Diseño Extrusora de Plastico PDF

Preview

Summary

Proyecto final de una Extrusora de Plasticos...

Description

INFORME FINAL DEL MÓDULO DE EXTRUSIÓN 1. FUNDAMENTACIÓN DEL PROYECTO. 1.1 Definición del problema. Dada la importancia del tema de la extrusión y la poca atención que se le ha prestado en nuestra provincia quizás por desconocimiento o desinterés académico. El problema que hemos tomado en cuenta es la contaminación producida por plásticos no biodegradables, el uso abundante de éstos, y el exceso de tiempo que le toma en degradarse; para luego del reciclaje correspondiente volverles a dar otro uso, evitando así la contaminación. 1.2 Contexto del proyecto y restricciones. El extrusor se realizará en la ciudad de Arequipa debido a la problemática presente en nuestra localidad y estará disponible en el laboratorio de Operaciones de la Escuela Profesional de Ingeniería Química. Lo que va a ser un obstáculo para el proceso de extrusión en sí, es el tamaño del módulo debido a que no se va trabajar con grandes cargas y no se obtendrá mucho producto usando el proceso de extrusión. Con este proyecto se pretende que la universidad, más exactamente la Escuela Profesional de Ingeniería Química implemente módulos para el estudio del proceso de polímeros para que la experimentación, sobre materiales de ingeniería por parte de los estudiantes. Por lo tanto el proyecto va a tener una rango de cobertura geográfico correspondiente a las instalaciones de la Escuela. 1.3 Objetivos:  

Diseñar, fabricar y poner en funcionamiento un módulo de extrusión de plástico. Evaluar el módulo de extrusión teniendo en cuenta su rentabilidad y su funcionamiento.

Objetivos específicos: 



Proporcionar nuevas herramientas de estudio teórico-práctico que involucren conocimientos obtenidos durante la carrera en el área de polímeros para mejorar la calidad de aprendizaje del estudiantado. Construir una serie de planos para que en una segunda etapa lo tomen como base para modificaciones a futuro.

1.4 Justificación:  

En nuestra jurisdicción el uso del plástico es muy común y de diversas formas, por ejemplo: en botellas descartables, en bolsas de plástico, etc. El reciclaje del plástico que se vuelve a procesar, evitando así el aumento de la contaminación en nuestra ciudad. 1

 



El modelo planteado por el grupo no tiene mucha complejidad, siendo accesible su elaboración y adquisición de los equipos y materiales a usar con ese fin. La realización del proyecto busca implementar nuestro laboratorio de operaciones, ya que es necesario que cuente con maquinaria diversa para un mejor estudio por parte de los alumnos. El proyecto está enfocado para que luego de su terminación éste sirva de ayuda para toda la comunidad universitaria que requiera de sus servicios, pero especialmente esté creado para el beneficio de la Escuela Profesional de Ingeniería Química, sus ingenieros y estudiantes.

2. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA 2.1 Productos: El extrusor tendrá como producto los hilos o pellets de plástico fundido hasta cierto punto, elaborado por el sistema de extrusión propuesto en laboratorio. Pellets: Pellet o pelet es una denominación genérica, utilizada para referirse a pequeñas porciones de material aglomerado o comprimido. El término es utilizado para referirse a diferentes materiales. En español suele utilizarse con los siguientes significados:

 

Pellets de Plástico: pequeñas concentraciones de resina En los procesos de centrifugado, se denomina "pellet" al material sedimentado.

2.2 Materias primas e insumos:  

Viruta de plástico. Plástico picado (proveniente del reciclaje).

2.3 Alternativas tecnológicas: Tipos de extrusoras: Para que sea realizado el proceso de extrusión, es necesario aplicar presión al material fundido, forzándolo a pasar de modo uniforme y constante a través de la matriz. Atendiendo a estos requisitos, las máquinas extrusoras se clasifican en: extrusoras de dislocamiento positivo y extrusoras de fricción.  Extrusoras de dislocamiento positivo: Se obtiene la acción de transporte mediante el dislocamiento de un elemento de la propia extrusora. En la matriz la reología del polímero tiene mayor influencia sobre el proceso.  Extrusora de pistón (inyectora): Un pistón, cuyo accionamiento puede ser hidráulico o mecánico, fuerza al material a pasar a través de la matriz. Es utilizada para la extrusión de polímeros termofixos, poli tetrafluoretileno, Polietileno de Alta Densidad de Ultra Alto Peso Molecular (PEAD – UAPM), metales y materiales cerámicos.  Extrusoras de fricción: La acción del transporte, conseguida aprovechándose las características físicas del polímero y la fricción de éste con las paredes metálicas transportadoras de la máquina, donde ocurre la transformación de energía mecánica en calor que ayuda a la fusión del polímero. La reología del 2





polímero tiene influencia sobre todo el proceso. Los tipos son: extrusora de cilindros y extrusora de rosca Extrusora de cilindros: Consiste, básicamente, en dos cilindros próximamente dispuestos. El material a ser procesado pasa entre estos cilindros y es forzado a pasar por una matriz Extrusora de rosca: Las extrusoras de rosca pueden estar constituidas por una, dos o más roscas. Son las más utilizadas para la extrusión de termoplásticos, comparadas con todos los demás tipos de extrusoras.

2.4 Maquinaria y equipo: Principales componentes: 

Carga: Para poner en funcionamiento nuestro equipo necesitaremos una carga que debe constar de cierta cantidad de plástico previamente picado, del cual usaremos en su mayoría botellas descartables, debido a que son muy comunes encontrarlas en el medio, ésta carga pasará de forma directa al extrusor a través de una tolva.

Fig. 1. Tornillo de Alimentación. (https://www.google.com.pe/webhp?sourceid=chrome-instant&ion=1&espv=2&ie=UTF8#q=extrusoras+de+plasticopdf)



Tolva: Será la encargada de recibir la carga para que pueda ingresar al extrusor.

Fig. 2. Tipos de tolvas. (https://www.google.com.pe/webhp?sourceid=chrome-instant&ion=1&espv=2&ie=UTF8#q=extrusoras+de+plasticopdf)

3



Extrusor: Consta de dos partes, uno que es el perno rotatorio de extrusión y otro el tubo de extrusión, el proceso de extrusión se lleva a cabo a lo largo de este tubo, en cuyo interior está girando el perno rotatorio de extrusión. El perno rotatorio está introducido dentro del tubo por una de las bocas laterales debidamente sellada con entrada exclusiva para el perno, de manera que pueda engranarse perfectamente al sistema de rotación generado por un motor.

Fig. 3. Sistema de calefacción-tornillo. (https://www.google.com.pe/webhp?sourceid=chrome-instant&ion=1&espv=2&ie=UTF8#q=extrusoras+de+plasticopdf)



Sistema de rotación: La rotación del perno de extrusión será producida por un motor que estará conectado directamente mediante un sistema de poleas y fajas hacia el perno extrusor, que para un óptimo funcionamiento se hará uso de chumaceras y cojinetes para fijar la rotación del perno de extrusión.

Fig. 4. Representación esquemática de una extrusora de husillo sencillo. (https://www.google.com.pe/webhp?sourceid=chrome-instant&ion=1&espv=2&ie=UTF8#q=extrusoras+de+plasticopdf)



Resistencia: El tubo deberá contar con cierta longitud, esto tiene dos fines, el primero deberá ser para que se obtenga una buena extrusión a lo largo de esta longitud y el segundo con el fin de colocar una resistencia de manera exterior y con un debido aislante en la parte final del perno rotatorio para poder lograr que el plástico se derrita hasta cierto punto., contando ésta con un dispositivo de control de temperatura. 4



Sistema de salida: Estará ubicado en el extremo opuesto al perno rotatorio con el fin de darle salida al plástico ya fundido hasta cierto punto debido al calor controlado que le da la resistencia, ésta salida será como una tapa que contará con muchos orificios, semejante a una ducha, de manera que salga en forma de hilos el plástico ya fundido.

Fig. 5. Boquilla Anular y cabezal. (https://www.google.com.pe/webhp?sourceid=chrome-instant&ion=1&espv=2&ie=UTF8#q=extrusoras+de+plasticopdf)

2.5 Seguridad e higiene:

  

Uso de guantes durante el funcionamiento del modulo Uso de mascarilla en el proceso de extrusión. Uso de aislamiento para todo el circuito eléctrico, ya que cuenta con cableado y con resistencias.

2.6 Impacto ambiental: El impacto ambiental generado por el módulo de extrusión es mínimo debido a:  

El uso excesivo de energía eléctrica por tratarse de un motor trifásico. El ruido causado por el motor, considerándote como contaminación sonora.

El impacto ambiental generado por los plásticos es muy importante debido a: 5

 



Su resistencia a la degradación, circunstancia que motiva su acumulación en los vertederos de basura. Los plásticos contienen usualmente una variedad de aditivos como: estabilizadores, agentes reforzantes, plastificantes, etc, los cuales pueden generar sus propios efectos ambientales. Por ejemplo, es relativamente frecuente el cadmio, cuyas sales son altamente tóxicas. Esto solo lo mencionamos debido a que esto sería a nivel industrial, mas no en un proyecto a escala de laboratorio como el nuestro. Su baja densidad es causa de un mayor impacto visual y una elevación en el costo de su recolección y transporte. Así para obtener una tonelada de plástico es necesario recoger aproximadamente 20,000 botellas.

3. ESPECIFICACIÓN DE PRODUCTOS Y MATERIALES 3.1 Productos a obtener:

 

Pellets de Polietilenteraftalato (PET) Pellets de Polietileno (PEAD-PEBD).

3.2 Materias primas: 



Plástico picado PET: El PET está constituido de petróleo crudo, gas y aire. Un kilo de PET es 64% de petróleo, 23% de derivados líquidos del gas natural y 13% de aire. A partir del petróleo crudo se extrae el paraxileno y se oxida con el aire para obtener ácido tereftálico. El etileno, que se obtiene principalmente a partir de derivados del gas natural, es oxidado con aire para formar el etilenglicol. La combinación del ácido tereftálico y el etilenglicol produce como resultado el PET. Por ejemplo: Botellas de gaseosas, agua, aceite y vinos; envases farmacéuticos; tejas; películas para el empaque de alimentos; cuerdas, cintas de grabación; alfombras; zuncho; rafia; fibras. El polietileno se produce a partir del etileno derivado del petróleo o gas natural. El etileno se somete en un reactor a un proceso de polimerización4. Este se realiza en presencia de un catalizador, en condiciones de presión y temperatura que posibilitan la formación de polímeros, que en el producto final tienen la forma de gránulos, denominados pellets. Dependiendo de las condiciones del proceso de fabricación existen variedades de polietileno. Las más conocidas son: el polietileno de alta densidad PEAD y el polietileno de baja densidad PEBD; de éste último se producen dos tipos: el PEBD convencional y el PEBD lineal.Por ejemplo: 

PEAD: Tuberías; embalajes y láminas industriales; tanques, bidones, canastas o cubetas para leche, cerveza, refrescos, transporte de frutas; botellas; recubrimiento de cables; contenedores para transporte; vajillas plásticas; letrinas; cuñetes 6



para pintura; bañeras; cerramientos; juguetes; barreras viales; conos de señalización. PEBD: Películas para envolver productos, películas para uso agrícola y de invernadero; láminas adhesivas; botellas y recipientes varios; tuberías de irrigación y mangueras de conducción de agua; bolsas y sacos, tapas, juguetes; revestimientos; contenedores flexibles

3.3 Insumos: * En este proyecto no se ha hecho uso de ningún tipo de insumo debido a que se ha centrado en la fabricación del módulo quedando un poco rezagado, pero sin restarle importancia a lo que es el proceso de extrusión en toda su dimensión. 3.4 Servicios a emplear: 

Servicio eléctrico (TRIFASICO): Para comprender como funcionan los circuitos trifásicos es necesarios primero conocer cómo se denominan las partes que lo componen así como todos los conceptos relacionados. Sin un claro entendimiento de todo esto se pueden ocasionar confusiones a la hora de resolver un problema con circuitos trifásicos.

Voltajes trifásicos balanceados. Para que los tres voltajes de un sistema trifásico estén balanceados deberán tener amplitudes y frecuencias idénticas y estar fuera de fase entre sí exactamente 120°. Importante: En un sistema trifásico balanceado la suma de los voltajes es igual a cero. Va + Vb + Vc = 0

Circuito trifásico balanceado. Si las cargas se encuentran de manera que las corrientes producidas por los voltajes balanceados del circuito también están balanceadas entonces todo el circuito está balanceado. Voltajes de fase Cada bobina del generador puede ser representada como una fuente de voltaje senoidal. Para identificar a cada voltaje se les da el nombre de voltaje de la fase a, de la fase b y de la fase c. 7

Fig. 6. Representación del flujo de voltajes hacia un punto neutro.

Secuencia de fase positiva. Por convención se toma siempre como voltaje de referencia al voltaje de fase a. Cuando el voltaje de fase b está retrasado del voltaje de fase a 120° y el voltaje de fase c está adelantado al de fase a por 120° se dice que la secuencia de fase es positiva. En esta secuencia de fase los voltajes alcanzan su valor pico en la secuencia a-b-c. Los voltajes de a, b y c representados con fasores son los siguientes:

en donde Vm es la magnitud del voltaje de la fase a. Secuencia de fase negativa En la secuencia de fase negativa el voltaje de fase b está adelantado 120° al de la fase a. y el voltaje de fase c está atrasado 120° al de la fase a.

Neutro Normalmente los generadores trifásicos están conectados en Y para así tener un punto neutro en común a los tres voltajes. Raramente se conectan en delta los voltajes del generador ya que en conexión en delta los voltajes no 8

están perfectamente balanceados provocando un voltaje neto entre ellos y en consecuencia una corriente circulando en la delta.

Fig. 7 Representación de un punto neutro en una conexión trifásica.

4. DISEÑO DEL PROCESO: 4.1 Bases del diseño: Extrusor de un solo husillo (Extrusor convencional o típico):

  

Extrusores convencionales o típicos Extrusores con ventilación (o venteo) o desgasificación Extrusores co-mezcladores La división más común para extrusoras de un sólo husillo consiste en cuatro zonas, desde la alimentación hasta la salida por el dado del material:  Zona de alimentación: En esta parte ocurre el transporte de gránulos sólidos y comienza la elevación de temperatura del material.  Zona de compresión: En esta zona, los gránulos de polímero son comprimidos y están sujetos a fricción y esfuerzos cortantes, se logra una fusión efectiva.  Zona de distribución: Aquí se homogeniza el material fundido y ocurren las mezclas.  Zona de mezcla: En esta parte que es opcional ocurre un mezclado intensivo de material, en muchos casos no se aconseja porque puede causar degradación del polímero. Los husillos pueden tener también dentro de algunas de sus zonas principales 9

elementos dispersivos y elementos distributivos.  Distribución: Logra que todos los materiales se encuentren en igual proporción en la muestra.  Dispersión: Logra que los componentes no se aglomeren sino que formen partículas del menor tamaño posible. 4.2 Tecnología seleccionada. El moldeo por extrusión: Para este procedimiento es usado un transportador de tornillo helicoidal. El polímero va a ser transportado desde la tolva, a través de toda la longitud del tubo hasta la zona de descarga en una corriente continua. Se comenzará con los gránulos sólidos hasta que el polímero emerja de la salida de extrusión en un estado blando. Como la abertura de salida tiene la forma del producto que se desea obtener, el proceso es continuo, luego se procederá al cortado a la medida que se requiera.

 Escogemos este procedimiento de extrusión debido a que es más factible en cuanto a su diseño y su funcionamiento, haciendo un poco

sencillo y accesible el proceso de extrusión. Fig. 8. Representación esquemática del proceso por extrusión.

(https://www.google.com.pe/webhp? sourceid=chromeinstant&ion=1&espv=2&ie=UTF-8#q=extrusoras+de+plasticopdf) 4.3 Diseño conceptual. Para nuestro diseño conceptual es necesario fijar nuestros objetivos y nuestros requerimientos: 

Objetivos:

10

 

Diseñar, fabricar y poner en funcionamiento un módulo de extrusión de plástico. Evaluar el módulo de extrusión teniendo en cuenta su rentabilidad y su funcionamiento.

Requerimientos:

    

Arquitectura predefinida: Bosquejo a mano alzada. Uso de recursos humanos: Torneado, alineación, soldadura, diseño de acoplamientos hacia el tubo, etc. Instrumentos automáticos y manuales: Termocuplas, resistencias, microcontrolador arduino y modelado 3D autodesk. Procedimiento y técnicas: ensamblaje mecánico del extrusor, sistema eléctrico-electrónico y sistema computarizado de control.

4.4 Diseño detallado. 

Carga: Para poner en funcionamiento nuestro equipo necesitaremos una carga que debe constar de cierta cantidad de plástico previamente picado, del cual usaremos en su mayoría botellas descartables, debido a que son muy comunes encontrarlas en el medio, ésta carga pasará de forma directa al extrusor a través de una tolva.

Fig. 1. Tornillo de Alimentación. (https://www.google.com.pe/webhp?sourceid=chrome-instant&ion=1&espv=2&ie=UTF8#q=extrusoras+de+plasticopdf)

11



Tolva: Será la encargada de recibir la carga para que pueda ingresar al extrusor.

Fig. 2. Tipos de tolvas. (https://www.google.com.pe/webhp?sourceid=chrome-instant&ion=1&espv=2&ie=UTF8#q=extrusoras+de+plasticopdf)



Extrusor: Consta de dos partes, uno que es el perno rotatorio de extrusión y otro el tubo de extrusión, el proceso de extrusión se lleva a cabo a lo largo de este tubo, en cuyo interior está girando el perno rotatorio de extrusión. El perno rotatorio está introducido dentro del tubo por una de las bocas laterales debidamente sellada con entrada exclusiva para el perno, de manera que pueda engranarse perfectamente al sistema de rotación generado por un motor.

Fig. 3. Sistema de calefacción-tornillo. (https://www.google.com.pe/webhp?sourceid=chrome-instant&ion=1&espv=2&ie=UTF8#q=extrusoras+de+plasticopdf)



Sistema de rotación: La rotación del perno de extrusión será producida por un motor que estará conectado directamente mediante un sistema de poleas y fajas hacia el perno extrusor, que para un óptimo funcionamiento se hará uso de chumaceras y cojinetes para fijar la rotación del perno de extrusión.

Fig. 4. Representación esquemática de una extrusora de husillo sencillo. 12

(https://www.google.com.pe/webhp?sourceid=chrome-instant&ion=1&espv=2&ie=UTF8#q=extrusoras+de+plasticopdf)



Resistencia: El tubo deberá contar con cierta longitud, esto tiene dos fines, el primero deberá ser para que se obtenga una buena extrusión a lo largo de esta longitud y el segundo con el fin de colocar una resistencia de manera exterior y con un debido aislante en la parte final del perno rotatorio para poder lograr que el plástico se derrita hasta cierto punto., contando ésta con un dispositivo de control de temperatura.



Sistema de salida: Estará ubicado en el extremo opuesto al perno rotatorio con el fin de darle salida al plástico ya fundido hasta cierto punto debido al calor controlado que le da la resistencia, ésta salida será como una tapa que contará con muchos orificios, semej...