REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA

REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
UNIVERSIDAD RAFAEL URDANETA
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA
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S
CHO
DERE
EFECTO DEL PERFIL DE TEMPERATURA DE LA EXTRUSORA DE
POLIETILENO DE BAJA DENSIDAD EN LA CALIDAD DEL
PRODUCTO FINAL
Trabajo Especial de Grado presentado ante la Universidad Rafael Urdaneta para
optar al título de:
INGENIERO QUÍMICO
Autores:
Br. GABRIEL A. PEÑA C.
Br. MANUEL A. SARCOS L.
Tutor:
Maracaibo, abril de 2016
Ing. Gladys A. Quevedo C
EFECTO DEL PERFIL DE TEMPERATURA DE LA EXTRUSORA DE
POLIETILENO DE BAJA DENSIDAD EN LA CALIDAD DEL
PRODUCTO FINAL
S
O
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A
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DERE
__________________________
Peña Carrero, Gabriel Alejandro
__________________________
Sarcos León, Manuel Alberto
C.I.: 20 662 115
C.I.: 21 264 227
Av. Milagro Norte
Calle 72, Sector La Lago
Urb. Aguamarina Casa #15ª
Edif. El Doral, apto #3A
Teléfono: (0414) 1675858
Correo: [email protected]
Teléfono: (0424) 6226136
Correo: [email protected]
___________________________________
Ing. Gladys Angela Quevedo Contreras
Tutor Académico
ÍNDICE GENERAL
RESUMEN
ABSTRACT
Pág.
INTRODUCCIÓN…………………………………………………………………..….15
1. CAPÍTULO I: EL PROBLEMA…………………………………………………...18
1.1.
Planteamiento del problema………………………………………………....18
1.2.
Objetivos de la Investigación………………………………………………...21
1.4.
Delimitación de la Investigación………………………………………….….23
S
O
D
A
V
1.2.1. Objetivo General………………………………………………………………21
ER
S
E
R
S
HO
1.2.2. Objetivos Específicos…………………………………………………………21
C
E
R
E
D
1.3. Justificación de la Investigación……………………………………………..22
1.4.1. Delimitación espacial………………………………………………………....23
1.4.2. Delimitación temporal…………………………………………………………23
1.4.3. Delimitación científica…………………………………………………………24
2. CAPÍTULO II: MARCO TEÓRICO……………………………………………….25
2.1.
Descripción de la empresa………………………………………………......25
2.1.1. Misión de la empresa…………………………………………………………25
2.1.2. Visión de la empresa……………………………………………………….…26
2.1.3. Organigrama de la empresa……………………………………………….…26
2.2.
Antecedentes……………………………………………………………….….27
2.3
Bases teóricas………………………………………………………………....29
2.3.1. Polímeros…………………………………………………………………….…29
2.3.1.1. Clasificación de los polímeros……………………………………………...30
2.3.1.2. Propiedades físicas de los polímeros………………………………….…..30
2.3.1.3. Propiedades mecánicas……………………………………………....……..34
2.3.2.
Poliolefinas………………………………………………………………....…37
2.3.3.
Polietileno………………………………………………………………..…....37
2.3.3.1. Polietileno de baja densidad………………………………………….....….38
2.3.4.
Extrusión de polímeros………………………………………….……...……39
2.3.4.1. Descripción del equipo………………………………………………......….39
2.3.4.2. Extrusora de tornillo…………………………………………………….…...41
2.4.
Sistema de Variables…………………………………………………...…...45
2.4.1.
Definición nominal……………………………………………………….......45
2.4.2.
2.4.3.
2.4.4.
S
O
D
A
V
Definición operacional……………………………………………….………46
ER
S
E
R
S
HlaOvariable…………………………………….……..47
Operacionalización
de
C
E
R
E
D
Definición conceptual……………………………………………………..….45
3. CAPÍTULO III: MARCO METODOLÓGICO……………………………..……..…48
3.1.
Tipo de Investigación…………………………………………………….…...….48
3.2.
Diseño de investigación……………………………………………….……..…49
3.3.
Técnicas de recolección de datos……………………………………..…....…51
3.4.
Instrumento de recolección de datos……………………………………..…...52
3.5.
Fases de la investigación………………………………………………….……55
3.5.1. Fase I: Identificación de los parámetros que influyen en el funcionamiento
de extrusoras de producción de polietileno………………………………….………..55
3.5.2. Fase II: Procedimiento para la selección de perfiles de temperatura de la
extrusora de producción de PEBD a partir de data histórica de la planta………..56
3.5.3. Fase III: Comparación de perfiles de temperatura de la extrusora de
producción de PEBD con los proporcionados por la herramienta de predicción
disponible en planta……………………………………………………………………..57
3.5.4. Fase IV: Selección de data a partir del análisis y comparación previa que
beneficie a la calidad del producto final……………………………………….58
4. CAPÍTULO IV: ANÁLISIS DE RESULTADOS……………………………………59
4.1. Fase I: Identificación de los parámetros que influyen en el funcionamiento de
extrusoras de producción de polietileno……………………………………………….59
4.2
Fase II: Procedimiento para la selección de perfiles de temperatura de la
extrusora de producción de PEBD a partir de data histórica de la planta...64
4.3.
Fase III: Comparación de perfiles de temperatura de la extrusora de
producción de PEBD con los proporcionados por la herramienta de predicción
disponible en planta……………………………………………………………………..81
S
O
D
A
V
beneficie a la calidad del producto final…………………………….…………95
ER
S
E
R
S
HO
C
E
R
CONCLUSIONES………………………………………………………………………113
E
D
4.4.
Fase IV: Selección de data a partir del análisis y comparación previa que
RECOMENDACIONES………………………………………………………………..114
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS…………………………………………………115
ÍNDICE DE TABLAS
Pág.
Tabla 2.1. Sistema de variables……………………………………………….………47
Tabla 3.1 Comparación de temperatura de data histórica vs Predicción para cada
grado ……………………………………………………………………………….…….53
Tabla 3.2. Comparación de condiciones operacionales de data histórica vs
Predicción para cada grado ……………………………….…………………….…….53
Tabla 3.3. Recomendación de perfil de temperatura de la extrusora de producción
S
O
D
A
V
Tabla 3.4. Recomendación condiciones operación
EdeRla extrusora de producción
S
E
R
S
O cada grado………........................................54
Hpara
de polietileno de baja
densidad
C
E
R
E
D
de polietileno de baja densidad para cada grado …………………………….………..54
Tabla 4.1. Comparación de temperatura de data histórica vs Predicción para el
grado FA0240…………………………………………………………………………….61
Tabla 4.2. Comparación de condiciones operacionales de data histórica vs
Predicción para el grado FA0240………………………………………………………63
Tabla 4.3. Comparación de temperatura de data histórica vs Predicción para el
grado FB7000………………………………………………………….…………………69
Tabla 4.4. Comparación de condiciones operacionales de data histórica vs
Predicción para el grado FB7000………………………………………………………69
Tabla 4.5. Comparación de temperatura de data histórica vs Predicción para el
grado FB3003……………………………………………………….…………………....70
Tabla 4.6. Comparación de condiciones operacionales de data histórica vs
Predicción para el grado FB3003……………………………………………………...79
Tabla 4.7. Recomendación de perfil de temperatura de la extrusora de producción
de polietileno de baja densidad para el grado FA0240……….…………………….80
Tabla 4.8. Recomendación condiciones de operación de la extrusora para el
grado FA0240…………………………………………………………………...............85
Tabla 4.9. Recomendación de perfil de temperatura de la extrusora de producción
de polietileno de baja densidad para el grado FB7000………………….………….86
Tabla 4.10. Recomendación de condiciones de operación de la extrusora para el
grado FB7000…………………………………………………………………………….88
Tabla 4.11. Recomendación de perfil de temperatura de la extrusora de
producción de polietileno de baja densidad para el grado FB3003………….……89
Tabla 4.12. Recomendación de condiciones de operación de la extrusora para el
grado FB3003…………………………………………………………………………….92
Tabla 4.13. Variables con funcionamiento de Velocidad de Tornillo a 56 rpm
promedio para el grado FA0240……………………………………………..…………93
S
O
D
A
V
promedio para el grado FB7000…………………………………………………..……95
ER
S
E
R
S
HO
Tabla 4.15. Variables
con
funcionamiento
de Velocidad de Tornillo a 56 rpm
C
E
R
E
D
Tabla 4.14. Variables con funcionamiento de Velocidad de Tornillo a 56 rpm
promedio para el grado FB3003…………………………………………………..……95
Tabla 4.16. Variables con funcionamiento de tornillo variable y temperatura
aproximada de 80°C…………………………………………………………..…………96
Tabla 4.17. Recomendación de condiciones de operación de la extrusora para el
grado FB7000…………………………………………………………………..………...96
Tabla 4.18. Recomendación de perfil de temperatura de la extrusora de
producción de polietileno de baja densidad para el grado FB3003…….…………97
Tabla 4.19. Recomendación de condiciones de operación de la extrusora para el
grado FB3003……………………………………………………………………….……97
Tabla 4.20. Variables con funcionamiento de Velocidad de Tornillo a 56 rpm
promedio para el grado FA0240………………………………………………………103
Tabla 4.21. Variables con funcionamiento de Velocidad de Tornillo a 56 rpm
promedio para el grado FB7000………………………………………………………105
Tabla 4.22. Variables con funcionamiento de Velocidad de Tornillo a 56 rpm
promedio para el grado FB3003………………………………………………………107
Tabla 4.23. Variables con funcionamiento de tornillo variable y temperatura
aproximada de 80°C…………………………………………………………..……….110
ÍNDICE DE FIGURAS
Pág.
Figura 2.1. Organigrama de Poliolefinas Internacionales C.A…………………..…26
Figura 2.2. Calor en función de la temperatura para un polímero cristalino…...…31
Figura 2.3. Calor en función de la temperatura para un polímero amorfo……..…32
Figura 2.4. Curvas típicas de tensión en función de la elongación para diferentes
clases de polímeros…………………………………………………………………..…36
Figura 2.5. Diagrama de una máquina extrusora……………………………………40
S
O
D
A
V
R soplada……….……...42
Epelícula
S
E
Figura 2.7. Corte transversal de una
extrusora
de
R
S
O
HAspen
C
E
R
Figura 4.1. Menú
del
sistema
– InfoPlus de las plantas disponibles en
E
D
Figura 2.6. Sección transversal de extrusora…………………………………...……41
POLINTER C.A ………………………………………………………………….………65
Figura 4.2. Menú general del sistema de InfoPlus de la Planta de PEBD,
POLINTER.C.A.………………………………………………………………….………66
Figura 4.3. Sistema de extrusión de PEBD…………………………………….…….67
Figura 4.4. Comportamiento de perfil de temperatura de extrusora………….……68
Figura 4.5. Ventana de Excel con periodo de evaluación y variables a estudiada
……………………………………………………………………………………...……...71
Figura 4.6. Ventana de Excel con data para el mes de Abril……………….………72
Figura 4.7. Reporte de contacto con índice promedio de fluidez diario…...………73
Figura 4.8. Comportamiento del índice de fluidez para grado FA0240……………75
Figura 4.9. Comportamiento del índice de fluidez para grado FB7000……………76
Figura 4.10. Comportamiento del índice de fluidez para grado FB3003…….……77
Figura 4.11. Ampliación de rango de operación de figura 4.10……………….……78
Figura 4.12. Comportamiento de temperaturas en campo con respecto a
parámetros objetivos para la el 1 de febrero de 2016…………………..…………...78
Figura 4.13. Comportamiento de temperaturas en campo con respecto a
parámetros objetivos para la el 4 de agosto de 2015…………………………..……80
Figura 4.14. Herramienta de predicción disponible en planta…………………...…82
Figura 4.15. Variables a predecir………………………………………………..….…83
Figura 4.16. Perfiles de temperatura para el grado FA0240…………………....….98
Figura 4.17. Perfiles de temperatura para el grado FB7000…………………...…99
Figura 4.18. Perfiles de temperatura para el grado FB3003………………..….…..99
Figura 4.19. Indicadores de Eficiencia para grado FA0240………………..……..104
Figura 4.20. Indicadores de Eficiencia para el grado FB7000……………………106
Figura 4.21. Indicadores de Eficiencia para el grado FB3003……………………108
S
O
D
A
V
ER
S
E
R
S
CHO
Figura 4.22. Indicadores de Eficiencia para grado FA0240 a rpm variable…......111
DERE
DEDICATORIA
El desarrollo de la presente investigación va dirigido a todas aquellas
circunstancias, eventos y personas que intervinieron en llevar a cabo de
manera favorable el desenvolvimiento del mismo.
A aquellos que se trazan metas y las cumplen, dándose cuenta que cada
S
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D
A
V
ER
S
E
R
S
O a los demás para sus beneficios, sin esperar
A los que se dedican
aH
atribuir
C
E
R
E
nada aD
cambio.
esfuerzo trae consigo una satisfacción.
A todo aquel que se atreve a equivocarse con el objetivo de aprender.
Al que persevera y continúa.
Gabriel Peña y Manuel Sarcos.
AGRADECIMIENTOS
A mi mamá por su constante apoyo y preocupación para alcanzar esta meta.
A mi papá por nutrirme con sus conocimientos, experiencias y enseñarme que
para llegar lejos solo se necesita convicción, ganas y trabajo.
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A Maria Daniella por su motivación en cumplir todo lo que me proponga.
DERE
A nuestra tutora, la profesora Gladys Quevedo, sin su entusiasmo y ganas porque
todo salga excelente esto no hubiese sido posible.
A nuestras compañeras Odexnis y Anat y cada una de las personas que fueron
vitales en la culminación de mi carrera, muchas gracias.
Gabriel Peña
Los grandes logros de cualquier persona generalmente dependen de muchas
manos, corazones y mentes.
Agradezco a todas aquellas personas que me nutrieron de conocimientos,
apoyaron mis decisiones y trabajaron junto a mí como un equipo.
Mis compañeros Gabriel, Anat y Ode. Mis profesores y guías en el transcurso de
mis estudios. A Gladys Quevedo.
S
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D
A
V
R similitudes.
Enuestras
Las fortalezas están en nuestras diferencias
no
en
S
E
R
S
HO
C
E
R
E
D
Gracias.
Manuel Sarcos
Gabriel Alejandro Peña Carrero, Manuel Alberto Sarcos León. “Efecto del perfil
de temperatura de la extrusora de polietileno de baja densidad en la calidad
del producto final”. Trabajo especial de grado presentado ante la Universidad
Rafael Urdaneta. Facultad de Ingeniería. Escuela de Ingeniería química.
Maracaibo – Venezuela 2016. (116 p.) Tutor: Ing. Gladys Quevedo.
RESUMEN
S
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E
R
S
CHO
El método de producción de polietileno de baja densidad implica el proceso de
extrusión. Dado que el polietileno está presentando problemas en especificaciones
de calidad y variaciones fuera de rango en índice de fluidez para los grados
FA0240, FB7000 y FB3003; la presente investigación se basó en la determinación
del efecto del perfil de temperatura en la extrusora (G-201) de PEBD con respecto
a la calidad del producto final. Se estudiaron los parámetros de mayor influencia
en el proceso de extrusión, haciendo hincapié en el perfil de temperatura,
resaltando el sistema de enfriamiento de cada zona y el sistema de termofluidos
para zonas de cabezal y placa hilera. Se seleccionó un rango de tiempo para la
data histórica, desde Marzo 2015 hasta Marzo 2016 y se sometió a análisis. El
índice de fluidez mayormente se encontró dentro del rango de especificación, en
ciertas ocasiones se detectó alejado de las directivas operacionales; las más
consecuentes fueron temperaturas en cabezal y placa hilera con respecto al
delimitado en la carta de control. Se eligieron perfiles en donde el IF se comportó
de manera objetiva y se ingresaron en la herramienta de predicción operacional
disponible en planta con el fin de realizar una comparación. Luego se
recomendaron perfiles de temperatura óptimos en donde sea posible el
cumplimiento de propiedades de calidad especificadas con mayor eficiencia
operacional. Se observó y determinó que las zonas 1, 2, 3 y 4 operan dentro de
las especificación, no son causantes de desviaciones en la calidad del producto; a
diferencia de las zonas de cabezal y placa hilera, donde el comportamiento
térmico presenta desviaciones entre 5 y 12% de las especificaciones
operacionales; se generaron diferencias considerables en la optimización del
proceso, por lo que se consideró que deben ser revisados las directivas
operacionales de temperatura de dicho proceso.
DERE
Palabras clave: Polímeros, Polietileno, Extrusión, Temperatura, Calidad.
Gabriel Alejandro Peña Carrero, Manuel Alberto Sarcos León. “Temperature
profile effect of the low density poliethylene extruder on the final product
quality”. Degree Thesis presented at Universidad Rafael Urdaneta. College of
Engineering. School of Chemical Engineering. Maracaibo – Venezuela 2016. (116
p.) Tutor: Ing. Gladys Quevedo.
ABSTRACT
S
O
D
A
V
ER
S
E
R
S
O polyethylene involves the extrusion process.
The method of producing
lowH
density
C
E
R
E
D is presenting problems in quality specifications and variations
Since polyethylene
out of range in melt index for grades FA0240, FB7000 and FB3003; this research
is based on determining the effect of the temperature profile in the extruder (G201) of LDPE regarding the quality of the final product. Most influential parameters
were studied in the extrusion process, with emphasis on the temperature profile,
highlighting the cooling system of each zone and thermofluids circuit for head
flange and spinneret plat. A time frame was selected for the historical data
collected, from March 2015 to March 2016 and was subjected to analysis. The melt
flow rate mainly found within the range of specification, on certain occasions was
detected away from the operational directives; the most consequential were
temperatures in head flane and spinneret plate from the delimited in the control
board. Profiles where the IF behaved objectively were entered into the operational
plant tool that forecasted results to be chosen, in order to make a comparison.
Then optimal temperature profiles where compliance with specified quality
properties with greater operational efficiency possible where recommended. It was
observed and determined that zones 1, 2, 3 and 4 operate within the specification,
they are not causing deviations in product quality; unlike zones like head flange
and spinneret plate presented deviations between 5 and 12% of the operational
specifications and the thermal behavior; considerable differences in process
optimization were generated, why it was considered for the operational guidelines
of the process temperatures to be revised.
Key words: Polymer, Poliethylene, Extrusion, Temperature, Quality.
15
INTRODUCCIÓN
La mayoría de los plásticos que se elaboran hoy en día son derivados del petróleo,
en particular del gas natural presente en los pozos de petróleo. Este gas, que en
caso de Venezuela muchas veces no es procesado y se quema enviando al medio
ambiente gran cantidad de contaminantes, es una materia prima abundante y
barata cuya química de separación, purificación y craqueo es ampliamente
manejada por la ingeniería química. En el caso particular de Venezuela existen
grandes yacimientos de gas, y uno de los usos inmediatos para este gas natural
S
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valor agregado, como es el caso del etileno.
S
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es su transformación química y la consecuente generación de derivados de mayor
En Venezuela existen varios centros de procesamiento de gas natural como El
Tablazo, Complejo de Jose, etc., pero es en el complejo petroquímico El Tablazo
en el estado Zulia donde se cuentan con diferentes plantas y empresas dedicadas
a la producción de polímeros, empresas como Polinter, Química Venoco,
Propilven, Cloro Vinilos del Zulia y Olefinas del Zulia. También operan en el
complejo empresas privadas como Estizulia. Dado los grandes volúmenes de
polímeros generados en el país, los cuales a su vez son la materia prima para la
generación de plásticos con diversas aplicaciones, se describirá con más detalle la
síntesis, preparación y usos de estos materiales.
El alemán Hans Von Pechmann sintetizó el polietileno por primera vez, quien por
accidente lo preparó en 1898 mientras se calentaba en la estufa diazometano.
Cuando sus y Friedrich Tschirner caracterizaron la sustancia grasosa y blanca
que él creó, descubrieron largas cadenas compuestas por -CH2- y fue llamado
polimetileno. El 27 de marzo de 1933 fue sintetizado como lo conocemos hoy en
día, por Reginald Gibson y Eric Fawcett en Inglaterra.
16
El polietileno de baja densidad (PEBD) es un polímero que pertenece a la familia
de los polímeros olefínicos, es decir que se deriva de la polimerización de las
olefinas. Como su nombre lo indica, el polietileno está conformado por repetidas
unidades de etileno, una de las características esenciales es su procesamiento por
inyección o extrusión. Se le considera un polímero de adición y su proceso de
polimerización suele realizarse bajo presiones de 1500 a 2000 bares. Este
material ofrece una buena resistencia a la corrosión y baja permeabilidad, puede
ser usado en aplicaciones donde la resistencia a corrosión es importante, pero la
rigidez, altas temperaturas y fuerza estructural no.
S
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ER prima al polietileno de baja
Diferentes aplicaciones se le pueden dar como
materia
S
E
R
S
O producción de bolsas plásticas, películas
Hjuguetes,
C
E
densidad como: E
fabricación
de
R
D
para invernaderos y usos agrícolas, utensilios desechables como platos, vasos y
cubiertos, botellas retornables, sacos de plástico, películas estirables para
procesos de embalaje y empaque, cada uno de ellos bajo diferentes procesos
como inyección y soplado.
El proceso de elaboración del producto en la empresa del presente caso de
estudio está dividida en 5 áreas las cuales son: compresión, polimerización,
extrusión, granulación (secado y desgasificación) y homogeneización (ensacado y
almacenaje). La calidad del polietileno es muy importante para las aplicaciones
anteriormente mencionadas, haciendo énfasis en el índice de fluidez como
parámetro de calidad de producto de mayor importancia, y este se está viendo
afectado por temperaturas fuera de rango en el área de extrusión.
Es por ello, que la presente investigación tiene como objetivo determinar el efecto
de las temperaturas para tres grados de producción de la planta, específicamente
en el equipo de extrusión (extrusora), con respecto a la calidad del polietileno de
baja densidad, así como también las alteraciones y efectos que producen la
modificación del sistema cuando varía algún parámetro que influye en el proceso,
17
con la finalidad de recomendar posibles soluciones o parámetros operacionales
adecuados para la obtención de parámetros de calidad.
Para el estudio de determinación del efecto del perfil de temperaturas en la
extrusora de polietileno de baja densidad se determinaron los parámetros que
afectan el funcionamiento de la extrusora, donde posteriormente con la data
histórica seleccionada de la planta se compararon y estudiaron con variables
obtenidas a través de una herramienta de predicción disponible en planta para así
obtener unos parámetros de operación y calidad ideales.
DERE
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CAPÍTULO I
EL PROBLEMA
Un problema es una situación que se escapa de la comprensión de un individuo y
que necesita ser resuelta, por lo tanto la conceptualización de forma clara y
concisa es necesaria para las posibilidades de encontrar una solución para el
investigador. En el primer capítulo, se realiza el planteamiento del problema que
origina el desarrollo de esta investigación, así como la justificación, y delimitación.
1.1.
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S
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Planteamiento del problema
El desarrollo de nuevas tecnologías es resultado de una avanzada industria que
fundamentalmente requiere de la obtención de materias primas, en este grupo una
de las más importantes es la de los hidrocarburos y su amplia gama de productos
derivados. Uno de los más difundidos y utilizados, fundamentalmente por su bajo
costo, es el polietileno, realizándose una polimerización del etileno y logrando
obtener un material bastante maleable que puede ser moldeado en gran cantidad
de objetos, de distinta dureza, composición, también cuentan con flexibilidad,
ligero peso y buen aislamiento eléctrico.
Para la producción de polietileno se utiliza un producto petroquímico llamado
etileno, obtenido a partir de un proceso de refinación de petróleo, llevado a cabo
en distintos complejos a escala nacional. El primer complejo petroquímico que se
estableció en el país fue entre 1956 y 1963, en Morón, Estado Carabobo, en
consecutivo los complejos José Antonio Anzoátegui en el estado Anzoátegui y Ana
19
María Campos en el Zulia. El consumo de poliolefinas en Venezuela es dominada
por el polietileno. Los productos derivados del polietileno son sumamente variados
y denominados commodities. Un producto commodity es una clase de materia
prima genérica, básica, apenas transformada, con la que se comercia a escala
global, son termoplásticos sintéticos que resultan baratos y fáciles de procesar. La
primera planta para sintetizar polietileno se construyó en el país en 1976 en el
complejo Ana María Campos ubicado en la costa oriental del Lago de Maracaibo.
El proceso de obtención requiere de la ayuda de catalizadores o iniciadores y con
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D
A
V
ER
reaccionar entre sí para formar una cadena
hidrocarbonada.
Los polietilenos se
S
E
R
S
O
H
C
pueden clasificarE
deR
acuerdo
a su densidad, cuyo rango oscila entre 0,918 – 0,966
E
D
una presión y temperatura adecuada en el medio de reacción, el etileno puede
g/cm3.Los valores inferiores dentro del rango anterior corresponden al polietileno
de baja densidad (PEBD) y al polietileno lineal de baja densidad (PELBD),
mientras que los valores superiores dentro del rango pertenecen al polietileno de
alta densidad (PEAD). Por último, las densidades intermedias pertenecen al
polietileno de media densidad (PEMD).
Actualmente existe una empresa con líneas de producción de polietileno de baja
densidad, su denominación comercial es “Poliolefinas Internacionales, C.A
(POLINTER)”. En la empresa POLINTER la producción de polietileno de baja
densidad posee parámetros que deben cumplirse con la finalidad de que el
producto final tenga las propiedades y características requeridas, sometiendo la
materia prima a distintos procesos que permiten su obtención, uno de estos es el
proceso de extrusión, que consiste en forzar el material a través de un orifico para
darle forma. La maquinaria utilizada para este proceso se denomina extrusora, la
cual corresponde a un equipo monotornillo que transporta progresivamente el
material desde la tolva V-209 en estado fundido a través de todo el barril hasta
atravesar la placa hilera ubicada en la boquilla.
20
Durante este proceso, una importante cantidad de energía suministrada al material
es por calentamiento viscoso ocasionado por el cizallamiento entre las partes
metálicas y el polímero; este cizallamiento se manifiesta en forma de calor.
Adicionalmente, se controla el calor suministrado o retirado al material a través de
agua caliente presurizada que corre por las chaquetas que envuelven el barril. El
patrón de flujo tiene forma helicoidal como consecuencia, una vez que atraviesa la
placa hilera, sufre una transformación y el patrón pasa a ser idealmente lineal,
luego es enfriado súbitamente por efecto del agua de corte, lo que le permite tener
un corte del filamento adecuado para generar pellets .Esta función le da vital
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importancia a la longitud de placa hilera, debido a que debe ser lo suficientemente
larga para lograr dicha transformación.
DERE
Considerando los problemas en la historia de producción de la planta por mal corte
o presencia de aglomerados del producto que generaban pérdidas de producción
y problemas de calidad del producto en determinados Grados de Polietileno,
POLINTER C.A, en el 2014, solicitó el soporte de la empresa de investigación
INDESCA para que desarrollara modelos estadísticos a partir de data histórica de
la planta para predecir las condiciones de procesamiento más adecuadas para
cada grado de PEBD, específicamente las asociadas a Temperatura de las zonas
del extrusora, cabezal y placa hilera.
Para lograr esto se levantaron modelos de regresión de tipo interacción, con el fin
de encontrar condiciones de procesamiento adecuadas y disminuir el problema
que se presenta. En consecutivo se lleva a cabo una investigación que permite
caracterizar las condiciones que favorecen el proceso de extrusión. Ya que dicho
proceso afecta la calidad del producto final, esta investigación pretende identificar
los problemas detallados asociados a los perfiles de temperaturas para los grados
de PEBD de mayor producción como lo son el FA0240, FB3003 y FB7000 en la
extrusora que podría mejorar la calidad del polietileno de baja densidad.
21
1.2.
Objetivos de la investigación
A continuación se muestra el objetivo general y los objetivos específicos cumplidos
para poder alcanzar la finalidad de la investigación presente.
1.2.1. Objetivo general
Determinar el efecto del perfil de temperatura de la extrusora de la planta de
S
O
D
A
V
ER
S
E
R
S
CHO
polietileno de baja densidad en la calidad del producto final.
DERE
1.2.3. Objetivos específicos
1. Identificar los parámetros que influyen en el funcionamiento de la extrusora
en la producción de polietileno de baja densidad.
2. Seleccionar los perfiles de temperaturas de la extrusora de producción de
polietileno de baja densidad a partir de data histórica de la planta.
3. Comparar perfiles de temperaturas de la extrusora de producción de
polietileno de baja densidad con los proporcionados por la herramienta de
predicción disponible en planta.
4. Establecer las condiciones operacionales que afectan las propiedades del
producto final.
22
1.3.
Justificación de la investigación
Desde el comienzo de operación de la planta de Polietileno de Baja Densidad se
establecieron por parte del licenciante de la tecnología los parámetros de
operación de la extrusora asociados a cada grado de resina, sin embargo, en el
transcurso del tiempo se han realizado ajustes en los parámetros de temperatura
en las diferentes variables que intervienen en el control de la operación de la
extrusora y que están asociados directamente a la calidad del producto afectando
propiedades como índice de fluidez, propiedades mecánicas, ópticas e igualmente
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CHO
a variables operativas como lo son la capacidad de producción y el consumo
eléctrico del equipo.
DERE
Todos estos parámetros afectados por las desviaciones de temperatura están
provocando malformaciones y aglomeramiento en los pellets después de pasar
por la placa hilera, por lo que el análisis, evaluación y control con el fin de obtener
la mejor calidad posible es necesario. El mejoramiento de la calidad del producto
es esencial para la empresa, por lo que el departamento de ingeniería de procesos
busca mantener consistencia en los parámetros operacionales en la extrusora de
tal manera que el producto mantenga los requerimientos de calidad, se evite
producción de producto fuera de especificación o paros de planta causados por
desviaciones en la calidad del producto con sus efectos económicos e igualmente
se busca obtener mejoras en la eficiencia de la producción disminuyendo el
consumo energético.
Los resultados de este servirán para que con sus datos y el análisis realizado
pueda orientar a la empresa en las condiciones que puedan favorecer la calidad
de polietileno de baja densidad para los grados FA0240, FB3003 y FB7000. Así
mismo, este trabajo de investigación ayuda de referencia y material de apoyo para
futuros trabajos que sean realizados en el área de producción de PEBD como
23
antecedente para su elaboración. Académicamente se desea contribuir con
conocimientos en el estudio y análisis de datos de una extrusora para la
producción de polietileno,
para que se obtenga una visión y preparación al
ingeniero en el mundo laboral, específicamente en la producción de polímeros y
las condiciones que favorecen la extrusión.
1.4.
Delimitación de la investigación
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siguió la investigación presente.
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A continuación se presenta la delimitación espacial, temporal y científica que
1.4.1. Delimitación espacial
La investigación se realizó en la Planta de Polietileno de Baja Densidad (PEBD) de
POLINTER C.A, ubicada en el Complejo Petroquímico Ana María Campos, Los
Puertos de Altagracia, Municipio Miranda, estado Zulia.
1.4.2. Delimitación temporal
El trabajo de investigación se desarrolló durante un periodo de 6 meses,
comprendidos entre los meses de Octubre 2015 hasta Abril 2016.
1.4.3. Delimitación científica
24
El trabajo especial de grado se encuentra enmarcado en el área de ingeniería
química específicamente en la rama del conocimiento de control de proceso de
producción de polímeros, de calidad y estadístico. Se utilizaron las herramientas
necesarias para la realización de éste como el paquete orientado a ofrecer
soluciones técnicas y gerenciales, además de otras aplicaciones.
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CAPÍTULO II
MARCO TEÓRICO
El marco teórico tiene el propósito de dar a la investigación un sistema coordinado
y coherente de conceptos y proposiciones que permitan abordar el problema. Se
trata de integrar al problema dentro de un ámbito donde éste cobre sentido,
incorporando los conocimientos previos relativos al mismo y ordenándolos de
modo tal que resulten útil a nuestra tarea.
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DERE
2.1 Descripción de la empresa
Poliolefinas Internacionales, C.A. (Polinter), es una empresa venezolana
productora y comercializadora de Polietilenos de Alta, Media, Baja, Lineales de
Baja Densidad y Mezclas de estas resinas, distribuidas bajo la marca registrada
Venelene. Polinter, es una empresa mixta cuyo capital social está conformado por
la participación accionaria de petroquímica S.A. Pequiven, Internacional
Petrochemical Holding Limited, IPHL, Grupo Zuliano, C.A., Sofilago. S.A., Grupo
de empresas Mitzui y Combustión Engieneering Tecchnology Investment
Corporation.
2.1.1 Misión
Producir polietilenos de calidad para satisfacer prioritariamente la demanda
nacional, de manera sustentable, oportuna, con seguridad, en armonía con el
ambiente y el entorno; para impulsar el desarrollo social y económico de
Venezuela
26
2.1.2 Visión
Ser la primera empresa productora de polietilenos en América Latina y soporte de
la industrialización transformadora prioritariamente en el país, contribuyendo a
convertir a Venezuela en una potencia petroquímica mundial para impulsar su
desarrollo.
2.1.2 Organigrama de la empresa
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A continuación organigrama general de la empresa:
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Figura 2.1. Organigrama de Poliolefinas Internacionales C.A (POLINTER,
2015)
27
2.2. Antecedentes
A continuación se presentan algunas de las investigaciones consultadas en el
periodo durante la realización de este trabajo especial de grado.
González y Martínez (2015). Determinación de los perfiles de temperatura para el
proceso de extrusión con materia prima importada en la empresa REMAN, C.A.
Trabajo especial de grado presentado en la Universidad Rafael Urdaneta,
Maracaibo, Edo Zulia, Venezuela.
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El presente trabajo tuvo como
objetivo
la
determinación
de los perfiles de
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DEla extrusión de resinas importadas. Compararon las propiedades
temperatura para
físicas y mecánicas de las mismas. La determinación de la temperatura se llevó a
cabo mediante variaciones de la misma y luego tomando muestras a la película
para así hacer los respectivos ensayos de calidad y evitar malformaciones y
sobrecalentamiento de la película extruida.
Para determinar el efecto del perfil de temperaturas dicho trabajo sirvió para
establecer estrategias para la variación de variables importantes y así poder
compararlas y elegir las adecuadas para la obtención de un perfil adecuado para
la obtención de un producto de calidad.
Arrieta (2012). Paro automático de la extrusora (G-201) por bajo flujo de agua de
corte, evaluación de procesos. Informe de calidad en el área de procesos
realizado por la gerencia técnica en planta de PEBD. POLINTER, Complejo
Petroquímico AMC, Edo Zulia, Venezuela.
28
Dicho informe de calidad se centró en la evaluación de calidad del producto y las
condiciones de proceso del área de extrusión durante diferentes campañas
producidas en el año 2012 donde hubo o no problemas de mal corte. Para la
evaluación de las condiciones de proceso durante la producción se verificó el
índice de fluidez como parámetro de calidad; y analizaron las tendencias de
ciertas variables de proceso, como: temperaturas de las zonas de la extrusora,
temperatura de la placa hilera, temperatura del cabezal, y temperatura del agua de
corte; velocidad de las cuchillas y la velocidad del tornillo de la extrusora; durante
varias campañas realizadas en el año 2012. Se tomaran en cuenta las variables
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estudiadas en este informe como data para determinar el efecto del perfil de
temperaturas en la calidad del producto.
DERE
Pérez, Torres y Candal (2013). Efecto de las variables del proceso de extrusión
sobre la relación estructura-propiedades de películas tubulares de PEBD. Artículo
científico publicado en la Revista Iberoamericana de Polímeros. Grupo Polímeros
USB,
Departamento de
Mecánica,
Universidad
Simón
Bolívar, Caracas,
Venezuela. INDESCA, Completo Petroquímico AMC, Edo Zulia, Venezuela.
El presente trabajo tiene como objetivo principal cuantificar el efecto de las
variables de procesamiento tales como velocidad de extrusión y temperatura de
fundido, sobre las propiedades mecánicas y ópticas de las películas tubulares de
polietileno de baja densidad (PEBD). Se determinó que dichas variables afectan
negativamente a las propiedades, así como favorablemente las propiedades de
impacto, penetración y esfuerzo y propiedades ópticas. Se aislaron cada una de
estas variables para medir el efecto de la variación de cada una de ellas en el
producto final.
29
El aporte de este trabajo principalmente fue el estudio de diferentes reacciones de
la resina con respecto a los cambios de temperatura presentados en una extrusora
en INDESCA y en cómo podemos evitar con temperaturas adecuadas el producto
sea ópticamente de calidad.
2.3. Bases teóricas
A continuación se presentan las bases teóricas que representan un apoyo inicial
S
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dentro del conocimiento del objetivo a estudiar.
DERE
2.3.1. Polímeros
Los polímeros son un tipo particular de macromolécula, que se caracteriza por
tener una unidad que se repite a lo largo de la molécula, lo define López (2004). A
través de la reacción de polimerización, pequeñas moléculas, las cuales son
llamadas monómeros, se combinan entre sí. La unión de todas estas pequeñas
moléculas da lugar a una estructura de macromoléculas de constitución repetitiva
en el polímero y unidad que se repite regularmente a lo largo de toda la molécula.
Según Billmeyer (1975), los procesos de polimerización fueron divididos en dos
grupos conocidos como polimerización de condensación y de adición, los cuales
también son llamados polimerización de reacción por etapas y de reacción en
cadena. La longitud de la cadena del polímero viene determinada por el número
de unidades constitucionales repetitivas (ucr) que se repiten en la cadena. Esto se
llama grado de polimerización (X), y su peso molecular viene dado por el peso de
la unidad constitucional repetitiva multiplicado por el grado de polimerización. En
un determinado polímero, si todas las unidades estructurales son idénticas este se
30
llama homopolímero, pero si este procede de dos o más monómeros recibe el
nombre de copolímero.
2.3.1.1. Clasificación de los polímeros
Los polímeros se clasifican de a acuerdo a sus propiedades físicas y mecánicas
en tres grandes grupos:
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S
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polipropileno, polietileno, poliestireno,
etc.
S
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a) Termopolímeros: Pueden ser moldeados cuando son calentados. Ejemplo
b) Termorígidos: Son materiales entrecuzados duros, no maleables y no flexibles.
Ejemplo la fórmica, melamina, baquelita, etc.
c) Elastómeros: Material Entrecruzado flexible y extendible. Ejemplo el caucho, las
gomas, etc.
2.3.1.2. Propiedades físicas
Rubin (1999), describe al polietileno de acuerdo a sus propiedades físicas,
algunos polímeros son más quebradizos que otros, otros son muy flexibles.
Veamos los siguientes que nos lo verifican.
31
- Temperatura de Transición vítrea (Tg)
Es la temperatura en el cual un polímero cambia de un estado rígido y quebradizo
a otro blando y maleable, está presente sólo en polímeros amorfos y es diferente
para cada polímero.
- Temperatura de fusión (Tm)
Es la temperatura a la cual un polímero pasa de un estado sólido a un estado
S
O
D
A
V
ERde calorimetría diferencial de
S
E
R
físicas pueden ser medidas a través
de
la
técnica
S
HO
C
E
R
E
barrido (DSC),
el
cual
mide
el cambio de calor en función de la temperatura.
D
líquido (fundido); sólo se aprecia en polímeros cristalinos. Estas dos propiedades
Realmente la principal responsable de que un polímero sea blando o rígido es la
temperatura de transición vítrea Tg. Supongamos que tenemos un polímero cuya
Tg está por encima de la temperatura ambiente, entonces este polímero será un
material rígido, vítreo. Si por el contrario la Tg de un polímero está por debajo de
la temperatura ambiente, este será un material cauchoso, flexible y blando.
Figura 2.2. Calor en función de la temperatura para un polímero cristalino.
(Mark, 2007)
32
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DERE
Figura 2.3. Calor en función de la temperatura para un polímero amorfo. (Mark,
2007)
En la Figura 2.3 se observa en la línea punteada un aumento del calor sin
variación de la temperatura, esa es la temperatura de fusión, también conocido
como calor latente de fusión, mientras que en la Figura 2.3 se aprecia sólo un
cambio de pendiente, ese punto de inflexión es el que se conoce como
temperatura de transición vítrea. En resumen podemos decir que la fusión es una
propiedad sólo de los polímeros cristalinos, mientras que la transición vítrea es
exclusiva de los polímeros amorfos. (Champetier y Monnerie, 1973).
Un polímero en particular puede tener dominios tanto cristalinos como amorfos,
entonces la muestra exhibirá un punto de fusión y una Tg, pero las cadenas que
funden no son las mismas que experimentan transición vítrea. A veces
preparamos un polímero, pero es muy rígido, o sea que su Tg está por encima de
la temperatura ambiente, pero queremos que nuestro polímero sea mas blando,
entonces lo que tenemos que hacer es agregar un plastificante para bajar su Tg y
hacer nuestro polímero más maleable.
33
En realidad lo que hace el plastificante es penetrar entre las cadenas del polímero,
separándolas de tal forma que aumenta el volumen libre y como hay más volumen
libre entre las cadenas de polímeros, éstas se pueden mover con mayor facilidad a
temperaturas más bajas; cosa que no podrían hacer sin el plastificante. De esta
manera bajamos la Tg de un polímero para convertirlo en un material más flexible
y maleable.
- Densidad absoluta
S
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Es una magnitud referida a la cantidad de masa contenida en un determinado
volumen.
DERE
𝜌=
𝑚
𝑉
(Ec. 2.1)
Siendo,
𝜌: Densidad del compuesto
𝑚: Masa del compuesto
𝑉 : Volumen del compuesto
- Viscosidad y elasticidad
La viscosidad es considerada como una importante variable en el procesamiento
de polímeros, esta depende del peso molecular y varia con respecto a la
temperatura así como con otras variables de proceso, como la velocidad de
deformación y la presión.
34
Beltrán y Marcilla (2012), hablan del concepto de viscoelasticidad, y dicen que
describe el comportamiento comprendido entre los extremos clásicos de una
respuesta elástica de Hooke y un comportamiento viscoso Newton. También
añaden que los polímeros presentan un comportamiento mecánico enteramente
dominado por su carácter viscoelástico. Los sólidos viscoelásticos presentan
características de líquido y sólido, con fuertes desviaciones del comportamiento
Hookeano Newtoniano.
- Índice de fluidez
S
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V
ER de fluidez como el peso en
Vincent, Álvarez y Zaragoza (2006), definen
el índice
S
E
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HOestándar en un plastómetro normalizado, a 190
C
gramos extruidosEbajo
una
carga
E
R
D
ºC durante 10 minutos. De igual forma, señalan que dicho índice permite controlar
cualitativamente el peso molecular y es una guía importante en cuanto a las
propiedades de procesabilidad del polímero. Guarda una relación inversa al peso
molecular.
2.3.1.3. Propiedades mecánicas
Cuando decimos que un polímero es resistente o dúctil, nos estamos refiriendo a
sus propiedades mecánicas, entonces empecemos a conocer estas propiedades
que a fin de cuenta nos van a determinar si un polímero sirve para fabricar una
pieza o no, irá a resistir o no, etc.
- Resistencia tensil.
Es cuando un polímero puede soportar un determinado estiramiento sin romperse.
35
- Resistencia a la compresión
Es cuando un polímero puede soportar una determinada compresión sin que éste
se fragmente.
- Resistencia a la flexión
Cuando un polímero se dobla y no se parte, o sea es flexible.
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Cuando un polímero es sometido
HOa un fuerte doblez sobre su propio eje, sin que
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- Resistencia a la Torsión
sufra daño alguno.
- Resistencia al impacto
Cuando un polímero es golpeado fuertemente y no sufre daño.
- Dureza.
Es una medida de la energía que una muestra puede absorber antes de que se
rompa.
36
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CHO
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Figura 2.4. Curvas típicas de tensión en función de la elongación para diferentes
clases de polímeros. (Rubin, 1999)
En la figura 2.4. se puede ver, que para polímeros rígidos (curva verde), estos
pueden soportar gran tensión, pero no tanta elongación. Esta característica la
presentan los plásticos como polimetacrilato de metilo, poliestireno y los
policarbonatos. La curva de color negro indica que las fibras pueden soportar
elevadísimas tensiones, pero pocas elongaciones. Esta propiedad se puede
apreciar en los nylons, las fibras de carbonos, etc. Los plásticos flexibles (curva
azul) como el polipropileno y el polietileno, aunque no soportan altas tensiones no
manifiestan preferencia por la ruptura, o sea resisten por un tiempo considerable la
arremetida de grandes tensiones hasta que llega un momento que no soporta más
y se deforma y/o se rompe.
La
curva
roja
características
de
elastómeros
como
los
poliisoprenos,
polibutadienos y el poliisobutileno son los que pueden aguantar elongaciones
elevadas acompañadas con una buena resistencia a las tensiones, los
elastómeros recobran su forma original una vez que son estirado debido a que
37
poseen lo que se conoce como elongación reversible. Esta característica es la que
los hacen extraordinariamente útiles para la fabricación de neumáticos, guantes
quirúrgicos, tubos de goma etc.
2.3.3. Poliolefinas
Son termoplásticos que resultan de la polimerización de las Q!-olefinas. Las
poliolefinas más importantes son el polietileno (PE) y el polipropileno (PP). Para
S
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D
A
V
E
observar que, según datos de la ANAIP E
para
losR
años 1984 y 1985, tanto en
S
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S
HlaO producción de estos materiales supuso,
C
cantidad comoEen
valor,
E
R
D
hacerse una idea de la importancia industrial de estos materiales, basta con
aproximadamente el 50% de la producción total española de materias plásticas.
Además, de acuerdo con la misma fuente, se puede comprobar que la tasa de
aumento para el período considerado de las producciones de estas poliolefinas es
superior al del conjunto de los materiales plásticos.
A este interés comercial hay que añadir que el polietileno es, estructuralmente, el
más sencillo de todos los polímeros, lo que hace que sea el sistema de partida
para estudiar las propiedades de este tipo de materiales. De hecho, el polietileno
es, con diferencia, el polímero que más se ha investigado.
2.3.4. Polietileno
El PE es estructuralmente el más simple de los plásticos y se obtiene mediante la
adición del gas etileno en un reactor a alta temperatura y presión. Su puede
obtener una gama de resinas de baja, media y alta densidad, dependiendo de las
condiciones (temperatura, presión y tipo de catalizador) de polimerización.
38
Los polietilenos son fácilmente termosellables. Se pueden obtener películas
fuertes, resistentes, con una buena barrera al vapor de agua. No son materilaes
con una barrera especialmente alta para ser aplicados en aceites y grasas y con
gases como el dióxido de carbono y oxígeno en comparación con otros materiales,
aunque las propiedades de barrera aumentan con la densidad. La resistencia al
calor es menor que la de otros plásticos utilizados para el envasado, con un punto
de fusión de alrededor de 120 ºC, valor que también aumenta a medida que
aumenta la densidad.
S
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A
V
ER lubricantes y compuestos
la necesidad de contar con agentes antiestáticos,
S
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R
S
O
H
C
antibloqueo queE
deben
ser
añadidos al polímero para facilitar la fabricación, la
E
R
D
Las películas de PE son susceptibles de generar una carga estática y esto genera
transformación y la utilización de la película.
2.3.4.1. Polietileno de baja densidad
El polietileno de baja densidad (PEBD) es fácilmente extruible en forma de tubo y
puede ser soplado para estirarlo y obtener un área tres veces mayor que el
material original. Es comúnmente elaborado con un espesor de alrededor 30
microgramos y dentro de un rango de densidad 0,910 – 0,925 𝑔 ∙ 𝑐𝑚−3. Es muy
utilizado en multilaminados como capa interna debido a su gran termosellabilidad y
también como capa externa debido a que es un buen sustrato para el proceso de
impresión.
39
2.3.5. Extrusión de polímeros
En el proceso de extrusión se impulsa de modo continuo el polímero a lo largo de
un tornillo a través de regiones de presión y temperatura altas en las que funde y
se compacta y, finalmente, es forzado a pasar a través de un troquel conformado
para dar el objeto final. (Billmeyer, 1975).
Smith y Hashemi (2006) explican que la máquina de extrusión se usa también
para fabricar materiales plásticos compuestos destinados a la producción de
S
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materiales termoplásticos.
S
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D
formas básicas de fabricación de pellets, y para la recuperación de residuos de
La extrusión consiste en la transformación del polímero solido por medio de la
acción y trabajo mecánico en un fluido que adquiere la forma deseada al pasar a
traces de un orificio de sección definida. Si el polímero se alimenta en estado
sólido, para ser fundido durante su paso a través de la extrusora, el proceso se
denomina extrusión plastificante, el cual es el de más amplia difusión (POLINTER,
2009).
2.3.6. Descripción del equipo
El proceso se lleva a cabo en extrusoras, estas poseen una entrada al barril
llamada tolva, dentro del equipo se encuentra un tornillo de Arquímedes también
llamado husillo, el cual es impulsado por la potencia de un motor como se muestra
en la figura 2.5.
40
Figura 2.5. Diagrama de una máquina extrusora (INDESCA, 2014)
S
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D
A
V
R
SEdentro
E
R
Este tornillo va arrastrando elO
material
plástico
del barril, el cual está
S
H
C
E
R
E
Dresistencias
recubierto por
de calentamiento, esto ofrece las condiciones de
presión y temperatura necesarias para lograr la fusión del material extruido, este
es arrastrado hasta el final del tornillo, en donde el barril va disminuyendo su
diámetro hasta la salida la cual es llamada dado. El dado se encarga de dar forma
al material fundido. (Billmeyer, 1975)
El tornillo de un extrusor está dividido en varias secciones, cada una con un
propósito específico. La sección de alimentación toma polímero finalmente dividido
en una tolva y lo impulsa a la parte principal del “extrusor”. En la sección de
compresión, la aun poco prieta alimentación se compacta, se funde y toma la
forma de una corriente continua de plástico fundido. Debe aplicarse algo de calor
externo pero la mayor parte se genera por fricción. La sección de dosificación
contribuye a uniformar la velocidad del flujo, necesario para que las dimensiones
del producto acabado sean uniformes, y crea presión suficiente en el polímero
fundido para forzar al plástico a través del resto del extrusor y salir por el troquel.
41
2.3.6.1
Extrusora de tornillo
Estas máquinas constan de un motor y un variador de velocidad para adecuar el
giro del expulsor. El expulsor comprende un tornillo que rota dentro de una camisa
calentada exteriormente.
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Figura 2.6. Sección transversal de extrusora (Lepoutre, 2008)
El plástico en forma de gránulos, polvo o tiras, es alimentado constantemente
desde una tolva situada sobre el cuerpo, el material pasa por un embudo al
cilindro y a medid que avanza es calentado, mezclado y comprimido; y, cuando ha
conseguido una consistencia moldeable, pasa a través de las boquillas u orificio
formador.
La posición del cilindro y del tornillo es independiente en el proceso de extrusión.
Por ello se utilizan las extrusoras verticales cuando se tienen espacios reducidos o
42
cuando se requieren acoplar varias máquinas para elaborar productos constituidos
por varios componentes.
Cuando se requiere una gran producción se utilizan extrusoras de varios husillos.
La disposición y el número de dichos husillos es variada. En la mayoría de los
casos los tornillos se encuentran mutuamente engranados, entrando las espiras
de uno en el canal del otro, con lo que se logra el movimiento obligado del material
y auto limpieza de los husillos.
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Figura 2.7. Corte transversal de una extrusora de película soplada (Lepoutre,
2008)
Se tiene conclusiones por parte de Andersson, T. y Wesslén, B. (2010) acerca de
la degradación de polietileno en el proceso de extrusión, la degradación que toma
lugar en la tolva, en adición a la degradación a causa de la termo-mecánica, es
43
dependiente de la cantidad de oxígeno presente en el material fundido y puede ser
controlada por antioxidantes interactuando con radicales ya formados, haciéndose
el proceso de degradación más lento.
La degradación en la película extruida por los orificios de las boquillas, viene
relacionada con la cantidad de tiempo de exposición al aire-oxígeno y es
independiente de que estén presentes los antioxidantes. La degradación de la
película es un proceso relacionado con la superficie del producto.
S
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A
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S
Los polímeros al ser moléculas
HOde gran tamaño tienen la tendencia a ser muy
C
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E
D
- Temperatura de extrusión
viscosos, por esto la temperatura de extrusión es uno de los parámetros más
importantes de operación, dado que esta permite la disminución de la viscosidad
del polímero tratado, para disminuir los requerimientos de potencia y facilitar el
procesamiento de este.
La temperatura de extrusión se ajusta a lo largo de todo el barril mediante
resistencias de calentamiento, las cuales brindan la transferencia de energía
necesarias de calentamiento, las cuales brindan la transferencia de energía
necesaria para calentar el polímero, esta temperatura no es igual en todos los
sectores del barril, esto se debe a que a medida que el polímero es procesado,
este presenta distintos requerimientos de temperatura para optimizar su fluidez.
- Velocidad del tornillo
Esta variable está directamente relacionada con la obtención un mayor o un menor
caudal dentro del barril, al aumentar se obtiene mayor velocidad de
procesamiento, mayor fricción y mayor cantidad de producto resultante en un
44
menor tiempo, pero incrementan los requerimientos de potencia y presión, además
de poder producir daños al producto final.
Relación de soplado
Es un parámetro adimensional también conocido como Blow-up Ratio (BUR) que
se encarga de comparar el diámetro de burbuja con el diámetro de cabezal, para
dar una idea del grado de orientación transversal de la película. Para determinar
este parámetro se debe conocer el diámetro de la burbuja (D) y el diámetro del
cabezal (Do).
S
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- Altura de línea de enfriamiento
S
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Se refiere a la altura que se encuentra entre boquilla de la extrusora y en donde el
material alcanza a solidificarse en la burbuja soplada y se llega al diámetro final de
la burbuja.
- Coeficiente de fricción
POLINTER e INDESCA (2010), indican que el coeficiente de fricción es un
parámetro adimensional que indica la resistencia que pone la superficie de un
material al deslizamiento de un objeto.
45
2.4 Sistema de Variables
En una investigación las variables son las distintas propiedades, factores o
características que presenta lo estudiado, que varían en cuanto a su magnitud.
Una variable es operacionalizada con el fin de convertir un concepto abstracto en
uno empírico, susceptible de ser medido a través de la aplicación de un
instrumento. Dicho proceso tiene su importancia en la posibilidad que un
investigador poco experimentado pueda tener la seguridad de no perderse o
cometer errores que son frecuentes en un proceso investigativo.
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DERE
2.4.1 Definición nominal
Perfil de temperaturas de la extrusora de polietileno de baja densidad.
2.4.2 Definición conceptual
El perfil de temperaturas es el proceso de monitorear e interpretar las
temperaturas de productos a medida que se mueven. Los datos numéricos
recolectados se convierten por medio de software de análisis de temperaturas en
información significativa que se muestra como una gráfica el perfil térmico. Estos
serán estudiados en la extrusora de polietileno de baja densidad para determinar
el efecto en el producto final.
46
2.4.3 Definición operacional
Dentro de los parámetros de funcionamiento de la extrusora tenemos:
temperatura, esta es de gran importancia ya que depende de esta la viscosidad de
la resina que pasará por la extrusora. La resina del polímero es calentada hasta el
estado de fusión por fricción proveniente de la velocidad del tornillo de extrusión.
La relación de soplado es un parámetro que permite comparar el diámetro de
burbuja con el diámetro de cabezal, para dar una idea del grado de orientación
transversal de la película. La altura de enfriamiento se refiere a la altura que se
S
O
D
A
V
ERtenemos las RPM en las que
solidificarse. Y entre las condiciones de operación
S
E
R
S
HdeOfluidez señala el peso estándar del plástico a 190
C
trabaja la extrusora,
el E
índice
R
E
D
encuentra entre la boquilla de la extrusora y en donde el material alcanza a
grados por 10 minutos. Por últimos y como parámetros más básicos en cualquier
sistema se opera con presión, temperatura y capacidad de producción.
2.4.4. Operacionalización de la variable
Una vez definidas conceptualmente las variables identificadas en el estudio que
especifiquen lo que se debe observar o medir, tuvo de gran importancia en las
repercusiones al momento de hacer tangibles, operativas, medibles o por lo
menos registrables en la realidad porque se procede a determinar las operaciones
a ejecutar que conduzcan a la obtención de la información requerida y que
justifique
el
proyecto
de
investigación.
operacionalización de variables:
Tabla 2.1. Sistema de Variables
A
continuación
el
cuadro
de
47
Objetivo General: Determinar el efecto del perfil de temperatura de la extrusora de la
planta de polietileno de baja densidad en la calidad del producto final.
Objetivos específicos
Variable
Sub-variables o
Indicadores
dimensiones
Identificar los
parámetros que influyen Funcionamient
en el funcionamiento de
o de
extrusoras de
extrusoras de
producción de polietileno
PEBD
de baja densidad
Seleccionar los perfiles
de temperaturas de la
extrusora de producción
de polietileno de baja
densidad a partir de data
histórica de la planta.
S
O
D
A
V
ER
S
E
R
S
CHO
DERE
Comparar perfiles de
temperaturas de la
extrusora de producción
de polietileno de baja
densidad con los
proporcionados por la
herramienta de
predicción disponible en
planta
Recomendar las
condiciones
operacionales que
afectan las propiedades
del producto final
Parámetros de
funcionamiento
Temperatura
Velocidad del
tornillo
Velocidad de las
cuchillas
Termofluido
Perfil de
temperatura
Condiciones
Operacionales
Perfiles de
temperatura según
data histórica
Temperatura
Perfiles de
temperatura
seleccionados con
los proporcionados
por la herramienta
de la empresa
No
operacionalizable
Propiedades del
Producto final
Temperaturas
rpm
Presión
Producción
Agua de corte
CAPÍTULO III
MARCO METODOLÓGICO
El marco metodológico permite establecer el conjunto de actividades pertinentes al
abordaje de la realidad objeto de la investigación, a través de la especificación de
procedimientos y técnicas que garanticen su validez científica, de manera que el
estudio se adecue al problema y objetivos planteados. En tal sentido, a
continuación se definen el tipo de investigación, su diseño, la población y muestra
S
O
D
A
V
ER
S
E
metodología y procedimiento de la investigación.
R
S
HO
C
E
R
E
D
objeto de estudio, las técnicas e instrumentos de recolección de datos, así como la
3.1. Tipo de Investigación
Según la metodología de Amador (2012), la investigación presente es considerada
un estudio descriptivo de enfoque cuantitativo ya que además de reseñar las
características o rasgos de la situación o fenómeno se estudió la descripción
exacta de las actividades y procesos mediante recolección de datos e
identificación de la relación que hay entre las variables para la determinación del
efecto de los perfiles de temperatura en la extrusora de polietileno de baja
densidad.
Amador (2012) concluye que la investigación descriptiva ayuda a reconstruir el
objeto de estudio permitiendo establecer contacto con la realidad a fin de
conocerla mejor, la finalidad de ésta radica en formular nuevas teorías o modificar
las existentes, en incrementar los conocimientos; es así
elaborar
el modo de llegar a
nuevos conocimientos. Esta actividad investigadora se conduce
eficazmente mediante una serie de elementos que hacen accesible el objeto al
49
conocimiento y de cuya sabia elección y aplicación va a depender en gran medida
el
éxito
del
trabajo
investigador.
La
investigación
descriptiva
recoge
conocimientos y datos de fuentes primarias y los sistematiza para el logro de
nuevos conocimientos. No es investigación confirmar o recopilar lo que ya es
conocido o ha sido escrito o investigado por otros. La característica fundamental
de la investigación es el descubrimiento de principios generales.
3.2. Diseño de la investigación
S
O
D
A
V
ERque el término “diseño” se
Hernández, Fernández y Baptista (2003),
señalan
S
E
R
S
HO para obtener la información que desea. Por
C
refiere al plan o E
estrategia
concebida
E
R
D
lo tanto, el diseño de investigación se concibe como estrategias en las cuales se
pretende obtener respuestas a las interrogantes y comprobar las hipótesis de
investigación, con el fin de alcanzar los objetivos del estudio.
Todo trabajo de investigación adopta un diseño que sirve para determinar la
metodología que se va a utilizar para corroborar todos los datos y dicho diseño es
el que permitirá presentar la información clara y veraz para dar respuestas a
ciertas preguntas. Según Altuve (1980), considera que un diseño de investigación
es, la presentación de las condiciones que posibilitan la recolección y análisis de
datos, de tal forma que se puedan combinar resultados relevantes con la
economía de procedimientos.
En lo que respecta a la investigación planteada, efecto del perfil de temperatura en
extrusora de polietileno de baja densidad, la estrategia general para la recolección
de datos y desarrollo de la información en función de los objetivos propuestos está
dirigida a un diseño de campo, pseudo-experimental y documental.
50
Por el cual los datos utilizados para el análisis de las variables del perfil de
temperatura se tomaran directamente en los sitios de trabajo sujetos al estudio. Al
respecto, a investigación de campo, según Tamayo (2001), es aquella que se
realiza con la presencia del investigador o científico en el lugar de ocurrencia del
fenómeno.
Igualmente, Sabino (2000) se refiere a la investigación de campo de la siguiente
manera, cuando los datos se recogen directamente de la realidad, por lo cual
denominados primarios, su valor radica en que permiten cerciorarse de los
S
O
D
A
V
ER
S
E
R
S
O su diseño para analizar la certeza de las
cuantitativo, el investigador
Hutiliza
C
E
R
E
D en un contexto particular o para aportar evidencias respecto
hipótesis formuladas
verdaderas condiciones en que se han obtenido los datos, el cual facilita su
revisión o modificación en caso de surgir dudas. En el caso del enfoque
de los lineamientos de la investigación.
Esta investigación cuenta con una investigación pseudo-experimental ya que en el
proceso existente el investigador puede manipular solo una variable independiente
para así poder observar e identificar los cambios ocurridos a las variables
dependientes en el proceso que afectan al producto final.
Mientras Kirk (1995) afirma que los diseños pseudo-experimentales son similares
a los experimentos excepto en que los sujetos no se asignan aleatoriamente a la
variable independiente. Se trata de diseños que se utilizan cuando la asignación
aleatoria no es posible o cuando por razones prácticas o éticas se recurre al uso
de grupos naturales o preexistentes como, por ejemplo, sujetos con una
determinada enfermedad o sujetos que han sido sometidos a abuso sexual. Por lo
tanto, los diseños pseudo-experimentales se utilizan cuando el investigador no
puede presentar los niveles de la variable independiente a voluntad ni puede crear
los grupos experimentales mediante la aleatorización.
51
Esta investigación se llevó a cabo en una planta de PEBD, donde se manipularon
los perfiles de temperaturas de la extrusora de polietileno de baja densidad como
variable independiente para así hacer el seguimiento del proceso y verificar las
variables independientes como índices de fluidez, con el objetivo de controlar y
cumplir las especificaciones de calidad del polietileno según el grado requerido
para la empresa.
S
O
D
A
V
ER
S
E
R
S
CHO
3.3. Técnicas de recolección de datos
DERE
Según Arias (2006), la técnica de recolección de datos tiene que ver con el
procedimiento o forma utilizada para obtener datos o información. De acuerdo con
Chávez (2001) define las técnicas de recolección de datos como los medios que
utiliza el investigador para medir el comportamiento o atributos de las variables.
Según Hurtado (2000), la observación es la primera forma de contacto o de
relación con los objetos que van a ser estudiados. Constituye un proceso de
atención, recopilación y registro de información, para el cual el investigador se
apoya en sus sentidos para estar pendiente de los sucesos y analizar los eventos
ocurrentes en una visión global, en todo un contexto natural. De este modo la
observación no se limita al uso de la vista.
Para Scott (2004), en algunos campos, no solamente es imposible controlar
directamente las variables, sino los fenómenos mismos pueden no ser
observables directamente. A menudo se utiliza un diseño de investigación
conocido como experimentación indirecta en tales campos. Se pueden probar las
explicaciones incluso si los fenómenos que se estudian están demasiado lejos,
52
son demasiado pequeños o están demasiado atrás en el tiempo para observarlos
directamente.
La observación indirecta, según Tamayo (1991) se presenta cuando el
investigador corrobora datos que ha tomado de otros, ya sea de testimonios orales
o escritos de personas que han tenido contacto de primera mano con la fuente que
proporciona los datos. En nuestro caso la observación será indirecta, ya que
observamos las variables cambiar a través del instrumento de predicción presente
en planta pero no veremos los fenómenos físicos que ocurren en planta.
S
O
D
A
V
ER
S
E
R
S
CHO
DERE
3.4. Instrumentos de recolección de datos
Para Sabino (2000), los instrumentos son los medios materiales que se emplean
para recoger y almacenar la información tales como fichas, formatos de
cuestionario, guías de entrevista, listas de cotejo, escala de actitudes y opinión,
entre otras. Méndez (2001), la define como fuentes, hechos y documentos a los
que acude el investigador, el cual permite obtener información, las técnicas son los
medios para recolectar información. Las tablas a continuación nos servirán como
instrumento para la recolección de los datos requeridos para lograr con éxito los
objetivos planteados, en el cual cada una de ellas se identifica con las variables a
estudiar
53
Tabla 3.1. Comparación de temperaturas de data histórica vs Predicción para
cada grado de polietileno (Peña y Sarcos, 2016)
Tzona1
(°C)
Tzona2
(°C)
Tzona3
(°C)
Tzona4
(°C)
Cabezal
(°C)
Placa
Hilera
(°C)
Tiempo de muestreo 1
Real
Predicción
…
Real
Predicción
Tiempo de muestreo n
Real
Predicción
S
O
D
A
V
ER
S
E
R
S
CHO
DERE
En la tabla 3.1. Se seleccionaron perfiles en data histórica con tendencias
pronunciadas hacia a parámetros objetivos pautados por la empresa para la
obtención polietileno que cumpla con aspectos de calidad deseados, para ser
introducidos en la herramienta de predicción disponible en planta y con pruebas a
diferentes condiciones operacionales verificar a modo de predicción la estimación
de las variables, objeto de estudio de esta investigación.
Tabla 3.2. Comparación de condiciones de operación de data histórica vs
Predicción para grado de polietileno (Peña y Sarcos, 2016)
Velocidad del
tornillo (rpm)
Presión antes
del filtro (bar)
Pot.consumida
(kW)
Producción
(ton/hr)
T corte (°C)
Tiempo de muestreo 1
Real
Predicción
Real
…
Predicción
Tiempo de muestreo n
Real
Predicción
54
Al igual que la tabla 3.1., en la tabla 3.2. se debe llevar un debido control de las
condiciones de operación del proceso, que en este caso la herramienta de
predicción las arroja según el perfil de temperatura utilizado y así permita la
comparación y posible factibilidad con respecto a las condiciones históricas
operacionales. Resultados que serán analizados en el curso de este trabajo.
Tabla 3.3. Recomendación de perfil de temperatura de la extrusora de PEBD para
cada grado (Peña y Sarcos, 2016)
Placa
Tzona1
Tzona2
Tzona3
Tzona4
Cabezal
hilera
Recomendada
Directiva
Operacional
Data Real
S
O
D
A
V
ER
S
E
R
S
CHO
DERE
Tabla 3.4. Recomendación de condiciones operacionales de la extrusora de PEBD
para cada grado (Peña y Sarcos, 2016)
Velocidad
Presión
Potencia
Producción Tcorte
del tornillo antes del
consumida
(TM/h)
(°C)
(rpm)
filtro (bar)
(kW)
Recomendada
Después de haber realizado la comparación de los perfiles de data histórica con
los datos arrojados por la herramienta, se procedió a verificar en cual prueba fue
en donde el perfil de temperatura pronosticó variables operacionales que sean
más convenientes para el proceso, con el fin de recomendar a la empresa
cambios o nuevas directivas operacionales para la obtención de un producto final
de calidad.
55
3.5. Fases de la investigación
Es necesario considerar la metodología para lograr de manera exitosa el objetivo
general, así como el desarrollo de esta investigación, siguiendo y llevándose a
cabo etapas o fases para cumplir con los objetivos específicos y así poder resolver
el problema planteado.
3.5.1. Fase I: Identificación de los parámetros que influyen en el
S
O
D
A
V
ER
S
E
R
S
CHO
funcionamiento de extrusoras de producción de polietileno de baja densidad.
DERE
La primera fase de esta investigación estuvo centrada en el estudio profundo de la
determinación de los parámetros más influyentes en el desempeño de una
extrusora de polietileno de baja densidad. Para esto se procedió a la lectura del
manual de la extrusora Berstorff, en donde se explica el procedimiento,
parámetros a chequear previos al arranque, y maniobras durante el arranque.
La información suministrada por el manual del equipo es de vital importancia para
el entendimiento del funcionamiento y en cómo, a partir de estos parámetros, los
diferentes grados de polietileno pueden presentar diferencias significativas en sus
propiedades y especificaciones de calidad.
Asimismo, se procedió a revisar la bibliografía asociada al procesamiento de
materiales poliméricos y plásticos en general, con la finalidad de hacer un
seguimiento a las variables que según los autores resultan relevantes para que las
extrusoras
logren
funcionar
en
condiciones
óptimas,
las
monitoreadas según parámetros de calidad en el producto final.
cuales
serán
56
3.5.2 Fase II: Procedimiento para la selección de perfiles de temperaturas de
la extrusora de producción de PEBD a partir de data histórica de la planta.
Después de haber identificado los parámetros que afectan el producto final de una
extrusora de polietileno de baja densidad se podrá continuar con la investigación y
estudio del proceso. Para el procedimiento de selección de perfiles de temperatura
se recolectó data histórica en el departamento de gerencia técnica de la planta de
PEBD con el propósito de delimitar los perfiles de temperatura con los que se
desea trabajar.
S
O
D
A
V
ER a estudiar y se buscaron
S
E
R
Primero que todo, se seleccionó
el
grado
de
polietileno
S
HO
C
E
R
E
perfiles en donde
la
calidad
del polietileno se acercó más a la propuesta como
D
objetivo por la directiva; así mismo, se seleccionaron valores donde más se alejó y
se verificó desde cuando se empezó a presentar el problema.
El procedimiento de descarte de valores atípicos se realizará monitoreando los
valores de índice de fluidez que se desvían en un porcentaje exagerado de las
exigencias directivas operacionales, analizando la data del comportamiento de
planta para esa fecha y verificando la posible causa de esta desviación que de no
ser relevantes para el estudio, se procederá a descartar ese valor.
A partir de ésta delimitación se seleccionó un rango de trabajo de perfiles de
temperatura con sus respectivas especificaciones para proceder a evaluar sus
condiciones de operación y compararlas con el instrumento predicador disponible
para recomendar el perfil más óptimo que ayudará a obtener producto que con
calidad satisfactoria.
57
3.5.3 Fase III: Comparación de perfiles de temperaturas de la extrusora de
producción de PEBD con los proporcionados por la herramienta de
predicción disponible en planta.
Una vez obtenida la data histórica de la extrusora de la planta de PEBD y haber
seleccionado un rango de trabajo anteriormente explicado en la Fase II, se
desarrolló el procedimiento de comparación con las variables que se obtuvieron
con la herramienta de predicción disponible en planta bajo los siguientes pasos:
S
O
D
A
V
R más cercanas
Ehistóricas
Se tomaron las variables de operación
S
E
R
S
O punto de partida.
Hcomo
C
ideales por
laR
empresa
E
E
D
1. Se seleccionó el grado de polietileno a trabajar.
2.
a las
3. Se procedió a hacer diferentes pruebas, con un rango delimitado de las
variables de operación, como entrada en la herramienta de predicación. Se
plasmaran en las tablas 3.3 y 3.4.
4. Tomando como variable de calidad principal el índice de fluidez, se
observaron las tendencias graficas mostradas en la data histórica y data
obtenida por la herramienta de predicación, para así seleccionar la más
cercana al índice de fluidez objetivo según el grado del polietileno.
5. Además del índice de fluidez, se compararon las rpm del tornillo de la
extrusora a través de gráficas. Ésta variable representa otra de las
importantes en la selección de un perfil de temperatura óptimo para la
rentabilidad de la producción según el grado.
58
3.5.4. Fase IV: Establecimiento de condiciones operacionales que puedan
favorecer la calidad del producto final
En ésta fase del proceso de investigación es donde se analiza la data recolectada
en las fases previas y se estudia de manera comparativa su manera de afectar el
proceso. Consecutivamente se seleccionan cuales perfiles de temperatura, de la
mano con las condiciones de operación, van a generan los resultados deseados y
adecuados dirigidos a la obtención del producto con propiedades requeridas.
S
O
D
A
V
R
influyen directamente en el índice de fluidez
delE
polietileno.
Ya que forman parte
S
E
R
S
HOpara el correcto cumplimiento de los objetivos
C
de una de las vías
necesarias
E
R
E
D
Durante esta fase se considera de manera prioritaria las características que
planteados, la cual es lograr un índice de fluidez cercano al objetivo con el fin de
mejorar las propiedades del producto final.
Otra característica considerable para análisis son las rpm del tornillo en la
extrusora ya que es una característica que va relacionada con la energía
suministrada al proceso, parámetro importante en cuanto a su influencia en la
distribución de temperatura a lo largo del equipo, así como por su influencia a nivel
de costos, de manera de ser eficientes se busca llegar a un equilibrio entre
parámetros que oscilen entre rangos que van a mantener estos parámetros en
condiciones adecuadas.
59
CAPÍTULO IV
ANÁLISIS DE RESULTADOS
En el capítulo a continuación serán expuestos los resultados obtenidos según la
metodología definida en el capítulo III con sus respectivos análisis e interpretación
de cada objetivo específico.
4.1.
Identificar los parámetros que influyen en el funcionamiento de la
S
O
D
A
V
ER
S
E
R
S
HO por disponer de un conjunto de variables
El proceso de extrusión
se
caracteriza
C
E
R
E
D
extrusora de producción de polietileno de baja densidad
críticas que han de ser controladas o monitoreadas para garantizar la calidad del
producto final. Sin embargo, es necesario resaltar que de éste sistema de
variables muchas veces no todas se encuentran disponibles a efectos de una
investigación por parte de personal de planta o un ente externo. Se debe resaltar
que la extrusora (G-201) de la planta de PEBD cuenta con el tornillo sinfín de un
diámetro de 440mm, y una relación longitud-diámetro (L/D) de 24mm, una
velocidad máxima de 75 rpm y capacidad de producción de 12 ton/hr.
Se procedió a identificar aquellas variables que se deben tomar en cuenta durante
el proceso de extrusión para el adecuado funcionamiento del mismo. Una de
éstas, y muy importante para el proceso, es la potencia del motor (XI-121), la cual
se representa en kW, controladas por un variador de voltaje, es fijo y dependiente
de las propiedades del grado de polietileno a producir; ésta potencia pasa a través
de una caja reductora, para así ser suministrada a la velocidad del tornillo (SI-102)
de la extrusora con una diferencia de 8 rpm a 1 y generar su funcionamiento. En
cuanto a las condiciones térmicas se tiene la temperatura de agua de corte (TI-
60
137) que es a desmineralizada se encuentra en el proceso de granulación del
producto terminado, es decir, corte y transporte de los pellets.
Para lograr mantener una temperatura adecuada en la continuidad del proceso
con la finalidad de obtener mayor fluidez del polímero se cuenta con el parámetro
de temperatura del termofluido (TIC-117_PV), dicha temperatura depende del
funcionamiento correcto de los hornos y afecta la temperatura cabezal y placa
hilera, de gran importancia ya que es el lugar donde se ejecuta la granulación del
producto.
S
O
D
A
V
ERcuenta con un sistema de
S
E
R
Cada una de las cuatro zonas
de
la
extrusora
S
O
ERECHcompuesto por tres intercambiadores de calor cada
enfriamiento yD
calentamiento
uno, un calentador (E-201A/B/C/D) y dos enfriadores (E-202A/B/C/D/E/F/G/H)
estos ayudan a controlar y regular la temperatura del agua presurizada que
recorre la extrusora (G-201). Dichas temperaturas ayudan a proporcionar las
condiciones térmicas en el proceso de extrusión, por lo que se ven relacionadas
con las variables de temperatura de las zonas.
En cuanto a las temperaturas del PEBD en las zonas de extrusión son variables
que se miden por medio de termocuplas acopladas en el equipo y están afectadas
y relacionadas con todos aquellos parámetros que generan condiciones térmicas
en el proceso, como lo son las temperaturas de agua presurizada, y de las zonas.
Por último se obtienen los valores relacionados a la producción del producto final,
dados en toneladas por hora y depende del cumplimiento de las directivas
operacionales establecidas por la empresa.
Una vez constatada la experiencia en campo y analizadas las variables que
influyen en el proceso de extrusión de polietileno de baja densidad se presentan
de manera tabulada a manera de resumen, dichas variables:
61
Tabla 4.1. Variables Influyentes en el proceso de extrusión.
Variable
TAG
Descripción
Presión antes del
filtro
PIAD-120
Presión de descarga de la mezcla a la
extrusora.
Potencia del
motor
XI-129
Energía suministrada al motor de corriente
continua para accionar del tornillo sin fin.
Velocidad del
tornillo
SI-102
Temperatura del
agua de corte
TI-137
S
O
D
A
V
ER
S
E
R
S
CHO
E
DERTIC117A_PV
Temperatura del
termofluido
Temperatura de la
placa hilera
TIC117B_PV
Temperatura del
cabezal
TIC118_PV
Temperatura de
entrada del agua
presurizada en Z1
Temperatura de
salida del agua
presurizada en Z1
Temperatura de
entrada del agua
presurizada en Z2
Revoluciones por minuto del tornillo sin fin de
la extrusora que se realiza por medio de un
reductor que disminuye de 8 a 1.
Temperatura del agua al momento de corte y
transporte de los gránulos por las cuchillas
para solidificar y luego pasar a secado
Temperatura encargada de calentar y
mantener el polímero con mayor fluidez en el
proceso
Temperatura acelerada por bomba de
termofluido (P-511) para el calentamiento de
la misma.
Temperatura acelerada por la bomba de
termofluido (P-510) para el calentamiento de
la misma.
TI-134
TI-133
Temperaturas del circuito de agua
presurizada que recorre cada una de las
zonas de la extrusora
TI-132
Tabla 4.1. Continuación.
Temperatura de
salida del agua
presurizada en Z2
TI-131
Temperaturas del circuito de agua
presurizada que recorre cada una de las
zonas de la extrusora
62
Temperatura de
entrada del agua
presurizada en Z3
Temperatura de
salida del agua
presurizada en Z3
Temperatura de
entrada del agua
presurizada en Z4
Temperatura de
salida del agua
presurizada en Z4
TI-130
TI-129
TI-128
TI-127
S
O
D
A
V
ER del agua que fluye por las
S
E
R
Temperatura
S
Temp. zona 2
TIC-109
HO chaquetas de la extrusora y recorre cada una
C
E
R
E
D
Temp. zona 1
TIC-110
Temp. zona 3
TIC-108
Temp. zona 4
TIC-109
Temperatura de
PEBD zona 1
Temperatura de
PEBD zona 2
Temperatura de
PEBD zona 3
Temperatura de
PEBD zona 4
Producción
de las zonas.
TIAS-110
TIAS-109
TIAS108
Temperatura del polietileno en cada zona de
la extrusora (G-201)
TIAS107
Toneladas de producto final obtenidas por
hora
Posterior a la descripción de las variables influyentes en el proceso mostradas en
la tabla 4.1. se procedió a descartar aquellas que no influyen directamente en la
alteración de las temperaturas pertenecientes al perfil buscado. En cuanto a la
presión antes de filtro (PIAD-120) es una variable medida en bares dependiente de
las variables de control, fue descartada debido a que los datos no estaban
disponibles por fallas en el sistema de visualización y control de variables en el
63
sistema de la empresa (InfoPlus). Referente a la temperatura del agua de corte
(TI-137) que es medida en °C, al igual que todas las temperaturas descritas en la
tabla 4.1., se sometió a descarte por motivo de tener poca influencia en las
temperaturas de la zona ya que su circulación se da en la zona corte y
granulación. Las temperaturas de salida de agua presurizada en cada una de las
zonas (TI-133, TI-131, TI-129, TI-127) no fueron consideradas como factores
intervinientes del perfil, por motivo de que se refiere al agua dirigida al sistema de
intercambiadores que cada zona posee y no a las zonas de la extrusora
directamente.
S
O
D
A
V
ER
S
E
R
S
ven afectada por las temperaturas
HO de cada zona por lo que se modifican de
C
E
R
E
D
Se considera que las temperaturas del PEBD dentro de la extrusora (G-201) se
acuerdo al comportamiento de las temperaturas del perfil, la visualización del
control de esta variable está disponible en planta, se miden por medio de
termocuplas acoplados en cada zona de la extrusora, se descartan por no ser
influyentes en el funcionamiento de la extrusora. El perfil de temperatura buscado
contiene como variables controladas a las temperaturas de las zonas y las
temperaturas de cabezal y placa hilera (TIC117B_PV, TIC118_PV, TIC-110, TIC109, TIC-108, TIC-107). Finalmente, las variables sometidas a estudio, dada su
disponibilidad e influencia en el perfil se muestran en la tabla a continuación:
Tabla 4.2. Variables que alteran el perfil de temperatura de la extrusora G-201.
Identificación
Variables Seleccionadas
V1
Potencia del motor
V2
Velocidad del tornillo
V3
Producción
Tabla 4.2. Continuación.
V4
V5
V6
Temperatura del termofluido
Temperatura de entrada del
agua presurizada Z1
Temperatura de entrada del
64
V7
agua presurizada Z2
Temperatura de entrada del
agua presurizada Z3
Temperatura de entrada del
agua presurizada Z4
V8
Se presentan las variables que influyen en el perfil de temperatura de la extrusora
(G-201) en la tabla 4.2. Una de ellas es la potencia del motor (XI-129) que se
relaciona proporcionalmente con la velocidad del tornillo (SI-102). La V3 hace
énfasis en la obtención del producto final dado en unidades de masa por unidad
S
O
D
A
V
ER
S
E
R
S
CHO
de tiempo, siendo afectado por las condiciones del proceso.
DERE
La V4 tiene influencia en múltiples etapas del proceso de producción ya que el
termofluido está diseñado para recorrer un circuito que permite controlar
temperaturas del polietileno durante el proceso, mientras mayor sea la
temperatura del termofluido mayor es la temperatura en las zonas de cabezal y
placa hilera, por lo que permite mayor fluidez, es importante mantener condiciones
de temperatura adecuadas en dichas zonas ya que es donde se generan los
cortes de la masa para producir los gránulos. Las variables V5, V6, V7, V8 tienen
como función controlar o modificar las temperaturas de cada zona de la extrusora
G-201, considerando el tiempo de residencia de la mezcla dentro del equipo es
importante mantener dichas temperaturas dentro de su rango operacional objetivo,
esto es posible lograrlo por medio de la manipulación de dichas variables.
4.2.
Fase II: Seleccionar los perfiles de temperaturas de la extrusora de
producción de polietileno de baja densidad a partir de data histórica de la
planta
65
Para realizar la selección de la data histórica fue necesario recolectar las
tendencias de los parámetros de mayor importancia explicados en el objetivo
No.1. A continuación se describirá el proceso para la obtención de dichos datos
para el estudio de las variables influyentes en el comportamiento del perfil del
comportamiento en las zonas de la extrusora.
En la Figura 4.1 se muestra la pantalla de inicio de la herramienta utilizada en la
empresa (Aspen Plus – InfoPlus) para la visualización de las variables en tiempo
real de las plantas que componen la empresa POLINTER C.A. La planta
S
O
D
A
V
ER
S
E
R
S
CHO
seleccionada para la visualización de nuestras variables es BAJA.
DERE
Figura 4.1. Menú del sistema Aspen – InfoPlus de las plantas disponibles en
POLINTER C.A. (InfoPlus, 2016)
Del mismo modo se muestra en la Figura 4.2 la pantalla de inicio del sistema
InfoPlus la cual contiene todos los equipos de la planta de polietileno de baja
densidad con sus variables en tiempo real para la visualización de los ingenieros
en su equipo. El programa cuenta con diferentes pestañas para la visualización de
66
variables en las diferentes áreas de la planta con sus respectivos tag de
identificación y manejo de las mismas.
S
O
D
A
V
ER
S
E
R
S
CHO
DERE
Figura 4.2. Menú general del sistema de InfoPlus de la Planta de PEBD,
POLINTER.C.A. (InfoPlus 2016)
Para realizar la evaluación del perfil de temperaturas de la extrusora fue necesario
recopilar información de la misma, la cual en el menú general de la planta se
encuentra la pestaña con el tag o identificación de nuestro equipo a estudiar, G201. En la figura 4.3. Se concibe el proceso de extrusión de la planta, en donde se
aprecia el separador (V-103), la tolva de extrusión (V-209) y la extrusora Berstorff
(G-201) igualmente con las variables a tiempo real e identificación de las mismas.
67
S
O
D
A
V
ER
S
E
R
S
CHO
DERE
Figura 4.3. Sistema de extrusión de PEBD. (InfoPlus 2016)
Como principal parámetro se tiene que verificar que grado de polietileno de baja
densidad, en la Figura 4.3. se aprecia que para la fecha 26/03/2016 se producía el
grado FB7000, el cual está incluido en el estudio de este trabajo de investigación.
Para monitorear las temperaturas en los distintos puntos de la extrusora se
encuentran termocuplas en cada zona del equipo que funcionan como indicadores
a momento real y se pueden apreciar en la parte superior de la pantalla. En la
parte baja de la pantalla se aprecia en las zonas de la extrusora donde se produce
el proceso de amasado, homogeneización y posteriormente la compresión del
polietileno diferentes indicadores donde se mostrará las temperaturas de variables
como: temperaturas de agua presurizada, del polietileno, cabeza y placa hilera.
68
Las tendencias de las variables también pueden ser monitoreadas a tiempo real
mediante va transcurriendo el tiempo por graficas de la herramienta utilizada en la
empresa, InfoPlus. El ingeniero puede elegir las variables a visualizar con su
respectivo tag y el sistema expondrá con un color su tendencia según el tiempo.
En la Figura 4.4 se observa un ejemplo del comportamiento de las temperaturas
de las 4 zonas a estudiar en el caso del presente trabajo.
S
O
D
A
V
ER
S
E
R
S
CHO
DERE
Figura 4.4. Comportamiento de perfil de temperatura de extrusora. (InfoPlus 2016)
Antes de recolectar las condiciones históricas del sistema de extrusión de
polietileno de baja densidad, fue indispensable revisar el P&ID del proceso, con el
propósito de adquirir toda la información acerca de la instrumentación y lazos de
control existentes dentro del sistema para el funcionamiento óptimo del proceso,
permitiendo conocer las variables controladas y manipuladas y de mayor
importancia para la selección de datos.
69
Las condiciones operacionales llamadas directivas operacionales en la empresa
consideradas en el sistema de extrusión de polietileno de baja densidad, se
muestran en las Tablas 4.3, 4.4, y 4.5, estos valores cumplen con la finalidad de
orientar el monitoreo de las variables del equipo, haciendo énfasis en el control de
temperaturas de la extrusora según el grado.
Tabla 4.3. Valores de control de temperaturas de extrusora (G-201) para el grado
FB7000. (POLINTER, 2015)
Temperatura Unidades
Tag
mínimo
Objetivo máximo
TIC-110
80
85
90
Zona 1
TIC-110**
175
180
185
TIC-109
80
85
90
Zona 2
TIC-109**
175
180
185
TIC-108
80
85
90
Zona 3
TIC-108**
175
180
185
TIC-107
80
85
90
°C
Zona 4
TIC-107**
175
180
185
TIC-118
215
220
225
Cabezal
TIC-118**
225
230
235
TIC-117
205
210
215
Placa Hilera
TIC-118**
225
230
235
Agua de
TIC-137
45
47,5
50
corte
S
O
D
A
V
ER
S
E
R
S
CHO
DERE
Tabla 4.4. Valores de control de temperaturas de extrusora (G-201) para el grado
FB3003. (POLINTER, 2015)
Temperatura Unidades
Tag
mínimo
Objetivo máximo
TIC-110
145
150
155
Zona 1
°C
TIC-110**
175
180
185
Tabla 4.4. Continuación.
Zona 2
Zona 3
Zona 4
TIC-109
TIC-109**
TIC-108
TIC-108**
TIC-107
145
175
145
175
145
150
180
150
180
150
155
185
155
185
155
70
Cabezal
Placa Hilera
Agua de
corte
TIC-107**
TIC-118
TIC-118**
TIC-117
TIC-117**
175
215
225
205
225
180
220
230
210
230
185
225
235
215
235
TIC-137
45
45,5
50
Tabla 4.5. Valores de control de temperaturas de extrusora (G-201) para el grado
FA0240. (POLINTER, 2015)
Temperatura Unidades
Tag
mínimo
Objetivo máximo
TIC-110
75
80
85
Zona 1
TIC-110**
145
150
155
TIC-109
75
80
85
Zona 2
TIC-109**
145
150
155
TIC-108
75
80
85
Zona 3
TIC-108**
145
150
155
TIC-107
75
80
85
°C
Zona 4
TIC-107**
145
150
155
TIC-118
160
165
170
Cabezal
TIC-118**
175
180
185
TIC-117
145
150
155
Placa Hilera
TIC-117**
185
190
195
Agua de
TI-137
45
53,5
62
corte
S
O
D
A
V
ER
S
E
R
S
CHO
DERE
Después de haber estudiado el proceso y parámetros importantes en el sistema
de extrusión se procedió a la recolección de data histórica de la planta mediante el
software Microsoft Excel el cual en la empresa se encuentra enlazado a la
herramienta de lectura de variables del proceso Aspen - InfoPlus.
Para la extracción de data antigua a través de Excel se abrió una página en
blanco en donde se configurará el periodo de evaluación el cual se quiere trabajar,
posteriormente se colocaron las variables del sistema de extrusión con su
respectivo Tag para que el software pudiera identificarlo. Se programó para que en
71
los días del mes la data se reflejara para cada hora del día, para así tener un
comportamiento de variables más exacta.
S
O
D
A
V
ER
S
E
R
S
CHO
DERE
Figura 4.5. Ventana de Excel con periodo de evaluación y variables a estudiar.
La visualización de la data de las variables elegidas se actualizó según el mes
requerido y este arrojó el contenido de las mismas. Cabe destacar, que la
herramienta de la empresa Aspen – InfoPlus solo almacena data antigua por el
periodo de un año, por lo tanto la data seleccionada para esta investigación fue
desde el 8 de Marzo de 2015 hasta el 12 de Marzo de 2016, en la cual se presenta
problemática explicada en el capítulo I, encontrándose la misma dentro del tiempo
delimitado en este estudio. Por otra parte, es importante señalar que a partir de la
fecha del 9 de Septiembre de 2015 hasta el 25 de Diciembre de 2016 hubo un
72
paro programado extraordinario para mantenimiento general de la planta, por lo
tanto no hubo producción de polietileno y la data no fue reflejada para estos
meses. En la figura 4.6 se demuestra cómo es reflejada los datos para cada
parámetro en el mes, cada hora del día.
S
O
D
A
V
ER
S
E
R
S
CHO
DERE
Figura 4.6. Ventana de Excel con data para el mes de Abril (InfoPlus, 2016).
En la data seleccionada se reflejan los parámetros para cada grado producido en
el tiempo delimitado, solo fueron utilizados solo los indicados en un principio
FB3003. FB7000 y FA0240, por lo cual la recolección de data no se refleja en días
consecutivos. Al igual que al momento de paros de planta en el tiempo
transcurrido, bien hayan sido programados, o no programados por eventualidades
de la planta.
73
Se recolectó la data del comportamiento de las variables operacionales y
posteriormente la de calidad, haciendo alusión al índice de fluidez. El laboratorio
de planta realiza un análisis cada dos horas del polietileno fabricado y emite un
reporte. Para la recolección de este parámetro de calidad se examinaron los
llamados reportes de contacto realizados diariamente por los ingenieros de
procesos, en donde se hace un promedio diario del índice de fluidez enviado por
laboratorio. Se extrajeron los índices de fluidez para las fechas y grado
correspondiente. En la figura 4.7. se muestra el reporte de contacto en donde se
extrae el índice de fluidez diario según el grado requerido.
S
O
D
A
V
ER
S
E
R
S
CHO
DERE
Figura 4.7. Reporte de contacto con índice promedio de fluidez diario. (Excel,
2016).
En la fase I de la investigación se mencionó la relación de la velocidad de las
cuchillas con la temperatura de la masa durante el proceso de corte, dicho esto, es
apropiado indicar que el índice de fluidez es un dato directamente proporcional
con la tasa de corte, por lo que lo relaciona con la temperatura de la masa. El IF
no solo es un indicativo del control de calidad, también permite identificar los tipos
de polietilenos, es una medida cualitativa de la degradación termomecánica. Con
74
el IF se puede identificar las características reológicas de polietilenos procesados
y sin procesar y como el procesamiento se afecta por la fluidez de un polietileno;
también las de los polietilenos, extruidos.
A continuación se muestran múltiples gráficas expresando el comportamiento del
índice de fluidez (IF) con respecto al tiempo de producción para cada grado de
PEBD a estudiar. El IF viene dado en g/10min y las fechas se consideran por días
de producción (24 horas). Según la directiva operacional de la empresa el IF para
cada grado de PEBD a producir cuenta con un rango objetivo en el cual debe
S
O
D
A
V
R al eje x.
Eparalelas
representa en cada figura con dos líneas naranjas
S
E
R
S
HO
C
E
R
E
D
mantenerse, el rango dispone de un límite inferior y un límite superior y se
Dicho esto, la construcción de las gráficas tiene como objetivo detectar aquellas
fechas que se encuentran fuera de dichos rangos y determinar su causa con el
análisis de la data recolectada en campo para luego proceder a descartarlas del
estudio ya que no brindan el soporte necesario para la ejecución de las fases
siguientes.
75
GRADO FA0240
4
IF (GRAMOS / 10MIN )
3,5
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22
S
O
D
A
V
R
E
S
E
R
Figura 4.8. Comportamiento
del
índice
de
fluidez
para grado FA0240.
S
O
H
C
E
R
DE
FECHAS DE OPERACIÓN
Para la figura 4.8. se tiene que las fechas de operación pertenecen al período de
marzo-agosto de 2015 a excepción de los puntos N° 20, 21 y 22 que corresponden
al mes de enero de 2016. Según el gráfico se puede apreciar que el grado FA0240
tuvo variaciones fueran del rango objetivo operacional en ciertas fechas, como en
el caso del punto N° 1, que representa la fecha 14-03-2015 es la variación más
sobresaliente del límite superior, este día se realizó un cambio de grado en la
producción (de FD0325 al FA0240) también se registró en la data que las
temperaturas de cabezal, placa hilera y agua de corte se encontraban trabajando
mayormente fuera de las especificaciones establecidos por la directiva.
Otra variación a causa de que sólo se produjo FA0240 en el turno de la tarde es la
reflejada en el punto N° 4 de la gráfica, correspondiente al 10-04-2015. El IF en el
punto N° 19 (18-01-2016) está en contacto con el límite superior, esto es
influenciado, también, por cambios de grado en la producción de ese día.
76
GRADO FB7000
3,5
IF (GRAMOS / 10MIN)
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11 12 13 14 15 16 17
S
O
D
A
V
R
E
S
E
R
Figura 4.9. Comportamiento
del
índice
de
fluidez
para grado FB7000.
S
O
H
C
E
R
DE
FECHAS DE OPERACIÓN
Se puede observar en la figura 4.9. que las fluctuaciones del IF más significativas
son las correspondientes a los puntos N° 7 y 11 causadas por cambio de grado en
la producción; también es el caso para los puntos N° 9 y 13. El gráfico
corresponde a los meses de marzo, mayo, junio y julio de 2015 y enero, febrero y
marzo de 2016. Con respecto al punto N° 16 que se observa una disminución del
IF fuera de los rangos operacionales, se debe a que para esa fecha, 15-02-2016,
se realizó una parada de la extrusora por unas 13 horas. Dicha parada no
programada puede deberse a un mal funcionamiento
77
GRADO FB3003
IF (GRAMOS / 10MIN)
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 61 64 67 70 73 76 79 82
FECHAS DE OPERACIÓN
S
O
D
A
V
ER
S
E
R
S
CHO
Figura 4.10. Comportamiento del índice de fluidez para grado FB3003.
ERE
D
Se observa que el grado FB3003 es aquel que más se produce en la planta y que
su rango objetivo operacional se posiciona para un IF muy bajo. Las fluctuaciones
referentes a los puntos N° 1,16 y 28 se deben a cambios de grado en la
producción, con respecto al punto N° 40 se registró una parada de planta a partir
de las 6 a.m. por el resto del día, en la fecha 09-06-2015.
En cuanto a los puntos N° 57 y 75 no hubo parada de planta ni cambio de grado
en la producción, por lo que se procedió a evaluar estos dos puntos de manera
más detallada. Se realizó en acercamiento en el período de tiempo donde ocurren
estas variaciones (del punto N° 55 al 77) y en consecución se elaboraron dos
gráficas comparativas del comportamiento da las variables térmicas en planta con
respecto a los valores establecidos por la directiva operacional, para así detectar
si algún parámetro está fuera del objetivo.
78
S
O
D
A
V
ER
S
E
R
S
O dos puntos donde el IF se sale de las
Se puede distinguir mejor
aquellos
H
C
E
R
E
D
especificaciones en la figura 4.11. Lo que ocasiona una tendencia no uniforme del
Figura 4.11. Ampliación de rango de operación de figura 4.10
gráfico. El punto N° 75 muestra un comportamiento de mayor variación que el
punto N° 57, y se ve reflejado con el parámetro de temperatura de placa hilera en
las tablas 4.6. y 4.7. a continuación.
Parámetros 1 de Febrero de 2016 para Grado FB3003
TEMPERATURA DE AGUA DE…
TEMP. PLACA HILERA
TEMPERATURA DEL CABEZAL
TEMP. ZONA 4
Data Directiva Operacional
Data de Campo
TEMP. ZONA 3
TEMP. ZONA 2
TEMP. ZONA 1
0
20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220
Temperatura
Figura 4.12. Comportamiento de temperaturas en campo con respecto a
parámetros objetivos para la el 1 de febrero de 2016.
79
Con la finalidad de una mejor comprensión y visualización de las comparaciones
mostradas en la figura 4.12. se realizaron cálculos pertinentes a las desviaciones
que se generan de cada comparación y diferencia de los valores obtenidos en
campo con los valores objetivos establecidos por la directiva. La ecuación
empleada para los cálculos de desviaciones es:
% 𝑑𝑒𝑠𝑣𝑖𝑎𝑐𝑖ó𝑛 =
|𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑓𝑖𝑗𝑜 −𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑣𝑎𝑟𝑖𝑎𝑏𝑙𝑒|
|𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑓𝑖𝑗𝑜|
(Ec. 4.1.)
× 100
S
O
D
A
V
ER
S
E
R
Temp.
Zona
1
S
CHO
Tabla 4.6. Desviación de parámetros de temperatura para el 1 de febrero de 2016
DERE
Temp. Zona 2
Temp. Zona 3
Temp. Zona 4
Temp.Cabezal
Temp. Placa Hilera
Temp. Agua de corte
Desviación
2%
1%
0%
0%
5%
10%
3%
Parámetros 4 de Agosto de 2015 para FB3003
TEMPERATURA DE AGUA DE…
TEMP. PLACA HILERA
TEMPERATURA DEL CABEZAL
TEMP. ZONA 4
Data Directiva Operacional
TEMP. ZONA 3
Data de Campo
TEMP. ZONA 2
TEMP. ZONA 1
-20
10
40
70 100 130 160 190 220
Temperatura (°C)
Figura 4.13. Comportamiento de temperaturas en campo con respecto a
parámetros objetivos para la el 4 de agosto de 2015.
80
Se elaboró el mismo procedimiento de comparación y cálculos de desviación para
cada uno de los parámetros de temperatura seleccionados, utilizando la ecuación
4.1. y se registraron los valores en la tabla 4.7. con el objetivo de determinar cuál
de los parámetros representa una mayor desviación con respecto a la
especificación del grado estudiado.
Tabla 4.7. Desviación de parámetros de temperatura para el 4 de agosto de 2015.
Desviación
Temp. Zona 1
0%
Temp. Zona 2
0%
Temp. Zona 3
0%
Temp. Zona 4
0%
Temp.Cabezal
5%
Temp. Placa Hilera
11%
Temp. Agua de corte
3%
S
O
D
A
V
ER
S
E
R
S
CHO
DERE
Se puede apreciar en las figuras 4.12 y 4.13 que los parámetros que presentan
mayor variación con respecto a las directivas operacionales son las temperaturas
de la placa hilera y cabezal, se refleja también en las tablas 4.6. y 4.7. los
porcentajes de desviación de cada parámetro. La temperatura de la placa hilera,
en particular, es la variable que presenta mayor desviación con respecto al
comportamiento objetivo, esto se puede deber a que la temperatura del
termofluido que recorre la zona no es adecuada para mantener la temperatura de
la placa hilera estable, la temperatura del termofluido debe mantenerse en 200 °C
para la zona, una desviación como la presentada en estas fechas puede ser
causante de la producción de pellets con características no deseadas.
Finalmente, una vez depurada la data respecto a los valores fuera de
especificación de operación discutidas con anterioridad, se procede a generar una
base de datos final con información clasificada por rangos de perfiles de
temperatura óptimos, para su posterior comparación con la herramienta en planta.
81
4.3 . Fase III: Comparación de perfiles de temperatura de la extrusora de
producción de PEBD con los proporcionados por la herramienta de
predicción disponible en planta
Después de haber analizado las temperaturas y parámetros de algunas fechas en
donde los índices de fluidez se salieron de rango en el tiempo estudiado, se
procedió a elegir data histórica en el cual los índices de fluidez se acercaran o
estuviesen dentro de las especificaciones de calidad para cada grado, al igual que
sus variables de operación. La data utilizada según fechas en donde la calidad fue
idónea fue introducida en la herramienta de predicción disponible en planta que se
S
O
D
A
V
R de ensayo y error con el
Emétodo
al 24-05-2015 , donde posteriormente se utilizó
el
S
E
R
S
O
C
E
propósito de comparar
con
laH
data real, ajustar finamente y optimizar las zonas 2,
R
E
D
basa en modelos estadísticos obtenidos a partir de data histórica del 01-07-2014
3 y 4 de la extrusora, cabezal y placa hilera, mostrando como resultado el perfil de
temperaturas sugeridas y los valores esperados de presión antes del cabezal,
producción y potencia consumida.
Es importante hacer notar que durante el desarrollo de la creación de la
herramienta fue detectado una situación irregular en la zona 1 de la extrusora
relacionadas con los puntos de medición TIC110 y TIAS110 (durante todo el
período registrado para la elaboración de los modelos de regresión hasta la
actualidad se está operando así) que no permite tener comparación de datos y,
por ende, la generación de los modelos para esta zona.
82
S
O
D
A
V
ER
S
E
R
S
CHO
DERE
Figura 4.14. Herramienta de predicción disponible en planta. (INDESCA, 2013)
Se evaluó la calidad de los grados FA0240, FB7000 y FB3003 fabricados durante
el mes de Marzo de 2015 hasta Marzo de 2016; para ello se realizaron tendencias
de los valores medidos de índice de fluidez de la producción los cuales se
analizaron previamente algunos que no se encontraban dentro del rango
operacional de la empresa. En cuanto al índice de fluidez de los grados estudiados
se puede decir que la mayoría estuvo dentro de los rangos de especificación,
pero el problema actual en el aspecto físico de la resina en el tiempo estudiado se
hizo presente.
Se tomaron los valores de operación y de resultados en las fechas en donde el
índice de fluidez alcanzó el objetivo o estuvo muy cerca, se ingresaron en la
herramienta de predicción para observar las desviaciones con respecto a la real, a
partir de los resultados arrojados se procedió a probar diferentes temperaturas y
83
velocidades para el tornillo finas con el propósito de conseguir un perfil que
satisfaga las directivas operacionales o incluso las mejore, teniendo mayor
producción por hora con menor energía utilizada. Importante destacar que la
herramienta trabaja en función del índice de fluidez objetivo para cada grado.
S
O
D
A
V
ER
S
E
R
S
CHO
DERE
Figura 4.15. Variables a predecir.
Con la ayuda de la información prevista en la figura 4.15. y una vez seleccionada
las fechas en donde se obtuvo índices de fluidez objetivo para cada grado se
describieron y compararon con las arrojadas por la herramienta y se obtuvieron los
resultados reflejados en las siguientes tablas reflejadas en la siguiente página:
84
Tabla 4.8. Comparación de temperatura de data histórica vs Predicción para el grado FA0240 (Peña y Sarcos, 2016)
20-06-2015
04-07-2015
08-07-2015
13-07-2015
21-01-2016
Real Predicción Real Predicción Real Predicción Real Predicción Real Predicción
Tzona1
(°C)
80,4
79
80,09
81
80,04
DEREC
S
O
D
A
V
R
E
S
E
R
HOS
82
79,8
82
79,69
82
80,26
81
80
79,91
81
80,22
82
80,22
82
Tzona2
(°C)
80,1
Tzona3
(°C)
79,9
81
80,1
83
80
83
79,94
83
80,01
83
Tzona4
(°C)
80,4
80,4
80,31
83
80,04
82
80,15
82
79,37
83
Cabezal
204,3
°C)
185
222,05
180
200,29
200
200,3
180
207,09
180
Placa
Hilera 172,85
(°C)
170
173,71
170
168,59
160
171,09
165
164,99
164
85
Tabla 4.9. Comparación de condiciones operacionales de data histórica vs Predicción para el grado FA0240 (Peña y
Sarcos, 2016).
20-06-2015
04-07-2015
08-07-2015
13-07-2015
21-01-2016
Real Predicción Real Predicción Real Predicción Real Predicción Real Predicción
S
O
D
A
V
R
E
S
E
R
HOS
Velocidad
del tornillo 57,3
(rpm)
56,3
57,9
56
55,83
56,1
56,37
56,1
53,61
56
Presión
antes del
filtro (bar)
61,9
66,1
55,2
74,4
68,6
72
69,7
75
68,8
DEREC
74
Potencia
consumida 1419,8 1290,9 1432,9 1079,6 1359,4 1140,8 1431,2 1247,8 1314,8 1208,7
(kW)
Producción
10,2
(ton/h)
10,2
10,2
10,4
9,9
10,4
9,9
10,3
9,6
10,2
Tcorte (°C) 71,1
50,8
60,22
52
57,38
56
56,59
56
56,27
56,2
86
En las fechas seleccionadas para el estudio de dicho grado según data histórica
se pudo notar en la tabla 4.1. que las temperaturas para cada zona de la extrusora
se comportaron de manera uniforme, es decir, estas oscilaron dentro del rango de
directiva operacional establecido. Las variables de agua presurizada de entrada y
salida para cada zona cumplieron su función. No se puede decir lo mismo para el
área de cabezal y placa hilera, en donde se sobrepasaron hasta 22°C del rango
máximo de operación en cabezal para la fecha del 20-06-2015. Para la placa
hilera en tres fechas se alcanzó trabajar dentro de directiva 04-07-2015, 13-07-
S
O
D
A
V
ER
S
E
R
S
O hilera se encontraron desviadas y con una
temperaturas de cabezalC
yH
placa
E
R
E
D
potencia consumida en el sistema de alrededor de 1420kW. La velocidad del
2015 y 21-01-2015, sin embargo no se pudo alcanzar la producción requerida. En
los días donde sí se alcanzó la producción requerida, el 19-06-2015 y 20-06-15 las
tornillo se comportó en promedio con una velocidad de 54,62 revoluciones por
minuto y solo un día de los elegidos el agua de corte se salió de especificación.
Al haber realizado pruebas para cada una de las fechas se aprecia que las
temperaturas de cada zona de la extrusora se mantuvieron en especificación, pero
al momento de trabajar con las temperaturas de cabezal mientras menor fuesen a
las reales mejores condiciones de proceso, proporcionando mayor producción de
la requerida con menor potencia consumida. Para la placa hilera los valores se
comportaron casi de igual manera a los reales, estos oscilando entre 170°C Y
175°C. Con la velocidad del tornillo trabajando alrededor de 56 revoluciones por
minutos se obtuvieron presiones antes del filtro menores a la de los parámetros
reales, lo cual es conveniente porque esto implicaría menor esfuerzo al motor. La
temperatura de agua de corte se mantuvo dentro de los rangos, la cual se
considera que se está trabajando con los valores ideales.
87
Tabla 4.10. Comparación de temperatura de data histórica vs Predicción para el grado FB7000 (Peña y Sarcos,
2016)
18-03-2015
Real
Tzona1
(°C)
84,56
11-05-2015
26-06-2015
24-01-2016
06-03-2016
S
O
D
A
V
R
E
S
E
R
HOS
Predicción
Real
Predicción
Real
Predicción
Real
Predicción
Real
Predicción
85
85,49
85
84,61
84,6
85,08
83
85,04
83
84
84,95
86
84,9
85,3
84,66
84,6
84,78
84
DEREC
Tzona2
(°C)
85,01
Tzona3
(°C)
85,08
86
84,98
87
84,99
86
84,83
86
84,96
86
Tzona4
(°C)
84,96
85
83,66
86
84,65
85
86,03
84
86,35
86
Cabezal
199,56
(°C)
180
185,98
180
219,69
190
220,38
195
210,8
197
175
173,66
165
172,58
170
176,29
170
174,09
176
Placa
Hilera
(°C)
176,58
88
Tabla. 4.11. Comparación de condiciones operacionales de data histórica vs Predicción para el grado FB7000 (Peña
y Sarcos, 2016)
18-03-2015
S
O
D
A
V
R
E
S
E
R
HOS
11-05-2015
26-06-2015
24-01-2016
06-03-2016
Real Predicción Real Predicción Real Predicción Real Predicción Real Predicción
DEREC
Velocidad
del tornillo 58,8
(rpm)
Presión
antes del
filtro (bar)
77,7
56
53,91
56
45,07
55,1
50,2
55
53,79
54,9
67,5
80,3
68,6
89,9
70,8
89,3
60,5
81,7
65,7
Potencia
consumida 1554,1 1250,6 1451,8 1189,2 1391,2 1259,2 1548,3 1032,3 1471,8 1208,8
(kW)
Producción
10,4
(ton/h)
10,2
9,6
10,4
8
10,4
8,8
10,3
9,4
10,2
Tcorte (°C) 71,1
53,9
60,22
55
57,38
47
56,59
42
56,27
44
89
Se estudió la data histórica para el polietileno de grado FA7000 en donde los
índices de fluidez, estuvieran en su punto objetivo y se pudo notar, según la 4.2.
que en todas las zonas de extrusión 1, 2, 3 y 4 el valor de 85°C o aproximado es
constante, parámetros que son de vital importancia para la obtención de calidad.
En el cabezal de la extrusora solo una de las fechas analizadas (11-05-2015), la
temperatura está por debajo de control, posiblemente por irregularidades en el
termofluido de enfriamiento descargado por la bomba P-510; esta condición puede
afectar el corte del producto. Las temperaturas de placa hilera se encontraron muy
por debajo del rango establecido por directiva, aproximadamente entre 172 y
S
O
D
A
V
ER
S
E
R
S
ton/h fue el 18-03-2015 con
HunaOvelocidad del tornillo de 58,8 rpm; 77,7 bar de
C
E
R
E
D
presión antes del filtro y una potencia del motor de 1554,1 kW.
175°C. A pesar de que solo la placa hilera presenta discrepancia en sus
temperaturas, el único día en el que la producción del producto fue ideal con 10.4
Presentado en las tablas 4.3 y 4.4. y utilizando el mismo método se realizaron
pruebas para el grado FB7000, se usaron las temperaturas históricas según días
donde hubo un índice de fluidez objetivo y el resultado no varió con respecto al
grado anteriormente estudiado en las zonas 1, 2, 3, y 4, se mantuvieron en regla
con respecto a la directiva operacional, solo variando un poco dentro del rango
establecido. Para este caso en cabezal y placa hilera disminuyeron las
temperaturas en consideración a las temperaturas reales y de control,
alternándose entre 180-195°C para cabezal y 170-175°C para placa hilera
pudiendo provocar la temperatura adecuada para el corte del pellet.
La herramienta arrojó con estos parámetros una diferencia considerada en la
potencia consumida por el proceso, disminuyendo la energía utilizada de un
promedio de 1500 kW en data real a 1200 kW aproximadamente. El agua de corte
se mantuvo inestable al igual que la data estudiada, estuvo cambiante con
respecto a las temperaturas de cabezal y placa hilera sin mantener un valor fijo,
90
estas se encuentran entre 55 y 42°C. Se presenció mejor producción con la data
obtenida por el cambio de temperaturas en cabezal y placa hilera, punto
importante a tomar en cuenta al momento de la recomendación de un perfil de
temperatura. En la siguiente página se mostrará la tabla comparativa para el grado
FB3003.
DERE
S
O
D
A
V
ER
S
E
R
S
CHO
91
Tabla 4.12. Comparación de temperatura de data histórica vs Predicción para el grado FB3003 (Peña y Sarcos,
2016)
25-03-2015
28-04-2015
S
O
D
A
V
ER
07-05-2015
02-06-2015
23-07-2015
Predicción
Real
Predicción
Real
Predicción
151
S
E
R
S
O
ECH
150,22
153
149,9
149,4
150,73
154
149,8
151
Tzona2
150,14
(°C)
152
149,87
151
149,99
149,9
149,94
153
150,40
152
Tzona3
150,30
(°C)
149
149,91
151
149,66
148
150,06
154
150,40
210
Tzona4
149,76
(°C)
151
149,90
149
149,97
152
150,01
154
149,99
151
Cabezal
227,40
(°C)
200
213,23
210
209,86
209
219,91
210
210,22
197
195
195,03
185
193,22
190
189,11
180
193,47
185
Real
Tzona1
(°C)
149,73
Placa
Hilera
(°C)
200,36
Predicción
DER
Real
Predicción
Real
92
Tabla. 4.13. Comparación de condiciones operacionales de data histórica vs Predicción para el grado FB3003 (Peña
y Sarcos, 2016)
25-03-2015
S
O
D
A
V
R
E
S
E
R
HOS
28-04-2015
07-05-2015
02-06-2015
23-07-2015
Real Predicción Real Predicción Real Predicción Real Predicción Real Predicción
DEREC
Velocidad
del tornillo 58,57
(rpm)
Presión
antes del
filtro (bar)
95,3
59
50,41
56
58,23
58
45,25
56
59,5
58
83,4
94,7
82,8
84,5
74,9
98
82,7
88,4
84,2
Potencia
consumida 1885,9
(kW)
1565
Producción
10,3
(ton/h)
11,1
9,1
10,5
10,5
10,9
8,2
10,3
10,6
10,5
Tcorte (°C) 56,64
52
56,61
56,6
56,53
56,5
49,64
52
48,87
49
1586,3 1470,2 1589,4 1380,6 1481,9 1377,7 1741,3
11524
93
DEREC
S
O
D
A
V
R
E
S
E
R
HOS
94
Reflejado en la tabla 4.13., una vez observada la data operacional histórica se
encuentra que las temperaturas de las zonas al igual que los otros grados
estudiados están acordes a las directivas establecidas de operación para la
obtención de un índice de fluidez objetivo. Igualmente la temperatura en cabezal
opera con una tendencia uniforme dentro de los límites de condiciones de
proceso. Una variable bastante apreciable para este grado es la alta potencia
consumida oscilando entre 1800 y 1400 kW, relacionándose con la alta presión,
necesitando mayor esfuerzo del motor. De los grados estudiados este él es que
presenta mejor producción por hora, teniendo un mayor porcentaje de asertividad
S
O
D
A
V
ER
S
E
R
S
CHO
en el parámetro objetivo. Sin embargo las temperaturas se elevan alrededor de
6°C por encima de lo determina por directiva.
DERE
En la comparación de data histórica con los resultados obtenidos y cabe resaltar
que las velocidades del tornillo son semejantes para cada una de las datas, esto
se debe al gran esfuerzo que este debe realizar al momento de desplazar el
polímero, llegando así en la mayoría de las pruebas a casi 60 revoluciones por
minuto.
En
esta
circunstancia
la
herramienta
predijo
un
cambio
de
aproximadamente 10°C menos para cabezal y placa hilera, esto conllevó a una
disminución aceptable en la potencia consumida que pudiese ser considerada en
la rentabilidad de la empresa, además de producción por encima de especificación
en las pruebas #3, #5 y #6. Se puede notar que las temperaturas de agua de corte
estuvieron un poco alejadas de especificación al igual que en el proceso real.
La razón por la que fue la herramienta fue utilizada para comparación con la data
histórica es que la misma fue diseñada durante datos durante una operación
adecuada y predice conforme ese perfil por lo que es una referencia importante
para la recomendación de parámetros que satisfagan los parámetros de calidad
del producto final.
95
4.4. Fase IV: Establecimiento de condiciones operacionales que puedan
favorecer la calidad del producto final
Antes de iniciar la discusión de las condiciones operacionales que podrían
favorecer la calidad del producto final, es necesario resaltar las grandes
diferencias a nivel de procesamiento que existen entre los diferentes tipos de
polietilenos disponibles y sus grados. Lo anterior permite inferir que se hace
imposible intentar procesar de manera similar los diferentes grados y polietilenos
en función de sus tipos. En consecuencia, se pretende generar una serie de
S
O
D
A
V
ER
S
E
R
S
CHO
observaciones que sirvan como orientación respecto a las condiciones que
presuntamente favorecerían la calidad del producto final.
DERE
En cuanto a los indicadores que permitan reconocer la eficiencia del proceso, el
principal a nivel operacional en la planta sometida a estudio seria el índice de
fluidez, el cual es analizado por el laboratorio de la empresa y enviado al
departamento de procesos, en donde se calcula un promedio de todas las horas
en que se evaluó el producto, para así ser emitido en un reporte diario de la
planta. Asimismo, existen otras variables que no son directamente cuantificables
como es el caso de aglomeración, malformación, puntos negros, nublación etc.,
sin embargo, el seguimiento de las mismas a nivel de data histórica se dificulta
dado que el contacto con el departamento de calidad, encargado de realizar
dichas pruebas fue limitado.
Finalizado el proceso de estudio de variables influyentes en el funcionamiento de
la extrusora de producción de polietileno de baja densidad, la comparación con
data real en el transcurso de un año y los resultados logrados en la herramienta de
predicción, se trazó como objetivo final de este trabajo especial de grado la
selección de parámetros de extrusión que presuntamente promoverían la solución
de los problemas que se vienen presentando en la calidad del producto final.
96
Tomando de base al índice de fluidez como parámetro de calidad al no contar con
la posibilidad de desarrollar el estudio experimental en campo modificando
variables de proceso como prueba para comprobar así la factibilidad del mismo.
Se eligieron parámetros según el criterio de la teoría estudiada con el fin de
obtener polietileno de baja densidad de calidad, fomentar el aumento de la
producción del mismo disminuyendo la energía utilizada y a su consecuencia una
conveniente rentabilidad. Todos los resultados seleccionados son a partir del valor
objetivo de índice de fluidez para cada grado. Consiguiente a lo explicado, en las
S
O
D
A
V
ERcada grado evaluado y sus
recomendados para el proceso de extrusión
para
S
E
R
S
HOy data en el año estudiado:
C
E
diferencias con laE
data
operacional
R
D
tablas y gráficas que se muestran a continuación, se representan los datos
Tabla 4.14. Recomendación de perfil de temperatura de la extrusora de
producción de polietileno de baja densidad para el grado FA0240 (Peña y
Sarcos, 2016)
Placa
Tzona1 Tzona2 Tzona3 Tzona4 Cabezal
FA0240
hilera
(°C)
(°C)
(°C)
(°C)
(°C)
(°C)
Recomendada
Directiva
Operacional
82
80
83
83
180
170
80
80
80
80
165
150
Real
80,09
80,04
80,1
80,31
222,05
173,71
Tabla 4.15. Recomendación condiciones de operación de la extrusora para
el grado FA0240 (Peña y Sarcos, 2016)
Velocidad Presión
Potencia
del
antes
Producción Tcorte
FA0240
consumida
tornillo del filtro
(ton/h)
(°C)
(kW)
(rpm)
(bar)
Recomendada
56
55,2
1079,6
10,4
52
97
Se puede observar en las tablas 4.14. y 4.15.., el resultado del
procedimiento de las pruebas en la herramienta de predicción realizadas a
partir de data real, se procedió a hacer variaciones de temperatura en las
zonas, como resultado final en donde mejor comportamiento presentaron
las variables fue en la Prueba 2, las temperaturas de las zonas se
mantuvieron dentro de los límites especificados. A diferencia de las
temperaturas de cabezal y placa hilera los cuales se visualizaron mejor
comportamiento disminuyéndolos a partir de data real pero con una
elevación de 10 a 15°C del límite superior especificado. Se seleccionó este
S
O
D
A
V
ER
S
E
R
S
CHO
perfil a recomendar por su alta producción, mayor a la de especificación con
menor potencia requerida como se ha venido mencionando.
DERE
Tabla 4.16. Recomendación de perfil de temperatura de la extrusora de
producción de polietileno de baja densidad para el grado FB7000 (Peña y
Sarcos, 2016)
Placa
Tzona1 Tzona2 Tzona3 Tzona4 Cabezal
FB7000
hilera
(°C)
(°C)
(°C)
(°C)
(°C)
(°C)
Recomendada
85
86
87
86
180
165
Directiva
85
85
85
85
220
210
Operacional
Real
85,49
84,95
84,98
83,66 185,98 173,66
Tabla 4.17. Recomendación de condiciones de operación de la extrusora
para el grado FB7000 (Peña y Sarcos, 2016)
Velocidad Presión
Potencia
del
antes
Producción
FB7000
consumida
Tcorte (°C)
tornillo del filtro
(ton/h)
(kW)
(rpm)
(bar)
Recomendada
56
68,6
1189,2
10,3
55
98
Apreciado en las tablas 4.16. y 4.17. las revoluciones por minuto de la
velocidad del tornillo
en el perfil seleccionado (Prueba 2) proyectaron
variables con discrepancia a la data operacional histórica, mientras menor
valor de las temperaturas de cabezal y placa hilera, esto implica menor
esfuerzo que se refleja en la potencia consumida del proceso. La variación
por debajo de la temperatura de cabezal hasta de 40°C puede ser factor
fundamental en la movilización polietileno hacia la placa hilera para
satisfacer el proceso de pelletizado (corte de cuchillas). Con este perfil se
alcanza en teoría 10,3 toneladas métricas por hora, la producción máxima
S
O
D
A
V
ER
S
E
R
S
CHO
en especificación para este grado, lo cual es conveniente.
DERE
Tabla 4.18. Recomendación de perfil de temperatura de la extrusora de
producción de polietileno de baja densidad para el grado FB3003 (Pëña y
Sarcos, 2016)
Placa
Tzona1 Tzona2 Tzona3 Tzona4 Cabezal
FB3003
hilera
(°C)
(°C)
(°C)
(°C)
(°C)
(°C)
Recomendada 149,4
149,9
148
152
209
190
Directiva
150
150
150
150
220
210
Operacional
Real
149,9
149,99 149,66 149,97 209,86 193,22
Tabla 4.19. Recomendación de condiciones de operación de la extrusora
para el grado FB3003 (Peña y Sarcos, 2016)
Velocidad
Potencia
del
Presión
Producción Tcorte
FB3003
consumida
tornillo
(bar)
(ton/h)
(°C)
(kW)
(rpm)
Recomendada
58
74,9
1380,6
10,9
56,5
En referencia a las tablas 4.18. y 4.19. el grado FB3003 es el de mayor
producción y el que trabaja a mayores temperaturas y energía, por lo tanto
se eligió un perfil de temperatura en donde se sacara el mayor provecho de
99
las condiciones para la obtención de calidad. La prueba 3 tuvo el mejor
resultado teniendo como mayor relevancia el cambio de temperatura para
cabezal y placa hilera de la directiva operacional, siendo esta una variante
constante en los grados tratados. Para este caso la temperatura
recomendada para cabezal y placa hilera será de 209 y 190°C
respectivamente, buscando siempre congruencia entre la data histórica y
los resultados de la herramienta.
Estos cambian nuevamente con la pauta de directivas operacionales del
S
O
D
A
V
ER por el alto esfuerzo para
el proceso, para este grado es beneficioso
S
E
R
S
O
C
E
alcanzar un
índice
deH
fluidez bastante bajo. Se propone para el agua de
R
E
D
equipo. Se aprecia una considerable reducción de potencia consumida en
corte salirse de especificación alrededor de 6°C, buscando así condiciones
operacionales más adecuadas al momento del corte de las cuchillas.
Perfil de Temperatura
para el grado FA0240
Temperatura (°C)
250
200
150
Perfil Recomendado
100
50
Perfil Directiva
Operacional
0
Perfil Data Real
Zonas de la extrusora
Figura 4.16. Perfiles de temperatura para el grado FA0240 (Peña y Sarcos,
2016)
100
Temperaturas (°C)
Perfil de Temperaturas
para el grado FB7000)
250
200
150
100
Perfil Recomendado
50
Perfil Directiva Operacional
0
Perfil Data Real
S
O
D
A
V
R (Peña y Sarcos, 2016)
EFB7000
S
E
Figura 4.17. Perfiles de temperatura
para
el
grado
R
S
HO
C
E
R
E
D
Zonas de la extrusora
Perfil de Temperaturas
para el grado FB3003
Temperaturas (°C)
250
200
150
100
Perfil Recomendado
50
Perfil Data Operacional
Perfil Data Real
0
Zonas de la extrusora
Figura 4.18. Perfiles de temperatura para el grado FB3003 (Peña y Sarcos,
2016)
Se hizo una pequeña comparación en las figuras 4.16., 4.17. y 4.18.
generando curvas para los perfiles de temperatura recomendados en base
a la investigación desarrollada para ser comparados con los perfiles de
temperatura que la directiva operacional establece y emplea actualmente.
101
Se percibe como para el grado FA0240 las temperaturas seleccionadas
para placa hilera y cabezal superan a las que están establecida para operar
actualmente, a diferencia de los grados FB7000 y FB3003, donde se
recomienda una selección de temperatura de placa hilera y cabezal, entre
otras, menores a las que la directiva establece. Dichas recomendaciones
pueden generar una producción deseada evitando las características
expuestas en el planteamiento del problema como aglomeración,
malformación, puntos negros, nublación entre otros y así
obtener un
polietileno de baja densidad según el grado que cumpla con las
S
O
D
A
V
ER
S
E
R
S
Adicionalmente, esC
posible
HOencontrar datos de transferencia de calor para el
E
R
E
D
especificaciones de calidad establecidas
polímero estudiado, específicamente Del Valle (2000), que refiere el Cp
para el polietileno de baja densidad entre 0,5 y 0,55 cal/(g°C). El cual hace
referencia a la cantidad de calor que se necesita para que 1 gramo de
material aumente su temperatura en 1 grado centígrado; esta cantidad de
calor se mide en calorías, a mayor capacidad calorífica, mayor será la
energía necesaria para incrementar su temperatura.
Algunos polímeros como el polietileno, según el autor mencionado son
cristalinos por lo que es necesario llevarlos hasta una temperatura de
procesamiento que debe incluir la posibilidad de fundir esos cristales, el
cual es realizado a temperatura constante, esto adicional al calor especifico
necesario para aumentar su temperatura. La cantidad de calor que se
necesita para fundir los cristales se conoce como calor latente de fusión.
Para el caso del polietileno es de aproximadamente 50 cal/g., reporta Del
Valle (2000).
102
Por lo tanto las revoluciones por minuto del tornillo pasan a ser parte
fundamental para alcanzar la temperatura del polietileno requerido para su
adecuado transporte en la extrusora mediante su transferencia de calor a
este. La importancia de hacer las consideraciones anteriores estriba en
reconocer la importancia de la manipulación correcta del perfil de
temperatura en las zonas diferentes zonas de la extrusora con la finalidad
de realizar un adecuado perfil de variables a lo largo de la misma.
Aproximadamente 80% de la energía consumida en el proceso de extrusión
S
O
D
A
V
ER
S
E
R
S
una reducción del C
torque
por unidad de producción final. La importancia de
HO
E
R
E
D
la provee el motor que mueve el tornillo como afirma el autor. Cualquier
intento para optimizar la energía en el proceso necesariamente se inclina a
hacer las consideraciones anteriores estriba en reconocer la importancia de
la manipulación correcta del perfil de temperatura en las zonas diferentes
zonas de la extrusora con la finalidad de realizar un adecuado perfil de
variables a lo largo de la misma.
Una medida estándar como referencia del consumo de energía a través del
tornillo es el torque, parámetro que a nivel teórico para una velocidad
constante del tornillo, es directamente proporcional al consumo de energía
a través de éste.
𝑃 ∝𝑇∗𝑉
Donde:
P es la potencia
T es el torque
V es la velocidad del tornillo
Lo que orienta respecto a la comparación a ser realizada a continuación, es
decir, la misma debe ser realizada a velocidad del tornillo fija para
103
garantizar que el torque sea medido de manera indirecta a través de la
potencia del motor.
En función de esto, se procede a establecer dos indicadores de eficiencia
en función de la potencia, ya que es importante conocer la producción
posible por unidad de energía entregada al proceso, por lo que el primer
indicador propuesto es (Producción /Potencia, en unidades Ton/(kW-h)). El
segundo indicador es similar, hace uso de la estabilidad de la relación entre
la producción y la velocidad del tornillo, permitiendo así comparar entre
S
O
D
A
V
ER
S
E
R
S
CHO
diferentes velocidades de tornillo (Producción especifica /Potencia, en
unidades Ton/(kW-h)/rpm).
DERE
Se dispone a nivel de Doctrina recomendaciones referentes al perfil de
temperatura recomendado para las condiciones de extrusión en función de
cada resina en particular, específicamente a nivel de planta, se dispone de
las directivas operacionales, las cuales se mantienen por lapsos
prolongados de tiempo sin considerar las modificaciones evidentes a nivel
de campo. Estas recomendaciones normalmente son rangos amplios, que
es necesario estrechar a partir de conocimiento técnico y operacional, ya
que la fase experimental se encuentra restringida en la planta.
Se seleccionaron de la base de datos generada en esta investigación, datos
en
los
cuales
la
velocidad
del
tornillo
permaneciera
constante,
específicamente para el valor más repetido el cual oscila en 56 rpm,
específicamente en el rango de (55,5 a 56,4 rpm), el cual será presentado
en las siguientes tablas con sus variables a estudiar:
104
Tabla 4.20. Variables con funcionamiento de Velocidad de Tornillo a 56 rpm promedio para el grado FA0240 (Peña y
Sarcos, 2016)
Potencia
FA0240
del motor
(kW)
Velocidad
del
tornillo
T zona1 Tzona2 Tzona3 Tzona4
Placa
Prod.
S
O
D
A
V
R
E
S
E
R
HOS
(°C)
(rpm)
Cabezal
(°C)
(°C)
(°C)
(°C)
DEREC
Hilera
(°C)
(ton/hr)
Prod/Pot
Prod/Pot/Vel
Tornillo
14-05-2015
1455,92
55,53
85,49
85,18
85,02
85,57
212,47
170,83
9,24
0,00634
0,00011
17-05-2015
1428,76
55,9
84,58
84,92
85,01
85,03
208,91
172,97
10,13
0,00709
0,00012
19-06-2015
1449,90
56,81
80,16
79,99
80,00
79,86
220,81
177,45
10,32
0,00711
0,00012
22-06-2015
1242,62
56,26
79,96
79,89
79,95
77,93
188,51
170,21
10,33
0,00831
0,00014
03-07-2015
1478,04
56,27
80,34
79,92
79,96
80,20
200,80
168,42
10,31
0,00697
0,00012
08-07-2015
1469,53
56,23
80,37
80,12
80,01
80,22
199,97
169,88
10,12
0,00688
0,00012
105
Se observa como la temperatura de las zonas permanece casi constante
para los datos seleccionados por lo que se procede a realizar una grafica
entre la temperatura promedio de las zonas para cada dato y los
indicadores de eficiencia seleccionados.
Indicadores de Eficiencia para FA0240
0,0085
0,00016
S
O
D
A
V
ER
S
E
R
S
CHO
0,008
0,0075
0,00015
0,00014
DERE
0,007
0,0065
0,00013
0,00012
0,006
0,0055
0,00011
0,005
0,0001
PROD/POT
PROD/POT/
RPM
TEMPERATURA (°C)
Figura 4.19. Indicadores de Eficiencia para grado FA0240 (Peña y Sarcos,
2016)
Como puede observarse en la figura 4.19. la eficiencia máxima del proceso
está comprendida entre los 79 y 80 °C lo cual concuerda con la directiva
operacional. Para este, la directiva recomienda 80 pero se observa que
entre más cercano a 79 el proceso es más eficiente. Esta información
difiere con los parámetros recomendados en la tabla 4.7. referidos a las
temperaturas en cada zona de la extrusora obtenidos con el soporte de la
herramienta de predicción, por lo que se considera que se debe someter a
106
prueba experimental para la verificación de parámetros operacionales
recomendados
interviniente
en
la
calidad
del
producto
DERE
S
O
D
A
V
ER
S
E
R
S
CHO
final.
107
Tabla 4.21. Variables con funcionamiento de Velocidad de Tornillo a 56 rpm promedio para el grado FB7000 (Peña y
Sarcos, 2016)
Potencia Velocidad
FB7000
S
O
D
A
V
R
E
S
E
R
HOS
DEREC
del
del
T zona1
Tzona2
Tzona3
Tzona4
Cabezal
motor
tornillo
(°C)
(°C)
(°C)
(°C)
(°C)
(kW)
(rpm)
Placa
Hilera
(°C)
Producción
(ton/hr)
Prod/Pot
Prod/Pot/V
elTornillo
12-05-2015 1632,91
56,043
84,917
85,00
85,02
85,38
209,92
189,82
10,03
0,1789
0,002108
17-06-2015 1434,34
56,51
150,82
149,99
150,09
150,03
220,60
181,43
10,22
0,1808
0,001199
18-06-2015 1700,35
56,97
85,051
84,97
85,04
85,32
220,40
174,23
10,28
0,1804
0,002122
01-07-2015 1662,88
56,31
85,19
85,05
85,06
84,74
221,67
177,28
10,16
0,1804
0,002117
20-07-2015 1643,54
56,60
84,79
84,99
84,87
85,02
210,47
173,57
10,06
0,1778
0,002098
108
Indicadores de Eficiencia para FB7000
0,000115
ÍNDICE DE EFICIENCIA
0,0062
0,006
0,00011
0,0058
0,000105
PROD/POT
0,0001
PROD/POT/R
PM
0,0056
0,0054
9,5E-05
S
O
D
A
V
ER
S
E
R
S
CHO
0,0052
0,005
9E-05
DERE
TEMPERATURA
Figura 4.20. Indicadores de Eficiencia para el grado FB7000 (Peña y
Sarcos, 2016)
Se puede identificar en la figura 4.20. que la temperatura óptima para la eficiencia
relacionada con la potencia del motor y las revoluciones por minuto del tornillo
según data real se aproxima a los 85°C, la cual se encuentra 1°C por debajo que
las recomendadas en el perfil de temperatura de la extrusora para dicho grado.
Resaltando lo previo no hay diferencia significativa entre los indicadores de
eficiencia con las predicciones recomendadas, por lo tanto la producción no será
afectada con respecto a los parámetros establecidos por directiva operacional.
109
Tabla 4.22. Variables con funcionamiento de Velocidad de Tornillo a 56 rpm promedio para el grado FB3003 (Peña y
Sarcos, 2016)
Potencia Velocidad
FB3003
Placa
S
O
D
A
V
R
E
S
E
R
HOS
del
del
T zona1
Tzona2
Tzona3
motor
tornillo
(°C)
(°C)
(°C)
(°C)
(°C)
(kW)
(rpm)
DEREC
Tzona4 Cabezal
Hilera
(°C)
Producción
(ton/hr)
Prod/Pot
Prod/Pot/Ve
lTornillo
01-05-2015 1748,35
56,25
150,64
150,09
149,59
150,04
208,72
193,43
10,07
0,1790
0,0011
26-05-2015
1806,9
56,25
149,47
149,99
149,89
150,13
218,85
194,60
9,88
0,1757
0,0011
14-06-2015 1843,28
55,80
150,70
149,93
150,03
150,02
221,89
188,97
10,105
0,1810
0,0012
17-06-2015 1682,39
55,21
150,34
150,22
150,09
149,86
218,33
191,66
10,28
0,1862
0,0012
21-07-2015 1815,44
55,63
143,95
142,38
142,80
140,58
196,74
186,50
10,33
0,1856
0,00129
29-07-2015 1770,54
55,87
149,81
150,02
150
149,92
209,92
188,48
10,69
0,1914
0,00127
110
Indicadores de Eficiencia para FB3003
ÍNDICE DE EFICIENCIA
0,0065
0,00012
0,000115
0,006
0,00011
0,000105
0,0055
0,0001
0,005
9,5E-05
9E-05
0,0045
PROD/POT
PROD/POT/
RPM
S
O
D
A
V
ER
S
E
R
S
CHO
0,004
DERE
8,5E-05
8E-05
TEMPERATURA
Figura 4.21. Indicadores de Eficiencia para el grado FB3003 (Peña y
Sarcos, 2016)
Se indica en la figura 4.21 que el valor de temperatura que ofrece una mejor
eficiencia para el proceso del grado FB3003 se acerca a 150°C el cual es
considerado por directiva como la temperatura objetiva para dicho grado de
polietileno en las cuatro zonas de la extrusora. Obtener mayor producción
con menor energía utilizada proyecta un comportamiento más óptimo del
proceso, en algunos casos donde se cumplen las condiciones de
temperatura objetivas se puede dar mayor producción que en otros, valores
que superen los 10.19 ton/hr, lo que determina si es el proceso es eficiente
es la relación que tiene dicha producción con la potencia con la que operó
el motor de la extrusora, valores que oscilan entre 1400 y 1700 kW.
Importante agregar que en caso de disponer mediciones del índice de
fluidez a diferentes grados de la operación, así como datos de los
111
indicadores no cuantitativos de la calidad del producto final, sería posible
comentar el perfil de temperatura propuesto considerando estos factores,
sin embargo, dadas las limitaciones en el estudio, se considera en esta fase
del análisis la eficiencia energética en comparación con el rango de
directivas operacionales que se supone considera la calidad del producto
final.
DERE
S
O
D
A
V
ER
S
E
R
S
CHO
112
Tabla 4.23. Variables con funcionamiento de tornillo variable y temperatura aproximada de 80°C (Peña y
Sarcos, 2016)
Potencia Velocidad
FA0240
del
del
Tzona1
Tzona2
Tzona3
Tzona4
Cabezal
motor
tornillo
(°C)
(°C)
(°C)
(°C)
(°C)
(kW)
(rpm)
Placa
Producción
S
O
D
A
V
R
E
S
E
R
HOS
DEREC
Hilera
(°C)
(ton/hr)
Prod/Pot
Prod/Pot/Vel
Tornillo
19-06-2015 1521,61
59,13
79,82
80,03
80,10
80,25
220,24
177,66
9,24
0,00634
0,00011
21-06-2015 1365,77
53,84
80,23
80,04
80,09
79,60
199,81
168,85
10,13
0,00709
0,00012
03-07-2015 1510,24
56,98
80,35
80,10
79,91
80,01
200,93
172,06
10,32
0,00711
0,00012
09-07-2015 1545,36
57,76
80,30
80,04
80,08
80,36
200,57
171,80
10,33
0,00831
0,00014
03-07-2015 1364,70
54,23
79,61
79,83
80,96
79,73
198,51
167,69
10,31
0,00697
0,00012
08-07-2015 1469,53
56,23
80,37
80,12
80,01
80,22
199,97
169,88
10,12
0,00688
0,00012
113
Indicadores de Eficiencia para Grado FA0240
0,0078
0,00015
0,0076
0,00014
0,0074
0,0072
0,00013
0,007
0,0068
0,00012
0,0066
0,0064
PROD/POT
PROD/POT/RPM
0,00011
0,0062
S
O
D
A
V
ER
S
E
R
S
O
ERECHTemperatura
0,006
0,0001
D
Figura 4.22 Indicadores de Eficiencia para grado FA0240 a rpm variable
(Peña y Sarcos, 2016)
Se procedió a la construcción de la figura 4.22. con motivo de representar la
eficiencia del proceso con respecto valores distintos, obtenidos en data histórica
real, de la velocidad del tornillo a una temperatura constante, se tomó la
temperatura fijada como objetiva por la directiva para el grado FA0240 , con un
valor de 80 °C. Dicho valor fluctúa en aproximadamente 2°C por debajo con
respecto al recomendado por la investigación basado en predicciones por parte de
la herramienta en planta.
CONCLUSIONES
- Después del estudio de variables intervinientes en el proceso se concluyó que
las de mayor importancia para el funcionamiento ideal de la extrusora son las
temperaturas de agua presurizada (TI-134, TI-132, TI-130, TI-128) para el
enfriamiento objetivo de las zonas, la temperatura de los termofluidos
(TIC117A_PV) encargada del calibración de temperaturas de cabezal y placa
hilera para el buen corte, la potencia del motor (XI-129) encargada de suministrar
S
O
D
A
V
R dentro de la extrusora,
transferencia de calor al polímero permitiendo
suE
transporte
S
E
R
S
O a menor energía posible y mayor calidad.
C
además para la obtención
deH
producto
E
R
E
D
energía al tornillo, proporcionándole su velocidad (SI-102) para la adecuada
- Las variaciones en el índice de fluidez vienen dadas en su mayoría por el cambio
de grado (FA0240, FB7000 y FB3003) en la producción de PEBD, las
desviaciones que no vienen dadas por dicha razón se pueden originar por otras
dos posibles causas, una parada de planta no programada para hacer corrección
de algún mal funcionamiento en el proceso; la otra razón es por un valor no
deseado de temperaturas en las zonas de cabezal, con desviaciones mayores 5%
con respecto a su objetivo y para placa hilera con desviaciones mayores a 10% de
su especificación. Dichas variaciones pueden originarse por efectos de la
temperatura del termofluido (TIC117A_PV) que para la zona de extrusión debe
cumplir con un valor de 200 °C.
- Los tres grados de PEBD estudiados, en las zonas 1, 2, 3, y 4 se encuentran
dentro de los parámetros de especificación, según la data histórica, a excepción
de cuando se lleva a cabo un cambio de grado en producción, lo que podría
ocasionar un aumento o disminución de temperaturas (°C) en dichas zonas. Para
la realización de dichas transiciones se deben cumplir normativas establecidas por
la directiva, con motivo de disminuir efectos perjudicables a las condiciones del
proceso. En cuanto a las temperaturas de cabezal (TIC118_PV ) y placa hilera
(TIC117B_PV), a pesar de sus desviaciones por encima de directiva operacional,
el comportamiento habitual del índice de fluidez es óptimo
En cuanto a más
parámetros físicos de calidad no se obtuvo la información necesaria para elaborar
su análisis.
- Se considera que el grado FB3003 es aquel que presenta mayor producción,
siendo sin embargo la producción de éste es la más difícil de procesar, ya que
amerita de mayores temperaturas (de 85 °C a 150 °C) y mayor potencia del motor
S
O
D
A
V
ER
S
E
R
S
Las temperaturas de zona
HdeOextrusora para el grado FA0240 se consideran
C
E
R
E
D
capaz de llegar hasta los 1900 kW, debido a la necesidad de energía por esfuerzo.
-
están bien definidas y trabajando correctamente para el proceso de dicho polímero
según las especificaciones y directivas operacionales, al igual que la de placa
hilera. Según data histórica la temperatura de cabezal opera alrededor de 200 y
220°C constantemente, muy por encima del rango de operatividad, pudiendo ser
así una de las causantes de aglomeramiento y mal corte de los pellets.
- La potencia de consumo de la extrusora con las directivas operacionales
actuales está reflejando un consumo de energía elevado, los resultados en la data
seleccionada arrojó mejor valores; para los tres grados (FA0240, FB7000 y
FB3003) se observó una disminución de al menos 200 kW, esto pudiese ser
considerados como un atractivo
empresa.
para el departamento de rentabilidad de la
RECOMENDACIONES
- Se recomienda la revisión de directiva operacional actual de los grados
estudiados a través de pruebas industriales ya que en el estudio se presentaron
mejor resultados con diferentes temperaturas en cabezal y placa hilera, estas
pudiesen ser factor clave para el problema de malformación y aglomerado
expuesto. Al igual que realizar experimentos que permitan verificar la factibilidad
S
O
D
A
V
ER
S
E
R
S
CHO
de un perfil de temperatura variable a lo largo de la extrusora.
DERE
- Hacer una evaluación en el sistema de termofluidos de cabezal y placa hilera
para saber la causa de las desviaciones tan elevadas con respecto a parámetros
objetivos.
- Utilizar los perfiles de temperatura recomendados a fin de una optimización del
proceso de extrusión en cuanto a producción y potencia consumida sin alterar del
índice de fluidez.
- Enriquecer la herramienta de predicción periódicamente para mayor asertividad,
se pueda acercar a la realidad y pueda ser de gran utilidad para el mejoramiento
del funcionamiento de la extrusora en la calidad del producto.
- Monitorear de manera constante los parámetros influyentes en el proceso de
extrusión con el objetivo de detectar y corregir variaciones indeseadas que afecten
la calidad del producto final y tener a disposición los parámetros no cuantitativos
de calidad para sustentar con mayor respaldo las conclusiones
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