3.Informe Final de Acido Nitrico

PLANTA DE ÁCIDO NÍTRICO

4.2 PLANTA DE ACIDO NITRICO 4.2.1 INGENIERIA DEL PROYECTO a) CARACTERÍSTICAS CARACTERÍSTICAS Y PROPIEDADES PROPIEDADES PRINCIPALES PRINCIPALES Insumo: ACIDO NITRICO (HNO3 (g)) El ácido nítrico es un líquido incoloro en condiciones ambientales (en ausencia de agua) que se descompone lentamente por acción de la luz, adoptando una coloración amarilla por el NO2 que se produce en la reacción. 4HNO3 → 4NO2 + 2H2O + O2 O2

El ácido nítrico anhidro posee una densidad de 1,522 kg/m3, un peso molecular de 63,0 g/mol y su fórmula estructural es la siguiente: El HNO3 es miscible con agua en todas proporciones y forma un azeótropo con él a la composición de 68% ácido nítrico y 32% agua. Cuando la concentración de ácido nítrico en la disolución se encuentra por encima del 86%, se adjunta el “apellido” fumante al ácido. Se diferencian entre

ácido nítrico fumante rojo o blanco, en función de la cantidad de dióxido de nitrógeno en la disolución. Se denomina ácido nítrico fumante rojo cuando contiene un mínimo de 10% en NO2 y blanco, cuando contiene 0,5% de NO2 y no más de 2% de agua. En función de la composición de la disolución varían las propiedades físicas de la misma, tal como se puede observar en la siguiente tabla: Cuadro 4.2.1: propiedades físicas y químicas

84

Aceótropo con agua (68% Ác.) 121,8

Ác. nítrico rojo fumante 60

P. de fusión (°C)

-41,6

-41

-52

Presión de vapor (mmHg)

62

42

103

Propiedad

Ác. nítrico 100%

P. de ebullición (°C) (1atm)

Fuente: Autor: Mauricio Rebolledo Navarro (2008). P ontificia ontificia Universidad Católica de Valparaíso. Facultad de Ingeniería. Escuela de Ingeniería Química. Estudio de Pre factibilidad factibilidad técnico y económica económica de una Planta de Amoniaco. Amoniaco. (http://es.scribd.com/doc/44538233/amoniaco .

El ácido nítrico, a pesar de no ser combustible facilita la combustión de otras sustancias. Así, el HNO3 reacciona violentamente con sustancias orgánicas como acetona, ácido acético, anhídrido acético, alcoholes, etc. causando riesgo de fuego y explosión. Del mismo modo, puede ser agente de reacciones explosivas si se mantiene en presencia de polvos metálicos, carburos o sulfuro de hidrógeno. Cabe recalcar que el ácido nítrico solo es un insumo que será necesario para la producción de nitrato de amonio por ende el ácido nítrico no se realizó un estudio de mercado.

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b) EVALUACION TECNOLOGICA PARA EL AMONIACO Como resultado del trabajo de investigación se ha definido la tecnología: Proceso UHDE, la cual se han comparado 2 procesos: High-Pressure Process y el Dual-Pressure Process. Se ha detectado una evaluación de tecnología para ambos procesos realizado por los estudiantes, cuyos resultados se muestran en el cuadro N°4.2.2 En esta evaluación según el método de puntaje el resultado quedo en el proceso High-Pressure.

CUADRO N° 4.2.2: METODO DE PUNTAJE CRITERIOS

UNIDADES

NH3

TON TON

PONDE RACIÓN

HIGH PRESSURE PROCESS

DUAL-PRESSURE PROCESS

INSUMO/ PRODUCTO

CALIFICACION

PONDERADO

INSUMO/ PRODUCTO

CALIFICACION

PONDERADO

Gal

25 20 5 10

0.286 2.30014 4 ND

3 3 2 2

75 60 10 10

0.282 2.05018 4 MD

2 2 2 3

50 40 10 30

KW-h

10

9

3

30

8.5

2

20

L

10

0.3

3

30

0.3

3

30

DIFICULTAD EN DISPONIBILIDA D DE E NERGIA

ALTA ,MEDIA Y BAJA

5

ND

2

10

ND

2

10

CATALIZADORE S

-

5

PLATINO

2

10

METALES NOBLES

3

15

PUREZA PRODUCTO

%

5

100

3

15

98

2

10

%

5 100

75-87

3

15 265 265

68-85

3

15 230

AIRE PH COMBUSTIBLE ENERGIA ELECTRICA AGUA DE PROCESO

CONVERSION TOTAL

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c) BASES TEÓRICAS DEL PROCESO DE FABRICACIÓN DE ÁCIDO NÍTRICO El proceso de obtención del ácido nítrico es a partir del óxido nítrico que a su vez se obtiene del amoniaco. Dicho proceso denominado de Ostwald consiste en hacer pasar una mezcla de aire y amoníaco sobre una red de contacto de platino a 750-900 ºC. El platino actúa como catalizador absorbiendo los gases en su superficie, facilitando el contacto entre los reaccionantes: 4 NH3 + 5 O2 2 NO + O2

4 NO + 6 H2O

K = 10168

2 NO2

Los gases producidos (óxidos de nitrógeno), se recogen sobre agua:


c) BASES TEÓRICAS DEL PROCESO DE FABRICACIÓN DE ÁCIDO NÍTRICO El proceso de obtención del ácido nítrico es a partir del óxido nítrico que a su vez se obtiene del amoniaco. Dicho proceso denominado de Ostwald consiste en hacer pasar una mezcla de aire y amoníaco sobre una red de contacto de platino a 750-900 ºC. El platino actúa como catalizador absorbiendo los gases en su superficie, facilitando el contacto entre los reaccionantes: 4 NH3 + 5 O2

4 NO + 6 H2O

2 NO + O2

K = 10168

2 NO2

Los gases producidos (óxidos de nitrógeno), se recogen sobre agua: 3 NO2 + H2O NO2 + NO + H 2O HNO2 + 1/2 O 2

2 HNO3 + NO 2 HNO2 HNO3

El ácido nítrico tiene la estructura espacial que aparece en la figura; se trata de un ácido muy fuerte cuya constante es infinita (en disolución acuosa está completamente disociado) y es un compuesto importante ya que posee múltiples aplicaciones como más adelante veremos

d) DESCRIPCION DESCRIPCION DE LA L A TECNOLOGIA En el proceso de alta presión, un compresor de multietapa radial con una sección refrigerante se utiliza para comprimir el aire de proceso a una presión final de 8-12 bar absolutos. Preferiblemente, el tipo de engranaje de giro de la turbina de gas con cola integrada se selecciona pero alternativamente, una máquina máqu ina en línea se puede utilizar. Debido a la presión más alta, todos los equipos y la tubería puede ser de un tamaño más pequeño y sólo se requiere una torre de absorción. La disposición de todo el equipo es muy compacto por lo que el edificio de la máquina ajustado y la unidad de quemador pueden ser pequeños, pero esto no representa un problema para el mantenimiento del trabajo. Este tipo de planta siempre se recomienda cuando un retorno de capital rápida es deseable. Capacidades de la planta entre 100 Tm/día (100%) y 1000 Tm/día de ácido nítrico puede ser realizado.

47


Las concentraciones de ácido obtenidos puede alcanzar hasta el 67% es ligeramente superior al proceso de presión media. Dos o más corrientes del producto con diferentes concentraciones son igualmente posibles. El rendimiento de nitrógeno alcanza por el proceso de alta presión está en el orden de 94,5%. Para capacidades inferiores a 100 Tm/día, un capital de bajo costo de la inversión puede ser mucho más preferible a una recuperación óptima de la energía. En tales casos, Uhde puede ofrecer un gran proceso simplificado que no incluye turbinas de gas de la cola y de vapor. Diseño especial conceptos para la unidad de enfriamiento de gas de proceso, condensador para reducir el costo aún más. La presión de trabajo requerida por tal proceso depende de la máxima admisible NOX contenido en el gas de cola. Si el especificado NO X límite está por debajo de 200 ppm, una presión de al menos 7 bares absolutos debe ser considerado, dependiendo de la temperatura del agua de refrigeración. Bajo NOX valores de menos de 50 ppm puede ser alcanzados, si se requiere, mediante la integración de un proceso de tratamiento de gas de cola catalítico. Uhde también proporciona un procedimiento similar sin la evaporación de amoniaco y la recuperación de unidades de calor para la recuperación de ácido del gas de residuos en, por ejemplo, plantas de ácido adípico. Esta tecnología diferencia de las demás debido a que el high Pressure tiene mayor capacidad de conversión conversión por su alta presión presión ejercida ,su recuperación recuperación de energía energía en los equipos en dicho proceso y generar menos gastos en los insumos (CPU) cuyo objetivo es generar mayores ganancias que es lo que se requiere con una devolución del capital.

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NO (gas)

NO (gas)

NO (gas)

NO (gas)

FIGURA N° 4.2.1: DIAGRAMA DE BLOQUES DE LA PRODUCCIÓN DE L ACIDO NITRICO-TECNOLOGIA NITRICO-TECNOLOGIA UHDE -HIGH PRESSURE PROCESS

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AIRE SECUNDARIO

LP VAPOR

AIRE PRIMARIO

R - 01 H – 02 STH

WB HP VAPOR

LEYENDA

E - 04

NO GAS

COLA DE GAS DE TURBINA

C - 01

GAS DE COLA

C - 02 AMONIACO (GAS)

C - 03 E - 07

TURBINA DE VAPOR

AGUA PROCESO

E - 05

CW

CW

C - 04 CONDENSAD O

WB

AIRE AIRE COMPRIMIDO

WB C - 06

C - 05

E - 03 T - 01

CW

C – 01, C – 02, C – 06: Turbina C – 03, C – 04, C – 05: Compresores E – 01: Condensador E – 02: Evaporador E – 03, E – 04, E – 05, E – 06, E – 07: Intercambiador de Calor R – 01 , R – 02: Reactores P – 01: Bomba T – 01: Torre

R - 02 E - 06 BFW

BFW

LP VAPOR

E - 01

CW

CW

CW

CW

CW

E - 02

AW

AMONIACO (LIQUIDO)

ACIDO CONDENSADO P - 01

PRODUCTO DE ACIDO NITRICO

FIGURA 4.2.2: DIAGRAMA DIAGRAMA DE FLUJO FLUJO DE PROCESO PROCESOS S DE LA PRODUCCI PRODUCCI N DE ACIDO ACIDO NITRICO NITRICO (PFD) Elaborado propia: Grupo de trabajo de la planta de amoniaco con el programa Visio 2013

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4.2.2 PLAN DE INVERSIONES INVERSIONES a) CÁLCULOS DE LA INVERSIÓN FIJA Método de esca e scalamiento lamiento (Método de Williams) COSTO DE CAPITAL FIJO = INVERSIÓN DE CAPITAL FIJO Datos de Costos de Capital para Plantas de Proceso: C0= 100 000 Ton/año I0 = 6 000 000 $

n= 0.53 Dónde: I = Inversión Fija  = 870 Ton/d, valor de la capacidad que se desea conocer.


4.2.2 PLAN DE INVERSIONES INVERSIONES a) CÁLCULOS DE LA INVERSIÓN FIJA Método de esca e scalamiento lamiento (Método de Williams) COSTO DE CAPITAL FIJO = INVERSIÓN DE CAPITAL FIJO Datos de Costos de Capital para Plantas de Proceso: C0= 100 000 Ton/año I0 = 6 000 000 $

n= 0.53 Dónde: I = Inversión Fija  = 870 Ton/d, valor de la capacidad que se desea conocer. Base Año: 1990 Por lo tanto, en la siguiente fórmula:  = 0 (⁄0 ) Consideraremos para nuestro caso 360 días/año, por lo tanto: 0 = (100000/360) = 277 Ton/día

Reemplazando datos:  (USA-1990) = 6x10 6 $ *(870/277) 0.53 = 11x10 6 $  (USA-2015) = 11x10 6 $ *(573.4/357.6) = 17x10 6 $  (PERU-2015) = 89x10 6 $ *1.35 = 24 x10 6 $

CUADRO 4.2.3: CUADRO RESUMEN RESUMEN DEL MÉTODO MÉTODO DE ESCALAMIENTO

INVERSION FIJA

x106 ($)

  (USA-1990)   (USA-2015)   (PERU-2015)

11 17 24 Fuente: Peters Retimmorhays, Plant Design and Equipments.Elaborado por: Grupo de Trabajo de la Planta de Ácido nítrico. Elaborado: Grupo de Trabajo de la Planta de Ácido nítrico. b) ESTIMACIÓN DE LA MANO DE OBRA DIRECTA (MOD) EN LA PLANTA DE PROCESOS. Los operadores por tueno se han ajustado de acuerdo con el Cuadro N° 4.2.4, dado en el material de trabajo entregado por el Ingeniero José Porlles para el curso de Cálculos Económicos, que refleja los últimos resultados de productividad registrados en 1998 (Chem. Eng., August 2000).

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CUADRO 4.2.4: RESULTADOS DE LA ESTIMACIÓN DE LA MOD EN UNA UNIDAD DE PLANTA DE PROCESO

EQUIPOS

NÚMEROS

OPERADORES POR OPERADORES P OR TURNO Y EQUIPO

OPERADORES POR OPERADORES P OR TURNO

reactor 2 0.3 0.6 compresor 3 0.1 0.3 turbina 3 0.1 0.3 calentador 5 0.05 0.25 condensador 1 0.2 0.2 evaporador 1 0.2 0.2 bomba 1 0 0 torre 1 0.3 0.3 TOTAL NÚMERO DE OPERADORES POR TURNO 2.15 Fuente: Obras citadas de Ulrich, G., Diseño y Economía de los los Procesos de Ingeniería Química, pp. 364; 364; y Brown, Brown, Th., Chem. Chem. Eng., pp 87, August 2000. c) COSTO DE INVERSIÓN FIJA (IF) CON IMPREVISTOS

Para realizar el siguiente cuadro se utilizó la información correspondiente de la Estimación de Inversión Fija dada en el primer Informe. CUADRO 4.2.5: RESULTADOS DE LA ESTIMACIÓ E STIMACIÓN N DE LA INVERSIÓN FIJA CONSIDERANDO IMPREVISTOS.

Concepto Calificación Monto($) Costo de planta de proceso Tangibles Tangibl es 12,000,000 Planta Tangibles Tangibl es 5,040,000 Edificaciones Tangibles Tangibl es 2,160,000 Terreno Tangibles Tangibl es 1,200,000 Gastos intangibles 3,600,000 Imprevistos (suma de costo de planta de 10% 504,000 proceso más planta) TOTAL INVERSIÓN FIJA 24,504,000 Fuente: Serie: Economía Aplicada a la Ingeniería de Procesos (Parte1) ESTIMACIÓN COSTO DEL PRODUCTO. Autor: MBA José Ángel Porlles Loarte. Elaborado: Grupo de trabajo de la Planta de Ácido Nítrico. d) COSTO DE PLANTA Y INVERSION FIJA DESPRECIABLE CUADRO 4.2.6.: RESULTADOS DEL COSTO DE PLANTA (PARTE DE LA INVERSIÓN FIJA.

COSTO DE PLANTA

Concepto Concep to

12,000,000

Monto ($1,000)

Edificaciones 5,040 Costo de planta de proceso 12,000 TOTAL INVERSIÓN FIJA DEPRECIABLE 17,040 Fuente: Serie: Economía Aplicada a la Ingeniería de Procesos (Parte1) ESTIMACIÓN COSTO DEL PRODUCTO. Autor: MBA José Ángel Porlles Loarte. Elaborado: Grupo de trabajo de la Planta de Ácido nítrico.

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e) RESULTADOS DEL COSTO VARIABLE UNITARIO (CVU)

Diagrama Diagrama de bloques de Ácido Nítrico a partir del Amoniaco: TECNOLOGÍA: UHDE

Aire

(79% N2 y 21% O2)

HNO3(ACIDO NITRICO) 1 Ton/dia

2.017 Ton/dia

NH3

Proceso

(AMONIACO)

0.286 Ton/dia

H2O (l)

(AGUA)

1.303 Ton/día Agua de Energía Eléctrica Enfriamiento 13.0 KW/h 100 Ton

CUADRO 4.2.7: CÓMPUTO DEL CVU. RUBRO 1. COSTO DEFABRICACIÓN MATERIA PRIMA :Amoniaco (NH3) MATERIA MATERIA PRIMA PR IMA :Aire ( 79% N2 y 21% O 2)

Energía eléctrica Vapor de agua (40 bar; 450 ºC) Agua de enfriamiento (Δt=10K)

Agua de proceso Otros costos CV (catalizadores) Sub total CVU producción 2. GASTOS ADMINISTRATIVOS 3. GASTOS DE VENTAS

INSUMO/PRODUCTO UNIDAD O (unidad/Ton producto) Ton Ton Kw-hora Ton Ton Ton g

15%

PRECIO $ / INSUMO

CVU $ / Ton

400(4) --0.08(2) 12.13 (2) 1.36(2) 0.58(2)

114.4 0(1) 1.04 6.67 136 0.00 0.05 258.16 0 51

0.286 (3) 2.017 (3) 13 (3) 0.55 (3) 100(3) 0.3 (3) 0.26 (3)

P= 340$/Ton (5)

TOTAL CVU Fuente: Fuente: Serie: Economía Economía Aplicada a la Ingeniería de Procesos Procesos (Parte1) (Parte1) ESTIMACIÓN COSTO COSTO DEL Autor: MBA José Ángel Porlles Porlles Loarte. Loarte. Elaborado: Grupo de trabajo de la Planta de Ácido nítrico.

309.16 PRODUCTO.

Precio Ácido nítrico internacional: 340 $/TM (5) 1: La cantidad de oxigeno que requerimos de oxigeno será captada por el aire por ende no compraremos (oxígeno puro) por ello no fue necesario averiguar el precio de oxigeno puro. 2: Los precios de los utillities son estimaciones en cual cual se obtuvieron en el libro de evaluación de proyectos proyectos y actualizad actualizados os al año año actual. actual. 3: Valores que se encuentran en el folleto de la tecnología Uhde Gmbh ubicado en www.thysekrupp-industrial-solutions.com de su tecnología. 4: El precio internacional del amoniaco se obtuvo luego de un promedio entre los años de 20102015 (ver grafica Nº)

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f) RESULTADOS DE COSTOS FIJOS (OPERATIVOS) CUADRO 4.2.8: CÓMPUTO DE COSTOS FIJOS. Concepto A)Costo de Manufactura 1)Mano de obra directa (MOD) 2)Gasto Indirecto de Fabricación (GIF) .Mano de obra indirecta (MOI) .Supervisión .Supervisi ón directa: 20% de (MOD + MOI) .Suministros: .Suministr os: 1% costo de planta .Mantenimiento y reparación: 6% costo de planta .Control de Calidad: 15% MOD .Depreciación: .Depreciación : 10% Inv. Fija Depreciable .Seguro de Fábrica: 3%Inv. Fija Depreciable .Gastos Generales de planta: 0.5% Inv. Fija Depreciable Sub total Costo de Manufactura Fijo B) Gastos Administrativos %(MOD +MOI +SUPERV. + MANTEN.) C) Gastos de Ventas TOTAL COSTOS FIJOS Total Costos Fijos Desembolsables (sin Depreciación)

%

$/año 63,000

20% 20% 1% 6% 15% 10% 3% 0.50%

12,600 15,120 50,400 302,400 9,450 1,704,000 511,200 85,200 2,753,370

15%

58,968 0 2,812,338 1,108,338

Fuente: Serie: Economía Aplicada a la Ingeniería de Procesos (Parte1) ESTIMACIÓN COSTO DEL PRODUCTO. Autor: MBA José Ángel Porlles Porlles Loarte. Loarte. Elaborado: Grupo de trabajo de la Planta de Ácido Ác ido nítrico. nítrico.

g) COSTO DE PRODUCTO UNITARIO (CPU) PARA EL ÁCIDO NÍTRICO. Precio de venta del Ácido nítrico = $340 /tonelada CUADRO 4.2.9: resultados. 4.2.9: resultados.

$/ton CVU CFU CMU CPU

309.16 8.98 8.84 329.16

Fuente: Serie: Economía Aplicada a la Ingeniería de Procesos (Parte1) ESTIMACIÓN COSTO DEL PRODUCTO. Autor: MBA José Ángel Porlles Porlles Loarte. CONCLUSIONES

Se puede observar que el costo obtenido del Ácido nítrico es 329.16 $/ton comparado con el precio promedio internacional de 340 $/ton. Debemos tener en cuenta que el costo de nuestro producto es menor debido a la tecnología usada por un mayor mayor grado de conversión conversión y menor cantidad de insumos.

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3.Informe Final de Acido Nitrico

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