Tesis de Grado Oficial de PURAMIN
222
UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL “FRANCISCO DE MIRANDA” ÁREA DE TECNOLOGÍA PROGRAMA DE INGENIERÍA QUÍMICA TRABAJO DE GRADO DISEÑO DE UNA PLANTA PARA LA RECUPERACIÓN DE SOLVENTES ORGÁNICOS A PARTIR DE LOS DESECHOS DE LABORATORIO EN LA EMPRESA PURAMIN C.A. POR: LOVERA SEQUERA, LUIS ARTURO Punto Fijo, Enero de 2014
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UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL
“FRANCISCO DE MIRANDA”
ÁREA DE TECNOLOGÍA
PROGRAMA DE INGENIERÍA QUÍMICA
TRABAJO DE GRADO
DISEÑO DE UNA PLANTA PARA LA RECUPERACIÓN DE
SOLVENTES ORGÁNICOS A PARTIR DE LOS DESECHOS DE
LABORATORIO EN LA EMPRESA PURAMIN C.A.
POR:
LOVERA SEQUERA, LUIS ARTURO
Punto Fijo, Enero de 2014
UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL
“FRANCISCO DE MIRANDA”
ÁREA DE TECNOLOGÍA
PROGRAMA DE INGENIERÍA QUÍMICA
DISEÑO DE UNA PLANTA PARA LA RECUPERACIÓN DE
SOLVENTES ORGÁNICOS A PARTIR DE LOS DESECHOS DE
LABORATORIO EN LA EMPRESA PURAMIN C.A.
Trabajo Especial de Grado presentado a la Universidad Nacional
Experimental “Francisco de Miranda” por
LOVERA SEQUERA, LUIS ARTURO
Como requisito parcial para optar al grado académico de
Ingeniero Químico
Con la asesoría de la Profesora
ROBAYO, FANNY YADIRA
Punto Fijo, Enero de 2014
iii
DEDICATORIA
El presente trabajo de grado se lo dedico a mi difunto padre Pedro Luis
Lovera Ortega, el cual fue y seguirá siendo mi gran maestro. Gracias por dejarme de
herencia el amor y la educación. Siempre te amaré papá.
iv
AGRADECIMIENTO
A Dios Todopoderoso, ya que sin él, este logro no sería posible e igualmente
por guiarme en el camino correcto y por darme tantas bendiciones.
A mi madre Rosa Sequera por darme tanto apoyo y dedicación.
A mi hermano Emmanuel James y mi cuñada Carolina por tanto apoyo y
consejos.
A mis tíos Teodoro, Inés, Iris, Magdalena y Anibal por sus sabios consejos
y estímulo.
A mis primos Isabel Madriz, María Auxiliadora Madriz, Teodoro Madriz
(hijo), María Leonor Zambrano, Rosana Valles, Natalia Maldonado y Juan
Carlos Colina por sus sabios consejos académicos, estímulo y de cómo mantenerme
firme en la universidad.
A mi segunda casa, la Universidad Nacional Experimental Francisco de
Miranda por darme la oportunidad de estudiar mi carrera profesional.
A la Profesora Fanny Yadira Robayo, por su apoyo, confianza y paciencia
como tutora académica.
A la empresa PURAMIN C.A., especialmente al personal de laboratorio
Emirto Caldera, Dalila Lugo, Yinmer Ventura, Ildemaro Morales y Juan
Fernández por su apoyo y confianza al proyecto de grado.
v
Al tutor Industrial Nicola Margarelli, por su apoyo, confianza, dedicación
tiempo y paciencia como tutor industrial del trabajo de grado.
A los bochincheristas y amigos, Daniela Lugo, Pedro Izarra, Joselin
Lázaro, Dormary Fernández, Irvin Lugo, Juliany Romero, Jennifer Velázquez,
Felipe López, Robert Rodríguez, Elías Sarkis, Armando Miranda, Miguel
Pantaleón y Carlos Alberto Díaz por el apoyo y la motivación en los momentos
difíciles que he pasado.
A mis compañeros de clases que de alguna u otra manera aportaron su
granito de arena.
Luis Arturo Lovera Sequera
vi
RESUMEN
Lovera, L. Robayo, F. “DISEÑO DE UNA PLANTA PARA LA
RECUPERACIÓN SE SOLVENTES ORGÁNICOS A PARTIR DE LOS
DESECHOS DE LABORATORIO EN LA EMPRESA PURAMIN C.A.”. Trabajo de Grado para optar por el título de Ingeniero Químico. Universidad
Nacional Experimental “Francisco de Miranda”. Punto Fijo, Enero de 2014.
El presente trabajo de grado tiene como objetivo principal recuperar los solventes
orgánicos, específicamente el p-xileno y el iso-octano a partir de los desechos de
laboratorio de Puramin, C.A., ya que actualmente el residuo es almacenado en
envases o tambores y posteriormente son entregados a una empresa de incineración lo
que implica altos costos para la empresa, por lo que surgió la necesidad de reutilizar
los mencionados solventes para la limpieza de los viscosímetros y del densímetro
digital. Para ello se realizó una caracterización fisicoquímica de los desechos de
laboratorio y de los solventes recuperados; en el cual se determinó que los parámetros
de densidad, punto de inflamación y de los contendidos de agua, sedimento, azufre y
metales están dentro de los límites establecidos por las normas técnicas vigentes para
llevar a cabo la recuperación de los solventes. En función a los resultados
experimentales y a la experiencia de la empresa, se seleccionó el método de la
destilación como proceso para la separación de mezcla de laboratorio. La
recuperación de los solventes orgánicos se realizó a través de dos columnas en serie;
en el tope de la primera columna se recuperará el iso-octano, mientras que en el tope
de la segunda se recuperará el p-xileno. Por último, se realizó una estimación de
costos clase III, a través de un análisis de costos directos e indirectos generando un
total de inversión inicial de 822718,64 Bolívares para la ejecución del proyecto.
Palabras Claves: desechos, solventes orgánicos, columnas, destilación.
vii
ABSTRACT
Lovera, L. Robayo, F. “DESIGN OF A PLANT FOR ORGANIC SOLVENTS
RECOVERY FROM WASTE COMPANY IN LABORATORY PURAMIN
C.A.”. Work Degree to qualify for the degree in Chemical Engineering. National
Experimental University "Francisco de Miranda". Punto Fijo. January, 2014.
This degree work has as main objective to recover organic solvents, specifically p-
xylene and iso-octane from laboratory waste of Puramin, CA, and currently the waste
is stored in containers or drums and are then delivered to an incineration company
which involves high costs for the company, so it became necessary to re-use solvents
for cleaning digital viscometers and density meter mentioned. To do a
physicochemical characterization of laboratory waste and the recovered solvent was
performed, in which the parameters are determined density, flash point and Contents
related to water, sediment, nitrogen and metals are within the limits by the technical
rules to carry out the recovery of the solvents. Based on experimental results and
experience of the company, the method of distillation is chosen as separation process
laboratory mixing. For the recovery of organic solvents is conducted through two
columns in series, at the top of the first column will recover the iso-octane, while the
top of the second p-xylene recovered. Finally, a cost estimate class III was conducted
through an analysis of direct and indirect costs of generating a total initial investment
of 822718,64 bolivars for project implementation.
Keywords: waste, organic solvents, columns, distillation.
viii
ÍNDICE GENERAL
Pág.
ACTA VEREDICTO DEL TRABAJO DE GRADO…………………....... ii
DEDICATORIA…………………………………………………………....... iii
AGRADECIMIENTOS……………………………………………………... iv
RESUMEN…………………………………………………………………… vi
ABSTRACT………………………………………………………………….. vii
ÍNDICE GENERAL………………………………………………………… viii
ÍNDICE DE TABLAS……………………………………………………….. xi
ÍNDICE DE FIGURAS……………………………………………………… xiv
ÍNDICE DE ANEXOS………………………………………………………. xv
ÍNDICE DE APÉNDICES………………………………………………….. xvi
LISTA DE SÍMBOLOS Y ABREVIATURAS…………………………….. xvii
INTRODUCCIÓN…………………………………………………………... 1
CAPÍTULO I: EL PROBLEMA…………………………………………… 3
1.1. Planteamiento del problema……………………………………………… 3
1.2. Objetivos de la investigación…………………………………………….. 5
1.2.1. Objetivo general………………………………………………………. 5
1.2.2. Objetivos específicos…………………………………………………. 5
1.3. Justificación de la investigación…………………………………………. 5
1.4. Delimitación y alcance de la investigación……………………………… 6
CAPÍTULO II: MARCO TEÓRICO………………………………………. 7
2.1. Antecedentes de la investigación………………………………………… 7
2.2. Bases teóricas…………………………………………………………….. 9
2.2.1. Equipos para determinar viscosidad cinemática……………………. 9
2.2.2. Equipos para determinar densidad………………………………….. 10
2.2.3. Solvente……………………………………………………………... 11
ix
2.2.4. Solventes orgánicos………………………………………………… 12
2.2.5. Caracterización de mezclas complejas……………………………… 15
2.2.6. Destilación………………………………………………………….. 16
2.2.7. Internos de los equipos de destilación……………………………… 16
2.2.8. Procedimiento para el diseño de columnas de destilación………… 20
2.2.9. Métodos de evaluación económica………………………………... 31
2.3. Bases legales……………………………………………………………... 36
2.3.1. Norma sobre evaluación ambiental de actividades susceptible de
degradar el ambiente………………………………………………………….. 36
2.3.2. Norma para el control de la recuperación de materiales peligrosos y
manejo de los desecho peligrosos…………………………………………….. 37
2.3.3. Normas para la clasificación y el control de la calidad de los
cuerpos de agua y vertidos o efluentes líquidos………………………………. 38
2.3.4. Ley orgánica del ambiente………………………………………… 38
2.3.5. Ley penal del ambiente…………………………………………….. 39
2.3.6. Ley sobre sustancias, materiales o desechos peligrosos……………. 39
2.4. Normas técnicas de Fondonorma………………………………………… 40
2.5. Normas Covenin…………………………………………………………. 41
2.4. Términos básicos………………………….……………………………... 42
CAPÍTULO III: MARCO METODOLÓGICO…………………………... 43
3.1. Tipo y diseño de la investigación………………………………………… 43
3.2. Población y muestra……………………………………………………… 43
3.3. Técnica e instrumentos de recolección de datos…………………………. 44
3.4. Técnicas e instrumentos de análisis de datos…………………………….. 44
3.5. Fases de la investigación…………………………………………………. 45
3.5.1. Fase I: Caracterización físico-química de los desechos de
laboratorio……
45
3.5.2. Fase II: Selección de la tecnología adecuada para la recuperación
x
de los solventes……………………………………………………………….. 45
3.5.3. Fase III: Dimensionamiento de los equipos y líneas asociadas a la
planta.................................................................................................................. 46
3.5.4. Fase IV: Establecimientos de estrategias de control de la
planta………………………………………………………………………….. 46
3.5.5. Fase V: Realización de la evaluación económica del proyecto
planteado…………………………………………………………………….... 46
CAPÍTULO IV: PRESENTACIÓN Y ANÁLISIS DE RESULTADOS… 48
4.1. Caracterización físico-química de los desechos de laboratorio………….. 48
4.1.1. Caracterización de los desechos de laboratorio mediante
cromatografía de gases……………………………………………………....... 48
4.1.2. Caracterización físico-química de los desechos de laboratorio…….. 49
4.1.3. Caracterización de desechos de laboratorio mediante ASTM D-86... 51
4.1.4. Caracterización de los solventes recuperados………………………. 53
4.2. Selección de la tecnología adecuada para la recuperación de solventes…. 56
4.2.1. Simulación de una corriente lateral…………………………………. 58
4.2.2. Simulación de dos columnas en serie………………………………. 58
4.2.3. Selección del esquema de destilación………………………………. 59
4.3. Dimensionamiento de los equipos y líneas asociadas a la planta………... 59
4.3.1. Bases y criterios de diseño de la planta…………………………….. 60
4.3.2. Balance de materia………………………………………………….. 65
4.3.3. Descripción del proceso…………………………………………….. 71
4.3.4. Consideraciones de diseño de equipos……………………………… 71
4.3.5. Dimensionamiento de los equipos………………………………….. 72
4.3.6. Especificaciones de la líneas de tuberías…………………………… 88
4.4. Estrategias de control de la planta……………………………………….. 93
4.5. Evaluación económica del proyecto……………………………………... 98
CONCLUSIONES………………………………………………………….... 102
xi
RECOMENDACIONES…………………………………………………….. 103
REFERENCIAS……………………………………………………………... 104
ANEXOS……………………………………………………………………... 105
APÉNDICES……………………………………………………………….... 124
xii
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla Pág.
2.1 Propiedades físico-químicas del xileno……………………………. 13
2.2 Propiedades físico-química del iso-octano………………………… 14
2.3 Pruebas físico-químicas de mezclas complejas……………………. 15
2.4 Condiciones y dimensiones generales recomendadas para las torres
de platos……………………………………………………………. 22
2.5 Dimensiones recomendadas para torres de platos perforados……... 24
4.1 Composición de los desechos de laboratorio……………………… 48
4.2 Resumen de las propiedades físico-químicas de los desechos…….. 49
4.3 Contenido de metales de la muestra del desecho de laboratorio…... 51
4.4 Punto de ebullición promedio de los desechos de laboratorio por
ASTM D-86………………………………………………………... 52
4.5 Análisis físico-químico del xileno recuperado…………………….. 53
4.6 Contenido de metales del xileno recuperado………………………. 54
4.7 Análisis físico-químico del iso-octano recuperado………………... 54
4.8 Contenido de metales del iso-octano recuperado………………….. 55
4.9 Análisis físico-químico de mezcla de aceites lubricantes (residuo).. 56
4.10 Contenido de metales de mezcla de aceites lubricantes…………… 56
4.11 Resumen de los resultados de la simulación de una columna con
una corriente lateral………………………………………………... 58
4.12 Resumen de los resultados de la simulación de dos columnas en
serie……………………………………………………………….... 59
4.13 Condiciones de alimentación………………………………………. 62
4.14 Composición de alimentación……………………………………... 62
4.15 Condiciones de productos………………………………………….. 62
4.16 Servicios disponibles y condiciones……………………………….. 63
xiii
4.17 Normas técnicas ambientales……………………………………… 64
4.18 Balance de Materia………………………………………………… 69
4.19 Dato de diseño de las columnas C-1101 y C-1102………………… 72
4.20 Diseño de la columna de destilación C-1101……………………… 73
4.21 Diseño de la columna de destilación C-1102……………………… 74
4.22 Hojas de especificaciones de la columna de destilación C-1101….. 77
4.23 Hojas de especificaciones de la columna de destilación C-1102….. 78
4.24 Hojas de especificaciones de la bomba centrífuga P-1101………... 80
4.25 Hojas de especificaciones de la bomba centrífuga P-1102………... 81
4.26 Hojas de especificaciones del rehervidor eléctrico E-1101………... 83
4.27 Hojas de especificaciones de rehervidor eléctrico E-1104………… 84
4.28 Hojas de especificaciones del condensador E-1102……………….. 86
4.29 Hojas de especificaciones del condensador E-1105 87
4.30 Código, diámetro y materiales de construcción de las líneas de
tuberías…………………………………………………………….. 88
4.31 Designación de líneas 89
4.32 Costos de los equipos……………………………………………… 98
4.33 Costos directos……………………………………………………... 99
4.34 Costos indirectos…………………………………………………... 99
4.35 Costos de capital fijo, capital de trabajo y costo de la inversión
inicial………………………………………………………………. 99
4.36 Costos de producción e ingresos por ventas para un iso-octano
recuperado por día…………………………………………………. 99
4.37 Tasa interna de retorno establecida para la unidad de destilación de
iso-octano………………………………………………………….. 100
4.38 Costos de producción e ingresos por ventas para un p-xileno
recuperado por día…………………………………………………. 100
4.39 Tasa interna de retorno para la unidad de destilación del p-xileno... 101
xiv
A.1 Caracterización físico-química de los desechos de laboratorio……. 124
A.2 Caracterización físico-química del p-xileno recuperado…………... 124
A.3 Caracterización físico-química del iso-octano recuperado………… 125
A.4 Caracterización físico-química del aceite lubricante………………. 125
A.5 Determinación de metales a los desechos de laboratorio………….. 126
A.6 Determinación de metales al p-xileno recuperado………………… 126
A.7 Determinación de metales al iso-octano recuperado………………. 127
A.8 Determinación de metales al aceite lubricante…………………….. 127
D.1 Densidades y flujos obtenidos del simulador ProII (C-1101)……... 142
D.2 Densidades y flujos obtenidos del simulador ProII (C-1102)……... 160
E.1 Datos para el cálculo del calor retirado en el condensador E-1102.. 176
E.2 Datos para el cálculo del calor suministrado en rehervidor E-1101.. 177
E.3 Datos para el cálculo del calor retirado en el condensador E-1105.. 177
E.4 Datos para el cálculo del calor suministrado en rehervidor E-1104.. 180
I.1 Costos fijos (Iso-octano)…………………………………………… 196
I.2 Costos variables (iso-octano)……………………………………… 196
I.3 Tasa interna de retorno para las unidades vendidas de iso-octano
durante los 300 días………………………………………………... 199
I.4 Costos fijos (p-xileno)……………………………………………... 199
I.5 Costos variables (p-xileno)………………………………………… 200
I.6 Tasa interna de retorno para las unidades vendidas de p-xileno
durante los 300 días………………………………………………... 202
xv
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura Pág.
2.1 Sección esquemática a través de una torre de platos perforado…… 17
2.2 Plato perforado para flujo transversal……………………………... 29
2.3 Longitud efectiva del derramadero………………………………… 25
2.4 Arrastre para platos perforados……………………………………. 30
4.1 Diagrama de bloques de la planta de recuperación de solventes
orgánicos………………………………………………………….... 61
4.2 Diagrama de flujo preliminar de la planta para la recuperación de
solventes orgánicos………………………………………………… 66
4.3 Diagrama de flujo de proceso de la planta de recuperación de
solventes orgánicos………………………………………………… 67
4.4 Diagrama de tubería e instrumentación de recuperación de
solventes de la columna C-1101…………………………………… 96
4.5 Diagrama de tubería e instrumentación de recuperación de
solventes de la columna C-1102…………………………………… 97
B.1 Esquema de una columna de una corriente lateral………………… 128
C.1 Esquema de dos columnas en serie………………………………... 131
C.2 Esquema del intercambiador de calor E-1103……………………... 135
C.3 Esquema del intercambiador de calor E-1106……………………... 140
D.1 Arrastre, plato perforado (C-1101)………………………………… 157
D.2 Eficiencia del plato de la C-1101…..……………………………… 158
D.3 Arrastre, plato perforado (C-1102)………………………………… 170
D.4 Eficiencia del plato de la C-1102…..……………………………… 172
E.1 Diagrama de una columna de destilación a escala piloto………….. 175
xvi
ÍNDICE DE ANEXOS
Anexo Pág.
A Resultado del ensayo de cromatografía de gases………………….. 109
B Resultado del ensayo del punto de ebullición……………………... 110
C Presupuesto de los equipos para la planta…………………………. 111
D Análisis de resultados del xileno del laboratorio de Puramin……... 112
E Análisis de resultados del iso-octano del laboratorio de Puramin…. 113
F Análisis de resultados del aceite lubricante del laboratorio de
Puramin…………………………………………………………….. 114
G Plano de simbología……………………………………………….. 115
H Simulador ProII de las columnas de destilación…………………… 116
I Curva de la ASTM - D86………………………………………….. 123
xvii
ÍNDICE DE APÉNDICE
Apéndice Pág.
A Resultados de los parámetros físico-químicos de los desechos de
laboratorio y de los solventes recuperados………………………. 124
B Balance de materia de la columna con corriente lateral………….. 128
C Balance de materia de las dos columnas en serie………………… 131
D Diseño de las columnas de destilación…………………………… 142
E Calor suministrado en el rehervidor y calor retirado en el
condensador en las columnas C-1101 y C-1102…………………. 174
F Cálculo de la longitud y del diámetro de los recipientes de
almacenamiento………………………………………………….. 182
G Diseño de tuberías: Determinación del diámetro………………… 186
H Estimación de costos……………………………………………... 192
I Evaluación económica…………………………………………… 196
xviii
LETRA DE SÍMBOLOS Y ABREVIATURAS
Letras
% peso Porcentaje en peso
g/mL Gramos por mililitros
T Temperatura
cst Centistoke
°C Grado Celsius
% v/v Porcentaje volumen sobre volumen
°F Grado Fahrenheit
% mol Porcentaje molar
Kpa Unidad de presión de sistema internacional (Kilopascal)
Psia Unidad de presión en sistema inglés (Psia)
V Voltios
L Litro
Kg Kilogramo
h Hora
m Metro
cm2 Centímetro cuadrado
m3 Metro cúbico
seg Segundo
cp Centipoise
RPM Revoluciones por minuto
Hp Caballos de fuerza
TI Indicador de temperatura
PI Indicador de presión
PT Transmisor de presión
LC Controlador de nivel
xix
W Watts
do Diámetro del orificio
p´ Distribución en forma de triángulos
Aa Área activa de los platos
Ao Área del orificio
CF Constante empírica
VF Velocidad de inundación
An Área neta
Q Flujo de vapor
q Flujo líquido
Dt Diámetro de la columna
W Longitud de derramadero
Ad Sección transversal
h1 Cresta del líquido sobre el derramadero
hD Caída de presión en seco
Co Coeficiente de orificio que desprende del espesor del plato
hL Frente hidráulico
hw Altura del derramadero
z Ancho del flujo promedio
hR Caída de presión del gas residual
hG Pérdida de carga en el plato
h2 Pérdida de presión en la entrada del líquido
Ada Área libre entre el faldón del vertedero y el plato
h3 Retroceso en el vertedero
E Arrastre fraccionario
HT Altura de la columna
QD Calor retirado en el condensador
QB Calor suministrado en el rehervidor
xx
VEF Bolívares
ρL Densidad promedio de la entrada del plato de alimentación
ρV Densidad del vapor en el interior de la columna
α,β Constante empírica de inundación
1
INTRODUCCIÓN
Los solventes orgánicos son compuestos volátiles que se utilizan sólo o en
combinación con otros agentes con la finalidad de disolver productos y materiales
residuales para utilizarlo como agente de limpieza y diluir la suciedad. Los
mencionados solventes son sustancias que están en fase líquida, tienen un peso
molecular ligero, poseen gran volatilidad y su punto de ebullición es relativamente
bajo.
Los solventes orgánicos se aplican principalmente en las industrias de
petróleo, química y farmacéutica, y lo más utilizados son: el benceno, tolueno, éter de
petróleo, hexano, acetona, iso-octano, xileno, entre otros. En la empresa Purificadora
de Aceites Minerales C.A. (PURAMIN C.A.) los principales solventes utilizados en
el laboratorio son el xileno y el iso-octano, con la finalidad de remover los aceites
lubricantes usados como muestra en los equipos de viscosímetro y densimetría
digital. Ambos solventes son muy costosos y son comprados por la empresa, lo cual
genera gastos adicionales a la industria. Por otra parte la mezcla de aceites lubricantes
y solventes orgánicos obtenida de la limpieza de los mencionados equipos se
convierte en un desecho, por lo que es almacenada en envases o tambores y
posteriormente son entregados a una empresa de incineración para su disposición
final, y este proceso implica un costo adicional para la empresa.
La estructura del presente trabajo de investigación se organiza de la siguiente
manera:
En el capítulo I, se detalla la problemática de la generación de desechos y el
alto costo de los solventes orgánicos, se plantea los objetivos generales y específicos,
así como la justificación, delimitación y alcance del proyecto.
2
En el capítulo II, se muestra la información referente a las bases teóricas así
como los antecedentes y referencias de trabajos anteriores en relación a la evaluación
del sistema de destilación continua.
En el capítulo III, se presenta la metodología empleada durante la
investigación, entre ellas el tipo de investigación, los instrumentos y técnicas para la
recolección de datos, las técnicas para el procesamiento de los datos recolectados, y la
descripción de las actividades por fases.
En el capítulo IV, se presentan los resultados y su análisis por fase, estos son
mostrados en tablas y a través de texto escrito con el fin de llevar a cabo los objetivos
propuestos al inicio de la investigación.
Finalmente, se presentan las conclusiones en función de los objetivos
planteados, y las recomendaciones partiendo de los resultados obtenidos.
3
CAPÍTULO I: EL PROBLEMA
1.1. Planteamiento del problema.
El petróleo es una mezcla homogénea de compuestos orgánicos,
principalmente de hidrocarburos insolubles en agua, ampliamente utilizado como
fuente de energía. Este recurso se encuentra en forma natural, pero por su alto valor
comercial varios países del mundo se dedican a la explotación, refinación y
comercialización de sus derivados. Venezuela es uno de los principales países
productores de petróleo, ya que cuenta con grandes reservas comprobadas de este
recurso, por ello cuenta con la empresa Petróleos de Venezuela Sociedad Anónima
(PDVSA), que es la encargada de extraer, refinar, y comercializar los crudos
venezolanos, y sus derivados para maximizar su valor económico.
PDVSA para cumplir con sus obligaciones cuenta en el territorio nacional con
las refinerías de Puerto La Cruz, El Palito, San Roque y la refinería más grande del
mundo, el Centro de Refinación Paraguaná (CRP), comprendido por las plantas de
Amuay, Cardón y Bajo Grande. En el CRP se obtienen como productos: gas licuado
de petróleo, nafta ligera, nafta pesada, keroseno, gas oil ligero y pesado, gas oil ligero
y pesado de vacío, parafinas, hidrocarburos nafténicos, sulfuro de hidrógeno,
hidrocarburos livianos, lubricantes, hidrocarburos de alto octanaje, coque, entre otros
(CRP, 2005).
Los productos obtenidos en el CRP son utilizados, en su mayoría, como
materia prima para otras plantas de las refinerías o son vendidos a otras empresas
para su procesamiento. Entre las empresas dedicadas a la utilización de estos
productos, ubicadas en el estado Falcón, se puede mencionar a: Aceites y Solventes
4
Venezolanos S.A., Propileno de Falcón C.A., y Purificadora de Aceites Minerales
C.A. (PURAMIN C.A.).
PURAMIN es una empresa dedicada a la producción y comercialización de
aceites lubricantes, aceites dieléctricos, liga para frenos, aditivos, entre otros y cuenta
en sus instalaciones con un área de mezcla para la producción de aceite dieléctrico,
una planta de producción de aditivos, una planta de operaciones para la producción de
aceite lubricantes, un área de envasado, un almacén de productos lubricantes, y un
laboratorio de control de calidad.
Los aceites lubricantes producidos en PURAMIN deben cumplir con los
estándares de calidad nacionales e internacionales, por lo cual se les realizan
diferentes ensayos y pruebas, entre los que se puede mencionar: punto de
inflamación, color, crepitación, punto de fluidez, azufre corrosivo, espuma, cenizas
sulfatadas, arranque en frío, separabilidad del agua, contenido de metales, viscosidad
a 40°C y a 100°C y densidad; siendo estas dos (2) últimas las caracterizaciones más
importantes para estos aceites.
En el laboratorio de PURAMIN C.A., se realizan un promedio de cuarenta
(40) mediciones de viscosidad y densidad a la semana, y para mantener los equipos
en condiciones para llevar a cabo los ensayos, cada vez que se analiza una muestra, se
utilizan solventes orgánicos para remover los aceites lubricantes, usados como
muestras de los instrumentos. Los solventes orgánicos que se utilizan con este fin
son: xileno, acetona, éter de petróleo e iso-octano, éste último utilizado como secante
para el viscosímetro. Estos solventes, en su mayoría costosos, son comprados por la
empresa, y son considerados como un costo adicional.
Por otra parte, la mezcla de aceites lubricantes y solventes orgánicos volátiles
obtenida de la limpieza de los instrumentos se convierte en un desecho, por lo que es
5
almacenada en envases o tambores y posteriormente son entregados a una empresa de
incineración para su disposición final, y este proceso implica un costo adicional para
la empresa. Con base a esta problemática, entendiéndose que los solventes orgánicos
pueden ser recuperados de la mezcla de desechos, se propuso diseñar una planta
piloto para recuperar los solventes orgánicos utilizados en la limpieza de los
instrumentos de laboratorio, con la finalidad de que PURAMIN obtenga dichos
solventes para su reutilización.
1.2. Objetivos de la investigación.
1.2.1. Objetivo general.
Diseñar una planta para la recuperación de solventes orgánicos a partir de los
desechos de laboratorio en la empresa PURAMIN C.A.
1.2.2. Objetivos específicos.
Caracterizar físico-químicamente los desechos de laboratorio.
Seleccionar la tecnología adecuada para la recuperación de los solventes.
Dimensionar los equipos y líneas asociadas a la planta piloto.
Establecer las estrategias de control de la planta.
Evaluar económicamente el proyecto planteado.
1.3. Justificación de la investigación.
Este proyecto se desarrolló considerando que la limpieza de los instrumentos
de laboratorio en la empresa PURAMIN genera costos adicionales por la compra de
los solventes orgánicos y la disposición de los desechos, por lo que la empresa se ve
6
en la necesidad de buscar alternativas que le permitan recuperar los solventes, y
disminuir los costos por pagos a terceros.
Por otra parte, el diseño de la planta a escala piloto, permitirá establecer la
factibilidad técnica y económica para la recuperación de los solventes, mediante el
establecimiento del proceso y los equipos a utilizar para la separación de la mezcla de
aceites y solventes, y para adecuar los solventes para su reutilización según las
normas técnicas correspondientes. Además, la recuperación de los solventes permite
una disminución en la contaminación ambiental, ya que los desechos no serían
incinerados e igualmente proporcionaría un mayor aprovechamiento de los aceites
que pueden ser recirculados a las plantas. Por último, la empresa contará con toda la
documentación necesaria para la construcción de la propuesta.
1.4.Delimitación y alcance de la investigación.
El objetivo de la investigación fue la recuperación de los solventes orgánicos;
específicamente el xileno e iso-octano, contenidos en la mezcla que se genera por el
lavado de los viscosímetros y densímetros del laboratorio de la Empresa PURAMIN,
ubicada en Judibana, Municipio Los Taques del estado Falcón, y contó con una
duración aproximada de un año y cinco meses, en el lapso de Mayo 2012 – Octubre
de 2013.
Los productos desarrollados en el proyecto son los balances de masa y
energía, diagramas de flujos de procesos (DFP), diagramas de tuberías e
Instrumentación (DTI), plano de simbología, las especificaciones de los equipos, la
filosofía de control, la estimación de costos, el análisis del punto de equilibrio y la
evaluación económica del proyecto a nivel de ingeniería básica.
7
CAPÍTULO II: MARCO TEÓRICO
2.1. Antecedentes de la investigación.
Montoya (2012) ¨Diseño de una columna de destilación para la recuperación
de sustancias termosensibles¨. Este proyecto fue presentado ante la Pontifica
Universidad Católica de Valparaíso en Chile, para optar al título de ingeniero
químico.
El objetivo general del proyecto fue disñar la columna de destilación para
recuperar sustancias termosensibles.
Este trabajo consistió en separar, un compuesto químico denominado
“compuesto S.O”, el cual es una sustancia orgánica extremadamente termo-sensible a
temperaturas menores de 70°C y superiores de 120°C y en contacto con el oxígeno
del aire se produce su degradación, dos características importantes al momento de
fijar la temperatura y la presión de trabajo de la columna. También se calculó el
diseño de un equipo discontinuo para una alimentación de 1 m3 de mezcla líquida
compuesta por un 50% de agua y 50% de S.O e impurezas (principalmente
nitrobenceno), en un rango aproximado de 95% y 5% respectivamente. Es necesario
un destilado puro con una composición 99,9%. Debido a la termosensibilidad del
compuesto fue necesario realizar la destilación bajo vacío variando entre 10 y 2
mmHg tal como lo sugirió la empresa. Las temperaturas de trabajo en la columna se
seleccionaron de acuerdo al rango de sensibilidad térmica del compuesto S.O, así,
para el tope de la columna se escogió una temperatura de 80°C y para el fondo de la
misma 115°C.
8
Los aportes al proyecto de investigación fue el sistema de destilación a
emplear para llevar a cabo la recuperación de solventes orgánicos.
Paz (2008) “Propuesta para la recuperación de disolventes alifáticos elaborado
en la empresa Optimus Oil C.A.”. Este proyecto fue presentado ante la Universidad
Nacional Experimental Francisco de Miranda, para optar al título de ingeniero
químico.
El objetivo general del proyecto fue proponer la recuperación de disolventes
alifáticos elaborados en la empresa Optimus Oil C.A.
Este trabajo consistió en la reutilización de los disolventes alifáticos con la
finalidad de ahorrar costos a la empresa y evitar daños ambientales. Para esto el autor
recolectó solventes residuales durante dos (2) semanas para su caracterización a fin
de definir las propiedades físico-químicas de la muestra; posteriormente aplicó una
prueba de destilación a la muestra realizando tres (3) corridas y obtuvieron valores
muy cercanos a los valores establecidos para el disolvente puro; también aplicó el
método de los factores ponderados para la selección de la tecnología, donde la
destilación fue la opción que obtuvo el mayor puntaje. Adicionalmente, diseñó un
sistema de gestión integral para el manejo de solventes alifáticos dentro de la empresa
Optimus Oil que garantice una relación adecuada en lo que respecta a manejo,
almacenamiento, transporte, tratamiento y disposición final del emul-op empleado
por la organización. Igualmente desarrolló un estimado de costo clase 5 de la
propuesta. Los aportes al proyecto de investigación fueron las tecnologías que se
pueden utilizar para la recuperación de solventes.
Velázquez, L. (2007) “Diseño de una planta por destilación de cargas para el
sistema binario metanol-agua”. Este proyecto fue presentado ante la Universidad
9
Nacional Experimental Francisco de Miranda, para optar al título de Ingeniero
Químico.
El objetivo general del proyecto fue diseñar una planta de destilación por
cargas para el sistema binario metanol-agua. El trabajo de grado consistió en la
recuperación de metanol a través de la destilación por lotes con el propósito de
fomentar el aprendizaje del mencionado proceso a los estudiantes universitarios a
nivel teórico y práctico. Para el dimensionamiento de la columna de destilación el
autor determinó la altura y diámetro de la torre e igualmente el número de platos. El
material de la columna de destilación fue de vidrio pyrex y el tipo de platos
seleccionado fue el plato de flujo transversal de un solo paso. El principal aporte al
proyecto de investigación fue el procedimiento y prácticas para la determinación de la
altura de la columna de destilación por platos.
2.2. Bases teóricas.
2.2.1. Equipos para determinar viscosidad cinemática (Covenin, 1991).
Para llevar a cabo la determinación de viscosidad cinemática es indispensable
los siguientes equipos y/o instrumentos:
Viscosímetros: se utilizan viscosímetros de vidrios del tipo capilar, calibrados
y capaces de medir viscosidades cinemáticas dentro de los límites de precisión
establecida en las normas técnicas.
Soportes de viscosímetros: es indispensable para suspender el viscosímetro en
posición vertical. La alineación apropiada de las partes verticales se puede verificar
utilizando un nivel vertical.
10
Baño para viscosímetros: se puede utilizar cualquier baño de un líquido
transparente o baño de vapor, siempre que sea lo suficientemente profundo para que
cualquier porción de la muestra en el viscosímetro esté al menos veinte milímetros
(20 mm) por debajo de la superficie del líquido y veinte milímetro (20 mm) por
encima del fondo del baño.
Termómetros: se deben usar termómetros calibrados y con precisión no menor
de 0,01 por ciento o cualquier otro aparato termométrico de igual exactitud.
Cronómetros: debe estar graduado en divisiones de dos (2) décimas de
segundo o menos y con una precisión de ± 0,07 por ciento cuando se utiliza en
intervalos de quince (15) minutos. Se puede utilizar cronómetros eléctricos si la
frecuencia es controlada con una exactitud de 0,05 por ciento.
2.2.2. Equipos para determinar densidad (Fondonorma, 1998).
Para llevar a cabo la determinación de la densidad es indispensable los
siguientes equipos y/o instrumentos:
Analizador digital de densidad: está constituido por un tubo oscilante en
forma de U para la muestra, y un sistema de excitación electrónica, contador de
frecuencia y pantalla digital. El analizador debe ser capaz de medir exactamente la
temperatura de la muestra durante el ensayo.
Baño de recirculación termostatado: es capaz de mantener la temperatura del
líquido circulante a una temperatura constante en ± 0,05 °C, en el intervalo deseado.
El control de temperatura se puede mantener como parte del instrumento analizador
de densidad.
11
Termómetro: tiene que ser calibrado y graduado a 0,1 °C, con un soporte que
permita sujetarlo al instrumento y observar la temperatura del ensayo.
Cabe destacar que al finalizar cada ensayo estos equipos deben ser limpiados
para remover los restos de las muestras de aceites lubricantes, para ello se utilizan
solventes, tales como: el xileno y el iso-octano.
2.2.3. Solvente.
Es una sustancia que permite la dispersión de otra sustancia en esta a nivel
molecular o iónico. Es el medio dispersante de la solución. Normalmente, el solvente
establece el estado físico de la disolución, por lo que se dice que el disolvente es el
componente de una disolución que está en el mismo estado físico que la misma.
(Witteff, 2002)
Clasificación de los solventes (Witteff, 2002).
Los solventes se clasifican en solventes polares y solventes apolares. Los
solventes polares, son sustancias en cuyas moléculas la distribución de la nube
electrónica es asimétrica; por lo tanto, la molécula presenta un polo positivo y otro
negativo separados por una cierta distancia. Ejemplo de este tipo de solvente es el
agua y los alcoholes de baja masa molecular. Los solventes apolares, son sustancias
de tipo orgánico y en cuyas moléculas la distribución de la nube electrónica es
simétrica; por lo tanto, estas sustancias carecen de polo positivo y negativo en sus
moléculas. Algunos solventes de este tipo son: el dietiléter, benceno, tolueno, xileno,
cetonas, hexano, ciclohexano, éter de petróleo, entre otros.
12
2.2.4. Solventes orgánicos (Witteff, 2002).
Son compuestos orgánicos volátiles que se utilizan sólo o en combinación con
otros agentes, sin sufrir ningún cambio químico, para disolver materias primas,
productos y materiales residuales e igualmente se utiliza como agente de limpieza
para disolver la suciedad. También pueden ser utilizados como modificadores de la
viscosidad o como agente tenso-activo.
Propiedades de los solventes orgánicos (Witteff, 2002).
Son compuestos líquidos y de peso molecular ligero.
Son sustancias poco polares y por tanto escasamente miscibles en agua, que
manifiestan una gran lipofilia.
Poseen gran volatilidad, por lo que presentan una alta presión de vapor,
pudiendo pasar fácilmente a la atmósfera en forma de vapor durante su manejo y por
ello susceptible de ser inhalados fácilmente.
Tienen puntos de ebullición relativamente bajos.
En general, son mezclas de varios compuestos químicos acompañados de
trazas de otros.
Su composición puede variar con el tiempo, dada su volatilidad y elevada
presión de vapor y por el hecho de que se contaminan con el uso.
Uso muy amplio y diverso.
En general, producen importantes efectos tóxicos.
Son sustancias combustibles cuyos vapores mezclados con el aire pueden dar
lugar a mezclas inflamables y con el riesgo de explosión.
13
Principales solventes orgánicos utilizados en las industrias.
Los solventes orgánicos utilizados en las industrias son los siguientes:
benceno, tolueno, xileno, éter de petróleo, hexano, dietiléter, iso-octano, acetona,
entre otros. Estos son utilizados en las industrias del petróleo, química, farmacéutica,
entre otros (Witteff, 2002).
Xileno.
Es un líquido incoloro e inflamable con un olor ligero y duce. Según la
posición relativa de los grupos metilo en el anillo bencénico, se diferencia entre orto-
xileno, meta-xileno, o para-xileno (o con sus nombres sistemáticos 1,2-
dimetilbenceno; 1,3- dimetilbenceno; y 1,4-dimetilbenceno respectivamente). El
xileno también es conocido como xilol, dimetilbenceno y metiltolueno (Witteff,
2002).
Con base a estas propiedades, los xilenos son buenos disolventes y se usan
para remover pinturas, aceites, barnices, entre otros. Además forman parte de muchas
formulaciones de combustibles de gasolina donde destacan por su elevado índice
octano. En química orgánica son importantes productos de partida en la obtención de
los ácidos ftálicos que se sintetizan por oxidación catalítica. En la tabla 2.1 se
presentan las propiedades físico-químicas del xileno.
Tabla 2.1. Propiedades físico-químicas del xileno.
Descripción Valor Unidad
Estado físico Líquido transparente -
Color Incoloro -
pH - -
Punto de fusión -25 °C
Punto de ebullición 136-144 °C
14
Tabla 2.1. Propiedades físico-químicas del xileno. (Cont.)
Punto de ignición (CC) 25 °C
Temperatura de ignición 464 °C
Límite de explosión inferior 1,1 % (V)
Límite de explosión superior 7,0 % (V)
Presión de vapor a 37,70 °C 24 hPa
Densidad a 20 °C 0,865 g/cm3
Solubilidad en agua Insoluble -
Peso molecular 106,17 g/mol
(Sigma-Aldrich, 2009)
Iso-octano.
Es un alcano ramificado que tiene una cadena principal de pentano con tres
(3) radicales metilo unidos, lo que da un total de ocho (8) carbonos. También es
conocido como el 2,2,4 – trimetilpentano (Austin, 1992).
En la tabla 2.2 se presentan las propiedades físico-químicas del iso-octano.
Tabla 2.2. Propiedades físico-químicas del iso-octano.
Descripción Valor Unidad
Estado físico Líquido transparente -
Color Incoloro -
pH Neutro -
Punto de fusión -107,38 °C
Punto de ebullición 99,25 °C
Punto de ignición (CC) 4 °C
Temperatura de ignición 410 °C
Presión de vapor a 20 °C 51 hPa
Densidad a 20 °C 0,69 g/cm3
Solubilidad en agua Insoluble -
Peso molecular 114,22 g/mol
(Sigma-Aldrich, 2009)
15
2.2.5. Caracterización de mezclas complejas (Perry, 1992).
Para el tratamiento de mezclas complejas es importante su caracterización por
medio del análisis de la gravedad, la curva de destilación del laboratorio, el análisis
de los componentes de los fondos ligeros y el análisis de los tipos de hidrocarburos
presentes en los extremos intermedios y pesados. A partir de estos datos se pueden
determinar cinco (5) puntos de ebullición diferentes en promedio y un (1) índice de
parafinidad, que se pueden utilizar para el cálculo de las propiedades físicas de las
mezclas complejas, mediante correlaciones aceptadas.
Muchas otras propiedades o atributos característicos se pueden medir, de
acuerdo con las pruebas ASTM, entre ellas el contenido de azufre, punto de
vaciamiento, contenido de agua y sedimento, contenido de sales y metales, la presión
de vapor reid, la viscosidad Saybolt Universal, el punto de anilina y número de
octanos, el punto de congelamiento y de nube, la temperatura de humo, los índices de
refracción, diesel y cetano, número de neutralización, el contenido de cera y carbón y
la penetración. Para estos atributos son de menor interés, para este caso, aunque las
alimentaciones y los productos tengan que cubrir ciertos valores especificados de los
atributos.
En la tabla 2.3 se presenta un resumen de los reglamentos técnicos para llevar
a cabo los ensayos a mezclas complejas y fracciones de petróleo.
Tabla 2.3. Pruebas físico-químicas de mezclas complejas.
Análisis Método
internacional
Método
venezolano Unidades
Gravedad API 60 °F ASTM D - 1298 NTF 3401 -
Densidad 60 °F ASTM D - 1298 NTF 3401 g/cm3
Punto de inflamación ASTM D - 92 Covenin 3345 °C
Viscosidad cinemática ASTM D - 445 Covenin 424 cst
16
Tabla 2.3. Pruebas físico-químicas de mezclas complejas. (Cont.)
Azufre corrosivo ASTM D - 2622 - % peso
Punto de ebullición ASTM D - 86 Covenin 850 °C
Contenido de sedimento ASTM D - 4007 Covenin 2683 % V
Contenido de agua ASTM D - 4007 Covenin 427 % V
(Fondonorma, 2008).
2.2.6. Destilación.
La destilación es la operación de separar, mediante evaporización y
condensación, los diferentes componentes líquidos, sólidos disueltos en líquidos o
gases licuados de una mezcla, aprovechando los diferentes puntos de ebullición de
cada una de las sustancias ya que el punto de ebullición es una propiedad intensiva de
cada sustancia, es decir, no varía en función de la masa o el volumen, aunque sí en
función de la presión (Perry, 1992).
Hay varios tipos de destilación en el que se puede llevar a cabo la separación
física de productos derivados del petróleo, entre las que se pueden mencionar las
siguientes: atmosférica, al vacío, por arrastre de vapor de agua, por lotes, y continua.
Para la recuperación de los solventes orgánicos estudiados en este trabajo se utilizará
una del tipo atmosférica, continua.
2.2.7. Internos de los equipos de destilación.
Es importante resaltar que en el interior de la columna de destilación puede
estar constituido por empaque o por platos. En este trabajo se utilizaron torres por
platos.
17
Torres de platos.
Las torres de platos son cilindros verticales en que el líquido y el gas se ponen
en forma de pasos sobre platos o charolas, tal como se muestra en la figura 2.1.
Figura 2.1. Sección esquemática a través de una torre de platos perforado
(Treybal, 1988)
En la figura 2.1 se puede observar que el líquido entra en la parte superior y
fluye en forma descendente por gravedad. En el camino, fluye a través de cada plato y
a través de un conducto, al plato inferior. El gas pasa hacia arriba, a través de orificios
de un tipo u otro en el plato; entonces burbujea a través del líquido para formar una
espuma, se separa de la espuma y pasa al plato superior. El efecto global es un
contacto múltiple a contracorriente entre el gas y el líquido, aunque cada plato se
caracteriza por el flujo transversal de los dos. Cada plato en la torre es una etapa,
puesto que sobre el plato se ponen los fluidos en contacto íntimo, ocurre la difusión
interfacial y los fluidos se separan (Treybal, 1988).
18
Tipos de platos (Treybal, 1988).
Los tipos de platos que se utilizan en las columnas de destilación son los
siguientes:
Platos de válvula.
Estos pueden ser circulares o rectangulares. El disco de la válvula sube a
medida que aumenta el flujo de vapor y de la misma manera cuando el flujo de vapor
disminuye la apertura del disco disminuye, lo que evita el goteo del líquido a través
de los orificios, dando este plato su principal ventaja de buena operación a flujos
bajos. Estos platos pueden ser usados cuando los requerimientos de flexibilidad son
mayores e igualmente no deben ser usados en servicios sucios.
Platos de capucha.
En estos platos, chimeneas o elevadores llevan el gas a través del plato y por
debajo de las capuchas que coronan los elevadores. Una serie de ranuras están
cortadas en el bordo de cada capucha, y el gas pasa a través de ésta para ponerse en
contacto con el líquido que fluye a través de las mismas. La profundidad del líquido
es tal que las capuchas serán cubiertas o casi cubiertas. Pueden obtenerse las
características detalladas del diseño.
Los platos de capuchas ofrecen la ventaja de que pueden manejar rangos muy
amplios de flujos del líquido y del gas. Actualmente, las nuevas instalaciones han
abandonado los platos de capuchas debido a su costo, el cual es aproximadamente el
doble que el de los platos perforados, de flujo contracorriente y de válvula.
19
Platos perforados.
Se han conocido casi desde la misma época que los platos de capucha, pero no
fueron muy aceptables durante la primera mitad del siglo XX. Sin embargo, su bajo
costo ha hecho que se conviertan en los platos más importantes.
En la figura 2.2 se muestra un diagrama del plato perforado.
Figura 2.2. Plato perforado para flujo transversal (Treybal, 1988).
La parte principal del plato es una hoja horizontal de metal perforado,
transversal al cual fluye el líquido; el gas pasa en forma ascendente a través de las
perforaciones. El gas, dispersado por las perforaciones, expande al líquido en una
espuma turbulenta, que se caracteriza por una superficie interfacial muy grande con
respecto a la transferencia de masa. Los platos están sujetos a inundaciones, debido a
la elevación del líquido en los vertederos o a un excesivo arrastre del líquido en el gas
por espumado.
20
2.2.8. Procedimiento para el diseño de columnas de destilación (Treybal, 1988).
Para diseñar columnas de destilación por platos es indispensable determinar
principalmente la altura, el diámetro y el tipo de plato de la columna.
Diámetro de la columna de destilación (Treybal, 1988).
El diámetro de la columna y, en consecuencia, su área transversal debe ser lo
suficientemente grande para manejar el flujo del gas y del líquido con respecto a un
tipo dado de plato en la inundación, la velocidad superficial del gas (flujo
volumétrico del gas (Q) entre la sección transversal neta para el flujo (An)) está
relacionada con las densidades del fluido mediante la ecuación 2.1. La ecuación (2.1)
es empírica y la constante empírica (CF) depende de las unidades utilizadas en el
diseño de los platos.
(
) (2.1)
Donde: VF es la velocidad de inundación de la torre (m/seg), CF es la
constante empírica (adimensional), ρL es la densidad del líquido de la mezcla (Kg/m3)
y ρG es la densidad del vapor de la mezcla (Kg/m3).
La sección transversal neta (An) es la sección transversal de la torre (At)
menos el área tomada en las tuberías de descenso, CF es una constante empírica cuyo
valor depende del diseño del plato. Valores apropiadamente pequeños de la velocidad
superficial (V), que se utilizan en el diseño real; para líquidos que no hacen espuma,
es normal un valor del 80 al 85 % de la velocidad de inundación (VF) y del 75 % o
menos para líquidos que hacen espuma. Este valor está sujeto a verificación con
respecto a las características de arrastre del líquido en el gas y a la caída de presión.
21
Ordinariamente, el diámetro escogido de esta forma será adecuado, aunque
ocasionalmente el flujo del líquido puede ser una limitación. Un plato de flujo
transversal de un solo paso bien diseñado puede generalmente manejar hasta 0,015
m3/s de líquido por diámetro de torre. En la mayoría de las instalaciones, el costo
hace impráctico variar el diámetro de la columna de un lado a otro de la misma para
ajustar variaciones en el flujo del gas o del líquido; por lo que se utilizan las
cantidades máximas de flujo para fijar un diámetro uniforme. Cuando la variación en
los flujos son tales que se indican un 20 % de diferencia en el diámetro para la
sección superior e inferior, dos diámetros pueden resultar probablemente económicos.
El diámetro requerido de la columna puede disminuirse utilizando un mayor
espaciamiento de los platos, de tal forma que el costo de la columna, que depende de
la altura como del diámetro, se vuelve mínimo con cierto espaciamiento óptimo.
Diseño de platos perforados (Treybal, 1988).
El diseño de la torre debe escogerse de tal forma que se adapte al flujo; se
deben seleccionar los detalles del arreglo de los platos; hay que calcular la caída de
presión del gas y los límites para la inundación, y han de establecerse seguridades en
contra del excesivo “lloriqueo” y del exagerado arrastre del líquido en el gas.
22
Tabla 2.4. Condiciones y dimensiones generales recomendadas para las torres de
platos.
1. Espaciamiento de los platos
Diámetro de la torre, Dt Espaciamiento de la torre, t
m ft m in
0,15 6 (mínimo)
1 menos 4 menos 0,50 20
1 4 0,60 24
3 10 0,75 30
4 12 0,90 36
2. Flujo del líquido
a. No superior a 0,015 m3/(m . s) (0,165 ft
3/ (ft . s) para platos de flujo transversal de
un solo paso
b. No superior a 0,032 m3/longitud de derramadero (0,35 ft
3/ft .s) para otros
3. Sellados de los vertederos
a. Vacío: mínimo 5 mm, 10 mm de preferencia
b. Presión atmosférica y superior, 25 milímetro mínimo; 40 milímetro de preferencia
4. Longitud del derramadero para derramaderos rectangulares rectos
Longitud,
W Distancia desde el centro de la torre Porcentaje del área de la torre, %
0,55 Dt 0,4181 Dt 3,877
0,60 Dt 0,3993 Dt 5,257
0,65 Dt 0,2516 Dt 6,899
0,70 Dt 0,3562 Dt 8,808
0,75 Dt 0,3296 Dt 11,255
0,80 Dt 0,1991 Dt 14,145
5. Caída de presión normal por plato
Presión total Caída de presión
35 milímetro de mercurio absoluto 3 milímetro de mercurio o menos
1 atmósfera estándar 500 a 800 N/m2 (0,07-0,12 lbf/in
2)
300 lbf/in2 0,15 lbf/in
2
(Treybal, 1988).
23
Diámetro de la columna.
La constante de inundación (CF) de la ec. (2.2) se relaciona con los datos que
se tienen de inundación. La constante de inundación se determina a través de la ec.
(2.2).
[
( ) (
) ] (
)
(2.2)
Donde: CF es la constante empírica (adimensional), α y β son las constantes
empíricas para la velocidad de inundación, ρL es la densidad del líquido de la mezcla
(Kg/m3) ρG es la densidad del vapor de la mezcla (Kg/m
3), L´ es el flujo del líquido
(m3/h), G´ es el flujo del vapor (m
3/h) y σ es la tensión superficial promedio (N/m)
Perforaciones y área activa.
Generalmente, se utilizan diámetros de los orificios de 3 a 12 mm y con más
frecuencia de 4,5 mm, aun cuando han resultado útiles orificios tan grandes como 25
mm. Para la mayoría de instalaciones se utiliza acero inoxidable u otra aleación
perforada, en lugar de acero al carbón, aunque no se requiera necesariamente para la
resistencia a la corrosión. Ordinariamente, el espesor de la hoja es un medio diámetro
del orificio para acero inoxidable y menor en un diámetro para acero al carbón o
aleaciones de cobre.
En la tabla 2.5 se muestra las dimensiones recomendadas para columnas de
platos perforados
24
Tabla 2.5. Dimensiones recomendadas para torres de platos perforados.
1. Constantes de inundación, CF
Rango
Rango
( )
Unidades
de t
Unidades de
σ
Unidades
de VF α,β
0,1-1,0
m N/m m/s α = 0,0744t + 0,01173
β = 0,0304t + 0,015
in dinas/cm ft/s α = 0,0062t + 0,0385
β = 0,00253t + 0,050
< 0,1 Multiplicar α y β por 5Ao/Aa + 0,5
2. Diámetro del orificio, espesor del plato
Diámetro del orificio, espesor del plato Espesor del plato/diámetro de orificio
Mm in Acero inoxidable Acero al carbón
3,0 1/8 0,65
4,5 3/16 0,43
6,0 1/4 0,32
9,0 3/8 0,22 0,5
12,0 1/2 0,16 0,38
15,0 5/8 0,17 0,3
18,0 3/4 0,11 0,25
3. Profundidad del líquido
50 mm (2 in) mínimo 100 mm (4 in) máximo
(Treybal, 1988).
En base lo anterior se puede calcular la relación del área del gas del orificio y
del área del plato activo a través de la ec. (2.3).
(
)
(2.3)
Profundidad del líquido.
Generalmente, las profundidades del líquido no deben ser menores de 5 mm,
para asegurar una buena formación de espuma; se han utilizado profundidades de 150
mm, pero 100 mm es un máximo común.
25
Derramaderos.
La cresta de líquido sobre una represa rectangular recta puede calcularse por
medio de la fórmula de Francis, ec. (2.4).
(2.4)
En donde q es el fluido líquido expresada en m3/s, Weff es la longitud efectiva
del derramadero (m) y h1 es la cresta sobre el derramadero (m).
Figura 2.3. Longitud efectiva del derramadero (Treybal, 1988).
Debido a que la acción del derramadero es estorbada por los lados curvos de
la torre circular, se recomienda que la longitud efectiva del derramadero (Weff) se
represente como una cuerda del círculo de diámetro T, una distancia h1 más alejada
del centro que el derramadero real, como en la figura 2.3 entonces, la ec. (2.4) puede
ordenarse de la siguiente manera:
(
)
(
)
(2.5)
26
Para W/T = 0,7, que es típico, la ec. (2.5) puede utilizarse con Weff = W para
h1/W = 0,055 con un error máximo de sólo 2 % en h1, lo cual es despreciable.
Caída de presión del gas.
Todas las caídas de presión del gas se van a expresar como cabezas de líquido
claro de densidad (ρL) sobre el plato. La caída de presión para el gas (hG) es la suma
de los efectos para el flujo del gas a través del plato seco y de los efectos causados
por la presencia del líquido, y se calcula por la ec. (2.6).
(2.6)
En donde hD es la caída de presión en el plato seco; hL es la caída de presión
resultante de la profundidad del líquido en el plato, y hR caída de presión residual.
Caída de presión en seco.
Ésta se calcula basándose en que el resultado de una pérdida de presión a la
entrada de las perforaciones, la fricción dentro del pequeño tubo que son las
perforaciones esto último debido al espesor del plato, y finalmente la pérdida a la
salida, y se calcula con la ec. (2.7).
[ ( )
(
)
] (2.7)
El factor de fricción de Fanning (f), se toma de una tabla estándar, Co es un
coeficiente de orificio que desprende del espesor del plato por diámetro de orificio,
que se calcula con la ec. (2.8).
27
( )
(2.8)
Cabeza hidráulica.
En la región perforada del plato, el líquido está en forma de espuma. La
profundidad equivalente de líquido claro; la cabeza hidráulica (hL), es una estimación
del valor que se obtendría si la espuma coalesciera. Este valor es generalmente menor
que la altura del derramadero de salida, y decrece al aumentar el flujo del gas. Para
calcular la cabeza hidráulica (hL) se emplea la ec. (2.9).
(2.9)
En donde z es el ancho del flujo promedio, que se calcula con la ec. (2.10).
( )
(2.10)
Caída de presión del gas residual.
Se cree que esto es principalmente el resultado de vencer la tensión superficial
cuando el gas sale a través de una perforación. La caída de presión del gas residual
(hR) se determina por la ec. (2.11).
(2.11)
28
Pérdida de presión en la entrada del líquido.
El flujo del líquido debajo del vertedero, cuando entra en el plato, provoca una
pérdida de presión que puede calcularse como el equivalente a tres cabezas de
velocidad, con la ec. (2.12).
(
)
(2.12)
En donde Ada es la menor de las dos áreas, la sección transversal del vertedero
o el área libre entre el vertedero y el plato. La fricción en el vertedero puede
despreciarse.
Retroceso en el vertedero.
La distancia h3, la diferencia en el nivel del líquido dentro e inmediatamente
afuera del vertedero, será la suma de las pérdidas de presión que resultan del flujo del
líquido y del gas en el plato superior, y se calcula con la ec. (2.13).
(2.13)
Puesto que la masa en el vertedero será parcialmente espuma arrastrada sobre
el derramadero desde el plato superior, espuma que aún no se ha coalescido, cuya
densidad promedio puede generalmente calcularse aproximadamente como la mitad
de la densidad del líquido claro, un diseño seguro requiere que el nivel del líquido
equivalente en el vertedero no sea mayor de un medio del espaciamiento de los
platos, Al despreciar Δ, el requerimiento es calculado con la ec. (2.14).
29
(2.14)
Para sistemas que forman espumas rápidamente, o cuando la viscosidad
elevada del líquido estorba el desprendimiento de las burbujas del gas, el retroceso
debe ser menor.
Lloriqueo.
Si la velocidad del gas a través de los orificios es muy pequeña, el líquido
goteará a través de ellos y se perderá el contacto sobre el plato para el líquido.
Además con platos de flujo transversal, dicho líquido no fluye por toda la longitud
del plato inferior. Los datos sobre lloriqueo incipiente son escasos, en particular para
profundidades elevadas del líquido; probablemente siempre haya algún lloriqueo. La
velocidad mínima del gas a través de los orificios, si no se alcanza esta velocidad, es
probable un excesivo lloriqueo:
(
)
(
)
(
√ )
( )
(2.15)
Arrastre del líquido.
Cuando el líquido es arrastrado por el gas hacia el plato superior, el líquido
arrastrado es atrapado en el líquido del plato superior. El efecto es acumulativo y las
cargas del líquido en los platos superiores de la torre pueden llegar a ser excesivas.
Una definición conveniente del grado de arrastre es la fracción del líquido que entra
en un plato y es arrastrado hacia el plato superior.
30
Posteriormente se considerará el efecto importante del arrastre sobre la
eficiencia del plato. La figura 2.4 ofrece un resumen de datos de arrastre de líquido
para platos perforados.
Figura 2.4. Arrastre para platos perforados (Treybal, 1988).
Altura de la columna C-1101.
La altura de la columna se determina dependiendo del diámetro de la torre y
del factor de seguridad.
31
Factor de seguridad.
Para calcular la altura de la torre es indispensable el factor de seguridad.
Según Seader, 2000 el factor de seguridad para una columna de platos, cuyo diámetro
es menor a 4 ft (1,22 m) es de 15%.
Cálculo de la altura de la columna.
La altura se calcula con la ec. (2.16).
(2.16)
Donde: HER es la altura equivalente a un plato teórico (m), Hcond es la altura
del condensador (m) y Hreh es la altura del rehervidor (m).
2.2.9. Métodos de evaluación económica.
La evaluación de proyectos por medio de métodos matemáticos - financieros
es una herramienta de gran utilidad para la toma de decisiones por parte de los
administradores financieros, ya que un análisis que se anticipe al futuro puede evitar
posibles desviaciones y problemas en el largo plazo.
El método de evaluación a aplicar en el diseño de la planta piloto para la
recuperación de los solventes orgánicos es la tasa interna de retorno, y para ello se
realizará una estimación de costo clase III o preliminar, y la determinación del punto
de equilibrio (Urbina, 2007).
32
Tasa interna de retorno (Romero, 1988).
La tasa interna de retorno (TIR) es uno de los métodos más confiables y de
mayor aplicación a nivel industrial. El valor obtenido es comparado con la tasa
mínima atractiva de retorno (TMAR). La TMAR es la tasa establecida por el
inversionista para la comparación o evaluación de la inversión. Si la TIR>TMAR,
entonces el proyecto es rentable y se puede ejecutar la inversión. Pero si la
TIR<TMAR, entonces el proyecto no es económicamente atractivo para ejecutar la
inversión, por tal motivo que mientras mayor sea la TIR, más deseable será llevar a
cabo el proyecto.
Estimado de costo preliminar (AACE, 1997).
Consiste en la solicitud de fondos requeridos para la culminación de la
ingeniería básica, específicamente el diseño de equipos y/o la colocación de órdenes
de compra de equipos y materiales críticos de largo tiempo de entrega.
El estimado de costo preliminar requiere la hoja de especificaciones de
equipos, instrumentación y control, edificios, requerimiento de servicios industriales
y de protección, entre otros. Para el cálculo se emplean métodos factorizados,
semidetallados, cotizaciones firmes y materiales de largo tiempo de entrega. Este
estimado cuenta con una confiabilidad de 60% con un margen de error del ± 10%, es
decir, existe un 60% de probabilidad que el costo calculado sea el costo final del
proyecto en ± 10%.
Al obtener el dimensionamiento de los equipos se procede a realizar la
estimación de costos clase tres (3), mediante el siguiente lineamiento:
33
Costos directos.
Primero, con el costo de los equipos se calcula el costo de los equipos
instalados por medio de la ec. (2.17).
CEI =(0,30 * CE) +CE (2.17)
Luego con el costo de los equipos instaldos (CEI), se calcula el costo de la
tubería de procesos (CTP) y el costo de instrumentación (CIn) mediante las ecs. (2.18
y 2.19).
CTP=0,30 * CEI
CIn =0,15 * CEI
(2.18)
(2.19)
Seguidamente con el costo de las tuberías de procesos (CTP), se calcula el
costo de aislamiento (CDA), mediante la ec. (2.20).
CDA =0,20 * CTP (2.20)
Posteriormente con el costo de los equipos instalados (CEI), se calcula los
costos de pinturas y terminaciones (CDPT) mediante la ec. (2.21).
CDPT =0,02 * CEI (2.21)
Seguidamente con el costo de los equipos instalados, se calcula el costo de
instalaciones eléctricas (CDIE), mediante la ec. (2.22).
CDIE=0,10 * CEI (2.22)
Posteriormente con el costo de los equipos (CE), se calcula el costo de
servicios auxiliares (CDSA) mediante la e. (2.23).
34
CDSA=0,55 * CE (2.23)
Luego con el costo de los equipos instalados (CEI), se calcula el costo de
líneas de suministro externo de la planta (CDLS) mediante la ec. (2.24).
CDLS=0,15 * CEI (2.24)
Seguidamente con el costo de los equipos (CE), se calcula el costo de
instalaciones auxiliares (CDIA), mediante la ec. (2.25).
CDIA=0,40 * CE (2.25)
Por último con todos los costos calculados anteriormente se calculan los
costos directos mediante la ec. (2.26).
CD = (CEI + CTP + CIn + CDA + CDE + CDPT + CDIE +
CDSA + CDLS + CDIA + CDPU) (2.26)
Costos indirectos.
Primero con el costo directo (CD), se calcula el costo de contingencia (CC),
mediante la ec. (2.27).
CC =0,08 * CD (2.27)
Luego con el costo directo (CD), se calcula el costo de contratista (CT),
mediante la ec. (2.28).
35
CT =0,05 * CD (2.28)
Por último con el costo de contratista (CC) y el costo de contingencia (CC), se
calcula el costo indirecto (CI), mediante la ec. (2.29).
CI =CC + CD (2.29)
Costo de capital total o inversión inicial.
Primero con el costo directo (CD) y el costo indirecto (CI), se calcula el costo
del capital fijo (CFC), mediante la ec, (2.30).
CFC = CD + CI (2.30)
Luego con el costo de capital fijo (CFC) se calcula el costo de capital de
trabajo (CWC) mediante la ec. (2.31).
CWC = CFC + (0,1 * CFC) (2.31)
Por último con el costo de capital fijo (CFC) y el costo de capital de trabajo
(CWC), se calcula con el costo de capital total o inversión inicial (CTC), mediante la
ec. (2.32).
CTC = CFC + CWC (2.32)
36
Método del punto de equilibrio (Romero, 1988).
Es un método útil para analizar las relaciones que existen entre los costos y los
ingresos o beneficios que se obtienen en un proceso productivo, y de ésta manera
establecer el nivel mínimo de producción que garantice la no generación de pérdidas
en el proceso.
Para su aplicación se debe identificar el comportamiento de cada uno de sus
componentes con respecto a la producción. Por ejemplo, los ingresos varían en forma
lineal con la modificación de la producción, ya que estos dependen de las unidades
vendidas.
Procedimiento
Es indispensable el conocimiento de los costos totales y ventas por cada
programa para construir el diagrama de equilibrio en función de cada nivel de
producción del programa de la evolución de costos e ingresos a través de sus
respectivas líneas.
En el punto de intersección, de la curva que representa los costos y la que
representa los ingresos, se obtiene el punto de equilibrio donde los costos y beneficios
se igualan, determinando a la derecha del mismo la zona de utilidades y a la izquierda
la zona de pérdidas.
2.3. Bases legales.
El Ministerio del Ambiente y de los Recursos Naturales Renovables
(MINAMRN) creado en 1977, es renombrado como Ministerio del Poder Popular
37
para el Ambiente en el año 2007 y tiene como objetivo principal garantizar el racional
aprovechamiento de los recursos naturales mediante su administración sistemática y
el mejoramiento del ambiente y de la calidad de vida para lo cual utiliza mecanismos
que le permiten ejercer la vigilancia, supervisión y control sobre la utilización y el
deterioro de los recursos para los cuales el Ministerio del Poder Popular para
Ambiente haya otorgado autorización de intervención o afectación. Los marcos
jurídicos en materia ambiental y que están relacionados con las actividades para la
recuperación de materiales peligrosos son:
2.3.1. Norma sobre evaluación ambiental de actividades susceptibles de degradar
el ambiente (Paz, 2008).
Esta norma trata de que toda empresa que degrada el ambiente en el país debe
estar inscrita en el Registro de Actividades Susceptible de Degradar el Ambiente para
llevar un control y establecer las regulaciones necesarias sobre las actividades que
lleva las empresas al momento de que se está degradando el medio ambiente.
2.3.2. Normas para el control de la recuperación de materiales peligrosos y el
manejo de los desechos peligrosos (Paz, 2008).
El objetivo de este decreto es regular la recuperación de materiales peligrosos
y el manejo de desechos, cuando ambos presenten características, composición o
condiciones que puedan poner en peligro y representen un riesgo para la salud y el
ambiente. Este decreto busca dar orientación en cómo manejar la generación, el
transporte y la disposición o tratamiento de desechos peligrosos. Estos estándares
tienen la finalidad de reducir la generación de desechos, desarrollar el reciclaje,
reutilización y mejor uso de los materiales peligrosos en la forma de materiales
peligrosos recuperables, y de gobernar el tratamiento y disposición final, cumpliendo
38
con los estándares de seguridad para evitar el poner en peligro a la salud humana o al
ambiente.
Además, este decreto en su primer capítulo contiene normas específicas que
regulan la recuperación de los desechos peligrosos. El objetivo fundamental de la
recuperación de los materiales peligrosos es el reuso, el reciclaje, la regeneración o el
aprovechamiento de dichos materiales a escala industrial o comercial, con el
propósito de alargar su vida útil, minimizar la generación y destrucción de desechos
peligrosos y propiciar las actividades económicas que empleen estos procesos o se
surtan de estos materiales.
2.3.3. Normas para la clasificación y el control de la calidad de los cuerpos de
agua y vertidos o efluentes líquidos (Paz, 2008).
Este decreto tiene como objetivo principal controlar la calidad de los cuerpos
de agua, tomando en consideración sus usos actuales y potenciales. Para lograr este
objetivo, el decreto establece límites de efluentes y obliga a la creación de planes de
calidad para cada uno de los cuerpos de agua, estableciendo prioridades dependiendo
de los problemas de cada uno.
2.3.4. Ley orgánica del ambiente (Paz, 2008).
Esta fue la primera ley creada en Venezuela, en junio de 1976 y reformada por
la Asamblea Nacional en Agosto de 2007, con el propósito de proteger al ambiente.
Cualquier actividad que pueda causar algún daño al ambiente, está sujeta a control
gubernamental, a través del Ministerio del Poder Popular para el Ambiente. El
objetivo principal de esta ley es establecer los principios generales para la
conservación, defensa y mejoramiento del ambiente para el beneficio de la calidad de
vida. Esta ley ha sido creada para:
39
Establecer lineamientos para la administración y manejo de las actividades
capaces de dañar el ambiente.
Crear agencias nacionales de protección ambiental.
Definir violaciones y penalidades.
2.3.5. Ley penal del ambiente (Paz, 2008).
Fue creada en enero de 1992 y reformada por la Asamblea Nacional en
diciembre de 2011, complementa a la Ley Orgánica del Ambiente y su objetivo
principal es determinar que se debe considerar como delitos ambientales;
generalmente definidos como acciones que violan las reglas establecidas para la
conservación, defensa y mejoramiento del ambiente, y establece penalidades
criminales para esos delitos. Bajo esta ley, es posible sancionar crímenes ocasionados
por unas conductas de negligencia o imprudencia. Aunque las penalidades estipuladas
para estas circunstancias serán reducidas a un tercio o la mitad de las penas normales
aplicables a los crímenes cometidos con intención. La ley también crea un sistema de
medidas para la restitución y reparación, con la finalidad de minimizar el daño
ambiental.
2.3.6. Ley sobre sustancias, materiales o desechos peligrosos (Paz, 2008).
Esta ley tiene como objeto regular la generación, uso, recolección,
almacenamiento, transporte, tratamiento y disposición final de las sustancias,
materiales y desechos peligrosos, así como cualquier otra operación que los
involucre, con el fin de proteger la salud y el ambiente. También son objeto de
regulación por esta ley, aquellas sustancias y materiales peligrosos y otros similares
que vayan a ser utilizados con fines agrícolas, industrial, de investigación científica,
educación, producción u otros fines.
40
Esta ley establece las disposiciones que regirán:
El uso y manejo de las sustancias, materiales y desechos peligrosos.
El transporte y almacenamiento de las sustancias, materiales o desechos
peligrosos.
El control de actividades que utilicen o generen sustancias, materiales y
desechos peligrosos.
Las sanciones aplicables por incumplimiento.
2.4. Normas técnicas de fondonorma
Las normas técnicas que aplican son la NTF 3401-1998 y la NTF 425-2001.
2.4.1. NTF 3401-1998: determinación de la densidad.
Esta norma es contentiva a la determinación de la densidad y la densidad
relativa por densimetría digital a destilados de petróleo, aceites viscosos, crudos,
entre otras sustancias líquidas; cuyas temperaturas oscilan entre los 15 °C y 35 °C. La
aplicación de los resultados de la densidad obtenida por este método es utilizado para
fines de cálculos fiscales o contables.
2.4.2. NTF 425-2001: determinación del punto de inflamación.
Esta norma es contentiva a la determinación del punto de inflamación por el
método Pensky – Martens de copa cerrada, el cual consiste en un método dinámico y
de las tasas de incremento de temperatura para controlar su precisión.
41
2.5. Normas covenin
Las normas técnicas que aplican son las covenin 2513-1988, covenin 427-
2001, covenin 2683-1990, covenin 427-2001, covenin 1826-1993 y covenin 850-
1995.
2.5.1. Covenin 2513-1988: análisis por cromatografía de gases.
Esta norma es contentiva al análisis por cromatografía de gases para mezclas
naturales de gas – líquido, el cual se utiliza para analizar mezcla de alcanos,
aromáticos, lubricantes, entre otros compuestos orgánicos que no se pueden
introducir fácilmente en el cromatógrafo al estar en forma líquida o como vapor a
presión atmosférica, debido a la presencia de componente volátiles y/o de fracciones
pesadas. Este método no es aplicable para el análisis de gas licuado de petróleo, ya
que la misma tiene su propia norma covenin.
2.5.2. Covenin 427-2001: determinación del contenido de agua.
Esta norma es contentiva a la determinación del contenido de agua a través del
método de la destilación, en el intervalo de 0 % a 25 % en volumen en productos
derivados del petróleo, entre otros compuestos orgánicos.
2.5.3. Covenin 1826-1993: determinación del contenido de azufre.
Esta norma es contentiva a la determinación del contenido de azufre por
espectrometría de rayos x, la cual establece el contenido de azufre en % peso para
productos derivados de petróleo. El conocer la presencia de azufre en el mencionado
producto, ayuda a predecir las características de desempeño y los problemas
potenciales de corrosión.
42
2.5.4. Covenin 2683-1990: determinación del contenido de sedimento.
Esta norma es contentiva a la determinación del contenido de sedimento por el
método de centrifugación, lo cual establece el contenido de sedimento en % peso para
productos derivados de petróleo. En caso que se presente contenido de sedimento se
recomienda buscar otras alternativas del producto, ya que puede obtenerse productos
indeseados en cualquier proceso que se emplee.
2.5.5. Covenin 850-1995: destilación.
Esta normativa es contentiva al proceso de destilación a los productos
derivados de petróleo. Para efectos de la norma se establece el punto inicial de
ebullición (IBP), punto final de ebullición (FBP), porcentaje recuperado, porcentaje
de residuo y porcentaje evaporado. Los resultados de la destilación o volatilidad de
los productos de petróleos son indicativos del comportamiento en la aplicación que a
ellos se les den. Esta norma se basa en el ASTM D-86 contentivo a la destilación de
productos derivados de petróleo.
2.6. Términos básicos.
Lubricante: es una sustancia que, colocada entre dos piezas móviles no se degrada, y
forma asimismo una película que impide su contacto, permitiendo su movimiento
incluso a elevadas temperaturas y presiones (Albarracín, 1998).
43
CAPÍTULO III: MARCO METODOLÓGICO
3.1. Tipo y diseño de la investigación.
El tipo de investigación desarrollada en este proyecto es descriptiva según
Hernández (2000), ya que se realizó una observación detallada de los procedimientos
llevados a cabo por la empresa Puramin C.A. a través de las normas técnicas nacional
e internacional, así como la evaluación de estos para llevar a cabo la recuperación de
solventes.
El diseño de la investigación corresponde al tipo no experimental
transeccional según Roldán (1995), ya que los datos fueron tomados de la realidad y
la muestra que se observó estuvo en su ambiente natural, sin ninguna alteración e
igualmente no se tuvo control directo de las variables, ya que no se puede influir
sobre la muestra.
3.2. Población y muestra
Para llevar a cabo la recuperación de los solventes orgánicos, la población
usada fueron los distintos envases o tambores en donde es vertido el residuo por parte
del laboratorio de la empresa Puramin, y la muestra fue el residuo en donde hay
mezcla de distintos tipos de aceites y de solventes orgánicos, los cuales son generados
una vez que se remueva el aceite lubricante con el solvente para llevar a cabo la
limpieza de los instrumentos o equipos en donde son analizados.
44
3.3. Técnicas e instrumentos de recolección de datos.
Según Tamayo y Tamayo (1998), las técnicas e instrumentos de recolección
de datos se pueden clasificar en información de datos primarios y secundarios. Los
datos primarios se recogen directamente de la realidad y a su vez permiten cerciorarse
de las verdaderas condiciones en que se han obtenido los datos; y los datos
secundarios son aquellas informaciones que son elaborados y procesados de acuerdo
con los fines del autor original.
Las técnicas que se utilizaron en el desarrollo de esta evaluación son las
siguientes:
Información de datos primarios: esta fue suministrada por toda
documentación de contacto directo con el campo y con la realidad. Esta información
se obtuvo por medio de una entrevista no estructurada, con la finalidad de hacer un
interrogatorio al personal que labora en el laboratorio.
Información de datos secundarios: está relacionada con toda la
documentación referente a los aceites lubricantes y solventes orgánicos, tratamientos
de desechos y disposición final establecidos en los reglamentos. Esta información se
obtuvo a través de una entrevista en base a un formulario previamente preparado y
estrictamente normalizado.
3.4. Técnicas e instrumentos de análisis de datos.
La técnica utilizada en el proyecto es la estadística inferencial, según Falcón y
Herrera (2005), el cual trabaja con muestras, subconjuntos formados por algunos
individuos de la población; en este caso fueron envases, en el cual contienen los
desechos mezclados de aceites y solventes. A partir del estudio de las muestras
45
estudiadas se infirió en aspectos relevantes de todos los desechos generados en el
laboratorio e igualmente la muestra fue seleccionada teniendo un tiempo de dos (2)
semanas desde que se produjo en el laboratorio, el grado de confianza depende de los
análisis y de la calibración de los equipos, cuyo estudio se requiere de un alto nivel de
conocimientos de estadísticas, probabilidad y matemáticas.
Los instrumentos básicamente utilizados es el análisis cualitativo y
cuantitativo de la muestra, en el cual la referencia son los libros de investigación para
efectuar los análisis de investigación.
3.5. Fases de la investigación.
3.5.1. Fase I: Caracterización físico-química de los desechos de laboratorio.
Fase del proyecto, en la cual, se tomaron muestras representativas del
desecho, tanto almacenado como producido por muestra, en el laboratorio. Luego se
caracterizaron aplicando ensayos de densidad, gravedad API, punto de inflamación,
punto de ebullición promedio por ASTM D-86, contenido de azufre, contenido de
metales, viscosidad, porcentaje de sedimentos, con base a las normas técnicas de
FONDONORMA y la ASTM, y los resultados obtenidos fueron comparados con los
valores establecidos en el Decreto 2635 contentivo de las Normas de Recuperación de
Materiales Peligrosos y Manejo de Desechos Peligrosos.
3.5.2. Fase II: Selección de la tecnología adecuada para la recuperación de los
solventes.
La selección de la tecnología a aplicar para la recuperación se hizo con base a
la caracterización físico-química del desecho generado, y a las especificaciones
técnicas de los solventes a recuperar para su uso en el laboratorio. El método de
46
destilación brindó las mejores condiciones y fue desarrollado a nivel de laboratorio
para obtener los rendimientos respectivos y las condiciones de operación.
3.5.3. Fase III: Dimensionamiento de los equipos y líneas asociadas a la planta.
Durante el desarrollo de esta fase se desarrollaron las siguientes actividades:
a.- Estimación de la capacidad de la planta en función del desecho generado.
b.- Establecimiento de las bases y criterios de diseño de la planta.
c.- Desarrollo de los balances de masa y energía, diagrama de flujo de
procesos, y plano de simbología. Para la realización de los diagramas se considerarán
las Normas PDVSA.
d.- Simulación del proceso desarrollado, mediante el software Pro/II.
e.- Diseño de los equipos y líneas de tuberías asociadas a la planta, obteniendo
las hojas de especificaciones de los equipos y la tabla de designación de líneas.
3.5.4. Fase IV: Establecimientos de estrategias de control de la planta.
En esta fase se realizaron, el diagrama de tubería e instrumentación y la
filosofía de control preliminar de la planta, indicando las estrategias de control, los
medidores, indicadores, y controladores a incluir en la misma. Para la realización del
diagrama se consideró las Normas PDVSA, las ISA y otras que establezca la
empresa.
3.5.5. Fase V: Realización de la evaluación económica del proyecto planteado.
Una vez detallados los elementos de la planta se desarrolló la evaluación
económica del proyecto que contempló, primero, la estimación de los costos de
construcción de la planta, del tipo clase tres (3), es decir, el estimado de costo
preliminar del proyecto. Luego, se determinó el punto de equilibrio del proceso de
47
recuperación de los solventes, con base a los costos de producción y los ingresos
obtenidos. Por último, se desarrolló la evaluación económica calculando la tasa
interna de retorno, indicando si el proyecto es factible económicamente.
48
CAPÍTULO IV: PRESENTACIÒN Y ANÁLISIS DE RESULTADOS.
4.1. Caracterización físico-química de los desechos de laboratorio.
En esta fase, se realizó la caracterización físico-química de los desechos
donde se realizó una cromatografía de gases, se determinó la densidad, la gravedad
API, la viscosidad cinemática, el punto de inflamación, el contenido de metales, los
porcentajes de humedad, azufre, y de sedimentos, con base a las normas técnicas
COVENIN y FONDONORMA.
4.1.1. Caracterización de los desechos mediante cromatografía de gases.
Se determinó la composición del desecho de laboratorio aplicando la norma
COVENIN 2513-1988. En la tabla 4.1 se presentan un resumen de los resultados
obtenidos, y en el anexo A los resultados de forma detallada
Tabla 4.1. Composición de los desechos de laboratorio (base seca).
Componente Composición Unidad
Xileno 40,0 % peso
Iso-octano 45,0 % peso
Aceite lubricante 15,0 % peso
Total 100,0 % peso
Como se puede observar en la tabla 4.1, el componente que está en mayor
proporción en el desecho del laboratorio es el iso-octano con un 45 % en peso,
seguido por el xileno con un 40 %, y por último la mezcla de aceites lubricantes con
un 15 %. Esto se debe a que en el proceso de limpieza de los equipos el consumo del
solvente iso-octano es mayor al del xileno. Además, estos valores de composición
indican que el 85 % en peso del desecho corresponden a los solventes, por lo que es
49
factible la recuperación de estos para su reutilización en el laboratorio, ya que se
encuentran en mayor proporción.
4.1.2. Caracterización de los desechos de laboratorio.
Un resumen de los resultados obtenidos de esta caracterización se presenta en
la tabla 4.2, y en la tabla A.1 del apéndice A se muestran en forma detallada. En este
caso cabe destacar que para establecer un marco de referencia se consideraron como
límite máximo y mínimo para la densidad, la gravedad específica, y la viscosidad
cinemática los valores reportados para los solventes y la mezcla de aceites
lubricantes, individualmente.
Tabla 4.2. Resumen de las propiedades físico-químicas.
Parámetro Unidad Valor Norma técnica
Densidad a 60 ºF g/mL 0,7845 NTF 3401-1998
Gravedad específica a 60 ºF - 0,7853 NTF 3401-1998
Viscosidad cinemática a 40 ºC cst 8,335 Covenin 424-1991
Punto de inflamación º C 45 NTF 425-2001
Contenido de sedimento % peso 0,000 Covenin 2683-1990
Contenido de agua % peso 0,002 Covenin 427-2001
Contenido de azufre Covenin 1826-1993
Teórico % peso < 0,50
Experimental % peso 0,012
NTF: Norma técnica Fondonorma.
Los valores de la densidad, la gravedad específica, y la viscosidad cinemática
de la tabla 4.2 fueron utilizados para validar las ecuaciones seleccionadas en el
simulador para la determinación de dichas propiedades.
Por otro lado, el punto de inflamación de los desechos de laboratorio es de 45
°C, lo que caracteriza esta mezcla como inflamable según las normas NTF 425-2001.
50
Esto se debe a la alta concentración de los solventes presentes en el desecho, ya que
estos tienen puntos de inflamación bajos, por el orden de los 4 ºC a los 25 ºC, a
diferencia de los aceites lubricantes que se caracterizan por tener puntos de
inflamación mucho más altos, por el orden de los 200 ºC.
Considerando el porcentaje de sedimentos, agua, y azufre presentes en los
desechos de laboratorio, es necesario resaltar la importancia de establecer estos
parámetros, ya que en caso de que la muestra presente un contenido superior al
establecido por las normas Covenin 2683-1990, Covenin 427-2001, y Covenin 1826-
1993 respectivamente para los solventes, se deberá incluir en el proceso de
recuperación de los solventes una etapa que contemple la remoción de estos. En este
caso la muestra reportó un valor de 0 %, 0,0002 %, y 0,012 % en peso de sedimentos,
agua, y azufre respectivamente, siendo todos estos valores menores al establecido por
las normas.
Otro parámetro que fue necesario estudiar fue el contenido de metales de la
muestra. Un resumen de los resultados obtenidos y los valores máximos permitidos
según las especificaciones de los solventes se presentan en la tabla 4.3, y en forma
detallada en la tabla A.2 del apéndice A.
Como se puede observar en la siguiente tabla, el porcentaje de metales
determinado experimentalmente contenidos en los desechos de laboratorio es menor
al porcentaje de metales de referencia, por lo que estos no son una limitante para
llevar a cabo la recuperación de los solventes orgánicos, ya que el decreto 2635
contentivo a las normas de recuperación de materiales peligrosos y las normas ASTM
establece hasta un límite máximo de 1000 partes por millones (ppm) equivalente a 0,1
% de peso de los metales.
51
Tabla 4.3. Contenido de metales de la muestra del desecho de laboratorio.
Metales Valor máximo, % peso Experimental, % peso Norma
Hierro (Fe) < 0,00001 0,00001
ASTM D
4294-03
Cromo (Cr) < 0,000005 0,000004
Plomo (Pb) < 0,00001 0,000002
Cobre (Cu) < 0,000005 0,000004
Estaño (Sn) < 0,00001 0,000001
Aluminio (Al) < 0,00005 0,000002
Níquel (Ni) < 0,00001 0,000002
Calcio (Ca) < 0,00005 0,00002
Bario (Ba) < 0,00001 0,00001
Vanadio (V) <0,000001 0,0000005
4.1.3. Caracterización de los desechos de laboratorio mediante la ASTM D-86.
Una vez analizado los desechos de laboratorio, se procedió a realizar la prueba
de destilación por el método ASTM D-86, y por la norma COVENIN 850, para
determinar la cantidad de solventes que se puede recuperar de los aceites lubricantes.
Los resultados se presentan en la tabla 4.4.
En la tabla 4.4 se puede observar que el punto inicial de ebullición es de 45 °C
y el punto final de ebullición es de 138 °C. También es importante resaltar que el
rango de ebullición del xileno a recuperar es de 138 °C a 144 °C, mientras que para el
iso-octano es de 99 °C. En el caso de los aceite lubricantes el rango de punto de
ebullición es de 205 a 275 °C.
En estos resultados es importante resaltar que se puede recuperar el 85,5 %
v/v de solventes orgánicos, de los cuales el 45 % se considera iso-octano debido a que
el punto de ebullición del mismo es de 99 °C y el 40,5% se considera xileno porque el
punto final de ebullición es de 138 °C y está dentro del rango. El resto correspondería
a los aceites lubricantes.
52
Tabla 4.4. Punto de ebullición promedio de los desechos de laboratorio por
ASTM D-86.
Porcentaje recuperado, % v/v Temperatura, °C
Punto de ebullición inicial 45
5 53
10 61
20 70
30 81
40 92
45 99
50 109
60 117
70 126
80 134
85,5 138
Punto final de ebullición 138
En la tabla 4.4 se puede observar que el punto inicial de ebullición es de 45 °C
y el punto final de ebullición es de 138 °C. También es importante resaltar que el
rango de ebullición del xileno a recuperar es de 138 °C a 144 °C para el xileno,
mientras que para el iso-octano es de 99 °C.
De la tabla anterior es importante resaltar que se puede recuperar el 85,5 % de
solventes orgánicos, de los cuales el 45 % se considera iso-octano debido a que el
punto de ebullición del mismo es de 99 °C y el 40,5 % se considera xileno porque el
punto final de ebullición es de 138 °C y está dentro del rango.
En el anexo I se puede observar la gráfica ASTM D-86, el cual se puede
observar a través de una curva el porcentaje de solvente orgánico recuperado.
53
4.1.4. Caracterización de los solventes recuperados.
De la prueba de destilación realizada se tomaron muestra de los productos
separados, y se les realizaron los análisis físico-químicos correspondientes. Los
resultados obtenidos para el xileno se muestran en las tablas 4.5 y 4.6 y en forma
detallada en las tablas A.3 y A.4 del apéndice A.
Tabla 4.5. Análisis físico-químico del xileno recuperado.
Parámetro Unidad Valor Norma técnica
Densidad a 60 ºF g/mL 0,8652 NTF 3401-1998
Gravedad específica a 60 ºF - 0,8661 NTF 3401-1998
Punto de inflamación º C 26 NTF 425-2001
Contenido de sedimento % peso 0,000 Covenin 2683-1990
Contenido de agua % peso 0,002 Covenin 427-2001
Contenido de azufre % peso 0,0001 Covenin 1826-1993
Punto de ebullición ºC 138,2 Covenin 850-1995
Al comparar los resultados obtenidos con los datos reportados por el
fabricante del solvente utilizado en el laboratorio se observó que este cumple con las
especificaciones técnicas, por lo que puede ser utilizado como sustituto en el proceso
de limpieza de los instrumentos. Adicionalmente, para realizar la simulación del
proceso fue necesario determinar qué tipo de xileno estaba presente, y para ello se
utilizó el punto de ebullición como parámetro de distinción ya que cada isómero tiene
un valor diferente, las posiciones orto, meta y para xileno presentan puntos de
ebullición de 144,4 ºC, 139,1 ºC, y 138,3 ºC, respectivamente. Cabe destacar que el
solvente recuperado se catalogó como p-xileno ya que reportó un punto de ebullición
de 138,2 ºC.
Por otra parte también fue necesaria la verificación del contenido de metales.
Los resultados obtenidos se presentan en la tabla 4.6.
54
En la siguiente tabla se puede observar que los valores experimentales de los
contenidos de metales son inferiores a los valores máximos permitidos, por lo que el
xileno recuperado no presenta problemas para su utilización por el contenido de
metales.
Tabla 4.6. Contenido de metales del xileno recuperado.
Metales Valor máximo, % peso Experimental, % peso Norma
Aluminio (Al) < 0,00005 0,00001
ASTM D
4294-03
Cromo (Cr) < 0,000002 0,000001
Cobre (Cu) < 0,000002 0,000001
Plomo (Pb) <0,00005 0,00002
Hierro (Fe) < 0,00001 0,000001
Niquel (Ni) < 0,000002 0,000001
Estaño (Sn) < 0,00001 0,000001
Calcio (Ca) < 0,00005 0,00001
Bario (Ba) < 0,00001 0,000005
Vanadio (V) <0,000001 0,0000002
Otro de los solventes recuperados fue el iso-octano. Los resultados obtenidos
en su caracterización se presentan en las tablas 4.7 y 4.8, y en forma detallada en las
tablas A.5 y A.6 del apéndice A.
Tabla 4.7. Análisis físico-químico del iso-octano recuperado.
Parámetro Unidad Valor Norma técnica
Densidad a 60 ºF g/mL 0,6978 NTF 3401-1998
Gravedad específica a 60 ºF - 0,6985 NTF 3401-1998
Punto de inflamación º C 5 NTF 425-2001
Contenido de sedimento % peso 0,000 Covenin 2683-1990
Contenido de agua % peso 0,0001 Covenin 427-2001
Contenido de azufre % peso 0,0001 Covenin 1826-1993
Punto de ebullición ºC 99,3 Covenin 850-1995
Como se muestra en la tabla 4.7 los valores de los parámetros físico-químicos
del iso-octano recuperado son similares a los valores de referencia por parte del
55
laboratorio de PURAMIN, por lo que se concluye que el iso-octano recuperado
cumple con las especificaciones técnicas para su utilización en dicho laboratorio.
Adicionalmente se le realizó una determinación de contenido de metales. Los
resultados obtenidos se presentan en la tabla 4.8 y en forma detallada en la tabla A.6
del apéndice A.
Tabla 4.8. Contenido de metales del iso-octano recuperado.
Metales Valor máximo, % peso Experimental, % peso Norma
Aluminio (Al) < 0,00005 0,00002
ASTM D
4294-03
Cromo (Cr) < 0,000002 0,000001
Cobre (Cu) < 0,000002 0,000001
Plomo (Pb) < 0,000005 0,000002
Hierro (Fe) < 0,00001 0,000001
Niquel (Ni) < 0,000002 0,000001
Estaño (Sn) < 0,00001 0,000001
Calcio (Ca) < 0,00005 0,00001
Bario (Ba) < 0,00001 0,000005
Vanadio (V) <0,000001 0,0000005
En la tabla 4.8 se puede observar que los valores experimentales de los
contenidos de metales son inferiores a los valores máximos permitidos, por lo que el
iso-octano recuperado no presenta ningún tipo de restricción en su uso por este
concepto.
Por último, en el proceso de separación se obtuvo una corriente de residuo
denominada “mezcla de aceites lubricantes”. Un resumen de los resultados obtenidos
en su caracterización se presenta en las tablas 4.9 y 4.10, y en forma detallada en las
tablas A.7 y A.8 del apéndice A.
Adicionalmente se le realizó una determinación de contenidos de metales. Los
resultados obtenidos se presentan en la tabla 4.10 y en forma detallada en la tabla A.8
56
del apéndice A cuyos resultados son inferiores a los que están establecidos
teóricamente por las normas técnicas nacionales e internacionales, por lo que el aceite
lubricante tiene un alto nivel de pureza.
Tabla 4.9. Análisis físico-químico de la mezcla de aceite lubricantes (residuo).
Parámetro Unidad Valor Norma técnica
Densidad a 60 ºF g/mL 0,8874 NTF 3401-1998
Gravedad específica a 60 ºF - 0,8883 NTF 3401-1998
Punto de inflamación º C 214 NTF 425-2001
Contenido de sedimento % peso 0,000 Covenin 2683-1990
Crepitación % peso Negativa pendiente
Contenido de azufre % peso 0,0015 Covenin 1826-1993
Punto de ebullición ºC 225 Covenin 850-1995
Tabla 4.10. Contenido de metales de la mezcla de aceites lubricantes.
Metales Valor máximo, % peso Experimental, % peso Norma
Aluminio (Al) < 0,1 0,00005
ASTM D
4294-03
Cromo (Cr) < 0,1 0,00004
Cobre (Cu) < 0,0001 0,000001
Plomo (Pb) < 0,1 0,000002
Hierro (Fe) < 0,1 0,00001
Niquel (Ni) < 0,0001 0,000001
Estaño (Sn) < 0,1 0,000025
Calcio (Ca) < 0,1 0,00005
Bario (Ba) < 0,1 0,00001
Vanadio (V) <0,000001 0,0000003
4.2. Selección de la tecnología adecuada para la recuperación de los solventes.
En función a los resultados de la caracterización de los desechos de
laboratorio de PURAMIN y a la experiencia de la empresa en el manejo de la
tecnología, se propuso los métodos de cromatografía de gases, adsorción, intercambio
iónico, extracción líquido - líquido y destilación.
57
El método de la cromatografía de gases no aplicaría para la recuperación de
los solventes orgánicos debido a que se utiliza para estimar porcentaje de
composición entre el iso-octano, p-xileno y lubricantes. La adsorción se puede llevar
a cabo la recuperación de solventes orgánicos cuyos compuestos están compuestos de
puros isómeros, locual no aplicaría y además los adsorbentes como el carbón
activado, silica gel y las zeolitas de tamiz molecular no aplican para los aceites
lubricantes e igualmente son muy costosas. Con respecto a la extracción líquido –
líquido se puede llevar a cabo la separación de los solventes orgánicos por contacto
de otro líquido, para que esto sea efectivo el punto de ebullición de los componentes
deben estar muy aproximado, tiene que haber poca volatilidad, compuestos en
pequeñas proporciones y formación de azeótropo; lo cual no aplica en este caso
debido a que el punto de ebullición del iso-octano es de 99 °C y el p-xileno es de 138
°C y las volatilidades de ambos solventes son altas, por lo cual el método a aplicar es
el de la destilación.
La destilación se puede llevar a cabo bajo diferentes esquemas, considerando
que se requiere separar el iso-octano, xileno y el aceite lubricante. En este caso se
pueden utilizar una columna con una corriente lateral o una secuencia de destilación
con 2 columnas en serie.
La columna con una corriente lateral se utiliza debido a que no hay mayor
consumo energético y que los solventes a recuperar tiene una pureza mayor al 95%,
mientras que las de dos columnas en serie tiene una pureza mayor al 99 % pero
requiere un mayor consumo energético.
Ambos esquemas son los más factibles para llevar a cabo la recuperación de
los solventes orgánicos a partir de los desechos de laboratorio. Para llevar a cabo la
selección del arreglo a utilizar se realizó una simulación de procesos para cada caso.
58
4.2.1. Simulación de una columna con una corriente lateral.
Una columna de destilación con una corriente lateral se caracteriza porque
puede operar a condición atmosférica, además minimiza los efectos de remezclado, y
permite una reducción del consumo energético, por eso fue considerada como una
opción de esquema de separación. Los datos de la simulación y los resultados
obtenidos se muestran en el apéndice B. Un resumen de los resultados se muestra en
la tabla 4.11.
En la tabla 4.11 se puede observar que el producto que se obtiene por la
corriente lateral, p-xileno no alcanza la pureza deseada, ya que se obtuvo un valor de
94,85 % mol, mientras que el iso-octano que se obtiene por el tope de la columna
alcanza un aproximado de 99,70 % mol de pureza.
Tabla 4.11. Resumen de los resultados de la simulación de una columna con una
corriente lateral.
Parámetro Valor Valor deseado
Pureza del p-xileno 94,85 % mol 99,50 % mol
Pureza del iso-octano 99,70 % mol 99,50 % mol
4.2.2. Simulación de dos columnas en serie.
Este esquema de destilación se caracteriza porque puede operar a condición
atmosférica, y puede obtener productos de alta pureza siguiendo la secuencia directa,
por eso fue considerada como una opción al esquema de separación. Los datos de la
simulación, y los resultados obtenidos se muestran en el apéndice C. Un resumen de
los resultados se muestra en la tabla 4.12.
59
Tabla 4.12. Resumen de los resultados de la simulación de dos columnas en serie.
Parámetro Valor Valor deseado
Pureza del p-xileno 99,68 % mol 99,50 % mol
Pureza del iso-octano 99,70 % mol 99,50 % mol
Como se puede observar en los resultados mostrados en la tabla 4.12 el
producto de tope que se obtiene en la primera columna es iso-octano con un
aproximado de 99,70 % mol de pureza, y el producto de tope de la segunda columna
es p-xileno con un valor de 99,68 % mol de pureza.
4.2.3. Selección del esquema de destilación.
Con base a los resultados obtenidos en ambas simulaciones se seleccionó
como esquema de destilación operar con dos columnas en serie, ya que permite
obtener los productos bajo las especificaciones técnicas necesarias para su utilización
en el laboratorio.
A pesar que el consumo energético con este arreglo es mayor, no es una
limitante para llevar a cabo el proceso, porque la empresa cuenta con los servicios
para llevar a cabo la destilación por el método seleccionado. En general el proceso de
separación, se llevará a cabo en dos columnas, la primera contará con 12 etapas
teóricas y la segunda con 6 etapas teóricas.
4.3. Dimensionamiento de los equipos y líneas asociadas a la planta piloto.
En esta fase se estimó la capacidad de la planta en función del desecho
generado, se establecieron las bases y criterios de diseño de la planta, se realizó el
diagrama de flujo de procesos de acuerdo a las normas PDVSA, e igualmente se
diseñaron los equipos y líneas de tuberías asociadas al proceso.
60
4.3.1. Bases y criterios de diseño de la planta.
Esta parte consta de la disponibilidad y condiciones de servicios industriales,
el factor de servicio, el manejo y almacenamiento de los productos, condiciones de
alimentación, productos en el límite de batería y las consideraciones ambientales y de
seguridad.
Normas empleadas.
Los diagramas de flujos de procesos (DFP), el diagrama de tuberías e
instrumentación (DTI) y los diseños de los equipos se emplearon las Normas
PDVSA.
Sistema de unidades.
El sistema de unidades empleado para el proyecto, fue el sistema
internacional.
Descripción de la planta.
La planta está diseñada para la recuperación de los solventes orgánicos en la
sede de PURAMIN C.A. del Estado Falcón, a través de dos columnas en serie
continua; en el tope de la primera columna se recuperará el iso-octano y en el fondo
quedará la mezcla de p-xileno y aceite lubricante; éstas sustancias es pasada en una
segunda columna, en donde se recuperará el p-xileno en el tope de la misma mientras
que en el fondo quedará el aceite lubricante.
En la figura 4.1 se muestra el diagrama de bloque de la planta de recuperación
de solventes orgánicos del laboratorio de la empresa PURAMIN C.A.
61
Columna N° 1 Columna N° 2
Intercambiador de
Calor
Tanque de
almacenamiento
Intercambiador de
Calor
Intercambiador de
Calor
Tanque de
almacenamiento
Tanque de
almacenamiento
Desecho de Laboratorio
Iso-octano
Mezcla de p-xileno y lubricantes
p-xileno
lubricante
Universidad Nacional Experimental
“Francisco de Miranda”
Digrama de Bloque
Diseño de una planta para la
recuperación de solventes orgánicos
a partir de desechos de laboratorio
Realizado por:
Lovera, Luis Arturo
Fecha: Julio 2013
N° de plano:
01 Aprobado por:
Ing. Fanny Robayo
Figura 4.1. Diagrama de bloques de la planta de recuperación de solventes orgánicos en PURAMIN C.A.
62
Condiciones de alimentación y productos en el límite de batería.
Las condiciones de alimentación, composición y las condiciones de los
productos obtenidos se muestran en la tabla 4.13, 4.14 y 4.15 respectivamente.
Tabla 4.13. Condiciones de alimentación.
Condición Valor Unidad
Presión 101,325 KPa
Temperatura 30 °C
Tabla 4.14. Composición de alimentación.
Condición Valor Unidad
Iso-octano 45 % p/p
p-xileno 40 % p/p
Lubricante 15 % p/p
Tabla 4.15. Condiciones de productos.
Producto Condición Valor Unidad
Xileno Presión
Temperatura
P.A.
30
Psia
°C
Iso-octano Presión
Temperatura
P.A.
30
Psia
°C
Aceite Lubricante Presión
Temperatura
P.A.
30
Psia
°C
P.A.: Presión atmosférica
Facilidades para el manejo y almacenaje para la materia prima,
productos y sub-productos.
La mezcla de aceites lubricantes y los solventes orgánicos recuperados serán
almacenados en envases rígidos, los cuales deben ser resistentes y provistos de tapa
hermética. Cada envase debe llevar una etiqueta con el nombre del solvente
63
recuperado o de la mezcla de aceites lubricantes, condición peligrosa con símbolo
correspondiente, estado físico, cantidad, procedencia y la fecha de envasado.
Es importante resaltar que una vez envasado los solventes recuperados y la
mezcla de aceites lubricantes deberán ser colocados en un área que reúna las
características y la capacidad acorde con el tipo de material (solvente y aceite
lubricantes) e igualmente el xileno e iso-octano debe ir separados y de otros
materiales incompatible como lo es el aceite lubricante y deberán ser protegidos de la
intemperie.
Disponibilidad y condiciones de servicios industriales.
PURAMIN y CRP-Amuay cuentan con convenios para el suministro de
instalaciones auxiliares y suministros, con servicios de electricidad y agua e
igualmente una instalación de servicio de vapor, el cual servirá como fuente para la
planta. En la tabla 4.16 se presenta la disponibilidad y las condiciones de los
mencionados servicios.
Tabla 4.16. Servicios disponibles y condiciones.
Servicio Condición
LPS, Vapor de presión baja 89,6 Psia Saturado
MPS, Vapor de presión media 164,6 Psia Saturado
HPS, Vapor de presión alta 614,5 Psia Saturado
Gas Natural 64,7 Psia a 25°C
Electricidad 110 V – 220 V – 440 V
Fuel Gas N/A
Boiler Feed Water 79,63 Psia a 90°C
Agua de enfriamiento 74,84 Psia a 30°C
Agua de refrigeración 74,84 Psia a 10°C
Refrigeración -
CRP-Amuay, 2008
64
Localización de la planta.
La planta piloto estará ubicada en la sede de la empresa Purificadora de
Aceites Minerales Compañía Anónima (PURAMIN C.A.) en el Municipio Los
Taques del Estado Falcón.
Factor de servicio.
La planta tendrá un factor de servicio de trescientos (300) días de operación
por año, debido al mantenimiento preventivo a la planta.
Regulaciones ambientales y de seguridad.
Las normas ambientales a cumplir se muestran en la tabla 4.17.
Tabla 4.17. Normas técnicas ambientales.
Decreto Norma
1257 Norma sobre la evaluación ambiental de actividades susceptible de
degradar el ambiente.
883 Norma para la clasificación y el control de los cuerpos de agua y
vertidos o efluentes líquidos.
2635 Norma para el control de la recuperación de materiales peligrosos y
el manejo de los desechos peligrosos.
2217 Norma sobre calidad del aire y control de la contaminación
atmosférica.
Adicionalmente, PURAMIN C.A. debe cumplir con la Ley Orgánica de
Prevención, Condiciones y Medio Ambiente de Trabajo (LOPCYMAT), por lo tanto
el diseño de la planta se debe realizar garantizando la seguridad industrial establecida
por la ley.
65
Los lineamientos de seguridad e higiene de la planta piloto los llevará a cabo
la Superintendencia de Seguridad Industrial de PURAMIN C.A., cuya política se basa
en el cumplimiento de normas y procedimientos, estableciendo responsabilidades en
todos los niveles de la nómina de la empresa. Así mismo, los valores rectores bien
definidos en función de preservar el ambiente, la salud del trabajador, activos de la
empresa y áreas de influencia de los procesos.
4.3.2. Balance de materia.
Para desarrollar el balance de materia y energía del proceso fue necesario
realizar el diagrama de flujo preliminar y una descripción de flujo, que se muestran en
las figuras 4.2 y 4.3 respectivamente.
Para llevar a cabo la recuperación de solventes orgánicos, son indispensables
principalmente dos (2) columnas de destilación, tal como se muestra en la figura 4.2.
66
Desecho de Laboratorio
Mezcla de Iso-octano, p-xileno
Y Aceites Lubricantes
P-1101
E-1102
P-1103
V-1101
C-1102
E-1105
P-1104
V-1102
E-1107
E-1106
C-1101
Salida de Agua de
Enfriamiento
E-1101
E-1104
1
2
3 4
5
6
7 8
9
13
12
P-1102
E-1103
Entrada de Agua de
Enfriamiento
Entrada de Agua de
Enfriamiento
Salida de Agua de
Enfriamiento
11
10
14
Salida de Agua de
Enfriamiento
Entrada de Agua de
Enfriamiento
Iso-Octano
p-xileno
Mezcla de lubricantes
15
16
Universidad Nacional Experimental
“Francisco de Miranda”
Digrama de Flujo de
Proceso Preliminar
Planta para la recuperación de
solventes orgánicos a partir de
desechos de laboratorio
Realizado por:
Lovera, Luis Arturo
Fecha: Julio 2013
N° de plano:
01 Aprobado por:
Ing. Fanny Robayo
Figura 4.2. Diagrama de flujo preliminar de la planta para la recuperación de solventes orgánicos.
67
Desecho de Laboratorio
Mezcla de Iso-octano, p-xileno
Y Aceites Lubricantes
P-1101
E-1102
C-1101
Columna de Separación
Φ = 14,00 cm
T/T = 2,10 m
N° de Platos: 10
Tipo de Plato: Flujo
transversal
E-1102
Condensador
Iso-Octano/
p-Xileno&Aceites
Lubricantes
E-1103
Intercambiador simple
Enfriador del
Iso-Octano
E-1105
Condensador
P-xileno / Aceites Lubricantes
E-1101
Calderín eléctrico
Calentamiento de Fondo
P-Xileno / Aceites Lubricantes
Q = 902,33 Kj/h
C-1102
Columna de Separación
Φ = 10 cm
N° de Platos: 2
LT/T = 1,50 m
E-1104
Calderín eléctrico
Aceites Lubricantes
Q = 829,29 Kj/h
E-1107
Intercambiador simple
Enfriamiento de
Aceites Lubricantes
P-1103
V-1101
C-1102
E-1105
P-1104
V-1102
E-1107
E-1106
C-1101
Salida de Agua de
Enfriamiento
E-1101
E-1104
1
2
3 4
5
6
7 8
9
13
12
P-1102
E-1103
Entrada de Agua de
Enfriamiento
Entrada de Agua de
Enfriamiento
Salida de Agua de
Enfriamiento
11
10
14
Salida de Agua de
Enfriamiento
Entrada de Agua de
Enfriamiento
Iso-Octano
p-xileno
Mezcla de lubricantes
15
16
P-1101
Bomba Centrífuga
Flujo = 500 L/h
P-1102
Bomba Centrífuga
Flujo = 500 L/h
Condición 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Flujo másico
(Kg/h) 8,759 8,759 4,119 4,119 4,640 4,640 3,428 3,428 1,213 1,213
Temperatura
(°C) 30 30 51 30 103 103 51 30 127 30
Fase Líquida Líquida Líquida Líquida Líquida Líquida Líquida Líquida Líquida Líquida
Universidad Nacional Experimental
“Francisco de Miranda”
Digrama de Flujo de
Proceso
Planta para la recuperación de
solventes orgánicos a partir de
desechos de laboratorio
Realizado por:
Lovera, Luis Arturo
Fecha: Julio 2013
N° de plano:
02 Aprobado por:
Ing. Fanny Robayo
Figura 4.3. Diagrama de flujo de proceso de la planta de recuperación de solventes orgánicos.
68
El desecho de laboratorio es succionado desde el tanque de alimentación por
la bomba centrífuga P-1101 y posteriormente pasa por la primera columna de
destilación C-1101, en donde se recupera en el tope el iso-octano y en el fondo queda
la mezcla de xileno y aceites lubricantes. El iso-octano es enfriado hasta los 30 °C, en
el intercambiador de calor E-1103 utilizando agua como fluido de enfriamiento.
El producto de fondo de la primera columna, es enviado a la segunda columna
C-1102, donde se recupera el xileno en el tope y en el fondo queda la mezcla de
aceites lubricantes. El p-xileno es enfriado hasta los 30 °C, en el intercambiador de
calor E-1106 utilizando agua como fluido de enfriamiento, y el aceite lubricante
residuo es enfriado hasta los 30 °C, en el intercambiador de calor E-1107 utilizando
agua como fluido de enfriamiento. Luego los solventes recuperados y la mezcla de
aceites lubricantes se almacenan en un recipiente sellado.
En la tabla 4.18 se puede observar los resultados obtenidos en el balance de
materia del proceso y en el apéndice C se muestran los cálculos detallados.
69
Tabla 4.18. Balance de materia.
Diseño de una Planta para la Recuperación de Solventes Orgánicos
N° Página 01/14
Revisión: 0
Fecha:
Julio, 2013
Balance de materia
N° de corriente 1 2 3 4 5 6 7 8
Descripción de la corriente Líquida Líquida Líquida Líquida Líquida Líquida Líquida Líquida
Corrientes Unidad
Iso-octano Kg/h 3,776 3,776 4,110 4,110 0,0069 0,0069 0,007 0,007
p-xileno Kg/h 3,615 3,615 0,009 0,009 3,2810 3,2810 3,413 3,413
Aceite lubricante Kg/h 1,368 1,368 2*10-9
2*10-9
1,3519 1,3519 0,008 0,008
Agua Kg/h - - - - - - - -
Total (Kg/h) 8,759 8,759 4,119 4,119 4,6398 4,6398 3,428 3,428
Temperatura °C 30 30 51 30 103 103 51 30
Presión atm 1 1 1 1 1 1 1 1
Nota:
Elaborado por:
Lovera, Luis Arturo
Revisado por:
Ing. Fanny Robayo Aprobado por:
Ing. Fanny Robayo
70
Tabla 4.18. Balance de materia (cont.).
Diseño de una Planta para la Recuperación de Solventes Orgánicos
N° Página 02/14
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Fecha:
Julio, 2013
Balance de materia
N° de corriente 9 10 11 12 13 14 15 16
Descripción de la corriente Líquida Líquida Líquida Líquida Líquida Líquida Líquida Líquida
Corrientes Unidad
Iso-octano Kg/h 4*10-7
4*10-7
- - - - - -
p-xileno Kg/h 0,008 0,008 - - - - - -
Aceite lubricante Kg/h 1,205 1,205 - - - - - -
Agua Kg/h - - 23,438 23,438 5,345 5,345 4,317 4,317
Total (Kg/h) 1,213 1,213 23,438 23,438 5,345 5,345 4,317 4,317
Temperatura °C 127 30 30 30 30 30 30 43
Presión atm 1 1 1 1 1 1 1 1
Nota:
Elaborado por:
Lovera, Luis Arturo
Revisado por:
Ing. Fanny Robayo Aprobado por:
Ing. Fanny Robayo
71
4.3.3. Descripción del proceso.
Tal como se muestra en el diagrama de flujo de procesos, la capacidad del
tanque de alimentación es de 11 litros. El desecho de laboratorio es succionado desde
el tanque de alimentación T-1101 por la bomba centrífuga P-1101 y es enviado a la
columna de destilación C-1101. En el tope de la columna C-1101 se recuperan 4,119
Kg/h de iso-octano, que luego son enviados al intercambiador de calor E-1103 para
enfriar el producto suministrando 23,438 Kg/h de agua a 30 °C y posteriormente es
almacenado en el recipiente T-1102, mientras que en el fondo de la columna C-1101
sale la mezcla de aceites lubricantes y p-xileno.
La mezcla de fondo de la columna C-1101, es succionada por la bomba
centrífuga P-1102 para ser enviada a la columna de destilación C-1102, donde se
recupera 3,428 Kg/h de p-xileno en el tope, que luego pasa al intercambiador de calor
E-1106 para enfriar el producto suministrando 5,345 Kg/h de agua a 30 °C, y
posteriormente es almacenado en el recipiente T-1103; mientras que en el fondo de la
columna sale la mezcla de aceites lubricantes.
La mezcla de aceites lubricantes, se pasa al intercambiador de calor E-1107,
con la finalidad de enfriar el producto suministrando 4,317 Kg/h de agua a 30 °C y
luego es almacenado en el recipiente T-1104.
4.3.4. Consideraciones de diseños y equipos.
Norma aplicada en el diseño de los equipos.
La norma aplicada en el diseño del equipo es la norma PDVSA y de la norma
Koch-Glitsch para el diseño de la columna.
72
Datos de diseño.
Tabla 4.19. Datos de diseño de las columnas C-1101 y C-1102.
Descripción C-1101 C-1102
Formación de espuma Baja Baja
Velocidad de inundación 0,478 m 0,523 m
Tipo de platos Flujo transversal Flujo Transv.
Espacio entre platos 0,25 m 0,25 m
Es importante mencionar que la temperatura de operación es de 95 ºC por lo
que la temperatura de diseño será de 105 ºC y la presión de operación es de 1 atm por
lo que la presión de diseño será establecida a 2,67 atm.
Según las normas PDVSA, la holgura de dimensionamiento para las columnas
a escala piloto es del 10 % del tanque de alimentación, es decir en el laboratorio de
puramin se genera 10 litros de desecho por cada hora por lo tanto la capacidad del
tanque de alimentación será 11 L.
4.3.5. Dimensionamiento de los equipos.
La planta de recuperación de solventes orgánicos está compuesta por cuatro
(4) bombas centrífugas, dos (2) columnas de destilación, tres (3) intercambiadores de
calor, dos (2) condensadores, dos (2) rehervidores y dos (2) separadores. A
continuación se detallan las especificaciones de cada equipo.
Columna de destilación C-1101.
La columna de destilación será construida de acero inoxidable, el cual tendrá
una altura de 2,10 metros, cuyo diámetro es de catorce centímetros (14 cm). El tipo
73
de plato de la columna es de flujo transversal de un solo paso, el cual tendrá once (11)
platos. En la tabla 4.20 se puede observar detalladamente el diseño de la columna C-
1101 y en el apéndice D se muestran los cálculos respectivos.
Tabla 4.20. Diseño de la columna de destilación C-1101.
Descripción Valor teórico Valor calculado Unidad
Área de la columna - 151 cm2
Longitud del derramadero - 11,1 cm
Área sección transversal - 21 cm2
Relación de reflujo líquido < 0,015 2,55*10-4
m3/m*seg
Cresta del derramadero - 3 mm
Tipo de interno Plato perforado
Altura del derramadero 30 - mm
Caída de presión en seco - 0,009 m
Frente hidráulico - 0,0143 m
Caída de presión (gas residual) - 0,0038 m
Velocidad de orificio - 24,46 m/seg
Columna de destilación C-1102.
La columna de destilación será construida de acero inoxidable, el cual tendrá
una altura de 1,45 metros, cuyo diámetro será de diez centímetros (10 cm). El tipo de
plato de la columna es de flujo transversal de un solo paso, el cual tendrá cinco (5)
platos. En la tabla 4.21 se puede observar detalladamente el diseño de la columna C-
1102 y en el apéndice D se muestran los cálculos respectivos.
74
Tabla 4.21. Diseño de la columna de destilación C-1102.
Descripción Valor teórico Valor calculado Unidad
Área de la columna - 78 cm2
Longitud del derramadero - 8,0 cm
Área sección transversal - 11 cm2
Relación de reflujo líquido < 0,015 1,83*10-5
m3/m*seg
Cresta del derramadero - 1 mm
Tipo de interno Plato perforado
Altura del derramadero 30 - mm
Caída de presión en seco - 0,0071 m
Frente hidráulico - 0,0145 m
Caída de presión (gas residual) - 0,00451 m
Velocidad de orificio - 20,508 m/seg
Rehervidores E-1101 y E-1104.
Los rehervidores E-1101 Y E-1104 serán fabricados en forma de calderín, con
una capacidad de diez litros (10 L), el cual incluirá una manta eléctrica de 250 vatios.
La principal fabricante de columnas de destilación “Koch-Glitsch” considera que el
diámetro interno y externo de la carcasa es de quince centímetros (15 cm) y
veinticinco centímetros (25 cm) respectivamente, con una altura de veinte centímetros
(20 cm) para columnas a escala piloto. Los cálculos de la potencia eléctrica están de
forma detallada en el apéndice E.
Condensador E-1102.
El condensador E-1102 actuará como un intercambiador de tubo y carcasa;
La principal fabricante de columnas de destilación “Koch-Glitsch” lo construye en
acero inoxidable, con diámetro interno de diez centímetros (10 cm) y un diámetro
75
externo de la carcasa de diecisiete centímetro (17 cm); con un largo de cuarenta
centímetros (40 cm) para escala piloto. En la carcasa del condensador circulará
aproximadamente veinticuatro litros (24 L) de agua, cuya función será enfriar el iso-
octano que circula en el tubo interior del intercambiador. El condensador es total y
circulará agua como refrigerante, ya que la presión de burbuja del destilado en el tope
de la columna a 50 °C es de 10,257 Kpa (1,50 psia), según los resultados del
simulador Pro/II
Condensador E-1105.
El condensador E-1105 actuará como un intercambiador de tubo y carcasa; la
principal fabricante de columnas de destilación “Koch-Glitsch” lo construye en acero
inoxidable, con un diámetro interno de diez centímetros (10 cm) y un diámetro
externo de la carcasa de diecisiete centímetros (17 cm); con un largo de cuarenta
centímetros (40 cm) para columnas a escala piloto. En la carcasa del condensador
circulará más de cinco litros (5 L) de agua, cuya función será enfriar el p-xileno que
circula en el tubo interior del condensador. El condensador es total y circulará agua
como refrigerante, ya que la presión de burbuja del destilado en el tope de la columna
a 50 °C es de 10,257 Kpa (1,50 psia), según los resultados del simulador Pro/II.
Recipiente de almacenamiento T-1101.
El recipiente de almacenamiento T-1101 será fabricado en acero inoxidable
resistente al calor, tendrá un diámetro de veinte centímetros (20 cm), con una altura
de veinte centímetros (20 cm) y una capacidad de dos litros (2 L). En el apéndice F se
muestran los resultados de forma más detallada.
76
Recipiente de almacenamiento T-1102.
El recipiente de almacenamiento T-1102 será fabricado en acero inoxidable
resistente al calor, tendrá un diámetro de diecisiete centímetros (17 cm), con una
altura de diecisiete centímetros (17 cm) y una capacidad de dos litros (2 L). En el
apéndice F se muestran los resultados de forma más detallada.
Recipiente de almacenamiento T-1103.
El recipiente de almacenamiento T-1103 será fabricado en acero inoxidable
resistente al calor, tendrá un diámetro de doce centímetros (12 cm), con una altura de
once centímetros (12 cm) y una capacidad de 1,5 Litros. En el apéndice F se muestran
los resultados de forma más detallada.
A continuación se presentan las hojas de especificaciones de cada equipo.
77
Tabla 4.22. Hojas de especificaciones de la columna de destilación C-1101.
Diseño de una Planta para la
Recuperación de Solventes Orgánicos
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Julio, 2013
Hojas de especificaciones de equipos
Identificación de equipo: Columna de destilación Modelo: C-1101
Unidad de proceso: Laboratorio de PURAMIN C.A.
Tipo de servicio: Recuperar iso-octano Número de equipos: 1
Sección de Datos Mecánico de Operación
Valor Unidad
Temperatura de operación 95 °C
Presión de operación 1 Atm
C-1101 Temperatura de diseño 105 °C
Presión de diseño 2,67 Atm
Densidad del fluido 859,08 Kg/m3
Viscosidad 0,356 cp
Diámetro 14 cm
Altura T-T 1,50 m
Volumen normal de líquido 10 L
Tipo de columna Platos -
Espaciado entre los platos 25 cm
Diámetro del orificio 5,5 mm
N° de platos 11 platos
Tipo de platos Flujo transversal
Material de construcción Acero inoxidable
Comentario:
Elaborado por:
Lovera Sequera, Luis Arturo Revisado por:
Ing. Fanny Robayo Aprobado por:
Ing. Fanny Robayo
N1
N2
N3
1,10m
0,2 m
0,2 m
1,50m
78
Tabla 4.23. Hojas de especificaciones de la columna de destilación C-1102.
Diseño de una Planta para la
Recuperación de Solventes Orgánicos
N° Página 04/14
Revisión: 0
Fecha:
Julio, 2013
Hojas de especificaciones de equipos
Identificación de equipo: Columna de destilación Modelo: C-1102
Unidad de proceso: Laboratorio de PURAMIN C.A.
Tipo de servicio: Recuperar p-xileno Número de equipos: 1
Sección de Datos Mecánico de Operación
Valor Unidad
Temperatura de operación 95 °C
Presión de operación 1 atm
C-1102 Temperatura de diseño 105 °C
Presión de diseño 2,67 atm
Densidad del fluido 873,52 Kg/m3
Viscosidad 0,460 cp
Diámetro 10 cm
Altura T-T 1,2 m
Volumen normal de líquido 10 L
Tipo de Columna Platos -
N° de platos 5 Platos
Espaciado entre los platos 25 cm
Diámetro del orificio 5,5 mm
Tipos de platos Flujo transversal
Material de construcción Acero inoxidable
Elaborado por:
Lovera Sequera, Luis Arturo Revisado por:
Ing. Fanny Robayo Aprobado por:
Ing. Fanny Robayo
N1
N2
N3
0,2 m
0,2 m
0,90m 1,2m
79
En la tabla 4.24 y 4.25 se pueden observar las especificaciones de las bombas
centrífugas P-1101 y P-1102 respectivamente, las cuales fueron realizadas tomando
en consideración las características del fluido, tales como densidad, viscosidad y
caudal de operación. Debido a que el fluido no es viscoso se pueden utilizar bombas
dinámicas tipos centrífugas y por no presentar contenido de sólidos será una bomba
de flujo radial. Las siguientes especificaciones están realizadas en base al catálogo de
la empresa distribuidora de bombas centrífugas “Motoreps, C.A”.
80
Tabla 4.24. Hojas de especificaciones de la bomba centrífuga P-1101.
Diseño de una Planta para la
Recuperación de Solventes Orgánicos
N° Página 05/14
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Fecha:
Julio, 2013
Hojas de especificaciones de equipos
Identificación de equipo: Bombas Centrífugas Modelo: KSB
Unidad de proceso: Laboratorio de PURAMIN C.A.
Tipo de servicio: Bombear el producto a los recipientes Número de equipos: 2
Sección de Datos Mecánico de Operación
Valor Unidad
Temperatura de operación 30 °C
Presión de operación 1 atm
Temperatura de diseño 40 °C
Presión de diseño 2,67 atm
Densidad del fluido 859,08 Kg/m3
Viscosidad 0,601 cp
Capacidad máxima 50 L/h
Velocidad máxima 700 RPM
Motor de la bomba 0,5 Hp
Corrosión Permitida -
Eficiencia 85 %
Código de diseño P-1101
Material del construcción Acero inoxidable
Comentario:
La bomba es de flujo radial
Elaborado por:
Lovera Sequera, Luis Arturo Revisado por:
Ing. Fanny Robayo Aprobado por:
Ing. Fanny Robayo
8,5 cm
2,54 cm
81
Tabla 4.25. Hojas de especificaciones de la bomba centrífuga P-1102.
Diseño de una Planta para la
Recuperación de Solventes Orgánicos
N° Página 06/14
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Fecha:
Julio, 2013
Hojas de especificaciones de equipos
Identificación de equipo: Bombas Centrífugas Modelo: KSB
Unidad de proceso: Laboratorio de PURAMIN C.A.
Tipo de servicio: Bombear el producto a los recipientes Número de equipos: 2
Sección de Datos Mecánico de Operación
Valor Unidad
Temperatura de operación 103 °C
Presión de operación 1 atm
Temperatura de diseño 113 °C
Presión de diseño 2,67 atm
Densidad del fluido 873,53 Kg/m3
Viscosidad 0,348 cp
Capacidad máxima 50 L/h
Velocidad máxima 700 RPM
Motor de la bomba 0,5 Hp
Corrosión Permitida -
Eficiencia 85 %
Código de diseño P-1102
Material del construcción Acero inoxidable
Comentario:
La bomba es de flujo radial
Elaborado por:
Lovera Sequera, Luis Arturo Revisado por:
Ing. Fanny Robayo Aprobado por:
Ing. Fanny Robayo
2,54 cm
8,5 cm
82
En las tablas 4.26 y 4.27 se pueden observar las especificaciones de los
rehervidores eléctricos E-1101 Y E-1104, el cual contará con una capacidad de diez
litros (10 L) e incluirá una manta eléctrica de 250 vatios. El diámetro interno y
externo de la carcasa para ambos rehervidores es de quince centímetros (15 cm) y
veinticinco centímetros (25 cm) respectivamente, con una altura de veinte centímetros
(20 cm).
83
Tabla 4.26. Hojas de especificaciones del rehervidor eléctrico E-1101.
Diseño de una Planta para la
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Julio, 2013
Hojas de especificaciones de equipos
Identificación de equipo: Rehervidor Eléctrico Modelo: E-1101
Unidad de proceso: Laboratorio de PURAMIN C.A.
Tipo de servicio: Hacer ebullición el desecho de laboratorio Número de equipos: 1
Sección de Datos Mecánico de Operación
Valor Unidad
Temperatura de operación 110 °C
Presión de operación 1 atm
Temperatura de diseño 120 °C
Presión de diseño 2,67 atm
Densidad del fluido 859,08 Kg/m3
Viscosidad 0,348 cp
Entalpía 194,61 Kj/Kg
Diámetro interno de carcaza 15 cm
Diámetro externo de carcaza 25 cm
Altura 20 cm
Volumen del líquido 10 L
Potencia 250 Watts
Material del construcción Acero inoxidable
Comentario:
Elaborado por:
Lovera Sequera, Luis Arturo
Revisado por:
Ing. Fanny Robayo
Aprobado por:
Ing. Fanny Robayo
84
Tabla 4.27. Hojas de especificaciones de rehervidor eléctrico E-1104.
Diseño de una Planta para la
Recuperación de Solventes Orgánicos
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Fecha:
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Hojas de especificaciones de equipos
Identificación de equipo: Rehervidor Eléctrico Modelo: E-1104
Unidad de proceso: Laboratorio de PURAMIN C.A.
Tipo de servicio: Ebullición la mezcla de aceite y p-xileno Número de equipos: 1
Sección de Datos Mecánico de Operación
Valor Unidad
Temperatura de operación 125 °C
Presión de operación 1 atm
Temperatura de diseño 135 °C
Presión de diseño 2,67 atm
Densidad del fluido 873,52 Kg/m3
Viscosidad 0,450 cp
Entalpía 178,73 Kj/Kg
Diámetro interno de carcaza 15 cm
Diámetro externo de carcaza 25 cm
Altura 20 cm
Volumen del líquido 10 L
Potencia 230 Watts
Material del construcción Acero inoxidable
Comentario:
Elaborado por:
Lovera Sequera, Luis Arturo Revisado por:
Ing. Fanny Robayo Aprobado por:
Ing. Fanny Robayo
85
En las tablas 4.28 y 4.29 se pueden observar las especificaciones de los
condensadores E-1102 y E-1105. Ambos condensadores tienen un diámetro interno
de diez centímetros (10 cm) y un diámetro externo de la carcasa de diecisiete
centímetros (17 cm).
Los condensadores E-1102 y E-1105 es total y circulará agua como
refrigerante, ya que la presión de burbuja del destilado en el tope de la columna a 50
°C es de 10,257 Kpa (1,50 psia), según los resultados del simulador Pro/II.
86
Tabla 4.28. Hojas de especificaciones del condensador E-1102.
Diseño de una Planta para la
Recuperación de Solventes Orgánicos
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Julio, 2013
Hojas de especificaciones de equipos
Identificación de equipo: Condensador Modelo: E-1102
Unidad de proceso: Laboratorio de PURAMIN C.A.
Tipo de servicio: Obtener iso-octano como producto Número de equipos: 1
Sección de Datos Mecánico de Operación
Valor Unidad
Temperatura de operación 30 °C
Presión de operación 1 atm
Temperatura de diseño 40 °C
Presión de diseño 2,67 atm
Densidad del fluido 675,472 Kg/m3
Viscosidad 0,365 cp
Entalpía -121,55 Kj/Kg
Diámetro interno 10 cm
Diámetro externo de carcaza 17 cm
Ancho o largo 40 cm
Caudal interior 3,05 L/h
Caudal exterior 24 L/h
Material del construcción Acero inoxidable
Comentario:
Elaborado por:
Lovera Sequera, Luis Arturo Revisado por:
Ing. Fanny Robayo Aprobado por:
Ing. Fanny Robayo
EAG
UA
SAG
UA
Ei
Si
40 cm
87
Tabla 4.29. Hojas de especificaciones del condensador E-1105.
Diseño de una Planta para la
Recuperación de Solventes Orgánicos
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Fecha:
Julio, 2013
Hojas de especificaciones de equipos
Identificación de equipo: Condensador Modelo: E-1105
Unidad de proceso: Laboratorio de PURAMIN C.A.
Localización: Judibana, Municipio Los Taques, Estado Falcón
Tipo de servicio: Obtener p-xileno como producto Número de equipos: 1
Sección de Datos Mecánico de Operación
Valor Unidad
Temperatura de operación 30 °C
Presión de operación 1 atm
Temperatura de diseño 40 °C
Presión de diseño 2,67 atm
Densidad del fluido 834,94 Kg/m3
Viscosidad 0,471 cp
Entalpía -118,51 Kj/Kg
Diámetro interno 8 cm
Diámetro externo de carcaza 14 cm
Ancho o largo 40 cm
Caudal interior 2,05 L/h
Caudal exterior 5,35 L/h
Material del construcción Acero inoxidable
Comentario:
Elaborado por:
Lovera Sequera, Luis Arturo Revisado por:
Ing. Fanny Robayo Aprobado por:
Ing. Fanny Robayo
EAG
UA
SAG
UA
Ei
SAG
UA
40 cm
88
4.3.6. Especificaciones de las líneas de tuberías
En la tabla 4.30 se muestran las características de las líneas de tuberías que
conforman la planta piloto de destilación para la recuperación de los solventes
orgánicos. En el apéndice G se muestran los cálculos de forma detallada.
Tabla 4.30. Código, diámetro y materiales de construcción de las líneas de
tuberías.
Línea Material de construcción Diámetro
(plg)
Código
1 Acero inoxidable 1 1” P-11001 AA1
2 Acero inoxidable 1 1” P-11002 AA1
3 Acero inoxidable 1 1” P-11001 AA1
4 Acero inoxidable 1 1” P-11002 AA1
5 Acero inoxidable 1 1” P-11003 AA1
6 Acero inoxidable 1 1” P-11001 AA1
7 Acero inoxidable 1/2 1/2” P-11001 AA1
8 Acero inoxidable 1/2 1/2” P-11002 AA1
9 Acero inoxidable 1 1" P-11003 AA1
10 Acero inoxidable 1 1” P-11001 AA1
11 Acero al carbono 1 1” SW-11001 AA1
12 Acero al carbono 1 1” SW-11002 AA1
13 Acero al carbono 1 1” RW-11001 AA1
14 Acero al carbono 1 1” SW-11001 AA1
15 Acero al carbono 1 1” SW-11002 AA1
16 Acero al carbono 1 1” RW-11001 AA1
89
Tabla 4.31. Designación de líneas.
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Designación de líneas
Número de línea 1 2 3 4
Procedencia de la línea Alimentación Bomba centrífuga Acumulador Intercambiador
Destino de la línea Bomba centrífuga Columna C-1101 Intercambiador Tanque T-1101
Fluido que transporta Desecho Desecho Iso-octano Iso-octano
Fase del fluido Líquido Líquido Líquido Líquido
Presión de operación del fluido 1 atm 1 atm 1 atm 1 atm
Temperatura de operación del fluido 30 °C 30 °C 51 °C 30 °C
Viscosidad del fluido 0,60064 cp 0,60064 cp 0,36468 cp 0,45713 cp
Flujo másico del fluido 8,759 Kg/h 8,759 Kg/h 4,119 Kg/h 4,119 Kg/h
Flujo volumétrico estándar 1,1*10-2
m3/h 1,1*10
-2 m
3/h 5,879*10
-3 m
3/h 5,879*10
-3 m
3/h
Diámetro nominal de la línea 1 plg 1 plg 1 plg 1 plg
Clase de material de la línea acero inoxidable acero inoxidable acero inoxidable acero inoxidable
Presión de diseño de la línea 2,67 atm 2,67 atm 2,67 atm 2,67 atm
90
Tabla 4.31. Designación de líneas (Cont.).
Diseño de una Planta para la Recuperación de Solventes Orgánicos N° Página 12/14
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Fecha: Julio, 2013
Designación de líneas
Número de línea 5 6 7 8
Procedencia de la línea Rehervidor E-1101 Bomba centrífuga Acumulador Intercambiador
Destino de la línea Bomba centrífuga Columna C-1102 Intercambiador Tanque T-1102
Fluido que transporta Xileno y lubricante xileno - lubricante xileno xileno
Fase del fluido Líquido Líquido Líquido Líquido
Presión de operación del fluido 1 atm 1 atm 1 atm 1 atm
Temperatura de operación del fluido 103 °C 103 °C 51 °C 30 °C
Viscosidad del fluido 0,34826 cp 0,34826 cp 0,47113 cp 0,59456 cp
Flujo másico del fluido 4,6398 Kg/h 4,6398 Kg/h 3,428 Kg/h 3,428 Kg/h
Flujo volumétrico estándar 5,300*10-3
m3/h 5,300*10
-2 m
3/h 3,985*10
-3 m
3/h 3,985*10
-3 m
3/h
Diámetro nominal de la línea 1 plg 1 plg ½ plg ½ plg
Clase de material de la línea acero inoxidable acero inoxidable acero inoxidable acero inoxidable
Presión de diseño de la línea 2,67 atm 2,67 atm 2,67 atm 2,67 atm
91
Tabla 4.31. Designación de líneas (Cont.)
Diseño de una Planta para la Recuperación de Solventes Orgánicos N° Página 13/14
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Fecha: Julio, 2013
Designación de líneas
Número de línea 9 10 11 12
Procedencia de la línea Rehervidor E-1104 Intercambiador Alimentación Intercambiador
Destino de la línea Intercambiador Tanque E-1103 Intercambiador Salida del agua
Fluido que transporta Aceite lubricante Aceite lubricante Agua Agua
Fase del fluido Líquido Líquido Líquido Líquido
Presión de operación del fluido 1 atm 1 atm 1 atm 1 atm
Temperatura de operación del fluido 127 °C 30 °C 30 °C 30 °C
Viscosidad del fluido 0,44883 cp 1,30301 cp 0,81962 cp 0,81962 cp
Flujo másico del fluido 1,213 Kg/h 1,213 Kg/h 23,348 Kg/h 23,348 Kg/h
Flujo volumétrico estándar 1,315*10-3
m3/h 1,315*10
-3 m
3/h 2,346*10
-2 m
3/h 2,346*10
-2 m
3/h
Diámetro nominal de la línea 1 plg 1 plg 1 plg 1 plg
Clase de material de la línea acero inoxidable acero inoxidable acero al carbono acero al carbono
Presión de diseño de la línea 2,67 atm 2,67 atm 2,67 atm 2,67 atm
92
Tabla 4.31. Designación de líneas (Cont.)
Diseño de una Planta para la Recuperación de Solventes Orgánicos N° Página 14/14
Revisión: 0
Fecha: Julio, 2013
Designación de líneas
Número de línea 13 14 15 16
Procedencia de la línea Alimentación Intercambiador Alimentación Intercambiador
Destino de la línea Intercambiador Salida de agua Intercambiador Salida de agua
Fluido que transporta Agua Agua Agua Agua
Fase del fluido Líquido Líquido Líquido Líquido
Presión de operación del fluido 1 atm 1 atm 1 atm 1 atm
Temperatura de operación del fluido 30 °C 30 °C 30 °C 43 °C
Viscosidad del fluido 0,81962 cp 0,81962 cp 0,81962 cp 0,63420 cp
Flujo másico del fluido 5,345 Kg/h 5,345 Kg/h 4,317 Kg/h 4,317 Kg/h
Flujo volumétrico estándar 5,350*10-3
m3/h 5,350*10
-3 m
3/h 4,321*10
-3 m
3/h 4,321*10
-3 m
3/h
Diámetro nominal de la línea 1 plg 1 plg 1 plg 1 plg
Clase de material de la línea acero inoxidable acero inoxidable acero inoxidable acero inoxidable
Presión de diseño de la línea 2,67 atm 2,67 atm 2,67 atm 2,67 atm
93
4.4. Establecimiento de estrategias de control de la planta.
En esta fase se realizó el Diagrama de Tubería e Instrumentación (DTI) y la
filosofía de control preliminar de la planta. La planta será semi-automatizada, ya que
solamente funcionará de manera automática el sistema de almacenamiento de los
solventes orgánicos, las columnas de destilación solamente indicará temperatura y
presión en cada etapa donde se lleve a cabo el proceso de destilado. Para una mayor
comprensión e interpretación de esta fase ver las figuras 4.4 y 4.5.
Columna C-1101.
Lazo N° 1
Variables controladas: Presión y temperatura.
Set Point: 52 ºC
Descripción: Cuando la columna C-1101 esté estabilizada a la temperatura de
operación, el transmisor de presión 1001, 1002 y 1003 envía una señal a los
controladores de presión 1001, 1002 y 1003; y a su vez a un indicador de presión
derivativo 1001. A su vez en el fondo de la columna tiene transmisores de
temperatura 1001, 1002, el cual envía una señal a un controlador de temperatura 1001
y en el tope está ubicado el indicador de temperatura 1003 que a su vez envía una
señal a un controlador de temperatura; lo cual es fundamental para llevar a cabo el
proceso de recuperación del iso-octano
Columna C-1102.
Lazo N° 2.
Variables controladas: Presión y temperatura.
Set Point: 55 ºC.
94
Descripción: Estabilizada a la temperatura de operación, el transmisor de
presión 1004, 1005 y 1006 envía una señal al controlador de presión 1001, 1002 y
1003; y a su vez a un indicador de presión derivativo 1002. A su vez en el fondo de la
columna tiene transmisores de temperatura 1005, 1006, el cual envía una señal a un
controlador de temperatura 1002 y en el tope está ubicado el indicador de temperatura
1007; lo cual es fundamental para llevar a cabo el proceso de recuperación del xileno.
Recipiente T-1101.
Lazo N° 3.
Variable controlada: Nivel.
Set Point: 30 ºC
Descripción: Cuando el nivel del recipiente T-1101 durante su llenado alcance
su punto máximo el indicador de nivel 1002 envía una señal a la válvula de globo, el
cual se cierra de forma inmediata, para evitar que pase fluido al recipiente.
Recipiente T-1102.
Lazo N° 4.
Variable controlada: Nivel.
Set Point: 30 ºC
Descripción: Cuando el nivel del recipiente T-1102 durante su llenado alcance
su punto máximo el indicador de nivel 1004 envía una señal a la válvula de globo, el
cual se cierra de forma inmediata, para evitar que pase fluido al recipiente.
95
Recipiente T-1103.
Lazo N° 5.
Variable controlada: Nivel.
Set Point: 30 ºC
Descripción: Cuando el nivel del recipiente T-1103 durante su llenado alcance
su punto máximo el indicador de nivel 1005 envía una señal a la válvula de globo, el
cual se cierra de forma inmediata, para evitar que pase fluido al recipiente.
96
P-1101
E-1103
E-1101
T-1101
1002
1003
TIC
10
01
10
03
10
01
10
02 1001
1001
1003
1002 1001
10
03
1004 10
02
1001
1001
C-1101
E-1102
V-1101
P-1102
Salida de agua
de enfriamiento
PI
PT
PT
TI
TI
PI
PI
PI
TDI
PDI
TI
LC
TI
TI
LC
TC
1” P-11001 AA1 1” P-11002 AA1
1”
P-1
10
01
AA
1
1” P-11002 AA1 1” P-11003 AA1
1” P-11001 AA1
1” RW-11001 AA1
Entrada de agua
de enfriamiento
1” RW-11001 AA1
1001
PI
1” P-11001 AA1
Salida de p-xileno y
aceites lubricantes
1”
P-1
10
01
AA
1
Universidad Nacional Experimental
“Francisco de Miranda”
Digrama de Tubería e
Instrumentación
Planta para la recuperación de
solventes orgánicos a partir de
desechos de laboratorio
Realizado por:
Lovera, Luis Arturo
Fecha: Julio 2013
N° de plano:
01 Aprobado por:
Ing. Fanny Robayo
Figura 4.4. Diagrama de tubería e instrumentación de recuperación de solventes de la columna C-1101.
97
Entrada de agua
de enfriamiento
Entrada de p-xileno
y aceites lubricantes
E-1106
E-1107
C-1102
E-1104
T-1102
T-1103
10
04
10
05
10
06
10
05
10
06
1006
1004
1005 1002
1002
1007
10
08
1003
1009 1010
10
04
10
05
E-1105
V-1102
Salida de agua
de enfriamiento
PT
PT
PT
PI
TI
PI
PI
TI
PDI
TDI
TI
TI
LC
TI TI
LC
LC
1” P-11001 AA1
½” P-11001 AA1 ½” P-11002 AA1 ½” P-11003 AA1
1” P-11001 AA1 1” P-11003 AA11” S
W-1
10
01
AA
1
1” SW-11002 AA1
1” R
W-1
10
01
AA
1
Salida de agua
de enfriamiento
Entrada de agua
de enfriamiento
1” R
W-1
10
01
AA
1
1001
TC
Universidad Nacional Experimental
“Francisco de Miranda”
Digrama de Tubería e
Instrumentación
Planta para la recuperación de
solventes orgánicos a partir de
desechos de laboratorio
Realizado por:
Lovera, Luis Arturo
Fecha: Julio 2013
N° de plano:
01 Aprobado por:
Ing. Fanny Robayo
Figura 4.5. Diagrama de tubería e instrumentación de recuperación de solventes de la columna C-1102.
98
4.5. Evaluación económica del proyecto.
Para la evaluación económica del proyecto, se realizó una estimación de costo
preliminar o de clase III, en la cual es indispensable determinar los costos directos e
indirectos de la planta piloto.
En el anexo C se puede destacar los costos de los equipos determinados por la
Superintendencia de Producción de la empresa, el cual es fundamental para la
realización de la estimación de costo mencionado anteriormente.
En las tablas 4.32, 4.33, 4.34 y 4.35 se detallan los costos de los equipos,
costos directos, los costos indirectos y los costos de inversión inicial respectivamente,
involucrados en la construcción de la planta piloto.
Tabla 4.32. Costos de los equipos.
Código Equipo Costo (VEF)
P-1101
P-1102 Bomba Centrífuga de 0,5 HP 9.430,00
C-1101 Columna de destilación C-1101 72.478,00
C-1102 Columna de destilación C-1102 43.500,00
E-1102 Condensador E-1102 7.210,00
E-1105 Condensador E-1105 6.655,00
E-1103
E-1106
E-1107
Intercambiador de calor / Enfriadores de
Productos 7.955,01
E-1101
E-1104 Calderín eléctrico de 410 W 7.120,00
T-1101
T-1102
T-1103
Recipiente de almacenamiento 5.645,01
99
Tabla 4.33. Costos directos.
Costos directos Precio (VEF)
Costos de los equipos instalados 220.827,90
Costo de tubería de proceso 66.248,37
Costo de instrumentación 33124,19
Costo de pinturas y terminaciones 4.416,56
Costo de instalaciones eléctricas 22.082,79
Total 346.699,81
Tabla 4.34. Costos indirectos.
Costos directos Precio (VEF)
Costo de contingencia 27.735,98
Costo de contratistas 17.334,99
Total 45.070,97
Tabla 4.35. Costos de capital fijo, capital de trabajo y costo de la inversión
inicial.
Costos directos Precio (VEF)
Costo de capital fijo 391.770,78
Costo de capital de trabajo 430.947,86
Costo de capital total o de inversión inicial 822.718,64
Adicionalmente, en la tabla 4.36 y 4.37 se presentan los costos fijos y
variables del iso-octano y p-xileno respectivamente. En el apéndice I se muestran los
cálculos respectivos.
Tabla 4.36. Costos de producción e ingresos por ventas para un iso-octano
recuperado por día.
Descripción Precio (VEF/día)
Costo Fijo 289,32
Costo Variables 18389,15
Costo Totales 18678,47
Ingresos 30107,00
100
Como se puede observar en la tabla 4.36, los costos totales diarios 18678,47
VEF, y durante los 300 días se puede recuperar la cantidad de 6060 litros de iso-
octano, lo cual representa un ingreso por ventas de 9032100,00 VEF.
Tabla 4.37. Tasa interna de retorno establecida para la unidad de destilación de
iso-octano.
Año Flujo de caja
0 -1315694,48
1 3428559,00
2 3428559,00
3 3428559,00
4 3428559,00
5 3428559,00
TIR 90,50 %
De acuerdo a la información suministrada de la tabla 4.37, se puede decir que
el proyecto para la recuperación de iso-octano es rentable, ya que la tasa interna de
retorno es mayor al 15 %.
Tabla 4.38. Costos de producción e ingresos por ventas para un p-xileno
recuperado por día.
Descripción Precio (VEF/día)
Costo Fijo 289,32
Costo Variables 15145,15
Costo Totales 15434,47
Ingresos 24430,00
Como se puede observar en la tabla 4.38, los costos totales diarios 15434,47
VEF, y durante los 300 días se puede recuperar la cantidad de 4924 litros de p-xileno,
lo cual representa un ingreso por ventas de 7329000,00 VEF.
101
Tabla 4.39. Tasa interna de retorno para la unidad de destilación del p-xileno.
Año Flujo de caja
0 -1315694,48
1 2698659,00
2 2698659,00
3 2698659,00
4 2698659,00
5 2698659,00
TIR 92,50 %
De acuerdo a la información suministrada de la tabla 4.39, se puede decir que
el proyecto para la recuperación de p-xileno es rentable, ya que la tasa interna de
retorno es mayor al 15 %.
102
CONCLUSIONES
Los parámetros físico-químicos del iso-octano y p-xileno recuperados
cumplen con las especificaciones establecidas para su utilización en los ensayos de
laboratorio.
Según los análisis de ASTM D-86 y del cromatógrafo de gases, la cantidad de
solventes orgánicos que se puede recuperar es en promedio a 85 % v/v.
De las tecnologías propuestas para llevar a cabo la recuperación de los
solventes orgánicos se seleccionó la de dos columnas en serie, ya que la pureza del
iso-octano y p-xileno sobrepasa los 99 % mol.
Los equipos a utilizar en el diseño del sistema de destilación continua son:
cuatro (4) bombas centrífugas, dos (2) columnas de destilación, dos (2)
condensadores, dos (2) rehervidores, dos (2) separadores, tres (3) intercambiadores de
calor de tubo y carcaza y tres (3) recipientes de almacenamiento.
En el tope de la columna C-1101 se recupera 4,119 kg/h de iso-octano,
mientras que en el tope de la columna C-1102 se recupera 3,428 Kg/h de p-xileno.
El monto a invertir es de 822718,64 Bolívares Fuertes, de acuerdo a una
estimación de costo preliminar (clase III).
El proyecto planteado es rentable, ya que la tasa interna de retorno para la
recuperación del iso-octano y del p-xileno es 90,50 % y 92,50 % respectivamente y el
tiempo estimado de recuperar la inversión es de 1 año.
103
RECOMENDACIONES
Desarrollar a nivel de ingeniería de detalle el proyecto.
Diseñar la planta piloto a nivel de columnas empacadas, con la finalidad de
evaluar el rendimiento de la misma.
Proponer un plan de mantenimiento preventivo y correctivo periódico a todo
el sistema de destilación, de manera de alargar la vida útil de los equipos de procesos
y garantizar condiciones seguras.
104
REFERENCIAS
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procurement, and construction for the process industries. Aace international
recommended practice. From: www.aacei.org/technical/rp.shtml.
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viscosidad dinámica. Caracas, Venezuela.
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COVENIN 850 (1995). Destilación. Caracas, Venezuela.
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de rayos x. Caracas, Venezuela.
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105
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1996.
Decreto 2.217. Norma sobre el control de la contaminación generada por ruido.
Gaceta Oficial de la República de Venezuela, 4.418. Abril 27, 1992.
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cerrada. Caracas, Venezuela.
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México. Editorial: Continental, S.A.
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Editorial: McGraw-Hill.
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Contiental S.A. 1era
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Kern, D. (1999). Transferencia de calor. Ciudad de México, México. Editorial:
McGraw-Hill.
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Ciudad de México, México. Editorial: Prentice Hall.
McCabe, S. (1982). Operaciones unitarias en ingeniería química. Ciudad de México,
México. Editorial: McGraw-Hill.
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la empresa Optimus Oil, C.A. Universidad Nacional Experimental “Francisco de
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107
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Puramin (2010). Estructura organizacional de Purificadora de Aceites Minerales
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Roldan, J (1995). Cómo elaborar un proyecto de investigación. Universidad de
Alicante. Alicante, España.
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química. Ciudad de México, México. Editorial: Reverté, S.A.
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México. Editorial McGraw-Hill.
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binario metanol-agua. Universidad Nacional Experimental “Francisco de Miranda”.
Punto Fijo, Venezuela.
Witteff, H. (2002). Productos Químicos Orgánicos Industriales. Madrid, España.
Editorial Limusa. Volumen II.
109
ANEXO A
RESULTADO DEL ENSAYO DE CROMATOGRAFÍA DE GASES
El procedimiento que se llevó a cabo para la realización de la cromatografía
de gases se basó en la norma venezolana COVENIN 2513-1988 relacionado a los
Análisis por cromatografía de gases de mezclas naturales gas-líquidos. A
continuación se tiene el siguiente cromatograma:
110
ANEXO B
RESULTADO DEL ENSAYO DEL PUNTO DE EBULLICIÓN
El procedimiento que se llevó a cabo para la realización del punto de
ebullición promedio se basó en la norma internacional ASTM D-86 y en la norma
venezolana COVENIN 850-1995 relacionado a la determinación del punto de
ebullición por destilación. A continuación se tiene el siguiente resultado:
111
ANEXO C
PRESUPUESTO DE LOS EQUIPOS PARA LA PLANTA
El presupuesto de los equipos fue determinado por la Superintendencia de
Producción. A continuación se tiene el siguiente presupuesto:
112
ANEXO D
ANÁLISIS DE RESULTADOS DEL XILENO DEL LABORATORIO DE
PURAMIN C.A
113
ANEXO E
ANÁLISIS DE RESULTADOS DEL ISO-OCTANO DEL LABORATORIO DE
PURAMIN C.A
114
ANEXO F
ANÁLISIS DE RESULTADOS DEL ACEITE LUBRICANTE DEL
LABORATORIO DE PURAMIN C.A.
115
ANEXO G
PLANO DE SIMBOLOGÍA
Identificación de los equipos
C 1 1 0 1
Número de equipo
Sección de la planta
Número de la planta
Código del equipo
Código del Equipo
P Bombas centrífugas.
C Columna de destilación.
E Intercambiador de calor (tubo y carcaza, condensador y rehervidor).
V Acumulador.
T Tanque / recipiente.
Símbolo de Equipos
DFP DTI
Bombas Centrífugas
Intercambiador de calor / Condensador
Símbolo de Equipos
DFP DTI
Columnas
Separadores / Acumuladores
Identificación de instrumentación
P IC 1 01
Número del lazo
Número del equipo
Función del instrumento
Código del Equipo
Símbolo de Instrumentación
Instrumento de medición de
Variables
Controlador de variable
Señal Eléctrica
Conexión interna
Identificación de tuberías
Símbolo de tubería
Línea Principal
Línea Secundaria
Numeración de línea
1
116
ANEXO H
SIMULADOR PROII DE LAS COLUMNAS DE DESTILACIÓN
Figura H.1. Diagrama del simulador ProII de la Columna con una corriente lateral.
117
Figura H.2. Archivo inp del simulador Pro II de la columna con una corriente lateral.
118
Figura H.3. Diagrama del simulador ProII de dos columnas en serie (Shortcut).
119
Figura H.4. Archivo inp del simulador Pro II de dos columnas en serie (Shortcut).
120
Figura H.5. Diagrama del simulador ProII de la planta para la recuperación de solventes orgánicos.
121
Figura H.6. Archivo inp del simulador Pro II de la planta de recuperación de solventes.
122
Figura H.6. Archivo inp del simulador Pro II de la planta de recuperación de solventes (cont.).
123
ANEXO I
CURVA ASTM D-86
Figura I.1. Curva ASTM D-86 del simulador ProII.
124
APÉNDICE A:
RESULTADOS DE LOS PARÁMETROS FÍSICO-QUÍMICOS DE LOS DESECHOS DE LABORATORIO Y DE
SOLVENTES RECUPERADOS
Tabla A.1. Caracterización físico-química de los desechos de laboratorio.
N° de muestra Densidad (60°F)
(grs/mL)
Gravedad
específica
(60°F)
Punto de
inflamación
(°C)
Contenido de agua
(% peso)
Contenido de
sedimento
1 0,7845 0,7853 45 0,002 No
2 0,7845 0,7853 45 0,002 No
3 0,7846 0,7854 45 0,002 No
4 0,7845 0,7853 44 0,002 No
5 0,7845 0,7853 45 0,002 No
6 0,7845 0,7853 45 0,002 No
7 0,7845 0,7853 45 0,002 No
8 0,7846 0,7853 45 0,002 No
9 0,7845 0,7853 45 0,002 No
10 0,7845 0,7853 45 0,002 No
Tabla A.2. Determinación de metales a los desechos de laboratorio.
N° Fe
(% peso)
Cr
(% peso)
Al
(% peso)
Ni
(% peso)
V
(% peso)
Pb
(% peso)
Cu
(% peso)
Ca
(% peso)
Ba
(% peso)
Sn
(% peso)
1 0,00001 0,000004 0,000002 0,000002 0,0000005 0,000002 0,000004 0,00002 0,00001 0,000001
2 0,00001 0,000004 0,000002 0,000002 0,0000005 0,000002 0,000004 0,00002 0,00001 0,000001
3 0,00001 0,000004 0,000002 0,000002 0,0000005 0,000002 0,000004 0,00002 0,00001 0,000001
4 0,00001 0,000004 0,000002 0,000002 0,0000005 0,000002 0,000004 0,00002 0,00001 0,000001
5 0,00001 0,000004 0,000002 0,000002 0,0000005 0,000002 0,000004 0,00002 0,00001 0,000001
125
Tabla A.3. Caracterización físico-química del p-xileno recuperado.
N° de muestra Densidad (60°F)
(grs/mL)
Gravedad específica
(60°F)
Punto de
inflamación
(°C)
Contenido de agua
(% peso)
Contenido
de
sedimento
1 0,8652 0,8661 26 0,002 No
2 0,8652 0,8661 26 0,002 No
3 0,8653 0,8662 26 0,002 No
4 0,8653 0,8662 26 0,002 No
5 0,8653 0,8662 26 0,002 No
6 0,8652 0,8661 26 0,002 No
7 0,8652 0,8661 26 0,002 No
8 0,8652 0,8661 26 0,002 No
9 0,8652 0,8661 26 0,002 No
10 0,8652 0,8661 26 0,002 No
Tabla A.4. Determinación de metales al p-xileno recuperado.
N° Fe
(% peso)
Cr
(% peso)
Al
(% peso)
Ni
(% peso)
V
(% peso)
Pb
(% peso)
Cu
(% peso)
Ca
(% peso)
Ba
(% peso)
Sn
(% peso)
1 0,000001 0,000001 0,00001 0,000001 0,0000002 0,00002 0,000001 0,00001 0,000005 0,000001
2 0,000001 0,000001 0,00001 0,000001 0,0000002 0,00002 0,000001 0,00001 0,000005 0,000001
3 0,000001 0,000001 0,00001 0,000001 0,0000002 0,00002 0,000001 0,00001 0,000005 0,000001
4 0,000001 0,000001 0,00001 0,000001 0,0000002 0,00002 0,000001 0,00001 0,000005 0,000001
5 0,000001 0,000001 0,00001 0,000001 0,0000002 0,00002 0,000001 0,00001 0,000005 0,000001
126
Tabla A.5. Caracterización físico-química del iso-octano recuperado.
N° de muestra Densidad (60°F)
(grs/mL)
Gravedad específica
(60°F)
Punto de
inflamación
(°C)
Contenido de agua
(% peso)
Contenido
de
sedimento
1 0,6978 0,6985 5 0,0001 No
2 0,6978 0,6985 5 0,0001 No
3 0,6978 0,6985 5 0,0001 No
4 0,6979 0,6986 5 0,0001 No
5 0,6979 0,6986 5 0,0001 No
6 0,6978 0,6985 5 0,0001 No
7 0,6978 0,6985 5 0,0001 No
8 0,6978 0,6985 5 0,0001 No
9 0,6978 0,6985 5 0,0001 No
10 0,6978 0,6985 5 0,0001 No
Tabla A.6. Determinación de metales al iso-octano recuperado.
N° Fe
(% peso)
Cr
(% peso)
Al
(% peso)
Ni
(% peso)
V
(% peso)
Pb
(% peso)
Cu
(% peso)
Ca
(% peso)
Ba
(% peso)
Sn
(% peso)
1 0,000001 0,000001 0,00002 0,000001 0,000005 0,000002 0,000001 0,00001 0,000005 0,000001
2 0,000001 0,000001 0,00002 0,000001 0,000005 0,000002 0,000001 0,00001 0,000005 0,000001
3 0,000001 0,000001 0,00002 0,000001 0,000005 0,000002 0,000001 0,00001 0,000005 0,000001
4 0,000001 0,000001 0,00002 0,000001 0,000005 0,000002 0,000001 0,00001 0,000005 0,000001
5 0,000001 0,000001 0,00002 0,000001 0,000005 0,000002 0,000001 0,00001 0,000005 0,000001
127
Tabla A.7. Caracterización físico-química del aceite lubricante.
N° de muestra Densidad (60°F)
(grs/mL)
Gravedad
específica
(60°F)
Punto de
inflamación
(°C)
Crepitación Contenido
de
sedimento
1 0,8874 0,8883 214 Negativa No
2 0,8874 0,8883 214 Negativa No
3 0,8874 0,8883 214 Negativa No
4 0,8874 0,8883 214 Negativa No
5 0,8874 0,8883 214 Negativa No
6 0,8874 0,8883 214 Negativa No
7 0,8874 0,8883 214 Negativa No
8 0,8874 0,8883 214 Negativa No
9 0,8874 0,8883 214 Negativa No
10 0,8874 0,8883 214 Negativa No
Tabla A.8. Determinación de metales al aceite lubricante.
N° Fe
(% peso)
Cr
(% peso)
Al
(% peso)
Ni
(% peso)
V
(% peso)
Pb
(% peso)
Cu
(% peso)
Ca
(% peso)
Ba
(% peso)
Sn
(% peso)
1 0,00001 0,00004 0,00005 0,000001 0,0000003 0,000002 0,000001 0,00005 0,00001 0,000025
2 0,00001 0,00004 0,00005 0,000001 0,0000003 0,000002 0,000001 0,00005 0,00001 0,000025
3 0,00001 0,00004 0,00005 0,000001 0,0000003 0,000002 0,000001 0,00005 0,00001 0,000025
4 0,00001 0,00004 0,00005 0,000001 0,0000003 0,000002 0,000001 0,00005 0,00001 0,000025
5 0,00001 0,00004 0,00005 0,000001 0,0000003 0,000002 0,000001 0,00005 0,00001 0,000025
128
APÉNDICE B:
BALANCE DE MATERIA DE LA COLUMNA CON CORRIENTE LATERAL
A continuación se tiene un esquema de la columna de la corriente lateral.
1
2
3
4
Figura B.1. Esquema de una columna con una corriente lateral.
El balance de materia de la columna con corriente lateral queda establecido de
la siguiente manera:
Donde m1 es la masa de la alimentación, m2 es la masa del producto de iso-
octano que sale por el tope, m3 es el residuo de la mezcla de aceite lubricante y m4 es
la corriente lateral donde sale el p-xileno.
En la mencionada columna ocurre el proceso de separación, donde por el tope
se obtiene el iso-octano, por la corriente lateral se recupera el p-xileno y por el fondo
queda la mezcla de aceites lubricantes como residuo. La cantidad de iso-octano y p-
xileno recuperados se obtiene del porcentaje de recuperación. A continuación se
presentan las condiciones del balance.
129
Moles de entrada de iso-octano: 0,0348 Kmol/h.
Peso molecular del iso-octano recuperado: 114,1529 Kg/Kmol.
Porcentaje de recuperación de iso-octano: 99,70 %.
Moles de entrada de p-xileno: 0,0330 Kmol/h.
Peso molecular del p-xileno recuperado: 106,1638 Kg/Kmol.
Porcentaje de recuperación: 94,85 %.
Para conocer la masa de iso-octano se usa la ec. (B.1).
(B.1)
Despejando los moles de iso-octano se obtiene:
Para conocer la masa de p-xileno que se obtiene de la corriente lateral
(corriente 4), se usa la ec. (B1).
130
Despejando los moles de salida de p-xileno se obtiene:
Conocido los flujos de iso-octano y p-xileno recuperados, por diferencia se
obtiene el flujo de Residuo de aceites lubricantes.
131
APÉNDICE C:
BALANCE DE MATERIA DE LAS DOS COLUMNAS EN SERIE
A continuación se tiene un esquema de las dos columnas en serie con sus
respectivos equipos.
1
2
3 4
5
6
7 8
9 10
11
12
13
14
15
16
Figura C.1. Esquema de dos columnas en series.
Donde m1 y m2 es la masa de la alimentación, m3 es la masa del producto de
iso-octano que sale en el tope de la columna de destilación, m4 es la masa del
producto de iso-octano enfriado con agua a 30 °C, m5 es la mezcla de aceite
lubricante y p-xileno que sale en el fondo de la columna, m6 es la masa de
alimentación de la segunda columna, m7 es la masa del producto de p-xileno que sale
132
en el tope de la columna, m8 es la masa del producto de p-xileno enfriado con agua a
30 °C, m9 es la masa de la mezcla de aceites lubricantes que sale en el fondo de la
columna, m10 es la masa del producto de la mezcla de aceites lubricantes enfriado
con agua a 30 °C. Mientras que m11, m13 y m15 son las corrientes de entrada de masas
de agua de enfriamiento, cuya función es enfriar los productos que salen en el tope de
las columnas de destilación; m12, m14 y m16 son las corrientes de salida de agua de
enfriamiento.
Balance en la bomba centrífuga P-1101.
Para realizar un balance en la bomba centrífuga P-1101, se aplica la ec. (C.1).
(C.1)
Corriente 1: Entrada del desecho de laboratorio.
Se estableció una alimentación de 11 L/h equivalente a 1,1 * 10-2
m3/h.
133
Corriente 2: Salida del desecho de laboratorio.
Como en el proceso no hay acumulación, ni se consume ni se genera ningún
tipo de compuesto, la corriente 2 equivale a la alimentación de la bomba.
Balance en la columna C-1101.
Para realizar un balance en la columna C-1101, se aplica la ec. (C.2).
(C.2)
En la columna C-1101 ocurre el proceso de separación, donde por el tope se
obtiene el iso-octano y por el fondo una mezcla de p-xileno y aceites lubricante. La
cantidad de iso-octano recuperada se obtiene del porcentaje de recuperación. A
continuación se presenta las premisas del balance:
Moles de entrada de iso-octano: 0,0363 Kmol/h.
Peso molecular del iso-octano recuperado: 113,7903 Kg/Kmol.
Porcentaje de recuperación de iso-octano: 99,70 %.
Corriente 3: Recuperación del iso-octano.
Para conocer la masa de iso-octano que se obtiene de la corriente 3, se debe
considerar el porcentaje de recuperación dado por la ec. (B.1).
134
Despejando los moles de salida del iso-octano, se obtiene:
Corriente 5: Residuo de p-xileno y de aceites lubricantes.
Conocido el flujo de iso-octano recuperado, por diferencia se obtiene el flujo
de Residuo de p-xileno y de aceites lubricantes.
(C.2)
Donde: m2 es la masa de la alimentación, m3 es la masa del producto del iso-
octano que sale en el tope de la columna y m5 es la masa de las mezclas de aceites
lubricantes y p-xileno que sale en el fondo de la columna. Despejando la masa de la
corriente 5 la ec. (C.2) queda:
135
Balance en el intercambiador de calor E-1103.
A continuación se presenta el siguiente diagrama:
3 4
11
12
Figura C.2. Esquema del intercambiador de calor E-1103.
Para realizar un balance en el intercambiador de calor E-1103, se aplica la ecs.
(C.3) y (C.4)
(C.3)
(C.4)
A continuación se presentan las siguientes premisas del balance:
Masa de la corriente 3 (Iso-octano recuperado): 4,1192 Kg/h
Peso molecular del agua: 18,015 Kg/Kmol
La masa de agua de la corriente 11 que entra en el intercambiador de calor E-
1103, enfría la masa de iso-octano a una temperatura de 30 °C.
136
Corriente 11: Entrada de agua de enfriamiento.
Corriente 12: Salida de agua de enfriamiento.
En el proceso no hay acumulación, debido a que no se genera ningún tipo de
compuesto, por lo tanto la corriente 12 equivale a la alimentación del intercambiador
de calor E-1103.
Es importante resaltar que el intercambiador de calor E-1103 es un
intercambiador simple de tubo y carcaza.
Corriente 4: Producto de iso-octano enfriado a 30 °C.
Conocido el flujo de iso-octano recuperado, por diferencia se obtiene el
producto de iso-octano enfriado a 30 °C estableciendo un balance global en el
intercambiador de calor E-1103 a través de la ec. (C.5).
(C.5)
Conocido m3, m11 y m12 se procede a despejar m4 a través de la ec. (C.6).
(C.6)
137
Balance en la bomba centrífuga P-1102.
Para realizar un balance en la bomba centrífuga P-1102, se aplica la ec. (C.7).
(C.7)
A continuación se presentan las premisas del balance:
Flujo másico mezcla de p-xileno y lubricante: 4,6398 Kg/h (Corriente de
entrada a la bomba centrífuga (corriente 5)).
Peso molecular de la mezcla de p-xileno y aceite lubricante: 105,845 Kg/m3.
Corriente 6: Salida de la mezcla de p-xileno y aceites lubricantes.
Como en el proceso no hay acumulación, ni se consume ni se genera ningún
tipo de compuesto, la corriente 6 equivale a la alimentación de la bomba.
Balance en la columna C-1102.
Para realizar un balance en la columna C-1102, se aplica la ec. (C.8).
138
(C.8)
En la columna C-1102 ocurre el proceso de separación, donde por el tope se
obtiene el p-xileno y por el fondo los aceites lubricantes. La cantidad de p-xileno
recuperado se obtiene del porcentaje de recuperación. A continuación se presentan las
premisas del balance:
Moles de entrada de p-xileno: 0,0324 Kmol/h.
Peso molecular del p-xileno recuperado: 106,132 Kg/Kmol.
Porcentaje de recuperación de p-xileno: 99,68 %.
Corriente 7: Recuperación del p-xileno.
Para conocer la masa de p-xileno que se obtiene de la corriente 7, se usa la ec.
(B.1):
Despejando los moles de salida del p-xileno, se obtiene
139
Corriente 9: Residuo de aceites lubricantes.
Conocido el flujo de p-xileno recuperado, por diferencia se obtiene el flujo de
residuo de aceites lubricantes a través de la ec. (C.9).
(C.9)
Conocido m6 y m7 se procede a despejar m9 a través de la ec. (C.10).
(C.10)
Balance en el intercambiador de calor E-1106.
A continuación se presenta el siguiente diagrama:
7 8
13
14
Figura C.3. Diagrama del intercambiador de calor E-1106.
140
Para realizar un balance en el intercambiador de calor E-1106, se aplica la ecs.
(C.11) y (C.12)
(C.11)
(C.12)
A continuación se presentan las premisas del balance:
Masa de la corriente 7 (p-xileno recuperado): 3,4281 Kg/h
Peso molecular del agua: 18,015 Kg/Kmol
La masa de agua de la corriente 13 que entra en el intercambiador de calor E-
1103, enfría la masa de p-xileno a una temperatura de 30 °C.
Corriente 13: Entrada de agua de enfriamiento.
Corriente 14: Salida de agua de enfriamiento.
En el proceso no hay acumulación, debido a que no se genera ningún tipo de
compuesto, por lo tanto la corriente 14 equivale a la alimentación del intercambiador
de calor E-1106.
Corriente 8: Producto de p-xileno enfriado a 30 °C.
141
Conocido el flujo de p-xileno recuperado, por diferencia se obtiene el
producto de p-xileno enfriado a 30 °C estableciendo un balance global en el
intercambiador de calor E-1106 a través de la ec. (C.13).
(C.13)
Conocido m7, m13 y m14 se procede a despejar m8 a través de la ec. (C.14).
(C.14)
142
APÉNDICE D:
DISEÑO DE LAS COLUMNAS DE DESTILACIÓN
D.1.- Procedimiento para el diseño de la columna C-1101.
Para el diseño de la columna es indispensable calcular la altura, el diámetro, el
área, la longitud del derramadero, área de la sección transversal, cresta del
derramadero, caída de la presión en seco, frente hidráulico, caída de presión del gas
residual, pérdida de carga en el plato, pérdida de presión en la entrada del líquido,
retroceso en el vertedero y verificar la inundación de la columna.
a.- Procedimiento para el cálculo del diámetro de la columna.
Para calcular el diámetro de la columna es indispensable calcular la densidad
promedio de la mezcla, densidad del vapor, flujo líquido, flujo de vapor, tensión
superficial, constante empírica, velocidad de inundación, área de la torre y por último
el diámetro de la columna. En la tabla D.1 se muestra un resumen de las densidades y
de los flujos obtenidos a través del simulador Pro/II.
Tabla D.1. Densidades y flujos obtenidos del simulador Pro/II (C-1101).
Densidad de la
mezcla
Densidad del
vapor
Flujo líquido Flujo de vapor Tensión
superficial
859,076 Kg/m3 3,626 Kg/m
3 0,01019 m
3/h 1,79 m
3/h 0,023935 N/m
a.1. Perforación y área activa de los platos.
Treybal (1988) recomienda que los orificios se coloquen en los vértices de
triángulos equiláteros a distancias entre los centros de 2,5 a 5 diámetros de los
orificios.
143
En base a lo anterior se tomó como referencia un diámetro de orificio (do) de
4,5 mm sobre una distribución en forma de triángulos equiláteros de 22 mm (p´ = 22
mm) entre los centros de orificios para crear una velocidad de gas mayor a la del
líquido y no se produzca el fenómeno del lloriqueo.
El diámetro de orificio (do) y la distribución en forma de triángulos (p´) se
emplean para calcular la relación entre el área de perforación (Ao) y el área activa de
los platos (Aa) según la ec. (2.3).
.
(
)
(2.3)
(
)
a.2. Cálculo de la constante empírica.
Para el cálculo de la constante empírica (CF) se emplea la ec. (2.2) descrita en
el capítulo II:
[( (
( ) (
)) )] (
)
(2.2)
donde: CF es la constante empírica, α y β son las constantes empíricas para las
velocidades de inundación y σ es la tensión superficial promedio.
En la tabla 2.5 se muestran las constantes empíricas para las velocidades de
inundación (α y β), las cuales se calculan a través de las ecuaciones (D.1) y (D.2)
respectivamente.
144
(D.1)
(D.2)
( )
( )
Según Treybal (1988) cuando la relación entre el área de perforación y el área
activa de los platos (
) es menor a 0,1 se le aplicará un factor de corrección a α y β,
la cual será multiplicado por
( )
[( ) ]
( )
[( ) ]
Una vez calculado α y β corregido, se procede a calcular la constante empírica
(CF), según la ec. (2.2).
145
[
(
(
(
) (
)
)
)
]
(
)
[( (
) )]
a.3. Cálculo de la velocidad de inundación.
Para el cálculo de la velocidad de inundación (VF) se emplea la ec. (2.1)
descrita en el capítulo II.
(
)
(2.1)
(
)
Treybal (1988), recomienda emplear el ochenta por ciento (80 %) de la
velocidad de inundación para líquidos que no hacen espuma, a través de la ec. (C.3).
(C.3)
146
a.4. Cálculo del área neta.
Para calcular el área neta (An), se realiza a través de la ec. (D.4).
(D.4)
donde: Q es el flujo de vapor (m3/seg) y VF es la velocidad de inundación (m/seg).
a.5. Cálculo del área.
Para calcular el área de la columna (A) se realiza a través de la ec. (D.5).
(D.5)
donde: An es el área neta (m2) y Ap es el porcentaje del área de la torre utilizada por
un vertedero.
Ap se obtiene de la tabla 2.4, una vez seleccionado la longitud del
derramadero, es importante mencionar que la mencionada longitud depende del
diámetro de la torre.
147
La longitud del derramadero seleccionada de la tabla 2.4 es la de ya
que esta es la que se aplica para plantas pilotos y según Treybal (1988) el porcentaje
del área de la torre es de 14,145 %.
a.6. Cálculo del diámetro de la columna.
El diámetro de la columna (Dt) se calcula a través de la ec. (D.6).
(
)
(D.6)
donde: A es el área de la torre (m2) y π tiene un valor de 3,1415926 (adimensional).
(
)
El diámetro comercial de las columnas de destilación depende de las empresas
fabricantes, sin embargo la mayor empresa fabricante de columnas de destilación
“Koch-Glitsch” ubicada en la Ciudad de Wichita, Estados Unidos de Norteamérica
considera que el diámetro para columnas de platos a escala piloto es mayor a 0,1 m y
menor a 0,2 m cuando el fluido no es corrosivo.
148
b. Longitud del derramadero y sección transversal.
Para calcular la longitud de derramadero (W) se selecciona de la tabla 2.3 del
Treybal (1988) y la sección transversal (Ad) es necesario obtener el área del plato
utilizada por un vertedero, la cual se obtiene de la misma tabla cuando se selecciona
la longitud de derramadero de la columna de destilación. A continuación, se emplean
las ecs. (D.7) y (D.8) respectivamente.
(D.7)
(D.8)
c. Relación de reflujo líquido con la longitud del derramadero.
Treybal (1988) dice que la relación de reflujo líquido con la longitud del
derramadero no debe ser superior a
para platos de flujo transversal de un
solo paso. A continuación se emplea la ec (D.9).
(D.9)
149
De acuerdo al resultado anterior se cumple con la condición que menciona
Treybal (1988), ya que el flujo líquido no es superior a
.
d. Procedimiento para el cálculo de derramaderos.
Para calcular la cresta del líquido sobre el derramadero (h1) se emplea la ec.
(2.5).
(
)
(
)
(2.5)
donde: q es el flujo del líquido (m3/seg) y W es la longitud del derramadero.
Para calcular (
) se emplea la ec. (D.10).
(
)
( )
{[( )
]
}
(D.10)
donde: DT es el diámetro de la torre (m), W es la longitud del derramadero (m) y h1 es
la cresta del líquido sobre el derramadero asumido (m).
(
)
(
)
{[(
)
]
}
(
)
( ) {[( ) ] ( )}
150
(
)
{[ ] }
(
)
{[ ] }
(
)
{ }
(
)
{ }
(
)
(
)
√
Posteriormente se procede a calcular la cresta del líquido sobre el derramadero
empleando la ec. (2.5).
(
)
( )
(
)
( )
151
La cresta del líquido sobre el derramadero (h1) asumido se aproxima a la
cresta del líquido sobre el derramadero (h1) calculado, por lo que se puede decir que
la mencionada cresta calculada es de 0,003 m equivalentes a 3 mm. De acuerdo al
resultado se fija que la altura del derramadero es de 30 mm.
e. Procedimiento para calcular la caída de presión en seco.
Para calcular la caída de presión en seco (hD) se emplea la ec. (2.7) descrita en
el capítulo II.
[ ( )
(
)
] (2.7)
donde: Co es el coeficiente de orificio que desprende del espesor del plato y Vo es la
velocidad de orificio (m/seg).
El coeficiente de orificio (Co) que desprende del espesor del plato por
diámetro de orificio, se calcula con la ec. (2.8).
( )
(2.8)
(
)
Calculada el coeficiente de orificio (Co), se procede a calcular la velocidad de
orificio (Vo) a través de la ec. (D.11).
(D.11)
152
De la ec. (2.3), se procede a despejar Ao con la finalidad de calcular el área de
orifico, empleando la ec. (D.12).
(
)
(
)
(D.12)
El área activa (Aa), se calcula empleando la ec. (D.13).
( ) (D.13)
donde: At es el área de la columna de destilación (m2) y Ad es el área de la sección
transversal (m2).
[ ( ) ]
[ ]
Calculada el área activa (Aa) se procede a calcular el área del orificio (Ao) y la
velocidad de orificio (Vo), empleando las ecs. (C.12) y (C.11) respectivamente.
153
Calculada la velocidad de orificio (Vo) y el coeficiente de orificio (Co), se
procede a calcular la caída de presión en seco (hd) empleando la ec. (2.7).
[ ( )
(
)
] (2.7)
Despejando hd de la ec. (2.7), la misma queda de la siguiente manera:
{ [ ( )
(
)
]}
{ [ (
)
(
)
]}
f. Cálculo del frente hidráulico.
Para calcular el frente hidráulico (hL), se emplea la ec. (2.9) descrita en el
capítulo II.
(2.9)
154
donde: hw es la altura del derramadero (0,03 m) y z es el ancho del flujo promedio
(m).
Para calcular el ancho del flujo promedio (z), se emplea la ec. (2.10).
(2.10)
Calculado el ancho del flujo promedio (z), se procede a calcular el frente
hidráulico (hL), utilizando la ec. (2.9).
( ) ( )(
)
g. Cálculo de la caída de presión del gas residual.
Para calcular la caída de presión del gas residual (hR), se emplea la ec. (2.11).
(2.11)
155
h. Pérdida de carga en el plato.
Para calcular la pérdida de carga en el plato (hG), es indispensable realizar una
sumatoria total de la caída de presión en seco (hD), frente hidráulico (hL) y caída de
presión del gas residual (hR); empleando la ec. (D.14).
(D.14)
( )
i. Pérdida de presión en la entrada del líquido.
Para calcular la pérdida de presión en la entrada del líquido (h2), se emplea la
ec. (2.12) descrita en el capítulo II.
(
)
(2.12)
donde: g es la gravedad de la tierra (9,807 m/seg2) y Ada es el área libre entre el
faldón del vertedero y el plato (m2).
Es importante resaltar que debe ser menor que el área de la sección
transversal, para calcular se emplea la ec. (D.15).
Entonces es menor que el área de la sección transversal.
(D.15)
156
(
)
j. Cálculo del retroceso en el vertedero.
Para el cálculo del retroceso en el vertedero (h3) se emplea la ec. (2.13).
(2.13)
( )
k. Verificación sobre la inundación.
Para verificar que lo calculado anteriormente sea aplicado en el diseño de la
columna de destilación, se aplica la ec. (2.14).
(2.14)
(
)
De acuerdo a la verificación se puede llevar a cabo el diseño de la columna de
destilación.
157
l. Velocidad de arrastre.
Para el cálculo de la velocidad de arrastre fue indispensable utilizar la
siguiente gráfica del Treybal (1988):
Figura D.1. Arrastre, plato perforado de la C-1101 (Treybal, 1988)
En la gráfica anterior se puede observar que la velocidad de arrastre
fraccionario es de 0,03.
b.- Procedimiento para el cálculo de la altura de la columna C-1101.
La altura de la columna se determina dependiendo del diámetro de la torre y
del factor de seguridad.
0,03
158
b.1. Factor de seguridad.
Para calcular la altura de la torre es indispensable el factor de seguridad.
Según Seader, 2000 el factor de seguridad para una columna de platos, cuyo diámetro
es menor a 4 ft (1,22 m) es de 15%.
b.2. Altura de la columna.
Para calcular la altura (HT), se emplea la ec. (2.16).
(2.16)
Debido a que HER está implícito se calcula la eficiencia del plato y el número
de etapas reales. La eficiencia del plato se calcula a través de una gráfica del Perry,
1992.
Figura D.2. Gráfica para determinar eficiencia del plato de la C-1101 (Perry, 1992).
159
donde: mavg es el flujo másico promedio de los productos de tope y fondo de la
columna, MA es el peso molecular promedio, μavg es la viscosidad promedio y ρavg es
la densidad promedio de la mezcla. Es importante resaltar que todas las unidades son
en sistema inglés, lo cual es indispensable transformar las unidades que están en
sistema internacional al mencionado sistema.
( )( )( )
( )
En la figura D.2 se observa que la eficiencia global de la columna es de 90%;
es importante mencionar que la etapa teórica de la columna es de 12 etapas, por lo
que se puede concluir que el número de etapas reales es de 11 etapas.
Es importante destacar que el espaciado entre los platos para columnas a
escala piloto es de 0,25 metros según Treybal, 1988.
Posteriormente se procede a calcular la altura de la columna de destilación,
aplicando la ec. (2.16).
C.2.- Procedimiento para el diseño de la columna C-1102.
Para el diseño de la columna C-1102, se aplica el mismo procedimiento para
el diseño de la columna C-1101
160
a.- Procedimiento para el cálculo del diámetro de la columna
Para calcular el diámetro de la columna es indispensable calcular la densidad
promedio de la mezcla, densidad del vapor, flujo líquido, flujo de vapor, tensión
superficial, constante empírica, velocidad de inundación, área de la torre y por último
el diámetro de la columna. En la tabla D.2 se muestra un resumen de las densidades y
de los flujos obtenidos a través del simulador Pro/II.
Tabla D.2. Densidades y flujos obtenidos del simulador Pro/II (C-1102).
Densidad de la
mezcla
Densidad del
vapor
Flujo líquido Flujo de vapor Tensión
superficial
873,525 Kg/m3 3,506 Kg/m
3 0,0053 m
3/h 1,01 m
3/h 0,028947 N/m
a.1. Cálculo de la constante empírica.
Para el cálculo de la constante empírica (CF) se empleó la ec. (2.2).
[( (
( ) (
)) )] (
)
(2.2)
[
(
(
(
) (
)
)
)
]
(
)
[( (
) )]
161
a.2. Cálculo de la velocidad de inundación.
Para calcular la velocidad de inundación (VF) se emplea la ec. (2.1).
(
)
(2.1)
(
)
Treybal (1988), recomienda emplear el ochenta por ciento (80 %) de la
velocidad de inundación para líquidos que no hacen espuma, a través de la ec. (D.3).
(D.3)
a.3. Cálculo del área neta.
El cálculo del área neta (An) se utiliza la ec. (D.4).
(D.4)
162
a.4. Cálculo del área.
Para calcular el área de la columna (A) se emplea la ec. (D.5)
(D.5)
a.5. Cálculo del diámetro de la columna.
El diámetro de la columna (Dt) se calcula empleando la ec. (D.6).
(
)
(D.6)
(
)
b. Longitud del derramadero y sección transversal.
Para calcular la longitud de derramadero (W) se selecciona de la tabla 2.3 del
Treybal (1988) y la sección transversal (Ad) es necesario obtener el área del plato
utilizada por un vertedero, la cual se obtiene de la misma tabla cuando se selecciona
163
la longitud de derramadero de la columna de destilación. A continuación, se emplean
las ecs. (D.7) y (D.8) respectivamente.
(D.7)
(D.8)
c. Relación de reflujo líquido con la longitud del derramadero.
Treybal (1988) dice que la relación de reflujo líquido con la longitud del derramadero
no debe ser superior a
para platos de flujo transversal de un solo paso.
(D.9)
De acuerdo al resultado anterior se cumple con la condición que menciona
Treybal (1988), ya que el flujo líquido no es superior a
.
164
d. Procedimiento para el cálculo de derramaderos.
Para calcular la cresta del líquido sobre el derramadero (h1) se emplea la ec.
(2.5).
(
)
(
)
(2.5)
Para calcular (
) se emplea la ec. (D.10).
(
)
( )
{[( )
]
}
(D.10)
(
)
(
)
{[(
)
]
}
(
)
( ) {[( ) ] ( )}
(
)
{[ ] }
(
)
{[ ] }
(
)
{ }
(
)
{ }
(
)
(
)
165
√
Se procede a calcular la cresta del líquido sobre el derramadero, empleando la ec.
(2.5).
(
)
( )
(
)
( )
La cresta del líquido sobre el derramadero (h1) asumido se aproxima a la
cresta del líquido sobre el derramadero (h1) calculado, por lo que se puede decir que
la mencionada cresta calculada es de 0,001 metros equivalentes a un milímetro (1
mm). De acuerdo al resultado se fija que la altura del derramadero es de treinta
milímetros (30 mm).
e. Procedimiento para calcular la caída de presión en seco.
Para calcular la caída de presión en seco (hd), se emplea la ec. (2.7).
[ ( )
(
)
] (2.7)
Para calcular la velocidad de Orificio (Vo), se emplea la ec. (2.8).
166
( )
(2.8)
(
)
Calculado el coeficiente de orificio (Co), se procede a calcular la velocidad de
orificio (Vo) a través de la ec. (D.11).
(D.11)
Para calcular el área de orificio, se emplea la ec. (D.12).
(D.12)
El área activa (Aa), se calcula a través de la ec. (D.13).
( ) (D.13)
[ ( ) ]
[ ]
Calculado el área activa (Aa) se procede a calcular el área del orificio (Ao) y
posteriormente la velocidad de orificio (Vo), empleado las ecs. (D.12) y (D.11).
167
Despejando hd de la ec. (2.7) descrita en el capítulo II, la misma queda de la
siguiente manera:
{ [ ( )
(
)
]}
{ [ (
)
(
)
]}
f. Cálculo del frente hidráulico.
Para calcular el frente hidráulico (hL), se emplea la ec. (2.9).
(2.9)
Para calcular el ancho del flujo promedio (z), se emplea la ec. (2.10).
(2.10)
Calculado el ancho del flujo promedio (z), se procede a calcular el frente
hidráulico (hL), empleando la ec. (2.9).
( ) ( )(
)
168
g. Cálculo de la caída de presión del gas residual.
Para calcular la caída de presión del gas residual (hR), se emplea la ec. (2.11).
(2.11)
h. Pérdida de carga en el plato.
Para calcular la pérdida de carga en el plato (hG), es indispensable realizar una
sumatoria total de la caída de presión en seco (hD), frente hidráulico (hL) y caída de
presión del gas residual (hR) y se emplea a través de la ec. (D.14).
(D.14)
( )
i. Pérdida de presión en la entrada del líquido.
Para calcular la pérdida de presión en la entrada del líquido (h2) se emplea la
ec. (2.12).
(
)
(2.12)
(
)
169
j. Cálculo del retroceso en el vertedero.
Para el cálculo del retroceso en el vertedero (h3) se emplea la ec. (2.13)
(2.13)
( )
k. Verificación sobre la inundación.
Para verificar que lo calculado anteriormente sea aplicado en el diseño de la
columna de destilación, se aplica la ec. (2.14).
(2.14)
(
)
De acuerdo a la verificación se puede llevar a cabo el diseño de la columna de
destilación.
170
l. Velocidad de arrastre.
Para el cálculo de la velocidad de arrastre fue indispensable utilizar la
siguiente gráfica del Treybal (1988):
Figura D.3. Arrastre, plato perforado de la columna C-1102 (Treybal).
En la gráfica anterior se puede observar que la velocidad de arrastre
fraccionario es de 0,039.
0,039
171
b.- Procedimiento para el cálculo de la altura de la columna C-1102.
La altura de la columna se determina dependiendo del diámetro de la torre y
del factor de seguridad
b.1. Factor de seguridad.
Para calcular la altura de la torre es indispensable el factor de seguridad.
Según Seader, 2000 el factor de seguridad para una columna de platos, cuyo diámetro
es menor a 4 ft (1,22 m) es de 15 %.
b.2. Altura de la columna.
Para calcular la altura (HT), se emplea la ec. (2.16).
(2.16)
Debido a que HER está implícito se calcula la eficiencia del plato y el número
de etapas reales. La eficiencia del plato se calcula a través de una gráfica del Perry,
1992.
172
Figura D.4. Gráfica para determinar eficiencia del plato de la columna C-1102
(Perry, 1992).
donde: mavg es el flujo másico promedio de los productos de tope y fondo de la
columna, MA es el peso molecular promedio, μavg es la viscosidad promedio y ρavg es
la densidad promedio de la mezcla. Es importante resaltar que todas las unidades son
en sistema inglés, lo cual es indispensable transformar las unidades que están en
sistema internacional al mencionado sistema.
( )( )( )
( )
En la figura D.4 se observa que la eficiencia global de la columna es de 90%;
es importante mencionar que la etapa teórica de la columna es de 6 etapas, por lo que
se puede concluir que el número de etapas reales es de 5 etapas.
173
Es importante destacar que el espaciado entre los platos para columnas a
escala piloto es de 0,25 metros según Treybal, 1988.
Posteriormente se procede a calcular la altura de la columna de destilación,
aplicando la ec. (2.16).
174
APÉNDICE E:
CALOR SUMINISTRADO EN EL REHERVIDOR Y CALOR RETIRADO EN
EL CONDENSADOR EN LAS COLUMNAS C-1101 Y C-1102
Para conocer el calor suministrado en el rehervidor y el calor retirado en el
condensador es necesario establecer un balance de energía a nivel general en cada una
de las unidades de destilación (C-1101 y C-1102), con la finalidad de calcular el calor
tanto en el tope como en el fondo para así llevar a cabo el proceso de destilación.
A continuación se presenta un diagrama de una columna de destilación a
escala piloto con la finalidad de establecer el balance de energía:
Figura E.1. Diagrama de una columna de destilación a escala piloto
El balance de energía en la columna de destilación, se establece a través de la ec.
(E.1).
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( ) (E.1)
175
Despejando QB de la ec. (E.1), la misma queda de la siguiente manera:
( ) ( )
Asumiendo que las pérdidas de calor son nulas y teniendo un valor de
referencia en la temperatura de alimentación (TF), el balance anterior se establece a
través de la ec. (E.2).
∫
∫
(E.2)
Donde: QB es el calor suministrado en el rehervidor (Kj/h), D es el flujo
másico del destilado (Kg/h), CpmD es la capacidad calorífica del destilado (Kj/Kg°C),
B es el flujo másico de fondo (Kg/h), CpmB es la capacidad calorífica de fondo
(Kj/Kg°C), TF es la temperatura de alimentación (°C), TD es la temperatura de
destilado (°C), TB es la temperatura de fondo (°C) y QD es el calor retirado en el
condensador.
Para calcular el calor retirado en el condensador se realizó el siguiente
procedimiento:
Balance de materia y energía al condensador de la unidad de destilación. Para
emplear los mencionados balances se emplean las ecs. (E.3) y (E.4) respectivamente.
Balance de materia: (E.3).
Balance de energía: ( ) ( ) (E.4).
Sustituyendo las ecuaciones (E.3) y (E.4), queda de la siguiente manera:
( ) ( ) ( )
( ) ( )
( ) ( )
176
El balance anterior se reordena a través de la ec. (E.5).
∫ ∫
(E.5)
Donde: QD es el calor retirado en el condensador (Kj/h), D es el flujo másico
del destilado (Kg/h), CpmD es la capacidad calorífica del destilado (Kj/Kg°C), L es el
flujo másico de la corriente de fondo (Kg/h), CpmL es la capacidad calorífica de la
corriente de fondo (Kj/Kg°C), TL es la temperatura de la corriente de fondo (°C), TV
es la temperatura de vapor en la columna (°C).
E.1. Calor retirado en el condensador E-1102 de la unidad de destilación C-1101.
Para calcular el calor retirado en el condensador E-1102, en la tabla E.1 se
presenta los datos a utilizar en la ec. (E.5).
Tabla E.1. Datos para el cálculo del calor retirado en el condensador E-1102.
Descripción Valor
Flujo másico de destilado (D) 4,1192 Kg/h
Flujo másico de la corriente de fondo (L) 4,6398 Kg/h
Temperatura de destilado (TD) 51 °C
Temperatura de vapor (TV) 51 °C
Temperatura de la corriente de fondo (TL) 104 °C
Capacidad calorífica de destilado (CpmD) 2,172 Kj/Kg°C
Capacidad calorífica de corriente de fondo (CpmL) 2,036 Kj/Kg°C
Fuente: ProII.
Ahora se procede a calcular el calor retirado en el condensador E-1102 de la
unidad de destilación C-1101, empleando la ec. (E.5).
177
∫ ∫
(E.5)
∫
∫
{
[
( ) ]}
{
[
( ) ]}
Entalpía:
Para calcular el calor suministrado en el rehervidor E-1101, en la tabla E.2 se
presenta los datos a utilizar en la ec. (E.2).
Tabla E.2. Datos para el cálculo del calor suministrado en el rehervidor E-1101.
Descripción Valor
Flujo másico de destilado (D) 4,1192 Kg/h
Flujo másico de fondo (B) 4,6398 Kg/h
Temperatura de destilado (TD) 51 °C
Temperatura de alimentación (TF) 30 °C
Temperatura de fondo (TB) 140 °C
Capacidad calorífica de destilado (CpmD) 2,172 Kj/Kg°C
Capacidad calorífica de fondo (CpmB) 2,382 Kj/Kg°C
Fuente: ProII.
178
Ahora se procede a calcular el calor suministrado en el rehervidor E-1101 de
la unidad de destilación C-1101, a través de la ec. (E.2).
∫
∫
(E.2)
∫
∫
{
[
( ) ]}
{
[
( ) ]}
[
] [
]
Entalpía:
Potencia:
Se sabe que el calor retirado por el condensador es el absorbido por el agua de
enfriamiento, entonces:
( )
( )
[( ) ( ) ( )]
[(
) (
) (
)]
179
(
)
( )
E.2. Calor retirado en el condensador E-1105 de la unidad de destilación C-1102.
Para calcular el calor retirado en el condensador E-1105, en la tabla E.3 se
presenta los datos a utilizar en la ec. (E.5).
Tabla E.3. Datos para el cálculo del calor retirado en el condensador E-1105.
Descripción Valor
Flujo másico de destilado (D) 3,4281 Kg/h
Flujo másico de la corriente de fondo (L) 1,213 Kg/h
Temperatura de destilado (TD) 51 °C
Temperatura de vapor (TV) 51 °C
Temperatura de la corriente de fondo (TL) 103 °C
Capacidad calorífica de destilado (CpmD) 1,809 Kj/Kg°C
Capacidad calorífica de corriente de fondo (CpmL) 2,279 Kj/Kg°C
Fuente: ProII.
Ahora se procede a calcular el calor retirado en el condensador E-1105 de la
unidad de destilación C-1102, empleando la ec. (E.5).
∫
∫
180
{
[
( ) ]}
{
[
( ) ]}
Entalpía:
Para calcular el calor suministrado en el rehervidor E-1104, en la tabla E.4 se
presenta los datos a utilizar en la ec. (E.2).
Tabla E.4. Datos para el cálculo del calor suministrado en el rehervidor E-1104.
Descripción Valor
Flujo másico de destilado (D) 3,4281 Kg/h
Flujo másico de fondo (B) 4,6398 Kg/h
Temperatura de destilado (TD) 51 °C
Temperatura de alimentación (TF) 30 °C
Temperatura de fondo (TB) 113 °C
Capacidad calorífica de destilado (CpmD) 1,809 Kj/Kg°C
Capacidad calorífica de fondo (CpmB) 2,265 Kj/Kg°C
Fuente: ProII.
Ahora se procede a calcular el calor suministrado en el rehervidor E-1104 de
la unidad de destilación C-1102, empleando la ec. (E.2).
∫
∫
181
{
[
( ) ]}
{
[
( ) ]}
[
] [
]
Entalpía:
Potencia:
Se sabe que el calor retirado por el condensador es el absorbido por el agua de
enfriamiento, entonces:
( )
( )
[( ) ( ) ( )]
[(
) (
) (
)]
(
)
( )
182
APÉNDICE F:
CÁLCULO DE LA LONGITUD Y DEL DIÁMETRO DE LOS RECIPIENTES
DE ALMACENAMIENTO
Para el cálculo del diámetro y de la longitud de los recipientes de
almacenamiento de iso-octano, p-xileno y de aceites lubricantes se sigue el
procedimiento de la API-ASME 650. Es importante mencionar que la cabeza y fondo
del recipiente es elipsoidal mientras que la carcasa es cilíndrica, por lo tanto la
mencionada normativa técnica recomienda calcular el diámetro y la longitud del
recipiente de almacenamiento empleando las ecs. (F.1) y (F.2) respectivamente.
√
(F.1)
(F.2)
Para el Iso-octano.
Para calcular el diámetro del recipiente se emplea la ec. (F.1).
√
183
√
√
Para calcular la longitud se emplea la ec. (F.2).
( )
Para el p-xileno.
Para calcular el diámetro del recipiente, se emplea la ec. (F.1).
√
184
√
√
Para calcular la longitud del recipiente, se emplea la ec. (F.2).
( )
Para la mezcla de aceites lubricantes.
Para calcular el diámetro del recipiente, se emplea la ec. (F.1).
√
185
√
√
186
APÉNDICE G
DISEÑO DE TUBERÍAS: DETERMINACIÓN DEL DIÁMETRO
Para estimar el diámetro de la tubería se sigue el procedimiento de Crane,
1992, ya que solamente es indispensable conocer el flujo líquido (Q), el cual se
obtiene del simulador Pro/II y la velocidad del fluido (v) en cada una de las
corrientes, para obtener el área de la tubería. Una vez calculado el área se procedió a
calcular el diámetro de la tubería. Es importante mencionar que según Crane, 2000 la
velocidad del fluido está estimada a 1 m/s debido que el fluido no es viscoso y es
bombeado por bombas centrífugas. El área y el diámetro de la tubería se emplean las
ecs, (G.1) y (G.2) respectivamente.
√
(G.1)
(G.2)
Área y diámetro de la tubería en la corriente 1
Para calcular el área y diámetro de la tubería en la corriente 1, se emplean las ecs.
(G.1) y (G.2) respectivamente.
187
√
El diámetro de la tubería para la corriente 1 es aproximadamente a una
pulgada. Este resultado aplica para la tubería de la corriente 2 debido a que el flujo
volumétrico y la velocidad del fluido son los mismos datos.
Área y diámetro de la tubería en las corriente 3 y 4
Para calcular el área y diámetro de la tubería en las corrientes 3 y 4, se
emplean las ecs. (H.1) y (H.2) respectivamente.
El diámetro de la tubería para las corrientes 5 y 6 es aproximadamente de una
pulgada.
Área y diámetro de las tuberías 5 y 6
Para calcular el área y diámetro de la tubería en las corrientes 5 y 6, se
emplean las ecs. (G.1) y (G.2) respectivamente.
188
√
√
√
El diámetro de la tubería para la corriente 5 es aproximadamente a una
pulgada. Este resultado aplica para la tubería de la corriente 6 debido a que el flujo
189
volumétrico y la velocidad del fluido son los mismos datos.
Área y diámetro de la tubería en las corriente 7 y 8
Para calcular el área y diámetro de la tubería en las corrientes 7 y 8, se
emplean las ecs. (G.1) y (G.2) respectivamente.
√
√
190
El diámetro para las corrientes 7 y 8 es de aproximadamente de media (1/2)
pulgada.
Área y diámetro de la tubería en las corriente 9 y 10
Para calcular el área y diámetro de la tubería en las corrientes 9 y 10, se
emplean las ecs. (G.1) y (G.2) respectivamente.
√
√
191
El diámetro de la tubería para las corrientes 9 y 10 serán de aproximadamente
de una (1) pulgada. Es importante mencionar que en estas corriente circula la mezcla
de aceites lubricantes por lo cual se estimó la velocidad del fluido a 2,00 m/seg
debido a que el líquido que circula en las mencionadas corrientes es de mayor
viscosidad.
Diámetro de las tuberías para las corrientes de servicios
Las corrientes de servicios circularán el agua de enfriamiento con la finalidad
de enfriar los solventes recuperados, por lo tanto se estima que el diámetro de la
tubería para todas las corrientes de servicio será de una (1) pulgada, debido a que es
típico para columnas a escala piloto e igualmente el flujo que circula es un líquido no
viscoso.
192
APÉNDICE H:
ESTIMACIÓN DE COSTOS
Datos:
Cotización realizada por la empresa (CE): 169863,00 VEF
Costos directos.
Primero, con el costo de los equipos se calcula el costo de los equipos
instalados por medio de la ec. (2.17).
CEI =(0.30 * CE) +CE
CEI =(0,30 * 169863,00 VEF) +169863,00 VEF
CEI =220827,90 VEF
Luego con el costo de los equipos instaldos (CEI), se calcula el costo de la
tubería de procesos (CTP) y costo de instrumentación (CIn) mediante las ecs. (2.18)
y( 2.19).
CTP=0.30 * CEI
CTP =0,30 * 220827,90 VEF
CTP =66248,37 VEF
CIn =0,15 * CEI
CIn =0,15 * 220827,90 VEF
CIn =33124,19 VEF
Posteriormente con el costo de los equipos instalados (CEI), se calcula los
costos de pinturas y terminaciones (CDPT) mediante la ec. (2.21).
193
CDPT =0.02 * CEI
CDPT =0,02 * 220827,90 VEF
CDPT =4416,56 VEF.
Seguidamente con el costo de los equipos instalados, se calcula el costo de
instalaciones eléctricas (CDIE), mediante la ec. 2.22.
CDIE=0.10 * CEI
CDIE =0,10 *220827,90 VEF
CDIE =22082,79 VEF
Por último con todos los costos calculados anteriormente se calculan los
costos directos mediante la siguiente ec. (2.26).
CD = (CEI + CTP + CIn + CDE + CDPT + CDIE + CDSA)
CD =(220827,90 + 66248,37 +33124,19 + 4416,56 + 22082,79) VEF
CD = 346699,81 VEF
Costos indirectos.
Primero con el costo directo (CD), se calcula el costo de contingencia (CC),
mediante la ec. (2.27).
CC =0,08 * CD
CC =0,08 * 346699,81 VEF
CC =27735,98 VEF
Luego con el costo directo (CD), se calcula el costo de contratista (CT),
mediante la ec. (2.28).
194
CT =0,05 * CD
CT =0,05 * 346699,81 VEF
CT =17334,99 VEF
Por último con el costo de contratista (CT) y el costo de contingencia (CC), se
calcula el costo indirecto (CI), mediante la ec. (2.29).
CI =CC + CT
CI =(27735,98 + 17334,99) VEF
CI =45070,97 VEF
Costo de capital total o inversión inicial.
Primero con el costo directo (CD) y el costo indirecto (CI), se calcula el costo
del capital fijo (CFC), mediante la ec. (2.30).
CFC = CD + CI
CFC = (346699,81 + 45077,97) VEF
CFC = 391770,78 VEF
Luego con el costo de capital fijo (CFC) se calcula el costo de capital de
trabajo (CWC) mediante la ec. (2.31).
CWC = CFC + (0,1 * CFC)
CWC = 391770,78 + (0,1 * 391770,78) VEF
CWC = 430947,86 VEF
Por último con el costo de capital fijo (CFC) y el costo de capital de trabajo
(CWC), se calcula con el costo de capital total o inversión inicial (CTC), mediante la
ecuación 2.32.
195
CTC = CFC + CWC
CTC = (391770,78 + 430947,86) VEF
CTC = 822718,64 VEF
196
APÉNDICE I
EVALUACIÓN ECONÓMICA
Para determinar la evaluación económica es indispensable conocer los costos
totales, estableciendo los costos fijos y variables, los ingresos y la tasa interna de
retorno del iso-octano y del p-xileno.
Para el iso-octano.
Para determinar la evaluación económica del iso-octano se debe conocer los
costos fijos de producción, la cual será en base a 8 Kg/día del mencionado solvente,
en la tabla I.1 se muestran los costos relacionados.
Tabla I.1. Costos fijos.
Costo Fijo Precio (VEF/d)
Personal 289,32
Posteriormente en la tabla I.2, se muestran los precios relacionados para los
costos variables de producción.
Tabla I.2. Costos variables.
Costo Variables Precio (VEF/8Kg/d)
Iso-octano 17204,00 (*)
Servicios 163,35
Impuestos 37,55
Repuestos 984,25
(*) El precio se paga a 1,4 litro de iso-octano; transformando de L a Kg, el precio
sería por Kilogramo de iso-octano. La industria compra el iso-octano a 2150,50 VEF.
197
Cálculo típico para determinar los costos totales de producción del iso-
octano.
Primero se debe determinar los costos fijos y variables de producción diarios y
posteriormente determinar el costo total durante los 300 días de producción del iso-
octano recuperado.
( )
Ingreso establecido durante los trescientos (300) días por la producción
del iso-octano.
Para determinar los ingresos se deben conocer los costos de ventas y las
unidades vendidas del iso-octano recuperado. A continuación se presentan los
cálculos para determinar los ingresos relacionados a la recuperación del iso-octano.
Precio de venta de iso-octano: 2150,50 VEF.
Unidades vendidas durante los 300 días: 4200 Kg (6060 L) de iso-octano
198
Cabe destacar que el periodo de producción de iso-octano se mantiene en
trescientos (300) días, por lo cual se deberá realizar un estimado de ingresos total.
Cálculos de las ganancias.
Las ganancias generadas por la comercialización del iso-octano se establecen
a través de la siguiente fórmula:
( )
( )
Cálculo de la tasa interna de retorno.
Con la finalidad de analizar la rentabilidad de la comercialización del iso-
octano recuperado se calculó la tasa interna de retorno (TIR), el cual se requiere de
una inversión inicial (IO) de 1315694,48 VEF.
Para la evaluación son indispensables los siguientes datos:
Tasa de descuento (i) a 15%
Ingresos por ventas de iso-octano durante los 300 días: 9032100,00 VEF.
199
A continuación en la tabla I.3, se muestran los valores de los flujos de cajas
durante los cinco (5) años
Tabla I.3. Tasa interna de retorno para las unidades vendidas de iso-octano
durante los 300 días.
Año Ingreso Flujo de caja
0 0 -1315694,48
1 9032100,00 3428559,00
2 9032100,00 3428559,00
3 9032100,00 3428559,00
4 9032100,00 3428559,00
5 9032100,00 3428559,00
Para el p-xileno.
Para determinar la evaluación económica del p-xileno se debe conocer los
costos fijos de producción, la cual será en base a 8 Kg/día del mencionado solvente,
en la tabla I.4 se muestran los costos relacionados.
Tabla I.4. Costos fijos.
Costo Fijo Precio (VEF/d)
Personal 289,32
Posteriormente en la tabla I.5, se muestran los precios relacionados para los
costos variables de producción.
200
Tabla I.5. Costos variables.
Costo Variables Precio (VEF/8Kg/d)
p-xileno 13960,00 (*)
Servicios 163,35
Impuestos 37,55
Repuestos 984,25
(*) El precio se paga a 1,2 litro de p-xileno; transformando de L a Kg, el precio sería
por Kilogramo de p-xileno. La industria compra el p-xileno a 1745,00 VEF.
Cálculo típico para determinar los costos totales de producción de p-
xileno.
Primero se debe determinar los costos fijos y variables de producción diarios y
posteriormente determinar el costo total durante los 300 días de producción del p-
xileno recuperado.
( )
Ingreso establecido durante los trescientos (300) días por la producción
de p-xileno.
Para determinar los ingresos se deben conocer los costos de ventas y las
unidades vendidas del p-xileno recuperado. A continuación se presentan los cálculos
para determinar los ingresos por relacionados a la recuperación del p-xileno.
Precio de venta de iso-octano: 1745,00 VEF.
201
Unidades vendidas durante los 300 días: 4200 Kg (4924 L) de iso-octano
Cabe destacar que el periodo de producción de iso-octano se mantiene en
trescientos (300) días, por lo cual se deberá realizar un estimado de ingresos total.
Cálculos de las ganancias.
Las ganancias generadas por la comercialización del p-xileno se establecen a
través de la siguiente fórmula:
( )
( )
202
Cálculo de la tasa interna de retorno.
Con la finalidad de analizar la rentabilidad de la comercialización de p-xileno
recuperado se calculó la tasa interna de retorno (TIR), el cual se requiere de una
inversión inicial (IO) de 1315694,48 VEF.
Para la evaluación son indispensables los siguientes datos:
Tasa de descuento (i) a 15%
Ingresos por ventas de p-xileno durante los 300 días: 7329000,00 VEF.
A continuación en la tabla I.6, se muestran los valores de los flujos de cajas
durante los cinco (5) años
Tabla I.6. Tasa interna de retorno para las unidades vendidas de p-xileno
durante los 300 días.
Año Ingreso Flujo de caja
0 0 -1315694,48
1 7329000,00 2698659,00
2 7329000,00 2698659,00
3 7329000,00 2698659,00
4 7329000,00 2698659,00
5 7329000,00 2698659,00
