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UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMÓN FACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGÍA CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA

ESTUDIANTE: DAYANA SILVANA PARDO LAFUENTE DOCENTE: DR. JOSE LUIS BALDERRAMA MATERIA: DISEÑO Y ANALISIS DE PLANTAS

Contenido ......................... 1 ................................................................................................................................... 1 PRODUCCIÓN DE ACETONA A PARTIR DE ALCOHOL ISOPROPÍLICO ......................... 3 1.

RESUMEN EJECUTIVO ......................................................................................................... 3

2.

ESTUDIO DE MERCADO ....................................................................................................... 3

3.

MATERIAS PRIMAS ............................................................................................................... 6 Alcohol Isopropílico .......................................................................................................... 6

3.1. 3.2.

Agua ................................................................................................................................. 10

3.4.

Acetona ........................................................................................................................... 11

....................................................................................................................................................... 11 4.

5.

UBICACIÓN Y EMPLAZAMIENTO..................................................................................... 13 4.1.

Estudio del sitio ............................................................................................................ 13

4.2.

Ubicación de la planta................................................................................................. 15

INGENIERÍA DEL PROYECTO ........................................................................................... 16 5.1.

6.

Descripción del Proceso ............................................................................................ 16

DIAGRAMA DE FLUJO ........................................................................................................ 17 6.1.

Diagrama de bloques .................................................................................................. 17

6.2. Diagrama de flujo 7.

INSUMOS ................................................................................................................................ 19 7.1.1.

Tanque ......................................................................................................................... 19

7.1.2.

Reactor tubular ......................................................................................................... 19

7.1.3.

Evaporador ................................................................................................................. 19

7.1.4.

Torre de Absorción .................................................................................................. 20

7.1.5.

Torre de Destilación ................................................................................................ 20

7.1.6.

Bombas de flujo ........................................................................................................ 20

7.1.7.

Intercambiadores de calor ..................................................................................... 20

8.

BALANCE DE MASA ............................................................................................................ 21

9.

BALANCE DE ENERGÍA ..................................................................................................... 25

PRODUCCIÓN DE ACETONA A PARTIR DE ALCOHOL ISOPROPÍLICO 1. RESUMEN EJECUTIVO La acetona es un compuesto orgánico, reconocido por industrias como un excelente solvente, pues este solvente se produce mediante dos procesos: la peroxidación de cumeno y deshidrogenación de alcohol isopropílico (IPA); este último proceso se obtiene acetona de alta pureza e hidrogeno gaseoso como subproducto. El alcohol ispropilico o también llamado isopropanol (API) que se produce por la hidratación catalítica del propileno. La acetona, por ser el compuesto químico más importante de las cetonas, debido a su utilidad como solvente y producto químico intermediario, se produce en el mundo a escala industrial desde principios del siglo XX. Entre las industrias que más emplean se encuentran: Industrias de gases, pinturas, colorantes, gomas y lacas, cosméticos y en la producción de materiales fílmicos y fotográficos. Dentro de la investigación se constituye en un disolvente de bastante uso. Por medio del presente trabajo se realizará la producción de acetona de 200000 Tn/año a partir de alcohol ispropílico, el estudio de mercado, presentando el proceso a realizar, tomando en cuenta los balances de materia y energía, el proceso de producción, el emplazamiento y el estudio de mercado acerca de este importante solvente. 2. ESTUDIO DE MERCADO El consumo de acetona fue creciendo a lo largo de los años, con un comienzo en la primera guerra mundial, esto debido a la producción de cortita, una pólvora que es sin humo; debido al incremento de la demanda se ha ido perfeccionando diversos métodos de obtención, permitiendo cubrir la demanda y seguir creciendo. Se observa que la demanda de acetona va ligada a diferentes situaciones en el mundo, en el año de 2008 se tomó en cuenta a los cinco países que más importan este solvente, llegando a producirse 1889 Millones de Dólares Americanos, con un incremento del 11,3% comparando con el año pasado. IMPORTACIONES COSTO CRECIMIENTO (M (%) USD) China 355 -16.9 % Paises Bajos

254

29.0 %

Alemania

233

48.4 %

Reino Unido

170

8.1 %

Belgica

129

101.11 %

Tabla N°1 Importaciones mundiales

Como se ve (Tabla 1), el principal país importador de acetona es China con 355 M USD, el cual había disminuido sus importaciones un 16,9 %, esto no es debido a que disminuyera el consumo de acetona en China, sino que la producción nacional había aumentado debido al aumento de demanda interna; esta producción nacional tiene tendencia a crecer hasta llegar a un punto en el que la producción de acetona supere la demanda.

EXPORTACIÓN

COSTO (M USD) 258

EVOLUCIÓN (%) 42.6

ESPAÑA ESTADOS 252 5.6 UNIDOS BÉLGICA 212 35.5 TABLA N° 2 Exportaciones de 2008

Como se observa (Tabla 2), España es el país con el mayor importe de exportación, esto es debido, en su mayor parte, a la presencia de la fábrica de Cepsa en Huelva, que produce 600.000 Tm/año de fenol y con ello 370.000 Tm/año de acetona. En 2013, según una publicación del IHS Chemical Economics Handbooks [6] de 2014, la mayor parte del mercado de la acetona estaba repartido en sus aplicaciones como disolventes, con un 35 % del consumo global de acetona, en la producción de Metaacrilato de Metilo (MMA), con un 25%, y en la producción de bisfenol-A, con un 24 %. Le seguía el mercado de los productos químicos aldólicos, con un 9 % aproximadamente.

Grafico N°1 Consumo Mundial de acetona de 2013 La demanda de acetona principalmente la componen Estados Unidos, Europa Occidental y China (Figura N°1), aunque Asia es con diferencia el mayor consumidor mundial. También se observa, comparado con lo visto anteriormente, que China sigue siendo de los mayores consumidores del mundo y que su tasa de crecimiento anual es casi de un 8 %, y se espera que siga siendo así. El consumo de acetona para la producción de MMA muestra más variación regional que el “bisfenol A”. En Estados Unidos, un aumento de la demanda de MMA y la reanudación de Lucites MMA da lugar a un aumento anual de la demanda de acetona para MMA de un 3,5 %. En Europa Occidental se prevé que siga siendo la misma durante los siguientes años. Al contrario, en Asia (excluyendo Japón), el consumo seguirá creciendo en altos números. La demanda global de MMA se espera que crezca anualmente un 3,5 % en los próximos años. Asia seguirá siendo un gran consumidor del mercado mundial de acetona. Un incremento de la demanda de acetona y la falta de acetona proveniente de Asia se traduce en un incremento de la producción de fenol y acetona en los países desarrollados para exportarlos a Asia. A pesar de esto, como se ha visto en los estudios de 2008, las importaciones de Asia han bajado considerablemente y la capacidad y producción han ido incrementándose rápidamente, debido a la creciente demanda de bisfenol A y de resinas fenólicas. A esto se le suma la apertura de una nueva planta de Cepsa en Shanghái, China, con una capacidad de producción de 250.000 Tm/año fenol y 150.000 Tm/año de acetona, la producción de fenol y de acetona de esta planta estará destinada a cubrir el desfase que existe entre oferta y demanda en China, cuyas importaciones son excesivamente grandes. A la luz de estos

datos, se puede apuntar a que Asia pasará a convertirse en una exportadora neta en pocos años. Al proyecto de Cepsa en Shanghái, que la convierte en el segundo productor mundial de fenol y acetona; hay que añadirle el proyecto iniciado por Petro Rabigh a orillas del Mar Rojo en la Península Arábiga, Arabia Saudí. Es una planta de fenol y acetona formada entre Aramco y Sumitomo Chemical al 50 %, que tiene una inversión de 8.500 M USD y una capacidad de 275.000 Tm/año de fenol y 160.000 Tm/año de acetona. Se prevé que casi toda la producción de esta planta esté destinada a cubrir la demanda de Asia y Oriente Medio; pero por la proximidad a Europa se cree que pueda afectar al equilibrio que existe en el continente en cuanto a oferta. Según otra publicación del FMI (Future Market Insights) de 2015, en la que se ha realizado un estudio del mercado de la acetona en 2020; en 2014 se consumieron 5,92 millones de toneladas de acetona y se espera que se consuman aproximadamente 7 millones de toneladas, creciendo con una tasa compuesta de crecimiento anual del 3 % hasta 2020. El 31 % de la acetona producida mundialmente se destinaba para producir bisfenol A y se espera que siga este tendencia hasta 2020, aproximadamente solo el 26 % de la acetona es usada como disolvente industrial. Se espera que el uso de acetona para bisfenol A sobrepase a las demás aplicaciones creciendo anualmente un 3 % hasta 2020. El MMA representó el 28,3 % del consumo mundial de acetona. Se espera un gran crecimiento de la demanda de acetona para MMA debido a la demanda por parte de industrias como la electrónica y la química. APAC (Asia Pacific Acetone Industry) ha consumido el 41 % de la acetona producida en 2014, seguida de América del Norte con un 21 %. El incremento del nivel de vida y los ingresos ha sido consecuencia del crecimiento de la industria automovilística y farmacéutica en APAC, lo que se ha traducido en un incremento de la demanda de acetona. Se espera que la demanda crezca significativamente en América Latina, Oriente Medio y África del Norte. En Oriente Medio debido al incremento del sector de la construcción y farmacéutica se espera que crezca la demanda un 3 % anualmente hasta 2020. China, el mayor consumidor y productor mundial de acetona se espera que baje sus importaciones; esto es debido al incremento de la capacidad de la acetona nacional y de la puesta en marcha de nuevas plantas, además de la planta de Cepsa en Shanghái están Shanghái Sinopec Mitsui Chemicals y Formosa Chemicals & Fibre Corp.; que producen 800.000 toneladas de acetona al año. Las importaciones de acetona por parte de China acabarán si los demás competidores en el mundo de la acetona no lidian con los precios impuestos por China. Aunque algunos de los documentos expuestos discrepan en algunos aspectos, no hay lugar a duda de que Asia, principalmente China, se está haciendo con el mercado de la acetona; pasando de ser uno de los mayores importadores para acabar siendo un exportador neto de acetona. 3. MATERIAS PRIMAS 3.1. Alcohol Isopropílico El alcohol isopropílico (también conocido como isopropanol, propanol-2-ol, 2-propanol, alcohol o API) es el nombre común de un compuesto químico de la fórmula molecular C3H8O. Se trata de un compuesto químico incoloro, inflamable y con un fuerte olor.

Es el ejemplo más simple de alcohol secundario, donde se une el carbono de alcohol a otros dos carbonos, a veces se muestran como (CH3) 2CHOH. Es un isómero estructural del propanol.

-Propiedades del alcohol isopropílico El alcohol isopropílico tiene una absorbancia máxima a 204 nm en un espectro ultravioletavisible. A diferencia del etanol o metanol, el alcohol isopropílico se puede separ a partir de soluciones acuosas mediante la adición de una sal como el cloruro de sodio, sulfato de sodio, o cualquiera de otras sales inorgánicas. El alcohol es mucho menos soluble en soluciones salinas que en agua sin sal. El proceso se denomina coloquialmente desalado y hace que el alcohol isopropílico se concentre para separarse en distintas capas. Siendo un alcohol secundario, el alcohol isopropílico puede ser oxidado con acetona dando como resultado la correspondiente cetona. Esto también puede lograrse utilizando agentes oxidantes tales como ácido crómico o por deshidrogenación del alcohol isopropílico sobre un catalizador de cobre calentado:

(CH3) 2CHOH → (CH3) 2CO + H2

El alcohol isopropílico se utiliza a menudo como fuente disolvente, se consigue a través de la reducción de Meerwein-Ponndorf-Verley y otras reacciones de hidrogenación de transferencia que dan como resultado un alcohol secundario por la reducción de la acetona. El alcohol isopropílico puede ser convertido a 2-bromopropano usando tribromuro de fósforo o por deshidratación del propeno por calentamiento con ácido sulfúrico. Como la mayoría de los alcoholes, el alcohol isopropílico reacciona con los metales activos, tales como potasio, para formar alcóxidos que se pueden llamar isopropoxides. La reacción con el aluminio (iniciado por una traza de mercurio) se utiliza para preparar el catalizador isopropóxido de aluminio. El isopropanol se vuelve cada vez más viscoso con la disminución de temperatura. A temperaturas inferiores a -70 ° C el isopropanol se asemeja a jarabe de arce en la viscosidad. -Producción de alcohol isopropílico En 1994, 1,5 millones de toneladas de alcohol isopropílico se produjeron en Estados Unidos, Europa y Japón. Este compuesto se produce principalmente por la combinación de

agua y propeno en una reacción de hidratación. De importancia menor es la hidrogenación de acetona. Hay dos vías para el proceso de hidratación: hidratación indirecta a través del proceso de ácido sulfúrico y la hidratación directa. En el primer proceso, se puede utilizar un propeno de baja calidad que predomina en EE.UU., mientras que en el último proceso, requiere un propeno de alta pureza y es más comúnmente utilizado en Europa. Estos procesos dan predominantemente alcohol isopropílico en lugar de 1-propanol porque la adición de agua o ácido sulfúrico al propeno cumple la regla de Markovnikov. -Hidratación indirecta El procedimiento indirecto reacciona el propeno con el ácido sulfúrico para formar una mezcla de ésteres de sulfato. La hidrólisis subsiguiente de estos ésteres por vapor produce alcohol isopropílico que se destila. El éter diisopropílico es un importante subproducto de este proceso, se recicla de nuevo al proceso y se hidroliza para conseguir el producto deseado.

-Hidratación directa La hidratación directa reacciona propeno y agua, ya sea en gas o en fases líquidas, a presiones elevadas en presencia de sólido o apoyados por los catalizadores ácidos. El propileno de pureza superior (> 90%) es requerido para este tipo de proceso. Ambos procesos requieren que el alcohol isopropílico se separe del agua y otros subproductos por destilación. El alcohol isopropílico y el agua forman un azeótropo y con destilación simple da un material que es 87,9% en peso de alcohol isopropílico y 12,1% en peso de agua. El alcohol isopropílico puro (anhidro) se hace por destilación azeotrópica del alcohol isopropílico húmedo utilizando éter diisopropílico o ciclohexano como agentes azeótropos. -Hidrogenación de acetona La acetona cruda se hidrogena en la fase líquida sobre níquel Raney o una mezcla de cobre y óxido de cromo para dar el alcohol isopropílico. Este proceso es útil cuando se combina con la producción de acetona en exceso, tales como el procedimiento de cumeno. -Usos del alcohol isopropilico La gran mayoría de alcohol isopropílico se utiliza como disolvente para revestimientos o para procesos industriales, es muy popular para aplicaciones farmacéuticas, presumiblemente debido a la baja toxicidad de los residuos. Algunas veces el alcohol isopropílico se usa como un intermedio químico. El alcohol isopropílico puede ser convertido en acetona pero el procedimiento de cumeno es más significativo. En ese año, una cantidad

significativa (5,4 toneladas) se consumió para uso doméstico y en productos de cuidado personal. También se utilizó como un aditivo para la gasolina. -Disolvente El alcohol isopropílico se disuelve en una amplia gama de compuestos no polares. También se evapora rápidamente y es relativamente no tóxico en comparación con otros disolventes alternativos. Por lo tanto, se utiliza ampliamente como un disolvente y como un producto de limpieza, especialmente como quita grasas. Ejemplos de esta aplicación son de limpieza de dispositivos electrónicos, tales como puntas de contacto (como los de los cartuchos ROM), cintas magnéticas y las cabezas del disco (como los de las grabadoras de audio y video y unidades de discos flexibles), las lentes de rayos láser en las unidades de disco óptico (por ejemplo: CD, DVD) y la eliminación de pasta térmica de los disipadores de calor y paquetes de circuitos integrados (por ejemplo: CPU). El alcohol isopropílico se utiliza para la limpieza del teclado y de la pantalla LCD, se vende comercialmente también como un limpiador para pizarras. Se utiliza para limpiar el LCD y el cristal de las pantallas del ordenador (con cierto riesgo para el revestimiento antireflejo en algunas pantallas) y se utiliza para dar brillo a los discos fonográficos en mal estado por si deseas venderlos de segunda mano. También se puede utilizar para eliminar las manchas de la mayoría de los tejidos, madera, algodón, etc. Además, también se puede utilizar para limpiar pintura u otros productos fabricados a base de aceite con el fin que puedan ser reutilizados. Se utiliza como agente humectante en la solución utilizada en la impresión litográfica y se utiliza a menudo como un disolvente para el pulido de laca utilizado en ebanistería. El alcohol isopropílico es esterificado para dar acetato de isopropilo, otro disolvente. Se reacciona con disulfuro de carbono para dar isopropilxantato de sodio, un herbicida. El alcohol isopropílico reacciona con tetracloruro de titanio y aluminio metálico para dar titanio y aluminio isopropoxides respectivamente, el primero es un catalizador, y el segundo es un reactivo químico. Este compuesto puede servir como un reactivo químico en sí mismo, al actuar como un donante de dihidrógeno en la hidrogenación de transferencia. -Automotor El alcohol isopropílico es un ingrediente importante en los aditivos del combustible. En cantidades significativas, el agua es un problema en los depósitos de combustible, ya que se separa de la gasolina y se puede congelar en las líneas de suministro a temperaturas frías. No elimina el agua de la gasolina, sino que el alcohol solubiliza el agua en la gasolina. Una vez soluble, el agua no representa el mismo riesgo que insoluble en la gasolina, ya que no se acumulan en las líneas de suministro y por lo tanto no se puede congelar -Laboratorio Se utiliza como conservante de especímenes biológicos, el alcohol isopropílico proporciona una alternativa relativamente no tóxica para el formaldehído y otros conservantes sintéticos. Las soluciones de alcohol isopropílico son del 90-99% y se utilizan para conservar las muestras.

El alcohol isopropílico se utiliza a menudo en la extracción del ADN. Se añade a una solución de ADN con el fin de precipitar el ADN en un "pellet" después de centrifugar el mismo. Esto es posible porque el ADN es insoluble en alcohol isopropílico. -Seguridad El alcohol isopropílico de vapor es más denso que el aire y es altamente inflamable, da una gama muy amplia de combustible. Debe mantenerse alejado del calor y el fuego. Cuando se mezcla con oxidantes del aire o de otro tipo puede explotar a través de la deflagración. El alcohol isopropílico se ha observado también para formar peróxidos explosivos. Al igual que muchos solventes orgánicos, la aplicación sobre la piel puede causar la pérdida de grasa a largo plazo. 3.2. Agua

El agua es un líquido incoloro, inodoro e insípido a temperatura ambiente. Es una de las sustancias más extendidas en el planeta e imprescindible para la vida en el mundo, además de, por sus propiedades y por su abundancia, por ser una de las materias primas más empleadas en la industria. El agua posee como punto de fusión los 273 K y como punto de ebullición los 373 K, lo que hace que se use en los tres estados de la materia usualmente en la industria (sobre todo en estado vapor y líquida). El agua necesaria para el proceso será adquirida de una de estas formas: Mediante conexión autorizada a la red de abastecimiento de agua local. 3.3. Cobre como catalizador Desde que los primeros herreros de la antigüedad excavaron el elemento de un cerro de Chipre e hicieron herramientas con él, el cobre ha sido muy codiciado. La revista Nature seguramente estaría más pobre esta semana sin el cobre, ya que el metal está en el centro de dos descubrimientos citados en su sitio web. En teoría, mejores catalizadores de cobre podrían representar un método eficiente para la conversión de dióxido de carbono en combustibles líquidos basados en el carbón. Imagine la vida con un mejor catalizador de cobre de estas características. Las energías renovables intermitentes como las fuentes eólicas y solares, podrían usarse para impulsar la reacción, lo que respondería a dos problemas importantes relacionados con la energía y el medioambiente de un sólo golpe, es decir, qué hacer con todo el dióxido de carbono que generamos, y cómo almacenar y transportar la energía renovable. Investigaciones, está perdido en la lucha Futuras investigaciones

demuestran que no todo contra el cambio climático. encontrarán tecnologías de

mejor calidad y más eficientes, creando algunas versiones nuevas y otras versiones mejoradas de lo que ya tenemos. La conversión catalizada por el cobre del dióxido de carbono a combustible líquido, atraviesa una etapa intermedia de monóxido de carbono. Muchos catalizadores pueden hacerse cargo del primer paso, pero sólo el cobre puede mezclar el monóxido de carbono con el agua para producir el combustible. Sin embargo, este potencial es en gran parte teórico: la eficiencia y la selectividad de la reacción hasta ahora han sido demasiado bajas para su uso práctico. En un estudio, los químicos de la Universidad de Stanford en California demuestran que las propiedades catalíticas del cobre, pueden aumentarse partiendo del óxido de cobre, lo cual después se reduce de nuevo al metal de base. El catalizador mejorado de estos investigadores produce más etanol que un catalizador convencional de cobre. Ellos sugieren que esta diferencia, puede deberse a minúsculas grietas introducidas en el metal, que entregan más espacio de trabajo al catalizador. En un segundo estudio, los científicos describen algunos experimentos que demuestran que el cobre es necesario para evitar el crecimiento de los tumores y para la señalización de algunos cánceres, específicamente aquellos que tienen una mutación común en el oncogén BRAF 1 .Los tratamientos usados para absorber el exceso de cobre en el cuerpo, y que ya son usados en los trastornos de acumulación de cobre tales como la enfermedad de Wilson, parecen bloquear el crecimiento de estas células de cáncer también. Estos experimentos fueron realizados en ratones y en células humanas cultivadas, pero sugieren que un uso más amplio de ‘que antes de cobre’ en contra de los cánceres podría ser de utilidad. 3.4. Acetona

La acetona es uno de los disolventes más utilizado en la industria, ya que posee unas excelentes propiedades disolventes. El acetileno se envasa a presión sin peligro disolviéndolo previamente en acetona. El rayón de acetato se hila a partir de una disolución en acetona. Los barnices a base de ésteres de celulosa y nitrato de celulosa se emplean en disolución con una mezcla de disolventes que contienen acetona. Más allá de las aplicaciones industriales, a nivel de particular, tiene un gran uso como como disolvente y es muy utilizado como quita esmaltes de las uñas. También se utiliza en la industria farmacéutica como desnaturalizante en el alcohol desnaturalizado y además es un excipiente de algunas medicinas. La mayor aplicación de la acetona es la producción de otros compuestos, el más importante es la síntesis de metacrilato de metilo (MMA), se consume como cianohidrina de acetona para conseguir metacrilato de metilo; esto es debido al uso del polimetilmetacrilato (PMMA), que es un material antifragmentación que se usa en la industria de la construcción en lugar del vidrio. Originalmente se utilizaba en la industria dental para hacer coronas y puentes.

1

(D. C. Brady et al. Nature http://dx.doi.org/10.1038/nature13180; 2014).

En los 70’s algunos expertos en uñas usaban MMA para hacer uñas acrílicas que era más barato que otras opciones. Otra aplicación es la pirolisis de la acetona en estado vapor a 700 °C para conseguir cetena que reacciona con ácido acético para dar anhídrido acético. También se le aplica la condensación de tipo aldólica con Ba(OH)2 para producir Diacetonalcohol, óxido de metilo y forona, la hidrogenación catalítica del óxido de metilo produce metilisobutil cetona. Todos estos productos se utilizan como disolventes o como productos intermedios. A continuación, se exponen las propiedades físicas (Tabla 3) y químicas más importantes de la acetona. Nombre Formula

Acetona CH3-C0-CH3

Estado

Líquido incoloro

Olor

Dulce y aromático

Peso molecular

58,08 g/mol

Presión crítica

46,40 atm

Temperatura crítica

235 ºC

Punto de ebullición

56,2 ºC

Punto de fusión

-94,8 ºC

Densidad

791 kg/m3

Presión de vapor

0,237 atm a 20 ºC

Viscosidad

0,32 cP a 20 ºC

Punto inflamabilidad Temperatura de auto ignición Calor específico Vapor (102ºC, J/molK) Entalpía de formación Gas (kJ/mol) Líquido (kJ/mol) A 25 ºC y 1 atm.

-20 ºC 738 K 92,1 -216,5 200,1

Completamente soluble en agua, muy soluble Solubilidad en alcohol etílico, dietil éter, cloroformo y benceno. Tabla 3. Propiedades físicas de la acetona La acetona muestra reacciones de cetonas alifáticas saturadas. Forma compuestos cristalinos como el bisulfito sódico de acetona. Agentes reductores convierten la acetona en pinacol, isopropil alcohol o propano. La acetona es estable a los agentes oxidantes más normales como el nitrato de plata o el ácido nítrico frío, pero se puede oxidar en presencia de algunos agentes oxidantes fuertes como el permanganato alcalino, ácido crómico y ácido nítrico caliente.

Con aldehídos, los alcoholes primarios forman acetales La acetona también forma acetales, con una reacción exotérmica, pero la concentración en el equilibrio es pequeña a temperatura ambiente. Sin embargo el metil acetal de acetona fue comerciado a partir de metanol a baja temperatura para usarse como aditivo de la gasolina. El isopropenil metil éter, útil como un agente hidroxilo bloqueante en uretano y la química de polímeros epoxi, se obtiene a partir del metil acetal de acetona, mediante pirolisis térmica con un buen rendimiento. Con otros alcoholes primarios, secundarios y terciarios el equilibrio es menos favorable progresivamente, en ese orden, en la formación de acetales. La acetona se ha usado durante mucho tiempo como agente para bloquear la reacción de grupos hidroxilos en 1,2 y 1,3-diol, especialmente en la química de los carbohidratos. El equilibrio para la formación de acetales con hidroxilos en estos compuestos es más favorable porque los productos son anillos de 5 y 6 miembros. Con el glicerol, la constante de equilibrio para la formación de dioxalano es 0,5 a 23 ºC y 0,29 a 48 ºC en una mezcla resultante de la acidificación de volúmenes iguales de acetona y glicerol a temperatura ambiente. Principales características del proceso de producción de acetona Vía Cumeno

Oxidación Deshidrogenación de propileno del IPA

Baja pureza de acetona

Alta pureza acetona

Baja conversión Alta conversión Impurezas No hay toxicas peligro en las impurezas Largos procesos Cortos de separación procesos de para la separación purificación para la purificación Las materias Requiere primas son materia prima 4. UBICACIÓN altamente toxicas de alta pureza EMPLAZAMIENTO 4.1. Estudio del sitio Regiones de Cochabamba a analizar: - Parque Industrial Santivañez - Quillacollo Zona Trojes

Alta pureza acetona Alta conversión No hay peligro en las impurezas Cortos procesos de separación para la purificación Materia prima en solución acuosa Y

- Sacaba Zona Huayllani Estas tres regiones que se eligieron para la implementación de la planta, se tomó en cuenta la población, existencia de demanda explicitas, también mercados que se están ya explotando. El tipo de metodología utilizado es el de enfoque de alternativa con la estructura sistemática, en la que consiste en serie de etapas para la selección del mercado. Variantes Riesgo país

18%

Seguridad jurídica

12%

Sensibilidad de cambio

16%

Actividades motoras

10%

Ingreso per cápita

10%

Precio

9%

Competitividad

25%

Parque Industrial de Santivañez Indicador

Peso

Calificación

Ponderación

Riesgo país

18%

9

1,62

Seguridad jurídica

21%

9

1,89

de 14%

7

0,98

Sensibilidad cambio

Ingreso per cápita

10%

7

0,7

Precio

11%

8

0,88

Competitividad

26%

5

1,3

Nota ponderada = 7,37/10=73,7%

Quillacollo Zona Trojes

Indicador

Peso

Calificación

Ponderación

Riesgo país

12%

10

1,2

Seguridad jurídica

25%

10

2,5

6

0,9

Sensibilidad

de 15%

cambio Ingreso per cápita

5%

9

0,45

Precio

13%

8

1,04

Competitividad

30%

8

2,4

Nota ponderada = 8,49/10=84,9% Sacaba Zona Huayllani Indicador

Peso

Calificación

Ponderación

Riesgo país

14%

6

0,84

Seguridad jurídica

22%

8

1,76

de 15%

8

1,2

Sensibilidad cambio

Ingreso per cápita

15%

6

0,9

Precio

13%

7

0,91

Competitividad

21%

8

1,89

Nota ponderada = 7,51/10=75,1% Posteriormente se analizó los resultados, en la cual el mercado de menor riesgo es el del parque Industrial de Santivañez. Análisis macroeconómico de la economía del parque industrial Para orientar adecuadamente los esfuerzos de la producción boliviana del solvente Acetona y reducir la incertidumbre en la estabilidad de los mercados de destino, se ha considerado que el mercado de Cochabamba es el más interesante y ventajoso, teniendo en cuenta el análisis comparativo con las escasas expectativas que ofrece con las otras alternativas. Las evidencias empíricas que analizaremos, pretende asegurar que el esfuerzo que se hace para el presente estudio, obtengan los resultados esperados. 4.2. Ubicación de la planta

Dado que la macro localización esta se basa en el lugar donde se hará el estudio y la futura planta escala industrial se ha elegido como lugar principal: En el parque industrial de Santibáñez por razones de infraestructura dotada para cualquier planta en puntos como energía, agua, redes de gas y cooperación con empresas que pueden brindar sus servicios en afinidad con nuestro producto.

5. INGENIERÍA DEL PROYECTO 5.1. Descripción del Proceso Una mezcla azeotrópica de alcohol isopropílico (IPA) constituida por un 88% en peso de IPA corriente 1, es alimentada al separador F-101. Dicha mezcla sale del separador y es bombeada por medio de L-100, bomba centrífuga, hasta una presión de 2.3 bar y llega al intercambiador E-100, que vaporiza la mezcla de IPA y agua antes de que la misma entre al reactor, alcanzándose temperaturas de 234ºC y 2.16 bar. Una vez que el material se encuentra dentro del reactor, se alcanzan las condiciones de temperatura (350ºC) y presión (2bar) necesarias para que la siguiente reacción endotérmica (principal e irreversible) se lleve a cabo: (𝐶𝐻3)2𝐶𝐻𝑂𝐻 𝑔 →(𝐶𝐻3)2𝐶𝑂 𝑔 +𝐻2 (𝑔) El calor que necesita la reacción es suministrado al reactor usando una corriente de sal fundida, corriente 4, la cual es bombeada, por medio de L-102 hasta el horno B-103, donde alcanza una temperatura de 407 ºC. los efluentes del reactor, corriente 3, están constituidos por acetona, hidrogeno, agua e IPA sin reaccionar, estos son enfriados desde una

temperatura de 350ºC hasta 20ºC por dos intercambiadores, E-103 y E-104, antes de que entren al separador de fases D-100.

El vapor que abandona al separador, corriente 5, entra a una torre de lavado con agua de donde salen dos corrientes, una gaseosa constituida principalmente por hidrogeno, corriente 7, y una liquida que contiene agua, rastros de IPA y acetona, corriente 6. Esta última corriente se une con la corriente 9 que proviene del fondo del separador D-100 y que contiene principalmente acetona agua y rastros de IPA. La mezcla de ambas corrientes es enviada a la sección de separación, donde entra a la torre D-102. Por el tope de la torre se obtiene acetona, 99% molar. 6. DIAGRAMA DE FLUJO Un diagrama de flujo es un diagrama que describe un proceso, sistema o algoritmo informático. Se usan ampliamente en numerosos campos para documentar, estudiar, planificar, mejorar y comunicar procesos que suelen ser complejos en diagramas claros y fáciles de comprender. 6.1. Diagrama de bloques

-Leyenda Nombre del equipo

Descripción del equipo Numero de corrientes

F-101 L-100 E-100 R-101 L-102

Tanque de almacenamiento de IPA (alcohol isopropílico) Bomba centrifuga del alcohol isopropílico Intercambiador de calor, calentador para la alimentación del reactor Reactor tubular

E-103, E-104

Bomba centrifuga de la corriente del horno Enfriador del efluente del reactor

B-103

Horno de combustión

D-100 D-101

Separador bifásico del efluente del reactor Torre de absorción

D-102

Torre de destilación de la acetona

E-105 E-106

Rehervidor de la columna destilación de acetona condensador

L-107

Bomba centrifuga de reflujo acetona

L-108

Bomba centrifuga de la corriente de fondos de la torre de recuperación Tanque de reflujo de acetona

F-109

Tabla 4. Descripción de los equipos en el proceso

de

7. INSUMOS 7.1.1. Tanque Los tanques de almacenamiento son estructuras de diversos materiales, por lo general de forma cilíndrica, que son usadas para guardar y/o preservar líquidos o gases a presión ambiente, por lo que en ciertos medios técnicos se les da el calificativo de tanques de almacenamiento atmosféricos. Los tanques de almacenamiento suelen ser usados para almacenar líquidos, y son ampliamente utilizados en las industrias de gases, del petróleo, y química, y principalmente su uso más notable es el dado en las refinerías por sus requerimientos para el proceso de almacenamiento, sea temporal o prolongado; de los productos y subproductos que se obtienen de sus actividades. 7.1.2. Reactor tubular Mecanismos de reacción La acetona, la más sencilla de las cetonas se obtiene como producto de la deshidrogenación del alcohol isopropílico, el enlace de hidrogeno de la función CHOH se rompe mediante el siguiente mecanismo:

De estudios realizados de este tipo de reacciones, se puede esperar conversiones del 95% hasta el 99 % y considerarse, por lo tanto, irreversible. Ya que la reacción necesitada tiene una velocidad lenta, es necesario el uso de un catalizador, por lo que se pensara en usar un PFR, pero este tendría inconvenientes en el transporte de calor, así que se decidió, tener una coraza, con varios tubos empacados. 7.1.3. Evaporador Una de las consideraciones más importantes para el evaporador es que la mezcla de IPA y agua entra a una composición cercana al punto azeotrópico, por lo que, al llevar la mezcla al punto de ebullición, no se distinguirá entre un líquido saturado y un vapor saturado, pues

ambos estarán prácticamente a la misma composición (tal como ocurre en una sustancia pura). 7.1.4. Torre de Absorción Absorción es la operación unitaria que consiste en la separación de uno o más componentes de una mezcla gaseosa con la ayuda de un solvente líquido con el cual forma solución varios solutos, se absorben de la fase gaseosa y pasan a la líquida.

Figura 2. Columna de separación 7.1.5. Torre de Destilación Torre de destilación o columna de destilación simple es una unidad compuesta de un conjunto de etapas de equilibrio con un solo alimento y dos productos, denominados destilado y fondo. Incluye, por lo tanto, una etapa de equilibrio con alimentación que separa dos secciones de etapas de equilibrio, denominadas rectificación y agotamiento 7.1.6. Bombas de flujo Las bombas nos ayudaran a transportar los fluidos de un equipo a otro para poder obtener acetona. Los factores más importantes que permiten escoger un sistema de bombeo adecuado son: presión última, presión de proceso, velocidad de bombeo, tipo de gases a bombear (la eficiencia de cada bomba varía según el tipo de gas). 7.1.7. Intercambiadores de calor Como el proceso requiere calentamientos antes del reactor y posteriormente enfriamientos, se platea la propuesta de aprovechar el calor que es necesario retirar al salir para el calentamiento que se requiere antes del reactor, así que con los gases de salida del reactor se precalentara el agua que posteriormente se dirigirá a la caldera. El proceso se requiere evaporar el fluido de proceso con ayuda del vapor saturado de una caldera, es necesario precalentar el agua de dicha caldera para poder ingresar y evaporarla. Por ello se hace necesario un gasto adicional considerable de energía. Gracias a que el efluente del reactor sale a una temperatura alta, se puede aprovechar la energía de este fluido para precalentar el alimento de la caldera y así evitar gastos innecesarios de dinero

y desperdicios energéticos. Para ello se propone un intercambiador adicional, que aproveche una parte de la energía del fluido efluentes del reactor. 8. BALANCE DE MASA

(𝐶𝐻3)2𝐶𝐻𝑂𝐻 (𝑔) →(𝐶𝐻3)2𝐶𝑂 +𝐻2 (𝑔) Alcohol Isopropílico

Acetona + Hidrogeno

Peso molecular de alcohol: 58,08 kg/kmol Peso molecular del agua: 18,015 kg/kmol Peso molecular de acetona: 60,003 kg/kmol Peso molecular del hidrogeno: 2, 016 kg/kmol

11 1

Deseamos producir 200000 Tn/año 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 =

200000𝑇𝑛 1000𝑘𝑔 1𝑎ñ𝑜 1𝑑𝑖𝑎 ∗ ∗ ∗ = 23148,15𝑘𝑔/ℎ𝑜𝑟𝑎 𝑎ñ𝑜 𝑇𝑛 360𝑑𝑖𝑎𝑠 24ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠

Pureza de acetona es 99% 23148.15

𝑘𝑔 99(𝐶𝐻3)2𝐶𝑂 𝑘𝑔 ∗ = 22916,67 𝑎𝑐𝑒𝑡𝑜𝑛𝑎 𝑝𝑢𝑟𝑎 ℎ𝑜𝑟𝑎 100 𝑠𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖𝑜𝑛 ℎ𝑜𝑟𝑎

23148,15 − 22916,67 = 231,48

𝑘𝑔 𝑎𝑔𝑢𝑎 + 𝑎𝑙𝑐𝑜ℎ𝑜𝑙 𝑖𝑠𝑜𝑝𝑟𝑜𝑝í𝑙𝑖𝑐𝑜 ℎ𝑜𝑟𝑎

Del fondo del destilador la mezcla agua y alcohol isopropílico se tiene mayor porcentaje de agua (H2O) es mayor que alcohol 99% a 1% de H2O y (CH3)2CHOH respectivamente. 231,15𝑘𝑔 𝑘𝑔 ∗ 0,99 = 229,16 𝐻2𝑂 ℎ𝑜𝑟𝑎 ℎ𝑜𝑟𝑎

231,15𝑘𝑔 229,16𝑘𝑔 𝑘𝑔 (𝐶𝐻3)2𝐶𝐻𝑂𝐻 − = 2,31 ℎ𝑜𝑟𝑎 ℎ𝑜𝑟𝑎 ℎ𝑜𝑟𝑎 Balance para el destilador las corrientes que intervienen son: 9

=

11

+

12

Sacamos lo moles de acetona finales que salen del destilador 𝒏 = 22916,67

kg(CH3)2CO 1Kmol ∗ = 394,57 kmol/hora hora 58,08kg (CH3)2CO

Para obtener la cantidad que ingresa de alcohol isopropílico mediante la relación estequiométrica es de 1 kmol de acetona (CH3)2CO es 1 kmol de alcohol isopropílico (CH3)2CHOH.

1

1 kmol/ hora(CH3)2CHOH X

1kmol/hora (CH3)2CO 394,57 kmol/hora (CH3)2CO

23148,15𝑘𝑔 1𝑘𝑚𝑜𝑙(𝐶𝐻3)2𝐶𝑂 1𝑘𝑚𝑜𝑙 (𝐶𝐻3)2𝐶𝐻𝑂𝐻 398,56𝑘𝑔 (𝐶𝐻3)2𝐶𝐻𝑂𝐻 ∗ ∗ = ℎ𝑜𝑟𝑎 58,08𝑘𝑔 (𝐶𝐻3)2𝐶𝑂 1𝑘𝑚𝑜𝑙 (𝐶𝐻3)2𝐶𝑂 ℎ𝑜𝑟𝑎

De los moles de alcohol isopropílico hallamos la cantidad en kg: 398,56𝑘𝑚𝑜𝑙 60,003𝑘𝑔 23914,79𝑘𝑔 (𝐶𝐻3)2𝐶𝐻𝑂𝐻 ∗ (𝐶𝐻3)2𝐶𝐻𝑂𝐻 = (𝐶𝐻3)2𝐶𝐻𝑂𝐻 ℎ𝑜𝑟𝑎 1𝑘𝑚𝑜𝑙 ℎ𝑜𝑟𝑎 Como la entrada del alcohol isopropílico es una mezcla azeotrópica, donde es 88% en peso de alcohol isopropílico (𝐶𝐻3)2𝐶𝐻𝑂𝐻 y 12% de agua H2O. La solución total: 23914,79𝑘𝑔 100𝑘𝑔 𝑠𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖ó𝑛 𝑘𝑔 (𝐶𝐻3)2𝐶𝐻𝑂𝐻 ∗ = 27175,65 𝑠𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖ó𝑛 ℎ𝑜𝑟𝑎 88𝑘𝑔 (𝐶𝐻3)2𝐶𝐻𝑂𝐻 ℎ𝑜𝑟𝑎 27175,65

1

𝑘𝑔 23914,79𝑘𝑔 𝑘𝑔 (𝐶𝐻3)2𝐶𝐻𝑂𝐻 = 3261,08 𝑠𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖ó𝑛 − 𝐻2𝑂 ℎ𝑜𝑟𝑎 ℎ𝑜𝑟𝑎 ℎ𝑜𝑟𝑎 2

=

A la salida del reactor el balance es 3

=

5

A la salida del reactor la conversión del alcohol isopropilico es del 84% De la solución entrante al reactor el rendimiento es de 84% 27175,65

5

𝑘𝑔 22827,55𝑘𝑔 𝑠𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖ó𝑛 ∗ 0,84 = 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑟𝑒𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 ℎ𝑜𝑟𝑎 ℎ𝑜𝑟𝑎

las fracciones molares del separador flash son: XH2=0,0003 X(CH3)2CHOH=0,0292 X(CH3)2CO=0,8358 XH2O= 0,1347 27175,65

𝑘𝑔 8,15𝑘𝑔 ∗ 0,0003 = 𝐻2 ℎ𝑜𝑟𝑎 ℎ𝑜𝑟𝑎

27175,65

𝑘𝑔 793,53kg (CH3)2CHOH ∗ 0,0292 = ℎ𝑜𝑟𝑎 hora

27175,65

𝑘𝑔 22713,41𝑘𝑔 (𝐶𝐻3)2𝐶𝑂 ∗ 0,8358 = ℎ𝑜𝑟𝑎 ℎ𝑜𝑟𝑎

27175,65

𝑘𝑔 3660,56𝑘𝑔 ∗ 0,1347 = 𝐻2𝑂 ℎ𝑜𝑟𝑎 ℎ𝑜𝑟𝑎

La corriente 7 es el H2 formado y eliminado por la torre de absorción

7 23148,15

𝑘𝑔 1𝑘𝑚𝑜𝑙(𝐶𝐻3)2𝐶𝑂 1𝑘𝑚𝑜𝑙𝐻2 398,56𝑘𝑚𝑜𝑙 ∗ ∗ = 𝐻2 ℎ𝑜𝑟𝑎 58,08𝑘𝑔(𝐶𝐻3)2𝐶𝑂 1𝑘𝑚𝑜𝑙(𝐶𝐻3)2𝐶𝑂 ℎ𝑜𝑟𝑎

398,56𝑘𝑚𝑜𝑙 2,016𝑘𝑔𝐻2 803,49𝑘𝑔 𝐻2 ∗ = 𝐻2 ℎ𝑜𝑟𝑎 1𝑘𝑚𝑜𝑙𝐻2 ℎ𝑜𝑟𝑎

803,49𝑘𝑔 8,15𝑘𝑔 𝑘𝑔 𝐻2 + 𝐻2 = 811,63 𝐻2 ℎ𝑜𝑟𝑎 ℎ𝑜𝑟𝑎 ℎ𝑜𝑟𝑎 Para la corriente 6 serán los compuestos que se separaran y entraran al destilador 6 793,53kg 22713,41𝑘𝑔 3660,56𝑘𝑔 27167,5𝑘𝑔 (CH3)2CHOH + (𝐶𝐻3)2𝐶𝑂 + 𝐻2𝑂 = hora ℎ𝑜𝑟𝑎 ℎ𝑜𝑟𝑎 ℎ𝑜𝑟𝑎

6

9

=

Para la corriente 8 el flujo de agua en el proceso es necesario 1300kg/hora para producir los 23148,15 kg/hora de producto final. La cantidad de agua que sale de agua es la misma que ingresa.

8

12

=

𝟏𝟑𝟎𝟎𝒌𝒈 𝒉𝒐𝒓𝒂

9

=

𝑯𝟐𝑶

11

-

𝟐𝟕𝟏𝟔𝟕, 𝟓 + 𝟐𝟎𝟑, 𝟐𝟓 + 𝟐𝟑𝟏, 𝟒𝟖 − 𝟐𝟐𝟗𝟏𝟔, 𝟔𝟔 − 𝟏𝟕𝟎 = 𝟒𝟓𝟏𝟓, 𝟐𝟏 La corriente de agua al pasar por el absorbedor a la salida de este se tiene el 87% que trabajo para el absorbedor. El 13% restante se va al fondo del destilador es 170 kg/hora. La acetona que se formó luego del reactor es 22713,41kg/hora, al pasar al destilador este se concentra más y purifica obteniendo 22916,16kg/hora, la diferencia de este se va por el fondo del destilador que es 203,25 kg/hora. Para el balance global

1

+

8

7

=

+

11

+

12

𝟐𝟕𝟏𝟕𝟓, 𝟔𝟓 + 𝟏𝟑𝟎𝟎 = 𝟖𝟏𝟏, 𝟔𝟑 + 𝟐𝟑𝟏𝟒𝟖, 𝟏𝟓 + 𝟒𝟓𝟏𝟓, 𝟐𝟏 𝟐𝟖𝟒𝟕𝟓 = 𝟐𝟖𝟒𝟕𝟓 Cuadro resumen Balance de Masa

Compuestos (CH3)2CHOH H2O (CH3)2CO

1 kg/h 23914,79 3261,08 -

2 kg/h 3 kg/h 23914,8 793,53 3261,08 3660,56 22713,4

4 kg/h -

5 kg/h 6 kg/h 793,53 793,53 3660,56 3660,56 22713,4 22713,4

H2 Aire Total

7 kg/h 811,63 811,63

27175,87

8,15 27175,9 27175,6

8 kg/h

9 kg/h 793,53 3830,56 22916,7 27540,7

1300 1300

10 kg/h 2,31 229,16 22916,7 23148,1

100 100

8,15 27175,6 27167,5

11 kg/h 2,31 229,16 22916,7 23148,1

12 kg/h 447,01 4068,2 4515,21

9. BALANCE DE ENERGÍA Nos damos una temperatura de referencia de 25°C Los Cp y entalpias de vaporización se estimaron mediante el texto “GASES & LIQUIDOS” de Roberth C. Reid, y de tablas de calores específicos, para diferentes estados que se presenta en el proceso Temperatura de ebullición de acetona = 56°C Temperatura de ebullición del agua = 100°C Temperatura de ebullición alcohol isopropílico= 82,6°C Tabla resumen

Temperatura (°C) Cp (Kcal/kg °C) H (kcal/hora) Densidad (kg/m3)

1

2

3

4

5

6

25

234

350

407

30

39

1,59

1,59

0,302

650

0,302

0,595

65000

41171

226305

0 786

9030740,4 2667285,1

7

8

9

10

11

12

34

25

22

42

42

45

0,107

1

0,595

0,53

0,53

0,996

86,84

0

-49160

208564

208564

89943

0,089

997

784

10. 10.1. MANO DE OBRA 10.2. PROGRAMA DE PRODUCCIÓN 10.3. COSTOS 10.4. ANÁLISIS ECONÓMICO 10.4.1. TIR 10.4.2. VAN 11. DETALLE DE EQUIPOS