Scott. Elementos de ingeniería de las reacciones químicas. Cuarta edición.

México. PEARSON. 2008. p.1

89

[11] Ibíd., p.4

[12] Ibíd., pp.6 – 7

[13] Ibíd., pp.8 – 19

[14] PATNAIK, Op. Cit., p.758

[15] Ibíd., p.758

[16] MANUAL DE FORMIATOS, Op. Cit., pp.

[17] UNIBROM CORPORACIÓN. (Sin Fecha), Solución de Formiato de Potasio. Home page.

(Sin Fecha) <http://unibromcorp.com.ar/product-2-17-potassium-formate-

liquor/159887#>.

[18] KERN, Donald Q. Procesos de Transferencia de Calor. Trigésima primera reimpresión,

México. CECSA. 1999. p.13

[19] GEANKOPLIS, C. J. Proceso de transporte y operaciones unitarias. Tercera Edición.

México. CECSA. 1998. pp.242 – 243

[20] KERN, Op. Cit., p.713

[21] LEVENSPIEL, Op. Cit., pp.13 – 14

[22] KERN, Op. Cit., p.815

[23] Ibíd., p.818

[24] Ibíd., pp.715 – 716

[25] MOTT, Robert L. Resistencia de Materiales Aplicada. Tercera Edición. México. Pearson

Prentice Hall. 1996. p.76

[26] VIAN, Ángel y OCÓN, Joaquín. Elementos de Ingeniería Química. Quinta Edición.

España. AGUILAR, 1976. p.738

90

[27] GEANKOPLIS, Op. Cit., pp.161 – 163

[28] Ibíd., p.172

[29] MANUAL DE FORMIATOS, Op. Cit., pp. Sección A7, 04 – 05

[30] Ibíd., p. Sección A4, 04

[31] BRANAN, Carl R. Soluciones prácticas para el Ingeniero Químico, segunda edición,

McGraw – Hill, México, 2010, p.5.

[32] KERN, Op. Cit., p.717

91

BIBLIOGRAFÍA

KIRK – OTHMER. Encyclopedia of Chemical Tecnology. Cuarta Edición, Editorial Watcher.

Estados Unidos, 1998. Caps. 11, 27.

SANTODOMINGO, Leonardo. Formiatos como Fluido de Completación. Fluídos de

Perforación, 1(1): 1 – 2, Mayo 2010.

PATNAIK, Pradyot, Ph.D. Handbook of Inorganic Chemicals. Editorial McGraw – Hill, Estados

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SJOEGREEN, Carl – Axel y SALLMEN, Bengt. A Process for Making Potassium Formate. U.S.

WO1996001248 A1. 4 July 1994. (PCT/SE1995/000725). 18 Ene 1996.

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Unidos, 14 de Septiembre 2013. Secciones A1, A4, A7

VIAN, Ángel y OCÓN, Joaquín. Elementos de Ingeniería Química. Quinta Edición. Editorial

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KERN, Donald Q. Procesos de Transferencia de Calor. Trigésima primera reimpresión. Editorial

CECSA, México, 1999.

GEANKOPLIS, C. J. Proceso de transporte y operaciones unitarias. Tercera Edición. Editorial

CECSA, México, 1998.

92

FOGLER, H. Scott. Elementos de la Ingeniería de las Reacciones Químicas. Cuarta Edición,

Editorial Pearson Prentice Hall, México. 2008.

MOTT, Robert L. Resistencia de Materiales Aplicada. Tercera Edición. Pearson Prentice Hall,

México. 1996.

BRANAN, Carl R. Soluciones prácticas para el Ingeniero Químico. Segunda edición, McGraw –

Hill, México, 2010.

93

ANEXOS

94

ANEXO A. Especificaciones técnicas del ácido fórmico

95

ANEXO B. Especificaciones físicas y químicas del ácido fórmico

96

ANEXO C. Especificaciones físicas y químicas del hidróxido de potasio

97

ANEXO D. Especificaciones físicas y químicas del agua destilada tipo I

Agua tipo 1: El agua químicamente pura tiene una conductividad de 0.056 µS/cm o 18 MΩ y una

densidad de 1 g/cm3, es el máximo grado de pureza que se puede obtener de acuerdo a los

estándares de la ASTM.

98

ANEXO E. Preparación de materias primas

Figura E1. Materias primas

Figura E2. Material utilizado

Figura E3. Producto obtenido Figura E4. Cinética de reacción

99

ANEXO F. Equipos y obtención de formiato de potasio

Figura F1. Agitador y reactor con chaqueta de enfriamiento

Figura F1. Agitador y reactor con chaqueta de enfriamiento

100

ANEXO G. Tabla t – student intervalos de confianza y prueba de hipótesis

101

ANEXO H. Características en potencia de diferentes agitadores

Donde:

a. Agitador de viga transversal.

b. Agitador de cuadricula.

c. Agitador de paletas.

d. Agitador de ancla.

e. Agitador de cinta helicoidal.

f. Agitador MIG.

g. Agitador de turbina.

h. Agitador de hélice.

i. Agitador de impulsor.

NOTA: En cada caso s indica la presencia de deflectores.

102

ANEXO J. Características de tiempo de mezcla de los tipos de agitadores

Donde:

a. Agitador de viga transversal.

b. Agitador de cuadricula.

c. Agitador de paletas.

d. Agitador de ancla.

e. Agitador de cinta helicoidal.

f. Agitador MIG.

g. Agitador de turbina.

h. Agitador de hélice.

i. Agitador de impulsor.

NOTA: En cada caso s indica la presencia de deflectores.

103

ANEXO K. Relación de la viscosidad del líquido con la viscosidad a la pared del tubo

104

ANEXO L. Velocidades recomendadas

105

ANEXO M. Resistencia de las incrustaciones

106

ANEXO N. Solución de flujo másico mediante el software WolframAlpha

107

ANEXO O. Diagrama de flujo para la obtención de formiato de potasio

AGUA DESTILADA

ESTANQUE DE ÁCIDO

FÓRMICO

AGITADOR DETURBINA

REACTOR AGITADO CON

CHAQUETA DE ENFRIAMIENTO

VISTA AÉREA

ENTRADA DEL AGUA

DE ENFRIAMIENTO

DESCARGA DE

PRODUCTO

TERMINADO

DESCARGA DE AGUA DE

ENFRIAMIENTO

DOSIFICACIÓN MANUAL DE KOH

VÁLVULA DE BOLA

pH

1

T

1

Control de pH

Control de Temperatura

TANQUE DE AGUA DESTILADA REACTOR AGITADO CON CHAQUETA ESTANQUE DE ÁCIDO FÓRMICO

VISTA FRONTAL

VÁLVULA DE BOLA

CONDICIONES DE OPERACIÓN

CORRIENTES VALOR UNIDADES

Potasa 42 kg

Ácido fórmico 58 kg

Agua de enfriamiento 0,4000 kg/s

1

2

3

4

5

A B C

EspecificacionesEQUIPO DIMENSIONES FUNCIÓN

Reactor agitadoh = 0,4 m

Reacción de neutralizaciónd = 0,6 m

Agitadord = 0,12 m Facilitar la dilución de potasa,

mejorar la conversión.h = 0,12 m

Estanque de ácido fórmicoh = 0,51 m Mantener a presión la cantidad

requerida de ácido fórmicod = 0,51 m

Chaqueta de Enfriamiento área = 0,88 m²Controlar la tempertatura en la

reacción

1

2

3

4

5

6

7

8

9

A B C