Acetona

Planteamiento de problema 

Hoy en día  a  nivel  mundial,  hay  mujeres  que  les  gusta  y   les   llama  la  atención  estar   siempre femeninas,   arregladas,  maquilladas   y   presentables.   Hacen   una   cantidad   de   cosas   para   ser   y sentirse   bellas.   La   coquetería   y   el   arreglo   personal   tienen   una   gran   influencia   en   la  mujer venezolana del siglo XXI. Estas usan en su vida diaria cosméticos que las ayudan a mejorar su apariencia, entre los que podemos mencionar: Tintes de cabello, productos alisantes, bases de maquillaje, o lo que dicte la moda en el momento. 

Así  como la moda tiene tendencias,   los cosméticos a usar cambian cada temporada.  Entre los cosméticos mayormente utilizados por las féminas tenemos los esmaltes para las uñas, los cuales son muy variados actualmente en color, textura y brillo. Cuando las mujeres usan un esmalte, este suele durar entre 5 y 7 días, donde el mismo se comienza a caer y se hace necesario el uso del removedor de esmalte para quitarlo en su totalidad. 

Actualmente, en el país Venezuela existe una escasez de productos de cualquier tipo (productos de   belleza,   alimentos,   medicamentos,   entre   otros).   Entre   estos   se   encuentra   la   acetona   o removedor de esmalte y las mujeres venezolanas se exasperan porque se sienten mal arregladas, al no poder remover su esmalte y colocar uno nuevo. Por tal motivo es que se pretende diseñar una  planta  de  producción  de   acetona   para   así   facilitar   el   que  dichas  mujeres   puedan  estar satisfechas al tener las uñas tanto de las manos como de los pies, bellas y arregladas; esto además podría ser un avance en el país venezolano, ya que si la planta funciona la acetona producida no solo se implementaría en el área de belleza, si no en el industrias para la producción de otros productos químicos.

Procesos de fabricación

La síntesis a escala industrial de la acetona se realiza mayoritariamente según el proceso catalítico de hidrólisis en medio ácido del hidroperóxido de cumeno, que permite también la obtención de fenol como coproducto.

Hidroperóxido de Cumeno

Un segundo método de obtención es la deshidrogenación catalítica del alcohol isopropílico.

Alcohol Isopropílico

Caucho

Planteamiento del problema

Puede afirmarse que en Venezuela se carece de alternativas para la producción de neumáticos, acudiéndose solamente al reencauche para reutilizarlos. El crecimiento poblacional ha ocasionado también el incremento de la presencia de vehículos, aumentándose la cantidad de neumáticos para abastecer la necesidad, al ser un producto de gran demanda las pocas plantas fabricadoras de neumáticos no logran satisfacer al país y estas incurren a la compra de este de los mismos fuera del país, aumentando el valor del neumático a precios exagerados.

A pesar de que Venezuela cuenta con la materia prima (caucho natural), no cuenta con industrias para producirla y la adquisición de neumáticos cada día es mayor. 

Al  considerar  esta problemática que aqueja a todos  los venezolanos poseedores de vehículos, llama la atención a una pronta e inmediata solución, diseñar una planta de gran potencia y nuevas tecnologías en el proceso de producción de neumáticos de diferentes estándares, para cubrir la necesidad de este producto, evaluando el costo de inversión y mantenimiento y el las ganancias que esta pueda generar.

Ácido Nítrico

Planteamiento del problema

El ácido nítrico en la actualidad, es un compuesto muy importante en la industria química, siendo la fuente más importante de nitrógeno; para preparar diversos productos tales como explosivos, nitratos, nitritos y principalmente fertilizantes. Los procesos, utilizados para su obtención, son en su mayoría a base de amoníaco, éstos procesos consisten en reacciones en cadena que van desde la oxidación de la materia prima hasta la absorción del ácido gaseoso en agua; sin embargo, el rango  de concentraciones  del  producto  final  es  muy  bajo   (50% al  67%),  demostrando que el proceso como tal es ineficiente para algunos fines, en los cuales se requiere una concentración mayor en el ácido nítrico como materia prima. 

El ácido nítrico es Venezuela suele ser importado en su gran mayoría, para ser usado en diferentes industrias,   agropecuarias,   químicas,  mineras,   entre   otras.   La   relación   de   costo-beneficio   que genera este producto es otros países es muy baja y se obtiene un concentración muy pobre del mismo, por tal motivo su valor de adquisición es alto.

Una solución efectiva a esta problemática es la creación de una planta de obtención del ácido nítrico de alta concentración y de gran eficacia, de modo que no genere un gasto exagerado en el costo de mantenimiento,  consumo energético, entre otras cosas; que permita un producto de gran potencial de producción en diferentes áreas industriales y evitar la importación para su uso en el país venezolano.

Justificación

El propósito de esta investigación está orientado al diseño de una planta de producción de ácido nítrico con alta concentración, presentando una alternativa muy favorable para la obtención de esta   sustancia   a   concentraciones  mayores,   esto   permitirá   una  mejora   en   la   producción   de fertilizantes.  Al mejorar la eficiencia del proceso, el consumo energético disminuirá, y al aumentar la concentración del destilado, el agua residual se obtiene en mejores condiciones. 

Amoníaco Líquido

Un vaporizador  es  un dispositivo de extracción de aceites  esenciales  de materiales  vegetales, frecuentemente cannabis o tabaco. Se usa para evitar las sustancias tóxicas de la combustión. En lugar de la combustión del material  el  vaporizador utiliza el calor para evaporar  las sustancias activas

PRECALENTADOR

Dispositivo que tiene por objeto calentar el líquido refrigerante, el aceite lubricante y, a veces, el combustible con el fin de favorecer los arranques en frío, particularmente en los países nórdicos. Generalmente,  el  precalentador está constituido por una resistencia eléctrica  sumergida en el líquido refrigerante. Debido al notable consumo de estos dispositivos, la alimentación es exterior, es decir, el calentamiento se obtiene conectándolo a una toma de corriente fija convencional.

REACTOR

Es una unidad procesadora diseñada para que en su interior se lleve acabo una o varias reacciones químicas. Dicha unidad procesadora está constituida por un recipiente cerrado, el cual cuenta con líneas de entrada y salida para sustancias químicas, y está gobernado por un algoritmo de control.

Un compresor es una máquina de fluido que está construida para aumentar la presión y desplazar cierto tipo de fluidos llamados compresibles, tal como gases y los vapores. Esto se realiza a través de un intercambio de energía entre la máquina y el fluido en el cual el trabajo ejercido por el compresor   es   transferido   a   la   sustancia   que  pasa  por  él   convirtiéndose   en   energía   de  flujo, aumentando su presión y energía cinética impulsándola a fluir.

Una torre lavadora o “Scrubber” es un equipo que pude remover partículas ò gases por impacto o intercepción con un liquido lavador. La principal ventaja de las torres lavadoras es la eficiencia de colección para rangos  muy amplios  de partículas,  así  como  las  principales  desventajas  son,   la presencia de erosión y corrosión, y la dificultad para la disposición de lodos.

La columna o torre utilizada en química  industrial  es una  instalación que se usa para realizar determinados procesos como son la destilación, la absorción, la adsorción, el agotamiento, etc.; y cuya utilidad es la de separar los diversos componentes de una mezcla simple o compleja.

Se denomina condensador  al dispositivo formado por dos placas conductoras cuyas cargas son iguales pero de signo opuesto. Básicamente es un dispositivo que almacena energía en forma de campo eléctrico. Al conectar las placas a una batería, estas se cargan y esta carga es proporcional a la diferencia de potencial  aplicada,  siendo  la constante de proporcionalidad la  capacitancia:  el condensador.

Se conoce por evaporador  al   intercambiador  de   calor  donde   se  produce   la   transferencia  de energía térmica desde un medio a ser enfriado hacia el fluido refrigerante que circula en el interior del dispositivo. Su nombre proviene del cambio de estado sufrido por el refrigerante al recibir esta energía,   luego  de  una  brusca   expansión  que   reduce   su   temperatura.  Durante   el   proceso  de evaporación,  el  fluido pasa del  estado  líquido al  gaseoso.  Los evaporadores se encuentran en todos los sistemas de refrigeración como neveras, equipos de aire acondicionado y cámaras. Su diseño, tamaño y capacidad depende de la aplicación y carga térmica de cada uso.

Torre de destilación o columna de destilación simple es una unidad compuesta de un conjunto de etapas  de   equilibrio   con  un   solo  alimento   y   dos  productos,  denominados  destilado  y   fondo. Incluye, por lo tanto, una etapa de equilibrio con alimentación que separa dos secciones de etapas de equilibrio, denominadas rectificación y agotamiento.

Refrigerantes

Son aparatos destinados a condensar los vapores procedentes de la destilación. Consta de dos circuitos separados. La entrada del agua se efectúa por la parte inferior y su salida por la superior. Los de tubo recto (izquierda) se colocan inclinados. Si se necesita una mayor refrigeración se utiliza el de bolas (centro) o el serpentín (derecha).

Los Tanques de Almacenamiento son estructuras de diversos materiales, por lo general de forma cilíndrica, que son usadas para guardar y/o preservar líquidos o gases a presión ambiente, por lo que   en   ciertos   medios   técnicos   se   les   da   el   calificativo   de   Tanques   de   Almacenamiento Atmosféricos. Los tanques de almacenamiento suelen ser usados para almacenar líquidos, y son ampliamente utilizados en las industrias de gases, del petróleo, y química, y principalmente su uso más   notable   es   el   dado   en   las   refinerías   por   sus   requerimientos   para   el   proceso   de almacenamiento, sea temporal o prolongado; de los productos y subproductos que se obtienen de sus actividades.

Mezclador

El  mezclador   químico   puede   distribuir,   emulsionar,   homogeneizar   y   tonificar   los  materiales, mientras tanto, posee una variedad de funciones tales como la mezcla, reacción química, fusión y anti-sedimentación. Este agitador químico está hecho de un motor, eje para mezclar y varilla.   El equipo para mezclar químicos está diseñado para mezclar compuestos químicos para producción industrial y otros propósitos. Este mezclador químico se utiliza en gran medida para industrias de pintura, recubrimientos, tintes, alimentos, cosméticos, adhesivos y química.

Los filtros rotatorios se caracterizan por tener una tela cilíndrica rotatoria, la cual se encarga de filtrar el flujo que pasa a través de éste.

Dicha tela es unida sobre la periferia de uno de los tambores sobre los que se está llevando a cabo el proceso de filtrado, aplicando así mayormente la fuerza de vacío.

SEPARADOR

En la industria del petróleo y del gas natural, un separador es un cilindro de acero que por lo general se utiliza para disgregar la mezcla de hidrocarburos en sus componentes básicos, petróleo y   gas.   Adicionalmente,   el   recipiente   permite   aislar   los   hidrocarburos   de   otros   componentes indeseables como la arena y el agua, citadas a título de ejemplo.

Rehervidores.

El   reboliler   o   rehervidores   son   intercambiadores   de   calor   que   conectados   a   la   base   de   una columna de destilación proporcionan el  calor necesario para devolver  el  vapor al   fondo de  la columna y permitir así que se lleve a cabo la destilación. Estos equipos pueden tomar diferentes formas, así por ejemplo, los fraccionadores pequeños utilizados en el trabajo de plantas piloto tal vez   requieran   simplemente  de  una  olla   con  chaqueta.  Pero  necesariamente   será  pequeña   la superficie de transferencia de calor y la capacidad correspondiente de generación de vapor.

ABSORBEDOR

Se entienden por absorbedores aquellos equipos donde se realiza la absorción de un gas en un líquido de lavado. Por dicha acción a veces se conocen como lavadores, pero hay que distinguir la 

función de éstos cuando actúan como equipos de colección de partículas presentes en los gases residuales, a lo que se ha dedicado una serie de artículos anteriores.

Obtención del Ácido Nítrico

Para   la   obtención  del   ácido  nítrico  de   forma   industrial   se   utiliza   el   denominado  proceso  de Ostwald. Consiste en la oxidación catalítica del amoniaco procedente de la síntesis de Haber, a óxidos de nitrógeno que por acción del agua pasan a ácido nítrico. Podemos dividir el proceso en tres fases:

Oxidación del amoniaco a óxido nítrico:  La mezcla gaseosa de amoniaco y aire enriquecido en oxígeno se calienta a unos 800 ºC a través de un catalizador de platino, la reacción es:

4NH3 + 502 4NO + 6 H2O

Oxidación de NO a NO2: El monóxido de nitrógeno pasa a la torre de oxidación donde se añade más aire, oxidándose a dióxido de nitrógeno:

2NO + O2 2NO2

Paso de NO2 a HNO3: El dióxido de nitrógeno formado se conduce a la torre de hidratación donde, siempre en presencia de un exceso de aire, reacciona con el agua.

3NO2 + H2O 2HNO3 + NO

El ácido así obtenido se concentra por destilación, hasta que se obtiene una disolución de punto de ebullición constante, que es el ácido nítrico comercial (68% en peso y densidad 1,4 g/cm3).

Obtención de la Acetona por Hidroperóxido de Cumeno

El Cumeno así formado se disocia en fenol y acetona por tratamiento con ácido sulfúrico diluido en acetona al 0,1-2% a 60 °C. Ambos productos se separan por destilación fraccionada. La selectividad del proceso es del 91%.

Obtención de Acetona por Alcohol Isopropílico

El alcohol isopropilico es vaporizado, calentado y alimentado a un reactor, en donde se lleva a cabo  la  deshidrogenación catalítica a acetona.  Los gases  de  salida  del   reactor  (acetona,  agua, hidrógeno  e   isopropil   alcohol   no   consumido)   pasan  a  un   condensador  donde   la   casi   toda   la acetona,  agua  y  alcohol   salen  como condensado.   Las   trazas  finales  de  acetona  y  alcohol   son removidas con agua en un lavador de gases (“scrubber”), el efluente del “scrubber” se combina con   el   condensado   proveniente   del   condensador   y   destilado   en   una   columna   para   producir acetona “pura” y un efluente consistente de agua y alcohol. Este efluente es destilado en una segunda columna para  separar  el  exceso  de  agua.  El  producto  de   la  segunda columna es  un azeotropo de agua y alcohol isopropílico conteniendo aproximadamente 91 por ciento de alcohol. Esto es reciclado al reactor. Como catalizador se usa óxido de zinc o de cobre, y la reacción se lleva a cabo entre 400 a 500 °C y  presión de 40 a 50 psig   (4,5 bar).  El   rendimiento de acetona es alrededor de 98 por ciento, y la conversión por paso de alcohol isopropilico en el reactor es 85 a 90 por ciento.

Obtención del Caucho SBR

Procesos de Emulsión en Frío

Esta es la técnica más usada, y representa el 90% de la capacidad de producción mundial. Todos los procesos son continuos y generalmente están altamente automatizados. Tienen la capacidad de producir muchos tipos de SBR.

Preparación de reactivos

Los monómeros son tratados con soda cáustica en tanques agitados para remover los inhibidores de polimerización usados para el transporte y almacenamiento de monómeros. A continuación los efluentes son lavados con agua para remover cualquier vestigio de cáustica. Los dos monómeros, parte de los cuales representa la corriente de reciclaje luego de la reacción, son mezclados en proporciones en peso de butadieno/estireno de 3 a 1.

Se usan tanques de peso y de preparación para preparar las diferentes emulsiones y soluciones requeridas para las secciones de reacción o bien de acabado del producto.

Solución de jabón

Este es usado como provisión emulsificadora. Su composición depende del tipo de producto final deseado. Usualmente es una solución de jabón de ácidos grasos o sales ácidas carboxílicas, tales como ácido versático o ácido benzoico.

Iniciador

Todos   los   procesos   usan   sistemas   redox.   Como   agente   reductor   frecuentemente   se   utiliza sulfoxilato   de   sodio.   El   agente   oxidante   es   hidroperóxido   de   cumeno   o,   preferentemente, hidroperóxido de paramentano, que permite velocidades de reacción mayores, dada su capacidad para descomponerse rápidamente. El quelatante es sulfato ferroso.

Terminación abrupta

En la abrumadora mayoría de los casos, la conversión de monómeros es menor del 65%, dado que la elevada conversión causa una transformación parcial del polímero en gel. Para garantizar una calidad uniforme del producto, la reacción se detiene apenas se alcanza la conversión deseada. Se usan varios inhibidores en solución, tales como dimetilditiocarbamato de sodio.

Estabilizadores

Estos son emulsiones que se agregan al látex antes de la coagulación para prevenir la degradación por   oxidación   y   el   entrecuzamiento   del   polímero   durante   las   operaciones   de   acabado   y almacenamiento. Se usan varios estabilizadores, incluyendo N-fenil alfa-naftilamina (Neozona D, PBNA, 2246, o Ac-5 ).

Coagulantes

La   polimerización   genera   un   látex,   es   decir   una  masa   viscosa   en   emulsión.   Si   se   desea   un elastómero sólido, el látex debe ser coagulado mediante el agregado de sustancias químicas. El coagulante principal es una solución de cloruro de sodio conteniendo ácido sulfúrico.

Reguladores del peso molecular

El peso molecular del producto final se regula mediante mecaptanes como dodecil mercaptán, que ayuda a limitar el peso molecular originando transferencias de cadenas.

Reacción de polimerización

La reacción transcurre en una serie de reactores agitados, a una temperatura de 5ºC y una presión de 1 a 4 bares para mantener el butadieno en estado líquido. El tiempo de polimerización es de 10h.

Cada reactor, con una capacidad de 15 a 20 m3 , se mantiene en una atmósfera inerte para evitar cualquier entrecruzamiento. Estos reactores cuentan con una camisa externa, y están equipados con una bomba de circulación de salmuera fría (amoníaco). Una instalación con una capacidad de producción de 40.000 t/año de polímero seco requiere diez reactores en serie.

La emulsión pasa a través de cada reactor en flujo ascendente durante 1 h antes de pasar al reactor siguiente. Por lo tanto, para la conversión total del 60%, la conversión de monómero por reactor deberá ser del 6%.

Se introduce una solución de dodecil mercaptán en el reactor final para detener la polimerización. Se usa un aditivo como hidrazina o un derivado de la hidroxilamina para evitar la formación de espuma (‘palomitas de maíz') cuando el látex es calentado.

El látex se bombea a un tanque de amortiguamiento mantenido a una presión de 4 bares a 50ºC por inyección abierta de vapor.

Recuperación de monómeros

El 40% de los monómeros no reaccionante debe ser recuperado y a continuación, reciclado.

El  butadieno  es  vaporizado  en  dos   tanques  de  acción   rápida  en  serie.   Los  últimos   restos  de butadieno son removidos por medio de una bomba de vacío. Este es enfriado, recomprimido, y luego enviado a un decantador,  donde se separa del agua. A continuación es bombeado a un tanque de almacenamiento en presencia de un inhibidor.

El  látex libre de butadieno es bombeado a una columna de bandejas en la base de la cual se inyecta vapor (5 bares) para desalojar el monómero de estireno. Este es enfriado y enviado a un tanque de decantación, donde se separa del agua arrastrada. Luego es bombeado al tanque de almacenamiento.

Coagulación y secado

El  látex que abandona el fondo de la columna es enfriado y  luego almacenado en tanques de homogeneización (volumen unitario 800 m3 ). El número de estos tanques depende del rango de gradaciones de SBR que la unidad debe producir (generalmente entre tres y seis). El antioxidante N-fenil  alfa-naftilamina (aproximadamente 1% en peso) se agrega al   látex,  el  que entonces se coagula por el agregado sucesivo de sal y ácido sulfúrico diluido. Rompiendo la emulsión, el ácido permite al copolímero precipitar en forma de migajas, las que se enjuagan con agua para remover impurezas inorgánicas.

A continuación el polímero, que contiene aproximadamente 50% de agua, es secado (horno de túnel) y prensado en forma de fardos de 40 kg.