Estudio de Mercado Para Una Planta de Acido Súlfurico Final
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ESTUDIO DE MERCADO PARA UNA PLANTA DE ACIDO SÚLFURICO
ACOSTA LUGO JOSÉ CARLOS MACHADO CEPEDA SAMANTHA OSORIO GONZALEZ SANDRA MILENA PRADA ALBARRACIN VIVIANA MARCELA TORRES GARCIA MYRIAM YANETH
Presentado a DIEGO PALACIOS
UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER FACULTAD DE INGENIERIAS FISICOQUIMICAS ANALISIS DE PROCESOS INGENIERÍA QUIMICA BUCARAMANGA 2014
TABLA DE CONTENIDO
1.IDENTIFICACIÓN DE TECNOLOGÍA ................................................................. 4 2.ANALISIS DE DATOS HISTORICOS DE DEMANDA Y OFERTA DE INSUMOS Y PRODUCTO ........................................................................................................ 5 2.1 CANTIDAD HISTÓRICA DEMANDADA DE PRODUCTO-MATERIAS PRIMAS Y O INSUMOS. 5 2.2 CANTIDAD HISTÓRICA OFERTADA DE PRODUCTO-MATERIAS PRIMAS Y O INSUMOS ... 5 3. PROYECCIÓN DE DEMANDA EFECTIVA DEL PRODUCTO Y MATERIAS PRIMAS .................................................................................................................. 6 3.1 PROYECCIÓN DE LA DEMANDA Y OFERTA DE ÁCIDO SULFÚRICO ............................. 6 3.2 PROYECCIÓN DE LA DEMANDA Y OFERTA DE AZUFRE PETROQUÍMICO ..................... 7 3.3 PROYECCIÓN DE LA DEMANDA Y OFERTA DE ÓXIDO DE HIERRO .............................. 8 3.4 OFERTA VS DEMANDA....................................................................................... 8 4. CAPACIDAD DE LA PLANTA A INSTALAR ..................................................... 9 5.CARACTERIZACION DE PRODUCTO E INSUMOS .......................................... 9 5.1PRODUCTO PRINCIPAL: ÁCIDO SULFÚRICO ........................................................... 9 5.2 AZUFRE (INSUMO) .......................................................................................... 12 5.3 ÓXIDO DE HIERRO ........................................................................................... 15 6. SEGMENTACIÓN DEL MERCADO ................................................................. 16 7. MERCADO COMPETIDOR............................................................................... 17 7.1 PUNTOS FUERTES ........................................................................................... 17 7.2 PUNTOS DÉBILES ............................................................................................ 17 8. DESCRIPCIÓN GENERAL DEL PROCESO .................................................... 18 8.1 ÁREA DE RECEPCIÓN Y ALMACENAMIENTO DE AZUFRE LIQUIDO ...... 18 8.2 ÁREA DE OXIDACIÓN DE AZUFRE ............................................................ 18 8.3 ÁREA DE CONVERSIÓN CATALÍTICA DE SO3 .......................................... 19 8.4 ÁREA DE ABSORCIÓN DE SO3 .................................................................. 19 9. DESCRIPCIÓN DETALLADA DEL PROCESO................................................ 20 10. CONDICIONES DE OPERACIÓN DE FLUJOS DE MASA Y ENERGÍA DEL PROCESO ............................................................................................................ 25 11. MATRIZ DE CONDICIONES ESPECIALES DE PROCESOS ........................ 27 12. HERRAMIENTA DE CÁLCULO Y MÉTODO DE DISEÑO USADO PARA CADA EQUIPO ..................................................................................................... 28 2
13. ESTRATEGIA DE DISEÑO............................................................................. 34 14. LOCALIZACIÓN DE LA PLANTA .................................................................. 36 15.COSTO DE OPERACIÓN ................................................................................ 47 15.1 CRM: .......................................................................................................... 46 15.2 FCI ............................................................................................................. 50 15.3 COL: ........................................................................................................... 52 15.4 CUT: ........................................................................................................... 54 15.5 CWT: .......................................................................................................... 56 16. MATRIZ DE FONDO ....................................................................................... 56 17. ANALISIS DE RIESGO ................................................................................... 58 18. ALTERNATIVAS DE DISEÑO ........................................................................ 59 19. ANALISIS DE IMPACTO AMBIENTAL .......................................................... 62 19.1 IDENTIFICACIÓN DE RESIDUOS PRODUCIDOS DURANTE EL PROCESO DE PRODUCCIÓN DE ÁCIDO SULFURICO ................................... 62 19.2 CARACTERÍSTICAS DE LOS AGENTES CONTAMINANTES .................. 64 19.3 CUANTIFICACIÓN DE EFECTOS AMBIENTALES .................................... 66 19.4 SOLUCIONES DE CONTROL Y MITIGACIÓN........................................... 67 19.5 COSTOS DE EQUIPOS PARA EL TRATAMIENTO DE RESIDUOS .......... 68 20. CONCLUSIONES………………………………………………………………...... 71 21.ANEXOS .......................................................................................................... 75 22. BIBLIOGRAFÍA .............................................................................................. 79
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1. IDENTIFICACIÓN DE TECNOLOGÍA Actualmente el ácido sulfúrico presenta dos maneras básicas de producción: el método de cámaras de plomo y el de contacto directo. El primero de ellos es el más antiguo pero el menos utilizado puesto que sólo es capaz de producir un ácido con una concentración entre 62% y el 78% mientras que el método de contacto directo genera un producto de 98.5% y 99% de pureza. Sin embargo en el año de 1963 la empresa Bayer A.G modifico la técnica de contacto directo por una tecnología más amigable con el ambiente denominada de doble contacto. Hoy en día es la más utilizada por Colombia debido a la reducción de emisiones de SO2 a la atmósfera por tanto en este estudio técnico y de factibilidad se propone la producción de ácido sulfúrico por medio de este método que en contraste con el método de contacto simple, el gas, mezcla de SO 2 y SO3, después de pasar a través de cuatro bandejas de catálisis va a una torre de absorción intermedia donde con ácido sulfúrico al 98% se absorbe la mayoría del SO3 por lo cual un pequeño porcentaje de SO2 y trazas de SO3 se lanza a la atmósfera disminuyendo un contaminante como lo es la lluvia ácida. El ácido sulfúrico se producirá a partir de azufre petroquímico por el método de doble absorción el cual es un proceso catalítico de mayor rendimiento y menor tiempo de proceso para las materias primas. El catalizador usado será el pentóxido de vanadio, sin embargo debido a la falta de información sobre esta sustancia será usado para el cálculo de la capacidad a instalar el óxido de hierro como materia opcional debido a su favorabilidad por su actividad catalítica y tiempo de vida útil para la producción de ácido sulfúrico. La operación de la planta tendrá su base en las siguientes reacciones químicas:
+ ( )
(
)
Estas describen sencillamente la metodología en la producción del ácido sulfúrico, la cual se compone de diferentes etapas tales como:
Oxidación de azufre hasta dióxido de azufre Secado de los gases Oxidación catalítica de dióxido de azufre hasta trióxido de azufre Absorción de trióxido de azufre Enfriamiento del ácido 4
Este tipo de producción de ácido sulfúrico emplean insumos como aire, agua, energía eléctrica (servicios adicionales) y una mínima fracción de ciertos productos que actúan como catalizadores y neutralizadores de los procesos físico químicos lo cual le da una inversión económica relativamente baja. 2. ANALISIS DE DATOS HISTORICOS DE DEMANDA Y OFERTA DE INSUMOS Y PRODUCTO 2.1 Cantidad histórica demandada de producto-materias primas y o insumos
Basados en los datos históricos de 2003 a 2010 suministrados por el Departamento Administrativo Nacional de Estadística de Colombia se observa que el azufre líquido, materia prima para la producción del ácido sulfúrico presenta datos de demanda (tabla 2) con un comportamiento variable entre un aumento y un descenso continuo debido a que en algunas ocasiones la actividad industrial sufrió un dinamismo donde el consumo de esta materia prima fue requerido en gran medida por la industria química. Por otro lado durante el periodo comprendido entre el año 2006 hasta el año 2008 se reflejó un decremento en el comercio nacional, aunque la cantidad que se demanda se suple casi en su totalidad con las importaciones. El comportamiento de la curva de demanda (tabla1.)para el óxido de hierro como agente catalizador en el proceso presenta una caída en el año del 2003 excepto en los periodo del 2006 (tabla 3) donde el grado de apertura fue del orden del 44%, gracias a una participación creciente de las exportaciones en el PIB que llegó al 20% y de las importaciones que alcanzó el 24% a nivel nacional, del mismo modo en el año del 2010 se presenta la misma tendencia en cuanto a la actividad económica donde el crecimiento anual de 7,7% del PIB resultó superior a lo proyectado. Esta elevada tasa de expansión se explica por el dinamismo de la demanda interna, que se expandió 9,4% anual, impulsada tanto por el consumo como por la inversión. Adicionalmente los históricos de demanda del ácido sulfúrico como producto principal ratifican el desarrollo económico de esta sustancia durante los últimos 5 años logrando un alto nivel de aplicaciones dentro de la industria química. 2.2 Cantidad histórica ofertada de producto-materias primas y o insumos Respecto a las curvas de oferta de los insumos y producto principal es notorio que la producción de azufre en Colombia desde el año 2003 ha presentado un 5
leve incremento con respecto a su demanda generando un déficit de esta materia prima permitiendo que el azufre petroquímico se posicione como insumo predominante en la producción de ácido sulfúrico lo cual es reflejado en los datos de la tabla 2,sin embargo en el año 2008 se nota una caída en la cantidad ofrecida debido a la recesión económica que tuvo el país . Referente al comportamiento de la producción del óxido de hierro se observa constantes fluctuaciones (tabla.4) por lo cual es difícil distinguir un índice de crecimiento, sin embargo en los años que hubo escasez de este insumo fue producto de los factores climáticos que afectaron los volúmenes de ventas externas de algunos productos básicos de origen agrícola y minero, favoreciendo el incremento de la inflación en este año. Respecto al ácido sulfúrico se torna la curva de oferta hacia un crecimiento evidente (tabla 5) lo cual nos complica la idea de situar una empresa productora de este compuesto debido a que se localiza en un mercado muy saturado que de una u otra forma seria un punto débil para la obtención de resultados exitosos sin embargo se podría resegmentar el mercado aproximándonos a este mediante un planteamiento diferente de la propuesta de valor ya sea la asequibilidad de precios, la identificación de nuevos clientes etc. 3. PROYECCIÓN DE MATERIAS PRIMAS
DEMANDA
EFECTIVA
DEL
PRODUCTO
Y
Análisis de Proyecciones Para las proyecciones de producto e insumos se encuentran datos que se alejan considerablemente de la tendencia de la curva de demanda y oferta lo que impide visualizar un factor de crecimiento constante por lo que es indispensable emplear la función de Excel Pronostico para predecir estos valores, y adicionalmente manipular el rango de sensibilidad usando uno más amplio en datos con alta dispersión y un rango más estricto para valores que siguen mucho mejor la tendencia. Del mismo modo se utiliza la función lineal y logarítmica como las apropiadas para encontrar una función que describa el crecimiento de estos productos en 10 años. 3.1 Proyección de la demanda y oferta de ácido sulfúrico
Dentro de la proyección del producto principal se encuentra que el comportamiento es inusual al estándar es decir hay un exceso de oferta (gráfica 1) con respecto a la demanda, lo que conlleva a un desequilibrio del mercado ya que al no vender y acumular inventarios los productores dejan de producir tanto y 6
tienen que bajar el precio porque no hay mercado donde quieran comprarlo a ese precio, sin embargo se puede inferir que a 10 años el escenario seguirá siendo un mercado con mayor oferta aunque si se proyectase un escenario a un tiempo mayor es posible que las curvas se crucen y al tener la curva proyectada de la demanda un aumento más pronunciado que la de la oferta podría suceder que la demanda la superase, lo cual sería favorable para los productores de ácido sulfúrico.
Gráfica. 1. Proyección a 10 años de curva de demanda-oferta ácido sulfúrico 3.2 Proyección de la demanda y oferta de azufre petroquímico
Referente a la proyección del azufre es posible notar un leve aumento en la curva de demanda (grafica 2) lo cual es razonable por motivos de uso en diversos procesos industriales. Del mismo modo la oferta presenta el mismo comportamiento pero en menor proporción a tal punto de considerar un crecimiento insignificante por lo cual se torna un escenario desfavorable debido a que sí hay carencia de este insumo la producción de ácido sulfúrico implicaría mayores importaciones y por ende un costo relativamente alto.
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Gráfica. 2. Proyección a 10 años de curva de demanda-oferta azufre petroquímico
3.3 Proyección de la demanda y oferta de óxido de hierro En cuanto al escenario proyectado para el catalizador se es notorio un comportamiento favorable para la producción de ácido sulfúrico ya que se observa un considerable aumento en la curva de oferta mientras que la curva de demanda permanece casi constante con una ligera disminución a través del tiempo, lo que indica que se tendrá una gran cantidad de catalizador disponible en el mercado para su uso lo cual facilita la obtención de materia prima.
Gráfica. 3. Proyección a 10 años de curva de demanda-oferta óxido de hierro
3.4 OFERTA Vs DEMANDA
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Se determina a partir de las proyecciones anteriormente citadas, un comportamiento desfavorable para el desarrollo del proyecto debido a que el pronóstico a diez años la oferta se mantiene significativamente mayor a la demanda. Este tipo de tendencia sugiere un mercado que no es accesible para el producto debido a la saturación del mismo aun teniendo un disposición lenta pero constante de las materias primas para el proceso y el espacio en el mercado para la comercialización. 4. CAPACIDAD DE LA PLANTA A INSTALAR De acuerdo a las proyecciones elaboradas para este proyecto, la capacidad de producción que se tendrá es de 18.361 toneladas por año. Cabe resaltar que la metodología descrita en la literatura para establecer la capacidad instalada no se logró situar en este tipo de proyecto debido a que los datos resultantes de demanda efectiva y oferta efectiva (tabla 4) arrojan datos negativos que giran en torno al comportamiento inusual de los valores de demanda y oferta del ácido sulfúrico siendo la producción mayor que el consumo y en el caso del azufre el consumo es mayor que la oferta impidiendo llevar a cabo el procedimiento de la búsqueda del factor tecnológico y del envolvente inferior . Por tanto se dispone a establecer el volumen de producción mediante el 20% del promedio de la demanda proyectada a diez años con fines netamente académicos con la suposición de que la capacidad instalada solo suplirá un 0.2 de las necesidades del consumidor. 5. CARACTERIZACION DE PRODUCTO E INSUMOS 5.1 Producto principal: Ácido sulfúrico Fórmula: H2SO4 Líquido aceitoso, sin color y sin olor. Es muy corrosivo. En su forma comercial está usualmente impuro y su coloración es pardusca. Puede formar soluciones con el agua en cualquier proporción. Las soluciones acuosas de ácido sulfúrico se nombran de acuerdo con el porcentaje en peso de ácido en la solución; el ácido sulfúrico concentrado es entonces H2SO4 100%, que se conoce como anhidro o como monohidrato de trióxido de azufre. Se comercializa en solución acuosa de concentración entre 33 a 98%. Existen cuatro grados de comercialización: comercial, electrolito (de alta pureza para baterías), textil (bajo contenido de impurezas orgánicas) o grados de reactivo.
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Propiedades físicas y químicas del ácido sulfúrico
Tabla 4. Propiedades físicas del ácido sulfúrico El ácido sulfúrico es un ácido mineral fuerte y un oxidante fuerte. Descompone las sales de muchos otros ácidos, lo cual representa una oportunidad industrial en diversos campos como en la producción de Sulfato de sodio (Na 2SO4) y cloruro de Hidrógeno (HCl) a partir del cloruro de sodio (NaCl), la descomposición de sulfitos a dióxido de azufre y la descomposición de fosfatos de calcio naturales (Ca3(PO4)2) hasta ácido fosfórico (H3PO4) y sulfato de calcio (CaSO4). Gran parte se emplea en la elaboración de fertilizantes y sales para el tratamiento de aguas. Otras aplicaciones importantes se encuentran en la refinación del petróleo, producción de pigmentos, tratamiento del acero, extracción de metales no ferrosos y manufactura de explosivos agroquímicos, detergentes, plásticos, fibra y cauchos. TRANSPORTE: Carros Cisternas de Acero inoxidable o acero carbono de 10 a 30 toneladas y bidones de polietileno de alta densidad de 100 Kg. PRECIO: Aproximadamente $150.000 a $200.000 galón ALMACENAMIENTO
Tanques de acero Inoxidable o acero carbono Soporte de hormigón reforzado con diques de contención con capacidad de al menos el 50% de su contenido Sistemas de respiración y ventilación de la atmósfera presente en su interior, para evitar concentración de hidrógeno por la reacción del ácido con el metal. 10
Transvases frecuentes del ácido para evitar que la superficie del líquido quede estacionaria durante mucho tiempo y ocasione corrosiones muy localizadas. Para ácido frío (T < 40 ºC) y concentraciones superiores al 94% se admite el acero al carbono como material de construcción idóneo para tanques, cisternas y todo tipo de recipientes Las tuberías para el trasiego de ácido en estas condiciones se recomienda velocidades de 1 m/s, que no supere 1,5 m/s Para concentraciones inferiores a 78% y temperaturas de hasta 125 ºC se recomiendan materiales termoplásticos tipo PVDF o poliéster reforzado fibra de vidrio (FGRP). Aceros inoxidables AISI 316L (bajo carbono), 327 y/o 347 (estabilizados con Ti y Nb, respectivamente), también soportan bien la acción corrosiva del ácido. A temperaturas hasta 100 ºC debe recurrirse a una protección catódica adecuada a las condiciones de servicio, o usar aislantes adecuados como ladrillo antiácido Para temperaturas aún mayores en el mercado se encuentran aleaciones especiales y en casos extremos hay que recurrir al grafito aglomerado con resinas furánicas o al acero carbono vitrificado y/o revestido con teflón en su superficie en contacto con el ácido.
PRESENTACIONES
BIOQUIGEN LTDA(Bogotá/Colombia) Presentaciones por concentración: Ácido sulfúrico 0,02 n fco x 1 lt Ácido sulfúrico 0,02 n fco x 4 lt Ácido sulfúrico 0,1 n fco x 1 lt Ácido sulfúrico 0,1 n fco x 4 lt Ácido sulfúrico 0,2 n fco x 1 lt Ácido sulfúrico 0,5 n fco x 1 lt Ácido sulfúrico 1,0 n fco x 1 lt Ácido sulfúrico 1,0 n fco x 4 lt Ácido sulfúrico 2.0 n fco x 1 lt Ácido sulfúrico 2.5 n fco x 1 lt Ácido sulfúrico otras concentraciones fco x 1 lt
Industrias Básicas de Caldas S.A. Manizales/Colombia 11
Estado: liquido Aspecto: Ligeramente Turbio (menor de 120) Presentación: A granel Descripción Unidad Valor CONCENTRACIÓN % H2SO4 Mayor de 98 SELENIO ppm de Se Menor de 20 ANHÍDRIDO SULFUROSO ppm SO2 Menor de 30 CENIZAS % masa Menor de 0.02 HIERRO ppm Fe Menor de 50 PLOMO ppm de Pb Menor de 10 Tabla.5 Características de comercialización del ácido sulfúrico Industrias Básicas de Caldas S.A. 5.2 Azufre (insumo)
El azufre es una de las materias primas más importantes para la producción de ácido sulfúrico. Es insoluble en agua y soluble en solventes orgánicos. En la naturaleza se encuentra en las rocas como grumos, polvo granulado y polvo sublimado.
Fuente
El azufre natural es escaso en el mundo. Su reemplazo, el azufre petroquímico, lo produce Colombia como parte de su refinación, y tras convertirlo a ácido sulfúrico, es utilizado por la industria química para el curtido y lavado de pieles, para la industria farmacéutica y varios procesos de minería. Los beneficios se extienden a otros sectores como el agrícola, en el que el azufre es importante como componente de abonos y fertilizantes. Proveedores:
MONOMEROS
Grupo de la corporación PEQUIVEN Petroquímica de Venezuela S.A Apariencia: Sólido amarillo granular Especificaciones de venta: Azufre (S) (1) 97 % mín. Tamaño partícula (U.S std–20) 80 % mín. 12
(1) Sobre la base de una humedad máxima de 0.5 % Empaque: Bultos de 50 kg
EMICAUCA S.A.
Empresa indígena del Cauca Productores de azufre natural Pureza: 99.9% como azufre elemental (S) Presentación: Sacos de polipropileno en tela laminada de 25 y 50 Kg. Terrones de tamaño aleatorio. Granulometría: 250mm Composición Azufre total 99.9% mínimo Azufre soluble en CS2 99.9% mínimo Acidez como H2SO4 0.002% minímo Cenizas 0.050% máximo Humedad 0.100% máximo Materia Orgánica 0.007% máximo Arsénico 0.500 partes por millón máximo Selenio 250 partes por milloón máximo Tabla.6 Composición de azufre pulverizado EMICAUCA S.A Precio: 1000 USD / Toneladas Métricas
ECOPETROL
Descripción: El azufre comercializado por Ecopetrol es de origen petroquímico. Se obtiene a través de la oxidación catalítica del sulfuro de hidrógeno (H 2S) proveniente de los gases que producen las plantas de ruptura catalítica o hidrotratamiento. El azufre conseguido por esta vía es de alta pureza. Logística de venta: Se despacha en forma a granel, en carrotanques. Sitio de entrega: Refinerías de Barrancabermeja y Cartagena.
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Especificaciones técnicas
Tabla.7 Composición de azufre petroquímico ECOPETROL Transporte El transporte debe llevarse a cabo únicamente en vagones o camiones cerrados y limpios, debe almacenarse sin presión en depósitos de acero, plástico, aluminio y revestidos de hormigón y nunca en depósitos con contenido en cobre y/o cinc. Cargue del azufre Posicionamiento en sitio autorizado para el carguío de camiones, con motor totalmente detenido, enganchado, y con freno de estacionamiento. El área deberá en lo posible ser delimitada con conos reflectantes. Estacionar en lugar abierto. No estacionar en lugar cerrado, donde los gases se acumules causando peligro de explosión. Si no hay viento, se podría crear un ambiente de acumulación de gases alrededor del camión. No cargar los camiones con lomos que generen el riesgo de derrames de azufre en la carretera. No ubicarse bajo la carga suspendida del azufre. Almacenamiento El azufre debe almacenarse en un lugar seco ya que cuando está húmedo, el azufre reacciona formando un ácido sulfúrico muy débil desperdiciando la materia prima. Se debe almacenar aislado ya que eventualmente puede dañar las bolsas y la mayoría de los otros artículos, use plataformas para evitar el contacto entre suelos húmedos. 14
Para reducir las posibilidades de fuego y explosión, sólo deben usarse para almacenamiento lugares bien ventilados. Las puertas de los depósitos deben ser de un material no combustible y del tipo que pueda desprenderse fácilmente con una explosión. 5.3 Óxido de hierro
Conocido como óxido férrico o trióxido de dihierro es uno de los óxidos de hierro, cuya fórmula es Fe2O3. En este compuesto, el número de oxidación del hierro es +3. Es usado como un catalizador para la producción de ácido sulfúrico en Colombia, éste está involucrado en el proceso durante la oxidación catalítica de dióxido de azufre hasta trióxido de azufre, se empaca en diferentes capas de lecho, donde se lleva a cabo la reacción de forma adiabática.
Fuentes
Acerías Paz del Rio, S.A quien es la única empresa que extrae y procesa hierro en Colombia, ubicada en el municipio de Paz de Río, en el nororiente del departamento de Boyacá. Los yacimientos de minas calizas que explota Acerías Paz del Rio, están situados en las propias instalaciones de Belencito (municipio de Boyacá) o, cerca de 2 km, se trata de un yacimiento sedimentario marino del cretáceo inferior.
Precio: Precio de estimación: 1.423.357,67 - 1.459.854,02 COP / Tonelada
Presentaciones
El producto final obtenido se presenta en tres modalidades con igual composición mineralógica pero distinta granulometría. Su presentación al cliente se da en palets de 1.200 Kg envasados en sacos de 25 Kg. o "big-bags" de 1.200 Kg. En cualquiera de las dos formas el producto queda perfectamente aislado, termosellado, y plástico retráctil garantizando una perfecta estanqueidad.
Transporte
Normalmente es transportado en un palet , definido como una plataforma horizontal, rígida, usado como base para agrupar , apilar, almacenar, manipular y transportar el producto de interés en bolsas retractiles; también se pueden usar bolsas de polipropileno de 25kg para la exportación.
Almacenamiento: 15
Debe almacenarse es recipientes bien cerrados, en un área fresca, bien ventilada y lejos de calor o temperaturas superiores a 60°C. 6. SEGMENTACIÓN DEL MERCADO Segmentación geográfica: La producción mundial anual de ácido sulfúrico es de aproximadamente 150 millones de toneladas. Esta producción proviene principalmente de dos grandes fuentes: el tostado de azufre (80%) y el tratamiento de gases producidos en fundiciones (20%), siendo Asia y Europa los mayores productores de esta sustancia química [1] La anterior cifra refleja que este compuesto químico posee un gran significado comercial a tal punto que muchos lo han considerado como un indicador per cápita para medir el índice del desarrollo técnico de una nación. Estudios predicen que la producción de ácido sulfúrico también aumentará acerca de 285 millones de toneladas para 2020, con un consumo de 280 millones de toneladas lo cual ratifica que la creación de una empresa prestadora de este producto sería un magnifico negocio, sin embargo en el mercado nacional se observa con las proyecciones de demanda y oferta de este producto químico que aunque existe un alto grado de requerimiento para satisfacer las necesidades dentro del sector industrial químico, actualmente se presenta un mercado saturado que no justificaría la factibilidad de un negocio de ácido sulfúrico, pero existe la alternativa de introducir este mercado con el fin de reducir las importaciones. Dentro de las industrias que se centraría la venta del ácido sulfúrico mediante la tecnología de doble contacto estaría:
Fertilizantes Nitrogenados Refinerías de Petróleo Industria del Hierro y del Acero Procesamiento de minerales Pinturas y Pigmentos Explosivos Pesticidas Pulpa y Papel Textiles Tratamiento de Aguas Productos Farmacéuticos 16
7. MERCADO COMPETIDOR A nivel nacional el mercado competidor del ácido sulfúrico cada día está en aumento según registros del Departamento Administrativo Nacional de Estadística (DANE).Dentro de las empresas directas en la producción y consumo interno de este compuesto químico sobresalen: -Ecopetrol (Complejo industrial-Barrancabermeja): La producción de ácido sulfúrico en esta empresa, se limita a la utilización de este para producir insumos de uso interno, y en el tratamiento de hidrocarburos. La planta de esta empresa, fue diseñada para producir 70 Toneladas métricas por día del 99%, pero en 1996, solamente se llevaba a cabo una producción de 40 toneladas métricas por día, suficiente para satisfacer las necesidades internas de la empresa. -Monómeros colombo venezolanos (Barranquilla): Esta empresa produce principalmente caprolactama y fertilizantes, sin embargo el ácido sulfúrico es un producto intermedio en la producción de estos compuestos lo que lo cataloga dentro de los competidores del mercado local. -Productos químicos panamericanos (Bogotá D.C) -Acerías paz del rio (Bogotá D.C) -Industrias Básicas de Caldas (Manizales) -Química Básica Colombia S.A (Caloto, Cauca) 7.1 Puntos fuertes -Alta calidad de producción. -Cubrimiento de todos los segmentos y necesidades nacionales -Disponibilidad de equipos e instalaciones para su producción. -Disposición de las materias primas dentro del proceso productivo de otro producto ofrecido al mercado -Volúmenes de producción altos. 7.2 Puntos débiles -Uso de la tecnología de contacto directo lo cual aumenta la emisión de gases tóxicos para el ambiente. -La sobresaturación de demanda en el mercado nacional de ácido sulfúrico. 17
8. DESCRIPCIÓN GENERAL DEL PROCESO El proceso de producción de ácido sulfúrico es obtenido a través de 4 etapas descritas de la siguiente manera: 8.1 ÁREA DE RECEPCIÓN Y ALMACENAMIENTO DE AZUFRE LÍQUIDO El azufre liquido se almacenará en un tanque de aproximadamente 18 m3 con capacidad de almacenamiento de dos días lo cual asegurará un volumen suficiente para que no haya escasez de esta sustancia e impida la producción efectiva de ácido sulfúrico. 8.2 ÁREA DE OXIDACIÓN DE AZUFRE El azufre líquido dispuesto en el tanque de almacenamiento es trasladado con un sistema de bombeo al horno de combustión (revestido con ladrillos refractarios), donde será quemado en presencia de oxígeno, formando SO 2 .La corriente de aire que se dispondrá para el proceso será ingresado al quemador mediante un soplador. Esta corriente tiene un tratamiento previo mediante una torre de secado la cual utiliza ácido sulfúrico al 98% con el fin de reducir el contenido de vapor de agua de la corriente de aire. Esta sub etapa logra que a través del proceso productivo no haya problemas de corrosión en conductos y torres pertenecientes al proceso y en el caso de la conversión catalítica la formación de una niebla de trióxido de azufre que puede ser fácilmente absorbida en las torres. Finalmente el aire pre-secado contiene aproximadamente 21% de O2 y 79% de N2 [2] A la salida del quemador el conjunto de gases tiene una composición de 10 % de dióxido de azufre, 11% de oxígeno y 79 % de nitrógeno los cuales forman los gases residuales. Es importante resaltar que es necesario utilizar un exceso de oxígeno por encima del requerido para combinar con el S y el SO 2 que se convertirá en SO3 en la siguiente etapa. Fuera del 11 % de oxígeno necesario para la combustión un 5 % será necesario para combinar con el dióxido de azufre y poder formar el trióxido de azufre dejando un exceso de 6 % [3] Adicionalmente esta etapa comprende un aumento en la temperatura de la corriente de salida de los gases de combustión debido a que la naturaleza de la reacción es altamente exotérmica por lo que habitualmente se es necesario una recuperación de calor por medio de una caldera, para establecer las condiciones óptimas para la posterior oxidación catalítica. Dentro de las condiciones de los convertidores catalíticos esta que la temperatura de los gases de entrada esté en un rango de 380- 400°C y la caldera de recuperación está diseñada para quitar el calor de los gases hasta que su temperatura se encuentra en este rango por lo cual hay una reducción de la temperatura de unos 400°C y por tal razón es la existencia de varias toneladas de vapor dentro de la quema de azufre que se deben utilizar. 18
8.3 ÁREA DE CONVERSIÓN CATALÍTICA DE SO3 El gas caliente con un porcentaje de 11% de SO2, es impulsado a un convertidor de oxidación catalítica, donde se encuentra el pentóxido de Vanadio (V205) que juega papel de catalizador para la conversión de SO 2 a SO3. Este está finamente dividido sobre un soporte adecuado, con el fin de ofrecer una superficie eficaz máxima. El SO2 pasa por cuatro fases sucesivas dentro del convertidor catalítico, a cada salida de cada fase, el gas eleva su temperatura hasta 600° C, debido al comportamiento exotérmico y reversible de la reacción por lo que debe ser disminuida mediante un intercambiador de calor hasta unos 400° C antes de ingresar a la fase siguiente, para que la temperatura de la reacción en la fase siguiente del convertidor de oxidación catalítica no supere los 600° C ya que por debajo de 400 ° C, el V2O5 es inactivo como catalizador, y por encima de 620 ° C, se comienza a descomponerse. Con relación a la conversión de SO2 a SO3 esta se incrementa en cada una de las fases, para alcanzar, luego de la última etapa, una eficiencia de conversión acumulada de al menos 98%, lo que implica una alta eficiencia de producción de ácido sulfúrico, además de minimizar la cantidad de gas de desecho en forma de SO2. 8.4 ÁREA DE ABSORCIÓN DE SO3 Es considerada la última etapa de la producción de ácido sulfúrico, en ella el gas saliente del convertidor catalítico formado en su totalidad por SO 3 reacciona con agua para finalmente producir ácido sulfúrico. Es preciso citar que la corriente saliente no se combina directamente con agua, sino que debe combinarse indirectamente mediante absorción en ácido sulfúrico al 98%.En estas condiciones el SO3 se une fácilmente con el agua contenida en el ácido obteniendo una solución denominada „oleum‟ o „ácido sulfúrico fumante‟ que se utiliza principalmente en los procesos de sulfonación. Finalmente cuando estas soluciones se mezclan con agua, el óxido se combina con esta, formando más ácido sulfúrico. El ácido sulfúrico se mantiene a la concentración deseada por la adición de agua y su temperatura se controla en el intervalo deseado de 70 a 90 °C medido en la entrada de la torre de enfriamiento por el ácido recirculado. Una parte del ácido sulfúrico requerido va a la torre de secado por aire la cual se ha mencionado anteriormente, donde la humedad del aire de entrada suministra una parte del agua necesaria en la reacción. Esta operación se lleva a cabo en torres de absorción donde se efectúa la absorción del SO3 en dos etapas. La primera se encuentra a la salida de la tercera fase del convertidor catalítico, es decir antes de que la conversión a SO 3 se haya 19
completado. En ella se elimina el SO3 y se vuelve a calentar hasta 400 °C pasando a través del cuarto lecho del catalizador, de nuevo la corriente de salida se enfría y se envía a la segunda torre de absorción. El ácido que alimenta la absorción intermedia y final de SO 3 es mantenido en recirculación mediante el bombeo de un tanque de ácido común. El nivel de estanque de bombeo es mantenido evacuando automáticamente el ácido producido mediante un sistema de bombeo hasta los tanques de almacenamiento del ácido sulfúrico que se dispone para la venta y comercialización. A continuación en la fig.1 se esquematiza el proceso de doble contacto para la producción de ácido sulfúrico:
Fig. 1 Diagrama de Bloques del Proceso de doble contacto para la producción de ácido sulfúrico FUENTE: Autores
9. DESCRIPCIÓN DETALLADA DEL PROCESO Basados en el anterior diagrama general del proceso se plantea realizar la simulación del proceso de producción de ácido sulfúrico mediante la utilización del software ASPEN HYSYS. En la figura 2 se presenta el diagrama PFD donde se presenta una visión más detallada de las condiciones de operación tanto de los equipos como de las corrientes de entrada y salida que intervienen en el proceso productivo. 20
Fig. 2 Diagrama PFD Proceso de doble contacto para la producción de ácido sulfúrico FUENTE: Autores
21
Almacenamiento de azufre liquido: La materia prima será adquirida directamente de la empresa Ecopetrol, la cual comercializa azufre liquido al 99,8% de pureza de origen petroquímico obtenida a través de la oxidación catalítica del sulfuro de hidrógeno (H2S), el cual proviene de los gases que producen las plantas de ruptura catalítica en el proceso de producción de petróleo y sus derivados. Este insumo se almacena en un tanque V-100 el cual debe ser operado a una temperatura de 140 °C y una presión de 101,325 Kpa para garantizar la estabilidad en materia de estado líquido de la materia prima. Para mantener la temperatura del tanque es necesario usar un sistema de calentamiento tal que permita la permanencia de la temperatura de proceso del tanque del almacenamiento. El llenado de azufre se hace por medio de cisternas al tanque de almacenamiento que está equipado con una serie de serpentines de vapor, ubicados en el fondo y en las paredes del mismo. Dichos serpentines, tendrán la función de mantener la temperatura del azufre líquido en 150°C por medio de la circulación de vapor en su interior, a una presión de 4 Kg./cm2 a través de ellos. El tanque está construido con materia prima de excelente calidad presentando aislamiento térmico en toda su superficie, con recubrimiento epóxico interior para alta temperatura y evitar la corrosión. El transporte del azufre líquido se hace por medio de tanques portátiles que tiene un sistema de calentamiento indirecto por sector con circulación de fluido térmico perfectamente distribuido, en su interior, proporcionando rápido y homogéneo calentamiento.
Fig.3 Zona de almacenamiento de azufre líquido Área de oxidación de azufre: La materia prima es bombeada mediante una bomba centrifuga P-100 al horno de combustión el cual por simplicidad se simula usando un reactor de conversión (CRV-100), el cual trabaja a una temperatura de 1052 ° C. Para la oxidación del azufre será necesaria una corriente de aire a temperatura 182 °C la cual aportara al medio la sustancia comburente (O2).Esta corriente previamente es tratada en una torre de secado con alimentación de ácido sulfúrico del 98% para eliminar la 22
cantidad máxima posible de agua y evitar problemas de corrosión en el trayecto del proceso productivo. Para este proceso es necesaria la utilización de una torre de absorción (TS) la cual opera bajo 1 atmosfera de presión y una temperatura que oscila entre 32,2 a 138,4 °C. Esta torre tendrá dos salidas: una de ellas es aire en su totalidad seco y la otra agua más ácido sulfúrico a una pureza menor a la inicial. La corriente de aire seco es desplazada por medio de un compresor adiabático (K100) hacia el horno. Este requiere una potencia de 91,275 Kw. Para que la reacción ocurra es necesario un combustible que será el mismo azufre a condiciones de T conocidas y una fuente de ignición. Los gases salientes del horno presentan una temperatura de 1052 °C debido a la naturaleza exotérmica de la reacción, por lo cual es necesario la recuperación de este calor mediante una caldera, sin embargo la complejidad en su simulación nos obliga a modificar esta parte del proceso mediante la utilización de un intercambiador de calor (E-106) en el cual se cede la energía al fluido de enfriamiento en circulación y por ende la disminución de la temperatura de los gases. Este equipo de transferencia trabaja bajo 101,3 Kpa y conduce un fluido de enfriamiento que va desde 25 °C hasta 40 °C.
Fig.4 Zona de almacenamiento de azufre líquido
Área de conversión catalítica: Los gases de combustión a una temperatura de 432°C son llevados a un reactor catalítico de 4 etapas que por simplicidad se simula mediante un tren de reactores de conversión [RC1, RC-2, RC-3 y CRV-101] los cuales en su corriente de salida son interconectados a una serie de intercambiadores de calor uno por cada reactor de conversión [E-100,E-101,E-102] los cuales son los responsables de acondicionar la temperatura óptima de las corrientes de salida de cada 23
reactor para que se dé la reacción casi espontánea en presencia del catalizador pentóxido de vanadio. Dentro de estos reactores reaccionará el SO2 con el O2 restante para obtener SO3. Los reactores trabajan a una presión un poco mayor de 101,3 Kpa y una temperatura dentro del rango de 400°C-630°C.
Fig.5 Zona de reacción catalítica Área de absorción de SO3: A la salida del tercer reactor catalítico (RC-3) la corriente de gases (SO2 ,SO3 ,O2 ,N2) se disponen hacia una primera torre de absorción (TA) de S03 la cual opera a una presión de 107 Kpa y una temperatura máxima de 141,7 °C. En esta se dispondrá de una corriente de ácido sulfúrico al 98% que en conjunto con agua diluirán parcialmente el trióxido de azufre formando óleum (T=141,7°C) o ácido pirosulfúrico a una pureza en ocasiones mayor al 100% debido a la presencia de moléculas de SO3.Esta corriente finalmente se recirculara en parte a la torre de secado (TS) inicial, para usar el producto como un insumo para la absorción de vapor de agua en el aire ,otra parte se llevará a un tanque de almacenamiento V-101 (P:107,5 Kpa y T:141,7 °C) para su comercialización y distribución y la restante se recirculará a la segunda torre de absorción. Cabe resaltar que el óleum es desplazado mediante una bomba P-101 sin embargo antes de su llegada a la torre de secado pasa por un separador TEE-100 el cual distribuirá la corriente hacia su destino final (torre de secado) y la parte restante como insumo para la operación de la segunda torre de absorción. Por otro lado la otra corriente restante de la torre de absorción se dirige al último reactor de conversión CRV-101 donde finalizara la reacción de un 97 % de todo el SO2 entrante al tren de reactores catalíticos, sin embargo antes de su entrada al reactor es necesario acondicionar la corriente que presenta una temperatura de 34,08 °C para la óptima temperatura de reacción por lo cual es necesario el uso de un intercambiador de calor por donde pasa vapor de agua a 440°C la cual le cederá calor a la corriente por ende aumentara su temperatura a 223,51 °C . Este último reactor opera a una temperatura de 273,8 °C y una presión de 105 Kpa. Posteriormente la corriente resultante pobre en SO2 y parcialmente rica en 24
SO3 de nuevo es introducida a una última torre de absorción (CRV-102) que por motivos de convergencia se hizo necesario simular mediante un reactor de conversión (P: 104,8 Kpa), el cual presenta una conversión del 99% de S03 a H2SO4.Este presenta dos salidas: gases residuales que no reaccionaron en el proceso en bajas concentraciones y finalmente ácido sulfúrico al 98%.Esta torre al presentarse como un reactor es necesario controlar la temperatura de este utilizando una corriente de retiro de calor debido a la naturaleza exotérmica de la reacción en la torre. La corriente de interés es la del ácido sulfúrico con una temperatura de 108,9°C.Esta es dirigida mediante una bomba P-102 a un mezclador MIX -100 en él llega una corriente de agua pura para mantener la concentración de H2SO4 y la corriente de salida procedente de la torre de secado (TS) para finalmente ser recirculada en su totalidad a la primera torre de absorción (TA).
Fig.6 Zona de absorción de S03 10. CONDICIONES DE OPERACIÓN DE FLUJOS DE MASA Y ENERGÍA DEL PROCESO La simulación de la producción de ácido sulfúrico está compuesta por 46 corrientes pertenecientes a entrada, salida y reciclos de los insumos y productos en el sistema de producción y 22 equipos interconectados entre sí. Las diferentes corrientes se identifican con sus composiciones, condiciones de temperatura y presión, flujo másico en el ANEXO 1 EXCEL-Condiciones de operación de flujos de proceso. A continuación se señalan las condiciones generales de las principales corrientes en el proceso de doble contacto para la obtención de ácido sulfúrico, sin embargo en detalle se citan en ANEXO 2-Flujo de materia y energía.
25
AREA DE LA PLANTA
ALMACENAMIENTO DE AZUFRE LÍQUIDO
Corriente
Temperatura [°C]
Presión [kPa]
Fracción de vapor Flujo másico [kg/h]
(S liq)
140
101,3
0
700
(Air)
32
101,3
1
7000
(G-R1)
1052
134,4
1
7753
(R1-F)
420
133,0
1
7753
(GS-RC4)
274
105,0
1
7008
(Al-T1)
96
202,6
0
18608
45(H2s04 Fi)
142
107,5
0
19354
(H2SO4 98%)
142
107,5
0
2096
AREA DE OXIDACIÓN DE AZUFRE
AREA DE CONVERSIÓN CATALÍTICA
AREA DE ABSORCIÓN DE SO3
26
Fracción másica H2O 0 S_Liq_150 1 H2SO4 0 Nitrogeno 0 Oxigeno 0 SO3 0 SO2 0 H2O 0,028515 S_Liq_150 0 H2SO4 0 Nitrogeno 0,768148 Oxigeno 0,203338 SO3 0 SO2 0 H2O 0,023647 S_Liq_150 0 H2SO4 0,001371 Nitrogeno 0,769226 Oxigeno 0,114468 SO3 0,001986 SO2 0,089302 H2O 0,023647 S_Liq_150 0 H2SO4 0,001371 Nitrogeno 0,769226 Oxigeno 0,114468 SO3 0,001986 SO2 0,089302 H2O 0,166361 S_Liq_150 0 H2SO4 0,000045 Nitrogeno 0,744517 Oxigeno 0,068251 SO3 0,019771 SO2 0,001055 H2O 0,234051 S_Liq_150 0 H2SO4 0,76575 Nitrogeno 0,000133 Oxigeno 0,000055 SO3 0,000004 SO2 0,000006 H2O 0,011543 S_Liq_150 0 H2SO4 0,984154 Nitrogeno 0,000251 Oxigeno 0,000043 SO3 0,003687 SO2 0,000322 H2O 0,011543 S_Liq_150 0 H2SO4 0,984154 Nitrogeno 0,000251 Oxigeno 0,000043 SO3 0,003687 SO2 0,000322
Tabla 8. Condiciones de las principales corrientes de flujo en la producción de ácido sulfúrico CONDICIONES DE OPERACIÓN PARA LAS CORRIENTES DE ENERGÍA DEL PROCESO Corriente Tipo de utilidad Flujo de energía [kj/h] T1 Trabajo de la bomba 59,9 Traba Trabajo de la bomba 1.056 Tra1 Trabajo de la bomba 309,7 E-106 Agua de enfriamiento 5‟4‟55.000 E-100 Agua de enfriamiento 144.000 E-101 Agua de enfriamiento 152.000 E-102 Agua de enfriamiento 1´895.000 E-103 Vapor de calentamiento 1‟024.000 E-104 Agua de enfriamiento 891.600 enr Sistema de enfriamiento -1‟585.000 tr Suministro de electricidad 328.600 Tabla 10. Condiciones de las principales corrientes de flujo en la producción de ácido sulfúrico 11. MATRIZ DE CONDICIONES ESPECIALES DE PROCESOS Dentro del proceso productivo, es necesario manejar algunos equipos en ciertas condiciones especiales, como presión y temperatura. En la tabla 11 se relacionan los equipos que operan en condiciones especiales, y posteriormente se presentan las justificaciones a cada dato marcado.
27
Tanque V-100 Tanque 2 V-101 Horno CRV-100 Reactor Fase 1 RC-1 Reactor Fase 2 RC-2 Reactor Fase 3 RC-3 Reactor Fase 4 RC-4 Intercambiador 1 E-106 Intercambiador 2 E-100 Intercambiador 3 E-101 Intercambiador 4 E-102 Intercambiador 5 E-106 Intercambiador 6 E-106 Torre de Secado TS Torre de Absorción 1 TA Torre de Absorción 2 CRV-102 Bomba 1 P-100 Bomba 2 P-101 Bomba 3 P-102 Compresor K-100 Mezclador 1 MIX-100 Mezclador 2 MIX-101
Alto ∆T
Alta ∆P
∆TLM
Relación Compresión
No Estequiométrico
Alta P
Baja P
Equipo
Baja T
Alta T
Condiciones especiales
x x x x x
X X X
Tabla.11 Condiciones especiales de proceso
JUSTIFICACIONES -En el tanque de almacenamiento de azufre V-100 se es necesario operar a temperaturas elevadas debido a que el azufre líquido se solidifica a una temperatura de 115 °C luego entonces si se opera a una temperatura por encima de la establecida se asegura el estado líquido de la materia prima. -El horno representado por un reactor de conversión CRV-100 requiere de temperaturas altas para el proceso eficiente de combustión del azufre líquido para la producción de SO2. -Los cuatro reactores catalíticos son trabajados dentro de un rango de temperaturas entre 400 °C y 600°C para que el catalizador pueda ser activado y lograr el avance de la reacción [6]. -La serie de bombas necesitan alta caída de presión para impulsar el ácido sulfúrico a la torre de secado y de absorción intermedia para su uso como absorbente. 12. HERRAMIENTA DE CÁLCULO Y MÉTODO DE DISEÑO USADO PARA CADA EQUIPO 28
Los métodos usados para la dimensionalización de los diferentes equipos que intervienen en el proceso productivo se consignan en la tabla 12, la cual se basa en cada una de las especificaciones de diseño Anexo 3 EXCEL-Dimensionamiento de equipos. CONDICIONES DE OPERACIÓN
DIMENSIONAMIENTO
EQUIPO
HERRAMIENTAS DE CALCULO
MÉTODO
HERRAMIENTAS DE CALCULO
MÉTODO
Tanque V-100 Tanque 2 V-101 Horno CRV-100 Reactor Fase 1 RC-1 Reactor Fase 2 RC-2 Reactor Fase 3 RC-3 Reactor Fase 4 RC-4 Intercambiador 1 E-106 Intercambiador 2 E-100 Intercambiador 3 E-101 Intercambiador 4 E-102 Intercambiador 5 E-106 Intercambiador 6 E-106 Torre de Secado TS Torre de Absorción 1 TA Torre de Absorción 2 CRV-102 Bomba 1 P-100 Bomba 2 P-101 Bomba 3 P-102 Compresor K-100 Mezclador 1 MIX-100 Mezclador 2 MIX-101
ASPEN HYSYS ASPEN HYSYS ASPEN HYSYS ASPEN HYSYS ASPEN HYSYS ASPEN HYSYS ASPEN HYSYS ASPEN HYSYS ASPEN HYSYS ASPEN HYSYS ASPEN HYSYS ASPEN HYSYS ASPEN HYSYS ASPEN HYSYS ASPEN HYSYS ASPEN HYSYS ASPEN HYSYS ASPEN HYSYS ASPEN HYSYS ASPEN HYSYS ASPEN HYSYS ASPEN HYSYS
FLAT CYLINDER FLAT CYLINDER REACTOR CONVERSION REACTOR CONVERSION REACTOR CONVERSION REACTOR CONVERSION REACTOR CONVERSION HEAT EXCHANGER HEAT EXCHANGER HEAT EXCHANGER HEAT EXCHANGER HEAT EXCHANGER HEAT EXCHANGER COLUMN REACTION COLUMN REACTION REACTOR CONVERSION PUMP PUMP PUMP POLYTROPIC METHOD MIXER MIXER
EXCEL EXCEL EXCEL EXCEL EXCEL EXCEL EXCEL HYSYS HYSYS HYSYS HYSYS HYSYS HYSYS HYSYS HYSYS HYSYS HYSYS HYSYS HYSYS HYSYS HYSYS HYSYS
HEURÍSTICA HEURÍSTICA HYSYS-BIBLIOGRAFIA HYSYS-BIBLIOGRAFIA HYSYS-BIBLIOGRAFIA HYSYS-BIBLIOGRAFIA HYSYS-BIBLIOGRAFIA Shell&Tube Exchanger Design/Rating Shell&Tube Exchanger Design/Rating Shell&Tube Exchanger Design/Rating Shell&Tube Exchanger Design/Rating Shell&Tube Exchanger Design/Rating Shell&Tube Exchanger Design/Rating TRAY SIZING TRAY SIZING TRAY SIZING Fichas de especificaciones Fichas de especificaciones Fichas de especificaciones Fichas de especificaciones NINGUNO NINGUNO
Tabla 12.Especificaciones de dimensionalización de equipos Cabe resaltar que dentro del proceso de dimensionamiento se tiene en cuenta:
El manejo de heurísticas que relacionan diámetro y altura para cada uno de los tanques. El sobredimensionamiento de los tanques, se realiza multiplicando por 1.21.25 para evitar accidentes o problemas de capacidad. Todos los tanques de almacenamiento están dimensionados para tener una carga durante dos días. Algunas especificaciones acerca de dimensiones de equipos son resultantes de la simulación en HYSYS.
ESPECIFICACIONES GENERALES ACERCA DE DIMENSIONAMIENTO DE EQUIPOS EQUIPO
HERRAMIENTAS DE DIMENSIONAMIENTO Basados en la especificaciones encontrados en el Handbook of Sulphuric Acid Manufacturing Douglas K. Louie acerca de algunos tamaños de hornos de combustión usados en
Horno CRV-100
29
la industria de ácido sulfúrico respecto a la cantidad de toneladas producidas por año del producto y la cantidad de toneladas usadas de materia prima se estima una equivalencia de las dimensiones del horno a utilizar en la planta basados en los flujos de entrada y de salida de insumo y producto principal. Tanques de almacenamiento (V-100,V- Basados en el dato de flujo 101) volumétrico (m3/h) generado por simulación en HYSYS, y suponiendo que la capacidad de almacenamiento de la planta es de dos días se estima el volumen necesario para esta clase de equipos. Cabe resaltar que el volumen final se estima con un sobredimensionamiento del 20% del volumen inicial para preservar la seguridad industrial. Reactor catalítico(RC1-RC2-RC3-CRV- Como parte de las simplificaciones de 1) simulación del proceso fue indispensable acoger cuatro unidades reactivas que hacen el papel de un solo reactor catalítico que se usa actualmente en la industria, sin embargo para su dimensionamiento es preciso realizar un sumatoria de los volúmenes generados por HYSYS de cada reactor y suponer que el valor final es el volumen del reactor a diseñar. Para efecto de dimensionamiento se es necesario investigar en la literatura (Manual de Operaciones "Planta de ácido", Indec Chile LDTA ) las dimensiones y condiciones de un reactor catalítico ya montado, del cual se especifica su volumen y flujo de entrada, y mediante una relación con nuestro flujo, es posible determinar un volumen estimado para nuestro reactor . Intercambiadores de calor (E-101,E- Para este tipo de equipo de 102,E-103,E-104,E-100,E-106) intercambio energético con solo 30
Torres de secado y absorción (CRV-102,TS)
torres
Bombas y compresores
conocer su área de transferencia se provee un dimensionamiento cercano. El software Hysys –Aspen mediante la simulación del proceso arroja esos valores. de Tanto el valor de la altura y el valor del diámetro es generado por HYSYSASPEN, adicionalmente se especifica la cantidad de empaque que se es necesario. Dentro de las especificaciones generadas por hysys se encuentran las potencias y el peso de los equipos, por lo tanto es considerable valor único para su dimensionamiento y costo.
A continuación se muestra un resumen de los valores de las dimensiones de los respectivos equipos que hacen parte de la producción de ácido sulfúrico: TANQUE DE ALMACENAMIENTO Denominacion Capacidad [m3] 22,28
TANQUE DE ALMACENAMIENTO Denominacion Capacidad [m3] 65,32
Equipo
V-100
Tanque de acopio de azufre liquido DATOS GENERALES Material Posición Peso [Kg] Acero Inoxidable 304 Vertical 1419,486503 Equipo
V-101
Tanque de acopio Ácido sulfuríco DATOS GENERALES Material Posición Peso [Kg] Acero Inoxidable 316 Vertical 2760,577341
Tabla.13 Especificación dimensionamiento deTAequipos. Fuente: Equipo TORRE DE ABSORCION resumida de AutoresTorre de absorción preliminar Denominacion Capacidad [m3] 7,8715
TORRE DE SECADO Denominacion Capacidad [m3] 4,139
BOMBAS
DATOS GENERALES Material Acero Inoxidable 304
Peso empaque [Kg] Peso total [Kg] 6304,4 7011,215171
Equipo
TS
Torre de secado del aire que va al quemador de azufre DATOS GENERALES Material Peso empaque [Kg] Peso total [Kg] Acero Inoxidable 304 2918,6 3381,989558
31 Equipo
P-100
Denominacion Diametro de carga [m]
DATOS GENERALES Material
Peso [Kg]
Denominacion Capacidad [m3] 65,32
TORRE DE ABSORCION Denominacion Capacidad [m3] 7,8715
TORRE DE SECADO Denominacion Capacidad [m3] 4,139
BOMBAS
Tanque de acopio Ácido sulfuríco DATOS GENERALES Material Posición Peso [Kg] Acero Inoxidable 316 Vertical 2760,577341
Equipo
TA
Torre de absorción preliminar DATOS GENERALES Material Peso empaque [Kg] Peso total [Kg] Acero Inoxidable 304 6304,4 7011,215171 Equipo
TS
Torre de secado del aire que va al quemador de azufre DATOS GENERALES Material Peso empaque [Kg] Peso total [Kg] Acero Inoxidable 304 2918,6 3381,989558
Equipo
P-100
Denominacion Diametro de carga [m] 0,03175
BOMBAS
DATOS GENERALES Material Acero inoxidable 316 Equipo
Peso [Kg] 22,22 P-101
Denominacion Diametro de carga [m] 0,03175
BOMBAS
DATOS GENERALES Material Acero inoxidable 316 Equipo
Peso [Kg] 22,22 P-102
Denominacion Diametro de carga [m] 0,03175
COMPRESOR
DATOS GENERALES Material Acero inoxidable 316
Equipo
Peso [Kg] 22,22
K-100
Denominacion Potencia(hp) 133,13
DATOS GENERALES MATERIAL Acero al carbon
PESO [Kg] 5011,9
Tabla.13 Especificación resumida de dimensionamiento de equipos. Fuente: Autores
32
Equipo
REACTOR CATALITICO
RC1+RC2+RC3+CRV-101
DATOS GENERALES Material Acero Inoxidable 316
3
Capacidad [m ] 9,778064214
QUEMADOR DE AZUFRE
Equipo
Capacidad [m ] 3,368814557
Denominacion
Posición Horizontal
Equipo
TORRE DE ABSORCION
Peso [Kg] 776,4259833
CRV-100
DATOS GENERALES Material Acero al carbon
3
Posición Vertical
Peso [Kg] 390,1830067 CRV-102
Torre de absorción final DATOS GENERALES Diametro [m] Material Peso empaque [Kg] Peso total [Kg] 1,829 Acero Inoxidable 304 6304,4 7011,215171
Capacidad [m3] 7,8715
INTERCAMBIADORES DE CALOR Tipo de intercambiador (carcaza-tubo) Nombre Carga termica [Kj/h] Area efectiva de transferencia [m2] Temperatura de salida tubo [°C] Temperatura de entrada tubo [°C] Temperatura de entrada carcaza [°C] Temperatura de salida carcaza [°C] Presión de salida tubo [Kpa] Presión de entrada tubo [Kpa] Presión de entrada carcaza [Kpa] Presión de salida carcaza [Kpa] Número de pasos por el tubo Número de pasos por la carcaza Peso equipo [Kg]
Gas-liquido E-101 152562,76 38,31 40,00 25,00 450,32 432,00 101,30 101,30 132,80 131,80 1 2 1110,167766
Gas-liquido E-102 1895335,22 32,64 40,00 25,00 434,35 200,00 101,30 101,30 131,80 131,00 1 2 945,8594595
Gas-Gas E-103 1024143,21 326,50 152,35 440,00 94,08 223,51 506,62 506,62 107,00 106,33 2 2 9461,492448
Gas-liquido E-104 891573,25 44,18 99,99 25,00 273,85 162,78 101,30 101,30 105,00 104,80 1 2 1280,271781
Tabla.13 Especificación resumida de dimensionamiento de equipos. Fuente: Autores OBSERVACIONES -FORMA DE CATALIZADOR: Se utilizará catalizadores acanalados en forma de estrella los cuales incrementan el área superficial y exponen mayor cantidad de estructura porosa, permitiendo una difusión más sencilla y rápida de reactivos y productos [4] -TORRE DE SECADO: Torres de relleno de forma cilíndrica vertical, con carcaza de acero inoxidable y un revestimiento de ladrillo antiácido. Contará con un relleno de monturas cerámicas intalox de 3/4 y 3/8 soportadas en un parilla de bloques puesto que son las recomendadas en la manufactura de ácido sulfúrico. 33
-SISTEMA DE BOMBEO: Se usarán bombas centrifugas verticales sumergidas, con una carcasa de acero al carbón. -TORRES DE ABSORCIÓN Y SECADO: Su configuración estará dispuesta en forma vertical, construida su carcasa en acero inoxidable 304. Tendrá un revestimiento de ladrillo antiácido, además un relleno de monturas cerámicas intalox ¾ y 3/8 soportado en un bloque de parilla antiácido. -REACTOR CATALÍTICO: Se usará un cilindro vertical construido de acero inoxidable con aislación en fibra mineral y con cobertura de aluminio. El catalizador está repartido en 4 etapas separadas por platos con el catalizador soportado por una parrilla con tamiz. El catalizador estará dispuesto en pellets de la serie XLP que se caracterizan por una baja caída de presión y un rendimiento de conversión más alto en todas las camas del convertidor. El catalizador estará soportado en aluminosilicatos ricos en portadores SiO2 tal como el Kieselguhr (tierras de diatomeas), y con promotor de potasio y conector de K2 SiO3. Tanto el pentóxido de vanadio como el pirosulfato de potasio son islas fundidas en la matriz de sílice. Aproximadamente tendrá una vida útil extremadamente larga y podrá ser utilizado por un tiempo de 10 años antes que se desintegre a polvo. [5] -MEZCLADORES: En cuanto este tipo de accesorios se usarán mezcladores de flujos los cuales con solo introducir los materiales por medio de una bomba se produce la mezcla por interferencia de sus flujos corrientes. Cabe resaltar que se omite el dimensionamiento de estos equipos ya que hace parte de la línea de tubería debido a que en naturaleza no se trataría de un equipo sino un acople de la tubería. 13. ESTRATEGIA DE DISEÑO Durante la simulación de la producción de ácido sulfúrico se utiliza inicialmente el paquete recomendado por Honeywell, ASPENTech para productos químicos (Modelos de actividad, PRSV) sin embargo no hubo convergencia lo cual obligo a utilizar el paquete termodinámico NRTL-ideal (Modelo Non Random Two) debido a dos razones: el modelo es aplicable a sistemas parcialmente miscibles, en la cual se asume que un líquido tiene una estructura hecha de celdas de moléculas de dos tipos, en una mezcla binaria cada molécula se considera que está rodeada por moléculas de ambo tipos, en proporción determinadas por la energía de interacción de Gibbs [6], y la segunda razón reside en la convergencia de todos
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los equipos a este modelo permitiendo la no generación de errores dentro de la corrida de la simulación. La estrategia utilizada para realizar el diseño, consiste básicamente en la búsqueda de información bibliográfica (tesis de grado, artículos en base de datos) y patentes consultadas. Estas nos permiten tener un amplio conocimiento de la actual metodología para la manufactura del ácido sulfúrico para facilitar la posterior utilización de la interfaz del software Aspen Hysys. Se realiza la simulación bajo las siguientes consideraciones:
Los flujos iniciales se hallaron mediante balances sencillos sobre las ecuaciones estequiometricas que describen el proceso. Se toma como base para el cálculo la capacidad instalada generada mediante la proyección de los históricos demandados del ácido sulfúrico.
El proceso de combustión de azufre se simula mediante la utilización de un reactor de conversión suponiendo que la conversión es del 100% por lo tanto hay combustión completa.
Para la simulación de torre de secado y la primera torre de absorción fue necesario usar torres empacadas con empaque intalox y reacción química para la convergencia del proceso.
La cinética de la reacción en el área de oxidación catalítica no se tuvo en cuenta ya que no se simula el comportamiento del catalizador pentóxido de vanadio.
Los equipos usados en la producción de ácido sulfúrico usan el paquete termodinámico BASIS-1.
Se utiliza tres reciclos durante la simulación debido a que existen algunos insumos para la operación de algunos equipos (exactamente torres de secado y empacadas) que hacen parte de las corrientes de producción en las últimas etapas del proceso.
La última etapa de absorción de S03 por efectos de no convergencia se simula mediante un reactor de conversión al 98%.
La capacidad instalada en el proceso de simulación no es la misma debido a la complejidad del proceso y al uso de reciclos los cuales se ajustaron por prueba y error, sin embargo su proximidad al dato real está en un porcentaje de 94,4%. 35
OBSERVACIÓN: El proceso se diseña en el simulador colocando cada equipo y verificando que converja, luego se añade el siguiente equipo y se realiza la misma acción. Seguidamente se introdujeron los reciclos lo que ocasiono que algunos equipos no convergieran, como la torre de absorción. Se realiza nuevamente el método corto para la torre y de nuevo el riguroso. 14. LOCALIZACIÓN DE LA PLANTA La ubicación de la planta es una decisión estratégica que tendrá una influencia vital para las operaciones de la planta contribuyendo en mayor medida a que se logre la mayor tasa de rentabilidad sobre el capital invertido. En Colombia existen ciudades que son buenos prospectos para realizar proyectos de grandes magnitudes como lo es la construcción de una planta industrial de ácido sulfúrico debido a su diversidad de uso en la industria química y petrolera. Para el caso de este producto químico es necesario tener en cuenta la cercanía del suministro de azufre con una buena facilidad de transporte para el mercado y un área aceptable para el desecho del afluente de gases. Para escoger la ciudad que brinde las mejores condiciones para su ejecución fue necesario utilizar un método que ponderará los distintos agentes (geográficos, institucionales, sociales y económicos) encontrando así la mejor opción. A continuación se detalla el proceso de escogencia: Método cualitativo por puntos
Determinar las posibles ciudades donde estaría ubicada la planta: Una de las primeras limitantes de la localización de la planta es la disponibilidad de la materia prima. Es necesario que el sitio escogido sea una ciudad cercana al proveedor para minimizar los costos de transporte.
Ecopetrol S.A en Barrancabermeja suministra el azufre líquido, Bioquigen LTDA en Bogotá proporciona el ácido sulfúrico necesario para el inicio de la absorción y Monsanto Enviro-Chem Systems de Estados Unidos California provee el catalizador. Teniendo en cuenta lo anterior se escoge como prospectos de ciudades a Barrancabermeja porque ser el lugar base donde se consigue la materia prima, Cartagena por poseer puerto marítimo lo que facilitaría la importación del catalizador y el mayor acceso a posibles exportaciones, además de localizarse como lugar de encuentro de la refinería de Ecopetrol la cual también podría suministrar el azufre líquido; finalmente es probable la localización en la ciudad de Cali debido a la cercanía con el puerto de San Buenaventura y su proyección mediana en el consumo de fertilizantes(siendo este mercado el mayor comprador de ácido sulfúrico).
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Identificación de los factores más relevantes: Los aspectos que se escogieron para la localización de la planta fueron: Facilidad de transporte Disponibilidad de materias primas Disponibilidad de servicios Disponibilidad de mano de obra Infraestructura industrial Cercanía de los centros de consumo
Asignación de pesos a cada uno de los factores de acuerdo a su importancia relativa (la suma de los pesos porcentuales debe ser igual al 100%): Los pesos fueron asignados de manera cuantitativa basados en los posibles costos que conllevaría su mala escogencia.
FACTOR PESO 1 Facilidad de transporte 0.3 2 Disponibilidad de 0.3 materias primas 3 Disponibilidad de 0.1 servicios 4 Disponibilidad de mano 0.1 de obra 5 Infraestructura industrial 0.05 6 Cercanía a los centros de 0.15 consumo Tabla.14 Método de ponderación para localización de la planta. Fuente: Autores Cabe resaltar que la situación de orden público del país es de suma importancia al decidir la localización de la planta ya que cualquier amenaza o bloqueo en las carreteras por protestas podrían atrasar las entregas de los productos así mismo como la llegada de los insumos, por ésta razón la facilidad de transporte es un factor determinante para la decisión final. Por otro lado la disponibilidad de materias primas es fundamental para el inicio de las funciones en la planta, por tal motivo su peso es muy relevante. La disponibilidad de servicios, la disponibilidad de mano de obra, la infraestructura industrial y la cercanía a los centros de consumo tiene menor ponderación porque en las tres ciudades el comportamiento no es constante, sino que está sujeta a variaciones tales como vivienda, transporte, comunicaciones, salud y alimentos.
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Recolectar información relevante para el análisis de los factores definidos.
CIUDAD: BARRANCABERMEJA Facilidad de transporte: Barrancabermeja se encuentra ubicada en el departamento de Santander, es un puerto fluvial sobre el río Magdalena, considerado capital de la región del Magdalena Medio. Se considera la segunda ciudad más importante de Santander. Su actividad económica depende de la industria petrolera, dentro de la cual se encuentra la sede central de la empresa ECOPETROL, la refinería más grande del país. Adicionalmente esta ciudad se encuentra ubicada a 101 Km al occidente de Bucaramanga, a orillas del Río Magdalena, en la región del Magdalena Medio y se puede llegar por vía terrestre con vías en buen estado comunicadas a cualquier parte del país, aérea debido a que se encuentra a 10 minutos del Aeropuerto Yariguies y fluvial facilitando el transporte de los demás insumos y equipos provenientes de áreas internacionales. Disponibilidad de materias primas: Esta ciudad cuenta con una ventaja muy grande con respecto a la disponibilidad en la materia prima ya que en ella se encuentra ubicada la refinería más grande del país ECOPETROL, quien es nuestro principal proveedor ocasionando un gran ahorro en el transporte de esta. Disponibilidad de servicios: Las empresas que atienden la demanda de servicios públicos de la ciudad son: La Electrificadora de Santander S.A. E.S.P., AGUAS DE BARRANCABERMEJA S.A. E.S.P. y Gases de Barrancabermeja S.A. E.S.P. -Energía: La Electrificadora de Santander S.A. E.S.P. posee cinco (5) plantas de generación de energía de las cuales tres (3) son hidráulicas y dos (2) térmicas. Las plantas hidráulicas están ubicadas en diferentes puntos de Santander, para un total de 21 MW instalados, con los cuales genera cerca del 6.7% de la energía que vende. La generación anual promedio de ESSA es de 251 GWh/año.
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ESTRATO 1 2 3 4 5y6 Comercial/Industrial
VALOR ($/kWh) 166,9819 208,7274 308,7757 363,2655 435,9186 435,9186
Acueductos 399,5921 Oficial 363,2655 Tabla.15 Tarifas generales de servicio de energía en la ciudad de Barrancabermeja. Fuente: Tarifas de energía Diciembre 2013. ESSA -Acueducto y Alcantarillado: Aguas de Barrancabermeja S.A. E.S.P. es responsable por el servicio de acueducto y alcantarillado. CARGO FIJO ($)
VALOR METRO CUBICO CONSUMIDO ($/ ) 7.492,00 805,00 Tabla.16 Costos unitarios de prestación de servicio de acueducto. 2013. Fuente: Tarifas de acueducto. Aguas de Barrancabermeja S.A. E.S.P. VALOR METRO CUBICO VERTIDO($/ ) 629,00 Tabla 17. Costos unitarios de prestación de servicio de alcantarillado. 2013Fuente: Tarifas de alcantarillado. Aguas de Barrancabermeja S.A. E.S.P. -Gas natural: La ciudad posee una red de distribución que garantiza el servicio de gas natural. El servicio es prestado por Gases de Barrancabermeja S.A. E.S.P. ESTRATO
*%Subsidio,
Tarifa eq. ($/ ) 1* -50,00% 1.201,40 600,7 2* -39,71% 1.292,50 779,29 Tabla 18. Costo unitario de prestación de gas. Noviembre de 2012.. Fuente: Tarifas de gas Natural fenosa. Gas Natural Gas Oriente S.A. E.S.P. ($/
)
Disponibilidad de mano de obra: Barrancabermeja cuenta con una población de 192 mil personas, de las cuales 101 mil son mujeres (52,5%) 39
y 91 mil hombres (47,5%). La mayor parte de la población es joven, siendo el 49.8% menor de 30 años. En cuanto a la capacitación para el trabajo, un 31,1% de la Población en Edad de Trabajar (PET) ha recibido por lo menos un curso de capacitación para el trabajo. Los desocupados en la ciudad ascendieron a 15 mil. Infraestructura industrial: Actualmente no se cuenta con una zona franca en la ciudad ni en la región, pero se encuentran en proceso de desarrollo, en cuanto al sector industrial el principal aporte lo hace ECOPETROL con el Complejo Barrancabermeja que se extiende en un área de 254 hectáreas, en las que se distribuyen más de cincuenta modernas plantas y unidades de proceso, tratamiento, servicios y control ambiental. Cercanías a centros de consumo: Debido al mejoramiento en la competitividad regional, la producción y el crecimiento de la economía local y la industria de Barrancabermeja se tiene contemplado la construcción de nuevas plantas que se convertirán en centro de consumo de ácido sulfúrico, además presenta una cercanía con uno de los mayores productores de fertilizantes (Bucaramanga), siendo este producto un comprador central de ácido sulfúrico. CIUDAD: CARTAGENA Facilidad de transporte: Cartagena se sitúa como la cuarta región industrial más importante de Colombia además de tener el principal puerto de contenedores y de cruceros a nivel nacional, lo cual la hace una ubicación estratégica para la implementación y desarrollo de una planta de producción de ácido sulfúrico. Dentro de las ventajas que presenta en cuanto a la disponibilidad de transporte se encuentra el acceso directo al puerto marítimo lo cual facilita el ingreso al pentóxido de vanadio como insumo limitante ya que al estar ausente en el mercado nacional es necesario su importación. De igual forma cuenta con la interconexión de la ruta al sol, carretera que se encuentra en condiciones favorables para el transporte terrestre de insumos secundarios necesarios para el desarrollo del proceso o la comercialización a otras partes del país. Disponibilidad de materias primas: Referente a la disponibilidad de materias primas Cartagena cuenta con la refinería de petróleo propiedad de Ecopetrol S.A el cual es el proveedor directo de azufre líquido por lo cual el costo de transporte sería casi despreciable ya que se encontraría el insumo principal en la misma zona de localización de la planta. 40
Disponibilidad de servicios: La ciudad cuenta con servicios públicos prestados por importantes empresas como Electricaribe S.A E.S.P., Aguas de Cartagena S.A. E.S.P., Surtigas y Colombia Telecomunicaciones. -Las tarifas de energía para las empresas industriales se establecen de acuerdo con el nivel de tensión y el consumo real. Cabe resaltar que las tarifas para el sector no residencial tienen un sobrecosto del 20% dado que en su tarifa está estipulada una contribución de solidaridad a los estratos residenciales 1, 2 y 3. ESTRATO VALOR ($/KWH) 3 390,26 4 459,12 5 550,94 Tabla 19. Costos unitarios de prestación de servicio de energía. Enero 2013Fuente: Publicaciones de Tarifas reportadas por las Empresas -El servicio de agua es prestado con una continuidad del 99,83% y una cobertura del 99,91% en acueducto y 86,57% en alcantarillado. El cumplimiento de presión en red es de un 97,87%.Aproximadamente las tarifas de m 3 de agua para la zona industrial son: TARIFA
USO
CARGO FIJO
71
CONSUMO BÁSICO 0 HASTA 20M3 2.246,61
CONSUMO COMPLEMENTARIO MAYOR DE 20M3
CONSUMO BÁSICO 0 HASTA 20M3 1.947,93
CONSUMO COMPLEMENTARIO MAYOR DE 20M3
Comercial 13.334,47 2.246,61 Industrial 73 13.334,47 1.947,66 1.947,06 potable Tabla 20. Costos unitarios de prestación de servicio de acueducto. Enero 2013 Fuente: http://www.central.com.co/cartagena. TARIFA
USO
CARGO FIJO
71
Comercial 8.639,46 1.947,93 Industrial 73 8.639,46 1.688,21 1.688,21 potable Tabla 21. Costos unitarios de prestación de servicio de alcantarillado. Enero 2013 Fuente: http://www.central.com.co/cartagena. Tarifa uso industrial (suministro de agua cruda industrial) $1.065,94 m3 -El servicio de gas natural presenta una satisfacción a los usuarios del 80,58%, además cuenta con una línea de acero que recorre toda la zona industrial de 41
Mamonal a una presión de 250 psi y en la zona franca industrial de Cartagena a una presión de 45 psi. Disponibilidad de mano de obra: Actualmente en la ciudad de Cartagena laboran aproximadamente 60.000 personas (empleados , contratistas y proveedores ) en más de 209 grandes y medianas empresas, sin embargo datos del DANE reportan una alta tasa de desocupación del 10,7% a pesar del crecimiento de inversiones y macro proyectos lo cual podría ser ventajoso a la hora de disponer de mano de obra local ,además de que hay disposiciones legales como el Acuerdo No. 016 del 22 de Agosto 2005, del Concejo de Cartagena, que obliga a que 60% del empleo de estas empresas sea para gente de la ciudad. Adicionalmente En la ciudad existen importantes centros para la formación profesional y técnica. Cartagena de Indias cuenta con 7 universidades de alto nivel académico e innumerables institutos técnicos y tecnológicos, entre los cuales existe el compromiso de atender nuevos requerimientos frente a importantes proyectos de desarrollo y crecimiento económico. Infraestructura industrial: Esta ciudad cuenta con varias zonas francas, las cuales le han generado una ventaja estratégica como ciudad de negocios. Las distintas zonas francas y su tipo se encuentran en la tabla contigua
Razón Social
Tipo de Z.F.
Zona Franca Parque Central*
Permanente
Zona Franca La Candelaria S.A.
Permanente
ZOFRANCA S.A.
Permanente
Parque Industrial Zona Franca Dexton
Permanente
Zona Franca Puerta de las Américas
Permanente Especial
Zona Franca Argos S.A.S.
Permanente Especial
Zona Franca Gyplac S.A.
Permanente Especial
Zona Franca Refinería de Cartagena S.A.
Permanente Especial
Zona Franca Terminal Contenedor
Permanente Especial
Cartagena Tabla 22. Zona franca Mamonal de Cartagena de Indias Fuente: http://www.central.com.co/ Es preciso citar que la zona franca industrial de Mamonal, es la zona de desarrollo industrial y manufacturero más importante de la ciudad. Se encuentra localizada a 12 kilómetros al sureste de Cartagena, con dos importantes vías de acceso: la vía 42
Cartagena-Mamonal y la vía Mamonal-Gambote. También cuenta con 30 muelles privados de los cuales Contecar, Puerto de Mamonal y Oil Taking son de servicio público. Presenta un área industrial disponible de 1.500 hectáreas. Cercanías a centros de consumo: La producción de ácido sulfúrico generalmente se lleva a cabo para satisfacer las necesidades de una serie de industrias que dependen de él ya sea de manera directa o indirecta. Dentro de las más importantes cabe resaltar las industrias enmarcadas dentro del sector de fertilizantes nitrogenados, refinerías de petróleo, obtención de productos químicos e industria de hierro y acero. La ciudad de Cartagena cuenta con un 5.47% de industrias de manufacturera dentro del sector empresarial donde sobresalen Abonos Colombianos S.A. Tubos del Caribe Ltda. y Biofilm S.A las cuales son consumidoras directas de ácido sulfúrico para sus actividades productivas, por tanto se desarrollaría un alto centro de consumo local. CIUDAD: CALI Facilidad de transporte: Cali es uno de los principales centros económicos e industriales de Colombia, es el principal centro urbano, cultural, económico, industrial y agrario del suroccidente del país. Cuenta con una de las economías de mayor crecimiento e infraestructura en el país debido a su ubicación geográfica, la ciudad se encuentra a 115 km de Buenaventura, el principal puerto marítimo de Colombia en el océano Pacífico, éstas características le permiten ser una opción viable para será allí donde se construya a la planta productora de ácido sulfúrico ya que se tiene acceso directo al puerto marítimo obteniendo de forma rápida los insumos de origen internacional, facilitando así mismo la explotación del ácido sulfúrico. Cuenta con vías terrestres en buen estado para movilizar mercancía en el interior del país como la Carretera Panamericana, el Túnel de la línea y la Vía al Mar que es un acceso importante entre Cali y el puerto de Buenaventura ya que acorta la distancia entre ambas ciudades. Disponibilidad de materias primas: Con respeto al principal insumo presenta desventajas ya que el proveedor está ubicado en Barrancabermeja Santander y Cartagena de Indias en el Bolívar. Disponibilidad de servicios: Las Empresas Municipales de Cali, EMCALI, atienden la demanda de servicios públicos de la ciudad y de gran parte de su área metropolitana. -Energía: Las ventas de energía son alrededor de 1.800 GWH-año Mercado Regulado y el no Regulado 500 GWH-año, para un total de 2.300 GWH-año, 43
representando cerca del 6% de la demanda nacional y a nivel del Valle del cauca el 70%. ESTRATO VALOR ($/KWH) 3 351,39 4 374,58 5y6 449,49 Tabla 23 Costos unitarios de energía Fuente: Tarifas de energía mercado regulado. EMCALI -Acueducto y Alcantarillado: EMCALI es responsable también por el servicio de acueducto y alcantarillado. Comercial 12.231,54 2.012,59 Industrial 10.639,32 1.747,77 Tabla 24 Costos unitarios de agua Fuente: Tarifas de acueducto. EMCALI USO Comercial Industrial
CARGO FIJO ($) 5.996,96 5.207,89
CONSUMO BÁSICO ($/ ) 2.361,32 2.050,62
Tabla 25. Costos unitarios de prestación de servicio de alcantarillado. Enero de 2013 Fuente: Tarifas de alcantarillado. EMCALI -Gas natural: La ciudad posee una red de distribución con una capacidad de 130 millones de pies cúbicos diarios se garantiza el servicio de gas natural. Esta red es alimentada por un gasoducto que viene desde Yumbo hasta el norte de la ciudad. El servicio es prestado por Gas de Occidente. Rango de Consumo Rango de consumo Cargo Variable ($/m3) Inicial (m3) Final (m3) 0 20.000 275.15 20.001 85.000 260.15 85.001 170.000 138.33 170.001 425.000 134.73 425.001 1.700.000 152.47 1.700.001 >1.700.001 324.38 Tabla 26. Costo unitario de prestación de gas. Enero de 2014. Fuente: Tarifas de gas natural en Cali. Gas de Occidente. Disponibilidad de mano de obra Cali cuenta con abundante recurso humano, joven y calificado, ya que tiene una población de 4´474,084, más del 60% son personas menores de 35 años y el 65.3% corresponde a la fuerza laboral, se gradúan anualmente un 44
promedio de 14.000 profesionales. Cali aporta más de 200 programas de pregrado, más de 40 maestrías y 12 doctorados. Infraestructura industrial: En el Valle del Cauca se encuentran ubicados dos parques tecnológicos, cinco zonas francas en la región, más de cuarenta zonas y parques industriales hacen que sea una región con sólida infraestructura. Las zonas francas permanentes más importantes son: Razón Social
Área total disponible 89.467 m2 250.000 m2
Zona Franca del Pacífico Zona Franca Palmaseca Celpa Zona Franca Permanente Buenaventura, Valle del Cauca 254.530 m2 Tabla 27. Costo unitario de área total disponible. La zona franca del Pacífico ofrece el servicio de usuario operador de Zonas Francas, siendo el 2do más importante del País, y desarrolla proyectos inmobiliarios con atractivos incentivos fiscales y aduaneros que fortalecen la competitividad y permiten maximizar los beneficios de los TLC. La zona franca Palmeseca tiene una infraestructura requerida y los servicios necesarios para desarrollar proyectos, en una zona geográfica con un régimen especial, lo que permite acceder a múltiples privilegios, además brinda la posibilidad de finalizar regímenes de importación temporal de corto y largo plazo, además de finalizar sistemas especiales de importación y exportación. El Centro Logístico del Pacífico – CELPA S.A. es una Zona Franca Permanente, diseñada como ante y post puerto para servicios externos al comercio exterior colombiano en Buenaventura.
Asignación de calificaciones para cada factor a las diferentes ciudades basándose en el análisis de la información recolectada, las calificaciones variaran de 0 a 10.
0 10
Calificaciones No existencia o deficiencia Condiciones excelentes
45
Factor
Calificación CALI CARTAGENA BARRANCABERMEJA 1 0,3 8 10 9 2 0,3 0 10 10 3 0,1 8 7 9 4 0,1 7 8 9 5 0,05 9 10 7 6 0,15 7 10 9 Tabla. 28 Resultados de calificaciones de factores de localización de la planta
Peso
Calcular las puntaciones totales de cada localización según la siguiente fórmula:
∑
Puntuación total Peso relativo dado a cada factor Puntuación individual asignada a cada factor FACTOR
PESO
CALIFICACIÓN PONDERADA CALI
CARTAGENA
BARRANCABERMEJA
1
0,3
2,4
3
2,7
2
0,3
0
3
3
3
0,1
0,8
0,7
0,9
4
0,1
0,7
0,8
0,9
5
0,05
0,45
0,5
0,35
6
0,15
1,05
1,5
1,35
5,4
9,5
9,2
PUNTUACIÓN
Tabla. 29 Resultados de ponderaciones de factores de localización de la planta
Seleccionar la ciudad de acuerdo con la mayor puntuación total: A pesar de que cada una de estas zonas proporciona ventajas para la instalación de la planta, de acuerdo al análisis cuantitativo previo se concluye que la mejor opción de localización de la planta es Cartagena debido a su alta puntuación, cumpliendo con los requisitos establecidos en cada uno de los factores. Su escogencia se basa en el hecho de que presenta un fácil acceso tanto a nivel marítimo como terrestre de insumos y del producto como tal, de igual forma la disponibilidad de servicios presenta una buena cobertura y un precio menor en comparación con los demás. 46
Adicionalmente la materia prima se encuentra en la misma ciudad de localización lo que disminuye sustancialmente los costos de transporte .Por otro lado el puerto favorece la compra de equipos y la importación del catalizador a un menor precio, es importante recalcar que esta ciudad cuenta con el sector principal petroquímico, y por ello se encuentran en gran cantidad compradores del producto final que realiza la planta. 15. COSTO DE OPERACIÓN Para la estimación de los costos de operación de la planta de ácido sulfúrico se debe tener en cuenta el cálculo de los costos de manufactura. Los cálculos de los factores del COM fueron basados según la tabla 6.2 TURTON, R., Analysis, Synthesis and Design of Chemical Process. Prentice Hall. Cuarta Edition. 2012. Capítulo 6. COM=0,239*FCI+1,523*COL+ 1, 19*(CUT+CWT+CRM) Dónde: 15.1 CRM Para este factor se tiene en cuenta el costo de las materias primas del proceso. En este ítem se considera la proyección de ventas de los dos insumos principales en la producción de ácido sulfúrico: el azufre petroquímico y el pentóxido de vanadio. -Proyección de ventas de azufre petroquímico y pentóxido de vanadio Basados en los datos estadísticos del DANE desde el año 2003 hasta el 2011 se hace la proyección hasta el año 2023 del precio unitario por tonelada de insumo mediante la herramienta tendencia de EXCEL la cual ajusta los datos a un comportamiento lineal, de lo cual se obtiene las siguiente gráficas:
47
PROYECCIÓN VENTAS DE AZUFRE PETROQUÍMICO
PROYECCIÓN VENTAS DE PENTÓXIDO DE
700,000.00 PRECIO [$/TON]
PRECIO [$/TON]
600,000.00 500,000.00 400,000.00 300,000.00 200,000.00 100,000.00 2002 2007 2012 2017 2022 2027 TIEMPO [AÑOS] Fig.8 Proyección de ventas de azufre petroquímico
4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 2002
2012 2022 TIEMPO [AÑOS]
Fig.9 Proyección de pentóxido Vanadio. Fuente: DANE
ventas de de
Para el azufre en los años posteriores a la implementación de la planta (2013) se tiene un comportamiento constante del precio, exceptuando una pequeña disminución en el año 2017. El pentóxido de vanadio como catalizador tiene un aumento en su precio, tomando relevancia en la determinación de costos. Año
[millones de pesos /año]
2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022
$1.372 $1.602 $1.403 $1.507 $1.405 $3.819 $1.545 $1.419 $1.840 $2.095 $2.119 $2.164 $2.125 $2.037 $1.827 $2.210 $2.233 $2.173 $2.147 $2.159 48
Tabla. 30 Datos de proyección anual de precio de azufre petroquímico .Fuente DANE
Año 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023
(millones de pesos)/año $3.664.415 $3.619.082 $1.942.921 $4.182.647 $3.551.083 $4.021.034 $4.326.276 $4.367.076 $4.267.343 $4.543.052 $4.853.380 $5.214.558 $5.121.242 $5.398.177 $5.526.999 $5.702.747 $5.924.377 $6.142.270 $6.296.756 $6.447.902 $6.614.905
Tabla.31 Datos de proyección anual de precio de pentóxido de vanadio. Fuente: DANE
Cabe resaltar que el catalizador tiene una vida útil extremadamente larga y puede ser utilizado por un tiempo de 10 años antes que se desintegre a polvo. Por lo tanto sólo se hará una vez la inversión en lo concerniente con el catalizador. Costo anual de catalizador incluyendo transporte: El pentóxido de vanadio se importa desde la ciudad Chesterfield en Estados Unidos donde la empresa Monsanto Enviro-Chem Systems (EE.UU.) lo suministra en forma de anillo de estrella de dimensiones de 12x12x4 mm, el cual incrementa el área superficial y exponen mayor cantidad de estructura porosa, permitiendo una difusión más sencilla y rápida de reactivos y productos. Teniendo en cuenta los costos por impuestos el costo total del catalizador es de $6.399.793 para el año 2013 (Ver ANEXO 4-EXCEL-Pestaña Catalizador).
49
COSTO US
Peso [Ton]
COSTO IMPUESTO DE TT COSTO TM IMPORTACIÓN EEUU EEUU [U$] [COP$] [U$]
COSTO TT COL [COP$]
COSTO TOTAL [COP$]
$ 1,5 $408 $457 $1.528.816 $17.592 $6.399.794 2.364,61 Tabla 32.Costo Total de pentóxido de vanadio, incluyendo transporte. Fuente: autores Azufre: La materia prima se transporta desde la refinería de Ecopetrol hasta la planta, recorriendo una distancia de 0,3 km. De esta manera se tiene el costo total incluido el transporte por año (Ver ANEXO 3-EXCEL-Pestaña Azufre). AÑO 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023
COSTO TT COL COSTO TOTAL [millones de [COP$] pesos COP] 6.132 $1.259.765 $1.373 6.132 $1.259.765 $1.603 6.132 $1.259.765 $1.404 6.132 $1.259.765 $1.508 6.132 $1.259.765 $1.407 6.132 $1.259.765 $3.821 6.132 $1.259.765 $1.547 6.132 $1.259.765 $1.420 6.132 $1.259.765 $1.842 6.132 $1.259.765 $2.096 6.132 $1.259.765 $2.120 6.132 $1.259.765 $2.165 6.132 $1.259.765 $2.126 6.132 $1.259.765 $2.038 6.132 $1.259.765 $1.829 6.132 $1.259.765 $2.211 6.132 $1.259.765 $2.234 6.132 $1.259.765 $2.174 6.132 $1.259.765 $2.148 6.132 $1.259.765 $2.160 6.132 $1.259.765 $2.181 Tabla 33 .Costo Total anual de azufre petroquímico
Peso [Ton]
15.2 FCI Interviene costo de equipos, fletes de transporte de materia prima y catalizadores, mantenimiento y precios del terreno. Se trabajaran los mismos valores para todos los años y la inflación no será un valor que lo afecte; ya que este no cambia notoriamente a través de los años. Además el término de mantenimiento se fijó al 8% de los costos totales de los equipos Los cálculos de los costos de los equipos se realizan teniendo en cuenta las características de cada uno de ellos y en 50
ocasiones algunas correlaciones de costo, sin embargo la mayoría de costos de equipos se basan en la utilización de una herramienta informática de cálculo. -Para los empaques de las torres de absorción se hace la cotización mediante la página web , esta empresa se encuentra ubicada Roseville/ USA. Los costos de equipos radican en el valor del transporte terrestre desde esta ciudad hasta el puerto de la ciudad de New York, el transporte marítimo desde New York hasta el puerto de Cartagena y el transporte terrestre hasta el lugar de ubicación de la planta. -Para el costo de los intercambiadores de calor E-106, E-100, E-101, E-102, E-103 y E-104, los tanques de almacenamiento V-100 y V-101, la torre de absorción TA, la torre de secado TS, las bombas P-100, P-101 y P-102, quemador de azufre CRV-100 y por último el reactor catalítico RC se cotizan en línea en la página siendo un simulador de equipos industriales. En esta página se visualiza una interfaz que presenta una lista de equipos posibles a los que se les puede consultar el precio FOB (Incluye costo de traslado desde la fábrica hasta cualquier Puerto marítimo en USA), una vez se accede al tipo de equipo, de acuerdo a las dimensiones y especificaciones que el mismo programa solicita; se genera los costos para el año 2007 que posteriormente se proyectan al año 2013 por medio de la ecuación teniendo en cuenta el CEPCI y la siguiente fórmula: 𝐶𝐴=𝐶𝐵 (𝐼𝐴/𝐼𝐵)
CA = Costo del equipo en la fecha a estimar CB = Costo conocido del equipo en la fecha que lo data IA = Index del año a estimar precio(2013)= 567,5 IB = Index del año precio conocido (2007)= 535,4
Debido a que el valor arrojado por la página incluye el costo de traslado hasta cualquier puerto marítimo en Estados Unidos, no es necesario determinar una ubicación exacta de la fábrica en USA para dichos equipos, pero para disminuir costos de transporte marítimo se consulta cuál es el puerto en USA más cercano al de Cartagena/Colombia, siendo el de Houston, Texas. Adicionalmente se tiene en cuenta el transporte terrestre desde Cartagena hasta la ubicación de la planta en la vía al Mamonal. -Los mezcladores y los divisores son operaciones que implican poco diseño y costo mínimo por lo tanto, no son importantes para estimar el costo de capital de una planta y no aparecerá en la lista de los equipos principales. Sin embargo, se encuentra que estas unidades están incluidas en el diseño de diagramas de flujo para la implementación y el uso de simuladores de procesos químicos.
51
Observaciones: Las distancias terrestres fueron consultadas mediante la herramienta informática en línea google maps (Acceder mediante: https://maps.google.es/), mientras que las distancias marítimas fueron consultadas mediante la opción “Distancias marítimas” donde se visualiza la distancia entre los principales puertos comerciales marítimos del mundo escogiendo el origen y el destino (Acceder mediante: http://www.infopuerto.com/calculos/). El cálculo de los costos de cada equipo y de los costos totales de los equipos con el efecto de traslado se enseña en el archivo ANEXO 4-Costos de equipos.
EQUIPO E-106 E-100 E-101 E-102 E-103 E-104 V-100 V-101 TA Intalox Saddles 3/8 CRV-100 Intalox Saddles 3/8 TS Intalox Saddles 3/4 P-100 P-101 P-102 K-100 RC CRV-100 COSTO TOTAL DE EQUIPOS [COP$] COSTO TOTAL DE EQUIPOS [COP$]
COSTO TOTAL [millones de pesos COP] $184 $163 $148 $130 $842 $166 $90 $169 $171 $14 $171 $14 $136 $6 $5 $5 $5 $200 $185 $47 $2858 $2.858.292.276
Tabla 32.Costo total por equipos. Fuente: Autores
Costo de terreno: Para la ubicación de la planta de producción de ácido sulfúrico, se tiene en cuenta el costo de metro cuadrado fluctuando en precio promedio por
52
metro cuadrado nuevo en la ciudad: $3.987.089, precio promedio por metro cuadrado usado: $ 1.900.000 y $ 3.676.731. Adicionalmente para el cálculo del precio del terreno se tuvo en cuenta el área de cada uno de los equipos, al igual que las distancias entre los mismos. El área transversal de los tanques, intercambiadores y torres de absorción se calcula a partir de los datos obtenidos en el dimensionamiento de los equipos, mientras que para el cálculo del área de las bombas, el compresor y el horno se utilizaron datos obtenidos como potencia, caudal y diámetro de carga arrojados en la Simulación en HYSYS, por medio del uso de heurística. La separación entre los equipos se calcula por medio de la Tabla de Separación referencial entre diferentes equipos típicos dentro de una misma área, suministrada por el docente, que contiene las distancias referenciales de separación entre diferentes equipos típicos, dentro de un bloque de una instalación. El área y el costo total de la planta están distribuidos de la siguiente manera:
Fig.10 Plano de distribución de la planta .Fuente: Autores ÁREA DE LA PLANTA Descripción del Área de la planta Zona de cargue y descargue Zona de equipos Sala de control
TOTAL m2 250 472,65 15 Zona de edificios (oficinas, talleres, laboratorio) 100 ÁREA 837,65 COSTO TERRENO CIUDAD DE CARTAGENA $ 3.338.000.000 2 Tabla.33 Costo total de terreno por m .Fuente: Autores 53
Los cálculos de costo de terreno se detallan en el ANEXO 5-EXCEL Costo de terrenos. 15.3 COL Este factor considera la mano de obra requerida para la producción de ácido sulfúrico. Se calcula según la capacidad de personal que requieren los equipos y otros servicios de la planta, en estos valores interviene la inflación. Dentro de su valor se tiene en cuenta:
Operarios necesarios en la planta: Se escogió la cantidad y el número de operarios para los equipos usando la tabla de operarios requeridos para varios equipos de procesos, además se tuvo en cuenta el factor de número de turnos por operar en Colombia que equivale a 3,65.
Cantidad 2 3 1 6 1 3 2 1
Tipo de Equipos Tanque de almacenamiento Bomba Reactor Intercambiador de calor Compresor Torre de absorción Mezcladores Horno
Operarios por equipo
Total operarios por equipo
0 0 2 0,1 0,15 1 0 1 Cantidad de operarios por turno
0 0 2 0,6 0,15 3 0 1
#Operarios diarios
25
6,75
Tabla.34 Número de operarios diarios. Ver carpeta ANEXOS- Libro-COSTOS MANO DE OBRA-Excel
Valor del salario mínimo legal vigente: (S.M.L.V) Corresponde al valor de $589.500, validado por el Artículo 145 C.S.T., además debe tenerse en cuenta el subsidio transporte que equivale a $70.500 cuyo soporte es el mismo artículo mencionado anteriormente.
Prestaciones sociales: son los dineros adicionales al Salario que se debe reconocer al trabajador vinculado mediante contrato de trabajo por servicios prestados. Éstas corresponden a las Cesantías con un porcentaje de 8,33% sobre el salario base según el Artículo 249 C.S.T., 1% de Intereses sobre Cesantías según Ley 52 de 1975, 8,33% de Prima definido por el grupo de 54
trabajo acorde a la Ley 11 de 1984 y las Vacaciones que corresponden a medio salario mínimo (8,33%) según Articulo 186 C.S.T.
Aportes parafiscales: son una contribución especial al SENA (2%), ICBF (3%) y Cajas de Compensación Familiar (4%), para que estas Entidades adelanten programas de naturaleza social, según su misión, avalado por la Ley 21/1982.
Seguridad social: La legislación de la Seguridad Social en Colombia, estipula que todos los trabajadores deben estar amparados por la ley, los requisitos están registrados de la siguiente manera: Salud (8,5 %): Requisito de Ley 1122 del 2007 Pensión (12%): Requisito de Ley 797 del 2003 Riesgos profesionales (Riesgo muy bajo 0,52- Riesgo alto 4 %): Requisito de ley 1122 del 2007. COSTOS DE NÓMINA: Para ver los costos totales de mano de obre remitirse a Excel-Anexo 6-COSTOS DE MANO DE OBRA. COSTO MENSUAL NOMINA PRODUCCIÓN $ Salario Base 66.614.000 $ Prestaciones Sociales 14.542.000 $ Parafiscales 5.995.000 $ Seguridad Social 16.320.000 $ TOTAL COSTO MENSUAL 103.471.000 $ COSTO ANUAL MANO OBRA 1.241.652.000 Tabla.35 Costo total anual de nómina de producción
55
COSTO MENSUAL NOMINA ADMINISTRACIÓN $ Salario Base 26.703.000 $ Prestaciones Sociales 5.829.000 $ Parafiscales 1.708.000 $ Seguridad Social 5.613.000 $ TOTAL 39.853.000 $ COSTO ANUAL ADMO 478.235.000 Tabla.36 Costo total anual de nómina de administración
COSTO NOMINA MENSUAL VENTAS $ Salario Base 3.973.000 $ Prestaciones Sociales 867.000 $ Parafiscales 358.000 $ Seguridad Social 835.000 $ TOTAL 6.033.000 $ COSTO ANUAL ADMO 72.391.000 Tabla.36 Costo total anual de nómina de ventas 15.4 CUT Para el funcionamiento de la planta se requiere el suministro de los siguientes servicios públicos:
AGUA POTABLE Y ALCANTARILLADO: El suministro de agua potable para consumo humano, será provisto mediante agua embotellada y dispensadores de aguas distribuidos en los distintos puntos de la planta. Adicionalmente para el funcionamiento de los intercambiadores es necesario la disponibilidad de agua de enfriamiento.
56
COMBUSTIBLE: En la etapa de combustión, se utiliza gas natural destinado al calentamiento inicial de la planta (puesta en marcha), con el cual se generará la combustión pasando los gases por el sistema de conversión e intercambiadores de calor hasta que éste alcance la temperatura de trabajo requerido. Luego se reemplaza el gas natural por azufre fundido.
ELECTRICIDAD: La provisión de electricidad es necesario para el funcionamiento de equipos de bombeo y desplazamiento de gases.
Con base en los datos de potencia y caudales volumétricos suministrados por la simulación en HYSYS, se obtiene los costos totales de servicios anualmente descritos en el ANEXO-EXCEL 7 Costos de servicios: ENERGIA ELECTRICA
Costo ($kW/h) en Cartagena
$ 550,94
Potencia (kW) Consumo/h 0,1527 $ 84,13 0,2934 $ 161,65 0,08604 $ 47,40 91,27 $ 50.284,29 TOTAL $ 50.577,47 CONSUMO DE ENERGIA ANUAL $ 443.058.646,06
Equipos Bomba P-100 Bomba P-101 Bomba 3 Compresor
Tabla.35 Costo total de servicios de energía eléctrica. Fuente: Autores
AGUA Costo agua ($m3/h) en Cartagena
57
$ 1.947,06
Equipos
Caudal (m3/h)
Consumo/h
Intercambiador E-106
86,17
$
167.778,16
Intercambiador E-100
22,75
$
44.295,62
Intercambiador E-101
2,41
$
4.692,41
Intercambiador E-102
29,94
$
58.294,98
1 $
1.947,06
Intercambiador E103 Intercambiador E104 Agua de entrada
2,83 0,8517 TOTAL CONSUMO DE AGUA ANUAL
$
5.510,18
$
1.658,31
$
284.176,72
$
2.489.388.040
Tabla.36 Costo total de servicios agua .Fuente: Autores
GAS NATURAL Cargo fijo COSTO GAS NATURAL ANUAL COSTOS TOTALESSERVICIOS
$
2.355
$
28.260
$
2.932.474.947
Tabla.37 Costo total de servicios gas .Fuente: Autores
15.5 CWT Durante el proceso de producción de ácido sulfúrico hay existencia de residuos tales como el agua que circula por los intercambiadores y el afluente de gas(SO 2) que sale de la última torre de absorción, los cuales deben ser tratados para minimizar impactos y multas ambientales, sin embargo el encontrar un costo referente para este ítem obliga a simular rigurosamente el proceso teniendo en cuenta todas las etapas que lo describen, proporcionando problemas en el planteamiento de la simulación por lo cual por simplicidad se decide omitir este tipo de costo variable . VALOR TOTAL DE COM: $ 9’762.658.833 16. MATRIZ DE FONDO Para la realización del flujo neto de caja (ANEXO 8 –EXCEL Matriz de fondo) es necesario tener en cuenta las siguientes consideraciones: 58
- Para fijar el crecimiento de costos fijos, gastos de administración, costos de ventas, costos del producto y costos variables se considera el promedio del valor de la inflación en Colombia por los últimos años (ANEXO 9-PROMEDIO DE INFLACIÓN) generando un porcentaje de crecimiento de aproximadamente 4%. -La tasa de incremento de costos de mantenimiento se fijó con un porcentaje del 0,8% anual. -La tasa de incremento de seguros, se fija en un porcentaje de 0,5%. -La cantidad de unidades durante los 10 próximos años se mantienen constante. -Para el capital de trabajo se utiliza una tasa de crecimiento igual al 20% de la inversión total. - La tasa de crecimiento para costos generales y otros costos de administración son del 0,5% y 0,1% respectivamente. -El valor presente neto se halla con base a un interés anual del 10%. -Debido a que la proyección de los precios del ácido sulfúrico presentan un aumento exorbitante en valor (ANEXO 10-Proyeccion de Precio deH2S04) entre los años 2009 y 2010 al realizar la matriz de fondo inicialmente se usan los precios proyectados, sin embargo la TIR resultante es muy grande por lo que es necesario el uso de un precio basado en la resolución 0249 del 2013 expedida por la dirección Nacional de estupefacientes la cual es la encargada de regular el precio del ácido sulfúrico en Colombia. -La depreciación es lineal por lo tanto solo se le atribuye solamente a equipos. Los índices de factibilidad que se valoran son: El VPN y la TIR VPN: Herramienta empleada en el análisis fundamental para la consideración del valor temporal del dinero a la hora de evaluar entre los diferentes proyectos de inversión disponibles para una empresa a largo plazo. Para el caso de estudio se obtuvo en los cinco primeros años de vida útil del proyecto un valor negativo de este índice, pero en adelante los valores presentan una tendencia de crecimiento que muestran que el proyecto resulta atractivo ya que en poco tiempo logra recuperarse la inversión inicial y se obtienen márgenes de utilidades considerables. TIR: La tasa interna de retorno (TIR) es una tasa de rendimiento utilizada para medir y comparar la rentabilidad de las inversiones. Esta tasa de descuento hace que el valor presente neto sea igual a cero. El término interno se refiere al hecho de que su cálculo no incorpora factores externos (por ejemplo, la tasa de interés o 59
la inflación). Para el proyecto de producción de ácido sulfúrico se obtuvo un valor de 18% la cual está por encima de la tasa mínima establecida para la recuperación de la inversión haciendo que sea atractiva la puesta en marcha de la planta. PRECIO DE EQUILIBRIO : El punto de equilibrio es una herramienta que permite determinar el momento en el cual las ventas cubrirán exactamente los costos, de tal forma que este viene a ser un punto de referencia a partir del cual un incremento en los volúmenes de venta generará utilidades, pero también un decremento ocasionará perdidas, para este caso a partir del sexto año ya se ha recuperado la inversión y el precio del producto se encuentra por encima de la referencia lo cual indica la generación de ganancias. INDICE DE FACTIBILIDAD VPN TIR PUNTO DE EQUILIBRIO
VALOR $ 2.137.248.154,41 $ 16% $ 187,01
Tabla.38 Índices de factibilidad de planta de ácido sulfúrico OBSERVACIÓN: De acuerdo a los datos generados en la proyección a 10 años del flujo de caja se observa y se ratifica que la producción de ácido sulfúrico presenta una gran rentabilidad y una idea de inversión favorable ya que la inversión inicial se recupera en poco tiempo y se obtienen márgenes de ganancia superiores a los esperados. 17. ANALISIS DE RIESGO El análisis de riesgo de un proyecto permite estimar cuanto van a cambiar las condiciones después de la ejecución. Para este proyecto para el análisis se realizaron tres métodos que si bien no eliminan la incertidumbre, permiten cuantificar el riesgo en el proyecto, definiendo la probabilidad que ocurran eventos que generen consecuencias positivas o negativas, obteniendo una información más clara en la toma de decisiones sobre la ejecución o no de este. Las variables tenidas en cuenta en el análisis son precio del producto, costo de materias primas y costo de los equipos. Método 1: Tres escenarios Este método permite realizar un comparativo entre el escenario base (escenario obtenido a partir de la matriz de fondos calculada), un escenario desfavorable, y un escenario de alto rendimiento. 60
En el resultado de este análisis se encuentra con que en el peor de los casos se tendría una pérdida de $5‟378.711.237, esta es una cantidad considerable al momento de tomar una decisión, sin embargo se debe tener presente que en el mejor de los casos la ganancia podría aumentar hasta $7‟608.666.056, cabe resaltar que este método es bastante inexacto por lo que es necesario analizarlo a través de otro método que permita cuantificar el riesgo de manera precisa. Método 2: Combinatorial Según éste análisis donde se utiliza la información de los tres escenarios y mediante la combinación de estos se crean unos nuevos, se puede observar que la variable que más afecta el comportamiento del flujo de caja es el precio de venta del ácido sulfúrico, ya que para el caso en el que la misma toma un valor más bajo, todos los valores del VPN dan negativos. Siendo esta variable factor determinante para la ejecución de proyecto comparada con las demás cuya relevancia es más baja. Método 3: Montecarlo Con este análisis más detallado se observa en la figura 11, que la probabilidad de tener un VPN negativo es del 39,50%, lo que indica que esta esta probabilidad de o ganar ni perder. Mientras tanto, la probabilidad de ganar y perder equivale a un 50%, lo que indica que el proyecto en ejecución puede resultar viable en la misma media que puede fracasar, la decisión para la puesta en marcha corresponde a los inversionistas.
Fig. 11. Análisis de riesgo, método Montecarlo. Fuente: Autores 61
18. ALTERNATIVAS DE DISEÑO
Reducir los costos de capital considerablemente minimizando el COM para así aumentar el valor presente neto y la TIR, por medio de la reducción del costo del transporte de los equipos intentando adquirirlos en países más cercanos con impuestos de aduana más bajos sin omitir la calidad y la confiabilidad en las diferentes maquinas.
Reducir el área de reacción de la planta eliminando en último reactor catalítico ya que su conversión es muy baja y no afecta en gran magnitud a la producción de ácido sulfúrico, pero si ocasiona una gran ahorro en mantenimiento y sostenimiento de este equipo en la planta.
En el proceso de oxidación del azufre, oxidación de SO2 a SO3, y el proceso de absorción, son procesos exotérmicos, por lo que la recuperación de calor en la planta de producción de ácido sulfúrico es clave tanto económica como ambientalmente. Este calor puede usar en otros puntos de la planta o en la producción de energía para la red.
En términos generales se puede mejorar el proceso optimizando el control de este incluyendo controles de las temperaturas de combustión, conversión y absorción y en la concentración del ácido en el secado, absorción intermedia y final
Los residuos generados en las distintas etapas del proyecto serán dispuestos cada uno de acuerdo al manejo que requieran, el tipo de residuo y su naturaleza, para su posterior retiro y disposición final por parte de empresas avaladas por la autoridad sanitaria.
19. ANALISIS DE IMPACTO AMBIENTAL 19.1 IDENTIFICACIÓN DE RESIDUOS PRODUCIDOS DURANTE EL PROCESO DE PRODUCCIÓN DE ÁCIDO SULFURICO
Durante la producción de ácido sulfúrico se presentan varios efectos ambientales que llevan consigo una cantidad considerada de residuos contaminantes y que es de vital importancia hacer una buena disposición de estos, sin embargo de acuerdo a la matriz de impacto ambiental (Ver ANEXO-EXCEL 13-MATRIZ DE IMPACTO AMBIENTAL) se identifican impactos relevantes en comparación con los demás. Dentro de este apartado se destacan los siguientes ítems:
62
Emisiones gaseosas: En la planta de ácido sulfúrico, se cuenta con un único punto de emisión clasificado: la salida de gases de combustión (SO2+SO3) procedentes de la torre de absorción (CRV-102) y la neblina ácida procedente de las torres de absorción. En relación con el conducto de los gases de calentamiento del horno de combustión no se establece como elemento global de emisión que ya que según la literatura no se estima superior al 5% del tiempo de funcionamiento de la planta [7]. Las emisiones a la atmósfera que pueden ser provocadas por la actividad de la empresa son las siguientes:
SO2 y neblinas ácidas, en marcha estable de planta SO2 y neblinas ácidas, en arranque de planta SO2 y neblinas ácidas, en parada prolongada Nieblas ácidas, en la carga del producto final SO2 y neblinas ácidas, producidas accidentalmente durante el proceso de fabricación o por una situación de emergencia Emisiones producidas por la utilización mayoritaria de transporte de carretera para la distribución del producto final (aspecto indirecto).
En general, las emisiones corresponden a los gases residuales originados en los procesos de combustión de azufre líquido, conversión de SO 2 a SO3 y absorción de SO3 a ácido sulfúrico y óleum. El gas contiene, principalmente nitrógeno y oxígeno, pero también SO2 sin reaccionar, SO3 no absorbido, niebla de ácido sulfúrico y spray de ácido. Cuando el gas penetra en la atmósfera, el SO 3 absorbe vapor de agua para formar una niebla ácida. En general, los óxidos de azufre tienen un efecto indeseable sobre el medio ambiente: "la lluvia ácida", resultado de su mezcla con la humedad del aire. A pesar de ser el principal impacto de una planta de ácido sulfúrico sobre el medio ambiente, su contribución a la generación de este fenómeno a escala global es casi insignificante, si se tiene en cuenta la cantidad y tamaño de otras fuentes de estos compuesto como la producción de energía eléctrica en centrales térmicas, los vehículos de transporte, las calefacciones domésticas o incluso la erupción de volcanes. Residuos líquidos: Dentro de la planta se pueden distinguir varias fuentes generadoras de efluentes líquidos tales como:
Aguas Residuales Sanitarias: procedentes de las oficinas y vestuarios. Aguas Residuales de Proceso: procedentes de las limpiezas y purgas de las diferentes etapas del proceso productivo. Agua de cubetos: que se originan en las limpiezas de los mismos y en caso de derrames accidentales. Aguas pluviales residuales: en general recogidas en la cubierta y viales de planta. 63
Aguas salientes requeridas para enfriamiento en los intercambiadores de calor.
Estas aguas se tratarán de acuerdo a su naturaleza en la planta de tratamiento de aguas y una vez depuradas se verterán, siempre por debajo de los límites de vertidos impuestos, sin embargo nos centraremos en el tratamiento del agua generada en el proceso de enfriamiento de los gases de combustión. Residuos sólidos: En cuanto a este tipo de residuos se contempla los residuos domiciliarios que se generen durante la vida útil del proyecto y algunos residuos peligrosos. Estos serán depositados en contenedores estancos, provistos de tapa y los cuales se ubicaran en un patio de almacenamiento autorizado por la autoridad sanitaria competente. Los residuos Peligrosos producidos en la planta son debidos al proceso productivo y a operaciones de mantenimiento en planta y en operaciones auxiliares. Los tipos de residuos peligrosos generados en mayor cantidad serán los siguientes: • Catalizador agotado • Resto de residuos (tubos fluorescentes, pilas, residuos de laboratorio, residuos de envases, aerosoles vacíos, equipos eléctricos y electrónicos). De igual forma se contempla los residuos industriales no peligrosos como: chatarras y piezas de equipos.
19.2 CARACTERÍSTICAS DE LOS AGENTES CONTAMINANTES
-Emisiones atmosféricas (dióxido de azufre (so2)) Durante su proceso de oxidación en la atmósfera, este gas forma sulfatos, es decir, sales que pueden ser transportadas en el material particulado respirable (ppm 10) y que en presencia de humedad forman ácidos. Tanto la exposición a sulfatos como a los ácidos derivados del SO 2, es de extremo riesgo para la salud debido a que éstos ingresan directamente al sistema circulatorio humano a través de las vías respiratorias. Efectos en la salud: El SO2 es higroscópico, es decir, cuando está en la atmósfera reacciona con la humedad y forma aerosoles de ácido sulfúrico y sulfuroso que luego forman parte de la llamada lluvia ácida. La intensidad de formación de aerosoles y el período de permanencia de ellos en la atmósfera depende de las condiciones meteorológicas reinantes y de la cantidad de impurezas catalíticas (sustancias que aceleran los procesos) presentes en el aire. 64
Pero en general, el tiempo medio de permanencia en la atmósfera asciende a unos 3-5 días, de modo que puede ser transportado hasta grandes distancias. La contaminación del aire por SO2 causa los siguientes efectos:
Opacamiento de la córnea (queratitis). Dificultad para respirar. Inflamación de las vías respiratorias. Irritación ocular por formación de ácido sulfuroso sobre las mucosas húmedas. Alteraciones psíquicas. Edema pulmonar. Paro cardíaco. Colapso circulatorio.
El azufre es un veneno altamente nocivo para la salud de las personas, aunque podemos ser más resistentes que otras criaturas que cohabitan con nosotros en esta región. Por ejemplo, el nivel de 0,3 µg por metro cúbico de aire es un valor que implica potencial riesgo para la salud humana, pero para los árboles, un valor de 0,2 µg ya es muy grave. Por lo mismo, tanto los óxidos de azufre (SOx) como el ácido sulfúrico (H2SO4) están relacionados con el daño y la destrucción de la vegetación, deterioro de los suelos, materiales de construcción y cursos de agua. En cuanto a la cantidad máxima de SO2 emitida por las industrias se han determinado por el Ministerio de Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial el cual mediante la Resolución 610 del 2010 presenta las siguientes cifras: Nivel Máximo Tiempo de Exposición Permitido 31 (ppb) Anual SO2 96 (ppb) 24 horas 287(ppb) 3 horas Tabla 39.Niveles permisibles de emisión de S02 en Colombia
Contaminante
Neblina ácida: Se considera como una especie de aerosol formado por pequeñas gotas de ácido sulfúrico y otros ácidos producidos por la mezcla de la humedad presente en el aire con SO2 y óxidos de nitrógeno. Este aerosol es más difícil de eliminar de la atmósfera que el dióxido de azufre; su tiempo de residencia en la atmósfera es mayor que el del dióxido de azufre y puede moverse a grandes distancias.
65
-Efectos sobre edificaciones y objetos: Los compuestos químicos que contiene la lluvia ácida son corrosivos y pueden hacer que la pintura se desprenda de los automóviles y edificios. Además, puede llegar a disolver el carbonato de calcio, estropeando monumentos y edificaciones construidas con mármol o caliza. Efectos sobre la vegetación: La lluvia ácida produce daños importantes en la vegetación, y acaba con los microorganismos fijadores de nitrógeno. Un efecto indirecto muy importante es el empobrecimiento de ciertos nutrientes esenciales por lo que las plantas y árboles no disponen de estos y se hacen más vulnerables a las plagas. Efectos en lagos, ríos y mares: La lluvia ácida provoca que el pH de los lagos y ríos tengan un nivel de pH inferior a 6, lo que se conoce como acidificación. Esto dificulta el desarrollo de la vida acuática aumentando el número de peces muertos y afectando a la cadena alimentaria. -Residuos líquidos: Agua con altas temperaturas provenientes de los intercambiadores: El agua caliente contiene menos oxígeno que la fría, y el cambio brusco puede causar daño a animales acuáticos que están acostumbrados a una cierta cantidad de oxígeno, es decir produce desequilibrios ecosistémicos. Agua utilizada por el personal de la planta: Se producen estos en la utilización de baños, cocina y lavado, los cuales contienen materias saponosas, detergentes, restos de alimentos y alimentos sintéticos. VALORES DQO DE AGUAS RESIDUALES EN LA INDUSTRIA Las concentraciones de DQO en las aguas residuales industriales pueden tener unos valores entre 50 y 2000 mgO2/l, aunque es frecuente, según el tipo de industria, valores de 5000, 1000 e incluso más altos. Su máxima concentración es de 1000 mgO2/l[8] - Residuos sólidos: Polvo del catalizador: El Pentóxido de Vanadio está calificado como sustancia mutagéncia en categoría 3 puede causar riesgos de efectos irreversibles. El pentóxido de vanadio también se encuentra clasificado como tóxico para reproducción en categoría 3. Posible riesgo de daño al feto. 19.3 CUANTIFICACIÓN DE EFECTOS AMBIENTALES
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En la siguiente tabla de muestra las cantidades aproximadas de residuos emitidos para una planta de capacidad de 18.361toneladas por año RESIDUO
ETAPA
FUNCIÓN
Agua Caliente
Reacción
CORRIENTE FLUJO MÁSICO [Kg/h] HS-I1 85.995 HS-I2 22.701 Reducción de temperatura HS-I3 2.405 HS-I4 29.879 HS-I5s 1.000 TOTAL GASTO DE AGUA 141.980
Tabla 40.Cuantificación aproximada de aguas residuales
RESIDUO
ETAPA
FUNCIÓN
CORRIENTE
FLUJO MÁSICO [Kg/h]
Gases de Combustión
Separación
Eliminación de gases
T2-CH
6442
COMPOSICION MÁSICA H2O 0,136305 S_Liq_150 0 H2SO4 0,00016 Nitrogeno 0,789759 Oxigeno 0,072399 SO3 0,000211 SO2 0,001165
[Kg/h] C/Corriente 878,07 0,00 1,03 5087,58 466,39 1,36 7,50
Tabla 41. Cuantificación aproximada de emisiones atmosféricas
19.4 SOLUCIONES DE CONTROL Y MITIGACIÓN -Emisiones atmosféricas: La planta contará con un control de emisiones, principalmente por sensores de proceso que permitirán un monitoreo operacional continuo de las emisiones de azufre que asegurara en todo momento que las emisiones se ajusten a las cifras declaradas. Debido a la inexistencia de regulación nacional para las emisiones de neblina ácida según lo que indica el artículo 7 del Reglamento del Sistema de Evaluación de Impacto Ambiental, por lo tanto se utilizara la Normativa de Referencia de la Conferencia Suiza, la cual establece que para sustancias clase 4 (SO 2 SO3), los límites de emisión no deben superar los 250 mg/m3. De igual forma se implementará una nueva técnica para reducir las emisiones atmosféricas mediante la desulfurización por agua de mar. Este proceso utiliza las propiedades inherentes del agua marina para absorber y neutralizar el dióxido de azufre. El agua de mar está disponible en grandes cantidades en las plantas costeras y en algunos casos es utilizada como agua de enfriamiento en
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condensadores. Luego de pasar por los mismos, el agua de mar se reutiliza para controlar las emisiones de SO2. En cuanto a la absorción de SO2 esta ocurre en una torre empacada donde el agua de mar y el gas a emitir, se ponen en contacto. No es necesario agregar ningún tipo de sustancia adicional. El agua de mar es alcalina por naturaleza, y tiene una gran capacidad de neutralización de los ácidos formados por la absorción del SO2. El efluente absorbido en la torre fluye por gravedad hasta la planta de tratamiento de agua de mar. Allí se oxida hasta que el azufre toma la forma de sulfato (SO42-), inocuo y soluble. Esta oxidación se produce por una aireación, antes que el agua tratada sea devuelta al mar. Este proceso no produce impacto ambiental alguno ya que los sulfatos son ingredientes naturales del agua de mar y solo hay un pequeño aumento de concentración de los mismos en el agua que se descarga en el océano. Este aumento está dentro de las variaciones naturales del agua de mar y a corta distancia del punto de descarga esta diferencia ya es indetectable. El proceso de desulfurización por agua de mar ha sido estudiado ampliamente y es aceptado como una tecnología exitosamente probada por agencias ambientales independientes, incluyendo la US EPA y la EU IPPC (documento BREF final sobre grandes plantas de combustión). Las autoridades en Escocia han aprobado el sistema de desulfurización por agua de mar y lo consideran como la mejor opción ambiental práctica (BPEO). Equipos requeridos:
Torre de absorción. Bomba para suministro de agua de mar a la torre. Ventilador para suministro de aire para aireación de agua
-Residuos líquidos El agua de purga para los intercambiadores será enviada a una piscina de sedimentación con floculante para la recolección y extracción de sólidos, para ser vertida al sistema de alcantarillado. El agua utilizada por los trabajadores será vertida al sistema de alcantarillado, ya que se clasifica como aguas residuales domiciliarias y la empresa que presta este servicio se encarga de hacerle su debido tratamiento.
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Con respecto al agua caliente que sale de los intercambiadores es necesario la implementación de un sistema recirculación que en este caso estará acompañado por una torre de enfriamiento la cual mediante la inyección de aire se disminuirá la temperatura del agua para que finalmente se reutilice como agua de enfriamiento en los intercambiadores y así poder minimizar los costos anuales de servicio de agua. A grandes rasgos en la torre de enfriamiento el agua se introduce por el domo de la torre por medio de vertederos o por boquillas para distribuir el agua en la mayor superficie posible. El enfriamiento ocurre cuando el agua, al caer a través de la torre, se pone en contacto directo con una corriente de aire que fluye a contracorriente o a flujo cruzado, con una temperatura menor a la temperatura del agua, en estas condiciones, el agua se enfría por transferencia de masa (evaporación), originando que la temperatura del aire y su humedad aumenten y que la temperatura del agua descienda; la temperatura límite de enfriamiento del agua es la temperatura del aire a la entrada de la torre. Equipo: torre de enfriamiento de tiro mecánico -Residuos sólidos: Como parte de las estrategias de manejo de residuos que serán implementadas por el proyecto, se priorizará en lo posible la reutilización de aquellos materiales que tengan un valor comercial o puedan ser aprovechados por contratistas o subcontratistas (maderas, cartones o excedentes metálicos, etc.).Se dispondrá de un patio de almacenamiento autorizado por la autoridad sanitaria, para el acopio temporal de todos los tipos de residuos que serán generados. Los residuos domiciliarios y asimilables que se generen durante la vida útil del proyecto, serán depositados en contenedores provistos de tapas, los cuales serán ubicados en sectores delimitados para tal efecto y posteriormente serán retirados por el servicio recolector contratado. Los residuos industriales no peligrosos, como chatarras, gomas, partes y piezas, serán acopiados en forma ordenada, en un sector delimitado en identificado para dicho fin. Cuando sea posible se preferirá su venta a terceros o reciclaje. Los residuos no reutilizables o sin valor comercial serán dispuestos por la empresa recolectora de desechos. De igual forma aquellos residuos que puedan ser reutilizados, serán trasladados en camiones tolva debidamente encarpados hasta el lugar de recepción para su posterior reutilización. La frecuencia de traslado de los residuos quedará condicionada a la generación de los mismos, dando especial énfasis a limitar el 69
volumen de residuos, de manera que su presencia no represente inconveniente para la operación de la planta. -Residuos industriales peligrosos: Los residuos industriales peligrosos que sean generados durante la vida útil del proyecto, tales como lubricantes, restos de pintura, solventes, etc., serán acopiados temporalmente en contenedores adecuados a la naturaleza del residuo a almacenar y dando especial énfasis en la segregación de sustancias incompatibles. El almacenamiento temporal debe estar debidamente rotulado y debe tener un manejo seguro. -Polvo de catalizador: Una vez cada 10 años el catalizador deberá remplazarse. Por tratarse de unos residuos peligrosos, dicha partida será devuelta envasada en tambores de fabricante de origen y se cumplirá con las disposiciones del reglamento sanitario sobre manejo de residuos peligrosos. Lugar de acopio temporal de residuos peligrosos
Contará con una base continua. Impermeable y resistente en lo estructural y al eventual ataque químico de los residuos. Contará con un cierre perimetral de a lo menos 1,80 metros de altura que impida el libre acceso de personas y animales. Estará techado y protegido de condiciones ambientales tales como humedad, temperatura y radiación solar. Minimizará la volatilización, el arrastre o la lixiviación y en general cualquier otro mecanismo de contaminación del medio ambiente que pueda efectuar a la población. Tendrá capacidad de retención de escurrimientos. Contará con señalamientos. Tendrá acceso restringido, en términos que solo podrá ingresar personal debidamente autorizado por el responsable de la instalación Estos contenedores serán dispuestos al interior de un recinto que garantice su seguridad y disponga de equipamiento contra incendios.
Se evaluará la alternativa de reutilización de residuos de aceites y lubricantes por parte de los proveedores de estos materiales o bien de remitirá preferentemente a empresas locales que cuenten con las autorizaciones vigentes para su reutilización o destino final, en caso de no existir capacidad local, se recurrirá a empresas de otras regiones para tal propósito. Este material podrá ser vendido p cedido, previa aceptación y cumplimiento de las exigencias mínimas para su almacenamiento y transporte.
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En caso que estos materiales no puedan ser utilizados, se exigirá a los contratistas que realicen una separación de los residuos de aceites y lubricantes en su origen y los almacenen en contenedores cerrados debidamente etiquetados. A su vez estos deberán ser dispuestos al interior de recintos que garanticen su seguridad y dispongan de equipamiento contra incendios. Posteriormente, dichos contenedores serán trasladados al sitio de recepción para su reutilización y/o reciclaje o disposición final, según el caso. El lugar seleccionado para su reutilización, reciclaje o disposición final, contará con la infraestructura adecuada para el manejo y procedimiento de dichos residuos peligrosos y con la autorización correspondiente de la Autoridad Sanitaria respectiva, para su funcionamiento. 19.5 COSTOS DE EQUIPOS PARA EL TRATAMIENTO DE RESIDUOS TORRE DE ENFRIAMIENTO SERIE TVA 85 CARACTERÍSTICAS: - Tiro Inducido -Doble Flujo Cruzado -Estructura: Acero Galvanizado por inmersión en caliente. Cobertura exterior de FRP. -Equipo Mecánico: • Reductor a Ejes ortogonales. • Eje Flotante de Composite (Fibra de Carbono). El precio estimado de la torre de enfriamiento se basó en el caudal de agua de entrada y un catálogo de la empresa Soluciones MRO, arrojando un valor de $86‟867.550,65 (ANEXO-EXCEL 14 TORRE DE ENFRIAMIENTO) ANALISIS DE DISMINUCIÓN DE SERVICIOS INDUSTRIALES Al implementarse la torre de enfriamiento como alternativa para disminuir el costo de servicios industriales, se considera parámetros tales como el tiempo de operación de la planta que corresponde a 2, 29 horas y el gasto de agua que es de 145, 1[m3/h]. El costo de agua por hora equivale a $ 282.518, teniendo en cuenta el tiempo de operación de la planta se calcula el valor del agua necesaria para iniciar la operación en la planta, que equivale a $ 646.969. Cabe resaltar que durante cada corrida se evapora el 0,5% de agua total, entonces éste valor debe ser suplido por servicios industriales que equivalen a 0,725 [m 3/h], que representa un flujo anual de 6531m3 con un gasto anual de $ 12.364.366. 71
El gasto anual de agua para el funcionamiento de la planta está compuesto por el consumo de agua para iniciar el proceso, más el agua que se debe reemplazar por evaporación y el caudal de agua necesario para el mezclador que equivalen a 6684,13[m3/año], es decir el costo anual producto de servicios públicos por agua es de $ 13.014.406. Para ingresar el dato en la matriz de fondo es necesario especificar que cada año será reemplazada el agua usada para el enfriamiento, entonces éste valor cambia conforme el incremento ya determinado, además se debe sumar el costo de energía eléctrica que corresponde a $443.058.646 y gasto de gas natural que es $ 28.260,00, es decir el valor total de costos por servicios públicos es $456.101.312, observándose una reducción del 84,5% en éste gasto.
DEPURADOR DE GASES O TORRE DE ABSORCIÓN
En cuanto a este equipo se presentó problemas a la hora de encontrar su costo debido a que no se contaba con el flujo necesario de agua salada que debía ingresar a la torre por lo tanto se hace un estimativo del valor aproximado del costo de un equipo de esta índole, basándonos en el flujo de gases usados para este tipo de equipos con valores de 0,25 a 35 m 3 de gases emitidos [9], por lo cual es aplicable a nuestro caso con un caudal de gases de7,635 m3/h. El equipo en forma general se trata de un depurador con lecho empacado el cual consiste en una cámara que contiene capas de material de empaque de varias formas, tales como los aros Rasching, los aros en espiral, o las montaduras Berl, que proporcionan una gran superficie para el contacto entre el líquido y las partículas. El empaque es mantenido en su lugar por medio de retenedores de malla metálica y soportada por una placa cerca del fondo del depurador. El líquido depurador es introducido uniformemente por encima del embalaje y fluye hacia abajo a través del lecho. El líquido cubre el empaque y establece una película delgada. El contaminante a ser absorbido debe ser soluble en el líquido. Su costo aproximado es de $ 146.452.000 (ANEXO 14-DEPURADOR DE GASES).Cabe resaltar que no se fue posible obtener un valor real ya que las dimensiones no fueron halladas y no cubre costo de transporte. RESULTADO DE MATRIZ DE FONDO TENIENDO EN CUENTA TRATAMIENTO DE RESIDUOS (VER ANEXO-15-MATRIZ DE FONDO CON TRATAMIENTO DE RESIDUOS)
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INDICE DE FACTIBILIDAD VALOR VPN $ 12.825.222.849,06 TIR 40% Tabla 42. Índices económicos de matriz de fondo con tratamiento de residuos
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20. CONCLUSIONES -De acuerdo con los resultados obtenidos a partir de este estudio económico sobre el ácido sulfúrico se puede afirmar que el proyecto es rentable y que las ganancias se verán reflejadas en un tiempo relativamente cercano, sin embargo en Colombia el ácido sulfúrico es un producto donde su mercado nacional está saturado por lo tanto para su inversión es necesario plantar un nuevo contexto que sugeriría el aumento de la calidad del producto, el precio más asequible y el uso de nuevas tecnologías para mejorar el rendimiento y la disminución de la contaminación por emisiones atmosféricas. - En cuanto al análisis superficial de impacto ambiental se nota que el componente más afectado dentro del proceso es el aire, debido a que el este genera una cantidad considerable de emisiones gaseosas provenientes de la segunda torre de absorción. De igual forma para nuestro caso existe otro componente secundario al que se le atribuye un aumento excesivo en los costos de servicios industriales siendo el agua empleada en el proceso de enfriamiento de las corrientes salientes del reactor catalítico. Finalmente pero en proporción mucho menor, se ve afectado el suelo, principalmente por la inevitable producción de desechos sólidos que generará cualquier planta para su operación (mantenimiento y funcionamiento. -Como parte de las alternativas de mitigación y control de estos impacto ambientales se es necesario mejorar las técnicas empleadas en el proceso para obtener mayor eficiencia en él y reducir la afección medioambiental, lo cual se planea implementar un depurador de gases que disminuirá la emisión de SO 2 a la atmosfera en un 90%, y una torre de enfriamiento para el agua usada en los intercambiadores que reduce el consumo de agua en un 84%. Por tanto hace de este un proyecto más amigable con el ambiente y con mayor factibilidad por reducción en costos de servicios industriales. -Al comparar las dos matrices de fondo se es notorio que el costo de equipos al tener en cuenta el tratamiento de residuos es mucho mayor, sin embargo es compensado con la disminución del costo anual de servicios industriales debido a la recirculación del agua de enfriamiento en los intercambiadores de calor.
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21. ANEXOS Datos históricos de demanda-oferta AÑO
ÁCIDO SÚLFURICO (Producto principal) Qd (Ton/año)
2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011
82316,83629 72762,56235 66672,38208 60582,20181 82175,46256 73256,67808 77472,24618 81650,10162 85827,95706
Qo (Ton/año) 93596,358 102107,181 103404,439 98339,829 100525,983 102780,225 101523,193 100472,7942 99031,61993
Tabla.1 Datos históricos de demanda-oferta para ácido sulfúrico Fuente: DANE AÑO
2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011
AZUFRE PETROQUIMICO Qd Qo (Ton/año) (Ton/año) 164616,4174 18299,686 179436,9055 22356,463 194257,3936 24744,908 177575,009 18723,78733 160892,6244 20203,048 181686,3501 21319,49 175526,4376 20988,75634 169366,5251 23189,118 178342,9557 15810,258
Tabla.2 Datos históricos de demanda-oferta para azufre pulverizado Fuente: DANE
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AÑO
CATALIZADOR Qd (Ton/año)
2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011
Qo (Ton/año)
3469,05589 2994,16892 2393,98497 4306,85696 3264,00691 3305,28839 1992,28854 4032,865 3012,48492
5240,086 7150,477 5969,869 9432,606 7860,38 7470,197 7002,461 9932 10132,485
Tabla.3 Datos históricos de demanda-oferta para óxido de azufre Fuente: DANE Datos de demanda-oferta proyectada a 10 años para producto e insumos AÑO
ÁCIDO SÚLFURICO Qd (Ton/año) Qo (Ton/año) 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024
70861,79 72111,48 73361,17 74610,86 75860,55 77110,24 78359,93 79609,62 80859,31 82109 83358,69 84608,38 85858,07 87107,76 88357,45 89607,14 90856,83 92106,52 93356,21 94605,9 95855,59 97105,28
99030,53 99322,46 99614,39 99906,32 100198,25 100490,18 100782,11 101074,04 101365,97 101657,9 101949,83 102241,76 102533,69 102825,62 103117,55 103409,48 103701,41 103993,34 104285,27 104577,2 104869,13 105161,06
Qd eff -28168,74 -27210,98 -26253,22 -25295,46 -24337,7 -23379,94 -22422,18 -21464,42 -20506,66 -19548,9 -18591,14 -17633,38 -16675,62 -15717,86 -14760,1 -13802,34 -12844,58 -11886,82 -10929,06 -9971,3 -9013,54 -8055,78
AZUFRE PULVERIZADO Qd (Ton/año) Qo (Ton/año) 81982,75 83370,17 84757,59 86145,01 87532,43 88919,85 90307,27 91694,69 93082,11 94469,53 95856,95 97244,37 98631,79 100019,21 101406,63 102794,05 104181,47 105568,89 106956,31 108343,73 109731,15 111118,57
1793,274249 1918,803446 2053,119688 2196,838066 2350,61673 2515,159901 2691,221095 2879,606571 3081,179031 3296,861563 3527,641873 3774,576804 4038,79718 4321,512983 4624,018892 4947,700214 5294,039229 5664,621975 6061,145513 6485,425699 6939,405498 7425,163883
Qo eff -80189,47575 -81451,36655 -82704,47031 -83948,17193 -85181,81327 -86404,6901 -87616,04891 -88815,08343 -90000,93097 -91172,66844 -92329,30813 -93469,7932 -94592,99282 -95697,69702 -96782,61111 -97846,34979 -98887,43077 -99904,26803 -100895,1645 -101858,3043 -102791,7445 -103693,4061
CATALIZADOR Qd (Ton/año) 3223,01 3214,42 3205,83 3197,24 3188,65 3180,06 3171,47 3162,88 3154,29 3145,7 3137,11 3128,52 3119,93 3111,34 3102,75 3094,16 3085,57 3076,98 3068,39 3059,8 3051,21 3042,62
óxido de hierro Qo (Ton/año) 5933,16 6400,11 6867,06 7334,01 7800,96 8267,91 8734,86 9201,81 9668,76 10135,71 10602,66 11069,61 11536,56 12003,51 12470,46 12937,41 13404,36 13871,31 14338,26 14805,21 15272,16 15739,11
Qo eff 2710,15 3185,69 3661,23 4136,77 4612,31 5087,85 5563,39 6038,93 6514,47 6990,01 7465,55 7941,09 8416,63 8892,17 9367,71 9843,25 10318,79 10794,33 11269,87 11745,41 12220,95 12696,49
Tabla 4. Datos de demanda-oferta proyectada a 10 años para producto e insumos. Fuente: Autores
CÁLCULO DE TIEMPO DEL PROCESO
CONSIDERACIONES El cálculo del tiempo de residencia en cada uno de los equipos se realizó teniendo en cuenta los parámetros conocidos del proceso: -El tiempo de residencia en los tanques de almacenamiento corresponde al tiempo de vaciado, el cálculo se realiza teniendo en cuenta el caudal de entrada y el volumen de cada tanque. 76
-Para las torres de absorción y de secado el tiempo de residencia corresponde a la relación entre la altura de la torre y la velocidad de flujo, éste dato es obtenido teniendo en cuenta el caudal y el área trasversal de cada torre. Además los tiempos de residencia del reactor y de horno fueron hallados en la revisión bibliográfica realizada. -El tiempo de operación de la planta corresponde a la sumatoria de los tiempos de residencia de cada uno de los equipos y de la tubería. Para obtener el tiempo de residencia en la tubería es necesario conocer el caudal y el volumen, el cual se halla teniendo en cuenta la distancia de separación entre los equipos y el diámetro de la tubería. -Tiempo aproximado del proceso: 2 horas (VER CÁLCULO EN ANEXO-12).
REFLEXIÓN
Durante el proceso de elaboración del proyecto se reflejó compromiso y buen ambiente laboral por parte de todos sus integrantes, sin embargo no se niega que en instantes de stress hubo inconvenientes, pero se superaron gracias a que todos coincidíamos con alcanzar el mismo objetivo: la entrega del proyecto, el aprendizaje continuo y el uso de todos los conocimientos adquiridos durante el transcurso de nuestra carrera. Las primeras reuniones (iniciando semestre) giraron en torno al ámbito investigativo donde cada uno tenía como objetivo inicial recolectar información acerca del producto escogido, de la tecnología de producción para que finalmente mediante reuniones programadas se compartieran las ideas y se sintetizará el trabajo escrito acorde a las indicaciones descritas por el docente. Posteriormente en la segunda entrega se cambió la metodología de trabajo ya que fue necesario proceder de forma funcional mediante la asignación de tareas a cada integrante con tiempos predeterminados de entrega. Cabe resaltar que durante la entrega periódica de avances del trabajo todos los integrantes estaban pendientes y revisaban la tarea de cada uno, por si surgía alguna inconsistencia o si se debía agregar algo más. Adicionalmente siempre hubo un líder quien se encargaba de estar pendiente de lo que faltaba del trabajo y de la asignación de labores teniendo en cuenta las opiniones de los demás. Un punto a resaltar es que mediante esta metodología a lo largo de todo el estudio del semestre se identificó habilidades específicas de cada integrante tales como habilidad para la transcripción del trabajo con todas sus normas de organización, la creatividad para las diapositivas en las exposiciones, la facilidad de redacción, la agilidad para buscar información, la facilidad de expresarse para realizar 77
preguntas a docentes y la iniciativa para tomar el control del orden del grupo. Por lo tanto las actitudes y aptitudes se integraron obteniendo un ambiente de trabajo fluido y ameno. Finalmente la realización de éste trabajo fue una experiencia integral, empezando con el aprendizaje que se obtiene al estar compartiendo responsabilidades con otras personas, la adquisición de nuevos conocimientos que de una otra forma nos presentan el campo real de trabajo de la ingeniería química pero sobre todo la verdadera esencia y naturaleza de nuestra vida profesional en la industria. Este trabajo nos desveló, nos causó preocupaciones pero cumplimos con la meta y sabemos que era una obligación pero también es parte de nuestra formación, así que agradecemos al profesor por su colaboración y entrega con cada uno de los estudiantes de este curso porque sabemos que la intención es formar un ingeniero completo y digno de esta universidad. Nos queda la satisfacción de haber realizado un trabajo de esta magnitud, con tantas cosas aprendidas. Fuimos un equipo y quedamos tranquilos con el cumplimiento de esta asignación tan completa la cual estamos seguros que nos dio herramientas para en un futuro utilizarlas en la vida profesional.
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