INSTITUTO NACIONAL DE MÉXICO INSTITUTO TECNOLÓGICO DE LA LAGUNA
SÍNTESIS Y OPTIMIZACIÓN DE PROCESOS
PROYECTO FINAL
PRODUCCIÓN DE JABÓN Fecha: 20 Nov 2017
EQUIPO Narda C. Acosta David A. Méndez Verónica L. Villarreal Susana J. Zavala
TEMARIO
Introducción Producción de Jabón
Rutas de Reacción
Diseño de distribución y separación de especies
Diseño de sistemas de Integración de energía
Criterios de Seguridad del proceso
Análisis de aspectos Ecológicos
Análisis Económico
Bibliografía
INTRODUCCIÓN La industria de manufactura de jabón y de múltiples productos fabricados a base de jabón es un sector del cual depende enormemente nuestra sociedad occidental actual. Desde tiempos pasados se han usado jabones para incrementar el poder limpiador del agua, ya que esto se ha asociado con la salud pública y con otro tipo de aplicaciones. Existen muchas clases de jabones según su uso, presentación, aroma, receta. Hay jabones para el aseo personal para lavar vajilla, pisos, ropa, vehículos, pero asimismo jabones industriales y jabones utilizados en concentraciones especiales para la manufactura de otros productos. El jabón es un compuesto utilizado para mejorar las propiedades limpiadoras del agua y otras aplicaciones. Desde el punto de vista químico se conoce como jabón a las sales de ácido carboxílico y la base que se producen tras una reacción de saponificación
PRODUCCIÓN DEL JABÓN El jabón es una mezcla de sales de ácidos grasos. La fuente de los ácidos grasos pueden ser los aceites triglicéridos de origen vegetal o la grasa de origen animal, como el sebo de res o el aceite de coco y palma. La etapa fundamental de la fabricación de jabón es la saponificación, donde ocurre la reacción: Grasa + álcali→ jabón + glicerina
Sin embargo el proceso industrial, consta de dos etapas más: el salado o sangrado (separación de la glicerina y el álcali que no ha reaccionado del jabón) y el moldeado. La eficacia del jabón como agente limpiador se debe a su naturaleza anfifílica, tiene una parte lipofílica (apolar) por medio de la cual se une la grasa o el aceite y una hidrofílica (polar) que tiene afinidad por el agua; de esta manera el jabón forma una emulsión con la grasa y el agua removiendo la suciedad. Proceso de producción de jabón:
1. Recibo y Acopio de Materias Primas. Este es el primer paso en la cadena de producción, en donde se reciben las materias primas y se las almacena para la posterior elaboración. 2. Dosis de los materiales. Para la producción del jabón, se establece cierta cantidad de carga la cual implica a su vez la dosis que se
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empleará de las materias primas, que serán bombeadas hacia una paila o fuente donde serán hervidas. Saponificación. Este es un proceso químico que genera una reacción de la cual a su vez se crean los jabones, mediante la separación de las grasas en un ambiente alcalino, consiguiéndose los ácidos grasos y la glicerina. Para que esta reacción ocurra se procede a mixturar ácidos grasos de origen vegetal o animal con el elemento alcalino el cual compone de agua y una base o álcali como la potasa que logra un producto blando, o la sosa cáustica para lograr más dureza en el mismo; de esta reacción también se obtiene la glicerina que conocemos tiene un efecto suavizante. Fase de Purificación. Cualquier remanente de Sosa es eliminado y se establece el porcentaje de glicerina que se desea en el jabón (de 18 a 25% peso), la glicerina restante es recuperada y puede ser vendida como subproducto. Fase de secado. Posteriormente se traslada el preparado al tanque de secado, de donde luego pasará a los rodillos de acero para crear tiras de la masa, que irán depositadas a un recipiente, manejando de un 27 a 31% de humedad. Proceso de extrusión. Mientras las tiras de jabón aún se mantienen húmedas y calientes, se las hace pasar por la máquina de extrusión, en donde se ejercerá presión que comprimirá a la perfección las partes, con ayuda de vapor. Esto formará largas y anchas barras de jabón que después serán perforadas con moldes de distintas formas, rectangulares, cuadradas o cilíndricas. Verificación de calidad. El producto deberá cumplir con los parámetros de calidad, los cuales serán verificados con análisis específicos del mismo, que tendrán relación con su composición, como el contenido de humedad en un 23%, álcali libre no más del 0,05%, grasa insaponificable no más del 0,1% y sal no más del 0,5% (debe tenerse en cuenta que el jabón se tornará endeble si posee más sal de la recomendada). Obtención del producto final. Luego de que el jabón se haya cortado en pastillas, estas pasarán por la máquina troqueleadora, dándole la forma final junto con la marca. Después del paso anterior, cada uno de los jabones son empaquetados con la ayuda de una máquina para el efecto, luego se trasportan a cajas de cartón, listos para su distribución y venta.
RUTA DE REACCIÓN Saponificación:
El proceso de fabricación de jabón se lleva a cabo gracias a una reacción química llamada saponificación. La saponificación es la hidrólisis con catálisis básica de grasas y aceites para producir jabón. Los aceites vegetales y las grasas animales son triglicéridos (esteres de glicerina con ácidos grasos), y al ser tratados con una base fuerte como sosa (NaOH) o potasa (KOH) se
saponifican, es decir se produce el jabón (sal del ácido graso) y la glicerina (glicerol). La reacción química que se efectúa en la fabricación de jabón se puede representar en forma general como sigue:
Reacción General de Saponificación
Usando Aceite de Palma para la elaboración de jabón la Reacción será:
+ → + ó
Reacción de saponificación con aceite de palma
DISEÑO DE DISTRIBUCIÓN Y SEPARACIÓN DE ESPECIES Materias Primas: La selección del aceite para la elaboración del jabón se baso en está tabla, la cual muestra las propiedades de algunos aceites en la elaboración del jabón, siendo así el aceite de palma la elección.
Las materias primas se alimentan continuamente a un reactor en proporciones fijas. Asumiendo un tasa de producción de 1000 kg de jabón húmedo por hora, los materiales se alimentarían con las siguientes tasas: Materia Prima
Aceite de palma Agua NaOH al 50%p
Cantidad
525.9 Kg/h 131.5 Kg/h 101 Kg/h
Distribución de las especies La sosa y el aceite estarán almacenados en dos tanques, luego se mezclaran junto a una corriente de agua en los calderos por medio de bombas hacia una paila o fuente donde serán hervidas. Posteriormente sucede o se lleva a cabo la saponificación, que genera una reacción de la cual a su vez se crean los jabones, mediante la separación de las grasas en un ambiente alcalino, consiguiéndose los ácidos grasos y la glicerina. Se mixturizan los ingredientes, este proceso cabe resaltar opera a temperaturas entre 70-80 °C . Una vez mixturada la salmuera, continuar agitando por media hora más y luego detener todo para que el preparado se enfríe haciéndolo descansar, esto de paso quitará el exceso de lejía, equilibrando el pH en neutro.
DIAGRAMA DEL PROCESO
1. Estanque de carburación 2. Tanque de aceite refinado 3. Caldera de saponificación 4. Tanque de mezclado de ingredientes 5. Intercambiador de calor 6. Secador de pulverización al vacío 7. Separador de finos (ciclón) 8. Condensador barométrico 9. Eliminador 10. Bomba de vacío 11. Peletizador 12. Tanque de fideos de jabón 13. Mezclador 14. Molino de tres rodillos 15. Plodder de vacío 16. Máquina de estampado
DISEÑO DE SISTEMAS DE INTEGRACIÓN DE ENERGÍA Durante el proceso de refinamiento del aceite se utiliza vapor saturado, el cual solo cede su calor sensible en este equipo, por lo cual, se sugiere la reutilización de esta corriente caliente para realizar un pre calentamiento de las corrientes de agua y sosa entrantes al sistema, con el fin de reducir el consumo de vapor calefactor en las calderas de saponificación.
Cantidad de vapor utilizado en el proceso de refinación.
= ∆ Para el aceite de palma.
)65−25º = 37023.36 /ℎ = (525.9 ℎ )(1.76 º Para el vapor.
= = 2202.2 Igualando y Despejando.
36 = 16.81198 = 37023. 2202.2
corriente
w Cp T ent( ºC) T sal (ºC) (Kg/h) (kJ/Kgºc)
H (agua caliente) C1 (ac. De palma + H2O) C2 (NaOH)
wCp (kJ/hºC)
h (kw/m2ºC)
16.82
4.18
120
40
70.3076
0.115
101
1.6
25
60
161.6
0.320
131.5
12.39
25
60
1629.285
Considerando un ΔT de 10ºC
∆1 = 70.3076110−60 = 3515.38 /ℎ ∆2 = [70.3076 − 161.6+1629.285]60−40 = −34411.548 /ℎ ∆3 = [−161.6+16285.285]40−25 = −246703.275 /ℎ Cascada de calor. Q1=0 Q 2=
3515.38 /ℎ
Q3=-30896.168 KJ/h Q 4=-277599.443 KJ/h
Corrección de cascada de calor. Q1=277599.443 KJ/h Q 2=281114.823 KJ/h Q3=246703.275 KJ/h Q 4=0
Punto de pliegue a 25ªC para frías y 35ºC para calientes. Sin cantidad mínima de enfriamiento y cantidad mínima de calentamiento de 246703.275KJ/h
Intercambio entre C1 y H
70.3076120−40 = 161.6 −25 = 59.8057 ≈ 60º
Red de intercambio propuesta.
120ºC
40ºC
H1
60ºC
25ºC C1
C2 25ºC
Calculo del área del intercambiador propuesto.
1 = 1 + 1 = 11.82 ∴ = 0.0846 0.115 0.32 º −35−25 = 27.9º ∆ = 120−60 ln 120−60 35 − 25 1 ℎ 5624. 6 08 ℎ 3600 = 0.662 = 0.0846 º 27.9º Bajo las consideraciones de fabricación más económicas del intercambiador de calor genera un costo de $ 27421.79
Calculo de cantidad de vapor utilizado en los tanques de saponificación.
)70−65 = 4627.92 /ℎ = (525.9 ℎ )(1.76 º )70−25 = 73317.825 /ℎ = (131.5 ℎ )(12.39 º )70−25 = 7272 /ℎ = (101 ℎ )(1.6 º Ʃ = 85217.745 /ℎ 745 /ℎ = 38.6966 /ℎ = 85217. 2202.2 / Cantidad de vapor utilizada con el intercambiador instalado.
)70−65 = 4627.92 /ℎ = (525.9 ℎ )(1.76 º )70−25 = 73317.825 /ℎ = (131.5 ℎ )(12.39 º )70−60 = 1616 /ℎ = (101 ℎ )(1.6 º Ʃ = 79561.745 /ℎ 745 /ℎ = 36.1283 /ℎ = 79561. 2202.2 / Ahorro de vapor.
38.6966−36.1283 = 2.5683 /ℎ Ahorro anual en costo de vapor.
1 8760 ℎ = 5946.7 $ 2.5683 ℎ 0.12 $ 0.454 1 ñ ñ Para la estimación del tiempo de recuperación de capital se considera $ como la utilidad bruta, ya que es la ganancia que genera la año implementación del equipo y $ 27421.79 como la inversión, debido a que este engloba la instalación y mano de obra necesaria para dejar funcionando el equipo y este no engloba todo el proceso de obtención de jabón. Se considera un factor de depreciación para fines contables del 10%.
5946.7
= + 27421.79 = 5946.7+0.1 27421.79 = 3.1559 ñ La inversión del proyecto se aprueba, debido a que el tiempo de recuperación de capital no es considerablemente largo y a la larga se obtendrá un una remuneración significativa al ahorrar en vapor.
CRITERIOS DE SEGURIDAD DEL PROCESO El proceso maneja sosa al 50% peso siendo esta una concentración de mediana a alta por lo cual se almacena en contenedores de acero inoxidable revestido. Las corrientes de alimentación no representan un riesgo si entran por la misma zona al reactor/caldera, sin embrago se extreman precauciones en las tuberías (vigilar qu no existan fugas) pues las temperaturas de precalentamiento de las materias de alimentación podrían figurar un riesgo a los operarios. El transporte de estos productos debe ser realizado por operadores capacitados, pues las sustancias empleadas son agresivas al contacto. Los sistemas para bombear desde el camión hasta los tanques de almacenamiento deben ser cuidadosamente diseñados según el manual de Perry el material recomendado es: Se evita a toda costa el uso de perfumes inflamables en los jabones. El subproducto obtenido, glicerina, es de baja toxicidad sin embargo, la reactividad de este le hace peligroso y propenso a explotar en contacto con oxidantes fuertes como el permanganato potásico, el clorato potásico, etc. Por ello, nunca debe almacenarse cerca de ese tipo de sustancias. Todos los tanques de almacenamiento están rodeados por bunds para atrapar el contenido de un tanque si se rompe o una válvula falla. Dentro de la planta, todas las áreas de proceso también están delimitadas.
ANÁLISIS DE ASPECTOS ECOLÓGICOS Envasado Las cajas de cartón para el almacenamiento del jabón serán de cartón reciclado para minimizar los impactos ambientales. Tratamiento de aguas El agua remanente del proceso de producción del jabón será tratada para liberar de impurezas y será recirculada al proceso para evitar gasto excesivo del líquido.
ANÁLISIS ECONÓMICO Se realizo el análisis económico de los equipos tomando como referencia los gráficos del método de Guthrie. Para algunos equipos se consultaron los precios estimados en catálogos industriales debido a que no venían en estos gráficos, para otros que no se encontraron sus precios, se optó por decir que ya se contaban con estos equipos, para omitir sus precios en el cálculo de la inversión total. Análisis del costo de los equipos en base al año 2017 Tanque de almacenamiento del aceite refinado (recipiente del proceso) Un diámetro de 6 ft y de altura 30 ft, estilo vertical, el material de recubrimiento es de acero inoxidable 316 revestido, presión inferior a los 50 psi Tres calderas de saponificación (calentador de fuego directo para aceite) Carga térmica 1 millon de btu /hr, Estilo horizontal cilíndrico estructura tubo de fuego de acero al carbón maneja presiones inferiores a los 500 psi
Dos tanques de mezcla de ingredientes (recipiente de proceso)
$
precio de un equipo $ precio por los 3 equipos $
precio de un equipo
224245.52
65904.0017
197712.005
$
544596.28
Un diámetro de 8 ft y de altura 40 ft, estilo vertical el material de recubrimiento de el material de recubrimiento de acero inoxidable, precio por los 2 revestido factor de presión hasta los 50 psi equipos $
1089192.56
Intercambiador de calor
$
27421.79
Área de 0.662 m2, tipo de diseño es de hoja de tubos fijos, manejo de presión menor a los 150 psi, materia de la coraza/tubos AC/AC Secador de pulverización de vacío (consulta de catálogo de equipos)
$
162000
Plodder de vacío (consulta de catálogo de equipos)
$
27000
Condensador barométrico (precio estimado)
$
180000
$
1907571.88
acero inoxidable, refrigerado por agua
Costo total de los equipos del proceso
Cantidad
Unidas
Materia Prima
4606.884
T
Aceite de palma
Costo unitario (MXN) 135.04
884.76
T
NaOH al 50%
250
La inversión fija fue de $ 1 907 571, 9 siendo esta el 25% de la inversión total. Lo cual nos indica que la inversión requerida para este proceso es de $ 7 630 287, 6. La producción anual será de 8 760 toneladas
Una tasa de impuestos del
35%
Un factor de depreciación para fines contables y fines de impuestos iguales
10% 20%
La tasa mínima de recuperación es de Utilidad Neta Utilidad Bruta Costo de servicios (vapor utilizado en el intercambiador) Costo de materia primas Costo de mano de obra es el 5% de la inversión total No hay subproductos Inversión fija Costo de operación del proceso Precio de venta de la producción al año Valor por tonelada producida al año
$ $ $ $ $ $ $ $ $ $
1526057.52 2054308.15 83652.1342 843297.67 381514.38 0 1907571.9 3216036.08 5270344.23 601.637469
BIBLIOGRAFÍA https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Saponification-with-NaOH.png https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Saponification-with-NaOH.png http://www.indexmundi.com/es/precios-de-mercado/?mercancia=aceite-depalma&meses=12&moneda=mxn https://spanish.alibaba.com/product-detail/lpg-series-high-speed-centrifugalspray-dryer-1343169283.html?spm=a2700.8699010.29.106.3c3515de90iTdQ https://spanish.alibaba.com/product-detail/pressional-soap-bar-makingmachines-manufacturer-duplex-vacuum-soap-plodder-to-give-soap-bars60727617688.html?spm=a2700.8699010.29.11.7796871dX7ny7T https://spanish.alibaba.com/product-detail/water-cooling-film-plasticpelletizer-machine60295439416.html?spm=a2700.8698675.29.17.4c077d8T6vPvN&s=p
