Casa abierta al tiempo
UNIVERSIDAD AUTóNOMA METROPOLITANA UNIDAD ETAPALAPA DIVISI~NDE CIENCIAS BÁSICAS E INGENIERÍA
LABORATORIO DE PROCESOS Y DISEÑO111 “PROYECTO TERMINAL”
PURIFICACION DE NAFTALENO
DESARROLLADO POR: ESPINOSA RIVERA CÉSAR PRADO DE LA PAZ OLGA L. RODRIGUEZ MARTINEZ
Junio de 1996
CAPITULO 1. Caracterislicas del najialeno
INTRODUCCION El proyecto terminal se divide en tres partes: en esta primera parte se investigará acerca
de las características del naftaleno como producto, las cuales incluyen sus propiedades físicas y químicas, sus aplicaciones, usos directos en la industria así como los productos químicosde
los cualeses
determinar en base a su
precursor, unavezconocidosestospuntos,sepuede
demanda y comercializaciónen el mercado si es rentable la
producción y purificación del naftaleno .
Se investigarán los distintos métodos de producción y las diferentes materias primas de las cuales se obtiene para realizar un análisis de las ventajas y desventajas de cada uno y de esta manera efectuar una selección del proceso de obtención más factible;
En la segunda parte unavezconcluidala
parte de investigación seprocederá
experimentación, diseñando el correspondiente proceso seleccionado anteriormente,
a la que
en nuestro caso de investigación corresponderá a la purificación del naftaleno por medio de la cristalización buscando mejorar la economía
del proceso, la presentación, calidad y
pureza del naftaleno como producto de mercado.
En la tercera parte procesode
se considerarán
la cristalización quevamos
los aspectos relacionados particularmente
al
a proponer industrialmente , diseñando ya en
detalle los diagramas de flujo, los materiales de construcción , los balances de materia y energía, dimensionamiento del equipo, modo deoperación,simulación, económica del proceso
que incluye el costo del equipo, costos
la evaluación de manufactura,
rentabilidad del proceso y finalmente, el mejoramiento de las características del producto obtenido para su venta comercial y las ganancias respectivas.
CAPITULO 1. Caracteristicas del twfiuleno
OBJETIVO
Se busca como objetivo particular analizar la cristalización como proceso de obtención y purificación de ciertas sustancias químicas cristalización
esunprocesoampliamente
investigado a fondoparaobtener
de importancia industrial, ya que la utilizado en la
industria, y
las ventajasquenosproporciona
noseleha su economía,
simplicidad flexibilidad y selectividad.
Se encamina para
este fin
la obtención y purificación del naftaleno, de tal manera que
su estudio nos lleve al mejoramiento de su comercialización dentro del país , con miras a reabrir el mercado internacional en exportación , pormedio
del mejoramiento
de su
presentación y calidad comercial , reduciendo los costos de su producción para que sea competitivo con los productos sucedáneos a él.
2
CAPITULO I . Curuclcristicus del tlufuleno 1.- EL PRODUCTO Y SUS CARACTERíSTICAS
1.1.- ANTECEDENTES
El naftaleno, C1 oH8, peso molecular.
128.16, forma cristales blancos u hojuelas
romboidales blancas. El naftalenocomercial tiene unolor característico que sedebe a impurezas. El olor del compuestopuroesmenos principales usos
son: 1) comoprimera
intenso y menosdesagradable.,
materia paragrannúmero
(naftoles, naftilaminas, etc.) de colorantes orgánicos;
sus
de intermedios
2) para la producción de anhídrido
ftálico (oxidación); 3) para producir disolventesporhidrogenación
(tetrahidronaftaleno y
decahidronaftaleno) ; 4) como repelente de la polilla e insecticida.
El naftaleno se obtiene del gas a partir de la coquización de la hulla, de la destilación del alquitrán dela hulla y por la reformación mediodela
del petróleo destilado ; se puede purificar por
cristalización y la destilación, seencuentra
en mayorescantidades
en el
alquitrán de hulla de la cual se obtiene a nivel industrial
En México su principal productor hasta años recientes es la empresa Carboquímica Block S.A. de C.V. , la cual obtenía al naftaleno
refinado por destilación del alquitrán de hulla
con una pureza del 98 %. Actualmentelademanda
del naftalenosehadecrementadodebido
alternativa de sucedaneos, como es
a la utilización
el caso del xilenoparalaproduccióndeanhídrido
ftálico.
3
CAPITULO I . Caracterislicas del nafialeno
I.2.-PROPIEDADES FISICAS.
El naftaleno purificado suele hallarse en el comercio
en formademasasblancas
cristalinas o laminillas romboidales delgadas. Cristaliza del alcohol en escamas o en
El olor combinación de la no completamente puro es
prismas monoclínicos.
característico , penetrante
y breoso con saboracre
, El de la substanciadepurada
cuidadosamente es mucho menos intenso y menos desagradable.
* Fórmula condensada: CqoH8 (93.71 % de carbono y 6.26 % de hidrógeno). * Peso fórmula : 128.17 * P.Fusión : 80.29 OC * P.Solidificación : 79.6-79.8 OC * Calor de fusión: 4536 cal/ g-mol * Calor de combustión : 9619.6 caI/g * El calor de combustión molecular
a presión constante : 1233.6 Cal
* El calor de combustión molecular
a volúmen constante : 1237.5 Cal
* índice de refracción : 1.5821 100 * Punto de destello :
copa abierta : 87.78 OC copa cerrada : 78.9 OC sólido inflamable * Límites explosivos, vol % gas límite mínimo : 0.9 % límite máximo: 5.9 % * Arde al aire con llama muy luminosa y gran desprendimiento de hollín
* Sublima fácilmente y se volatiliza a temperaturas muy inferiores a su punto de ebullición ; esvolátilconvapor
de agua,convapor
petróleo de bajo puntode
de alcohol y convaporesde
los aceites de
ebullición así como con los vapores de aceites ligeros de
alquitrán. Se volatiliza lentamente a la temperatura ordinaria y más rápidamente en una atmósfera que contenga amoniaco
que en el aire puro y en el hidrógeno
*p.eb., ver tabla 1; *Densidades: d420 1.169, d485 0.9752; d4100 0.9628; *nD20 1.5898 5 0.0002 (85 "C); * punto de combustión : 558.9 O C . 4
CAPITULO 1. Cal-acterislicas del rlaftaleno
TABLA No. 1.
Presión, mmHg
Presiones de vapor del Naftaleno Presión, mmHg temperatura "C
temperatura "C
1
52.6
60
130.2
5
74.2
1O0
145.5
10
85.2
200
167.7
20
101.7
400
193.2
40
119.3
760
217.9
*El naftaleno forma azeótropos (mezclas de temperatura convarioscompuestos.La
de ebullición constante)
tabla 2 presenta varios ejemplos,algunos
de los cuales
pueden llegar a ser tecnológicamente interesantes. TABLA No. 2 Azeótropos del Naftaleno.
(%peso) (%peso) del
Conc. del Azeotropo componente de Punto ebullición azeo. a 760torr.
16 49 73 15 95 97.2 95 63.5 40 28 40
84 51 27 85 5 2.8 5 36.5 60 72 60
Componente Naftaleno
Agua Etilen glicol Acetanamida 1,3,5-Trietilbenceno Acido benzoic0 m-Cresol 1,2-Bencenodiol(catecol) 4-Clorofenol 2-Nitrofenol Bencilacetato Alcohol bencilico
98.8OC 183.9OC 199.55OC 215OC 217.7OC 202.08OC 217.7OC 216.3OC 215.75OC 214.65OC 204.1OC
*El naftaleno es poco soluble en el agua (O.O19g/l a O OC y 0.030 g/l a 100 " C ) ; es más
soluble en muchos compuestos orgánicos. El mejor disolvente es el tetrahidronaftaleno, el cual tiene lamayorsemejanza
en configuracióncon
el naftalenoentretodos
los
disolventes. El naftaleno es soluble en el anhídro sulfuroso líquido y da una solución de color amarillo verdoso; es soluble
en los fenoles, en los éteres, el ácido acético, en las
grasas y en los aceites volátiles. El naftaleno es un buen disolvente del fósforo, el yodo, el azufre, varios sulfuros metálicos y compuestos orgánicos.( tabla 3).
TABLA No. 3 Datos de solubilidad delNaftaleno Solvente
Agua Acetona Tetracloruro de carbono Benceno Etil eter n-heptano Etanol
Solubilidad a 25OC g1100g. de solvente 0.0040 69.16 26.82 65.71 57.12 19.82 12.10
6
CAPITULO 1. Caracteristicas del nqftalem
1.3.- PROPIEDADES QUiMlCAS.
Estructura química:
El naftaleno es el primer miembro en la serie de los compuestos aromáticos con anillos condensados. La fórmula I es con frecuencia abreviada, expresándola en las fórmulas I I ó Ill.
La numeración de los átomos de carbono va mostrada en la fórmula I I . Las posiciones 1,4,5 y 8 se llaman posiciones a y los lugares 2,3,6 y 7 son posiciones b; por ejemplo anaftol o alfa naftol es el l-naftol; b-naftol o beta-naftol es el 2-naftol. Las designaciones siguientes para las bisutaciones se encuentran principalmente en la vieja literatura: 1.5 = ana; 1.8 = peri; 2.6 = anfi; 2.7 = pros. La configuración de la molécula
del naftaleno no
puede ser representada por una estructura definida. Según la teoría de la resonancia, las tres estructuras IV, V, y VI aportan contribuciones aproximadamente iguales.
Sólo en la configuración IV son aromáticos ambos anillos, en tanto que enlas
configuraciones V y VI un anillo es arómatico el yotro
tiene una estructura de
ciclohexadieno. Todas las reacciones químicas de los derivados del naftaleno concuerdan conlaconfiguración posiciones.Estose naftaleno. Así copulación la
IV, como si los enlaces dobles estuvieran"congelados" comprueba considerando la sustituciónelectrofílica del 2-naftol con un catión diazonio se
en esas
en elanillo de produce
exclusivamente en la posición 1 y no en la tres. Esto se explica muy bien considerando que la distribución electrónica representada por IV conduce a más energía de resonancia enelestado
de transición. Además, la regla de Friesdice
que la configuración más
7
CAPlTnLO l. Caracteristicas del nufiule~~o
estable de los hidrocarburos polinucleares es la que contiene el mayor número de anillos aromáticos. El naftaleno, como otros hidrocarburos aromáticos polinucleares,formacompuestos
de
adición con compuestos polinitro. El ejemplo más conocido es el compuesto de adición del naftaleno y el ácido pícrico o picrato de naftaleno. La formación de este compuesto se usa analíticamente.
Reacciones químicas:
El naftaleno puede experimentar un número de reacciones químicas formando importantes intermediarios orgánicos usados en manufactura la
de colorantes,
farmaceúticos, químicos etc. . Latabla 4 resume las más importantes reacciones del naftaleno y también lista los principales productos de éstas.
TABLA No. 4 Las reacciones más importantes delNaftaleno Reacción
Productos más importantes de la reacción
Sulfunación: por conc. de ácido sulfúrico 1- y 2-ácido naftalensulfónico por ácido sulfúrico humeante ácidos Naftalendi,tri y tetrasulfónico Nitración l-nitronaftalenc alenomono desde Cloración Alquilación Alquilnaftalenos Alquilnaftalenos FriedLCrafts reacción Alquilación en presencia de ác.sulfúrico ácido Alquilnaftelensulfónico tetraHidrogenación y decahidronaftaleno naftaquinona Oxidación ftálico y anhídrido
CAPITULO 1. Cat-actel-isticasdel tiaftaleno
-Antihelmíntico
Contaminación:
-Antisépticos -Repelente de la polilla -Síntesis orgánica -Insecticidas. -Resinas -Tintes Concentración max.permisible: 25 ppm en aire (sugerido) Absorción corporal: . -Inhalación
-Ingestión. Patología :
"Irritante -Hemólisis intravascular -Necrosis hepática -Depresivo del sistema nervioso central.
Signos y síntomas: -
-Conjuntivitis
- Dolor de cabeza - Náuseas, vómitos, dolor abdomina1,diarrea.
- Sudoración aumentada - Inflamación de las glándulas parótidas. - Hepatomegalia e ictericia - Esplenomegalia - Hemólisis y anemia -
Disuria y tenesrno
- Neuritis del nervio óptico. - Dermatitis. - Excitación mental seguida de inconsciencia y coma -Oliguria, albuminuria,hematuria,sedimentos en orina
9
CAPITULO I . Carucleristicus del najaleno
Test de dignóstico: Naftoles y naftoquinonas en orina Tratamiento.:
-Lavado de ojos con agua -Lavar con agua y jabón las partes contaminadas del cuerpo -Lavado gástrico, si se ha ingerido, seguido de un purgante salino -Aumentar los líquidos -Mantener una orina alcalina -Transfusiones de sangre, si se indican. -Se ha sugerido la cortisona -Sintomático y de fortalecimiento general
Secuelas: Las alteraciones en los ojos pueden ser permanentes Medidas preventivas:
-Ventilación adecuada -Gafas protectoras -Mascarilla con adsorbente químico -Guantes de goma -Reconocimiento médico anual del personal expuesto, con atención especial a los ojos e incluyendo biometría hemática completa y análisis de orina -Excluir de la exposición a los individuos con enfermedades de sangre, hígado y riñón.
10
CAPITULO 1. Catwctet-islicus del nafralet7o
1.5. USOS Y APLICACIONES
En la segunda mitad del siglo XIX se usaba principalmente el naftaleno como insecticida y el naftaleno refinado comorepelente
de la polilla delaropa
y los tapices contra el
entreno (1940) . En la agricultura se usa el naftaleno como fumigante contra la mosca de la zanahoria y la oruga de alambre , y en polvo contra los piojos del ganado y de las aves de corral (1943)[1]. Enla
actualidad el mayoruso
denaftaleno
escomomateriaprimaparamuchos
productos químicos orgánicos derivados (como se muestra en la figura 1) los cuales han adquirido una gran importancia
en la industria
de colorantes de
alquitrán
como
componentes azoicos.
Laoxidacionproduceanhídrido primaspara
ftálico que esuna
de las másimportantesmaterias
las resinas alquidicas y plastificantes y para la obtención de los diversos
colorantes, de ftaleína (eosina) y del indigo artificial; que adsorbe aproximadamente
los
dos tercios de la produccion de naftaleno [I].
En menores cantidades sirve para preparar trinitroftaleína , uno de los componentes de los explosivos favier. los productos de condensación de la naftalina con formaldehído han sido propuestos como resinas artificiales, detiene el desarrollo de los mohos y los mata en poco tiempo lo mismo que a los hongos de levadura y esquizomicetos [3].
La naftalina sirve asimismo en grandes cantidades en la
fabricación del negro de humo,
además como tal o en forma de productos residuales del alquitrán para la calefacción de alambiquesparala
destilación del alquitrán. Paraeste fin se le funde e inyecta por
mediodeunchorrodevapor aserrín. Además ha llegado
en el hogar o sehacenconellabriquetascon a ser un cuerpo importante para la marcha
2/3 de de motores de
explosión a los que se suministra en forma de bolas. Ha sido propuesta en la fabricación de
briquetas
de carbón
aplicación no despreciable
en polvo . Durante largo tiempo ha
tenido también una
para la carburación del gas de alumbrado
las lámparas llamadas de albocarbón.(l910) [3].
~
en particular de
CAPITULO 1. Caracteristicus del nujaleno
Grandescantidadesde
naftalina sirven en la industria degénerosbrutosparala
conservación de pieles y zaleas , para el relleno de pieles de animales , en la economía doméstica contra insectos de todas clases y despiojamiento . La naftalina es un mediodeconservaciónexcelentedelamadera depende juntamente con la de
.De supresencia
los fenoles en gran parte la eficiencia de los aceites de
impregnación; una vez fijada en los poros de la madera, se volatiliza con menos rapidez que el ácido fénico.(l914) Para fines de desinfección fué propuesta la naftalina , en particular para los cuartos de los enfermos (1905); hoy se emplea todavía en los retretes. La nafatalina perfumada con algo de nitrobenzol (salubrina) sirve para los mismos efectos.
Fundiendo juntamente cantidades iguales de naftalina y de azufre se forma
por
solidificación una solución sólida de los componentes a la cual sepuede
quitar por
mediode alcohol o bencina el disolvente. El azufremolecularquequeda
(azufre de
naftalina) se aplica para combatir los parásitos de las plantas.
En la
la industria de los explosivos se emplea
naftalina para adicionarla a los
explosivos de aire líquido y a los explosivos de nitrato de amonio.
Tieneademás
aplicación como substituto del alcanfor, como disolvente para el asfalto
y la resina, como substituto de la parafina y como disolvente en la industria del caucho, para adicionar lacas grasas y barnices resinosos y como diluyente en la fabricación de la dehidrotiotoluidina.(1902) [3].
12
CAPITULO 1. Curucteristicus del nuftuleno
1.6 .- METODOS DE OBTENCION 1.6.1.- MATERIAS PRIMAS PARA LA OBTENCIóN DE NAFTALENO
El naftaleno se puede obtener apartir de los productos de la destilación de la hulla y de la primera destilación del petroleo . fig 1 Cuando se destila la hulla se produce el gas de alumbrado , llamado también gas de hulla
: alquitranes, aguasamoniacales
y productossecundarios abonos,explosivos,etc)
:
( que sirven parapreparar
el coque(queseempleacomocombustible)
; el benzol ( de
donde se pasa al benceno, al tolueno y al xilol) Lasmateriasprimasde
las cualesse pude obtener el naftaleno son : el alquitrán, los
aceites ligeros del gas de hulla y el petróleo, según se explicará a continuaci6n.
FIG.l
DESTllAClON
I
PRIMARIA
GAS DE COQUE
ADSORCION
ACEITE DE LAVADO
NA.FTALEN0
HULLA O COQUE DESTILACION PRIMARIA
ALQUITRAN DE HULLA
NAFTALENO DESTILACION
TRATAMIENTO CATALITICO (PROC.HYDEAL) PRIMARIO
I NAFTALENO I
CATALITICO TRATAMIENTO TERMICO
DEST
NAFTALENO
13
CAP/TULO 1. Cal-acteristicas de1 nujaleno
Gas de hulla: El naftaleno es un componente
del gas de alumbrado , aún cuando se procura que esté
en la menor proporción posible, para evitar que se obstruyan las cañerias en 'tiempo frío. Laproporcióncontenida carbónempleadas
en el gasvaríaconsiderablemente
con las diversasclases de
y aumentasegúnaumentalatemperaturaempleadadurantela
carbonización, siendo ordinariamente de 4-6 YO.(tablas 5 y 6) TABLA No.5. HIDROCARBUROS AROMATICOS DE GAS DE HULLA
Componentes: en
porcentaje envol. hullade el gas
Benceno
0.66
Tolueno
0.13
Xilenos
0.05
Etilbenceno
0.05
Hemimeliteno
0.05
Naftaleno
0.09
Metilnaftalenos Total de hidrocarburos aromáticos
0.02 . 0.91
14
CAPfTULO I. Caracteristicas del najtaleno
TABLA No.6. ANALISIS COMPLETO DE HORNOS DE GAS DE HULLA
PORCENTAJE EN VOLUMEN DE GAS Componentes:
Desbenzolizado Impuros
Sulfur0 de hidrógeno
0.7
0.7
Dióxido de carbono
1.7
1.5
0.9
.o
Oxígeno
0.0
0.0
Hidrógeno Monóxido de carbono
56.7
57.2
5.7
5.8
Metano 29.2
29.6
Etano 1.35
1.28
Etileno 2.50
2.45
Propileno
O.34
1
Nitrógeno
Propano Butileno
1
0.1
0.29
0.08 0.16
0.18
Butano
0.02
0.04
Acetileno
0.05
0.05
Aceites ligeros
0.65
Totales:
100.33
.
0.015
.
100.07
Petróleo:
Aunque el naftaleno existe en algunos petróleos, la concentración es demasiado baja y no permite la extracción económica (tabla 8) .Los métodos modernos de producción de gasolina (cracking catalítico,
reformación ) pueden hacer
económicamente factible
producirlo como subproducto. Las fracciones que hierven en el intervalo de 200 a 230 "C contienen de 5 a 15 % de naftaleno. Las fracciones de punto de ebullición más alto contienen homólogos del naftaleno más abundantes que el mismo naftaleno
.
Una relación aproximada de
naftaleno:
metilnaftalenos : dimetilnaftalenos es la relación 1:7:1O. I5
CAPITULO l . Caracteristicus del naftale/lo
TABLA No.7.
Hidrocarburos aromáticos obtenidosdel petróleo crudo Galones por año de 1000 barriles diarios de crudo tratado
Fuente Producto Reformación Craqueo Hidrocarburo
virgen
catalitica
catalitico
25000
15000
20000
Tolueno
85000
280000
80000
De 8 átomos de C
125000
235000
160000
De 9 átomos de C
115000
145000
155000
De 10 átomos de C
115000
90000
11O000
465000
765000
525000
Benceno
16
CAPITULO 1. Caracteristicas del najialeno
Alquitrán de hulla:
Atualmente, la única fuente comercial de naftaleno es el alquitrán de hulla obtenida en un horno de coque para subproductos . Según la naturaleza de la hulla y las condiciones de coquificación , el alquitrán de hulla contiene de 5 a 11 YOde naftaleno, siendo el más abundante de todos los compuestos hallados en el alquitrán, ver tabla 7. En la mayoría de las fábricas de coque y
subproductos se obtiene un
alquitrán que contiene
aproximadamente 10 % de naftaleno . El alquitrán se destila y una fracción que contiene poco más o menos 40 YOde naftaleno se emplea para la extracción . Las cantidades de naftaleno recuperables del agua del refrigerante final y del residuo de la destilación de aceite ligero son de escasa importancia. El método de recuperación del naftaleno del residuode
aceite
ligero es el mismoquepara
aceite mediode
la
destilacion del alquitrán , y los dos aceites se usan conjuntamente para la producción
del
naftaleno .
17
CAPlTULO 1. Curucteristicus de! t?ujuleno
TABLA No.8. CONSTITUYENTES DEL ALQUITRAN: Porcentaje en peso de alquitrán seco Aceites ligeros: -Benceno y Tolueno crudo -Indeno, cumareno, etc. -Xilenos, cumenos, e isomeros Aceites medios y pesados: -Naftaleno -Aceites no identificados en el rango de naftaleno y metilnaftaleno -a-Monometilnaftaleno -b-Monometilnaftaleno -Dimetihaftaleno -Acenafteno -Aceites no identificados en el rango de acenafteno -Fluoreno -Aceites no identificados en el rango de Fluoreno Aceites antracenos: -Fenantreno -Antraceno -Aceites no identificados en el rango del antraceno -Fen01 -Homólogos del fenol -Bases de alquitrán (pirideno,picolines lutidinas, quinolenos y acrideno) -Sólidos amarillos y aceites de brea 0.6 -Breas y grasa -Cuerpos resinosos -Breas (460OF punto de fusión)
Total:
0.3 0.6 1.I
10.9 1.7 1.o 1.5 3.4 1.4 1.o 1.6 1.2 4.0 1.I
7.7 0.7 1.5
2.3 6.4 5.3 44.7
.
100.0
18
CAPITULO 1. Ca,-ac!eri.sticasdel tlclfiulerw
1.6.2.-. OBTENCION A PARTIR DEL GAS DE HULLA: El naftaleno crudo ( p.,f. 74-78
del sistemadeextracción
O
C ) se obtiene del gas de hornos de hulla en tres puntos
de subproductos;comosemuestraenla
cantidaddenaftalenoseobtiene
figura 2.Lamayor
del alquitrán que se separapor refrigeracion del gas
fraccionado ; casi todo el naftaleno pasa en la fraccion que se destila entre 200 y 250 O C. También, se encuentra en la fracción de la brea de la hulla que hierve a 180 O-25Oo C
y porestose
halla en el
"aceite ligero"( que hierve a 11Oo-21O0C ) y en el "aceite de
creosota" (que hierve de 240°-270°), pero se encuentra en mayor cantidad en
el "aceite
carbólico" (que hierve de 21Oo-24O0). De estos productos, cristaliza por enfriamiento gran parte del hidrocarburo enbruto,
y sepuedeseparar
del aceite que lo acompaña
escurriéndolo y prensándolo luego en caliente. Más tarde se calienta aproximadamente una hora con 10 % de ácido sulfúrico concentrado (densidad 1.7-1.84) a unos looo , para separar las substancias básicas y los fenoles residuales en forma de ácidos solublesluegose
lava con agua caliente ; se destila
sulfónicos
recogiéndose naftalina puraentre
210 y 235 ' C .
FIG. 2 .
OBTENCION DEL NAFTALENO DELGAS DE HORNOS DE COQUE GAS DE HORNO DE COQUE
SEPARACION DE ALQUITRAN
LAVADOR
ABSORCION DE AMONIACO
HORNO DE COQUE
I
I
DE ALQLllTRfi,N
NAFTALENO
DESTILACION
200 - 250'C
EXTRACCION DE ACIDOS Y BASES DEL P,LQUITRAN
I/
I/
RESIDUOS
KEITE LIGERO
I
NAFTALENO
19
CAPITULO 1 Curucteristicus del naftaleno 1.6.3.- RECUPERACIóN A PARTIR DE LOS ACEITES DELPETRÓLEO La producción del naftaleno a partir del petroleo, comprendedosgrandesprocesos separados.
1.- Producción deun aceite aromático en el rangode
naftaleno por hidroaromatización
ebullición del naftaleno-dimetil
o ciclizacion.
2.- La dealquilación de una fracción adecuada tal como lo sería un aceite rico en alquil naftaleno
ya sea térmica
o catalíticamente (fig.4). (procesos UNIDAK
y Hydeal
respectivamente). El naftaleno serecupera
del aceite resultante como un productode
alta calidad por
medio de destilación fraccionada o cristalización .
Fig. 4 Obtencibn de hidrocarburos aromáticos de gran riqueza a partir del petróleo
Aceite crudo
Extraccidn de aromáticos
20
CAPITULO 1 Camcleristicas del naftaleno DESCRIPCIóN DEL PROCESO UNIDAK:
En el procesoUnidak ( Union Oil Company of California) la alimentación, I puedeser los fondos deun
concentradode
reformador catalítico,esta va a un fraccionador, produciendo un naftaleno,
unproductomediode
cantidaddefondosquesonusados
alquíl naftalenos
como aceite combustible
y unapequeña
(fig 5).EI naftaleno
concentrado es purificado por destilación (fig 9). Los alquil naftalenos mezclados con
hidrógeno condicionado a 500 psig y una pequeña
cantidad de agua (para moderar la reacción, son mandados a un reactor de lecho fijo . El producto de lareccion
, después de intercambiar calor conalimentación
separador de alta presióndonde
el 80% del hidrógenoes
, va aun
extraído y reciclado . Un
separador de baja presión libera una pequeña cantidad de gas combustible, y el producto dealquilado es mandado a la alimentación . FIG.5. PROCESO UNIDAK NAFTALENO CONCENTRADO i
TORRE DE NAFTALENO
r , 7 ABS0
DOR
ALIMENTA. FRESCA
W
DE ALTA PRESION
1
GAS
DE BAJA PRSION
1
i: 21
CAPITULO I Curucleristicuts del nujtaleno DESCRIPCIóN DEL PROCESO HYDEAL
En el proceso Hydeal
(Universal Oil Products) una alimentación derivada
reformador pesado es procesada
con un exceso de hidrógeno sobre
de un un catalizador de
cromo-alúmina de alta pureza y bajo contenido de sólidos (fig.G).Una de sus aplicaciones es la dealquilación de alquilnaftaleno para la obtención de naftaleno crudo. El hidrógeno puedeserobtenido combinada es
de
la salida degas
llevada a la temperatura
del
reformador unitario . La alimentación
de reacción
y
cargada
al reactor. Los
alquilnaftalenos son convertidos a naftaleno según la reacción: CloH7CH3 + H2 => CqoHg + CH4 CloHg(CH3)2 + 2H2 => CqoHg + 2CH4
El flujo del reactor se enfría y se carga en el separador, del cual el hidrógeno es tomado y reciclado hacia el reactor. El líquido del separador pasa hacia
el estabilizador para la
separación de hidrocarburos de más bajo punto
queel
naftalenose
ebullición
benceno [7].EI
recupera poruna destilación despues deun tratamiento con arcilla para
remover residuos de olefinas . FIG.6 PROCESO HYDEAL
i/
REACTOR
l " l
SAL.DE GAS
1
HIDRGG. SEPARADOS D E GAS DE H 2
-LIQ. E INCRE.
1
BENCENG
CARGh
\
F5"--
22
CAPITULO 1 C:ar.ucteI.isticas del na3aleno 1.6.4.- OBTENCIóN A PARTIR DEL ALQUITRÁN DE HULLA
El naftaleno se puede obtener
a partir del alquitrán de hulla por medio de destilación o
cristalización. En la destilación; existen continuos e intermitentes, daremos una
varios tipos de destiladores comoson
los
explicación de uno de los tipos de destiladores
continuos como es el proceso Kopper.
1.-Cristalización
La cristalizacion seefectúa
en pailas
deaceropocoprofundas
las cuales tienen
agujeros de descarga cerrados con tapones de madera . Según la temperatura ambiente el naftaleno cristaliza en tres a 10 dias. Se quitan entonces los taponespara
soltar el
aceite en tanques de almacenaje. Los cristales son centrifugados y lavados con agua en la centrífuga paraseparar temperaturade
lo posible del aceite adherido . El naftaleno bruto tiene una
fusion deaproximadamente
68
O
C y se empleaparaproducir
naftaleno refinado . Se obtiene un naftaleno bruto vendible de punto 76
O
C , si el aceite adherente es separado por presion en
el
de fusion de 74 a
caliente en lugar de hacerlo
por centrifugado. Este procedimiento se usa cuando la cantidad de naftaleno recuperable no es grande o cuando sólo se tiene una instalación antigua . Destilación
Descripción del proceso Koppers: El diseño Koppers moderno para plantas de alquitrán continua operante en Alemania y la GranBretaña,se
ilustra en la figura 8. El alquitrán puro, después de hacerse pasar a
travésdemallas
finas de alambre y la ordinaria adición de álcali, es elevado a la
temperatura de 150" C por intercambio de calor y se introduce al deshidratador donde el agua y los aceites ligeros son removidos. El alquitrán del domo es entonces bombeado a travésde columnade
los serpentines del horno,de
los que sale a 300-320°Cpara
destilación principal. Deestacolumna
entrar en la
sale una fracción superior, dos
corrientes superiores y una fracción de fondo. El producto es condensado y separado en aceite ligero y licor. La corriente lateral inferior pasaporlacolumnaseparadora. productode domo de lacolumnaseparadoraregresa atmosféricacomo
reflujo, mientrasque
a lacolumna principal a presión
los productosdefondopasan
columna a presiónatmosféricaparasepararseen
El
aceite denaftaleno
a una tercer y en aceite de
23
CAPITULO I Caracteristicas del napaleno lavado ligero. la corriente de baseproveniente de la columnafraccionadora
principal a
presión atmosférica es bombeada a través de otro serpentín dentro del horno para volver a llevar su temperatura a 300 - 310 "C y entonces es inyectada dentro de un evaporador instantáneoal vacío. Los aceites máspesadosaquí
liberados se dividen en aceite de
lavadopesado y aceites deantracenos ligeros y pasados a unacolumna
a corrientes
paralelas al vacío, la brea restante fluye de la base del evaporador instantáneo al vacío. Un sistema multievaporador mucho más elaborado es operado por Rütgerswerke
su planta CastropRauxel.
AG en
En esta planta el alquitrán crudo es deshidratado
continuamente en una columna con 250 "C porintercambio
conbrea
deflectores y el alquitrán deshidratado es llevado a caliente e inyectado en unacolumnafraccionadora
grande que contiene 40 platos de capucha encima deuna sección empacada de 10 m de longitud. Esta columna opera a presión atmosférica y tiene su propio rehervidor de gas. Deaquíseextraeuna
corriente de aceite carbólico del domo,una corriente lateral de
aceite de naftaleno y una residual. La fracción de aceite de naftaleno asciende por una columna separadora de 20 platos y el residuo combinado de la columna atmosférica y la columnaseparadorapasa primeraendimensiones
a unasegundacolumnaseparadora,
y diseño, peroopera
la cual es similar a la
a 200 mm de Hg.De estacolumnase
extrae una fracción de metilnaftaleno comocabezas,
aceite de lavado y un aceite de
fluoreno-acenafteno como corrientes laterales y un residuo. La corriente de aceite lateral y aceitedelavadose
trata en unacolumnaseparadora
material más ligero y más pesado regresando
de 20 platos pararemover
el primero a la segunda columna
separadoracomo reflujo uniéndose el último alresiduodelasegundacolumna.Estos residuos combinados pasan a una tercer columna fraccionadora que opera Hg de presión: en ésta última los aceites residuales se separan residuales pasan a unacuartacolumnafraccionadora presión dondeseseparauna
a 70 mm de
de la brea. Los aceites
que trabaja a 20 mm de Hg de
fracción de fenantraceno/antraceno y una fracción de
carbazol crudo; la última finalmente se fracciona en una quinta columna para dar carbazol de 90 a 95 % de pureza y un residuo de aceite pesado.
24
CAPITULO I Camcteristicas del na3aleno
FIG. 7
9 6
1 5
P 3
1. Columna de dehidratación 2. Condensadores 3. Decantadores 4. Columna atmosférica principal 5. Columna de separación 6. Columna de aceite de lavado 7. Evaporador instantáneo 8. Columna para aceite de antraceno 9. A la bomba de vacío 1O. Condensador 11. Aceite de lavado II
I
I
12. Alquitrán crudo 13. Alquitrán crudo 14. Horno tubular 15. Agua 16. Aceite ligero 17. Aceite carbólico 18. Aceite de naftaleno 19. Aceite de lavado1 20. Brea 21. Aceite de antraceno II 22. Aceite de antraceno I
25
A
CAPITULO 1. Cmactesisticas del naJaleno
1.7.-METODOS DE PURlFlCAClON 1.7.1.- PURlFlCAClON POR DESTILACIóN El proceso de recuperación del naftalenopor destilación se muestra enla figura 7 El
aceite medio de alquitrán después de lavado, se destila intermitentemente. Las cabezas seañaden
a la fracción bruta dedisolventepesadoobtenida
en la destilación del
alquitrán.; la fracción intermedia es almacenada y después se fracciona en una operación separada.;la
fracción final, cuyo punto de fusión es 78 OC, es la mejor calidad de lava y se destila para
naftaleno bruto , se trata con ácido sulfúrico concentrado,se obtenernaftaleno
refinado dep.f.
79.6 OC , o más elevado.
Los dostanquesestán
aislados y calentados para mantener la fusión del naftaleno . La destilación del naftaleno podríahacerse a presiónreducida y , porconsiguiente
atemperatura más baja; pero
debido a la dificultad que presenta el mantenimiento de los tubos de vacio y las válvulas libres deobstrucciónpor
el depósitode
naftaleno, raramentese
lleva aa
cabola
destilación en el vacio .
FIG.7. PURlFlCAClON DE NAFTALENO POR DESTILACION
r CAJA DE CIRCULACION EN -SECCIONES
CONDENSADOR
RECIPIENTES FRACCION DENAFTALENO CRUDO DEL DEPOSITO DE ALQCIITRAN DE HULLA
1
/
I COLUMNA RECTIFICKION
DE
/
i NAFTALENO P.F. 78*C
I ALMACEN,
BOMBA DE CARGA
t \\
RESIDUOS PARA ALMACEN
ACEITES DE P.EB. INFERIOR AL DEL DE NAFTALENO
\INTERMEDIOS--
AL ALMACEN
NAFTALENO
-..ALMACEN DE INTERMEDIOS
SEPARADA 60M6A
26
CAPJTULO 1. Caracteristicas del nufiuleno
I.7.2.-PURIFICACIÓNPOR CRISTALIZACIÓN
En la figura 8 se representa un tipo de cristalizador-evaporador de líquido circulante. En genera por evaporación. El líquido desciende por los
esta unidad la sobresaturación se
tubos del calentador H, donde se calienta mediante vapor de agua que condensa exterior de los tubos.la carga estática
que actua sobre
en el
la solución durante el
calentamiento es suficiente para evitar la evaporación. La solución caliente pasa luego a la cámara A, donde sufre una vaporización súbita y se sobresatura. El vapor pasa a una condensador a través de la tuberia dirige como mediode
U, o bien , en caso de operación de múltiple efecto, se
calefacción a la unidadinmediata.
La circulación semantiene
mediante la bomba F. El calentador H, la cámaradeevaporación
A y labomba
F
constituyen un evaporador de circulación forzada cuya misión es aumentar la sobresaturación del líquido. La solución sobresaturada desciende por la rama B y pasa a través del tanque E, dondese forman y crecen los cristales. La velocidad de flujo es suficientementeelevada magmade
paraque
los cristales fluidicen manteniendo en agitación el
alta densidad. La solución que pierde susobresaturación
al ponerse en
contacto con los cristales del tanque E, se mezcla con la alimentación que se introduce por el tubo T y se recicla al calentador. Los cristales se mantienenen
el tanque
mediante clasificación porsedimentación
impedida, hasta que alcanza un tamaño suficiente para salir como un producto clasificado por el tubo de descarga M .[6]
FIG. 10 CRISTALIZADOR EVAPORADOR
21
CAPITULO I Caracteristicas del naftaleno
1.8.- SELECCION DEL PROCESO
En la tabla No.9. seenumeracadaproceso
por el que sepuedeobtener
el naftaleno,
mostrándose también, la materia prima y el tipo deoperación que emplea cada uno
TABLANo.9.
PROCESOS DE OBTENCION
TIPO DE OPER. NUMERO DESTILACION
PROCESO KOPPERS
I
MATERIA PRIMA ALQ. DE HULLA
CRISTALIZACION
II
ALQ. DE HULLA
CRISTALIZACION
UNIDAK
Ill
PETROLEO
HYDEAL
IV
PERTOLEO
SEPARACION DE ACEITE LIGERO
V
GAS DE HULLA
TRATAMIENTO TERMICO TRATAMIENTO TERMICO ADSORCION
Para analizar comparativamente cada proceso, se toma como base el diseño, la materia primaempleada
y los costosdecada
determinadopor la importanciaque
uno,a
cadaaspecto
se le otorgaunvalor
querepresenta en la producción del naftaleno. El
especto de mayor importancia es el relacionado con las materias primas (50 %) , (tabla
IO) , debido a que la cantidad de naftaleno
presente en éHas es el que determina que
proceso se va a utilizar en la industria para la producción de naftaleno, tal es el caso del alquitrán de hulla del cual seobtiene
el naftaleno industrialmente. Por otra parte se
considera a la disponibilidad y el manejo de la materia prima, como la facilidad con la que éstasepuedeobtenerde
la naturaleza o sus precursores; y su traslado y tratamiento
durante su procesamiento.
28
C'il PITULO I C'uructcristicas cfelnuftaleno
TABLA No. I O .
I
II
Ill
IV
V
Disponibilidad
8
8
5
5
8
Procesamiento
6
6
3
3
6
Manejo
5
5
2
2
3
% de producto Puntos
9
9
1
1
3
11
11
4
4
9
Materias primas 50%
En la tabla correspondiente al diseño del proceso, se le da mayor puntuación al proceso que requiera el menor número de equipo, el que tenga el menor número de etapas para el tratamiento de la materia prima hasta obtener
el naftaleno, el menor requerimiento de
energía, la separación de naftaleno de los otros componentes sea más fácil , y en el cual el producto se obtenga con mayor pureza. Como se muestrael tabla 11. TABLA No. 11
1
Diseño del proceso 30%
I
II
Ill
IV
V
Cantidad de equipo requerido
7
9
3
1
5
Continuidad en la operación
7
1
7
7
7
Complejidad del proceso
8
9
3
2
6
Pureza del producto
9
2
5
5
8
Requerimiento de Energia
5
8
1
1
3
Puntaje
I
10.8
I
I
5.7
8.7 I
4.8
I
8.7
En la tabla 12 se analizan los materiales de construcción y los costos en general del proceso dándose mayor puntaje a aquel proceso que implique menor costo de mano de obra (automatización), los materiales de construcciónmás
baratos, menorcostode
mantenimiento y que el costo de inversión haya sido recuperado ya sea por la obtención del naftaleno u otros productos importantes.
29
TABLA No. 12 .
Equipo 20%
I
I1
Ill
IV
V
Material construcción
6
8
3
3
6
Costo de inversión
7
9
3
2
5
Costo de mantenimiento
8
3
2
2
8
Costo de mano de obra
8
1
7
7
8
Puntos
5.8
4.2
3
2.8
5.4
Puntos totales
I
27.6
I
23.9
I
12.7
i
11.6
I
21.I
El proceso que presenta mayor puntaje es la destilación a partir del alquitrán de hulla por Io tanto este es el proceso que se va a elegir para la obtención del naftaleno a nivel industrial.
30
C.4PITULO 2. Aspectos Econcimicos
11. ASPECTOS ECON~MICOS 11.1.- OFERTA Y DEMANDA NACIONAL
En la tabla 13 se reporta el volumen de la producción de los aromáticos pesados dentro de los que se encuentra el naftaleno y en la tabla 14 su demanda en algunos años. TABLA No. 13
VOLUMEN DE PRODUCCIóN DE AROMATICOS PESADOS (MILES DE TONELADAS)
1990
1988
85
1992
1989
124
118
124
126
1991
1993
62
120
1O0 80 60
8 Miles de toneladas
40 20 O
*90 -89 '88
'91
-92
'93
Aiios
Gráfica 1
3i
CAPITULO 2. Aspectos Econdr?zicoJ
DEMANDA COMERCIAL (MILES DE TON.)* NAFTALENO
II
1983
1988 1984 I
136.08
I
147.42
II
129.7
El Miles de toneladas
1983
1984
1988
Años
Gráfica 2
En los últimos 5 añossehaencontradounatendenciacreciente
en el volumen de
producción de aromáticos pesados que alcanza un máximo en el año de 1990 y después seaprecia
un decrementoenlaproduccióndebidoquizáa
una disminución en la
demanda de los mismos. Esto no puede afirmarse con certeza, por que no se dispone de datos de demanda en los años posteriores a 1988, pero del comportamiento observado enaños anteriores a1988, tanto dela oferta como de lademanda,sededucequela interrelación entre producción y demanda es lo suficientemente determinante como para ocasionar la disminución en la producción de naftaleno.
*fuente: para 1988: PEMEX. Gerencia de Evaluación e información para 1989-93: PEMEX. "Memoria de Labores", (varios años)
32
CAPITULO 2. Aspectos Económicos
11.2.- VOLUMEN Y VALOR DE PRODUCCION DE MATERIAS PRIMAS El valor y volumen de la producción de las materias primas a partir de las cuales podemos
obtener
el naftalenosemuestran
en las tablas 15 y 16 respectivamentenosesde
especial importancia el volumen de producción de alquitrán de hulla del cual para nuestro estudio obtendremos el naftaleno para su posterior refinación. Se tienen los datos de los años 1992,1993 y 1994 en los cuales se observa un incremento del año93 al 94 de aproximadamente 16 veces con entre los años 92 y 93este decrementoen cadaaño,
en el valor del alquitrán
respectoalaumentode
drástico aumentodeprecio
seveacompañadodeun
el aumento del volumen de laproducción,aunquehaaumentado
en1994
seobservóunaumento
su valor
del 16 % de laproducciónde1993
en ;se
encuentra un decremento del 25 % de la producción que se esperaría , comparada con el aumento del 28 % de la producción obtenida
entre los años 92-93 . Las gráficas 3 y 4
nos muestran el aumento del valor y volumen de las materias primas en especial la del alquitrán de hulla.
33
CAPITULO 2.Aspectos Económicos
Tabla 15 VALOR DE PRODUCCION DE MATERIAS PRIMAS ( MILES DE DOLARES) ( 1991 - 1994 )
I
I 1992
I 1993
I 1994
Alquitrán de hulla
4303
4694
6175
Gas de hulla
46234
35062
331O9
prima Materia
BAlquitrán de hulla
1993
1992
1994 Años
Gráfica 3
34
CAPITULO 7.Aspectos Económicos
11.3COMERCIO EXTERIOR (EXPORTACI~N)
ESTADíSTICA
TABLA No.17.
Exportación de Naftaleno
AÑO
PAIS
1985 1989
El Salvador Cantidad en
20000 18000 16000 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000
Valor(mi1es dolares) de
3778
02.71
19450
13.75
Kg.
Valor en miles de dolares 14 12
10 8 6
2 O 1989
O 1989
Cantidad (Kg)
1985
1985
Años
Años
Gráfica 4
Gráfica 5
En la tabla No. 17. se puede observar que el máximoapogeo
en laproducciónde
naftaleno fue en los años 80 en donde la producción, una vez abastecida la necesidad nacional estaba en condiciones de vender el naftaleno en el mercado internacional a los paises de Cuba y El Salvador; en años recientes no se reportan datos de exportación e importanción .
35
CAPITULO 2. Aspectos Económicos
TABLA No.18.
PRECIO COMERCIAL ($ DOLARES)
de
Calidad naftaleno:
-refinado a 80°C (elevado) 0.7165 -crudo 78OC
0.0771
-refinado a 8OoC (normal o común)
0.6614
De la tabla 17 puede obtenerse un costo promedio de naftalenovendido,quepuedecompararsecon
0.718 centavos de dólar por kg de
los preciosdentro del mercadode E.U.
dados por la tabla 18, que es de 0.176 centavos de dólar para el naftaleno de alta calidad. Esto indica unmercado
potencial
dentro de los paísesimportadores
producido en el país, puesestenaftaleno E.U., debido a lamayorproximidad
sería tan competitivocomo
del naftaleno el producidoen
geográfica, siempre y cuandosemantuviese
la
igualdad de costos.
TABLA No. 16
VOLUMEN DE PRODUCCION DE MATERIAS PRIMAS (MILES DE TONELADAS) ( 1991 - 1994 )
Materia prima
I 1992
1994
1993
Alquitrán de hulla
62522 356227
Gas de hulla I
I
41867
295748
287 194 I
3629
I
I
36
C.4 PITULO 2. Aspectos Económicos
Volumen de producción de materias primas
3500 3000
z1
2500
I ElAlquitrán de hulla
2000
I H gas de hulla
1500 1O00 500 O
1994
1993
1992
Gráfica 6 J1.4.- PRODUCTORES Y DISTRIBUIDORES DE NAFTALENO
PRODUCTORES:
Carboquímica Block SA. de CV
DISTRIBUIDORES:
-Du Pont SA. de CV -Materias Primas SA. de CV -Prove-quim SA de CV -Solventes y Productos Químicos SA de CV -Droguería Cosmopólitan SA de CV.
CAPITULO 2. Aspectos Econhicos
11.5 .- UBlCAClON DE LA PLANTA
Se considera el Estado de Querétaro como el lugar más propicio para la ubicación de la planta para esta elección se consideraron los siguientes aspectos:
Materia prima:
La disponibilad de materia prima es el aspecto más importante en la ubicación de una planta, su abundancia y cercanía implica una disminución de costos en transportación y almacenaje, por Io que es conveniente ubicar la planta cerca de la fuente de la materia prima. Nuestra planta de purificación y recristalización emplea la corriente de nafateleno que se desecha del proceso de destilación del alquitrán de hulla, estas factorias se localizan en los estados de Coahuila y Oaxaca , dondese explotadosdecarbón
, ademásesprobable
localizan los principales yacimientos
que existanyacimientos
de hulla en los
estados de Nuevo León, Tamaulipas, Sinaloa, Durango, San Luis Potosí, Jalisco, Hidalgo, México, Michoacán, Morelos, Puebla, Tlaxcala, Guerrero, Veracruz,,Chiapas , Tabasco y Sonora
En el estado de Guanajuato se localiza la planta destiladora de alquitrán de hullla, "Carboquímica Block
'I
, que será nuestra principal fuente de surtido de naftaleno impuro
Ubicaremosla planta enunpuntointermedio
de los estadosdeCoahuila
y Oaxaca y
cerca del estado de Guanajuato para facilitar la disponibilidad de materia prima en menor tiempo y menor costo.
Mercados:
Nuestro interés es reabrir el mercado internacional de naftaleno de alta calidad , exportándolo a paisescomoCuba
y
El Salvador a quienes ya
vendidonaftaleno en añospasados y a otros localización depuertoscomerciales cercadenuestra
planta
México les había
paises de Asia y América,por lo quela
como son Tampico,Veracruz
y Coatzacoalcos,
facilita y disminuye los costosde transportación. Ademásse
considera el mercado de investigación para institutos y universidades del pais ,por lo que
38
CAPITULO 2. Aspectos Econcitnicos
consideramostambiénlacercaníacon
el Distrito Federal , cede de lamayoríade
las
compañías distribuidoras de naftaleno .
Disponibilidad de energía:
El suministrodeenergía
eléctrica y combustible a la planta también esimpcjrtante,
Querétaro cuenta con aproximadamente 30 plantas generadoras de energía eléctrica y
su cercanía con las refinerias de Veracruz, Guanajuato
e Hidalgo nos
facilita la
disponibilidad de combustible.
Clima:
El climaesimportantepara
el buen funcionamientode
los equipos del proceso,en
nuestra planta se cuentan con equipos como intercambiadores de calor y cristalizadores a los cualesclimasextremosos
afectan,
Querétarocuentaconclimatempladocon
lluvias en verano y humedad relativa del 60 % , que no afecta de ninguna manera
a los
materiales ni funcionamiento del proceso.
Facilidad de transportación:
Como ya se mencionó anteriormente la cercanía el costode
los fletes, Querétaroseencuentra
y facilidad de transportación disminuye bien cominicadoya
que cuentacon
carreteras que Io cominican con los estadosdenuestro
interés como la carretera México D.Fa
Piedras Negras, Coahuila ; México D.F., a Ciudad Juárez , que comunica a Querétaro con Guanajuato, también cuenta con la vía
férrea y carretera Querétaro - San Luis Potosí -
Tampico y Mexico D:F .cuenta con rutas aéreas con Veracruz, y Tampico.
Suministro de agua:
La disponibilad deaguaparaelfuncionamiento importante, por Io que la planta sedebe
y lavadode
los equiposesmuy
ubicar en sitios quecuentenconrecursos
hidrológicos como ríos y lagos para fácil disposición y transportación del agua requerida.
El estado de Querétaro cuenta con el río Pánuco, que sus afluentes, el Extorax y el San Juan nos sirven como abastecimiento de agua.
39
CAPITULO 2. Aspectos Econdmicos
Mano de obra:
Querétaro es un estado altamente puedeconseguir
industrializado, por lo que mano de obra calificada se
fácilmente, porotroladola
mano de obra en Méxicoesbarata
comparada con la de otros paises, por Io cual este aspecto no presenta serias dificultades y no implica altos costos.
Eliminación de desechos:
El sitio escogidodeberátenercapacidadadecuada eliminación de residuos y se deberán cumplir con
y facilidad para una
correcta
las reestricciones de contaminación y
los niveles de tolerancia permisibles.
Como ya sehamencionadoQuerétaroesunazona depósitosderesiduospermitidospara plantas de tratamiento de desechos
11.6
industrial dondedeben
las industrias allíexistentes
existir
, así comotambién
y agua.
.-CAPACIDAD DE LA PLANTA:
Producción de naftaleno : 50 kg/hr = 1200 kg/día = 375 ton/año.
Días laborables: 304 días
Horas laborables: 7296 horas
Número de trabajadores: 15 personas.
40
CAPITULO 3 Experinlentucidn
111. INTRODUCCION.
ANTECEDENTES
El proyecto consiste en el diseño de un proceso de cristalización aplicado a escala industrial, en particular para purificación de naftaleno.. La demanda de naftaleno en el mercado ha venido disminuyendo en los últimos añoscomoresultado
de la introducciónen
el mercadodeproductossucedáneos
(utilizados en las industrias de pinturas y fungicidas) ; por Io que su reestringido principalmente confines
uso se ha
de investigación.El estudioeconómicoefectuado
para determinar la rentabilidad del proceso arrojó como resultado que la producción de naftaleno es económicamente atractiva, siempre y cuando las condiciones del mercado no encarezcan el precio de la materia prima yse logre una calidad elevada del producto.
El naftalenoseobtiene
a partir del craking catalítico de los productos de la
segunda destilación del petróleo yde la destilación del alquitrán de hulla siendoesta última prioritaria por el porcentaje de naftaleno presente en ésta, la disponibilidad de la materia prima, el diseño del proceso y elcosto del equipo.
En el proceso Koopers (fig 1) se fectúa la destilación del alquitrán de hulla para la obtención de naftaleno y se purifica éste por medio de la cristalización'; la fracción de naftaleno se encuentra contaminada con metilnaftalenos, benceno, tolueno, y xilenos . La purificación del naftaleno anivel especificacionesrequeridas
industrial no logra obtener el productocon
de pureza,tamaño
las
y calidad a bajocosto ya que éstese
obtiene en bruto (78 "C punto de fusión) y se obtiene en pailas de acero poco profundas de manejo manual que implica costo de mano de obra y gran espacio.
41
C.4PITULO 3 Expevitnentación
111.1.- UBlCAClON DEL PROCESO A ESTUDIAR (CRISTALIZACION)
Sepuedeimplementar
un proceso de cristalización
al proceso industrial de
obtención de naftaleno en bruto, con el cual se puedan obtener cristales de alta pureza y calidad, evitandoasí
el costo adicional que implican los tratamientosespecialespara
obtenerlo refinado; para el diseño del cristalizador a nivel industrial, primerosedebe analizar la cinética de crecimiento de los cristales de naftaleno a nivel laboratorio (ver fig. 2); conestosdatos determinaruna
, en unaexpresión
correlación parael
de velocidad de crecimiento, seprocederá
a
escalamiento del proceso de cristalización a nivel
planta piloto e industrial. FIG.l
9
8
10 i
7 11
f
&-$Y: 74 13
.
5
G
i I
-
\ i
I
21
22
I
42
.
CAPITULO 3 Experimentacidn
111.2- REVISION BlBLlOGRAFlCA
111.2.1.- PRINCIPIOS GENERALES.
Los cristalizadores por lotes sé usan frecuentemente para determinar cinéticas de
crecimiento cristalino a partir de experimentos en los cuales se hace crecer un tamaño dadode
cristales sembrados.Existendos
tipos deoperación.
Enun
experimento
diferencial la masa de soluto depositado es pequeña con respecto a la totalidad de soluto disponible en la solución, y de estamanera
los cristales crecen enun
medio de
sobresaturación prácticamente constante; en la ausencia de dispersión de crecimiento, y suponiendoque
la tasa de crecimientoesindependiente
cristales crecerán a unavelocidadconstantedurante
del tamaño del cristal, los
el cursodel
experimento. En la
operación integral, el proceso consume una cantidad apreciable de soluto, que resulta en un decremento
en la sobresaturación durante
el experimento, y la velocidad de
crecimiento es una variable dependiente del tiempo. Cristales: Un cristal se puede definir como un sólido compuesto de átomos dispuestos en
formaordenada
y repetida. Las distancias interatómicas enun
material definido son constantes y carcterísticas deese
cristal de cualquier
material. Ya que el patrón o
arreglo de los átomos se repite en todas direcciones. Existen cinco tipos principales de cristales, quese
han clasificado en siete sistemas cristalográficos basadosen
los
ángulos interfaciales de los cristales y la longitud relativa de sus ejes. 1.- Sistema triclínico 2.- Sistema monoclínico 3.- Sistema orto-rómbico 4.- Sistema tetragonal 5.- Sistema trigonal 6.- Sistema hexagonal 7.- Sistema cúbico. Solubilidad: Lasrelacionesde
expresanmediantedatosde
equilibrio para los sistemas de cristalización se
solubilidad queestángraficados
en diagramas de fase o
curvas de solubilidad. Los datos de solubilidad se dan por Io general como pertes en peso de material anhidro, por 100 partes en peso de disolvente total. En algunos casos estos datos se informan como partes en solución, laconcentraciónse
peso de material anhidro, por 100 partes en peso de
grafica en funcióndelatemperatura
y no tiene forma
general o pendiente. En la literatura existen gran variedad de datos de solubilidad y esta 43
CAPITULO 3 Experimentación
se ve afectada por el pH y/o la presencia de otras impurezas solubles que, por lo general tienden a reducir la solubilidad de los componentes principales. Efectos del calor en un proceso decristalización: Los efectos del calor
mediodeunbalance
enun
decalor,en
proceso de cristalización sepueden
calcular por
el que los efectos individuales del calor como, por
ejemplo, los calores sensibles, latentes y de cristalización se combinan en una ecuación para obtener los efectos totales de calor, es necesario realizar el balance correspondiente demasa,
porque los efectos del calor están relacionadoscon
producidos por
el calor de cristalización.
la cantidad de sólidos
Para los compuestos cuya
solubilidad
se incrementa con un aumento en la temperatura existe un calor de absorción cuando se disuelve el compuesto. Para los compuestos cuya solubilidad disminuye a medida que se incrementa la temperatura existe una generación de calor cuandoocurre
la solución.
Cuando no se presenta cambio en la solubilidad con respecto a la temperatura no existen efectos del calor. La curva de solubilidad será continua mientras una fase determinada esté
la sustancia sólida en
en contacto con la solución, y cualquier cambio súbito en la
pendiente de la curva estará acompañado
por un cambio en el calor de solución y un
cambioen la fase sólida.En el equilibrio, el calor de cristalización es igual la calor de solución pero con signo contrario. Rendimiento de un proceso decristalización:
En lamayor
partede los casos, el procesode cristalización es lento y el licor
madre final está en contacto con una superficie lo suficientemente grande del cristal para quelaconcentración
del licor madre sea en esenciala de unasoluciónsaturada
temperatura final del proceso. En la mayor parte de
a la
lasplantas , el rendimientoseve
afectado también por la eliminación de parte del licor madre, con los cristales separados del proceso.El rendimiento
real se puede obtener a partir de los cálculos algebraicos o
por el método de prueba y error cuando se utilizan los efectos de calor del proceso. Formación del cristal':
Obviamente existen dospasos en la precipitación de los cristales a partir de la solución. Los cristales deben formarse primero y crecer después . La formación de una nueva fase sólida sobre una partícula inerte en la solución o dentro de la solución en sí, se conoce como nucleación. El incremento del tamaño de este núcleo mediante la adición capa por capa de soluto se llama crecimiento. Tanto la nucleación como el crecimiento de los cristales tienen en la sobresaturación una fuerza impulsora común.
A menos que la
solución esté sobresaturada, los cristales no se forman ni crecen. La sobresaturación se 44
CAPITULO 3 Experitnentación
refiere a la cantidad de soluto presente en la solución, en comparación con la cantidad que podria estar presente si la solución se mantuviera mucho tiempo en contacto con la fase sólida. Este último valor es la solubilidad de equilibrio a la temperatura y presión que se consideran. Ciertos hechos cualitativos relacionados con la sobresaturación, el crecimiento y el rendimiento en
los procesos de cristalización son observables fácilmente. Si la
concentración de la solución inicial y el licor madre final están determinados, el peso total del cultivo de cristales estará determinado también si se logra el equilibrio. Sin embargo la distribución del tamaño de partícula de este paso depende de la relación entre los dos procesos: la nucleación y el crecimiento. AI considerarunacantidaddeterminada solución, enfriada a través deun nucleaciónconsiderable,
de
intervalo fijo y si al principio del cual existe una
el producto consiste en muchos cristales pequeños. Si al
iniciarse la precipitación sólo se forman unos cuantosnúcleos y el producto resultante ocurre en forma uniforme sobre estos núcleos, sin una nucleación secundaria, se obtiene un cultivo de cristales grandes y uniformes. Es evidentequepueden intermediosconvelocidades
ocurrir casos
de nucleación y crecimiento variables, dependiendode
la
naturaleza de los materiales manejados, la velocidad de enfriamiento, la agitación y otros factores. Geometría del crecimiento delcristal:
Desde el punto de vista geométrico, un cristal esun sólido limitado por planos. La forma y tamaño de este sólido son funciones de los ángulos interfaciales y de ladimensión
lineal de las caras. Como resultado delaconstancia
de sus ángulos
interfaciales, cada cara de un cristal que crece o se disuelve, a medida que se
aleja o
acerca al centro del cristal, siempre es paralela a su posición original. Este concepto es conocidocomo "principio de desplazamiento paralelo de las caras" . La velocidad a la que se mueve una cara en dirección perpendicular a su posición original se conoce como velocidad de traslación de esa cara o la velocidad de crecimiento de esa cara. Desde el punto de vista industrial , el término
"
hábito del cristal" se refiere a los
tamaños relativos de las caras deun cristal. Los cristales largos tipo agujatienden
a
rompersecon facilidad durante la centrifugación y el secado. Los cristales planos tipo placa son difíciles de lavar durante la filtración o centrifugación y dan por resultado bajas velocidades de filtración. Los cristales complejos o de tipo gemelos tienden a romperse más fácilmente durante el transporte que los cristales gruesos y compactos. Los cristales esféricos (causados casi siemprepor la frotación duranteelcrecimiento)tienden
a ser 45
CA PITVLO 3 Experitnentacidtl
considerablemente menos difíciles de manejar en la formación de la torta que los cúbicos u otros tamañoscompactos.
Con frecuencia, la dición de pequeñascantidades
sustancias extrañas cambia completamente
el hábito del cristal o la presencia de
de otros
aniones o cationes solubles tiene un efecto similar. Pureza del producto:
Si un cristal se produce en la región del diagrama de fase, en la que se precipita la
sólo cristal, el cristal mismo,serápuropor
composicióndeun
cuando el crecimientosea
con velocidadesrelativamentebajas
contantes. En muchos productos estas purezas Oh.
lo general, siempre y y encondiciones
se aproximan a un valor de 99.5 a 99.8
La diferencia entre este valor y una pureza del 100 % es, generalmente, el resultado
depequeñasbolsas
de licor madre llamadasoclusionesatrapadasdentro
del cristal y
pueden ser resultado de la frotación o rompimiento durante el proceso de crecimiento o el deslizamiento de los planos dentro de la estructura del cristal; Para incrementar la pureza del cristal más allá del punto en quepor
Io generalseesperanestasoclusiones
(aproximadamente 0.1 -0.5 % en volumen)esnecesario
reducir las impurezas enel
mismo licor madre, hasta un nivel aceptable para que el licor madre contenido en estas oclusiones no contengan suficientes impurezas para causar la formación de un producto impuro.Por
lo general
, esnecesario
recristalizar el material de una solución que es
relativamente pura para superar este tipo de problema de pureza.
Sobresaturación:
El potencial impulsor de la nucleación y crecimiento del cristal es la sobresaturación de la solución. Para generar la sobresaturación se pueden
utilizar tres
métodos distintos: si la solubilidad del soluto aumenta fuertemente con la temperatura, una solución saturadasetransforma temperaturapor
en sobresaturadasimplementedisminuyendo
la
enfrimiento. Si la solubilidad es relativamenteindependientede
temperatura , la sobresaturación se puede conseguir evaporando una
la
parte del
disolvente., Para el caso de solubilidad muy elevada, la sobresaturación se puede lograr añadiendoun tercer componentequereaccionecon
el soluto original paraformaruna
sustancia insoluble (precipitación).
46
CAPITULO 3 E.xperimentacilin
Velocidad de crecimiento:
El crecimiento del cristal es un proceso capa por capa y, ya
que el crecimiento
sólo puede ocurrir en la cara del cristal, es necesario transportar material a la cara, desde
la solución. Por consiguiente, debe considerarse
la resistencia la difusión al
desplazamiento de las moléculas ( o iones) hacialacaracreciente resistencia a la integración de estasmoléculas demostró que todos
del cristal y la
a la cara. La ley delta, L. McCabe
los cristales geométricamente similares, del mismo material,
suspendidos en lamisma
solución crecen a la misma velocidad; la velocidades
¡dependiente del diámetro del cristal, siempre y cuando todos los cristales suspendidos en la solución se traten de la msima manera. Esta generalización se conoce como ley L.[4]. ( Lasecuaciones
delta
cinéticas y su desarrollo para los casos de crecimientocon
sembrado y sin sembrado se anlizarán en la sección 11.2) Nucleación:
La nucleación se produce como consecuencia de rápidas fluctuaciones escala molecular en una fase homogenea que está en estado de
locales a
equilibrio metaestable,
debido a las fluctuaciones, unaunidad cinética individual penetra con frecuenciaen el campo de fuerza de otra y las dos partículas se unen momentáneamente.Lo normal es quesesepareninmediatamente,perosisemantienen
juntas, se le pueden
sucesivamente otras partículas.las combinaciones de estas
unir
partículas se llaman
agregados. La unión de partículas, de una en una, a un agregado constituye una reacción en cadena que se puede considerar como una serie de reacciones químicas reversibles ; por ejemplo: A1 +A1 <=>A2 A2 + A2 <=> A3 ............................
Am-1 + A1 <=>Am Donde A1 es la unidad cinética elemental, y el subíndice representa el número de unidades que forman el agregado; al aumentar m, el agregado se puede ya reconocer y recibe el nombre deembrión; dependiendo de lasobresaturación,algunosembriones crecenhasta
un tamaño suficiente paraalcxanzar
el equilibrio termodinámicocon
la
solución; llamándose entonces núcleo. Los núcleos se encuentran en equilibrio inestable: si pierden unidades se disuelven
y si las ganan se transforman en cristal. Secuencia de
etapas: 47
CAPITULO 3 Experimentucidn
agregado => embrión => núcleo => cristal La nucleación en soluciones libres de partículas sólidas sellama
nucleación
homogénea , mientras que la que tiene lugar en presencia de dichas partículas se llama nucleación heterogénea este tipo de nucleción es el más frecuente y el más importante
en la práctica, es aquél en el que los cristales del soluto están presentes en la solución que cristaliza. Este efecto sellamageneralmente
nucleación secundaria . Enlas
cristalizaciones discontinuas se pueden añadir deliberadamente modernos cristalizadores continuos hay siempre gran cantidad de
gérmenes. En
los
cristales o impurezas
presentes en la solución. El mecanismo de nucleación del cristal a partir de una solución ha sido estudiado pormuchos
científicos y trabajos recientes sugierenque,almenos
enel
equipo de
cristalización comercial, la velocidad de nucleación es la suma de las contribuciones de 1) la nucleación homogénea, y 2) la nucleación debida al contacto entre los cristales y a) otros cristales, b) las paredes del recipiente y c) el impulsor de la
bomba. En el equipo
comercial de cristalización, en el que la sobresaturación es baja y se utiliza agitación para mantenerensuspensión
los cristales que crecen, el mecanismopredominante
es la
nucleación por contacto. En un trabajo iniciado porClontz
y McCabe y ampliadodespuespor
descubrió que la velocidad de nucleación por contacto es proporcional energía de contacto, además de ser función
del área de contacto
otros, se
al suministro de
y la sobresaturación.
Esta observación es importante para el escalamiento de los cristalizadores: a escala de laboratorio, el nivel de energía de contactoesrelativamente
bajoy
la nucleación
homogénea puede contribuir en forma significativa, a la velocidad total de nucleación. Por otra parte, en el equipo comercial, el suministro de energía de contacto es elevado y, por lo tanto , el mecanismo predominante es la nucleación por contacto. En consecuencia, el
escalamiento del modelo de un cristalizador debe incluir sus características mecánicas, así como la fuerza del impulso fisicoquímico. [3]
48
CAPtTULO 3 Experimentación
CRlSTALlZAClON CON SEMBRADO
La cinética de crecimiento cristalino expresada en términos de un flux de materia se propone como:
Si sólo consideramos independencia respecto decrecimientosedesprecia,
al tamaño del cristal, la dispersión
y las condicionesseconsideran
isotérmicas. Para un
cristalizador por lotes en que la deposición de masa como resultado de la nucleación se considera despreciable, un balance de materia en el interior del soluto da:
-AC(t) = M ( t ) = A,. (t)R,;( t )= k,A,. (t)ACK( t )
(2)
donde AT es la superficie total de cristalización disponible para el crecimiento y MT es la masa cristalina total, ambas expresadas por unidad de masa del solvente.
Diferenciando la ec. (2) respecto al tiempo :
-AC(t) = k , (A,.(t)AC' ( t )+ A , (t)gAC'" (t)AC(t))
que puede reescribirse como :
combinando ecs. (2) y (4) evaluadas a t =O
49
CAPITULO 3 Exper.imet~taciÓt~
kb ActKA ,
dM,.
aquí Lo esuntamañopromedio
de los cristales sembrados ya
incorpora la
densidad del cristal y los factores de forma (ver más abajo). Un mayor rearreglo de la ecn. (5) con el usode
la ec. (2) da la expresión siguiente para el orden del crecimiento
cristalino :
Ac,
= aL,A,.,
+
AcOAc, Ac;
Además, la superficie inicial de sembrado puede evaluarse a partir de la expresión
ATO= Wso F/ r Lo S
Si las porción inicial de unacurva de desobresaturaciónesaproximadapor
un
polinomio de orden n - ésimo :
Dc(t) = S ait' entonces las derivadas al tiempo inicial están dadas por : Dco = ao; Dco = Dco al;
= 2a2
CRISTALIZACIóN SIN SEMBRADO.
Enesta parte se trata de establecerunmodelo
cinético de la precipitación del
ácido salicílico a partir de experimentos por lotes y mostrar que este modo puede usarse para predecir el comportamiento de reactores continuos (tamaño
del cristal y
composición de la mezcla efluente).
El tamaño de las partículas puede determinarse por medio
de un analizador de
difracción láser quedala
fracción másica de cristales en tipos incrementados en
progresióngeométrica.La
distribución másicaexactade
las partículas seobtiene
50
CAPITULO 3 Experimen~acidt~
únicamentesi equivalente
las mismasson
esféricas. Para resolver esta dificultad,
el diámetro
L de una esfera de igual volumen vp que la partícula se definió como :
L = (6V,, / p)"' = (V,, / f,,
)'I3
La superficie externa del cristal es entonces :
S,, = f,L'
de la observaciónmicroscópica,seencontróque promedio
(2) f,
=
1.5, y queel diámetro
L43 dada por el analizador fué aproximadamente iguala L. Puedeasumirse
entonces que la distribución de tamaño de cristal es sólo aproximadamente conocida pero que el valor promedio
L43 es el correcto.
El proceso de cristalización consiste de una etapa de nucleación seguida por
el
crecimiento del núcleo.
La velocidad de nucleación puede escribirse
rN
= k , (C - C*)'(1
donde kN ( C - C*)representa
+ k;,C,"')
la nucleación primaria y
(3) k k'N(
c -
c*)'
c",
la
heterogenea. Como la concentración de las partículas es alta, predominan las Colisiones biparticulares, y m = 2.
El tamaño de las partículas puede ocurrir en el régimen químico, o en el régimen controlado por la difusión, o por la aglomeración. Los primeros dos procesos compiten en el incremento de tamaño.
51
CAPITULO 3 Experimentación
k’D puedeobtenerse
a partir decorrelacionespara
transferencia de materia kD para
partículas en suspensión,p. ej.
k‘,
D =y (2 + 0.6 Re,”2
Re,, =0.139(PL4/ Y 3 ) 419 Reu0.’33 ;
Re, N,D’ I V
L es aproximada por ml en (5). La velocidad
de aglomeración de las partículas de tamaño
L se supone
proporcional a la superficie total de cristalización(N m2), a la sobresaturación y al número de partículas de tamaño L ( N f(l) )
Y,
( L ) = k , (C - C ’ ) m , N ’ F ( L )
(6)
simplicidad, se asume que el tamaño de una partícula L se
Para efectosde
obtiene por la aglomeración de dos partículas de tamaño 2”’3L.
Laecuación de balance poblacionalen
un reactor tanquecontinuoagitado
sin
cristales en laalimentación es entonces:
En un reactor por lotes, Q = O. La ec. (7) puede resolverse por el método de los momentos. Asumiendo que G es independiente de L, las ecuaciones para el momento m,
=
L, f (L) dLsederivanfácilmente
de la ecuación (7) por multiplicación por L” e
integración:
dN
- rN - k A ( C - C * ) p 2 N ’ d t
”
dt
52
CAPITULO 3 Experin~entación
CASO PARTICULAR DE CINETICA DEL NAFTALENO
En los años posteriores a 1950 hasta la fecha, no se encontró referencia alguna deinvestigacionessobre
la cinética de crecimiento del naftaleno, por lo que nuestro
trabajo deexperimentación,estábasado efectuadas en cristalizadores batcha
en investigacionessobre nivel laboratorio
cinéticas generales
para el casodenucleación
primaria y/o nucleación secundaria.
53
CAPlTULO 3. Experimentación
111.3. ACTIVIDADES EXPERIMENTALES 111.3.1 .- OBJETIVO DEL TRABAJO EXPERIMENTAL
Se analizará la cinética de crecimiento de los cristales del naftaleno para el caso de cristalización con siembra o de contacto, paraobteneruna
correlación cinética en
función de las variables siguientes: 1_-Concentración.
2.- Temperatura de cristalización.
111.3.2.- METODOLOGíAEXPERIMENTAL.
1.- Búsqueda de propiedades fisicoquímicas delas mezclas típicas del alquitrán de hulla.
2.- Obtención de la curva de solubilidad del naftaleno enxileno. a). Preparación de mezclas de naftaleno-xileno en proporción conocida. b). Determinación del punto de saturación de dicha mezcla en un recipiente
.
fuertemente agitado, para evitar cualquier grado de sobresaturación. 3.- Montaje del equipo de cristalización(fig. 2)
4. Desarrollo experimental dela cristalización.
a) Preparación de la solución de naftaleno-xileno a una concentración determinada (entre 40 y 45 %) , y cargado del cristalizador. b). Siembra de 10 gr de cristales de naftaleno puro aproximadamente
1O C
antes del punto de cristalización del naftaleno en solución. c) Obtención de 8 muestras durante la corrida a intervalos de 1800 seg., tomándose la muestra y tiempo iniciales al momento de adicionar los cristales,y midiéndose a la vez la temperatura. d) El análisis de las muestras obtenidas durante cada corrida se efectuó por medio de la cromatografía en fase gas para la determinación de la concentración en el avance de la cristalización.
e). Interpretación de los resultados.
54
CAPITULO 3. Experimentación
5.- Análisis auxiliar.
a). Medición del tamaño de los cristales de siembra. b). Construcción de una curva de calibración del cromatógrafo con muestras de
composición conocida. c). Medición de la velocidad de agitación.
6.- Conjunción de datos parala determinación de la cinética de crecimiento.
5 !i
CAPITULO 3. Exper-itnentación
111.4. RESULTADOS.
111.4.1. CURVA DE SOLUBILIDAD.
Debido a que no se encontraron datos reportados en la
bibliografia acerca de la
solubilidad del Naftaleno en Xileno se determinó una curva experimental de solubilidad del sistema antes mencionado el cual dio los siguientes datos experimentales:
TABLA DE DATOS EXPERIMENTALES
CAPITULO 3. Experi~l~entacidt~
1.0
0.8-
-0.7-
-63
%.6W
10.5:
57
CAPITULO 3. Expel-imentacidn
111.4.2. OBTENCIóN DE LAS VARIABLES EXPERIMENTALES. 1.Gradiente de concentración (AC). Éste es la diferencia entre la concentración en el
interior delasolución(c,),
y la concentración en la interfase de cristalización (cs). Es la
fuerza impulsora de cristalización. a).Concentración en el interior de la solución. La composición cr muestras obtenidas
seobtuvo
de las
en el transcurso de la cristalización. Dichas muestras se analizaron
en un cromatógrafo de gases con nitrógeno como gas acarreador, obteniéndose
cierta
Xcr (composición molar en moles soluto / moles totales). Esta Xcr se corrigió con una
curvade
calibración obtenidapreviamenteconmuestrasdecomposiciónconocida
analizadas en ese cromatógrafo.
Una vez obtenida dicha Xreal (o mejor diCho,Xr), se convirtió la composición molar a composición másica,cr (gramos soluto / gramos totales),por medioderelaciones molares.
b).Concentración en la interfase de cristalización. Primeramente se obtuvo una curva de saturación en función de latemperatura cantidadescrecientes
de cristalización. Estose
de naftaleno a unasoluciónconocida
hizo añadiendo
de naftaleno y xileno y
determinando la temperatura de cristalización, Entonces, una vez construida dicha curva, se dedujo csat paracada temperatura medida durante la
corrida leyendo directamente de
la curva de saturación.
Finalmente, el gradiente se obtuvo con la diferencia AC = C, - Csat .
2.Temperatura. ÉSta se midió con un termómetro común de mercurio.
3.Tiempo. Se utilizó un cronómetro para medición del tiempo transcurrido.
58
CAPITULO 3. Experimentación
PRIMERA CORRIDA
MUESTRA 1
TEMPERATURA 39
3
32
5
30 29
TIEMPO(seg) 74
7193
I
Xreal
I soIu./gr C gr
31
6
I
C sat.
I
Xcr 0.4519 0.4274 0.3739 4 0.3522 0.3430 0.3302
1816 5407 9033 10845
DC
I
Xcr = Composición del cromatógrafo Xreal= Composición apartir de la curva de calibración del cromatógrafo Cgr solu/gr solve= Composición en peso apartir de: C= (X MNaf.) / (M Xi1 + (MNaf. - M Xil)) Csat. = Composición en peso apartir de la curva de saturación DC = Diferencia de : (Cgr solu/gr solve - Csat.)
59
36
2
CAPITULO 3. Experitmntación
ICORRIDA 0.060 -
2 O
'.
y=0.04866+7.9826E-6 x - I ,824E-9 ?+9.1877E-14 x:
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E 0.050 -
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Z-
W - 0.045
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I
I
I
O
2000
4000
I
I
I
1
600012000 10000 8000
TIEMPO
40
. I
y=38.97331-0.00165 x+6.9173E-8 38
2 3 t2
X'
-
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34-
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32-
30
-
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I
O
I
4000 2000
I
I
8000 6000
I
I
I
1O000
12000
TIEMPO
60
C.4PiTULO 3. Experimentación
SEGUNDA CORRIDA
Xreal
0.409893 0.3991 52 0.455928 0.408376 0.374265
C gr solu./gr solve. 0.456040 0.445001 0.504821 0.454483 0.419251
C sat.
DC
5
0.429177 0.420222 0.41 1463
- 0.020675 0.002035 0.073664 0.034261 0.007787
0.47671 0.442966
Xcr = Composición del cromatógrafo Xreal= Composición a partir de la curva decalibración del cromatógrafo Cgr solulgr solve= Composición en peso a partir de: C= (X MNaf.) I (M Xi1 + (MNaf. - M Xil)) Csat. = Composición en peso a partir dela curva de saturación DC = Diferencia de : (Cgr solulgr solve - Csat.)
61
CAPITULO 3. Experilnentaciórl
p6EiK”5l -
469+0 O m 7 x + l 0097F-9 x2-
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0.08
-
0.06
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I
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I
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4000
6000
8000
1
T I E M P O
ICORRIDA 40
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I
y=39.79331-0.00178 x+1.201E-7 x*
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2
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32
I
I
I
I
I
I
O
2000
4000
6000
8000
TIEMPO
62
CAPJTULO 3. Experimentaciót~
TERCERA CORRIDA
MUESTRA 1 2 3 4
TEMPERATURA 38 37 36.5 35.5
TIEMPO(seg) 1810 3605 541O 7205
Xcr 0.337292 0.334997 0.382452 0.353096
Xcr = Composición del cromatógrafo Xreal= Composición a partir de la curva de calibración del cromatógrafo Cgr solulgr solve= Composición en peso a partir de: C= (X MNaf.) I (M Xi1 + (MNaf. - M Xil)) Csat. = Composición en peso a partir de la curva de saturación DC = Diferencia de : (Cgr solulgr solve - Csat.)
63
CAPITULO 3. Experitner7tacidn
4'
b=-0.04523+0.00002 x - I .8572E-9 7
0.020-
6 Z
O
0
O
0.015..." .. .-
0.010 -
W W
0.005-
.
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Q -0.005 -
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//'
-0.01o 0;
-0.015 1000
/
I
I
I
I
I
I
1
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
TIEMPO
ICORRIDA
3
I
y=38.75417-0.00044 x+6.969E-23 x*
I
3000 2000 1000
I
I
I
I
I
I
4000
5000
6000
7000
8000
TIEMPO
64
CAPITULO 3. Experinlentución
Los valores de AC y T obtenidos se graficaron en función del tiempo para obtener un ajuste polinomial de tercer orden de la forma : AC (t) = a.
+ al t + a2 t2 + a3t3
Y T(t)
= bo +
bl t + b2t2 +
b3t
Como se mencionó antes:
COEFICIENTES DE LOS POLINOMIOS AJUSTADOS
111.4.3. ANALISIS AUXILIAR.
Los siguientes valores también se obtuvieron experimentalmente: a = 0.0113237 S” ( a partir de un ajuste lineal de la curva de solubilidad: Csat = 0.0307 + 0.0113237 t ). Lo = 33.982 micras = 3.3982
a =
m ( a partir demedicionesmicroscópicas de los cristales sembrados)
3 p / 2F = 3 (962.8 kg/m3)/ 2 (1) = 1 444.2 kg/m3
ATO= 0.1834m2/g cristales sembr.
= 183.4 m2/ kg cristales sembr.
ATO= (183.4 m2/kg crist.)(0.010 kg crist.) l(0.4806 kg sol.) ATO=
3.816 m2/kg sol
65
CAPITULO 3. Experimentación
111.4.4. DETERMINACIóN DE LA CINÉTICA DE CRISTALIZACIÓN.
x,
=-
x*=X3 =
(ACo + aTo)ToaLo To
’
(ACo + aTo)ACoaLo ACo
(ACo + aTo)aLo + ((ACo + aTo)’ / A,, )
Con estas fórmulas se determinaron los siguientes valores :
PARAMETROS DEPENDIENTES DE DERIVADAS CON RESPECTO AL TIEMPO
CORRIDA 1 2 3
x3
X1
x2
1.5822097(1 5.3349555( 1O”5)
3.1420805(1O-”) 1.1644640(1O-’) 4.1396308( 1O”’)
- 1.3926677(1
1.1900137(10”’)
- 2.319469(1O”’)
- 1.221541(10”’)
,
De acuerdo al modelo de cristalización :
E
--x,
+ gx, +x, = o
-xj
E R,
4
= -x,
+ gx, Ajustando por mínimos cuadrados con dos variables (x, y x2 ):
-x3 = 8699.02 XI+ 0.0924 x2 . E/R, = 8699 K R, = 8.314 kJ/mol
K
g = 0.1
y
E = 72.32 KJlmol
kg = 7.758 ( I O 6 ) kg/m2 S
111.5. CONCLUSIONES.
La cinética determinada es :
R = 7.758(106) exp( 7.23(1O4)1R,T) Ato.'
[=I
kg cristal/m*seg
CAPITULO 4. Diseño de la planta IV. 1 . DESCRIPCIóN DEL PROCESO.
Esteproceso toma unacorriente alquitrán(procesoKoppersdescrito
de alimentacióndelaplantadestiladora
de
en el capítulo 1) y la purifica paraobtener
naftaleno de pureza relativamente elevada. Funciona con equipo continuo (torre de destilación) acoplado equipo a
que funciona de manera discontinua
(cristalizadores por lotes). El diagrama 1 muestra el proceso en detalle. La materia prima sólidosatemperaturaambiente,por alimentacióncalentadopor
está formada por
lo que debe introducirsea un depósito de
un serpentíninterno,paraalimentar
a su vez la
columna de destilación. De dicha columna de destilación se toma la corriente de domo, que semezclaconsoluciónrestante anteriormente . Una vez lleno,
del cristalizador que funcionó el cristalizador siembra se
y opera
aproximadamente por tres horas. Duranteeste tiempo, el efluente de la torre llena el otro cristalizador. No toda la solución residual de los cristalizadores se recircula, pues una parte vaadaraldepósito
de residuos, junto con la totalidad de la
corriente de fondos. Una vez concluida la cristalización, el producto se extrae casi sin solución residual, y termina de secarse al introducirse al tamiz, que sirve para separar los cristalesmáspequeños,
y usarloscomosiembra,
y para secar al
producto.
El calor necesario para hacer funcionar lacolumna de destilación proviene de una caldera. El vapor de la caldera calienta al rehervidor, después
cede calor en un
intercambiador, para entrar a la temperatura adecuada al condensador de la torre dedestilación.Estevaporterminacalentandoelserpentín
del depósito de
alimentación, y regresa por fin a la caldera. Las necesidades de enfriamiento son proporcionadas por una torrede enfriamiento.
67
O
z
W
<
t-
LL
a
z
v)
O
o
O
v)
W
o
W
n
O
O
OL
n
v)
w
o
O
OL
a w -I
n OL
a v)
OL
a
w tz
W
OL OL
O
o
CAPITULO 4. Diseño de la planta IV.2. BALANCE DE MATERIA Y ENERGíA.
IV.2.1. BALANCE DE MATERIA. De acuerdo al diagrama 1 del proceso que se muestra en lapágina anterior se presentan lascorrientes
principales, a continuación semuestralanomenclatura
usada para
determinar los valores de la tabla siguiente la cual corresponde albalance de materia del proceso:
WA = Alimentación sólida de materia prima
WF = Alimentación a la torre deSEPARAC16N WT = Producto de domo de la columna deseparación
WB= Producto de fondos de la columna deseparación WR = Recirculación de los cristalizadores Wv = Corriente purga de la solucion recirculada
WI = Alimentación total a cadacristalizador Wp = Corriente de salida de producto final
69
CAPITULO 6. Análisis econbmico
v1.2
.-EVALUACI~N ECON~MICA
Los costos de capital fijo están basados en los costos de terreno. equipo principal y equipo auxiliar que incluyen costo de material, transportación e instalación, en la tabla V . l se muestran cada equipo del proceso y su costo respectivo: TAB LA V.1
Costos de capital :
Costo ( USD )
Equipo principal
45 O00
Destilador
128 O00
Cristalizador (2) Equipo auxiliar
-
Recipiente de alimentacfón
92 300
Caldera
23 O00
lntercambiador de calor HE-I
10 330
lntercambiador de calor HE-2
8 045
Tamiz
10 260
Torre de enfriamiento
24 O00
Depósito de residuo
3 970
Depósito de producto
5 560
Depósito de agua deenfriamiento
3 300
Tuberías y codos
5 200
Bombas
3 325
Terreno
,
I
5c O00
Costo total de capital fijo (CcF):
412 230
Costo de trabajo (20 % del CcF):
82 458
COSTO DE CAPITAL TOTAL (CCT)
494~ 748
79
CAPITULO 6. Análisis económico
Los costos de fabricación se clasifican en costos directos e indirectos, los costos directos
incluyen los costos de materias primas, servicios y mantenimiento entre otros, en la tabla V.2 se muestran cadauno de los costos directos e indirectos de fabricación: TABLA V.2 Gastos de fabricación :
Costo (USD/ año)
Directos
2920
Materias primas Disolvente (xileno) obra
1551712 177280 Mano de
Servicios: Combustible
25900
Electricidad
131328
Agua de enfriamiento Mantenimiento y reparaciones ( 2% CcF) Suministros de operación (15% de manten) Gasto total (&FD):
5000 20614 3092
1917846
Indirectos
Empacado ,almaen. (50 % mano de obra.)
98947
Impuestos locales ( 1 % CcF)
4123
Seguro ( 0.5
2061
O h
de CCF)
Gasto total (bFI) :
GASTO DE FABRICACION TOTAL (CGF): Depreciación ( 10 % C c ~ )
105131
2 326 424
61 843
Distribución y costo de ventas ( 10% AGF)
202 298
Investigación y desarrollo ( 5 YOABF)
101 149
GASTO TOTAL
(&T):
2 326 424
80
CAPITULO 6. Análisis económico
Ingreso de ventas: El precio comercial de naftaleno de alta pureza se cotiza en 49.502 USD/kg , si nuestra planta produce364800
kg/año, y se vende toda,entonces se estima un ingreso de
ventas de 18 058 330 USD/ año. La inversión total es la sumade los costos de capital fijo más los costos detrabajo, por lo que
Utilidad bruta = ventas
-
CCT UB = 17 975 872 USD/año
Impuesto sobre la renta = 35 % Utilidad bruta X impuesto sobre la renta ( UBI)= 6 291 555 USDl año Utilidad neta = Ue - UBl= 4 688 802 USD/año Retorno anual = 4 688 802 USD/año
Retorno anual sobre lo invertido =
Re torno. anual
xl O0
Inversión total
Retorno anual sobrelo invertido = 2361.67 % TREMA = TllP + Riesgo
TllP = 28 % Riesgo = 30 O h TREMA = 58 %
Tiempo de retorno de la inversión =
Inversión total retornoanual
Debido a que la tasa de retornoanual sobre lo invertido resulta ser mayor que la tasa de rendimiento mínima aceptable , se determina que el proceso es rentable y con un tiempo de retorno de la inversión de 1.26 meses
81
CAPITULO 6, Análisis económico V1.3.- CONCLUSIONES
El naftaleno se obtiene corno subproducto de los procesos de separación de mezclas tan complejas como lo son los productos de la destilación del coque o hulla, y la reformación catalítica de ciertas fracciones del petróleo . Esto nos lleva de antemano a decidir que materia prima y proceso emplear considerandovariables tales como: a).- costos de disponibilidad de materia prima b),. costos de procesamiento c).- costos de equipo.
La evaluación detallada de estas variables seFala como la mejor opción para laobtención del naftaleno, la destilación del alquitrán de hulla, tomando aconsideracón lo siguiente: a).-La fracción de naftaleno presente en las materias primas es mayor en el alquitrán de hulla con respecto a las fracciones encontradas en el gas de hulla o en la fracción de aromáticos pesados delpetróleo b) El proceso de destilación del alquitrán de hulla es más rentable que la reformación del petróleo, puesto que éste último requiere un reactor termocatalítico, lo cual implica un costo mayor para la planta . De los datos obtenidos a partir de la evaluación económica, se infiere que el proceso de cristalización es rentable siempre y cuando las condiciones delmercado
nacional no
conduzcan a una baja extrema delvalor del producto, o un encarecimiento de la materia prima. En tal caso, se cuenta con la granprobabilidad de exportar el producto
82
CAPITULO 6. Apéndice
VII.- APENDICE: VII.1- EQUIPO PRINCIPAL
.-
VIL1 .I Diseño de la Columna de separación multicomponente
Material: Practicamente naftaleno (CloH8) Peso molecular: 128.18 gr/mol Densidad del liq. a 100°C : 0.825grkm3 Densidad del vapor a 100°C : 0.9664
gr/cm3
Tensión superficial a 100°C: 31.77 dinaskm Flujo esperado.
..
Gasto máximo Domo: 70 Kg/hr Gasto máximo Fondo: 30 Kg/hr Condiciones de operación.
T : 1OOOC (373.1 K) P : 0.8 atm. (1 1.756 psi) Núm. de platos reales: 17 Plato óptimo de alimen.: 5 Losdatos
de operación de la columna fueron determinadosconla
ayuda deuna
simulación hecha con el sofware “ASPEN PLUS” Ver. 9.1
Material de construcción: Para los platos perforados y coraza de la columna, el
material recomendable es de
aleación resistente a la corrosión y temperatura, que en este caso el mas aceptable es el ácero inoxidable.
Cálculo del diámetro de la columna: Aplicando el método de Sounders-Brown, la distancia tentativa entre plato y plato es de 12 plg. (30.54 cm) seleccionado para un diámetro de columna de entre 0.75 a 1.5 m. W = C[ 0.9664*10-3(0.0825-0.9664*10-3) 1112
83
CAPITULO 6. Apéndice
donde C es un valor quesedetermina
de gráficas queestan
en función del
espaciamiento de los platos y la tensión superficial, C=12400. W = 109.709 unidades métricas
El diámentro de la columnase determina de la sig. forma:
D = [ (4V)/(3.1416W) ] sustituyendo valores tenemos elsiguiente diámetro = 0.85 m.
El diámetro delas perforaciones es de 4.8 mm (3/16) elcuál proporciona unaalta eficiencia y no se tapan en procesosligeramente incrustrantes.
Se eligio la distancia entre vertederos y perforaciones Ws de 3 cm y considerando que la distancia entre coraza y perforaciones Wc minima es de cero(O). Con Wd de 0.1152 cm. El área total activa es: X=D/Z-(Wd+Ws) sustituyendo valores X = 38.84 cm = 0.3839 m r = (D/2) - Wc = 42.5 cm = 0.425 m Aa = 2[ X(r2 -X2)II2 + r2sen-l (X/r) ] Aa = 24.65 m Escogiendo de tablas de (*) la relación [ área totallárea perforada
1,
con un valor de
0.60, el arreglo será el siguiente.
Arreglo = [ 0.9065do2(at/ap) ]1/2= I.40 m
Por lo tanto el diámetro de la columna es el promedio entre el arreglo y el estimado por el método de Sounders-Brown: D = 1.125 m
Comercialmente tenemos lo sig: Arreglo = 1.17 m
84
CAPITULO 6. Apéndice
Con espesor de plato deacero
inoxidable de 2.77 calibre 12 U.S. Verificando ña
relación UD = 3.004, encontrandose dentro de los valores recomendados. Espesor de la cubierta considerando lapresión interna t = C + [ (PD)/(2SE-P) ] donde: P = 0.8 atm = 11.756 psi D = 1.I25 m = 44.29 plg C = 0.0125 Del codigo tabla USC-23 con número SA-285 y grado C, para metales donde la temp. no exceda de 35OOC y esfuerzo permitido S i 13750, con juntas hemisfericas sin examen de reyos X, E = 0.8 se obtiene lo sig. t = 0.4859 plg = 1.234 cm
For lo tanto el espesor prácticomas proximo es de 1/2 plg Para la parte inferio y superior de la columna:
D= 44.29 plg
t = C + [ PD/4SE ] = 0.3693 plg = 0.9380 Cm
Por lo tanto el espesor delas tapas superior e inferior es de 3/8 de plg.
Para la determinación del costo de la columna de separación fue en base a las tablas presentadas en libro de Peters and Timmerhouse que estan en función del peso del equipo. Cilindro o coraza de la columna: (6.172 pie3)(486.931 Ib/pie3) = 3006 lb Tapa superior e inferior (cabezales): (0.3334pie3)(486.931 Ib/pie3) = 162.35 lb
85
CAPITULO 6. Apéndice
2 cabezales = 325 lb Platos:
17(3.1416)(1.763)2(0.0229)=3.801pie~)(486.931Ib/pie3)= 1850 lb Por lo tanto el peso aprox. de la columna es la suma de todo lo anterior, la cual es de: 5200 lb y de acuerdo a las tablas de la bibliografia antes mencionada da un valor aprox. de 25,000 dls. , estas tablas fueron hechas para el año de 1979 por lo que se tiene que convertir a el valor actual por medio del indice Marshall, el cuál es el actual entre el del año de referencia, entonces el valor actual es elsiguiente:
25,000 x (1028.3 / 561 ) = 45,850 USD.
86
CAPITULO 6. Apéndice
VII.1.2.- Diseño de un critalizador por lotes (batch)
I. Especificaciones: - Tamaño del producto: Lp= I x I O - ~m
- Tamaño de sembrado: Ls= 3.4~10-5m
- Temperatura de alimentación: 68 OC - Temperatura final: 35 OC
- Volumen deproducción:
Wp = 1200 kg/lote
- Composición de alimentación: 0.800 kglkg-sol. - Densidad del cristal : pc = 962.3 kg/m3 - Densidad de la solución: pc = 962.3 kg/m3 - Coeficiente de solubilidad: Cs = 0.0307 + 0.0113237 T - Factor de volumen de los cristales: k l = 1
II. Volumén del cristalizador
- Concentración de alimentación = 0.800 kg/kg sol. - Concentración final = C, = 0.0307 + (0.01 13237) T (T a 35 “C) = 0.427 kg/kg sol. - Cristalizado por kg de solución : X= 0.800 - 0.427(1-x) = 0.65096 -Densidad global del magma: p~ = m. cristal / volumén total = 962 kg/m3
- Volumén del cristalizador = 2.25 m3
111. Cantidad de sembrado
N = W, / pckVL: = 1200kg / ((I* 1O”m)
(1)(962.8 kg / m3))= 6.232 * I O 8 cristales
W, = NpckvL; = (1.246 * 1O9)(962.8)(1)(3.4* 10-5)3= 0.0236 kg
87
CAPITULO 6. Apéndice
IV. Tiempo de operación. Ecuación cinética
W = Abexp(-E/RgT)Acg W = A (7.758 * I O 6 )exp(-8699 / 330)(0.05)0.092 W = A (1.81*10-5)= (1.81*10-5)(NkL ,); Por otra parte
Wo= 3Np,k,L$G G = 2.095 3pckvG= 2.095*10-5= G=(2.095kA)/(3pckv)= 7.254*10" m/s Además por la siguiente ec.
= qf(To-T) / Ws=4.5(0.0113)(68 - 35)/3(0.047) = 8.814 Por otro lado:
Z = Gt/Lo = z = ZLJG = 2.886 = 2h,56min Las condiciones generales para cada cristalizador son:
V = 2.25 m3
T
= 2.9 hrs.
88
CAPITULO 6. Apéndice
Ecuaciones de diseño paraun cristalizador por lotes.
Balance general de materia para elcomponente cristalizable.
La ecuación anterior es bajo la suposición de volúmen constante, por otro lado: La tasa de crecimiento cristalino es igual a la densidad de los cristales multiplicada por la tasa de crecimiento volumétrica de los cristales.
dM d dL - pc-(Nk,L3) = 3pcNk,L2dt dt dt dM - 3 p , N k , LzG (2)
"
"
dt
d2M dL - 6p,Nk,L2Gdt dt
"
d 2M - 6pcNk,G2L dt
"
(3)
Volviendo a derivar por tercera ocasión:
d3M dL - 6 p, NkcG2dt dt
"
d3M - 6pcNk,G3 dt
"
=6pcNk,LoG'
$1
(6)
tfo
= 6pcNk,G3
(7)
to
La ecuación (1) puede derivarse a su vez:
89
CAPITULO 6. Apéndice
d 2M dt
d2C
- -y--
"
dt
d 3M d3C --y-dt dt
"
Comparando las ecuaciones (4) y (9) resulta:
d3C dt2
1
-= --(6pcNkvG3)
V
integrando esta ecuación con las condiciones iniciales (6) y (7) resulta:
d2C - -6pcNkvLoG2 -6pcNkvG3t dt
"
integrando esta ecuación con las condiciones iniciales (5) da:
dC dt
-=-6pcNkvLoG2t-3pcNkvG3t2 -3pcNkvLiG La última integración resulta de la siguiente forma: - 3pcNkvLiGt ( C ( t )- C(to))= -3pcNkvLoG2t- pcNkvG3t3
(IO)
Por otra parte:
C(t)= Cso,v,(t) - AC(t> C(t)= a +bT+ AC(t) C(t)-C(to)=(a+bT(t))-(a+bTo)+(AC(t)-AC(to)) Suponiendo AC constante y combinando las ecuaciones (1O) y (11)
(
b(T-T,) = 3pcNkvLi
Se sabe que
=
1 G3t3G2t2
3 L3,
Lz,
G]-t'
Lo
pcNkvLi
90
CAPITULO 6. Apéndice
Definiendo:
1 3
a, =-z3+z2+z
(14)
dos La condición que hace a AC constante es:= Z2 + 22+ 1
d2
(1 5)
91 \
CAPITULO 6.Apéndice
V11.2.-DISEÑO Y COSTO DE EQUIPO AUXILIAR.
V11.2.1.- Diseño y Costo de una caldera
- Presión de operación = 6 atm. - Area o superficie de calefacción = 66.4006 m* Comercialmente setiene que la superficie de calefacción es de 70 m*
- Coeficiente global de transferencia ( U ) = 12501. I 2 cal/seg
- Temperatura de entrada =
150°C
- Temperatura desalida = 260°C - Longitud del cuerpocilindrico superior = 3.2 m
- Diámetro del cuerpocilindrico superior = 1.6 m - Núm. de tubos de humo = 60 - Diámetro exterior de los tubos = 8.3 cm - Longitud del cuerpocilindrico inferior = 4.3 m - Diámetro del cuerpocilindrico inferior = 1.6 m - Núm. de tubos de hogar = 1 - Diámetro máximode los mismos = 80 cm - Diámetro mínimo delos mismos = 65 cm - Longitud total de la obra de fabrica = 5.25 m - Ancho total de la obra de fabrica = 3.15 m - Altura total de laobra de fabrica = 4.0 m - Flujo másico de descarga = 0.03 kg/seg - Costo = 18360 (392.6 / 315 ) = 22871.31 dols. aprox. 23000 dols.
92
CAPITULO 6. Ape'ndice
V11.2.2 Diseño y costeo de intercambiadores de calorHE-I y HE-2
1.- INTERCAMBIADOR DE CALOR HE-I a) Corriente refrigerante. 1.- Agua líquida. 2.- Temperatura de entrada: 20 'C. 3.- Temperatura desalida: 95 'C. 4.- Composición 100% agua líquida.
5.- Flujo másico: 0.22 kg./s. 6.- Presión de operación: 1 atm. b) Corriente caliente. 1.- Vapor saturado. 2.- Temperatura de entrada: 244 'C. 3.-Temperatura de salida. 190 'C. 4.- Composición 100% vapor saturado.
5.-Flujo másico: 0.03 kg./s. 6.- Presión de operación: 21.O8 atm. c) Carga térmica: Q=1956 cal/s
d) Coeficiente global de transferencia :U=568.7 Calk m2
e) Tipo de construcción: tubos concéntricos
9 Material: Acero
inoxidable en el tubo y
acero al carbón en lacoraza. g) Área de transferencia: A=0.0209 m2.
h) Longitud del tubo 2.25fi. i) Diámetro interno: 3/8 in. tubo interno y 1 in. tubo externo j) Espesor del tubo interno: x=l.2446 x 1O3 m. k) Calibre BWG: 18 en el tubo interno y 20 en el tubo externo. I) Costos: 3120 x (1042.9/315) = 10,330 USD.
93
CAPITULO 6. Apéndice
11.- INTERCAMBIADOR DE CALOR HE-2. lntercambiador de tubos concéntricos con solución fundida de naftaleno en la parte interna y agua líquida en la parte externa a) Corriente refrigerante:
1.- Temperatura de entrada: 20 'C. 2.- Temperatura de salida: 85 'C. 3.- Composición: 100% agua líquida. 4.- Flujo másico w, = 0.01896 kg./s.
5.-Presión de operación 1 atm. b) Corriente caliente:
1.- Temperatura de entrada: 206 'C. 2.- Temperatura de salida: 70 'C. 3.- Composición: 84.4% de naftaleno. 4.- Flujo másico w,= 0.01908 kg./s.
5.-Presión de operación: 0.8 atm. c) Carga térmica: Q=1232.57 calls d) Coeficiente global de transferencia :U=8.11 Callsm' e) Tipo de construcción: tubos concéntricos
9 Material: Acero inoxidable en el
tubo y acero al carbónen Ia'coraza.
g) Área de transferencia: A=l.89 m*.
h) Longitud del tubo27.7 m. i) Diámetro interno: 3/4 in. tubo interno y 1 Yi in. tubo externo j) Espesor del tubointerno: x=0.65 m.
k) Calibre BWG: 16 en el tubo interno y 20 en el tuboexterno. I) Costos 8045 USD.
94
CAPITULO 6. Apéndice
V11.2.3.- TAMIZ TC-1
Especificaciones: a) Tamaño de la malla: Dp=3.4x I O 5 m.
b) Flujo másico: ~ 0 . 0 1 3 8 9kg.1s. c) Material: Acero al carbón d) Potencia requerida: P=6.54 kW e) Costo: CT=1.026x I O 4 USD. (1995)
-
V11.2.4. DISEÑO DE DEPOSITO DE ALIMENTACIóN DA 1.
- Capacidad = 3000 kg - Densidad aprox. de materia prima = 961.2 kglm3 - Volumen del tanque = 4.2 m3 - Diámetro = 1.75 m
- Altura del tanque= 1.3 m - Coeficiente global de transferencia ( U ) = 3.45
Jkeg
Cálculo del serpentin para el recipiente de alimentación Datos: M = 3 tm p=961 kglm3 V = M/p=3,000 kg1961kglm3 V = 3.122 m3. Este volumen es el requerido para almacenar exactamente los 3 O00 kg. Puesto que se trata de un depósito con tapa que se alimenta por arriba, existe un espacio encerrado de aire entre la cubierta superior y la solución. Incluyendo dicho volumen, resulta:
95
CAPITULO 6. Apéndice
V =4.2 m3 V= n D
L
4
L=l.75m. Para estimar el coeficiente de transf. de calor en la cubierta superior del tanque, deben calcularse las resistencias a la transferencia de calor de la siguiente forma:
U=
1 +
-+ 1
hmt
hext
25-1 k
-I
. Aquí hint es el coeficiente en la parte interna (aire encerrado
~~
entre ambas superficies, he* el coef. en la parte externa y x y kac el espesor y la conductividad calorífica del acero, respectivamente.
Pairz3.67 XI O-3/0AC C,ir=992.32 J/kg OC Leq=l.55m Pair"l.4 m3/kg g=9.8m2/s kair 9yc=O.0308 W/m OC pair=0.209 X I O 5 Ns/m2 Pr=0.697 para el aire en espacios encerrados y superficies planas horizontales a=0.14 y rn=1/3 Nuint = 108.2 Nu=hUk por lo que h=Nuk/L hint=7.404J/(sm2 OC). Estimando las otras resistencias kac=45.00 J/sm°C Ax=0.0127 m Nued=325.51 he*=6.468 J/s m2'C. Finalmente, el coeficiente global para la parte superior es: Ut=3.45 J/sm2OC Para evaluar el área de transferencia se usa (Perry, 10 - 40) Ut &=As'+ - A
u s
t
+
(2 D I k g / U , ) ( T T -T'
- Tg) , donde:
At= 2.40 m2 (Área de la cubierta superior del tanque)
96
CAPITULO 6. Apéndice
AS=l.75n(l.75)=9.62m2(Área real de los costados deltanque) A,'= 0.73 A, + A,
+ 4.5 Dt (Área aparente que debe usarse en la fórmula para &)
A,'= 17.97 m' Dt= 1.75 m (Diámetro del tanque) U,=2.04 Jkm' OC b=0.3289 J/sm' OC
(Coeficiente de transf. obtenido de tabla 10 - 7, Perry) (Coeficiente de transferencia para el fondo del tanque, estimado pensando en arena como material aislante)
T=100 OC (Temperatura delinterior del tanque) T'=20
OC
(Temperatura delexterior del tanque)
T,=60 OC (Temperatura del fondo del tanque) &=21.3 m' (Area equivalente del depósito) qe=U&(T-T') qe=3 483 J/s q= 7 328 J/s qT= 10 811Jls. La ecuaciónpara el serpentín es:
u, = 315.13 J/sm2 OC (coeficiente de transferencia de calor para el serpentín, extraído de la tabla 10 - 8, Perry) &=0.476 m2
Usando tuberia de acero inoxidable de diámetro 3/8 m.: &*=0.0982 ft'lft
&=I
(0.0982 ft2/ft)
I = 12.68 m Costo : 27 780 U.S.D. (1982)
Costo actual : 27 780 U.S.D. ( 1042.9 (ind. Marshall 1995)/ 315 (índ Marshall 1982)) Costo actual : 92 300 U.S.D.(1995)
-
V11.2.5. DISEÑO DE TORRE DE ENFRIAMIENTOTE 1. a) Características de la corriente enfriadora (aire): 1.- Humedad relativa : 60%. 2.- Temperatura a la entrada:20 'C.
97
CAPITULO 6. Apéndice
3.- Temperatura de bulbo húmedo:15.2 OC. 4.-Temperatura de punto derocio:12 'C.
5.-Temperatura desalida:38.4 'C. 6.- Flujo a la entrada: G1=0.28 kg./s. 7.- Flujo a la salida: G2=0.2861 kg./s. 8.- Entalpía a la entrada: 42.5 kJ/kg. aire seco. 9.- Entalpía a la salida:93.5 kJ/kg. aire seco. 10.- Temperatura de aire a lasalida: 38.4 'C.
11.- Humedad específica a la entrada: 0.0088 kg. agua/kg. aire seco. 12.- Humedad específica a lasalida: 0.0272 kg. agualkg. aire seco. b) Características de la corrientecaliente (agua):
1.- Temperatura a laentrada:80 'C. 2.- Temperatura a lasalida:20 'C. 3.- Entalpía a la entrada: 619.339 kJ/kg. agua. 4.- Entalpía a la salida:217.48 kJ/kg. agua.
5.- Flujo a la entrada L1=0.240kg./s. 6.- Flujo a la salida L2=0.234 kg./s. c) Relación líquido-gas UG=0.85 d) Flujo de calor: 96.028 kJ/kg. e) nd=O.1883.
9
Coeficiente de transferencia de masa por área de contacto de volumen de la torre:
349.32 kg. agua/s m3. g) Longitud de la torre: 1.I 5m
h) Sección transversal: 0.49m2. Se va a enfriar la corriente de aguapor medio de aire: UG= 0.85
A la entrada del agua: L1= 0.24 kg/Sg
T1 = 80 ' C hagua = h l = 653 kJ/kg A la salida del agua: L 2= 0.234 kg/sg T1 = 20 ' C
98
CAPITULO 6. Apéndice
hagua =
h 2 = 540.743 kJ/kg
Utilizando la carta psicométrica agua-aire calculamos lahumedad relativa del aire y la temperatura del bulbo húmedo y la entalpía y el contenido de humedad:
A la entrada del aire:
GI= 0.281 kg/Sg TI = 20 OC h aire = h l = 42.5 kJ/kg
A la salida del aire
G 2= 0.288 kg/Sg T1 = 38.4 OC haire = h 2
= hl + L/G( TI - T2)
haire = h 2= 93.5 kJ/kg
Flujo de calor: Q = L(Hlagua
- H2 agua)
Q= 96.028 kJ/Kg Curva de operación:
TOC T2 = 20
hagua
kJ/kg
7.480
T2 + O.1(60)= 26
257.667
T2 + 0.4(60)= 44
378.224
T I + 0.4(60)= 56
458.596
T1-+O. 1(60)=74
579.153
T1 = 80
haire
kJ/kg
Ah = hagua-haire
dT/Ah
42.5 21 47.6
619.339
210.067
0.00476
315.324
62.9 0.00317
73.1
0.00259 490.750
385.496
88.4 0.00203
93.5
C dT/Ah = 0.0125
nd=
L
= [*O; 20](0.0125) = 0.1883
99
CAPITULO 6. Apéndice
De datos estándar para una torre de tiro inducido con placas verticales por interpolación de los flujos de agua y aire: KaV = 349.32
Z= 1.15 m Sección transversal =0.49 m* V11.2.6. DEPóSITOS DE ALMACENAMIENTO DS-1 Y DS-2.
Se estiman para el almacenamiento de hasta 30 días de producción (15 días por cada uno):
- Capacidad:
15 x 1 200 kg/día = 18 O00 kg
- Volumen necesario: V = 18 O00 kg/ p(kg/m3) = 37.4 m3 - Material : acero al carbono -Costo : 840 U.S.D.(1982) (1 042.9/315) = 2 780 U.S.D.
V11.2.7. DEPóSITO DE ALMACENAMIENTO DS-3.
Se estima de manera similar al equipoanterior :
- Capacidad : 21 200 kg
- Volumen : 25.6 m3 - Material : acero al carbono. - Costo : 1200 U.S.D.(1982) (1042.9 /315)
= 3970 U.S.D.(1995)
V11.2.8. DEPóSITO DE AGUA DE ENFRIAMIENTO.
Dimensiones:
- Lado = 6 m - Ancho = 6 m - Profundidad = 2 m
1O0
CAPITULO 6. Apéndice
- Volumen = 72 m3 - Estructura de hormigón armado - Costo aproximado = 3300.00 USD V11.2.9. DISEÑO D E BOMBAS. BOMBA 1:
- Diferencia de alturas z2- z1 = 3.7 m - Diámetrodela tuberia = 15.8 xm
- Longitud L = 5.6 m + 3.7 m =9.3 m - Flujo másico (m) = 0.02726 kg/seg - Velocidad = 0.1488 m/seg - Potencia de bomba = .I .54 x I O ” Accesorios:
- 1 válvula y 2 codos
de 90”
- Densidad = 934 kg/m3
- Tuberia de ácero inoxidable de cédula 40 de 1/2” pLh 4m Re=----”P
XDP
Re = 2815 Con este valor se estimo el coeficiente de fricción f = 0.048
Jz v2 X K -V 2
La ecuación de Darcygeneralizada: h, = -+
2Dg
2g
h, = 0.034
Utilizando la ecuaciónde Bernoulli:
h, = ( Z 2 - Z , ) +
P2-4 v; -c2 + + hL Pg
2g
h, = 3.734 m De acuerdo a la ecuación para cálculo de potencia de bombas centrifugas (Crane,1991)
P=
Qhp P
61 16 * lo3
kW ; P = IxIO-~
ésta corresponde a una potencia teórica. La potencia reales:
101
CAPITULO 6. Apéndice
PredriCU
preal =-"
E
- 1.54 x I O " kW
Éste procedimiento de cálculo se realiza para las bombas restantes BOMBA 2
- Diferencia de alturas z2-z1 = 5 m - Diámetro de la tuberia= 15.8 x I O 3
m
- Longitud L = 6.31m .
- Flujo másico (m) = 0.00818 kg/seg
- Velocidad = 0.0503 m/seg - Potencia de bomba = 4 x I O 4 Accesorios:
- 5 codos de 90" - Densidad = 934
kg/m3
- Tuberia de ácero inoxidable de cédula 40de 112" BOMBA 3
- Diferencia de alturasz2- z1 = O m - Diámetro de
la tuberia= 12.5 x I O 3 m
- Longitud L = 43.7 m - Flujo másico (m) = 0.03 kg/seg - Velocidad = 0.306 m/seg - Potencia de bomba = 1.76 x I O 4 Accesorios:
- 13 codos de 90" - Densidad = 800 kg/m3 - Tuberia de ácero inoxidable de cédula 40 de 3/8" BOMBA 4
- Diferencia de alturas z2- z1= 2.0 - Diámetro de la tuberia= 15.8 x I O "
m
- Longitud L = 25.5 m en una rama y 47.07 m en la otra rama - Flujo másico (m T)= 0.24 kg/seg - Velocidad = 1.22 m/seg
102
