UMSNH FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA EXAMEN 1.-¨DISEÑO PRELIMINAR DEL PROCESO SULFONATO DE SODIO DODECILBENCENO¨
INGENIERÍA DE PROYECTOS EN PLANTAS QUÍMICAS Profesor.- Ing. Saldivar Medina Eric Alumnos.-Brenda García de la Cruz Elizabeth Ríos Silva Andrés Quintero Sánchez Morelia, Michoacán a 19 de Diciembre del 2012
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ÍNDICE ESTABLECIMIENTO DEL PROBLEMA……………………… PROBLEMA………………………..…………………………………...3 …………………………………...3 1.-Diagramas de Flujo……………………………………………………… Flujo ………………………………………………………..............5 ..............5 2.-Areas de Proceso Proceso peligrosas……………………………………………………...6 peligrosas……………………………………………………...6 3.-Hojas de seguridad………………………………………………………..… seguridad ………………………………………………………..…..…..… ..…..12 4.-Equipos 4.-Equipos Importantes..…………………………….…………………………. Importantes..…………………………….………………………….……..19 ……..19 5.-Diseño de Proceso………………………………………………………..…… Proceso………………………………………………………..……..…….20 …….20 6.-Tanques de Alimentación…………………………………………………..……. Alimentación …………………………………………………..……..21 .21 7.-Balance 7.-Balance de Materiales Completo………………………….…………………..25 Completo………………………….…………………..25 8.-Indices 8.-Indices y Costo total de la Inversión………………………………….. Inversión………………………………… ..………31 ………31 9.-Costo 9.-Costo de Mano de Obra……………………….………………………..…………33 CONCLUSIÓN………………………………………………………………………….…………………. CONCLUSIÓN………………………………………………………………………….…………………..35 .35 BIBLIOGRAFÍA………..………………………………………………………………….……………… BIBLIOGRAFÍA………..………………………………………………………………….………………..35 ..35
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ESTABLECIMIENTO ESTABLECIMIENT O DEL PROBLEMA Una compañía petrolera ha sido recientemente reorganizada y la nueva dirección ha decidido que la compañía debe diversificar sus operaciones en el campo de la petroquímica para hacerla competitiva. El departamento de investigación de la compañía ha sugerido que un área muy promisoria en el campo de la petroquímica podría ser la manufactura de detergentes biodegradables sintéticos usando algunos de hidrocarburos actualmente disponibles en la refinería. Por una parte el departamento de mercadeo indica que la compañía tendría una opción de cubrir un 2,5 por ciento de la demanda actual de detergente equivalente a 15 millones de libras por año. Para continuar con el estudio y hacer una comparación de inversiones, se ha instruido al grupo de diseño proceder primero con un diseño preliminar y un estimado actualizado de costos para la producción de un detergente no biodegradable. El proceso es el siguiente:
El dodeceno (C12H24) es cargado en un reactor que contiene benceno (C6h6) y tricloruro de aluminio (este último actúa como catalizador de la reacción), la mezcla es agitada y enfriada para mantener la temperatura de reacción en alrededor de 115 grados Farenheit como máximo. Se pone un exceso de benceno para evitar la producción de subproductos (ò productos secundarios). El requerimiento del tricloruro de aluminio es el 5 % en peso de la suma de los materiales dodeceno y benceno. Después de retirar el lodo del Tricloruro de aluminio, la mezcla de la reacción es enviado a un sistema de tres columnas seguidas de destilación fraccionadas, para recuperar el exceso de benceno y de dodeceno (que son re-enviados al reactor), un hidrocarburo alquilarado liviano llamado dodecilbenceno (C6H5.C12H25), y un hidrocarburo alkilarado pesado. El dodecilbenceno es enviado a un reactor para su sulfonación en este reactor de sulfonación se utiliza ácido sulfúrico al 100 %, llamado óleum. La temperatura óptima de sulfonaciónestà usualmente en 140 grado farenheit. La remoción del ácido sulfúrico (en exceso) del ácido sulfónico (C12H25.C6H4.SO3H) es facilitado por la adición de agua para reducir la fuerza del ácido sulfúrico a un 78 %. El ácido sulfónico (C12H25.C6H4.SO3H) es neutralizado con solución de sosa càustica al 20 % con un pH de 8 y a una temperatura de 125 grados farenheit. Al ser neutralizado se obtiene el elemento activo del detergente ABS el sulfonato sódico de dodecilbenceno(C12H25.C6H4.SO3Na).
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Luego se añaden los “constructores” químicos, como el silicato de sodio, el cloruro de sodio, el sulfato de sodio, la carboximetil celulosa, etc, pero en su mayor parte està constituido por el sulfato de sodio) para mejorar las propiedades detersivas, humidificantes u otras deseadas en el producto final. Estos constructores constituyen el 15 % del producto final. Finalmente el producto es enviado a un secador tipo atomizador, del cual sale el producto granulado. El rendimiento de la etapa de alquilación es del 90 %. El rendimiento en la etapa de sulfonación es del 100 %. Y, finalmente el rendimiento en la etapa de neutralización es del 95 %. La sulfonación es esencialmente completa si la relación del óleum a dodecilbenceno es mantenida en 1,25. La remoción del ácido sulfúrico en exceso es optimizado mediante la adición de 0,244 libras de agua por cada 1,25 libras de óleum adicionado en la etapa de sulfonación. En la etapa de neutralización se añade un 25 % de exceso de hidróxido de solido al 20 % (sosa cáustica).
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1.-Diagramas de Flujo Con el diagrama de flujo cuantitativo (donde se muestran las capacidades de los equipos y los flujos de los materiales que maneja a las condiciones de proceso construir: a) El diagrama de flujo en forma correcta con su simbología y nomenclatura adecuada
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b) Construir un diagrama de planta para toda la instalación enumerando las diferentes áreas (alquilación, purificación, sulfonación, neutralización, secado y empacado); previniendo una posible expansión a futura de la planta.
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EXAMEN 1.-¨DISEÑO PRELIMINAR DEL PROCESO SULFONATO DE SODIO DODECILBENCENO¨ Determinación de las áreas de trabajo necesarias Las áreas que debe tener la empresa para su buen desempeño son: Área de la planta: 50 mts x 30 mts = 1.500 mts2. Almacén de materias primas: 30 mts x 7 mts = 210 m2. Almacén de productos terminados: 30 mts x 7 mts = 210 m2. Área para los tanques: 25 mts x 20 mts = 500 mts2. Oficinas: 5 mts x 15 mts = 75 mts2. Patio de recepción y embarque de materiales (Taller): 5 mts x 5 mts = 25 m2. Sanitarios para producción: 4 mts x 5 mts = 20 m2. Sanitarios para oficinas: 4 mts x 5 mts = 20 m2. Comedor: 21 m2. Estacionamiento: 20 mts x 10 mts = 200 m2 total 5 cajones. Caseta de Vigilancia: 2 mts x 1,5 mts = 3 m2. Áreas verdes y de expansión: 22 mts x 5,5 mts = 121 m2.
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2. Áreas de proceso peligrosas Haga una lista de todas las áreas del proceso de Sulfonato de Sodio Dodecilbenceno que puedan ser potencialmente peligrosas con respecto a la salud y a la seguridad del personal de operación. ¿Qué precauciones en cada instancia deberán tomarse para minimizar el peligro?
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ZONA DE RIESGO
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RIESGO
PRECAUCIONES
Alimentación de la materia prima al reactor de alkilación.
Exposición continua a altas concentraciones de compuestos cancerígenos como el benceno.
Reactor de Alkilación
Falla en el control de la temperatura y presión, provocando que el benceno y/o dodeceno se volatilice y los trabajadores lo aspiren. Posible explosión debido a sobrepresión por sobrecalentamiento de vapores.
Columnas de destilación 1,2 y 3
Fugas debido al fallo de tuberías y/o válvulas, provocando el contacto directo de los empleados con sustancias peligrosas. Falla en las válvulas de alimentación de vapor, provocando sobrecalentamiento en caso de vapor abundante, derrame de líquido acumulado en caso de no calentamiento, sobrepresión y posible explosión debido a altas Presiones por sobrecalentamiento de vapores.
Equipar al personal con el equipo de Seguridad pertinente: mascarilla, lentes de protección, camisolas, etc. Monitoreo adecuado de los flujos de entrada para evitar fallas y por consiguiente derrames. Monitorear constantemente la Presión y la Temperatura, así como la posible presencia de una fuga, equipar al personal con el equipo de seguridad pertinente. Revisar frecuentemente las entradas y salidas del agua de enfriamiento. Control y monitoreo continuo de válvulas de alimentación, equipos proveedores de vapor (calderas), control y monitoreo constante de la Temperatura y Presión de la columna, equipar con el equipo de seguridad adecuado al personal. Mantenimiento continuo de válvulas y tuberías para evitar incrustaciones.
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EXAMEN 1.-¨DISEÑO PRELIMINAR DEL PROCESO SULFONATO DE SODIO DODECILBENCENO¨ Reactor de Sulfonación
Separador
Reactor de neutralización
Secador
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Fugas debido al fallo de tuberías y/o válvulas, provocando el contacto directo de los empleados con sustancias peligrosas. Fallas debido a la corrosión del equipo por el ácido sulfúrico provocando derrames del mismo, tanto en el reactor como en las tuberías de alimentación y salida de productos del ácido. Posible explosión debido a las condiciones en las que se encuentran los reactivos y productos. Fallas debido a la corrosión del equipo por el ácido sulfúrico provocando derrames del mismo, tanto en el separador como en las tuberías de alimentación y salida de productos. Fugas debido al fallo de tuberías y/o válvulas, provocando el contacto directo de los empleados con sustancias peligrosas (ácido sulfúrico sin reaccionar).
Control y monitoreo continuo de válvulas de alimentación, selección oportuna de materiales de construcción y mantenimiento continuo de los mismos.
Fallas debido a corrosión de equipo debido a la acción del hidróxido y a posibles incrustaciones de sal en el equipo, válvulas y tuberías, provocando derrames y el contacto directo de los empleados con estas sustancias. Fallas debido a corrosión
Control y monitoreo continuo de válvulas de alimentación, selección oportuna de materiales de construcción y mantenimiento continuo de los mismos.
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Control y monitoreo continuo de válvulas de alimentación, selección oportuna de materiales de construcción y mantenimiento continuo de los mismos.
Control y monitoreo
EXAMEN 1.-¨DISEÑO PRELIMINAR DEL PROCESO SULFONATO DE SODIO DODECILBENCENO¨ de equipo debido a la acción del hidróxido y a posibles incrustaciones de sal en el equipo, válvulas y tuberías, provocando que la capacidad del secador se rebase provocando sobrepresión, fatiga, etc.
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continuo de válvulas de alimentación, selección oportuna de materiales de construcción y mantenimiento continuo de los mismos, sobre todo de la válvula de alimentación de aire caliente y la de salida del producto.
3. Hojas de Seguridad Para realizar el número anterior consulte las fuentes bibliográficas apropiadas para determinar las propiedades físicas y químicas así como su grado de toxicidad del dodeceno, cloruro de aluminio y de los productos químicos que servirán como reactivos para todo el proceso (construir su hoja de seguridad).
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HOJAS DE SEGURIDAD ICSC: 0015
BENCENO BENCENO Ciclohexatrieno Benzol C6H6 Masa molecular: 78.1 CAS: 71-43-2 RTECS: CY1400000 ICSC: 0015 NU: 1114 CE: 601-020-00-8
TIPOS DE PELIGROS/SÍNTOMAS PELIGRO/ AGUDOS EXPOSICIÓN
LUCHA CONTRA INCENDIOS/ PRIMEROS AUXILIOS Altamente inflamable Evitar las llamas, Polvo, AFFF, espuma, NO producir chispas dióxido de carbono. INCENDIO y NO fumar Las mezclas vapor/aire Sistema cerrado, En caso de incendio: son explosivas. Riesgo de ventilación, equipo mantener fríos los eléctrico y de bidones y demás EXPLOSIÓN incendio y explosión. alumbrado a prueba instalaciones rociando de explosión. con agua.
EXPOSICIÓN Inhalación
Piel
Ojos
PREVENCIÓN
¡EVITAR TODO CONTACTO! Vértigo, somnolencia, Ventilación, Aire limpio, reposo y dolor de cabeza, náuseas, extracción localizada proporcionar asistencia jadeo, convulsiones, o protección médica. pérdida del conocimiento. respiratoria. ¡PUEDE Guantes protectores Quitar las ropas ABSORBERSE! y traje de protección. contaminadas, aclarar la Piel seca (para mayor piel con agua abundante información, véase o ducharse y Inhalación). proporcionar asistencia médica. Pantalla facial o Enjuagar con agua
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protección ocular combinada con la protección respiratoria.
Ingestión
abundante durante varios minutos (quitar las lentes de contacto, si puede hacerse con facilidad) y proporcionar asistencia médica. Dolor abdominal y de No comer, ni beber, Enjuagar la boca, NO garganta, vómitos (para ni fumar durante el provocar el vómito y mayor información, véase trabajo. proporcionar asistencia Inhalación). médica.
BENCENO D A T O S I M P 0 R T A N T E
PROPIEDADES FÍSICAS
ESTADO FÍSICO; ASPECTO: EFECTOS DE EXPOSICIÓN DE ICSC: 0015 Líquido incoloro, de olor característico. CORTA DURACIÓN PELIGROS FÍSICOS: La sustancia irrita la piel y el tracto El vapor es más denso que el aire y puede respiratorio. extenderse a ras del suelo; posible La ingestión del líquido puede dar ignición en punto distante. lugar a la aspiración del mismo por PELIGROS QUÍMICOS: Reacciona violentamente con oxidantes y los pulmones y el consiguiente halógenos, originando peligro de incendio riesgo de neumonitis química. y explosión. La sustancia puede causar efectos LIMITES DE EXPOSICIÓN en el sistema nervioso central. TLV (como TWA): 10 ppm; 32 La exposición por encima del OEL mg/m3 A2 (ACGIH 1993-1994). puede producir pérdida del VÍAS DE EXPOSICIÓN La sustancia se puede absorber por conocimiento. inhalación y a través de la piel. EFECTOS DE EXPOSICIÓN RIESGO DE INHALACIÓN: PROLONGADA O REPETIDA Por evaporación de esta sustancia a 20°C, El líquido desengrasa la piel. se puede alcanzar bastante rápidamente La sustancia puede afectar a la una concentración nociva en el aire.
sangre, al hígado y al sistema inmunológico. Esta sustancia es carcinógena para los seres humanos.
Punto de ebullición: 80°C Punto de fusión: 6°C Densidad relativa (aqua = 1): 0.9 Solubilidad en agua, g/100 ml at 25°C: 0.18 Presión de vapor, kPa a 20°C: 10 Densidad relativa de vapor (aire = 1): 2.7
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Densidad relativa de la mezcla vapor/aire a 20°C (aire= 1): 1.2 Punto de inflamación: -11°C (c.c.) Temperatura de autoignición: alrededor de 500°C Límites de explosividad, % en volumen en el aire: 1.2-8.0 Coeficiente de reparto octanol/agua como log Pow: 2.13
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ICSC: 0360
HIDRÓXIDO DE SODIO HIDRÓXIDO DE SODIO Hidróxido sódico Sosa caústica Sosa NaOH Masa molecular: 40.0 CAS: 1310-73-2 RTECS: WB4900000 ICSC: 0360 NU: 1823 CE: 011-002-00-6
TIPOS DE PELIGRO/ EXPOSICIÓN
PELIGROS/SÍNTOMAS PREVENCIÓN AGUDOS
No combustible
INCENDIO
LUCHA CONTRA INCENDIOS/ PRIMEROS AUXILIOS En caso de incendio en el entorno: están permitidos todos los agentes extintores.
EXPLOSIÓN
EXPOSICIÓN
Inhalación
¡EVITAR LA DISPERSIÓN DEL POLVO! ¡EVITAR TODO CONTACTO! Corrosivo. Sensación de Extracción quemazón, tos, dificultad localizada o respiratoria. protección respiratoria.
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¡CONSULTAR AL MEDICO EN TODOS LOS CASOS! Aire limpio, reposo, posición de semiincorporado, respiración artificial si estuviera indicada y proporcionar
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Piel
Ojos
Ingestión
Corrosivo. Enrojecimiento, graves quemaduras cutáneas, dolor.
Guantes protectores y traje de protección.
Corrosivo. Enrojecimiento, dolor, visión borrosa, quemaduras profundas graves.
Pantalla facial o protección ocular combinada con la protección respiratoria, si se trata de polvo.
Corrosivo. Dolor No comer, ni abdominal, sensación de beber, ni fumar quemazón, diarrea, durante el trabajo. vómitos, colapso.
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UMSNH asistencia médica. Quitar las ropas contaminadas, aclarar la piel con agua abundante o ducharse y proporcionar asistencia médica. Enjuagar con agua abundante durante varios minutos (quitar las lentes de contacto, si puede hacerse con facilidad) y proporcionar asistencia médica. Enjuagar la boca, NO provocar el vómito, dar a beber agua abundante y proporcionar asistencia médica.
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ICSC: 0360
HIDRÓXIDO DE SODIO ESTADO FÍSICO; ASPECTO Sólido blanco, deliquescente en diversas formas e inodoro. D A T O S I M P 0 R T A N T E
PELIGROS QUÍMICOS La sustancia es una base fuerte, reacciona violentamente con ácidos y es corrosiva en ambientes húmedos para metales tales como cinc, aluminio, estaño y plomo, originando hidrógeno (combustible y explosivo). Ataca a algunas formas de plástico, caucho y recubrimientos. Absorbe rápidamente dióxido de carbono y agua del aire. Puede generar calor en contacto con la humedad o el agua. LIMITES DE EXPOSICIÓN TLV (como valor techo): 2 mg/m3 (ACGIH 1993-1994). VÍAS DE EXPOSICIÓN La sustancia se puede absorber por inhalación del aerosol y por ingestión.
PROPIEDADES FÍSICAS
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Punto de ebullición: 1390°C Punto de fusión: 318°C Densidad relativa (agua = 1): 2.1 Solubilidad en agua, g/100 ml a 20°C: 109 Presión de vapor, kPa a 739°C: 0.13
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RIESGO DE INHALACIÓN La evaporación a 20°C es despreciable; sin embargo, se puede alcanzar rápidamente una concentración nociva de partículas en el aire. EFECTOS DE EXPOSICIÓN DE CORTA DURACIÓN Corrosiva. La sustancia es muy corrosiva para los ojos, la piel y el tracto respiratorio. Corrosiva por ingestión. La inhalación del aerosol de la sustancia puede originar edema pulmonar. EFECTOS DE EXPOSICIÓN PROLONGADA O REPETIDA El contacto prolongado o repetido con la piel puede producir dermatitis.
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4. Equipos Importantes Se puede encontrar equipos importantes de proceso que hayan sido omitidos, por otro lado algunos equipos pueden ser redundantes, en cada caso haga una breve sugerencia para indicar como puede corregirse el error y que equipo adicional puede ser necesario: Primero haremos mención al proceso de sulfonación para después mencionar los equipos que posiblemente pudieran faltar. Se ha de usar óleum del 20% o menos, ya que a concentraciones superiores puede ser demasiado áspera para sulfonar. La sulfonación continua con óleum es un proceso que consta de 4 etapas. Primero el dodecilbenceno se hace reaccionar con un exceso de óleum al 20% en peso. La reacción se lleva a cabo en un reactor de tipo lazo, que consiste en una bomba centrífuga de alta capacidad, donde el dodecilbenceno y el óleum se mezclan. Un intercambiador de calor mantiene la temperatura. El producto resultante pasa al “hold -up coil” (bobina de interrupción), donde el dodecibenceno no sulfonado tiene tiempo para reaccionar. En un segundo reactor del mismo tipo el producto no sulfonado se diluye con agua para reducir la fuerza del ácido sulfúrico al 75-80%. El producto diluido se separa en dos fases: la inferior es una capa de ácido acuoso que se elimina como ácido gastado, que contiene la gran parte del color producido en la sulfonación. La capa superior contiene un 90% del ácido dodecilbenceno sulfónico, el resto es ácido sulfúrico diluido. Al ver el diagrama de flujo de la planta nos percatamos que en el proceso de sulfonación pudiera hacer falta una bobina de interrupción donde el dodecilbenceno sin reaccionar tendrá tiempo para hacerlo y de esta manera tener menores perdidas del reactivo, otro equipo de importante que también falta en esa misma área de proceso es el tanque de almacenamiento de agua que es utilizada para diluir el producto no sulfonado.
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5. Diseño del proceso En la industria del detergente en polvo se llevan a cabo unos procesos para la obtención de este producto. A continuación se detalla el tratamiento que se le da al efluente acido que sale del proceso de sulfonación. Los agentes de sulfonación son poderosos compuestos químicos con propiedades oxidantes y deshidratantes. Como consecuencia de ello se pueden producir algunas reacciones laterales como la deterioración del color, si no se toman precauciones. Unas de las medidas a tomar en cuenta son evitar el exceso del agente de sulfonación, evitar elevadas temperaturas o no diluir el agente. En el proceso de sulfonación después de que se diluyo el dodecilbenceno sin reaccionar fue pasado aun separador donde el producto diluido se separa en dos fases, el tiempo de separación depende de varios factores tales como: configuración del tanque, viscosidad y propiedades del ácido sulfónico, temperatura y grado de aireación en las corrientes de alimentación: la parte inferior es una capa de ácido acuoso que se elimina como ácido gastado, que contiene la gran parte del color producido en la sulfonación. La capa superior contiene un 90% del ácido dodecilbencensulfónico, el resto es ácido sulfúrico diluido que será posteriormente enviada a un proceso de neutralización. Nuestra atención estará puesta el darle un tratamiento adecuado al efluente. El aire que sale del sulfonador contiene: niebla de ácido sulfónico, y trióxido de azufre sin reaccionar. El sistema de limpieza a adoptar depende de varios factores, incluyendo requerimientos legales para la calidad de los efluentes gaseosos descargados en la atmósfera. La niebla ácida se puede eliminar por ciclones, aunque también se pueden usar precipitadores electrostáticos o una poción más sencilla será neutralizar cn sosa la corriente de efluentes. Los precipitadores electrostáticos son dispositivos que se utilizan para atrapar partículas mediante su ionización, atrayéndolas por una carga electrostática inducida. Se emplean para reducir la contaminación atmosférica producida por humos y otros desechos industriales gaseosos, especialmente en las fábricas que funcionan con combustibles fósiles. Los precipitadores electrostáticos son dispositivos de filtración altamente eficientes, que mínimamente impiden el flujo de los gases a través del dispositivo, y pueden eliminar fácilmente finas partículas como polvo y humo de la corriente de aire.
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6. Tanques de Alimentación Haga un diseño de ingeniería básica para los tanques de alimentación del H 2S del NaOH y del H2O que se alimentan en cada una de las etapas del proceso.
Utilizando reglas heurísticas de diseño comentadas en clase por el profesor y sustraídas del libro chemical process equipment de Stanley M Walas, se sugiere para tanques con capacidad >10000 gal se utilizan tanques verticales con cimentaciones de concreto y anclaje de acero. 1) Para el tanque para el Óleum que será utilizado para la sulfonación: Datos: Densidad del óleum al 20%= 1.927 kg/L Masa de óleum= 43951lb V=m/d=43951lb/[(1.927kg/L)(2.2lb/kg)(3.7854L/gal)=2738.75gal Pero como queremos almacenarlo por 6 días (2738.75gal)(6)=16432.50gal Por lo tanto seleccionaremos un tanque de 20000 gal con las siguientes especificaciones tomadas de la tabla 18.2 del libro de Walas: Capacidad nominal (gal)=20000 Diámetro exterior=10’-0’’ Longitud aproximada=34’-1’’
20% 2ol Óleum
Espesor de la placa de acero=1’’/4 Peso =14130
20000 gal
Numero de soportes=3
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EXAMEN 1.-¨DISEÑO PRELIMINAR DEL PROCESO SULFONATO DE SODIO DODECILBENCENO¨ 2) Para el agua alimentada al separador: Datos: Densidad del agua=1kg/L Masa de agua=8579lb V=m/d=8579lb/[(1kg/L)(2.2lb/kg)(3.7854L/gal)]=1030.15 gal Pero como queremos almacenarlo por 6 días (1030.15 gal)(6)=6180.92 gal Capacidad nominal (gal)=8000 Diámetro exterior=8’-0’’ Longitud aproximada=21’-4’’ Espesor de la placa de acero=1’’/4 Peso =7280 Numero de soportes=2 3) Para el ácido que sale del separador: Datos: Densidad del ácido al 78%=14.81lb/gal Masa de ácido=36861lb V=m/d=36861lb/14.81lb/gal=2488.92 gal Pero como queremos almacenarlo por 6 días (2488.92 gal)(6)=14933.55 gal Capacidad nominal(gal)=15000 Diámetro exterior=8’-0’’ Longitud aproximada=39’-11’’ Espesor de la placa de acero=1’’/4- 5’’/16
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EXAMEN 1.-¨DISEÑO PRELIMINAR DEL PROCESO SULFONATO DE SODIO DODECILBENCENO¨ Peso =14620 Numero de soportes=4 4) Para la sosa que se utiliza en el neutralizador: Datos: Densidad de la sosa al 20%=1.51 kg/L Masa de la sosa=55085lb V=m/d=55085lb/12.57lb/gal=4380.48 gal Pero como queremos almacenarlo por 6 días (4380.48 gal)(6)=26282.89 gal Capacidad nominal (gal)=30000gal Diámetro exterior=21’-0’’ Altura=18’-0’’ Placas de fondo=1’’/4 placas de techo=3’’/15 Capacidad aproximada de trabajo=1114 bbl 5) Y para el agua que se utiliza en el spray dryer: Datos: Densidad del agua=1 kg/L Masa del agua=52399lb V=m/d=52399lb/8.32lb/gal= 6291.99gal Pero como queremos almacenarlo por 6 días (6291.99gal)(6)=37751.98 gal Capacidad nominal (gal)=40000gal
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Diámetro exterior=21’-0’’ Altura=18’-11’’ Placas de fondo=1’’/4 Placas de techo=3’’/15 Capacidad aproximada de trabajo=1114 bbl Como lo había comentado el maestro en clase con la finalidad de simplificar el diseño de tanques se tomará una sola medida el de mayor capacidad en este caso el del agua. Para el costo del tanque nos basamos en la gráfica del libro de plant design and economics for chemical engineers de Max S Peters y col. Vemos la gráfica # 12-55 y se lee aproximadamente un costo de$ 37000 usd con fondo plano, escaleras, complementos de fondo y escaleras pero esto es para un solo tanque y como nosotros tenemos 5 (5TQs)x(37000)=$185000usd
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7. Balance de materiales completo para el proceso Se va a fabricar un detergente biodegradable, ABS. La planta debe producir quince millones de libras de detergente ABS, al año. La planta operará 300 dias al año, 65 dias se destinarán al mantenimiento de los equipos. El 85 % del detergente ABS, constituye el elemento activo que es el sulfonato sódico de dodecilbenceno. El 15 % restantes son materiales inertes llamados “constructores” como el sulfato de sodio, o, carbonato de sodio, o, carboximetil celulosa. Determinar: 1. Las cantidades de benceno, dodeceno y tricloruro de aluminio, que se necesitan. 2. El balance de masa del proceso 3. Determinar el volumen del primer reactor (donde se realiza la alquilación) La densidad del tricloruro de aluminio es de 2,44 Kg/l La densidad del benceno es: 0,88 Kg/l La densidad del dodeceno es : 0,7632 Kg/l
Datos Dodeceno C12H24 Benceno C6H6 15000000 lb/año Detergente 85% sulfanato de dodecilbenceno 15% aditivos, otros (inertes contructores) Tiempo q dura la reacción = 3horas 4 horas por ciclo Temperatura del agua de enfriamiento = 80 y 90ºF At = 10ºF
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1. Alquilación C12H24 + C6H6 C12H25.C6H5 + lo que no reaccionó Cl3Al Rendimiento 90% Ahf= -51239cal/gmol + Ahf= 11717cal/gmol Ahf= -54348cal/gmol 2. Sulfonación C12H25C6H5 + H2SO4 C12H25C6H4.SO3H + H2O Rendimiento 100% 3. Neutralización C12H25C6H4 + SO3H + NaOH C12H25C6H4.SO3Na + H2O Rendimiento 95%
CÁLCULOS
Sulfonato
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Las cantidades de benceno, dodeceno y tricloruro de aluminio, que se necesitan. Benceno
Dodecilbenceno
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Balance de masa del proceso:
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8. Índices y costo total de la inversión Actualizar los índices para el año 2012 y calcular el costo total de la inversión con los tres índices siguientes: a) Indices de Marshall and Swift b) Indices de Nelson c) Indices de chemical engineering (CE) A continuación son mostrados los índices actualizados de Marshall. Para actualizar los índices, fue necesario hacer una extrapolación otra opción es de manera gráfica por medio de un ajuste. Año 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012
Marshall 814 852 895 915.1 930.6 943.1 964.2 993.4 1027.5 1039.1 1056.8 1061.9 1068.3 1089 1093.9 1104.2 1123.6 1178.5 1244.5 1302.3 1373.3 1449.3 1525.3 1601.3 1677.3 1753.3
Nelson 1121.5 1164.5 1195.9 1225.7 1252.9 1277.3 1310.8 1349.7 1392.1 1418.7 1449.2 1477.6 1497.2 1542.7 1579.7 1642.2 1710.4 1833.6 1918.8 2008.1 2251.4 2511.8338 2772.26761 3032.70141 3293.13521 3553.56901
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CE 324 343 355 357.6 361.3 358.2 359.2 368.1 381.1 381.7 386.5 389.5 390.6 394.1 394.3 395.6 402 444.2 468.2 499.6 525.4 575.4 521.9 550.8 585.7 620.6
EXAMEN 1.-¨DISEÑO PRELIMINAR DEL PROCESO SULFONATO DE SODIO DODECILBENCENO¨
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Con método “C “fueron calculados el costo total de inversión de la planta con los tres índices del 2012 mostrados anteriormente. Método C costos directos Costo del equipo adquirido Costo de instalación del equipo Costo de instrumentación y control costo de líneas tuberías y instaladas Electrónicos ya instalados Edificios Bandas y acondicionamiento Servicios COSTO TOTAL DIRECTODE LA PLANTA Costos indirectos Ingeniería y supervisión Costos de construcción Contratistas Contingencia COSTO TOTAL INDIRECTO DE LA PLANTA INVERSION CAPITAL FIJA INVERSION TOTAL INVERSION DE TRABAJO
COSTO $ 1990
PROCESOS LIQ
MARSHALL 2012
NELSON 2012
CE 2012
1,165,000 547,600
1 0.47
2,232099.77 1,049086.892
3,296160.15 1549195.271
2,021809.28 950250.3616
209,700
0.18
4,01777.9586
593308.827
363925.6704
768,900
0.66
1473185.848
2175465.699
1334394.125
128,200 209,700 116,500
0.11 0.18 0.1
245530.9747 401777.9586 223209.977
362577.6165 593308.827 329616.015
222399.0208 363925.6704 202180.928
815,500 3,961,100
0.7
1562469.839 7589139.218
2307312.105 11206944.51
1415266.496 6874151.552
384,500 477,700 244,700 489,300 1,596,200
0.33 0.41 0.21 0.42
736592.9241 915160.9057 468740.9517 937481.9034 3057976.685
1087732.85 1351425.662 692193.6315 1384387.263 4515739.406
667197.0624 828941.8048 424579.9488 849159.8976 2769878.714
PARA 2012 15722683.92 18,497275.19 2774591.279
PARA 2012 15722683.92 18,497275.19 2774591.279
PARA 2012 9644030.266 11,345917.96 1701887.694
PARA 1990 5,557,300 6538000 980,700
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EXAMEN 1.-¨DISEÑO PRELIMINAR DEL PROCESO SULFONATO DE SODIO DODECILBENCENO¨
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El costo del equipo adquirido en 2012=CA
=CB
Con esta fórmula fueron obtenidos los costos del equipo adquirido en el año 2012 con los tres tipos de índices.
( )
Este es el costo del equipo adquirido usando los índices de Marshall.
( )
Este es el costo del equipo adquirido usando los índices de Nelson. Y por último calcularemos el costo del equipo por medio de los índices de Chemical Engineering.
( ) Los resultados obtenidos fueron los siguientes para el año 2012 la inversión de capital total calculada con el método de Marshall es 18,497275.19, con el índice de Nelson es 18,497275.19 y con los índices de Chemical Engineering es 11,345917.96.
9. Costo de mano de obra Conocemos la producción anual de jabón que es de 15000000 lb/año se hacen las conversiones necesarias para poder utilizar la gráfica 6-8 del libro de Peters.
)( )( ) (
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EXAMEN 1.-¨DISEÑO PRELIMINAR DEL PROCESO SULFONATO DE SODIO DODECILBENCENO¨
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Del libro de Peters de la tabla 6-8. SE obtiene el valor de las horas / día por paso del proceso.
Como sabemos que nuestra producción tiene 6 pasos (alquilacion, purificación, sulfunaciòn, neutralización, secado y empacado) se multiplica las horas día por 6 y nos da las horas totales por día para nuestra producción.
( ) Después se multiplica el valor de por 300 días laborales para obtener las horas año.
) ( )( Con el valor
se multiplica por el sueldo salario mínimo en México en la zona A
que es de $62.33 y se obtiene el costo de mano de obra anual para la zona A.
) ( Página 34