TECNOLÓGICO DE ESTUDIOS SUPERIORES DE SAN FELIPE DEL PROGRESO
DIVISIÓN DE INGENIERÍA QUÍMICA
PROYECTO: “SÍNTESIS Y OPTIMIZACIÓN EN LA PRODUCCIÓN DE NITROBENCENO”
MATERIA: SÍNTESIS Y OPTIMIZACIÓN DE PROCESOS
DOCENTE: ING. ROSALBA RAMÍREZ NORIEGA
EQUIPO: o JACQUELINE MIGUEL SEGUNDO o PAULINA PÉREZ VALENCIA o OBED TAPIA LÓPEZ
SÉPTIMO SEMESTRE GRUPO 702
SAN FELIPE DEL PROGRESO, MEX. A 25 DE NOVIEMBRE DEL 2016 1
Índice Resumen......................................................................................................... 6 Abstract........................................................................................................... 7 Antecedentes.................................................................................................... 7 Benceno....................................................................................................... 7 Aplicaciones del benceno............................................................................. 9 Toxicidad del benceno................................................................................. 9 Ácido Nítrico.................................................................................................. 9 Ácido Sulfúrico............................................................................................. 10 Aplicaciones del ácido sulfúrico...................................................................10 Nitrobenceno............................................................................................... 10 Aplicaciones del nitrobenceno.....................................................................10 Toxicidad del nitrobenceno.........................................................................10 Ruta de la reacción.......................................................................................... 11 Determinación De La Economía Fraccional Del Átomo......................................11 Proceso Leblanc....................................................................................... 11 Proceso Solvay......................................................................................... 12 Rendimiento de la reacción........................................................................13 Establecimiento de la distribución de especies.....................................................13 Diseño del sistema.......................................................................................... 16 Diagrama De Flujo........................................................................................ 16 Diseño Del Proceso Propuesto.......................................................................17 .................................................................................................................. 17 Sustento Del Diagrama Propuesto Para El Proceso..........................................18 Producción de Nitrobenceno en base a la Sucesión de Fibonacci...........................19 Cálculos...................................................................................................... 19 Balances de materia..................................................................................... 21 Tanques de almacenamiento de líquidos......................................................22 Criterios de seguridad...................................................................................... 28 Criterios generales de seguridad....................................................................29 Seguridad eléctrica.................................................................................... 29 Principales riesgos en la industria................................................................29 Botiquines de primeros auxilios...................................................................33 Criterios específicos..................................................................................... 33 Criterios para tanques de almacenamiento...................................................33 2
Criterios para reactores.............................................................................. 35 Equipos de protección para operadores (equipos de protección individual)...........35 Protectores de la cabeza............................................................................35 Protectores de la cara y ojos.......................................................................35 Protector auditivo...................................................................................... 35 Protección de vías respiratorias...................................................................35 Protección de manos y brazos....................................................................35 Zapatos de seguridad................................................................................ 36 Protección total del cuerpo.........................................................................36 Aspectos ecológicos........................................................................................ 36 Residuos industriales.................................................................................... 37 Seguridad en la producción de nitrobenceno....................................................37 Tratamiento de gases................................................................................... 37 Normativa aplicada para el proceso de producción de nitrobenceno.................38 Evaluación Económica..................................................................................... 39 Tasa de retorno............................................................................................ 39 Capital inmovilizado...................................................................................... 39 Calculo del coste de los equipos.....................................................................39 Estimación del costo de tanques de almacenamiento.....................................40 Estimación del precio de los reactores.........................................................40 Estimación del precio del evaporador...........................................................42 Estimación del precio de los intercambiadores..............................................42 Estimación del precio del extractor...............................................................43 Estimación del precio de la torre de refrigeración...........................................43 Estimación del precio de las bombas...........................................................43 Estimación del precio del stripping...............................................................45 Capital inmovilizado...................................................................................... 45 Costes directos............................................................................................ 48 Costes de materias primas............................................................................ 48 Mano de obra directa................................................................................. 49 Costes indirectos.......................................................................................... 49 Mano de obra indirecta.............................................................................. 49 Organigrama................................................................................................... 50 Conclusión............................................................................................... 50 Servicios.................................................................................................. 51 3
Suministros.............................................................................................. 52 Mantenimiento.......................................................................................... 52 Laboratorio............................................................................................... 52 Envasado................................................................................................. 52 Expedición............................................................................................... 53 Costes indirectos fijos................................................................................... 53 Directivos y técnicos.................................................................................. 53 Amortización............................................................................................ 53 Alquileres................................................................................................. 53 Tasas...................................................................................................... 53 Seguros................................................................................................... 53 Calculo de la tasa de retorno......................................................................54 Beneficio extra............................................................................................. 54 Uso y recirculación del ácido sulfúrico.............................................................55 Costes de los equipos del catalizador..........................................................55 Equipos................................................................................................... 55 Inmovilizado............................................................................................. 56 Costes operativos y de mantenimiento............................................................56 Ahorro de ácido sulfúrico............................................................................56 Conclusión del estudio Económico en base a la Sugerencia de Optimización en la producción de Nitrobenceno.............................................................................. 58 Anexos.......................................................................................................... 59 Anexo 1 Hojas de seguridad de reactivos y productos.......................................59 Anexo II Hojas de seguridad para equipos de producción...................................66 Referencias.................................................................................................... 76
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Resumen El nitrobenceno es un material que de acuerdo a sus propiedades fisicoquímicas mantiene un amplio campo de aplicación principalmente en la industria química como intermediario para la producción de anilina, bencidina y otros productos derivados de la anilina. También en la producción de aceites lubricantes usados en motores y maquinarias. En fracciones pequeñas, el nitrobenceno es usado en la industria textil con la producción de colorantes, en la médica en la fabricación de medicamentos y en la agronómica con la fabricación de pesticidas. Aspectos importantes que se recalcan en su aplicación es su mínima actuación como agente contaminante, ya que entre sus propiedades principales destacan las siguientes: 1) en el agua el nitrobenceno es degradado con la luz solar, 2) el nitrobenceno en el agua puede pasar al agua subterránea y puede ser incorporado por plantas, 3) degradación por bacterias. 4) evaporación en el aire. El nitrobenceno puede ser producido mediante dos procesos; el proceso isotermo y el proceso adiabático. El primer proceso implica un alto nivel de complejidad al trabajarse con azeotrópos. Por otro lado del proceso adiabático destaca la posibilidad de aprovechar el calor desprendido por la reacción y reaprovecharlo en el proceso, así como algunos de los reactivos que pueden ser recirculados, es decir, propone un mejor aprovechamiento y ahorro energético y en materia prima, mismo que a su vez se ve reflejado en la inversión económica. El presente trabajo se centra en la optimización en el proceso de producción del nitrobenceno. El mecanismo de producción fue analizado detalladamente realizando un enfoque en presiones, temperaturas, propiedades de la materia prima (reactivos) y los productos finales (en este caso el nitrobenceno y como subproducto agua), con el fin de hallar una optimización en su proceso de producción manteniendo en las principales consideraciones el menor impacto ambiental posible con la mínima inversión económica posible.
Abstract The nitrobenzene is a material that according to its physicochemical properties maintains a wide field of application mainly in the chemical industry as an intermediary for the production of aniline, benzidine and other products derived from aniline. Also in the production of lubricating oils used in engines and machines. In small fractions, the nitrobenzene is used in the textile industry with the production of dyes, in the medical in the manufacture of drugs and the agronomic with the manufacture of pesticides. Important aspects that are emphasized in its application is its minimal performance as a pollutant, since between its major properties include the following: 1) in the water the nitrobenzene is gradient with the sunlight, 2) the nitrobenzene in the water can 5
pass to the water and groundwater can be incorporated by plants, 3) degradation by bacteria. 4) evaporation in the air. The nitrobenzene can be produced by two processes; the isothermal process and the adiabatic process. The first process involves a high level of complexity to the work with azeotrópos. On the other side of the adiabatic process emphasizes the possibility of exploiting the heat emitted by the reaction and reaprovecharlo in the process, as well as some of the reagents may be recirculated, in.the. proposes a better use and save energy and raw material, which in turn is reflected in the economic investment. The present work focuses on the optimization in the production process of the nitrobenzene. The mechanism of production was analyzed in detail by performing a focus on pressures, temperatures, properties of the raw material (reagents) and end products (in this case the nitrobenzene and as a byproduct water), with the aim of finding an optimization in their production process to maintain in the main considerations the least possible environmental impact with minimal economic investment possible.
Antecedentes Benceno 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. El benceno es, en comparación con los alquenos y los polienos, un compuesto más estable. La remarcable estabilidad del benceno se puede explicar si se admite la deslocalización de la densidad electrónica asociada a los orbitales p. Las estructuras resonantes se diferencian en la distribución de la densidad electrónica pero no en la posición relativa de los átomos que las integran. En realidad el benceno es un híbrido de resonancia cuyos enlaces π están deslocalizados, con un orden de enlace de aproximadamente 1 ½ entre los átomos de carbono adyacentes. Esto explica que las longitudes de enlace C-C en el benceno sean más cortas que las de los enlaces simples, pero más largas que las de los dobles enlaces. Como los enlaces π están deslocalizados en el anillo a menudo se inscribe un círculo en el hexágono, en lugar de trazar los enlaces dobles localizados.
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El paso que determina la velocidad de la reacción es el primer paso, que corresponde a la formación del complejo sigma. Este es también el paso en el que el electrófilo se enlaza al anillo, determinando el tipo de sustitución. La formación del complejo sigma es una reacción endotérmica y por tanto la estructura del estado de transición que conduce al complejo sigma se asemeja al producto de la reacción (postulado de Hammond). Por tanto, se puede justificar el empleo de las estabilidades de los complejos sigma como indicadores de las energías de los estados de transición que conducen a su formación. Cuando el benceno reacciona con el catión nitronio, el complejo sigma tiene la carga positiva distribuida sobre tres átomos de carbono secundarios:
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Aplicaciones del benceno
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, nylon 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. Toxicidad del benceno
Respirar, inhalar ,aspirar ,inspirar o ingerir niveles de benceno muy altos puede causar la muerte, mientras que niveles altos 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, ulceras estomacales, mareo, somnolencia o convulsiones; y en última 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 anemia. El benceno también puede producir hemorragias y daños en el sistema inmunitario, aumentando así las posibilidades de contraer infecciones por inmunodepresión.
Ácido Nítrico El ácido nítrico es un agente oxidante potente; sus reacciones con compuestos como los cianuros, carburos, y polvos metálicos pueden ser explosivas. Las reacciones del ácido nítrico con muchos compuestos orgánicos, como de la terebentina, son violentas, la mezcla siendo hipergólica (es decir, autoinflamable). Es un fuerte ácido: en solución acuosa se disocia completamente en un ión nitrato NO3- y un protón hídrico. Las sales del ácido nítrico (que contienen el ión nitrato) se llaman nitratos. La casi totalidad de ellos son muy solubles en el agua. El ácido nítrico puro es un líquido viscoso, incoloro e inodoro. A menudo, distintas impurezas lo colorean de amarillo-marrón. A temperatura ambiente libera humos rojos o amarillos. El ácido nítrico concentrado tiñe la piel humana de amarillo al contacto.
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Ácido Sulfúrico El ácido sulfúrico es un líquido aceitoso, incoloro y transparente, sumamente corrosivo. También se le llama ácido sulfínico, ácido de batería y sulfato de hidrógeno. Es el compuesto químico que más se produce en el mundo Aplicaciones del ácido sulfúrico
Se usa en la manufactura de abonos, explosivos, otros ácidos y pegamentos; en la purificación del petróleo; para remover impurezas de las superficies de metales; y en baterías de plomo-ácido (usadas en la mayoría de los vehículos).
Nitrobenceno El nitrobenceno es una sustancia química industrial. Es un líquido amarillo aceitoso, de olor parecido a almendras. Es poco soluble en agua y la mayor parte se evaporará al aire Aplicaciones del nitrobenceno
Es producido en grandes cantidades para uso en la industria. La mayor parte del nitrobenceno producido es usado para manufacturar anilina. El nitrobenceno también es usado para producir aceites lubricantes como aquellos usados en motores y en maquinarias. Una pequeña cantidad de nitrobenceno es usada en la manufactura de colorantes, medicamentos, pesticidas y goma sintética. El nitrobenceno es un compuesto de partida importante en la síntesis de diversos productos orgánicos como la anilina, la benzidina, el trinitrobenceno, el ácido nitrobenzolsulfónico, la fuchsina, la quinolina o fármacos como el acetaminofen. A veces se utiliza también como disolvente, como componente de lubricantes o como aditivo en explosivos. Toxicidad del nitrobenceno
El nitrobenceno puede ser resorbido a través de la piel, los pulmones o tras ingestión por el intestino. En el cuerpo provoca graves intoxicaciones. Además provoca graves daños en el sistema nervioso central. Algunos síntomas son: debilidad, dolor de cabeza, rampas, vómitos y pérdida de conciencia. Una intoxicación grave puede provocar la muerte en cuestión de horas. El efecto tóxico se ve refortalecido por el alcohol.
Ruta de la reacción El objetivo principal de este proyecto es la construcción de una planta química para la producción de nitrobenceno. Este producto se obtiene por nitración de benceno con una mezcla ácida de nítrico y sulfúrico, que actúa como catalizador.
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El nitrobenceno se fabrica con intención de vender la mayor parte de la producción a una empresa situada en la parcela de al lado, fabricante de anilina.
Determinación De La Economía Fraccional Del Átomo
La expresión matemática conveniente para la economía del átomo sería:
Donde vp; es el coeficiente estequiométrico, y Mp, es la masa molar, para el producto deseado P, mientras y, es el coeficiente estequiométrico, Mi es la masa molar del reactivo vi. Proceso Leblanc
Análisis de Generación-consumo del proceso LeBlanc. La reacción neta es:
Compuestos
vi
Mi
viMi
-1
79.01
-79.01
-1
98.056
-98.056
-1
78.06
-78.06
+1
123.007
+123.007
Tabla 1. Coeficientes estequiométricos.
Calculando la economía fraccional del átomo: 10
vpM p +123.007 = =0.482 −Σ v i M i −[ (−79.01 ) + (−98.056 ) +(−78.06) ]
Proceso Solvay
Análisis de Generación-consumo del proceso Solvay. La reacción neta es:
Compuestos
vi
Mi
viMi
-1
79.01
-79.01
-1
78.06
-78.06
+1
123.007
+123.007
Tabla 2. Coeficientes estequiométricos.
Calculando la economía fraccional del átomo: vpM p +123.007 = =0.783 −Σ v i M i −[ (−79.01 ) +(−78.06) ]
El proceso Solvay utiliza mucho mejor sus materias primas. Si todo lo demás permanece constante, son preferibles las rutas de reacción con una alta economía fraccional del átomo; la razón es que éstas deben tener menos productos residuales y, haciendo buen uso de las materias primas y el producto obtenido presenta buenas condiciones físicas y químicas, deben ser más eficientes en relación con su costo-beneficio. Rendimiento de la reacción
Para cantidades evaluadas a nivel laboratorio utilizan una muestra de 98.6gr de Benceno para reaccionar con HNO 3 y que produzca 138.2gr (rendimiento real) de Nitrobenceno.
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de Rendimiento=
Rendimiento real o experimental ×100 Rendimiento teórico
1 mol C6 H 6−78.06 gr 1 mol C6 H 5 N O2−125 gr Calculando el rendimiento teórico del C6H5NO2 gr teoricos de producto=
gr teoricos=
gr de Producto × gr de Reactivo limitante teorico gr de Reactivo limitante
125 gr de C6 H 5 N O2 × 98 gr de C 6 H 6=157.8913 gr C 6 H 5 N O2 78.06 gr C 6 H 6
Calculando el Rendimiento total de la Reacción: de Rendimiento=
138.2 gr C 6 H 5 N O2 ×100=87.52 157.8913 gr C 6 H 5 N O2
Establecimiento de la distribución de especies Equipo Tanque de almacenamiento para ácido nítrico Tanque de almacenamiento para ácido sulfúrico
Características Acero Inoxidable AISI 316 Parcialmente radiografiado Eficacia de soldadura 0.85 No requiere aislamiento Acero Inoxidable AISI 316 Parcialmente radiografiado Eficacia de la soldadura 12
Norma de diseño DIN 28011
DIN 28011
Tanque de almacenamiento para benceno
Tanque de almacenamiento para nitrobenceno
Separador
Extractor
Stripping
Evaporador
Reactores (general)
Reactor 1
Reactor 2
0.85 No requiere aislamiento Acero Inoxidable AISI 316 Parcialmente radiografiado Eficacia de la soldadura 0.85 No requiere aislamiento Acero Inoxidable AISI 316 Parcialmente radiografiado Eficacia de la soldadura 0.85 No requiere aislamiento Acero Inoxidable AISI 316 Extractores centrífugos Eficacia de soldadura 0.85 Acero Inoxidable AISI 316L Posición vertical Temperatura máxima de trabajo 100°C Acero Inoxidable AISI 316L Columna de relleno estructurado ya que brinda mayor eficacia de separación Parcialmente radiografiado Eficacia de soldadura 0.85 Acero Inoxidable AISI 316 Numero de pasos 1 Temperatura de diseño 275 Acero Inoxidable AISI 316 Capacidad volumétrica en un rango de 80-90 m3. Deben tener un alto nivel de agitación Posición vertical Acero inoxidable AISI 316 Parcialmente radiografiado Eficacia de soldadura 0.85 Aislado (se recomienda con manta telisol Requiere un agitador radial de palas planas, posición central Posición vertical Acero inoxidable AISI 316 13
DIN 28011
DIN 28011
ASME
-----
ASME
-----
ASME
ASME
Reactor 3
Reactor 4
Mezclador
Agitadores
Parcialmente radiografiado Eficacia de soldadura 0.85 Aislado (se recomienda con manta telisol Requiere un agitador radial de palas planas, posición central Posición vertical Acero inoxidable AISI 316 Parcialmente radiografiado Eficacia de soldadura 0.85 Aislado (se recomienda con manta telisol Requiere un agitador radial de palas planas, posición central Posición vertical Acero inoxidable AISI 316 Parcialmente radiografiado Eficacia de soldadura 0.85 Aislado (se recomienda con manta telisol Requiere un agitador radial de palas planas, posición central Acero Inoxidable AISI 316 o acero al carbono Debe contar con aislamiento para soportar temperaturas a un máximo de 130°C. Se recomienda de fibra de vidrio recubierto por una capa de aluminio. Parcialmente radiografiado Eficacia de soldadura 0.85 Acero Inoxidable AISI 316 Agitador con palas planas inclinadas Agitación radial Buena potencia Agitación para los reactores R-200 a R-205 Proceso continuo Posición central Tabla 3 Distribución de especies
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ASME
ASME
ASME
ASME
-----
Diseño del sistema Diagrama De Flujo Tanque de almacenamien to de H2SO4 T-101
Tanque de almacenamie nto de HNO3 T-102
Tanque de almacenamien to de C6H6 T-103
Mezclador R-201
Evaporador
R-202
R-203
R-204
Separador Almacen amiento de Nitroben ceno
15 Extractor
Tratamiento de residuos Separador
Stripping
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Diseño Del Proceso Propuesto
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Sustento Del Diagrama Propuesto Para El Proceso Los reactivos que deben ser almacenados son ácido nítrico, ácido sulfúrico, benceno y como producto final nitrobenceno. Para el tanque de almacenamiento de ácido nítrico es necesario tomar en cuenta que para que la reacción no produzca exceso de subproductos en las condiciones para su almacenamiento se debe mantener una concentración entre el 3 y el 7.5% en peso de la mezcla de los ácidos. Usualmente el ácido sulfúrico se encuentra a una concentración del 95%, para ello es necesario el uso del mezclador en el proceso para diluir las concentraciones de los reactivos. En el caso del ácido sulfúrico debe tomarse en cuenta que el catalizador es recirculado al inicio del proceso por lo que se debe realizar el análisis entre lo suministrado y lo recirculado. Para el tanque de almacenamiento del benceno, al igual que el ácido sulfúrico se debe tomar en cuenta que es recirculado por ello se debe realizar el mismo análisis entre lo suministrado y los recirculado al inicio del proceso. Una vez que son mezclados los ácidos, salen del mezclador para dirigirse a los reactores, en ellos tiene lugar la reacción del ácido nítrico con el benceno para formar mononitrobenceno, con una mínima producción de dinitrobenceno como subproducto. En este proceso se ha contemplado el uso de cuatro reactores para dividir el volumen aumentando el nivel de conversión y minimizando el exceso de subproductos en las reacciones. En el primer reactor se lleva a cabo la mayor parte de la reacción, suponiendo de un 80-90% en nivel de conversión para ello es necesario un mayor suministro de benceno a este reactor. Suministrando un exceso de benceno se mantiene una seguridad de que el ácido nítrico reacciona casi en su totalidad. Esta mezcla pasa a los otros tres reactores adiabáticos para ser bien agitada y así se incremente el nivel de conversión, claro está, se estima que los nuevos niveles de conversión alcancen un 98% de nivel de conversión. Al salir del cuarto reactor, en la mezcla probablemente exista la presencia de una fracción mínima de ácido nítrico, y como producto contaminante el ácido nítrico debe ser sometido a un tratamiento considerando la parte ambiental. O bien recirculado al inicio de la reacción. Se extraen las impurezas generadas por la reacción y la corriente es dirigida un tratamiento de residuos. El uso del separador se debe a las fracciones de reacción del benceno, si este no reacciona en su totalidad es necesario extraer este producto ya que funciona como materia prima y por tanto debe ser recirculado al inicio de la reacción como ya se comentaba anteriormente. 18
La recuperación del ácido sulfúrico de realiza mediante el equipo de separación ya que mediante este equipo se realiza la purificación del catalizador y ser recirculado a la parte inicial del proceso de producción del nitrobenceno. Esta corriente se dirige a un evaporador que permitirá separar las sustancias de acuerdo a sus concentraciones y puntos de ebullición enviando una corriente de ácido sulfúrico al primer reactor y los residuos a un tratamiento. El stripping es ocupado para reaprovechar la corriente de agua y benceno, esta corriente pasa a un separador para apartar la parte de benceno y ser recirculada al primer reactor. El agua a su vez queda como un subproducto que no representa riesgo al medio ambiente. El producto final; nitrobenceno, se manda a un tanque de almacenamiento estando a disposición para su uso. En los procesos industriales.
Producción de Nitrobenceno en base a la Sucesión de Fibonacci La planta de producción de nitrobenceno (C6H5NO2) desea realizar un análisis y evaluación para la optimización de la misma durante un año. Para ello se ha puesto principal interés en un modelo matemático conocido como SUCESION DE FIBONACCI dicho método o modelo permitirá realizar dicha estimación. Se ha considerado realizar el análisis respecto a dos planta productoras de nitrobenceno para verificar el intervalo óptimo de producción para esta planta; la primer empresa “NIBE” con una producción de 60,000 ton/año, la segunda empresa “ECROS” con una producción de 120,000 ton/año. Para tales datos de producción esta planta cuenta con una producción de 92,000 ton/año. Determinar la función matemática a emplear para desarrollar el modelo matemático. Realizar los cálculos adecuados considerando 3 iteraciones para encontrar el intervalo óptimo de producción.
Cálculos f ( x )=−x 2+ 6 x +5
Función Cuadrática Intervalo de producción
τ i=4
Iteraciones entonces: 0
[60,000 ; 120,000] n – 1=4
n – 1=4 ;
n=4+ 1=5 1
2
19
3
4
5 8
Iteración 0 con
3 5
τo=
5 8
2 3
1 2
y con intervalo de
[ao ; bo ]
1
= [60,000 ;120,000]
I o=b o−τ o (bo −ao ) 5 I o=120,000− ( 120,000−60,000 ) =82,500 ton/año 8 f ( I o ) =(−82,500)2+ 6 ( 82500 )+ 5=68056725005 r o=ao −τ o (b o−ao ) 5 r o=60,000+ ( 120,000−60,000 )=97,500 ton/año 8 f ( I o ) =(−97,500)2+ 6 ( 97,5000 ) +5=95906835005 Rechazando el intervalo de
Iteración 1 con
τo=
3 5
[97,500;120,000]
y con intervalo
[ a1 ; b1 ]=[60,000; 97,500]
I 1 =b1−τ 1 (b1−a1) 3 I 1 =97,500− ( 97,500−60,000 ) =75,000ton/año 5 f ( I 1 )=(−75000)2 +6 ( 75000 ) +5=5625450005 r 1=a 1−τ 1 (b 1−a1 )
20
suponiendo q es unimodal.
3 r 1=60,000+ ( 97,500−60,000 ) =82,500 ton/año 5 2
f ( I 1 )=(−82,500) +6 ( 82500 ) +5=68056725005 Rechazando el intervalo de
Iteración 2 con
τ 2=
2 3
[60,000 ;75,000]
y con intervalo
[ a2 ; b2 ]=[75,000; 97,500 ]
I 2 =b2−τ 2 (b2−a2) 2 I 2 =97,500− ( 97,500−75,000 ) =82,500 ton/año 3 f ( I 2 )=(−82,500)2 +6 ( 82,500 )+5=68067450005 r 1=a 1−τ 1 (b 1−a1 ) 2 r o=75,000+ ( 97,500−75,000 )=90,000 ton /año 3 f ( I 2 )=(−92,500)2 +6 ( 92500 )+5=8100540005 Rechazando el intervalo de
Iteración 3 con
τ3=
1 2
[90,00; 97,500]
y con intervalo
[ a3 ; b3 ]=[82,500 ; 97,500]
I 3 =b3−τ 3 (b 3−a3 ) 1 I 3 =97,500− ( 97,500−82,500 ) =90,000 ton/año 2 2 f ( I 3 )=(−90,000) +6 ( 90,000 )+ 5=8100540005
21
r 3=a3−τ 3 (b3−a3) 1 r 3=82,500+ ( 97,500−82,500 ) =90,000 ton/año 2 f ( I 3 )=(−90,000)2+6 ( 90,000 )+ 5=8100540005 Iteración 4 con
τ 4=1
y con intervalo
[ a 4 ; b 4 ]=[ 90,000 ; 90,000]
I 4=b 4−τ 4 (b4 −a 4) 1 I 4=90,000− ( 90,000−90,000 )=90,000 ton/año 2 2
f ( I 4 ) =(−90000) +6 ( 90000 ) +5=8100540005 r 4 =a 4−τ 4 (b 4−a4 ) 3 r 4 =82,500+ ( 97,500−82,500 )=90,000ton/año 5 f ( I 4 ) =(−82,500)2 +6 ( 82500 ) +5=8100540005
Por lo tanto el intervalo óptimo de producción debido a la regla base del método I 3 =r 3 de FIBONACCI con se refleja en las 90,000 ton/año de nitrobenceno lo que
Balances de materia Los balances que se muestran a continuación son los datos necesarios de cada corriente del proceso para producir las 92000 Ton/año que hemos de suministrar a la planta de producción de anilina Anitrong y que quede un excedente, considerando que la planta trabaja 312 días al año en continuo.
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Tanques de almacenamiento de líquidos
Consideraciones de diseño
Los tanques de almacenamiento se han diseñado como tanques
atmosféricos, y por lo tanto, nos hemos basado en la norma DIN 28011. Hay que diferenciar entre volumen útil y volumen real. El volumen útil es el mínimo necesario y el volumen real es el que consideramos en exceso teniendo en cuenta las posibles variaciones de caudal suministrado o pequeños movimientos de líquido dentro del tanque en el
momento de carga y descarga. Según la normativa aplicada la relación entre la altura y el diámetro del
tanque es de 1,5. Una vez encontrada la altura del tanque hay que tener presente que las chapas las cuales se diseña el tanque son de medidas estándar, y para minimizar el coste hay que evitar cortas las mismas. Por ese motivo, ya que las medidas estándar van de 500mm a 500mm, al encontrar la altura se recalculará de tal manera que el valor sea múltiple de 0,5m.
Temperatura de diseño
Para el cálculo de la temperatura de diseño se sigue el mismo criterio que para la presión de diseño. La temperatura de diseño se determina como:
Capacidades de los recipientes
Para el cálculo de las capacidades de los tanques se ha seguido el siguiente procedimiento y se ha dado como ejemplo el diseño de los tanques de ácido nítrico: Cálculo del caudal volumétrico (m3/h): ¿
caudalmásico 9166.01kg /h = =6.59 m3/h densidad 1359.47 Kg/ m 3
Cálculo de los días mínimos entre carga y carga:
23
¿
Kg camión 22500 kg 1 día = × =0.122 dias caudalmásico 9166.01kg /h 24 h
Cálculo del volumen de tanques para abarcar los 7 días de período de almacenamiento: volumen de tanques=caudal volumetrico × dias
¿ 6.59
m3 24 h × 0.122dias × =1108.0858 m3 h 1 dia
Cálculo del volumen teniendo en cuenta el 30% de volumen que debe quedar en los tanques al descargarse: Volumen con el 30% = vol. Tanques + (Vol. Tanques x 0.3) =1108.0858 m3 + (1108.0858 m3 x 0.3)= 1111.41 m3=1467.3913 m3 Cálculo del diámetro del tanque: Volumen fondo superior = 1/48(π)(De3) Volumen cilindro =1.5/4(π)( De3) Vol . de fondo. +Vol . del cilindro De= 1.5 1 x π +( x π ) 4 12
(
Diametro=
(
(
)
)
1/3
1467.3913 =6.87 m 1.5 1 x π +( x π ) 4 12
)
Cálculo de la altura del cilindro: Altura cilindro = 1,5⋅ De = 1,5⋅ 7 m = 10,2 m Volumen fondo superior toriesférico= 33.10 m3 Cálculo de los Kg necesarios de ácido sulfúrico: Kg necesarios = caudal másico ⋅ tiempo de residencia total (1h/60 min)= 81176,72 x 64 x 1/60 = 84706.1315 Kg/60min Cálculo del volumen de tanques para abarcar el tiempo de residencia total:
24
Volumene Tanques=
Kg nceseario 84706.1315 kg/h = =46.9858 m densidad de acido slfurico 17 P 2 Kg/m3
3
Cálculo del volumen teniendo en cuenta el 30% de volumen que debe quedar en los tanques al descargarse: V ol . con el 30 =Volumen de tamnque+(volumentanques x 0.3)
Vol. con el 30 =46.9850 m 3+ ( 48.3 m3 x 0.3 )=¿ Vol. con el 30 =Volumen de tamnque 61.43+ ( volumen tanques x 0.3 )=61.43 m 3=97.82 m3
Peso de los equipos
Peso del equipo vacío Cálculo de la superficie del cilindro: Sup cilindro = π ⋅ De ⋅ Altura tanque = π ⋅ 7 ⋅10,2 = 224,30 m2 Cálculo del volumen de acero del cilindro: Volumen acero cilindro = Sup cilindro ⋅ espesor cil = 224,30 ⋅ 0,01 = 2,24 m3 Cálculo del volumen de acero del fondo: Volumen acero fondo = Sup fondo ⋅ espesor fondo = 33,1⋅ 0,015 = 0,49 m3 Cálculo del volumen total de acero del recipiente: Volumen acero = Volumen acerocilindro +Volumen acero fondo = 2,24 + 0,49 = 1,09 m3. Cálculo peso recipiente vacío: Peso recipiente vacío = Volumen acero ⋅ densidad acero = 1,09 ⋅ 7860 = 27227,836 Kg.
Peso del equipo lleno de agua
Peso recipiente con agua= peso recipiente vacio+ ( vol .liquido a contener x densidad del agua )
Peso recipiente con agua=27227.836+ ( 490.84 x 1000 )=518067.837 kg
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Peso del equipo lleno del líquido a contener
Peso recipiente con líq uido=recipiente vacio+ ( vol . del liquido a contener x Densidad delliquido ) ¿ 27227,83+ ( 490.84 x 1359.47 )=680005.27 kg
Cálculo del volumen del reactor
Considerando que tenemos 4 reactores en serie, se puede calcular el volumen de cada uno de ellos a partir de la ecuación 1.
Ahora se debe sobredimensionar el volumen, considerando que el volumen necesario calculado corresponde al 75% del total. Volumen=4.366
=5.28 m 3 ( 1200 75 )
Para conocer cuál sería el ahorro de volumen entre tener uno o cuatro reactores: Volumen=
( 100 )=71.23 ( 83.41−24 83.1 )
Cálculo del agitador
Las características necesarias para poder diseñar el agitador, corresponden a la tabla siguiente: Para un agitador con palas planas inclinadas, las relaciones entre los diámetros y las distancias entre las diferentes partes del reactor (agitador, bafles), corresponden al siguiente esquema. Para conocer el volumen del agitador se ha partido del volumen del tubo del agitador y de las palas, a partir de la ecuación. 26
Diámetro tubo = 0.05 m H tubo = H total – H palas des del fondo = 5.41 m Así que el volumen del agitador es de 0.032 m3.
Evaporador
Cálculo del área del evaporador
El evaporador opera a presión atmosférica y se necesitan evaporar aproximadamente 5500 Kg/h de agua para concentrar el ácido sulfúrico. El vapor está disponible a 22 bar y la temperatura de saturación de este vapor es de 217ºC. La presión en la parte baja del evaporador es de 1,2 bar. PM mezcla = 38,38 Kg/Kmol Calor de vaporización = 86120 KJ/Kmol Tª crítica = 716,76 K Tª ebullición de la mezcla (1,2 bar) = 160ºC Se obtiene que el flujo de calor es de 51000 W/m2 ΔT = (217 – 160) ºC = 57 ºC Tª reducida
160+273 =0.6 → T ¿ r 716.76
Carga de calor=
5468.04 kg /h 86120 kJ / Kmol × =3408.225 KW 3600 s /h 38.38 kg/kmol
El área de evaporación necesaria para conseguir la concentración necesaria:
27
3
Área=
3408.225 ×10 W =70 m2 5100 W /m 2
Silo de almacenamiento de sólidos
Cálculo de las unidades de big-bags a transportar por cada camión
Considerando que cada camión puede llevar 23000 Kg i cada big-bag contiene 2000 Kg de sólido, las unidades de big-bags son: Big−Bags=
23000 =11.5 unidades 2000
Cálculo del diámetro del silo
π π Vsilo=Vcilindro+Vcono= × De2+ De2 × L 4 12 Donde: L=
De 2× tan α
Considerando un ángulo de α =45º, aislando el De se obtiene que el diámetro del silo es de: De=
V 20 = =2.51 m 1.5 × π π 1.5 × π π ( + ) ( + ) 4 24 × tan α 4 24 × tan 45
Cálculo de la altura del cilindro
Altura cilindro = 1,5⋅ De = 1,5⋅ 2,51 = 3,77 m = 4 m Cálculo de la altura del fondo cónico
Altura cono ( L ) =
De 2.51 = =0.77 m 2 × tan α 2× tan 45
Cálculo de la altura total del silo
Altura silo = Altura cilindro + Altura cono = 4 + 0,77 = 4,77 m Cálculo del peso del silo vacío
Cálculo de la superficie del cilindro 28
Superficie cilindro = π ⋅ De ⋅ Altura cilindro = π ⋅ 2,514 = 29,78 m2 Cálculo del volumen de acero del cilindro. Considerando un espesor de 0,1 m. Volumen acero cilindro = Superficie cilindro ⋅ 0,1 = 29,78⋅ 0,1 = 0,297 m3 Cálculo superficie fondo cónico 1 ( 2.51 )2 2 + ( 0.77 ) ¿ 2 =5.8 m2 4 1 2 De 2.51 2 + L ¿ 2 =π × ×¿ 4 2 De ¿. Cono=π × ×¿ 2
Cálculo del volumen de acero del fondo cónico Considerando un espesor de 0,1 m. Volumen acero fondo = Sup cono ⋅ 0,1 = 5,83⋅ 0,1 = 0,0583 m3 Cálculo del volumen total de acero Volumen total = Volumen acero cilindro +Volumen acero fondo = 0,297 + 0,0583 = 0,356 m3 Peso silo vacío Peso silo vacío = Volumen total ⋅ densidad acero = 0,356m3 ⋅ 7860Kg /m3 = 2799,22 Kg Cálculo del peso del silo lleno de agua
Sabiendo que el volumen de producto contenido en el silo es de 16,77 m3, el peso del silo lleno de agua es de: Peso silo lleno agua = Peso silo vacío + (16,77 ⋅1000) = 19573,43 Kg Cálculo del peso del silo lleno del sólido a almacenar
Peso silolleno sólido = Peso silo vacío + Peso sólido = 2799,22 + 23000 = 25799,22 Kg
Criterios de seguridad La seguridad industrial es la aplicación de procedimientos, técnicas y elementos que se aplican en los centros de trabajo, para el reconocimiento, evaluación y control de los agentes nocivos que interviene en los procesos y actividades de trabajo. (Ruíz, 2010).
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Fig. 1 Señalización en caso de emergencia.
Criterios generales de seguridad Seguridad eléctrica
La electricidad es una parte tan común de nuestras vidas que es fácil olvidar los peligros asociados con su uso. La falta de respeto hacia esos peligros trae como resultado un número elevado de muertes por electrocución en el trabajo y en el hogar. Los choques eléctricos lo suficientemente fuertes como para matar a una persona ocurren cuando la corriente de la electricidad viaja a través del cuerpo, especialmente cerca del corazón. (Orjuela, 2008). La seguridad eléctrica incluye: o o o o o o o o
Puestas a tierra de los diferentes equipos. Seguridad referente a la subestación eléctrica. Asegurar la continuidad eléctrica donde sea necesario. Debe evitarse el uso de aparatos o equipos eléctricos en caso de lluvia o humedad. Debe evitarse realizar separaciones provisionales. Las herramientas manuales deben estar protegidas frente al contacto eléctrico. Todas las instalaciones deben revisarse periódicamente. Los sistemas de seguridad de las instalaciones eléctricas no deben ser manipulados bajo ningún concepto por personal no autorizado.
Principales riesgos en la industria
El marco jurídico mexicano define un incendio como el fuego que se desarrolla sin control en tiempo y espacio. Los elementos necesarios para que exista fuego son siempre tres. Combustible, comburente y temperatura. Si alguno de estos tres elementos no está presente no habrá fuego. El triángulo del fuego es la representación de una combustión sin llama. Y es usado para explicar la progresión del fuego y llevar a cabo una reacción en cadena. (Seguridad) 30
Fig. 2 Tetraedro del fuego
De acuerdo a la NOM-002 los equipos contra incendio se clasifican: a) Por su tipo en: 1) Portátiles: Son aquéllos que están diseñados para ser transportados y operados manualmente, con un peso total menor o igual a 20 kilogramos, y que contienen un agente extintor, el cual puede expelerse bajo presión con el fin de combatir o extinguir un fuego incipiente 2) Móviles: Son aquéllos que están diseñados para ser transportados sobre ruedas, sin locomoción propia, con un peso superior a 20 kilogramos, y que contienen un agente extintor, el cual puede expelerse bajo presión con el fin de combatir o extinguir un fuego incipiente. 3) Fijos: Son aquéllos instalados de manera permanente y que pueden ser de operación manual, semiautomática o automática, con agentes extintores acordes con la clase de fuego que se pretenda combatir. Estos incluyen los sistemas de extinción manual a base de agua (mangueras); los sistemas de rociadores automáticos; los sistemas de aspersores; los monitores; los cañones, y los sistemas de espuma, entre otros. b) Por el agente extintor que contienen, entre otros: 1) Agente extintor químico húmedo: Son aquéllos que se utilizan para extinguir fuegos tipo A, B, C o K, y que normalmente consisten en una solución acuosa de sales orgánicas o inorgánicas, o una combinación de éstas. 2) Agentes extintores especiales: Son productos que se utilizan para apagar fuegos clase D.
Fig. 3 Clases de fuego y extintor aconsejable para cada tipo de incendio.
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Por otro lado en caso de fuga el marco jurídico mexicano en la NOM-002 señala el uso de cortinas de agua producidas mediante rociadores de agua, que refrigeran los tanques de almacenaje en caso de aumento de temperatura. Así mismo el uso de venteo canalizado en los tanques de almacenamiento para aliviar posibles fugas de producto y evitar emisiones peligrosas. Finalmente establece dotar de detectores en los tanques para evitar posibles vertidos o fugas de producto ya que se trabaja con productos inflamables. Para evitar el riesgo de explosión en la planta se deben tomar en cuenta los siguientes aspectos: o Aislamiento térmico. o Refrigeración con agua en los casos que sean necesarios, de acuerdo a la función de los productos almacenados. o Reducción de la presión a la que están sometidos los materiales de construcción de los recipientes. o Encerramiento de los depósitos siempre que sea posible. o Barreras de agua que puedan detener los vapores emitidos durante el vertido. o Prevención de los daños mecánicos. En caso de incendio
Se utilizarán los instrumentos y medios de protección contra incendios mencionados a continuación: o o o o o o
Guardar la calma Puertas resistentes al fuego Señalización de evacuación Alarmas de incendio Medios extintores (extintores y mantas ingnífugas) Bocas de incendio equipadas. (UCLM).
Fig. 4 Señalización en caso de incendio.
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En caso de fuga o explosión
Se utilizarán los instrumentos y medios de protección siguientes: o Detección de la fuga o explosión o Mantener la calma o Intentar controlar la fuga minimizando las consecuencias sin arriesgar la seguridad y salud de uno mismo. o Pulsar la alarma si no es controlable. o Evaluar la categoría del accidente o Evacuación del personal de la empresa. (Aragón). En caso de derrame
Se utilizarán las siguientes medidas de seguridad: o Detección del derrame. o Parar la depuradora. o Intentar controlar el derrame minimizando las consecuencias sin arriesgar la seguridad y salud de uno mismo. o Equiparse con los equipos de protección personal adecuados a la situación. o Retirar todas las posibles fuentes de combustión cercanas. o Tapar las rejillas cercanas a la red de alcantarillado. o Contener el derrame con material absorbente adecuado para analizar el contenido. o Si no es controlable, pulsar la alarma de emergencia. o Evaluar la categoría del accidente. o Evacuación del personal de la empresa. (Moreno). Depósito de agua contra incendios y riesgos en la industria
Por seguridad de la empresa es necesaria la implantación de un depósito de agua contra incendios y otros riesgos industriales con las siguientes características: o o o o
Profundidad del depósito: 2m Diámetro del depósito: 15.8 m Material de construcción: planchas de acero galvanizado. La superficie interior deberá cubrirse con pintura bituminosa de color negro que protege la chapa del contacto directo con el agua y oscurece el interior para reducir la aparición de microorganismos.
Botiquines de primeros auxilios
El botiquín de primeros auxilios sirve para actuar en caso de lesiones leves o indisposiciones que no necesiten asistencia sanitaria. Si ocurre un accidente grave se debe esperar a que llegue el personal calificado para atender la situación. (Anónimo, 2006).
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Se deben mantener cerrados para protección de los materiales de uso. Los botiquines deben contener los siguientes elementos: o Medicamentos: alcohol, agua oxigenada, povidona yodada, analgésicos, laxantes, antiácidos, cicatrizantes, etc. o Material sanitario: algodón hidrófilo, gasas estériles, vendas de diferentes tamaños, vendas elásticas, tiritas, tijeras de punta redonda, pinzas, termómetro, etc. o Listado de teléfonos de urgencia: Bomberos, Centro de información Toxicológica, Guardia civil y Policía.
Criterios específicos Criterios para tanques de almacenamiento Propiedades de ácido nítrico:
Por evaporación esta sustancia puede alcanzar una concentración nociva en el aire a 20°C Su punto de ebullición se encuentra a los 121°C Punto de fusión a los -41.6 °C Presión de vapor kPa a 20°C igual a 6.4 De acuerdo a estas propiedades el tanque de almacenamiento del ácido nítrico debe encontrarse separado de sustancias combustibles, y reductoras, bases, compuestos orgánicos y alimentos. El tanque se debe encontrar seco, fresco y con una buena ventilación. Serán de acero inoxidable, están situados al aire libre y debidamente señalizados, dispondrán de un sistema de venteo o alivio de presión, se usarán pinturas para evitar la corrosión medioambiental. Propiedades de ácido sulfúrico:
Puede alcanzar una concentración nociva de partículas en el aire por pulverización Punto de ebullición: 340°C Punto de fusión: 10°C Presión de vapor, kPa a 146°C: 0,13 El ácido sulfúrico reacciona violentamente con materiales combustibles y reductores, bases, agua y compuestos orgánicos con desprendimiento de calor. Por estas razones el tanque de almacenamiento debe encontrarse separado de sustancias combustibles y reductoras, oxidantes fuertes, bases fuertes y alimentos, el suelo en donde se encuentre el tanque debe ser con suelo de hormigón que resulte resistente a la corrosión. El tanque se debe encontrar seco, fresco y con una buena ventilación. Serán de acero inoxidable, están 34
situados al aire libre y debidamente señalizados, dispondrán de un sistema de venteo o alivio de presión. Propiedades del benceno
Por evaporación a 20ºC esta sustancia puede alcanzar rápidamente una concentración nociva en el aire. Punto de ebullición: 80ºC Punto de fusión: 6ºC Presión de vapor, kPa a 20ºC: 10 Presión de vapor, bar a 15ºC: 0,079 Punto de inflamación: -11ºC c.c. Temperatura de autoignición: 498ºC Límites de explosividad, % en volumen en el aire: 1,2-8,0 Por lo tanto el tanque de almacenamiento del benceno debe ser a prueba de incendios y debe localizarse separado de alimentos, oxidantes y halógenos. Depósitos de acero inoxidable, situados al aire libre, debidamente señalizados, soportes resistentes al fuego, deberán ser dotados de conexiones a tierra, se dotarán de sistema de venteo. Propiedades del nitrobenceno
Por evaporación de esta sustancia puede alcanzar bastante lentamente una concentración nociva en el aire a 20°C; por dispersión mucho más rápidamente. Punto de ebullición: 211ºC Punto de fusión: 6ºC Presión de vapor, Pa a 20ºC: 20 Punto de inflamación: 88ºC (c.c) ºC Temperatura de autoignición: 480C Límites de explosividad, % en volumen en el aire: 1,8-40 El tanque de almacenamiento debe encontrarse separado de sustancias combustibles, reductoras, oxidantes fuertes, ácidos fuertes y alimentos. Tendrán indicadores de temperatura con alarma de máxima, las paredes se protegerán contra la corrosión exterior mediante el uso de pinturas Criterios para reactores
Los reactores adiabáticos deben encontrarse a condiciones de concentración de productos y cantidades de subproductos. Se debe considerar el volumen suministrados a los rectores para no provocar accidentes.
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Equipos de protección para operadores (equipos de protección individual) De acuerdo a la NOM-017 el equipo de protección personal es el conjunto de elementos y dispositivos de uso personal, diseñados específicamente para proteger al trabajador contra accidentes y enfermedades que pudieran ser causados con motivo de sus actividades de trabajo. En caso de que en el análisis de riesgo se establezca la necesidad de utilizar ropa de trabajo con características específicas, ésta será considerada equipo de protección personal. Protectores de la cabeza
Cascos de protección contra choques e impactos. Su uso es de uno por trabajador. Su uso es obligatorio en toda la empresa a excepción de laboratorios y oficinas. Protectores de la cara y ojos
Gafas de montura universal. Su uso es de uno por trabajador, su uso es obligatorio en toda la empresa excepto en el área administrativa. Protector auditivo
El ruido de la empresa representa un contaminante importante y puede producir graves daños al trabajador, el uso de los protectores auditivos es obligatorio en toda la empresa cada que el ruido supere los 90 dB. Protección de vías respiratorias
Mascarillas filtrantes frete a gases y vapores. Su so es obligatorio en toda la zona de reacción. Uso de una mascarilla por trabajador. Protección de manos y brazos
Incluye: o Guantes contra las agresiones químicas. o Guantes contra las agresiones de origen eléctrico. o Guantes contra las agresiones de origen térmico. Zapatos de seguridad
Los zapatos de seguridad protegen las partes inferiores del cuerpo (pies) ante cualquier tipo de golpe o desplome de algún objeto pesado. Su uso es obligatorio para todo trabajador durante toda su jornada laboral excepto en el área administrativa. Protección total del cuerpo
Incluye: o Protección contra las caídas de altura. o Ropa de protección contra las agresiones químicas. o Ropa de protección contra bajas y altas temperaturas. 36
Fig. 5 Equipo de seguridad individual.
Aspectos ecológicos El motivo de la creación de la Norma ISO 14001 fue ayudar a las empresas en el manejo de sus impactos ambientales, la decisión de adoptar la norma depende en gran medida en la forma en que puede asistir en la gestión ambiental y de acuerdo a que tan factible resulta para la empresa que la busque aplicar. La gestión medioambiental por esta norma aporta beneficios entre los cuales radican: Área legal: evita multas y sanciones, demandas al reducir los riesgos por incumplimiento de la normativa legal aplicable. Área medioambiental: la norma permite optimizar las inversiones y costes derivados de la implantación de medidas correctoras Área de producción: reduce los costes productivos al favorecer el control y ahorro de materias primas, energía y agua, así como la reducción en la cantidad de residuos Área financiera: aumenta la confianza de legisladores, accionistas, inversores y compañías de seguros.
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Residuos industriales Son aquellos residuos generados en los procesos de fabricación industrial y que no tienen ningún valor como mercancía, muchas veces porque las técnicas aplicables para hacerlos útiles son caras y económicamente poco rentables para el empresario. Sin embargo continua el aumento en la reutilización de estos residuos, muchas veces como materia prima de otros procesos.
Seguridad en la producción de nitrobenceno Los reactores que se postulan como propuestas de uso en la producción de nitrobenceno poseen discos de ruptura que funcionan en casos de emergencia, la razón de existencia de estos discos es el control y aseguramiento de gases que se pueden desprender de los reactores y que estos no sean emitidos al aire sin previo tratamiento. Los efluentes líquidos que tienen formación en el proceso de producción de nitrobenceno deben ser tratados para evitar contaminación en el agua, en el caso de las aguas de proceso al contener sustancias químicas no pueden ser desechadas de forma inmediata en aguas residuales. Para ello en el tratamiento de residuos se propone el uso de balsas de homogenización o plantas depuradoras de aguas residuales, también se puede hacer uso de una colaboración con plantas y tratadoras de aguas para que le den un tratamiento las aguas de proceso y puedan ser vertidas en el alcantarillado urbano
Tratamiento de gases Se obtendrán gases de forma esporádica procedentes de venteos, válvulas de seguridad y discos de ruptura, como no se puede conocer con exactitud la composición de estos gases pero sí que están formados por los reactivos que se suministran al proceso, la acción más indicada es aplicar un tratamiento en la corriente de salida del evaporador, la propuesta más factible para este tratamiento es hacer pasar los gases por un aerotermo antes de ser pasados a la corriente de depura , o bien el tratamiento que se le puede dar es desde un principio aplicar un sistema de reconducción de gases desde cada punto de peligrosidad en el que se produzcan. Normativa aplicada para el proceso de producción de nitrobenceno
Para las corrientes de residuos se tomará en cuenta la NORMA Oficial Mexicana NOM-010-STPS-1999.
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Evaluación Económica Tasa de retorno Para la evaluación económica de la planta se deben tomar en cuenta los siguientes puntos: 1. Cálculo de la inversión inicial requerida. 2. Costes de fabricación y gerencia. 3. Dinero por ventas. 4. Cálculo de la rentabilidad de la planta. Para la obtención de la tasa de retorno se necesitan calcular: 39
Capital inmovilizado Esta es la parte más importante de la inversión inicial, y es la utilizada para la compra de los medios de transformación. El inmovilizado no se puede vender, y pierde valor en el tiempo, por ello es amortizable. Aunque sólo el terreno se puede recuperar íntegramente, porque de todo lo otro sólo se recupera una parte. Para el cálculo del capital inmovilizado primero se debe determinar el coste de todos los equipos, y después ya se evaluar los otros aspectos relacionados.
Calculo del coste de los equipos Para el cálculo del coste de los equipos se han utilizador el método ponderal y el método Williams. El método Ponderal se basa en los equipos que se crean en una calderería, y el precio depende del peso del equipo. Así que el precio se calcula a partir de la expresión siguiente: Coste equipo = A * B * C * peso primario Dónde: A: coeficiente para pasar de peso primario a peso definitivo B: coeficiente de calidad C: coeficiente de mecanización Peso primario: calculado con el volumen del material, y la densidad de este (kg). El método de Williams utiliza la relación de dos equipos para encontrar el precio de uno de estos, teniendo en cuenta el parámetro característico (C) del equipo para cada caso. La expresión sería: Precio 2 C 2 = Precio 1 C 1
b
( )
Dónde: C es el parámetro característico b es una constante que depende de cada equipo Estimación del costo de tanques de almacenamiento
Los tanques de almacenamiento se encentran a presión atmosférica. En este caso se ha utilizado el método Ponderal. EQUIPO
Características
MATERIAL
PESO
COEF.
PRIMARIO
PESO
(kg)
DEF.
40
Proveedor
Precio (€)
Precio ($$)
Acero Inoxidable
T-101 T-102 T-103 T-104 T-800
AISI 316 Parcialmente radiografiado Eficacia de
AISI 316 AISI 316 AISI 316 AISI 316 AISI 316
27832.899 27832.899 27832.899 2024.462 25144.186
1.1 1.1 1.1 1.1 1.1
324397.087 324397.087 324397.087 23595.441 293059.692
352950.81 352950.81 352950.81 25672.33 318855.07
soldadura 0.85 No requiere aislamiento
PRECIO TOTAL 4329086.51 € 4710136.56 El precio total para los tanques de almacenamiento es de: 4329086.51 €= 4710136.56 dólares Estimación del precio de los reactores
Los reactores se han evaluado con el método Ponderal EQUIPO
R-201 R-202 R-203 R-204
Características
Posición vertical Acero inoxidable AISI 316 Parcialmente radiografiado Eficacia de
MATERIAL
AISI 316 AISI 316 AISI 316 AISI 316
PESO
COEF.
PRIMARIO
PESO
(kg)
DEF.
1359.08 1359.08 1359.08 1359.08
1.6 1.6 1.6 1.6
Proveedor
Precio (€)
Precio ($$)
28800.55 28800.55 28800.55 28800.55
31335.60 31335.60 31335.60 31335.60
115202.21€
125342.41
soldadura 0.85 Aislado (se recomienda con manta telisol Requiere un agitador radial de palas planas, posición central
PRECIO TOTAL
El precio total para los reactores es de: 115202.21€=125342.41 dólares Estimación del precio de los agitadores
Para calcular el precio de los agitadores de los reactores y de los dos mezcladores, se ha utilizado el método Williams. La ecuación es para un agitador de palas planas accionado con motor eléctrico, y el coste incluye la turbina, el eje, la transmisión y el motor. Esta ecuación es:
EQUIPO
A-201
- Acero inoxidable: precio = 2000 * Potencia (CV)
0.56
- Acero al carbono: precio = 1070 * Potencia (CV)
0.56
Características
Acero Inoxidable
Proveedor
MATERIAL
AISI 316
AISI 316 Agitador
41
POTENCI
POTENCI
A (KW)
A (CV)
19.019
25.505
Precio (€)
Precio ($$)
38219.11
41583.19
A-202
con palas planas
AISI 316
19.019
25.505
38219.11
41583.19
AISI 316
19.019
25.505
38219.11
41583.19
AISI 316
19.019
25.505
38219.11
41583.19
AISI 316
11.360
15.235
28639.20
31160.05
Acero al
0.147
0.1969
1341.78
1459.88
182857.43
198952.7
inclinadas
A-203
Agitación radial Buena potencia
A-204
Agitación para los reactores R-200 a R-205 Proceso
A-205
continuo Posición central
A-401
carbón
PRECIO TOTAL
€
El precio total para los agitadores es de: 182857.43 €= 198952.7 dólares Estimación del precio de los separadores
Para el cálculo del precio de los separadores se ha utilizado el método de Williams, considerando que los separadores son recipiente de proceso. En este caso la ecuación utilizada es: precio = 57 * Volumen (gal) EQUIP
Característica
O
s
S-301 S-501
Acero Inoxidable
Proveedor
MATERIAL
AISI 316 AISI 316
AISI 316
VOLUME
VOLUME
N (m3)
N (gal)
76.97 0.2945
20333.39 77.799
0.82
Precio (€)
Precio ($$)
605540.97 6309.72
658841.22 6865.11
611850.6872
665706.33
Extractores centrífugos Eficacia de soldadura 0.85
PRECIO TOTAL
El precio total para los separadores es de: 611850.6872 € = 665706.33 Estimación del precio del evaporador
Para el cálculo del precio del evaporador, se utiliza el método de Williams, dónde la expresión utilizada es:
(
Precio dolares 70=
A intercambio del calor 1000
42
0.74
)
∗650000
EQUIPO
Características
Proveedor
MATERIAL
A
A intercambio
intercambio
de calor
de calor
(peus2)
Precio (€)
Precio ($$)
210677.37
229221.38
210677.37
229221.38
(m2)
EV-301
AISI 316
Acero Inoxidable
98
1054.872
AISI 316 Numero de pasos 1 Temperatura de diseño 275
PRECIO TOTAL
€
Estimación del precio de los intercambiadores
Para el cálculo del precio de los intercambiadores se ha utilizado el método de Williams, utilizando la siguiente expresión.
Precio dólares 70 = 105 * A transmisión de calor 0.62 A (m2)
A (pies2)
Precio (€)
Precio ($$)
E-201
s Acero
24.70
265.87
10423.70
11341.20
E-202
Inoxidable AISI
24.70
265.87
10423.70
10423.70
E-301
316
50.00
538.20
16140.28
17560.96
E-302
Eficacia de
50.00
538.20
16140.28
17560.96
E-303
soldadura 0.85
532.6
5732.91
69971.06
76129.98
E-304
532.6
5732.91
69971.06
76129.98
E-501
0.50
5.38
928.78
1010.53
E-502
35.10
377.82
12961.05
14101.89
206959.89
225176.68
EQUIPO
Característica
Proveedor
PRECIO TOTAL
€ El precio total de los intercambiadores es de: 206959.89 € 225176.68 dólares Estimación del precio del extractor
Para el cálculo del extractor, se ha utilizado el método de Williams, utilizando la siguiente expresión. Caudal Precio dolares 70= 10
(
EQUIPO
Características
)
0.37
∗15000
Proveedor
43
Caudal
Caudal
(m3/h)
(gpm)
Precio (€)
Precio ($ $)
Ex-501
Acero Inoxidable AISI
15.81
69.63
95820.73
104254.96
95820.73
104254.96
316L Posición vertical Temperatura máxima de trabajo 100°C
PRECIO TOTAL
€
Estimación del precio de la torre de refrigeración
Para el cálculo del precio de la torre de refrigeración, se utiliza el método de Williams, con la siguiente expresión: Precio dólares 70 = 476 * Caudal de agua 0.60 EQUIPO TR-701
Características
Proveedor
Acero
Caudal
Caudal
Precio (€)
Precio
(m3/h) 65.07
(gpm) 286.49
44199.19
($$) 48089.64
44199.19
48089.64
Inoxidable AISI 316 Eficacia de soldadura 0.85 PRECIO TOTAL
€
Estimación del precio de las bombas
Para el cálculo del precio de todas las bombas se ha utilizado el método de Williams, dependiendo de la potencia que tengan, se utilizará en relación a los siguientes valores. Potencia (CV) 1 10 100
Precio (dólares) 600 1400 6000
Y se utiliza la siguiente fórmula:
(
Precio dolares 70=
Potencia Bomba PotenciaTabl a
0.52
)
Como que se está trabajando a altas temperaturas, y con productos corrosivos, esto implica que haya un incremento del precio de un 30% de algunas de las bombas, por eso en la siguiente tabla hay un precio exacto y un precio final. 44
Las bombas que no necesitan este incremento del precio, tienen el mismo precio en las dos columnas. EQUIP
Característica
Proveedo
POTENCI
POTENCI
Precio
Precio ($
O
s
r
A (KW)
A (CV)
Final (€)
$)
P-101
7
9.387
605540.9
658841.2
P-102 P-201 P-202 P-301 P-302 P-401 P-402 P-501 P-502 P-701 P-702 P-801 P-802 C-301 C-302 C-501 C-502
0.48 8 3.5 8.5 20 0.25 7.8 1.5 20 8.5 20 2.8 2.4 2.2 2.2 1.5 1.5
0.644 10.728 4.694 11.399 26.820 0.335 0.2945 2.012 26.820 11.399 26.820 3.755 3.218 2.950 2.950 2.012 2.012
7 1932.61 5881.41 5430.17 8613.82 13441.06 1376.66 6309.72 3495.15 13441.06 8613.82 13441.06 4835.26 4462.80 4265.38 4265.38 3495.15 3495.15
2 2102.95 6399.79 5908.78 8613.82 15625.75 14625.75 6865.85 3803.21 14625.75 9373.04 14625.75 5261.44 4856.15 4641.33 4265.38 3803.21 3803.21
Centrífugas Modelo calapeda. Impulsión superior a 100 Con bridas
Estimación del precio del stripping
Para el cálculo del precio del stripping, el cálculo de la estructura, y el método de Williams para el cálculo del relleno. Para el relleno se ha utilizado la siguiente expresión. Precio relleno = 85 * A VOLUMEN
Características
Proveedor
VOLUMEN
(m3)
Precio (€)
Precio ($$)
24424
26576.71
24424 €
26576.71
(pies3) Acero Inoxidable AISI 316L Columna de relleno estructurado
0.9323
ya que brinda mayor eficacia de
32.9256
separación Parcialmente radiografiado Eficacia de soldadura 0.85
PRECIO TOTAL
La estructura de la columna tiene un precio de 13960.64 €=15191.12 euros Así que el precio total del scripting es de 24424 €.
45
Estimación del precio de las calderas
Para el cálculo del precio de las calderas se ha utilizado el método de Williams, utilizando la siguiente expresión. Precio dólares 70 = 4.2 * Caudal de vapor·10-3 0.7 EQUIPO
Características
Proveedor
A (m2)
A
Precio (€)
Precio ($
6851.85
$) 7455.77
172110.60
187280.30
178962.44
194736.06
2
CV-701
Sensor de
180
(peus ) 396.828
CV-702
temperatura, con
18000
39682.8
válvula a la entrada
PRECIO TOTAL
€ El precio total de las calderas es de 178962.44 € = 194736.06
El coste total de los equipos es de 6464474.93 €=7034249.11
Capital inmovilizado PARTIDA Maquinaria y aparatos (X) Gastos de instalación
DESCRIPCIÓN Es la suma de los precios de todos los equipos, anteriormente calculados. Estos
gastos
se
refieren
al
CAPITAL X= 6464474.93 €=
material
7034249.11 0.40 * X =
utilizado, a los accesorios instalados, a los fundamentos, y de la mano de obra de los
2585790 €
equipos a instalar. Según el método el valor
2813699.67
se encuentra entre un 35% - 50% de
dólares
Maquinaria y Aparatos, y en este caso se Tuberías, válvulas y
utiliza el valor recomendado 45%. Incluye los costes de tuberías, válvulas y
0.60 * X =
accesorios
accesorios, y la instalación de todo ello. El
3878685 €=
valor para fluidos es de un 60% de
4220549.51
Instrumentación y
Maquinaria y Aparatos. Incluye el coste de toda la instrumentación
dólares 0.15 * X =
control
del control de la planta y su instalación. El
Aislamientos térmicos
valor esta compreso entre un 5% - 30% de
969671.24 €=
Maquinaria y Aparatos, dependiendo del
1055137.37
grado de automatización del proceso, y en
dólares
este caso se escoge un valor del 15%. Incluye el aislante y la mano de obra de su
0.07 * X =
46
Instalación eléctrica
Terreno y edificios
colocación. Su valor esta entre el 3% - 10%
452513.24 €=
de Maquinaria y Aparatos, y como que
492397.43
bastantes equipos trabajan a temperaturas
dólares
elevadas se ha escogido un valor de 7% Incluye la red de distribución, las
0.15 * X =
subestaciones eléctricas y los motores
969671.24 €=
eléctricos. El valor está comprendido entre
1055137.37
el 10% - 20% de Maquinaria y Aparatos, en
dólares
este caso se ha escogido un 15%. En este apartado no hemos incluido el
0.15 * X =
terreno ya que se tiene en cuenta en el apartado del NCF. El valor para los edificios
969671.24 €
depende de si la edificación es de interior
1055137.37
(20% - 30%), de exterior (5%) o es mixta
dólares
(12% - 15%). En este caso se ha considerado Servicios
un
valor
del
15%
de
Maquinaria y Aparatos. Incluye los servicios de fuera del proceso como
son
la
calefacción,
el
0.30 * X =
aire
acondicionado, el grupo electrógeno, etc. El
1939342.5 €=
valor de este apartado esta entre un 25% -
2110274.75
70% de Maquinaria y Aparatos, y como que
dólares
el consumo de los servicios como son el agua, el gas natural, se han considerado en otro apartado, entonces se ha considerado Capital físico o primario (Y)
un valor del 30%. Se calcula como la suma de todos los apartados anteriores
Y= 18229819 €= 19836582.16 dólares 0.20 * Y =
Honorarios del proyecto, dirección de
Este apartado tiene un valor del 20% de Y.
3645963.9
obra y montaje
€=3967316.54
Capital directo o
Se calcula como la suma de Y y Horarios
dólares Z = Y + I9 =
secundario (Z)
del Proyecto, Dirección de Obra y montaje
21875783
47
(I9)
€=23803898.80 dólares 0.05 * Z =
Contrata de obras Su valor esta entre un 4% - 10% de Z.
1093789.2
Escogemos un 5%. Gastos no previstos
€=1190195.0
Su valor se encuentra entre un 10% - 30%.
dólares 0.20 * Z =
Escogemos un 20%.
4375156.6 €=4760779.76 dólares
El capital inmovilizado es: 27344729 €=29754873.78 dólares Costes directos Dentro de los costes directos se encuentran los siguientes costes:
Costes de materias primas Para el cálculo de los costes de las materias primeras, se deben tener en cuenta las cantidades que se precisan cada hora, recordando que no se deben tener en cuenta las cantidades que se están recirculando. En la siguiente tabla se indican los precios para el consumo necesario de cada producto, considerando que durante el año la planta para 3 veces, y entre parada y parada tenemos un bloque. Así que el precio anual de las materias primas será: Precio anual = precio total por bloque * 3 + precio puesta en marcha * 3 + precio H2O2 REACTIV
PROVEEDO
CONSUM
CONSUMO
PRECI
PRECIO
PRECIO
O
R
O (kg/h)
(kg/bloque)
O
(€/bloque)
($$)
Ácido
ALFA
8966.748
22369948.6
(€/kg) 0.182
4071330.65
4289675.1
nítrico
AESAR
1
1
(70%) Ácido
ALFA
sulfúrico
AESAR
(95%) Carbonat
3 397.06
990572.11
0.052
51509.7497
54272.21
ALFA
407.58
1016825.81
0.091
92531.1488
97493.57
o sódico REACTIV
AESAR PROVEEDO
CONSUM
1 PRECIO
PRECI
PRECIO
PRECIO
O
R
O (m3/h)
(€/m3)
O
(€/bloque)
($$)
(€/kg) 48
Benceno
ALFA
(99,9%)
AESAR
8.883
22161.65
233.81
TOTAL
5181615.38
5459504.1
7 9396986.93
5 9900945.0
6€
4 $$
REACTIVO
PROVEEDOR
CONSUMO
PRECIO
PRECIO
PRECIO ($
Agua
ALFA AESAR
(kg/año) 2000
(€/kg) 1.26
(€/bloque) 2528
$) 2750.82
Oxigenada
Gasto anual = 9396986.936 * 3 + 10212.67 * 3 + 2528= 28224126.82 €/año= 29737779.81 dólares El gasto total para las materias primas es de: 28224126.82 €/año= 29737779.81 dólares Mano de obra directa
La mano de obra directa está adscrita al proceso de fabricación del producto, y se debe tener en cuenta el tiempo que la planta tiene que trabajar, y para ello el número de turnos que se precisan. Los términos utilizados para obtener el gasto en mano de obra directa son:
Número de trabajadores de planta: 12 por cada turno (que son 4) Sueldo de los trabajadores: 1200 €/mes (1305.77 dólares ) Número de pagas anuales: 14 Sueldo anual del trabajador: 21000 €/año igual a 22852.92 dólares (se ha considerado un incremento del 25% del salario neto, para tener en cuenta retenciones necesarias para el contrato de los trabajadores) Mano de obra directa = 1008000 €/año = 1096844.40 dólares Costes indirectos Los gastos variables dependen del ritmo de fabricación de la planta Mano de obra indirecta
En la mano de obra indirecta se incluye el personal que está en la fábrica, pero que no está en contacto con los productos, por ejemplo, los supervisores, los encargados, o los vigilantes entre otros. Según el método de VIAN el valor de este apartado está entre el 15% - 45%. En este caso se considera un valor del 25% de M2. 49
Mano de obra indirecta = 252000 €/año= 274211.10 dólares
50
Organigrama
Directivos
Trabajadores Directos
Jefe de Ingeniería (1)
Encargados de Seguridad (2)
Trabajadores Indirectos
Ingenieros Químicos (2)
Personal de Oficina (4)
Control de Calidad (4)
Ingeniero Electrónico (1)
Personal de Oficina (4)
Seguridad y Recepción por turno (1)
Limpieza General de la Planta (2)
Operadores por turno (12)
Conclusión
En total, en la planta de producción habrá 75 trabajadores: 66 empleados contratados directamente y 9 empleados subcontratados
Limpieza de Oficinas, vestuarios y laboratorio por turno (1)
Servicios
Los servicios son todos aquellos productos necesarios para el funcionamiento de la planta, pero que no son materias primeras, por ejemplo, el vapor, el agua, la electricidad o el gas. Nitrógeno: Las necesidades de nitrógeno para la planta se destinan completamente a inertizar los tanques de almacenaje. Nitrógeno necesario
Precio producto
Precio
(m3/ puesta en
(€/m3)
(€/año)
marcha) 8700
0.09
2349
Precio ($$)
2556.04
Gas natural: El consumo de gas natural, se dirige a la caldera. Gas natural
Precio producto
Precio (€/año)
Precio ($$)
(m3/h) 145
(€/m3) 0.015
162864
177218.72
Electricidad: El consumo total de electricidad de la planta viene dado por el consumo de los equipos, el alumbrado exterior, gastos de laboratorios y oficinas, etc. Electricidad
Precio producto
Precio (€/año)
Precio ($$)
necesaria (kW) 500
(€/kW.h) 0.0674
252345.6
274587.16
Agua de servicio: El agua perteneciente a este apartado, es exclusivamente de servicio, para intercambiadores, u otros equipos. Además, también se debe tener en cuenta el agua de las torres de refrigeración. El agua de consumo del personal, se considera despreciable respecto al agua de servicio. Precio agua = Precio agua (m3/h) + Precio agua torres * 3 Agua necesaria
Precio producto
Precio (€/año)
Precio ($$)
para repostar (m3/h) 80,1178723
(€/m3) 0.89
533931.14
580991.45
Precio agua torres = 650 m3 El precio total del agua es de 535668.508 €/año = 582881.95 dólares
El gasto total de los servicios es de 806649.51 €/año= 877747.02 dólares Suministros
Esta partida consta del material de adquisición regular para el buen funcionamiento de la planta, por ejemplo, las mangueras, las herramientas, los lubricantes, etc. El valor de este gasto está comprendido entre un 0.2% - 1.5% del inmovilizado. En este caso se considera un valor del 0.5%. Suministros = 136723.64 € = 148774.36 dólares
Mantenimiento
Los gastos de mantenimiento se pueden dividir en dos tipos. El primer tipo son las revisiones periódicas generalmente hechas por empresas exteriores, para revisar ascensores, contra incendios, etc. Por otro lado, hay las reparaciones más concretas, que ocurren en cualquier momento. El valor de este apartado depende de las condiciones de operación, y va del 2% al 12% del inmovilizado según tengamos temperaturas suaves, como las industrias alimentarías, o por otro extremo temperaturas muy altas como son las metalúrgicas. En este caso como que las condiciones de la planta no se encuentran en ningún de los extremos nombrados, se ha considerado un valor del 6%. Mantenimiento= 1367236.4 €=1487743.63 dólares Laboratorio
Los gastos de laboratorio incluyen desde el control de calidad, del producto fabricado y de las materias primeras, hasta la investigación para nuevos productos o mejoras del que se está realizando. El valor para este gasto se encuentra entre el 5% - 25% de M2, pero como que en este caso no se está haciendo nada de investigación y sólo es control de calidad, entonces se considera un valor del 5%. Laboratorio = 50400 € = 54842.22 dólares Envasado
Este apartado depende mucho del producto que se hace, y en este caso se trata de un producto intermedio, y además la mayor parte del producto se envía directamente a la empresa del lado a través de racks, y el producto restante se vende a otras empresas suministrándolo directamente a los camiones. Así que el valor para esta partida es 0. Envasado = 0
Expedición
Como se ha comentado anteriormente el producto se subministra al cliente en la misma planta, así que los costes son a cargo de él. Expedición = 0 Costes indirectos fijos Directivos y técnicos
Esta partida incluye a los directivos y técnicos que se encuentran en la planta, y que se encargan del funcionamiento de esta. El valor de este coste está entre el 10% - 40% de M2, i en este caso se considera un valor del 25%. Directivos y técnicos = 252000 € =274211.10 dólares
Amortización
La amortización es un coste, pero no es un gasto físico, que se va pagando cada año hasta llegar al capital invertido inicialmente. En este caso esta partida se contabilizará más adelante. Amortización= 0
Alquileres
En este caso todo lo de la fábrica es de la propia empresa, excepto el tanque de nitrógeno, que se alquila por un precio de unos 100 €/mes. Alquileres = 1200 €/año =1305.77 dólares
Tasas
Este apartado incluye todos los pagos a administraciones que no son atribuibles a beneficios. Este valor esta entre el 0.5% - 1% del inmovilizado, i en este caso se considera un valor del 0.7%. Tasas = 136723.64 € = 148744. 36 dólares
Seguros
Estos seguros están sobre las instalaciones, edificios, equipos, y son obligatorios por ley. Este tiene un valor del 1% del inmovilizado. Seguros = 273447.29 € =297548.74 dólares
El valor total de los costes de fabricación de la planta es: Costes de fabricación = 33150978 €/año = 36072881.39 dólares
Calculo de la tasa de retorno
Se toman en cuenta los costes ya mencionados anteriormente para poder realizar el cálculo de la tasa de retorno, donde se realiza una suma de
El capital inmovilizado: 27344729 € = 29754873.58 dólares El coste total de los equipos: 6464474.93 € =7034249.11 dólares Los costes de fabricación: 33150978 € = 36072881.39 dólares Los costes de gerencia: 3646607.6 € = 3968016.98 dólares Los costes de mano de obra: 1008000 € = 1096844.40 dólares Los costes de materia prima: 28224126.82 € = 29737779.81 dólares
R OI=
P I
Dónde: P= beneficio neto I= inversión total de proceso *Tomando en cuenta que ROI tiene que ser mayor a I Sustituyendo valores: 27334729 ROI= 43307667.91 ROI=0.604027 años=7.2483 meses
Beneficio extra Beneficio adicional con respecto al beneficio mínimo establecido por la compañía es otro criterio para evaluar alternativas: V =P−imin I *Tomando en cuenta que si ROI>i min se cumple, entonces V será positiva, lo cual establece el requisito para factibilidad económica usando este criterio,
V =0
Es necesario considerar que: En este apartado se quiere estudiar la viabilidad económica de la recirculación del catalizador, el ácido sulfúrico. Se cree importante determinar si es oportuno económicamente instalar todo el circuito de purificación y recirculación del ácido sulfúrico. Este estudio se basa en comparar el dinero invertido para la utilización de este circuito, con el dinero que se ahorra del ácido sulfúrico. Para esto se ha utilizado el cálculo del Pay - Back, para este circuito concreto. Así que conoceremos el tiempo que se tarda a igualar la inversión inicial con los ingresos provenientes del ahorro del ácido sulfúrico. Además, tendremos una idea global de si esta idea es viable o no, económicamente.
Uso y recirculación del ácido sulfúrico En el proceso descrito el catalizador utilizado es el ácido sulfúrico, y para una buena reacción la cantidad necesaria es muy elevada, de más de 80000 kg/h, que aproximadamente es un 61 % de todo lo que entra a los reactores. Por eso se creyó importante tener un mecanismo de recirculación del ácido sulfúrico sin impurezas, y así ahorrar mucho dinero. Costes de los equipos del catalizador
El circuito en cuestión contiene un evaporador, un condensador, dos intercambiadores y 2 bombas, aparte de tuberías y otros accesorios. En este apartado también deben considerarse los costes de aislamientos, instalación, control, etc. Para los costes de los equipos se han utilizado los precios obtenidos en apartados anteriores para el cálculo general de equipos. Equipos Equipo Evaporador Intercambiador Intercambiador Bomba Bomba Bomba Bomba Bomba Bomba Bomba Bomba Bomba Bomba Compresor
Ítem EV-301 E-303 E-304 P-303 P-304 P-307 P-308 P-309 P-310 P-706 P-707 P-708 P-709 C-301
Precio (€) 210677.3749 69971.06 69971.06 4794.24 4794.24 13441.06 13441.06 8613.82 8613.82 13441.06 13441.06 8613.82 8613.82 4265.38
Precio ($$) 229246.33 76138.26 76138.26 5216.80 5216.80 14625.75 14625.75 9373.04 9373.04 14625.45 14625.45 9373.04 9373.04 4642.34
Compresor TOTAL
C-302
4265.38 469161.89 €
4642.34 510624.6
Inmovilizado
En el apartado de inmovilizado solo se deben tener en cuenta los aspectos que se pueden atribuir a esta parte del proceso. En la siguiente tabla se muestran los parámetros que se tienen en cuenta, y su valor. PARAMETRO Maquinaria y aparatos Gastos de instalación Canonadas/válvulas/accesorio
COSTE (€) 469161.894 187664.758 281497.136
COSTE ($$) 510624.61 204249.85 306374.77
s Instrumentación y control Aislamientos térmicos Instalación eléctrica
70374.2841 32841.3326 70374.2841
76593.69 35743.72 76593.69
INMOVILIZADO = 1111913.69 €
Costes operativos y de mantenimiento Este apartado incluye todos los costes de mantenimiento de todos los equipos y del control de cada uno, los costes de la electricidad necesaria, y también se ha considerado el coste de un operario de planta que se ha supuesto que se tendría que tener de más. Gastos de mantenimiento: se ha considerado un 5% del inmovilizado. Gasto mantenimiento = 55595.68 €/año (60509.01 dólares) Gastos de personal: se ha considerado el sueldo de un operario. Gasto personal = 21000 €/año (22855.90 dólares) Gastos de servicios: se ha considerado un valor del 4.5% del inmovilizado. Gasto servicios = 50036.11 €/año (54458.11) Los costes totales serian de 126631.80 € (137823.03 dólares) Ahorro de ácido sulfúrico
Para conocer el ahorro que tenemos añadiendo este circuito, se debe conocer la cantidad de ácido sulfúrico que podríamos recircular, y esta cantidad son los kg/h de ácido que no se pierden en el proceso, es decir que no se van como impurezas en otras corrientes. - Cantidad de ácido sulfúrico que no se pierde: 80770.8 kg/h - Precio del ácido sulfúrico:
0.052 €/kg
- Horas de trabajo de la planta:
7488 h
- Dinero ahorrado con la recirculación: 31.49 MM€/año (34.27 MMdólares/año)
Considerando todos los términos anteriormente calculados, el tiempo necesario para que este circuito sea viable es: PAY BACK=
1111914 31361935
PAY BACK=0.03545 años=11,06 días
Conclusión del estudio Económico en base a la Sugerencia de Optimización en la producción de Nitrobenceno De la optimización realizada en el proceso de producción de nitrobenceno se puede extraer que la construcción de la planta es totalmente rentable, considerando el diseño que se ha considerado y la optimización en el proceso de producción sugerida de acuerdo al método de la Sucesión de Fibonacci. De hecho la cantidad de producción de Nitrobenceno no cambia drásticamente, el cambio anual en la producción es de 2000 toneladas, por lo que el tiempo de recuperación es directamente proporcional al cambio en la producción. En el Net Cash Flor se puede extraer que a partir del cuarto año, los beneficios son constantes, con un valor de 29.71 millones de euros anuales (31.29 millones de dólares al año). Y a partir del PayBack se observa que la inversión inicial se puede rentabilizar con aproximadamente 7.2 meses, similar al que se venía manejando con la producción de 92000 toneladas anuales En este apartado se debe comentar que estos grandes beneficios seguramente son debidos a la grande producción que tiene la planta, con 90,000 toneladas anuales de Nitrobenceno. De acuerdo a los beneficios y al poco cambio en la producción sugerida por el método de la Sucesión de Fibonacci en la planta no se requiere recorte de personal. Así se contribuye socialmente al no aumento en la tasa de desempleados en el país. Por otro lado para el método de optimización utilizado se sugiere el uso de un software que recorte principalmente el tiempo de cálculo, para este caso se sugiere Excel de la paquetería de Office, Matlab Neatbeans, sin embargo el más sugerido es uno que se base en Java, ya que es el más común y aparentemente el más usado, por lo que un curso de manejo del mismo resulta más confiable y rápido en comparación con otros servidores.
Anexos Anexo 1 Hojas de seguridad de reactivos y productos
Anexo II Hojas de seguridad para equipos de producción
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Ambiente
y
Recursos
Naturales.
