Informe Anhídrido Maleico

INFORME DE ANHIDRIDO MALEICO

CAMACHO GUTIERREZ JUAN DAVID GONZALEZ CORREDOR DAVID ALEJANDRO JIMENEZ CRISTIAN HARVEY MALDONADO IBICA KAREN DAYANA MARTINEZ ACOSTA MARIA PAULA

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERIA QUÍMICA ANALISIS DE PROCESOS BUCARAMANGA 2019-1

RESUMEN EJECUTIVO El presente informe congrega un estudio de mercado y un estudio técnico para la evaluación de una propuesta industrial sobre la creación de una planta productora de anhídrido maleico. El estudio de mercado reúne la información de demanda, oferta, consumo nacional aparente, precios y estrategias de comercialización de éste compuesto, mientras el estudio técnico aborda los ítems de capacidad, ubicación e ingeniería del proceso. El comercio de anhídrido maleico en Colombia esta sujeto al comportamiento de economías extranjeras debido a la inexistencia de esta industria, es necesario plantear sistemas de producción que suplan la demanda interna e independice el comercio, aprovechando las facilidades de trasporte de dicho producto al interior del país frente a las importaciones. El objetivo comercial que se propone con la formulación y estudio de una planta productora de anhídrido es desplazar las importaciones en Colombia en un 20 % de manera inicial mediante la producción de este producto intermedio de alta calidad y con un precio competitivo, que pueda ser aplicado en diferentes campos de la industria. La metodología que se plantea busca desarrollar un proceso competitivo, amigable con el medio ambiente, eficiente y rentable; una vez se lleve a cabo la conformación de una planta se debe disponer a promocionar el producto, que debido a su naturaleza solo es adquirido por empresas que se encargan de transfórmalo en bienes de consumo diario como plásticos o pinturas, para esto es necesario que la empresa desarrolle acuerdos comerciales y no existan riesgo de interrupciones ofreciendo comodidad, seguridad y confiabilidad a los grandes clientes. El desarrollo de esta empresa no solo debe enfocarse en la parte comercial, también es necesario conservar una buena imagen ante la sociedad del común que en su mayoría no tendrán un contacto directo con nuestros productos, por esto se debe crear un perfil ecológico que haga renombre en la población. Como parte del estudio técnico se encuentra el diagrama pfd en el que se muestra información acerca de las corrientes y equipos involucrados en el proceso de producción de anhídrido maleico como base para el cálculo de balances de materia y energía que permiten conocer los caudales másicos y necesidades energéticas del mismo, para así dar paso al dimensionamiento de equipos tales como intercambiadores de calor, torres de absorción, compresor y reactor. Por último se hace uso de la herramienta Aspen Hysys para la simulación del proceso en el que se resume y presenta la elaboración y el diseño de la planta del anhídrido maleico para una capacidad de 1825,083 ton/año.

INTRODUCCIÓN El anhídrido maleico es un producto químico muy versátil en casi todos los campos de la química industrial. Este producto tiene varios usos, casi todos relacionados con la síntesis de otras sustancias químicas como los ácidos fumárico y tartárico, lubricantes, agentes tensoactivos, resina, productos intermedios de tinte, productos farmacéuticos, y más. También se usa en reacciones de copolimerización para resinas de poliéster insaturado, conservante para aceites y grasas (De la Casa Resino, Hernández & Soler, 2014).

El uso del benceno como materia prima en la producción de anhídrido maleico fue dominante en el mercado mundial hasta principios de la década de los 80’s (Meyer, Regenhardt & Bertone, 2012) pero, debido a la producción paralela de altas cantidades de residuos contaminantes se empezaron a crear medidas regulatorias que obligaron a muchas empresas productoras a rediseñar sus procesos con la finalidad de tener buenas prácticas industrialmente sustentables con el medio ambiente (Velázquez, 2016). Una alternativa es la producción de anhídrido maleico mediante la oxidación selectiva de n-butano que hoy en día representa uno de los procesos más comunes de esta industria.

Este informe presenta una propuesta industrial para la creación de una empresa en la ciudad de Barrancabermeja Santander, dedicada a la producción de anhídrido maleico a partir de n-butano. Está divido de la siguiente manera: Capítulo 1. Estudio de mercado, que comprende los análisis de demanda, oferta, precios y comercialización; Capítulo 2. Estudio técnico, que presenta capacidad y ubicación de la planta, descripción del proceso, balances de masa y energía, dimensionamiento y simulación de equipos.

CONTENIDO ESTUDIO DE MERCADO. .................................................................................................................................................. 5

1. 1.1.

DESCRIPCIÓN DEL PRODUCTO ................................................................................................................................. 5

1.2.

ANÁLISIS DE LA DEMANDA ........................................................................................................................................ 6

1.2.1.

Análisis de importaciones .......................................................................................................................................... 6

1.2.2.

Análisis de exportaciones ........................................................................................................................................... 7

1.3.

ANÁLISIS DE LA OFERTA. ........................................................................................................................................... 7

1.4.

CONSUMO NACIONAL APARENTE. .......................................................................................................................... 9 Proyección de demanda ........................................................................................................................................... 10

1.4.1. 1.5.

ANÁLISIS DE MATERIA PRIMA ................................................................................................................................ 11

1.6.

PROYECCIONES ............................................................................................................................................................ 13

1.7.

ANÁLISIS DE PRECIOS ................................................................................................................................................ 13

1.8.

ANÁLISIS DE COMERCIALIZACIÓN ....................................................................................................................... 14

1.9.

CONCLUSIONES DE MERCADO ............................................................................................................................... 14

2.

ESTUDIO TÉCNICO .......................................................................................................................................................... 15

2.1.

CAPACIDAD DE LA PLANTA ..................................................................................................................................... 15

2.2.

UBICACIÓN DE LA PLANTA ...................................................................................................................................... 16

2.3.

DESCRIPCIÓN DEL PROCESO (KAREN) ................................................................................................................ 18

2.4.

DIAGRAMA PFD ............................................................................................................................................................ 21

2.5.

BALANCES DE MASA Y ENERGÍA (YO) .................................................................................................................. 22

2.5.1.

BALANCES DE MASA ............................................................................................................................................... 22

2.5.2.

BALANCES DE ENERGÍA ................................................................................................................................ 28

2.6.

DIMENSIONAMIENTO DE EQUIPOS ....................................................................................................................... 29

2.7.

SIMULACION DE EQUIPOS ........................................................................................................................................ 35

ANEXOS ....................................................................................................................................................................................... 35 MEMORIAS DE CALCULOS: BALANCES, DIMENSIONAMIENTOS, SIMULACIONES. .......................................... 35 CONCLUSIONES ........................................................................................................................................................................ 35 REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS ....................................................................................................................................... 37

1. ESTUDIO DE MERCADO. 1.1. DESCRIPCIÓN DEL PRODUCTO El Anhídrido maléico es un compuesto orgánico con fórmula molecular C2H2(CO)2O. A temperatura ambiente es un sólido blanco y por encima de 52,9 °C se convierte en un líquido incoloro de baja viscosidad. Este material se considera estable. Sin embargo, debe mantenerse alejado de la humedad, el calor o la llama. Reacciona con agua para formar ácido maléico. Las propiedades físicas se muestran a continuación en la tabla 1 (IDEAM, 2003). Tabla 1. Propiedades físicas para el Anhídrido Maléico.

PROPIEDAD Peso molecular (g/mol) Estado físico Punto de ebullición (°C) (760 mph) Punto de fusión (°C) Presión de vapor (mmHg) Gravedad específica (Agua=1) Densidad del Vapor (Aire=1) Velocidad de Evaporación (Acetato de Butilo=1) Solubilidad en Agua (g/ml) Límites de inflamabilidad (%vol) Temperatura de Auto ignición (°C) Punto de inflamación (°C) pH

VALOR 98,1 Sólido 202 52,85 1; 44°C 135,8; 100°C 1,43 3,38 No reportado Soluble, reacciona formando ácido maleico 1,4-7,1 475 102 No reportado

Este compuesto fue producido por primera vez mediante la oxidación de benceno, pero, debido a varios factores como alto costo de la materia prima y alta formación de CO2 como subproducto, empezaron a buscarse alternativas que pudieran sustituir el uso de esta sustancia. Por ello, muchas empresas productoras han estado diseñando alternativas y rediseñando sus procesos con la finalidad de tener practicas industrialmente sustentables con el medio ambiente donde el uso de sustancias como hidrocarburos de cuatro carbonos ha tomado mayor importancia (IDEAM, 2003). Dada la versatilidad de sus moléculas, el anhídrido maléico tiene muchas aplicaciones y funcionalidades. Es usado como acidulante en la industria de alimentos y cuidado personal, en la industria de agroquímicos, en aditivos lubricantes, industria de adhesivos, como agente anticorrosivo y detergente, en la industria de polímeros, en pesticidas y herbicidas y en la industria química en general (Fedesarrollo, 2014, p.112).

1.2. ANÁLISIS DE LA DEMANDA 1.2.1. Análisis de importaciones Las importaciones de anhídrido maleico en Colombia por año se reportan en la ilustración 1, donde los datos graficados provienen de dos fuentes, la primera es el Departamento Administrativo Nacional de Estadísticas (DANE)

Cantidad y valor de importaciones

10000 9000 8000

Toneladas

7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 2004

2006

2008

2010

Cantidad de anhídrido (t), DANE Cantidad de anhídrido (t), OEC Valor de cantidad(M US$), DANE Valor de cantidad (M US$), OEC

2012

2014

2016

30 28 26 24 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 2018

Millones US $

y la segunda es el Observatorio de Economía Compleja (OEC).

Año

Ilustración 1. Cantidad y valor de importaciones de AM en Colombia.

El comportamiento de las importaciones muestra el aumento del consumo de anhídrido maleico, el DANE y la OEC reportan valores de toneladas de importaciones y precios con ciertas diferencias, pero las tendencias son similares. A partir del año 2009 comienza un crecimiento continuo en las importaciones, hasta 2014, año en el que se observa la mayor cantidad reportada (OEC: 6000 t; DANE: 7700 ton) con un valor cercano a 12 millones de dólares comercializado con el exterior; para el año 2015 se experimenta una gran caída en el comercio de este producto intermedio, debido al incremento significativo que tuvo el dólar, y según los datos se espera que esto se estabilice a medida que lo haga el precio internacional del dólar, es importante resaltar que el comercio con el extranjero es muy débil frente a las interacciones del dólar, por tal motivo es necesario incentivar la producción interna. El origen de las importaciones se reporta en la ilustración 2, donde se observa el porcentaje de procedencia de anhídrido de cada país, según la OEC, los mayores vendedores para Colombia fueron Estados Unidos y Argentina, este primero ha manejado el comercio en un rango de 50% a 80% en los últimos años, aunque, a partir del año 2012 cayeron sus exportaciones hacia Colombia hasta 2016, mientras que las procedentes de Argentina aumentaron, lo cual permite visualizar al mercado argentino como un sustituto del mercado estadounidense.

ORIGEN DE IMPORTACIONES 90 USA

80

China

Argentina

Asia

Brasil

Porcentaje

70 60 50 40 30 20 10 0 2009

2010

2011

2012

2013

2014

2015

2016

2017

Año Ilustración 2. Porcentaje de procedencia de importaciones por año.

1.2.2. Análisis de exportaciones Las cantidades exportadas por Colombia son reportadas en la ilustración 3, según la OEC las toneladas comercializadas al exterior en los periodos comprendidos entre 2009 a 2017 no superaron las 76 toneladas anuales, una cantidad muy baja si se compara con las importaciones, además se observa que hubo años sin exportaciones.

Cantidad exportada [t]

80 70 60 50 40 30 20 10 0 2008

2010

2012

2014

Tiempo [Años]

2016

2018

Toneladas exportadas

Ilustración 3. Toneladas exportadas por Colombia

1.3. ANÁLISIS DE LA OFERTA. Las estadísticas sobre la producción y productores de Anhídrido maleico en Colombia no se encuentran disponibles. Esto se da porque las empresas que lo producen no hacen parte del muestreo de la Encuesta Anual Manufacturera (EAM) debido a que no se supera el valor de producción establecido anualmente que obliga a suministrar dicha información (DANE, 2009, p. 12). Es decir, la producción nacional de Anhídrido maleico no es representativa dentro de los datos obtenidos, pero, esto no quiere decir que no se produzca en el país (Fedesarrollo, 2014). Los datos suministrados en las tablas 6.1 y 6.2 de la EAM muestran la información desde la óptica de materias primas y productos respectivamente. En la tabla 6.1 se reporta información de la cantidad consumida, el valor de

consuno y el porcentaje de origen extranjero, pero, los establecimientos industriales pueden importar directamente su materia prima, lo cual estaría indicado en el porcentaje de origen extranjero o realizar la compra nacional a su proveedor y en este caso, desconocer el origen (mercancía importada y nacionalizada). En cuanto a la tabla 6.2, no existe registro (no se produce o lo que se produce no es representativo). En la tabla 2 se muestran los datos de las tablas 6.1 y 6.2 de la EAM y las partidas arancelarias del anhídrido maleico. En la ilustración 4 se encuentran graficados los datos de consumo nacional y las importaciones que quedaron en territorio nacional, es decir, la diferencia entre las importaciones y exportaciones que reportan las partidas arancelarias.. Tabla 2. Estadísticas Anhídrido Maleico. Fuente: Dane

EAM

PARTIDA ARANCELARIA

MATERIA PRIMA

PRODUCTO

IMPORTACIONES

EXPOTACIONES

AÑO

CONSUMO NACIONAL (kg)

PRODUCCIÓN NACIONAL (kg)

NETO (kg)

NETO (kg)

2006

3925162 3982223 4793826 3270472 2013176 3321272 4839118 6310861 7759027 844866 4611277

-

4184513 4567793,7 4824782,36 3823742 4933922,6 4917716 5070426,42 5964084,87 6290145,5 5385103,51 5154988,03

25 33000 62500 2001 2000 25 4000 14000 75200 0 20000

2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016

CONSUMO E IMPORTACIONES DE ANHÍDRIDO MALEICO EN COLOMBIA CANTIDAD (kg)

10000000 8000000 6000000 4000000 2000000 0 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016

TIEMPO (Año) IMPORTACIONES

CONSUMO NACIONAL

Ilustración 4. Consumo e importaciones de Anhídrido Maleico en Colombia. Fuente: Dane.

En la ilustración 4 para años como 2008, 2013 y 2014 se observa que el consumo de anhídrido maleico en el país fue mayor que la cantidad que se importó, con esto se puede considerar que esta demanda fue cubierta por anhídrido

maleico de origen nacional que se obtiene como subproducto en otros procesos químicos. En general, se observa que la demanda de dicho compuesto en el país se satisface por importaciones. En conclusión, en Colombia no se cuenta con una planta dedicada a la producción de anhídrido maleico. La falta de industrialización en este sector hace que se tenga una gran dependencia de la oferta ofrecida internacionalmente. Por tal motivo y para efectos de este estudio, se considera la oferta nacional de anhídrido maleico como cero (0) por no existir una industria dedicada en su totalidad a dicha producción.

1.4. CONSUMO NACIONAL APARENTE. El consumo de anhídrido maléico en Colombia se da por parte de empresas que lo requieren para la producción de polímeros y otros derivados, en las que se destacan las siguientes: • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •

Altea farmacéutica S.A. Aromatheka S.A. Avon Bel star S.A. Brenntag Colombia S.A. Calier internacional de Colombia S.A. Callizo aromas S.A.S. Comercializadora internacional detalquimicos S.A.S. Comestibles aldor S.A.S. Croda Colombia sucursal de croda del Brasil Ltda. Dsm nutritional products Colombia S.A. Factores y mercadeo S.A. Farma de Colombia S.A. Fehrmann S.A. Firmenich S.A. G & g sucesores S.A.S. Global latices S.A.S. Huntsman Colombia Ltda. Iberchem Colombia S.A.S. Indukern de Colombia S.A.S. Invesa S.A. Kimia trading Ltda. La tour S.A. Lluch essence S.A.S. Lucta grancolombiana S.A.S. Mane sucursal Colombia Mane sucursal Colombia Merck S.A. Nubiola Colombia pigmentos S.A. Ppg industries Colombia Ltda. Procaps S.A. Productora nacional de aromas fragancias y colorantes S.A. Protecnica ingenieria S.A. Qp technologies S.A.S. Quimica m. G. S.A.S.

• • • • • • • •

Químicos y reactivos S.A.S. Robertet andina S.A.S. Stepan Colombia S.A.S. Suministros quimicols Ltda. sumiquim Symrise limitada Unired quimicas S.A.S. Vortex company S.A.S. Weatherfor Colombia limited

En los anteriores ítems se observó el comportamiento de las importaciones y exportaciones reportadas por dos fuentes, donde se puede inferir que el país depende en totalidad del mercado externo para suplir el consumo de este producto. El consumo nacional aparente (CNA) se define como: CNA= Producción Nacional + Importaciones – Exportaciones Dentro del estudio de este indicador es importante tomar ciertas consideraciones con respecto al producto que se está analizando; la primera es estimar las exportaciones como nulas, porque, como se observó, estas comprendían algunas decenas de toneladas que al ser comparadas frente a las importaciones de miles de toneladas son insignificantes, además, en el reporte se apreciaban varios años sin exportaciones; la segunda consideración es tomar como nula la producción nacional, porque, ninguna fuente reporta la existencia de empresas productoras de anhídrido maleico dentro del país. Teniendo en cuenta lo anterior, el Consumo Nacional Aparente se define por las cantidades importadas de este producto intermedio. 1.4.1. Proyección de demanda El consumo nacional de anhídrido maleico está ajustado únicamente a las importaciones, por tal motivo el comportamiento de la demanda se define en este estudio a partir de los datos reportados por la OEC en la ilustración 1 con el fin de predecir el comportamiento para los años posteriores hasta, la técnica que se implementa es el ajuste lineal por mínimos cuadrados.

Cantidad toneladas importadas, OEC 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 2005

y = 97,57x - 191821 2007

2009

Ilustración 5. Cantidad de toneladas importadas. Fuente: OEC.

2011

2013

2015

2017

Tabla 3.Proyección de demanda en toneladas.

Año

Proyección Ton/año

2019

5172,83

2020

5270,4

2021

5367,97

2022

5466,54

2023

5563,11

2024

5660,68

2025

5758,25

La tabla 3 reporta una cantidad demandada de 5466,54 toneladas para 2022, año en el que se prevé que entre en operación la planta que se está analizando, es importante tener presente que la producción de anhídrido maleico se hace con el fin de desplazar el mercado actual, que depende en su totalidad de países extranjeros. 1.5. ANÁLISIS DE MATERIA PRIMA Benceno y n-butano han sido los compuestos comúnmente utilizados en la producción de Anhídrido maleico, sin embargo, en el caso de estudio el n-butano es la sustancia seleccionada por sus características excepcionales en el entorno económico y ambiental. Actualmente, en Colombia no existe una empresa dedicada a la comercialización y distribución del n-butano, por ende, no se encuentra puro. Generalmente está presente en mezclas de gases, como en el Gas Licuado de Petróleo (GLP), un combustible a partir de propano, butano y otros componentes en menor proporción. La relación establecida entre propano: butano (3:2) para el GLP lo convierte en una sustancia interesante para el proyecto en cuestión, además, en el territorio nacional se comercializaron aproximadamente 607.797.686 kg en el 2018 (GASNOVA, 2019), una cantidad considerable por el aumento que ha presentado en el transcurso de los años (observar tabla 4).

Tabla 4. Cantidad de Gas Licuado de Petróleo en función del tiempo.

Tiempo [Años] 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018

Total anual [t] 539112,421 551255,06 561520,733 579244,134 598088,936 601096,392 607797,686

Total anual [Kg] 539112421 551255060 561520733 579244134 598088936 601096392 607797686

Promedio mensual [Kg/mes] 44926035 45937922 46793394 48270345 49840745 50091366 50649807 Promedio anual

Porcentaje de variación anual 2,25% 1,86% 3,16% 3,25% 0,50% 1,11% 2,02%

En el territorio nacional, el GLP proviene de 2 orígenes, un 51% de la refinación del petróleo y el 49% del procesamiento de gas natural. No obstante, la oferta nacional no cubre por completo la demanda en algunos casos (GASNOVA,2019), y es necesario importar este compuesto para mantener el punto de equilibrio. Por otra parte, en infraestructura de transporte no requiere de grandes inversiones, es altamente accesible, y primordialmente, no emite humo negro, no se derrama y es bajo en carbono, un compuesto limpio. Según las características expuestas hasta el momento, el GLP es la materia prima adecuada para el proceso de producción de Anhídrido Maleico. En la tabla 4, también se presenta el porcentaje promedio de variación anual de comercialización del Gas Licuado (2,02%); un dato atractivo para el presente estudio porque las proyecciones establecidas serán positivas con base en los requerimientos de la planta y demanda nacional. Por tanto, se cumple con el primer criterio de evaluación que es la disponibilidad de materia prima en el país. En la ilustración 6 se estudia el comportamiento de los datos tabulados anteriormente, se evidencia una tendencia lineal que permite proyectar con mayor seguridad el comercio de GLP en Colombia y verificar la oferta potencial para cubrir la demanda de este.

Ventas anuales de GLP en Colombia 620000 610000

Ventas GLP [t]

600000 590000 580000 570000 560000 550000 540000 530000 2012

2013

2014

2015

2016

2017

2018

2019

Tiempo [años] Ilustración 6. Comercialización de GLP en Colombia.

Las proyecciones de GLP para el primer y tercer año de funcionamiento se presentan en la tabla 5, valores calculados con base en los datos históricos del Informe del Mercado Nacional Del GLP (GASNOVA, 2019), fundamentan las proposiciones ya mencionadas y dan una base positiva para el requerimiento de la planta en su momento.

Tabla 5. Proyecciones de comercialización de GLP.

Tiempo [Años] Total anual [t] 2019 625778,76 2020 638004 2021 650229,24 2022 662454,48

2023 2024 2025

674679,72 686904,96 699130,2

Con base en el precio de materia prima, este ha presentado variaciones durante el año 2018, su precio ha venido disminuyendo mensualmente. Para noviembre del año anterior, el precio era de 1.320 COP por kg, mientras para diciembre su valor oscilo en los 957 COP por kilogramos. Teniendo en cuenta estos datos, se concluye que el GLP cumple con los requerimientos necesarios para ser la materia prima del proyecto a ejecutar. 1.6. PROYECCIONES El precio unitario (COP) del anhídrido maléico se obtuvieron de la encuesta anual manufacturar del DANE desde 2006 hasta 2016, para la proyección del precio se hizo en función de la variación de IPC, para el periodo 2017-2018 el IPC se obtuvo de la revista Dinero y para 2019-2022 de la página oficial del banco de la república de Colombia. (Banco de la Republica, 2013; Revista dinero, 2018; Revista dinero, 2019).

PROYECCI O N DE PRECI O DE A NHÍ DRI DO MA LÉ I CO Precio COP/KILO

Lineal (Precio COP/KILO)

6000

PRECO COP/KILO

5000 4000 3000 2000 1000 0 2005

2010

2015

2020

2025

AÑO

Ilustración 7. Proyección de precio de anhídrido maléico.

1.7. ANÁLISIS DE PRECIOS Debido a que el consumo nacional del anhídrido maléico se da por la importación del mismo, y que la información acerca los proveedores es de carácter privado no es posible realizar una comparación de precios con la competencia. Por ende se requiere realizar el estudio técnico del proceso de producción de anhídrido maléico para determinar costos de producción y operación y con base a la proyección del precio estimar un valor probable al que se pudiera vender en el mercado con el fin de realizar un análisis financiero de ingresos y egresos para hacer de este proceso viable; por otra parte es posible que los compradores no adquieran este producto, ya que las proyecciones del precio son elevadas debido al incremento del dólar.

1.8. ANÁLISIS DE COMERCIALIZACIÓN En este apartado se pretende analizar el canal más apropiado de distribución, la selección de distribuidores y una propuesta de publicidad para la comercialización del producto. Con base en ítems anteriores, se observa que el anhídrido maléico es un compuesto intermedio en las cadenas de producción. Por tanto, los consumidores finales de este son las compañías que transforman esta sustancia para distintas aplicaciones industriales, es decir, el canal óptimo de distribución es el directo, sin intermediarios ni distribuidores mayoristas, una relación fabricante – fabricante que conlleve a un determinado precio de venta estable y sin alzas por porcentajes de ganancias individuales. Respecto a la conservación y transporte del producto, se debe tener presente que el anhídrido maléico es higroscópico, por ende, su almacenamiento debe ser en un empaque sellado. El empaque seleccionado son sacos de propileno de 25 kilogramos (kg), dado que se consideran los más adecuados para su almacenamiento y transporte. Además, este anhídrido debe estar alejado del calor y fuentes de ignición, por lo que se requiere un ambiente fresco. El transporte al consumidor final se ejecutará mediante vehículos de carga pesada con especificaciones técnicas avaladas interna y externamente entre las compañías negociadoras. Para introducir el anhídrido maléico producido por la compañía se plantean 2 estrategias: •

Mercado Nacional: A través de ferias y conferencias industriales, en donde se promoverá como el único anhídrido maléico de producción nacional con propiedades de tipo importación a un menor precio. Sin embargo, las plataformas de negocio virtuales serán vitales para posicionar la empresa en el país.

•

Mercado Internacional: Las plataformas de negocios en línea serán la base para establecer relaciones estables con el comercio exterior. Así mismo, la asistencia a simposios y eventos internacionales permitirán crear nuevos vínculos con multinacionales extranjeras. 1.9. CONCLUSIONES DE MERCADO El anhídrido maleico es un producto sólido cristalino con número CAS 108-31-6 con clasificación clase 8 Corrosivo

ante la ONU y 3:1:1 (Salud: inflamabilidad: Reactividad) en la NFPA, por este motivo, requiere de cuidados especiales para su conservación y transporte. Como en los últimos años el consumo de este compuesto ha dependido de las importaciones, su nivel de precios no se ha visto afectado por las condiciones económicas del país, pero, si por la variación del precio del dólar. De esta manera, la novedad de presentar un anhídrido maleico de calidad con bajo precio

independiente de la variación de índices extranjeros, sea un valor agregado en el mercado, aunque solo se desplace un 20 % de las importaciones anuales. Con los pronósticos analizados en el estudio, se estimó que la capacidad inicial de la planta es de 1825,083 toneladas para cubrir la demanda de anhídrido maleico en el año 2022 (primer año) que es de 1093,308 toneladas y de 1132,135 toneladas para el tercer año de funcionamiento, sin embargo, estos valores dependerán de la variación de los índices macroeconómicos señalados. Por otra parte, establecer la oferta nacional como no significativa permite afirmar y fundamentar la propuesta de radicar la primera compañía de producción de Anhídrido Maleico en Colombia. Posicionar la empresa en el mercado es el principal objetivo de puesta en marcha y dependerá esencialmente de la economía del producto, de esta manera, la proyección de precios se efectuó mediante ajustes lineales en función de los datos históricos sin tener en cuenta costos de procesos y cuestiones tecnológicas actuales. Finalmente, no se encontraron mayores adversidades ni resultados negativos considerables en el ámbito de mercado, concluyendo así, que la propuesta empresarial es interesante y atractiva. 2. ESTUDIO TÉCNICO 2.1. CAPACIDAD DE LA PLANTA La capacidad instalada de la planta se basará en el método de Rudd y Watson, en el cual se asume una demanda insatisfecha con tendencia lineal. Por ende, es necesario abordar los datos de proyección de demanda para definir la demanda inicial en el primer año de funcionamiento. Los datos de proyección se encuentran en la tabla 6: Tabla 6. Proyección de datos de demanda.

Año 2019 2020 2021 2022 2023 2024 2025

Desplazamiento del Proyección mercado del 20 % [t / [t/año] año] 5172,83 1034,566 5270,4 1054,08 5367,97 1073,594 5466,54 1093,308 5563,11 1112,622 5660,68 1132,136 5758,25 1151,65

Se debe recordar, que uno de los objetivos de la planta es desplazar el 20% de la demanda nacional, por tanto, la capacidad se hace con base en este porcentaje. La debida ecuación de demanda en función del tiempo se presenta a continuación 𝑦 = 97,57𝑥 − 191821

Teniendo en cuenta los parámetros de esta ecuación se tabulan los siguientes valores para una mejor comprensión de estos: Tabla 7. Datos iniciales para cálculo de capacidad.

Do [kg/año] a [kg/año]

1093308 97570

i

0,2

Do*i/a

2,2410741

El interés financiero se proyectó con base en la variación de la tasa bancaria actual en Colombia (Superintendencia financiera de Colombia, 2019), aunque es un valor aparentemente alto se considera preciso para la propuesta a ejecutar. Una vez establecida la pendiente, el interés y la demanda inicial se determina la relación correspondiente para evaluar el factor de sobrediseño (FSD) en la gráfica de capacidad. La tabla 8 presenta los valores de capacidad inicial, el FSD y el tiempo de la primera expansión de la planta. De esta manera, para una demanda inicial de 1093,308 toneladas anuales y con un factor de sobrediseño de 1,5, la capacidad de la planta para el año 2022 (primer año de funcionamiento) es de 1825,083 toneladas. Tabla 8. Capacidad inicial y tiempo de primera expansión de la planta.

FSD

1,5

Qi [kg/año]

1825083

Qi [t/año]

1825,083

texp [años]

7,5

2.2. UBICACIÓN DE LA PLANTA Respecto a la localización de un potencial proveedor de este compuesto, se evalúan las diferentes refinerías que hay en el país, y se opta por la refinería ubicada en Barrancabermeja, dado que se considera la más viable teniendo en cuenta el criterio de evaluación de localización estratégica de la planta. Sin embargo, en la tabla 9 se exponen los criterios tenidos en cuenta para ejecutar el método cualitativo por puntos, aunque cada criterio es subjetivo, se consideran adecuados debido a la literatura consultada. Ciudades como Medellín, Bogotá y Bucaramanga, aunque no poseen refinerías en su territorio eran posibles localidades debido a su estatus como capital, sin embargo, por facilidades de transporte, arriendo, posición estratégica, entre otros ítems, resulta mejor una ciudad con refinería por los costos de transporte.

Tabla 9.Factores para la ubicación del proyecto.

FACTOR F1

GRADOS Costo de Arriendo Grado 1: Muy costoso Grado 2: Costoso Grado 3: Poco Costoso

PUNTAJE 50 70 100

PONDERACIÓN 100

20%

90

5%

100

5%

100

30%

100

20%

100

5%

100

15%

690

100%

Infraestructura de Servicios F2

F3

F4

F5

F6

F7 TOTALES

Grado 1: Escasos Grado 2: Limitados Grado 3: Completos Costo de Servicios Grado 1: Muy costoso Grado 2: Costoso Grado 3: Poco Costoso Disponibilidad de materia prima Grado 1: Poca Grado 2: Buena Grado 3: Muy Buena Transporte de materias Grado 1: Muy costosos Grado 2: Costoso Grado 3: Poco Costoso Condición climática Grado 1: Baja Grado 2: Intermedia Grado 3: Alta Distribución de producto Grado 1: Mala Grado 2: Buena Grado 3: Muy Buena

35 60 90 40 75 100 15 40 100 40 60 100 50 80 100 40 70 100

Una vez determinado los criterios, establecido los puntos y consultadas las fuentes de información, se realiza la evaluación numérica de cada ciudad (Anexo). Factores como el costo de arriendo, disponibilidad de materia prima, transporte de materia y distribución de producto, fueron los que presentaron mayor influencia debido al porcentaje asignado. Analizando los resultados obtenidos del Anexo x., se obtiene que la zona con la mayor cantidad de puntos es Barrancabermeja y la zona con menor cantidad de puntos es Bogotá. Esto conlleva a decidir que la mejor zona para ubicar la planta es Barrancabermeja. Esta refinería cumple con los requerimientos de GLP para suplir la demanda de la planta a instalar, dado que su producción anual en el 2018 fue de 179.200.587 kg aproximadamente (GASNOVA, 2019). En la tabla 10 se evidencia un comportamiento de incremento estable de la oferta de GLP en la refinería de Barrancabermeja, de esta manera, esta zona argumenta su validez en la selección del método por puntos.

Tabla 10. Oferta de GLP en la Refinería de Barrancabermeja.

Tiempo [Semestres] 2017 - 1 2017 - 2 2018 - 1 2018 - 2 2019 - 1

Cantidad [kg] 84241737 67405446 94387706 84812881 54827516

Finalmente, con base en el precio del GLP, la refinería de Barrancabermeja ha disminuido el valor por kg de este compuesto en comparación con otras refinerías, no obstante, a nivel nacional se ha presentado una crisis respecto al precio de este. Esto representa una ventaja para el proceso de producción, y se representa en la tabla 11 de este modo, el GLP procedente de esta refinería es aparentemente viable para cumplir con el objetivo de producción. Tabla 11. Precios de GLP en diferentes refinerías.

Tiempo [meses]

Refinería de Barranca ($/Kg)

Mayo - 2019 Abril – 2019 Marzo – 2019 Febrero – 2019 Enero – 2019 Diciembre – 2018 Noviembre – 2018 Octubre – 2018 Septiembre – 2018 Agosto – 2018

Reficar ($/Kg)

800 816 830 834 858 957 1.320 1.382 1.287 1.217

1.071 1.095 1.075 1.091 1.144 1.254 1.598 1.640 1.544 1.420

2.3. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO (KAREN) La planta de oxidación de n-butano para la obtención de anhídrido maleico que se presenta en este trabajo está basado en diferentes estudios, primordialmente el realizado por Oliva (2017). El proceso se resume básicamente en cuatro etapas presente en la ilustración 8.

Preparación de alimentación

Reacción de oxidación catalítica.

Separación y recuperacion de anhídrido

Ilustración 8. Diagrama global del proceso de producción de anhídrido maleico.

Purificación de anhidrido

Cada etapa tiene diversas especificaciones que están establecidas a partir de diferentes investigaciones y fuentes de información, a continuación, se describen condiciones de operación de los diferentes equipos y corrientes principales.

1. PREPARACIÓN DE ALIMENTACIÓN Para este proceso existen 3 corrientes de alimentación al sistema: nitrógeno puro (corriente 4), n-butano (corriente 1) y oxígeno (corriente 9). Los flujos de alimentación son 111,6 kmol/h, 3,452 kmol/h y 21,3 kmol/h, respectivamente, las temperaturas de las corrientes son 300 °C, 200 °C y 229 °C, respectivamente y las presiones a las que operan son 150 kPa para todas.

2. REACCIÓN DE OXIDACIÓN CATALÍTICA Las principales reacciones involucradas en el proceso son:

𝐶4 𝐻10 + 3,5𝑂2 → 𝐶4 𝐻2 𝑂3 + 4𝐻2 𝑂 𝐶4 𝐻10 + 5,5𝑂2 → 2𝐶𝑂 + 2𝐶𝑂2 + 5𝐻2 𝑂 De acuerdo con las especificaciones de Oliva (2017), el reactor opera a 150 kPa y 438,1 °C, cumpliendo así con las condiciones de la patente estadounidense 4,668,802, en la cual se lleva a cabo la oxidación a temperaturas de 340450°C y a presiones de 0 psig-50 psig (6,9 kPa-344,73 kPa). De igual manera, Luciani et al. (2011) recomienda trabajar temperaturas de 350-450 °C, con el fin de no llegar al punto de inflamabilidad del hidrocarburo y de evitar la descomposición prematura del catalizador. La alimentación del reactor (corriente 3) es una mezcla de las corrientes 2 y 27 que ingresa a 1222 kmol/h, 345,6°C y 150 kPa, contiene aproximadamente 97% n/n de nitrógeno y 3% n/n de n-butano (sin contar con la composición de la corriente 26). Al reactor también ingresa la corriente 10, referente a la corriente que oxida el catalizador, compuesta de 20% n/n oxígeno y 80% n/n helio, éste último es un gas inerte que no afecta la reacción principal y se recupera totalmente. Esta corriente ingresa a 21,3 kmol/h, 350 °C y 150 kPa.

El catalizador elegido para este proceso ha sido óxido de fósforo de vanadio (VPO), los óxidos de vanadio representan la clase de catalizador más importante en la oxidación de butano (Oliva, 2017). Los productos gaseosos del reactor (corriente 6) salen a 1246 kmol/h, 438,1 °C y 150 kPa. Después de la reacción, se usa un divisor de componentes con el objetivo de separar completamente el oxígeno en la corriente 6 (Oliva, 2017). 3. SEPARACIÓN Y RECUPERACIÓN DE ANHÍDRIDO MALEICO Del divisor de componentes sale la corriente 7 a 1235 kmol/h, 439,3 °C y 150 kPa, se enfría hasta 48,89 °C (corriente 12), pasa por una válvula donde presenta una caída de presión de 35 kPa y finalmente entra al absorbedor principal a 1235 kmol/h, 48,3°C y 115 kPa. El absorbedor es una columna de 12 platos que opera a 113,3 kPa y no presenta caída de presión. Siguiendo lo descrito por Oliva (2017), la alimentación de entrada de líquido (corriente 19) es ftalato de dibutilo que se mezcla con una corriente pura (corriente 15) y una de reciclo (corriente 18). La corriente 19 entra al absorbedor a 13560 kmol/h, 39,39 °C y 113,3 kPa. La corriente 14 está compuesta principalmente por nitrógeno, n-butano y en porcentajes más pequeños los productos de la oxidación secundaria. Esta corriente sale del absorbedor a 1221 kmol/h, 39,39 °C y 113,3 kPa, se recicla pasando por un compresor, un intercambiador (corriente 26) y se mezcla con la corriente 4. La corriente 13 contiene disolvente orgánico, anhídrido maleico absorbido y agua, sale de la torre de absorción a 13580 kmol/h, 39,52 °C y 113,3 kPa. Esta corriente entra en un divisor de componentes para recuperar el ftalato de dibutilo que sale por la corriente 17 a 13570 kmol/h, 39,44 °C y 113,3 kPa, se recicla y se mezcla con la corriente 15. Por la corriente 16 sale principalmente anhídrido maleico y agua a 121,4 kmol/h, 121,4 °C y 11,87 kPa.

4. PURIFICACIÓN DE ANHÍDRIDO MALEICO La corriente 16 entra en una torre de destilación que separa el anhídrido maleico (corriente 21) del agua (corriente 20) alcanzando una pureza de 98%. La corriente 21 sale a 2,167 kmol/h, 113,4 °C y 11,87 kPa.

2.4. DIAGRAMA PFD E-101

E-102

C-101

R-101

Intercambiador Intercambiador Compresor de calor de calor

E-103

V-101

Reactor

Separador

T-101

T-101

V-102

Intercambiador Torre de de calor absorción

Separador

Torre de destilación corta

3452 34520

22

39,39

31070

113,3

73,37 350 1

23

31310

150

14

24

25 C-101

E-104

3742000

3766000

39,45

39,44

17

348,5 300

8

26

18 23720 30

3766000

113,3

39,39

15

35320

19

438,1 150

3126

345,5

150

27

4

NITRÓGENO

6

34430

300

V-101

34630 345,6

48,13

34970

3

11

7

227,1

115

48,89

439,3

12

37,65

T-101

200,6 150

N-BUTANO

350 1

1 681,5 229

13 V-102

121,4 11,87

350 1

10

9

AGUA

113,3

436

E-101

150

OXÍGENO

R-101

2

20

39,52

E-103

200

6,66 3766000

16

E-102

209

T-102

CÓDIGOS Presión (kPa) Temperatura (°C) Flujo másico (Kg/h)

113,4

21

ANHÍDRIDO MALEICO

2.5. BALANCES DE MASA Y ENERGÍA (YO) 2.5.1. BALANCES DE MASA Para mayor comodidad en el momento de realizar los cálculos se opta por realizar balances de masa a partir del balance molar y multiplicando finalmente por los pesos moleculares de las sustancias. Se parte de que se desea obtener 2,1238 kmol/h de Anhidrido Maleico con un porcentaje de pureza de 98%, teniendo en cuenta que en el reactor ocurren dos reacciones con una conversión de 30,2%. BALANCE GLOBAL Teniendo en cuenta las dos reacciones del proceso. 𝐶4 𝐻10 + 3,5𝑂2 → 𝐶4 𝐻2 𝑂3 + 4𝐻2 𝑂 𝐶4 𝐻10 + 5,5𝑂2 → 2𝐶𝑂 + 2𝐶𝑂2 + 5𝐻2 𝑂 Balance por componentes N-butano:

𝑁𝐶22 = 𝑁𝐶14 𝐻10 − 𝑟1 − 𝑟2 4 𝐻10

Nitrógeno:

𝑁𝑁222 = 𝑁𝑁42

Oxigeno:

𝑁𝑂82 = 𝑁𝑂92 − 3,5𝑟1 − 5,5𝑟2

Anhídrido Maléico:

𝑁𝐶20 + 𝑁𝐶21 = 𝑟1 4 𝐻2 𝑂3 4 𝐻2 𝑂3

Agua:

𝑁𝐻202 𝑂 + 𝑁𝐻212 𝑂 = 4𝑟1 + 5𝑟2

Monóxido de Carbono:

22 𝑁𝐶𝑂 = 2𝑟2

Dióxido de Carbono:

22 𝑁𝐶𝑂 = 2𝑟2 2

Relaciones: Conversión:

𝑟1 = (1 − 0,302) ∗ 𝑁𝐶14 𝐻10

EQUIPOS •

T-102

Ilustración 9. Torre de destilación simple T-102

Balance global: 𝑁 21 = 𝑁16 − 𝑁 20 Balance por componentes: Anhídrido Maléico:

𝑁𝐶21 = 𝑁𝐶16 − 𝑁𝐶20 4 𝐻2 𝑂3 4 𝐻2 𝑂3 4 𝐻2 𝑂3

Agua:

𝑁𝐻212 𝑂 = 𝑁𝐻162 𝑂 − 𝑁𝐻202 𝑂

Relaciones: 𝑁𝐶21 4 𝐻2 𝑂3 𝑁𝐻212 𝑂

=

0.98 0.02

𝑁𝐶21 = 0,9 ∗ 𝑁𝐶16 4 𝐻2 𝑂3 4 𝐻2 𝑂3 •

V-102

Ilustración 10. Separador de componentes V-102.

Balance global: 𝑁16 = 𝑁13 − 𝑁17 Balance por componentes: N-butano:

𝑁𝐶17 = 𝑁𝐶13 4 𝐻10 4 𝐻10

Nitrógeno:

𝑁𝑁172 = 𝑁𝑁132

Anhídrido Maléico:

𝟏𝟑 𝑵𝟏𝟔 𝑪𝟒 𝑯𝟐 𝑶𝟑 = 𝑵𝑪𝟒 𝑯𝟐 𝑶𝟑

Agua:

𝑁𝐻162 𝑂 = 𝑁𝐻132 𝑂

Monóxido de Carbono:

17 13 𝑁𝐶𝑂 = 𝑁𝐶𝑂

Dióxido de Carbono:

17 13 𝑁𝐶𝑂 = 𝑁𝐶𝑂 2 2

•

T-101

Ilustración 11.Torre de Absorción T-101.

Balance global: 𝑁13 = 𝑁12 + 𝑁19 − 𝑁14 Balance por componentes: N-butano:

𝑁𝐶13 = 𝑁𝐶12 + 𝑁𝐶19 − 𝑁𝐶14 4 𝐻10 4 𝐻10 4 𝐻10 4 𝐻10

Nitrógeno:

𝑁𝑁132 = 𝑁𝑁122 + 𝑁𝑁192 − 𝑁𝑁142

Anhídrido Maléico:

𝑁𝐶13 = 𝑁𝐶12 4 𝐻2 𝑂3 4 𝐻2 𝑂3

Agua:

𝑁𝐻132 𝑂 = 𝑁𝐻122 𝑂

Monóxido de Carbono:

13 12 19 14 𝑁𝐶𝑂 = 𝑁𝐶𝑂 + 𝑁𝐶𝑂 − 𝑁𝐶𝑂

Dióxido de Carbono:

13 12 19 14 𝑁𝐶𝑂 = 𝑁𝐶𝑂 + 𝑁𝐶𝑂 − 𝑁𝐶𝑂 2 2 2 2

•

R-101

Ilustración 12. Reactor R-101.

Balance por componentes: N-butano:

𝑁𝐶64 𝐻10 = 𝑁𝐶34 𝐻10 − 𝑟1 − 𝑟2

Nitrógeno:

𝑁𝑁62 = 𝑁𝑁32

Oxigeno:

𝑁𝑂62 = 𝑁𝑂102 − 3,5𝑟1 − 5,5𝑟2

Anhídrido Maleico:

𝑁𝐶64 𝐻2 𝑂3 = 𝑟1

Agua:

𝑁𝐻62 𝑂 = 4𝑟1 + 5𝑟2

Monóxido de Carbono:

6 3 𝑁𝐶𝑂 = 𝑁𝐶𝑂 + 2𝑟2

Dióxido de Carbono:

6 3 𝑁𝐶𝑂 = 𝑁𝐶𝑂 + 2𝑟2 2 2

Relaciones:

Relación molar:

Corriente 3:

Conversión:

Selectividad:

•

V-101

10 𝑁𝑂 2

𝑁𝐶34 𝐻10 3 𝑁𝑁 2

𝑁𝐶34 𝐻10

= 2.34

0.97

= 0.03

𝑁𝐶64 𝐻10 = (1 − 0,302) ∗ 𝑁𝐶34 𝐻10 𝑁𝐶64 𝐻2 𝑂3 0,302∗𝑁𝐶34 𝐻10

= 0,857

Ilustración 13. Separador de componentes V-101.

Balance global: 𝑁7 = 𝑁6 − 𝑁8 Balance por componentes: N-butano:

𝑁𝐶74 𝐻10 = 𝑁𝐶64 𝐻10

Nitrógeno:

𝑁𝑁72 = 𝑁𝑁62

Oxigeno:

𝑁𝑂82 = 𝑁𝑂62

Anhídrido Maléico:

𝑁𝐶74 𝐻2 𝑂3 = 𝑁𝐶64 𝐻2 𝑂3

Agua:

𝑁𝐻72 𝑂 = 𝑁𝐻62 𝑂

Monóxido de Carbono:

7 6 𝑁𝐶𝑂 = 𝑁𝐶𝑂

Dióxido de Carbono:

7 6 𝑁𝐶𝑂 = 𝑁𝐶𝑂 2 2

•

MIX-100

Ilustración 14. Mezclador MIX-100

𝑁 3 = 𝑁 2 + 𝑁 27 Balance por componentes: N-butano:

𝑁𝐶34 𝐻10 = 𝑁𝐶24 𝐻10 + 𝑁𝐶27 4 𝐻10

Nitrógeno:

𝑁𝑁32 = 𝑁𝑁272

Monóxido de Carbono:

3 27 𝑁𝐶𝑂 = 𝑁𝐶𝑂

Dióxido de Carbono:

3 27 𝑁𝐶𝑂 = 𝑁𝐶𝑂 2 2

•

MIX-101

Ilustración 15. Mezclador MIX-101

𝑁 27 = 𝑁 4 + 𝑁 26 Balance por componentes: N-butano:

𝑁𝐶27 = 𝑁𝐶26 4 𝐻10 4 𝐻10

Nitrógeno:

𝑁𝑁272 = 𝑁𝑁262 + 𝑁𝑁42

Monóxido de Carbono:

27 26 𝑁𝐶𝑂 = 𝑁𝐶𝑂

Dióxido de Carbono:

27 26 𝑁𝐶𝑂 = 𝑁𝐶𝑂 2 2

•

MIX-102

Ilustración 16. Mezclador MIX-102

𝑁19 = 𝑁18 + 𝑁15 Balance por componentes: N-butano:

𝑁𝐶19 = 𝑁𝐶18 4 𝐻10 4 𝐻10

Nitrógeno:

𝑁𝑁192 = 𝑁𝑁182

Monóxido de Carbono:

27 26 𝑁𝐶𝑂 = 𝑁𝐶𝑂

Dióxido de Carbono:

27 26 𝑁𝐶𝑂 = 𝑁𝐶𝑂 2 2

•

TEE-102

Ilustración 17. Venteo TEE-100

𝑁 22 = 𝑁14 − 𝑁 23 Balance por componentes: N-butano:

𝑁𝐶22 = 𝑁𝐶14 − 𝑁𝐶24 4 𝐻10 4 𝐻10 4 𝐻10

Nitrógeno:

𝑁𝑁222 = 𝑁𝑁142 − 𝑁𝑁242

Monóxido de Carbono:

22 14 24 𝑁𝐶𝑂 = 𝑁𝐶𝑂 − 𝑁𝐶𝑂

Dióxido de Carbono:

22 14 24 𝑁𝐶𝑂 = 𝑁𝐶𝑂 − 𝑁𝐶𝑂 2 2 2

Relaciones: 𝑁𝐼22 = 0.1 ∗ 𝑁𝐼14 2.5.2. BALANCES DE ENERGÍA Los equipos que requieren energía en el proceso son los intercambiadores y el compresor, a continuación, se presentan los balances energéticos de estos equipos. Estos Balances se realizan basados en las simulaciones de HYSYS para la obtención de datos como las entalpias molares de las sustancias a las temperaturas trabajadas. Se tiene en cuenta las siguiente Ecuación para el balance: 𝑄 = 𝑁 𝑖 (ℎ2 − ℎ1 ) Tabla 12. Calor requerido intercambiadores

INTERCAMBIADOR E-101 E-102 E-103 E-104

FLUJO MOLAR [kmol/h]

Tin [°C]

Tout [°C]

200 200 439,3 73,37

350 350 48,89 350

3,04269341 21,33532189 330,686305 216,6841808

Para el compresor se realiza el siguiente balance:

h1 [kJ/kmol] -105200 6152 5954 -2546

h2 [kJ/kmol] -81550 9992 -6285 5968

Q [kJ/kmol] 71959,6991 81927,6361 -4047269,69 1844849,12

𝑄 = 𝑁 25 ∗ (ℎ2 − ℎ1 ) Tabla 13. Calor requerido por el compresor

COMPRESOR E-101

FLUJO MOLAR [kmol/h]

Pin [kPa]

216,6841808

Pout [kPa]

113,3

150

h1 [kJ/kmol]

h2 [kJ/kmol]

-3569

Q [kJ/kmol]

-2558 219067,707

Como se puede observar los flujos de energía difieren con los simulados, esto se debe a una variación en los flujos molares de las corrientes.

2.6.

DIMENSIONAMIENTO DE EQUIPOS

Reactor catalítico R-101 El reactor catalítico es el equipo más importante del proceso, porque es donde ocurre la transformación del nbutano en anhídrido maleico, el diseño de este equipo se realizará considerando la mezcla perfecta y suministrada de manera continua, es importante señalar que el catalizador determina la actividad cinética del proceso. Los balances de masa y energía se presentan a continuación: 𝑉=

𝑇=

𝐹𝐴𝑜 ∗𝑋 −𝑟𝐴

Donde −𝑟𝐴 = 𝑘𝐶𝐴 y 𝐶𝐴 =

𝐶𝐴𝑜 (1−𝑥)𝑇𝑜 (1+𝜀𝑥) 𝑇

𝑥[−∆𝐻°𝑟𝑥 ]+∑ 𝜃𝑖 𝐶𝑝𝑖 𝑇𝑜 +𝑥∆𝐶𝑝𝑇𝑟 ∑ 𝜃𝑖 𝐶𝑝𝑖 +𝑥∆𝐶𝑝

(1)

(2)

La ecuación (1) define el volumen de un reactor a partir del balance de masa, y la (2) relaciona la temperatura en función de las variables termodinámicas de capacidad calorífica, conversión y entalpia de reacción, a partir de estos conceptos se llevará a cabo el diseño del reactor. Los datos que se requieren para estos cálculos se presentan en la tabla 12. Tabla 14. Valores de propiedades fisicoquímicas tomados de diversas fuentes.

Variable Conversión Constante de actividad catalítica Energía de activación Entalpia de reacción Area superficial de catalizador Densidad Porosidad

Valor 0,302 0,692mol*s-1*kgCat-1*MPa-1 62,2 kJ*mol-1 1266kJ*mol-1 20m2 *g-1 800kg*m-3 0,3

Referencias Brandstader et al, 2005 Brandstader et al, 2005 Brandstader et al, 2005 -

Los datos asociados a propiedades termodinámicas fueron tomados de las investigaciones presentadas por De Marco et al, 2012, y con esto se pudo calcular el volumen y perfil de temperatura en función de la conversión. Posteriormente se realizó el dimensionamiento a partir de criterios presentados por Arroyo y Butrón, 2013, el reactor se diseña a partir de varios tubos contenidos en su interior donde tienen dos secciones de lechos empacados con catalizador VPO, el tipo de tubería seleccionado es “tubería de cédula” fabricado bajo normas ASTM A312 y ANSI B36-19 según el catálogo de JNaceros. La tabla 13 especifica mejor las dimensiones y variables del reactor y la ilustración (1x) expondrá la distribución y forma que se propone para el reactor catalítico. Dentro del contexto del dimensionamiento del reactor, es importante aclarar que la capacidad volumétrica fue diseñada a partir del flujo de oxígeno y la cantidad de catalizador es calculada en base a la cantidad de n-butano que ingresa, porque este reactivo es el de mayor valor económico.

Tabla 15.Parámetros de diseño de reactor catalítico.

Variable Volumen del reactor Altura Área transversal Masa de catalizador Cantidad de Tubos internos Diámetro nominal Longitud de tubos internos Masa de catalizador por tubo Longitud de empaque Material de tubos internos y reactor

Dimensión 2,63 m3 2m 1,32 m2 759 kg 22 10 NPS 1,5 m 34,5 kg 76 cm Acero al carbono ASTM A312 y ANSI B36-19

Ilustración 18. Dimensionamiento de reactor catalítico para transformación de n-butano en anhídrido maleico. Fuente: Los autores.

Dimensionamiento de intercambiadores de calor Los intercambiadores utilizados en el proceso son usados para el calentamiento de corrientes para llevar a cabo la reacción, los datos expresados en la simulación y balances de masa y energía para estos equipos se expresan en la tabla 14. Tabla 16. Datos de operación de intercambiadores básicos.

Intercambiador

Temperatura entrada

Temperatura salida

Calor transferido Q

E-101

200°C

350°C

81700kJ/h

E-102

229°C

350°C

81800kJ/h

E-103

439,3°C

48,8°C

15116000kJ/h

E-104

73,37°C

350°C

9425000kJ/h

Los anteriores datos no brindan información acerca del fluido que se requiere para calentarlos o enfriarlos, por tanto, es necesario proceder a simular un intercambiador de tubos y carcaza en Hysys para poder dimensionar flujo y temperaturas de este fluido, por heurística se selecciona vapor de agua sobrecalentado, porque el rango de temperatura de calentamiento es muy alto, mientras que para el enfriamiento se escoge agua a temperatura ambiente.

Ilustración 19. Simulación de intercambiador de tubo y carcasa

La simulación permite determinar las condiciones de operación del fluido caliente que se propone, y se obtiene lo siguiente: Tabla 17. Datos de fluido caliente o frio de intercambio obtenidos por simulación.

Intercambiador

Temperatura ent.

Temperatura sal.

Flujo másico

E-101

500°C

370,5 °C

300kg/h

E-102

500°C

370 °C

300kg/h

E-103

25°C

43,08°C

200000kg/h

E-104

500°C

388,3°C

40000kg/h

Una vez se obtienen estos datos se procede a realizar el dimensionamiento del área de trasferencia de calor requerido al interior del intercambiador de tubos y carcasa mediante el método de la temperatura media logarítmica que se expone en la ecuación (3) y luego con la ecuación (4) se calcula el área. ∆𝑇𝑀𝐿:

∆𝑇1 −∆𝑇2 𝐿𝑛(

(3)

∆𝑇1 ) ∆𝑇2

𝑄 = 𝐴 ∗ 𝑈 ∗ ∆𝑇𝑀𝐿

(4)

La ecuación 4 presenta la variable U que es el coeficiente de transferencia de energía global, este depende del material y diseño del intercambiador, Burbano, 2014 presenta una investigación de elaboración de un intercambiador de tubos y carcasas, estima que el valor promedio del coeficiente U es de 2645,0136 W*m-2*°C-1 para tubos elaborados en cobre con conductividad térmica de 0,6366 W*m-1*°C-1, a partir de estos datos se procede a calcular el dimensionamiento de los intercambiadores. Las dimensiones de los tubos de intercambio de calor se toman a partir del catálogo NACOBRE, el cual da la medida de diámetro y longitud que se disponen en el mercado para elaborar equipos. Tabla 18. Datos de especificación de dimensionamiento de intercambiadores

Intercambiador

Área transferencia

Diámetro

Longitud

N. tubos

E-101

0,0530 m2

0,019393m

0,5 m

2

E-102

0,0589 m2

0,019393m

0,5 m

2

E-103

11,9744 m2

0,099187m

3,5 m

11

E-104

4,4513 m2

0,099187m

3,5 m

4

Dimensionamiento de torre de absorción T-101

La torre de absorción dentro de la planta de producción cumple la función de separar el anhídrido maleico y el agua presente en el efluente gaseoso que sale del reactor, para luego purificar el producto. La descripción del proceso sugiere el uso de ftalato de dibutilo como solvente. La simulación en Hysys y los balances permite establecer flujos másicos y otras variables del equipo presentadas en la tabla (4x). Tabla 19. Valores reportados por la simulación.

Variables

Valor

Flujo molar solvente

239,9 kmol/h

Flujo molar gas

111,4 kmol/h

Temperatura

93,91°C

Presión

115kPa

L/Gmas

20,33

L/Gmolar

2,154

Numero de etapas

12

El dimensionamiento de la torre de absorción consta de calcular el diámetro, altura y selección de plato, para esto se ha seleccionado el método propuesto por Treybal. El procedimiento se basa en proponer un tipo de plato y longitud de espaciamiento para calcular los conceptos anteriormente mencionados, luego verificarlos mediante relaciones planteadas. La selección del plato se hace según la tabla 6.2 del Libro de operaciones de transferencia de masa, Treybal; Diámetro de orificio: 6 mm, Espesor: 3,2mm, Material: Acero inoxidable, Distancia entre orificios: 3,175 cm y un espacio de distanciamiento entre platos de t=0,5m. Tabla 20.Variables de dimensionamiento obtenidas por método de Treybal.

Variables

Valor

Parámetro de flujo

0,6568

Coeficiente de inundación

0,067

Velocidad de flujo de gas (inundación)

2,086 m/s

Porcentaje de velocidad inundación

80%

Velocidad de operación de gas

1,688 m/s

Área neta de la torre

0,4921 m2

Área total de la torre

0,5396 m2

Diámetro

0,82 m

Altura

6m

La tabla (5x) define los parámetros de dimensionamiento de la torre de absorción a partir del plato seleccionado y separación entre estos, por último se procede a evaluar los criterios planteados por Treybal para el correcto funcionamiento de la torre sin problemas con la ecuación (5) y la tabla de especificación donde se comprueba si el espaciamiento es el adecuado respecto al diámetro calculado. 1 ≤ V(𝜌𝑔 )2 ≤ 3 V(pg)2=1,751

(5)

Ilustración 20. Evaluación de rangos de diámetro respecto a espaciamiento seleccionado

La selección de plato y espaciamiento son adecuadas para el proceso, por tal motivo la torre de absorción se dimensiona según los valores mostrados anteriormente. Dimensionamiento de torre de destilación T-102 El dimensionamiento de la torre de destilación se lleva a cabo mediante una aproximación conceptual al comportamiento de una torre de absorción de platos, para esto se toma todas las variables establecidas y se procede a evaluar los diferentes espaciamientos t establecidos en la ilustración 2x para calcular el diámetro.

Diámetro m

Diámetro en función del espaciamiento 1,5 1,45 1,4 1,35 1,3 1,25 1,2 1,15 0,45

0,55

0,65

0,75

0,85

0,95

Espaciamiento m Ilustración 21. Grafica de diámetro evaluado a diferentes espaciados.

La ilustración 3x permite visualizar que el único espaciamiento apto para las condiciones de la torre de destilación es 0,6 m con un diámetro de 1,37 m, además, la simulación en Hysys determina la cantidad de etapas. Tabla 21. Variables de dimensionamiento de torre de platos de destilación

Variables

Valor

Área total de la torre

1,47m2

Etapas

3

Diámetro

1,37 m

Altura

1,8 m

2.7. SIMULACION DE EQUIPOS Ver Anexos. ANEXOS MEMORIAS DE CALCULOS: BALANCES, DIMENSIONAMIENTOS, SIMULACIONES. CONCLUSIONES El Anhídrido maleico, un compuesto intermedio en las largas cadenas de manufactura de productos, presenta unas características interesantes para mejorar las propiedades de algunos compuestos. Dinámicas generadoras de una propuesta industrial que permita realizar una primera evaluación sobre la viabilidad de esta con los estudios realizados. El estudio de mercado evidenció la demanda potencial y oferta inexistente en el territorio nacional, en donde se obtuvo un valor de 5466,54 t y de 5660,68 t requeridas para el primer y tercer año de funcionamiento respectivamente. Sin embargo, como se pretende desplazar un 20% del mercado, la demanda solicitada en su momento es de 1093,31 t y 1132,13 t para los mismos años. Por otra parte, el análisis realizado a la materia prima conllevo a seleccionar el GLP como el compuesto adecuado para ser el portador de n-butano reactivo para el proceso de producción. Como el mercado está dominado por las importaciones, el precio y comercialización del AM es influenciado directamente por el precio del dólar, y como en los últimos años este ha presentado un alza en su valor, se puede convertir en una ventaja para la planta en cuestión, ya que los precios del AM dependerían de la inflación colombiana, materia prima y no de variación monetaria extranjera. Las estrategias de comercialización serán con base en la relación fabricante – fabricante como canal de distribución y de los requerimientos que sean exigidos por el consumidor, no obstante, la presentación del AM será en sacos de 25 kg para su venta normal. En el estudio técnico se determinó la capacidad inicial a instalar en la planta dependiendo de la demanda requerida para el primer año de funcionamiento (2022), la respectiva cantidad fue de 1825,08 toneladas por año, así mismo, el tiempo de la primera expansión se proyecta para el séptimo año. Estos procedimientos fueron ejecutados por el método de Rudd y Watson, el cual mediante un ajuste lineal considerable los datos proyectados son acordes a los históricos. Respecto a la localización de la planta, el método cualitativo por puntos fue el sistema seleccionado para determinar la

ubicación estratégica de la empresa. Algunos factores detallados en el análisis de materia prima realzado en el estudio anterior fueron vitales para ejecutar una evaluación coherente y con un porcentaje menor de subjetividad. La ciudad de Barrancabermeja con un ponderado de 89,25% en los criterios de evaluación y, según su producción anual de GLP fue seleccionada como la zona más probable para localizar la planta productora. Además, el estudio técnico presentó el proceso de producción más adecuado junto con la distribución de la planta con base en la capacidad instalada. Cada parámetro fue seleccionado según la literatura, los balances ejecutados y el software de simulación HYSYS., por último, el dimensionamiento se realizó siguiendo las heurísticas arraigadas. Finalmente, el estudio de mercado y el estudio técnico son herramientas analíticas y matemáticas que presentan unas primeras aproximaciones a afirmar o negar la factibilidad de una propuesta, sin embargo, hasta este momento no se han tenido en cuenta índices económicos como TIR, VPN, entre otros; con los estudios realizados es imposible formular conclusiones sobre la viabilidad del proyecto, es necesario ejecutar un estudio financiero para cumplir con ello. Como se mencionó en el estudio de mercado, la propuesta de radicar la primera compañía de producción de Anhídrido Maleico en Colombia sigue siendo atractiva e interesante con base en los requerimientos técnicos y de mercadotecnia establecidos.

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