PLANTA DE FENOL

PLANTA DE FENOL Cabe resaltar que el trabajo realizado en este informe corresponde a uno de diseño de proceso en etapa preliminar, lo que implica que la estimación del costo aquí proporcionada tiene un margen de error entre 20-30% del valor real de una planta de este tipo.

3.-

METODOLOGIA a)

CALCULOS EMPLEANDO LA TECNICA COST MODULAR (BARE MODULE COST-BMC) Para dichos cálculos se emplea la técnica COST MODULAR explicada en el libro del Turton (págs. 159-176). COMPRESOR Primero, hallamos el costo de adquisición del equipo (Cp): Como tenemos la potencia del compresor, la cual es 60.526KW, con este valor ubicamos en la Figura A-1, apéndice A del libro Turton, el valor del Cpº, el cual es $470.00, luego aplicamos la siguiente fórmula:

Cp = Cp' 0 × A Donde: Cp º es el valor obtenido del Apéndice A, de la gráfica A-1, A es el área o potencia del equipo.

Cp =

$470.00 × 60.526Kw Kw

Cp = $28447.22 Segundo calculamos el costo modular (CBM), para eso nos vamos a la figura A-9, de la cual hallamos FBM, luego observamos la tabla A-5, de donde tenemos la siguiente fórmula.

C BM = Cp × FBM C BM = $28447.22 × 2.4 C BM = $68273.328

INTERCAMBIADOR DE CALOR Primero, hallamos el costo de adquisición del equipo (Cp):

Facultad de Química e Ing. Química Departamento Académico de Análisis y Diseño de Procesos

Como tenemos el área del intercambiador, el cual es 10m2, con este valor ubicamos en la Figura A-5, apéndice A del libro Turton, el valor del Cpº, el cual es $1500, luego aplicamos la siguiente fórmula:

Cp = Cp' 0 × A Donde: Cpº es el valor obtenido del Apéndice A, de la gráfica A-1, A es el área o potencia del equipo.

Cp =

$1500.00 × 10m 2 2 m

Cp = $15000.00 Ahora, calculamos el FP, para eso nos vamos a la tabla A-2, de la cual sacamos los valores de C1, C2 y C3, (C1=0, C2=0, C3=0) y reemplazamos en la siguiente fórmula:

log Fp = C1 + C 2 log P + C 3 (log P ) 2 log Fp = 0 Fp = 1 Para hallar FM, vamos a la tabla A-3, para luego ir a la figura A-8 en este caso el valor de FM es 1. Para calcular CBM, tenemos que tener los valores de B1 y B2, para este caso los valores son, B1 = 1.63 y B2 = 1.66, los cuales se remplazan al igual que FM y FP en la siguiente fórmula.

C BM = Cp × ( B + B × FM × F p )

C BM = $15000.00 × (1.63 + 1.66 × 1 × 1) C BM = $59310.00 De esta manera se van realizando los cálculos, para hallar el CBM de cada equipo, hay que tomar en cuenta que el cálculo no es el mismo para todos los equipos, ya que el costo modular depende de las secciones transversales, del tipo de material de los diferentes equipos que se requieren en una planta. Los demás cálculos se realizaron en Excel y los resultados lo podemos observar en la tabla Nº 2. TABLA 2 EQUIPOS

Compresor Intercambiador de Calor ( fixed head) Reactores-Vertical ReactoresHorizontal Separador de Gas

PRECIO DEL EQUIPO ADQUIRIDO ( $ ) 30263

PRECIO DEL EQUIPO INSTALADO ( CBM ) ($) 84 736.40

15000 20350

59 310.00 19 3376.413

20350 2454.8

150 997.893 10 576.336

2


Líquido –Líquido(1) Separador de Gas Líquido –Líquido(2) Columna de Separación Mezcladores Divisores

1983.15

7 974.887

1610 2400 1500

7 288.05 4 083.020 3 971.00

b)

CALCULOS EMPLEANDO MATCHES CAPITAL COST Los siguientes costos fueron calculados empleando el MATCHES CAPITAL COST que se encuentra en la web: www.matche.com EQUIPOS Compresor Intercambiador de calor (fixed head) Reactor- vertical Reactor- horizontal Separador de Gas Liquido-liquido (1) Separador de Gas Liquido-liquido (2) Columna de separación mezcladores Divisores

PRECIO DEL EQUIPO ADQUIRIDO ($) 61 900.00 6 000.00

PRECIO DEL EQUIPO INSTALADO (CBM) ($) 172 760.00 25 305.60

23 000.00 20 000.00 14 300.00

2 53 717.456 113 630.502 60 318.033

9 500.00

38 988.561

3 500.00 1 400.00 26 700.00

7 591.718 3 810.817 201 506.370

4.- DESARROLLO DEL DISEÑO DE PROCESOS 4.1 CAPACIDAD DE PLANTA Y CONDICIONES DE OPERACIÓN PRODUCCIÓN DE FENOL VÍA CUMENO: CUMENO

4380 ton/año

PUREZA DEL CUMENO FENOL

99.97% 3066 ton/año

TIPO DE PROCESO NUMERO DE TRABAJADORES

continuo 8 horas

TURNO/DÍAS PUREZA DEL FENOL

99.60%

4.2 DESCRIPCIÓN DEL PROCESO

3


USOS DEL FENOL El fenol se utiliza en la industria de plásticos (fenoplastos, poliepóxidos, policarbonatos). Síntesis de bisfenol-A. En fibras sintéticas (poliamidas). En la refinación del petróleo. En la industria farmacéutica (desinfectante, anestésico). En la manufactura de detergentes, pesticidas (clorofenoles), colorantes, aditivos para aceites. Como agente en análisis químicos, etc. CARACTERÍSTICAS DEL FENOL SINÓNIMOS DEL FENOL Ácido carbólico, ácido fénico, hidroxibenceno, hidróxido de fenilo. PROPIEDADES FÍSICAS DEL FENOL El fenol se presenta en la Naturaleza en la madera y en las agujas de pino, en la orina de los herbívoros (fenolsulfato) y en el alquitrán de hulla. De los fenoles monohídricos se obtienen numerosas esencias (aromáticas) naturales, como por ejemplo: vainillina, timol, carvacrol, "zingiverón" (en jenjibre), aldehído salicílico. Entre los fenoles multivalentes sintéticos, el hexaclorofeno es particularmente tóxico. El fenol puede obtenerse como un sólido ó como un líquido, incoloro de olor dulce. Temperatura de fusión. 41ºC Temperatura de congelación. 42ºC Calor latente de fusión. 29.30Kcal/mol Temperatura de ebullición. 181.75ºC Peso molecular. 94.11 Densidad 41º/4º 1.05g/cm3 Densidad 25º/4º 1.071g/cm3 PROPIEDADES QUÍMICAS DEL FENOL Se descompone lentamente en contacto con aire, mezclas de 9 a 10% en aire son explosivas, es soluble en agua, alcohol etílico, éter etílico, benceno, cloroformo, sulfuro de carbono, etc. Se descompone totalmente en monóxido de carbono, hidrógeno y carbono a temperatura de 800 ºC, reacciona con gran número de oxidantes y puede sufrir numerosas reacciones de condensación.

Químicamente, el fenol, se caracteriza por la influencia mutua entre el grupo hidroxilo u oxidrilo (HO:) y el anillo aromático. El grupo fenilo ó fenil negativo, es la causa de una leve acidez del grupo oxidrílico (pK en solución acuosa a 25 ºC es 1.3 x 10 -10). El fenol reacciona con las bases fuertes para formar sales llamadas fenóxidos (algunas veces fenonatos ó fenolatos): C6H5-OH + NaOH H2O+ C6H5-ONa Los fenatos de sodio y potasio, son rápidamente descompuestos por el bióxido de azufre; éste compuesto, también descompone al fenol. El Grupo hidroxilo puede ser fácilmente eterificado y eterificado. El acetato de fenilo CH3 = COO =C6H5, el fosfato de trifenilo (C6H5)3PO4 y el salicilato de fenilo (C6H5)2O son los éteres comerciales más conocidos del fenol. El fenol es rápidamente oxidado a una variedad de productos que incluye a los bancenodioles (hidroquinona, resorcinol y pirocatecol), bencenotrioles y derivados del difenilo (difenoles ó bifenoles) HO-C6H5-OH, y óxido de difenilo (dibenzofurano) y productos de descomposición, dependiendo este del agente occidente y de las condiciones de operación. La reducción del fenol con zinc por destilación, da

4


benceno, y la hidrogenación del fenol, finalmente, es método para la obtención del ciclohexanol. El grupo hidroxilo de una alta reactividad al grupo fenilo. Los átomos del hidrógeno en las posiciones o- (orto) y p- (para), con respecto del grupo hidroxilo, son altamente reactivos (orienta las sustituciones hacia eses posiciones); o sea, los hidrógenos en 2- y 4- son los primeros en ser sustituidas para formar el monoderivados para formar el monoderivado inicial, después el 2- 4- ó el 2- 6derivado, y finalmente el 2- 4- 6- triderivado, esto si las condiciones lo permiten. IDENTIFICADORES DE SEGURIDAD NFPA 704 Rombo de seguridad del FENOL

Inflamabilidad 2. Materiales que deben calentarse moderadamente o exponerse a temperaturas altas antes de que ocurra la ignición. Salud 4. Sustancias que, con una muy corta exposición, pueden causar la muerte o un daño permanente, incluso en caso de atención médica inmediata. Inestabilidad / Reactividad 0. Materiales que por sí son normalmente estables aún en condiciones de incendio y que no reaccionan con el agua. UTILIDADES DEL FENOL ✔ Se utiliza en la industria de plásticos (fenoplastos, poliepóxidos, policarbonatos), síntesis de bisfenol-A, en fibras sintéticas (poliamidas), en la refinación del petróleo, en la industria farmacéutica (desinfectante, anestésico), en la manufactura de detergentes, pesticidas (clorofenoles), colorantes, aditivos para aceites, como agente en análisis químicos, etc. ✔ Los halógenos, forman principalmente, dihalofenoles y trihalofenoles; los derivados del cloro, son los principales, puesto que el cloro con el fenol, forma dos derivados principales, que se usan como herbicidas y preservadores de madera, como son el diclorofenol y el pentaclorofenol. ✔ La reacción del fenol con el ácido sulfúrico, es para la obtención del ácido hidroxibencensulfónico. ✔ La nitración del fenol, se lleva a cabo con el ácido nítrico diluido, el producto final, es el 2- 4- 6- trinitrofenol, o sea, el explosivo ácido pícrico. ✔ Por oxidación forma el ácido oxálico y productos resinosos. La reacción más importante del fenol, es su condensación con el formaldehído, contándose con el 60% de la producción del fenol en los EEUU., para la obtención de las llamadas resinas fenólicas. ✔ La condensación del fenol con el anhídrido ftálicoda la fenolftaleina; su reacción con el fenato de sodio y el bióxido de carbono, para formar el ácido salicílico. ✔ El fenol, sirve como materia prima para obtener la Ecaprolactana, que a su vez es la materia prima para la obtención del Nylon 6. ✔ También es de importancia comercial el acoplamiento del fenol con las sales de diazonio, para la obtención de tinturas azo. MATERIAS PRIMAS PARA LA OBTENCIÓN DE FENOL VIA CUMENO ✔ Cumeno (usa como materias primas el benceno y propileno) ✔ Oxigeno (aire). ✔ Acondicionador del medio (sosa caustica) ✔ Catalizador (ácido sulfúrico). DESCRIPCIÓN DE ETAPAS PARA LA OBTENCION DE FENOL VIA CUMENO

5


La producción de fenol y acetona se realiza en dos etapas: oxidación de cumeno a hidroperóxido de cumeno y descomposición de hidroperóxido a fenol y acetona. La reacción de oxidación es autocatalítica, mientras que la reacción de descomposición es catalizada por ácido. En la primera etapa el cumeno se oxida con aire y sosa cáustica como acondicionador del medio, para producir hidroperóxido de cumeno. Después de una serie de etapas intermedias de purificación, concentración, etc., el hidroperóxido de cumeno se separa en medio ácido para formar fenol y acetona. PROCESO DE OXIDACIÓN. Consiste en la oxidación controlada del cumeno para formar hidróxido de cumeno. Esta reacción se lleva a cabo en cuatro oxidadores en aire, a media presión. El oxígeno necesario se suministra por medio de aire. La reacción se acelera por el empleo de sosa cáustica como acondicionador del medio. La velocidad de oxidación del cumeno aumenta con la temperatura y con la concentración final del mismo. El sobrante de oxígeno que no reacciona junto con la cantidad correspondiente de N2. PROCESO DE EVAPORACIÓN. Una vez obtenido el hidróxido de cumeno en la sección de oxidación se obtiene un producto final con una concentración de hidróxido de cumeno del orden del 80% que constituirá la carga a la sección siguiente. PROCESO DE ESCISIÓN. El hidróxido de cumeno se descompone para dar como productos principales de la reacción fenol y acetona. PROCESO DE INTERCAMBIO IÓNICO. El exceso de acidez utilizado en escisión es necesario para que la reacción sea completa. Esta acidez se elimina de los productos formados (fenol y acetona), haciéndolos pasar por unas cámaras cargadas con resinas. PROCESO DE FRACCIONAMIENTO. Se encarga de separar y purificar la acetona y el fenol. El fenol es purificado haciendo reaccionar los carbonilos a compuestos de diferentes puntos de ebullición del fenol y posteriormente separados por destilación. DESCRIPCION DEL PFD PARA LA OBTENCION DE FENOL VIA CUMENO En el PFD se muestra un proceso continuo para obtener fenol y acetona, vía oxidación del cumeno con aire en medio acido. El Cumeno fresco (isopropil benceno), la corriente de entrada 1, en 50°C y 10 atm, se alimenta mediante un compresor 1. Este se mezcla con el reciclado, la corriente 25(O2, N2, cumeno, fenol y agua), en 42°C y 10 atm. La mezcla, corriente 4 sale a 32°C y 1 atm. El aire está disponible, corriente de entrada 2, en 2°C y 1 atm. El Compresor 2 levanta la presión a 10 atm, en la corriente 3. Esta corriente pasa por un Separador de Fluido (separador 1) de donde salen las corrientes 5 y 7, con el mismo flujo másico. La corriente 5, a 267°C y 10 atm, que se dirige al mezclador II y la corriente 7, a las mismas condiciones, al mezclador III. Del Mezclador II, sale la corriente 6, a 30°C y 10 atm que alimenta al reactor 1, que se encuentra a 150°C y 10 atm. El reactor convierte el 30% de cumeno con una selectividad del 93%. La salida, la corriente 10, esta 150°C y 10 atm, pasa por el Intercambiador de Calor 1 de donde sale la corriente 8, a 211°C y 9.8 atm. Esta corriente entra con la corriente 7 al Mezclador III y sale la corriente 9, a 217°C y 10 atm, que alimenta al Reactor 2. La conversión en los reactores en serie (2,3) se realiza a una temperatura igual en cada reactor, por esto las corrientes 11y 12 se encuentran a las mismas

6


condiciones, a 200°C y 10 atm. La concentración de fenol de un reactor con respecto al siguiente aumenta, de esta forma se obtiene una conversión casi completa del HPC a fenol (98-99%). A concentraciones de CHP mas altas, los rendimientos caen rápidamente, por eso la importancia de la selectividad. El producto de las reacciones en serie, corriente 12, se somete a destilación, en el destilador 1; de modo que se separe en fenol, agua, cumeno, O2 y N2. Una parte pasa al Separador 2, la corriente de cabeza 15, a 42°C y 10 atm, de esta salen dos corrientes 24 y 25. Se recicla la corriente 25(recuperar el cumeno y O 2), a 42°C y 10 atm para luego mezclarse con el cumeno recién alimentado; y la corriente de salida 24, a las mismas condiciones, sale del proceso como aire residual con algunos productos volátiles (fenol, cumeno, agua, etc.) La otra salida del destilador 1, la corriente 16, a 42°C y 10 atm, alimenta al destilador 2 para separar fenol y agua en la corriente de cabeza 14, a 50°C y 10 atm, sale fenol al 92% en peso; y en la corriente 18, a 65°C y 10 atm, también sale fenol pero en muy poco porcentaje. La corriente de cabeza 14, se envía al destilador 3 en donde el fenol será separado totalmente de los volátiles, principalmente la acetona; así se obtienen la corriente de salida 17, a 261°C y 10 atm, fenol al 89% en peso y con una pureza adecuada para uso en resinas. También sale fenol en la corriente de salida 23, a las mismas condiciones, el fenol sale más seco, solo con 1% de agua. En la corriente 17 se obtiene mayor cantidad de fenol. 4.3 CONDICIONES DE ESTEQUIOMETRIA.

5.- ESTIMACION DE LA INVERSION FIJA 5.1.-TECNICA COSTO BASE MODULAR (CBM)

:

CUADRO PRELIMINAR DE RESUMEN DE LOS EQUIPOS PARA PROCESO DE FENOL TABLA Nº 1

7


a) Cálculos manuales para el caso Grass Roots Cost: Para el Compresor: 1. Primero, hallamos el Cp para el equipo: Como tenemos la potencia del compresor, la cual es 60.526KW, ubicamos en la Figura A-1, apéndice A del libro Turton, el valor del Cpº, el cual es $500, luego aplicamos la siguiente fórmula: Cp = Cpº x A Cp = 500x 60.526 Cp = $30263 2. Ahora, calculamos el costo modular (CBM), nos vamos a la figura A-9, de la cual hallamos FBM, luego observamos la tabla A-5, de donde tenemos la siguiente fórmula CBM = Cp x FBM CBM =$30263 x 2.8 CBM =84736.4 EQUIPOS

CAPACIDAD

Compresor

Energía requerida = 60526.6 W Centrifuga Área de transferencia= 10 m2 Energía requerida = 136.1 KW D=0.72m L=10m Vertical

Intercambiador de Calor ( fixed head) Reactores Separador de Gas Líquido-Líquido(1)

Separador de Gas Líquido-Líquido(2) Columna de Separación Mezcladores Divisores

MATERIAL DE CONSTRUCCION CS

PRESION DE OPERACION 9 barg

CS

0.2 barg

SS

10 barg

CS

10 barg

CS

10 barg

SS

10 barg

CS

10 barg

CS

10 barg

D = 0.6096 m L = 2.1029m Elipsoidal , Vertical D = 0.4572 L = 1.8584 Elipsoidal , Vertical D = 0.30 m L = 3.20 m Vertical D= 0.5 m L= 1.5 m D = 0.3m L = 1.5 m

Para el Intercambiador de Calor: 1. Primero hallamos el Cp para este equipo: Como tenemos el área del intercambiador, la cual es 10m2, ubicamos en la Figura A-5, apéndice A del libro Turton, el valor del CPº, el cual es $1500, luego aplicamos la siguiente fórmula: Cp = Cpº x A Cp = 1500 x 10 Cp = $15000 2. Ahora, calculamos el FP, vamos a la tabla A-2, de la cual sacamos los valores de C1, C2 y C3, (C1=0, C2=0, C3=0) y reemplazamos en la siguiente fórmula: log FP = C1 + C2 log P + C3 (log P)2 FP = 1

8


3. Para hallar FM, vamos a la tabla A-8, en este caso el valor de FM es 1 4. Para calcular CBM, debemos tener los valores de B1 y B2, que en este caso son, B1 = 1.63 y B2 = 1.66, los cuales se remplazan al igual que FM y FP en la siguiente fórmula. CBM = Cp (B1 + B2 x FM x FP) CBM = 15000(1.63+ 1.66 x 1x1) CBM =$ 59310 •

De la misma forma se van realizando los cálculos, para hallar el CBM de cada equipo, tomando en cuenta que el cálculo no es el mismo para todos, pues el costo modular depende de las secciones transversales, tipo de material, etc. de los diferentes equipos que se requieren en una planta. Los demás cálculos se realizaron en Excel y los resultados se resumen en la tabla Nº 2.

TABLA Nº 2 EQUIPOS

PRECIO DEL EQUIPO ADQUIRIDO ($)

PRECIO DEL EQUIPO INSTALADO ( CBM ) ( $ )

Compresor Intercambiador de Calor ( fixed head)

30263

84,736.4

15000 20350

59,310 19,3376.4131

Reactores-Vertical ReactoresHorizontal Separador de Gas Líquido –Líquido(I)

20350

150,997.8927

2454.8

10,576.33631

Separador de Gas Líquido –Líquido(II)

1983.15

7974.887135

1610 2400 1500

7,288.049505 4,083.018564 3,971

Columna de Separación Mezcladores Divisores

5.2. CUADRO RESUMEN ESTIMACIÓN DEL COSTO CAPITAL ESTIMACIÓN DE LA INVERSIÓN DE CAPITAL FIJO PARA GRASS ROOTS COST (CGR) TABLA Nº 3 EQUIPOS

NÚMERO DE EQUIPOS

9

PRECIO DEL EQUIPO INSTALADO ( CBM ) ( $ )


Compresor Intercambiador de Calor ( fixed head) Reactores- Vertical Reactores- Horizontal Separador de Gas Líquido-Líquido(I) Separador de Gas Líquido-Líquido(II) Columna de Separación Mezcladores Divisores Total CBM CTM ( costo de modulo total ) CGR(2001) CGR(2008)-España CGR(2008)-PERÚ

1 1

84,736.4 59,310 193,376.4131 452,993.6781

1 3 1

10,576.33631 1 7974.887135 2 4 2 CTM = 1.18 ∑ CBM CGR = 1.68 ∑ CBM CGR(2008)= CGR(2001)x1.3602 CGR(2008)-Españax1.37

14,576.09901 16,332.07426 7,942 847,817.8879 1 000,425.108 1 424 334 .052 1 937 379.178 2 654 209 .473

5.3. CALCULOS DE LA INVERSION FIJA USANDO OTRAS TECNICAS. METODO FACTOR DE LANG: Tomamos los datos de la tabla Nº 2 para realizar los respectivos cálculos: TABLA Nº 4 EQUIPOS Compresor Intercambiador de Calor ( fixed head) Reactores- Vertical ReactoresHorizontal Separador de Gas Líquido-Líquido(I) Separador de Gas Líquido-Líquido(II) Columna de Separación Mezcladores Divisores Total CBM Factor de Lang CTM

NÚMERO DE EQUIPOS 1 1

PRECIO DEL EQUIPO INSTALADO ( CBM ) ( $ ) 84,736.4 59,310 193,376.4131

1 3

452,993.6781 1 10,576.33631 1 7974.887135 2 4 2 CMT = 3.63 ∑ CBM

10

14,576.09901 16,332.07426 7,942 847,817.8879 3 077 578.933

PLANTA DE FENOL

Recommend Documents