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ÍNDICE
Índice de figuras… ................................................................................................................. 7
Índice de tablas… ................................................................................................................... 8
Resumen ejecutivo.................................................................................................................. 9
1. Introducción….................................................................................................................. 10
2. Objetivos……................................................................................................................... 12
2.1 Objetivo general ................................................................................................. 13
2.2 Objetivos particulares ........................................................................................ 13
3. Generalidades ……………………………………………………………………………14
4. Experimentación............................................................................................................... 20
4.1 Objetivos experimentales ................................................................................... 21
4.2 Metodología experimental................................................................................. 22
4.2.1 Preparación de soportes ................................................................................... 22
4.2.2 Preparación de catalizadores ........................................................................... 22
4.2.2.1 Catalizadores de paladio................................................................ 22
4.2.2.2 Catalizadores de oro ...................................................................... 22
4.2.3 Evaluación de catalizadores en la reacción .................................................... 23
4.2.3.1 Evaluación de catalizadores de paladio ....................................... 23
4.2.3.2 Evaluación de catalizadores de oro ............................................. 23
4.2.3.3 Otras reacciones realizadas............................................................ 24
5. Resultados…..................................................................................................................... 25
5.1 Caracterización de los soportes .......................................................................... 26
5.1.1 Fisisorción de nitrógeno ................................................................... 26
5.1.2 Difracción de rayos x........................................................................ 27
5.2 Caracterización de los catalizadores................................................................... 28
5.2.1 Fisisorción de nitrógeno ................................................................... 28
5.2.2. Absorción atómica........................................................................... 29
5.2.3 Microscopía electrónica de transmisión ........................................... 29

4
ÍNDICE
5.3 Evaluación de catalizadores en la reacción de suzuki ........................................ 31
5.3.1 Evaluación de catalizadores de paladio ............................................ 31
5.3.2 Evaluación de catalizadores de oro .................................................. 33
5.3.3 Resultados de otras reacciones ......................................................... 35
5.4 Conclusiones de la parte experimental ............................................................... 37
6. Cinética de la reacción...................................................................................................... 38
7. Diseño de la planta ........................................................................................................... 42
7.1 Ubicación de la planta ........................................................................................ 43
7.2 Descripción de la planta para la producción de biariles ..................................... 44
7.3 Descripción del proceso para la planta de biariles ............................................. 46
8. Diseño de los equipos ....................................................................................................... 49
8.1 Diseño del reactor............................................................................................... 50
8.1.1 Dimensiones del reactor .................................................................. 51
8.2 Dimensiones de los filtros ................................................................................. 52
8.3 Dimensiones de los tanques de almacenamiento............................................... 53
8.4 Dimensiones del intercambiador de calor ......................................................... 53
8.5 Dimensiones de la columna cromatográfica....................................................... 54
8.6 Diseño de accesorios .......................................................................................... 54
8.6.1 Diseño de la tubería .......................................................................... 54
8.6.2 Potencia de las bombas..................................................................... 56
8.6.3.Válvulas ............................................................................................ 56
8.6.4 Medidores ......................................................................................... 56
8.6.5 Equipo de laboratorio ....................................................................... 57
9. Análisis de costos ............................................................................................................. 58
9.1 Costo de la estructura de la planta ...................................................................... 59
9.2 Costo de producción de catalizador.................................................................... 59
9.3 Potencial económico........................................................................................... 60
9.4 Costos de equipo................................................................................................. 60

5
ÍNDICE
9.5 Costos de servicios ............................................................................................. 62
9.5.1 Costos de servicios en el proceso .................................................... 62
9.5.2 Costos de servicios en las instalaciones .......................................... 62
9.6 Salarios de trabajadores ...................................................................................... 63
9.7 Costos totales...................................................................................................... 64
9.7.1 Costos de inversión........................................................................... 64
9.7.2 Costos mensuales.............................................................................. 64
9.8 Análisis económico de factibilidad del proyecto................................................ 65
10. Seguridad en la planta .................................................................................................... 66
11. Consideraciones ambientales.......................................................................................... 68
11. 1 Normas ambientales para el biaril ................................................................... 69
11. 2 Normas ambientales para el tolueno................................................................ 70
12. Conclusiones................................................................................................................... 71
Apéndices…..…. .................................................................................................................. 73
Apéndice 1…..….................................................................................................................. 74
Apéndice 2……................................................................................................................... 75
A2.1 Dimensionamiento del reactor......................................................................... 75
A2.2 Dimensionamiento de los tanques de almacenamiento ................................... 76
A2.3 Dimensionamiento del intercambiador de calor .............................................. 77
Apéndice 3……................................................................................................................... 79
Apéndice 4………............................................................................................................... 80
Bibliografía…....................................................................................................................... 88

6
ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1.Compuestos biarílicos con aplicaciones farmacéuticas ....................................... 11
Figura 2.Reacción de homoacoplamiento de Suzuki. .......................................................... 17
Figura 3.Transmetalación del ácido fenilborónico en la superficie del catalizador ............. 17
Figura 4.Mecanismo de reacción del homoacoplamiento de Suzuki para el catalizador
de paladio............................................................................................................... 18
Figura 5.Mecanismo de reacción del homoacoplamiento de Suzuki para el catalizador
de oro. .................................................................................................................... 19
Figura 6. Sistema de reacción para el homoacoplamiento de Suzuki .................................. 24
Figura 7. Difractograma de rayos X de CeO2, TiO2 y ZrO2 ................................................. 27
Figura 8. Imágenes de TEM: a) Pd/ TiO2 nanocristalino y b) Au/TiO2 nanocristalino ....... 30
Figura 9. Reacción de homoacoplamiento de Suzuki con paladio ....................................... 31
Figura 10.Selectividad para el homoacoplamiento de Suzuki con paladio ......................... 32
Figura 11. Reacción de homoacoplamiento de Suzuki con oro ........................................... 33
Figura 12. Selectividad para el homoacoplamiento de Suzuki con oro............................... 34
Figura 13. Cálculo de n y k para la cinética de reacción de Suzuki ..................................... 41
Figura 14. Ubicación de la planta de biariles ....................................................................... 43
Figura 15. Esquema de la planta para la producción de biariles .......................................... 45
Figura 16. Esquema del proceso para la producción de biariles .......................................... 47
Figura 17. Balance de Materia en el reactor......................................................................... 48
Figura 18. Operación de un reactor batch............................................................................. 51
Figura 19. Esquema de las dimensiones del rector............................................................... 52
Figura 20. Filtro de bolsa...................................................................................................... 52
Figura 21. Intercambiador de calor de coraza ...................................................................... 53
Figura 22. Columna cromatográfica industrial..................................................................... 54
Figura 23. Longitud de tubería ............................................................................................. 55
Figura 24. Bomba ................................................................................................................. 56
Figura 25. Válvula de compuerta ......................................................................................... 56

7
ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1. Resultados de fisisorción de nitrógeno................................................................... 26
Tabla 2. Resultados de Difracción de Rayos X .................................................................... 27
Tabla 3. Resultados de Fisisorción de nitrógeno de catalizadores nanocristalinos de oro
y paladio ................................................................................................................. 28
Tabla 4. Resultados de absorción atómica de catalizadores nanocristalinos........................ 29
Tabla 5. Tamaño promedio de partícula obtenida mediante TEM ....................................... 30
Tabla 6. Comparación de catalizadores de Pd con soportes nanocristalino y
convencional........................................................................................................... 35
Tabla 7. Comparación de catalizadores de Au con soportes nanocristalino y
convencional........................................................................................................... 35
Tabla 8. Catalizadores de Au y Pd con soportes de sílica convencional............................ 36
Tabla 9. Reacción de Suzuki con diferentes condiciones de reacción catalizados con
Au/TiO2 nanocristalino........................................................................................... 36
Tabla 10. Experimentos con catalizador recuperado de Au/TiO2 nanocristalino................. 37
Tabla 11. Costo de coloides para los catalizadores de Au/TiO2 y Au/ZrO2 nanocristalinos .. 39
Tabla 12. Balance de Materia de la Planta ........................................................................... 48
Tabla 13. Equipo de laboratorio ........................................................................................... 57
Tabla 14. Costos de Materia Prima para el Catalizador ....................................................... 59
Tabla 15. Costo del equipo de laboratorio............................................................................ 59
Tabla 16. Potencial económico para la producción de Biariles............................................ 60
Tabla 17. Costo del equipo principal.................................................................................... 61
Tabla 18. Costo del equipo menor........................................................................................ 61
Tabla 19. Costos de servicios en el proceso ......................................................................... 62
Tabla 20. Costos de servicios en las instalaciones ............................................................... 62
Tabla 21. Sueldo de los trabajadores de la empresa ............................................................. 63
Tabla 22. Costo total de inversión........................................................................................ 64
Tabla 23. Costos mensuales de la planta .............................................................................. 64

8
RESUMEN EJECUTIVO
La reacción de Suzuki (homoacoplamiento de ácidos borónicos con catalizador de paladio)
es una de las reacciones más versátiles y utilizadas para la formación selectiva de enlaces
carbono-carbono, en particular para la formación de compuestos biarílicos. El biaril se
utiliza en productos farmacéuticos, herbicidas y productos naturales así como en polímeros
conductores y materiales de cristales líquidos. El objetivo de este proyecto consistió en
diseñar una planta química para la producción de biariles y realizar una evaluación
económica para determinar la factibilidad de la misma. Para ello, se sintetizaron
catalizadores de oro y paladio soportados en óxidos metálicos nanocristalinos de cerio,
titanio y zirconio. Se observó que los catalizadores de oro son más activos y más selectivos
que los de paladio y se eligió el catalizador de Au/TiO2 nanocristalino por presentar
mejores propiedades para llevar a cabo el dimensionamiento del reactor y posteriormente
el de la planta. Se calculó la Tasa Interna de Retorno (TIR) resultando ser mayor que la
Tasa de Rendimiento Mínima Aceptable (TREMA), por lo que se concluye que la
implementación de la planta para producir biariles es económicamente factible.

9
1. INTRODUCCIÓN
10
1. INTRODUCCIÓN
La reacción de Suzuki (homoacoplamiento de ácidos borónicos con catalizador de paladio)
es una de las reacciones más versátiles y utilizadas para la formación selectiva de enlaces
carbono-carbono, en particular para la formación de compuestos biarílicos. El biaril se
utiliza en productos farmacéuticos (anti-inflamatorios, antirreumáticos, antitumorales,
antihipertensivos, etc.), herbicidas y productos naturales así como en polímeros
conductores y materiales de cristales líquidos. Además presentan el potencial para atacar la
infertilidad actuando como una hormona receptora1. También atacan a la histamina que se
encuentra en el sistema nervioso central y por eso se utilizan para eliminar desórdenes
neurológicos como la enfermedad del Alzheimer, del Parkinson y la epilepsia 2. Asimismo
han mostrado actividad antibacterial3, actividad biológica e inhibición de

la

sobreproducción de leucocitos en un sitio donde ha ocurrido una infección4.
En la Figura 1 se muestran algunos ejemplos de compuestos biarílicos.

Figura 1. Compuestos biarílicos con aplicaciones farmacéuticas

La reacción de homoacoplamiento de Suzuki es favorable para crear estos compuestos
biarílicos debido a las condiciones flexibles de reacción, disponibilidad comercial de
ácidos borónicos (principal materia prima), eficiencia de reacción y compatibilidad con
muchos grupos funcionales presentes en los ácidos. La reacción de Suzuki sintetiza biariles
por homoacoplamiento catalítico de ácidos fenilborónicos usando catálisis de paladio(0),
debido a que tiene la propiedad de reducirse y oxidarse en dos electrones, y efectuar una
transmetalación5.
11
2. OBJETIVOS
12
2. OBJETIVOS

2. 1 Objetivo general

Diseñar una planta química para la producción de compuestos biarílicos que cumpla con
las normas de seguridad y normas ambientales establecidas por el Gobierno de la República
Mexicana. Además realizar una evaluación económica para determinar si el proyecto es
rentable económicamente.

2.2 Objetivos particulares

Sintetizar catalizadores y evaluarlos en la reacción de homoacoplamiento de Suzuki.
Determinar el catalizador más adecuado y producirlo en cantidades necesarias para
satisfacer la producción de biariles en la planta.
Obtener la cinética de la reacción de homoacoplamiento de Suzuki para llevar a
cabo el diseño del reactor utilizado en la planta.
Diseñar y dimensionalizar los equipos requeridos en el proceso tomando como base
el equipo utilizado en el laboratorio.

13
3. GENERALIDADES
14
3. GENERALIDADES

La primera síntesis de biariles por homoacoplamiento de ácidos arilborónicos fue realizada
en 1995 por Suzuki y Miyaura6. Desde entonces se denomina reacción de Suzuki o
acoplamiento de Suzuki-Miyaura. Los primeros acoplamientos que se llevaron a cabo
consistieron en la condensación de ácido fenilborónico con varios haluros de arilo
utilizando como catalizador paladio fosfatado. Los catalizadores de paladio con ligandos
tipo fosfina se utilizan para esta reacción porque son estables bajo un calentamiento
prolongado5. Sin embargo, también se obtienen buenos resultados en los acoplamientos
utilizando catalizadores de Pd(OAc)2.
Posteriormente se han introducido numerosas modificaciones en este procedimiento
original, como por ejemplo el uso de otros catalizadores de paladio como PdCl2 fosfatado u
otros sin ligandos tipo fosfina. Por otra parte, se han utilizado otras bases como trietilamina,
bicarbonato sódico y carbonato de cesio o de tántalo. Además se han empleado diferentes
disolventes, como dimetoxietano, dimetileter, acetona, etc.
Desde 1986 se empezó a experimentar con materiales que tienen el tamaño del cristal
menor a cincuenta nanómetros (nanocristales). Catalizadores soportados en estructuras
nanocristalinas

se

emplean

para

aumentar

la

reactividad

de

la

reacción

de

homoacoplamiento de Suzuki.
Estudios realizados7 han demostrado que los catalizadores soportados en óxidos metálicos
nanocristalinos mejoran la conversión en esta reacción, debido a que presentan una
estructura más ordenada, un área superficial mayor y es posible controlar su tamaño de
poro. Avelino Corma, Javier Guzmán y Silvio Carrettin7 llevaron a cabo la reacción

15
3. GENERALIDADES

entre p-iodobenzofenona y ácido fenilborónico para probar la reactividad de oro soportado
en óxido de cerio nanocristalino para la reacción de acoplamiento cruzado. Observaron que
todo el ácido fenilborónico se convirtió a biaril (homoacoplamiento) y el producto del
acoplamiento cruzado fue obtenido en muy pocas cantidades (<0.5%).

Con base en los antecedentes, en este proyecto se evaluó la reactividad tanto de oro como
de paladio soportados en diferentes óxidos metálicos nanocristalinos. Los soportes
utilizados en este proyecto fueron óxido de cerio, óxido de titanio y óxido de zirconio,
todos metales de transición. El óxido de cerio (CeO2) es de carácter básico y tiene
propiedades reductoras y oxidantes; funciona como reservorio de oxígeno (almacena y
libera O2) y permite que éste se mueva con facilidad dentro del mismo soporte. El óxido de
titanio (TiO2)

presenta propiedades anfóteras, es resistente a ácidos, álcalis, gases

corrosivos, atmósferas reductoras y gran número de sustancias orgánicas. El óxido de
zirconio (ZrO2) también es de carácter anfótero y tiene propiedades oxidantes y reductoras.
El paladio ofrece numerosas posibilidades en la formación de diferentes tipos de enlace
carbono – carbono, además no es sensible al oxígeno, a la humedad ni al medio ácido. Sin
embargo, las reacciones catalizadas con paladio deben ser llevadas a cabo de forma
cuidadosa y en general a alta temperatura.
Dentro del área de catálisis homogénea uno de los metales menos empleados, pero con
grandes posibilidades en cuanto a sus posibilidades como catalizador, es el oro en sus
distintos estados de oxidación.

16
3. GENERALIDADES

La reacción de homoacoplamiento del ácido fenilborónico en presencia de un catalizador
fue llevada a cabo a una temperatura de 60 ºC y presión atmosférica. La reacción se
muestra en la Figura 2.

Figura 2.Reacción de homoacoplamiento de Suzuki.

Dos moléculas de ácido fenilborónico realizan una transmetalación con el catalizador
(Figura 3) en medio básico, obteniendo una molécula de biaril (producto) y la formación de
2 moléculas de ácido metabórico e hidrógeno molecular (Figura 2).

Figura 3.Transmetalación del ácido fenilborónico en la superficie del catalizador

17
3. GENERALIDADES

El homoacoplamiento de ácido fenilborónico usando catalizadores de Pd(0) se ha
convertido en una herramienta sintética útil en la preparación de biariles simétricamente
sustituidos. El metal se introduce en el ciclo catalítico como Pd(II) y se reduce formando la
especie Pd(0) con ayuda del soporte. El Pd(0) se vuelve a oxidar a Pd (II) cumpliendo con
un ciclo redox (Figura 4).

Figura 4.Mecanismo de reacción del homoacoplamiento de Suzuki para el catalizador de
paladio5.

18
3. GENERALIDADES

El homoacoplamiento de ácido fenilborónico usando catalizadores de oro se lleva
acabo del mismo modo que cuando se usa paladio, en donde el oro se reduce de Au (III) a
Au (I), volviéndose a oxidar cumpliendo un ciclo redox de dos electrones, como se muestra
en la Figura 5.

Figura 5.Mecanismo de reacción del homoacoplamiento de Suzuki para el catalizador de
oro.

19
4. EXPERIMENTACIÓN
20
4. EXPERIMENTACIÓN

4.1 Objetivos experimentales

Sintetizar soportes nanocristalinos de óxido de cerio (CeO2), óxido de titanio (TiO2) y
óxido de zirconio (ZrO2) y caracterizar sus propiedades tales como cristalinidad, tamaño de
poro, volumen de poro y área superficial.

Inmovilizar oro y paladio en los soportes nanocristalinos mediante la técnica de
co-precipitación y caracterizar sus propiedades.

Evaluar la reactividad de cada uno de los sistemas soporte-metal, mediante la reacción de
homoacoplamiento de Suzuki.

Comparar reactividad de catalizadores nanocristalinos con catalizadores convencionales en
la reacción de Suzuki.

Elegir el mejor catalizador (con base en velocidad de reacción y selectividad) y obtener la
cinética de reacción.

21
4. EXPERIMENTACIÓN

4.2 Metodología experimental
4.2.1 Preparación de soportes
Se sintetizaron soportes nanocristalinos de óxido de Cerio (CeO2), óxido de titanio (TiO2) y
óxido de zirconio (ZrO2) a partir de 150 ml de una solución coloidal que contenía partículas
de óxidos en el intervalo de 5 a 20 nm. Los óxidos fueron calcinados a una temperatura de
400ºC, con una rampa de 3°/min, y por un tiempo de 16 horas. Se caracterizaron sus
propiedades por difracción de rayos X (cristalinidad) y por adsorción de N2 (área
superficial, volumen y diámetro de poro).

4.2.2

Preparación de catalizadores

4.2.2.1 Catalizadores de Paladio
Se inmovilizó 1% en peso de paladio en los soportes nanocristalinos mediante la técnica de
co-precipitación. Se utilizaron 0.0513 g del precursor de nitrato de paladio hidratado
(Pd(NO3)2 ·H2O) y 1.98 g de óxido. Se mantuvo el pH constante igual a 9 utilizando una
solución 0.2M de NaOH y se agitó durante 18 horas. Se caracterizaron sus propiedades por
adsorción de N2 (área superficial, volumen y diámetro de poro), absorción atómica (% del
metal en el soporte) y microscopía de transmisión electrónica (TEM).

4.2.2.2 Catalizadores de Oro
Se inmovilizó 1% en peso de oro en los soportes nanocristalinos mediante la técnica de
co-precipitación. Se utilizaron 0.207 g del precursor de ácido cloroaurico (HAuCl4) y 1.98g
de óxido. Se mantuvo el pH constante igual a 9 utilizando una solución 0.2 M de

22
4. EXPERIMENTACIÓN

NaOH y se agitó durante 18 horas. Se caracterizaron sus propiedades por adsorción de N2
(área superficial, volumen y diámetro de poro) y absorción atómica (% del metal en el
soporte) y microscopía de transmisión electrónica (TEM).

4.2.3 Evaluación de Catalizadores en la reacción
Todas las reacciones se llevaron a cabo a una temperatura de 60 °C, presión atmosférica y
agitación constante. Para caracterizar los productos se utilizó un cromatógrafo de gases
acoplado a un espectrómetro de masas.

4.2.3.1 Evaluación de Catalizadores de Paladio
Se utilizó un matraz bola de 10 ml con un sistema de reflujo (Figura 6) y se adicionaron
0.045g de ácido fenilborónico, 0.069g de K2CO3, y 100 mg de catalizador nanocristalino de
Pd/CeO2 con el 1% de metal inmovilizado, en 5 ml de tolueno. Las mismas cantidades se
utilizan para los catalizadores de Pd/TiO2 y Pd/ZrO2.

4.2.3.2 Evaluación de Catalizadores de Oro
Se utilizó un matraz bola de 10 ml con un sistema de reflujo (Figura 6) y se adicionaron
0.0124g de ácido fenilborónico, 0.018g de K2CO3, y 100 mg de catalizador nanocristalino
de Au/CeO2 con el 1% de metal inmovilizado, en 5 ml de tolueno. Las mismas cantidades
se utilizan para los catalizadores de Au/TiO2 y Au/ZrO2

23
4. EXPERIMENTACIÓN
.

Figura 6. Sistema de reacción para el homoacoplamiento de Suzuki

4.2.3.3 Otras reacciones realizadas
Para comparar el efecto que tiene el soporte nanocristalino con respecto al soporte
convencional, se llevaron a cabo otras reacciones utilizando soportes convencionales de
CeO2, TiO2 y ZrO2. También para confirmar que el catalizador necesita un soporte con un
metal de transición, se utilizó SiO2, donde Si no es un metal de transición. Además, para
comprobar que la base (K2O3) era necesaria se efectuó una reacción sin base.
Asimismo, se realizó una reacción sin catalizador y una con la mitad de catalizador para
verificar que la cantidad utilizada era la indispensable. Y con el propósito de verificar que
el catalizador no se desactiva, se llevaron a cabo cinco reacciones recuperando el
catalizador y reutilizándolo en la siguiente reacción consecutiva.

24
5. RESULTADOS
25
5. RESULTADOS

5.1 Caracterización de los soportes

5.1.1 Fisisorción de Nitrógeno
Se utilizó el equipo de adsorción de nitrógeno MICROMERITICS modelo Autosorb
2100 E para determinar el área superficial, el volumen y el diámetro de poro de los
soportes nanocristalinos sintetizados (Ver Tabla 1), así como la isoterma de adsorción –
desorción (Ver Apéndice 1). La IUPAC reconoce tres tipos de poros dependiendo de su
tamaño, si son mayores de 50 nm se conocen como macroporos, si su diámetro está
comprendido entre 2 y 50 nm se trata de mesoporos y si son menores de 2 nm son
microporos.

Tabla 1. Resultados de fisisorción de nitrógeno
Soportes Nanocristalinos Sintetizados
Propiedad
CeO2
Área Superficial (m2/g)
3

Volumen de poro (cm /g)
Diámetro de poro (nm)

TiO2

ZrO2

104

39

72

0.286
11

0.329
34

0.352
20

Por la definición anterior y con base en la Tabla 1, los catalizadores sintetizados son
mesoporosos y su área superficial se encuentra dentro del intervalo de los nanocristales
reportados en la literatura (30-110 m2 /g), por lo tanto se concluye que los tres soportes son
nanocristalinos.

26
5. RESULTADOS

5.1.2 Difracción de Rayos X
Los soportes nanocristalinos fueron caracterizados mediante difracción de rayos X en un
equipo SIEMENS modelo Kristalloflex D500, para conocer su fase cristalina (Ver Tabla 2)
y se calculó, con base en el difractograma (Ver Figura 7) el porcentaje que se tiene de cada
fase para los soportes de titanio y zirconio.
Tabla 2. Resultados de Difracción de Rayos X
Soportes Nanocristalinos Sintetizados
Propiedad
CeO2

ZrO2

Fluorita
Cúbica

Fases Cristalinas

TiO2
75 % Anatasa
25 % Rutilo

53% Badeleyita
47% Tetragonal

De la tabla 2 se puede observar que la fase cristalina que presentan los soportes de titanio y
zirconio se debería de observar a una temperatura mayor de calcinación, por lo que se
deduce que la estructura ya esta definida por el coloide
CeO2

ZrO2

TiO2

Figura 7. Difractograma de rayos X de CeO2, TiO2 y ZrO2
27
5. RESULTADOS
5.2 Caracterización de los catalizadores
5.2.1 Fisisorción de Nitrógeno

Una vez inmovilizado el metal en el soporte nanocristalino, se realizó la caracterización del
área superficial y volumen y diámetro de poro por el método de fisisorción de nitrógeno.
Los resultados se muestran en la Tabla 3.

Tabla 3. Resultados de Fisisorción de nitrógeno de catalizadores nanocristalinos de oro y
paladio
Catalizadores Nanocristalinos Sintetizados
Propiedad
Pd/CeO2

Pd/TiO2

Pd/ZrO2

Au/CeO2

Au/TiO2

Au/ZrO2

Área Superficial (m2/g)

100

64

42

80

72

70

Volumen de poro (cm3/g)

0.268

0.293

0.349

0.320

0.349

0.342

Diámetro de poro (nm)

11

15

33

36

20

17

Comparando los resultados de la Tabla 3 con la Tabla 1, se observa que al inmovilizar el
metal en los soportes de cerio y zirconio, el área superficial disminuye. Mientras que al
inmovilizar el metal en el soporte de titanio ésta aumenta. También se observa que el
diámetro de poro de todos los catalizadores sigue estando dentro del intervalo de los
nanocristales (2 – 50 nm).

28
5. RESULTADOS

5.2.2. Absorción atómica

Para conocer la cantidad de metal inmovilizado en los soportes, se realizó una
caracterización de absorción atómica con un espectrofotómetro de absorción atómica
Varian modelo SpectrAA. Los resultados se muestran en la Tabla 4.

Tabla 4. Resultados de absorción atómica de catalizadores nanocristalinos.
Catalizadores nanocristalinos sintetizados
Propiedad
Pd/CeO2
% de metal inmovilizado

Pd/TiO2

Pd/ZrO2

Au/CeO2

Au/TiO2

Au/ZrO2

0.96

0.54

0.72

0.99

0.49

0.66

Los resultados indican que se inmovilizó menos del porcentaje de metal teórico que se
esperaba tener. Los catalizadores con CeO2 tienen el mayor porcentaje de metal
inmovilizado, mientras que los de TiO2 tienen la mitad del metal que debió haber estado
presente. Sin embargo, se observa que los catalizadores con TiO2 aumentaron su área
superficial, a pesar de tener tan poco metal inmovilizado. Esto indica que se podría trabajar
con menores cantidades de precursor para inmovilizar el metal en TiO2 y obtener buenas
áreas superficiales.

5.2.3 Microscopía Electrónica de Transmisión

Mediante la técnica de DRX no se pudo determinar el tamaño de cristal del metal soportado
por lo que se realizó otra técnica llamada Microscopía de Transmisión Electrónica (TEM)

29
5. RESULTADOS

con un microscopio de transmisión Zeiss, modelo EM-910. En la Figura 8 se observa que la
morfología entre distintos metales con el mismo soporte es la misma.
Se calculó el tamaño promedio de partícula con base en una escala. Los resultados se
presentan en la Tabla 5.
a)

b)

50 nm

50 nm

Figura 8. Imágenes de TEM: a) Pd/ TiO2 nanocristalino y b) Au/TiO2 nanocristalino
Tabla 5. Tamaño promedio de partícula obtenida mediante TEM

Propiedad

Catalizadores nanocristalinos Sintetizados
CeO2

Tamaño promedio de partícula (nm)

TiO2

ZrO2

45

32

40

De estos resultados se puede deducir que el precursor coloidal garantiza obtener soportes
con tamaño de partícula entre 2 y 50 nm, que es el intervalo aceptado para decir que se
tienen partículas nanocristalinas.

30
5. RESULTADOS

5.3 Evaluación de catalizadores en la reacción de Suzuki
5.3.1 Evaluación de catalizadores de Paladio

Se evaluaron los 3 catalizadores de paladio en la reacción de homoacoplamiento de Suzuki.
Los resultados se muestran en la Figura 9, donde se observa que se alcanza la conversión
del 100% en aproximadamente 15 horas de reacción. El catalizador nanocristalino de
Pd/TiO2 presenta mayor actividad para el homoacoplamiento en estas condiciones.

1

Conversión

0.8

0.6

0.4
Pd/TiO2 Nanocristalino
Pd/ZrO2 Nanocristalino
Pd/CeO2 Nanocristalino

0.2

0
0

3

6

9

12

15

Tiempo (h)
Figura 9. Reacción de homoacoplamiento de Suzuki con paladio

31
5. RESULTADOS

En la Figura 10 se muestra la selectividad de los catalizadores en la reacción.

100
90
80

79

83
75

Selectividad

70

1

60

2

50

3

40

1

2

Pd/ZrO2 Nanocristalino
Pd/CeO2 Nanocristalino
Pd/TiO2 Nanocristalino

3

30
15 17 17

20

7
1

2

2

3

0
Biaril

8

1

10

Benceno

0

Fenol

1

Figura 10.Selectividad para el homoacoplamiento de Suzuki con paladio

Con los catalizadores de paladio se observa que se generan subproductos no deseados,
como el benceno, que es una sustancia altamente cancerígena. De los tres catalizadores,
el más selectivo fue el de Pd/TiO2, con un 83% de formación de biaril.

32
5. RESULTADOS

5.3.2 Evaluación de catalizadores de Oro

Se evaluaron los 3 catalizadores de oro en la reacción de homoacoplamiento de Suzuki. Los
resultados se muestran en la Figura 11, donde se observa que se alcanza la conversión del
100% en aproximadamente 4 horas de reacción. Los tres catalizadores nanocristalinos
presentan gran actividad para el homoacoplamiento en estas condiciones, siendo un poco
más activo el de Au/ZrO2.

1

Conversión

0.8
0.6

Au/ZrO2 Nanocristalino
Au/TiO2 Nanocristalino
Au/CeO2 Nanocristalino

0.4
0.2
0
0

3

6

9

12

15

Tiempo (hr)
Figura 11. Reacción de homoacoplamiento de Suzuki con oro

33
5. RESULTADOS

En la Figura 12 se puede observar que todos los catalizadores son 100%
selectivos para la formación de biaril, a diferencia de los catalizadores de paladio.

100

100 100 100

90
80

1
2

Au/ZrO2 Nanocristalino
Au/TiO2 Nanocristalino
3 Au/CeO2 Nanocristalino

Selectividad

70
60
50

1

2

3

40
30
20
10
0

0
Biaril

0

0

Benceno

0

0

0

Fenol

Figura 12. Selectividad para el homoacoplamiento de Suzuki con oro

34
5. RESULTADOS
5.3.3 Resultados de otras reacciones

En la Tabla 6 y la Tabla 7 se observa que se obtiene una mayor conversión para soportes
nanocristalinos durante el mismo tiempo de reacción.

Tabla 6. Comparación de catalizadores de Pd con soportes nanocristalino y convencional
Catalizador

% Conversión para 4 horas

Pd/CeO2 nanocristalino

28.24

Pd/CeO2 convencional

18.04

Pd/TiO2 nanocristalino

82.81

Pd/TiO2 convencional

36.61

Pd/ZrO2 nanocristalino

64.38

Pd/ZrO2 convencional

46.58

Tabla 7. Comparación de catalizadores de Au con soportes nanocristalino y convencional

Catalizador

% Conversión para 4 horas

Au/CeO2 nanocristalino

98

Au/CeO2 convencional

87

Au/TiO2 nanocristalino

100

Au/TiO2 convencional

75.33

Au/ZrO2 nanocristalino

100

Au/ZrO2 convencional

75

35
5. RESULTADOS
En la Tabla 8 se presentan resultados de la reacción con catalizadores soportados en un
óxido cuyo metal no es de transición. Se observa que el oro no presenta actividad.
Tabla 8. Catalizadores de Au y Pd con soportes de sílica convencional

Catalizador

% Conversión para 4 horas

Pd/SiO2 convencional

51.87

Au/SiO2 convencional

0

En la Tabla 9 se muestran los resultados de la reacción de Suzuki con catalizador de
Au/TiO2 nanocristalino a diferentes condiciones. Se puede apreciar que la base es
indispensable para llevar a cabo el homoacoplamiento, pues al no agregarla, se obtiene una
conversión muy baja en comparación con el 100% que se obtiene si está presente. También
se observa que el catalizador se requiere forzosamente en la reacción para obtener
conversiones, y que la conversión depende de la cantidad de catalizador utilizada.

Tabla 9. Reacción de Suzuki con diferentes condiciones de reacción catalizados con
Au/TiO2 nanocristalino

Catalizador

% Conversión para 4 horas

Reacción sin base

12.22

Reacción mitad catalizador

69.15

Reacción sin catalizador

0

36
5. RESULTADOS

Se realizaron 5 reacciones con catalizador recuperado (Ver Tabla 10), dando como
resultado que el catalizador no se desactiva.

Tabla 10. Experimentos con catalizador recuperado de Au/TiO2 nanocristalino

Catalizador

% Conversión para 4 horas

1a Reacción

100

2a Reacción con catalizador recuperado de
la primera reacción

100

3a Reacción con catalizador recuperado de
la segunda reacción

100

4a Reacción con catalizador recuperado de
la tercera reacción

100

5a Reacción con catalizador recuperado de
la cuarta reacción

100

5.4 Conclusiones de la parte experimental
Mediante las diferentes técnicas de caracterización, se pudo comprobar que los
catalizadores sintetizados fueron nanocristalinos. En general, todos los catalizadores con
soportes nanocristalinos presentaron mayor actividad que los catalizadores soportados en
óxidos convencionales. Además, con base en los resultados obtenidos, se puede concluir
que los catalizadores de oro presentan mayor actividad y mayor selectividad para la
reacción de Suzuki que los catalizadores de paladio.

37
6. CINÉTICA DE LA REACCIÓN
38
6. CINÉTICA DE LA REACCIÓN

Para el diseño de la planta se eligió uno de los 3 catalizadores nanocristalinos de oro, por
ser los que presentaron mayor actividad y selectividad en comparación con los de paladio y
de éste se obtuvo la cinética de reacción.
Para la elección del catalizador de oro se evaluaron las propiedades de los soportes y su
reactividad en el homoacoplamiento de Suzuki, presentando mejores características los
catalizadores de Au/TiO2 y Au/ZrO2 nanocristalinos. Para elegir uno de los dos anteriores
se tomó en cuenta el precio del coloide de cada óxido. En la Tabla 11 se muestra el precio
de los coloides.

Tabla 11. Costo de coloides para los catalizadores de Au/TiO2 y Au/ZrO2 nanocristalinos

Catalizador

Materia prima para el catalizador Precio (USD/L)

Au/TiO2

Coloide de TiO2

874

Au/ZrO2

Coloide de ZrO2

1205

Como se puede observar la materia prima más económica es la del coloide de TiO2,
por lo tanto, se tomó la decisión de utilizar el catalizador de Au/TiO2 nanocristalino para el
diseño de la planta.

39
6. CINÉTICA DE LA REACCIÓN

Los mecanismos de reacción permiten modelar en forma coherente y dar una explicación
del modo en que interactúan las moléculas para formar los productos, de manera que las
velocidades experimentales se ajusten a una predicción teórica. Para elaborar un
mecanismo de reacción es necesario identificar las sustancias intermediarias del proceso o
bien posibles radicales que se formen. Esta tarea es compleja. Elaborar un mecanismo de
reacción que satisfaga las condiciones anteriores y que además prediga un posible valor de
la energía de activación del sistema es muy complicado y puede incluso no tener una
solución de corto plazo. Por lo tanto es aceptable ajustar la velocidad de reacción obtenida
experimentalmente a un modelo lineal como una buena aproximación.
Por lo mencionado anteriormente, la cinética se obtuvo a partir de los datos experimentales
de la reacción con catalizador de Au/TiO2 nanocristalino, utilizando el modelo para un
reactor tipo batch:

ln(−rA ) = n ln(C A ) + ln(k ) …………………………. (1)
Dado que el fin de este trabajo fue encontrar la máxima conversión, no se realizaron
estudios detallados acerca del mecanismo heterogéneo considerando un reactor homogéneo
para fines prácticos, sin embargo hay efectos de transferencia de masa que deben ser tema
de interés para estudios más avanzados.

40
6. CINÉTICA DE LA REACCIÓN

Se determinó la constante cinética y el orden de reacción al graficar ln (-rA) vs ln CA
(Figura 13).
0
-12

-10

-8

-6

-4

-2

0
-2

y = 1.4668 x + 3.1771
2
R = 0.9985
ln -(rA)

-4
-6
-8
-10
-12

ln CA

Figura 13. Cálculo de n y k para la cinética de reacción de Suzuki
De la Fig. 13, se observa que n = 1.4668 ≈ 1.5 y que ln k = 3.1771, por lo que k = 23.977≈
0.5

⎛ l ⎞ −1
24 ⎜
⎟ h . De este modo, la cinética de reacción queda determinada por la Ecuación 2.
⎝ mol ⎠

(−rA ) = 24 CA

1.5

……………………….…… (2)

-rA [=] mol / l h; CA [=] mol / l
Por las condiciones de la reacción se obtuvieron pocos datos experimentales para calcular
la cinética y no se llevaron a cabo experimentos a bajas conversiones. Por lo anterior, no
se puede asegurar que el orden de reacción obtenido sea el que realmente describe la
ecuación cinética de la reacción de homoacoplamiento de Suzuki. Sin embargo se utiliza
este orden de reacción como una aproximación para el diseño del reactor. Se propone
seguir llevando a cabo la experimentación para comprobar el orden de reacción.

41
7. DISEÑO DE LA PLANTA
42
7. DISEÑO DE LA PLANTA

7.1 Ubicación de la planta

La planta para la producción de biariles estará ubicada en la delegación de Xochimilco
(Figura 14) en la Ciudad de México con un área superficial de 600 m2. Se eligió esta zona
porque hay 300 laboratorios existentes en el país y por entidad destacan el Distrito Federal
con el 51% del total; el Estado de México con 12% y Jalisco con 11%, entre los tres
concentran casi el 75%, por lo que se puede notar que en el Distrito Federal se concentra la
mayoría de las grandes farmacéuticas y porque es un terreno económico y cuenta con todos
los servicios.

Figura 14. Ubicación de la planta de biariles

43
7. DISEÑO DE LA PLANTA

7.2 Descripción de la planta para la producción de biariles

El diseño de la planta para la producción de biariles se muestra en la Figura 15. El terreno
tiene una superficie de 20 x 30 m2. En el área de operación se lleva a cabo el proceso para
la producción de biariles y como se desea producir el catalizador a baja escala se dispone de
un laboratorio, en donde también se realizarán pruebas de calidad del producto.
Se cuenta con un almacén para materia prima y producto, así como un área de empaque
para la venta final del mismo. Teniendo en cuenta que se deben cumplir normas de
seguridad en la planta, los trabajadores deberán utilizar ropa adecuada para trabajar, por lo
que es necesario un área de vestidores.
La contabilidad y el control de procesos se llevarán a cabo en el área de oficinas, donde
también se localizan los baños. Se contará con una caseta de vigilancia que labore las 24
horas del día. Asimismo, es necesario considerar áreas verdes para el mejor desempeño del
personal y mejorar el ambiente de trabajo.

44
Figura 15. Esquema de la planta para la producción de biariles

45
7. DISEÑO DE LA PLANTA

7.3 Descripción del proceso para la planta de biariles

El diseño del proceso se muestra en la Figura 16. El reactor (R) se carga con el reactivo, la
base y el catalizador y se alimenta tolueno recirculado que se bombea desde el Tanque (T3).
La reacción se lleva a cabo a 60°C y 1 atm con una duración de 4 horas. Al término de la
reacción se descarga el reactor y la mezcla pasa a través de un filtro (F1) para recuperar el
catalizador, que será tratado térmicamente y utilizado en la próxima carga.
La mezcla sin catalizador se bombea a un tanque de almacenamiento (T1) y posteriormente
se bombea a un intercambiador de calor (INT) para enfriar la mezcla y lograr que precipite
la base y el ácido metabórico que serán retenidos en el filtro (F2).
La mezcla que contiene biaril y tolueno se manda a un tanque de almacenamiento (T2).
Debido a que el producto requiere tener alta pureza, se bombea a una columna
cromatográfica (CC) donde se extrae el biaril con acetato de etilo. El biaril se recuperará en
un rotavapor.
El tolueno se bombea a un tanque de almacenamiento (T3), donde se recircula al reactor.
El tanque de almacenamiento (T4) contiene tolueno fresco para alimentar al tanque (T3).
En el reactor se abre una válvula (VA9) donde se purga el hidrógeno resultante de la
reacción. Este hidrógeno se quema con aire en un incinerador (CH), donde se efectúa la
siguiente reacción:

2H2 + O2

2H2O.

El balance de materia de toda la planta se muestra en la Tabla 12, y el balance en el reactor
se muestra en la Figura 17.

46
7
14

VA8

VA6

B6

VA4

CC

T4

13

1

T3
10
9

8

12

B5
VA7

catalizador
nanocristalino

11

VA5

R

CH

B4

VA9

Serpentín

VR = 1000 l
1 atm
60°C

3
VA1

60°C

2

60°C

VA3

VA2

F2
B1

F1

catalizador
nanocristalino
recuperado

6

INT

35°C

T2
4

T1

5

B3
B2

Figura 16. Esquema del proceso para la producción de biariles
47
Tabla 12. Balance de Materia de la Planta

BALANCE DE MATERIA DE LA PLANTA
CORRIENTES DEL PROCESO
COMPONENTES

Entrada
reactor R

Entrada
filtro
F1

Entrada
tanque
T1

Entrada
Entrada Salida
columna
filtro F2 filtro F2
cromat.

Entrada
columna
cromat.

Salida
columna
cromat.

Entrada
tanque
T2

Entrada
Entrada
chimenea
reactor R
CH

Entrada
chimenea
CH

Salida
chimenea
CH
13

1

Ácido fenilborónico (121.93)
K2CO3 (138)
Tolueno (92) *
Biaril (130)
Ácido metabórico (43.8)
H2 (2)
O2 (32)
N2 (28)
H2O (18)
Catalizador
Acetato de etilo*

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

g

g/min

g/min

g/min

g/min

L/min

g/min

L/min

L/min

g/min

g/min

g/min

115
32
50
28.5

115
32.0
50
28.5

115
32.0
50
28.5

115
32.0

32.0

1610
2300
640

32.0
50

1000

28.5
0.65
10.4
39.1
11.7

12987

649.35
1

1

* Corrientes con unidades de (l/min)

1583 g Ácido fenilborónico
2300 g K2CO3
12987 g Au/TiO2
640 L Tolueno

1000 g Biaril
570 g Ácido metabórico
13 g H2
2300 g K2CO3
12978 g Au/TiO2
640 L Tolueno

Figura 17. Balance de Materia en el reactor
48
8. DISEÑO DE LOS EQUIPOS
49
8. DISEÑO DE LOS EQUIPOS

8.1 Diseño del Reactor
Se consideró un reactor bifásico de suspensión porque el catalizador es sólido y se mantiene
suspendido durante la reacción. Con la cinética obtenida y con el modelo de un reactor por
lotes, se calculó el volumen del reactor. Se despreciaron los efectos de transferencia de
masa porque se considera un tanque perfectamente mezclado, además la velocidad de
agitación de la propela es de 360 rpm.

x (t )

Ecuación de diseño:

∫

t = N A0

0

dx
− rAV

………………………………………..…… (3)

Resolviendo la ecuación de diseño, se tiene que el volumen esta dado por:
N A0

V =
t K
NA0 (mol )
12.9870

CA0 (mol /l )
0.02083162

X
0.9900

1.5
C A0

………………………… (4)

0.5 (1 − X A )

V reactor (L)
956.5838

0.5

V reactor (m3)
0.9566

V reactor real (m3)
1.1479

Para el diseño del reactor se consideró una conversión de 0.99, tomando en cuenta la
producción de Biaril (ver Fig. 17) por carga del reactor y se obtuvo un volumen de 1.15 m3.
Con tiempos de carga y descarga de 20 minutos cada uno.
El material del reactor es de acero inoxidable porque se manejan sustancias corrosivas y se
requiere que las esquinas sean redondeadas para evitar zonas muertas y acumulaciones. Se
calculó la carga térmica del reactor = 4.5 x108 BTU/hr, lo cual indica que se necesita un
reactor con transferencia de calor. En la Figura 18 se muestra la operación de un reactor de
tamaño real y con un volumen aproximado al diseñado.

50
8. DISEÑO DE LOS EQUIPOS

Figura 18. Operación de un reactor batch

8.1.1 Dimensiones del reactor
Las dimensiones del reactor fueron obtenidas a partir de correlaciones8 los cálculos se
muestran en el Apéndice 2.
Diámetro del reactor

1.20 m

Altura del reactor

1.00 m

Diámetro de propela

0.40 m

Altura de propela

0.30 m

Ancho deflectores

0.10 m

Grosor de propela

0.05 m

Área serpentín

3.40 m2

Diámetro Serpentín

0.05 m

Longitud Serpentín

21.71 m

No. de vueltas Serpentín
Potencia de agitación

27
1.0 hp

51
8. DISEÑO DE LOS EQUIPOS

V = 1.15 m3

1m

0.8 m

0.7 m
0.575 m
0.05 m
0.3 m
0.4 m
0.1 m

1.2 m
Figura 19. Esquema de las dimensiones del rector

8.2 Dimensiones de los filtros
Se eligió un filtro de bolsa (Fig. 20), porque es el que mejor se ajusta a las condiciones de
operación. Como se maneja un solvente aromático, se eligió una bolsa de poliéster con un
tamaño de poro de 3 micras. Los filtros son de acero inoxidable.
El tamaño del filtro está en función del caudal: 0.00054872 m3/s = 2 m3/hr
Diámetro

24 cm

Altura

52 cm

Tipo de bolsa

bolsa poliéster

Tamaño de poro

3 micras

Figura 20. Filtro de bolsa

52
8. DISEÑO DE LOS EQUIPOS

8.3 Dimensiones de los tanques de almacenamiento
El material de los tanques de almacenamiento es acero inoxidable. Los cálculos se muestran
en el Apéndice 2 y las dimensiones son las siguientes:

TANQUES
4

DIAMETRO (m)
1

ALTURA (m)
1

8.4 Dimensiones del intercambiador de calor
El intercambiador es de acero inoxidable y las dimensiones se muestran en la Figura 21.
Los cálculos se muestran en el Apéndice 2.

1m
Área total = 4.47 m2 = 48.11 ft2
40 tubos

1.4 m

Figura 21. Intercambiador de calor de coraza

53
8. DISEÑO DE LOS EQUIPOS

8.5 Dimensiones de la columna cromatográfica
Para separar el biaril del tolueno, se eligió una columna cromatográfica con empaque de
sílica y solvente extractor acetato de etilo. Las dimensiones son especificadas por el
proveedor.

Presión, bar

20

Diámetro interno, cm

30

Longitud de empaque, cm

90

Razón de flujo, L/min

3.2

Cantidad de empaque, kg

6.2

Figura 22. Columna cromatográfica industrial

8. 6 Diseño de accesorios
8.6.1 Diseño de la tubería
En la Figura 22 se muestra la longitud de la tubería del proceso. El material de la tubería es
acero inoxidable.
Tamaño Nominal
(plg)

Diámetro externo
(plg)

Cedula No.

Espesor de pared
(plg)

1

1.315

40

0.133

54
3m

2m
3m

3m

2m
2m
2m
8m

2m
3m
F1

2m

2m

3m

1m

2m
F2

Figura 23. Longitud de tubería

55
8. DISEÑO DE LOS EQUIPOS

8.6.2 Potencia de las bombas
El material de las bombas es acero inoxidable. La potencia de las bombas se calculó por
medio de la ecuación de Bernoulli.

CANTIDAD
5
1

POTENCIA (hp)
1/8
1/4

Figura 24. Bomba

Los cálculos se muestran en el Apéndice 3.

8.6.3. Válvulas
Las válvulas utilizadas en el proceso son de compuerta de acero inoxidable (Ver Figura 23).

Figura 25. Válvula de compuerta

8.6.4 Medidores

Se utilizan dispositivos como medidores de flujo, de presión y de temperatura, para
monitorear las condiciones del proceso.

56
8. DISEÑO DE LOS EQUIPOS

8.6.5 Equipo de laboratorio

Se considera que el catalizador se regenera y se puede utilizar hasta 44 cargas, es decir 2
cargas por día en un periodo de 22 días. Dado que la cantidad requerida es de 13 kg de
Au/TiO2 por carga, se va a producir el catalizador a nivel laboratorio. El nivel de
producción de catalizador es de: 13 kg/mes = 590 g/día. Algunos equipos necesarios para el
laboratorio se muestran en la Tabla 13.

Tabla 13. Equipo de laboratorio
Material
pH-metro digital
Parrilla de calentamiento
Balanza analítica
Vaso de precipitados

Kit vaso de precipitados

Barra magnética

Especificaciones
Conductronic
PH120
Cimarec 3 de 18x18 cm
Rango de temp. 150 a 540°C
Agitación de 100 a 1000 rpm
KHA 200R, cap. 200 g
calibración externa
Pyrex
12 piezas de 250 ml
Pyrex
9 de 150 ml
7 de 100 ml
12 de 50ml
7 de 25 ml
Teflón
5/ paquete
2"x5/16"

Horno

Controlador digital
Max. Temp. 1000°C

Espectrómetro de masas con detector de
Cromatógrafo de gases ionización de electrones acoplado a un
acoplado a Espectrómetro cromatógrafo de gases MS-GC Agilent
Technologies 6890 N. Columna capilar HPde masas
5MS

57
9. ANÁLISIS DE COSTOS
58
9. ANÁLISIS DE COSTOS

9.1 Costo de la estructura de la planta
El terreno tiene un costo de 28, 222 USD y la construcción del edificio de 23,518 USD.

9.2 Costo de producción de catalizador
El costo de materia prima para sintetizar el catalizador en el laboratorio de la planta se
muestra en la Tabla 14 y el costo de material de laboratorio se muestra en la Tabla 15.

Tabla 14. Costos de Materia Prima para el Catalizador
Sustancia

Precio
(USD/L)

Precio
(USD/g)

Cantidad
(L/día)

Cantidad
(g/día)

Costo
(USD/día)

Coloide TiO2

874

-

6.43

-

5,619

HAuCl4

-

121

-

12.2

1,476

NaOH

-

1.29

-

15.6
Total

20
7,115

*Precios basados en el año 2006

Tabla 15. Costo del equipo de laboratorio
Material

Costo (USD)

pH-metro digital

390

Parrilla de calentamiento

357

Balanza analítica

200

Vaso de precipitados

46

Kit vaso de precipitados

155

Barra magnética

21

Horno

611

Cromatógrafo de gases
acoplado a Espectrómetro
100,000
de masas
Total
101,781
* Precios basados en el año 2006

59
9. ANÁLISIS DE COSTOS

9.3 Potencial económico
El potencial económico se calculó con el precio del biaril (producto) menos el precio de la
materia prima. El resultado se muestra en la Tabla 16.

Tabla 16. Potencial económico para la producción de Biariles

SUSTANCIA

PRECIO (USD/g)

CANTIDAD (g/día)

COSTO (USD/día)

Ácido fenilborónico

47.72

3220

153,658.40

K2CO3

1.33

4676

6,228.43

Tolueno

0.40

1126000

450,010.38

Catalizador

12.26

580

7115

Biaril

310.40

2000

PE (USD/día)

620,800.00

MATERIA PRIMA

PRODUCTO

3,787.79

* Precios basados en el año 2006

9.4 Costos de equipo
Se calcularon los costos de los equipos con base en correlaciones8 e índices de Marshall &
Swift. Los costos para equipo mayor se muestran en la Tabla 17 y para equipo menor en la
Tabla 18.

60
9. ANÁLISIS DE COSTOS

Tabla 17. Costo del equipo principal
Equipo mayor

Especificaciones Cantidad

Volumen
(m3)

Diámetro o
Altura (m)
longitud (m)

Costo (USD)

Costo (USD)

por unidad

total

Tanque para
mezclado

Acero inoxidable

1

1.2

1

1.17

3,174

3,174

Tanque
almacenamiento

Acero inoxidable

4

1

1

0.8

2,519

10,076

Intercambiador
coraza

Acero inoxidable

1

1

1.4

1.1

4,200

4,200

Filtro de canasta

Acero inoxidable

2

0.24

0.52

0.02

1,881

3,762

Columna
cromatográfica

Empaque sílica

1

0.3

0.9

0.25

526,600

526,600

Total

547,812

Tabla 18. Costo del equipo menor

Equipo menor

Especificaciones

Cantidad

Potencia (hp)

Costo (USD)
por unidad

Costo (USD)
total

Agitador de propela

Acero inoxidable
0.4 diam, 0.7 altura

1

1

4,320

2,700

5
1

1/4
3/4

753
753

3,765
753

-

-

525

525

-

-

150

1350

Bomba
Tubería
Válvulas

Acero inoxidable
40 m
Acero inoxidable
1 pulg diam

Serpentín

Copa trifasica

1

1 /20

178

178

Indicadores de flujo

-

7

-

12.5

87.5

Indicadores de presón

-

7

-

15

105

Indicador de temperatura

-

1

-

25

25

Equipo de seguridad

-

-

-

-

1,120

Total

10,609

61
9. ANÁLISIS DE COSTOS

9.5 Costos de servicios
9.5.1 Costos de servicios en el proceso
Se determinó el costo de energía que se consume por día y por mes dentro del proceso,
tomando en cuenta que el precio es de 2.232 $ (pesos mexicanos)/ KWh. Los resultados se
muestran en la Tabla 19.
Tabla 19. Costos de servicios en el proceso
Concepto
Bombas (Luz Eléctrica)
Agitación reactor (Luz eléctrica)
Serpentín (Luz eléctrica)
Total

USD/día
5.01
1.25
0.06
6

USD/mes
110
28
1
139

9.5.2 Costos de servicios en las instalaciones
Se determinó el costo de servicios por día y por mes para toda la planta expresados en
pesos mexicanos. Los resultados se muestran en la Tabla 20.

Tabla 20. Costos de servicios en las instalaciones
Concepto
Instalaciones (Luz eléctrica)
Agua
Otros
Total

USD/día
5
4
3
12

USD/mes
103.48
94.07
75.26
272.81

62
9. ANÁLISIS DE COSTOS

9.6 Salarios de trabajadores
En la Tabla 21 se muestran los salarios de los empleados que trabajarán en la
empresa. Los sueldos están basados en la Comisión Nacional de Salarios Mínimos 2006 y
ya cuentan con las prestaciones que estipula la Ley Federal del Trabajo.

Tabla 21. Sueldo de los trabajadores de la empresa

Persona
Ingeniero Químico

No.
Personas

Proceso / Funciones
Control y manejo de los
procesos de producción
Administración de las
ventas de la empresa.

Experiencia
necesaria

Salario
Salario mensual
mensual total
por persona
(USD)
(USD)

1 año

1035

1035

1 año

564

564

1

Verifica que la producción
cumpla con las normas y
especificaciones del
proceso.

2 años

517

517

Control almacén

2

Control y supervisión de
entradas y salidas de
materia prima y producto
terminado.

1 año

470

941

Técnico

3

Encargado de los procesos
de producción

2 años

395

1185

Contador

1

Se encarga de llevar la
contabilidad de la empresa

2 años

282

282

Repartidor

2

Entrega producto

-

329

659

Secretaria

1

Se encarga de llevar a cabo
el papeleo de la empresa

1 año

329

329

Vigilante

3

Vigilancia

-

329

988

Limpieza

2

Limpieza

-

188

376

Empacador

2

Se encarga de recibir el
producto terminado y de
llevarlo hasta el cuarto de
almacenamiento

-

188

376

Obrero

6

Realizan los diferentes
procesos de producción

-

188

1129

Total

8382

Gerente de ventas

Control de calidad

1
1

63
9. ANÁLISIS DE COSTOS

9.7 Costos totales
9.7.1 Costos de inversión
Se sumaron todos los gastos para obtener los USD totales que se requieren para invertir en
la planta de producción de biariles. Éstos se muestran en la Tabla 22.

Tabla 22. Costo total de inversión

Concepto
Equipo mayor
Equipo menor
Equipo laboratorio
Terreno
Construcción
Seguridad
Otros

Total

Costo (USD)
547,812
9,489
101,781
28,222
25,000
22,000
15,696
750,000

9.7.2 Costos mensuales
Se obtuvieron los gastos mensuales de la planta, que se muestran en la Tabla 23.
Tabla 23. Costos mensuales de la planta
Concepto
Materia prima
Salarios
Servicios
Otros
Total

Costo (USD/mes)
13574269
8,382
412
2,500
13,585,563

64
9. ANÁLISIS DE COSTOS

La inversión se recuperará en un tiempo aproximado de 2 años. Las ganancias a partir del
segundo año se estiman de la siguiente manera:
13,657,600 USD/mes de venta de biaril
– 13,585,563 USD/mes de gastos mensuales
72,000 USD/mes de ganancias

9.8 Análisis económico de factibilidad del proyecto
Los cálculos realizados para obtener la Tasa Interna de Retorno (TIR) se encuentran en el
Apéndice 4. Para este proyecto se obtuvo una TIR = 46.52 recuperando la inversión en 2
años y considerando una Tasa de Rendimiento Mínima Atractiva (TREMA) igual a 35, se
puede concluir que el proyecto es económicamente factible (TIR>TREMA).

65
10. SEGURIDAD EN LA PLANTA
66
10. SEGURIDAD EN LA PLANTA
En la planta se aplicarán normas y mecanismos de prevención de los riesgos que se pueden
presentar en el área de operación, que pueden ocasionar un accidente

con daños

destructivos a la vida de los trabajadores, a las instalaciones o equipos de la planta. Para
ello se contemplarán las normas de organismos de seguridad como:
•

Nacionales
–
–

•

Asociación Nacional de la Industria Química (ANIQ)
Secretaría de Trabajo y Previsión Social.

Internacionales
–

Organización Mundial de la Salud (OMS).

–

Programa Internacional de Seguridad Química (PISQ).

–

Organización Internacional del Trabajo (OIT).

–

Consejo Internacional de Asociaciones de la Industria Química (ICCA)

–

Agencia Europea para la seguridad y la salud en el trabajo.

–

Occupational Safety and Healt Administration (OSHA)

Los aspectos operacionales de seguridad en la planta y las fichas toxicológicas de las
sustancias utilizadas en el proceso se encuentran en el Apéndice 5.

67
11. CONSIDERACIONES AMBIENTALES
68
11. CONSIDERACIONES AMBIENTALES

11. 1 Normas ambientales para el biaril

Considerando normas ambientales, en 1990 la Agencia de Protección Ambiental (EPA)
listó al biaril como un contaminante peligroso del aire. La exposición de biaril es regulado
por la Administración Ocupacional de Salud y Seguridad (OSHA) quien permite un limite
de exposición de 0.2 ppm de biaril en aire en un tiempo de 8 horas.
Se prohíbe la reutilización del recipiente de este material para fines no industriales y
cualquier reutilización debe tomar en consideración los datos provistos en la hoja de datos
de un material peligroso (MSDS).
Este material, al ser descartado, podría ser un desecho peligroso según define la Ley sobre
Conservación y Recuperación de Recursos (RCRA) 40 CFR 261.24, debido a su
característica de toxicidad.
Esta sustancia puede ser peligrosa para el ambiente debido a que es bioacumulable,
especialmente en plantas. Se aconseja firmemente impedir que el producto químico se
incorpore al ambiente.

69
11. CONSIDERACIONES AMBIENTALES

11. 2 Normas ambientales para el tolueno
La EPA ha establecido un límite de 1 miligramo por litro (1 mg/L) para tolueno en el agua
potable y requiere que se le notifique de descargas, escapes o derrames al medio ambiente
de 1,000 libras o más de tolueno.
La Administración de Salud y Seguridad Ocupacional (OSHA) ha establecido un límite de
200 partes de tolueno por millón de partes de aire en el área de trabajo (200 ppm).
Como es necesario usar tolueno en la planta, se trabajará con áreas bien ventiladas. Cuando
no esté en uso, los tanques de almacenamiento que contienen tolueno deben estar
firmemente cerrados para prevenir evaporación al aire.
El tolueno no se concentra ni se acumula en cantidades significativas en animales.

70
12. CONCLUSIONES
71
12. CONCLUSIONES

El aporte de este trabajo fue encontrar que los catalizadores de oro son más activos y más
selectivos para la reacción de homoacoplamiento de Suzuki, en comparación con los
catalizadores de paladio. Además, se determinó que los catalizadores soportados en óxidos
metálicos nanocristalinos presentan mayor reactividad y selectividad que los catalizadores
soportados en óxidos metálicos convencionales.
Se seleccionó el catalizador de Au/TiO2 nanocristalino por presentar mejores propiedades
para llevar a cabo el dimensionamiento del reactor y posteriormente el de la planta.
La Tasa Interna de Retorno (TIR) calculada fue mayor que la Tasa de Rendimiento Mínima
Aceptable (TREMA), por lo que se concluye que la implementación de la planta para
producir biariles es económicamente factible.
La inversión para llevar a cabo este proyecto se recuperará en un período aproximado de
dos años y las ganancias después del segundo año se estiman en 72,000 USD/mes.

72
APÉNDICES
73
APÉNDICE 1

La isoterma tipo IV es característica de sólidos mesoporosos y presenta un ciclo de
histéresis. En estas isotermas se representa la cantidad adsorbida en función de las
presiones relativas P/P0.

Isoterma TiO2
200

3

Volumen (cm /g)

250

150
100
50
0
0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

P/P0

ISOTERMA CeO2

ISOTERMA ZrO2
250
Volumen (cm /g)

200

3

Volumen (cm3/g)

200
150
100
50

150
100
50
0

0
0.0

0.2

0.4

0.6
P/P0

0.8

1.0

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

P/P0

74

1.0
APÉNDICE 2

A2.1 Dimensionamiento del reactor
Relación para el tamaño del reactor:

Z

= 0.85

T

Entonces se tiene un rector con un Diámetro de 1.2 m y una altura de 1 m.
D

Relación para el diámetro de la propela:

= 0.33

T

Por lo que se obtiene un Diámetro de propela de 0.4 m
Relación para la altura de la propela:

C

= 0.25

T

Por lo que se obtiene la altura de la propela de 0.3 m
Y una longitud de propela de 0.715 m
B

Relación para el ancho de los deflectores:

T

=

1
12
W/D = 1/8

Por lo que se obtiene el ancho de los deflectores de 0.1 m
Relación para el grosor de la propela:

W
D

=

1

0.5 ≤ Z/T ≤ 1

8

Correlaciones reportadas en Brodkey, Robert8

Se tiene un grosor de propela de 0.05 m

Para el serpentín se utilizo la siguiente formula:

A = 4.6 V2/3 donde V es el volumen

del líquido en el reactor (m3). Volumen de tolueno = 638.5 l = 0.638 m3.
2

Área (m )
3.4109
Diámetro de vuelta (m)
0.8

Diámetro (m)
0.05
No. Vueltas
27

Longitud (m)
21.7145
Altura entre vuelta
0.0442

75
APÉNDICE 2
Para calcular el Reynolds se utiliza la fórmula:

Donde Da es el diámetro del impulsor (agitador) en m, N la velocidad de rotación en rev/s,
ρ la densidad del fluido en kg/m3 y la viscosidad en kg/m s.
NRe = (0.4 m)2 (6 rps) (894 kg/m3) / (3.852 x 10-4 kg/ms) = 2.2x 106
Para calcular la potencia de agitación se utilizo la siguiente fórmula [10]:
NP =

P

ρN 3 D 5 a

Donde P es la potencia en kg m2/s3 y Np es el número de potencia.
De la gráfica de NRe vs NP 12, se calculó el número de potencia. Np = 0.3
Para la agitación se necesitan 360 rpm = 6 rps
Despejando la potencia se tiene:
P = Np ρ N3 Da5
P = (0.3) (894 kg/m3) (6 rps)3 (0.4 m)5 = 618 kg m2/s3
La potencia de agitación requerida es de: P = 0.8 hp ≈1 hp

A2.2 Dimensionamiento de los tanques de almacenamiento
Volumen del tolueno = 640 l
Volumen del tanque agitado = 800 l
Altura (Z) = 1m
Diámetro (T) = 1m
Z/T = 1

76
APÉNDICE 2

A2.3 Dimensionamiento del intercambiador de calor

Balance de energía para el intercambiador de calor

T1 = 60 °C
t1 =25 °C

t2 °C

T2 = 35 °C
Para calcular t2, utilizamos la fórmula: WTolCpTol (T2-T1) = WH2OCpH2O (t2-t1)
(27870 g/min) (0.4709 cal/g°C) (60-35) = (20000 g/min) (1 cal/g°C) (t2 - 25)
t2 = 41.4 °C
Q = W Cp ∆T = (27870 g/min) (0.4709 cal/g°C) (60-35) = 3.28x105 cal/min
Para calcular el área del intercambiador, utilizamos la fórmula:

A=

donde ∆T ln =

Q
U ∆T ln
(T2 − t1 ) − (T1 − t 2 )
⎡ (T − t ) ⎤
ln ⎢ 2 1 ⎥
⎣ (T1 − t 2 ) ⎦

Donde U es el coeficiente de transferencia de calor global que se obtiene de tablas11 para
una transferencia de agua a líquidos orgánicos y es igual a 5224 (cal/m2 min K).
∆T ln =

(35 − 25) − (60 − 41.4)
= 13.9 K , por lo tanto A = 4.517 m2.
⎡ (35 − 25) ⎤
ln ⎢
⎥
⎣ (60 − 41.4) ⎦

77
APÉNDICE 2

Para calcular el área de flujo total de agua se utiliza la fórmula:
mC = ρ A u

A=

mC

ρu

Donde A es el área de cada tubo
mC es la rapidez de flujo del agua
ρ es la densidad del agua
u es la velocidad promedio del agua

kg
min
A=
= 0.02m 2
kg ⎞⎛ m ⎞
⎛
⎜1000 3 ⎟⎜1
⎟
m ⎠⎝ min ⎠
⎝
20

Por lo tanto esta área es el producto del número de tubos y del área de flujo por tubo:
π d2
0.02 = n
4
0.02(4)
n=
= 39.4
π (0.0254) 2
Por lo que habrá 40 tubos en el intercambiador de coraza. El área de superficie por
tubo es:

π d L = π L (0.0254) = 0.08 L

Pero el área de superficie total necesaria para un intercambiador se calculó igual a 1.62 m2
Así, se calcula la longitud de tubo:
4.517 m 2 = 40 (0.08L)
L = 1.4m

El diámetro promedio del intercambiador de coraza es: 40 tubos (diámetro de cada tubo) =
(40) (0.0254 m) ≈ 1 m.

78
APÉNDICE 3
Cálculo de la Potencia de las Bombas

Se realizó un balance mecánico en diferentes tramos para conocer la potencia requerida
para transportar el flujo.
Entonces se tiene la siguiente ecuación:
g
∆P
1 α∆v 2
W
∆Z +
+
+ ΣF = .
gc
2 gc
ρg c
m
Los cálculos se realizaron a partir de los siguientes datos:
Tramo
1
2
3
4
5

M(g)
570226.445
557456.232
554588.762
553588.762
553588.762

t (s)
1200
1200
2400
600
1200

Q (m3/s)
0.00055
0.00054
0.00027
0.00107
0.00053

F (Kg/s)
0.475
0.465
0.231
0.923
0.461

Datos de Flujos

Resolviendo la ecuación para diferentes condiciones se obtiene las siguientes potencias
para las bombas requeridas:
Tramo
1
2
3
4
5
6

W (hp)
0.250
0.250
0.250
0.750
0.250
0.250

Accesorios
Tubería (m)
Codos 90°
Válvulas
Bombas

Cantidad
40
20
8
6

Accesorios

Potencia de Bombas

79
APÉNDICE 4

Calculo de la Tasa Interna de Retorno (TIR)

Para determinar la rentabilidad del proyecto, se calcularon los flujos antes de impuestos
(FAI), con una tasa de interés interbancario de equilibrio (TIEE) de 7.57% y considerando
que la inversión total se recupera en un tiempo de 2 años.

La depreciación se calcula como el costo de la planta entre el tiempo de recuperación.

Después se calcula el ingreso gravable (IG) como:

IG = FAI + Depreciacion

El impuesto es calculado a partir del ingreso gravable por la tasa de impuesto del producto.

impuesto = (0.35) * IG

Una vez que calculamos todos estos datos, calculamos el flujo después de impuesto (FDI)
que esta dado por:
FDI = FAI + impuesto

80
APÉNDICE 4

Como los flujos después de impuestos sufren cambios en situaciones donde la tasa de
inflación es muy grande, es necesario considerar los flujos con inflación.
Por lo que calculamos FAI con inflación como:

FAI con inf lacion = FAI sin inf lacion * (1 + 0.3) n

Posteriormente se evalúa el proyecto calculando la tasa interna de retorno (TIR), igualando
la ecuación de valor presente neto (VPN) a cero, con base en flujos después de impuestos
con inflación constante.
n

VPN = S 0 + ∑
t =1

St
(1 + i ) t

=0

Donde:
So= Inversión inicial
St=Flujos en cada periodo t
Se calculó la TIR en un periodo de cinco años obteniendo valores mayores que uno, lo que
indicó que era posible disminuir el tiempo de recuperación. Encontrando que la inversión
total se recupera en un periodo de dos años, esto es debido al alto valor agregado de los
biariles.

Por lo tanto:

0 = − S0 +

S1
(1 + i )

+

S2
(1 + i ) 2

81
APÉNDICE 4

Al sustituir los datos se obtuvo el valor de la tasa interna de retorno como 46.52, lo cual
indica que el proyecto es factible. Los cálculos se presentan en las siguientes Tablas.

Flujos antes de impuestos
Años
0
1
2

FAI sin inflacion Depreciacion Ingreso Gravable
-750000
---864000
-375000
489000
864000
-375000
489000

Impuesto
---171150
-171150

FDI
-750000
692850
692850

Flujos después de impuestos
Años
0
1
2

FAI con inflacion Depreciacion Ingreso Gravable
-750000
---1123200
-375000
748200
1460160
-375000
1085160

Impuesto
---261870
-379806

FDI
-750000
861330
1080354

FDI constantes
-750000
662561.5385
639262.7219

i = 46.52
S0
s1
s2
Suma:

-750,000
452210.843
297789.157
0

82
APÉNDICE 5
Para que la planta opere de manera segura se llevarán a cabo las siguientes acciones:
1. El personal que labora en el proceso de producción deberá utilizar equipo de
protección personal como:
Traje especial
Mascarillas
Guantes
Zapatos cerrados
Lentes
Casco
2. Dentro del proceso se cuentan con dispositivos que regulan presión y temperatura
para evitar sobrecalentamiento y acumulación de presión.
3. Se cuenta con extintores de 5 y 10 litros
4. Se tendrá una base de datos del personal donde se encuentre la siguiente
información:
Nombre completo
Dirección con teléfonos
Alergias
Padecimientos
Tipo de Sangre
En caso de emergencia comunicarse con…

83
APÉNDICE 5

5. Se cuenta con botiquín de primeros auxilios, regaderas y lava ojos.
6. Estará al alcance de los trabajadores las fichas toxicológicas de las sustancias
utilizadas y los manuales de operación de los equipos.
7. Se realizarán simulacros en forma periódica para saber qué hacer en caso de
accidente en la planta y se darán continuas capacitaciones.
8. Se dará mantenimiento frecuente a las instalaciones para evitar fugas o desgaste.
9. Se contará con salidas de emergencia
10. Es necesario contar con ventiladores dentro de la planta.
11. Se instalará un sistema de alarma para incendios y accidentes.

Propiedades Físicas y Químicas de las Sustancias utilizadas

Propiedades y toxicología del Ácido Fenilborónico
ÁCIDO FENILBORÓNICO
Sinónimos

ácido boronico, ácido fenilboronico,
ácido fenilborico, fenildihidroxiborano

Punto de fusión

217 a 200°C

Apariencia

polvo blanco

Inhalación

El material es extremadamente
destructivo al tejido fino de las
membranas mucosas y de la zona
respiratoria superior

84
APÉNDICE 5

Propiedades y toxicología del Ácido Cloroáurico
ÁCIDO CLOROÁURICO
HAuCl4

Fórmula quimica
Contacto con la piel

Irritación

Contacto con los ojos

irrita, quemaduras

Inhalación

puede irritar

Propiedades y toxicología del Tolueno
TOLUENO
PROPIEDADES FISICAS Y TERMODINAMICAS:

Punto de ebullición
Punto de fusión
Densidad
Densidad de vapor
Presión de vapor (a 30 °C)
Indice de refracción (a 20 °C)
Temperatura de autoignición
Límites de explosividad
Solubilidad
Calor de combustión (a 25 °C y presión constante)
Calor de vaporización (a 25 °C)
Capacidad calorífica (cal/g K)

Riesgos de fuego y
explosión

Riesgos a la salud

111°C
-95 °C
0.87 g/ml (a 20 °C), 0.8623 ( a 25 °C)
3.14
37.7 mm de Hg
1.4967
530- 600°C
1.27- 7 % (en volumen en el aire)
muy poco soluble en agua (0.05 g/100 ml)
miscible con éter, acetona, etanol, cloroformo, ácido
934.5 Kcal/mol
9.08 Kcal/mol.
0.2688 (gas ideal), 0.4709 (líquido a 1 atm)

Es muy inflamable por lo que sus vapores pueden llegar a un
punto de ignición, prenderse y transportar el fuego hacia el
material que los originó. También, pueden explotar si se
prenden en un área cerrada y generar mezclas explosivas e
inflamables rápidamente con el aire a temperatura ambiente.
Evitar las descargas estáticas.
La toxicología de este producto es similar a la del benceno, sin
embargo el tolueno no genera los trastornos crónicos a la sangre
que se han presentado con el uso del primero. Su toxicidad es
moderada. Su principal metabolito es el ácido benzoico, el cual
se conjuga con la glicina en el hígado y se excreta por medio de
la orina como ácido hipúrico. El seguimiento de este último
producto, sirve para determinar niveles de exposición de
trabajadores. El abuso de este producto provoca daño al hígado,
pulmones y disfunción cerebral.
85
APÉNDICE 5

Propiedades y toxicología del Biaril

BIARIL

Nombre químico

Biaril

Fórmula

C12H10

Sinónimos

Difenilo/ Fenilbenceno/ Dibenceno

Densidad

1.602 g/cm3

Punto de ebullición
Densidad relativa de vapor
Solubilidad en agua
Punto de ebullición
Punto de fusión
Peso molecular
Aspecto y color

257° C
(aire=1): 5.3
Ninguna.
256ºC
70ºC
154.2
Cristales o copos blancos.

La sustancia se descompone al calentarla
intensamente. Reacciona con oxidantes.
Estabilidad y
reactividad

Condiciones que deben evitarse: Evitar la
mezcla de polvo con el aire.
Materiales a evitar: Oxidantes.
Productos de descomposición: Vapores y gases
de combustión.

86
APÉNDICE 5

Información toxicológica
Efectos agudos
Contacto con la piel
Contacto con los ojos

Inhalación

Ingestión

Efectos crónicos

No hay información disponible. No hay información disponible.
Enrojecimiento, dolor.

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Tos, náuseas, vómitos.

La sustancia puede afectar al
hígado y al sistema nervioso,
dando lugar a alteracviones
funcionales.

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La sustancia puede afectar al
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dando lugar a alteraciones
funcionales.

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BIBLIOGRAFIA

1. Guo et al. Bioorg. Med.Chem. Lett. 2004, 14, 1713-1716
2. Faghih et al. Bioorg. Med.Chem. Lett. 2003, 13, 1325-1328
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México.
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carbapalladacycle complex as heterogeneous catalyst for Suzuki crosscoupling, Journal of Catalysis.
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1995, 95, 2457

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Síntesis de biariles mediante la reacción de Suzuki

  • 1. ÍNDICE Índice de figuras… ................................................................................................................. 7 Índice de tablas… ................................................................................................................... 8 Resumen ejecutivo.................................................................................................................. 9 1. Introducción….................................................................................................................. 10 2. Objetivos……................................................................................................................... 12 2.1 Objetivo general ................................................................................................. 13 2.2 Objetivos particulares ........................................................................................ 13 3. Generalidades ……………………………………………………………………………14 4. Experimentación............................................................................................................... 20 4.1 Objetivos experimentales ................................................................................... 21 4.2 Metodología experimental................................................................................. 22 4.2.1 Preparación de soportes ................................................................................... 22 4.2.2 Preparación de catalizadores ........................................................................... 22 4.2.2.1 Catalizadores de paladio................................................................ 22 4.2.2.2 Catalizadores de oro ...................................................................... 22 4.2.3 Evaluación de catalizadores en la reacción .................................................... 23 4.2.3.1 Evaluación de catalizadores de paladio ....................................... 23 4.2.3.2 Evaluación de catalizadores de oro ............................................. 23 4.2.3.3 Otras reacciones realizadas............................................................ 24 5. Resultados…..................................................................................................................... 25 5.1 Caracterización de los soportes .......................................................................... 26 5.1.1 Fisisorción de nitrógeno ................................................................... 26 5.1.2 Difracción de rayos x........................................................................ 27 5.2 Caracterización de los catalizadores................................................................... 28 5.2.1 Fisisorción de nitrógeno ................................................................... 28 5.2.2. Absorción atómica........................................................................... 29 5.2.3 Microscopía electrónica de transmisión ........................................... 29 4
  • 2. ÍNDICE 5.3 Evaluación de catalizadores en la reacción de suzuki ........................................ 31 5.3.1 Evaluación de catalizadores de paladio ............................................ 31 5.3.2 Evaluación de catalizadores de oro .................................................. 33 5.3.3 Resultados de otras reacciones ......................................................... 35 5.4 Conclusiones de la parte experimental ............................................................... 37 6. Cinética de la reacción...................................................................................................... 38 7. Diseño de la planta ........................................................................................................... 42 7.1 Ubicación de la planta ........................................................................................ 43 7.2 Descripción de la planta para la producción de biariles ..................................... 44 7.3 Descripción del proceso para la planta de biariles ............................................. 46 8. Diseño de los equipos ....................................................................................................... 49 8.1 Diseño del reactor............................................................................................... 50 8.1.1 Dimensiones del reactor .................................................................. 51 8.2 Dimensiones de los filtros ................................................................................. 52 8.3 Dimensiones de los tanques de almacenamiento............................................... 53 8.4 Dimensiones del intercambiador de calor ......................................................... 53 8.5 Dimensiones de la columna cromatográfica....................................................... 54 8.6 Diseño de accesorios .......................................................................................... 54 8.6.1 Diseño de la tubería .......................................................................... 54 8.6.2 Potencia de las bombas..................................................................... 56 8.6.3.Válvulas ............................................................................................ 56 8.6.4 Medidores ......................................................................................... 56 8.6.5 Equipo de laboratorio ....................................................................... 57 9. Análisis de costos ............................................................................................................. 58 9.1 Costo de la estructura de la planta ...................................................................... 59 9.2 Costo de producción de catalizador.................................................................... 59 9.3 Potencial económico........................................................................................... 60 9.4 Costos de equipo................................................................................................. 60 5
  • 3. ÍNDICE 9.5 Costos de servicios ............................................................................................. 62 9.5.1 Costos de servicios en el proceso .................................................... 62 9.5.2 Costos de servicios en las instalaciones .......................................... 62 9.6 Salarios de trabajadores ...................................................................................... 63 9.7 Costos totales...................................................................................................... 64 9.7.1 Costos de inversión........................................................................... 64 9.7.2 Costos mensuales.............................................................................. 64 9.8 Análisis económico de factibilidad del proyecto................................................ 65 10. Seguridad en la planta .................................................................................................... 66 11. Consideraciones ambientales.......................................................................................... 68 11. 1 Normas ambientales para el biaril ................................................................... 69 11. 2 Normas ambientales para el tolueno................................................................ 70 12. Conclusiones................................................................................................................... 71 Apéndices…..…. .................................................................................................................. 73 Apéndice 1…..….................................................................................................................. 74 Apéndice 2……................................................................................................................... 75 A2.1 Dimensionamiento del reactor......................................................................... 75 A2.2 Dimensionamiento de los tanques de almacenamiento ................................... 76 A2.3 Dimensionamiento del intercambiador de calor .............................................. 77 Apéndice 3……................................................................................................................... 79 Apéndice 4………............................................................................................................... 80 Bibliografía…....................................................................................................................... 88 6
  • 4. ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1.Compuestos biarílicos con aplicaciones farmacéuticas ....................................... 11 Figura 2.Reacción de homoacoplamiento de Suzuki. .......................................................... 17 Figura 3.Transmetalación del ácido fenilborónico en la superficie del catalizador ............. 17 Figura 4.Mecanismo de reacción del homoacoplamiento de Suzuki para el catalizador de paladio............................................................................................................... 18 Figura 5.Mecanismo de reacción del homoacoplamiento de Suzuki para el catalizador de oro. .................................................................................................................... 19 Figura 6. Sistema de reacción para el homoacoplamiento de Suzuki .................................. 24 Figura 7. Difractograma de rayos X de CeO2, TiO2 y ZrO2 ................................................. 27 Figura 8. Imágenes de TEM: a) Pd/ TiO2 nanocristalino y b) Au/TiO2 nanocristalino ....... 30 Figura 9. Reacción de homoacoplamiento de Suzuki con paladio ....................................... 31 Figura 10.Selectividad para el homoacoplamiento de Suzuki con paladio ......................... 32 Figura 11. Reacción de homoacoplamiento de Suzuki con oro ........................................... 33 Figura 12. Selectividad para el homoacoplamiento de Suzuki con oro............................... 34 Figura 13. Cálculo de n y k para la cinética de reacción de Suzuki ..................................... 41 Figura 14. Ubicación de la planta de biariles ....................................................................... 43 Figura 15. Esquema de la planta para la producción de biariles .......................................... 45 Figura 16. Esquema del proceso para la producción de biariles .......................................... 47 Figura 17. Balance de Materia en el reactor......................................................................... 48 Figura 18. Operación de un reactor batch............................................................................. 51 Figura 19. Esquema de las dimensiones del rector............................................................... 52 Figura 20. Filtro de bolsa...................................................................................................... 52 Figura 21. Intercambiador de calor de coraza ...................................................................... 53 Figura 22. Columna cromatográfica industrial..................................................................... 54 Figura 23. Longitud de tubería ............................................................................................. 55 Figura 24. Bomba ................................................................................................................. 56 Figura 25. Válvula de compuerta ......................................................................................... 56 7
  • 5. ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1. Resultados de fisisorción de nitrógeno................................................................... 26 Tabla 2. Resultados de Difracción de Rayos X .................................................................... 27 Tabla 3. Resultados de Fisisorción de nitrógeno de catalizadores nanocristalinos de oro y paladio ................................................................................................................. 28 Tabla 4. Resultados de absorción atómica de catalizadores nanocristalinos........................ 29 Tabla 5. Tamaño promedio de partícula obtenida mediante TEM ....................................... 30 Tabla 6. Comparación de catalizadores de Pd con soportes nanocristalino y convencional........................................................................................................... 35 Tabla 7. Comparación de catalizadores de Au con soportes nanocristalino y convencional........................................................................................................... 35 Tabla 8. Catalizadores de Au y Pd con soportes de sílica convencional............................ 36 Tabla 9. Reacción de Suzuki con diferentes condiciones de reacción catalizados con Au/TiO2 nanocristalino........................................................................................... 36 Tabla 10. Experimentos con catalizador recuperado de Au/TiO2 nanocristalino................. 37 Tabla 11. Costo de coloides para los catalizadores de Au/TiO2 y Au/ZrO2 nanocristalinos .. 39 Tabla 12. Balance de Materia de la Planta ........................................................................... 48 Tabla 13. Equipo de laboratorio ........................................................................................... 57 Tabla 14. Costos de Materia Prima para el Catalizador ....................................................... 59 Tabla 15. Costo del equipo de laboratorio............................................................................ 59 Tabla 16. Potencial económico para la producción de Biariles............................................ 60 Tabla 17. Costo del equipo principal.................................................................................... 61 Tabla 18. Costo del equipo menor........................................................................................ 61 Tabla 19. Costos de servicios en el proceso ......................................................................... 62 Tabla 20. Costos de servicios en las instalaciones ............................................................... 62 Tabla 21. Sueldo de los trabajadores de la empresa ............................................................. 63 Tabla 22. Costo total de inversión........................................................................................ 64 Tabla 23. Costos mensuales de la planta .............................................................................. 64 8
  • 6. RESUMEN EJECUTIVO La reacción de Suzuki (homoacoplamiento de ácidos borónicos con catalizador de paladio) es una de las reacciones más versátiles y utilizadas para la formación selectiva de enlaces carbono-carbono, en particular para la formación de compuestos biarílicos. El biaril se utiliza en productos farmacéuticos, herbicidas y productos naturales así como en polímeros conductores y materiales de cristales líquidos. El objetivo de este proyecto consistió en diseñar una planta química para la producción de biariles y realizar una evaluación económica para determinar la factibilidad de la misma. Para ello, se sintetizaron catalizadores de oro y paladio soportados en óxidos metálicos nanocristalinos de cerio, titanio y zirconio. Se observó que los catalizadores de oro son más activos y más selectivos que los de paladio y se eligió el catalizador de Au/TiO2 nanocristalino por presentar mejores propiedades para llevar a cabo el dimensionamiento del reactor y posteriormente el de la planta. Se calculó la Tasa Interna de Retorno (TIR) resultando ser mayor que la Tasa de Rendimiento Mínima Aceptable (TREMA), por lo que se concluye que la implementación de la planta para producir biariles es económicamente factible. 9
  • 8. 1. INTRODUCCIÓN La reacción de Suzuki (homoacoplamiento de ácidos borónicos con catalizador de paladio) es una de las reacciones más versátiles y utilizadas para la formación selectiva de enlaces carbono-carbono, en particular para la formación de compuestos biarílicos. El biaril se utiliza en productos farmacéuticos (anti-inflamatorios, antirreumáticos, antitumorales, antihipertensivos, etc.), herbicidas y productos naturales así como en polímeros conductores y materiales de cristales líquidos. Además presentan el potencial para atacar la infertilidad actuando como una hormona receptora1. También atacan a la histamina que se encuentra en el sistema nervioso central y por eso se utilizan para eliminar desórdenes neurológicos como la enfermedad del Alzheimer, del Parkinson y la epilepsia 2. Asimismo han mostrado actividad antibacterial3, actividad biológica e inhibición de la sobreproducción de leucocitos en un sitio donde ha ocurrido una infección4. En la Figura 1 se muestran algunos ejemplos de compuestos biarílicos. Figura 1. Compuestos biarílicos con aplicaciones farmacéuticas La reacción de homoacoplamiento de Suzuki es favorable para crear estos compuestos biarílicos debido a las condiciones flexibles de reacción, disponibilidad comercial de ácidos borónicos (principal materia prima), eficiencia de reacción y compatibilidad con muchos grupos funcionales presentes en los ácidos. La reacción de Suzuki sintetiza biariles por homoacoplamiento catalítico de ácidos fenilborónicos usando catálisis de paladio(0), debido a que tiene la propiedad de reducirse y oxidarse en dos electrones, y efectuar una transmetalación5. 11
  • 10. 2. OBJETIVOS 2. 1 Objetivo general Diseñar una planta química para la producción de compuestos biarílicos que cumpla con las normas de seguridad y normas ambientales establecidas por el Gobierno de la República Mexicana. Además realizar una evaluación económica para determinar si el proyecto es rentable económicamente. 2.2 Objetivos particulares Sintetizar catalizadores y evaluarlos en la reacción de homoacoplamiento de Suzuki. Determinar el catalizador más adecuado y producirlo en cantidades necesarias para satisfacer la producción de biariles en la planta. Obtener la cinética de la reacción de homoacoplamiento de Suzuki para llevar a cabo el diseño del reactor utilizado en la planta. Diseñar y dimensionalizar los equipos requeridos en el proceso tomando como base el equipo utilizado en el laboratorio. 13
  • 12. 3. GENERALIDADES La primera síntesis de biariles por homoacoplamiento de ácidos arilborónicos fue realizada en 1995 por Suzuki y Miyaura6. Desde entonces se denomina reacción de Suzuki o acoplamiento de Suzuki-Miyaura. Los primeros acoplamientos que se llevaron a cabo consistieron en la condensación de ácido fenilborónico con varios haluros de arilo utilizando como catalizador paladio fosfatado. Los catalizadores de paladio con ligandos tipo fosfina se utilizan para esta reacción porque son estables bajo un calentamiento prolongado5. Sin embargo, también se obtienen buenos resultados en los acoplamientos utilizando catalizadores de Pd(OAc)2. Posteriormente se han introducido numerosas modificaciones en este procedimiento original, como por ejemplo el uso de otros catalizadores de paladio como PdCl2 fosfatado u otros sin ligandos tipo fosfina. Por otra parte, se han utilizado otras bases como trietilamina, bicarbonato sódico y carbonato de cesio o de tántalo. Además se han empleado diferentes disolventes, como dimetoxietano, dimetileter, acetona, etc. Desde 1986 se empezó a experimentar con materiales que tienen el tamaño del cristal menor a cincuenta nanómetros (nanocristales). Catalizadores soportados en estructuras nanocristalinas se emplean para aumentar la reactividad de la reacción de homoacoplamiento de Suzuki. Estudios realizados7 han demostrado que los catalizadores soportados en óxidos metálicos nanocristalinos mejoran la conversión en esta reacción, debido a que presentan una estructura más ordenada, un área superficial mayor y es posible controlar su tamaño de poro. Avelino Corma, Javier Guzmán y Silvio Carrettin7 llevaron a cabo la reacción 15
  • 13. 3. GENERALIDADES entre p-iodobenzofenona y ácido fenilborónico para probar la reactividad de oro soportado en óxido de cerio nanocristalino para la reacción de acoplamiento cruzado. Observaron que todo el ácido fenilborónico se convirtió a biaril (homoacoplamiento) y el producto del acoplamiento cruzado fue obtenido en muy pocas cantidades (<0.5%). Con base en los antecedentes, en este proyecto se evaluó la reactividad tanto de oro como de paladio soportados en diferentes óxidos metálicos nanocristalinos. Los soportes utilizados en este proyecto fueron óxido de cerio, óxido de titanio y óxido de zirconio, todos metales de transición. El óxido de cerio (CeO2) es de carácter básico y tiene propiedades reductoras y oxidantes; funciona como reservorio de oxígeno (almacena y libera O2) y permite que éste se mueva con facilidad dentro del mismo soporte. El óxido de titanio (TiO2) presenta propiedades anfóteras, es resistente a ácidos, álcalis, gases corrosivos, atmósferas reductoras y gran número de sustancias orgánicas. El óxido de zirconio (ZrO2) también es de carácter anfótero y tiene propiedades oxidantes y reductoras. El paladio ofrece numerosas posibilidades en la formación de diferentes tipos de enlace carbono – carbono, además no es sensible al oxígeno, a la humedad ni al medio ácido. Sin embargo, las reacciones catalizadas con paladio deben ser llevadas a cabo de forma cuidadosa y en general a alta temperatura. Dentro del área de catálisis homogénea uno de los metales menos empleados, pero con grandes posibilidades en cuanto a sus posibilidades como catalizador, es el oro en sus distintos estados de oxidación. 16
  • 14. 3. GENERALIDADES La reacción de homoacoplamiento del ácido fenilborónico en presencia de un catalizador fue llevada a cabo a una temperatura de 60 ºC y presión atmosférica. La reacción se muestra en la Figura 2. Figura 2.Reacción de homoacoplamiento de Suzuki. Dos moléculas de ácido fenilborónico realizan una transmetalación con el catalizador (Figura 3) en medio básico, obteniendo una molécula de biaril (producto) y la formación de 2 moléculas de ácido metabórico e hidrógeno molecular (Figura 2). Figura 3.Transmetalación del ácido fenilborónico en la superficie del catalizador 17
  • 15. 3. GENERALIDADES El homoacoplamiento de ácido fenilborónico usando catalizadores de Pd(0) se ha convertido en una herramienta sintética útil en la preparación de biariles simétricamente sustituidos. El metal se introduce en el ciclo catalítico como Pd(II) y se reduce formando la especie Pd(0) con ayuda del soporte. El Pd(0) se vuelve a oxidar a Pd (II) cumpliendo con un ciclo redox (Figura 4). Figura 4.Mecanismo de reacción del homoacoplamiento de Suzuki para el catalizador de paladio5. 18
  • 16. 3. GENERALIDADES El homoacoplamiento de ácido fenilborónico usando catalizadores de oro se lleva acabo del mismo modo que cuando se usa paladio, en donde el oro se reduce de Au (III) a Au (I), volviéndose a oxidar cumpliendo un ciclo redox de dos electrones, como se muestra en la Figura 5. Figura 5.Mecanismo de reacción del homoacoplamiento de Suzuki para el catalizador de oro. 19
  • 18. 4. EXPERIMENTACIÓN 4.1 Objetivos experimentales Sintetizar soportes nanocristalinos de óxido de cerio (CeO2), óxido de titanio (TiO2) y óxido de zirconio (ZrO2) y caracterizar sus propiedades tales como cristalinidad, tamaño de poro, volumen de poro y área superficial. Inmovilizar oro y paladio en los soportes nanocristalinos mediante la técnica de co-precipitación y caracterizar sus propiedades. Evaluar la reactividad de cada uno de los sistemas soporte-metal, mediante la reacción de homoacoplamiento de Suzuki. Comparar reactividad de catalizadores nanocristalinos con catalizadores convencionales en la reacción de Suzuki. Elegir el mejor catalizador (con base en velocidad de reacción y selectividad) y obtener la cinética de reacción. 21
  • 19. 4. EXPERIMENTACIÓN 4.2 Metodología experimental 4.2.1 Preparación de soportes Se sintetizaron soportes nanocristalinos de óxido de Cerio (CeO2), óxido de titanio (TiO2) y óxido de zirconio (ZrO2) a partir de 150 ml de una solución coloidal que contenía partículas de óxidos en el intervalo de 5 a 20 nm. Los óxidos fueron calcinados a una temperatura de 400ºC, con una rampa de 3°/min, y por un tiempo de 16 horas. Se caracterizaron sus propiedades por difracción de rayos X (cristalinidad) y por adsorción de N2 (área superficial, volumen y diámetro de poro). 4.2.2 Preparación de catalizadores 4.2.2.1 Catalizadores de Paladio Se inmovilizó 1% en peso de paladio en los soportes nanocristalinos mediante la técnica de co-precipitación. Se utilizaron 0.0513 g del precursor de nitrato de paladio hidratado (Pd(NO3)2 ·H2O) y 1.98 g de óxido. Se mantuvo el pH constante igual a 9 utilizando una solución 0.2M de NaOH y se agitó durante 18 horas. Se caracterizaron sus propiedades por adsorción de N2 (área superficial, volumen y diámetro de poro), absorción atómica (% del metal en el soporte) y microscopía de transmisión electrónica (TEM). 4.2.2.2 Catalizadores de Oro Se inmovilizó 1% en peso de oro en los soportes nanocristalinos mediante la técnica de co-precipitación. Se utilizaron 0.207 g del precursor de ácido cloroaurico (HAuCl4) y 1.98g de óxido. Se mantuvo el pH constante igual a 9 utilizando una solución 0.2 M de 22
  • 20. 4. EXPERIMENTACIÓN NaOH y se agitó durante 18 horas. Se caracterizaron sus propiedades por adsorción de N2 (área superficial, volumen y diámetro de poro) y absorción atómica (% del metal en el soporte) y microscopía de transmisión electrónica (TEM). 4.2.3 Evaluación de Catalizadores en la reacción Todas las reacciones se llevaron a cabo a una temperatura de 60 °C, presión atmosférica y agitación constante. Para caracterizar los productos se utilizó un cromatógrafo de gases acoplado a un espectrómetro de masas. 4.2.3.1 Evaluación de Catalizadores de Paladio Se utilizó un matraz bola de 10 ml con un sistema de reflujo (Figura 6) y se adicionaron 0.045g de ácido fenilborónico, 0.069g de K2CO3, y 100 mg de catalizador nanocristalino de Pd/CeO2 con el 1% de metal inmovilizado, en 5 ml de tolueno. Las mismas cantidades se utilizan para los catalizadores de Pd/TiO2 y Pd/ZrO2. 4.2.3.2 Evaluación de Catalizadores de Oro Se utilizó un matraz bola de 10 ml con un sistema de reflujo (Figura 6) y se adicionaron 0.0124g de ácido fenilborónico, 0.018g de K2CO3, y 100 mg de catalizador nanocristalino de Au/CeO2 con el 1% de metal inmovilizado, en 5 ml de tolueno. Las mismas cantidades se utilizan para los catalizadores de Au/TiO2 y Au/ZrO2 23
  • 21. 4. EXPERIMENTACIÓN . Figura 6. Sistema de reacción para el homoacoplamiento de Suzuki 4.2.3.3 Otras reacciones realizadas Para comparar el efecto que tiene el soporte nanocristalino con respecto al soporte convencional, se llevaron a cabo otras reacciones utilizando soportes convencionales de CeO2, TiO2 y ZrO2. También para confirmar que el catalizador necesita un soporte con un metal de transición, se utilizó SiO2, donde Si no es un metal de transición. Además, para comprobar que la base (K2O3) era necesaria se efectuó una reacción sin base. Asimismo, se realizó una reacción sin catalizador y una con la mitad de catalizador para verificar que la cantidad utilizada era la indispensable. Y con el propósito de verificar que el catalizador no se desactiva, se llevaron a cabo cinco reacciones recuperando el catalizador y reutilizándolo en la siguiente reacción consecutiva. 24
  • 23. 5. RESULTADOS 5.1 Caracterización de los soportes 5.1.1 Fisisorción de Nitrógeno Se utilizó el equipo de adsorción de nitrógeno MICROMERITICS modelo Autosorb 2100 E para determinar el área superficial, el volumen y el diámetro de poro de los soportes nanocristalinos sintetizados (Ver Tabla 1), así como la isoterma de adsorción – desorción (Ver Apéndice 1). La IUPAC reconoce tres tipos de poros dependiendo de su tamaño, si son mayores de 50 nm se conocen como macroporos, si su diámetro está comprendido entre 2 y 50 nm se trata de mesoporos y si son menores de 2 nm son microporos. Tabla 1. Resultados de fisisorción de nitrógeno Soportes Nanocristalinos Sintetizados Propiedad CeO2 Área Superficial (m2/g) 3 Volumen de poro (cm /g) Diámetro de poro (nm) TiO2 ZrO2 104 39 72 0.286 11 0.329 34 0.352 20 Por la definición anterior y con base en la Tabla 1, los catalizadores sintetizados son mesoporosos y su área superficial se encuentra dentro del intervalo de los nanocristales reportados en la literatura (30-110 m2 /g), por lo tanto se concluye que los tres soportes son nanocristalinos. 26
  • 24. 5. RESULTADOS 5.1.2 Difracción de Rayos X Los soportes nanocristalinos fueron caracterizados mediante difracción de rayos X en un equipo SIEMENS modelo Kristalloflex D500, para conocer su fase cristalina (Ver Tabla 2) y se calculó, con base en el difractograma (Ver Figura 7) el porcentaje que se tiene de cada fase para los soportes de titanio y zirconio. Tabla 2. Resultados de Difracción de Rayos X Soportes Nanocristalinos Sintetizados Propiedad CeO2 ZrO2 Fluorita Cúbica Fases Cristalinas TiO2 75 % Anatasa 25 % Rutilo 53% Badeleyita 47% Tetragonal De la tabla 2 se puede observar que la fase cristalina que presentan los soportes de titanio y zirconio se debería de observar a una temperatura mayor de calcinación, por lo que se deduce que la estructura ya esta definida por el coloide CeO2 ZrO2 TiO2 Figura 7. Difractograma de rayos X de CeO2, TiO2 y ZrO2 27
  • 25. 5. RESULTADOS 5.2 Caracterización de los catalizadores 5.2.1 Fisisorción de Nitrógeno Una vez inmovilizado el metal en el soporte nanocristalino, se realizó la caracterización del área superficial y volumen y diámetro de poro por el método de fisisorción de nitrógeno. Los resultados se muestran en la Tabla 3. Tabla 3. Resultados de Fisisorción de nitrógeno de catalizadores nanocristalinos de oro y paladio Catalizadores Nanocristalinos Sintetizados Propiedad Pd/CeO2 Pd/TiO2 Pd/ZrO2 Au/CeO2 Au/TiO2 Au/ZrO2 Área Superficial (m2/g) 100 64 42 80 72 70 Volumen de poro (cm3/g) 0.268 0.293 0.349 0.320 0.349 0.342 Diámetro de poro (nm) 11 15 33 36 20 17 Comparando los resultados de la Tabla 3 con la Tabla 1, se observa que al inmovilizar el metal en los soportes de cerio y zirconio, el área superficial disminuye. Mientras que al inmovilizar el metal en el soporte de titanio ésta aumenta. También se observa que el diámetro de poro de todos los catalizadores sigue estando dentro del intervalo de los nanocristales (2 – 50 nm). 28
  • 26. 5. RESULTADOS 5.2.2. Absorción atómica Para conocer la cantidad de metal inmovilizado en los soportes, se realizó una caracterización de absorción atómica con un espectrofotómetro de absorción atómica Varian modelo SpectrAA. Los resultados se muestran en la Tabla 4. Tabla 4. Resultados de absorción atómica de catalizadores nanocristalinos. Catalizadores nanocristalinos sintetizados Propiedad Pd/CeO2 % de metal inmovilizado Pd/TiO2 Pd/ZrO2 Au/CeO2 Au/TiO2 Au/ZrO2 0.96 0.54 0.72 0.99 0.49 0.66 Los resultados indican que se inmovilizó menos del porcentaje de metal teórico que se esperaba tener. Los catalizadores con CeO2 tienen el mayor porcentaje de metal inmovilizado, mientras que los de TiO2 tienen la mitad del metal que debió haber estado presente. Sin embargo, se observa que los catalizadores con TiO2 aumentaron su área superficial, a pesar de tener tan poco metal inmovilizado. Esto indica que se podría trabajar con menores cantidades de precursor para inmovilizar el metal en TiO2 y obtener buenas áreas superficiales. 5.2.3 Microscopía Electrónica de Transmisión Mediante la técnica de DRX no se pudo determinar el tamaño de cristal del metal soportado por lo que se realizó otra técnica llamada Microscopía de Transmisión Electrónica (TEM) 29
  • 27. 5. RESULTADOS con un microscopio de transmisión Zeiss, modelo EM-910. En la Figura 8 se observa que la morfología entre distintos metales con el mismo soporte es la misma. Se calculó el tamaño promedio de partícula con base en una escala. Los resultados se presentan en la Tabla 5. a) b) 50 nm 50 nm Figura 8. Imágenes de TEM: a) Pd/ TiO2 nanocristalino y b) Au/TiO2 nanocristalino Tabla 5. Tamaño promedio de partícula obtenida mediante TEM Propiedad Catalizadores nanocristalinos Sintetizados CeO2 Tamaño promedio de partícula (nm) TiO2 ZrO2 45 32 40 De estos resultados se puede deducir que el precursor coloidal garantiza obtener soportes con tamaño de partícula entre 2 y 50 nm, que es el intervalo aceptado para decir que se tienen partículas nanocristalinas. 30
  • 28. 5. RESULTADOS 5.3 Evaluación de catalizadores en la reacción de Suzuki 5.3.1 Evaluación de catalizadores de Paladio Se evaluaron los 3 catalizadores de paladio en la reacción de homoacoplamiento de Suzuki. Los resultados se muestran en la Figura 9, donde se observa que se alcanza la conversión del 100% en aproximadamente 15 horas de reacción. El catalizador nanocristalino de Pd/TiO2 presenta mayor actividad para el homoacoplamiento en estas condiciones. 1 Conversión 0.8 0.6 0.4 Pd/TiO2 Nanocristalino Pd/ZrO2 Nanocristalino Pd/CeO2 Nanocristalino 0.2 0 0 3 6 9 12 15 Tiempo (h) Figura 9. Reacción de homoacoplamiento de Suzuki con paladio 31
  • 29. 5. RESULTADOS En la Figura 10 se muestra la selectividad de los catalizadores en la reacción. 100 90 80 79 83 75 Selectividad 70 1 60 2 50 3 40 1 2 Pd/ZrO2 Nanocristalino Pd/CeO2 Nanocristalino Pd/TiO2 Nanocristalino 3 30 15 17 17 20 7 1 2 2 3 0 Biaril 8 1 10 Benceno 0 Fenol 1 Figura 10.Selectividad para el homoacoplamiento de Suzuki con paladio Con los catalizadores de paladio se observa que se generan subproductos no deseados, como el benceno, que es una sustancia altamente cancerígena. De los tres catalizadores, el más selectivo fue el de Pd/TiO2, con un 83% de formación de biaril. 32
  • 30. 5. RESULTADOS 5.3.2 Evaluación de catalizadores de Oro Se evaluaron los 3 catalizadores de oro en la reacción de homoacoplamiento de Suzuki. Los resultados se muestran en la Figura 11, donde se observa que se alcanza la conversión del 100% en aproximadamente 4 horas de reacción. Los tres catalizadores nanocristalinos presentan gran actividad para el homoacoplamiento en estas condiciones, siendo un poco más activo el de Au/ZrO2. 1 Conversión 0.8 0.6 Au/ZrO2 Nanocristalino Au/TiO2 Nanocristalino Au/CeO2 Nanocristalino 0.4 0.2 0 0 3 6 9 12 15 Tiempo (hr) Figura 11. Reacción de homoacoplamiento de Suzuki con oro 33
  • 31. 5. RESULTADOS En la Figura 12 se puede observar que todos los catalizadores son 100% selectivos para la formación de biaril, a diferencia de los catalizadores de paladio. 100 100 100 100 90 80 1 2 Au/ZrO2 Nanocristalino Au/TiO2 Nanocristalino 3 Au/CeO2 Nanocristalino Selectividad 70 60 50 1 2 3 40 30 20 10 0 0 Biaril 0 0 Benceno 0 0 0 Fenol Figura 12. Selectividad para el homoacoplamiento de Suzuki con oro 34
  • 32. 5. RESULTADOS 5.3.3 Resultados de otras reacciones En la Tabla 6 y la Tabla 7 se observa que se obtiene una mayor conversión para soportes nanocristalinos durante el mismo tiempo de reacción. Tabla 6. Comparación de catalizadores de Pd con soportes nanocristalino y convencional Catalizador % Conversión para 4 horas Pd/CeO2 nanocristalino 28.24 Pd/CeO2 convencional 18.04 Pd/TiO2 nanocristalino 82.81 Pd/TiO2 convencional 36.61 Pd/ZrO2 nanocristalino 64.38 Pd/ZrO2 convencional 46.58 Tabla 7. Comparación de catalizadores de Au con soportes nanocristalino y convencional Catalizador % Conversión para 4 horas Au/CeO2 nanocristalino 98 Au/CeO2 convencional 87 Au/TiO2 nanocristalino 100 Au/TiO2 convencional 75.33 Au/ZrO2 nanocristalino 100 Au/ZrO2 convencional 75 35
  • 33. 5. RESULTADOS En la Tabla 8 se presentan resultados de la reacción con catalizadores soportados en un óxido cuyo metal no es de transición. Se observa que el oro no presenta actividad. Tabla 8. Catalizadores de Au y Pd con soportes de sílica convencional Catalizador % Conversión para 4 horas Pd/SiO2 convencional 51.87 Au/SiO2 convencional 0 En la Tabla 9 se muestran los resultados de la reacción de Suzuki con catalizador de Au/TiO2 nanocristalino a diferentes condiciones. Se puede apreciar que la base es indispensable para llevar a cabo el homoacoplamiento, pues al no agregarla, se obtiene una conversión muy baja en comparación con el 100% que se obtiene si está presente. También se observa que el catalizador se requiere forzosamente en la reacción para obtener conversiones, y que la conversión depende de la cantidad de catalizador utilizada. Tabla 9. Reacción de Suzuki con diferentes condiciones de reacción catalizados con Au/TiO2 nanocristalino Catalizador % Conversión para 4 horas Reacción sin base 12.22 Reacción mitad catalizador 69.15 Reacción sin catalizador 0 36
  • 34. 5. RESULTADOS Se realizaron 5 reacciones con catalizador recuperado (Ver Tabla 10), dando como resultado que el catalizador no se desactiva. Tabla 10. Experimentos con catalizador recuperado de Au/TiO2 nanocristalino Catalizador % Conversión para 4 horas 1a Reacción 100 2a Reacción con catalizador recuperado de la primera reacción 100 3a Reacción con catalizador recuperado de la segunda reacción 100 4a Reacción con catalizador recuperado de la tercera reacción 100 5a Reacción con catalizador recuperado de la cuarta reacción 100 5.4 Conclusiones de la parte experimental Mediante las diferentes técnicas de caracterización, se pudo comprobar que los catalizadores sintetizados fueron nanocristalinos. En general, todos los catalizadores con soportes nanocristalinos presentaron mayor actividad que los catalizadores soportados en óxidos convencionales. Además, con base en los resultados obtenidos, se puede concluir que los catalizadores de oro presentan mayor actividad y mayor selectividad para la reacción de Suzuki que los catalizadores de paladio. 37
  • 35. 6. CINÉTICA DE LA REACCIÓN 38
  • 36. 6. CINÉTICA DE LA REACCIÓN Para el diseño de la planta se eligió uno de los 3 catalizadores nanocristalinos de oro, por ser los que presentaron mayor actividad y selectividad en comparación con los de paladio y de éste se obtuvo la cinética de reacción. Para la elección del catalizador de oro se evaluaron las propiedades de los soportes y su reactividad en el homoacoplamiento de Suzuki, presentando mejores características los catalizadores de Au/TiO2 y Au/ZrO2 nanocristalinos. Para elegir uno de los dos anteriores se tomó en cuenta el precio del coloide de cada óxido. En la Tabla 11 se muestra el precio de los coloides. Tabla 11. Costo de coloides para los catalizadores de Au/TiO2 y Au/ZrO2 nanocristalinos Catalizador Materia prima para el catalizador Precio (USD/L) Au/TiO2 Coloide de TiO2 874 Au/ZrO2 Coloide de ZrO2 1205 Como se puede observar la materia prima más económica es la del coloide de TiO2, por lo tanto, se tomó la decisión de utilizar el catalizador de Au/TiO2 nanocristalino para el diseño de la planta. 39
  • 37. 6. CINÉTICA DE LA REACCIÓN Los mecanismos de reacción permiten modelar en forma coherente y dar una explicación del modo en que interactúan las moléculas para formar los productos, de manera que las velocidades experimentales se ajusten a una predicción teórica. Para elaborar un mecanismo de reacción es necesario identificar las sustancias intermediarias del proceso o bien posibles radicales que se formen. Esta tarea es compleja. Elaborar un mecanismo de reacción que satisfaga las condiciones anteriores y que además prediga un posible valor de la energía de activación del sistema es muy complicado y puede incluso no tener una solución de corto plazo. Por lo tanto es aceptable ajustar la velocidad de reacción obtenida experimentalmente a un modelo lineal como una buena aproximación. Por lo mencionado anteriormente, la cinética se obtuvo a partir de los datos experimentales de la reacción con catalizador de Au/TiO2 nanocristalino, utilizando el modelo para un reactor tipo batch: ln(−rA ) = n ln(C A ) + ln(k ) …………………………. (1) Dado que el fin de este trabajo fue encontrar la máxima conversión, no se realizaron estudios detallados acerca del mecanismo heterogéneo considerando un reactor homogéneo para fines prácticos, sin embargo hay efectos de transferencia de masa que deben ser tema de interés para estudios más avanzados. 40
  • 38. 6. CINÉTICA DE LA REACCIÓN Se determinó la constante cinética y el orden de reacción al graficar ln (-rA) vs ln CA (Figura 13). 0 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 -2 y = 1.4668 x + 3.1771 2 R = 0.9985 ln -(rA) -4 -6 -8 -10 -12 ln CA Figura 13. Cálculo de n y k para la cinética de reacción de Suzuki De la Fig. 13, se observa que n = 1.4668 ≈ 1.5 y que ln k = 3.1771, por lo que k = 23.977≈ 0.5 ⎛ l ⎞ −1 24 ⎜ ⎟ h . De este modo, la cinética de reacción queda determinada por la Ecuación 2. ⎝ mol ⎠ (−rA ) = 24 CA 1.5 ……………………….…… (2) -rA [=] mol / l h; CA [=] mol / l Por las condiciones de la reacción se obtuvieron pocos datos experimentales para calcular la cinética y no se llevaron a cabo experimentos a bajas conversiones. Por lo anterior, no se puede asegurar que el orden de reacción obtenido sea el que realmente describe la ecuación cinética de la reacción de homoacoplamiento de Suzuki. Sin embargo se utiliza este orden de reacción como una aproximación para el diseño del reactor. Se propone seguir llevando a cabo la experimentación para comprobar el orden de reacción. 41
  • 39. 7. DISEÑO DE LA PLANTA 42
  • 40. 7. DISEÑO DE LA PLANTA 7.1 Ubicación de la planta La planta para la producción de biariles estará ubicada en la delegación de Xochimilco (Figura 14) en la Ciudad de México con un área superficial de 600 m2. Se eligió esta zona porque hay 300 laboratorios existentes en el país y por entidad destacan el Distrito Federal con el 51% del total; el Estado de México con 12% y Jalisco con 11%, entre los tres concentran casi el 75%, por lo que se puede notar que en el Distrito Federal se concentra la mayoría de las grandes farmacéuticas y porque es un terreno económico y cuenta con todos los servicios. Figura 14. Ubicación de la planta de biariles 43
  • 41. 7. DISEÑO DE LA PLANTA 7.2 Descripción de la planta para la producción de biariles El diseño de la planta para la producción de biariles se muestra en la Figura 15. El terreno tiene una superficie de 20 x 30 m2. En el área de operación se lleva a cabo el proceso para la producción de biariles y como se desea producir el catalizador a baja escala se dispone de un laboratorio, en donde también se realizarán pruebas de calidad del producto. Se cuenta con un almacén para materia prima y producto, así como un área de empaque para la venta final del mismo. Teniendo en cuenta que se deben cumplir normas de seguridad en la planta, los trabajadores deberán utilizar ropa adecuada para trabajar, por lo que es necesario un área de vestidores. La contabilidad y el control de procesos se llevarán a cabo en el área de oficinas, donde también se localizan los baños. Se contará con una caseta de vigilancia que labore las 24 horas del día. Asimismo, es necesario considerar áreas verdes para el mejor desempeño del personal y mejorar el ambiente de trabajo. 44
  • 42. Figura 15. Esquema de la planta para la producción de biariles 45
  • 43. 7. DISEÑO DE LA PLANTA 7.3 Descripción del proceso para la planta de biariles El diseño del proceso se muestra en la Figura 16. El reactor (R) se carga con el reactivo, la base y el catalizador y se alimenta tolueno recirculado que se bombea desde el Tanque (T3). La reacción se lleva a cabo a 60°C y 1 atm con una duración de 4 horas. Al término de la reacción se descarga el reactor y la mezcla pasa a través de un filtro (F1) para recuperar el catalizador, que será tratado térmicamente y utilizado en la próxima carga. La mezcla sin catalizador se bombea a un tanque de almacenamiento (T1) y posteriormente se bombea a un intercambiador de calor (INT) para enfriar la mezcla y lograr que precipite la base y el ácido metabórico que serán retenidos en el filtro (F2). La mezcla que contiene biaril y tolueno se manda a un tanque de almacenamiento (T2). Debido a que el producto requiere tener alta pureza, se bombea a una columna cromatográfica (CC) donde se extrae el biaril con acetato de etilo. El biaril se recuperará en un rotavapor. El tolueno se bombea a un tanque de almacenamiento (T3), donde se recircula al reactor. El tanque de almacenamiento (T4) contiene tolueno fresco para alimentar al tanque (T3). En el reactor se abre una válvula (VA9) donde se purga el hidrógeno resultante de la reacción. Este hidrógeno se quema con aire en un incinerador (CH), donde se efectúa la siguiente reacción: 2H2 + O2 2H2O. El balance de materia de toda la planta se muestra en la Tabla 12, y el balance en el reactor se muestra en la Figura 17. 46
  • 44. 7 14 VA8 VA6 B6 VA4 CC T4 13 1 T3 10 9 8 12 B5 VA7 catalizador nanocristalino 11 VA5 R CH B4 VA9 Serpentín VR = 1000 l 1 atm 60°C 3 VA1 60°C 2 60°C VA3 VA2 F2 B1 F1 catalizador nanocristalino recuperado 6 INT 35°C T2 4 T1 5 B3 B2 Figura 16. Esquema del proceso para la producción de biariles 47
  • 45. Tabla 12. Balance de Materia de la Planta BALANCE DE MATERIA DE LA PLANTA CORRIENTES DEL PROCESO COMPONENTES Entrada reactor R Entrada filtro F1 Entrada tanque T1 Entrada Entrada Salida columna filtro F2 filtro F2 cromat. Entrada columna cromat. Salida columna cromat. Entrada tanque T2 Entrada Entrada chimenea reactor R CH Entrada chimenea CH Salida chimenea CH 13 1 Ácido fenilborónico (121.93) K2CO3 (138) Tolueno (92) * Biaril (130) Ácido metabórico (43.8) H2 (2) O2 (32) N2 (28) H2O (18) Catalizador Acetato de etilo* 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 g g/min g/min g/min g/min L/min g/min L/min L/min g/min g/min g/min 115 32 50 28.5 115 32.0 50 28.5 115 32.0 50 28.5 115 32.0 32.0 1610 2300 640 32.0 50 1000 28.5 0.65 10.4 39.1 11.7 12987 649.35 1 1 * Corrientes con unidades de (l/min) 1583 g Ácido fenilborónico 2300 g K2CO3 12987 g Au/TiO2 640 L Tolueno 1000 g Biaril 570 g Ácido metabórico 13 g H2 2300 g K2CO3 12978 g Au/TiO2 640 L Tolueno Figura 17. Balance de Materia en el reactor 48
  • 46. 8. DISEÑO DE LOS EQUIPOS 49
  • 47. 8. DISEÑO DE LOS EQUIPOS 8.1 Diseño del Reactor Se consideró un reactor bifásico de suspensión porque el catalizador es sólido y se mantiene suspendido durante la reacción. Con la cinética obtenida y con el modelo de un reactor por lotes, se calculó el volumen del reactor. Se despreciaron los efectos de transferencia de masa porque se considera un tanque perfectamente mezclado, además la velocidad de agitación de la propela es de 360 rpm. x (t ) Ecuación de diseño: ∫ t = N A0 0 dx − rAV ………………………………………..…… (3) Resolviendo la ecuación de diseño, se tiene que el volumen esta dado por: N A0 V = t K NA0 (mol ) 12.9870 CA0 (mol /l ) 0.02083162 X 0.9900 1.5 C A0 ………………………… (4) 0.5 (1 − X A ) V reactor (L) 956.5838 0.5 V reactor (m3) 0.9566 V reactor real (m3) 1.1479 Para el diseño del reactor se consideró una conversión de 0.99, tomando en cuenta la producción de Biaril (ver Fig. 17) por carga del reactor y se obtuvo un volumen de 1.15 m3. Con tiempos de carga y descarga de 20 minutos cada uno. El material del reactor es de acero inoxidable porque se manejan sustancias corrosivas y se requiere que las esquinas sean redondeadas para evitar zonas muertas y acumulaciones. Se calculó la carga térmica del reactor = 4.5 x108 BTU/hr, lo cual indica que se necesita un reactor con transferencia de calor. En la Figura 18 se muestra la operación de un reactor de tamaño real y con un volumen aproximado al diseñado. 50
  • 48. 8. DISEÑO DE LOS EQUIPOS Figura 18. Operación de un reactor batch 8.1.1 Dimensiones del reactor Las dimensiones del reactor fueron obtenidas a partir de correlaciones8 los cálculos se muestran en el Apéndice 2. Diámetro del reactor 1.20 m Altura del reactor 1.00 m Diámetro de propela 0.40 m Altura de propela 0.30 m Ancho deflectores 0.10 m Grosor de propela 0.05 m Área serpentín 3.40 m2 Diámetro Serpentín 0.05 m Longitud Serpentín 21.71 m No. de vueltas Serpentín Potencia de agitación 27 1.0 hp 51
  • 49. 8. DISEÑO DE LOS EQUIPOS V = 1.15 m3 1m 0.8 m 0.7 m 0.575 m 0.05 m 0.3 m 0.4 m 0.1 m 1.2 m Figura 19. Esquema de las dimensiones del rector 8.2 Dimensiones de los filtros Se eligió un filtro de bolsa (Fig. 20), porque es el que mejor se ajusta a las condiciones de operación. Como se maneja un solvente aromático, se eligió una bolsa de poliéster con un tamaño de poro de 3 micras. Los filtros son de acero inoxidable. El tamaño del filtro está en función del caudal: 0.00054872 m3/s = 2 m3/hr Diámetro 24 cm Altura 52 cm Tipo de bolsa bolsa poliéster Tamaño de poro 3 micras Figura 20. Filtro de bolsa 52
  • 50. 8. DISEÑO DE LOS EQUIPOS 8.3 Dimensiones de los tanques de almacenamiento El material de los tanques de almacenamiento es acero inoxidable. Los cálculos se muestran en el Apéndice 2 y las dimensiones son las siguientes: TANQUES 4 DIAMETRO (m) 1 ALTURA (m) 1 8.4 Dimensiones del intercambiador de calor El intercambiador es de acero inoxidable y las dimensiones se muestran en la Figura 21. Los cálculos se muestran en el Apéndice 2. 1m Área total = 4.47 m2 = 48.11 ft2 40 tubos 1.4 m Figura 21. Intercambiador de calor de coraza 53
  • 51. 8. DISEÑO DE LOS EQUIPOS 8.5 Dimensiones de la columna cromatográfica Para separar el biaril del tolueno, se eligió una columna cromatográfica con empaque de sílica y solvente extractor acetato de etilo. Las dimensiones son especificadas por el proveedor. Presión, bar 20 Diámetro interno, cm 30 Longitud de empaque, cm 90 Razón de flujo, L/min 3.2 Cantidad de empaque, kg 6.2 Figura 22. Columna cromatográfica industrial 8. 6 Diseño de accesorios 8.6.1 Diseño de la tubería En la Figura 22 se muestra la longitud de la tubería del proceso. El material de la tubería es acero inoxidable. Tamaño Nominal (plg) Diámetro externo (plg) Cedula No. Espesor de pared (plg) 1 1.315 40 0.133 54
  • 53. 8. DISEÑO DE LOS EQUIPOS 8.6.2 Potencia de las bombas El material de las bombas es acero inoxidable. La potencia de las bombas se calculó por medio de la ecuación de Bernoulli. CANTIDAD 5 1 POTENCIA (hp) 1/8 1/4 Figura 24. Bomba Los cálculos se muestran en el Apéndice 3. 8.6.3. Válvulas Las válvulas utilizadas en el proceso son de compuerta de acero inoxidable (Ver Figura 23). Figura 25. Válvula de compuerta 8.6.4 Medidores Se utilizan dispositivos como medidores de flujo, de presión y de temperatura, para monitorear las condiciones del proceso. 56
  • 54. 8. DISEÑO DE LOS EQUIPOS 8.6.5 Equipo de laboratorio Se considera que el catalizador se regenera y se puede utilizar hasta 44 cargas, es decir 2 cargas por día en un periodo de 22 días. Dado que la cantidad requerida es de 13 kg de Au/TiO2 por carga, se va a producir el catalizador a nivel laboratorio. El nivel de producción de catalizador es de: 13 kg/mes = 590 g/día. Algunos equipos necesarios para el laboratorio se muestran en la Tabla 13. Tabla 13. Equipo de laboratorio Material pH-metro digital Parrilla de calentamiento Balanza analítica Vaso de precipitados Kit vaso de precipitados Barra magnética Especificaciones Conductronic PH120 Cimarec 3 de 18x18 cm Rango de temp. 150 a 540°C Agitación de 100 a 1000 rpm KHA 200R, cap. 200 g calibración externa Pyrex 12 piezas de 250 ml Pyrex 9 de 150 ml 7 de 100 ml 12 de 50ml 7 de 25 ml Teflón 5/ paquete 2"x5/16" Horno Controlador digital Max. Temp. 1000°C Espectrómetro de masas con detector de Cromatógrafo de gases ionización de electrones acoplado a un acoplado a Espectrómetro cromatógrafo de gases MS-GC Agilent Technologies 6890 N. Columna capilar HPde masas 5MS 57
  • 55. 9. ANÁLISIS DE COSTOS 58
  • 56. 9. ANÁLISIS DE COSTOS 9.1 Costo de la estructura de la planta El terreno tiene un costo de 28, 222 USD y la construcción del edificio de 23,518 USD. 9.2 Costo de producción de catalizador El costo de materia prima para sintetizar el catalizador en el laboratorio de la planta se muestra en la Tabla 14 y el costo de material de laboratorio se muestra en la Tabla 15. Tabla 14. Costos de Materia Prima para el Catalizador Sustancia Precio (USD/L) Precio (USD/g) Cantidad (L/día) Cantidad (g/día) Costo (USD/día) Coloide TiO2 874 - 6.43 - 5,619 HAuCl4 - 121 - 12.2 1,476 NaOH - 1.29 - 15.6 Total 20 7,115 *Precios basados en el año 2006 Tabla 15. Costo del equipo de laboratorio Material Costo (USD) pH-metro digital 390 Parrilla de calentamiento 357 Balanza analítica 200 Vaso de precipitados 46 Kit vaso de precipitados 155 Barra magnética 21 Horno 611 Cromatógrafo de gases acoplado a Espectrómetro 100,000 de masas Total 101,781 * Precios basados en el año 2006 59
  • 57. 9. ANÁLISIS DE COSTOS 9.3 Potencial económico El potencial económico se calculó con el precio del biaril (producto) menos el precio de la materia prima. El resultado se muestra en la Tabla 16. Tabla 16. Potencial económico para la producción de Biariles SUSTANCIA PRECIO (USD/g) CANTIDAD (g/día) COSTO (USD/día) Ácido fenilborónico 47.72 3220 153,658.40 K2CO3 1.33 4676 6,228.43 Tolueno 0.40 1126000 450,010.38 Catalizador 12.26 580 7115 Biaril 310.40 2000 PE (USD/día) 620,800.00 MATERIA PRIMA PRODUCTO 3,787.79 * Precios basados en el año 2006 9.4 Costos de equipo Se calcularon los costos de los equipos con base en correlaciones8 e índices de Marshall & Swift. Los costos para equipo mayor se muestran en la Tabla 17 y para equipo menor en la Tabla 18. 60
  • 58. 9. ANÁLISIS DE COSTOS Tabla 17. Costo del equipo principal Equipo mayor Especificaciones Cantidad Volumen (m3) Diámetro o Altura (m) longitud (m) Costo (USD) Costo (USD) por unidad total Tanque para mezclado Acero inoxidable 1 1.2 1 1.17 3,174 3,174 Tanque almacenamiento Acero inoxidable 4 1 1 0.8 2,519 10,076 Intercambiador coraza Acero inoxidable 1 1 1.4 1.1 4,200 4,200 Filtro de canasta Acero inoxidable 2 0.24 0.52 0.02 1,881 3,762 Columna cromatográfica Empaque sílica 1 0.3 0.9 0.25 526,600 526,600 Total 547,812 Tabla 18. Costo del equipo menor Equipo menor Especificaciones Cantidad Potencia (hp) Costo (USD) por unidad Costo (USD) total Agitador de propela Acero inoxidable 0.4 diam, 0.7 altura 1 1 4,320 2,700 5 1 1/4 3/4 753 753 3,765 753 - - 525 525 - - 150 1350 Bomba Tubería Válvulas Acero inoxidable 40 m Acero inoxidable 1 pulg diam Serpentín Copa trifasica 1 1 /20 178 178 Indicadores de flujo - 7 - 12.5 87.5 Indicadores de presón - 7 - 15 105 Indicador de temperatura - 1 - 25 25 Equipo de seguridad - - - - 1,120 Total 10,609 61
  • 59. 9. ANÁLISIS DE COSTOS 9.5 Costos de servicios 9.5.1 Costos de servicios en el proceso Se determinó el costo de energía que se consume por día y por mes dentro del proceso, tomando en cuenta que el precio es de 2.232 $ (pesos mexicanos)/ KWh. Los resultados se muestran en la Tabla 19. Tabla 19. Costos de servicios en el proceso Concepto Bombas (Luz Eléctrica) Agitación reactor (Luz eléctrica) Serpentín (Luz eléctrica) Total USD/día 5.01 1.25 0.06 6 USD/mes 110 28 1 139 9.5.2 Costos de servicios en las instalaciones Se determinó el costo de servicios por día y por mes para toda la planta expresados en pesos mexicanos. Los resultados se muestran en la Tabla 20. Tabla 20. Costos de servicios en las instalaciones Concepto Instalaciones (Luz eléctrica) Agua Otros Total USD/día 5 4 3 12 USD/mes 103.48 94.07 75.26 272.81 62
  • 60. 9. ANÁLISIS DE COSTOS 9.6 Salarios de trabajadores En la Tabla 21 se muestran los salarios de los empleados que trabajarán en la empresa. Los sueldos están basados en la Comisión Nacional de Salarios Mínimos 2006 y ya cuentan con las prestaciones que estipula la Ley Federal del Trabajo. Tabla 21. Sueldo de los trabajadores de la empresa Persona Ingeniero Químico No. Personas Proceso / Funciones Control y manejo de los procesos de producción Administración de las ventas de la empresa. Experiencia necesaria Salario Salario mensual mensual total por persona (USD) (USD) 1 año 1035 1035 1 año 564 564 1 Verifica que la producción cumpla con las normas y especificaciones del proceso. 2 años 517 517 Control almacén 2 Control y supervisión de entradas y salidas de materia prima y producto terminado. 1 año 470 941 Técnico 3 Encargado de los procesos de producción 2 años 395 1185 Contador 1 Se encarga de llevar la contabilidad de la empresa 2 años 282 282 Repartidor 2 Entrega producto - 329 659 Secretaria 1 Se encarga de llevar a cabo el papeleo de la empresa 1 año 329 329 Vigilante 3 Vigilancia - 329 988 Limpieza 2 Limpieza - 188 376 Empacador 2 Se encarga de recibir el producto terminado y de llevarlo hasta el cuarto de almacenamiento - 188 376 Obrero 6 Realizan los diferentes procesos de producción - 188 1129 Total 8382 Gerente de ventas Control de calidad 1 1 63
  • 61. 9. ANÁLISIS DE COSTOS 9.7 Costos totales 9.7.1 Costos de inversión Se sumaron todos los gastos para obtener los USD totales que se requieren para invertir en la planta de producción de biariles. Éstos se muestran en la Tabla 22. Tabla 22. Costo total de inversión Concepto Equipo mayor Equipo menor Equipo laboratorio Terreno Construcción Seguridad Otros Total Costo (USD) 547,812 9,489 101,781 28,222 25,000 22,000 15,696 750,000 9.7.2 Costos mensuales Se obtuvieron los gastos mensuales de la planta, que se muestran en la Tabla 23. Tabla 23. Costos mensuales de la planta Concepto Materia prima Salarios Servicios Otros Total Costo (USD/mes) 13574269 8,382 412 2,500 13,585,563 64
  • 62. 9. ANÁLISIS DE COSTOS La inversión se recuperará en un tiempo aproximado de 2 años. Las ganancias a partir del segundo año se estiman de la siguiente manera: 13,657,600 USD/mes de venta de biaril – 13,585,563 USD/mes de gastos mensuales 72,000 USD/mes de ganancias 9.8 Análisis económico de factibilidad del proyecto Los cálculos realizados para obtener la Tasa Interna de Retorno (TIR) se encuentran en el Apéndice 4. Para este proyecto se obtuvo una TIR = 46.52 recuperando la inversión en 2 años y considerando una Tasa de Rendimiento Mínima Atractiva (TREMA) igual a 35, se puede concluir que el proyecto es económicamente factible (TIR>TREMA). 65
  • 63. 10. SEGURIDAD EN LA PLANTA 66
  • 64. 10. SEGURIDAD EN LA PLANTA En la planta se aplicarán normas y mecanismos de prevención de los riesgos que se pueden presentar en el área de operación, que pueden ocasionar un accidente con daños destructivos a la vida de los trabajadores, a las instalaciones o equipos de la planta. Para ello se contemplarán las normas de organismos de seguridad como: • Nacionales – – • Asociación Nacional de la Industria Química (ANIQ) Secretaría de Trabajo y Previsión Social. Internacionales – Organización Mundial de la Salud (OMS). – Programa Internacional de Seguridad Química (PISQ). – Organización Internacional del Trabajo (OIT). – Consejo Internacional de Asociaciones de la Industria Química (ICCA) – Agencia Europea para la seguridad y la salud en el trabajo. – Occupational Safety and Healt Administration (OSHA) Los aspectos operacionales de seguridad en la planta y las fichas toxicológicas de las sustancias utilizadas en el proceso se encuentran en el Apéndice 5. 67
  • 66. 11. CONSIDERACIONES AMBIENTALES 11. 1 Normas ambientales para el biaril Considerando normas ambientales, en 1990 la Agencia de Protección Ambiental (EPA) listó al biaril como un contaminante peligroso del aire. La exposición de biaril es regulado por la Administración Ocupacional de Salud y Seguridad (OSHA) quien permite un limite de exposición de 0.2 ppm de biaril en aire en un tiempo de 8 horas. Se prohíbe la reutilización del recipiente de este material para fines no industriales y cualquier reutilización debe tomar en consideración los datos provistos en la hoja de datos de un material peligroso (MSDS). Este material, al ser descartado, podría ser un desecho peligroso según define la Ley sobre Conservación y Recuperación de Recursos (RCRA) 40 CFR 261.24, debido a su característica de toxicidad. Esta sustancia puede ser peligrosa para el ambiente debido a que es bioacumulable, especialmente en plantas. Se aconseja firmemente impedir que el producto químico se incorpore al ambiente. 69
  • 67. 11. CONSIDERACIONES AMBIENTALES 11. 2 Normas ambientales para el tolueno La EPA ha establecido un límite de 1 miligramo por litro (1 mg/L) para tolueno en el agua potable y requiere que se le notifique de descargas, escapes o derrames al medio ambiente de 1,000 libras o más de tolueno. La Administración de Salud y Seguridad Ocupacional (OSHA) ha establecido un límite de 200 partes de tolueno por millón de partes de aire en el área de trabajo (200 ppm). Como es necesario usar tolueno en la planta, se trabajará con áreas bien ventiladas. Cuando no esté en uso, los tanques de almacenamiento que contienen tolueno deben estar firmemente cerrados para prevenir evaporación al aire. El tolueno no se concentra ni se acumula en cantidades significativas en animales. 70
  • 69. 12. CONCLUSIONES El aporte de este trabajo fue encontrar que los catalizadores de oro son más activos y más selectivos para la reacción de homoacoplamiento de Suzuki, en comparación con los catalizadores de paladio. Además, se determinó que los catalizadores soportados en óxidos metálicos nanocristalinos presentan mayor reactividad y selectividad que los catalizadores soportados en óxidos metálicos convencionales. Se seleccionó el catalizador de Au/TiO2 nanocristalino por presentar mejores propiedades para llevar a cabo el dimensionamiento del reactor y posteriormente el de la planta. La Tasa Interna de Retorno (TIR) calculada fue mayor que la Tasa de Rendimiento Mínima Aceptable (TREMA), por lo que se concluye que la implementación de la planta para producir biariles es económicamente factible. La inversión para llevar a cabo este proyecto se recuperará en un período aproximado de dos años y las ganancias después del segundo año se estiman en 72,000 USD/mes. 72
  • 71. APÉNDICE 1 La isoterma tipo IV es característica de sólidos mesoporosos y presenta un ciclo de histéresis. En estas isotermas se representa la cantidad adsorbida en función de las presiones relativas P/P0. Isoterma TiO2 200 3 Volumen (cm /g) 250 150 100 50 0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 P/P0 ISOTERMA CeO2 ISOTERMA ZrO2 250 Volumen (cm /g) 200 3 Volumen (cm3/g) 200 150 100 50 150 100 50 0 0 0.0 0.2 0.4 0.6 P/P0 0.8 1.0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 P/P0 74 1.0
  • 72. APÉNDICE 2 A2.1 Dimensionamiento del reactor Relación para el tamaño del reactor: Z = 0.85 T Entonces se tiene un rector con un Diámetro de 1.2 m y una altura de 1 m. D Relación para el diámetro de la propela: = 0.33 T Por lo que se obtiene un Diámetro de propela de 0.4 m Relación para la altura de la propela: C = 0.25 T Por lo que se obtiene la altura de la propela de 0.3 m Y una longitud de propela de 0.715 m B Relación para el ancho de los deflectores: T = 1 12 W/D = 1/8 Por lo que se obtiene el ancho de los deflectores de 0.1 m Relación para el grosor de la propela: W D = 1 0.5 ≤ Z/T ≤ 1 8 Correlaciones reportadas en Brodkey, Robert8 Se tiene un grosor de propela de 0.05 m Para el serpentín se utilizo la siguiente formula: A = 4.6 V2/3 donde V es el volumen del líquido en el reactor (m3). Volumen de tolueno = 638.5 l = 0.638 m3. 2 Área (m ) 3.4109 Diámetro de vuelta (m) 0.8 Diámetro (m) 0.05 No. Vueltas 27 Longitud (m) 21.7145 Altura entre vuelta 0.0442 75
  • 73. APÉNDICE 2 Para calcular el Reynolds se utiliza la fórmula: Donde Da es el diámetro del impulsor (agitador) en m, N la velocidad de rotación en rev/s, ρ la densidad del fluido en kg/m3 y la viscosidad en kg/m s. NRe = (0.4 m)2 (6 rps) (894 kg/m3) / (3.852 x 10-4 kg/ms) = 2.2x 106 Para calcular la potencia de agitación se utilizo la siguiente fórmula [10]: NP = P ρN 3 D 5 a Donde P es la potencia en kg m2/s3 y Np es el número de potencia. De la gráfica de NRe vs NP 12, se calculó el número de potencia. Np = 0.3 Para la agitación se necesitan 360 rpm = 6 rps Despejando la potencia se tiene: P = Np ρ N3 Da5 P = (0.3) (894 kg/m3) (6 rps)3 (0.4 m)5 = 618 kg m2/s3 La potencia de agitación requerida es de: P = 0.8 hp ≈1 hp A2.2 Dimensionamiento de los tanques de almacenamiento Volumen del tolueno = 640 l Volumen del tanque agitado = 800 l Altura (Z) = 1m Diámetro (T) = 1m Z/T = 1 76
  • 74. APÉNDICE 2 A2.3 Dimensionamiento del intercambiador de calor Balance de energía para el intercambiador de calor T1 = 60 °C t1 =25 °C t2 °C T2 = 35 °C Para calcular t2, utilizamos la fórmula: WTolCpTol (T2-T1) = WH2OCpH2O (t2-t1) (27870 g/min) (0.4709 cal/g°C) (60-35) = (20000 g/min) (1 cal/g°C) (t2 - 25) t2 = 41.4 °C Q = W Cp ∆T = (27870 g/min) (0.4709 cal/g°C) (60-35) = 3.28x105 cal/min Para calcular el área del intercambiador, utilizamos la fórmula: A= donde ∆T ln = Q U ∆T ln (T2 − t1 ) − (T1 − t 2 ) ⎡ (T − t ) ⎤ ln ⎢ 2 1 ⎥ ⎣ (T1 − t 2 ) ⎦ Donde U es el coeficiente de transferencia de calor global que se obtiene de tablas11 para una transferencia de agua a líquidos orgánicos y es igual a 5224 (cal/m2 min K). ∆T ln = (35 − 25) − (60 − 41.4) = 13.9 K , por lo tanto A = 4.517 m2. ⎡ (35 − 25) ⎤ ln ⎢ ⎥ ⎣ (60 − 41.4) ⎦ 77
  • 75. APÉNDICE 2 Para calcular el área de flujo total de agua se utiliza la fórmula: mC = ρ A u A= mC ρu Donde A es el área de cada tubo mC es la rapidez de flujo del agua ρ es la densidad del agua u es la velocidad promedio del agua kg min A= = 0.02m 2 kg ⎞⎛ m ⎞ ⎛ ⎜1000 3 ⎟⎜1 ⎟ m ⎠⎝ min ⎠ ⎝ 20 Por lo tanto esta área es el producto del número de tubos y del área de flujo por tubo: π d2 0.02 = n 4 0.02(4) n= = 39.4 π (0.0254) 2 Por lo que habrá 40 tubos en el intercambiador de coraza. El área de superficie por tubo es: π d L = π L (0.0254) = 0.08 L Pero el área de superficie total necesaria para un intercambiador se calculó igual a 1.62 m2 Así, se calcula la longitud de tubo: 4.517 m 2 = 40 (0.08L) L = 1.4m El diámetro promedio del intercambiador de coraza es: 40 tubos (diámetro de cada tubo) = (40) (0.0254 m) ≈ 1 m. 78
  • 76. APÉNDICE 3 Cálculo de la Potencia de las Bombas Se realizó un balance mecánico en diferentes tramos para conocer la potencia requerida para transportar el flujo. Entonces se tiene la siguiente ecuación: g ∆P 1 α∆v 2 W ∆Z + + + ΣF = . gc 2 gc ρg c m Los cálculos se realizaron a partir de los siguientes datos: Tramo 1 2 3 4 5 M(g) 570226.445 557456.232 554588.762 553588.762 553588.762 t (s) 1200 1200 2400 600 1200 Q (m3/s) 0.00055 0.00054 0.00027 0.00107 0.00053 F (Kg/s) 0.475 0.465 0.231 0.923 0.461 Datos de Flujos Resolviendo la ecuación para diferentes condiciones se obtiene las siguientes potencias para las bombas requeridas: Tramo 1 2 3 4 5 6 W (hp) 0.250 0.250 0.250 0.750 0.250 0.250 Accesorios Tubería (m) Codos 90° Válvulas Bombas Cantidad 40 20 8 6 Accesorios Potencia de Bombas 79
  • 77. APÉNDICE 4 Calculo de la Tasa Interna de Retorno (TIR) Para determinar la rentabilidad del proyecto, se calcularon los flujos antes de impuestos (FAI), con una tasa de interés interbancario de equilibrio (TIEE) de 7.57% y considerando que la inversión total se recupera en un tiempo de 2 años. La depreciación se calcula como el costo de la planta entre el tiempo de recuperación. Después se calcula el ingreso gravable (IG) como: IG = FAI + Depreciacion El impuesto es calculado a partir del ingreso gravable por la tasa de impuesto del producto. impuesto = (0.35) * IG Una vez que calculamos todos estos datos, calculamos el flujo después de impuesto (FDI) que esta dado por: FDI = FAI + impuesto 80
  • 78. APÉNDICE 4 Como los flujos después de impuestos sufren cambios en situaciones donde la tasa de inflación es muy grande, es necesario considerar los flujos con inflación. Por lo que calculamos FAI con inflación como: FAI con inf lacion = FAI sin inf lacion * (1 + 0.3) n Posteriormente se evalúa el proyecto calculando la tasa interna de retorno (TIR), igualando la ecuación de valor presente neto (VPN) a cero, con base en flujos después de impuestos con inflación constante. n VPN = S 0 + ∑ t =1 St (1 + i ) t =0 Donde: So= Inversión inicial St=Flujos en cada periodo t Se calculó la TIR en un periodo de cinco años obteniendo valores mayores que uno, lo que indicó que era posible disminuir el tiempo de recuperación. Encontrando que la inversión total se recupera en un periodo de dos años, esto es debido al alto valor agregado de los biariles. Por lo tanto: 0 = − S0 + S1 (1 + i ) + S2 (1 + i ) 2 81
  • 79. APÉNDICE 4 Al sustituir los datos se obtuvo el valor de la tasa interna de retorno como 46.52, lo cual indica que el proyecto es factible. Los cálculos se presentan en las siguientes Tablas. Flujos antes de impuestos Años 0 1 2 FAI sin inflacion Depreciacion Ingreso Gravable -750000 ---864000 -375000 489000 864000 -375000 489000 Impuesto ---171150 -171150 FDI -750000 692850 692850 Flujos después de impuestos Años 0 1 2 FAI con inflacion Depreciacion Ingreso Gravable -750000 ---1123200 -375000 748200 1460160 -375000 1085160 Impuesto ---261870 -379806 FDI -750000 861330 1080354 FDI constantes -750000 662561.5385 639262.7219 i = 46.52 S0 s1 s2 Suma: -750,000 452210.843 297789.157 0 82
  • 80. APÉNDICE 5 Para que la planta opere de manera segura se llevarán a cabo las siguientes acciones: 1. El personal que labora en el proceso de producción deberá utilizar equipo de protección personal como: Traje especial Mascarillas Guantes Zapatos cerrados Lentes Casco 2. Dentro del proceso se cuentan con dispositivos que regulan presión y temperatura para evitar sobrecalentamiento y acumulación de presión. 3. Se cuenta con extintores de 5 y 10 litros 4. Se tendrá una base de datos del personal donde se encuentre la siguiente información: Nombre completo Dirección con teléfonos Alergias Padecimientos Tipo de Sangre En caso de emergencia comunicarse con… 83
  • 81. APÉNDICE 5 5. Se cuenta con botiquín de primeros auxilios, regaderas y lava ojos. 6. Estará al alcance de los trabajadores las fichas toxicológicas de las sustancias utilizadas y los manuales de operación de los equipos. 7. Se realizarán simulacros en forma periódica para saber qué hacer en caso de accidente en la planta y se darán continuas capacitaciones. 8. Se dará mantenimiento frecuente a las instalaciones para evitar fugas o desgaste. 9. Se contará con salidas de emergencia 10. Es necesario contar con ventiladores dentro de la planta. 11. Se instalará un sistema de alarma para incendios y accidentes. Propiedades Físicas y Químicas de las Sustancias utilizadas Propiedades y toxicología del Ácido Fenilborónico ÁCIDO FENILBORÓNICO Sinónimos ácido boronico, ácido fenilboronico, ácido fenilborico, fenildihidroxiborano Punto de fusión 217 a 200°C Apariencia polvo blanco Inhalación El material es extremadamente destructivo al tejido fino de las membranas mucosas y de la zona respiratoria superior 84
  • 82. APÉNDICE 5 Propiedades y toxicología del Ácido Cloroáurico ÁCIDO CLOROÁURICO HAuCl4 Fórmula quimica Contacto con la piel Irritación Contacto con los ojos irrita, quemaduras Inhalación puede irritar Propiedades y toxicología del Tolueno TOLUENO PROPIEDADES FISICAS Y TERMODINAMICAS: Punto de ebullición Punto de fusión Densidad Densidad de vapor Presión de vapor (a 30 °C) Indice de refracción (a 20 °C) Temperatura de autoignición Límites de explosividad Solubilidad Calor de combustión (a 25 °C y presión constante) Calor de vaporización (a 25 °C) Capacidad calorífica (cal/g K) Riesgos de fuego y explosión Riesgos a la salud 111°C -95 °C 0.87 g/ml (a 20 °C), 0.8623 ( a 25 °C) 3.14 37.7 mm de Hg 1.4967 530- 600°C 1.27- 7 % (en volumen en el aire) muy poco soluble en agua (0.05 g/100 ml) miscible con éter, acetona, etanol, cloroformo, ácido 934.5 Kcal/mol 9.08 Kcal/mol. 0.2688 (gas ideal), 0.4709 (líquido a 1 atm) Es muy inflamable por lo que sus vapores pueden llegar a un punto de ignición, prenderse y transportar el fuego hacia el material que los originó. También, pueden explotar si se prenden en un área cerrada y generar mezclas explosivas e inflamables rápidamente con el aire a temperatura ambiente. Evitar las descargas estáticas. La toxicología de este producto es similar a la del benceno, sin embargo el tolueno no genera los trastornos crónicos a la sangre que se han presentado con el uso del primero. Su toxicidad es moderada. Su principal metabolito es el ácido benzoico, el cual se conjuga con la glicina en el hígado y se excreta por medio de la orina como ácido hipúrico. El seguimiento de este último producto, sirve para determinar niveles de exposición de trabajadores. El abuso de este producto provoca daño al hígado, pulmones y disfunción cerebral. 85
  • 83. APÉNDICE 5 Propiedades y toxicología del Biaril BIARIL Nombre químico Biaril Fórmula C12H10 Sinónimos Difenilo/ Fenilbenceno/ Dibenceno Densidad 1.602 g/cm3 Punto de ebullición Densidad relativa de vapor Solubilidad en agua Punto de ebullición Punto de fusión Peso molecular Aspecto y color 257° C (aire=1): 5.3 Ninguna. 256ºC 70ºC 154.2 Cristales o copos blancos. La sustancia se descompone al calentarla intensamente. Reacciona con oxidantes. Estabilidad y reactividad Condiciones que deben evitarse: Evitar la mezcla de polvo con el aire. Materiales a evitar: Oxidantes. Productos de descomposición: Vapores y gases de combustión. 86
  • 84. APÉNDICE 5 Información toxicológica Efectos agudos Contacto con la piel Contacto con los ojos Inhalación Ingestión Efectos crónicos No hay información disponible. No hay información disponible. Enrojecimiento, dolor. No hay información disponible. Tos, náuseas, vómitos. La sustancia puede afectar al hígado y al sistema nervioso, dando lugar a alteracviones funcionales. Tos, náuseas, vómitos. La sustancia puede afectar al hígado y al sistema nervioso, dando lugar a alteraciones funcionales. 87
  • 85. BIBLIOGRAFIA 1. Guo et al. Bioorg. Med.Chem. Lett. 2004, 14, 1713-1716 2. Faghih et al. Bioorg. Med.Chem. Lett. 2003, 13, 1325-1328 3. Look et al. Bioorg. Med.Chem. Lett. 2004, 14, 1423-1426 4. Wang et al. Bioorg. Med.Chem. Lett. 2005, 15, 195-201 5. Ortiz López, Javier. Síntesis de bifenilos por acoplamiento cruzado de Suzuki. Aplicación a la síntesis de 4,5 – Dioxoaporfinas, Málaga, 2003. 6. Miyaura, N.; Suzuki, A. Chem. Rev.,1995, 95, 2457. 7. Silvio Carrettin, Javier Guzman, and Avelino Corma. Supported Gold Catalyzes the Homocoupling of Phenylboronic Acid with High Conversion and selectivity. Angew Chem Int., 2005. 8. Brodkey, Robert. Transport Phenomena, Mc Graw Hill, 1988, USA. 9. Peters and Timmerhaus. Plant and economics for chemical engineers. Mc Graw Hill, 3a ed, USA, 1980. 10. Ulrich, Gael. A guide to chemical engineerging process design and economics. Canada, 1984. 11. Foust, A.S, et. al, Principios de operaciones unitarias. Continental, 1961, México. 12. Geankoplis, C.J. Procesos de transporte y operaciones unitarias. 3ª ed, CECSA, México, 1998. 13. Rase, H.F. Ingeniería de proyectos para plantas de proceso. CECSA, México, 1973. 14. Baasel, Willam. Preliminary chemical engineering plant design. Elsevier, New York. 15. Bird, R.B. Fenómenos de Transporte. Repla, Barcelona 1992. 16. Levenspiel, Octave. Ingeniería de las reacciones químicas. Repla, Barcelona, 1986. 17. Felder, Richard M. Principios elementales de los procesos químicos. Addison Wesley, 2ª ed., México, 1991. 88
  • 86. BIBLIOGRAFIA 18. Henley, E. J., Seader, J. D. Operaciones de separación por etapas de equilibrio en Ingeniería Química, Reverté, México, 2000. 19. Smith, J.M. Ingeniería de la cinética química. Continental, 3ª ed., México, 1992. 20. Treybal, Robert. Operaciones de transferencia de masa. 2ª ed., Mc Graw Hill, México. 21. Aldrich. Catálogo 2005 - 2006, México. 21. Avelino Corma, Debashis Das, A periodic mesoporous organosilica containing a carbapalladacycle complex as heterogeneous catalyst for Suzuki crosscoupling, Journal of Catalysis. 22. Javier Guzman, Avelino Corma., Nanocrystalline and mesostructured Y2O3 as supports for gold catalysts, Journal of Catalysis. 23. Manku, G.S. Principios de Química Inorgánica, Mc. Graw Hill, México 1983 1995, 95, 2457 89