PLANTA DE PRODUCCION DE ACROLEINA A PARTIR DE LA OXIDACION PARCIAL CATALITICA DE PROPILENO
Curso: Diseño de Plantas Químicas
Alumnos: Castro Villar Elmer W. Huaita Ccoillo Luis E. Torpoco Camarena Liliam F. Traslaviña Farfan Julia F.
Profesor: Ing. Oscar Julio Nuñez Venegas
Códigos 09070153 09070163 09070041 09070117
PRODUCCIÓN DE ACROLEÍNA A PARTIR DE LA OXIDACIÓN PARCIAL CATALÍTICA DE PROPILENO
Introducción La acroleína es un material inflamable altamente tóxico con propiedades lacrimógenas extremas. A temperatura ambiente la acroleína es un líquido con volatilidad e inflamabilidad algo parecida a la acetona, pero a diferencia de la acetona, su solubilidad en el agua es limitada. Debido a su actividad antimicrobiana, la acroleína ha encontrado uso como un agente para controlar el crecimiento de microbios en las líneas de alimentación de procesos, controlando de este modo las tasas de taponamiento y la corrosión. También es usada como materia prima de polímeros como acrilonitrilo. La acroleína ha sido producida comercialmente desde 1938, sin embargo desde 1948, la acroleína se comenzó a producir a partir de la oxidación catalítica del propileno. Con el descubrimiento del catalizador de molibdato de bismuto (el catalizador que se empleará en este proyecto), fabricado por Sohio en el año 1957, se llegó a obtener una conversión de propileno de alrededor del 90% y una gran selectividad de acroleína. Es a partir del año 1959 que se comienza a producir acroleína utilizando este catalizador. Cerca de 500 000 toneladas de acroleína se produce de esta manera cada año en América del Norte, Europa y Japón. El objetivo de este proyecto es el diseño de una instalación de base que de manera segura y eficiente producirá 120 000 toneladas métricas por año de acroleína a partir de propileno, aire y vapor de d e agua.
Acroleína Es un líquido inflamable, tóxico e incoloro con desagradable olor a acre. Es el aldehído insaturado existente más simple, según la IUPAC, su nombre sistemático es Prop-2-en-1-al. Propiedades: Fórmula Molecular Fórmula Molecular
C3H4O
Masa Molar
56.06 g/mol
Apariencia
Incoloro – amarillo amarillo Olor Irritante
Densidad Punto de Fusión
0.839 g / mL −88 °C
Punto de Ebullición
53 °C
Solubilidad en Agua
Apreciable (> 10%)
Se pueden formar, pequeñas cantidades de acroleína, y dispersarse por el aire, cuando se queman aceites, árboles, tabaco y otras plantas, gasolina y petróleo. Peligros y Reactividad:
La acroleína es una molécula pequeña con un enlace doble carbonado es por eso que es muy reactiva, esto a su vez hace que sea tóxica. Es una sustancia extremadamente inflamable tanto en fase gas como líquida. Esta sustancia tiende a polimerizarse con el tiempo formando una masa blanca amorfa, llamada disacrilo, insoluble en agua, alcohol, ácidos y álcalis. Esta polimerización puede evitarse con ácido sulfuroso, sulfito de calcio o hidroquinona. Asimismo, la acroleína se oxida lentamente en el aire a temperatura ordinaria para formar ácido acrílico La acroleína es tóxica por ingestión, inhalación y cuando se absorbe por la piel. Debe manejarse con mucho cuidado en sistemas de reacción cerrados o en condiciones adecuadas de ventilación. La exposición de 1 ppm en el aire causa irritación en ojos y nariz en dos o tres minutos (efectos lacrimógenos).
Producción de Acroleína La empresa alemana Degussa fue la primera en desarrollar a escala industrial la síntesis de acroleína a inicios de 1930, y comenzó su producción en 1942. El proceso clásico estaba basado en la condensación de acetaldehído con formaldehido:
ΔHrxn = – 84 kJ/mol.
Esta reacción se lleva a cabo a una temperatura de entre 300°C y 320°C en fase gas sobre silicato de sodio / sílice. Hoy en día, esta ruta ha sido reemplazada por la oxidación catalítica de propileno:
cat.
ΔHrxn = – 368 kJ/mol.
Shell fue la primera compañía en practicar esta oxidación en fase gaseosa en una unidad comercial (1958 – 1980). La reacción se lleva a cabo a 350 – 400°C sobre Cu2O/SiC con I2 como promotor. Desde entonces, otros catalizadores fueron desarrollados los cuales fueron aprovechados de la experiencia ganada en la manufactura de ácido acrílico y acrilonitrilo a partir del propeno. El descubrimiento de Sohio de las propiedades catalíticas del molibdato de bismuto y fosfomolibdatos también significó un progreso económico en la manufactura de acroleína. El proceso de Sohio es practicado comercialmente en muchas plantas. La oxidación con aire del propeno se lleva a cabo a 300 – 360°C y 1 – 2 bar sobre un catalizador de Bi2O3/MoO3 en lecho fijo. A partir de este catalizador basado en bismuto, varias firmas desarrollaron sistemas multicomponentes muy selectivos a partir de óxidos de metales de transición y alcalinos. Ugine-Kuhlmann, el más grande productor de acroleína en el mundo, actualmente opera una planta de 50 000 toneladas por año en Francia usando un catalizador de Nippon Shokubai basado en Mo, Bi, Fe, Co,W y otros aditivos. El catalizador es puesto en un reactor tubular de lecho fijo, a través del cual fluye un intercambiador de calor líquido. El propeno es oxidado con alta conversión (96%) con un exceso de aire en presencia de vapor a 350 – 450°C y una leve presión. Un ratio grande entre aire/propeno es necesario para mantener el estado de oxidación del catalizador por encima de un cierto nivel, de lo contrario, la selectividad de acroleína disminuye. Bajo estas condiciones, la selectividad puede alcanzar el 90% (basado en el C3H6). Los productos secundarios incluyen acetaldehído, ácido acrílico y ácido acético. Los gases a la salida son lavados con una cantidad limitada de agua para remover los productos secundarios ácido acrílico y ácido acético. Después de un lavado intenso con agua, la solución diluida de acroleína formada en la columna de absorción es purificada a acroleína en un separador. El producto bruto es separado de sustancias poco volátiles a altamente volátiles en una destilación de dos pasos y es fraccionada a una pureza de 9597%. Debido a la tendencia de la acroleína a polimerizarse, inhibidores como la hidroquinona son añadidos en la destilación. La Acroleína también puede producirse a partir del glicerol (glicerina), la cual se descompone a 280°C para formar acroleína. Esta ruta es atractiva cuando el glicerol es cogenerado en la producción de biodiesel a partir de ácidos grasos. La deshidratación del glicerol ha sido demostrada pero no se ha probado que esta ruta sea más competitiva que la a partir de petroquímicos.
Usos de la Acroleína a) Es la materia prima básica para la producción del aminoácido metionina el cual es un nutriente básico para el desarrollo de los animales mamíferos. b) La reducción química de la acroleína vía alcohol alílico es un proceso para la síntesis de glicerol. c) Al hacer reaccionar acroleína con amoníaco son formados los aminoácidos: piridina y β-picolina.
d) La copolimerización oxidativa de acroleína con ácido acrílico forma poli(aldehídocarboxilatos) y su subsecuente conversión en una reacción tipo Cannizzario, produce poli(hidrocarboxilatos) con buena biodegradabilidad, buenas propiedades dispersantes y libres de elementos eutroficantes (nitrógeno y fósforo). Estos productos son aplicables en la industria de: papel, cerámica y detergentes. e) Se emplea como señal de alarmas de refrigeración, dado que produce irritación en los ojos y en la nariz en dos o tres minutos, causa un dolor casi intolerable en cinco minutos. f) Como lacrimógeno en la guerra. g) En la desnaturalización de alcohol. h) Como intermediario en la síntesis de colorantes. i) Para desinfectar aguas de abastecimiento y aguas cloacales.
Descripción del proceso original Un diagrama de flujo en bloques (BFD) así como un diagrama de flujo del proceso (PFD) es mostrado más adelante. Al reactor de lecho empacado ingresan corrientes de Propileno, vapor de agua y aire, donde oxígeno y propileno reaccionan para formar acroleína. El efluente del reactor es rápidamente enfriado con agua desionizada para prevenir futuras reacciones de oxidación homogéneas. Esta corriente es entonces dirigida hacia una columna de absorción, donde se recupera acroleína con agua en el fondo. El gas de salida de este absorbedor es dirigido a un incinerador para combustión. La corriente del fondo del absorbedor es luego destilada para separar la acroleína y propileno de agua y ácido acrílico. El fondo de este primer destilador, que consiste en agua residual y ácido acrílico, es enviado para tratamiento residual; mientras que el destilado es enviado a un segundo destilador donde el propileno es separado de la acroleína y del agua remanente del sistema. El destilado de este segundo destilador contiene 98.4% de propileno. La posibilidad de reciclar esta corriente puede investigarse. El fondo de la segunda torre de destilación es luego enviada a un tercer destilador donde la acroleína es separada del agua. El fondo de este destilador es enviado a un tratamiento residual, y el destilado consiste en 98% de acroleína pura.
Detalles importantes: Típicamente el proceso opera entre 300 y 400°C y presiones de 150 a 250 kPa. El gas de alimentación contiene 5 a 10 % de propileno, el cual es mezclado con aire y un diluyente, el cual puede ser vapor de agua o algún gas residual del proceso. Una alta concentración de inertes y vapor es necesaria para evitar los límites de inflamabilidad del propileno. El ratio molar oxígeno/propileno debe estar en un valor alrededor de 1.5 porque valores más bajos hacen que la efectividad y tiempo de vida del catalizador disminuyan.
Por razones de seguridad, los siguientes criterios para la composición de entrada al reactor, deben ser estrictamente observados: El porcentaje molar de inertes debe ser > 40% El porcentaje molar de oxígeno debe ser < 12% El porcentaje molar de propileno debe ser < 12%
La temperatura a través del reactor debe mantenerse debajo de 330°C. A temperaturas por encima de 330°C, depósitos de coque se forman en el catalizador. Las siguientes reacciones dirigen la producción de acroleína:
C3H6 + O2 C3H 4O + H 2O
(1)
7 C3H 4O + O2 3CO2 + 2H 2O 2 7 C3H 4O + O2 C3H 4O 2 2 9 C3H6 + O2 3CO2 + 3H 2O 2
(2) (3) (4)
Estas reacciones están acompañadas por la siguiente cinética: 1 P O P 2 x R T T PO2 P x
Ei 1
r 1
ki 1 K1 K 2 K3 e
PC H P C H O P O 1 K K K 1 2 3 P P P C H O C H O 3
6
2
3
4
2
3
6
2
3
4
2
K1 2, K 2 4, K 3 2, T 623K, R 1.987 cal
, P 28.1kPa, P O2 13.1kPa, mol K C3 H6
P C3H 4O2 6.6kPa. Reacción
Energía de activación
Factor preexponencial
i
(kcal/kmol)
kmol ft 3dereactor hr
1 2 3 4
15 000 25 000 20 000 25 000
0.1080 0.0162 0.0108 0.0054
x
C3H6 C3H4O C3H4O C3H6
Diagrama de Bloques del Proceso (BFD)
Consideraciones iniciales en el Diseño del reactor: Proceso en estado estacionario. Reacción Isotérmica a la temperatura de 327°C. Reacción Isobárica a la presión de 2 atm. Conversión total del Propileno de 90% Conversión del propileno a Acroleína = 88% Caída de presión despreciable. Gases ideales
Resul tados de la simu lación hecha en CH EM CAD para el pr oceso ori gin al: Nro. de corriente Temperatura (°C) Presión (kPa) Entalpía (MJ/h) Fracción molar de vapor Total kmol/h Total kg/h Total std V m3/h
1 204.0000 1157.0000 16106.0 1.0000 484.8000 20400.8697 10866.14
2 199.2245 203.0000 16106.0 1.0000 484.8000 20400.8697 10866.14
3 160.0000 600.0000 -5.2935E+005 1.0000 2222.0000 40029.3282 49803.12
4 144.9113 203.0000 -5.2935E+005 1.0000 2222.0000 40029.3282 49803.12
Consideraciones iniciales en el Diseño del reactor: Proceso en estado estacionario. Reacción Isotérmica a la temperatura de 327°C. Reacción Isobárica a la presión de 2 atm. Conversión total del Propileno de 90% Conversión del propileno a Acroleína = 88% Caída de presión despreciable. Gases ideales
Resul tados de la simu lación hecha en CH EM CAD para el pr oceso ori gin al: Nro. de corriente 1 Temperatura (°C) 204.0000 Presión (kPa) 1157.0000 Entalpía (MJ/h) 16106.0 Fracción molar de vapor 1.0000 Total kmol/h 484.8000 Total kg/h 20400.8697 3 Total std V m /h 10866.14 Fracción molar de componentes Propileno 1.000000 Agua 0.000000 Oxígeno 0.000000 Nitrógeno 0.000000 Ácido Acrílico 0.000000 Acroleína 0.000000 Dióxido de carbono 0.000000 Nro. de corriente 5 Temperatura (°C) 24.8500 Presión (kPa) 101.0000 Entalpía (MJ/h) -32.938 Fracción molar de vapor 1.0000 Total kmol/h 2975.4599 Total kg/h 85890.1888 Total std V m3/h 66690.91 Fracción molar de componentes Propileno 0.000000 Agua 0.000000 Oxígeno 0.213849 Nitrógeno 0.786151 Ácido Acrílico 0.000000 Acroleína 0.000000 Dióxido de carbono 0.000000
2 199.2245 203.0000 16106.0 1.0000 484.8000 20400.8697 10866.14
3 160.0000 600.0000 -5.2935E+005 1.0000 2222.0000 40029.3282 49803.12
4 144.9113 203.0000 -5.2935E+005 1.0000 2222.0000 40029.3282 49803.12
1.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000
0.000000 1.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000
0.000000 1.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000
6 112.0557 203.0000 7560.4 1.0000 2975.4599 85890.1888 66690.91
7 139.9837 203.0000 -5.0568E+005 1.0000 5682.2597 146320.3937 127360.16
8 249.8500 203.0000 -4.8252E+005 1.0000 5682.2597 146320.3937 127360.16
0.000000 0.000000 0.213849 0.786151 0.000000 0.000000 0.000000
0.085318 0.391042 0.111980 0.411660 0.000000 0.000000 0.000000
0.085318 0.391042 0.111980 0.411660 0.000000 0.000000 0.000000
Nro. de corriente Temperatura (°C) Presión (kPa) Entalpía
(MJ/h)
9 319.8500 197.0000 6.6495E+005
Fracción molar de 1.0000 vapor Total kmol/h 5682.8413 Total kg/h 146320.0000 3 Total std V m /h 127373.20 Fracción molar de componentes Propileno 0.008531 Agua 0.477198 Oxígeno 0.016456 Nitrógeno 0.411618 Ácido Acrílico 0.004504 Acroleína 0.067565 Dióxido de carbono 0.014127
Nro. de corriente 13 Temperatura (°C) 24.8500 Presión (kPa) 101.0000 Entalpía (MJ/h) -5.7779E+006 Fracción molar de 0.00000 vapor Total kmol/h 20200.0009 Total kg/h 363903.0120 3 Total std V m /h 452755.68 Fracción molar de componentes Propileno 0.000000 Agua 1.000000 Oxígeno 0.000000 Nitrógeno 0.000000 Ácido Acrílico 0.000000 Acroleína 0.000000 Dióxido de carbono 0.000000
10 24.8500 101.0000
11 24.8829 197.0000
-2.6000E+007 -2.6000E+007
12 50.4248 197.0000 2.6665E+007
0.00000
0.00000
0.029521
90900.0031 1637563.4833 2037400.51
90900.0031 1637563.4833 2037400.51
96582.8422 1783883.4234 2164773.76
0.000000 1.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000
0.000000 1.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000
0.000502 0.969239 0.000968 0.024219 0.000265 0.003975 0.000831
14 26.3748 101.0000 -60142.
15 46.6678 101.0000 -3.2383E+007
16 99.9099 101.0000 -3.1882E+007
1.0000
0.00000
0.00000
2741.0534 80619.7006 61437.00
114041.7897 2067166.9404 2556092.42
113709.1080 2049853.0929 2548635.80
0.017414 0.034382 0.034098 0.853135 0.000000 0.031989 0.028982
0.000007 0.997157 0.000000 0.000006 0.000224 0.002598 0.000007
0.000000 0.999775 0.000000 0.000000 0.000225 0.000000 0.000000
Nro. de corriente 17 Temperatura (°C) 25.0000 Presión (kPa) 100.0000 Entalpía (MJ/h) -43702. Fracción molar de vapor 0.0042471 Total kmol/h 332.7080 Total kg/h 17314.1505 3 Total std V m /h 7457.20 Fracción molar de componentes Propileno 0.002247 Agua 0.102538 Oxígeno 0.000158 Nitrógeno 0.002021 Ácido Acrílico 0.000000 Acroleína 0.890503 Dióxido de carbono 0.002533
18 50.0628 100.0000 -2667.7 1.0000 31.8438 1743.2697 713.74
19 53.4097 100.0000 -39040. 0.00000 300.8641 15570.8799 6743.46
20 52.6887 100.0000 -22350. 1.0000 266.8647 14684.6322 5981.41
21 55.8105 100.0000 -8388.6 0.00000 33.9997 886.2583 762.06
0.023475 0.001059 0.001652 0.021119 0.000000 0.926231 0.026465
0.000000 0.113279 0.000000 0.000000 0.000000 0.886721 0.000000
0.000000 0.027267 0.000000 0.000000 0.000000 0.972733 0.000000
0.000000 0.788387 0.000000 0.000000 0.000000 0.211613 0.000000
Modificaciones hechas en el proceso original: El proceso proporcionado por la bibliografía no concordaba con los resultados obtenidos en la simulación en el programa ChemCAD®, sobretodo en el absorbedor pues por el tope de este se va una gran cantidad de propileno. Es por eso que como gran parte del propileno se va con los gases, se coloca un destilador para separar la olefina de los demás gases y luego recircularla al reactor evitando así consumir esta materia prima. Como se muestra en el PDF siguiente, antes de que se recircule el propileno, la corriente de fondo de la torre 103 es mezclada con la corriente del tope de la torre 102 para luego destilarlas pues no solo contienen propileno sino también acroleína y agua y estas dos últimas sustancias deben separarse de la primera en la torre 104 para que esta sea recirculada. En esta recirculación se incluye un compresor y un intercambiador de calor para que entre al mezclador previo al reactor a condiciones similares de las otras corrientes. La otra modificación que se hizo fue en la parte inferior del PFD. En la torre 102 se notó que en el fondo de esta se separa una gran cantidad de agua con trazas de ácido acrílico disuelto, por lo que se pensó en recircular una parte de este como vapor de agua diluyente en la mezcla reaccionante incorporando a esta corriente de reciclo dos intercambiadores de calor y un compresor para que entre al mezclador a condiciones similares que el resto de corrientes. El resto es purgado hacia tratamiento residual.
Resul tados de la simu lación h echa en CH EM CAD para el pr oceso ori gin al: Nro. de Corriente
1
2
3
4
Temperatura (°C)
204.0000
199.2245
160.0000
144.9162
1157.0000
203.0000
600.0000
203.0000
Entalpía (MJ/h)
10299.
10299.
-5.2951E+005
-5.2951E+005
Fracción molar de vapor
1.0000
1.0000
1.0000
1.0000
310.0000
310.0000
2222.5563
2222.5563
13045.1101
13045.1101
40059.0172
40059.0172
6948.23
6948.23
49815.59
49815.59
Presión
(kPa)
Total kmol/h Total kg/h Total std V m3/h
Fracción molar de componentes Propileno
1.000000
1.000000
0.000000
0.000000
Agua
0.000000
0.000000
0.999836
0.999836
Oxígeno
0.000000
0.000000
0.000000
0.000000
Nitrógeno
0.000000
0.000000
0.000000
0.000000
Ácido acrílico
0.000000
0.000000
0.000164
0.000164
Acroleína
0.000000
0.000000
0.000000
0.000000
Dióxido de Carbono
0.000000
0.000000
0.000000
0.000000
Nro. de Corriente
5
6
7
8
Temperatura (°C)
24.8500
112.0557
136.4079
250.0000
Resul tados de la simu lación h echa en CH EM CAD para el pr oceso ori gin al: Nro. de Corriente
1
2
3
4
Temperatura (°C)
204.0000
199.2245
160.0000
144.9162
1157.0000
203.0000
600.0000
203.0000
Entalpía (MJ/h)
10299.
10299.
-5.2951E+005
-5.2951E+005
Fracción molar de vapor
1.0000
1.0000
1.0000
1.0000
310.0000
310.0000
2222.5563
2222.5563
13045.1101
13045.1101
40059.0172
40059.0172
6948.23
6948.23
49815.59
49815.59
Presión
(kPa)
Total kmol/h Total kg/h 3
Total std V m /h
Fracción molar de componentes Propileno
1.000000
1.000000
0.000000
0.000000
Agua
0.000000
0.000000
0.999836
0.999836
Oxígeno
0.000000
0.000000
0.000000
0.000000
Nitrógeno
0.000000
0.000000
0.000000
0.000000
Ácido acrílico
0.000000
0.000000
0.000164
0.000164
Acroleína
0.000000
0.000000
0.000000
0.000000
Dióxido de Carbono
0.000000
0.000000
0.000000
0.000000
Nro. de Corriente
5
6
7
8
Temperatura (°C) Presión (kPa) Entalpía (MJ/h)
24.8500 101.0000 -32.938
112.0557 203.0000 7560.4
136.4079 203.0000 -5.1079E+005
250.0000 203.0000 -4.8826E+005
1.0000
1.0000
1.0000
1.0000
2975.4599 85890.1888 66690.91
2975.4599 85890.1888 66690.91
5544.5107 140529.0000 124272.70
5544.5107 140529.0000 124272.70
Fracción molar de vapor Total kmol/h Total kg/h Total std V m3/h
Fracción molar de componentes Propileno
0.000000
0.000000
0.062124
0.062124
Agua Oxígeno Nitrógeno
0.000000 0.213849 0.786151
0.000000 0.213849 0.786151
0.400791 0.114788 0.422009
0.400791 0.114788 0.422009
Ácido acrílico
0.000000
0.000000
0.000066
0.000066
Acroleína
0.000000
0.000000
0.000110
0.000110
Dióxido de Carbono
0.000000
0.000000
0.000113
0.000113
Nro. de Corriente Temperatura (°C) Presión (kPa) Entalpía (MJ/h)
9 319.8500 197.0000 6.1450E+005
Fracción molar de 1.0000 vapor Total kmol/h 5544.9178 Total kg/h 140528.5578 3 Total std V m /h 124281.83 Fracción molar de componentes Propileno 0.006212 Agua 0.463536 Oxígeno 0.045212 Nitrógeno 0.421978 Ácido acrílico 0.003352 Acroleína 0.049297 Dióxido de Carbono 0.010413
10 24.8500 101.0000
11 24.8829 197.0000
12 48.7547 197.0000
-2.6000E+007
-2.6000E+007
-2.6615E+007
0.00000
0.00000
0.030400
90900.0031 1637563.4833 2037400.51
90900.0031 1637563.4833 2037400.51
96445.0000 1778092.1828 2161682.47
0.000000 1.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000
0.000000 1.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000
0.000357 0.969157 0.002599 0.024261 0.000193 0.002834 0.000599
Nro. de Corriente
13
14
15
16
Temperatura (°C)
24.8500
25.9000
45.2008
99.9094
101.0000
101.0000
101.0000
101.0000
-5.7779E+006
-49810.
-3.2343E+007
-3.1839E+007
0.00000
1.0000
0.00000
0.00000
20200.0009
2838.3607
113806.5595
113560.0000
363903.0120
82711.0000
2059283.9586
2046786.1281
452755.68
63618.02
2550820.05
2545291.47
Presión
(kPa)
Entalpía (MJ/h) Fracción molar de vapor Total kmol/h Total kg/h 3
Total std V m /h
Fracción molar de componentes Propileno
0.000000
0.011952
0.000005
0.000000
Agua
1.000000
0.033455
0.997968
0.999836
Oxígeno
0.000000
0.088275
0.000001
0.000000
Nitrógeno
0.000000
0.824124
0.000006
0.000000
Ácido acrílico
0.000000
0.000000
0.000163
0.000164
Acroleína
0.000000
0.022073
0.001851
0.000000
Dióxido de Carbono
0.000000
0.020122
0.000006
0.000000
Nro. de Corriente
17
18
19
20
Temperatura (°C)
-15.0000
-8.0179
-30.8693
55.8756
Presión
101.0000
101.0000
101.0000
101.0000
-35017.
-69364.
257.31
-66544.
0.0036787
0.025464
1.0000
0.00000
246.7326
438.2639
36.4944
401.7698
12499.2906
19149.9239
1534.5740
17615.3501
5530.18
9823.09
817.97
9005.13
(kPa)
Entalpía (MJ/h) Fracción molar de vapor Total kmol/h Total kg/h Total std V m3/h
Fracción molar de componentes Propileno
0.002107
0.078593
0.943828
0.000000
Agua
0.138098
0.294411
0.000002
0.321154
Oxígeno
0.000573
0.000323
0.003875
0.000000
Nitrógeno
0.002725
0.001534
0.018425
0.000000
Ácido acrílico
0.000000
0.000000
0.000000
0.000000
Acroleína
0.853960
0.623711
0.016718
0.678846
Dióxido de Carbono
0.002537
0.001428
0.017152
0.000000
Nro. de Corriente 21 Temperatura (°C) 48.0000 Presión (kPa) 101.0000 Entalpía (MJ/h) -32253. Fracción molar de vapor 0.00000 Total kmol/h 276.1218 Total kg/h 15112.7463 3 Total std V m /h 6188.90 Fracción molar de componentes Propileno 0.000000 Agua 0.035003 Oxígeno 0.000000 Nitrógeno 0.000000 Ácido acrílico 0.000000 Acroleína 0.964997 Dióxido de Carbono 0.000000
22 59.2225 101.0000 -34517. 0.00000 125.6475 2502.5849 2816.22
23 99.9094 101.0000 -3.1216E+007 0.00000 111337.3161 2006726.6643 2495475.34
24 99.9094 101.0000 -6.2315E+005 0.00000 2222.5563 40059.0172 49815.59
0.000000 0.949998 0.000000 0.000000 0.000000 0.050002 0.000000
0.000000 0.999836 0.000000 0.000000 0.000164 0.000000 0.000000
0.000000 0.999836 0.000000 0.000000 0.000164 0.000000 0.000000
Nro. de Corriente 25 Temperatura (°C) 120.0000 Presión (kPa) 101.0000 Entalpía (MJ/h) -5.3118E+005 Fracción molar de vapor 1.0000 Total kmol/h 2222.5563 Total kg/h 40059.0172 3 Total std V m /h 49815.59 Fracción molar de componentes Propileno 0.000000 Agua 0.999836 Oxígeno 0.000000 Nitrógeno 0.000000 Ácido acrílico 0.000164 Acroleína 0.000000 Dióxido de Carbono 0.000000
Nro. de Corriente 29 Temperatura (°C) 3.8761 Presión (kPa) 203.0000 Entalpía (MJ/h) 327.30 Fracción molar de vapor 1.0000 Total kmol/h 36.4944 Total kg/h 1534.5740 3 Total std V m /h 817.97 Fracción molar de componentes Propileno 0.943828 Agua 0.000002 Oxígeno 0.003875 Nitrógeno 0.018425 Ácido acrílico 0.000000 Acroleína 0.016718 Dióxido de Carbono 0.017152
26 389.5074 600.0000 -5.0994E+005 1.0000 2222.5563 40059.0172 49815.59
27 -122.0808 101.0000 -33912. 1.0000 2646.8291 76060.3247 59325.09
28 -15.0000 101.0000 -34347. 0.14866 191.5316 6650.6333 4292.92
0.000000 0.999836 0.000000 0.000000 0.000164 0.000000 0.000000
0.000000 0.000000 0.094663 0.883759 0.000000 0.000000 0.021578
0.177123 0.495776 0.000000 0.000000 0.000000 0.327100 0.000000
30 200.0000 203.0000 867.82 1.0000 36.4944 1534.5740 817.97 0.943828 0.000002 0.003875 0.018425 0.000000 0.016718 0.017152
ESTIMACIÓN DE LOS COSTOS Para hallar los diferentes costos de los equipos se hizo uso del libro de “Diseño procesos de ingeniería química” por Jiménez Gutiérrez, Arturo.
de
COSTOS DEL ABSORBEDOR Y DE 4 COLUMAS DE DESTILACIÓN. Hacemos uso de la siguiente ecuación para determinar los diámetros: 4 DC .V
1/2
T DV 1 1 D R ( ) 1 (22.2) 273 P 3600 1/2
1 V 0.761 P
D : flujodel destilado, kmol/h R :reflujo T DV :Temperatura delcondensador, K P :Presión en la columna,atm
Hacemos uso de la siguiente ecuación para determinar las alturas de las columnas:
S 4.27
H C 0.61
S : Número de platos : eficiencia
promedio delos platos
Tabla de datos del Chemcad para las columnas: Torre
D(Kmol/h)
R
Tdv(K) P(atm)
V
S
n
T – 101
2838.361
0
293
1
0.761
30
0.9
T – 103
2436.727
0.012
293
1
0.761
30
0.9
T – 102
300.000
0.22
293
1
0.761
50
0.9
T – 104
36.49
10
293
1
0.761
30
0.9
T-105
276.00
1
293
1
0.761
30
0.9
Tabla N°1 de resultados usando las ecuaciones:
Torre
Dc(m)
Hc(m)
T – 101
5.6
24.6
T – 103
5.22
24.6
T – 102
2.0
38.0
T – 104
2.1
24.6
T – 105
2.47
24.6
Con la siguiente ecuación determinamos el capital BASE Cp (US$) para cada columna: Cp 235 19.8 xDc 75.07 xDc 2 C BM Cp.N .FBM .Fq N (platos) 1 4 7 10 >20 Material de construcción Acero al carbón Acero inoxidable Fluorocarbon Ni-alloy
Fq 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 FBM, Trays 1.2 2.0 5.0
Hacemos uso de la Tabla N°1 para hallar los costos para el año 1996.
Tabla N°2 de resultados de Costos:
Torre
1996, (US$)
T – 101
97202.70
T – 103
85820.16
T – 102
34492.80
T – 104
21974.99
T – 105
26708.42
INDICE DE COSTOS (CHEMICAL ENGINEERING)
C2013
C
Año
Marshall
Chemical
1995
1028.0
381.0
1996
1039.1
382.0
1997
1056.8
386.5
1998
1061.9
389.5
1999
1068.3
390.6
2000
1089.0
394.1
2001
1093.9
394.3
2002
1104.2
395.6
2003
1123.6
402.0
2004
1178.5
444.2
2005
1244.5
468.2
2006
1302.3
499.6
2007
1373.3
525.4
2008
1400.0
552.0
2009
1450.0
570.0
2010
1498.0
591.0
2011
1538.0
613.0
2012
1589.0
638.0
2013
1624.0
654.0
2014
1687.0
679.0
1996
Indice 2013 1996 Indice
TABLA N°3 Costos de las columnas 2013
Torre
1996, (US$)
2013, (US$)
T-101
97,202.70
166,415.1
T – 103
85,820.16
146,927.7
T – 102
34,492.80
59,053.11
T – 104
21,974.99
37,622.10
T – 105
26,708.42
45,725.93 455,743.94
TOTAL
COSTO DEL REACTOR:
Según la referencia: Martínez V. Carlos MSc. “Producción de Acroleína a partir de la oxidación parcial de propileno usando un sistema catalítico Sb-Sn-O”, Universidad Autónoma Metropolitana de Iztapalapa, México 1997, para un reactor de lecho fluidizado de 31.4159 m3 y para una producción de 34.8411 kmol/h de acroleína, en el año de 1997, el costo fue de US$ 660 000. Para el presente caso, la producción de acroleína es de 266.52 kmol/h y el volumen se determinó con un valor de 10.18 m3. Por lo tanto, reescalando y actualizando el costo con la regla de seis décimas y con el uso de los índices de costo de la revista Chemical Engineering, respectivamente, se obtiene: 0.6
Costodel 10.18 654.0 US$660000 31.4159 386.5 Reactor Costodel US$567 977.5 Reactor
COSTO DE INTERCAMBIADOR DE CALOR
Para realizar dichos cálculos usaremos el método de Guthrie del libro de “Diseño de procesos de ingeniería química” por Jiménez Gutiérrez, Arturo.
Para ello estimaremos primero el costo de una unidad de 159,304 de la figura 3.3
Figura 3.3
Costo base (Cbase)=$329,182.00 Los factores de ajuste son :
Factores de ajuste
Tipo de diseño Cabeza flotante Tubo U OTROS
Fd
Presion diseño (psia) INFERIOR A 150 400 800
1.0 0.85 0.9
Fp 0.00
TIPO MATERIAL AC/AC
1.00
0.25 0.52
AC/LATON AC/TITANIO
1.25 7.25
Fd=0.9 (tipo de diseño) Fp=0.0 (presión de diseño) Fm=1.0 (material de construcción) Costo de intercambiador de calor ajustado (Cfob) = Cbase (Fd + Fp) Fm Cfob=$329182 (0.9+0.0) 1.0 Cfob =$296263.00
Fm
Para el intercambiador de calor , el factor modulo desnudo ( tabla 3.2)
Factores modulo Unidad
Factor modulo
Horno de proceso Calentadores fuego directo Intercambiador calor Enfriador aire Recipiente vertical Bombas
2.30 2.30 3.39 2.54 4.34 3.48
Factor modulo =3.39 El costo de una unidad en año 1968 Cmd=$329182*3.39=$1115926.00 El costo de la unidad deseada se obtiene sumando el rubro anterior la diferencia entre Cfob y Cbase , lo cual da el modulo desnudo ajustado Cmda= $1115926 + ($296263-$329182) Cmda= $1083007.00 Este valor representa el costo de unidad deseada en 1968 , año base . para estimar el costo de la unidad en el año 2013, usemos los índices de costos ( CHEMICAL
ENGINEERING) Para 1968: 113.7 Para 2013: 654 Cmda=$1083007*654/113.7 Cmda=$6´229,438 Añadiendo 15% de contingencias
Costo=1.15xUS$6´229,438 = US$7´163,854.00
INVERSIÓN DE CAPITAL TOTAL PARA LA PLANTA DE PRODUCCIÓN DE ACROLEÍNA
1.- COSTO EQUIPO ADQUIRIDO: A continuación mostraremos los costos de los equipos más resaltantes de la planta de producción de acroleína (equipo adquirido), los cuales fueron obtenidos del programa ChemCAD ® y el Analisis Pinch TA BL A N ° 1 COSTO D E L OS EQU I POS AD QUI RI DOS
N°
EQUIPO ADQUIRIDO
COSTO (US$)
1
5 COLUMNAS
455,743.94
2
INTERCAMBIADORES DE CALOR
7´163,854.00
3
1 REACTOR PBR
567,977.50
-
COSTO EQUIPO ADQUIRIDO
9´023,721.44
El Costo Equipo Adquirido se halla a partir de la suma de los costos de los equipos especificados en el diagrama de bloques. Costo Equipo Adquirido ($)
7
( Costo Equipo) i 1
COSTO EQUIPO ADQUIRIDO = $ 9´023,721.44
2.- HALLAMOS LA INVERSIÓN DE CAPITAL FIJO POR MEDIO DE LA TABLA 4 DEL LIBRO DE “DISEÑO DE PLANTAS Y SU EVALUACIÓN PARA INGENIEROS QUÍMICOS”. TABLA 4. Variaciones típicas del porcentaje de inversiones del capital fijo para plantas nuevas de procesos múltiples o para grandes ampliaciones de las existentes.
Componente
Rango de variación en %
Valores medios en %
20 - 40
32,5
Instalación del equipo adquirido
7,3 - 26,0
12,5
Instrumentación y controles (instalados)
2,5 - 7,0
4,3
Cañerías y tuberías (instaladas)
3,5 - 15,0
9,3
Instalaciones eléctricas (colocadas)
2,5 - 9,0
5,8
Obras civiles (incluyendo servicios)
6,0 - 20,0
11,5
Mejoras del terreno
1,5 - 5,0
3,2
Instalaciones de servicios (montadas)
8,1 - 35,0
18,3
Terreno
1,0 - 2,0
1,5
Ingeniería y supervisión
4,0 - 21,0
13,0
Gastos de construcción
4,8 - 22,0
14,5
Honorarios del contratista
1,5 - 5,0
3,0
Eventuales
6,0 - 18,0
12,3
COSTOS DIRECTOS Equipo adquirido
COSTOS INDIRECTOS
PORCENTAJE DE BASE PARA VALORES MEDIOS
141,7
PARA HALLAR LA INVERSIÓN DE CAPITAL FIJO SE DEBE TOMAR EN CUENTA QUE:
INVERSIÓN DE CAPITAL FIJO = COSTOS DIRECTOS + COSTOS INDIRECTOS INVERSIÓN DE CAPITAL FIJO DE BASE 100%: Relación % del total= (Valores medios en % x 100)/ (Porcentaje de base para valores medios) REALIZANDO LA CONVERSIÓN LA TABLA QUEDA DE LA SIGUIENTE MANERA:
Componente
Relación % del total
Costos de los componentes en ($)
Equipo adquirido
22.934
9023721.44
Instalación del equipo adquirido
8,825
3472326.75
Instrumentación y controles (instalados)
3,027
1191017.91
Cañerías y tuberías (instaladas)
6,569
2584670.19
Instalaciones eléctricas (colocadas)
4,096
1611631.77
Obras civiles (incluyendo servicios)
8,113
3192179.82
Mejoras del terreno
2,255
887263.09
Instalaciones de servicios (montadas)
12,911
5080023.87
Terreno
1.058
416285.74
Ingeniería y supervisión
9,171
3608465.56
Gastos de construcción
10,237
4027899.03
Honorarios del contratista
2,127
836899.60
Eventuales
8,677
3414093.96
100
39´346,478.74
PORCENTAJE DE INVERSIÓN DE CAPITAL FIJO
INVERSIÓN DE CAPITAL FIJO = US$ 39´346,478.74
3.- HALLAMOS LA INVERSIÓN DEL CAPITAL FIJO POR MEDIO DE LA TABLA 17 DEL LIBRO DE “DISEÑO DE PLANTA Y SU EVALUACIÓN PARA INGENIEROS QUÍMICOS”. TABLA 17 Factores relativos para la estimación de la inversión de capital para los diversos rubros, basados en el costo de los equipos entregados. Porcentaje del costo del equipo entregado para Planta que procesa sólidos
Planta que procesa sólidos y fluidos
Planta que procesa fluidos
Equipo adquirido y entregado (incluyendo equipo fabricado y maquinaria para el proceso)
100
100
100
Instalación del equipo adquirido
45
39
47
Instrumentación y controles (instalados)
9
13
18
Cañerías y tuberías (instalados)
16
31
66
Instalaciones eléctricas (colocada)
10
10
11
Obras civiles (incluyendo servicios)
25
29
18
Mejoras del terreno
13
10
10
Instalaciones de servicios (montadas)
40
55
70
Terreno (si es necesario adquirirlo)
6
6
6
264
293
346
Ingeniería y supervisión
33
32
33
Gastos de construcción
39
34
41
336
359
420
RUBRO
Costo directo
Costo directo total de la planta Costos indirectos
Total de costos directos e indirectos de la planta
Honorarios del contratista (aproximadamente el 5% de los costos directos e indirectos de la planta)
17
18
21
Eventuales (alrededor del 10% de los costos directos e indirectos de la planta)
34
36
42
Inversiones de capital fijo
387
413
483
Capital de trabajo (alrededor del 15% de la inversión total de capital)
68
74
86
Inversión total de capital
455
487
569
PARA HALLAR LA INVERSIÓN DE CAPITAL FIJO SE DEBE TOMAR EN CUENTA QUE:
INVERSIÓN DE CAPITAL FIJO BASE 100% DE EQUIPO ADQUIRIDO Y ENTREGADO:
RUBRO
Planta que procesa fluidos
Costos de cada componente
Equipo adquirido y entregado (incluyendo equipo fabricado y maquinaria para el proceso)
100
9023721.44
Instalación del equipo adquirido
47
4241149.07
Instrumentación y controles (instalados)
18
1624269.85
Cañerías y tuberías (instalados)
66
5955656.15
Instalaciones eléctricas (colocada)
11
992609.35
Obras civiles (incluyendo servicios)
18
1624269.85
Costo directo
Mejoras del terreno
10
902372.14
Instalaciones de servicios (montadas)
70
6316605.00
Terreno (si es necesario adquirirlo)
6
541423.28
346
31222076.18
Ingeniería y supervisión
33
2977828.075
Gastos de construcción
41
3699725.79
Total de costos directos e indirectos de la planta
420
37899630.05
Honorarios del contratista (aproximadamente el 5% de los costos directos e indirectos de la planta)
21
1894981.50
Eventuales (alrededor del 10% de los costos directos e indirectos de la planta)
42
3789963.00
Inversiones de capital fijo
483
43584574.56
Capital de trabajo (alrededor del 15% de la inversión total de capital)
86
7760400.43
Inversión total de capital
569
51344974.99
Costo directo total de la planta Costos indirectos
INVERSIÓN DE CAPITAL FIJO = US$ 43´584,574.5 CAPITAL DE TRABAJO =US$ 7´760,400.43 INVERSIÓN DE CAPITAL TOTAL = US$ 51´344,974.99
Bibliografía 1. West Virginia University, Large-scale Process design projects – Acrolein
2. Chemical Reactor Engineering, Design projects - Acrolein, Robert Hesketh, Rowan University. 3. Martínez V. Carlos MSc. “Producción de Acroleína a partir de la oxidaci ón parcial de propileno usando un sistema catalítico Sb-Sn-O”, Universidad Autónoma Metropolitana de Iztapalapa, México 1997. 4. http://en.wikipedia.org/wiki/Acrolein 5. Weissermel K., Arpe H.J. “Industrial Organic Chemistry” 3ra ed. Editorial Wiley&sons. USA 1997. 6. Revista “Chemical Engineering” 7. West Virginia University, Companion projects – Acrylic acid