UNIVERSIDAD AUTONOMA METROPOLITANA IZTAPALAPA

CIENCIAS BASICAS E INGENIERIA

I . P . H

LABORATORIO DE PROCESOS Y DISEÑO DE PROCESOS

REPORTE TERMINAL ,J

SINTESIS DEL CATALIZADOR FOSFATO DE VANADILO

PROFES0R:ING. URIiEL ARECHIGA VIRAMONTES

ASES0R:DR. TOMAS VIVEROS GARCIA

ELABORARON:

SALMERON CARDENAS, LAURA OLIVIA

ZAMORA HERNANDEZ ARACELI -...

L

INDICE .

‘7

TEMA

PARTE I ......................................... 1-7

1. i.Usos Principales

1.2. Consumidor principal

1.3.Volumen actual y potloncial

1.4.Materias primas. ........................... . 3

1.5.Reaccionec importantes.. ................... . 4

1.6.Capacidad a instalar. ...................... .6

1.7.A. Inversión f i j a

1.7. B. Capital de t rabajo

1.7.C.Monto de la inversitjn

1.8. Personal

1.9.Costo de producción.. ...................... .7

1.lO.Ganancia anual

PARTE I 1 ........................................ 8-13

2.1.Propiedades f isicas y quimicas.. ........... .8

2.2.Proceco de obtención.. ..................... .9-12

2.3.Diagrama de flujo del

proceso seleccionado.. ................... .13

PARTE 111.. ................................... .14-17

3.1.Antecedentes y proyecciones ............... .14-15

3.2.1.Ucos.. .................................. .16

3.2.2.Usuarios

3.3.Sustitutos y cucedaneos

3.4.Capacidad de la planta

3.5.Ubicación de la planta.. .................. .16-17

PARTE I V . . ..................................... .18-23

4.1.Objetivo

4.2.Resultados.. .............................. .18-20

4.3.Rendimiento.. ............................. .21

4.4. Baseses de diseño.. ....................... .21-23

PAGINA

.

b

PARTE V ........................................ 24-38

5.1.Diagrama de f lujo

5.2.Diseño de equipo .......................... .2 5-26

5.3.Lista de equipo auxi1ia.r .................. .2 7-29

5.4.1. Bombas .................................. .3 0-31

5.4.2.Válvulas ................................. .3 2-34

5.4.3. Instrumentos de control

Controlador de temperatura ................ 35

Controlador de f lu jo ...................... 36

Tuberia ........................................ 37

5.5.Espacio necesario .......................... 38

PARTE VI ....................................... 39-40

Personal necesario

PARTE VI1 ..................................... .4 1-43

7.1.Versión f i j a

7.2.Capital de t raba jo ......................... 42

7.3.Tasa de retorno

7.4.Ganancia anual

APENDICE A .................................... .4 6-57

Resultados experimentales

APENDICE B .................................... .5 8-63

Bibliografia ................................... 64

I INTRODUCCION

El anhídrido maléico es un compuesto químico que se usa e n

la producción industrial de sustancias como son resinas de

poliést vr, resinas para revestimientos alquidicos, producción

de ácido fumárico, pesticidas, conservadores para aceites y

grasas, papel, resinas de prensado permanente,farmaceúticos,

fert i l izantes; en síntesis Diels-Alders, reacciones de

copoiimerización, etc. Por 101 tanto, la obtención de anhídrido

maléico es de interés a nivel industrial, y a que como se mencionó

es un producto que interviene en la síntesis de importantes

productos quimicos.

Los métodos de obtención de anhídrido maléico son reacciones

de oxidación catalí t ica clue involucra la presencia de

catalizadores complejos como fosfato de vanadio, combinado en

algunos casos con hierro,titania u otros componentes.Encontrar u n

catalizador que proporcione actividad y selectividad a anhídrido

maléico satisfactorias es un t rabajo que debe tener una especial

atención en el campo de la ingeníeria.

El anhídrido maléico fiié obtenido por primera vez por

Vauquelin en 1817, cuando sometió el ácido maléico,

HOOCCHOHCHzCOOH, a la destilación seca y resultó un sublimado

cristalino. Además del anhídrido maléico se obtuvo ácido maléico

y "paramaléico" (fumárico).

Weiss y Downs en 1920 descubrierón la oxidación catalí t ica en

f a se vapor del benceno para producir industrialmente el anhídrido

maléico. El catalizador representativo comprende VzO5 y Moo3 en

razones molares cercanas a 2 y una pequeña cantidad de

Na20,soportado en alúmina.La reacción se llevó a cabo en un

reactor multitubular de cama fija. La reacción es altamente

exotérmica.Normalmente se ha logrado de un 97-98% de conversión .y

una selectividad del 74%.

El procedimiento tradicional para la obtención de anhídrido

maléico es mediante la oxidación catalí t ica de benceno.

> C4HZ03 +4 HzO + 4 COZ 2 CbH5 + 9 0 2 -------_--__- v205

Todas las plantas para oxidación de benceno a anhídrido

maléico usan lechos f i jos multitubulares, la reacción se lleva a

cabo en un rango no explosivo.

1Jn nuevo proceso para manufactura de anhídrido maléico se h a

desarrollado con base en la oxidación catalltica en fase vapor de

n-butano, I-buteno o 2-buteino.Los catalizadorec empleados son

normalmente fosfato de vanadio, en algunos casos contiene hierro,

t i tania u otros elementos.

Recientemente los factores económicos y ambientales hacen

más atractivo el proceso medliante la oxidación de n-butano con

respecto a la oxidación del benceno.Estos factores son:

1.-El rápido incremento en los: precios del benceno comparado con

los precios del n-butano.

2.-La cantidad de benceno emitida al medio a disminuido,mientras

que la demanda de anhídrido maléico ha incrementado.

3.-EI desarrollo de mejores catalizadores para la obtención de

anhídrido maléico a par t i r de ri-butano.

Se ha puesto en marcha,por Amoco,una planta comercial para

obtener anhídrido maléico por oxidación catalí t ica de

n-butano.Este método ha sido desarrollado por varias compañias,

incluyendo Mitsubishi en Japón , Bayer y BASF en Alemania.

Mitsubishi pusó en operación una planta comercial en 1971.El

catalizador preferido es el pentóxido de vanadio u oxidos de

vanadio-fosforo.La ventaja es que la cama f luidizada opera

generalmente, a temperaturas fáciles de controlar y reactores

baratos de construir y de fácil mantenimiento.Una desventaja es

que el proceso opera dentro de rangos explosovos.

v-P-o > O H 2 0 3 + 8 H20 2 C4Hio + 7 0 2 -----_-------

LOS OXIDOS DE V A N A D I O FOSFORO 0'-P-O) tienen u n a aplicación

especial como catalizadores para la oxidación selectiva del

hidrocarburo de 4 carbonos a anhídrido maléico. Se presentan

diferentes fases dependiendo de la calcinación, de la naturaleza

de los precursores, de la atmosfera gaseosa durante la

calcinación y del contenido de fosforo.Algunas de las fases

I

existentes SOn:a-VOP04, P-VOPO4, (VO)ZP207, P - (VO)~P~O~,VO(PO~)Z ,

6-VOPO~,a-VOPO4,a-(VO)zPz07,etc.Mediante el uso de técnicas como

son espectroscopia de laser raman in s i t u se ha encontrado que la

fase p-Vop04 y (vo)ZPzO7 presentan estabilidad bajo condiciones

de oxidación de n-butano a anhícirido maléico.

e

PARTE I

RESUMEN Y CONCLUSIONES

EL PRODUCTO

1.1 .USOS PRINCIPALES

El p-VOPO4 es un catalizador usado en la producción de

anhídrido maléico a par t i r de la oxidación parcial de n-butano.Se

requiere esta f a se en especial dada su actividad y selectividad a

anhídrido maléico.

El catalizador puede ser utilizado para producir acroleina a

pa r t i r de la oxidación parcial de propileno,asi como para

producir ácido acrílico.Confor-me el contenido de fosforo se

incrementa en el V 2 0 5 la actividad a acroleina decrece, mientras

que la selectividad a ácido acríl.ico se incrementa.

D e las razones de P/V (fosforo/vanadio) depende la

selectividad del n-butano a anhídrido ma1éico;de propano a ácido

acrí1ico;de ácido metacrílico a metacroleina; de propileno a

acroleina. ácido acrílico,ácido acético y oxidos de carbono.

1.2.CONSUMIDOR PR INCIPAL

El principal consumidor del catalizador podría ser DERIVADOS

MALE1COS.Dado que esta compañia produce el anhídrido maléico

empleando el método tradicional.

1.3.VOLUMEN ACTUAL Y POTENCIAL

El volumen actual del catalizador esta dado por la

producción de anhídrido malkico en México sumado con las

importaciones del mismo.De acuerdo con la información obtenido

del Anuario Estadictico de la Industria Química Mexicana.ed. 1990. N0TA:Dado que el catalizador no se produce en el pals no fue

poslble determinar la cantidad en pesos.

Volumen actual (ToneladadAnuales)

Anhídrido maléico Cata1 izador

8,500 49.506

1

El volumen potencial esta dado por i a producción actual de

anhídrido maléico en el país.

Volumen potencial (Toneladas/Anualec)

Anhídrido maléico Catalizador

5,000 29.121

2

EL PROCESO

1.4.MATERIAS PRIMAS

Pk'NTOXIDO DE VANADIO. t'205. Peso molecular 181.884gr/grmol.

Polvo cristalino, amarillo Ó rojo; punto de fusión 69OoC;

descompone a 175OOC; soluble en ácidos y álcalis; poco soluble en

agua. Concentración máxima permiscible: polvo 0.5mg/mt3 y

vapbi es O.lmg/mtJ en aire.Es muy tóxico por inhalación

e ingestión.

PATOL0GIA.Irritante;puede inferir en el metabolismo de

ácidos aminosulf urados.

Sintomas generales. Produce malestar y pérdida de peso.

Sintomas 1ocales.Conjunt ivitis; irritación de l a piel;

renit is con estornudo y epistaxis.

Respiratorios:Dolor en el pecho; tos; aliento asmático;

bronquitis crónica.

Gastrointestinales.Aumento de salivación; coloración verde

de la lengua; náuseas y vómitos;, contracciones abdominales.

Sistema Nervioso Central. Dolor de cabeza.

Tratamiento.Lavado de ojos con agua; lavado gástrico si se

ha ingerido, seguido por un purgante salino.

Medidas Preventivas. Ventilación adecuada; ga fas protectoras;

r e fo rza r l a limpieza personal.

ACID0 O-FOSFORICO. H3P04. Peso molecular 98gr/grmol. Liquido

brillante, incoloro, inodoro ó sólido cristalino transparente,

depende de la concentración y temperatura.A temperatura de 2OoC

los ácidos de concentración 50 y 75% son liquidos móvibles, el

85% es de consistencia sirposa :y el del 100% se presenta en forma

de cristales; peso especifico 1.834 (18OC); punto de fusión

42.35OC; pierde 112 H20 a 213OC(para formar ácido pirofosfórico);

soluble en agua y en alcoho1;corrosivo para los metales f e r r i c o s

y a¿eaciones.Densidad d 1.874 (soln.100%) ; 1.685 (soln. 85%);

1.333 (soln. 50%).

25

3

Moderadamente tóxico por ingestión e inhalación. I r r i tante 3

para los ojos y la piel.Tolerancia lmg/mt en aire.

P r , duce conjuntivitis, quernaduras de la piel, irritación del

tract0 rtyspiratorio,náuseas y vómito, dolor abdominal y diarrea.

Tratamiento.Lavado de ojos con agua; lavado con agua y jabón

de las partes contaminadas; tratamiento ordinario de las

quemaduras de la piel; lavado gástrico si se ha ingerido.

Procure ventilación adecuada.

ALCOHOL BENCILICO. C6H5CHzOH. Peso molecular 108.13gr/grmol.

Liquido transparente con dédil olor; punto de ebullición 206OC;

punto de inflamación 96OC; dgo 1.0453; d4' 1.0415; indice de

refracción de 1.538-1.540.Algo soluble en agua; miscible en

alcohol, é ter , cloroformo.Temperaitura de autoignición 436OC.

Combustible, poco tóxico.

ALCOHOL ISOBUTILICO. (CH312CHCH20H. Peso molecular 74.12

gr/grmol.Liquido incoloro.Soluble en agua, alcohol y éter; punto

de ebullición 107OC; punto de inflamación 38OC (vaso abierto);

punto de fusión -108OC; indice de refracción 1.397 (15OC); punto

de autoignición 428OC; d15. 0.806.

Inflamable; riesgo de incendio peligroso. Moderadamente

tóxico; fue r t e i r r i tante para la piel y membranas mucosas; y

en a l t a s concentraciones, narcotico.Tolerancia IOOppm en el aire.

SUBPRODUCTOS

ALCOHOL ISOBUTILICO

1.5.REACCIONES IMPORTANTES

1.Reducción del vanadio

11. Adición de f osf oro

111. Calcinación

1.Reducción del vanadio.

La fuerza del agente reductor determiná el estado de

oxidación promedio de el precursor, (v2051, y juega un papel

importante en la determinación de la temperatura a l a cual el

catalizador debe de se r activado.

El uso de solventes orgán.icos puede llevar a l incremento del

área superficial seguido del mejoramiento catalítico.

1I:Adición de fosforo.

Al agregar fosforo al catalizador de óxido de vanadio

disminuye por lo general la actividad, pero se incrementa

la selectividad para la formación de anhídrido maléico desde

n-butano.Cuando el fosforo se presenta en razones P/V próximas ó

mayores que l a unidad el estado de oxidación +4 del vanadio se

estabiliza temperaturas a l tas tie calcinación en aire. El exceso de

fosforo exhibe este efecto d.e estabilización independientemente

s i es coprecipitado con e l ' componente de vanadio I mezclado

mecánicamente con un precursor el cual tiene una razón P/V menor

que l a unidad.

111. Calcinación.

Durante la calcinación se presentan transformaciones

quimicas,f isicas y f isicoquimicas,, tales como:

-Creación de textura , generalmente macroporosa, por destrucción ó

eliminación de las sustancias vóiatiles adicionadas.

-Modificación de textura por sinterización, es decir,

transformación de particulac o cristales pequeños aglomeradas de

mayor dimensión.

-Modificación de la estructura por sinterización, como resultado

de un transporte de materia por fusión.

-Reacciones quimicas de descomposición térmica, tanto de los

agentes activos como de los precursores.

Cuando la calcinación es menor de 380 C el exceso de fosforo

permanece en l a superficie como Poi3; a r r iba de esta temperatura

el fosforo en t r a al sólido para estabilizar el estado +4 por

reacción en estado sólido.

O

5

1.6.CAPACIDAD A INSTALAR

Tomando en cuenta el proyecto de ampliación de DERIVADOS

MALEICOS, se determinó la capacidad a instalar para la producción

del cata1 izador, que cubrirá dich.a demanda.

Capacidad (toneladac/anualesl

Anhídrido maleic0 Catalizador

30,000 134

1.7.A.INVERSION FIJA

Esta dada por l a suma total del costo del equipo de

proceso.

CFC= $ 6,740,526,000.00

1.7.B.CAPITAL DE TRABAJO

Se considera un 20% del l a inversión f i j a pa ra casos en los

que la materia prima y el equipo son costosos.En este caso se

utiliza equipo de acero inoxidable de alto costo.a

Cwc= $ 1,349,600,000.00

1.7.C.MONTO DE LA INVERSION

Es la suma de capitales f i j o y de trabajo.

CTC= $ 8,090,126,000.00

1.8.PERSONAL

Personal

Gerente Gral.

Gerente de vtas.

Contador

1ng.Quimico

Técnico

Secretaria

Obreros

Número

1

1

1

2

1

1

6

aDISEfiO Y ECONOMIA DE L O S PROCESOS UIMICOS DE LA ING QUIMICA GAEL D. U L R ~

6

1.9.COSTO DE PRODUCCION

Capacidad

(toneladas/anuaies)

Máxima

Media

Minima

1.lO.ClANANCIA ANUAL

Capacidad

(toneladas/anuales)

Máxima

Media

Minima

Costo de producción

(pesos/anuales 1 3,313,728,088.00

2,333,998,088.00

1,392,278,088.00

Ganancia

(pesos/anuales)

1,988,220,000.00

1,400,340,000.00

835,362,000.00

F'ARTE I1

EL PRODUCTO Y SUS CARACTERISTICAS

2.1.PROPIEDADES FISICAS Y QIJIMICAS DEL PRODUCTO

FOSFATO DE VANADiLO.p-I~OP04.Peco molecular 162gr/grmol. Polvo

de color amarillo, inodoro; poco soluble en agua,soluble en

ácidos fuer tes ( HC1, HzS04) empleando calentamiento.

Punto de fusión en el rango de 500-600°C con posible

descomposición.Area superficial 6.82 m /gr; contenido de vanadio

70.3 ppm, contenido de fosforo 1.55 ppm.

2

Estructura cristalina

Reacciona principalmente con el n-butano y 1-buteno para

producir anhídrido maléico. Y con el propileno para producir

acroleina.

n-butano a nhidr ido m a leico

Es muy activo a bajas temperaturas (310°C).Presenta una alta

selectividad (60%) con una baja conversión.

8

VOP0,rj

L

-. F'1 G. 2.7.

Muy irr i tante para las mucosas.Evitar aspirar el polvo.Se le

atribuyen propiedades corrosivas debido a la presencia del

vanadio y el fosforo.

2.2.PROCESO DE OBTENCION.

Existen varios métodos generales, de preparación del @-VOPO4.

I ) Fusión

11) Médio Acuoso

i) Evaporación

ii) Filtración

111) Médio Orgánico

Ademas cada uno de lo:; anteriores puede emplearse con

diferentes precursores agentes reductores, asi cmo diferente

temperatura y atmosfera de c:alcinación.Como se muestra en la

figura 2.P

9

n ? L

C - - C I.. C

I. a a

E - U v d

o - X a C c

u c O=

P

- U U 3 U I. n

3

1

4

O

3

B J u O n

O - ui d

e

x C c

a

B 0 U C

O

z V U

3 -0 &.

4

n

o, > - I? -Y

0 o m O N

N N

r - ’ &

x x C a a u %

- - - - v u e - .. .. N N . . - - x x 1 3 c c 0 0 L T c

10

J Ir a o 8 c1. E - v c

c a U n. ~

i n N I n i n

N c. o m

N N .- 9. Q

U 0 r

= 5 a m E C

O W

* in - o

c ln 0

Los métodos empleados en el laboratorio fuerón los

siguientes:

FUSION.La f a se fi-VOP04 se preparó por reacción estado sólido,

empleando como precursores al fosfato de arnonio monobásico

(NH4HzP04) y pentóxido de vanadio (VzOs). Los sólidos precursores

se pulverizan, y mezclan en proporciones estequiornetricas

apropiadas (P/V=l).La mezcla se transfiere a un crisol y se

calcina bajo un f lujo de oxigerio a 2OO0C por 4 hrs.El producto se

r e t i r a del horno y se homogeiniza por molienda, se regresa a l

horno y la temperatura se aumenta a 4000C por 4 hrs.; despues

se aumenta a 6OO0C por 12 hrs.La velocidad de enfriamiento fué de

40°C/hr.

MEDIO ACUOSO.

a)Se adicionó el VzO5 a l ácido láctico en agua y la

suspensión se ref luja con a.gitaciÓn constante por 16 hrs.Se

adiciona ácido fosforico al 85X y esta solución se ref luja por 4

hrs.El solvente se evapora agitando constantemente y el material

sólido resultante se calcina a 773'K por 16 h r s en aire.La

cantidad de ácido fosforico adicionada dependerá de la razón P/V

deseada.

b)Se disuelve el VzO5 en una solución de ácido oxálico

caliente, posteriormente se adiciona el fosfato de amonio

monobásico en cantidad esteqiiiométrica.Se enfria y se f iltra.El

producto se lava con agua y SE: seca con acetona.La calcinación se

lleva a cabo bajo un flujo de oxigeno a 500°C por 5 hrs.

c)El procedimiento es igu.al que a b),solo que la filtración

se sustituyo por evaporación.

M E D I O ORGANICO.

Se disuelve el V205 en alcohol isobutílico y alcohol bencílico.La

suspensión se agita constantemente y se ref luja por dos horas y

media.Se adiciona ácido fosforico a l 85% emulsificado en alcohol

isobutílico en cantidad necesaria para obtener l a razón P/V

requerida y se agita constantemente.La pasta resultante se seca a

11

6OoC por 5 hrs.El producto seco se calcina por aumento lento de

temperatura de 380 - 50O0C.La atmosfera de calcinación es aire.

Pa ra los métodos anteriores se prepararón catalizadores con

razones P/V de 0.9, 1, 1.1.

De las experiencias de laboratorio tenemos:

1.Cuando se utilizó el ácido láctico como agente reductor se

obtuvó una pasta pegajcsa difícil de manejar, además del

prDlongado tiempo de reacción (20 hrs) , por lo cuál se decidio

descartar ese método.

2. Empleando el ácido oxálico como agente reductor, se obtuvierón

pérdidas de producto a l separar por filtración y al calcinar.Por

lo que se decidio abandonar la filtración y adoptar la

evaporación (le1 solvente.

De l a caracterización del catalizador, preparado por medio

acuoso evaporando,fusión y medio orgánico se eligió el último y a

que este nos proporciona la mayor área superficial.Mientras que

los difractogramas muestran :más claramente la presencia de la

f a se /3 para una razón de P/V=l. *

Respaldados en la l i teratura aseguramos que con este

catalizador obtendremos l a actividad y selectividad deseada

* VER APENDICE A

12

2.3.DIAGRAMA DE FLUJO DEL PROCESO SELECCIONADO

ALCOHO BENCILICO ALCOHOL ISOBUTILICO

PENTOXICIO DE V A N A D I O

R E F L U J O CON A G I T A C I O N DURANTE 2 1 1 2 H R S .

E M U L S I O N A L C ISOBUTILICO ADICION DE LA EMULSION

ACIDO ;OSFORICO

SECADO DEL. PRODUCTO ----- >ELIMINACION DEL SOLVENTE

CALCINACION D E L PRODUCTO A 5 0 0 ’ C EN ATMOSFERA DE

AIRE DURANTE 5 HRS.

p - - v o p o 4

FOSFATO DE VANADILO

1 3

PARTE 111

ESTUDIO DE MERCADO

3.1.ANTECEDENTES Y PROYECCIONES

Los antecedentes y proyecciones se realizarán con base en la

producción de anhídrido maléico.

De los datos obtenidos del Anuario Estadistico de la

Industria Química Mexicana ed. 1990.Ver gráfica 3.1.

ARO CONSUMO APARENTE CONSUMO DE CATALIZADOR

DE ANHIDRIDO MA- (Tn/anual)

LEICO (Tn/anual)

1984

1985

1986

1987

1988

1989

1990

1991

1992

1993

4873

6019

494:3

6146

5494

7583

6500

8500

. 7000

9500

28.460

35.056

28.789

35.797

31.998

44.175

37.857

49.506

40.769

55.330

Los costos del catalizador no se incluyen,ya que este no se

produce en México.

Derivados Maléicos tiene un proyecto de ampliación a 30,000

Ton/anuales con el proposito de cubrir la demanda interna y de

exportar.Con base en este proyecto se realizó el diseño de la

planta pa ra la producción del catalizador,ya que con esto

aseguramos cubrir gran par te de la demanda de este para la

producción de anhídrido rnaléico.

14

Todo lo anterior, suponiendo que la tecnologia adoptada por

Derivados Maléicos empleará el n-butano y el catalizador

sintetizado.

- -_ -- MILES DE TOPIEiA[3bLS

8

?

6

6

0 4 84 85

1++1 PRODUCClON * @OPJSUMO APARENTE

GRAFTCA 3.1

3.2.USOS Y USUARIOS

3.2.1.usos

Las caracterist icas piropias del catalizador como

son:actividad y selectividad; lo hacen de uso especifico para la

producción de anhídrido maléico a par t i r de n-butano, sin embargo

de los datos de la l i teratura se sabe que los oxidos de vanadio y

fos foro , “VPO”, pueden ser usados para l a producción de los

siguientes productos:

-Acroleins de la oxidación parcial de propileno

-Acid0 acrílico de la oxidación parcial del propileno

-Acid0 metacrílico de la o x i d a c i h de metacroleina

-Acid0 acrílico de la oxidación cle propano

-Acid0 acético

3.2.2.USUARIOS

Se considera que el corisumidor principal del catalizador

se rá DERIVADOS MALEICOS, ya que el catalizador está sistetizado

para la producción de anhídrido maléico.

3.3. SUSTITUTOS Y SUCEDANEOS

Los posibles susti tutos del catalizador pueden ser:

-El pentóxido de vanadio.

-Los óxidos de vanadio y fosforo con algún promotor,como son

titania,zirconia y molibdeno.

3.4.CAPACIDAD DE LA PLANTA

Tomando en cuenta el proyecto de ampliación de DERIVADOS

I MALEICOS, se determinó, la capacidad de la planta para la

producción del catalizador.

Capacidad (Tn/anuales) 134.00

3.5.UBICACION DE LA PLANTA

La localización de la planta tiene fue r t e influencia en el

éxito de una industria.Se debe ser cuidadoso en la elección del

si t io,esta debe localizarse donde ei costo de producción y

16

distribución sean minimos ademhs de otros factores como son:

-Materia prima.El abastecimiento de la materia prima debe se r

relativamente cercano a la planta y de fácil acceso.

El abastecimiento de los alcoholes sera por par te de PEMEX;

el pentóxido de vanadio y el ácido o-fosforico se importarán de

E. U.

-Mercado.La cercania y el acceso al mercado es otro de los

factores que se debe considerar para la ubicación del proceso.El

mercado se localiza en los estados de Veracruz y Puebla.

-Disponibilidad de energia.

-Clima.El exceso de humedad c) extremos calientes o f r í o s pueden

tener serios efectos en la operación de la planta.

Se requiere de un clima no muy cálido debido al manejo de

los alcoholes ya que el alco'hol isobutílico tiene un punto de

inflamación de 38'C.Además se requiere que el producto permanesca

seco,por lo que se propone un sitio con humedad minima.El clima

más adecuado es uno templado, donde el mes más f r í o presenta una

temperatura mayor a -3'C y menor a 18'C.

Los climas templados en México y aquellos con un volumen

anual de lluvias entre 500-1000mc,son los siguientes:

- ,Pueb¿ a

-Tiaxca¿a

-Parte de Michoacan

-Ja¿ isco

-Guana juato

-Hida¿ go

Por lo tanto estos son los posibles lugares de ubicación de la

planta.

17

PARTE IV

TRABAJO DE: INVESTIGACION

4.1.0BJETIVO

El proposito del proyecto fue sintetizar el catalizador

f osf ato de vanadilo$-VOP04,ya que %;te presenta caracterist icas

propias de selectividad y a.ctividad, que lo hacen de uso

especifico para la producción de anhídrido maléico, a par t i r de

n-butano.

4.2.RESULTADOS Los resultados prtsentados a continuación comprenden el

método seleccionado,es decir,rnedio orgánico y razon P/V=l.El

res to de los resultados de los demás métodos y razones realizados

se muestran en el apéndice A.

Area superficial 6.82

( m /gr de catalizador) 2

Contenido de vanaclio

(PPm)

Contenido de fosforo

(PPm)

70.3

1.55

18

DIFRACCION DE RAYOS X

20

11.9

17.1

18.6

19.2

20.3

22.4

22.8

24.1

25.6

26.3

28.1

28.8

29.1

30.0

31.6

34.0

34.5

39.6

40.9

41.5

45.5

46.3

d(%

7.437

5.185

4.770

4.623

4.375

4.152

3.900

3.693

3.480

3.315

3.176

3.100

3.069

2.979

2.831

2.637

2.600

2.276

2.206

2.176

1.994

1.961

Intensidad(%)

49.00

25.49

9.80

27.45

2.90

5.80

6.86

7.84

19.60

100.00

17.65

31.21

70.58

19.60

14.70

5.88

2.94

4.90

7.84

6.86

6.86

12.74

19

PRUEBA DE ACTIVIDAD

La prueba de actividad se re.alizÓ para l a oxidación parcial de

propileno a acroleina. Se emplearon diferentes temperaturas y

razones de propileno/oxigeno (c3/02); obteniendo los siguientes

resultados:

c3/02 = 0.6

Temperatura

(OC)

340

370

400

430

c3/02 = 1.14

340

370

400

430

c3/02 = 3.43

340

370

400

430

c3/02 = 5.70

340

370

400

430

N0TA:La prueba de

% De conversión

-----

3.9

7.0

20. o

-----

1.55

3.13

9.41

3.7

4.99

5.77

10.95

0.95

6.30

11.02

12.23

% De rendimiento

de acroleina ---- -----

14.24

9.72

-----

1.29

6.87

6.70

----

O. 60

2.29

4.65

actividad no se real izo con el n-Butano, ya que

no se cuenta con el equipo necesario.

4.3.RENDIMIENTO

El rendimento se basa en el catalizador sintetizado por el

método de medio orgánico y razón P/V. = 1.

v2oS + CbHSCHZOH + (CH3)2CH2OH + 2H3P04 ------- > 2p-VOP04 +. . . 1 1 REFLUJO

2)CALCINACION

Pa ra la razón P/V=1

v205 C7H80 C3H90 H3P04

mígrl 5.000 16.922 6.903 5.386

PM

(gr/grmol) 181.884 74.12 108.130 98.000

n

ígrmol) O. 027 O. 228 O. 064 O. 055

Por lo tanto el reactivo limitante es el VzOs -

4 "&VOPO

n v o 2 5

n =2nv o =O. 055 p-VOPO

4 2 5

m =O. 055grmol * 162gr/grrnol=8.9gr p-VOPO4

Entonces la masa teorica del S-VOP04 es 8.9gr, mientras que la

masa real es de 7.72gr.por lo que el rendimiento es el siguiente:

RENDIMIENTO = (6.72 / 8.9) * 100 % = 75.5 %

4.4.BASES DE DISEÑO

Para el diseno del reactor calculamos un factor de

escalamiento con base en el volumen ocupado por los reactantes p l a cantidad de producto obtenido.

Los requerimiento de anhídrido maléico a futuro serán de

30,000 Tnlanuales, lo que implica un consumo anual de 134

Tnlanuales de catalizador.Entonces se requiere una producción de

367.12kg de catalizador al día.

A nivel laboratorio:

21

Volumen ocupado por los reactantes = 40 ml

Masa del producto sin calcinar := 8.4 gr

Masa dcl catalizador = 6.72 gr

R e q u e r imi entos del catallzdor a nivel industr La 1 - FACTOR DE ESCALAMIENTO =

Masa del catalizador a nivel laboratorio

FACTOR DE ESCALAMIENTO = 43,704.762

Entonces el volumen del reactor para dicho requerimiento es el

siguiente:

Volumen = F.E * volumen de reacción

Volumen = 2,000 litros

Con base en la cantidad de producto seco (458.7 k g diarios)

se determinó el tamaño del secador,del horno y de la

tableteadora.

SECADOR.Este consta de charolas de 61 cm * 71 cm * 4 cm con

una capacidad de 137.5 gr/hr de producto, las cuales se colocan

en parrillas de 2.7 m * 5.7 m con una capacidad de 24 charolas

cada una.Por lo que se requiere de 28 parri l las y 528 charolas;

de aqui el tamaño del secador es de aproximadamente 3 m * 6 m de

longitud.

TABLETEADORA.La masa de producto que necesitamos tabletear

es relativamente grande, por lo que la tableteadora tiene una

velocidad que permita realizar el tableteado en un tiempo y costo

considerables.la velocidad apropiada es de O. 1 kg/seg

concluyendo el t rabajo en 1.5 hr:;.

HORNO.La dimensión del horno se determina con base en el 3 volumen ocupado por el producto seco que es de 1.2 m .

TANQUES DE ALMACENAMIENTO.EI dimensionamiento de los tanques

de almacenamiento se realizó suponiendo un abastecimiento mensual

de materia prima.

Volumen para alcohol isobutílico :37.5 m

Volumen para alcohol bencílico: 10 m

Volumen para el ácido o-fosforico:5.24 m

Los tanques serán de techo en forma de cono debido a l manejo de

los alcoholes.

3

3

3

22

EL MATERIAL DE CONSTRIJCCION.EI material que se considera

apropiado para l a construcción del equipo es de acero

inoxidable,esto es debido a que el acero a l carbón tiene cier tas

limitacimes para los alcoholes, y puede ser atacado por el ácido

fosforico.Ademas el pentóxido de vanadio puede ser daniño al

acero a l carbón.

PARTE V

RESULTADOS DEL DISEfiO

5.1.DIAGRAMA DE FLUJO

1 ALCOHOL ISOBUT I LICO

l o 1’

EMULSION

ALC.ISOBUT ILICO 11.1 mi

H PO 85 % 3 4

3.2 mi

.1 ALCOHOL

B E N C I L I C 0 6.66 mi

l->PENTOXIDO DE VANADIO <-I 5 gr

1 l t

REFLUJO CON AGITACION 2 . 5 hrs

ADICION DE LA EMULSION CON AGITACION CTE.

I SECADO DE:L PRODUCTO

A 6 0 ’ C P O R 5 hrs 8.4 gr DI:. PRODUCTO’

CALCINACION A SOO’C CON

ATMOSFERA DE A I R E

1 FOSFATO CIE VANADILO

p-VOPO 4

6 72 r D E PRODUCTO c ALCI $ADO

24

5.2.DISEÑO DE EQUIPO

En el equipo de proceso se consideraróri aquellos de mayor

importancia como son: el reactor, secador, horno, tabieteadora,

tanque agitado, tanques d e almacenamiento.

EQUIPO

REACTOR

secador

HORNO

AUMENTO DE TAMAÑ

TANQUE AGITADO

TANQUES DE ALMACE- NAMIENTO

T I P O

TANQUE AGITADO CON REFLUJO

PARRI- LLAS

AL

VACIO

TIRO POR CONVE CCION FORZA- DA

TABLE- TEADO- RA

---

TECHO EN FORMA DE CONO

CAPACIDAD

2,000 I t

528- CHAROLAS

DE 0.61m DE ANCHO 0.76 DE LARGO 28 PARRI- L L A S DE - 2.7m DE - ANCHO Y 5.6m DE - LARGO

3 1.2 m .

0.1 Kg/S INOXIDABLE

3 0.79 m

ALCOHOL BENCILICO

3 10.8 m ALCOHOL ISOBUT I LICO 37.5 m

3

25

MATERIAL UNIDADES COSTO (Dls)

ACERO 1 33.750 INOXIDABLE

ACERO INOXIDABLE

1 1,704,649

ACERO 1 INOXIDABLE

ACERO 1

ACERO 1 INOXIDABLE .

ACERO 1 INOXIDABLE

ACERO 1 INOXIDABLE

66,136

89.250

2.812

22,491

28,917

TANQUES TECHO DE EN ALMACE FORMA N A M I E N I O DE

CONO

A C I D 0 ACERO 1 O-FOS- INOXIDABLE F O R I C O 5 . 2 4 m

3

1 1 , 5 6 6

tt LOS DETALLES DEL DISEÑO SE INCLUYEN EN EL APENDICE B

26

5.3.LICTA DE EQUIPO AUXILIAR

CALDERA.Se requiere de una caldera para t ransfer i r calor al

reactor Se eligió la caldera de tubos de agua, ya que la de tubos

de hunic ) se emplea principalmente para generar cantidades modestas

de vapor saturado a baja presión.Mientras que las calderas de

tubos de agua alcanzan un máximo del vapor . a 45 bar de presión

sobrecalentando a 40OoC.

Las c a l d e r a s d e tubos d e agua contienen vapc: dentro de los

tubos mientras se efectua l a combustión en una camára abierta en

forma de caja.En las calderas grandes se instalan cientos de

miles de tubos de 7-12 cm de diámetro, que forman las paredes de

la camára de combustión y los deflectores que controlan el f lujo

de los gases y eliminan el catlor de los gases de colnbustión.En

el área de combustión, la temFeratura del gas cae desde

aproximadamente 2,200-1,300'K.Despues que los productos de la

combustión se han enfriado de este modo por medio de radiación a

los tubos que forman la pared, pasan a gran velocidad a través de

la ranuras entre mas tubos suspendidos como bancos grandes en la

corriente de gas.El gas que entra a la sección de convección a

aproximadamente 1300'K sale de esta unidad a aproximadamente

600'K.Los tubos de la seccióri radiante están llenos de liquido

hirviendo en circulación.

Los combustibles empleados son:carbón y madera.

27

CONDENSADOR DE TUBOS VER7 ICALES.Para el reflujo del

reactor.El f lujo de vapor es ascendente de contracorriente con el

f lujo del liquido sobre la pared del tubo.El intercambiador

sugerido es de cabezal f lotante dada su fácilidad de limpieza

debido a que una de las láminas que soporta a los tubos, es

independiente de la coraza, de t a l manera que es posible extraer

de la coraza el haz completo de tubos para l a limpieza tanto

de la coraza COIT.~ de los tubos.Esto toma en cuenta la expansión

diferencial entre los tubos y la coraza.

,Cabeza flotante

,Cabeza flotante

t

Ihl

(C)

Intercambiadores de calor de dos pasos en los tubos, un paso en la coraza Y cabeza flotante. (a) Tipo de cabeza flotante internil con anillo dividido (b) Tipo de cabeza flotante con empaque externo. (c) Detalle de una cabeza flotante.

28

DESTILADOR POR LOTES.1-a razón de usar un destilador por

lotes en lugar de una operación de transferencia de calor

continiia, es que el luiquido que se procesa no está disponible

cont iniiamente.

El depósito del alambique se carga con el lote del liquido a

destilar, y se suministra calor por medio de una caldereta.El

diseño del alambique se basa en el tamaño del lote y la relación

necesaria de vaporización.

En funcionamiento, se introduce a l rehervidor una carga de

liquido y se lleva primeramente el sistema al estado estacionario

con reflujo tota1.A cont inuacih se r e t i r a en forma sucesiva una

porción del producto superior.

t -1

f - -

29

5.4.1.BOMBAS

BOMBA CENTRIFUGA.Las ventajas primordiales de una bomba

centrífuga son: su simplicidad, bajo costo inicial, f lujo uniforme

(sin pulsaciones), el pequeño espacio necesario para su

instalación, los costos bajos de mantenimiento, funcionamiento

silencioso, su capacidad de adaptación para su uso con impulsos

por motor o turbina.Todas esta.s ventajas pueden ser aprovechadas

para el uso que en este t rabajo se le designe;bombeo de

alcoholes, de ácido fosforico y de l a emulsión.

La bomba propuesta es la cen t r i f uga radia¿.Los dispositivos

centrífugos tienen las siguientes caracteristicas:

-La descarga libre de pulsaciones

-Las limitaciones de capacidad raramente constituyen un problema

-desempeño eficiente

En su forma más simple la bomba centrífuga consiste de un

impulsor rotando dentro de una carcasa.El fluido entra a l a bomba

cerca del centro del impulsor rotatorio y es enviado hacia afuera

por l a cción centrífuga.La en.ergía cinética del fluido aumenta

desde el centro del impulsor hasta las puntas de las aspas del

impulsor.Esta energía de velocidad se convierte en una presión a

medida que el fluido sale del impulsor y entra a l espiral ó

difusor.

Carcasa de espiral para bomba centrífuga.

30

1 2 9 6 6 6 BOMBA DE CAVIDAD VfAJE.RA.La bomba que se propone para el

transporte de la pasta que sale del reactor es una de cavidad

viajera que es una de las; variantes de las bombas de

desplazairiiento positivo rotator io.Las bombas de desplazamiento

positivo suministran una cantidad definida de fluido por cada

ca r r e ra o revolución del aparato.

Esta bomba consta de un rotor que gira dentro de un esrator

ejecutando un movirniento compuesto;el rotor gira alrededor de su

e j e mientras que el eje SE: desplaza con una trayectoria

circular.El rotor es en realidad un tornillo helicoidal y el

estator tiene una hélice interna doble con una configuración

opuesta a la espiral del rotor.En cada revolución completa del

rotor el movimiento excéntrico permite que este establesca

contacto con la superficie total del estator.Los espacios vacios

que se encuentran entre el rotor Y el es ta tor tendrán material

atrapado que se mueve de manera continua hacia la descarga.Esta

acción de bombeo de un flujcl continuo con velocidades bajas

estables y uniformes.la bomba es capaz de manejar materiales

altamente viscosos. Se bombean con fácilidad materiales tales

como,chocolate, grasas, yeso, merengue, puré de papa y cemento.

Bomba de cavidad T;i2jera. (Cjrrcsí;i de Robbins 2 Xlyeij inc.)

31

5.4.2. VALVULAS

VALVULA DE DIAFRAGMA.Estas Válvulas son excelentes para los

fluidos que contienen sólidos suspendidos y se pueden escalar en

cualquier posición.Existen modelos en los que la cortina es muy

baja, reduciendo l a caida de presión a una cantidad desdeñable y

premitiendo el drenaje completo de las lineas horizontales;

sin embargo, el drenaje, se puede obtener con cualquier modelo,

mediante la instalación de un vástago horizontal.El único

mamntenimiento que se requiere es el reemplazamiento del

diafragma, que se puede hacer con rápidez sin r e t i r a r l a válvula

de la linea.

Par tes constituyentes:

Vástago operacional en negro; dirección del f lujo con flechas

sobre una linea sólida delgada; movimiento de las piezas

con flechas sobre una linea de puntos; las piezas móviles se

dibujan con lineas continua en posición casi cerrada y con lineas

punteadas en la posición completamente abierta. X denota el

empaque.

Válvula de diafriigrna

32

VALVCJLAS NEUMATICASSon los elementos de control final más

caomunes.Es operada con aire, lo cuál controla el f lujo a través

de un orificio por posición apropiada de una bujía.La bujía está

atada a l final de un vástago el cual está soportado en un

diafragma al otro extremo.Con!'orme l a presión del a i re incrementa

a r r iba del diafragma, el vástago se mueve hacia abajo y

consecuentemente la bujía restricciona el f lujo a través del

orificio.Ta1 válvula se conoce copmo una válvula

"air-to-close". Si el a i r e suministrado arr iba del diafragma se

[pierde l a válvula será "fial open", entonces el resor te puede

empujar el vástago y la bujía ha-ia arriba.Hay válvulas

neumaticas con acción opuesta, llamadas "air-to-open'' con "fail

close".

A.r : \ ir

í bl

PneunuIic valves ( a ) fail opcn. (b) fail closed

33

-- -

VALVULA DE COMPUERTA DE (XJÑA.De tipo asiento inclinado son

las más empleadas en l a industria quimica.La compuerta de cuña

suele Ser sólida pero es posible que sea tambien flexible

(cortada parcialmente en mitades por un plano en ángulo recto con

la tuberia) ó divididas (cortada. completamente por ese plano).Las

flexibles y divididas minimizan el raspado de la superficie de

sellado, al distorcionarse con mayor f ácilidad para coincidir con

los asientos de mala alineación a.ngular.

Cuando cortan el f lujo a a l t a velocidad de fluidos densos,

los ensamblajes de compuerta (oscilan violentamente y, para este

servicio son preferibles las válvulas de cuña sólida ó

flexible.Esto es lo que las hace adecuadas para utilizarse en los

ductos por los que atraviesa el alcohol bencilico y el ácido

fosforico que son liquidos más densos q u e el agua.

Todas las válvulas de compuerta de cuña van equipadas con

guias de lengueta y ranura para evitar que las usperficies de

sellado de l a compuerta repiqueteen sobre los asientos y los

dañen durante la aber tura y cierre.Se utilizan válvulas de

compuerta para minimizar la caida de presión en la posición

abier ta y para detener el f lujo de fluido más que para regularlo.

Par tes constituyentes:

Vástago operacional en negro; dirección de f lujo con flechas

sobre una linea sólida del gas; movimiento de las piezas con

flechas sobre una linea de puntos; las piezas móviles se dibujan

con lineas continuas en la posición casi cerrada y con lineas de

puntos en la posición completamente abierta.>( denota el empaque. 1. I Y

34

5.4.3.INSTRUMENTOS DE CONTROL CONTROLADOR DE ACCION MEDIANTE PILOTO.Contro1ador actudo por

un piloto, donde la detección de una pequeña variación actua una

fuerza mediante l a cual se corrige la variable.El piloto usa aire

comprimido para efectuar el control.

El control opera entre dos fluidos, uno que es el controlado

y el otro que añade Ó elimina calor a/ó del fluido que se

requiere controlar.E! a i re comprimido es de 15 a 20 lb/pulg2g

en t r a a l cabezal de control y par te de el pasa a l a válvula de

control y o t r a par te a l reductor.El aire que se descarga através

del reactor es tá a baja presión escapa continuamente por l a

tobera, el resor te del diafragma está contraido, ya que también

es afectado por el escape de a i r e através de la tobera.Esto

mantitme a la válvula dentro del cabezal de control en contra del

lado izquierdo de la misma.Cuando hay un cambio en la temperatura

del fluido que se controla, un capila espiral Ó una hélice

tambien capilar conectada a. un elemento sensitivo a la

temperatura tal como un bulbo, se desplaza en respuesta al cambio

de temperatura.El movimiento se usa para acercar la aleta a la

tobera, obstruyendo, por lo tanto el escape del a i re y

expandiendo el resorte del diafragma.Este puede, a su vez, usarse

para disminuir la presión en el diafragma de una válvula de

control, permitiendo que cierre.

Resorte dc diafrapu

Piloto operado pvr aire

Signal frcn - proceu :nn:mil:cr

Stt-point ~

adjustmeiit

Controller output __9

Y p i d

!.íanai .:ljL*itnient -*

. . . .

switch '

CONTROLADOR DE FLUJO.E:l control del f lujo se lleva a cabo

mediante el arreglo de orificio y brida que se conecta a tubos

que conducen a una hélice capilar Ó a otro aparato que sea

sensitivo a los cambios de presión diferenciai.Cuaiquier

desplazamiento cambia la posición de l a aleta, y el resto del

control es similar al descrito en el controlador anterior.

Aim d pilob - Cnntrnl simple de flujo

El arreglo más simple para el control de f lujo se muestra en

la figura superior.El f lujo de aire comprimido al mecánismo

piloto de control generalmente se supone presente sin que se

indique muy a menudo el controlador puede regis t rar también las

variaciones, siendo un controlador - registrador de flujo.

36

TUBERIA.Los siguientes aspectos deben considerarse por el

ingeniero cuando desarrolle el diseñ de la tuberia del sistema:

-Elegir los materiales

-Efectos de temperatura y cambios en la misma

-Flexibilidad en el sistema de alteraciones fisicas o térmicas

-Alteraciones en el sistema y servicio

-Mantenimiento e inspección

-Fácil instalación

-Seguridad

Considerando los factores anteriores el material empleado para l a

tuberia será acero, dado que es el menos costo; de mantenimiento

más económico y su f re menos alteraciones pa ra las condiciones de

temperatura del sistema.

E'mpleando el monograma posterior se puede determinar el

diámetro óptimo de la tuberia conociendo la velocidad del fluido

y l a densidad Ó viscosidad del mismo.

Fluido velocidad del densidad Diámetro

fluido ( lb/f t3) í in)

íft3/min)

Alcohol

isobutílico

Alcohol

bencílico

Acido

Fosf orico

1.33. 50 1.5

1.33 65.30 1.5

1.33 105.2 1.5

5.5.ESFACIO NECESARIO

La planta constará de lac siguientes áreas: 2 -Area de proceso (30m

-Laboratorio (15m2)

-Oficina (lorn2)

-Area de almacenamiento de producto terminado -Estacionamiento para el personal (80m 2 1

-Estacionamiento para el abastecimiento de materia prima (40m 2 )

2 Area total =175m

38

PARTE VI

PERSONAL NECESARIO

Se pretende

se requieren dos

ambos turnos).

POSICION

Oficina

Oficina

Oficina

Oficina

Planta

Planta

Planta

producir un lote de 367 Kg/diarios,para lo que

turnos con el siguiente personal y posicióii (de

EMPLEADO NUMERO SUELDO ANUAL

(pesos)

Gerente 1 83,460,000.00

General

Gerente 1 58,800,000.00

d e

Ventas

Contador

Secretaria

Ingeniero

Quimico

1 34,975,200.00

1 10,200,000.00

2 53,452,000.00

Técnico 1 18,156,000.00

Obreros 6 28,424,088.00

Los sueldos anuales estan dados para el número de personal

indicado.

39

Actividad Personal

I-Carga del reactor Obreros

11-Ref lujo y adición

de la emulsión Obreros

111-Descarga del reactor Obreros

y lavado

IV-Carga, secado y descarga

al secador Obreros

Técnico

V-Tableteado y carga a l

calcinador Obreros

VI-Ca1cinación;descarga y

limpieza del horno Obreros

VII-Destilación Técnico

Número

2

2 (los anteriores)

L (los anteriores)

2

1

2 (uno de los anteriores)

1 (los anteriores)

Un ingeniero por cada turno para supervisar el proceso.

40

PARTE VI1

INVERSION TOTAL

7.1.INVI:RSION FIJA

Esta dada por l a suma total del costo de equipo de proceso.

EQUIPO

Reactor

Secador

Horno

Tab1 eteadora

Tanque

Agitado

T a n q u e s d e

Al rnacenarniento

Bombas

Centr i f u g a s

Cavidad v ia j e ra

TOTAL (Dolares)

(Pesos)

UNIDADES COSTO

(dolares)

1

4

1

33,750.00

1,704,694.00

66,136.00

89,250.00

2,812.00

28,917.00

11,566.00

22.491.00

5,832.00

1,440.00

_ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _

1,966,888.00

6,740,526,000.00

41

7.2.CAPITAL DE TRABAJO

Se considera el 20% de la Inversión f i j a para casos en que

l a materia prima y el equipo son costosos.En este caso se utiliza

equipo de acero inoxidable de alto costo.

C a p i t a l de trabajo = 0.20 * Inversión f i j a

C a p i t a l d e trabajo = 1,349,600,000.00 (pesos)

7.4.GANANCIA ANUAL

Para determinar la ganancia anual se calcula el costo d e

producción,que esta dado por los siguientes factores:

-Mano de obra indirecta

-Materiales indirectos

-Mano de obra directa

-Materiales directos

cuya suma asciende a

1,392,278,088.00 ( P e s o s ) CAPACIDAD M I N I M A

2,333,998,088.00 ( P e s o s ) CAPACIDAD M E D I A

3,313,728,088.00 ( P e s o s ) CAPACIDAD M A X I M A

suponiendo una ganancia anual del 60% del costo de producción

tenemos:

835,362,000.00 ( P e s o s ) CAPACIDAD M I N I M A

1,400,340,000.00 ( P e s o s ) CAPACIDAD M E D I A

1,988,220,000.00 ( P e s o s ) CAPACIDAD M A X I M A

7.3.TASA DE RETORNO

La tasa de retorno está dada como se muestra a

continuación :

/ CTC) * 100 NNP -+ ABD

i = (A

donde

i :tasa de retorno;

ANNP : ganacia neta;

ABD : depreciación;

: monto de la inversión total; ‘TC

42

i TC

A"P C

( p e s o s ) ( p e s o s ) ( p e s o s ) (%I Capacidad

m á x i m a 1,988,236,853 674,052,600 10,054,254,000 26.48

Capacidad

minima 835,366,852 674,052,600 8,132,804,088 18.56

A P E N D I C E A

44

.. .

RESULTADOS E X P E R I M E N T A L E S

I-PROCEDIMEINTOS EXPERIMENTALES

FUSION.

Razón P/V =l.Se t r i turarón 5gr de VzOs (0.0275 moles) y la

cantidad necesaria de NH4HzP04 (0.055) para cumplir la razón P/V

deseada, por separado.Se mezclarón y l a mezcla resultante se

llevó a reacción a temperatura de 200°C bajo un f lujo de

oxigenc ?or 4 hrs.La temperatura se aumento por 4 h r s en la misma

atmosf era .

Conforme t ranscurre la reacción el producto va tomando un

color verde oscuro.

La calcinación se lleva a cabo bajo un f lujo de oxigeno a

una temperatura de 6OO0C por un período de 12 hrs.

Masa de producto antes de l a calcinación : 9.0 gr

Masa del producto después de calcinar : 8.9 gr

RAZON P/V=l.l Y P/V=0.9.E1 procedimiento experimental fué el

mismo que el anterior,teniendo como variante la cantidad de

NH4HzP04 para cumplir la razón deseada.

P/V

1.1

Masa de NH4HzP04 (gr): 6.94

Masa de producto antes de la calcinación (gr): 9.25

Masa del producto después de calcinar (gr): 9.1

o. 9

5.69

7.8

7.8

M E D I O ORGANICO.

Razón P/V=l.Se colocan 5gr de VzOs (0.0274 moles).Se agregan 10

ml de alcohol isobutílico con agitación constante y 6.66ml de

alcohol bencílico.La suspensión se agita y ref l u j a 2.5hrs, hasta

que se disuelve el Vz0s.Posteriormente se agregan 3.21111 de H3P04

al 85%, cantidad necesaria para cumplir la relación

deseada,emulsif icados en 11. lml de alcohol isobutílico (la

emulsión se agita constantemente por lOmin).Una vez que se

adiciona la emulsión se mantiene una agitación constante,

formandose una pasta.La pasta se seca a 60°C.E1 producto seco

calcina por aumento lento de temperatura de 300-500°C durante 5

h r s bajo un f lujo continuo de aire.

se

45

Masa de producto seco (gr) : 8.4

Masa de producto calcinado (gr) : 6.72

Razón P/V=l.l Y P/V=0.9.E1 procedimiento experimental es igual al

anterior variando l a cantidad de H3P04 para cumplir la razón

deseada.

P/V

1.1 0.9

Volumen de H3P04 (mi) : 3.5 2.87

Masa de producto seco (gr) :: 10.6 9.1

Masa de producto calcinado (gr) : 8.48 7.28

M E D I O ACUOSO.EVAPORACION.

Razón P/V=l.Se colocarón Sgr (0.0274 moles) de V2Os en una

solución de ácido axálico caliente (0.0961 moles de ac.oxálico en

2.27 moles de agua).El pentoxido de vanadio se agrega lentamente

debido a que se presenta efervescencia.Al terminar de agregar el

V20S la solución se torna azul cristalina. Posteriormente se

adiciona el NH4HzP04 en cantidad necesaria para cumplir la

relación P/V=l (6.32gr Ó 0.55moles), l a solución resultante se

agita hasta disolver por completo el NH4H2P04. La solución se

evapora a sequedad 1entamente.El producto resultante se seca a

60°C.E1 sólido resultante presenta dos coloraciones, un

precipitado verde ópaco.El sólido resultante se t r i t u ra para ser

calcinado primero durante 5hrs a 5OO0C y después a 550°C bajo un

f lujo de oxigeno.

Masa de producto seco (gr):

Masa de producto calcinado (gr):

9.7

3.1s

Razón P/V=l. 1 Y P/V=0.9.E1 procedimeinto realizado es el mismo

que el anterior solamente se tiene una variante en la cantidad de

NH4HzP04 para cumplir la razth P/V requerida.

Masa de NH4HzP04 (gr)

Masa de producto seco (gr)

Masa de producto calcinado (gr)

P/V

1.1 O. 9

6.96 5.7

10.45 8.7

3.78 2.9

M E D I O ACUOSO.FILTRACION. El método experimental seguido es el mismo que el de medio

acuoso evaporando, modificando el método de separación. En esta

técnica se empleo filtración a l vacio.La cantidad de VzO5 es de

IOgr; 24.70 gr de ac.oxálico, para las tres razones,variando el

contenido de NH4HzP04, para cumplir la razón deseada.

P/V

1.0 1.1 o. 9

Masa de NH4HzP04 (gr) 12.6 13.9 11.3

Masa de producto antes de

calcinar (gr) 5.9 7.2 5.7

Masa de producto después de

calcinar (gr) O. 42 0.72 O. 23

M E D I O ACUOSO.Empleando ácido láctico.

Se colocan 5gr de VzOs; 98ml de ácido láctico (en solución

con 50ml de agua) y es ta mezcla se ref luja con agitación

constante por un período de: 16hrs.Transcurrido el tiempo de

reflujo se adiciona el H3P04 al 85% de tal manera que se cumplan

las razones de P/V=1 (3.4ml); P/V=1.1 (4.1ml); P/V=0.9 (3.3ml).

Las muestras no se calcinarón debido a la dificultad que

presentan en su manejo, ya que presentan una consistencia

pegajosa.

47

11. RENDIMIENTOS R.azón P/V

Método 1.0 1.1 O. 9

X Rendimiento

Fusión 100 100 88.76

Orgánico 75.5 83.37 81.79

Acuoso

Filtración 2.4 4 .30 1.28

Evaporación 35.40 42.47 32.58

111. CARACTERIZACION DEL ChTALIZADOR

CONTENIDO D E VAN AD IO

El análisis de contenido de vanadio se llevó a cabo

empleando el método de Absorción Atómica.El contenido de vanadio

esperado para cada muestra es de 94.4ppm.

Contenido de vanadio

( PPm P/V

Método 1.0 1.1

Fusión 50.6 45.9

Orgánico 70.3 75.3

Evaporación 70.5 65.7 (acuoso)

o. 9

46.2

74.0

73.5

CONTENIDO D E FOSFORO.

El contenido de fosforo se determinó por un método

colorimetrico.

Método 1

Fusión 1.398

Orgánico 1.550

Acuoso

(EVAPORACION) 1.510

Contenido de Fosforo

(PPm)

P/V

1.1

1.51

2.08

1.49

o. 90

1.49

1.50

1.29

AREA SUPERFICIAL.

Se determinó solamente el á r ea superficial para las muestras

con r.iLones de P/V=1.

ze 11.9 17.1 18.6 19.2 20.3 22.4 22.8 24.1 25.6 26.3 28.1 28.8 29.1 30.0 31.6 34.0 34.5 39.6 40.9 41.5 45.5 46.3

d(A)

7.437 5.185 4.770 4.623 4.357 4.152 3.900 3.693 3.480 3.315 3.176 3.100 3.069 2.979 2.831 2.637 2.600 2.276 2.206 2.17 1.99

12.74

Area Superficial

Método Fusión Evaporación Med. Orgánico

1.07 6.82 2 Area (m /gr) 1.4816

DIFRACCION D E RAYOS X .

Medio Orgánico.P/V=l

Intensidad ( X I

49.00 25.49 9.80 27.45 2.90 5.80 6.86 7.84 9.60

100.00 17.65 39.21 70.58 19.60 14.70 5.88 2.94 4.90 7.84 6.86 6.86 12.74

50

Medio Organico.P/V=l. 1

12.0 7.375 17.2 5.155 18.2 4.874 18.7 4.745 19.4 4.575 20.5 4.343 21.5 4.133 22.9 3.883 25.6 3.480 26.0 3.427 26.3 3.389 28.2 3.165 29.2 3.063 30.0 2.979 31.0 2.885 33.3 2.691 37.6 2.392 38.7 2.327 45.2 2.006 46.5 1.953

Intensidad (%I 100.00

5.74 11.49 6 89

11.49 5.17 12.64 12.64 13.79

20.68 39.08 10.91 44.82 10.39 24.13 10.39 5.74 14.94

8.04

51

Medio Orgánico.P/V=0.9

17.0 5.216 19.3 4.599 20.3 4.375 22.4 3.969 22.8 3.900 25.5 3.493 26.2 3.401 28.0 3.187 29.1 3.069 30.0 2.979 31.6 2.831 33.9 2.644 34.5 2.600 36.8 2.442 40.9 2.206 41.4 2.181 43.3 2.090 45.7 1.985 46.2 1.965

Intensidad ( % I

27.72 27.72 7.92 6.93 7.92 18.31

100.00 14.85 55.44 12.27 10.89 4.95 4.45 9.40 8.41 7.82

--__ 5.94 7.92

52

I I I

... ...

I

,

Fusión.P/V=l

20

12.3 17.2 19.4 22.5 23.0 25.7 26.3 28.2 29.3 30.2 31.8 34.2 34.6 37.5 39.8 41.0 41.8 43.6 45.6 46.4

7.195 5.155 4.575 3.951 . 3.866 3.466 3.388 3.169 3.048 2.959 2.815 2.626 2.592 2.398 2.269 2.201 2.160 2.075 1.989 1.956

Intensidad ( X I

4.27 29.60 20.30 9.21 17.76 21.05

ioo.on 21.71 40.78 16.44 10.52 4.93 3.28 2.30 1.64 6.57 6.57 1.31 4.60 5.92

53

Fusión.P/V=l. 1

17.1 5.185 19.4 4.575 22.4 3.961 22.9 3.883 25.6 3.480 26.3 3.890 28.1 3.176 29.2 3.058 30.1 2.969 31.8 2.814 46.3 1.961 46.7 1.945

Intensidad ( X I

32.00 25.00 21.25 38.50 16.25

100.00 31.25 66.25 26.25 8.75 12.50 11.25

54

FusiÓn.P/V=O. 9

12.4 7.138 17.2 5.155 19.4 4.575 22.6 3.934 23.0 3.867 25.7 3.466 26.3 3.389 28.2 3.165 29.2 3.058 30.1 2.969 31.7 2.823 40.9 2.206 41.7 2.216 45.5 1.999 46.2 1.965 47.6 1.910

Intensidad ( X I

2.24 33.70 24.71 6.17 7.86 8.98

100.00 20.22 57.86 19.1 O 5.05 13.48 6.74 7.30 8.98

12.35

55

I ... , ,

,

I

I , <

' I

1 1

I . .

I ,

, I , , , I

i

I I

I " 1

Evaporación. P/V=1

28

17.1 19.4 22.5 22.9 25.6 26.3 28.1 29.1 30.1 31.8 34.1 34.6 37.4 39.7 40.9 41.6 43.4 45.4 46.4

5.185 4.575 3.952 3.883 3.480 3.389 3.176 3.069 2.969 2.814 2.629 2.592 2.405 2.270 2.206 2.171 2.085 1.998 1.957

Intensidad ( X I

22.69 22.69 5.67 7.80 20.56 100.00 18.43 60.28 18.43 10.63 11.34 4.25 4,75 3.54 7.09 5.67 4.96 7.09 9.22

Patrón de difracción de L-aYos x del catalizador p-vopo4.

- -

rl (A)

5.JO 4. ( 5 0 8.96 3.8!) 3.48 3.40 3.18. 3.068 2.974 2.610 2.410 2.2Q9 2.172 2.0‘33 1.9933 1 .nt; I 1 .o47 1.701 1.638 1 .GO8 1.53!)

I. 53;l

1.505 I :t50 1.444

57

. 02 '8 ¿ T T . 6

00'01: OP'01: 80'7:t OP'ZT 08'21: 0€'€1:

2 P 8 ' f t 00 P5 Z T ' 5 1 ; 02'57: 08'91: OP'8T 85 '02 08'PZ 00 '92 09'SE 09 '5€

¿ 9 5 ' L S O0 OOT I .la=

9LOP'Z 0629'1: PLLZ'Z €680 Z OOOZ'Z 2066'7: 6265 '2 29S6.E: OLL8.f L895 Z 6096. t 68€9 2 5PT8'2 5'6E5'7: L896'Z P89T 'E P€8P'€ 9 € 9 T 0 5 ZL85.P TP90.E 6P6f.E:

P

8TE'LS f1: OPP'9S 02 8 € 5 ' 6 € PI: 89Z'€O LT T66'OP 57: PPP'SP 87: 595'PL: 27: 55P.22 E: 026'22 0 tT9 '7 :P 97: 591:'9P 67: € P 6 * f E 17: 89L'TC' 07: €50'09 TZ L L O ' O C 6 55'5'82 L t55-52 5 657:'LT 7: D€€'61: 2 021:'6Z 8 OfZ '92 9 e3awz bas

OP'87:

2TDS7: OP z7: O P ' O T OP'P1: 8P*7:7: 00'07: 02 '8 08.21: 02'57: 08'97: 85.02

¿ 9G'LS 3 8 ' P Z 00'00t 00 '92

¿ P8'ET O€ €7: 09'SE 09'5€ I 'Tal

¿ TT.6 P6EE;"I: 0629'7: 6P96.T ZP66.T. €680'2 L 8 9 t 2 0002 2 P L L Z ' Z 9LOP'Z 6265'2 68E9.2 SPT8'2 L896 2 7:P90'€ P89T f 6P6f ' f PE8P.E: OLL8'€ Z956'€ ZL8G.P 9 € 9 t ' S P

fSO'O9 12 OPP.95 02 T91:'9P 67: PPP'5P 85 892'€P L1:

566'0P 51: 8 € 5 ' 6 € 97: 87:'C'Lf €7: 595'PE: z1: EP6'Ef 1:T 89L'T:E 01: LLO'OE: 6 02T.62 8 TPT.82 L Of2 '92 9 TSS'52 5 026'22 P 5 5 P ' Z Z E P € € ' 6 t 2 657:'Lt t

7:7:9'iP 91:

~ 3 W 2 . 2 bas

9P 3 TS¿&'T P SET.89 I I I

26'98 ;LO98 39-98 36-81. LL'8L 3 € ' c i L 7P.Tci b9 ZP 58'01: L L ' Z *U.O.J

€LOO-L€ PPPT-€€ 9€€T-P€ 1:8€1:-P€ €8€T-B€ LPZT-P€ LP60-LZ OPOT-P€ 8P60-LZ €OPT-61: u.Ia23ed

APENDICE B

58

CARACTERISTICAS Y CALCULOS DEL EQUIPO DE PROCESO

PEACTOR.Para el volumen del reactor calculamos un factor de

escalaiiiiento en base a l volumen ocupado por los reactantes y a la

cantidad de producto obtenido.

Los requerimietos de anhídrido maléico a futuro serán

de 30,000 Tníanuales, lo que implica un consumo de 134

Tn/anuales de catalizador.Entoncw se requiere de una producción

de 367.12 K g de catalizador a l día.

A nivel laboratorio:

Volumen ocupado por los reactantes :40ml

Masa del producto sin calcinar :8.4gr

Masa de catalizador :6.72gr

Factor de escalamiento = I N ~ U S T R I A L R E U E R I M I E N T O DE C A T A L I Z A D O R A NIVEL

-~ MASA DE CATALIZADOR A NIVEL LABORATORIO

Factor de escalamiento = 367120gr/8.4gr = 43704.76

Entonces el volumen del reactor para dicho requerimiento es el

siguiente:

Volumen = Factor de escalamiento * Volumen de reacción

Volumen = 43704.76 * 0.0401t = 18001t

por lo que se considera que el tamaño del reactor s e rá de

2,0001t.

El costo del reactor se determino con base en su

volumen. Este incluye el agitador y la chaqueta de

Costo = 101,250,000.00 pesos

Este incluye el agitador y la chaqueta de

Costo = 101,250,000.00 pesos

calentamiento.

5 9

Reactor con reflujo

SECADOR DE PARRILLAS AL VACIO.LoS secadores de parri l las a l

vacio son del tipo de lote con calentamiento indirecto, que

consta de una cámara hérmetica a l vacio construida de acero

inoxidable, con parri l las de soporte calentadas dentro de la

cámara, una fuente de vacio. y, por lo común, un condensador.Una

puerta sellada con

Parrillas. Son

inoxidable que se

cámara a l vacio

entrada y salida.

empaques elástico de hule.

parri l l las huecas hechas con placas de acero

sujetan permanentemente en el interior de la

y s e conecta en paralelo a los cabezales de

Calentamiento. El medio de calentamiento que penetra por un

cabezal de salida es por lo común vapor, cuya presión oscila de

1001b/plg' manométrica.Las al tas temperaturas se obtienen

mediante la circulación de aceite caliente.

Vacio,El vacio se aplica a l a cámara y el vapor se extrae a

t ravés de una tuberia larga, que conecta a la cámara.Esta linea

se conecta al condensador en donde l a humedad Ó el disolvente que

se ha evaporado se condensa.

Charolas ó bandejas.El material que se va a desecar se

coloca en charolas o bandejas sobre las parri l las cal ientes . las

bandejas son metálicas para asegurar una buena transmisión de

calor entre la parri l la y la bandeja.

Dimensión de las bandejas: 61cm de ancho * 76cm de largo ff

4cm de profundidad, con una

capacidad de 137.5gr/hr.

Dimensión de las parrillas: 2.7m de ancho * 5.5m de largo

con una capacidad de 24 charolas

cada una.

Pa ra l a cantidad de producto a secar se requiere de 28 parri l las

y 528 charolas.

Costo. El costo del secador incluye gabinete,condensador y

bomba de vacio.El precio del acero incluye el revestimiento

plástico en el interior del secador y en las parrillas.

Costo : 5,113,9940,000.00 pesos

P t o

I i:'r i 9

). Armario de secado a vacío (Sociedad +ra la tecnica c i d vacío, Kcnischrid- + a, carter; b, piacas de r.alrntaniiciito: Las destinadas a recoger r1 producto: cto; e, t i i h calentado; J flujo (It. los pro- I e coiidrns.icibn: g, Jep6sito de conden- p, tubo de evacuación tle los \ ~ p O r r S .

Secador de parrillas al vacio

61

TABLETEADORA.Para productos que demandan extrema uniformidad

en dimensión y composición, se recomienda usar una

tabletecidora.Esta prensa mecánica de gran velocidad tiene un gran

número de cavidades que se cargan automáticamente con cantidades

exactas de polvo.Cada carga se comprime por un émbolo y s e

descarga de la prensa en forma de tabletas.son utilizadas para

preparar pastillas cataiíticas. La rperación del equipo y el costo

son elevados y su capacidad es limitada.

La prensa rotatoria empiea una mesa redonda rotator ia de

matriz con varias estaciones de punsones y troqueles.Las prensas

rotatorias de al ta velocidad modernas son de lado doble, en o t r a s

palabras, hay dos estaciones de alimentación y compresión para

producir 2 tabletas For cada revolución de la cabeza rotatoria.

El costo se determino dada una velocidad de tableteado.Para

una velocidad de O.lgr/s el costo asciende a 267,750,000.00

% 4 pesos. tY 11 ,‘-,

9. A l t a _, L A . ” h.

Pennwalt-F. J . Sto!res Pilling (Tabletting Machine).

HORNO DE T I R O POR CONVECCION FORZADALas pastillas se

suspenden en una canasta de malla.El calentamiento del a i re s e

erectúa por medio de bobinas eléctricas insertadas en las paredes

r e f r ac t a r i a s alrededor del t i ro ó del cubo.Se tiene un ventilador

de alta velocidad debajo de l a canasta que hace circular el a i re

calentado que asciende por las bobinas; para después bajas

-:;avesando la canasta.

Nuestras necesidades son de temperatura de 5OO0C por

períodos de tiempo prolongados, esto es dificil de consegirse en

los horno continuos, como son el de túnel, rotatorio, etc.Los

nornos por lotes, y en especial el de t i r o por convección forzada

nos brinda esas propiedades,además de la atmosfera de a i r e que se

requiere para llevar a cabo l a calcinación.

El costo incluye el revestimiento refractar io para el 3 volumen requerido 1.2m .

Costo = 198,409,000.00 pesos

Ciibierra aislada

Palanca de elevacibn de la cubierta

/ & Bandas en V

- -

TANQUES DE ALMACENAMIENTO.Los alcoholes son materia prima

que desprende vapores y que no pueden enviarse a la atmosfera;

por lo cual, para compensar los cambios de temperatura y presión

ó la acumulación y el vaciado de vapores se emplea un sistema de

ventilación interna ó un techo flotante.Pop lo tanto se suguieren

tanques de almacenamiento con techos en forma de cono.

Si se considera un abastecimiento mensual de materia prima

se tienen los siguientes volumenes. 3 Volumen (m 1 Costo (pesos)

Alcohol isobutílico : 37.5 86,751,000.00

Alcohol bencílico : 10.8 67,473,000.00

Acido fosforico : 5.2 34,700,400.00

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