UNIVERSIDAD AUT~NOMA METROPOLITANA

UNIDAD IZTAPALAPA

CIENCIAS BÁSICAS E INGENIERÍA

REALIZO: /JIMÉNEZ LÓPEZ ENRIQUE 92222069

PALMA ROSAS CRUZ GUDELIO 92323303 I /--

ASESOR: Dr. JESÚS y OCHOA TAPIA

MARZO DE1998

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OBJETIVO ............................................... 4

INTRODUCCI~N ........................................... 4

1 DEFINICI~N DEL PROYECTO ................................. 5

2 GENERALIDADES 2.1 Naturaleza de los adsorbentes .............................. 6 2.2 Tipos de adsorbentes ................................... 7

3 PROCESOS EXISTENTES PARA LA PREPARACI~N DE LOS MATERIALES ADSORBENTES

3.1 El proceso de precipitación ............................... 9 3.2 El proceso sol.ge1 .................................... 10

3.2.1 Efectos de la acidez y basicidad ...................... 3.2.3 Secado y calcinación .................... . . . . . . . . . 14

11 12 3.2.2 Características de los precursores empleados en el proceso sol.ge1 .

4 ELPROCESO 4.1 Propiedades de las materias primas

4.1.1 Alcóxidos metálicos ............................... 15 4.1.2 Tetraetilortosilicato ............................... 17 4.1.3 Tetraisopropoxido de Titanio ......................... 17 4.1.4 Isopropóxido de Zirconio ........................... 19 4.1.5 Isopropanol (Disolvente) ........................... 19 4.1.6 Acido Nítrico ................................... 20 4.1.7 Agua destilada .................................. 22

4.2 Precios internacionales ................................. 23

4.3 Ubicación de la planta ................................. 25

2

5 ESTUDIO DE MERCADO 5.1 Expectativas de la demanda del producto ..................... 28

29 5.2 Consumidores de soportes ............................... 6 ETAPA EXPERIMENTAL

6.1 Técnicas experimentales ................................ 30 6.2 Síntesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 6.3 Caracterización

6.3.1 Analisís Termogravimétrico (TG) ...................... 31 6.3.2 Analisís Termica Diferencial (DTA) ..................... 31 6.3.3 Area superficial ................................. 32

6.4.1 Parametros a cambiar ............................. 33 6.4.2 Resultados de área superficial ........................ 34 6.4.3 Resultados de AnaliSís Térmico (DTA y TG) . . . . . . . . . . . . . . . 35 6.4.4 Conclusiones ................................... 36 6.4.5 Observaciones .................................. 37

7.1 Organigrama de la planta .............................. 38 7.2 Costo de personal .................................... 39

40

6.4 Resultados y conclusiones de los materiales adsorbents

7 ETAPA DE DISEÑO

7.3 Costos y cantidades de materia prima .......................

8 CARACTERISTICAS DE LOS EQUIPOS ......................... 41

9 EVALUACION ECONOMICA ................................ 45

10 DISEÑODELOSEQUIPOS ................................ 48

BIBLIOGRAF~A

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DEFINICI~N DEL PROYECTO

casi abierta i I tiempo

OBJETIVO. Se desarrollaron materiales para adsorción que proporcionen buena área

superficial, así como alta porosidad, utilizando para ello el proceso Sol-Gel vía el método de los alcóxidos.

INTRODUCCI~N. La adsorción consiste en la transferencia de un material desde una fase hasta una

superficie, donde se enlaza mediante fuerzas intermoleculares. aunque por lo regular la adsorción se asocia con la transferencia desde un gas o un líquido hasta una superficie sólida, también se presenta la transferencia desde un gas a una superficie líquida. La sustancia que se concentra en la superficie se define como el adsorbato y el material sobre el cual éste se acumula se define como el adsorbente .

La adsorción se aplica en los procesos de purificación de gases[51, tal como la remoción del Dióxido de azufre de un gas de chimeneas y como un medio de fraccionar fluidos que son difíciles de separar por otros métodos de separación. Las industrias del petróleo y química hacen un uso extenso de la adsorción en el saneamiento y purificación de corrientes residuales de agua y para la deshidratación de gases. La cantidad de adsorbato que se puede colectar en una unidad de área superficial es pequeña. Así que, para aplicaciones industriales, por lo común se selecciona un adsorbente poroso con una amplia área superficial interna. algunos ejemplos de adsorbentes que reúnen estas características son el carbón activado, sílicagel, mallas moleculares y álumina activada.

El diseño del equipo de adsorción requiere la selección de un adsorbente e información referente a la transferencia de masa hacia la superficie ‘del adsorbente. Como parte de la selección de un adsorbente, es necesaria la información que describa la capacidad de equilibrio de aquél. Estos datos, que se obtienen a temperatura constante, se llaman isotérmas de adsorción. A partir de las curvas de avance se obtiene una descripción de la velocidad de transferencia de masa al adsorbente. Estas curvas se logran pasando un fluido que contenga un adsorbato, a través de una columna rellena con el adsorbente seleccionado y midiendo la concentración de salida.

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DEFINICI~N DEL PROYECTO

Cara i b h a1 L m p o

1 . DEFINICIÓN DEL PROYECTO

Las operaciones de adsorción explotan la capacidad de ciertos sólidos para hacer que sustancias específicas de una mezcla se concentren en la superficie del sólido. Por ello es de vital importancia el desarrollo de materiales adsorbentes, con el fin de poder ampliar la gama que existe actualmente de estos materiales.

Nuestro trabajo fue obtener materiales cerámicos . Con el fin de probarlos como nuevos materiales adsorbentes.

Estos materiales serán preparados por medio del proceso Sol-Gel, con el cual se pueden dar características específicas como: gran área superficial, resistencia térmica, resistencia mecánica, selectividad por mencionar algunas.

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GENERALIDADES

2. GENERALIDADES

2.1 NATURALEZA DE LOS ADSORBENTES. Los sólidos adsorbentes por lo general se utilizan en forma granular; varían de

tamaño; desde aproximadamente 12 mm de diámetro hasta granos tan pequeños de 50 micras. Los sólidos deben poseer ciertas propiedades relativas a la ingeniería, según la aplicación que se les vaya a dar. Sí se utilizan en un lecho fijo a través del cual va a fluir un líquido o un gas, por ejemplo, no debe ofrecer una caída de presión del flujo muy grande, ni debe ser arrastrado con facilidad por la corriente que fluye. Deben tener una adecuada consistencia para que no se reduzca su tamaño al ser manejados o para que no se rompan al soportar su propio peso en lechos del espesor requerido. Sí se va a sacar y meter con frecuencia en los recipientes que los contienen, deben fluir libremente. Estas son propiedades fácilmente reconocibles. La adsorción es un fenómeno muy general; incluso los sólidos comunes adsorberan gases y vapores, cuando menos a cierto grado. Por ejemplo se ha observado con sorpresa el aumento en peso de un crisol de porcelana seco en un día húmedo cuando es pesada en una balanza analítica; la superficie del crisol ha adsorbido humedad del aire. Sin embargo, sólo ciertos sólidos exhiben la suficiente especificidad y capacidad de adsorción para ser útiles como adsorbentes industriales. Puesto que los sólidos poseen frecuentemente una capacidad muy específica para adsorber grandes cantidades de ciertas sustancias, es evidente que la naturaleza química del sólido tiene mucho que ver con sus características de adsorción. Empero, la simple identidad química no es suficiente para caracterizar su utilidad. Por ejemplo en la extracción líquida, todas las muestras de acetato de butilo puro tienen la misma capacidad para extraer ácido acético de una solución acuosa. Esto no es cierto para las características de adsorción de la silicagel con respecto al vapor de agua, por ejemplo. Influye demasiado su método de fabricación y sus antecedentes de adsorción y deserción[?

Parece esencial una gran superficie por unidad de peso para todos los adsorbentes Útiles. En particular en adsorción de gases, la superficie significativa no es la superficie total de las partículas granulares que generalmente se utilizan, si no la superficie mucho mayor de los poros internos de las partículas. Los poros generalmente son muy pequeños, en ocasiones de algunos cuantos diámetros moleculares de ancho, pero su gran número proporciona una enorme superficie para la adsorción. Por ejemplo se calcula que el carbón típico de una máscara de gases tiene una superficie efectiva de 1,000,000 m2/Kg. Hay otras muchas propiedades que son evidentemente de gran importancia y que no se comprenden totalmente; se tiene que depender en gran medida de la observación empírica para reconocer la capacidad de adsorción.

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2.2 TIPOS DE ADSORBENTES. La siguiente lista presenta los principales adsorbedores de uso general.

1 ) Tierras de Fullera: Son arcillas naturales; las variedades norteamericanas proceden generalmente de Florida y Georgia: Principalmente son silicatos de aluminio y

magnesio bajo la forma de anatapulguita y montmorillonita. La arcilla se calienta y se seca, y durante ésta operación desarrolla una estructura porosa, es molida y cernida. Los tamaños que se consiguen comercialmente van desde grandes gránulos hasta polvos finos. Las arcillas son particularmente Útiles para decolorar, neutralizar, y secar productos del petróleo como aceites lubricantes, aceites de transformador, querosenos y gasolinas, lo mismo que aceites vegetales y animales.

2) Bauxita: Es cierta forma de álumina hidratada natural que debe activarse mediante calentamiento a temperaturas que varían entre 450 y 1500%, con el fin de activar su poder de adsorción. Se utiliza para decolorar productos del petróleo y para sacar gases; se puede reactivar mediante calentamiento.

3) Alúmina: Es un Óxido de aluminio hidratado, puro, duro, que se activa por calentamiento para eliminar la humedad. El producto poroso se puede conseguir como gránulos o polvo; se utiliza principalmente como desecante de gases y líquidos. Puede activarse para volverse a utilizar.

4) Carbón de hueso: Se obtiene mediante la destilación destructiva de huesos pulverizados y secos a temperaturas de 600 a 900°C. Se utiliza principalmente en la refinación de azúcar; puede volverse a utilizar después de lavado y quemado.

5) Carbón adsorbente de aases: Se prepara por carbonización de cascaras de coco, semillas de fruta, lignita y madera. Debe ser activado, lo cual equivale esencialmente a un proceso parcial de oxidación mediante tratamiento con aire o vapor caliente. Se puede conseguir en forma granular o de lentejas; se utiliza para la recuperación de vapores de disolven tes en mezclas gaseosas, en máscaras de gas, recuperación de hidrocarburos de la gasolina a partir de gas natural y para el fraccionamiento de gases de hidrocarburos. Para volverlo a utilizar, se puede revivir, por evaporación del gas adsorbido.

6) Carbón activado de malla molecular: Es una forma preparada especialmente con aberturas de poro controladas, que van desde 5 a 5.5 angstroms (la mayoría de los carbones activados van desde 14 hasta 60 angstroms). Los poros pueden admitir, por ejemplo, hidrocarburos paraf ínicos, pero rechazan isoparafinas de diámetros moleculares grandes. El producto es útil para fraccionar compuestos acetilénicos, alcoholes, ácidos

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GENERALIDADES

orgánicos, cetonas, aldehídos y muchos otros. 7) Silicaael: Es un producto muy duro, granular, muy poroso; se prepara a partir del gel precipitado por tratamiento ácido de una solución de silicato de sodio. Su contenido de humedad antes de utilizarse varia del 4 a 17% mas o menos; se utiliza principalmente para deshidratación del aire y otros gases, en máscaras de gases y para fraccionamiento de hidrocarburos. Para volverse a utilizar, se puede revivir por evaporación de la materia adso rbida.

8)Mallas molecu lares: Son cristales de zeolítas sintéticos, porosos, alurninosilicatos metálicos. Las "jaulas" de las celdas cristalinas pueden atrapar materia adsorbida; el diámetro de los pasadizos, controlado por la composición del cristal , regula el tamaño de las moléculas que pueden entrar o ser excluidas. Por lo tanto, las mallas pueden separar de acuerdo con el tamaño molecular y también por adsorción de acuerdo a la polaridad molecular y el grado de insaturación. Se puede conseguir industríalmente unos nueve tipos, cuyos diámetros nominales de poros van de 3 a 10 A; estos tipos tienen forma de lenteja, perlas y polvos. Se utilizan para la deshidartación de gases y líquidos, la separación de mezclas de hidrocarburos gaseosos y líquidos para una gran variedad de procesos. Se regeneran por calentamiento o elusión.

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PROCESOS EXISTENTES PARA LA PREPACI~N DE ADSORBENTES

Cmu abierta al iisnpo

3. PROCESOS EXISTENTES PARA LA PREPARACIÓN DE MATERIALES ADSORBENTES.

3.1 El proceso de precipitación. Los métodos y técnicas experimentales para la preparación de catalizadores son

particularmente importantes, pues la composición química no es en sí misma suficiente par determinar la actividad. Las propiedades físicas tales como área superficial, tamaño de poros, tamaño de partícula y estructura de la mísma, también tienen influencia sobre la actividad. Estas propiedades quedan determinadas en buena parte por los procedimientos de preparación. Para empezar se hará una distinción entre las preparaciones en las cuales todo el material constituye el catalizador o empaque y aquellas en las que el ingrediente activo esta dispersado en un material de soporte o portador que tiene gran área superficial el primer tipo de catalizador se prepara por lo general por precipitación, formación de un gel o una mezcla simple de los componentes.

Uno de los métodos para obtener un material sólido en forma porosa es la precipitación. En general consiste en adicionar un agente precipitante a soluciones acuosas de los componentes deseados. Con frecuencia los pasos subsecuentes en el proceso son: lavado, secado, y algunas veces calcinación y Por ejemplo, un catalizador de óxido de magnesio puede prepararse mediante la precipitación del magnesio de soluciones de nitrato, añadiendo carbonato de sódio. El precipitado de MgCO, se lava, se seca y calcina, para obtener el Óxido. Algunas variables tales como concentración de las soluciones, temperaturas, tiempo de secado y calcinado, pueden tener influencia en la área de superficie y en la estructura de los poros del producto final. Esto explica la dificultad para reproducir catalizadores e indica la nacesidad de seguir cuidadosamente las "recetas" que ya hayan sido probadas. De particular importancia es el paso del lavado que elimina todas las trazas de impurezas que pueden actuar como venenos.

Un caso especial de los métodos de precipitación es la formación de un precipitado colidal que se gelif íque. Los pasos en el procedimiento son esencialmente los mismos que aquellos utilizados en el procedimiento de precipitación. Los catalizadores que contienen sílice y alúmina son especialmente apropiados para la preparación de geles, ya que sus precipitados tienen naturaleza coloidal.

Algunas veces se puede obtener un material poroso mezclando los componentes con agua, moliéndolos al tamaño deseado del grano y luego secándolos y calcinándolos. Finalmente, los materiales así obtenidos deberán molerse y cribarse para obtener el tamaño apropiado de la partícula. Un catalizador mixto de óxido de magnesio y de calcio puede prepararse en la forma descríta. Los carbonatos se muelen en húmedo en un molino de bolas, se extruyan, secan y calcinan en un horno para reducir los carbonatos.

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PROCESOS EXISTENTES PARA LA PREPACI~N DE A D S O ~ N T E S

c i w abierta al tlempo

3.2 El proceso sol-gel.

Básicamente el método consiste en la formación de redes compuestas por elementos inorgánicos, obtenidos por medio de una reacción química, que inicia a partir de una solución homogénea (alcóxido, solvente, agua y cataljzador de hidrólisis) llamado SOL, la cual involucra una solución cdoidal. Esta puede ser descrita como una dispersión de partículas que tienen un diámetro aproximado 100 A; cabe hacer notar que las partículas individuales de los precursores puros son menores a las miscelas formadas en el SOL durante la reacción.

En el SOL se forman miscelas suspendidas en el líquido, las cuales aumentan de tamaño en función del tiempo, hasta la formación del GEL. El GEL es un sistema polimérico que tiene la apariencia de una gelatina opaca, y cuando seca a 70°C forma un polvo, pero aún conserva las características y propiedades del SOL. Sin embargo al tratar el producto arriba de 300°C existe, una concentración considerable de la red, estabilizando al gel. El proceso sol-gel se divide principalmente en dos etapas:

1) Et- de DreDaraciÓn del ael. En ésta los reactivos (alcóxidos) se hidrolizan y condensan para formar el gel. La hidrólisis ocurre cuando el alcóxido y el agua son mezclados, utilizando como disolvente el alcohol correspondiente, también se obtiene como subproducto de reacción. En la reacción de polimerización los grupos intermediarios alcoxi (-Si-OEt) y los grupos hidroxi (-SOH) reaccionan para formar siloxanos (Si-O-Si=), esta etapa determina la estructura primaria de los geles y sus propiedades. Las reacciones llevadas a cabo son las siguientes:

Hidról isis Si(OEt), +.Hi0 + -Si(OEt),-, + EtOH

Condensación Si-OEt + Si-OH -+ ESi-O-SiE + EtOH Si-OEt + Si-OEt + =Si-O-Sis + EtOH Si-OH + Si-OH 4 ESi-O-Si. + HOH

Las reacciones de hidrólisis y condensación ocurren casi simultáneamente pero, generalmente, no se llega a la formación del ortosilícato [ Si(OH), 1, muy sensibles. a los siguientes factores experimentales:

1 0

PROCESOS EXISTENTES PARA LA PREPACI~N DE ADSORBENTES rn ciu abiorti .I U.ipo

a) temperatura de reflujo, b)pH , c)concentraciÓn de agua, d) tipo de radical alquilo (R), e) naturaleza del disolvente, y f) tiempo de reacción.

La condensación tiene gran influencia sobre la gelificación, ya que, dependiendo de las condiciones de reacción, se puede llegar, por un lado, a la precipitación y, por otro, a la formación del gel.

Cuando se lleva a cabo la hidrólisis, puede formar oligómeros cíclicos, en donde un grupo hidroxílo se incorpora a la molécula u oligómeros acíclicos con dos grupos hidroxilo dentro de la molécula, el camino que siga la reacción depende del factor impedimento estérico. AI llevarse a cabo la condensación, nuevamente se tendrá un polímero un polímero cíclico o acíclico, dependiendo del intermediario con el cual reaccione.

El mecanismo que sigue la reacción, es una sustitución nucleofílica (medio básico o neutro) o una sustitución electrofílica (medio ácido) tipo (SN2), en donde el silicio es protónado rápidamente durante la primera etapa y posteriormente, atacado por la molécula de agua, generando como subproducto el alcohol correspondiente, en este momento se forman los intermediarios etóxi( Si-OEt) e hidrÓxi( .Si-OH), los cuales después polimerizan. Los subproductos obten idos (agua y etanol) quedan incluidos dentro del gel en el punto de gelificación. Es por esto que el producto se debe secar, en primer lugar (70 O C ) y posteriormente, darle un tratamiento térmico adecuado.

2) EtaDa de Dosuelación. Se presenta después del punto de gelificación e incluye todos los fenómenos ocurridos durante el secado y la calcinación del gel: evaporización de agua, evaporación del disolvente, desaparición de residuos orgánicos, deshidroxilación y cam bios, tanto estructurales como microestructurales. Durante el secado se presente una contracción considerable de la red hasta formar un gel de mayor resistencia, que se transformará posteriormente en un sólido poroso llamado XEROGEL.

Este sólido se trata térmicamente a temperaturas de 200 OC hasta 900 OC y curante este lapso de tiempo el gel se hace más denso finalmente forma un vidrio. Por el proceso sol-gel la transición gel-vidrio (en tecnología de vidrios) ocurre a 600 OC, mientras que los procesos tradicionales para fabricación de vidrios emplean temperaturas de 1 lo0 a 1900 OC. Esta disminución de temperatura, gracias al nuevo proceso, implica un ahorro de energía y por consiguiente, un gran ahorro económico.

3.2.1 Efectos de la acidez y basicidad.

El SOL puede prepararse en medio ácido (pH 3-6); básico (pH 8-12) o neutro (pH7). En medio básico las partículas iniciales (alcóxidos, disolvente, agua, amoníaco) tiene un diámetro aproximado de 10 A y aumentan su tamaño paulatinamente. Cuando se forma el GEL, se obtienen materiales macroscópicos (diámetro de poro grande) con un área superficial entre 400-500 m2/g. Si la reacción se lleva a cabo a pH 7, el tamaño

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I

-PROCESOS EXISTENTES PGRA LA PREPACI~N DE ADSORIWTES rn C." .blWt. .I Ueapo

de partícula en el SOL es variable y existen partículas desde 25 hasta 200 A, por lo tanto, cuando el GEL se forme tendrá poros grandes y pequeños, se dice entonces que la distribución de diámetro de poro no es uniforme. Pero si el medio es ácido el tamaño de partícula, tanto en el SOL como en el GEL, será muy uniforme, este variará de 10 a 30 A, aproximadamen te; los materiales obtenidos serán microporosos (diámetro de poro pequeño) con una muy alta área específica (950 m*/g).

. .

3d.2 .Carsctm"stkas de los precursores empleados en el procaw SobGel. . . Losalcóxidos son compuestos que poseen un hidrocarburo unido a un oxígeno, el

cual a su vez está enlazado con un elemento metálico. Dependiendo del tipo de enlace y del radical orgánico, las propiedades físicas y químicas de estos compuestos varían, ya que están directamente relacionadas con el carácter iónico del enlace M-O en el alcóxido, y , además, el efecto electrónico del grupo alquilo, unido al Btomo de oxígeno modifica.la polaridad intrínseca del enlace M-O. Sus propiedades físicas y químicas más importantes son las siguientes:

Grado de oliaomerización o r>olimeraciÓn. La formación de oligómeros es debida a la expansión de la esfera de coordinación del metal, por medio de enlaces intermoleculares con átomos donadores de grupos alcóxidos vecinos. La oligomerización de alcóxidos, por poseer la tendencia a maximizar su número de coordinación, puede ser llevada a cabo usando los orbitales metálicos vacíos que aceptan el par electrónico del oxígeno proveniente de los ligandos alcóxidos. El grado de asociación depende de la naturaleza del átomo metálico central y del grupo alquilo, en algunos casos se ha demostrado que el.grado de oligomerización de los alcóxidos metálicos en solución, es función de la naturaleza del disolvente y de la concentración del soluto. En general, se puede decir que la complejidad molecular aumenta con el tamaño del átomo central.

Desde el punto de vista estructural, en 1958, Bradley [l] propone una teoría en la cual relaciona el grado de oligomerización con el número de coordinación del átomo Central. De acuerdo con esta teoría, los alcóxidos optan por la unidad estructural más pequeñas posibles, cuando los átomos tienen un alto número de coordinación. Finalmente el grado de polimerización varía en función del avance de la reacción de hid r ÓI is is.

VolatiliW. Está directamente relacionada con el tamaño molecular y la estructura del grupo alquilo. Desde el punto de vista de fuerzas intermoleculares el tamaño y forma del alcóxido afectan la volatilidad, la cual será menor cuando la cadena del grupo alquilo sea más grande. Por otro lado, si se tiene un grado de olimerización alto, la volatilidad será menor.

1 2

PROCESOS EXISTENTES PARA LA PREPACI~N DE ADSORBENTES m!lA c.u .Mat. .I tiempo

----- Viscosidad. Se ha visto que cuando existe una alta polimerización de los productos, se tendrá una mayor viscosidad. En el proceso sol-gel los alcóNidos se disuelven generalmente en alcoholes y la viscosidad de la solución será función directa de la concentración, de la solubilidad del alcóxido y de las posibles interacciones de las moléculas disueltas.

Reacciones con alcoholes. Cuando los alcóxidos son disueltos en su alcohol correspondiente, se considera que el disolvente es un medio inerte y no interviene en el proceso químico; pero si son disueltos en alcoholes con diferente radical orgánico, el alcohol interactúa con los alcóxidos y cambia sus propiedades originales.

En el segundo caso, puede ocurrir un intercambio del grupo alquilo, llamado reacción de alcohólisis, que se representa de la siguiente manera:

Si(Oet), + xButOH - Si(Oet),,(Obut), + xEtOH

en el proceso sol-gel, las reacciones de alcohólisis son aprovechadas para lograr una mayor homogeneidad en la solución inicial, así como para variar las velocidades de la hidrólisis y la reactividad de los precursores.

Asociación molecular. Se considera como la primera etapa de la síntesis de Óxidos m ul t icompon entes. Dislich [2] propone que especies polinucleares pueden ser formadas:

Si(Oet), + Al(Oet), - Si[Al(Oet),+,]

En reaiidad, la reacción entre alcóxidos de elementos con diferentes electronegatividades es posible cuando éstos son capaces de ampliar su número de coordinacien y formar complejo.

Reacciones con ácidos orgánicos. Los ácidos orgánicos son usados generalmente como catalizadores de hidrólisis, pero reaccionan con el alcóxido de acuerdo con el siguiente esquema:

Si(Oet), + xCH,COOH + Si(Oet)4~x(OCCH,), + xEtOH

Doeuff, et. AI [4], recientemente mostró que el ácido ataca, en primer lugar, a los ligandos alcóxidos, uniéndose a la molécula. Cuando el gel fresco es calentada a temperatura de, aproximadamente, 200 OC los ligandos (provenientes del ácido orgánico)

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PROCESOS EXISTENTES PARA LA PREPACI~N DE ADSORBENTES

Casa rbm (a ai tiempo

se desprenden y queda el gel libre de ellos. La gelificación es un proceso espectacu lar, porque una solución inesperadamente

pierde su fluidez y toma la apariencia de un sólido elástico, se dice entonces, que se alcanzó el punto de gelificación, éste realmente es un evento estadístico que nos indica en donde termina la primera etapa de la reacción. La gelificación generalmente no es afectada por la reacción química inicial del SOL, pero la composición y la estructura de los geles sí.

Este nuevo método es llamado también Proceso de ultraestructura de materiales y ha tohado tal importancia que, desde 1978, la Fuerza Aérea Norteamericana basa sus programas de investigación en este tipo de materiales, debido a sus propiedades. En 1983 empezó a subsidiar un Simposium llamado Mejores materiales cerárnicos a través de la química, y fundó la Sociedad de Investigaciones de Materiales, la cual tiene sus propios congresos desde 1984. Nuevas reuniones han surgido después de está: 1) Internacional Wokshop on Glasses and Glass-Ceramics from gels. 2) Simposio Internacional de Materiales : Química y Física. 3) Conference on Ultraproccessing of Glasses, Ceramics and Polymers. Además de que la literatura sobre el tema ha ido en aumento día a día.

3.2.3 Secado y calcinación.

1) Desaparición de residuos inorgánicos (como podrían ser el caso de nitratos de “0,). 2) Evaporación del agua que queda residual. 3) Evaporación de los solventes si se utilizan alcoholes. 4) Cambios de la estructura y macroestructura (variación del tamaño de poro y por lo .tanto modificación del área superficial). 5) Deshidrolización.

Durante el proceso de secado ocurre contracciones de las estructuras moleculares (red cristalina) hasta la formación de un gel de mayor resistencia mecánica que se transforma en un sólido poroso al cual es denominado xerogel. Este proceso se realiza a temperaturas menores de los 120°C. El proceso más drástico llamado calcinación se emplea temperaturas por encima de los 200°C hasta 900°C; durante este tratamiento los geles tienden a ser más densos hasta formar un vidrio el cual a perdido residuos orgánicos y las impurezas que pudieran haber tenido. La calcinación dará un Óxido con

Los fenómenos ocurridos durante estas etapas son:

. una estructura bien determinada y buena resistencia mecánica. -.

1 4

EL PROCESO

c.u .Mer* .I tiempo

-CH-(CH&CH-(CH,),

-C-(CH,-CH3)-(CH3),

4. ELPROCESO

[64653-56- 1 ] 131/50 1 .o [10585-26-91 9811 O 1 .o

4.1 Propiedades de las materias prímas. 4.1.1 Alcóxidos metálicos.

a uno o más grupos alquíl por medio de un átomo por medio de un átomo de oxígeno. Los alcóxidos se derivan de los alcoholes mediante un reemplazo de hidrógeno hidroxílico por un metal. Los alcóxidos de varios metales de transición fueron desarrollados después de la segunda guerra mundial. Actualmente algunos alcóxidos incluyendo los de potasio, sodio, magnesio, aluminio, zirconio y titanio son cr?mercialmente importantes. Se prefiere el nombre de alcóxidos metálicos, aunque también se usa el de alcoholatos metálicos. Propiedades metálicas:

Los alcóxidos metálicos presentan grandes diferencias en sus propiedades dependiendo primeramente, de la posición del metal en la tabla periódica y luego del grupo alquíl. Muchos Óxidos están fuertemente asociados por fuerzas intermoleculares las cuales dependen del tamaño y la forma del grupo alquíl. Esto explica el hecho de que varios metóxidos sean compuestos sólidos.

La tabla presentada a continuación muestra la influencia del grado de ramificación del grupo alquíl sobre la volatilidad y complejidad tomando como ejemplos almilóxidos de titanio.

Los alcóxidos metálicos son compuestos en los cuales un metal está enlazado

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EL PROCESO

Cui .Mata .I Uempo

* Muchos alcóxidos metálicos son solubles en el alcohol correspondiente, pero los alcóxidos de magnesio son prácticamente insolubles. Solo los destilables como los de aluminio , titanio y zirconio , son solubles en disolventes ligeramente polares. Los alcóxidos de aluminio son de naturaleza covalente, los alcóxidos menos pesados son cíclicos, aún en solución y en fase vapor.

R

Estructura de los alcóxidos son muy variadas entre los metales de transición. Propiedades químicas:

La propiedad más sobresaliente de los alcóxidos metálicos es su facilidad para hidrolizarse. El hexa-ter-butóxido de uranio es una excepción puesto que no reacciona con el agua.

En algunos casos la hidrólisis es reversible, pero comúnmente no lo es:

NaOC2H, +H20 NaOH+ C,H,OH

2VO(OC4Hg),+ 3H,O V20, + 6C4HgOH.

Con los alcoholes sufren reacciones de equilibrio:

MOR +R'OH MOR'+ ROH

M(0R') + R'OH M(OR),,(OR') + ROH

I M(OR)(OR'),, + R'OH M(OR'),+ROH

. Los alcóxidos reaccionan entre si para dar como resultado alcóxidos dobles:

NaOC,H,+AI (OC2HJ3 + NaAI(OC,H5),

En presencia de alcohol se forma también otro tipo de alcóxido doble:

1 6

EL PROCESO

Casa aMab d tiempa

Temperaturas aproximadas de descomposiciÓ n

NaOC,H, + C,H,OH +Zr (OC,H,)4 - NaHZr(OC,H,),

Para los alccjxidos de aluminio la estabilidad térmica decrece de la siguiente forma:

320" C 250" C 140°C

r-

Formula molecular

Peso molecular

Punto de ebullición

índice de refracción

Densidad

ALC~XIDO Primario Secunda rio Terciario

Si(OC*H5)4

208.33 gramodgramo mol

168 OF

1.3820 Q 20°C

0.934 Q 20°C

Punto de fusión 116 "F I Es un material muy sensitivo e irritante.

Precauciones: Como es un material irritante es necesario usar guantes de hule y lentes de

protección. En caso de derramamiento en el cuerpo lavar la parte contaminada con abundante agua.

4.1.3 Tetraisopropoxido de Titanio.

amarillo, casi incoloro, humea en aire húmedo, soluble en solventes orgánicos y tiene las siguientes propiedades físicas:

No.[546-68-91, Ti[OCH(CH,)J4, peso molecular 284.3, es un fluido ligeramente

17

. .

gravedad específica 20/20

punto de fusión

punto de ebullición

punto de inflamación

entalpía de formación

índice de rafracción a 35°C

0.971 1

15-19 "C

232.0 "C(49.0"C a 10.0 Pa o 0.075 m m w

50.0-60 .O"C

75.0 KJímol(18.2 KcaVmol)

1.4568

I viscosidad dinámica a 25°C I 4.5 cp I grado de asociación 1.4

&nejo transpor.tación y toxicoiog ía: Los alcóxidos metálicos son fuertemente cáusticos y se descomponen con la

humedad del aire o de la piel por lo que se requiere el empleo de lentes de seguridad y guantes de neopropeno.

-i MOH + ROH es exotérmica y capaz de poner en ignición metales alcalinos, especialmente los alcóxidos de potasio cuando se exponen al aire .Tales fuegos deben de sofocarse con arena o espuma, pero no con agua.

Los alcóxidos deben ser almacenados en lugares secos y frescos. Se empacan dentro de bolsas de polietileno bajo atmósfera de nitrógeno o argón los cuales son transportados en tambores con hule espuma.

Los riesgos contra la salud que presentan los alcóxidos metálicos reflejan la toxicidad de los metales que contienen y de los hidróxidos y alcoholes que se forman en

Los alcóxidos metálicos compiten con otros compuestos metálicos orgánicos e inorgánicos, tales como los carboxilatos metálicos; tienen ventajas debido a sus propiedades catalíticas, su facilidad para hidrolizarse, su solubilidad en solventes orgánicos y su facilidad para ser destilados. Son principalmente usados como catalizadores con parcial hidrólisis, alcohol ísis o transesterif icació n, en recub rimien tos para plásticos, textiles vidrios y metales; aditivos para adhesivos y pinturas; para el refuerzo y endurecimiento de materiales sintéticos y naturales.

~

El calor de hidrólisis MOR +HOH

. la hidrótisis , Aplicacíones:

. .

. . % I , . . 1 8

4.1.4 Isopropóxido de Zirconio. Propiedades del Isopropóxido de Zirconio:

Formula molecular

Peso molecular 124.4586 gramosígramo mol

Punto de ebullición

gravedad especifica 20/20

punto de ebullición

punto fusión

índice de refracción 1.4510 Q 20°C

Densidad 0.1044 Q 20°C

Punto de fusión

0.7863

82.4 "C

-88.5 "C

Es un material muy sensitivo e irritante. Precausiones:

Como es un material irritante es necesario usar guantes de hule y lentes de protección. En caso de derramamiento en el cuerpo lavar la parte contaminada con abundante agua.

calor latente de vaporización

4.1.5 Isopropanol (Disolvente). Conocido comercialmente como alcohol isopropílico y propan-2-01 también

como alcohol propílico secundario, es muy usado como sustituto de etanol, sus usos incluyen: recubrirnientos, humedecedores de nitrocelusosa, preparación de cosméticos y productos de farmacéutica. No es constituyente esencial de los "fusel iols" normales, sino es producido a partir de acetona o del propileno, este Último producido por el tratamiento del petróleo, la fuente más predominante hoy en día.

El isopropanol puro tiene un olor ligeramente mas fuerte qué el etanol y su sabor es ligeramente mas picante. Es un liquido estable, incoloro, higroscópico, miscible en agua en todas proporciones. Sus características son las siguientes:

54.1 KJ/mol

I temperatura de flash- I 12.0 "C I (prasiónde vapor I 33.0mmHg I L Z e e refracción (200 C) I 1.3772 mmHg I

19

EL PROCESO

calor especifico (20" C)

calor de combustión

0.599 cal /mol

7970.0 Kcaüml

Se llama "fusel iols" al liquido aceitoso, incoloro y venenoso que es constituyente del residuo posterior a la destilación del alcohol de grano.

Almacenamiento y transportación: Los alcoholes de cadena corta se pueden almacenar en recipientes hechos de

aleaciones no corrohibles de acero al carbón o inoxidable. Los recipientes de aluminio también son adecuados, pero no se recomiendan cuando los tiempos de almacenamiento de alcoholes extremadamente anhídros. En recipientes de aluminio, se espera que haya corrosión debido a la formación de alcóxidos. La temperatura de almacenamiento se sugiere que sea la más baja posible. Un contenido de agua de 0.1% tiene efecto estabilizante. Para los alcoholes extremadamente anhidros es muy riesgoso el que se tenga autoxidación . Para evitar la oxidación se puede instalar una unidad iguat de gas inerte como el nitrógeno, provocando el desplazamiento del oxígeno y vapor de agua atmosférico s.

4.1.6 Ácido Nítrico. El ácido nítíico anhídro es un líquido incoloro, con olor característico, huméa en

el aire y se disuelve fácilmente en agua. Expuesto a la luz se descompone parcialmente según la ecuación:

ZHNO, 2N0,+H20+ 1 /2( O,)

El NO2 se disuelve en el ácido, comunicándole color amarillo. Se descompone en alcohol.

Punto de ebullición ( 1 atm ) I 86.0" C I I peso específico

~ ~-

I I 1.574

' presión de vapor (25°C) 62.0 mmHg

viscosidad dinámica (25°C) 0.761 cp

20

EL PROCESO

cai .Mat. ai üomrm

El ácido nítrico comercial tiene una densidad 1.42 y contiene 68 YO en peso de un ácido y es aproximadamente 15N. Esta solución es la mezcla de punto de ebullición constante y hierve a 120.5"C a la presión de una atmósfera. Por ebullición los ácidos mas diluidos se hacen más concentrados y viceversa, hasta que alcanza la concentración del 68 O h en cuyo momento destila el ácido sin cambiar la concentración. Análogamente el ácido sulfúrico es un ácido fuerte en estado diluído y un oxidante activo estando concentrado.

La mayor parte de los metales se disuelve en ácido nítrico moderadamente concentrado, y dependiendo de los productos tanto del metal como de la cdncentración y de la temperatura del ácido. Según esto, se puede conseguir cualquiera de los productos de reacción siguientes. NO,, HNO,, NO, N, y NH,. En la mayoría de las reacciones en las que el ácido nítrico actúa sobre los metales, se produce en gran cantidad uno de los productos de reducción mezclado con cantidades relativamente pequeñas de algunos de los otros. En general, cuando el ácido nítrico concentrado actúa sobre los metales situados bajo de la serie de f.e.m., tales como el Cu, Ag, y Hg, el producto de la reducción predominante es el NO,. Con ácido nítrico diluido el principal compuesto gaseoso formado es el NO,; sin embargo, se desprenden cantidades apreciables de N,O y N,.

Petización: Es el fenómeno relacionado con la estabilidad de las suspensiones coloidales. La

superficies de las partículas coloidales dispersas en un medio continuo es sede de una capa eléctrica difusa, en virtud de la cual las partículas se repelen recíprocamente, confiriendo estabilidad a la suspensión , ello determina que por ejemplo , la adición de un electrólito por absorción de iones en la interfase-neutraliza la carga, provocando la coagulación.

Peptizar un coloide significa conferir, o volver a conferir a las partículas y a coaguladas (median te un reactivo llamado peptizante) una carga homóloga, de modo de que aquellas retornan al modo disperso en el medio continuo. También los coloides pueden actúar como agent es peptizantes (coloides protectores).

Grados y formas: Las proporciones comerciales mas comunes son 36,38, 40" y 42" Baume y 95%

para el ácido nítrico fumante. El ácido nítrico rojo fumante contiene varias cantidades de NO, la producción mas común es la de 42" Baume , el cual está por encima del 67% y puede diluirse con agua sin generar un incremento apreciable en la temperatura. Existen grados altamente puros y tiene impurezas solo en partes por millón.

21

EL PROCESO

Cas. abierta a l licnipo

viscosidad dinámica a (25 C)

viscosidad dinámica a (1 20" C)

calor específico

presión de vapor (l0OOC)

índice de refracción

Embalaje y em barq ue: Su transportación se hace en tambores, carros tanque y camiones con tanque

adaptados. Porciones de ácido por arriba del 95% son enviados en equipos de acero inoxidable; 95% o menos de aluminio debe tener precaución en el transporte ( ICC , CG, IATA), debiendo llevar etiqueta blanca. No se acepta en aviones de pasajeros.

0.915 cp

0.01002 poises

1 .O cal/gramo

760.0 mmHg

1.333

4.1.7 Agua destilada. Propiedades:

Líquido incoloro, inodoro e insípido; las formas alotrópicos son hielo(só1ido) y vapor. El agua es un liquido altamente polar con alta constante dialéctica), lo que explica su poder disolvente. Es un electrólito débil, que ioniza como H,O y OH-. se dilata aproximadamente el 10 Yo cuando se congela.

I 81 .O I Constante dialéctica (1 7°C)

I peso específico (a í atm y 4 0 ~ ) I 1 .O00

punto de congelación I O.O0C(32"F) I

El agua puede ser supercalentada en un autoclave e incrementando la presión; y puede ser superenfriada por adición de cloruro de sodio u otro compuesto ionizante. Tiene actividad cata1 ítica definida, especialmen te la actividad metálica.

Se obtiene mediante la oxidación del hidrógeno; como producto final en las combustiones; producto final en las reacciones ácido-base y como producto final de las reacciones de conden sación. Su purificación se realiza median te: destilación; reacción de intercambio de iones (zeolítas), cloración y filtración. Se envasa en recipientes de cristal, camiones cisterna y tuberías. Se usa en la fabricación del papel, procesos textiles, disolvente refrigerante industrial, filtración, lavados y purgas, hidrólisis, cemento portland, sistemas hidráulicos, fuente de energía y para generación de vapor entre otras.

Para la fase experimental se empleo agua desionizada la cual a su vez se obtiene cruda que es la que abastece a las industrias. Tales abastecimientos de agua se tratan aplicando varios intercambiadores iónicos adecuados, ya sea en forma individual o en serie con el fín de hacerlos adecuados para cualquier tarea referente, desde las

22

simples operaciones de lavado que sólo necesitan agua que no sea dura, hasta las aplicaciones químicas electrolíticas y electrónicas, que e requieren aguas con resistencia eléctrica por encíma de 10 megaohmskm. Si el abastecimiento de agua cruda contiene cierto grado de turbidez, cloro libre o materias orgánicas, quizás sea necesario o conveniente someterla a un pretratamiento con otros métodos.

El agua descationizada que pasa por la forma oxhidrilol de resinas aniónica fuertemente básica se disocia por completo, ya que todos los cationes se sustituyen con iones hidrógeno y todos los anionec con iones oxhidrilo. En realidad, una sola corrida por un intercambiador iónico seguida de un intercambio iónico de base fuerte deja un residuo, pequeño de sólidos disueltos en el agua, casi siempre de 2 a 5 ppm de hidróxido de sodio carbonatado por lo común el sílice se reduce a 0.1 ppm o menos aplicando técnicas especiales que sirven para producir agua de reemplazo para calderas a muy alta presión, a 0.02 ppm o menos. Una pasada por una segunda serie catión anión reducirá mas aun las impurezas del agua.

Cant idad

5 ml

100 ml

500 ml

64500 ml

2 It

Precio $ (dolares)

10.00

14.60

19.90

96.00

58.75

b) 33,397-2 n-propóxido de Zirconio (IV) [23519-77-91. 70% solución en 1 propanol [23549-77-91.

(dolares)

100 ml Líquido flamable,

23

EL PROCESO

Cui .Mat. el Uompa

Cant idad

100 ml

800 ml

c) 33,385 -9 Tet raet ilortosilicato, 98% [7369~65 -21

(dolares)

Precio $ (dolares)

12.80

19.60

. Líquido flamable,

Cant idad

5 ml

100 ml

1 It

4 It

d) Butanol Anhídro, 99% de pureza [71-36-31.

Precio $ (dolares)

6.05

6.25

10.40

30.70

Cant idad

500 ml

800 ml

2 It

Precio $ (dolares)

10.15

19.60

25.90

I 1 It I 22.40 I

EL PROCESO

6x500 ml

6x800 mi

45.30

87.60

14x2 It I 83.40 I

Cant idad

100 ml

1 It

Precio $ (dolares)

5.90

9.00

1 4 i t I 18.90 I 18 It 58.80

Cant ida d

800 ml

6x800 ml

2 It

4.3 Ubicación de la planta. La decisión respecto a dónde instalarse una planta industrial tiene, muy

frecuentemente, una influencia decisiva en el éxito o fracaso de la operación de la empresa. La naturaleza e importancia de los factores que influyen en la ubicación de la planta varían según las industrias y sus condiciones técnicas y económicas. Algunas industrias tienden a situar sus plantas en las cercanías de sus mercados potenciales, otras se establecen alrededor de sus fuentes de energía, y otras eligen donde están sus abastecedores de materia primas. De vez en cuando, surgen nuevos factores que condicionan los criterios normales en que se basa la ubicación de una planta.

Los factores que determinan la localización pueden describirse como tangibles e intangibles. Los primeros inciden directamente en la renglón de costos y los intangibles son los que se refieren a aspectos como el medio ambiente, las facilidades recreativas , el desarrollo de la comunidad, etc. Se pueden citar como factores tangibles los insumos

Precio $ (dolares)

13.35

55.20

14.85

25

EL PROCESO

básicos, tales como materias primas, costos de transporte, mano de obra, combustibles, etc. La evaluación de los factores tangibles e intangibles determinan la localización óptima. de la planta.

El primer paso para la localización de una planta industrial es la selección de la zona en que se va a ubicar y obedece a los siguientes factores:

1) Proximidad del mercado. La presión para que una planta se sitúe en las cercanías de un mercado potencial, es muy poderosa cuando sus productos son fácilmente perecederos y cuando la fabricación del producto añade un peso adicional. Este factor no es muy relevante para la producción de materiales adsorbentes, ya que no es un producto perecedero si se almacena adecuadamente y el peso corresponde exactamente al del producto, es decir, no lleva en su estructura otras sustancias como el agua. Si fuese por el mercado, se tendría la posibilidad de estar cerca de empresas de petroquímica secundaria, cerámicas y refractarios.

2) cercanía de las materias primas. Es muy importante si el proceso de fabricación elimina peso y es de importancia secundaria el costo del transporte es pequeño en relación con el valor de los insumos. La ciudad de Querétaro siendo el centro del país ofrece ventajas porque está ligeramente más cerca de los Estados Unidos que los parques industriales del Estado de México (Toluca-Lerma), D. F., Puebla, Cuernavaca, San Martín Texmelucan y la costa del Golfo en Pajaritos (de alta humedad relativa) entre otros.

El desarrollo de los transportes ha dado libertad a la ubicación de las plantas, siendo esto afirmativo para productos ligeros. Pero cuando el material es pesado o voluminoso, la proximidad de la planta en relación con un mercado y sus materias primas, se halla ligada con los medios de transporte Óptimo para el material de que se trate. Querétaro cuenta con ferrocarril y una amplia conexión con todos los puntos del país por medio de super carreteras de reciente construcción. Además tanto los insumos como el producto tienen pesos bajos y su fabricación es a baja escala.

4) Servicios adecuados, eneraía. agua. etc. La fabricación florece en las áreas donde se tiene abastecimientos de energía y agua abundantes. Los grandes proyectos públicos de desarrollo de la energía, son indicadores de la importancia que tiene para una economía industrial contar con un abastecimiento de energía adecuado. La necesidad de eliminar las grandes cantidades de calor que se generan en los procesos de fabricación, unida a la aplicación cada vez más frecuente del aire acondicionado en los edificios industriales, exigen cantidades crecientes de agua para enfriamiento; de ahí la importancia que hoy tiene contar con un abastecimiento adecuado del agua todavía es regular pero en lo que concierne al proceso los requerimientos diarios de agua cruda son

26

EL PROCESO

mínimos ya que se diseño un sistema de recuperación por destilación de una mezcla binaria.

5)Clima. Las exigencias de clima varían con el tipo de industria, pero generalmente se desean inviernos frescos pero no fríos y veranos templados pero no calientes. En algunas ocasiones resulta ventajoso los cambios frecuentes del tiempo. El clima es de especial importancia para el almacenamiento de los insumos como son los alcohóxidos metálicos y sus correspondientes alcoholes los cuales son altamente higroscópicos, requiriendo regiones de baja humedad relativa.

Una vez que se ha determinado la región, la ubicación de la planta se reducirá a la de una localidad en particular. La elección de ella debe tomar en cuenta los siguientes factores:

a) Disponibilidad de mano de obra calificada. b) Escala de salarios. c) Otras empresas que existan en el lugar. d) Actitud de la comunidad hacia la industria. e) Sistemas impositivos y legal. f) Condiciones y nivel de vida.

En todos estos factores califican adecuadamente la ciudad de Queretaro. Por ejemplo el último que se refiere a las condiciones y nivel de vida de la ciudad; los funcionarios y el personal clave no se opondrían a vivir en esta ciudad porque tiene ventajas educativa, residenciales, de esparcimiento y además buen trato de los residentes naturales. En lo que se refiere a las leyes estatales del Gobierno del Estado ha impulsado enormemente el crecimiento indust rial siendo Querétaro en los Últimos años uno de los estados con mayor crecimiento económico.

27

ESTUDIO DE MERCADO

Ciu abieria al üomp

ANO Toneladas

1990 5,565

1991 5,354

1992 6,787

1993 5,812

1 994 5,646

1995 5,200

5. ESTUDIO DE MERCADO

i

Precio en Dolar

6,001,025

6,320,140

6,493 , 708

6,456,747

6,289,2 98

5,411 , 1 80

5.1 Expectativas de la demanda del producto. Debido a que los materiales de ZrTiO, - SiO, son productos aun en estudio, es

decir no existe mercado alguno. Y por lo tanto no hay empresas productoras ni consumidoras reales o potenciales.

Una posible aplicación de nuestros materiales sería para la adsorción física de gases o soporte catalítico.

Por consiguiente nuestro estudio de mercado se estimó en base al consumo de Silicagel (SO,) en el país (solo importaciones). Debido, a que es un material muy utilizado como soporte catalítico.

De acuerdo a las cifras proporcionadas del Banco de Comercio Exterior (BANCOMEX), a partir del año de 1990 a 1996 se observa en la gráfica 1 un crecimiento en la demanda nacional de Silicagel.

5,202 5,621,569

Demanda actual y a futuro: Como se ha descrito la demanda de Silicagel va disminuyendo ligeramente con

respecto a los años anteriores a 1996. Extrapolando puntos con los datos de la gráfica 1 tenemos:

- Para 1997 se espera una producción aproximadamente de 5,200 toneladas de Silicagel. Se observa una producción aproximadamente constante en los próximos años.

28

5000 ' I I 1990 1991 1992 1993 1994 1995 I 1996 I I I I

A N O

La base que se tomara para la producción de nuestros materiales será el 1.3% de las importaciones del país que en su gran mayoría provienen de E.U. Siendo 66.71 1 toneladas al año y una producción de 191 kilogramos al día considerando 350 días laborables en la planta.

5.2 Consumidores de soportes.

- Catalizador industrial S.A. - Reel Química S.A. - Promotores y catalizadores orgánicos de México S.A. de C.V. - Petróleos Mexicanos.

Entre los principales product ores tenem os:

Los principales consum idores: - Petróleos Mexicanos. - Celanese Mexicana S.A. de C.V. - Nueva San Isidro. - Vitromex S.A.

29

ETAPA EXPERIMENTAL

ciu sblorh 8I iiripo

6. ETAPA EXPERIMENTAL

0 bjetivo:

propiedad es: Se desarrollaron materiales para adsorción determinando las siguientes

- Area superficial, empleando el método Bet que utiliza Nitrogen0 como adsorbato. - Análisis Termogravimetrico (TG) y Termico Difencial (DTA).

6.1 Tecnicas experimentales. El método de síntesis de sol-gel se refiere a la hidrólisis de alcóxidos metálicos

y a la condensación de las especies parcialmente hidrolizadas para formar enlaces M-O-M mediante reacciones de polimerización['O1. Este procedimiento de síntesis química se basa en la existencia de alcóxidos metálicos los cuales pueden ser obtenidos a través de reacciones con organometálicos, en el caso de alcóxidos monometálicos, o del mezclado de alcóxidos simples, si de alcóxidos bimetalicos, mixtos o heterometálicos se trata. Es importante mencionar que cuando los alcóxidos heterometálicos contienen Si(OR), como podría ser el caso del sistema ZrO,/ SiO, es necesaria la prehidrólisis del alcóxido de silício con el propósito de obtener Si(OR),OH y favorecer la interacción Zr-Si. En el caso del mezclado de alcóxidos de Si y de Zr , fue necesario considerar adecuadamente las velocidades de reacción relativas de cada uno de los alcóxidos por separado con el propósito de completar la reacción de hidrólisis correspondiente. Es decir, se realiza un estudio de tiempo de gelación del sistema como función de la relación H20 / disolvente con el objeto de encontrar las condiciones más adecuadas para una gelación total y formación del hidróxido resultante.

6.2 Síntesis. Esencialmente la síntesis del sol- gel de ZrTi0,-SiO, (para el caso de 5% de SO,,

47.5% TiO, y 47.5% ZrO, ) por mezclado tiene lugar en un vaso de precipitado de vidrio Pyrex provisto de un agitador mecánico.

En el cual se colocaron 10.66 ml de butóxido de titanio (99%)' 14.522 ml de propóxido de zirconio (70%) y 0.621 2 ml de TEOS (98%) en 31 1.895 ml de 2-propanol dejándose reaccionar con agitación constante y goteo de una solución de ácido nítrico ("0,) por aproximadamente 1.5 hrs a temperatura ambiente (2OOC) para la obtención de aproximadamente 5gr de dicho material, dejando reposar el material aproximadamente 24Hr para la formación del gel, el cual se seca a vacío de -23 inHg durante 22hr y su posterior calcinación a diferentes rampa de calentamiento que se muestran en el apéndice I.

30

6.3 Caracterización.

6.3.1 Análisis Termogravimtrlco (TG). Termogravimetria (TG) es una técnica de análisis térmico[41 en la que se registra

el cambio de masa de una muestra, como función de la temperatura y se puede describir de tres maneras :

Termogravimetria isotérmica o estática, en la que la masa de la muestra se registra como función del tiempo a temperatura constante.

Termogravimetria cuasiestática, en la que la muestra de masa constante se calienta en una serie de incrementos de temperatura.

Termogravimetria dinámica, en la que la muestra se calienta en un ambiente donde la temperatura cambia de manera predeterminada, preferiblemente con velocidad lineal.

La curva resultante de cambio de masa contra temperatura nos proporciona información concerniente a la estabilidad térmica y composición de la muestra inicial, de los compuestos intermedios que se pueden formar y de la composición de residuos (si existe); a fin de obtener información Útil con esta técnica, la muestra debe evaporar un producto volátil que se puede originar a partir de diferentes procesos físicos y químicos.

Las mediciones de los cambios en la masa de una muestra con la temperatura se hacen usando una termobalanza. Esta es la combinación de una adecuada microbalanza electrónica con un horno y un programador de temperatura asociado. La balanza debe estar en un sistema convenientemente cerrado de tal manera que la atmósfera se pueda controlar.

6.3.2 Analisis Termico Diferencial (DTA). El análisis térmico diferencial (DTA) es una técnica en la que se registra la

temperatura de una muestra comparada con la temperatura de un material térmicamente inérte en función de la temperatura de la muestra, del material inerte o del horno cuando la muestra se calienta o enfría a velocidad constantel4]. Los cambios de temperatura en la muestra se deben a las transiciones entálpicas o reacciones endotérmicas o exotérmicas tales como las que se provocan por cambio de fase, fusión, inversión de la estructura cristalina, ebullición, sublimación y vaporización, reacciones de deshidratación

31

ETAPA EXPERIMENTAL

caw ibiat. .I Uerpo

disociación o descomposición, oxidación y reducción, destrucción de la estructura cristalína y otras reacciones químicas.

Los cambios de temperatura que ocurren durante estos cambios físicos o químicos son detectados por un método diferencia, de tal manera si las temperaturas de muestra y referencia son t, y t,, respectivamente, entonces la función registrada es la diferencia de temperaturas, T,-T,. En los métodos diferenciales, se puede detectar fácilmente los cambios pequeños de temperaturas y el área del pico resultante es proporcional al cambio (DH) de entalpia y la masa de la muestra.

6.3.3 Area superficial. El método mas común para la medición de áreas superficiales se basa en la

adsorción física de nitrógeno gaseoso adsorbido en equilibrio al punto de ebullición normal (-195.8”C) en un intervalo de presiones inferiores a 1 atm. Para determinar el área es necesario identificar la cantidad adsorbida que corresponde a una capa monomolécular. El área superficial medida de esta manera puede no ser la efectiva para la catálisis. Cuando el catalizador esta disperso en un soporte de área considerable, es posible que sólo una parte del área del soporte este recubierta con átomos catalíticamente activos y esta área puede ser de varios átomos de profundidad. El aparato opera a presiones bajas que pueden variarse desde casi -1 mmHg hasta 1 atmósfera. La temperatura operación es del orden de magnitud del punto de ebullición normal. Los datos obtenidos son volúmenes de gas a una serie de presiones en la cámara de adsorción. Los volúmenes observados se corrigen a centímetros cúbicos a 0°C y 1 atm (temperaturas y presiones normales) y se grafican en función de la presión en mm de Hg o la relación entre “P” y presión de vapor a la temperatura de ope raciónl61.

PASOS PARA OPERAR EL EQUIPO DE ADSORCI~N DE NITRÓGENO[~]

1 .- 2.- 3.- 4.-

5.- 6.- 7. - 8.- 9.-

Desgacificar el matraz donde será colocado el material a analizar. Llenarlo con Helio y registrar su peso. Adicionar la muestra y colocarlos en el aparato “Accuabsor 21 OOE”. Colocar la manta de calentamiento a 200°C y comenzar a hacer vacio durante al menos 6 horas para desgacificar la muestra. Quitar los mantas y colocar los Dewar con nitrógeno líquido. Llenar el depósito del aparato con nitrógeno. Calibrar el aparato a la presión de vacio. Medir los espacios muertos adicionando Helio a 550 mmHg. Desgacificar la muestra durante 30 minutos.

32

ETAPA EXPERIMENTAL

ciu .Mata .I tlomp

10.-Calibrar el aparato a la presión de vacio. 11 .-Abrir extravolumen. 12.-Abrir adsorbatol (nitrógeno gaseoso) suavemente de tal manera que este a

160mm Hg sin tratar de pasarse ya que no hay regreso. La presión que se en- cuentra en el indicador se debe anotar en pi

13.- Cerrar extravolumen y anotar el numero que aparece en el indicador. 14.- Esperar que la presión se estabilice y no varíe mucho; anotar indicación en P,

dato1 (P,,P,) sin cerrar el sample escogido. En caso de que la presión sea me- nor a 1 mmHg abrir extravolumen.

15.- Repetir hasta que P, sea un 0.9 casi 560 mm de Hg. 16.- Posteriomente hacemos vacio durante 30 minuros. 17.- Inyectamos helio a una presión de 620 mmHg y pesamos el matraz con la

muestra.

6.4 Resultados y conctusiones de los materiales adsorbentes. 6.4.1 Parametros a cambiar.

Uno de los objetivos es obtener una área superficial máxima, utilizando el proceso sol-gel vía método de los alcóxidos. El método empleado para medir las áreas superficiales es el método de BET que utiliza nitrógeno como adsorbato. Las variables que se cambiaremos para obtener mayores áreas superficiales será cambiaremos para obtener mayores áreas superficiales serán:

Temperatura de la reacción. Temperatura del calcinado. Efecto de la agregación del TiO, al ZrO,. Efecto de la agregación del 5,l O y 20% Silicio al sistema binario ZrTiO,.

3 3

ETAPA EXPERIMENTAL

Cua .Mati DI Uempo

0.475 65.1 20 0.2 600-c No 1 0.05 i 1 600'C SI

6.4.2 Resultados de area superficial.

165.33

220.19 Rampa 2b

Tabla 1: Analisis de área superficial a diferentes condiciones.

0.475 Rampa ZrTi0,- 0.475 65.1 20 0.2 600°C No 2b 188.7 sio, 0.05

Rampa 600°C No 2b 193.2 -

Material 'II Relaciones Mole i

Molesde Molesde Temp. Max *Rampa Area agua "O3 de Flujo de superncia

calcinado de Aire calcinado I m2/gr.

20 0.2 300 'C No Rampa1 137.58

600'C No Rampa2 35.6

0.45 SIO, 0.45 65.1 20 0.2 600°C NO Rampa 196.6

0.1 2b

ZrT io,-

** Sol preparado a 0°C

0.2

34

ETAPA EXPERMj3NTAL

6.4.3 Resultados de Analisís Térmico (DTA y TG). Las pruebas de TG y DTAl2] fuerón tomadas sólo para los materiales de: ZrO,,

ZrTiO, y ZrTi0,-SiO, ( El procedimiento usado en el analisís térmico se describe en el apendíce experimental 4 ).

.RESULTADOS PARA EL Zr02. Para el ZrOJa gráfica de TG nos muestra que hay una estabilidad en el peso

a temperatura mayores de 470"C, indicándonos sólo cambios en la estructura del material. Por otra parte el DTA nos indica pérdida de agua y solvente a temperaturas menores de 180°C , aproximadamente un 11.4% en peso. A 280°C hay una perdida de 27.6% en peso, esto es debido a la oxidación de orgánicos y descomposición de nitratos.

En 420°C se observa un cambio de estructura en el ZrO,, es decir una cristalización tetraédrica.

RESULTADOS PARA EL ZrTiO, . En este caso el material presenta mayor acidez debido a la presencia de la

titania, provocando que la eliminación de agua y el solvente sea a mayores temperaturas con respecto al ZrO,.

En cuanto al DTA se observa un cambio de estructura del material aproximadamente 400"C, esto puede ser por parte del circonio ya que la titania pura no presenta cambios de estructura a estas temperaturas. El efecto de agregar titania al material hace que el circonio cambie su estructura a una temperatura menor. Por parte de la titania su cambio de estructura ocurre aproximadamente a 700°C.

RESULTADOS PARA EL ZrTi0,-SiO,, El material presenta una estabilidad másica a temperaturas mayores de 170"C,

indicándonos sólo cambios de estructura a temperaturas superiores. La oxidación de orgánicos y descomposición de nitritos se lleva a cabo de 150

a 160°C. Con respecto al circonio tiene un cambio de estructura entre 320 -380"C, se puede observar que la cristalización del circonio ocurre a menor temperatura con respecto a los dos materiales anteriores. Esto es debido a la presencia del 5% del Silicío agregado. En cuanto a la titania existe una mayor estabilidad en ella, ya que su cambio de estructura (cristalización) ocurre a 750°C aproximadamente.

3 5

ETAPA EXPERIMENTAL C.” .Mrta .I uempo

6.4.4 Conclusiones.

La temperatura a la cual se prepara el Sol es crucial en la obtención de áreas superficiales, aumentando conforme disminuye la temperatura de operación del reactor.

Conforme se incrementa la temperatura de calcinación tiende a disminuir el área superficial, lo que significa por un lado un ensanchamiento de la distribución, como el radio de poros, así como un material más libre de impurezas.

La adición de Titania a la Zirconia proporciona una estabilidad a dicho material binario, generando también una mayor area superficial.

La adición de SiO, al sistema binario ZrTiO, favorece que tenga cierta propiedades como: pequeño o cero expansión térmica, buena resistencia a la corrosión por ataque alcalino y desarrollo del indice de , así como aumentar el área superficial.

El incremento en la concentración del SiO, (10% y 20%) en el sistema binario Zr0,-TiO, tiende al incremento en el área superficial para el sistema terciario obtenido (ver tabla de resultados).

En el proceso de secado para el sistema (20Si0,-40Ti02-40Zr0,) terciario el Sol tuvo una perdida del peso original del 95.75% aproximadamente para obtener un gel solido llamado Xerogel.

Durante el proceso de calcinación del Xerogel terciario, el material presentó una pérdida del peso del 60% para obtener el producto final (material adsorbente).

El rendimiento obtenido durante la preparación del materal ZrTi0,-SiO, utilizando el proceso Sol-Gel método de los alcóxidos fue aproximadamente 98.6%.

36

ETAPA EXPERIMENTAL

6.4.5 Observaciones. Se podría mejorar el proceso en el aspecto económico si se colocara una

columna de recuperación de vapores después del secado a vacío ya que el 95.75% son en su gran mayoría Alcohol que sirve, como disolvente, agua con ácido Nítrico utilizado como catalizador y alguna parte pequeña de alcóxidos prácticamente despreciable, los cuales se pueden separar para su posterior reutilización nuevamente (2-Propanol y ácido Nítrico).

El calcinado se debe de llevar por arriba de 300°C cuando un material preparado por Sol-Gel lleva un porcentaje de TiO,, ya que el Titanio es un material el cual retiene grandes cant idades de solventes orgánicos (Alcoholes) y ácidos principalmente, teniendo que llevar a temperaturas cercanas a 600°C para eliminación al máximo de compuestos indeseable^^'^].

Resumen. El potencial que tienen estos materiales, son utilizados para la separación de

gases, hiperfiltración y reactores catalíticos. Las membranas de TiO, y ZrO, pueden ser sintetizadas por el proceso sol-gel, usando tetramyloxido como precursores. La preparación incluye soles particulares en la cual el tamaño de partícula es menor de 3 nm. Estos soles son entonces gelados por solventes de evaporación. La gelación es .seguida por el secado y calcinado en rampa. Los xerogeles no soportados son obtenidos de esta manera. La cinetica de las partículas crecen indicadas por dos estados existentes

.en el crecimiento de las partículas. El primer estado es ligeramente la adición de monómeros de crecimiento. Este proceso es limitado por la velocidad de liberación de monómeros hidrolizados a través de la hidrólisis. El segundo estado tiene mayor probabilidad de partícula-partícula en el proceso de agregación el cual resulta en un rápido incremento de la partícula. El apropiado control de los parámetros de solución permiten obtener nano-partículas las cuales pueden ser estables en el sol por mucho tiempo para hacer geles o cubrir substratos, los geles transparentes TiO, y ZrO, derivados de partículas de sol muestran microporos característicos con porosidades mayores. La finalidad de diámetro de poro de TiO, y ZrO, caen dentro de la región de microporos. Más que 50% de porosidad ha sido encontrada en ambos geles. La estabilidad térmica de esos microporos ha sido bien investigada. El análisis de absorción indíca que el crecimiento de la partícula y densificación con la temperatura crece paulatinamente a 300°C. Sin embargo, la cristalización ocurre en TiO, a 350°C formando

. una fase de anatase. O 400°C en ZrO, formando fases cúbicas y tetragonales; ha sido

. encontrada un dramático cambio de la microestructura de esos Óxidos resultando en un " decrecimiento en la microporosidad.

3 7

- -

7. ETAPA DE DISEÑO

7.1 Orsanigrama delaplanta.

GERENTE DE LA PLANTA 1

I 1 SECRETARIA I OPERADOR DE GI

ELECTRIC O I NSTRUM ENTISTA

38

ETAPA DE DISEÑO

Caw dAorli al tlmmpo

POSICION DEL EMPLEADO

Gerente General

Gerente de CompracNentas Ingeniero de Planta

7.2 Costos de personal.

NUMERO DE SUELDO MENSUAL SUELDO ANUAL ELEMENTOS POR EMPLEADO (PESOS)

(PESOS)

1 6,500 78,000 1 5,000 6wo 1 4,500 54,000

Asignación de empleados, sueldo mensual y anual.

Contador Ingeniero de Control de Calidad Secretaria

1 3,800 45,600 1 3,500 42 ,O00 1 1,700 20.400

Supervisor

Mecánicos Eléctrico-lnst rumentista

2 2,800 67,200 2 1,800 43,200 2 1,900 45,600

I Operador de Campo I 5 I 1,400 I 84,000 I Operador de mezclas I 5 I 1,100 1 66,000

Costo anual de salarios $ 606,000 pesos. $ 75,750 dolares.

39

ETAPA DE DISEÑO

C." .Mala .I ueipo

CONSUMO (Kg/dia) CONSUMO ANUAL PRECIO POR COSTO POR KILOGRAMO AÑO

COMPUESTO ( k W 0 )

7.3 Costos y cantidades. de materias primas.

Butóxido de Titanio 401.8

Costos de materias primas.

140,630 I 79,l O I 11,123,833 1 lsopropóxido de Zircinio Tetraetiiortosilicato Acido Nítrico Agua Destilada 2-Propanol

41 14,350 25.85 370,953 134.5 47,075 129 6,072,675

58 20,300 3.2 64,767 3.2 114,9 41 47,l o9

33.68 11,790 3.5 41,267.5

Costo anual total de materias primas $ 17,720,604 pesos. $ 2,215,075 dolares.

40

I

(F)--

CARACTERISTICAS DE LOS EQUIPOS

CW a b k r b .I Uempo

8. CARACTERISTICAS DE LOS EQUIPOS

REACTOR TANQUE AGITADO POR LOTES. En la mayoría de los casos, los reactores son recipientes del proceso así como

hornos, mezcladores, equipos de contacto gas-sólido, intercam biadores de calor u otro equipo convencional del proceso químico, adaptados o modificados para una reacción específica. Como resultado de esto se pueden determinar los costos de los datos de estos otros tipos de equipo una vez que se haya determinado tamaño, presión, materiales de construcción, orientación y otros factores. Los reactores en sí se consideran menos caros que los módulos de separación que procesan sus efluentes. Sin embargo, la conservación en un reactor ejerce profunda influencia sobre el costo de otra clase de equipo de proceso y de su operación. Por esta razón, la eficiencia del reactor a menudo es el elemento clave en el esquema de optimización de la manufactura química.

En su forma más simple, un reactor de tanque agitado es una recipiente equipado con un agitador. El reactor por lotes se usa en su mayoría para reacciones en fase líquida y producción a bajas escala. Un mezclado profundo hace que las propiedades sean uniformes en todas las secciones del recipiente. Para el diseño de este reactor se siguen los mismos principios que para el diseño de tanques y recipientes a presión. El acero es el material más común para su construcción.

SECADOR A VACíO POR LOTES. La aplicación de los principios básicos al diseño del equipo para secado no es

cosa sencilla ni directa; además de la dificultad para predecir la curva de velocidad de secado, surgen otros problemas que tienen que ver con las condiciones de secado a través del secado; la diferencia de área para la transferencia de calor y para la transferencia de masa; el patrón del flujo gaseoso y el efecto de las variables de operación, así como la selección del equipo bajo las condiciones del producto seco. Naturalmente que deben tomarse en consideración también los factores acerca del costo de operación en relación con las condiciones más deseables para el producto, desde el punto de vista de la venta. Por estas razones , la selección del secado se basa

41

CARACTERISTICAS DE LOS EQUIPOS

Cam 8 b i r t a al tiempo

generalmente en pruebas prelim inares, secados del material bajo condiciones de producción simuladas.

Este equipo opera intermitentemente o cíclicamente en condiciones de estado no estacionario, el secador se carga con la sustancia, que permanece en el equipo hasta que se seca; entonces, el secador se descarga y se vuelve a cargar con un nuevo lote. El secado por lotes es una operación relativamente cara; en consecuencia se limita a operaciones a pequeña escala, a plantas piloto y a trabajos de investigación, y también para secar materiales valiosos cuyo costo total será poco alterado por el costo agregado en la operación de secado.

Los secadores de vacío se calientan indirectamente y son por lotes, similares a bs de bandejas. Esta clase de secador consiste de un gabinete construido de hierro colado o plancha de acero con puertas herméticas, de tal manera que se pueda operar a vació. Los anaqueles huecos de acero se montan dentro de la cámara. Las bandejas que contienen los sólidos mojados se colocan sobre los anaqueles huecos. El calor se conduce a través de las paredes metálicas y por radiación entre los anaqueles. Los vapores se colectan en un condensador.

Estos secadores se usan para secar materiales costosos o sensibles a la temperatura o bien que se oxiden fácilmente. Son muy Útiles para manejar materiales con disqlventes tóxicos o valiosos.

HORNOS POR LOTES. Estos se emplean primordialmente para tratamientos térmicos de metales como

templado, normalización y estiramiento; para la desecación y calcinación de cerámicas. Los hornos por lotes tienen paredes metálicas revestidas para que puedan soportar las altas temperaturas del orden de 600 a 1800 "F del gas circulante. Se utilizará un horno de tiro por convección inducida. El calentamiento del aire se realiza por medio de bobinas eléctricas de Nichrome insertadas en las paredes refractarias alrededor de tiro o cubo. Se tiene un ventilador debajo de la canasta que hace circular el aire calentado que asciende por inducción hacia las bobinas eléctricas, para después bajar atravesando la canasta. Parte del calor se irradia hacia la cubierta externa de la canasta; pero la mayor parte se transfiere por convección directa del gas circulante a los sólidos.

42

CARACTERISTICAS DE LOS EQUIPOS

rasa .mgt. .I lkipo

Los hornos de tiro o cubo tienen precios que varían de 5000 dólares por unidad de 0.5 pies3, 10000 dólares por 15 pies3 y hasta 25000 dólares por horno de 70 pies3, estos son precios de 1970 y corresponden a hornos completos con revestimiento refractario apropiados para funcionar a temperaturas del orden de 1800 "F.

MOLINO DE BOLAS. Los equipos para la reducción de tamaño pueden clasificarse, de acuerdo a la

forma en que se aplican las fuerzas, de la siguiente manera: entre dos superficies, como en la trituración y cortado; en una superficie sólida, como en el impacto; y por la acción del medio circundante como en los molinos coloidales.

Los molinos de bolas se emplean para la trituración fina y extra fina de polvos duros y extrafinos. Este dispositivo consiste comúnmente en cilindros giratorios horizontales que contienen medios de trituración, como bolas de metal, barras o piedras. La fuerza centrífuga hacen que estos medios giren cerca de la parte superior del molino y caigati después en la base, triturando los granos sólidos contra la pared del sistema o contra otras bolas o piedras. Estos molinos pueden operarse en estado húmedo o seco. La trituración húmeda, cuando es posible, es más eficiente y dá un polvo más fino a causa de que las superficies de trituración se mantienen libres de capas de polvo que sirven como colchones. Un molino de tubos es únicamente un molino de bolas más grandes que usa bolas más pequeñas y produce un polvo mas fino. En un molino de bolas o de tubos pueden colocarse partes perforadas que proporcionan zonas donde las bolas se separan de acuerdo con su tamaño y permiten una mayor relación de reducción (en general). Uno de los dispositivos emplea un cono que contiene cierta distribución de bolas de diferente tamaño en lugar de un cilindro. Esto produce zonas naturales, ya que las bolas más pequeñas emigran hacia el extremo más angosto del molino.

Los molinos de barras no son eficientes para la trituración fina, pero son excelentes para la trituración gruesa e intermedia. Se emplean con frecuencia antes de los molinos de bolas. Los molinos de piedra o esferas pequeñas se llaman así porque contienen piedras pequeñas en lugar de bolas de metal. Algunos molinos de bolas no giran. En vez de esto, las bolas son movidas por un movimiento lento de la carcaza o de vibraciones rápidas. Estos dispositivos son mejores para la trituración fina y ultrafina

43

y tienen la capacidad de producir partículas tan pequeñas como de 1 pm de diámetro. Los molinos de bolas son relativamente baratos, tanto en su compra como en su

operación. Su eficiencia es buena, pero a causa de las partículas finas procesadas, el consumo de energía específica es grande.

44

EVALUACION ECONOMICA cw .maf. atiiompo

DESCRIPCION DEL EQUIPO Tanque de Acido Nítrico

9. EVALUACION ECONOMICA

COSTO (dolares) 139,500

Costo de equipos.

Bomba para el Acido Nítrico Tanque de 2-Propanol

F- 120 L-I21 F-I10 L-I11

8,000 100,000

1 L-151

Bomba para el 2-Propanol Tanque de agua desionizada

8,000 60,450

F-I60 L-I61 R-210 N-212 8-310 N-212

I

Tanque de Isopropóxido de Zirconio 186,000 Bomba para los Alcóxidos 6,000 Tanque del Reactor 232,500 Motor y propela para el Reactor 25,000

200,000 Tanque almacenamiento de liquidos 50,000

I

Secador de Bandejas a vacío

Bomba para el agua desionizada I 6,000 I

I ~~ ~

iColumna de destilación con platos I 103,504

- I

Tanque de Butóxido de Titanio I 21 0,000 I

a destilar Calcinador

Tanaue de Tetretilortosilicato I 93,000 1

14,250

I E-311 Precalentador para la columna de I 19,800 I L I destilación I I

Inversión tata1 de equipos $ 1 , I 92,004 dolares Precios basados en el indice de costos de Planta Chemical Engineering de 315 (mediados de 1982).

4 5

EVALUACION ECONOMICA

Csi. abicrli SI tiempo

COSTO DE EQUIPOS Para actualizar precios de los equipos CBM para 1997 tenemos que:

De la grafica del index de Planta Chemical Engineering. CBM (1997) = CBM (1982) IS / Ir

IS (1997) = 380 Ir = 315

CBM (1 997) = 1,192,004 * (380/315) = 1,437,557 dolares

Cambio 1 dolar = 8 pesos. CBM (1997) = 11,500,456 pesos

Capital total del modulo (CTM). (incluye costos de instalación tales como tuberia, acero estructural, aislamientos, justificación de costos por impresivo y honorarios totales)

CTM = 1.18 CBM CTM = 1.18 *(CBM (1997)) = 13,570,537 pesos

Capital basico total CGR = 1.3 * CTM o inversión fija total. CGR = 17,641,698 pesos

Capital de Trabajo = Inv. Materia prima + Inv. Anual de sueldos Capital de Trabajo= 17,720,604 + 606,000

Inv. Total = Inv. fija Total + Capital de trabajo Inv. Total = 17,641,698 + 18,326,604

Ulrich establece gastos de producción que representan entre 113 y 1/5 de la inversión total. Para fines de los calculos se considera que los costos de producción más costos de servicio representan 1/4.

ATE = 8,992,076 pesos Suponiendo un precio de venta de 43 dolares o sea 344 pesos/Kg.

45

EVALUACION ECONOMICA

Csu abkrti al Wuipo

Ventas

Gastos anuales de productos y

Utilidad antes de impuesto

Impuesto 34%

Utilidad neta común CAN,,

distribución y servicios a clientes

Tasa de retorno después de impuestos

Adsorbentes y materiales cataliticos.

22,948,584

8,992 , 076

13,956,508

4,7452 12.72

9,211,295.28

25.6 %

CONCLUSION :

Por lo tanto la inversión se pude recuperar en 4 años, siguiendo el mismo ritmo de ventas. Lo que trae consigo que el proyecto sea rentable a un lapso de mediano plazo. Sin más por el momento lo manifiesta y lo estipulan los ingenieros Jimenez Lopéz Enrique y Palma Rosas Cruz Gudelio.

47

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DISEÑO DE LOS EQuIpos

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DISEÑO DE LOS EQUIPOS

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L - = 1.5 0

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DISEÑO DE LOS EQUIPOS

.

.

.

BlBLlOGRAFlA

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APÉNDICE EXPERIMENTAL

APÉNDICE I.

A continuación se describen las rampas de calentamiento que se utilizaron para calcinar los materiales preparados:

RAMPA 1: Se aumento la temperatura 3"C/min iniciando a temperatura ambiente. A

los 100°C se dejo esta temperatura durante 30 minutos, a los 300°C se dejo esta temperatura por 60 minutos. 1

RAMPA 2: Se aumento la temperatura 3"C/min iniciando a temperatura ambiente. A los 100°C se dejo esta temperatura durante 30 minutos, a los 300°C se mantuvo la temperatura por 60 minutos, a los 600°C se dejo esta temperatura por 180 minutos.

RAMPA 2b: Se aumento la temperatura 3" C/min iniciando a temperatura ambiente. A los 100°C se dejo esta temperatura durante 30 minutos, a los 155°C se dejo 300 minutos, a los 300°C se dejo esta temperatura por 60 minutos, a los 600°C se dejo esta temperatura por 180 minutos.

300'C

20'C

20-c 600'C

180 min 300'C

60 min 155'C

300 mln 1 OO'C

20'C 1 30 mln

todas las rampas son de 3'C por minuto.

APENDICE EXPERIMENI”’I’ (TG Y DTA)

APÉNDICE 11. Segment: t . .

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APENDICE EXPERIMENTAL (TG Y DTA)

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J *lB''2 3 K

Segment: i Enth. C58.1,171.4 'C>=169.75 J/g

APENDICE EXPERIMENTAL (TG Y DTA)

JC 10^2 Segment: 1 Enth. C271.5,297.8 'C)=-123.44 J i g

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400 600 800 Temperaturd'C

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APENDICE EXPERIMENTAL (TG Y DTA) . Ci" .bhU .I u.ip

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200 400 600 800 Temper at w e / C

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APENDICE EXPERIMENTAL (TG Y DTA)

Segment: 1 Enth. C58,165.5 *C>=ll .El22 J/g

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200 400 600 808 Temperature/ C

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Enth. 1182,193.1 *C)=-. 12687 J/g

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Segment: 1 Enth. (373,484.5 'C)=-.38918 J/g

APENDICE EXPERIMENTAL (TG Y DTA)

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1 . . . . l . . . . l . . . . l . . . . l . . . . l . . . l . . . . l . . . . l

3 200 Temperaturd 400 C 660 800 I

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APENDICE EXPERIMENTAL (TG Y DTA)

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APENDICE EXPERI&@NTAL (TG Y DTA) Seqment- - 1 t (12,' / / n r n

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APENDICE EXPERIMENTAL (TG Y DTA)

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Segment: 1 Enth. C168.4,169 'C1=-3.3842 J/g

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Segment: 1 Enth. C215.8,244.3 'C)=-6.1621 J/g

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APENDICE EXPERIMENTAL (TG Y DTA)

Segment: 1 Enth. (323,381 'C)=-27.779 J/g

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1 200 400 600 800 Tempcrature/'C

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. . . .

APENDICE EXPERIMENTAL (TG Y DTA)

Cis. abWU i1 <I.op

t.

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Segment: 1 Enth. (744,756.8 'C)=-9.5646 J/g

E

l . . . . i . . . . I . . . . l . . . . i . . . . i . . . . i . . . . i . . . . l . . . . l . - . . ~

200 400 600 a00 Temperature/'C

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL ( TG Y DTA)

CM .m=ri. .I i i ~ ~ ~ p o

APÉNDICE IV

El procedimiento utilizado para determinar el análisis térmico (TG y DTA) es: después del secado a vació de los materiales ; ZrO,, 50ZrO2.50Ti0,, ZrO,.TiO,.SiO, ( con las composiciones de 5%, lo%, 20% de SiO, y los demás equimolares ), preparados por el método sol-gel, los cuales se trituran finamente, introduciéndose al equipo utilizado para determinar el TG y DTA con las siguientes condiciones:

Datos de las muestras

masa de crisol vació = 184.8mg masa de crisol+muestra = 219.3mg masa de la muestra = 34.5mg

Datos de la muestra de referencia AI,O,

masa del crisol vació = 185mg masa del crisol+muestra de ref = 246mg

El calentamiento de las muestras se llevaron a una temperatura de 900°C, con una velocidad de calentamiento de 1 O°C/min, para observar el desprendimiento de material orgánico, estabilidad térmica del compuesto y posibles cambios de fase.