DISEO CONCEPTUAL, PLANTA DE PRODUCCION DE ACETONA POR MEDIO DE ALCOHOL ISOPROPILICO. Hctor David lvarez Roldan; John Henry Castro; Juan Felipe Hincapi, Ana CristinaRestrepo, Alejandro Ocampo, Tatiana lvarez, Oscar Hernndez, Daniel Suarez Muetn. Ingeniera de procesos, Escuela de Procesos y Energa Universidad Nacional de Colombia, Sede Medelln, Colombia. Cra. 80 x Cl. 65. Barri Robledo. ARTICLE INFO Article History: Report Completed: 26-022012 Keywords: Acetone, isopropyl alcohol, Endothermic Reaction, Process Design, environmental safety, low cost ABSTRACT Acetone is a water miscible liquid, used as an important organic solvent, chemical intermediate, medical and cosmetics. The acetone is obtained from cumene process for phenol and acetone, by the direct oxidation of propylene using air and catalyticdehydrogenation of IPA; its the most used method because of the products purity. This process an aqueous solution of IPA is fed into the reactor, where the streamis vaporized and reacted is over solid catalyst. Some advantages of the processare: worldwide production method, less separation required and production is low cost, not a dangerous compound present along with acetone and acetone is primary product.1. INTRODUCCIN. En la ingeniera de procesos un buen diseo de planta determina el futuro del proyecto en el que se interviene; y la alta competencia de mercados nacionales e internacionales, acosa a la excelencia de prestacin de soluciones y a nutrir un temperamento de toma de iniciativas, adems de la incorporacin de innovacinen tecnologas y procesos. Por lo tanto la clara metodologa, creatividad, conocimiento y programacin de actividades junto con el cumplimiento de estas, es trascendental para garantizar lo que se quiera obtener como producto o servicio. En el presente se muestra el desarrollo del diseo conceptual de una planta de produccin de Acetona a partir de Alcohol Isoproplico (IPA) la cual se desea que sea ajustable en capacidad y tipos de operacin, controlable, de bajas emisiones contaminantesy de produccin de bajo costo. Condiciones de operacin de los equipos. Todo esto tSeguridad: Incleniendo presente de forma a priori las siguientes consideraciones:uye el predecir qu puede pasar en la planta y qu medidas se deben tomar, tambin elimpacto ambiental que debe ser positivo o, en2. JUSTIFICACIN. La Acetona es de amplia utilidad en la industria, en la fabricacin de Metil metacrilato (MMA), Acido Metacrlico, metacrilatos, Bisfenol A, entre otros, pero sta tambin puede ser utilizado como:Solvente para la mayora de plsticosy fibras sintticas Ideal para adelgazar resinas de fibra de vidrioLimpieza de prendas de lana y piel Limpiar herramientas de fibra de vidrio y disolver resinasde epoxi Limpieza de microcircuitos y partes electrnicasSe usa como componente voltil en algunas pinturas y barnices Es til en la preparacin de metales antes de pintarlos. La acetona es usada frecuentemente como limpiador de uas [1] A la hora de producir Acetona se presentan diferentes mtodos, de los cuales destacamos tres:Proceso Cumeno, proceso oxidacin de polipropileno y el proceso de Deshidrogenacinde alcohol Isoproplico. El proceso Cumeno es el ms comn a nivel mundial, pero comoproducto secundario est el benceno (cancergeno) bajando la purezade la Acetona y aumentando los costes de produccin por la separacin. La oxidacin depolipropileno tiene una baja conversin de acetona y la pureza de los reactivos debe de ser del 99%. En la deshidrogenacin de IPA se obtiene Acetona de alta pureza, se puede utilizar el IPA en solucin acuosa, la conversin de acetona es alta y no tiene sustancias significativamente peligrosas para la salud. Este proceso nosdeja como producto principal la acetona de la cual se mencionaron sus mltiples usos, y como productos segundarios: el Hidrogeno, ampliamente utilizado en la industria qumica: sntesis de amoniaco, procesos de refinera, tratamiento de carbn, entre otros. Por lo tanto optamos por el proceso de deshidrogenacin de IPA ya que ofrece grandes ventajas y resultados con bajos costos de produccin.Simular una planta de produccin de acetona a partir de alcohol isoproplico, estimando as las caractersticas debidas de diseo y los parmetros adecuados de las variables, para operar la planta de una manera segura y eficiente. Optimizar el procesoproductivo de la acetona a partir del alcohol isoproplico mediante la implementacin de corrientes de reciclo y uso de adecuado de cada equipo involucrado. Cumplira cabalidad los decretos de seguridad ambiental que se puedan presentar dentrode la planta de proceso.4.PROCESO DE PRODUCCION3. OBJETIVOS. Objetivo General.Realizar el diseo conceptual de una planta de produccin de 2000 toneladas de acetona/ao, capaz de suplir parte de la demanda colombiana, que cumpla con las condiciones tcnicas adecuadas.Objetivos especficos. Estructurar el diseo preliminar de una planta de produccin deacetona, de manera que se haga una eleccin cuidadosa y correcta de los equipos de operacin requeridos, especificando dimensiones, materiales, costos y capacidadde operacin de cada uno de estos, junto con la disposicin adecuada y unin secuencial debida. Establecer y/o mejorar el sistema de control, para optimizar el diseo conceptual de la planta.La Acetona se fabrica principalmente mediante los procesos de peroxidacin del Cumeno o la deshidrogenacin del Alcohol Isoproplico (2 Propanol). En el primer proceso, que es el utilizado en mayor proporcin, el Cumeno se oxida hasta hidroperxido,el cual se rompe para producir Acetona y Fenol. En este proceso se producen grandes cantidades de Benceno como subproducto. En el segundo proceso, que es muchoms costoso, el alcohol isoproplico se deshidrogena catalticamente para obtener acetona e hidrgeno. En la tabla 1 se muestran las principales caractersticas de cada uno de los procesos para la produccin de acetona. El proceso que se desarrollara en el presente es via alcohol isoproplico, este es un proceso endotrmico a. Se ha estudiado un gran nmero de catalizadores como Cobre, Zinc y Metales de Plomo, ademsde los xidos de Cobre, Zinc, Cromo, Manganeso Magnesio. En un proceso tpico, la mezcla azeotrpica de agua e IPA (87,8% en peso) se vaporiza y se alimenta a un lecho cataltico en un reactor especialmente diseado para permitir una transferencia de calor eficiente. El Hidrgeno que se producepuede mezclarse Tabla 1. Principales caractersticas los procesos para la produccinde acetona. Va Cumeno [1] Oxidacin de Deshidrogenacin propileno [1] del IPA[1] Baja pureza de acetona Baja conversin Impurezas toxicas Alta pureza acetona Alta conversin No hay peligro en las impurezas Cortos procesos de separacin para la purificacin Requiere materia prima de alta pureza Alta pureza acetona Alta conversin Nohay peligro en las impurezas Cortos procesos de separacin para la purificacinLargos procesos de separacin para la purificacin Las materias primas son altamentetoxicascon el alimento para prevenir fallas del catalizador. El reactor est compuesto deuna gran cantidad de tubos. La reaccin produce Hidrgeno como un muy valioso subproducto. Este se separa por condensacin de los otros componentes. La Acetona se separa por destilacin [1]. En la figura 1 se muestra un diagrama sencillo del proceso, es de resaltar que este no cuenta con los equipos auxiliares, tales como torre de enfriamiento, bombeo, torres de enfriamiento, quemadores y caldera; en alfigura 2, se hacen las respectivas correcciones para contar con el diagrama completo y poder saber que equipos en necesario dimensionar.Materia prima en solucin acuosaFigura 1. Diagrama inicial del proceso.Figura 2. Diagrama del proceso. 6. EQUIPOS DE PROCESOS. 5. ESTIMACION DE PRODUCCIN. A nivel mundial se ha encontrado que en el 2010 se tena una capacidad instalada de produccin de 6.7 millones de toneladas anuales. Adems, se conoce como estadstica del DANE que las importaciones anuales de acetona, estn alrededor de 2000 ton/ao, siendo esta nicamente para uso en laboratorios, as que se propone generar la mayor parte de la demanda colombiana, es decir, se propone hacer el diseo conceptual de una planta que produce 2000 toneladas/ao de acetona de alta pureza. 6.1. INTERCAMBIADORES Como el proceso requiere calentamientos antes del reactor y posteriormente enfriamientos, se platea la propuesta de aprovechar el calor que es necesario retirar al salir para el calentamiento que se requiere antes del reactor,as que con los gases de salida del reactor se precalentara el agua que posteriormente se dirigir a la caldera., como se muestra en la figura 3.de intercambiador y las sustancias que se tengan. Despus se calcula la superficieinicial. (1) Despus de estos pasos, se debe definir una configuracin del intercambiador. Para ello se debe especificar:Materiales de tubos y coraza.Dimetro, longitud efectiva y tipo de arreglo de los tubos. Estimar el nmero de tubos a partirde la superficie inicial. Especificar el dimetro de la coraza mediante el nmero de tubos que ms se aproxime y el nmero de pasos, a partir de la tabla 9 del Kern. Finalmente se calcula el rea de transferencia de calor para el intercambiador especificado. 6.1.1.2 Clculo para los coeficientes de pelcula en el lado de los tubos.Para hallar el coeficiente de transferencia de calor h, tanto para el lado de los tubos como de la coraza, se usa la correlacin: (2) 6.1.1.1 Clculo de temperaturas. Como se conocen las temperaturas de todas las corrientes, se calcula la LMTD, y en base a esta y las figuras 18 a 23 del Kern se hall Ft que es la diferenciaverdadera de temperatura . Posteriormente se calculan las temperaturas calricas.TC y tC. Para dicho clculo se debe conocer el factor FC denominado fraccin calricay que se obtiene de la figura 17 del Kern. Luego se supone un valor tentativo de UD basados en la tabla 8 del Kern, segn el tipo1Figura 3. Propuesta intercambio calrico.6.1.1. Pasos para el diseo de los intercambiadores de calor. Para realizar el diseo de los intercambiadores de calor se utiliz el mtodo descrito en la seccin 9 del libro Mtodos y algoritmos de diseo en ingeniera qumica.1 Todas las propiedades (conductividad trmica, viscosidad, capacidad, etc.) tanto de las sustancias puras, comode la mezcla se obtuvieron del programa ASPEN PLUS.Donde jH se obtiene de la figura 24 del Kern. Las propiedades del fluido que vapor dentro de los tubos se calculan a la temperatura tc, pero para hallar la viscosidad a la temperatura de pared se debe suponer inicialmente una temperatura tw uniforme a lo largo de los tubos. 6.1.1.3 Clculo para el coeficiente de pelculapor el lado de la coraza. Al igual que para el lado de los tubos, se usa la correlacin para el clculo del coeficiente de transferencia, pero en este caso jH se obtiene de la figura 28 del Kern y las propiedades se evalan a una temperatura TCPalacio, S. Luz Amparo; Tapias, G. Heberto Saldarriaga, M. Carlos. Mtodos y algoritmos de diseo en ingeniera qumica Ciencia y tecnologa editorial Universidad de Antioquia. 2005. Pgs. 54-58. Tambin se debe suponer un espaciado en los deflectores y espaciado entre tubos.6.1.1.4 Clculo del coeficiente total de transferencia de calor. Para hallar el Uc (coeficiente total de transferencia de calor limpio), se usa la ecuacin 3. (3)plantear una nueva intercambiador.configuracindel6.1.2. ESPECIFICACIONES DEL EVAPORADOR Una de las consideraciones ms importantespara el evaporador es que la mezcla de IPA y agua entra a una composicin cercanaal punto azeotrpico, por lo que al llevar la mezcla al punto de ebullicin, no se distinguir entre un lquido saturado y un vapor saturado, pues ambos estarn prcticamente a la misma composicin (tal como ocurre en una sustancia pura). Las condicionesiniciales son se presentan en la tabla 2. Tabla 2. Condiciones iniciales del evaporador Flujo Punto Presin (kmol/h) ebullicin (bar) (C) IPA 2,39 100,23 4 AGUA 0,32 120,271 4 MEZCLA 2,71 98 4En esta ecuacin, es el coeficiente de transferencia de calor referido al dimetro exterior del tubo. Posteriormente se calcula el coeficiente de transferencia de calor total de diseo UD, en donde se debe suponer un factor de ensuciamiento RD, calculndose as con la ecuacin 4. (4)Fraccin mol 0,88 0,12 25Finalmente se calcula la carga calrica, a partir del UD, el rea de transferencia de calor y la diferencia verdadera de temperaturas. As, de no satisfacerse el calor necesario a transferir con dicha carga calrica, se debe recalcular una nueva superficie inicial usando en este caso el valor de UD que se acaba de encontrar, yse repiten los clculos de nuevo. 6.1.1.4. Clculo de la cada de presin en el lado delos tubos y de la coraza Finalmente si se satisface la transferencia de calor necesaria con la carga calrica del equipo, se procede a calcular las cadas de presin. Para esto se debe especificar el factor f, de la figura 26 del Kern para el lado de los tubos y de la figura 29 del Kern para el lado de la coraza. Tambin se debe especificar la gravedad especfica de ambos fluidos. Ambas cadas de presin estn dentro de los lmites permisibles, de lo contrario de deben repetir los clculos yFigura 4. Azeotropo agua-IPA El equipo es de tubos y coraza, por dentro de los tubos ir el vapor de agua y por la coraza la mezcla de agua e IPA; esto debido a que el vapor de agua es altamente corrosivo. La disposicin del equipo es en sentido vertical para ahorrar espacio en la planta, aprovechar la accin de la gravedady evitar tener flujo en dos fases. Dentro del equipo habr presencia de dos fasesdistintas, por lo que U cambia a lo largo del equipo. Para solucionardicho inconveniente a la hora de plantear el diseo, se toma un coeficiente globalde transferencia de calor uniforme y se considera que la mezcla lquida ocupa lamayora de altura del equipo (cerca del 85% de la altura). Esto conlleva que el equipo cuente con control de nivel del lquido. Tabla 3.Datos para el fluido calefactor. SUSTANCIA Vapor de Agua saturado Temperatura 150 de entrada( C) Temperatura 150 de salida( C) Presin(bar) 4,76 Flujo(kg/h) 17,49 Calor a 36998.309 transferir(kJ/h)temperatura muy alta, por encima de 350 o C, por lo que un vapor saturado no esbuena opcin debido a que para esta temperatura tendra presiones supremamente altasy la literatura recomienda que este tipo de vapores se usen para generacin de energa y no para calentamiento. Una buena opcin es usar gases de combustin de un horno debido a las altas temperaturas. El coeficiente de transferencia global es muybajo debido a que la transferencia de calor de hace de una fase gaseosa a otra,por lo que se hace necesario tener un diseo que permita un buen contacto entre los dos fluidos. Las condiciones iniciales para el fluido de proceso se presentanen la tabla 5.Tabla 4.Resultados del diseo ESPECIFICACIONES Valor Dimetro de tubos in Nmero de tubos 33 2 rea de transferencia 7,2236 m Longitud efectiva 3,658 m Tipo de arregloTriangular Altura del Equipo 4,4 m Dimetro interior de la 8 in coraza Pitch 0,25in Espaciado de los deflectores 3 in Pasos en los tubos y la 2-1 coraza Materiales de los tubos Acero al y la coraza carbn 316 Coeficiente global de 14,3368 W/m2transferencia U K Cada de presin lado tubos 0,03337 Pa Cada de presin lado coraza 0,000982 PaTabla 5. Condiciones iniciales del fluido de proceso en intercambiador 1. FlujoP Fraccin Tentrada (kmol/h) (bar) mol (C) IPA 2,39 3,99 0,88 AGUA 0,32 3,99 0,12 MEZCLA 2,71 3,99 98Tsalida (C)350Tabla 6. Datos para el fluido calefactor SUSTANCIA Gases de combustin Temperaturade 726,85 entrada( C) Temperatura de 226,85 salida( C) Presin(atm) 1 Flujo(kg/h) 80,795 Calor a transferir(kJ/h) 3118,22586.1.3. ESPECIFICACIONES DEL INTERCAMBIADOR 1 (calentador antes del reactor). Serequiere un fluido calefactor a unaTabla 7. Resultados del diseo. Dimetro de tubos 1 in Nmero de tubos 63 rea de transferencia 10,07 m2 Longitud efectiva 1,524 m Tipo de arreglo Triangular Altura delEquipo 4,4 m Dimetro interior de la 15,25 in coraza Pitch 1,25 in Espaciado de los deflectores 3 in Pasos en los tubos y la 8-4 coraza Materiales de los tubos Acero al y la coraza carbn 316 2 Coeficiente global de 20,793 W/m transferencia UK Cada de presin lado tubos 0,0311 Pa Cada de presin lado 0,002427Pa corazaTabla 8. Condiciones iniciales para el fluido de proceso en el intercambiador 3.Flujo P Tentrada Tsalida (mol/s) (atm) (C) (C) IPA 0,039 2,75 AGUA 0,18 2,75 ACETONA 1,275 2,75 MEZCLA 1,494 2,75 250 120Tabla 9. Datos para el fluido enfriador en el intercambiador 4 Sustancia Agua Temperatura de 25 salida( C) Presin(atm) 90 Flujo(kg/h) 247,644 6 Calor a transferir(kJ/h) 65758,36.1.4. INTERCAMBIADORES 2 Y 3 (enfriador y de recuperacin de energa). Puesto que en etapas anteriores del proceso se requiere evaporar el fluido de proceso con ayuda del vapor saturado de una caldera, es necesario precalentar el agua de dichacaldera para poder ingresar y evaporarla. Por ello se hace necesario un gasto adicional considerable de energa. Gracias a que el efluente del reactor sale a unatemperatura alta, se puede aprovechar la energa de este fluido para precalentarel alimento de la caldera y as evitar gastos innecesarios de dinero y desperdicios energticos. Para ello se propone un intercambiador adicional, que aproveche unaparte de la energa del fluido efluentes del reactor. Dicho equipo se denomina enel contexto de este trabajo un intercambiador de calor 3 o equipo de recuperacinde energa.Tabla 10. Resultados del diseo del intercambiador 3. Dimetro de tubos 1 in Nmero detubos 28 rea de transferencia 2,6845 m2 Longitud efectiva 0,9144 m Tipo de arreglo Triangular Altura del Equipo 1m Dimetro interior de la 15,25 in coraza Pitch 1,25 in Espaciado de los deflectores 3 in Pasos en los tubos y la coraza 4-2 Materiales de los tubos Acero al y la coraza carbn 316 Coeficiente global de 49,4 W/m2 transferencia U K Cada de presin lado tubos 0,03Pa Cada de presin lado coraza 0,016PaTabla 11. Especificaciones del intercambiador 3(recuperacin de energa). Flujo Presin Tentrada Tsalida (mol/s) (atm) (C) (C) IPA 0,039 2,76 AGUA 0,18 2,76 ACETONA 1,275 2,76 MEZCLA 1,494 2,76 350 2506.1.5. ESPECIFICACIONES CONDENSADORDELTabla 12. Datos para el fluido enfriador del intercambiador 3(recuperacin de energa). SUSTANCIA Agua de caldera Temperatura de 726,85 entrada( C) Temperatura de salida( C) 25 Presin(atm) 90 Flujo(kg/h) 222,086 Calor a transferir(kJ/h) 58971,71Tabla 14. Datos del fluido de trabajo en el condensador Sustancia Mezcla a condensar Temperatura de 120 entrada( C) Temperatura de salida( C) 50 Presin(atm) 2 Flujo(kg/h) 289,04508 Calor a transferir(kJ/h) 125000,00Tabla 13. Resultados del diseo. Dimetro de tubos 1 in Nmero de tubos 18 2 rea de transferencia 1,197 m Longitud efectiva 0,61 m Tipo de arreglo Triangular Altura del Equipo 0,7 m Dimetro interior de la 15,25 in coraza Pitch 1,25 in Espaciado delos deflectores 3 in Pasos en los tubos y la coraza 4-2 Materiales de los tubosAcero al y la coraza carbn 316 Coeficiente global de 55,93 W/m2 transferencia U KCada de presin lado tubos 0,031Pa Cada de presin lado coraza 0,0078PaTabla 15. Resultados del diseo del condensador. Dimetro de tubos in Nmero de tubos24 rea de transferencia 3,34 m2 Longitud efectiva 2,4 m Tipo de arreglo Triangular Altura del Equipo 0,7 m Dimetro interior de la 8 in coraza Pitch 1 in Espaciadode los 4,8 in deflectores Pasos en los tubos y la 4-2 coraza Materiales de lostubos Acero al y la coraza carbn 316 Coeficiente global 562,53 W/m2 de transferencia U K Cada de presin lado tubos 1.13 kPa Cada de presin lado 0,0073 kPa coraza6.2. REACTOR Ya que la reaccin necesitada tiene una velocidad lenta, es necesarioel uso de un catalizador, por lo que se pensara en usar un PFR, pero este tendrainconvenientes en el transporte de calor, as que se decidi, teneruna coraza, con varios tubos empacados. El principal factor en la seleccin de uncatalizador es el TOF (tourn over frecuency) que se define como la cantidad de de reactivo que se convierte en una unidad de tiempo. A continuacin se muestra unatabla con los TOF que pueden catalizar la reaccin isopropanol- acetona. Tabla 15. TOF para los posibles catalizadores. Catalizador TOF (s-1) 0.026 Cu-cromita 0.052 Cu-carbn 0.66 Pt El catalizador que presenta mejor TOF es el de platino, sinembargo es muy costoso, por lo que se elige trabajar con el de cobre sobre una matriz de carbn. El catalizador de cobre a pesar de que no es el mejor catalizadorpara este tipo de reaccin posee la gran ventaja de que ha sido ampliamente estudiado en cuanto a su activacin y desactivacin y se conocen tcnicas experimentales capaces de regenerar casi por completo su superficie de absorcin. El principal agente de desactivacin de este catalizador es la sintonizacin del cobre, la cual se dacuando temperaturas altas las molculas metlicas coalesen lo que genera una compactacin de estas molculas y por lo tanto genera una gran disminucin en el rea superficial del catalizador debido a que se cierran o compactan los poros. El tratamiento que se lleva a cabo para la regeneracin es por mtodos de xidoreduccin y reduccin programada de temperatura por medio de la cual al hacer pasar una corriente de hidrogeno por el catalizador esta logra ampliar de nuevo los poros de la superficie y con esto se logra activar de nuevo las zonas de adsorcin del catalizador.6.2.1. Reacciones En la descomposicin del IPA se pueden tener principalmente tresreacciones: (CH3)2CHOH (CH3)2CO + H2 Deseada 2CH3CHOH (CH3)2CHOCH(CH3)2 +H2O Nodeseada CH3CHOHCH3 CH2CHCH3 +H2O No deseada Reaccin de acetona Inicialmente se evala el equilibrio qumico, a partir de las velocidades de reaccin en ausencia del catalizador (CH3)2CHOH (CH3)2CO + H2 (5) (6)Como la constante de la reaccin directa es mucho ms alta que la constante de la reaccin reversa, se puede considerar que no hay un equilibrio qumico. Para esta reaccin es necesario tener una cintica de acuerdo al catalizador a usar, para el catalizador de cobre, se encontr la siguiente cintica (7)Ko= 3.51 105 [=] m3 gas/m3 Cat.-s Ea = 72.38 [=] MJ/kmol Reaccin de propileno Lavelocidad de produccin de propileno se presenta a continuacin(8) [=] mol/m3s1=volumen vaco/volumen lecho =volumen Cat./volumen lecho6.2.2. Perdida de presin Dado que se tiene un lecho empacado, se esperan grandesprdidas de presin en el sistema debido a la friccin, sin embargo es importante tener en cuenta que hay una reaccin en la que se consume una mol producir dos, por loque habr que evaluar de forma numrica el sistema para sacar alguna conclusin acerca de las presiones de entrada y salida. Para esto, se utilizara la ecuacin de Ergun para lecho empacado (ecuacin 4-27 del fogler)- Sales fundidas: su rango de uso es entre 200C-600C, no son txicos ni combustibles, funden a 142C, pero son altamente corrosivas (1mm/ao para el acero). -Mercurio:es altamente toxico y muy costoso. Dadas las caractersticas, se escoge las salesfundidas, como estas son altamente corrosivas, se utilizara monel con alto grosor. Las principales caractersticas de estas sales se presentan en la tabla 16. Sehace un balance de energa, para cada diferencial del reactor:(11)(9) Tabla 16. Propiedades de las sales fundidas [7] Composicin 53% KNO3 40% NaNO27% NaNO3 Punto de fusin 142C Densidad 2000 kg/m3 150C 1650 kg/m3 600C Viscosidad 1x10-6 m2/s 150C cinemtica 0,8x10-6 m2/s 500C Capacidad calorfica 150 kJ/kg K Conductividad trmica 0,3 W/m K Para calcular el coeficiente global de transferencia de calor, se hace la analoga a un sistema de resistencias elctricas(10)Donde es la porosidad relativa, Dp=0.8m es el dimetro de partcula, la viscosidad de la mezcla que depende de la temperatura y de la conversin, cat=8940kg/m3es la densidad del catalizador, G=*v es el flux.6.2.3. Balanceor de agua: seen el presentecomo aceites:descomponerseden usar.de energa A nivel industrial, para el calentamiento se usan: - Vapaprovecha el calor latente, sin embargo, este no puede ser usadocaso ya que se alcanzan condiciones supercrticas. - Fluidos trmicoslos ms comunes son el Mobil 605 y Mobil 603, los cuales empiezan aa temperaturas de 320C y 230C respectivamente, por lo que no se pueFigura 5. Transferencia de calor en un tubo del reactor.(12)Para el coeficiente de conveccin se us la ecuacin 7.91 de [8] para lechos empacados(13) (14) (15) (16) (17) Figura 7. Perfil de temperatura en un tubo del reactorAl resolver simultneamente las ecuaciones de produccin de acetona y propileno, perdida de presin y balance de energa, tomando 2 reactores con 75 tubos empacados de6 cm de dimetro se obtuvieron los siguientes perfiles.Figura 8. Perfil de presin en un tubo del reactor. En cuanto a la conversin es muyalta, esto con el fin de no tener que cambiar tan peridicamente el catalizador,pues al envenenarse la primera parte de catalizador del reactor, no bajara muchola conversin (se puede mantener superior al 95%) Figura 6. Perfil de flujos y conversin en un tubo del reactor6.3. SEPARADOR FLASH La funcin de este equipo es separar el hidrogeno de las corrientes para posteriormente usar su energa de combustin en el quemador.Para el diseo del separador flash, primero se hace la verificacin para saber si lamezcla se puede o no separar a las condiciones especificadas, para esto se analizan las k de equilibrio liquido-vapor y si para la mezcla hay k < 1 y k > 1, seevala y verifica la ecuacin 1 en f{0} < 0 y f{1} > 0. Si todo esto se cumple, entonces se sigue el algoritmo de Rachford & Rice, resolviendo la ecuacin 18 (18)Tabla 18. Composiciones de salida del flash Fraccin mol Fraccin liquido mol vaporIPA 0,0292 0,0020 H2 0,0003 0,8239 H2O 0,1347 0,0095 ACETONA 0,8358 0,1646 PROPILENO 5,69E-08 4,98E-07De donde se obtiene la fraccin de vapor, la cual se usa para calcular las composiciones del lquido con la ecuacin 19 y del vapor con la ecuacin 20 (19) (20) Figura10. Prototipo del evaporador flash En la tabla 17 se muestran las condiciones deoperacin para el flash y en al tabla 18 se encuentran las composiciones de las corrientes de los resultados obtenidos en el algoritmo de Rachford & Rice. Tabla17. Condiciones de operacin del separador flash Temperatura 303.1 K Presin 2,03 bar Fraccin de vapor 0,56 Flujo del vapor 64,83 (kg/h) Flujo del lquido 234,34 (kg/h)6.4. ABSORBEDOR Para el diseo del absorbedor se procede a plantear el sistema deecuaciones MESH, que contiene los balances de masa, las ecuaciones de equilibrio, las sumatorias de las fracciones mol y los balances de energa por etapa. Las etapas, a diferencia de los absorbedores se enumeran de abajo hacia arriba. Se debe entonces resolver el sistema, que tiene como caracterstica principal ser un conjunto de ecuaciones no lineales, por el mtodo de Thomas (eliminacin gaussiana), para calcular las fracciones molares de cada componente en el lquido, luego se calcula el flujo de lquido y de vapor por etapa. Dado que es posible que las fracciones molares no sumen 1 como debera ser, se procede a normalizarlas y se calculan las fracciones en vapor usando las constantes de equilibrio y las fracciones en el lquido y se normalizan. Se procede entonces a calcular las temperaturas etapa aetapa. Y se determinaComo la relacin de vapor en la entrada del flash es mayor a 0.5, se tendr un equipo ubicado en posicin vertical. En la figura 10 se muestra el prototipo del separador, con sus respectivas etapas o secciones.un criterio de convergencia sobre la temperatura condicionando a que la sumatoria al cuadrado de las temperaturas por etapa, menos las temperaturas en una iteracin anterior, sea menor que una tolerancia; entonces el sistema es convergente, de lo contrario se debe recalcular las fracciones en el lquido y continuar con elproceso. En la tabla 19 se muestran las condiciones de operacin de dicho equipo.Tabla 17. Condiciones de operacin del absorbedor Temperatura 312,95K Presin 2,03 bar Fraccin de vapor 0,56 Flujo del vapor 64,83 (kg/h) Flujo de agua (kg/h) 870 Numero de etapas 5 En la figura 11 se muestra el perfil de temperatura dentro delabsorbedor, dado a entender que este no es isotrmico. En la figura 12 se muestranlos perfiles de lquido y vapor dentro del absorbedor, de estos se puede observasque la transferencia de masa es baja ya que los flujos permanecen casi constantes.Figura 12. Perfil de flujos liquido y vapor ene l absorvedor.6.5. TORRE DE DESTILACIN Para el diseo de la atorre de destilacin, se utiliz la herramienta de aspen Hysys con la herramienta de tray sizing, ya que al ser un sistema multicomponente, el diseo se complica y no es posible usar algoritmos del tipoMcabe-Thiele. Este diseo se hizo con la ecuacin de estado UNIQUAC. En la tabla 20se presentan las caractersticas de las torre de destilacin. Y en las figuras 13 a16, se presentan los perfiles de temperatura, composiciones y flujos de lquido yvapor a travs de la torre, tomando como etapa 1 el condensador y como etapa 20 el rehervidor. Tabla 20.Caractersticas torre de destilacin. Numero de platos 20 Plato de alimentacin 12 Relacin de reflujo 2 Carga trmica 274,095 rehervidor kW Cargatrmica -327,787 condensador kW Condicin del alimento Lquido Dimetro 0,44 m Altura: 10,98 mFigura 11. Perfil de temperatura en el absorbedorFigura 13. Perfiles de flujos vapor y lquido a lo largo de la torreFigura 16. Perfil de concentracion de los componentes en la fase liquida.6.6. TANQUES DE ALMACENAMIENTO Consideraciones: Atmsferas inertes por seguridad yproteccin de los equipos. En el momento de vaciado del tanque debe quedar en suinterior un 30% del volumen, de esta manera se sobredimensiona el tanque. El tanque estar equipado con un sistema que evite la penetracin de chispas o llamas Considerando que se maneja un flujo msico de 3446,76 Kg/da IPA y 6060 Kg /da Acetona yque se requiere almacenamiento para 8 das. Se calcula el caudal volumtrico con laecuacin 21. Y posteriormente se calcula el volumen total a almacenar con al ecuacin ii.Figura 14.Perfil de temperaturas en la torre.(21) Figura 15. Perfil de concentracion de los componentes en la fase de vapores. (22) En la tabla 20 se presentan los volmenes y las longitudes resultantesTabla 21. Especificaciones tanques de almacenamiento. IPA Acetona Numero de tanques 2 2 Volumen de cada tanque 23 38 m2 Dimetro m 3 3 Altura 3.3 5.5se muestran las caractersticas de esta caldera.6.7. CALDERA Para satisfacer la demanda total de vapor en la planta (evaporadorde IPA y evaporador de la torre de destilacin), se tiene una demanda de vapor 300kg/h a 120C (temperatura mxima requerida, correspondiente a la del evaporador deLatorre de destilacin), para que el vapor a esta temperatura sea saturado, la presin debe ser de 1.98 bar. Con esto se podra usar una caldera que genere 1100 lbm/ha 5 bar lo que permitira tener valor a 120C para atender los dos evaporadores, considerando que hay prdidas de calor en las lneas de transporte. Por lo que la caldera necesitada ser de 36 BHP vapor saturado a 69 psig. Las principales caractersticas d esta son: Caldera a gas natural: por la alta disponibilidad de este en elvalle de aburra. Piro tubular de 3 pasos: ya que los requerimientos energticos son bajos. Consumo de gas: 28,77 ft3/min, para poder cumplir con el calor requerido, suponiendo una eficiencia del 78% . La caldera que cumple con estas caractersticas es la CB70-boiler de CleaverBrooks con dimetro externo de 1.11m, una longitud total de 2.43 m y una altura de 1.67m. En la figura 10 se muestra una imagen de este prototipo y en la tabla 21Figura 17. Imagen de la caldera CB70 de Cleaver-brooksTabla 22. Caractersticas operacionales de la caldera Fluido Vapor y agua calientePotencia 15-100 HP Presin 15-250 psig para vapor 30-125 psig para agua caliente6.8. TORRE DE ENFRIAMIENTO Para el dimensionamiento de este equipo se tuvo en cuenta que: Este debe proporcionar el agua necesaria para las condiciones de operacin del absorbedor, los intercambiadores de calor y el evaporador y el condensador, adems se hace un sobredimensionamiento del 20% sugerido en [9] para este tipode equipos. Para su diseo se deben establecer los parmetros ambientales que se presentan en al tabla 23.Tabla 23. Condiciones ambientales para el diseo de la torre de enfriamiento. T entrada 50 C Presin 640 mm Hg T bulbo hmedo 26.4 C T bulbo seco 28 C Flujo de entrada 13500 Kg/h Con estos datos se procede a plantear la curva de equilibrio utilizando las entalpias del aire seco y la temperatura. Para hallar dichas entalpias sedeben hacer los clculos de fraccin de agua por kilogramos de aire seco para cada temperatura y luego se plantea dicha curva.Curva de Equilibrio400 350 300250 200 150 100 50 0Tabla 21. Informacin necesaria para el diseo de la torre. Viscosidad del aire (T=301.15K) 1.85E-5 [Kg/m.s] Densidad del aire (T=301.15K) 0.9435 [Kg/m3] Densidad del agua (T=301.15K) 937.1366 [Kg/m3] Difusividad agua aire 3.04E-5 (T=301.15K) [m2/s] Nmero Sc 6.45E-01 hG/Ky 9.54E02 Tabla 22. Informacin del empaque de la torre. Anillos Rasching cermica 50.8mm Cf 65 a [m2/m3] 92 psilon 0.74 Viscosidad liquido [kg/m.s] 0.001 ds [m] 0.0725 Y utilizando una grfica que relaciona el flujo real y el flujo de inundacin de la torre se puede hallar la cada de presin y posteriormente calcular el rea transversal de la torre y su dimetroH s (kJ/Kg)1520253035 TemperaturaC40455055Figura 18. Curva de equilibrio. Cuando se tiene esta grafica se utiliza la informacin presentada en la tabla 23, y se calcula posteriormente el Htog y el Ntog (unidades de transferencia de masa) con esta informacin se podra hallar el dimetro yel rea de transferencia de la torre, aunque para ellos primero se debe conocer las caractersticas de empaque de la torre las cuales se presentan en la tabla 22.Figura 19. Relacin de flujo real con flujo de inundacio.Recopilando toda esta informacion se hallan las dimensionaes de la torre, las cuales se presentan en la tabla 22. Tabla 22. Informacion de diseo encontrada parala torre. rea 1.90 m2 transversal 1.55 m DimetroO2 (110,384 m3O2/h) tambin se est alimentado 442,43 m3 N2/h. Teniendo esto claro yde acuerdo a los balances de materia debido este equipo se tienen los resultados planteados en la tabla 24. Tabla 24. Flujos de salida de los gases. Componentes Caudal (kg/h) CO2 84600 H20 74800 Sales 200000 Total 327820 De acuerdo a estatabla se puede ver que los productos de la combustin no satisfacen del todo el balance de materia, esto se debe a que no se han considerado componentes como el O2 presente en el SO2 entre otros en la combustin. A continuacin se realiza un balance de energa, para determinar el calor que requiere la combustin y que debe proporcional el combustible, para esto se consider la combinacin de las tres reaccionesanteriores, el delta de entalpia de formacin para los compuestos a la temperatura deseada 350C se presentan en la tabla 27. Tabla 27. Entalpias de formacin. COMPONENTES H de formacin [kJ/mol] ACETONA -442,92 CH4 74,84 CO2 -394 H20 -285,4 Para la reaccin total se obtuvo una entalpia de reaccin de (-195964,8 kJ/mol), con estevalor de reaccin se tiene que el flujo propuesto de combustible satisface las condiciones energticas de la combustin. 6.10. TUBERAS.6.9. HORNO: La necesidad de este equipo de proceso es debida al sistema de calentamiento que se necesita para el reactor, el reactivo que se utilizara para calentar ser la sal de nitrato de potasio, al horno se recircularan parte de los productos del reactor estos sern la acetona y agua. Tabla 23. Caudales en el quemador. Componentes Caudal Caudal (kg/h) mol/h Acetona 83520 1440 Agua 6480 360 Sales200000 1980,19802 H2 82520 1440 Total 372520 5220,19802Xm 0,28 0,07 0,38 0,28 1Las reacciones que se tendrn en cuenta para la combustin sern las siguientes 2 C3H60 + 8O2 6CO2 + 6H2O CH4 + O2 CO2 + H2O A continuacin se realiza el clculo para laentrada de componentes en la cmara de combustin donde se tendr como combustible gasnatural e hidrogeno proveniente del proceso. La cantidad de oxigeno necesario para quemar la cantidad propuesta del combustible ser de 0,61 m3O2/m3 combustible,aunque esta no sera la cantidad real ya que se omite el N2 que entra a la cmara para esto se propone una relacin de N2/O2 de 3,81 realizando los clculos necesariose tiene que a esa alimentacin de6.10.1 Dimetros de tubera Para un ptimo transporte de los fluidos es necesario tener una buena eleccin demateriales y dimetros de las tuberas en las cuales estarn estos, por esto se seleccion una serie de dimetros ptimos para cada tramo, segn las caractersticas del fluidoque pasa a travs de estas. En la tabla 29 se presenta la informacin se muestran los dimetros escogidos a partir del diagrama de Peter & Timmerhaus. En cuanto a losmateriales, como no se manejan fluidos altamente corrosivo se utilizara acero al carbn, excepto en las lneas que contienen las sales fundidas, que se manejara monel. Tabla 28. Dimetros ptimos. Trayecto Dimetro Nominal SCH40 [in] Tanque- evaporador Evaporador- intercambiador 3 Intercambiador- reactor 4 Reactor- intercambiador 4 Intercambiador4 condensador Condensador- flash Flash- absorbedor 2 Absorbedor quemador 2 Absorbedor- mezcla Flash- torre 6.10.2 Prdidas de presinA partir de la distribucin adecuada de latubera se determin el dimetro ptimo a partir del nomograma de Peter & Timmerhaus. Para el clculo de prdidas en tuberas se despreci las prdidas de cabeza por alturas en secciones donde se transportaba el fluido en fase gaseosa, adems se consider como fluido incompresible, pues los trayectos son cortos, las cadas de presin no superiores al 10% de la presin inicial y la variacin de la densidad no fue apreciable. Tambin se desprecia el cambio de la energa interna pues no cambia considerablemente.Para las perdidas en accesorios se utiliz el mtodo de las 2 K de Hooper; para uniones universales se tom el valor de te roscada con flujo a travs los dems accesorios soldados y de acero al carbn, entre los accesorios hay por ejemplo una vlvula anti retorno tipo compuerta despus de la primera bomba las dems tipo globo que hacenparte del control del proceso o seguridad. (Anexo perdidas) Para las prdidas enlnea se hall el factor de friccin de Darcy a partir del Reynolds y la rugosidad relativa (para el acero al carbn Ea = 0.00005m).6.11.MAQUINAS IMPULSORASplanta que permite la facilidad de acceso a cada equipo, seguridad y economa en el proceso, se realiz el esquema de tuberas para el transporte de los fluidos. El proceso involucra operaciones que requieren altas temperaturas y presiones, por consiguiente se seleccion como material de tuberas acero al carbn con uniones de bridas soldadas y cdula 40, pues generan menores cadas de presin y brindan fcil desmonte y montaje de la lnea de tuberas para el mantenimiento soportando y garantizandocondiciones de operacin aptas. Con la informacin suministrada por los balances demateria y propiedades del fluido a transportar en las condiciones de operacin encada tramo dePara la seleccin de las bombas de la planta se utiliz el algoritmo tradicional dediseo: 1. Determinar las condiciones de operacin de la bomba 2. Tipo se servicio 3. Calcular la cabeza de succin 4. Determinar el NPSHD 5. Calcular la cabeza de descarga 6. Calcular la cabeza de la bomba () 7. Elegir la bomba o el arreglo de bombas que cumpla con los requisitos de caudal y cabeza dinmica de la bomba. Para todos los diseos se tom un tipo de servicio Continuo, con menos de cuatro (4) paradas por da. Lquido bombeado NO corrosivo, NO abrasivo, NO depositante y depH Neutro. Para los clculos de cabeza de succin, cabeza de descarga, y cabeza de la bomba se utilizaron balances de energa tipo Bernoulli y se hicieron las respectivas consideraciones para cada caso particular teniendo en cuenta los datos obtenidos de los diseos de los equipos y el anexo en el que se especifican las perdidas, las velocidades para cada tramo, y condiciones de rgimen de flujo. (23)4.= = 8.6 mca (metros columna de agua) 5. 865454.2 Pa man 6. Calculo de la cabezade la bomba = 94.1 mca 7. Eleccin del arreglo de bomba : para este se toma el caudal Q = 54 m3/h y la cabeza dinmica de la bomba = 94.1 mca y se obtiene por medio del catlogo de Goulds Pumps (G&L SERIES ICS/ICSF and 3657/3757 ) que se requiere una bomba goulds (3657/3757) operando a 3500 RPM con un = 43.3 % (aprox) ,un = 10.2 HP y un de 5 mca operando con el rodete tipo A de 8 la cual tendran un = 98 (aprox) el cual cumplira con las condiciones de operacin .Para el clculo de cabeza de succin se refiere a la cabeza de succin y el resto de trminos hacen referencia a las condiciones antes de la succin de la bomba. En el caso de la cabeza de descarga el nico termino q cambia es que hace referencia a lacabeza de descarga de la bomba y en ambos casos el termino hace referencia a lasprdidas ocasionadas en la lnea y debido a los accesorios (ver archivos anexos).6.10.1. PRIMER ARREGLOFigura 20. Tramo tanque de IPAcondensador, primer arreglo considerado. Para la entrada de producto IPA hacia el evaporador se seleccion un arreglo de bombas conlas siguientes condiciones: 1. T operacin: 25 C , = 801.9145 [kg/ = 0.001986798 [Kg/m s] Q = 54 2. Pvapor = 0.06030 bar 3. Presin de succin = -65516.4Pa manomtricas(consecuente con el sistema de coordenadas elegido)Figura 21. Curva de operacin de a bomba seleccionada en el primer arreglo considerado6.10.2. SEGUNDO ARREGLO En la figura15, se muestra el segundo arreglo considerado, el cual va desde la salida del tanque flash, hasta la torre de destilacin.Figura 22. Segundo arreglo considerado para seleccin de bomba 1. T operacin: 19.497 C , = 9.206982 [kg/ = 0.000463916 [Kg/m s] Q = 27 2. Pvapor = 0.23541 bar 3. Presin de succin = -15616.4 Pa manomtricas (consecuente con el sistema de coordenadaselegido) 4. = = 7.6 mca (metros columna de agua) 5. 365444.2 Pa man 6. Calculode la cabeza de la bomba = 67.18 mca 7. La eleccin de esta bomba se hizo teniendoen cuenta el mismo catalogo antes mencionado y con el cual se obtuvieron los siguientes datos para la bomba: 8. = 50% operando a 3500 RPM con un = 11. HP y un =68 (aprox) utilizando un rodete tipo A de 7 y un = 5.2 mca (aprox) Figura 23. Curva de operacin de la bomba seleccionada en el tramo flash-torre. 6.10.3. TERCER ARREGLOFigura 24. Lnea absorbedor-torre, tercer arreglo considerado. En la figura 17, semuestra el tercer arreglo, que corresponde a la lnea que une el absorbedor con el punto de mezcla antes de la torre, all es necesaria una bomba para llevar la corriente del absorbedor a la presin de la columna de destilacin. Para este tercer caso la bomba debe cumplir las mismas necesidades de cabeza que la anterior ya que su funcin es mantener la corriente de recuperacin del absorbedor a las mismas condiciones de presin que la corriente proveniente del flash para que sepuedan unir y entrar a la torre 1. T operacin: 25 C , = 801.9145 [kg/ = 0.001986798 [Kg/m s] Q = 31 2. Pvapor = 0.05264 bar 3. Presin de succin = -33516.4 Pa manomtricas (consecuente con el sistema de coordenadas elegido) 4. = = 8.2 mca (metroscolumna de agua) 5. 165351.2 Pa man 6. Calculo de la cabeza de la bomba = 67.18 m.c.a 7. Con estos datos se selecciona la bomba la cual obedece a la referencia anterior pero con distinto punto de operacin: = 59.76 % con un rodete de 7 tipo A yun = 12.8. HP un = 6 m.c.a (aprox) 6.10.4. TRANSPORTE FUNDIDAS DE SALESPara el sistema de sales fundidas se debe utilizar una bomba de desplazamiento positivo debido al tipo de sustancia que se va a impulsar y sus condiciones de temperatura. Tabla 29. Caractersticas del transporte de las sales fundidas. Bomba P-702 Circuito cerrado de Tipo de fluido sales fundidas Caudal (m /h) 63157.89 Temperatura de 873.15 trabajo (K) Temperatura de 423.15 diseo (K) Densidad 1650 - 2000 (kg/m ) Viscosidad 0,0015 (kg/m.s) Presin de succin 1000 (KPa) Presin de descarga 761,740 (KPa) NPSH disponible 214,3 MARCA GARBARINO Modelo 40-25-160 Eficiencia (%) 70 Dimetro N succin 0,0381 (m) Dimetro N 0,0381 descargan (m) Velocidad mxima de1450 giro de rodete (rpm) Potencia (HP) 12Figura 25. Curva de operacin de maquina impulsora seleccionada en el tramo 3. Para cada uno de los arreglos se verifico que la bomba seleccionada cumpliera con las siguientes condiciones: D Rodete 0.85D Rodete Mximo Operacin ( Max 7%) NPSHD2 NPSHR7. DIAGRAMA DE PROCESOS Y DISTRIBUCION EN LA PLANTALa distribucin de la planta hace parte principal del diseo de una planta, en lafigura 26, se muestra el diagrama final del proceso, del cual se parte para hacer una distribucin principal de los equipos dentro de la planta, este, tiene en cuenta todas las consideraciones arrojadas por el diseo de cada equipo. Alguna de las consideraciones a tener en cuenta son:Presencia de dos reactores. El hidrogeno extrado se quema Utilizacin ptima de calorSe adiciono un tanque para acumular agua de la caldera y bombearla a la caldera.Figura 26 diagrama definitivo de la planta.La distribucin de equipos en una planta, se refiere a los requerimientos espaciales de los equipos y a su disposicin dentro de una planta qumica. Esta distribucin es funcin de factores como seguridad, facilidad de carga y descarga, mantenimientoetc.A: Torres absorcin y destilacin aisladas. B: Tanques de almacenamiento. C: Reactores aislados (T>315C). D: Bombas de fluido inflamable. E: Bombas (T>315C) F: Hornos. G: Intercambiadores de calor (T>315C).H: Torres de enfriamiento. En la tabla 28 se resaltan algunas distancias a considerar para la distribucin de la planta de produccin de acetona a partir de IPA, tales como la distancia entre tanque de almacenamiento e intercambiadores, reactorhorno, torres-intercambiadores. Basados en estas distancias se considera cada equipo de la planta como un punto y se le asigna un rea libre alrededor de ste, as puede calcular un rea mnima tentativa de la planta.una rea mnima tentativa de la planta de 2676.73 m2. Adicionalmente se consideran otros entes necesarios en una planta, en la figura 27 se muestra un plano de unadistribucin externa de la planta y en las figuras 28 a 30 se muestran algunas vistas desde la planta.A B C D E F G HTabla 30. Distanciamiento entre equipos. 3,3 25 25 4,8 25 4,8 3,3 25 4,8 3,3 4,825 4,8 4,8 4,8 10,6 25 4,8 16,7 8,2 16,7 4,8 25 4,8 4,8 4,8 8,2 4,8 13,7 20 13,7 13,7 13,7 27,4 13,7 13,7 A B C D E F G HFigura 27. Distribucin de planta. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14.15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. Portera. Cancha. Oficinas. Restaurantes. Insumosy repuestos. Oficina de ingeniera. Instrumentacin y control. Taller elctrico y mecnico. Cafetn. Horno y calderas. Zona de desechos. Bodega. Tanque ipa. Tanque acetona. Produccin. I&D y lab. CC. Cuarto de control. Baos y lockers. Brigada de seguridad. Zona de montacargas. Torre de enfriamiento. Planta de aguas.Figura 26. Vista superior de la planta. Esta distribucin tiene un rea total de 800m2, la cual es la mnima posible para garantizar el distanciamiento mnimo entre algunos equipos: intercambiadores, reactor, horno y torres de separacin. Adicionalmente hay que considerar el rea libre que deben tener los tanques de almacenamientoy la torre de enfriamiento la cual es de 2466,03 m2, dando como resultado23. Bascula. 24. Entrada carga pesadaplanta, en donde las tuberas rojas corresponden a fluidos de servicio calientes,las azules a fluidos de servicio fros y las grises a fluido del material en proceso.Figura 31. Isomtrico planta completa. Figura 28. Vista nocturna desde la entradade carga pesada.Figura 32. Acercamiento dibujo isomtricoFigura 29. Vista hacia la zona de calderas.Figura 33. Vista lateral de los equipos.8. PAREAMIENTO DE VARIABLES DE CONTROL. 8.1. INTERCAMBIADORES DE CALORFigura 30. Vista diurna desde entrada carga pesada. En las figuras 31 a 33 se muestran algunas vistas de la ubicacin de los equipos en laFigura 34. Propuesta de control para intercambiadores de calor.Tabla 31. Variables intercambiadoresVariable controlar Temperatu ra de salida del fluido de inters Variable manipularFlujo msico de fluido calientedecontrolenFigura 34. Propuesta control torres de destilacin.Perturbacin Temperatura y flujo msico de fluido de inters en alimentacinImportancia del controlTemperaturas requeridas para etapas posterioresTabla 32. Variables de control en las torres de destilacinVariable a controlar Presin Variable a manipular Flujo del fluido caliente del rehervidor Perturbacin Temperatura y flujo msico de alimentacin. Importancia de control Afecta directamente la volatilidad y grado de separacin de componentes Inunday presiona a la columna8.2. REACTOR. Tabla 31. Varibles de control en el reactor Variable a Variable aPerturbacin Importancia controlar manipular de control Temperatu Flujo del Temperatura Reacciones ra fluido y flujo indeseadas a caliente de msico del temperaturala chaqueta alimento s superiores de e inferiores calefaccin de la de operacin normal Presin Flujo de Temperatura Debido a que salida de y flujo la reaccin productos msico del es en fase alimento gaseosa, por Le Chatelier se podra favorecer reactivosNivel del tanque acumuladorNivel del rehervidorFlujo msico del reflujo Flujo msico del destilado Flujo de sedimentos o fondos Flujo caliente del rehervidor y flujo msico del reflujo (control dual)Temperatura y flujo msico del alimentoComposicinTemperatura y flujo msico del alimento Temperatura y flujo msico del alimentoInundacin y operacin adecuada de columna Control de composicin es costosa Se infiere composicin desde la temperatura Control indirecto.8.3. TORRE DE DESTILACION8.4. ABSORBEDORFigura 35. Propuesta de control del absorbedorTabla 32. Variables de control en el scrubber Variable a Variable a Perturbacin Importancia controlar manipular control Composici Flujo Flujo msico y Adecuada n del lquido msico del composicin absorcin de la de salida lquido de del gas de acetona en la entrada entrada corriente gaseosa 8.5. SEPARADOR FLASHpero tambin es necesario el transporte y la instalacin que puede tener un costo basado en el costo inicial del equipo como se muestra en la siguiente tabla: Tabla33. Porcentaje de costos de equiposFigura 36. Control de nivel en separador flash Tabla 32. Variables de control enel separador flashVariable a controlar Presin Variable a manipular Flujo msico del vapor de salida Flujo msico del lquido de salida Perturbacin Flujo msico de alimentacin Importancia decontrol Cantidad de vapor producido Proporciona un mayor espacio en el recipiente para el vapor.Como ejemplo de aplicacin hallaremos el costo de la torre de destilacin de esta planta: Se tiene la ecuacin 24 (24)Nivel del liquido9. ESTIMACION DEpartida esencialsta inversin eslas dimensionesCOSTOS Es costo instalado de la inversin en capital fijo es unaque se debe pronosticar antes de tomar una decisin de inversin. Ecalculada mediante ecuaciones empricas ya establecidas en funcin dey de las condiciones de operacin del equipo,Donde Dt es el dimetro de la torre (0.44), H (10.8m) la altura de la torre M&S elndice de precios segn el sector en el que se desenvuelva la planta qumica (1,553.4a finales de 2009,), Fc factor de diseo de la torre. Por lo tanto el costo fijoaproximadamente de la torre sera: Cc= 430000 U$ Y de la tabla 33 el costo final,incluyendo la instalacin sera:Cc + Cinst = 430000 + 340000= 770000 U$Propiedades qumicas. La Acetona en estado puro es esencialmente inerte a la oxidacin de aire bajo condiciones ambientales normales. Su estabilidad qumica disminuyesignificativamente en presencia de agua; puede reaccionar violentamente y en ocasiones de forma explosiva especialmente en recipientes confinados. La Acetona presenta las reacciones tpicas de las cetonas saturadas. Estas reacciones incluyenadicin, xido reduccin y condensacin, generando alcoholes, cidos y aminas [1]. Tabla34. Propiedades fisicoqumicas de la acetona. PROPIEDADES Peso Molecular (g/mol) VALOR 58,0810. CARACTERIZACIN Y NORMATIVIDAD DE LAS SUSTANCIAS DEL PROCESO. 10.1. ACETONA.La Acetona es una sustancia qumica presente en la naturaleza, contenida principalmente en plantas, alimentos, gases de combustin de los vehculos y el humo del tabaco. Estando en su estado de agregacin lquido, es incoloro con un olor dulce similar al de las frutas y un sabor caracterstico. Se evapora fcilmente, es inflamable ymuy soluble tanto en agua como en solventes orgnicos tales como el ter, metanol,y etanol [1]. Identidad De La Sustancia. FRMULA: C3H6O SINNIMOS: Dimetil Cetona; 2Propanona; Beta Cetopropano. Nmero CAS: 67 - 64 -1 Nmero UN: 1090 Clase de RiesgoPrimario UN: 3 Aplicaciones Y Usos. La acetona se utiliza principalmente como disolvente y como compuesto intermedio en la produccin de sustancias qumicas. Sus principales aplicaciones son la produccin de Metil Metacrilato, Acido Metacrlico y Metacrilatos de mayor tamao, Metil Isobutil Cetona, aplicaciones mdicas y farmacuticas (compuesto intermedio y solvente para drogas, vitaminas y cosmticos), como solvente para revestimientos, resinas, tintes, barnices, lacas, adhesivos y en acetato de celulosa. La Acetona tambin presenta usos en la industria alimenticia comodisolvente de extraccin para grasas y aceites, y como agente de precipitacin en la purificacin del azcar y el almidn [1].Punto de Ebullicin ( C) (760 56,2 mmHg) Punto de Fusin ( C) Presin de Vapor (mmHg) Gravedad Especfica (Agua = 1) Densidad del Vapor (Aire = 1) Ph Solubilidad en Agua Lmites de Inflamabilidad (% vol) -94,6 231,06; 25 C 0,78440; 25 C 2,0 2,5 Miscible; 20 C2,15 13; 25 C Temperatura de Auto ignicin ( C) Punto de Inflamacin ( C) 465 -9; abierto copa4.1.3. EFECTOS SOBRE LA SALUD.Fcilmente inflamable. Irrita los ojos.La exposicin repetida puede causar sequedad y grietas en la piel. La inhalacin devapores puede provocar somnolencia y vrtigo.Seguridad.Mantngase fuera del alcance de los nios. Consrvese el recipiente en uugar bien ventilado. Conservar alejado de toda llama o fuente de chispas. No fumar. En caso de contacto con los ojos, lvese inmediata y abundantemente con agua yacdase al mdico. Evtese la acumulacin de cargas electrostticas.En casos en los cuales los niveles de Acetona en el ambiente excedan los lmites permitidos de exposicin, las personas que no tengan puesto equipo y ropa protectores se deben restringir de las reas de fugas hasta que la limpieza se haya completado.Equipo de proteccin personal.Los empleados deben estar provistos y obligados a usar ropa de proteccin para qumicos, guantes, caretas (mnimo de ocho pulgadas) y otros tipos de ropa protectora necesaria para prevenir cualquier contacto de la piel con Acetona. Los empleados deben estar provistos y obligados a usar gafas de seguridad a prueba de salpicaduras en lugares en los cuales exista la posibilidadde que la Acetona entre en contacto con los ojos.Procedimientos en caso de derrames o fugas. Si se derrama o libera Acetona, se deben realizar los siguientes procedimientos:Retirar cualquier posible fuente deignicin. Ventilacin del rea de fuga o derrame. Para pequeas cantidades, absorber con toallas de papel y colocarlas en un contenedor hermtico. Se debe evaporar en unlugar seguro, como dentro de una campana de gases. Se debe permitir que transcurra el tiempo suficiente para la total evaporacin dentro de la campana. Se debe quemar el papel en un lugar apropiado alejado de materiales combustibles. Grandescantidades de lquido que contenga Acetona se pueden absorber con arena seca, tierra o materiales similares no combustibles. Los derrames de lquidos que contenganAcetona se pueden recolectar mediante un sistema apropiado de aspiracin. Si se usa este sistema, no deben haber fuentes de ignicin cerca del derrame.4.1.4. ALMACENAMIENTO MANIPULACIN.YLa Acetona es inflamable, por lo cual, todos los contenedores de almacenamientoy transporte se deben etiquetar adecuadamente con el nombre de la sustancia y elcdigo seleccionado para identificar sustancias inflamables. En cualquier lugar que se deba manipular Acetona, se deben tomar las debidas precauciones teniendo en cuenta los peligros de inflamacin. Los contenedores se deben proteger del dao fsico. Se debe almacenar en un lugar fresco, seco y bien ventilado, lejos de las reas con peligro agudo de incendio. Es preferible el almacenamiento exterior o separado. Se deben usar herramientas y equipo que no produzcan chispas, incluyendo ventilacin a prueba de explosin en lugares donde esta sustancia puede alcanzar concentraciones importantes en el aire. Los envases de estematerial pueden ser peligrosos cuando estn vacos ya que retienen residuos del producto (vapores, lquido).Se debe evitar el contacto de Acetona con oxidantes fuertes ya que puede provocar explosin. Una exposicin prolongada a la luz del da puede resultar en la formacin de monxido de carbono, que es un gas moderadamente txico [1].sus derivados tales como acetato de isopropilo y glicerina, disolvente para aceites esenciales, gomas y resinas, alcaloides, derivados de celulosa, revestimientos, agente anticongelante para combustibles lquidos, productos farmacuticos, lacas, perfumes, procesos de extraccin, agente deshidratante, preservativo [2]. Produccin.10.2.ALCOHOL ISOPROPLICO.El alcohol Isoproplico es un alcohol incoloro, inflamable, con un olor intenso ymuy miscible con el agua. Es el ms sencillo de los alcoholes secundarios ya que el carbono del grupo alcohol est unido a otros dos carbonos. Es un ismero del propanol [2]. FRMULA: CH3CHOHCH3 Sinnimo: IPA, isopropanol, 2-propanol, dimetil Carbinol. Nmero CAS: 67- 63- 0 Nmero UN: 1219 Tabla 35. Propiedades del IPA Propiedades Apariencia Punto de Ebullicin ( C) Punto de Fusin ( C) Presin de Vapor (mmHg) Gravedad Especfica Densidad del Vapor (Aire = 1) Ph Solubilidad Valor Lquido incoloro 82 -82a -89 33.0 a 20 C 0,786; 20 C 2,07 6 Alcohol, ter y cloroformoSu obtencin se realiza fundamentalmente por medio de una reaccin de hidratacin conpropileno. Tambin se produce, aunque con menor importancia, por hidrogenacin de laacetona. Existen dos va principales para el proceso de hidratacin del propileno:hidratacin indirecta por medio de cido sulfrico e hidratacin directa. Tabla 2. Propiedades fisicoqumicas del IPA4.2.1 EFECTOS SOBRE LA SALUD.La Inhalacin del vapor causa irritacin leve de la nariz y garganta. La exposicin prolongada causa somnolencia, nuseas y dolor de cabeza. Ingestin: toxicidad leve. grandes cantidades producen la sensacin de quemaduraen el aparato digestivo, narcosis, inconciencia, calambres estomacales, dolor, vmito y diarrea. Causa irritacin en la piel y en los ojos. Efectos crnicos: el contacto prolongado con la piel causa resequedad y agrietamiento. Tambin puede causarconjuntivitis.Seguridad. Aplicaciones y usos. Su principales usos son para manufactura deener buena ventilacin a nivel del piso.MantEvitar cualquier fuente de ignicin y calor. Los equipos elctricos y de iluminacin deben ser a prueba de explosin. Conectar a tierra los recipientes para evitar descargas electrostticas.mezclas de gas/aire son explosivas [4]. Identidad de la Sustancia. Frmula: H2 Numero UN: 1049 Numero CAS: 1333-74-0 Sinnimos: No aplica. Aplicaciones y usos. Hidrogenacin de aceites; procesos especiales de soldadura y corte; laboratorios; hornos de tratamientos trmicos; formacin de atmsferas reductoras (industria del vidrio); hornos para reduccin de ciertos metales (eliminacin de oxgeno); fabricacin de semiconductores [4] Produccin. Se realiza mediante diversos mtodos que requieren la separacin del hidrgeno de otros elementos qumicos como el carbono (en los combustibles fsiles) y el oxgeno (del agua). El hidrgeno se extrae tradicionalmente de los combustibles fsiles (habitualmente hidrocarburos) - compuestos de carbono e hidrgenopor medio de procesos qumicos (reduccin qumica) [4]. Tabla 36. Propiedades Fisicoqumicas del hidrogeno Densidad del gas a 21,1C , 1 atm Punto de ebullicin a 1 atm Punto de congelacin / fusin a 1 atm Peso especfico (aire = 1) a 21.1C Peso molecular Solubilidad en agua v/v a 15.6C y 1 atm Volumen especifico del gas 21.1C Presin de vapor Coeficiente de distribucin agua / aceite Apariencia y color 0.08342 kg./m3 252.8C -259.2C 0.06960 2.106 0.019 11,99 m3/kg No aplica. No aplica. Gas incoloroy sin olor.Procedimientos en caso de emergencia. Evacuar o aislar el rea de peligro. Restringir el acceso a personas innecesarias y sin la debida proteccin. Ubicar a favor del viento. Usar equipo de proteccin personal. Enfriar los contenedores con agua en forma de roci. Retirar material combustible de los alrededores. Almacenamiento.Lugares ventilados, frescos y secos, lejos de fuentes de calor e ignicin y de laaccin directa de los rayos solares. Separar de materiales incompatibles. Rotularlos recipientes adecuadamente. Almacenar en contenedores hermticamente cerrados.Manipulacin. Usar siempre proteccin personal, as sea la exposicin o la actividad que realice con el producto. Mantener estrictas normas de higiene, no fumar, ni comer en el sitio de trabajo. Leer las instrucciones antes de usar el producto [2]. 10.3. HIDROGENO.Descripcin: El hidrgeno es un gas incoloro, inspido, altamente inflamable y no es txico. El hidrgeno se quema en el aire formando una llama azul plida casi invisible.Este gas es particularmente propenso a fugas debido a su baja viscosidad y a subajo peso molecular. El principal peligro para la salud asociado con escapes deeste gas es la asfixia producida por el desplazamiento de oxgeno en personas expuestas a altas concentraciones. Las4.3.1. EFECTOS SOBRE LA SALUD.Asfixiante simple. Altas concentraciones de estegas pueden causar una atmsfera deficiente en oxgeno causando en individuos dolor de cabeza, zumbido en los odos, mareos, somnolencia, inconsciencia, nausea, vmitosy depresin de todos los sentidos. La piel de la vctima puede adquirir una coloracinazulada. En concentraciones inferiores de O2 (