COSTOS COS TOS DE MANU MA NUFA FACTU CTURA RA ESTIMACIÓN
COSTOS DE MANUFACTURA
Los costos asociados con la operación diaria de una planta química deben estimarse antes de valorar la rentabillidad de un proceso propuesto. Al esti es tima marr los lo s cost co stos os de manu ma nuff act ac t ura, ur a, se nece ne cesi sita ta la info in form rmac ació ión n incluida en el PDF, una estimación del capital fijo de inversión y del número de operadores que se requieren para operar la planta. Los costos de manufactura se expresan en dólares por unidad de tiempo
COSTOS DE MANUFACTURA
Los costos asociados con la operación diaria de una planta química deben estimarse antes de valorar la rentabillidad de un proceso propuesto. Al esti es tima marr los lo s cost co stos os de manu ma nuff act ac t ura, ur a, se nece ne cesi sita ta la info in form rmac ació ión n incluida en el PDF, una estimación del capital fijo de inversión y del número de operadores que se requieren para operar la planta. Los costos de manufactura se expresan en dólares por unidad de tiempo
COSTO DE MANUFACTURA FACTO FA CTORES RES - Tab Tabll a 6.1 6.1
COSTO DE MANUFACTURA FACTORES - Tabla 6.1
COM = DMC + FMC + GE
COSTO DE MANUFACTURA FACTORES - Tabla 6.1
COSTO DE MANUFACTURA FACTORES Y ECUACIONES 1. Capital fijo de inversión (FCI): (C TM o CGR) 2. Costo de mano de obra de operación (C OL) 3. Costo de los servicios (C TU) 4. Costo del tratamiento de residuos (C WT) 5. Costo de la materia prima (C RM)
DMC C RM C WT C UT 1.33C OL 0.069FCI 0.03COM
FMC 0 .708 C OL 0 .069 FCI depreciaci ón
GE 0 . 177 C OL 0 . 009 FCI 0 . 16 COM COM 0.280FCI 2.73C OL 1.23(C RM C WT C UT ) COM d 0.180FCI 2.73C OL 1.23(C RM C WT C UT )
COSTO DE MANO DE OBRA N OL (6.29 31.7 P 2 0.23 N np ) 0.5
N np Equipos
Donde
NOL es el número de trabajadores por turno P
es el número de procesos involucrados en el manejo de partículas sólidas
Cálculo del número de trabajadores 365.dias 3.turnos 1095.Turnos / año 1 . 1 . año dia
(# Turnos / año) Planta
49.sem 6.turnos 294.Turnos / operador año año operador sem 1 .
(# Turnos / año)Oper
# Operadores
1095.turnos 1.año 294.turnos operador año
3.72.operadores
Para estados Unidos el número de operadores es de 4.5, esto se debe a que los trabajadores realizan 5 turnos
COSTO MANO DE OBRA PROCESO HDA Ejemplo 6.2 Del PFD - Figura 1.5 se resume la TablaE6.2
Trabajadores por turno = 2.97 Mano de obra operativa = (4.5)(2.97) = 13.4 Costos Mano de Obra = (14)($50.000) = $700.000/año
N OL (6.29 31.7(0) 0.1 0.23(11))0.5 (8.82) 0.5 2.97
COSTOS DE SERVICIOS Tabla 6.3
COSTOS DE SERVICIOS Tabla 6.3
COSTO DE AGUA DE ENFRIAMIENTO EVAPORADA (TORR) Y VENTEADA(WIND) Ejemplo 6.3 Estime el costo de servicios para producir una corriente circulante de agua de enfriamiento usando una torre de enfriamiento mecánica preliminar. Considere una base de 1 GJ/h de energía removida de las unidades de proceso. El flujo de agua de enfriamiento que se requiere para remover esta energía es m (Kg/h).
Balance de energía
m C p T 1 x10
9
Flujo de agua m = 23923 Kg/h Calor latente para el agua (35 ºC) = 2417 kJ/Kg Agua evaporada de la torre, Wtorre
m(4180)(40 30) 41800 m
W tower
1 x109
H vap
413.7.Kg / h
Esta cantidad corresponde al 1.73% del flujo de agua que circula. Agua perdida por el venteo del mecanico [0.1 % - 0.3 %] = 0.3 % Máximo factor de concentración de sales disueltas
S
S loop S in
COSTO DE AGUA DE ENFRIAMIENTO PURGA (BD) Y REPOSICION (MU) Balance de agua y sales en el diagrama, se obtiene: Purga Pérdidas por evaporación y arrastre
W MU W tower W wind W BD S inW MU S loopW wind S loopW BD
Agua de enfriamiento 30 ºC
Procesos Procesos
S in (W tower W wind W BD ) S loopW wind S loopW BD Como Sloop = 5 Sin reordenando se tiene que:
Procesos Agua de reposición
Figura 6.2 Lazo de agua de enfriamiento
W BD
W torre
4
W wind
1.73% 0.3% 0.133% 4
W MU 1.73 0.3 0.133 2.163% 517.Kg / h
COSTO DE ENFRIAMIENTO TOTAL Ejemplo 6.3 Se estima un caída de presión de 38.7 psi = 266.7 kPa P Bomba
1
P Abanico
.V P
1
23923
0 .75 (1000 )(3600 )
( 23923 )( 2 .2048 ) ( 60 )(8 .337 )
( 266 .7 ) 2.36 .kW
( 0.5)( 0 .041 ) 1 .61 .kW
Usando un costo para electricidad ($0.06 / kW), agua de proceso ($0.067 / 1000 kg) y químicos para el agua de reposición ($0.156 / 1000 kg):
Costo de agua de enfri amiento = costo de electricidad + costo de químicos para agua de reposición + costo de agua de reposición
C CW (0.06)(2.36 1.61)
(517 .3)(0.156 ) 1000
(517 .3)(0.067 ) 1000
$0.354 / h $0.354 / GJ
COSTOS DE REFRIGERACIÓN Un ciclo básico de refrigeración consta de un fluido de trabajo que circula alrrededor de un lazo que consiste en un compresor, un evaporador, una válvula de expansión o turbina y un condensador. Condensador V
L
Compresor
Válvula
V
L+V Evaporador
La eficiencia de Carnot de un sistema mecánico de refrigeración se puede expresar mediante el coeficiente reversible de desempeño, COPREV:
COP REV
T evaporador
T Condensador Evaporador
T 1 T 2 T 1
COSTOS DE REFRIGERACIÓN Debido a que todo el proceso para una máquina de Carnot debe ser reversible, el COPREV da el mejor desempeño teórico para el sistema de refrigeración. n ó i c a r e g i r f e r e d d a d i n u r o p e l b i s r e v e r o j a b a r
T
Figura 6.4 Trabajo ideal para ciuclos de refrigeración como función de la temperatura de refrigeración
Está claro que si el TEvap - Cond aumenta, el trabajo requerido por unidad de energía removida en el evaporador aumenta. Los costos de operación para refrigeración incrementarán si la temperatura a la cual se quiere
COSTO DE REFRIGERACION Ejemplo 6.5 Otener un costo estimado para un servicio de refrigeración operando a 5ºC Considere una etapa simple de un sistema de refrigeración para proporcionar refrigeración a 5ºC, usando 1,1 difluoruroetano (R - 152a) como refrigerante. El PFD del proceso y las condiciones de operación se dan en la Figura E6.5 y la Tabla E6.5, respectivamente. Compresor de baja temperatura Compresor de alta temperatura Evaporador de baja temperatura
Condensador
Condensador CW
Válvula de expansión
Válvula de expansión
Figura E6.5 Ciclo simple de refrigeración
Ejemplo 6.5 Tabla E6.5 Condiciones de corrientes
Cuando la circulación del R - 152a es 65.3 kmol/h , la carga del evaporador es 1 GJ/h . Se asume una eficiencia de 75% para el compresor y las cargas en los equipos son: Potencia del compresor = 66.5 kW (a 75% de eficiencia) Condensador = 1.24 GJ/h Evaporador = 1.00 GJ/h Trabajo del compresor por unidad de enfriamiento = (66.5)/(1x106/3600) = 0.2394 El costo de refrigeracuión @ 5ºC = (66.5)(0.06) + (1.24)(0.354) = $4.43 / h = $4.43/GJ
COSTO DE PRODUCCIÓN DE VAPOR Vapor de Alta Presión (hps) Proceso que usa HPS
3 Vapor de Media Presión (mps) 2
Pérdida del proceso
Proceso que usa MPS
1
PIC
Pérdida del PIC proceso
4
Vapor de Baja Presión (lps) Agua de reposición
Proceso que usa LPS Pérdida del proceso
Caldera E-12
Bomba de Agua de Alimentación a la Caldera Condensado
Procesos Generadores de vapor alta, media y baja presión Condensador de Superficie
Ejemplo 6.6 Determine el costo de producir vapor de alta presión usando una fuente de gas natural la cual tiene un costo de $6/GJ. Vapor de alta presi ón (41.0 barg) Una base de 1000 kg de hps generado a 45.3 bar y 400 ºC
h @44.3 barg, 400ºC = 3204.3 kJ/kg
@ 41 bar de saturación T sat = 254 ºC. asuma que la el agua de alimentación a la caldera proviene de un DEAERATOR que opera a una presión de escape de 0.7 barg y Tsat = 115 ºC (10 psig) hBFW = 483 kJ/kg HBFW-hps = (3204.3 - 483) = 2721.3 kJ/kg La energía requerida para producir hps = (2721.3)(1000) = 2.721 GJ Debido a esto el hps es sobrecalentado, podemos producir mas que 1000 kg de vapor saturado de este. A fin de sobrecalentar este vapor, se añade BFW para producir vapor saturado @ 41.0 barg (h = 2797.6 kJ/kg). Ver figura E6.6.
Ejemplo 6.6 (x - 1000) kg de BFW @ 0.7 barg y 115 ºC x kg de vapor saturado @ 41.0 barg
Sobrecalentador 1000 kg de hps @ 44.3 barg y 400 ºC
Figura E6.6 Esquema de un proceso desobrecalentamieto para hps
Un balance de entalpía da: (1000)(3204.3) + (x - 1000)(483) = (x)(2797.6)
x = 1175.7 kg
El costo de gas natural para producir 1000 kg de hps (asumiendo un 90% de eficiencia de la caldera) está dado por:
Costo
(2.721) (1000)(6.00) (0.9)
(1175.7)
$15.43
Ejemplo 6.6 El costo de tratamiento para el BFW circulante = $0.12 / 1000 kg. El costo de BFW se basa en que se requiere un 10% de reposición. El uso eléctrico para los sopladores es 14 kW/1000 kg de vapor producido dando un costo de eléctricidad = (14)(0.06) = $0.84 El costo de BFW se basa en la reposición, tratamiento químico y la energía térmica en la corriente: Para una base de 1000 kg de BFW: Costo de agua de reposición: $0.067 Costo de tratamiento químico = $0.12 Energía en BFW = mCpDT = (1000)(4.18)(115 - 25) = 0.376 GJ Valor de la energía = ($6.00)(0.376) = $2.26 Costo de BFW = 2.26 + 0.067 + 0.12 = $2.45/1000 kg Costo de reposición de BFW = (0.1)(2.45) = $0.245 Costo total de hps = $15.43 + $0.12 + $0.84 + $0.245 = $16.64 / 1000 kg
Tabla 6.4 COSTO DE ALGUNOS QUÍMICOS COMUNES
FACTOR DE CORRIENTE Costos de manufacturas y asociados generalmente se reportan en términos de $ / año. La información en un PFD se muestra usualmente en términos de kg o kmol por hora o por segundo. A fin de calcular los costos anuales de materia prima o de servicios , se debe conocer el tiempo en el cual la planta opera, a esto se le conoce como Factor de Corriente (SF), donde: Factor de Corriente (SF) =
Número de días que la planta opera por año 365
Representa la fracción de tiempo en que la unidad de proceso esta en línea y operando a la capacidad de diseño.
Ejemplo 6.9
Estime las cantidades y los costos anuales de los servicios apropiados para los siquientes equipos en el PFD de la hidroalquilación del tolueno. Se asume que el factor de corriente es 0.95 y que todos los números en el PFD están base de tiempo. Los requerimientos de cada unidad se encuentran en la tabla 1.7.
a. b. c. d. e. f.
E - 101, Precalentador de la alimentación E - 102, Enfriador del efluente del reactor H - 101, Calentador C - 101, Compresor de gas de reciclo, asumiendo impulsor eléctrico C - 101, Compresor de gas de reciclo, asumiendo impulsor de vapor que usa vapor de 10 barg con descarga a la presión atmosférica P - 101, Bomba de tolueno alimentado
Ejemplo 6.9 a. E - 101: la carga calórica es 15.19 GJ/h, el costo de hps es $9.83/GJ
del balance de energía Se tiene que
Q 15.19.GJ / h (m vapor )( H vap ) ( m vapor )(1699.3).kJ / kg m vapor = 8939 kg/h = 2.48 kg/s
Costo anual = (Q)(Cvapor )(t) = (15.19 GJ/h)($9.83/GJ)(24)(365)(0.95) = $ 1.242.000 / año
b. E - 102: la carga calórica es 46.66 GJ/h, el costo del agua de efriamiento es $0.354/GJ
del balance de energía Se tiene que
Q 46.66.GJ / h ( m vapor )(C P )(T CW ) ( m CW )(4.18)(10)
m CW = 1.116.270 kg/h = 310 kg/s
Costo anual = (46.66 GJ/h)($0.354/GJ)(24)(365)(0.95) = $ 137.000 / año
Ejemplo 6.9 c. H - 101: la carga calórica es 27 GJ/h (7500 kW). Asuma que un calentamiento indirecto no reactivo con una eficiencia térmica de 90%. El costo del gas natural es $6/GJ y en valor de calentamiento es 0.0377 GJ/m3.
del balance de energía Se tiene que
Q 27.GJ / h (v gas )( H gas natural )(eficiencia ) (v gas )(0.0377 )(0.9)
m gas = 769 std m3/h = 0.22 std m3/s
Costo anual = (Q)(Cvapor )(t) = (27 GJ/h)($6/GJ)(24)(365)(0.95)/(0.9) = $ 1.498.000 / año
d. C - 101: la potencia de eje es 49.1 kW, y de la figura 6.7 la eficiencia del impulsor eléctrico es 90% Potencia eléctrica = P dr = Potencia de salida /
= (49.1)/(0.9) = 54.6 kW
dr
Costo anual = (54.6 kW)($0.06/GJ)(24)(365)(0.95) = $ 27.300 / año
Ejemplo 6.9 e. Para vapor de 10 barg descargado a una presión de 0 barg la tabla 6.5 establece que se requiere 8.79 kg-vapor/kW de potencia.la eficiencia del eje es 35% (figura 6.7). Vapor requerido = (49.1)(8.79/0.35) = 1233 kg/h = 0.34 kg/s Costo anual = (1233)(24)(365)(0.95)(13.71x10-3) = $ 140.700 / año
f. P - 101: la potencia de eje es 14.2 kW, y de la figura 6.7 la eficiencia del impulsor eléctrico es 86% Potencia eléctrica = Pdr = Potencia de salida /
= (14.2)/(0.86) = 15.5 kW
dr
Costo anual = (16.5)(0.06)(24)(365)(0.95) = $ 8240 / año
COSTO DE TRATAMIENTO DE RESIDUOS LÍQUIDOS Y SÓLIDOS Como las regulaciones ambientales continuan estrechas, los problemas y costos asociados con el tratamiento de corrientes de residuos químicos incrementan. En los últimos años se ha tratado de reducir o eliminar el volumen de estas corrientes mediante estrategias de minimización de residuos. Tales estrategias involucran la utilización de procesos con tecnologías alternativas o usar etapas adicionales de recuperación a fin de reducir o eliminar las corrientes de residuos. Algunos costos típicos asociados con estos tratamientos se muestran en la tabla 6.3, y los flujos se pueden obtener del PFD. Vale la pena notar que los costos asociados con la eliminación de sólidos de las corrientes de desecho, especialmente los residuos peligrosos, tenían costos elevados hace unos cuantos años, y los valores dados en la tabla 6.3 son solo una aproximación. El escalamiento de estos valores se debe hacer con mucho cuidado.
Ejemplo 6.10 Calcule el costo de manufactura sin depreciación (COM d) para el proceso de la hidroalquilación del benceno usando el PFD de la figura 1.5 y los flujos dados en la tabla 1.5. un resumen de los servicios para todos los equipos se dan en la tabla E6.10 de los cuales encontraremos los costos totales anuales de los servicios para este proceso son: Vapor = $ 1.807.000 / año Agua de Enfriamiento = $ 166.000 / año Gas Combustible = $ 1.498.000 / año Electricidad = $ 37.400 / año
Total de Servicios (CUT) = $ 3.508.000 / año
Tabla E6.10 RESUMEN DE REQUERIMIENTO DE SERVICIOS PARA EQUIPOS EN EL PROCESO HDA
