DISEÑO DE UNA PLANTA PARA LA PRODUCCION DE ISOPROPILBENCENO

UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMÓN FACULTAD DE CIENCIA Y TECNOLOGÍA CARRERA INGENIERÍA QUÍMICA DISEÑO DE PLANTAS QUIMICA

“T A AJ

R B O

COMPLETO”

Cochabamba-Bolivia CAPITULO 1 DISEÑO DE UNA PLANTA PARA LA PRODUCCION DE ISOPROPILBENCENO

1. RESUMEN EJECUTIVO El cumeno se obtiene a partir de benceno y propileno mediante la reacción de alquilación:

Simultáneamente tiene lugar la reacción:

Cumeno + propileno

diisopropilbenceno (DIPB)

Se utilizan como materias primas benceno (puro) y propileno. La reacción se lleva a cabo en presencia de un catalizador, que es el acido fosfórico. El benceno se mantiene en exceso para limitar la cantidad del subproducto DIPB producida. Los reactantes se alimentan líquidos desde sus tanques de almacenamiento respectivos. Después de bombear los reactantes hasta la presión dictada por las condiciones de operación del catalizador, se vaporizan y se calientan hasta la temperatura de reacción. A la salida del reactor, los productos se enfrían para condensar esencialmente todo el cumeno, junto con el DIPB y el benceno no reaccionado. El propileno y el propano se separan del líquido –pudiendo aprovecharse su valor como combustible, mientras que el cumeno bruto se envía a dos torres de destilación. La primera torre separa el benceno del cumeno y el DIPB, recirculándose el benceno de nuevo a las condiciones de entrada al reactor. La segunda torre

efectúa la separación del cumeno y el DIPB obteniéndose un cumeno del 99.8 % de pureza. El DIPB se puede vender como combustible.

2. ANTECEDENTES Los hidrocarburos aromáticos, principalmente benceno, tolueno, xilenos y etilbenceno, son compuestos básicos de partida para la síntesis de materias primas plásticas, cauchos sintéticos y otros productos orgánicos de interés industrial. La mayor parte se obtiene del petróleo, y sólo una pequeña proporción del carbón. Aunque el contenido de aromáticos originalmente presente tanto en el petróleo como en el carbón es bajo, en determinados procesos de tratamiento térmico o catalítico de refinerías y coquerías se producen en proporciones significativas que hacen económica su separación. 2.1 Procesos de transformación de aromáticos Dado que la industria química tiene una demanda de hidrocarburos aromáticos que no puede satisfacerse con la distribución de aromáticos obtenida directamente de las gasolinas reformadas y de pirólisis, se han desarrollado procesos de transformación de hidrocarburos aromáticos entre sí. De un modo global, el objetivo de estos procesos es contrarrestar el exceso de oferta de tolueno y el defecto de las de benceno y xilenos. Los procesos más significativos son: - Hidrodesalquilación de tolueno - Isomerización del m-xileno -Desproporcionamiento de tolueno y transalquilación con trimetilbencenos. 2.2 Derivados del Benceno El consumo de benceno se distribuye del siguiente modo: 52 % EB, intermedio para la fabricación del estireno; 18 % cumeno, intermedio para la fabricación de fenol; 16 % ciclohexano, empleado para fabricar caprolactama y ácido adípico;

14 % otros derivados: anhídrido maleico, nitrobenceno, alquilbenceno sulfonatos, clorobenceno, etc. El derivado mayoritario, EB, se transforma por deshidrogenación en estireno, monómero de partida para la fabricación de polímeros y copolímeros termoplásticos, elastoméricos y resinas de poliéster no saturado. El cumeno, obtenido por alquilación con propileno, se transforma en fenol, materia prima para la obtención de resinas de fenol-formaldehído o en otros derivados

que

también

se

emplean

como

materias

primas

plásticas,

concretamente la caprolactama y el bisfenol A. El ciclohexano, obtenido por deshidrogenación del benceno, se emplea en la obtención de caprolactama y ácido adípico, materias primas de poliamidas. Entre los derivados minoritarios, el anhídrido maleico (fabricado también a partir de compuestos C4) es otro intermedio en la fabricación de plásticos; el nitrobenceno se emplea en su mayor parte en la fabricación de anilina (colorantes) y los LABS (alquilbenceno sulfonatos lineales) son surfactantes aniónicos empleados en la formulación de detergentes.

3. INTRODUCCION Uno de los procesos para la fabricación de fenol y acetona está basado en la oxidación de cumeno, partiendo de la fabricación del propio cumeno. El

proceso

consiste

en

la

alquilación

del

benceno

con

propileno.

El proceso de cumeno usa como materias primas benceno y propileno para formar, mediante alquilación, cumeno y popiisopropilbenceno, PIPB, como principal subproducto. En la etapa de transalquilación el PIPB es reaccionado con benceno para formar más cumeno. Tanto el reactor de alquilación como el de transalquilación utilizan ácidos como catalizador. El cumeno producido es separado y purificado en el tren de destilación de la mezcla eficiente de reacción. En la segunda etapa, planta de fenol, el cumeno es oxidado con aire para obtener hidroperóxido de cumeno (CHP) en un reactor multietapa en una fase líquida, la mezcla es entonces destilada en un sistema de vacío. El CHP concentrado es

entonces escindido a fenol y acetona en presencia de ácido como catalizador. El fenol

y

la

acetona

son

purificados

por

destilación.

El alfa-metil-estireno, principal subproducto de la reacción de descomposición del CHP, es hidrogenado para formar de nuevo cumeno ó bien purificarlo en la planta

de

alfa-metil-estireno

para

su

comercialización.

4. JUSTIFICACION En nuestro país no existe una planta de isopropilbenceno, las fábricas que necesitan este compuesto necesariamente se ven obligadas a importarlo. En Bolivia no existe una Planta productora de Cumeno, ni se ha formulado un diseño de prefactibilidad para

su instalación, su carencia imposibilita

la

producción de acetona, fenol (proceso Hock). Este producto químico mejora el índice de octano de los carburantes. La Sociedad Nacional de Industrias recomienda que el producto

es esencial para la

producción de

diversos

derivados petroquímicos y del gas natural muy valiosos que en nuestro medio aun no se desarrolla y por ende se propone la construcción de esta planta química dirigido a nuestras necesidades así como las necesidades de los países de nuestra región que no cubren significativamente a sus industrias de este insumo. Además la demanda creciente para el bis-fenol A y las resinas fenolicas darán a lugar a una fuerte demanda para el isopropilbenceno en el continente Asiático en las próximas décadas. Cumeno o isopropilbenceno es producido por la reacción del propileno y el benceno sobre un catalizador ácido.

La presencia de propileno en el gas natural puede ser aprovechado para la obtención del isopropilbenceno y de esta manera aumentar el valor agregado del producto. Además es de conocimiento común que la petroquímica en nuestro país está en su mayor auge, es este momento el que debemos aprovechar para incorporar nuevas plantas que suministren productos de beneficio no solo nacional sino internacional, el cumeno como bien ya se menciono anteriormente es la materia prima para la obtención de fenol y acetona, y a continuación mostramos un cuadro donde se muestra la importancia de esta en los diversos procesos: Cl �ter de los Cluster Arom�icos

Oportunidades BUTANO

butadieno pl�ticos

etil benceno

estireno

poliestireno

hules sint�icos

BENCENO cumeno

Fenol

resinas fen�icas

Acetona

resinas acr�icas alquilfenoles fibras nylon

ciclohexano

ciclohexanona

resinas

Cluster del Propileno

Oportunidades pl�ticos polipropileno

fibras textiles

acrilonitrilo

PROPILENO

fibras acr�icas plastificantes

isopropanol

solventes �teres de �ido ac�ico

�ido acr�ico

resinas Espuma Poliuretano

�ido de propileno glicoles propil�icos

resinas

Polioles

especialidades

Glico�eres

Solventes

CUADRO 1: OPORTUNIDADES DE MERCADO Claramente podemos observar en el cuadro 1 que el mercado para la petroquímica es amplio, en estos dos cuadros podemos observar que a partir de dos materias primas como es el propileno y el benceno se llegan a obtener muchas cosas, y en este proyecto se verá la producción de cumeno.

CAPITULO 2 ESTUDIO DE MERCADO 5. ESTUDIO DE MERCADO Los estudios anteriores sobre el tema en los últimos años son escasos en nuestro país, mas no en otros países como México y Brasil . Además española Pavco

de

producción de

tuberías

la empresa

plásticas llevara a

cabo la

producción de propileno y polipropileno utilizando gas natural para el 2012 en sus instalaciones en Perú. Observando el escenario prometedor para la producción de cumeno, debido a que se producirá propileno y al boom del gas natural , se vio necesaria establecer si una planta de este tipo puede ser rentable. El isopropilbenceno es muy utilizado a nivel mundial, en Asia en países como ser Taiwán y Japón importan volúmenes grandes de esta materia prima a pesar de contar con plantas que se dedican a obtener esta materia prima, en América el principal consumidor de isopropilbenceno es EEUU, que al igual que los dos anteriores países importa el cumeno. China importa actualmente isopropilbenceno para incrementar su capacidad en la producción de fenol y acetona esto ya se da desde el año 2007 y aun pretende aumentar la capacidad de producción de estas dos plantas hasta el año 2012. Además la demanda creciente para el bis-fenol A y las resinas fenolicas darán a lugar a una fuerte demanda para el isopropilbenceno en el continente Asiático en las próximas décadas. 5.1 DESCRIPCION DEL PROCESO 5.1.1 Para la fabricación de cumeno se sigue el siguiente procedimiento: Los reactantes son alimentados como líquidos de sus respectivos tanques almacenadores. Luego se bombean a la presión requerida, determinada por las condiciones de operación del catalizador, los reactantes son mezclados vaporizados y calentados a la temperatura de operación del reactor. El catalizador convierte los reactantes a los productos deseables e indeseables de acuerdo a las reacciones mostradas a continuación:

Reacción principal:

C3H6

+ C6H6

→

Propileno

C6H5-C3H7

benceno

cumeno

Reacción secundaria: C3H6

+ C6H5-C3H7

Propileno

cumeno

→

C3H7-C6H4-C3H7 diisopropil benceno (DIPB)

Fuente: Data experimental proporcionado por Libro Análisis de diseño y síntesis de Richard Turton pag 789.

La relación de alimentación de Benceno a Propileno es 1:1 la conversión del propileno de 97.8 %. Los productos gaseosos son enfriados para condensar el Cumeno, DIPB y el Benceno que no ha reaccionado. El propileno y el Propano impuro son separados del líquido y son usados como gas combustible .La corriente de líquido es enviada a dos columnas de destilación. La primera columna de destilación separa Cumeno del Benceno y DIPB. La segunda columna de destilación separa Cumeno de DIPB. La corriente de DIPB será vendida como combustible. La mejor tecnología para la producción del Cumeno es un proceso catalizado que es optimizado a 350º C y 25 atm, el Benceno es dejado en exceso para limitar la cantidad de DIPB producido 5.1.2 Condiciones de los componentes, la estequiometria y cinética de la reacción que rigen el proceso. Cumeno o isopropilbenceno es producido por la reacción del propileno y el benceno sobre un catalizador ácido (Acido Fosfórico).

El Cumeno puede ser usado para incrementar el octanaje en las gasolinas, pero su principal uso es como materia prima para la producción de Fenol y Acetona. En el cuadro 2 podemos observar las propiedades de los principales productos de la reacción: CUADRO 2 Propiedades de los componentes que intervienen en el proceso Punto de Ebullición

Presión de vapor -6

T (K)

T (K)

P (x10 KPa)

Benceno

353

562

4.87

Propileno

225

365

4.59

Propano

231

370

4.14

Cumeno

425

631

3.21

7

Calor de Vaporización del Cumeno: 3.81 x10 J/kmol 6

Calor de Formación del Cumeno: 3.933 x10 J/kmol 5.1.3 Reacción de la producción de Cumeno La cinética que rige cada una de las reacciones que intervienen en el proceso son las siguientes: Para la reacción primaria: k1 C 3 H 6 +C 6 H 6   → C 9 H 12

propileno benceno

r1 = k1c p cb

cumeno

mole / g cat sec

 −24.90  k1 = 35 . × 104 exp   RT 

Para la reacción secundaria: k2 C 3 H 6 +C 9 H 12   →C12 H 18

propileno cumeno p −diisopropil benceno

r2 = k2c p cc

mole / g cat sec

 −35.08  k2 = 2.9 × 106 exp   RT 

Donde: Las unidades de la energía de activación son kcal/mol, Las unidades de la concentración son mol/L temperatura esta en K Las unidades de la temperatura son en Kelvin. Fuente: Data experimental proporcionado por Libro Análisis de diseño y síntesis de Richard Turton pag 789. 5.1.3 Otras condiciones de operación para la de obtención de cumeno Obtención del cumeno por alquilación del benceno El cumeno se obtiene por alquilación del benceno con propileno, en lugar de etileno, pudiéndose emplear los mismos catalizadores (Al2O3, ácido fosfórico y otros) aunque la alquilación con propileno resulta más fácil y rápida que con etileno (por la formación de un carbocatión secundario).

También

en

este

caso

se

producen

polialquilbencenos

(di-,

tri-

y

tetraisopropilbencenos) con una configuración que depende del tipo de catalizador empleado. Estos polialquilbencenos se pueden transformar en cumeno, en presencia de benceno y de los catalizadores que son activos para la transalquilación. Entre los numerosos procesos desarrollados a escala industrial, la mayor parte emplea ácido fosfórico soportado y realiza la alquilación en fase líquida, sin

reciclo de los polialquilbencenos, ya que el ácido fosfórico no es activo para la transalquilación. Una mezcla de benceno, propileno y propano (como diluyente) se bombea a través de varios reactores en paralelo. El calor generado en la reacción vaporiza propano y propileno, que burbujean en el líquido. La corriente que sale del reactor entra a una columna RECT en la que se produce una vaporización flash. De los vapores ascendentes se recupera el cumeno y el benceno mediante enfriamiento y descompresión en la columna DP, en la que se introduce también el benceno de alimentación, para su secado previo. Por cabeza de esta columna sale una mezcla de propano y agua. El agua se purga, parte del propano se retorna a la columna como reflujo y el resto también se purga. Las colas de la columna RECT se destilan para separar el cumeno del exceso de benceno y de los subproductos pesados, que se queman. En el reactor se introduce también una pequeña cantidad de agua, para mantener la actividad del catalizador, que se acumula en el fondo de la columna RECT y debe purgarse. El propileno usado como materia prima puede ser incluso una fracción C3 sin separación previa del propano (40 – 60 % de propileno). La conversión del propileno es del 99,35%, con una selectividad en cumeno superior al 92 %. Se ha mencionado anteriormente que el cumeno es materia prima para la producción de acetona, a continuación se muestra un esquema simplificado en la figura 1, donde se muestra este proceso:

Figura 1. Esquema simplificado de la transformación del cumeno en fenol y acetona.

5.2 DESCRIPCION DEL PRODUCTO El isopropilbenceno tiene su principal aplicación como deluente para pinturas, las lacas y los esmaltes y como componente de algunos solventes. Otra importante aplicación del isopropilbenceno se da en los catalizadores de polimerización para la fabricación de plásticos, catalizador para acrílicos y como materia prima para los peróxidos y catalizadores de oxidación. El cumeno aparece como componente minoritario del petróleo y de los disolventes derivados del petróleo. Se utiliza en la fabricación de fenol y de sus productos asociados, acetona y -metilestireno. El cumeno también puede aparecer como contaminante en el aire a niveles de ppb muy bajos (0,1 a 2,5 ppb), posiblemente proveniente de la emisión de gases de los automóviles. También puede encontrarse en la sangre y el aire espirado de trabajadores de hospitales o industrias químicas que no están expuestos a este compuesto, en niveles más altos para los trabajadores fumadores que para los no fumadores.

5.2.1 CARACTERISTICAS DEL PRODUCTO Cumeno es el nombre utilizado comúnmente para el isopropilbenceno, un compuesto químico clasificado entre los hidrocarburos aromáticos. Se encuentra en el petróleo y en algunos de sus productos derivados, como algunos combustibles. Se utiliza en la síntesis de algunos detergentes y, principalmente, en la fabricación de fenol y acetona mediante la obtención previa de hidroperóxido de cumeno.

Propiedades físicas y químicas El cumeno es un líquido, aromático penetrante, incoloro e inflamable. Su temperatura de inflamación es de 44 ºC en copa cerrada y 25 ºC en copa abierta; su temperatura de autoignición es de 424 ºC; y cuando su dosado en presencia de oxígeno está entre 0,88% y 6,5%. •

Presión de vapor: 8 mmHg (a 20 ºC)

•

Densidad relativa: 0,86 g/cm³ (a 15 ºC)

•

Densidad relativa de los vapores: 4,1 (aire=1)

Es soluble en alcohol, éter, benceno y acetona. Es insoluble en agua.

Producción La producción comercial de cumeno se lleva a cabo a través de un catalizador de alquilación de benceno, con la adición de propileno. Puede usarse como catalizador el ácido fosfórico solididificado sobre alúmina, conforme se hacía hasta mediados de los años 1990, cuando alcanzó mayor auge la catálisis basada en zeolitas.

FICHA TECNICA DEL CUMENO

Cumeno

General Nombre sistemático

(1-metiletil) benceno

Otros nombres

isopropilbenceno

Fórmula molecular

C9H12

SMILES

CC(C)C1=CC=CC=C1

Masa molar

120,19 g mol

Apariencia

Liquido incoloro

Número CAS

[98-82-8]

−1

Propiedades −3

Densidad y Fase

0,862 g cm , líquido

Solubilidad en agua

insoluble

Punto de fusión

−96 °C (117 K)

Punto de ebullición

152,7 °C (425 K)

Viscosidad

0,777 cP a 21 °C

Peligros MSDS

External MSDS

Principal Peligros

Inflamable

NFPA 704 Punto de humeo

102 °C

R/S statement

R:

10

37

51/53

65

S: 24 37 61 62 GR8575000

Número RTECS Compuestos relacionados Related compounds

etilbenceno tolueno benceno

Excepto

cuando

se

avise,

datos

para

materiales en su estado estándar (a 25 °C, 100 kPa) Infobox disclaimer and references

5.3 ANALISIS DE LA OFERTA Los principales ofertantes de isopropilbenceno en nuestro continente son EEUU, México y Brasil. La producción de cumeno es estos países se detalla a continuación en la tabla 1: Tabla # 1 : Oferta de cumeno en el mundo LOCALIZACION Estados Unidos Europa Oriental Japón Otros lugares de Asia Fuente: Montedison USA., Inc. (1985)

CAPACIDAD DE PRODUCCION (KTon) 1302 196 396 34

5.4 ANALISIS DE LA DEMANDA En conocida la demanda del isopropilbenceno a nivel mundial, esta demanda es creciente debido al uso del cumeno en la producción de derivados del fenol y la acetona, tal es el caso del bis-fenol A, resinas fenólicas y caprolactama. En la tabla 2 se detalla el consumo de cumeno a nivel mundial: Tabla # 2: Demanda de cumeno en el mundo LOCALIZACION Estados Unidos Europa Oriental Japón Otros lugares de Asia Fuente: Montedison USA., Inc. (1985)

CONSUMO DE CUMENO (KTon) 2345 1098 1987 123

5.5 ANALISIS DE LA OFERTA Y LA DEMANDA En la tabla 3 se muestra la oferta, la demanda y la demanda insatisfecha del cumeno a nivel mundial: Tabla # 3: Análisis de la oferta y demanda del cumeno CAPACIDAD DE PRODUCCION (KTon) 1302 196 396 34

CONSUMO DE CUMENO (KTon) 2345 1098 1987 123

DEMANDA INSATISFECHA (KTon) 1043 902 1591 89

Fuente: elaboración propia 5.6 TAMAÑO DE PLANTA 5.6.1 Desarrollo del diseño del proceso. 5.6.1.1 Capacidad de planta y condiciones de operación. La planta en la cual se trabajara producirá Cumeno por una reacción de alquilación en fase vapor. La capacidad de la planta o producción anual de cumeno es del orden de 90 000 Ton/año de Cumeno al 99% de pureza. Se asume que un año es igual a 330 días, siendo los 35 días restantes del año utilizados para mantenimiento general de la planta, y que los trabajos diarios son distribuidos en 3 turnos de 8 horas cada uno.

CAPITULO 3 MATERIAS PRIMAS Y SUMINISTROS 6. MATERIAS PRIMAS Y SUMINISTROS 6.1 BENCENO El benceno es un hidrocarburo polinsaturado de fórmula molecular C6H6, con forma de anillo (se le llama anillo bencénico, o aromático, ya que posee un olor característico) y puede considerarse una forma polinsaturada del ciclohexano. En el benceno cada átomo de carbono ocupa el vértice de un hexágono regular, ocupa dos valencias con los dos átomos de carbonos adyacentes, una tercera valencia con un átomo de hidrógeno y la cuarta denominada 'oculta' dirigiéndola hacia el centro del anillo hexagonal formada en algunos casos de carbono y en otros de alguna base nitrogenada. Cada átomo de carbono comparte su electrón libre con toda la molécula (según la teoría de orbitales moleculares), de modo que la estructura molecular adquiere una gran estabilidad y elasticidad. El benceno es un líquido incoloro de aroma dulce y sabor ligeramente amargo, similar al de la hiel. Se evapora al aire rápidamente y es poco soluble en agua. Es sumamente inflamable, volátil y se forma tanto en procesos naturales como en actividades humanas. Del benceno se derivan otros hidrocarburos de este tipo entre los que se encuentran: el tolueno, el orto-xileno, el meta-xileno y el para-xileno y otros llamados polinucleicos que son el naftaleno, el fenantreno, antraceno y el pireno.

El benceno se usa en grandes cantidades en los Estados Unidos y Bolivia. Se encuentra en la lista de los 20 productos químicos de mayor volumen de producción. Algunas industrias usan el benceno como punto de partida para manufacturar otros productos químicos usados en la fabricación de plásticos, resinas, nilón y fibras sintéticas como lo es el kevlar y en ciertos polímeros. También se usa benceno para hacer ciertos tipos de gomas, lubricantes, tinturas, detergentes, medicamentos y pesticidas. Los volcanes e incendios forestales constituyen fuentes naturales de benceno. El benceno es también un componente natural del petróleo crudo, gasolina y humo de cigarrillo.

Resonancia del Benceno La representación de los tres dobles enlaces se debe a Friedrich Kekulé, quien además fue el descubridor de la estructura anular de dicho compuesto y el primero que lo representó de esa manera.

Reactividad La reacción típica del benceno es la de sustitución aromática y puede seguir tres caminos: •

Electrofílica

•

Nucleofílica

•

De radicales libres

Las reacciones de sustitución aromática más corrientes son las originadas por reactivos electrofílicos. La capacidad del benceno para actuar como un dador de electrones se debe a la polarización del núcleo bencénico. Las reacciones típicas del benceno son las de sustitución. Los agentes de sustitución utilizados con más frecuencia son: •

Cloro

•

Bromo

•

Ácido nítrico

•

Ácido sulfúrico concentrado y caliente

Hidrocarburos de la serie homóloga del benceno Los hidrocarburos tales como el tolueno, etilbenceno y los silicatoenos, etc., tienen carácter alifático y aromático. El benceno es no polar, lo mismo que el metano, siendo cero el momento dipolar de cada uno de los compuestos. Sin embargo, el tolueno tiene un pequeño momento dipolar (aproximadamente 0,4D) con la carga negativa sobre el núcleo y la positiva sobre el grupo metilo. Los homólogos del benceno experimentan la cloración, ya sea en el núcleo o en la cadena lateral, según sean las condiciones de la reacción.

Toxicidad Respirar, inhalar, aspirar, inspirar o ingerir niveles de benceno muy altos puede causar la muerte, mientras que niveles bajos pueden causar somnolencia, mareo, alucinaciones, aceleración del latido del corazón o taquicardia, dolores de cabeza, migrañas, temblores, tiritar, confusión y pérdida del conocimiento. Comer o tomar altos niveles de benceno puede causar vómitos o acidez, irritación del estómago, úlceras estomacales, mareo, somnolencia o convulsiones; y en último extremo la muerte. La exposición de larga duración al benceno se manifiesta en la sangre. El benceno produce efectos nocivos en la médula de los huesos y puede causar una disminución en el número de glóbulos rojos, lo que conduce a padecer anemia. El benceno también puede producir hemorragias y daños en el sistema inmunitario, aumentando así las posibilidades de contraer infecciones por inmunodepresión.

Los efectos nocivos del benceno aumentan con el consumo de bebidas alcohólicas. Algunos estudios sobre una muestra de mujeres que respiraron altos niveles de benceno durante varios meses han revelado que presentaron menstruaciones irregulares, con sangrado incontrolable por la vagina, así como disminución en el tamaño de sus ovarios. En el aspecto psicológico se observó un cambio en el carácter que se tornó más agresivo y resentido, casi bipolar. No se sabe si la exposición al benceno afecta al feto durante el embarazo o la fertilidad en hombres. Pero está comprobado que en los hombres se ve afectada la capacidad de conseguir la erección y por lo tanto de mantener relaciones sexuales. Estudios en animales que respiraron benceno durante la preñez han descrito bajo peso de nacimiento, retardo mental serio y en la formación de hueso y daño en la médula de los huesos. En ratas se produjeron abortos sutiles o leves. El Departamento de Salud y Servicios Humanos (DHHS) ha determinado que el benceno es un reconocido carcinógeno en seres humanos y otros mamíferos lactantes. La exposición de larga duración a altos niveles de benceno en el aire puede producir leucemia, un cáncer a los tejidos que fabrican las células de la sangre como también un cáncer de cólon. En el organismo, el benceno es transformado en productos llamados metabolitos. Ciertos metabolitos pueden medirse en la orina o en las heces. Sin embargo, este examen debe hacerse con celeridad después de la exposición y el resultado del análisis no indica, con confianza, a que concentración de benceno se estuvo expuesto, ya que los metabolitos en la orina pueden originarse a partir de otras fuentes. FICHA DE SEGURIDAD DEL BENCENO

Benceno Nombre (IUPAC) sistemático

1,3,5-Ciclohexatrieno General Otros nombres

Benzol

Fórmula semi-

C6H6

desarrollada Fórmula molecular

n/d

Identificadores Número CAS

71-43-2

Número RTECS

CY1400000

Propiedades físicas Líquido

Estado de agregación Apariencia

Incoloro

Densidad

878.6 kg/m ;

3

0,8786 g/cm

3

Masa molar

78.1121 g/mol

Punto de fusión

278.6 K (5,45 °C)

Punto de ebullición

353.2 K (80,05 °C)

Viscosidad

0.652

Propiedades químicas Solubilidad en agua

1.79

Momento dipolar

0D

Compuestos relacionados Hidrocarburos

Ciclohexano Naftaleno

Termoquímica 0 gas

82.93 kJ/mol

0 líquido

48.95 kJ/mol

ΔfH ΔfH S

0 líquido, 1 bar

-1

150 J·mol ·K

-1

Peligrosidad Punto de inflamabilidad

262 K (-11 °C)

NFPA 704

3 2 0 Temperatura de

834 K (561 °C)

autoignición Número RTECS

CY1400000

Valores en el SI y en condiciones normales (0 °C y 1 atm), salvo que se indique lo contrario. Exenciones y referencias

PRINCIPALES DERIVADOS DEL BENCENO El benceno se obtiene a partir de las reformadoras de nafta, de la desintegración térmica con vapor de agua de la gasolina, de las plantas de etileno y por desalquilación del tolueno. En el cuadro 3 siguiente veremos una descripción de sus derivados principales.

CUADRO 3. Principales derivados del benceno

Alquilación del benceno La alquilación del benceno consiste en hacerlo reaccionar con una olefina. El etilbenceno se obtiene haciendo reaccionar el etileno con el benceno, y como dijimos anteriormente, su uso principal es la fabricación de estireno. El benceno con el dodeceno da el dodecilbenceno que se usa para hacer los detergentes. Pero si se hace reaccionar con el propileno, se obtiene el cumeno. Este derivado petroquímico es muy importante pues es la materia prima para hacer el fenol y la acetona. El 50% del fenol que se produce se usa para hacer resinas fenólicas, mientras que el 17% se emplea en la fabricación del bisfenol-A. Este producto es la base para la producción de resinas epóxicas, ampliamente usadas en la fabricación de pegamentos. Otras aplicaciones del fenol son la fabricación del ácido acetil salicílico conocido por el público como aspirina. Los derivados clorados del fenol sirven para hacer herbicidas y como preservadores de la madera.

Nitrobenceno. Este producto se prepara haciendo reaccionar el benceno con ácido nítrico en presencia de ácido sulfúrico. El nitrobenceno se usa casi totalmente para fabricar anilina. Los usos más importantes de la anilina son la producción de isocianatos para hacer poliuretanos, la fabricación de productos químicos para las industrias hulera, fotográfica y farmacéutica, y en la producción de tintes.

Clorobenceno. Este petroquímico se fabrica haciendo reaccionar el benceno con cloro.

Del clorobenceno se produce el insecticida conocido como DDT, y también se emplea para fabricar anilina y otros intermediarios de la industria química como el cloronitrobenceno, bisfenilo, etc.

Ciclohexano. Si hidrogenamos el benceno obtendremos el ciclohexano. Este producto se ocupa principalmente para hacer caprolactama y ácido adípico que se usan en la fabricación del nylon-6 y el nylon 6.6.

6.2 PROPILENO El propileno (H2C=CH–CH3) es un hidrocarburo perteneciendo a los alquenos, incoloro e inodoro. Es un homólogo del etileno. Como todos los alquenos presenta el doble enlace como grupo funcional.

Estructura química del propeno.

Estructura molecular del propeno.

Propiedades fisicoquímicas •

Fórmula: C3H6

•

Masa molecular: 42,1 g/mol

•

Punto de fusión: –185,3 ºC

•

Punto de ebullición: –48 ºC

•

Temperatura de ignición: 460 ºC

•

Presión de vapor a 20 ºC: 10.200 hPa

•

Nº CAS: 115-07-1

•

Nº ICSC: 0559

•

Nº RTECS: UC6740000

•

Nº CE: 601-011-00-9

•

Concentración máxima permitida en los lugares de trabajo: 500 ppm (VLAED, ACGIH-2008).

•

Límites de explosividad: 2,0 - 11,1% de propeno en el aire.

Síntesis El propeno es uno de los productos de la termólisis del petróleo. Se separa de los demás productos como el etileno por destilación a baja temperatura.

Aplicaciones El propeno es el producto de partida en la síntesis del polipropileno. La polimerización se puede llevar a cabo de forma radicalaria aunque en la polimerización catalítica se obtienen productos con mejores calidades que además son mejor controlables. Los catalizadores empleados eran originalmente del tipo Ziegler-Natta. En la actualidad se están sustituyendo por otros sistemas basados en zirconocenos. La adición de agua en condiciones polares da iso-propanol que puede ser oxidado a la acetona. En condiciones radicalarias se obtiene n-propanol.

Reacciones –

Con oxidantes fuertes como el permanganato (MnO4 ) o el tetróxido de osmio (OsO4) el propeno es oxidado al propan-1,2-diol. La oxidación con oxígeno en presencia de óxido de plata como catalizador da el óxido de propileno, un epóxido que se utiliza en la síntesis de algunos plásticos o pegamento.

Productos derivados del propileno Los derivados del propileno se pueden clasificar según el propósito al que se destinen, en productos de refinería y productos químicos. Se trató el primer caso en los capítulos anteriores, cuando hablamos de la producción de combustibles de alto octano por medio de los procesos de alquilación y de polimerización. El segundo caso es el que implica la producción de petroquímicos, aprovechando la elevada reactividad que tienen las moléculas de propileno. Su doble ligadura nos permite introducir dentro de la misma una gran variedad de heteroátomos como el oxígeno, nitrógeno, agua, y otros hidrocarburos. Las moléculas de propileno poseen una reactividad mayor que las del etileno. Algunas de las reacciones que se hacen con el etileno, como la hidratación con ácido sulfúrico para la obtención de etanol, se pueden hacer con el propileno pero en condiciones menos severas. El cuadro 4 nos describe algunos de los derivados importantes del propileno y sus usos principales. CUADRO 4. Principales derivados del propileno

Las reacciones de polimerización tanto del etileno como del propileno se describen en el capítulo correspondiente a los plásticos, resinas y elastómeros.

Oligomerización del propileno Esta reacción es semejante a la polimerización, con la diferencia de que en este caso el número de moléculas de propileno que se unen entre sí se limita a dos, tres, cuatro o más, obteniéndose de esta manera hexenos, nonenos, dodecenos, etc. El proceso de polimerización que se usa en las refinerías para hacer gasolinas, en realidad es una reacción de oligomerización que usa catalizadores a base de ácidos impregnados en sólidos como las arcillas. Los hexenos y nonenos que tienen seis y nueve átomos de carbón respectivamente están en el rango de la fracción que corresponde a las gasolinas. Por lo tanto se suelen usar en las mezclas de este combustible. Sin embargo, si se separan y purifican, se pueden utilizar para fabricar otros productos, sobre todo el noneno que se combina con el fenol para hacer nonilfenol, que es la base de los champús para el cabello. El dodeceno, que tiene doce átomos de carbono en sus moléculas, se usa en la síntesis del dodecilbenceno. Este producto sirve para fabricar los detergentes nobiodegradables que se usan para lavar la ropa y las vajillas. Se emplea también para la fabricación de aditivos para el aceite de los motores.

Oxidación del propileno Óxido de propileno. El principal producto petroquímico derivado de la oxidación del propileno es el óxido de propileno. Existen dos procesos industriales para hacer este petroquímico, que son el proceso de la clorhidrina y el proceso oxirane. El óxido de propileno se usa como fumigante de alimentos tales como la cocoa, especias, almidones, nueces sin cáscara, gomas, etc.

Figura 2. Nonilfenol derivado del propileno, base para hacer champús. Por lo general se usa diluido con bióxido de carbono para reducir al máximo su inflamabilidad. También se ha encontrado que las fibras de algodón tratadas con óxido de propileno presentan mejores propiedades de absorción, de humedad y de teñido.

Figura 3. Dodecilbenceno derivado del propileno y el benceno, base de los detergentes.

Polioles poliéster. Estos productos son la base de los poliuretanos. Cuando su peso molecular es de 3 000 sirven para hacer poliuretanos flexibles como los que emplean en cojines y colchones. Pero si éste se encuentra entre 300 y 1 200, el poliuretano obtenido será rígido como el que se usa para hacer salvavidas.

Propilenglicol. Este producto derivado del óxido de propileno no es tóxico por lo que encuentra aplicación como solvente en alimentos y cosméticos. Su principal aplicación industrial es el de la fabricación de resinas poliéster. También se usa como anticongelante y para hacer fluidos hidráulicos.

Di y tripropilenglicol. El dipropilenglicol se usa en la fabricación de lubricantes tanto hidráulicos como en la industria textil. Otros usos incluyen el de solvente, aditivo en alimentos y fabricación de jabones industriales. El tripropilenglicol se usa en cosmetología para hacer cremas de limpieza. También entra en la composición de algunos jabones textiles y lubricantes.

Polipropilenglicoles. Estos productos de bajo peso molecular son líquidos que se obtienen a partir del óxido de propileno y agua o propilenglicol. Las aplicaciones más importantes se encuentran en el terreno de los lubricantes de hule, y de máquinas, antiadherentes y fluidos hidráulicos.

Éteres de glicol. Los éteres de los monos, di y tripropilenglicoles se obtienen haciendo reaccionar el óxido de propileno con un alcohol. Generalmente éstos son el metanol o el etanol. Se suelen utilizar como solventes de pinturas, resinas y tintas.

Isopropilaminas. Estas aminas se obtienen haciendo reaccionar el óxido de propileno con amoniaco. Junto con los ácidos grasos se usan como emulsificantes en los cosméticos, y como jabones y detergentes.

Acrilonitrilo. El propileno, si se oxida en presencia de amoniaco, produce en primer lugar acrilonitrilo y como productos secundarios de la reacción se obtienen el acetonitrilo y el ácido cianhídrico. El acrilonitrilo se usa principalmente para hacer fibras sintéticas que mencionaremos más adelante. También se emplea para hacer resinas ABS y AS (acrilonitrilo-butadieno-estireno y acrilonitriloestireno). Asimismo sirve como materia prima para hacer el hule nitrilo, y los acrilatos, hexametilendiamina, la celulosa modificada y las acrilamidas.

Los metacrilatos de metilo, etilo, y n-butilo sirven para hacer polímeros para las industrias de pinturas, textiles y recubrimientos. El metacrilato de metilo se usa para hacer pinturas, lacas y como material biomédico para la fabricación de prótesis dentales.

Acroleína. Este es otro producto que se obtiene por oxidación del propileno. Sirve como intermediario en la fabricación de glicerina que se usa tanto para hacer supositorios

como

para

obtener

dinamita.

Figura 4. Los propelentes de los aerosoles son derivados del petróleo. La metionina es otro producto derivado de la acroleína. Su principal uso es el de suplemento alimenticio.

Hidratación del propileno Isopropanol. El isopropanol o alcohol isopropílico se obtiene industrialmente haciendo reaccionar el propileno con ácido sulfúrico. La mayor parte del isopropanol se usa para hacer acetona, un conocido quitaesmalte para las uñas. Otra aplicación del alcohol isopropílico es la fabricación de agua oxigenada, misma que se encuentra en los tintes para el pelo, y que además se emplea como desinfectante en medicina. Este alcohol también se emplea para hacer otros productos químicos tales como el acetato de isopropilo, isopropilamina, y propilato de aluminio.

6.3 ACIDO FOSFORICO

Ácido fosfórico Nombre (IUPAC) sistemático Ácido tetraoxofosfórico (V)

General Otros nombres

Ácido ortofosfórico Tetraoxofosfato (V) de hidrógeno

Fórmula

H3PO4

semidesarrollada Fórmula estructural

Ver imagen

Fórmula molecular

n/d

Identificadores

Número CAS

7664-38-2

Propiedades físicas Líquido

Estado de agregación

3

Densidad

1685 kg/m ; 1,685 g/cm

3

Masa molar

98.00 g/mol

Punto de fusión

315 K (41,85 °C)

Punto de ebullición

431 K (158 °C)

Propiedades químicas Acidez (pKa)

2.12, 7.21, 12.67

Solubilidad en agua

Miscible

Peligrosidad NFPA 704

0 2 0 COR Valores en el SI y en condiciones normales (0 °C y 1 atm), salvo que se indique lo contrario. Exenciones y referencias

El ácido fosfórico es un compuesto químico de fórmula H3PO4.

Propiedades químicas El anión asociado con el ácido fosfórico se llama ion fosfato, muy importante en la biología, especialmente en los compuestos derivados de los azúcares fosforilados, como el ADN, el ARN y la adenosina trifosfato (ATP).

Este ácido tiene un aspecto líquido transparente, ligeramente amarillento. Normalmente, el ácido fosfórico se almacena y distribuye en disolución. Se obtiene mediante el tratamiento de rocas de fosfato de calcio con ácido sulfúrico, filtrando posteriormente el líquido resultante para extraer el sulfato de calcio. Otro modo de obtención consiste en quemar vapores de fósforo y tratar el óxido resultante con vapor de agua.

Usos El ácido es muy útil en el laboratorio debido a su resistencia a la oxidación, a la reducción y a la evaporación. Entre otras aplicaciones, el ácido fosfórico se emplea como ingrediente de bebidas no alcohólicas como por ejemplo de la Gaseosa Coca Cola, como pegamento de prótesis dentales, como catalizador, en metales inoxidables y para fosfatos que se utilizan, como ablandadores de agua, fertilizantes y detergentes.

Propiedades físicas •

Densidad relativa (agua = 1): 1,68

•

Solubilidad en agua: Muy elevada

•

Presión de vapor a 20 °C: 4 Pa

•

Densidad relativa de vapor (aire = 1): 3,4

•

Peso molecular (1 mol)

6.4 COSTO DE LA MATERIA PRIMA CUADRO 5: CAPACIDAD DE PRODUCCIÓN INSTALADA EN EL MUNDO DE PRODUCTOS PETROQUÍMICOS BÁSICOS E INTERMEDIOS EN 2006. (Millones de toneladas por año)

En el cuadro 5 podemos observar que la disponibilidad de Benceno en el año 2006 es de aproximadamente

46.4 millones de toneladas al ano, lo que es

favorable para la planta, ya que es claro que no tendremos problemas de disponibilidad de esta materia prima. La disponibilidad de propileno para el año 2006 es de aproximadamente 28.6 millones de toneladas al año. A continuación en el cuadro 6 mostramos las principales companias productoras de productos petroquímicos a nivel mundial, entre los cuales destacan nuestras dos materias primas: el BENCENO y el PROPILENO. CUADRO 6: Principales compañías productoras de productos petroquímicos (Capacidad de producción anual en miles de toneladas métricas anuales)

Panorama global de los principales derivados del propileno. Cadena del propileno: •El propileno es la segunda olefina de mayor importancia. •A nivel global se obtiene como subproducto de las refinerías (30%) y de craquers de etileno (64%). •Los principales productos son el polipropileno (65%), el acrilonitrilo (9%), el óxido de propileno (8%), cumeno (4%) e iso-propanol (1%). •Las regiones de mayor consumo son Asia (39%), Europa (25%) y Norteamérica (25%). •El precio promedio fue alrededor de 1400 USD/T para el propileno grado polímero y800 USD/T para el propileno grado químico. Panorama global de los principales derivados del benceno. Cadena del benceno: •La capacidad mundial de producción de benceno fue de 45 MMT/A (2006) •Los países del medio oriente son los suministradores más importantes •La demanda se encuentra en las regiones de Asia, Norteamérica y Europa

•Las aplicaciones más importantes del benceno son etilbenceno (estireno), cumeno (fenol y acetona), ciclohexano (nylon 6), nitrobenceno (anilina), alquilbenceno (detergentes biodegradables) y anhidridomaleico (poliésteres no saturados)

CAPITULO 4 UBICACIÓN Y EMPLAZAMIENTO 7. UBICACIÓN Y EMPLAZAMIENTO LOCALIZACION DE LA PLANTA La localización de la planta de Cumeno va a depender de diferentes factores, estos tienen un peso de acuerdo a su importancia, luego mediante el método de factores ponderados hallaremos una posible ubicación.

Factores a Considerar:

Disponibilidad. La disponibilidad de las materias primas como propileno, o en todo caso su predecesor el gas natural (propano ,metano, etano) el cual se utiliza

en la

producción plásticos así como su uso en combustible primordialmente , y diversos productos. Teniendo en cuenta en que actualmente se ésta fomentando la industrialización del gas natural para la producción de productos petroquímicos, este va hacer considerado como el punto de partida para la disponibilidad de materias primas. Mercados

Este factor va a depender del uso del cumeno , las principales aplicaciones para el cumeno en nuestro mercado están como deluente para las pinturas, las lacas y los esmaltes, y como componente de algunos solventes .También se utiliza en los catalizadores de polimerización para fabricación de plásticos , catalizador para acrílicos y tipo resinas de poliéster, y como materia prima para los peróxidos y los catalizadores de oxidación.

Taiwán, Japón y EEUU

importan volúmenes grandes de cumeno para la

producción del fenol. China se pronostica importar cumeno para incrementar su capacidad significativa de

32%

durante 2007-2012

para

suministrar este

compuesto en sus plantas de fenol y acetona en su país Disponibilidad de energía El Proceso de producción de cumeno, tiene como principal materia prima al propileno el cual se obtiene en un proceso exotérmico, aplicando un sistema de integración energética pinch podemos solucionar una parte de la disponibilidad de energía, pero además al tener como disponibilidad, el uso del gas natural podría ser una solución a esta, claro pero antes se tendría que hacer un análisis económico de estas posibilidades.

Clima

También los factores ambientales son de estudio a la hora de decidir la ubicación de una planta industrial. Los procesos industriales muy contaminantes producen rechazo en las zonas de vivienda, por lo que deben instalarse lo más lejos posible de los núcleos habitados. Los climas extremos son, también, un factor limitante para la localización industrial. Las máquinas no funcionan bien, o se estropean antes, en climas muy fríos, muy cálidos, muy secos, o muy húmedos. El proceso industrial pierde eficacia. Además, estos climas se corresponden con densidades de población muy bajas, es decir, por un lado están lejos de los mercados, y por otro lejos de los trabajadores, a los que hay que alojar en las inmediaciones a costa de la empresa. Suministros de mano de obra

Este factor tiene un peso importante a la hora de elegir la ubicación de una planta. En la siguiente figura 5 se puede apreciar los salarios mínimos en latinoamérica, pero no solo es un factor importante el costo de mano de obra si no también la calidad de mano de obra y también la disponibilidad de esta misma.

Figura 5: MÉTODO DE FACTORES PONDERADOS PARA LA LOCALIZACIÓN DE UNA PLANTA

Como ya hemos enumerados diferentes factores que afectan a la hora de elegir la localización de una planta, a cada uno de estos se le ha dado un peso respectivo de acuerdo a su importancia.

Hemos considerado 3 alternativas de ubicación teniendo en cuenta los mismos factores, y de estos hemos elegido según su peso ponderado cual sería la mejor alternativa. Alternativa A

Cochabamba

Alternativa B

Tarija

Alternativa C

Santa Cruz

FACTORES

Peso relativo Alternativa A Alternativa B Alternativa C materia 0,25

5

7

6

Mercados

0,15

8

7

8

Disponibilidad de energía

0,15

4

4,5

4

Clima

0,05

9

7

7

Instalaciones de Transporte

0,25

9

8

8

Suministros de Mano de Obra

0,15

7

8

8

Peso Total

1

6,8

7,025

6,85

Disponibilidad

de

prima

De acuerdo con esta tabla la mejor opción sería localizar la planta en el Departamento de Tarija.

CAPITULO 5 INGENIERIA DEL PROYECTO 8.1 DIAGRAMA DEL PROCESO

8.2 BALANCE DE MASA TABLA DEL BALANCE DE MASA en Kmol/h Corrientes de proceso Componentes 1 C H N2 O2 S CO2 SO2 H2O BENCENO

111.0 5.55

111.0

3

4

312.9

111.0

PROPILENO PROPANO ISOPROPILBENC ENO DIISOPROPILBE NCENO TOTAL

2

116.5 5

1.19 6.01

320.1

111.0 5.55

116.5 5

6

7

8 8

9

1 0 0 0

312.9

312.9

312.9

209.64

209.64

1.19 6.01

112.19 11.56

312.9 112.1 9 11.56

112.19 11.56

2.47 11.56

2.47 11.56

96.79

96.79

6.463 326.9 23

6.463 326.9 23

5

320.1

436.6 2

436.6 2

436.6 2

TABLA DEL BALANCE DE MASA en Kmol/h

Corrientes de proceso Componentes C H O2 N2 S CO2 SO2 H2O BENCENO PROPILENO PROPANO ISOPROPILBENC ENO DIISOPROPILBE NCENO TOTAL

1 1

1 2

1 3

1 4

1 5

1 6

1 7

1 8 32.745 8 44.71 0.24 0.097 0.099

8.3856 1.235 5.78

201.25 1.235 5.78

0.9679

95.826

0.065 16.43

6.398 310.4

1 9

2 0 0 0

48.42 86.86 183.39 183.39

4.83

32.75 11.18 0.35

236.6

314.5

201.25 1.235 5.78

208.2

95.826

95.826

93.91

1.916

6.398 102.2

6.398 102.2

0.128 94.03

6.27 8.186

77.89

35

89

65

24

24

8

4

3

8.3 BALANCE DE ENERGIA

TABLA DEL BALANCE DE ENERGIA

Descripción

1

2

3

4

5

6

Temperatura (C)

25

25

83

25

83

25

60

24.3

23.5

24.3

31.5

31.5

31.25

111.0

116.55

320.1

116.55

320.1

0.879

0.804

0.879

0.804

0.879

Presión (bar) Flujo (Kmol/h) Densidad (Kg/l)

7

8

9

1 0

350

120

70

31.25

31.25

1.75

1.75

436.65

436.65

436.65

326.93

326.93

0.837

0.819

Viscosidad (CP) Cap.Cal. (Kcal/KgC) Entalpia (Kcal)

0.65

0.23

0.31

0.23

0.31

0.27

0.23

0.41

0.595

0.47

0.595

0.47

0.5325

0.5176 3.36 * 106

0.17

0.205

0.24

0.4330 0.512 0.498 426368 348175 736231 0.7 1.4 .98

TABLA DEL BALANCE DE ENERGIA

Descripción Temperatura (C) Presión (bar) Flujo (Kg/h) Densidad (Kg/m3) Viscosidad (CP) Cap.Cal. (Kcal/KgC) Entalpia (Kcal)

1 1

1 2

1 3

1 4

1 5

60

40

115

90

90

1.75

1.75

1.75

1.75

16.43

310.49

0.015

0.50

1.9 102.22 209.10 102.224 4

1 6

1 7

170

148

1.75

1.75

94.038

8.186

0.583

0.595

0.22

0.67 0.50 0.489 0.564 3481751. 429639. 58271 353553 40 15 2.1 .83

0.564

526254 348175 .05 1.4

DETALLE DE LOS BALANCES DE MASA Y ENERGIA BALANCES DE MASA 1. Balance de masa mezclador

Flujo molar de Benceno al 99% de pureza

Mezclador

Balance para el benceno: mb1 + mb13 = mb3 Balance para el propileno: mpr13 = mpr3 Balance para el propano: mp13 = mp3

2. Balance en la bomba

Bomba

Balance para el benceno: mb3 = mb5 Balance para el propileno: mpr3 = mpr5 Balance para el propano: mp3 = mp5

3. Balance en la bomba

Bomba

Balance para el benceno: mb2 = mb4 Balance para el propileno: mpr2 = mpr4 Balance para el propano: mp2 = mp4

4. Balance en el mezclador

Mezclador

Balance para el benceno: mb4 + mb5 = mb6 Balance para el propileno: mpr4 + mpr5 = mpr6 Balance para el propano: mp4 + mp5 = mp6

5. Balance en el intercambiador

Intercambiador

Balance para el benceno: mb6 = mb7 Balance para el propileno: mpr6 = mpr7 Balance para el propano: mp6 = mp7

6. Balance en el calentador

Calentador

Balance para el benceno: mb7 = mb8 Balance para el propileno: mpr7 = mpr8 Balance para el propano: mp7 = mp8

7. Balance en el reactor

Reactor

Reaccion # 1

Conversión del propileno : 97.8 % Conversión del benceno : 33% Conversión global: 93%

Reacción secundaria: C3H6

+ C6H5-C3H7

→

Propileno isopropilbenceno

C3H7-C6H4-C3H7 diisopropil benceno (DIPB)

8. Balance en el intercambiador

Intercambiador

Balance para el benceno: mb9 = mb10 Balance para el propileno: mpr9 = mpr10 Balance para el propano: mp9 = mp10 Balance para el isopropilbenceno (IPB): MIPB9 = mIPB10 Balance para el diisopropil benceno (DIPB): MDIPB9 = mDIPB10

9. Balance en el separador flash

separador flash

Balance para el benceno: mb10 = mb11+mb12 Balance para el propileno: mpr10 = mpr11+ mpr12 Balance para el propano: mp10 = mp11+ mp12 Balance para el isopropilbenceno (IPB): MIPB10 = mIPB11+ mIPB12 Balance para el diisopropil benceno (DIPB): MDIPB10 = mDIPB11 + mDIPB12 •

Se condensa el 96% de

•

Se condensa el 99% de IPB

•

Se condensa el 50% de propileno y

benceno

y DPIB

propano

10.Balance en el destilador

Destilador

Balance para el benceno: mb12 = mb13+mb14 Balance para el propileno: mpr12 = mpr13+ mpr14 Balance para el propano: mp12 = mp13+ mp14 Balance para el isopropilbenceno (IPB): MIPB12 = mIPB13+ mIPB14 Balance para el diisopropil benceno (DIPB): MDIPB12 = mDIPB13 + mDIPB14 •

Se vaporiza el 100% de

•

Se condensa el 100% de IPB

•

Se vaporiza el 100% de propileno y

benceno

y DPIB

propano

11.Balance en la bomba

Bomba

Balance para el isopropilbenceno (IPB):

MIPB14= mIPB15 Balance para el diisopropil benceno (DIPB): MDIPB14 = mDIPB15

12.Balance en el destilador

Destilador

Balance para el isopropilbenceno (IPB): MIPB15 = mIPB16+ mIPB17 Balance para el diisopropil benceno (DIPB): MDIPB15 = mDIPB16 + mDIPB17 •

Se vaporiza el 98 % de IPB

•

Se vaporiza el 98 % de

DIPB

BALANCE DE MASA PARA EL HORNO

Horno

Calor requerido para calentar el flujo

 Cantidad de combustible requerido

El rendimiento del proceso es del 93 %, entonces la masa de combustible por hora requerido para este rendimiento es de:

 Balance de masa

 Para la cantidad de combustible, calcular la cantidad de aire

Combustible residual #6

Porcentaje (%)

C

87

H

9.9

O

1.7

N

0.6

S

0.7

Ceniza

0.1

 Las reacciones básicas que se dan:

C

+

O2 4H

CO2 +

O2

2H2O

S

+

O2

Composición del aceite a la entrada

 Requerimiento de oxigeno

 Requerimiento de aire

SO2

Considerando un exceso del 10 % de aire

 Cantidad de H2O en el aire

H2O en el aire

 Gases de Combustión

 Cantidad de oxigeno y nitrógeno en el combustible (Molecular)

BALANCE DE ENERGIA 1. Balance de energia mezclador

Mezclador

Balance de energía para la temperaura T3: T1*m1 + T13*m13 = T3*m3

2. Balance en la bomba

Bomba

3. Balance en la bomba

Bomba

4. Balance en el mezclador

Mezclador

5. Balance en el intercambiador

Intercambiador

Para la corriente 7 λvbenceno = 93 Kcal/Kg Tebbenceno = 80 ˚C

mb7= 312.9 Kmol/h

Yb = 0.72

λvpropileno = 220 Kcal/Kg Tebpropileno = -48 ˚C

mpr7= 112.19 Kmol/h

Ypr = 0.26

λvpropano = 105 Kcal/Kg Tebpropano = -42 ˚C

mp7= 11.56 Kmol/h

Yp = 0.02

Calculo de los calores de vaporización: ∆Hv =

λv

∆Hv benceno =

∆Hv benceno = 2269776.6

∆Hv propileno =

PMp = PMb*Yb + PMpr*Ypr + PMp*Yp PMp = 78*0.72 + 42*0.26 + 42*0.02 PMp = 67.92

∆Hv propileno = 1036635.6

∆Hv propano =

∆Hv propano = 50979.6

∆Hv = ∆Hv benceno + ∆Hv propileno + ∆Hv propano ∆Hv = 2269776.6

+1036635.6

∆Hv = 3.36 * 106

6. Balance en el calentador

Calentador

+ 50979.6

PMp = 67.92 ∆Hv =

Cp*∆T

7. Balance en el reactor

Reactor

Reaccion # 1

Conversión del propileno : 97.8 % Conversión del benceno : 33% Conversión global: 93% Reacción secundaria:

C3H6

+ C6H5-C3H7

→

C3H7-C6H4-C3H7

Propileno isopropilbenceno

diisopropil benceno (DIPB)

Para la corriente 9 Yb = 0.64 Ypr = 0.0076 Yp = 0.0035 YIPB = 0.296 YDIPB = 0.0198

PMp = PMb*Yb + PMpr*Ypr + PMp*Yp + PMIPB*YIPB + PMDIPB*YDIPB PMp = 78*0.64 + 42*0.0076 + 42*0.0035 + 120*0.296 + 162*0.0198 PMp = 90.44

∆Hv =

Cp*∆T

8. Balance en el intercambiador

Intercambiador

∆Hv =

Cp*∆T

9. Balance en el separador flash

separador flash

Para la corriente 10 Yb = 0.64 Ypr = 0.0076

PMp = PMb*Yb + PMpr*Ypr + PMp*Yp + PMIPB*YIPB + PMDIPB*YDIPB PMp = 78*0.64 + 42*0.0076 + 42*0.0035 + 120*0.296 +

162*0.0198 Yp = 0.0035

PMp = 90.44

YIPB = 0.296 YDIPB = 0.0198 ∆Hv =

Cp*∆T

Para la corriente 11 Yb = 0.51 Ypr = 0.075

PMp = PMb*Yb + PMpr*Ypr + PMp*Yp + PMIPB*YIPB + PMDIPB*YDIPB PMp = 78*0.51 + 42*0.075 + 42*0.35 + 120*0.059 + 162*0.0039

Yp = 0.35

PMp = 65.34

YIPB = 0.059 YDIPB = 0.0039 ∆Hv =

Para la corriente 12

Cp*∆T

Yb = 0.65 Ypr = 0.0040

PMp = PMb*Yb + PMpr*Ypr + PMp*Yp + PMIPB*YIPB + PMDIPB*YDIPB PMp = 78*0.65 + 42*0.0040 + 42*0.0186 + 120*0.31 + 162*0.021

Yp = 0.0186

PMp = 92.25

YIPB = 0.31 YDIPB = 0.021 ∆Hv =

Cp*∆T

10.Balance en el destilador

Destilador

Para la corriente 13 Yb = 0.96 Ypr = 0.0059

PMp = PMb*Yb + PMpr*Ypr + PMp*Yp + PMIPB*YIPB + PMDIPB*YDIPB PMp = 78*0.96+ 42*0.0059 + 42*0.0277 + 120*0.0 + 162*0.0 PMp = 76.29

Yp = 0.0277 YIPB = 0.0 YDIPB = 0.0

∆Hv =

Para la corriente 14

Cp*∆T

Yb = 0.0 Ypr = 0.0

PMp = PMb*Yb + PMpr*Ypr + PMp*Yp + PMIPB*YIPB + PMDIPB*YDIPB PMp = 78*0.0 + 42*0.0 + 42*0.0 + 120*0.937 + 162*0.063 PMp = 122.646

Yp = 0.00 YIPB = 0.937 YDIPB = 0.063

∆Hv =

Cp*∆T

11.Balance en la bomba

Bomba

12.Balance en el destilador

Destilador

Para la corriente 16 YIPB = 0.998 YDIPB = 0.0014

PMp = PMIPB*YIPB + PMDIPB*YDIPB PMp = 120*0.998 + 162*0.0014 PMp = 119.98

∆Hv =

Cp*∆T

Para la corriente 17 YIPB = 0.234 YDIPB = 0.766

∆Hv =

PMp = PMIPB*YIPB + PMDIPB*YDIPB PMp = 120*0.234+ 162*0.766 PMp = 152.172

Cp*∆T

CAPITULO 6

DISENO DE EQUIPOS

1. Diseño del Vessel (A-111) Datos:

Kmol ṁm= 320.1 h

•

Peso molecular promedio

PM = 78*0.9775 +42*3.72x10^-3 + 42*1.8775x10^-2 PM = 77.1898 kg/kmol Kmol 77.1898kg 1kmol ṁ = 320.1 = 24708.45 h

•

Kg h 1kmol

Volumen de la mezcla

ρ

Kg h V = 24708.45 *

1L 0.879 kg = 28109.73

*

-3 L 1m h 1000L = 28.109

m-3 h

Por razones de seguridad el volumen de Vessel tendrá una capacidad para almacenar el doble del volumen de la mezcla. -3

V= 5.6218 m^3 V= ‫*ח‬r^2*h r^2*h = 1.789

La altura del vessel es seis veces el radio del recipiente h= 6r

1.789 =6*r^3 r= 0.668 m D = 1.34 m h = 4.008 m

2. Bomba (L-113) Datos ṁ = 24708.45 Kg/h Se asume un diámetro de tubería de 2

1/2

IPS similar al del ánulo del intercambiador:

Los valores respectivos para la fricción de succión y descarga asumidos son los siguientes:

Asumimos que el tanque de succión se encuentra a presión atmosférica y que la descarga está sujeta a una presión manométrica:

 Cálculo del Flujo Volumétrico.

 Cálculo de la Carga Desarrollada por la Bomba.

Donde:

 Cálculo de la Potencia de la Bomba.

Asumiendo una eficiencia del 85%:

 Cálculo de la Carga Neta de Succión.

La presión de benceno:

3. Bomba (L-112) Datos ṁ = 4895.1 Kg/h Se asume un diámetro de tubería de 2

1/2

IPS similar al del ánulo del intercambiador:

Los valores respectivos para la fricción de succión y descarga asumidos son los siguientes:

Asumimos que el tanque de succión se encuentra a presión atmosférica y que la descarga está sujeta a una presión manométrica:

 Cálculo del Flujo Volumétrico.

 Cálculo de la Carga Desarrollada por la Bomba.

Donde:

 Cálculo de la Potencia de la Bomba.

Asumiendo una eficiencia del 65%:

 Cálculo de la Carga Neta de Succión.

La presión de propileno:

4. MEZCLADOR (M-114) m = 436.62 kmol/h PM prom = 78*0.7166 + 42*0.2570+0.42*0.02648 PMp = 67.80kg/mol m = 436.62 kmol/h * 67.80kg/1kmol =29603.26 kg/h m = 8.223 kg/s 3

3

� = 0.837 kg/L3

V= 8.223kg/l * m /837kg = 0.00982m /5 = 35.368 m /h

Para un volume de 7.5 m las dimensiones serán:

V =‫ ח‬r^2 h 7.5/‫ = ח‬r^2* h 7.5/ ‫ = ח‬r^2*h 7.5/ ‫ = ח‬r^2 * 6r 3

h = 6r

r = 7.5/ 6* ‫ח‬ r = 0.736 m h = 4.42 m

5. Intercambiador de calor (E-115) Requerimos enfriar la mezcla proveniente del horno de pirolisis, para tal efecto necesitamos diseñar un intercambiador basado en las condiciones de operación que tenemos:

Para la terminal fría:

Vapor de

T (°C)

μ(cp)

35

0,9045

25

0,023

Agua Mezcla

; trabajamos con las temperaturas promedios.

Propiedades del vapor de agua y la mezcla a las correspondientes temperaturas promedio:

T (°C) Vapor de

μ(Kg/m-s)

Cp (Kcal/Kg-

K (Kcal/h-

˚C)

m-˚C)

67.5

2.6

1

0.567

42.5

2.98

0.5250

0.468

Agua Mezcla

 Cálculo del Flujo Másico de Agua Requerido.

 Cálculo de la Media Logarítmica de la Temperatura.

 Cálculo de Calor requerido.

 Cálculo del Coeficiente de Transferencia de Calor para la Tubería (h io). Para el diseño se ha considerado una tubería de 1

1/4

IPS.

•

Número de Reynolds:

•

Número de Prandt:

 Cálculo del Coeficiente de Transferencia de Calor para el Ánulo (h o). Para el diseño se ha considerado 2 IPS.

 Diámetro Equivalente para el Ánulo.

 Número de Reynolds:

Número de Prandt:

 Cálculo del Coeficiente de Transferencia Limpio (U L).

 Cálculo del Coeficiente de Transferencia de Diseño (UD).

Para el diseño se ha considerado un factor de obstrucción de 0.001 para ambos lados de la tubería.

 Cálculo de Área de Tubería.

 Cálculo de la Longitud de la Tubería.

1/4

Para la tubería de 1 :

Se dispone de cierto número de horquillas de 12.19 pies de longitud:

 Cálculo del Número de Horquillas.

La longitud de la horquilla (Lhorquilla) será la longitud por dos:

6. Horno (Q-110) Para el diseño del horno usaremos el método de Lobo-Evans •

Eficiencia del horno

Para fines de cálculo consideraremos un 2% de perdidas por la pared

Donde: Tstack = temperatura de entrada a chimenea ºF Eff = Eficiencia del horno exair = porcentaje de exceso de aire a los quemadores. Para: Tstack = 300 [˚F] exair = 10% Reemplazando en la formula tenemos: Eff = 0.93 Eff = 93% •

Calor requerido para calentar el flujo

∆Hv =

Cp*∆T

•

Cantidad de combustible

El rendimiento del proceso es del 93 %, entonces la masa de combustible por hora requerido para este rendimiento es de:

•

Calculo del calor recibido

Para: hc=2 A= 2*α*Acp F=0.57 σ=1

Suponemos Ts= 400 [˚F] y Tg= 793 [˚F]

•

Calculo de la superficie

•

Calculo del numero de tubos

Se usaran tubos de: Do= 0.42 pies L= 15 pies

•

Calculo del Acp

Donde: Pt= 0.875 pies

Para α=0.937

•

Calculo de la superficie refractaria

•

Calculo del area exterior de tubos

7. Reactor (D-120) Se usara un reactor de lecho empacado

r1 = k1c p cb

mole / g cat sec

 −24.90  k1 = 35 . × 104 exp   RT 

Donde: Las unidades de la energía de activación son kcal/mol, Las unidades de la concentración son mol/L temperatura esta en K Las unidades de la temperatura son en Kelvin. DATOS

•

Tabla estequiometrica

Propileno (A)

Nao

-Nao*Xa

Nao*(1-Xa)

Benceno (B)

Nbo

-Nao*Xa

Nao*(Ɵb-Xa)

Cumeno (C)

0

Nao*Xa

Nao*Xa

•

Las concentraciones están dadas por:

•

Calculo de la fracción

•

Balance de masa

Donde:

•

Balance de energía

•

Caída de presión

Resolviendo las tres ecuaciones diferenciales en Polymath, tenemos una tabla que nos indica la cantidad de masa de catalizador, la conversión, temperatura y caída de presión, esta tabla se detalla a continuación:

m [g]

Xa

T [K]

Y

0

0

623

1

250

0.0084

645.76

0.98

500

0.0201

665.90

0.95

750

0.0383

685.82

0.92

1000

0.0780

698.56

0.89

1250

0.0980

714.98

0.84

1500

0.2134

729.15

0.79

1750

0.3987

703.21

0.76

2000

0.4254

675.89

0.73

2250

0.4898

645.98

0.69

2500

0.5202

623.65

0.65

2750

0.5465

598.97

0.59

3000

0.5934

575.32

0.53

3250

0.6138

554.80

0.48

3500

0.6945

530.50

0.42

3750

0.7866

520.48

0.36

4000

0.8332

515.33

0.30

4250

0.8967

493.15

0.24

4500

0.9423

464.91

0.16

4750

0.9578

421.46

0.10

5000

0.9639

398.38

0.053

•

Según ala tabla la masa de catalizador que se requiere es de 5 Kg para obtener una conversión de 0.9639 para el propileno, esto concuerda con los datos teoricos obtenidos de la bibliografía, que indica que la conversión de propileno para este tipo de reacción es de 0.97.

CAPITULO 7 ESTIMACION DE COSTOS DE LOS EQUIPOS Cálculos de estimación de la inversión fija utilizando la técnica de bare module cost (cbm) Cálculos realizados por la técnica de Bare Module Cost (CBM).Las tablas utilizadas son las que se encuentran a continuación y son del libro: “Analysis, Síntesis, and Design of Chemical Processes” del autor Richard Turton en la segunda edición. a. Costo estimado para el tanque de mezclado (Equipo A-111): Dimensiones: Longitud:

4.008 m

Diámetro:

1.34 m 0

Condiciones de operación: T = 25 C P = 24.3 bar 2

2

Volumen = (3.1416xD xL)/4 = (3.1416x1.4 x4.2)/4 = 5.65 m

3

De la figura A.7 para Vessel horizontal: Para: V = 7.65 m o

3

3

o

Cp /V = 3653 $/m

3

3

Cp = 3653 $/m x7.65m = $ 27950 (P + 1) × D (1 +1) ×1.4 + 0.00315 + 0.00315 Fp = 2[850 - 0.6 (P +1 ) ] = 2[850 - 0.6 (1 +1 ) ] 0.0063 0.0063

= 0.76

De la tabla A.3

Numero de identificación = 18

En la figura A.8

FM = 1

De la tabla A.4: B1 = 1.49 B2 = 1.52 o

CBM (2001-USA) = Cp (B1+B2xFpxFM ) = $ 27950x (1.49+1.52x0.76x1) = $ 73933

CBM (2007-USA) = $ 73933x (1.2002) = $ 88734 CBM (2007-PERU) = $ 88734x (1.37) = $ 121566 b. Costo estimado de la bomba (Equipo L-113):

Centrifugal, 85% efficient, driver rated at 11 Hp Condiciones de operación: Presión de entrada = 24.3 bar Presión de salida

= 31.5 bar

De la figura A.3: o

Para: Ws = 11 Hp (8.2 KW)

Cp /Ws = 414 $/KW

o

Cp = 414 $/KWx 8.2 KW = $ 3400 De la tabla A.2

C1 = -0.3935 C2 = 0.3957 C3 = -0.00226

LogFp = C1 + C2xLogP + C3x (LogP)

2

LogFp = -0.3935 + 0.3957xLog31.5 - 0.00226x (Log31.5)

2

Fp = 1.56 De la tabla A.3

Numero de identificación = 37

En la figura A.8

FM = 1

De la tabla A.4: B1 = 1.89 B2 = 1.35 o

CBM (2001-USA) = Cp (B1+B2xFpxFM ) = $ 3400x (1.89+1.35x1.56x1) = $ 13586 CBM (2007-PERU) = $ 13586x (1.2002) x (1.37) = $ 22340

c. Costo estimado de la bomba (Equipo L-112): Centrifugal, 65% efficient, driver rated at 2.24 KW Condiciones de operación: Presión de entrada = 23.5 bar Presión de salida

= 31.5 bar

De la figura A.3: Para: Ws = 2.24 KW o

Cp = 2150.9 $/KWx21.9 KW = $ 4818

De la tabla A.2

C1 = -0.3935 C2 = 0.3957 C3 = -0.00226

o

Cp /Ws = 2150.9 $/KW

LogFp = C1 + C2xLogP + C3x (LogP)

2

LogFp = -0.3935 + 0.3957xLog31.25 - 0.00226x (Log31.25)

2

Fp = 1.51 De la tabla A.3

Numero de identificación = 37

En la figura A.8

FM = 1

De la tabla A.4: B1 = 1.89 B2 = 1.35 o

CBM (2001-USA) = Cp (B1+B2xFpxFM ) = $ 4818x (1.89+1.35x1.51x1) = $ 18928 CBM (2007-PERU) = $ 18298x (1.2002) x (1.37) = $ 31123

d. Costo estimado del intercambiador de calor (Equipo E-115): Feed vaporizer Área = 54.51 m

2

Condiciones de operación: Presión de entrada = 31.25 bar Presión de salida

= 31.25 bar

De la figura A.5: Intercambiador tubo múltiple. Para: A = 54.52 m o

2

2

o

Cp /A = 133.5 $/m 2

Cp = 133.5 $/m x54.52 m = $ 7280

2

De la tabla A.2

C1 = 0 C2 = 0 C3 = 0

LogFp = C1 + C2xLogP + C3x (LogP)

2

Fp = 1.0 De la tabla A.3

Numero de identificación = 1

En la figura A.8

FM = 1

De la tabla A.4: B1 = 1.74 B2 = 1.55 o

CBM (2001-USA) = Cp (B1+B2xFpxFM ) = $ 7280x (1.74+1.55x1x1) = $ 23951 CBM (2007-PERU) = $ 23951x (1.2002) x (1.37) = $ 39382 e. Costo estimado para el Calentador (Equipo Q-110):

Q = 1772 KW Condiciones de operación: Presión de entrada = 31.25 bar Presión de salida

= 31.25 bar

De la figura A.4: Stream Boiler. Para: Q = 1772 KW o

Cp = 83 $/KW x1772 KW = $ 147076

o

Cp /Q = 83 $/KW

De la tabla A.2

C1 = 2.594072 C2 = -4.23476 C3 = 1.722404

LogFp = C1 + C2xLogP + C3x (LogP)

2

LogFp = 2.594072 - 4.23476xLog31.25 + 1.722404x (Log31.25)

2

Fp = 1.30 De la tabla A.3

Numero de identificación = 18

En la figura A.8

FM = 1

De la tabla A.4: B1 = 2.25 B2 = 1.82 o

CBM (2001-USA) = Cp (B1+B2xFpxFM ) = $ 147076x (2.25+1.82x1.30x1) = $ 678903 CBM (2007-PERU) = $ 678903x (1.2002) x (1.37) = $ 1116303

f. Costo estimado del Reactor catalítico (Equipo D-120): Volumen = 4.1 m

3

Condiciones de operación: Presión de entrada = 31.25 bar Presión de salida

= 1.75 bar

Tomaremos como referencia el dato para el Vessel

De la figura A.7 para Vessel vertical: Para: V = 6.5 m o

3

3

o

Cp /V = 4300 $/m

3

3

Cp = 4300 $/m x6.5m = $ 27950 (31.25 +1) ×1 (P + 1) × D + 0.00315 + 0.00315 Fp = 2[850 - 0.6 (P +1 ) ] = 2[850 - 0.6 (31.25 +1 ) ] = 3.58 0.0063 0.0063

De la tabla A.3

Numero de identificación = 18

En la figura A.8

FM = 1

De la tabla A.4: B1 = 2.25 B2 = 1.82 o

CBM (2001-USA) = Cp (B1+B2xFpxFM ) = $ 27950x (2.25+1.82x3.58x1) = $ 245000 CBM (2007-USA) = $ 24500x (1.2002) = $ 294050 CBM (2007-PERU) = $ 294050x (1.37) = $ 402850

g. Costo estimado del intercambiador de calor (Equipo E-131): Reactor effluent Área = 533 m

2

Condiciones de operación: Presión de entrada = 1.75 bar Presión de salida

= 1.75 bar

De la figura A.5: Air cooler. Para: A = 533 m o

2

2

o

Cp /A = 210 $/m

2

2

Cp = 210 $/m x533 m = $ 111930 De la tabla A.2

C1 = -0.1250 C2 = 0.15361 C3 = -0.02861

LogFp = C1 + C2xLogP + C3x (LogP)

2

LogFp = -0.1250 + 0.15361xLog31.25 - 0.02861x (Log31.25)

2

Fp = 0.04

De la tabla A.3

Numero de identificación = 10

En la figura A.8

FM = 1

De la tabla A.4: B1 = 0.96 B2 = 1.21 o

CBM (2001-USA) = Cp (B1+B2xFpxFM ) = $ 111930x (0.96+1.21x0.04x1) = $ 112870 CBM (2007-PERU) = $ 112870x (1.2002) x (1.37) = $ 185589

h. Costo estimado para la unidad Flash (Equipo D-130):

Dimensiones: Longitud:

5.2 m

Diámetro:

1m

Condiciones de operación: Presión de entrada = 1.75 bar Presión de salida

2

= 1.75 bar

2

Volumen = (3.1416xD xL)/4 = (3.1416x1 x5.2)/4 = 4.1 m

3

De la figura A.7 para Vessel vertical: Para: V = 4.1 m o

3

3

o

Cp /V = 7140 $/m

3

3

Cp = 7140 $/m x4.1m = $ 29274 (31.25 +1) ×1 (P + 1) × D + 0.00315 + 0.00315 Fp = 2[850 - 0.6 (P +1 ) ] = 2[850 - 0.6 (31.25 +1 ) ] = 3.58 0.0063 0.0063

De la tabla A.3

Numero de identificación = 18

En la figura A.8

FM = 1

De la tabla A.4: B1 = 2.25 B2 = 1.82 o

CBM (2001-USA) = Cp (B1+B2xFpxFM ) = $ 27274x (2.25+1.82x3.58x1) = $ 256604 CBM (2007-USA) = $ 256604x (1.2002) = $ 307976

CBM (2007-PERU) = $ 307976x (1.37) = $ 421927 i. Costo estimado de la bomba (Equipo E-151):

Centrifugal, 75% efficient, driver rated at 1.0 KW Condiciones de operación: Presión de entrada = 1.75 bar Presión de salida

= 1.9 bar

De la figura A.3: o

Para: Ws = 1.0 KW

Cp /Ws = 2500 $/KW

o

Cp = 2500 $/KWx1.0 KW = $ 2500

De la tabla A.2

C1 = 0 C2 = 0 C3 = 0

LogFp = C1 + C2xLogP + C3x (LogP)

2

Fp = 1.0 De la tabla A.3

Numero de identificación = 37

En la figura A.8

FM = 1

De la tabla A.4: B1 = 1.89 B2 = 1.35 o

CBM (2001-USA) = Cp (B1+B2xFpxFM ) = $ 2500x (1.89+1.35x1x1) = $ 8100

CBM (2007-PERU) = $ 8100x (1.2002) x (1.37) = $ 13320

j. Costo estimado del condensador y reboiler de las columnas de destilación:

Benzene condenser

Área = 151 m

2

Condiciones de operación: Presión de entrada = 1.75 bar Presión de salida

= 1.75 bar

De la figura A.5: Air cooler. Para: A = 151 m o

2

2

o

Cp /A = 450 $/m

2

2

Cp = 450 $/m x1.51 m = $ 67950 De la tabla A.2

C1 = 0 C2 = 0 C3 = 0

LogFp = C1 + C2xLogP + C3x (LogP)

2

Fp = 1.0

De la tabla A.3

Numero de identificación = 10

En la figura A.8

FM = 1

De la tabla A.4: B1 = 0.96 B2 = 1.21 o

CBM (2001-USA) = Cp (B1+B2xFpxFM ) = $ 67950x (0.96+1.21x1x1) = $ 147452 CBM (2007-PERU) = $ 147452x (1.2002) x (1.37) = $ 242451

•

De la misma manera para el condensador de la segunda columna y los reboiler.

RESULTADO DE COSTO OBTENIDOS DE LOS EQUIPOS IMPORTADOS AL PERU PARA LA PRODUCCION DEL CUMENO TIPO DE EQUIPOS

COSTOS $

Tanque de mezclado

121566

Bomba

22340

Bomba

31123

Intercambiador de calor

39382

Calentador

11163,03

Reactor catalítico

402850

Intercambiador de calor

185589

Unidad Flash

421927

Bomba

13320

Condensador y reboiler

242451

Calculo del costo del reactor

36986,48

Columna de destilación 1

26541,2

Columna de destilación 2

181882

COSTO TOTAL EQUIPOS = 304414 $ COSTO TOTAL EQUIPOS = 304.414 miles de $

TABLA DE COSTO DE EQUIPOS

COSTO DE COMPRESORES

CAPITULO 8 COSTOS DEL PROYECTO PLANTA DE PROCUCCION DE CUMENO

Cuadro Nº1 Capacidad Instalada y Condiciones de Operación Cantidad Capacidad de Producción Tiempo de Operación

Unidad

90000

TON / año

330

dias/año

Cuadro Nº2 Programa de producción y ventas

Ventas (Miles Años

Uso de Capacidad

Producción (TON)

Ventas (TON)

de $)

2010

75%

67500

67500

81000

2011

80%

72000

72000

86400

2012

85%

76500

76500

91800

2013

90%

81000

81000

97200

2014

95%

85500

85500

102600

2015

100%

90000

90000

108000

2016

100%

90000

90000

108000

2017

100%

90000

90000

108000

2018

100%

90000

90000

108000

2019

100%

90000

90000

108000

Precio del Producto

1,2

Cuadro Nº3 Inversión Fija

mil $ / TON

Costo de planta

Cantidad (miles de $)

Maquinarias y Equipos

304,42

Instalación y Montaje

120

Total Costo de Planta

424,42

Inversión Fija Depreciable

Cantidad (miles de $)

Edificaciones

100

Maquinarias y Equipos

304,4

Instalación y Montaje

120

Total Inversión Fija Depreciable

524,4

Inversión Fija

Concepto

Monto (miles de $)

Terreno

80

Edificaciones

100

Maquinarias y Equipos

304,4

Gastos instalación, montaje y otros

120

Gastos Pre-operativos

40

Prueba de Pre-arranque

2544

Inversión Fija Total

3188

Cuadro Nº4 Costos Variables Unitarios

Concepto

Unidad

Insumo / Kg

Precio de insumo

CVU (MIl$ /

Producto

$ / Kg Producto

TON)

a. Costo de Manufactura benceno

Kg

0,7614

0,2705

0,2059587

propileno

Kg

0,4315

0,209

0,0901835

Combustible

Gal

0,6

0,5

0,3

Otros Costos Variables

0,3 0,9

Total Costo de Manufactura b. Gastos de Ventas (5% precio de venta) c. Costos Administrativos Total Costos Variables Unitarios

5%

0,06 0 0,96

Cuadro Nº5 Costos Fijos Para determinar el MOD (mano de obra directa) Número de Operadores

24

Número de sueldos al año

14

Sueldo

485

Concepto

Porcentaje

$/(mes*operario)

$/mes

$/año

Miles $/año

11640

162960

163

a. Costo de Manufactura Gastos Directos de fabricación Mano de obra directa (MOD)

Gastos Indirectos de fabricación Mano de obra indirecta(MOI): %MOD

20%

32,6

Supervisión directa: %(MOD+MOI)

20%

39,1

Suministros: % del costo de planta

1%

4,2442

Mantenimiento y reparación: % costo de planta

6%

25,4652

Control de Calidad: % del MOD

15%

24,4

Depreciación: % Inv. Fija Depreciable

10%

52,4

Seguro de Fábrica: % Inv. Fija Depreciable

3%

15,732

0,50 Gastos generales de planta: % Inv. Fija Depreciable %

2,622 359,6

Sub total de Costo de Manufactura Fijos b. Gastos de Ventas

0

c. Gastos Administrativos (14 meses)

12000

168000

168 528

Total de Costos Fijos Total de Costos Fijos Desembolsables (sin depreciación)

475,2 Cuadro Nº6

Pruebas de Pre - arranque

Produccion Año 1

67500

TON

Base de producción

0,5

mes

Producción en la base

2812,5

TON

Miles de $

Total

Costos Variables de Manufactura

2520,4

Costos Fijos: MOD

23,3 2543,7

Cuadro Nº7 Capital de Trabajo Produccion Año 1

67500

TON

Base de producción

1

mes

Producción en la base

5625

TON

Miles $ Costos Variables Total

5378,3

Costos Fijos desembolsables

39,6

Total

5417,9

Cuadro Nº8 Calendario de Amortización y Pago de Intereses de la Inversión Fija

Condiciones Financieras Monto de Prestamo

1913

miles de $

Plazo

7

años

Periodo de Gracia

2

años

Tasa de Interés

16%

Liquidable Semestralmente

Forma de desembolso

60%

al inicio de la obra

40%

al final de la obra

Duración de la Obra

1

año

Tasa Semestral

8%

60%

de la Inversión Fija

Calendario de Amortización y Pago de Intereses de la Inversión Fija

Semestre

Capital Adeudado

0

1148

Pago de

Amortización

Servicio de la

Intereses

Préstamos

Deuda

0

Periodo

Duracion de la Obra 1

1148

92

0

92

de

2

1913

92

0

92

Gracia

3

1913

153

0

153

4

1739

153

174

327

5

1565

139

174

313

6

1391

125

174

299

7

1217

111

174

285

Año 1

Año 2

Año 3 8

1043

97

174

271 Año 4

9

869

83

174

257

10

696

70

174

243

11

522

56

174

230

12

348

42

174

216

13

174

28

174

202

14

0

14

174

188

Calendario de Amortización y Pago de Intereses de la Inversión Fija

Año 5

Año 6

Año

Intereses

Servicio de la deuda

Pre Operativa

184

184

1

306

480

2

264

612

3

209

556

4

153

501

5

97

445

6

42

390

Total

1255

3168

Cuadro Nº9 Calendario de Amortización y Pago de Intereses de la Capital de Trabajo Condiciones Financieras Monto de Prestamo:

2709 miles de $

Plazo

3 Años

Periodo de Gracia

1 Año

Tasa de Interès

20%

Forma de desembolso:

Liquidable Semestralmente

100% al final de la obra

Duración de la Obra:

1 año

Tasa semestral

10% Al 50 % de capital de trabajo

Semestre

Capital adeudado

Pago de Intereses

Amortización

Servicio

Préstamo

de la deuda

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

Duracion de

Periodo de Gracia

2

2709

0

0

0

3

2709

271

0

271

4

2167

271

542

813

5

1625

217

542

759

6

1084

163

542

704

7

542

108

542

650

8

0

54

542

596

Año

Intereses

Pre Operativa

0

0

1

542

1084

2

379

1463

3

163

1246

Total

921

3793

Servicio de la deuda

la obra Año 1

Año 2 Año 3

Cuadro N° 10 Plan de Inversión y Financiamiento (Miles $)

Cuenta

Inversión

Deuda

Capital

Inversión Fija

3188

1913

1275

Capital de Trabajo

5418

2709

2709

Interesos Pre Operativos

184

0

184

Total

8790

4622

4168

Cuadro Nº11 Estado de Pérdidas y Ganancias (Miles de $) Relacion D/C

1,1

Deuda

53%

Capital

47%

Componente

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Ingreso por Ventas

81000

86400

91800

97200

102600

108000

108000

108000

108000

108000

Costos

Costos Variables (CV)

64540

68842

73145

77448

81750

86052,798

86052,798

86052,798

86052,798

86052,798

Costos Fijos (CF)

528

528

528

528

528

528

528

528

528

528

Total Costos

65067

69370

73672

77975

82278

86580

86580

86580

86580

86580

Utilidad Operativa

15933

17030

18128

19225

20322

21420

21420

21420

21420

21420

Intereses

848

644

371

153

97

42

0

0

0

0

UAI

15085

16387

17756

19072

20225

21378

21420

21420

21420

21420

Impuestos (30%)

4525

4916

5327

5722

6067

6413

6426

6426

6426

6426

Utilidad Neta

10559

11471

12429

13350

14157

14965

14994

14994

14994

14994

Cuadro Nº12 Flujo Caja

Componente 1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

81000

86400

91800

97200

102600

108000

108000

108000

108000

108000

Costos Variables

64540

68842

73145

77448

81750

86053

86053

86053

86053

86053

Costos Fijos (sin

475

475

475

475

475

475

475

475

475

475

4525

4916

5327

5722

6067

6413

6426

6426

6426

6426

69540

74233

78947

83644

88293

92941

92954

92954

92954

92954

11460

12167

12853

13556

14307

15059

15046

15046

15046

15046

Ingreso por ventas Egresos Operativos

cosiderar depresiación) Impuesto a la renta (30%) 2 3=1-2 4 5=3-4

Total Egresos Saldo Caja Operativo

0

Inversión Total

8790

Fondos generados (Global

-8790

11460

12167

12853

13556

14307

15059

15046

15046

15046

15046

0

1564

2075

1803

501

445

390

0

0

0

0

9896

10092

11050

13055

13862

14669

15046

15046

15046

15046

Económico) 6

Servicio a la deuda

7

Crédito Total

8=5-6-7

Saldo Caja 2 (Flujo Financiero)

4622 13411

FONDO GENERADO ECONOMICO GLOBAL

año

Fondo Generado Económico Global (x)

1

11460

2

12167

3

12853

4

13556

5

14307

6

15059

7

15046

8

15046

9

15046

10

20586

Cuadro Nº13 Punto de Equilibrio Operativo (Miles de $)

Uso de

Producción

Capacidad

(TON)

0%

Costos Fijos(CF)

Costos Variables(CV)

0

528

0

10%

9000

528

20%

18000

30%

Costo del

Ventas

Utilidad

528

0

-528

8605

9133

10800

1667

528

17211

17738

21600

3862

27000

528

25816

26343

32400

6057

40%

36000

528

34421

34949

43200

8251

50%

45000

528

43026

43554

54000

10446

60%

54000

528

51632

52159

64800

12641

70%

63000

528

60237

60765

75600

14835

80%

72000

528

68842

69370

86400

17030

90%

81000

528

77448

77975

97200

19225

100%

90000

528

86053

86580

108000

21420

Producto (CP)

Producción (TON) Punto de equilibrio

65700

Uso de Capacidad 73,0%

Cuadro Nº14 Punto de cierre de la Planta (Miles de $)

Uso de la

Producción

capacidad

(TON)

0%

Costos

Costos Fijos

Fijos

Costos

Costos

Costo del

Costo del

Ingreso

Fijos

Variables

Producto

Producto

por

Utilidad Liquidez

(Vivos)

(Hundidos)

(Totales)

(CV)

(CP)

(Vivos)

Venta

0

475

52

528

0

528

475

0

-528

-475

10%

9000

475

52

528

8605

9133

9080

10800

1667

1720

20%

18000

475

52

528

17211

17738

17686

21600

3862

3914

30%

27000

475

52

528

25816

26343

26291

32400

6057

6109

40%

36000

475

52

528

34421

34949

34896

43200

8251

8304

50%

45000

475

52

528

43026

43554

43502

54000

10446

10498

60%

54000

475

52

528

51632

52159

52107

64800

12641

12693

70%

63000

475

52

528

60237

60765

60712

75600

14835

14888

80%

72000

475

52

528

68842

69370

69317

86400

17030

17083

90%

81000

475

52

528

77448

77975

77923

97200

19225

19277

100%

90000

475

52

528

86053

86580

86528

108000

21420

21472

Producción (TON) Punto de cierre

65700

Uso de Capacidad 73,0%

Cuadro Nº 15 Carta Economica de la Producción

Costos Unitarios Uso de Capacidad

Producción (TON)

Rentabilidad

Costos Fijos

Costos

Unitarios(CFU)

VariablesUnitarios(CVU)

Costo del Producto Unitario (CPU)

Ventas

Utilidad

ROI

ROV

10%

9000

0

0,96

1,01

10800

1667

19%

15%

20%

18000

0

0,96

0,99

21600

3862

44%

18%

30%

27000

0

0,96

0,98

32400

6057

69%

19%

40%

36000

0

0,96

0,97

43200

8251

94%

19%

50%

45000

0

0,96

0,97

54000

10446

119%

19%

60%

54000

0

0,96

0,97

64800

12641

144%

20%

70%

63000

0

0,96

0,96

75600

14835

169%

20%

80%

72000

0

0,96

0,96

86400

17030

194%

20%

90%

81000

0

0,96

0,96

97200

19225

219%

20%

100%

90000

0

0,96

0,96

108000

21420

244%

20%

Cuadro Nº 16 Costo promedio de la deuda

Cuenta Inversión Fija Capital de Trabajo Inversión Total

Monto

Representa

Tasa Efectiva

Ponderado

3188

37%

16,6%

6%

5418

63%

21,0%

13,2%

8606

19%

Cuadro Nº 17 Cálculo del Costo de Capital Global Costo dinero en %

Relación D/C

Promedio Ponderado

Deuda

19,4%

53%

10,2%

Capital

16%

47%

7,6%

Costo de Capital (COK)

17,8%

Cuadro Nº18 Cálculo del VANE (VAN económico) y TIRE (TIR económico)

Costo de Capital (COK o tm)

17,8%

Si VANE>0

ACEPTAR

TIRE>tm

ACEPTAR

Si VANE<0

RECHAZAR

TIRE
RECHAZAR

Residual de la Inversión Fija

Miles de $

Terreno

100%

80

Planta

10%

42,442 122,442

NOTA: TIRE MAYOR TASA MINIMA O COSTO DE CAPITAL

GLOBAL SI SE ACEPTA EL PROYECTO TIRF MAYOR COSTO DEL CAPITAL DE TRABAJO SI ACEPTAN LOS ACCIONISTAS DETERMINACIÓN DEL VANE

Flujo Año

Economico

Recuperación Inversiones

Operativo

del Capital de Trabajo

0

-8790

-8790

1

11460

0

0

2

12167

0

3

12853

4

Residual de la Inversión Fija

Flujo Económico Global

Factor de descuento: para

VA

i=16,6%:

-8790

1,00

-8790

0

11460

0,85

9730

0

0

12167

0,72

8771

0

0

0

12853

0,61

7867

13556

0

0

0

13556

0,52

7044

5

14307

0

0

0

14307

0,44

6312

6

15059

0

0

0

15059

0,37

5641

7

15046

0

0

0

15046

0,32

4786

8

15046

0

0

0

15046

0,27

4063

9

15046

0

0

0

15046

0,23

3450

10

15046

0

5418

122,442

20586

0,19

4007

VANE

52881

DETERMINACION DEL TIRE

Para i = Flujo Económico Global

22% Factor de descuento

Para i = VA

23%

Flujo Económico

Factor de

Global

descuento

VA

-8790

1,00

-8790

-8790

1,00

-8790

11460

0,82

9393

11460

0,81

9317

12167

0,67

8174

12167

0,66

8042

12853

0,55

7078

12853

0,54

6907

13556

0,45

6119

13556

0,44

5922

14307

0,37

5294

14307

0,36

5082

15059

0,30

4567

15059

0,29

4349

15046

0,25

3740

15046

0,23

3533

15046

0,20

3066

15046

0,19

2872

15046

0,17

2513

15046

0,16

2335

20586

0,14

2818

20586

0,13

2597

VAN

43973

VAN

42166

TIRE

46,3%

VANE

Aceptar

TIRE

Aceptar

Cuadro Nº19 Cálculo del VANF (VAN financiero) y TIRF (TIR financiero)

Tasa mínima aceptable por los

16%

accionistas Propósito Evaluar las potencialidades de la inversión de accionistas Si VANF>0

ACEPTAR

TIRF>tm

ACEPTAR

Si VANF<0

RECHAZAR

TIRF
RECHAZAR

Determinación del VANF

Flujo Año

económico

Deuda

global

Servicio de la

Flujo Financiero

deuda

global

Factor de descuento

VA

=16,0%

0

-8790

4622

0

-4168

1,00

-4168

1

11460

0

-1564

9896

0,86

8531

2

12167

0

-2075

10092

0,74

7500

3

12853

0

-1803

11050

0,64

7080

4

13556

0

-501

13055

0,55

7210

5

14307

0

-445

13862

0,48

6600

6

15059

0

-390

14669

0,41

6021

7

15046

0

0

15046

0,35

5324

8

15046

0

0

15046

0,31

4589

9

15046

0

0

15046

0,26

3956

10

20586

0

0

20586

0,23

4667

VANF

57310

Para i = Flujo Financiero Global

Para i =

26% Factor de descuento

VA

25%

Flujo Financiero

Factor de

Global

descuento

VA

-4168

1,00

-4168

-4168

1,00

-4168

9896

0,79

7854

9896

0,80

7917

10092

0,63

6357

10092

0,64

6459

11050

0,50

5524

11050

0,51

5658

13055

0,40

5180

13055

0,41

5347

13862

0,31

4365

13862

0,33

4542

14669

0,25

3666

14669

0,26

3845

15046

0,20

2984

15046

0,21

3155

15046

0,16

2368

15046

0,17

2524

15046

0,12

1880

15046

0,13

2019

20586

0,10

2041

20586

0,11

2210

VANF

38051

VANF

39510

VANE

Aceptar

TIRE

Aceptar

TIRE

52%