Planta de producción de vainillina (4-Hidroxi-3-Metoxibenzaldehído) a partir de Lignina Kraft

• PLANTA DE PRODUCCIÓN DE VAINILLINA (4-HIDROXI-3-METOXIBENZALDEHÍDO) A PARTIR DE LIGNINA KRAFT TRABAJO FIN DE GRADO Grado en Ingeniería Química Escola Técnica Superior de Enxeñaría Universidade de Santiago de Compostela Martín Calvo Doce Carlos Iglesias García ÍNDICE GLOBAL DOCUMENTO I. MEMORIA Anexo I. Balances de materia y energía Anexo II. Cálculos justificativos* Anexo III. Análisis de viabilidad económica Anexo IV. Fichas de seguridad** DOCUMENTO II. PLANO DOCUMENTO III. PLIEGO DE CONDICIONES** DOCUMENTO IV. ESTUDIOS CON ENTIDAD PROPIA*** DOCUMENTO V. PRESUPUESTO * Se incluye en este Anexo II el dimensionamiento básico de equipos. ** Las Fichas de Seguridad y el Pliego de Condiciones se adjuntan en el archivo II de este proyecto. *** Los Estudios con Entidad Propia relativos al estudio de Seguridad y Salud se adjuntan en el archivo II de este proyecto. DOCUMENTO I. MEMORIA DOCUMENTO I. MEMORIA Página 1 de 113 ÍNDICE 1. OBJETO Y ALCANCE ........................................................................................... 4 2. JUSTIFICACIÓN DEL PROYECTO ...................................................................... 4 3. PRODUCTO: VAINILLINA (C8H8O3) ................................................................... 5 3.1. CARACTERÍSTICAS ............................................................................................. 5 3.2. PROPIEDADES FÍSICAS, QUÍMICAS Y TERMODINÁMICAS ..................................... 5 3.3. HISTORIA ........................................................................................................... 6 3.4. APLICACIONES ................................................................................................... 7 4. MATERIA PRIMA .................................................................................................. 7 4.1. LIGNINA ............................................................................................................ 7 4.1.1. Características ............................................................................................... 7 4.1.2. Propiedades ................................................................................................... 8 5. ESTUDIO DE MERCADO ...................................................................................... 9 5.1. MERCADO DE LA VAINILLINA .......................................................................... 10 5.1.1. Producción y demanda global..................................................................... 10 5.1.2. Distribución del mercado............................................................................ 11 5.1.3. Producción en función del tipo, precios, exportadores e importadores. ..... 13 5.2. MERCADO DE LAS MATERIAS PRIMAS: LIGNINA ............................................... 16 5.2.1. Lignina Kraft .............................................................................................. 18 5.2.2. Lignosulfonatos .......................................................................................... 18 6. ESTUDIO DE ALTERNATIVAS ......................................................................... 19 6.1. OXIDACIÓN DE LIGNINA KRAFT EN MEDIO ÁCIDO ............................................ 19 6.1.1. Extracción empleando acetato de etilo como solvente ............................... 19 6.1.2. Extracción empleando benceno como solvente .......................................... 20 6.1.3. Separación por medio de nanofiltración con solvente orgánico ................. 21 6.1.4. Separación mediante adsorción con zeolita ................................................ 22 6.2. OXIDACIÓN DE LIGNINA KRAFT EN MEDIO BÁSICO .......................................... 23 6.2.1. Extracción líquido-líquido con destilación ................................................. 24 6.2.2. Extracción líquido-líquido en dos etapas.................................................... 26 6.2.3. Destilación a vacío...................................................................................... 27 6.3. OXIDACIÓN EN MEDIO BÁSICO Y SEPARACIÓN CON ADSORCIÓN....................... 27 6.4. JUSTIFICACIÓN DE LA ALTERNATIVA SELECCIONADA ...................................... 28 7. EMPLAZAMIENTO .............................................................................................. 29 7.1. DESCRIPCIÓN DEL EMPLAZAMIENTO ................................................................ 30 7.1.1. Red de comunicaciones .............................................................................. 33 7.1.2. Servicios ..................................................................................................... 35 7.1.3. Disponibilidad de mano de obra ................................................................. 36 7.1.4. Climatología ............................................................................................... 36 7.1.5. Fenómenos Sísmicos .................................................................................. 39 8. ESTUDIO DE VIABILIDAD TÉCNICA .............................................................. 39 DOCUMENTO I. MEMORIA Página 2 de 113 8.1. VIABILIDAD TÉCNICA DEL PROCESO DE PRODUCCIÓN ELEGIDO ....................... 40 8.2. DISPONIBILIDAD DE MATERIAS PRIMAS Y MERCADO DEL PRODUCTO ............... 40 8.3. DISPONIBILIDAD DE EQUIPOS ........................................................................... 41 8.4. DISPONIBILIDAD DE UTILIDADES DE PROCESO ................................................. 42 8.5. DISPONIBILIDAD DE TERRENO Y MANO DE OBRA.............................................. 43 8.6. CONSIDERACIONES EN EL ÁMBITO DE LA SEGURIDAD ...................................... 43 8.7. RENTABILIDAD DEL PROYECTO ........................................................................ 44 9. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO .......................................................................... 44 9.1. SUBPRODUCTOS FORMADOS EN EL PROCESO .................................................... 44 9.1.1. Siringaldehído ............................................................................................. 45 9.1.2. Ácido vainillínico ....................................................................................... 45 9.1.3. Compuestos equivalentes (X) y justificación. ............................................ 46 9.2. COMPUESTOS QUÍMICOS DEL PROCESO ............................................................ 48 9.2.1. Hidróxido de Sodio (NaOH) ...................................................................... 48 9.2.2. Aire atmosférico ......................................................................................... 49 9.2.3. Agua (H2O) ................................................................................................. 50 9.2.4. Etanol (CH3CH2OH) .................................................................................. 51 9.2.5. Amoníaco (NH3) ......................................................................................... 53 9.3. DESCRIPCIÓN QUÍMICA DEL PROCESO .............................................................. 53 9.4. DESCRIPCIÓN DETALLADA DEL PROCESO ......................................................... 54 9.4.1. Sección 100: Acondicionamiento de materias primas y reacción .............. 55 9.4.2. Sección 200: Separación de productos de reacción .................................... 56 9.4.3. Sección 300: Purificación ........................................................................... 57 9.5. DESCRIPCIÓN DETALLADA DE EQUIPOS ............................................................ 58 9.5.1. Sección 100 ................................................................................................ 58 9.5.2. Sección 200 ................................................................................................ 60 9.5.3. Sección 300 ................................................................................................ 63 10. ESTRATEGIA DE CONTROL DEL PROCESO ................................................. 64 10.1. JUSTIFICACIÓN DE LA SELECCIÓN DE LA ESTRATEGIA DE CONTROL ................. 64 10.1.1. Algoritmo de control .............................................................................. 66 10.2. NOMENCLATURA Y SIMBOLOGÍA EMPLEADA ................................................... 67 10.3. VARIABLES DE CONTROL DEL PROCESO ........................................................... 68 10.3.1. Sección 100 ............................................................................................ 68 10.3.2. Sección 200 ............................................................................................ 71 10.3.3. Sección 300 ............................................................................................ 76 10.4. VÁLVULAS DE ALIVIO ...................................................................................... 76 10.5. ALARMAS E INDICADORES ............................................................................... 77 11. SEGURIDAD EN LA INSTALACIÓN ................................................................ 78 11.1. INTRODUCCIÓN ................................................................................................ 78 11.2. ÁMBITO JURÍDICO: NORMATIVA ACTUAL ........................................................ 79 11.3. INVENTARIO DE SUSTANCIAS ........................................................................... 80 11.4. CLASIFICACIÓN DE ACUERDO CON EL REGLAMENTO CLP ............................... 81 11.5. CLASIFICACIÓN DE LA INSTALACIÓN SEGÚN LA NORMATIVA SEVESO. ............ 83 DOCUMENTO I. MEMORIA Página 3 de 113 11.6. CLASIFICACIÓN NFPA DE LAS SUSTANCIAS. ................................................... 85 11.7. ESTUDIO DE REACTIVIDAD QUÍMICA DESCONTROLADA. .................................. 87 11.7.1. Matriz de compatibilidad química .......................................................... 87 11.8. DISTANCIAS DE SEGURIDAD EN LA PLANTA ..................................................... 89 11.9. ÍNDICE DOW DE INCENDIO Y EXPLOSIÓN ........................................................ 92 11.9.1. Selección de la unidad del proceso pertinente ........................................ 93 11.9.2. Factor del material (FM)......................................................................... 93 11.9.3. Factor de peligros generales del proceso (F1) ......................................... 94 11.9.4. Factor de peligros especiales de proceso (F2) ......................................... 94 11.9.5. Factor de peligro de la unidad de proceso (F3) ....................................... 96 11.9.6. Determinación del índice DOW. ............................................................ 96 11.9.7. Factor de daño ........................................................................................ 98 11.9.8. Radio de exposición ............................................................................... 98 12. LEGISLACIÓN, NORMAS Y CÓDIGOS DE DISEÑO ...................................... 99 12.1. LEGISLACIÓN GENERAL ................................................................................... 99 12.1.1. Área comunitaria .................................................................................... 99 12.1.2. Área nacional .......................................................................................... 99 12.2. LEGISLACIÓN ACERCA DE LA SEGURIDAD Y DE LA HIGIENE LABORAL ........... 100 12.2.1. Área comunitaria .................................................................................. 100 12.2.2. Área nacional ........................................................................................ 101 12.3. LEGISLACIÓN ACERCA DEL MEDIO AMBIENTE ................................................ 101 12.3.1. Área comunitaria .................................................................................. 101 12.3.2. Área nacional ........................................................................................ 101 12.3.3. Área autonómica ................................................................................... 102 12.4. NORMAS, GUÍAS Y CÓDIGOS DE DISEÑO ......................................................... 102 13. BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................. 103 DOCUMENTO I. MEMORIA Página 4 de 113 1. Objeto y alcance El desarrollo del presente proyecto tiene como objetivo el diseño de una planta de producción de vainillina (4-hidroxi-3-metoxibenzaldehído) a partir de lignina Kraft con una pureza del 98%. El diseño de la planta está pensado para que pueda albergar una capacidad de producción de 500 t/año, para lo cual se llevará a cabo un proceso en continuo durante 24 horas al día y 330 días al año. Este documento se corresponde con el Trabajo de Fin de Grado a través del cual ambos alumnos optan al título universitario de Grado en Ingeniería Química por la Universidad de Santiago de Compostela. Se trata de un proyecto ingenieril, el cual comprende una memoria descriptiva, incluida en el presente documento, en la que se realiza una descripción detallada del mismo, con sus respectivos anexos. En el proyecto también se incluyen los siguientes documentos: Planos, Estudios con entidad propia, Pliego de condiciones, y Presupuesto. En referencia a los equipos, el alumno Martín Calvo Doce es el encargado del diseño del reactor de despolimerización de lignina R-101 en la Sección 100, mientras que el alumno Carlos Iglesias García desarrollará detalladamente el diseño de la columna de adsorción T-201/T-202, implementadas en la etapa de separación de productos, Sección 200. 2. Justificación del proyecto Se ha decidido diseñar una planta de producción de vainillina de origen sintético en base a varios motivos: Primeramente, satisfacer la creciente demanda de un producto de gran importancia en el sector alimentario y cosmético. La vainillina de origen natural no es capaz de cubrir dicha demanda ya que representa menos del 1% de la producción mundial, por lo que los procesos de obtención de vainillina sintética son los que sustentan la obtención de este producto a nivel mundial. [1] La producción actual de vainillina sintética se centra en la obtención de este compuesto aromático a partir de hidrocarburos derivados del petróleo. En concreto, la mayor parte de la vainillina proviene del guayacol petroquímico, sintetizado en un proceso de dos etapas empleando ácido glioxílico. Sin embargo, es de vital importancia la búsqueda de otras vías de obtención de vainillina sintética más sostenibles con el medioambiente, a través de materias primas de origen renovable. [1] Es en este punto donde este proyecto cobra sentido, ya que la obtención de un producto de alto valor añadido, vainillina al 98% de pureza, se realiza a partir de la valorización de un residuo de gran importancia y difícil tratamiento de la industria papelera, como lo es la lignina Kraft; usada como materia prima en el proceso. Este reaprovechamiento de un producto contaminante contribuye a la reducción de las emisiones al planeta. DOCUMENTO I. MEMORIA Página 5 de 113 Se retoma así el desarrollo de una alternativa a la obtención de vainillina a partir de guayacol, de origen petroquímico y no renovable, siendo la más empleada hoy en día. Por último, cabe mencionar que el producto de alto valor añadido obtenido se logra a partir de un residuo con un coste inicial reducido, lo cual resulta muy interesante a nivel económico, ya que puede contribuir a obtener grandes beneficios a la vez que se contribuye a la sostenibilidad del planeta y la economía circular. 3. Producto: Vainillina (C8H8O3) 3.1. Características Vainillina es el nombre común del compuesto químico 4-hidroxi-3-metoxibenzaldehído. En concreto se trata de un aldehído fenólico orgánico cuya fórmula molecular es C8H8O3 y presenta un peso molecular de 152,2 g/mol. Sus grupos funcionales incluyen aldehído, fenol y éter. Figura 1: Molécula de 4-hidroxi-3-metoxibenzaldehído, 1. Fuente: [2] Figura 2: Molécula de 4-hidroxi-3-metoxibenzaldehído, 2. Fuente: [3] 3.2. Propiedades físicas, químicas y termodinámicas En la Tabla 1 mostrada a continuación se presentan las propiedades físicas, químicas y termodinámicas del compuesto deseado: DOCUMENTO I. MEMORIA Página 6 de 113 Tabla 1: Propiedades físicas, químicas y termodinámicas del 4-Hidroxi-3-metoxibenzaldehído. Fuente: Elaboración propia a partir de [4] Propiedad Valor Peso molecular (g/mol) 152,05 Densidad a 20°C (g/cm3) 1,06 Presión de vapor a 25°C (hpa) 0,0029 Punto de fusión (°C) 81-83 Punto de ebullición a 1,013 hPa (°C) 285 Hidrosolubilidad a 25°C (g/L) 10 Punto de inflamación (°C) a 1.022 hPa (vaso cerrado) 159,8-160,8 Temperatura de autoignición (°C) >400 Calor de combustión a 20 °C (kcal) 914,1 3.3. Historia Hoy en día, la vainillina es uno de los compuestos de mayor importancia en la industria alimentaria y cosmética. Fue aislado por primera vez en el año 1858 por el químico y farmacólogo francés Theodore Nicolas Gobley. Se obtuvieron los primeros cristales de vainillina por evaporación de un extracto de la planta y una posterior recristalización de los sólidos resultantes. [5] No fue hasta el año 1874 cuando se logró determinar la estructura química del compuesto, gracias a Ferdinand Tiemann y Wilhelm Haarmann. Ambos científicos alemanes, desarrollaron la primera síntesis para la obtención de vainillina, la cual consiste en la oxidación de la coniferina (sólido cristalino blanco, metabolito de las coníferas, pinos) con una disolución de bicromato de potasio y ácido sulfúrico. Se obtiene así glucovainillina, la cual tras un tratamiento ácido se divide en glucosa y vainillina. Años más tarde, Wilhelm Haarmann junto con otro estudiante, Karl Kudwig Reimer, desarrollaron otro método de síntesis de vainillina a partir de eugenol. Este compuesto se encontraba formando el aceite de clavo. [6] A partir de los años 30, con la prohibición de la comercialización del clavo, se empezó a producir vainillina a través del proceso Kraft, empleado para la obtención de pulpa de papel y por el cual se genera un residuo denominado lignina. Hasta la década de los años setenta, la lignina fue la principal fuente de obtención de vainillina sintética. En ese momento se produjo un cambio en la producción industrial del compuesto, a partir del cual comenzó a descender el empleo de lignina como materia prima. Quedó en desuso debido al desarrollo en los deshechos producidos por la industria de la pulpa de papel. DOCUMENTO I. MEMORIA Página 13 de 113 Dentro de la zona con mayor peso, la región Asia-Pacífico está en el número 1 en cuanto al tamaño de mercado. Es el principal productor y consumidor de vainillina en el mundo y los estudios de previsión indican que ambos factores seguirán aumentando con el paso de los años. En el año 2016 esta región representó alrededor de un 40% de los ingresos totales en el mundo. En concreto, China es el principal productor y consumidor; país en el cual cada año hay entre 50 y 100 millones más de consumidores de vainillina y que en el 2018 representó el mayor exportador de vainillina. [16] [20] En segundo lugar, se encuentra Europa, con unos ingresos superiores al 25% del total mundial para ese mismo año. El principal motivo por el que Europa ha experimentado un aumento en la producción es la conciencia de la población en consumir alimentos de origen natural y sostenible. Los países más destacados dentro del continente europeo son Reino Unido, Alemania y Francia. [16] [20] Por último, hay que destacar América del norte, especialmente Estados Unidos donde la industria farmacéutica tiene gran peso y hace que la demanda de vainillina aumente. [16] [20] 5.1.3. Producción en función del tipo, precios, exportadores e importadores. En la actualidad, las tres principales fuentes de obtención de vainillina que cubren la demanda mundial son: extracción natural a partir de vainas de vainilla, síntesis de vainillina sintética a partir de fuentes derivadas del petróleo (en concreto, guayacol) y vainillina producida a partir de lignina, un residuo derivado de la industria de pulpa de papel. También se han desarrollado métodos para obtener vainillina mediante fermentación (uso de microorganismos) para obtener un producto de origen más natural y sostenible que las fuentes fósiles; no se han desarrollado a nivel industrial y es pronto para tratar su posición en el mercado, en parte debido al alto coste del ácido ferúlico y eugenol, materias primas para dicho proceso. [21] 5.1.3.1. Vainillina/vainilla natural La vainillina natural se obtiene a partir de un extracto de las vainas de la planta de vainilla, de la familia de las orquídeas. Existen tres principales variedades de plantas de vainilla que se cultivan en el mundo, aunque la más representativa es la Vanilla planifolia. La producción anual de vainillina de origen natural representa un 0,1% sobre el total de demanda mundial. Esto se debe a: Para el año 2020, tal y como se indicó en el Apartado 5.1.1 Producción y demanda global se obtuvieron 2590 toneladas de vainas de vainilla de origen natural. DOCUMENTO I. MEMORIA Página 14 de 113 No obstante, de las vainas de vainilla curadas, obtenidas de la planta, únicamente el 2% en peso seco es vainillina (20 g V/kg vaina) [22]. Es por ello por lo que el contenido de vainillina es de solo 50 toneladas aproximadamente. A mayores, para producir aproximadamente 500 kg de vainas de vainilla se necesita la polinización de aproximadamente 40.000 flores, lo que supone enormes extensiones de terreno para producir muy poca cantidad de vainillina. Se estima que la producción de vainillina natural genera cerca de 250 millones de dólares e involucra a más de 200.000 trabajadores. [23] Figura 8: Producción de vainilla natural en el mundo. Fuente: [24] Tal y como se observa en la Figura 8, el principal productor mundial de vainillina natural es la isla de Madagascar, la cual representa más de la mitad de la producción. El segundo en el ranking es Indonesia. Estas condiciones provocan que el precio de la vainillina natural presente unos valores muy altos. A principios de siglo el precio de las vainas de vainilla se situaba en 25 $/kg lo que supone un precio de 1.250 $/kg. No obstante, otras fuentes indican que su precio oscila entre los 1.500-4.000 $/kg. Hoy en día, su precio se ha disparado debido al aumento de la demanda por parte de las grandes empresas alimentarias (Nestlé) que pretenden producir alimentos más sostenibles. Actualmente el precio es de 500 $/kg para las vainas de vainilla lo que supone 25.000 $/kg de vainillina. [23] [25] DOCUMENTO I. MEMORIA Página 15 de 113 5.1.3.2. Vainillina sintética Representa el 99,9% de la producción mundial de la cual un 85% se obtiene a partir del guayacol, un compuesto fenólico derivado de la industria petroquímica. El precio es mucho menor al de la vainillina de origen natural y se sitúa entre los 10 y los 20 $/kg. [22] [25]. Se puede ver la evolución de su precio en la Figura 9, el cual ha experimentado un repunte desde mediados del año 2021. La producción de vainillina sintética de origen petroquímico se concentra en Estados Unidos, Francia, China y Japón. En referencia a empresas, el sector está dominado por la empresa Solvay, la cual supone más de la mitad de la producción mundial. Otras empresas importantes en son Apple Flavor & Fragrance Group Co Ltd., el Grupo Merk, Lesaffre, Evolva Holding [20] [22] Por otro lado, el 15% restante es vainillina obtenida a partir de lignina, un residuo derivado de la industria de la pulpa de papel. Toda la producción se concentra en la empresa noruega Boorregaard que se encuentra en el 2º puesto en el ranking mundial de empresas productoras de vainillina. Esta empresa obtiene un producto de alta calidad que, a pesar de que técnicamente no es considerado natural, ante las principales empresas es muy valorado ya que se trata de un proceso al 90% sostenible. Además, la vainillina obtenida a partir de esta materia prima es altamente valorada debido a los matices adicionales que aportan la presencia de otros compuestos aromáticos presentes en la lignina [21]. Presenta un precio situado en un rango de 100-200 $/kg. [22] [27] 5.1.3.3. Biovainillina La creciente demanda en la última década de vainillina obtenida a partir de fuentes más sostenibles y, sobre todo, un producto más natural, ha dado pie a el desarrollo de numerosas investigaciones para desenvolver otro tipo de proceso de obtención. Figura 9: Evolución del precio de la vainillina sintética. Fuente: [26] DOCUMENTO I. MEMORIA Página 16 de 113 Dicha demanda está representada por grandes empresas de la industria alimentaria como son General Mills, Hershey’s, Kellogg’s, y Nestlé que han decidido sustituir los sabores artificiales por otros más naturales, ante el cambio de modelo de producción hacia caminos más sostenibles que reclama la sociedad en los últimos años. [16] [21] La empresa Solvay ha desarrollado un proceso de obtención de vainillina por fermentación de ácido ferúlico, obtenido a partir del salvado del arroz. Por otro lado, la empresa Evolva e IFF ha creado un proceso de características similares usando como materia prima azúcar con levadura de cerveza. El precio de venta de este tipo de vainillina es de 400-600 $/kg. [25] [27] 5.2. Mercado de las materias primas: Lignina El estudio de mercado de la lignina, materia prima seleccionada para este proyecto, es clave para desarrollar así un correcto análisis de mercado y evaluar la producción de vainillina a partir de esta fuente. La lignina es el segundo componente estructural mayoritario de la madera. El contenido de lignina presente oscila en un amplio rango en función del tipo de madera y de la especie de planta a la que esté referida. El proceso que sufren las denominadas ligninas naturales (presentes en las células de la biomasa) para ser aisladas del material lignocelulósico, provoca modificaciones en su organización estructural. Se originan lo que se conoce como ligninas comerciales o ligninas técnicas. [12] La principal fuente de obtención de lignina es la industria del papel, de la cual se generan 300 billones de toneladas al año. 1,65 megatoneladas/año se corresponden con los dos principales tipos de ligninas técnicas: [28] • Ligninas libres de sulfuros: Hay principalmente tres tipos entre los que destacan la lignina procedente del Proceso Organosolov y lignina del proceso “Soda Pulping”. [12] • Ligninas con contenido en sulfuros: Los dos grandes tipos son la lignina Kraft (derivada del proceso Kraft el cual representa el 90% de la producción mundial de pulpa de papel) y los lignosulfonatos (sulphite lignin). Este último domina el mercado mundial de ligninas técnicas con un porcentaje de producción que supera el 80% del total. [12] En la Figura 10, se observa el reparto de mercado mundial de lignina técnica en base a la producción en kilotoneladas. DOCUMENTO I. MEMORIA Página 17 de 113 Figura 10: Producción mundial de ligninas técnicas en el año 2018. Fuente: [28] La producción de lignina se destina en un 57,7% sobre los ingresos totales a las macromoléculas, enfocado a la obtención de fibras de carbono, biocombustibles, etc. Las estimaciones futuras prevén un crecimiento de la demanda de estos productos, sobre todo en el sector de la automoción y la construcción; debido al uso de materiales en los que están presentes derivados de la lignina. El restante 43,3% se destina a la obtención de compuestos aromáticos, la cual ha tenido una creciente inversión en base a la necesidad de reducción de emisiones de efecto invernadero y la obtención de materias primas de origen natural. En la Figura 11 se muestra el reparto del mercado global de lignina para el año 2019. Figura 11: Aplicaciones del mercado global de lignina en el año 2019. Fuente: [29] La clasificación de las mayores empresas y países productores de lignina está dominada por las plantas de producción de lignosulfonatos. La empresa más importante es Borregaard LignoTech, representando el 60% de la producción total de lignina técnica. Está situada tanto en Europa como en Estados Unidos, en la que se encuentra asociada con la empresa Rayonier Advanced Materials Inc. Le siguen la empresa Tembec, Inc y Domsjö Fabriker como las más importantes en el mundo. La mayor producción de lignina técnica se encuentra en los Estados Unidos, seguida de China con seis fábricas productoras de lignosulfonatos. La Figura 12 muestra la distribución geográfica mundial de las zonas con mayor producción de lignina. DOCUMENTO I. MEMORIA Página 18 de 113 Figura 12: Países con mayor producción de lignina. Fuente: [28] Actualmente la mayoría de la lignina obtenida de estos procesos es quemada para obtener energía o es destinada a tratamiento. No obstante, la creciente demanda de productos químicos procedentes de fuentes renovables ha reactivado el interés por el uso de la lignina como materia prima; como es el caso de la producción de vainillina. De esta manera se sustituiría a los procesos petroquímicos, que dominan la producción mundial de vainillina en la actualidad. [30] 5.2.1. Lignina Kraft La producción mundial de lignina Kraft en el año 2018 se estimó en 265.000 t/año y se estima que para el año 2025 se alcancen las 2.500.00 t/año. Su precio oscila en función de la pureza que se quiera obtener, lo que influye en la aplicación final de la lignina. Parte de un precio de entre 70-150 $/t cuando se destina a generación de energía, hasta precios superiores a los 1000 $/t cuando se emplea para materiales y compuestos químicos. En función del tipo de tratamiento que se lleve a cabo el precio varía: Por ejemplo, la lignina derivada del método Kraft y posteriormente tratada con el proceso “LignoForce” presenta un precio de 600 $/t. Se puede considerar que el precio de lignina Kraft sin modificación oscila entre los 260-500 $/t, siendo la media 380$/t. [28] Las principales empresas productoras de este tipo de lignina son Aditya Birla Domsjö en Suecia, Borregaard LignoTech en Noruega, Stora Enso en Finlandia, Ingevity en los Estados Unidos, WestRock Co., Domtar coorporation, MeadWestvaco Corporation, etc. [28] 5.2.2. Lignosulfonatos Representan el 80% del mercado global, destinado principalmente a la producción de concreto (hormigón) en el creciente sector de la construcción en países como China, EE. UU. o India.[29]. DOCUMENTO I. MEMORIA Página 19 de 113 La producción mundial para el año 2018 es de 1.315 kilotoneladas y se estima que para el año 2025 aumente hasta las 2000 kilotoneladas. Su precio oscila en el rango de 180500 $/t. Las principales empresas productoras son Borregaard LignoTech en los Estados Unidos, Tembfibre, Fraser Paper, etc. [12] 6. Estudio de alternativas En este apartado se analizarán las distintas rutas que pueden ser seguidas para la obtención de vainillina. Posteriormente, se realizará la justificación de la alternativa seleccionada para llevar a cabo el proceso en base a las características analizadas de cada una de las alternativas. 6.1. Oxidación de lignina Kraft en medio ácido En este primer grupo se analizarán las alternativas en las que, en la primera de las etapas, etapa de reacción, se lleva a cabo un proceso común de oxidación de la lignina Kraft en medio ácido, siendo el objetivo de dicha oxidación la despolimerización de dicha materia prima. Para llevar a cabo este proceso de oxidación se realiza una disolución de lignina Kraft, metanol, agua y ácido sulfúrico, la cual será introducida en el reactor. La adición de agua y metanol es necesaria para la realización de la mezcla ácida de la corriente de entrada al reactor. La mezcla ácida se alimenta al reactor, donde una corriente de aire proporcionará el oxígeno que actuará como oxidante en la reacción, la cual llevará a cabo a una temperatura de 210°C y a una presión de 48 bar. [31] A continuación de la etapa de reacción, se encuentra la etapa de recuperación de reactivos. La corriente de salida del reactor se introduce ahora en un separador flash, donde se lleva a cabo la separación de los compuestos en fase gas (agua, metanol y aire) de la corriente líquida de productos. Esta corriente gaseosa será sometida a destilación para separar los mencionados compuestos, permitiendo de esta manera la recirculación del metanol. La corriente líquida será sometida a un proceso de filtración y destilación, logrando separar lignina no despolimerizada y metanol respectivamente, siendo ambos recirculados a la entrada del proceso. [31] La diferencia entra las distintas alternativas que llevan a cabo la oxidación en medio ácido reside en la siguiente etapa, separación de los productos. A continuación, se describirán los distintos procesos de separación que se pueden seguir para llevar a cabo la obtención de vainillina. 6.1.1. Extracción empleando acetato de etilo como solvente La separación de los productos se realiza mediante una extracción líquido-líquido, empleando para ello acetato de etilo como disolvente para la separación de los mismos del ácido sulfúrico y el agua restante. DOCUMENTO I. MEMORIA Página 20 de 113 Esto hace posible que pueda recuperarse el ácido sulfúrico por medio de un proceso de destilación, separándolo del agua y de una pequeña parte de acetato de etilo arrastrado de la torre de extracción, y recirculándolo a la entrada del proceso. La corriente de productos que sale por colas de la mencionada columna de destilación pasa por una última etapa de destilación con el objetivo de recuperar el disolvente, que será recirculado de nuevo a la torre de extracción. Finalmente, se lleva a cabo una cristalización con el objetivo de purificar el producto de interés, la vainillina, en unas condiciones de temperatura y presión de 5°C y 1 bar, respectivamente. [31] En la Figura 13 puede observarse el diagrama de bloques correspondiente a un proceso de oxidación de lignina Kraft en medio ácido utilizando acetato de etilo como disolvente para la extracción. Figura 13: Diagrama de bloques de un proceso de oxidación de lignina Kraft en medio ácido empleando acetato de etilo como solvente. Fuente: [31] 6.1.2. Extracción empleando benceno como solvente Las etapas de proceso que sigue esta alternativa son idénticas al del caso anterior, hallándose la única diferencia en el tipo de solvente utilizado en la torre de extracción para realizar la separación del ácido sulfúrico y agua del resto de productos, empleando en este caso benceno como compuesto para llevar a cabo dicha tarea. [31] En la Figura 14 puede observarse el diagrama de bloques correspondiente a un proceso de oxidación de lignina Kraft en medio ácido utilizando benceno como disolvente para la extracción. DOCUMENTO I. MEMORIA Página 21 de 113 Figura 14: Diagrama de bloques de un proceso de oxidación de lignina Kraft en medio ácido empleando benceno como solvente. Fuente: [31] 6.1.3. Separación por medio de nanofiltración con solvente orgánico En este caso, la corriente de colas procedente de la columna de destilación, que opera con el objetivo de recuperar el metanol, será sometida a una filtración para la separación del ácido sulfúrico y agua, junto con el acetato de etilo adicionado a la entrada de dicho filtro con el objetivo de preparar la corriente para el proceso de filtración de los productos de reacción. La corriente de salida del filtro que contiene el ácido sulfúrico, agua y acetato de etilo será sometida a un proceso de destilación llevada a cabo en dos columnas dispuestas en serie, lo cual permite la recuperación del acetato de etilo, que será recirculado a la entrada del filtro, y la recuperación del ácido sulfúrico, que será recirculado a la entrada del proceso. [31] En cuanto a la corriente que contiene los productos se realiza un proceso de destilación con el objetivo de eliminar cualquier remanente de acetato de etilo, siendo enviada la corriente de productos al cristalizador, para que pueda ser llevada a cabo la última etapa, purificación de la vainillina. [31] En la Figura 15 puede observarse el diagrama de bloques correspondiente a un proceso de oxidación de lignina Kraft en medio ácido utilizando nanofiltración con acetato de etilo como solvente orgánico para llevar a cabo la separación. DOCUMENTO I. MEMORIA Página 22 de 113 Figura 15: Diagrama de bloques de un proceso de oxidación de lignina Kraft en medio ácido empleando nanofiltración con solvente orgánico. Fuente: [31] 6.1.4. Separación mediante adsorción con zeolita En este caso, la separación del ácido sulfúrico y agua del resto de productos se realiza mediante un proceso de adsorción llevado a cabo a una temperatura de 40°C, empleando zeolita como material adsorbente. En la torre de adsorción, los productos son adsorbidos por la zeolita, efluyendo por colas de dicha torre. La recuperación del adsorbente se realizará por medio de un separador centrífugo, lo que permite la recirculación de este. La corriente líquida que contiene los productos pasa ahora a la última etapa, purificación, que se llevará a cabo de la misma manera que en las alternativas explicadas anteriormente. [31] El ácido sulfúrico y el agua no adsorbidos serán separados en una columna de destilación para la recirculación del primer compuesto a la entrada del proceso. [31] En la Figura 16 puede observarse el diagrama de bloques correspondiente a un proceso de oxidación de lignina Kraft en medio ácido utilizando un proceso de adsorción con zeolita como material adsorbente. DOCUMENTO I. MEMORIA Página 29 de 113 Por último, cabe destacar que una de las mayores dificultades que se encuentran en el proceso de obtención de vainillina a partir de lignina Kraft es la separación de los compuestos vainillina y siringaldehído de entre sí. Las alternativas propuestas emplean un sistema de cristalización en múltiples etapas para conseguir dicho cometido. Sin embargo, esta opción resulta muy costosa y a menudo no se logra una alta pureza de vainillina. Sin embargo, el proceso de separación de siringaldehído y vainillina, con posterior purificación de esta última, (propuesta en la alternativa seleccionada) se postula a ser una mejor opción ya que, no solo se consigue simplificar el proceso de separación y purificación, sino que se logra obtener vainillina en polvo de alta pureza. 7. Emplazamiento El desarrollo de una actividad industrial como la aquí propuesta implica la búsqueda de un emplazamiento estratégico para la planta. Este será determinante para que dicha actividad pueda llevarse a cabo de manera exitosa. La elección de una situación óptima para la planta depende de múltiples factores, que servirán de guía para acotar las posibles opciones de emplazamiento, así como para realizar la elección final del emplazamiento. Los primeros factores determinantes a tener en cuenta son el mercado donde se le da salida al producto y el lugar de procedencia de las materias primas necesarias para el proceso; los cuales tienen un claro impacto sobre los costes y beneficios de la planta. Es por ello que se buscará una localización lo más cercana posible tanto a los proveedores de materia prima como a los potenciales compradores del producto. La red de comunicaciones es el segundo de los factores determinantes para la elección del emplazamiento. Juega un papel clave en este sentido, por lo que se debe buscar siempre la localización que ofrezca las mejores conexiones y vías de transporte más rápidas, tanto para mercancías como para los servicios y mano de obra que se necesiten para llevar a cabo la actividad industrial; de manera que garanticen la óptima logística de las materias primas y productos. De esta forma, se logra así la rápida introducción de dichos productos en el mercado, suponiendo una clara ventaja sobre los posibles competidores, tercer factor crítico a tener en cuenta. El análisis de los competidores y su localización resulta crítico para la elección del emplazamiento de una planta industrial. Con respecto a este factor, el objetivo será situar la planta en un área lo más alejada de posibles competidores, procurando abarcar el mayor mercado posible, sin que se llegue a generar una competencia que pueda afectar al rendimiento económico de la planta. DOCUMENTO I. MEMORIA Página 30 de 113 Por otra parte, las características, disponibilidad y coste del terreno serán factores básicos a tener en cuenta para la elección del área de situación, así como los recursos existentes que puedan ser empleados como servicios auxiliares (agua, energía eléctrica, etc.) en la planta. Además, se requiere un análisis de la situación política y las leyes a las que está sujeta el área de interés, principalmente en materia laboral y ambiental. Por último, el factor ambiental juega un papel fundamental. Desde un punto de vista, se deben tener en cuenta los impactos que puedan generar las actividades de la planta en el medio y que puedan afectar a los núcleos de población cercanos, tales como la emisión de gases o la gestión de residuos. Por otra parte, resulta muy importante el análisis de la climatología y actividad sísmica de la zona con el objetivo de evitar zonas donde se puedan dar con cierta frecuencia fenómenos adversos; exponiendo a los equipos e infraestructura de la planta a un estrés que pueda comprometer la seguridad en las operaciones y la de los trabajadores. Cabe destacar además el impacto económico que puede tener el factor climatológico en el coste del seguro para la planta. [33] 7.1. Descripción del emplazamiento Teniendo en cuenta todos los factores descritos anteriormente, se ha realizado la búsqueda de una parcela que cumpla con los requerimientos necesarios para la operación de la planta de producción de vainillina. Se ha tomado la decisión de situar la planta de producción de vainillina a partir de lignina Kraft en el polígono industrial de “A Reigosa”, situado en el municipio de Ponte Caldelas, provincia de Pontevedra. Se trata de un municipio de 5.548 habitantes y una extensión de 87 km2 [34] [35]. La actividad empresarial de dicho municipio ha ido aumentando progresivamente con los años, alcanzando, según el último dato registrado en el año 2020, las 363 empresas en activo. [36] DOCUMENTO I. MEMORIA Página 31 de 113 Figura 21: Situación geográfica de Ponte Caldelas, en la Comunidad Autónoma de Galicia. Fuente: [37] La principal actividad industrial del municipio se desarrolla en el polígono industrial de “A Reigosa”, el cual es gestionado por XESTUR (Xestión do Solo de Galicia). Dicho polígono consta de 52 parcelas industriales, cuya superficie total asciende a 284.247,22m2 [38] y se encuentra próximo a otro de los polígonos industriales de la zona: el polígono industrial de “O Campiño”. Para el emplazamiento de la planta se han seleccionado dos parcelas colindantes dentro de este polígono, la parcela P-07 y P-08, cuyos datos se muestran en la Tabla 3, haciendo una superficie total para el emplazamiento de la planta de 41.522,60 m2. [38] Tabla 3: Datos de las parcelas seleccionadas para el emplazamiento en el polígono industrial. Fuente: [38] [39] Parcela Superficie (m2) Coordenadas P-07 19.993,37 42° 24’ 4,025” N 8° 35’ 2,234” W P-08 21.529,23 42° 24’ 4,317” N 8° 34’ 56,479” W DOCUMENTO I. MEMORIA Página 32 de 113 Figura 22: Vista aérea del polígono industrial "A Reigosa". Fuente: [38] Tal y como se describirá a continuación en los siguientes puntos, el emplazamiento seleccionado se encuentra en un lugar estratégico para la actividad de la planta, principalmente, desde el punto de vista de las comunicaciones y servicios disponibles. Figura 23:Situación del polígono de “A Reigosa” (amarillo) con respecto a ENCE Pontevedra (verde) y la ciudad de Pontevedra (rojo). Fuente: [39] Una de las principales razones por las que esta localización ha sido seleccionada es debido a que las parcelas se sitúan a tan solo 15,6 km de distancia del principal proveedor de la materia prima (lignina Kraft) para el proceso de producción de vainillina, ENCE Pontevedra. [39] Además, no existen empresas competidoras, a corta o larga distancia, para el mismo nicho de mercado, lo cual hace que el producto pueda ser ampliamente suministrado en el territorio autonómico y nacional a empresas como, por ejemplo, de alimentación o farmacéuticas, y a nivel internacional, gracias a las comunicaciones que ofrece la localización, tal y como se analiza en el apartado 7.1.1 Red de comunicaciones. DOCUMENTO I. MEMORIA Página 33 de 113 Finalmente, cabe destacar que en el año 2020 el ayuntamiento de Ponte Caldelas aplicó una rebaja al precio por metro cuadrado de las parcelas libres en el polígono industrial de “A Reigosa”, entre las que se encuentran las parcelas seleccionadas para el emplazamiento de la planta, pasando de tener el terreno un coste medio de 94,47 €/m2 a 66,12 €/m2. Esta acción a nivel político se enmarca dentro del intento de potenciar la industria de la zona. [40] 7.1.1. Red de comunicaciones • Red de carreteras El polígono de A Reigosa (Ponte Caldelas), y en concreto las parcelas seleccionadas para la instalación de la planta, cuentan con una gran accesibilidad por carretera. El acceso se realiza a través de la carretera autonómica PO-532, cuyo enlace con la carretera autonómica PO-542 proporciona un enlace directo con la Autopista del Atlántico AP-9/E-1 y con la carretera nacional N-550, principales vías de comunicación por carretera de la provincia de Pontevedra, encontrándose aproximadamente ambas a 9 y 7 km, respectivamente, del emplazamiento de la planta. A través de estas vías se establece la comunicación entre las principales ciudades de Galicia, como son Pontevedra (situada a 10 km del emplazamiento), Vigo (situada 33 km del emplazamiento), Santiago de Compostela (situada a 79 km del emplazamiento), Ourense (situada a 95 km del emplazamiento), A Coruña (situada a 144 km del emplazamiento), Ferrol (situada a 162 km del emplazamiento) y Lugo (situada a 204 km del emplazamiento). [41] Figura 24: Mapa satélite del emplazamiento, señalado con el área en rojo. Fuente: [Adaptado de 38] DOCUMENTO I. MEMORIA Página 34 de 113 Además, estas vías permiten establecer la comunicación con otras vías tales como la autopista A-52, la cual conduce al nudo de vías situado en Benavente y que permite el enlace con las autovías hacia Madrid (A-6) y el norte de la Península (A-66) o la autopista A-8, que recorre todo el norte de la península, desde Galicia hasta el País Vasco. Finalmente, cabe destacar que la autopista AP-9 establece comunicación con el país vecino Portugal, mediante la autovía A-3. • Red ferroviaria La estación ferroviaria más próxima se encuentra en la ciudad de Pontevedra, concretamente a una distancia de 7 km. La red ferroviaria de Galicia permite una amplia comunicación con las principales ciudades de Galicia descritas anteriormente, así como con otras Comunidades Autónomas y con el país vecino Portugal. Mediante la red viaria se podrá realizar el transporte de mercancías gracias al servicio que ofrece el Grupo Renfe, dedicado al transporte ferroviario. Es importante destacar la comunicación que el ferrocarril establece entre los principales puertos marítimos de Galicia, como son el puerto de Vigo, Marín, Vilagarcía de Arousa, A Coruña y Ferrol, que forman parte de la red de comunicaciones y que será analizada a continuación. [42] • Transporte Marítimo El puerto de mercancías más cercano al polígono industrial de “A Reigosa” es Puerto de Marín. Se trata de un puerto mercante que dispone de 245 m de longitud y 12 m de calado para el atraque de grandes buques de mercancía. Además, posee una terminal de contenedores con una longitud para el atraque de 490 m y una superficie de 70.000 m2 para el almacenamiento de contenedores. Sin embargo, la característica más destacable de este puerto es la disponibilidad de una terminal cubierta, que posibilita la carga y descarga de materias primas o productos ante cualquier situación climática, especialmente aquellos que cuyas características puedan verse afectadas por la humedad. [43] [44] Figura 25: Red ferroviaria de Galicia. Fuente: [42] DOCUMENTO I. MEMORIA Página 35 de 113 El Puerto de Marín se encuentra a tan solo 13,6 km del emplazamiento de la planta y está excelentemente comunicado tanto por vía terrestre, con conexión directa a la AP-9 y A-52, como por vía ferroviaria, con conexión a la red ferroviaria nacional. Además, se encuentra próximo a los aeropuertos de Vigo y Santiago de Compostela. [43] [44] El Polígono de “A Reigosa” se encuentra también próximo al Puerto de Vigo, situado a 37,7 km de distancia y comunicado a través de la AP-9. Se trata de uno de los puertos más importantes del país, gracias al gran volumen de mercancía que gestiona. Otros puertos de relevancia con buena comunicación son el Puerto de Vilagarcía de Arousa, a 44 km de distancia, y el Puerto de A Coruña, situado a 144 km, ambos con conexión directa con la AP-9. [39] • Transporte Aéreo En cuanto al transporte aéreo, el aeropuerto de Peinador (Vigo), es el que más cercano se encuentra a la localización de la planta de producción de vainillina. Concretamente, se encuentra a 34 km. Otros aeropuertos cercanos al polígono de “A Reigosa” son el aeropuerto Rosalía de Castro (Santiago de Compostela) y el aeropuerto de Alvedro (A Coruña), situado a 85 y 137 km, respectivamente, del polígono de “A Reigosa”. Todos ellos se encuentran conectados por medio de la autopista AP-9. 7.1.2. Servicios Las parcelas seleccionadas en el polígono de “A Reigosa” cuentan con una serie de servicios clave para el desarrollo de la actividad de la planta. Próxima a las parcelas existe una subestación eléctrica, la cual permite dotar de corriente alterna, de baja tensión (igual o inferior a 1kV) o media tensión (1-36 kV), a la planta. [38]. En cuanto al suministro de gas natural, el polígono de “A Reigosa” cuenta con una red de distribución al servicio de las industrias, siendo la empresa “Nedgia Galicia” dicha distribuidora. [45] El parque empresarial cuenta además con el servicio de abastecimiento y saneamiento de aguas, así como la recogida de pluviales, ofrecido por la empresa de gestión de procesos relacionados con el ciclo integral del agua “Viaqua Pontevedra”. [46] La red de telecomunicaciones posibilita la conexión de red de la planta por medio de fibra óptica, además de la existencia de un repetidor de telecomunicaciones a escasa distancia del polígono, lo cual garantiza una excelente cobertura de telefonía. DOCUMENTO I. MEMORIA Página 36 de 113 7.1.3. Disponibilidad de mano de obra Uno de los factores determinantes comentado en el inicio de este apartado es la disponibilidad de mano de obra que permita desarrollar que la operación de la planta se desarrolle de manera normal. Para ello dicho cometido, será necesario disponer de mano de obra cualificada y no cualificada. El municipio de Ponte Caldelas, ubicación donde se encuentra el polígono de “A Reigosa”, registró una población de 5.548 habitantes en el año 2021, cuya gran mayoría se encuentra dentro del rango de población activa. Sin embargo, el hecho de que el polígono se encuentre a poca distancia de núcleos de población tan importantes como Vigo o Pontevedra, con una alta tasa de población activa, es una clara ventaja a la hora de la elección de este emplazamiento. El factor de la disponibilidad de mano de obra se tratará en profundidad en el apartado 8.5 Disponibilidad de terreno y mano de obra .[47] 7.1.4. Climatología Se trata de uno de los factores determinantes a la hora de la elección de un emplazamiento, ya que se deben tener en cuenta los factores climatológicos a los que se va a exponer la planta. El área geográfica donde irá ubicada la planta presenta un clima oceánico húmedo, caracterizado principalmente por veranos suaves e inviernos frescos, con temperaturas de entre los 4°C y los 25°C, siendo la media de 22°C en la época templada y 14°C en la época fresca. [48] Figura 26: Temperaturas máximas (línea roja) y mínimas (línea azul) medias en Ponte Caldelas a lo largo del año. Fuente: [48] DOCUMENTO I. MEMORIA Página 37 de 113 En lo que a precipitaciones se refiere, el municipio de Ponte Caldelas presenta una variación muy importante en el volumen de precipitaciones dependiendo de la estación del año, variando desde los 148 mm de precipitación en el mes más lluvioso, diciembre, hasta los 21 mm de precipitación en el mes más seco, julio. [48] Figura 27: Datos de precipitación media mensual a lo largo del año en el municipio de Ponte Caldelas en el año 2021. Fuente: [48] Otro de los parámetros climatológicos relevantes es el viento, cuya velocidad varía a lo largo del año dependiendo de la estación. Concretamente, en el área de Ponte Caldelas la velocidad del viento tiene leves fluctuaciones a lo largo del año, con una velocidad media en los meses más ventosos (octubre-mayo) de 9 km/h y en los meses menos ventosos (mayo-octubre) de 8,1 km/h. En el año 2021, la media de velocidad del viento más alta registrada fue de 10 km/h. [48] Figura 28: Velocidad media del viento mensual en Ponte Caldelas en el año 2021. Fuente: [48] Se debe tener en consideración la dirección del viento, ya que el emplazamiento de la planta debe realizarse de manera que se evite que las corrientes de viento predominantes puedan arrastrar gases procedentes de la planta hacia núcleos de población. DOCUMENTO I. MEMORIA Página 38 de 113 La ubicación de la planta presenta vientos predominantes del norte durante la mayor parte del año, principalmente durante los meses de la época estival. Sin embargo, en los últimos meses del año la dirección puede soplar hacia el sur y sureste, tal y como se aprecia en la Figura 29. [48] Figura 29: Evolución en la dirección del viento a lo largo del año en Ponte Caldelas. Fuente: [48] Resulta interesante investigar el nivel de energía solar incidente a lo largo del año en el municipio de Ponte Caldelas, una información que puede resultar de gran utilidad a la hora de estudiar la posibilidad de realizar una instalación de paneles fotovoltaicos o térmicos en la planta. [48] Figura 30: Niveles medios mensuales de energía solar en el municipio de Ponte Candelas en el año 2021. Fuente: [48] DOCUMENTO I. MEMORIA Página 45 de 113 Este proyecto se centra en la producción de vainillina, aunque sería objeto de estudio en proyectos futuros el análisis de operaciones de separación para aislar dichos subproductos y permitir su posterior aprovechamiento o venta. 9.1.1. Siringaldehído El 3,5-dimetoxi-4-hidroxibenzaldehído es un aldehído aromático conocido comúnmente como siringaldehído. De color amarillento o marrón, este compuesto presenta una estructura muy similar a la de la vainillina y una gran cantidad de características bioactivas, propias de los aldehídos. Es un compuesto muy abundante ya que es obtenido a partir de lignina, el segundo biopolímero más abundante en la madera solo por detrás de la celulosa. Sus propiedades químicas y físicas más destacadas se recogen en la Tabla 4. [57] Tabla 4: Propiedades físicas, químicas y termodinámicas del siringaldehído. Fuente: Elaboración propia a partir de [57] [58] Propiedad Valor Peso molecular (g/mol) 182,18 Densidad (g/cm3) 1,013 Presión de vapor a 25°C (mm Hg) 0,000151 Punto de fusión (°C) (lit.) 110-113 Punto de ebullición a 14 mm Hg (°C) 192-193 [58] [Ficha de seguridad del siringaldehído,(Archivo II)] En cuanto a sus aplicaciones, este compuesto es usado en numerosas industrias como son la farmacéutica, alimenticia, cosmética, textil, etc. Posee propiedades antioxidantes, puede actuar como agente antifúngico y antimicrobiano e incluso presenta propiedades anti oncológicas. [57] En el proceso de obtención de vainilla, el siringaldehído se origina en una reacción secundaria derivada de la despolimerización de la lignina. Este un subproducto debe ser separado para purificar la vainillina. El siringaldehído obtenido como subproducto en este proceso en la Sección 200 presenta una pureza suficiente como para considerar su venta debido a su amplio uso en distintos sectores industriales, destacando el farmacéutico. 9.1.2. Ácido vainillínico El ácido vainillínico o acido 4-hydroxy-3-methoxy benzoico, es un ácido fenólico presente en algunas formas de vainillina y en muchos otros extractos de plantas. Se origina como producto intermedio en la transformación del ácido ferúlico a vainillina. DOCUMENTO I. MEMORIA Página 46 de 113 Presenta un color amarillo claro y se encuentra en forma de polvo. En la Tabla 5 se recogen algunas de las propiedades del ácido vainillínico. [59] [60] Tabla 5. Propiedades físicas y químicas del Ácido vainillínico. Fuente: Elaboración propia a partir de: [59] [61] [Ficha de seguridad ácido vainillínico (Archivo II)] Propiedad Valor Peso molecular (g/mol) 168,15 Solubilidad en agua Soluble Densidad (g/cm3) 1,3037 Punto de fusión (°C) (lit.) 208-210 Punto de ebullición (°C) 257,07 Este compuesto se forma como subproducto derivado de la degradación de la vainillina debido a la presencia de un medio oxidante en el reactor. Es decir, se trata de un producto indeseado y se trata de obtener la menor cantidad posible para así evitar la pérdida de una mayor cantidad de vainillina formada. El ácido vainillínico es eliminado de la corriente de producto en el proceso de adsorción. 9.1.3. Compuestos equivalentes (X) y justificación. La oxidación alcalina de la macromolécula de lignina, a causa de su estructura heterogénea, no produce únicamente vainillina. Da lugar a una compleja mezcla compuestos químicos formada por compuestos fenólicos, no fenólicos y oligómeros. En la Tabla 6 se recogen los que se encuentran en mayor proporción. Tabla 6. Principales compuestos formados por la oxidación de lignina. Fuente: Elaboración propia a partir de [12] [27] Compuesto Estructura química Compuesto Estructura química Vainillina Siringaldehido Ácido vainillínico Ácido Siríngico Acetovainillona Acetosiringona DOCUMENTO I. MEMORIA Página 47 de 113 Tal y como se puede observar, están presentes la vainillina, el siringaldehido y ácido vainillínico; productos que indica en mapa de reacciones descrito en el Apartado 9. Descripción del proceso. El resto de los productos de cada uno de los tres principales grupos de compuestos se describen a continuación. 9.1.3.1. Compuestos fenólicos. En su mayoría representados por ácidos y cetonas, son los compuestos de mayor interés originados en la oxidación de lignina, entre los que se encuentra la vainillina o el siringaldehído, aunque la variedad de especies químicas es mucho mayor. En [27] se recogen más de quince especies formadas. En la Tabla 7 se han recogido algunas de ellas. [27] Tabla 7. Compuestos fenólicos formados en la oxidación de lignina. Fuente: Elaboración propia. a partir de [12] [27] Compuesto Estructura química Compuesto Estructura química Fenol [62] Ácido formilvanilínico Ácido benzoico [63] Catecol [65] Ácido phidroxibenzoico [64] Syringol [66] Formilvanilina Dehidrovainillina [67] 9.1.3.2. Compuestos no fenólicos. Dentro de los compuestos formados en la oxidación, los compuestos no fenólicos no se consideran de gran importancia por lo que los estudios determinando las especies halladas de este tipo son menores. DOCUMENTO I. MEMORIA Página 48 de 113 9.1.3.3. Oligómeros. Fragmentos de lignina no reaccionada o derivados de reacciones de condensación. La cantidad presente presenta grandes variaciones en función del tipo de lignina. Algunos de los compuestos son el 1,2,3-Trimetoxibenceno, 2-Hidroxi-3-metil-2-ciclopentanona, ácido maleico, ácido fumarílico, ácido succínico, ácido fórmico, etc. [27] 9.1.3.4. Justificación En base a la gran cantidad de compuestos formados reflejados en los apartados anteriores; se toma la siguiente consideración: Todos los productos mencionados se engloban en una misma variable denominada “X”, tal y como se recoge en bibliografía [12] y reflejada en las reacciones consideradas para el proceso. (apartado 9.3 Descripción química del proceso) Esto permite desarrollar un diseño asequible a nivel académico con un mapa de reacciones simplificado; al mismo tiempo que se elabora un diseño riguroso y de amplio alcance en el que se engloban todos los productos formados. De esta manera se verá reflejado cómo afectan dichos productos al proceso, tanto a nivel mecánico, como químico y termodinámico. Los Compuestos X presentan una estructura química y propiedades similares a las del producto deseado, por lo que necesitan ser sometidas al tratamiento de separación para conseguir la pureza de vainillina necesaria para su comercialización. Esta parte del proceso será clave para conseguir la viabilidad económica del proceso. [12] 9.2. Compuestos químicos del proceso Durante el proceso se emplean otros compuestos químicos necesarios para alcanzar las condiciones de operación necesarias. También actúan como solventes en el proceso de adsorción, o son reactivos en las reacciones que tienen lugar en el reactor. 9.2.1. Hidróxido de Sodio (NaOH) El hidróxido de Sodio es de uno de los compuestos de mayor producción a gran escala en el planeta. En el presente proyecto, se emplea una disolución al 50% de NaOH en la alimentación. A la entrada del reactor R-101 está en concentración de 2N, con el objetivo de alcanzar un pH muy básico (pH≈14), necesario llevar a cabo la reacción y que, además, contribuye a una mejor solubilidad de la lignina. [68] Aproximadamente el 50% de su producción se trata de hidróxido de sodio en disolución (más común), mientras que el NaOH restante se encuentra en estado sólido y se le denomina sosa caustica. Sus principales usos están en el ámbito de la química inorgánica como alcalino o compuesto digestor en la producción de sales de sodio. DOCUMENTO I. MEMORIA Página 49 de 113 En la química orgánica se emplea en las reacciones de saponificación, para neutralizar aguas residuales. También tiene un amplio uso en la industria papelera, en la que el NaOH es un digestor (licor blanco) para el cocido de la madera en la operación eliminación de lignina. [68] [69] Su precio de mercado es variable en función del estado en el que se encuentre (sólido, en disolución) y de la concentración de la disolución que se desee. Para este proyecto se ha seleccionado un precio de 514,02 €/t. [70] El NaOH a temperatura ambiente es un sólido cristalino de color blanco e inodoro, el cual presenta gran afinidad por el agua en estado puro. Es por esto por lo que resulta de gran dificultad determinar exactamente sus propiedades. A mayores, en las disoluciones de NaOH, las propiedades físicas son distintas en función de la [NaOH] en la disolución y de su pureza. En la Tabla 8 se recogen algunas de las propiedades físicas, químicas y termodinámicas más importantes. [68] Tabla 8. Propiedades físicas, químicas y termodinámicas del hidróxido de sodio. Elaboración propia. Fuente: [68] [Ficha de seguridad NaOH (Archivo II)] Propiedad Valor Peso molecular (g/mol) 40,00 Solubilidad en agua a 20°C (g/l) 1,090 Densidad a 20°C (g/cm3) 2,13 Presión de vapor a 20°C (hpa) < 24 Punto de fusión (°C) 318 Punto de ebullición a 1,013 hPa (°C) 1.390 Capacidad calorífica específica a 20°C (J/kg·K) 3,24 Se trata de un compuesto producido por el hombre por lo que no está presente en la naturaleza en forma de NaOH. Al disolverse en agua libera gran cantidad de calor y forma seis hidratos distintos y es corrosivo al reaccionar con metales. Cabe destacar su función como buen agente secante. 9.2.2. Aire atmosférico Se usa aire atmosférico que contiene el oxígeno necesario para llevar a cabo la oxidación de la lignina en el reactor R-101. Éste deberá ser acondicionado previamente mediante un proceso de enriquecimiento en O2 para garantizar las condiciones necesarias de la fase gas en la reacción. Debido a que el nitrógeno actúa como inerte y por lo tanto no afecta a la reacción; únicamente será necesario tener en cuenta las propiedades del oxígeno gas. Dichas propiedades serán empleadas en el diseño riguroso del reactor y se recogen en la Tabla 9. DOCUMENTO I. MEMORIA Página 50 de 113 Tabla 9: Propiedades físicas, químicas y termodinámicas del Oxígeno diatómico (O2). Elaboración propia. Fuente [71] [Ficha de seguridad O2 (Archivo II)] Propiedad Valor Peso molecular (g/mol) 31,9999 Solubilidad en agua a 20°C (g/l) 0,039 Densidad a 21°C, vapor (g/cm3) 0,0013 Presión de vapor a 20°C (hpa) < 24 Punto de fusión (°C) -218,4 Punto de ebullición a 1,013 hPa (°C) -183 Capacidad calorífica específica a 20°C (J/kg·K) 3,24 9.2.3. Agua (H2O) Se trata de una molécula de bajo peso molecular formada por dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno, H2O. Está presente en los tres estados de la materia (sólido, líquido, gas) nunca en estado puro, es decir, debido al contacto con el ambiente el agua adquiere gases (nitrógeno o el dióxido de carbono), minerales, etc. El agua es la biomolécula más abundante en la Tierra de la cual dependen todos los organismos vivos. Es por ello por lo que se le considera el elemento clave para la vida en nuestro planeta. [72] En condiciones normales (P=1 atm y T= 298 K) el agua es un líquido transparente, incoloro, inodoro, insípido y no tóxico. Gracias al carácter bipolar de la molécula del agua y a la capacidad de formar puentes de hidrógeno hacen de este elemento un gran disolvente. La solubilidad en agua de cualquier compuesto se denomina técnicamente como sustancias hidrofílicas. De hecho, es considerar el disolvente universal. Presenta un gran calor específico lo que permite hacer frente a aumentos de temperatura. Esto hace que se pueda emplear como refrigerante y aislante térmico. [72] [73] El agua es usada en el proceso como disolvente del principal reactivo presente en la reacción, la lignina; y también del hidróxido de sodio, que debe estar presente en la corriente de entrada a una concentración concreta para alcanzar el pH adecuado en el que se desarrolla la oxidación. Forma parte de la corriente de entrada al reactor, pero no interviene en la reacción. En la Tabla 10 se presentan las propiedades químicas, físicas y termodinámicas más importantes del H2O. DOCUMENTO I. MEMORIA Página 51 de 113 Tabla 10. Propiedades físicas, químicas y termodinámicas del H2O. Fuente: Elaboración propia a partir de: [74] [75] Propiedad Valor Peso molecular (g/mol) 18,0151 Estado físico Líquido Densidad a 25°C (g/cm3) 0,99701 Presión de vapor a 25°C (Pa) 3.166,406 Punto de fusión (°C) 0,00 Punto de ebullición a 760 mm Hg (°C) 100,00 Viscosidad (Pa·s) 8,9·10-4 Calor de vaporización a 100°C (kJ/mol) 40,65 9.2.3.1. Agua desionizada El agua desionizada, también denominada agua desmineralizada, se define como agua libre de iones disueltos. Es decir, agua a la cual se le han eliminado tanto los aniones (carbonato, fluoruro, cloruro, etc.) como cationes (sodio, calcio, hierro, cobre, magnesio, etc.) presentes en la disolución. [76] Esto se consigue mediante un proceso de intercambio iónico denominada “desionización”. Se hace uso de resinas de intercambio iónico de fabricación especial cuya función es eliminar las sales ionizadas del agua. El agua circula a través de una columna rellena de dicha resina en la que se produce la sustitución de los iones presentes en el agua por grupos cargados (H+) presentes en la resina. Durante el proceso no se eliminan otros compuestos presentes en el agua como microorganismos, materia orgánica, etc. [76] [77] Los estándares de calidad para el Agua Purificada están fijados por distintas asociaciones internacionales de estandarización y normalización como son ASTM, ISO o BSI. La norma (ASTM) D1193-91 Sociedad Americana de Pruebas y Materiales Especificaciones estándar para el Agua de calidad de reactivo establece cuatro tipos de calidades en función de varios parámetros. La conductividad oscila entre 0,056 hasta 5 μS/cm. Por otro lado, la norma internacional ISO 3696:1996 para especificaciones de estandarización del agua para uso de laboratorio divide las calidades del agua purificada en tres grados. [78] 9.2.4. Etanol (CH3CH2OH) El etanol, conocido comúnmente como alcohol etílico, es un alcohol primario con fórmula química CH3CH2OH. Se trata de un compuesto orgánico volátil caracterizado por ser a temperatura ambiente (25ºC y 1 atm) un líquido incoloro, con olor a vino y sabor acre. [79] DOCUMENTO I. MEMORIA Página 52 de 113 Su producción a través de fermentación es conocida desde hace miles de años, referida a la producción de bebidas alcohólicas como vino o cerveza. La principal ruta sintética de obtención de etanol a nivel industrial fue desarrollada a mediados del siglo XX por Shell Chemical Company. En la actualidad, se producen un total de 58,3·106 toneladas de etanol (2009) de las cuales la mayor cantidad se producen en Estados Unidos. En la Figura 32 se presenta la evolución del precio durante el segundo trimestre del 2022. Figura 32. Evolución del precio del etanol. Fuente: [80] En la actualidad existen varias rutas para la producción de etanol sintético. La más importante es la hidratación catalítica de etileno a etanol, la cual se puede desarrollar de forma directa (en desuso) o de forma indirecta, mediante absorción de etileno en ácido sulfúrico concentrado. También existen otros procesos desarrollados recientemente para la producción de etanol. Parten de derivados del petróleo como es el caso de la conversión de gas de síntesis o la carbonilación de metanol a ácido acético y la posterior hidrogenación a etanol. [79] El etanol se emplea en el proceso en las columnas de adsorción T-201/T-202 como desorbente de otros compuestos minoritarios que hayan podido quedar adsorbidos en el adsorbente y que no han sido desorbidos en el proceso con agua desionizada debido a una mayor fuerza de enlace, logrando la regeneración del lecho adsorbente. Para el presente proyecto, se determina un precio de 654,21 €/t para etanol al 96% necesario, de acuerdo con [82]. Entre las numerosas características, algunas de las cuales se recogen en la Tabla 11, el etanol es miscible en todas sus proporciones en agua, éter, acetona y ciertos disolventes orgánicos y se caracteriza por ser un compuesto altamente inflamable por lo que hay que tener en cuenta su peligrosidad a la hora del almacenaje y manejo. Gracias a su reactividad es usado como materia prima para la obtención de compuestos como acetaldehído, ácido acético, etc. El etanol se emplea como disolvente, siendo el segundo más importante después del agua. No obstante, este producto tiene como su principal aplicación la de combustible, como aditivo para la gasolina. DOCUMENTO I. MEMORIA Página 53 de 113 Tabla 11. Propiedades físicas, químicas y termodinámicas del CH3CH2OH. Elaboración propia. Fuente: [79] [81] Propiedad Valor Peso molecular (g/mol) 46,07 Estado físico Líquido Densidad a 20°C (g/cm3) 0,79425 Presión de vapor a 25°C (Pa) 3.166,406 Punto de fusión (°C) -114,15 Punto de ebullición a 760 mm Hg (°C) 78,39 Viscosidad (Pa·s) 1,19·10-3 Cp entre 16-21°C (J/g·K) 2,415 Calor de vaporización a 100°C (kJ/kg) 799,05 9.2.5. Amoníaco (NH3) El amoníaco (NH3) es un gas incoloro a nivel atmosférico reconocido por un penetrante y característico olor. Actualmente es de los compuestos químicos más usados a nivel industrial gracias a la facilidad con la que se produce. Esto fue posible gracias HaberBosh, quien descubrió y desarrolló la primera síntesis química del amoníaco mediante la reacción entre oxígeno y nitrógeno gaseoso lo que permitió su producción a gran escala. En el proceso actual el amoníaco se introduce en una disolución al 20% en volumen en el precipitador. Permite la precipitación del siringaldehído gracias a un cambio en el pH de la disolución para así ser separado de la corriente de vainillina. En la Tabla 12, se recogen las características más importantes. Tabla 12. Propiedades físicas, químicas y termodinámicas del NH3 y de la disolución. Fuente: Elaboración propia. a partir de [83] [Ficha de seguridad NH3 (Archivo II)] Propiedad Valor Peso molecular NH3 puro (g/mol) 17,03 Estado físico Líquido Densidad a 0°C (g/cm3) 0,6386 Densidad relativa disolución 0,920 Cp (J/g·K) 4700 Calor de vaporización a 100°C (kJ/kg) 1370 9.3. Descripción química del proceso De acuerdo con la alternativa seleccionada para este proceso en el 6.4 Justificación de la alternativa seleccionada se produce la oxidación de lignina con aire enriquecido en O2. Se producen dos reacciones en paralelo originando vainillina (V) y siringaldehido (Sy) (Ecuaciones (1) y (3)). Como consecuencia de la atmósfera oxidante presente en le reacción, parte de la vainillina se degrada originándose una reacción en serie y se forma ácido vainillínico (VA). (Ecuación (2)). DOCUMENTO I. MEMORIA Página 54 de 113 En las dos reacciones de oxidación de lignina se forman compuestos X. [12] [84] [85] 0,51 𝑉+ 1,56 𝑂2→𝑉+ 6,5 𝑋 (1) 𝑉+ 0,5 𝑂2→𝑉𝐴 (2) 0,61 𝑉+ 1,56 𝑂2→𝑆𝑦+ 6,5 𝑋 (3) El oxígeno que reacciona es el disuelto en el líquido, es decir, la reacción tiene lugar únicamente en la fase líquida. Es por ello por lo que se debe tener en cuenta la solubilidad del oxígeno en la disolución de entrada al reactor; clave para obtener una alta conversión de lignina en los productos deseados. [86] Las condiciones de operación seleccionadas para optimizar la conversión y la selectividad hacia la reacción de obtención de lignina son de 10 bar de presión total y 160°C, con una presión parcial de oxígeno de 5 bar. Se explicarán detalladamente las condiciones de operación y todas las consideraciones tomadas en la etapa de reacción en el Anexo II. Cálculos justificativos. Parte A. La conversión obtenida, tanto para la oxidación de lignina como para la de vainillina se muestra en la Tabla 13. Las selectividades para cada reacción están expresadas en base a la cantidad de lignina inicial que entra al reactor. Tabla 13. Conversiones y selectividades obtenidas en el reactor R-101. Fuente: [Elaboración propia] Parámetro Valor Conversión lignina (%) 76,72 Conversión Vainillina (%) 31,10 Selectividad L-V (%), S1 60,10 Selectividad L-VA (%), S2 27,12 Selectividad L-Sy (%), S3 12,78 9.4. Descripción detallada del proceso En el presente apartado se realizará la descripción detallada de las secciones y de los equipos que forman parte de cada una de ellas. Se empleará para ello la nomenclatura de equipos y corrientes seguida en el PFD (diagramas 3 y 4) contenido en el Documento II. Planos de este proyecto. DOCUMENTO I. MEMORIA Página 61 de 113 9.5.2.2. Bomba P-202 A/B El objetivo de esta bomba centrífuga es elevar la presión de la corriente 25, de recirculación de lignina Kraft no despolimerizada a la sección 100, hasta una presión de 10 bar. Existen dos bombas del mismo tipo dispuestas en paralelo para asegurar la continuidad del proceso en caso de avería. 9.5.2.3. Bomba P-203 A/B Se encuentra en la corriente de entrada de agua desionizada hacia las columnas de adsorción (corriente 29). El objetivo es la elevación de la presión, desde presión atmosférica hasta 2,4 bar, a la que se realiza la entrada de corrientes en las columnas de adsorción T-201/T-202. Existen dos bombas del mismo tipo dispuestas en paralelo para asegurar la continuidad del proceso en caso de avería. 9.5.2.4. Bomba P-204 A/B El propósito de esta bomba es idéntico al de la bomba P-203 A/B, la elevación de presión hasta los 2,4 bar. Sin embargo, en este caso, será aplicada a la corriente 31 de alimentación de etanol al 96% a las columnas de adsorción T-201/T-202. Existen dos bombas del mismo tipo dispuestas en paralelo para asegurar la continuidad del proceso en caso de avería. 9.5.2.5. Columnas de adsorción T-201/T-202 El proceso de separación de productos mediante adsorción se realiza en dos columnas de adsorción idénticas dispuestas en paralelo, de tal manera que mientras una de las columnas opera en modo de adsorción, la otra lo hace en el modo de desorción. Esto se denomina como operación cíclica, con lo que se consigue que un proceso discontinuo como lo es la separación por adsorción, se convierta en un proceso continuo mediante la combinación de dos lechos. El proceso de adsorción comienza con la introducción de la corriente de alimentación de productos (corriente 28) por la parte superior de la columna a una presión y temperatura de 2,4 bar y 25°C. La columna cuenta con un relleno adsorbente de tipo polimérico (resina SP700) a la cual se adsorben los compuestos vainillina y siringaldehído, y quedan por tanto separados del resto de compuestos, que eluyen por la parte inferior de la columna para su correcta gestión fuera de los límites de batería a través de la corriente 33. El proceso de desorción se lleva a cabo empleando dos eluyentes. En el primer ciclo de desorción, cuya duración asciende a 1 hora, se introduce agua desionizada por la parte superior de la columna a 2,4 bar y 25°C. En este ciclo se desorben la vainillina y siringaldehído adsorbidos, saliendo dichos compuestos por la corriente 34 de productos hacia el siguiente proceso de separación. El siguiente ciclo de desorción se lleva a cabo empleando una disolución de etanol al 96%, en las mismas condiciones que el primer eluyente, y cuya duración asciende a 30 minutos. DOCUMENTO I. MEMORIA Página 62 de 113 El etanol permite la desorción de otros compuestos minoritarios que hayan podido quedar adsorbidos en el proceso, siendo extraídos del proceso por la corriente 33 de residuos. Con este procedimiento queda regenerado el lecho adsorbente y está preparado para llevar a cabo un nuevo ciclo de adsorción. Tal y como se ha mencionado anteriormente, la operación de adsorción se lleva a cabo durante un tiempo de 2,4 horas y los procesos de desorción durante 1 hora y 30 minutos para las etapas de desorción con agua desionizada y con etanol al 96%, respectivamente. Existe un tiempo ocioso en el que una de las columnas se encuentra en espera, lo cual es un fenómeno habitual en este tipo de procesos con el objetivo de no emplear cantidades innecesarias de fluido desorbente. Dicho tiempo de espera asciende a 0,9 horas, en las que el equipo está preparado para realizar un nuevo ciclo. El proceso y diseño de la columna de desorción que, como se ha explicado, estará duplicada en el proceso (T-201/T-202) se explicará en detalle en el Anexo II. Cálculos justificativos. Parte B. 9.5.2.6. Filtro F-201 A/B El filtro F-201 A/B es un equipo de ultrafiltración cuyo objetivo es la separación de los compuestos de alto peso molecular provenientes de la reacción de despolimerización de lignina Kraft. El equipo contiene una membrana de ultrafiltración de 1 kDa, compuesta por TiO2 con soporte cerámico. [88] El proceso de ultrafiltración tiene un alto impacto en la separación de los compuestos de alto peso molecular, logrando un rendimiento de separación del 97% de lignina, que será recirculada junto con un 25% del caudal de agua de entrada al equipo hacia la Sección 100. La corriente de salida (corriente 22) se dirige hacia la segunda etapa de filtración, a una presión y temperatura de 2,4 bar y 25°C, respectivamente. Se dispone de dos filtros idénticos dispuestos en paralelo con el objetivo de mantener la continuidad del proceso en caso de ensuciamiento excesivo o avería del equipo general de operación. [88] 9.5.2.7. Filtro F-202 A/B Se trata de un equipo de nanofiltración, encargado de realizar la segunda etapa de filtración para la separación de compuestos de alto peso molecular como la lignina no despolimerizada. Este equipo se compone de una membrana de filtración 600 Da de TiO2 con soporte cerámico. Opera en unas condiciones de presión y temperatura de 25°C y 30 bar, logrando una retención del 75% de lignina, la cual será recirculada a la Sección 100 junto con un 25% del flujo de entrada de agua a través de la corriente 24. Se dispone de dos filtros idénticos dispuestos en paralelo con el objetivo de mantener la continuidad del proceso en caso de ensuciamiento excesivo o avería del equipo general de operación. DOCUMENTO I. MEMORIA Página 63 de 113 9.5.2.8. Intercambiador de calor E-201 Este equipo tiene como principal objetivo la disminución de temperatura de la corriente 19, correspondiente con la salida de productos del reactor R-101. Se utiliza agua enfriada como fluido refrigerante, haciendo que la temperatura se reduzca de 160°C a 25°C. 9.5.2.9. Precipitador PR-201 Este equipo es el encargado de realizar la separación entre la vainillina y siringaldehído. Este proceso tiene lugar en unas condiciones de presión y temperatura de 1 bar y 25°C. Para llevar a cabo la precipitación del siringaldehído se adiciona NH3 al 20% a través de la corriente 36, con lo que se consigue la mencionada precipitación del compuesto, que será extraído del proceso a través de la corriente 37. La corriente acuosa de vainillina con amoníaco sale del equipo de precipitación (corriente 38) en unas condiciones de presión y temperatura de 1 bar y 25°C hacia la Sección 300. [52] 9.5.2.10. Tanque de almacenamiento V-201 En este equipo se almacena la corriente procedente de los equipos de filtración F-202 A/B con el objetivo de garantizar la continuidad del proceso. Para ello, proporciona un flujo constante y estable líquido hacia las columnas de adsorción T-201/T-202. El almacenamiento se realiza en unas condiciones de 25°C y 2,4 bar. 9.5.2.11. Tanque de almacenamiento V-202 En este equipo se almacena la corriente de productos procedente de la desorción con agua desionizada (corriente 34) a una temperatura de 25°C. Este tanque de almacenamiento resulta de vital importancia para la continuidad del proceso ya que, la adsorción que se lleva a cabo en las columnas T-201/T-202 es un proceso cíclico. Por ello, se almacena la cantidad de disolución que contiene los productos necesaria garantizar que el flujo hacia el precipitador PR-201 sea siempre continuo a través de la corriente 35. 9.5.3. Sección 300 En esta sección se lleva a cabo la purificación del producto de interés, Vainillina, logrando que alcance el 98% de pureza. Los equipos presentes en la Sección 300 se recogen en la Tabla 16. Tabla 16: Resumen de equipos en sección 300. Fuente:[Elaboración propia] Equipo Denominación Bomba P-301 A/B Spray dryer SD-301 DOCUMENTO I. MEMORIA Página 64 de 113 9.5.3.1. Bomba P-301 A/B Este equipo tiene el objetivo de impulsar la corriente de salida del precipitador, corriente 38, hacia el spray dryer. Para ello, realiza un aumento de presión hasta 1,03 bar. Existen dos equipos idénticos dispuestos en paralelo para asegurar la continuidad del proceso en caso de avería. 9.5.3.2. Spray dryer SD-301 En este equipo se realiza el proceso de purificación de vainillina, obteniendo un producto en polvo del 98% de pureza. Para ello, la corriente 39 de alimentación es pulverizada en el interior del equipo mientras se hace pasar una corriente de aire caliente seco, la cual provoca la separación del agua y amoníaco por evaporación. Se obtiene así un producto en polvo: vainillina de alta pureza. [89] 10. Estrategia de control del proceso Todo proceso químico está sometido a variaciones u oscilaciones en sus condiciones de operación. El proceso planteado en este proyecto no es una excepción, por lo que será necesario diseñar un sistema de control que ajuste las variables del proceso necesarias para contrarrestar dichas perturbaciones. En un problema de control, el comportamiento deseado del proceso se expresa en una serie de funciones matemáticas, con la que se analiza la evolución en el tiempo de ciertas variables del proceso, las cuales se clasifican de la siguiente forma. [90] • Variable controlada: Es la variable medida con un instrumento y la cual se requiere que mantenga un valor deseado denominado punto de consigna o set-point. • Variable perturbación: Afecta a las variables controladas y son externas al sistema de control. • Variable manipulada: Tiene como objetivo compensar las desviaciones producidas por el efecto de las variables perturbación. 10.1. Justificación de la selección de la estrategia de control Existen diversos tipos de sistemas de control dependiendo de su método de funcionamiento. Uno de los más usado en la industria es el lazo de realimentación o feed-back, el cual será empleado para el control de proceso por ser un sistema fácil de implementar y a la vez robusto y eficaz. [90] Ante una determinada perturbación en el proceso, el sistema de control de control debe garantizar que el proceso se mantenga dentro de los valores estipulados. DOCUMENTO I. MEMORIA Página 65 de 113 La actuación de este sistema se basa en el error resultante de la diferencia entre el valor de la variable medida y el valor del set-point. Debido al gran número de variables a controlar, este sistema hace uso de elementos esenciales para mantener el proceso bajo control. [90] En primer lugar, el lazo de control en un sistema de realimentación está formado por sensores o medidores. Son elementos primarios de medida, lo cuales recogen el valor de un fenómeno físico midiendo las variables controladas, de perturbación y variables secundarias. A continuación, los transmisores recogen la señal del sensor y la transforman, pasando de una señal estándar a una señal que pueda interpretar el controlador. [90] Habitualmente se emplean señales eléctricas, cuyo rango oscila entre 4-20 mA, y las de tipo neumático, cuyo rango oscila entre 3-15 psi, aunque también son comunes las señales de tipo digital. El controlador recogerá las señales de las variables medidas y las compara con el valor del set-point establecido. En base al análisis elabora una respuesta de salida, que será enviada al actuador. Este se encarga de modificar el valor de la variable manipulada en base a la señal recibida desde el controlador. [90] Figura 34: Sistema de control con lazo feedback. Fuente: [91] Cabe destacar que el sistema de control para el caso de las columnas de adsorción es diferente al lazo feed-back explicado anteriormente. Esto se debe a que en ambas columnas se desarrollan distintas etapas dentro del proceso global de separación por adsorción, o lo que es lo mismo, siguen un proceso cíclico, por lo que el control será de tipo discreto. La variable que se debe controlar en este caso es el tiempo durante el cual discurren los distintos fluidos a través de las columnas, lo que a su vez determina la etapa que se realiza en ese momento. Por tanto, será necesario el uso de un sistema de control más sofisticado, mediante un controlador lógico programable o PLC. Su nombre ya revela la principal ventaja de este tipo de controladores, y es que, a diferencia de los controladores PID, lo cuales están diseñados para realizar un solo tipo de control, el PLC puede ser programado para realizar casi cualquier tarea en base a las señales de entrada que reciba o en base a su programación como tal. Además, se trata de sistemas muy robustos y de alta fiabilidad, preparados para trabajar durante décadas sin reportar fallos. DOCUMENTO I. MEMORIA Página 66 de 113 Su versatilidad también está justificada, ya que, al poder ser programados, se pueden adaptar si a futuro el proceso así lo requiere. Su implementación como parte del sistema de control de las columnas de adsorción T-201/T-202 se analizará más adelante en el apartado 10.3.2. Sección 200. [92] 10.1.1. Algoritmo de control Los algoritmos empleados habitualmente para realizar el control son los de tipo proporcional (P), proporcional-integral (PI) y proporcional-integral-derivativo (PID). La selección del tipo de algoritmo se realizará en base a la variable a controlar y a las distintas características de cada tipo, las cuales se mencionan a continuación. Control proporcional (P) El parámetro de ajuste de la acción proporcional es la ganancia proporcional Kc. Este tipo de control no evita el error en régimen permanente, aunque este se vuelva menor a medida que el valor de Kc aumenta [90]. La actuación de este tipo de control se rige por la Ecuación (4). 𝑚(𝑡)=𝑚+𝐾𝑐∗𝑒(𝑡) (4) Siendo 𝑚 la señal de bías, 𝑚(𝑡) la señal de salida del controlador, 𝐾𝑐 ganancia del controlador y 𝑒(𝑡) el error. Control proporcional-integral (PI) Debido a que la respuesta del control no es capaz de eliminar el error de régimen permanente, se implementa la acción integral a este primer tipo de control. Con ello, se logra obtener una respuesta más rápida ante una perturbación, eliminando el error de offset. La actuación de este tipo de control se rige por la Ecuación (5). [90] 𝑚(𝑡)=𝑚+𝐾𝑐∗(𝑒(𝑡)+1 𝜏∫𝑒(𝑡)𝑑𝑡) (5) Siendo 𝜏 el tiempo integral, expresando en minutos. Control proporcional-integral-derivativo (PID) La introducción del tiempo derivativo (𝑇𝐷) logra que la respuesta que se da ante una perturbación sea más rápida que con un control PI. DOCUMENTO I. MEMORIA Página 67 de 113 Además, ante una fuerte perturbación el factor derivativo proporciona una respuesta con menor número de oscilaciones, lo cual hace que el control PID sea adecuado para procesos que puedan sufrir grandes variaciones, tales como la temperatura o presión. La actuación de este tipo de control se rige por la siguiente Ecuación (6). [90] 𝑚(𝑡)=𝑚+𝐾𝑐∗(𝑒(𝑡)+1 𝜏∫𝑒(𝑡)𝑑𝑡+𝑇𝐷𝑑𝑒(𝑡) 𝑑𝑡 ) (6) Una vez analizados los distintos algoritmos de control se concluye que en los controladores del proceso para caudal, presión y nivel se empleará uno de tipo proporcional-integral, PI. Por otro lado, la variable temperatura suele estar sujeta a variaciones más bruscas, por lo que se empleará uno de tipo PID debido a las ventajas que aporta sobre el PI. [90] 10.2. Nomenclatura y simbología empleada El análisis y diseño del sistema de control del presente proceso se realizará siguiendo una seria de nomenclatura y simbología con el fin de facilitar el entendimiento de los distintos lazos de control y sus características. En la Tabla 17 se recoge el significado de cada símbolo. Tabla 17: Nomenclatura de control. Fuente: [93] Letra 1ª Posición Otras posiciones A Análisis Alarma C - Control D Diferencial - F Caudal - H Manual Alto I Intensidad Indicador L Nivel Bajo P Presión/Vacío - S Velocidad Seguridad T Temperatura Transmisor V - Válvula Y Presencia Conversor En la Figura 35, se muestra la simbología sobre la ubicación de los elementos de control ubicados en la planta. DOCUMENTO I. MEMORIA Página 68 de 113 Figura 35: Simbología ubicación de los elementos de control. Fuente: [94] En la Figura 36 se muestra la simbología de las conexiones de los distintos elementos de control. Figura 36: Simbología conexiones de los elementos de control. Fuente: [94] 10.3. Variables de control del proceso En este punto se analizarán las variables de control del proceso, así como las variables manipuladas con el objetivo de contrarrestar los efectos de las posibles perturbaciones. En el análisis se han priorizado las variables que garantizan que el proceso se realice bajo las condiciones necesarias, establecidas por diseño. 10.3.1. Sección 100 En la Tabla 18 se muestran los distintos objetivos de control y variables manipuladas, relativos a la Sección 100 de acondicionamiento de materias primas y reacción. DOCUMENTO I. MEMORIA Página 69 de 113 Tabla 18: Variables controladas y manipuladas en la Sección 100. Fuente: [Elaboración propia] Variable controlada Variable manipulada Nivel de líquido en el tanque de mezcla TM-101 Caudal efluente del tanque de mezcla Caudal de fluido efluente de P-101 A/B hacia el intercambiador E-101 Flujo de salida de la bomba P-101 A/B Presión de salida del compresor C-101 A/B Flujo de aire efluente del compresor C-101 A/B Presión de salida del compresor C-102 A/B Flujo de aire efluente del compresor C-102 A/B Temperatura de salida de la corriente de gas enriquecido del intercambiador E-103 Caudal de fluido refrigerante a través del intercambiador E-103 Temperatura en el interior del reactor R-101 Caudal de fluido refrigerante a través del intercambiador E-101 Temperatura de entrada al reactor R-101 Caudal de vapor de media presión a través del intercambiador E-102 Presión en el interior del reactor R-101 Caudal de entrada de gas enriquecido a la entrada del reactor R-101 Nivel de líquido en el interior del reactor R101 Caudal de la corriente de productos a la salida del reactor R-101 10.3.1.1. Descripción de los lazos de control Se procederá a la realización de la descripción de los lazos de control pertenecientes a la Sección 100, en base a los objetivos de control descritos anteriormente en la Tabla 18. • Lazo de control LIC-101 El principal objetivo de este lazo es el control del nivel de líquido en el tanque de mezcla TM-101. Para llevar a cabo dicho cometido, el transmisor de nivel LT-101 situado en el tanque envía una señal de tipo eléctrica al controlador e indicador de nivel LIC-101. Este elaborará una respuesta en función del punto de consigna o set-point configurado para ello, la cual será enviada como señal eléctrica al transductor LY-101, que convertirá dicha señal eléctrica en una señal de tipo neumática para el accionamiento de la válvula de control de flujo LV-101, situada a la salida del tanque de mezcla. • Lazo de control FIC-101 El principal objetivo de este lazo es el control de caudal de fluido proveniente del tanque de mezcla TM-101, hacia intercambiador E-101, garantizando que este sea estable y continuo. Para llevar a cabo dicha acción, el transmisor de flujo FT-101 envía una señal eléctrica con la información relativa al flujo al controlador e indicador de flujo FIC-101. DOCUMENTO I. MEMORIA Página 70 de 113 En función de la información entrante, elaborará una respuesta en forma de señal eléctrica al transductor FY-101 de la válvula de control de flujo FV-101 en base al valor de consigna estipulado, cuyo accionamiento se realizará en base a la señal neumática de entrada. • Lazo de control PIC-101 Este lazo tiene como objetivo el control de la presión de salida del compresor C-101 A/B de la corriente de aire fresca al proceso establecido a 3 bar, para lo cual, se regulará el flujo de aire. El medidor de presión PT-101 transmite en forma de señal eléctrica la información sobre la presión de salida del compresor al controlador e indicador de presión PIC-101. Este emitirá una señal de respuesta de tipo eléctrico hacia el transductor PY101 de la válvula de control PV-101, cuyo accionamiento permitirá la regulación del flujo de aire. • Lazo de control PIC-102 Del mismo modo que en lazo de control PIC-101, el objetivo de este lazo es el control de la presión del aire enriquecido en O2, 10 bar, a su salida del compresor multietapa C-102 A/B. Se emplea un medidor de presión PT-102 para la transmisión de la información sobre dicha variable en forma de señal eléctrica al controlador e indicador de presión PIC-102, el cual enviará una señal eléctrica de respuesta en base al valor de consigna establecido al transductor PY-102 de la válvula de control PV-102. • Lazo de control TIC-101 El objetivo de este lazo es el control de la temperatura de la corriente de aire enriquecido en O2, proveniente del C-102 A/B en dirección a la de entrada al reactor R-101, asegurándose de que se realice a 160°C. Para ello, un medidor y transmisor de temperatura TT-101 envía una señal eléctrica con la información sobre la temperatura de la corriente 14 al controlador e indicador de temperatura TIC-101. Este elabora una respuesta en función del set-point, que será enviada en forma de señal eléctrica. Dicha señal eléctrica será convertida a señal neumática por medio del transductor TY-101, cuya señal de salida es transmitida al actuador de la válvula de control de flujo de vapor de media presión TV-101, regulando el caudal de vapor al intercambiador E-103. • Lazo de control TIC-102 El objetivo de este lazo es el control de la temperatura en el interior del reactor, hecho que se considera fundamental debido a que la temperatura a la que se lleva a cabo la reacción ascienda a 160°C y esta es de tipo exotérmico. Para ello, el medidor y transmisor TT-102 realizará una medición de la temperatura en la parte superior del equipo y transmitirá la información en forma de señal eléctrica al controlador e indicador de temperatura TIC-102. DOCUMENTO I. MEMORIA Página 77 de 113 Sección 200 PSV-201 Válvula de alivio del intercambiador de calor E-201 PSV-202 A/B Válvula de alivio filtro F-201 A/B PSV-203 A/B Válvula de alivio filtro F-202 A/B PSV-204 Válvula de alivio tanque V-201 PSV-205 Válvula de alivio columna de adsorción T-201 PSV-206 Válvula de alivio columna de adsorción T-202 PSV-207 Válvula de alivio tanque V-202 PSV-208 Válvula de alivio precipitador PR-201 Sección 300 PSV-301 Válvula de alivio del spray dryer SD-301 10.5. Alarmas e indicadores A continuación, en la Tabla 23 y Tabla 24 se recogen los distintos indicadores y alarmas implantadas en los equipos de proceso. Tabla 23: Sistemas de alarma en los equipos de proceso. Fuente: [Elaboración propia] Equipo Alarmas Descripción TM-101 LAL-101/LAH-101 Alarmas de bajo y alto nivel de líquido F-101 A/B PAH-101A/PAH-101B Alarma por alta presión R-101 PAH-102 Alarma por alta presión R-101 TAH-101 Alarma por alta temperatura F-201 A/B PAH-201A/PAH-201B Alarma por alta presión F-202A/B PAH-202A/PAH-202B Alarma por alta presión V-201 LAL-201/LAH-201 Alarmas de bajo y alto nivel de líquido T-201 PAH-203 Alarma por alta presión T-202 PAH-204 Alarma por alta presión V-202 LAL-202/LAH-202 Alarmas de bajo y alto nivel de líquido PR-201 LAL-203/LAH-203 Alarmas de bajo y alto nivel de líquido SD-301 TAH-301 Alarma por alta temperatura DOCUMENTO I. MEMORIA Página 78 de 113 Tabla 24: Sistemas de indicación de los equipos de proceso. Fuente: [Elaboración propia] Equipo Indicador Descripción P-101 A/B PI-101A/PI-101B Indicador presión en P-101 A/B C-101 A/B PI-102A/PI-102B Indicador presión en C-101 A/B F-101 A/B PI-103A/PI-103B Indicador de presión en F-101 A/B C-102 A/B PI-104A/PI-104B Indicador de presión en C-102 A/B F-201 A/B PI-201A/PI-202B Indicador de presión en F-201A/B P-201 A/B PI-202A/PI-202B Indicador presión en P-201 A/B F-202 A/B PI-203A/PI-203B Indicador de presión en F-202 A/B P-202 A/B PI-204A/PI-204B Indicador presión en P-202 A/B P-203 A/B PI-205A/PI-205B Indicador presión en P-203 A/B P-204 A/B PI-206A/PI-206B Indicador presión en P-204 A/B P-301 A/B PI-301A/PI-301B Indicador presión en P-301 A/B SD-301 TI-301 Indicador de temperatura en SD-301 11. Seguridad en la instalación 11.1. Introducción Desde mediados del siglo pasado, se ha producido un desarrollo tecnológico muy importante, con el objetivo de aumentar la seguridad en los procesos químicos; hasta el punto de que, en la actualidad, la seguridad y prevención tiene la misma importancia que la propia producción del proceso. El concepto de seguridad ha evolucionado desde estrategias para la prevención de accidentes basadas únicamente en la protección de los trabajadores; hasta un enfoque basado en la prevención de riesgos (diseño de las instalaciones, condiciones de operación óptimas, etc.), para disminuir el riesgo de un posible accidente. [33] En concreto en la industria química, los procesos de fabricación en plantas químicas son especialmente peligrosos. No sólo están presentes peligros propios de toda planta de fabricación (p.ej. peligros mecánicos que puedan provocar lesiones sobre los trabajadores), sino que surgen otros peligros adicionales: aquellos derivados del uso, almacenaje y manipulación de los productos químicos utilizados en el proceso o las propias condiciones de operación (Altas presiones, química más complicada, etc.). [95] Con el objetivo de adoptar todas las medidas necesarias para garantizar la seguridad y reducir al mínimo todos los riesgos posibles, en este apartado se llevará a cabo un estudio de seguridad dividido en puntos clave explicados a continuación. Para tener en cuenta los Compuestos X presentes en el sistema, se considera la acetovainillona como compuesto representativo de dicho grupo. DOCUMENTO I. MEMORIA Página 79 de 113 Esta suposición se realiza en base a lo indicado en el apartado 9.1.3 Compuestos equivalentes (X) y justificación. de la memoria descriptiva, al ser uno de los compuestos en mayor proporción dentro de los Compuestos X. 11.2. Ámbito jurídico: Normativa actual Se presenta la legislación aplicable sobre las instalaciones en medida de seguridad industrial y prevención; recogida en los Real Decreto y Reglamentos. • El Real Decreto 656/2017 del 23 de junio (BOE-A-2017-8755), a través del cual se aprueba el Reglamento de Almacenamiento de Productos Químicos y sus Instrucciones Técnicas Complementarias MIE APQ 0 a 10. • El Real Decreto 840/2015 del 21 de septiembre (BOE-A-2015-11268), por el que se aprueban medidas de control de los riesgos inherentes a los accidentes graves en los que intervengan sustancias peligrosas. También se conoce como Seveso III. • El Real Decreto 108/2016 del 18 de marzo (BOE-A-2016-2827), por el que se establecen los requisitos esenciales de seguridad para la comercialización de los recipientes a presión simples. • El Real Decreto 2060/2008 del 12 de diciembre (BOE-A-2009-1964), por el que se aprueba el Reglamento de equipos a presión y sus instrucciones técnicas complementarias. • El Real Decreto 709/2015 del 24 de julio (BOE-A-2015-9527), por el que se establecen los requisitos esenciales de seguridad para la comercialización de los equipos a presión. • El Real Decreto 513/2017, de 22 de mayo (BOE-A-2017-6606), por el que se aprueba el Reglamento de instalaciones de protección contra incendios. • El Reglamento (CE) nº 1272/2008 del Parlamento Europeo y del Consejo, de 16 de diciembre de 2008, sobre clasificación, etiquetado y envasado de sustancias y mezclas, y por el que se modifican y derogan las Directivas 67/548/CEE y 1999/45/CE y se modifica el Reglamento (CE) nº 1907/2006. • El Reglamento (CE) nº 1907/2006 del Parlamento Europeo y del Consejo, de 18 de diciembre de 2006, relativo al registro, la evaluación, la autorización y la restricción de las sustancias y preparados químicos (REACH), por el que se crea la Agencia Europea de Sustancias y Preparados Químicos, se modifica la Directiva 1999/45/CE y se derogan el Reglamento (CEE) nº 793/93 del Consejo y el Reglamento (CE) nº 1488/94 de la Comisión así como la Directiva 76/769/CEE del Consejo y las Directivas 91/155/CEE, 93/67/CEE, 93/105/CE y 2000/21/CE de la Comisión. DOCUMENTO I. MEMORIA Página 80 de 113 11.3. Inventario de sustancias Se elabora un inventario con las sustancias presentes en el proceso de obtención de vainillina. Para ello, se hace uso de las fichas de datos seguridad de cada sustancia. Estas deben estar elaboradas en base a lo indicado en el Anexo II del Reglamento (CE) nº 1907/2006 (también conocido como Reglamento REACH). Las fichas de seguridad deben estar divididas en dieciséis secciones de conformidad con el artículo 31, apartado 6. La sección 2 se corresponde con la Identificación de los peligros que presenta la sustancia o la mezcla, así como la información cautelar adecuada asociada a esos peligros. En este proyecto las fichas de seguridad se pueden encontrar en el Archivo II, Anexo V. [96] En la Tabla 25, se recogen las propiedades más importantes para la seguridad de la planta, para cada uno de los compuestos. Previamente, para la total comprensión de los datos presentados, se introduce una breve definición de dichas propiedades en base a la bibliografía. [95] [97] • Punto de inflamabilidad (“Punto Flash”): Temperatura mínima a la cual una sustancia emana suficiente vapor para formar una mezcla susceptible de ser inflamable en el aire. A dicha temperatura y en presencia de una fuente de ignición, el vapor se inflama, pero de forma momentánea. De forma general el punto flash aumenta con la presión. • Temperatura de autoignición: Temperatura mínima por encima de la cual, un elemento arde espontáneamente y de manera autosostenida en contacto con el aire sin necesidad de una fuente de ignición exterior. • Límites de inflamabilidad: Mezclas vapor-aire que entran en ignición únicamente dentro de unos rangos de composición determinados. Es decir, establecen la concentración más baja (Límite inferior) y más alta (Límite superior) de concentración de vapor o gas (% volumen) en el aire, que provoca un incendio flash en presencia de una fuente de ignición. DOCUMENTO I. MEMORIA Página 81 de 113 Tabla 25: Propiedades relativas a la seguridad para el inventario de sustancias. Fuente: Elaboración propia a partir de [Fichas de seguridad de cada compuesto]. Compuesto Punto de inflamabilidad (°C) Temperatura de autoignición (°C) Límite inferior (vol%) Límite superior (vol%) Lignina - - - - Oxígeno Líquido No inflamable No inflamable No inflamable NaOH - - - - Agua No inflamable - - - Nitrógeno - - - - Vainillina 159,8 – 160,8 >400 - - Ácido Vainillínico - - - - Siringaldehído - - - - Acetovainillona - - - - Etanol 12 455 3,1 27,7 Amoníaco - - - - La mayoría de los compuestos presentes en el proceso no disponen de datos disponibles. Esto puede dar pie a deducir que no tiene gran interés determinar estos valores al tratarse de sustancias poco reactivas o peligrosas. Únicamente en el caso del etanol sí que es necesario tener en cuenta su posible peligrosidad. 11.4. Clasificación de acuerdo con el Reglamento CLP El Reglamento (CE) nº 1272/2008 del Parlamento Europeo y del Consejo, de 16 de diciembre de 2008, sobre clasificación, etiquetado y envasado de sustancias y mezclas; es conocido como Reglamento CLP (“Classification, Labelling and Packaging”). El Reglamento CLP presenta como características generales un nuevo sistema de clasificación de la peligrosidad de las sustancias y de las mezclas de sustancias. También especifica como se debe ser el correcto etiquetado de los envases en los que se comercializan las sustancias. [98] Los peligros asociados a cada una de las sustancias se dividen en tres grandes grupos: Peligros físicos, peligros para la salud y peligros para el medio ambiente. Este documento también recoge los pictogramas usados para recoger gráficamente la información sobre el peligro en cuestión. Por último, cada uno de los peligros lleva asociada una indicación de peligro, describiendo la naturaleza de este. [98] En la Tabla 26, se recogen las frases H (frases de peligro) de este proceso junto con su indicación de peligro correspondiente. DOCUMENTO I. MEMORIA Página 82 de 113 Tabla 26: Leyenda con las frases y sus correspondientes indicaciones de peligro. Fuente: Elaboración propia. a partir de [98] Frase Indicación de peligro H225 Líquido y vapores muy inflamables H270 Puede provocar o agravar un incendio; comburente H280 Contiene gas a presión; peligro de explosión en caso de calentamiento. H290 Puede ser corrosivo para los metales H302 Nocivo en caso de ingestión H314 Provoca quemaduras graves en la piel y lesiones oculares graves H315 Provoca Irritación cutánea H318 Provoca lesiones oculares graves H319 Provoca irritación ocular grave H335 Puede irritar las vías respiratorias En la Tabla 27 se realiza la clasificación de las sustancias recogidas en el inventario de sustancias de acuerdo con las categorías de peligro en las que están incluidas. Se proporciona el pictograma que debe llevar la etiqueta del envase para su comercialización. Tabla 27: Clasificación de acuerdo con el Reglamento CLP. Fuente: Elaboración propia a partir de [Fichas de seguridad de cada compuesto] Sustancia (CAS) Clase de peligro Categoría de peligro Frase Pictograma Lignina (8068-05-1) No es una sustancia o mezcla peligrosa de acuerdo con el Reglamento (CE) No. 1272/2008 Oxígeno (7782-44-7) Gases Comburentes 1 H270 Gases a presión 4 H280 NaOH (1310-73-2) Corrosivos para los metales 1 H290 Corrosión cutánea 1A H314 Lesiones oculares graves 1 H318 Agua (7732-18-5) No es una sustancia o mezcla peligrosa de acuerdo con el Reglamento (CE) No. 1272/2008 Nitrógeno (7727-37-9) Gases a presión (Gas comprimido) H280 Vainillina (121-33-5) Irritación ocular 2 H319 DOCUMENTO I. MEMORIA Página 83 de 113 Sustancia (CAS) Clase de peligro Categoría de peligro Frase Pictograma Ácido Vainillínico (121-34-6) No es una sustancia o mezcla peligrosa de acuerdo con el Reglamento (CE) No. 1272/2008 Siringaldehído (134-96-3) Toxicidad agua, Oral 4 H302 Irritación cutánea 2 H315 Irritación ocular 2 H319 Toxicidad específica -exposición única 3 H335 Acetovainillona Irritación cutánea 2 H315 Irritación ocular 2 H319 Toxicidad específica -exposición única 3 H335 Etanol Líquidos inflamables 2 H225 Lesiones oculares graves o irritación ocular 1 H318 Amoníaco Corrosión o irritación cutáneas 1B H314 Lesiones oculares graves 1 H318 Toxicidad específica -exposición única 3 H335 Bibliografía de los símbolos: [99] 11.5. Clasificación de la instalación según la Normativa Seveso. La clasificación de la instalación se hace en función del Real Decreto 840/2015 del 21 de septiembre (BOE-A-2015-11268), por el que se aprueban medidas de control de los riesgos inherentes a los accidentes graves en los que intervengan sustancias peligrosas. También conocido como Seveso III. El Anexo I parte 1 de esta norma establece la definición de categorías y cantidades umbrales, dividiendo las instalaciones en nivel superior y nivel inferior. El Anexo II da un listado con sustancias nominadas con cantidades umbrales específicas. [100] DOCUMENTO I. MEMORIA Página 84 de 113 • Establecimiento de nivel inferior: un establecimiento en el que haya presentes sustancias peligrosas en cantidades iguales o superiores a las especificadas en la columna 2 de la parte 1 o de la parte 2 del anexo I, pero inferiores a las cantidades especificadas en la columna 3 de la parte 1 o de la parte 2 del anexo I. Todo ello empleando, cuando sea aplicable, la regla de la suma de la nota 4 del anexo I. (BOE-A-2015-11268) • Establecimiento de nivel superior: un establecimiento en el que haya presentes sustancias peligrosas en cantidades iguales o superiores a las especificadas en la columna 3 de la parte 1 o de la parte 2 del anexo I. Todo ello empleando, cuando sea aplicable, la regla de la suma de la nota 4 del anexo I. (BOE-A-2015-11268). Para realizar la clasificación se siguen los siguientes pasos: Se comprueba en el Anexo I parte I, con la clasificación CLP, si cada una de las sustancias está afectada por la normativa Seveso. En la parte II del mismo anexo se comprueba si la sustancia está nominada. En el caso de que sí, se toman los umbrales establecidos en el anexo I parte II mientras que si no está nominada se toman los del Anexo I parte I. A continuación, se determina la afectación del establecimiento para la cual se tiene en cuenta la cantidad almacenada de cada sustancia y los valores de los umbrales seleccionados anteriormente: • Una de las sustancias supere el valor del umbral superior: se clasifica la instalación como un establecimiento de nivel superior. • No se supera el umbral superior, pero si el inferior por parte de alguna sustancia: Se realiza la regla de la suma con los umbrales superiores para cada uno de los peligros (H, P, E). Si la regla de la suma es superior a 1 el establecimiento pasa a ser de nivel superior. Si el valor es inferior, la afectación es de nivel inferior. • No se supera el umbral inferior: Se aplica la regla de la suma para umbrales inferiores. Si el valor obtenido es superior a 1, el establecimiento es de nivel inferior; si es inferior a 1, no está afectado por Seveso. Se considera el almacenamiento de las materias primas durante un periodo de tres días y para los compuestos: lignina, NaOH, etanol, amoníaco, agua. Los resultados se presentan en la Tabla 28. DOCUMENTO I. MEMORIA Página 85 de 113 Tabla 28. Clasificación de cada sustancia según la normativa SEVESO. Fuente: [Elaboración propia] Almacenamiento (ton) Clasificación seveso H P E O Nominado (anexo I parte II) Columna 2 Columna 3 Aplica Lignina 121,12 No presenta - - - - - - - - NaOH (50%) 218,71 No presenta - - - - - - - - Agua 1253,48 No presenta - - - - - - - - Etanol (20%) 1241,41 P5a - X - - NO 10 50 Nivel superior Amoníaco 122,57 No presenta - - - - - - - - Como el etanol no se encuentra en la lista de sustancias en la parte II del Anexo I, se toman como umbral inferior y superior las columnas 2 y 3 de la parte I de dicho anexo. El almacenamiento de etanol se encuentra por encima del umbral superior (columna 3). Por lo tanto, la instalación se clasifica como establecimiento de nivel superior de acuerdo con la normativa Seveso III. Esto implica el cumplimiento de lo establecido en el Real Decreto 840/2015 y presentar toda la documentación e información detalladas en el Anexo III del mismo. 11.6. Clasificación NFPA de las sustancias. La Asociación Nacional de Protección contra Incendios (en inglés: The National Fire Protection Association, NFPA), es una organización global fundada en 1896 cuyo objetivo es eliminar las muertes, lesiones y pérdidas económicas provocadas por los incendios y peligros eléctricos y relacionados. [101] Dentro de los aproximadamente 300 códigos y normas de consenso, investigación, capacitación, etc. que proporciona la NFPA, se hará uso de la norma NFPA 704, para la identificación de peligros en sustancias. Se trata de un sistema sencillo en el cual a cada sustancia se le identifican cuatro tipos de peligros: A cada peligro se le asigna un color, y se escala cada color en función de la gravedad del peligro. [101] Para la identificación de los peligros se hace uso de una figura en forma de rombo denominado diamante de fuego (Diamond Fire). Está dividido en cuatro partes con cuatro colores distintos tal y como se puede observar en la Figura 37. DOCUMENTO I. MEMORIA Página 86 de 113 Figura 37: Diamante de fuego norma NFPA 704. Fuente: [102] El rojo se corresponde con los riesgos de inflamabilidad, el azul con los peligros para la salud, el amarillo con los riesgos de reactividad y el blanco está destinado a riesgos específicos. Cada uno de los colores se divide en cuatro niveles en función de la gravedad. [101] Se proporciona la clasificación NFPA para cada una de las sustancias presentes en el proceso de producción de vainillina en la Tabla 29. Tabla 29: Clasificación NFPA 704 de las sustancias del proceso. Fuente: [103] [104] Sustancia (CAS) Clasificación NFPA 704 Lignina (8068-05-1) No presenta Oxígeno (7782-44-7) NaOH (1310-73-2) Agua (7732-18-5) No presenta Nitrógeno (7727-37-9) No presenta Vainillina (121-33-5) No presenta Ácido Vainillínico (121-34-6) Siringaldehído (134-96-3) No presenta Acetovainillona (498-02-2) DOCUMENTO I. MEMORIA Página 93 de 113 Se debe seleccionar la penalización adecuada considerando las condiciones más peligrosas que pueden dar lugar durante la normal operación del equipo (se tienen en cuenta condiciones de operación, los compuestos implicados…). Hay que considerar que no todos los supuestos tienen por qué aplicar. [106] 11.9.1. Selección de la unidad del proceso pertinente En un primer lugar, se debe determinar que unidad de todo el proceso debe ser seleccionada para calcular el Índice DOW. El equipo escogido debe ser aquel que pueda impactar el proceso en referencia a la seguridad y a la prevención de riesgos. Atendiendo a estos criterios, se decide determinar el Índice DOW en base al reactor R-101. Se trata de la unidad más importante del proceso al mismo tiempo que presenta las condiciones de operación más susceptibles de provocar un accidente. [106] 11.9.2. Factor del material (FM) En la guía “Índice de Incendio y Explosión: Guía para la clasificación de Riesgos” (traducción al castellano del original), en el Apéndice A hay un listado de los factores de material para una serie de compuestos. Para este proyecto, ninguno de los compuestos que intervienen se encuentra en la lista, por lo que se procede a calcular una estimación del factor del material mediante la Tabla 1. Se hace uso de los ratios de inflamabilidad y reactividad para cada sustancia proporcionados por la norma NFPA 704 explicada en el apartado 11.6 Clasificación NFPA de las sustancias. En la Tabla 34 se recogen los factores de inflamabilidad y reactividad para cada sustancia, y el respectivo factor de material para cada una de ellas hallado a partir de la Tabla 1 de la guía. Tabla 34. Factor del material (FM) para cada una de las sustancias presentes en el reactor. Fuente: Elaboración propia a partir de [106] Sustancia NF NR FM Lignina, Vainillina, Siringaldehído, H2O No presenta - Ácido Vainillínico 1 1 14 Mezcla O2-N2 (aire) 0 0 1 NaOH 0 1 14 De acuerdo con lo indicado en el apéndice B, para mezclas se debe hacer un promedio basado en el porcentaje que representa cada compuesto. Al tratarse de una mezcla reaccionante, sebe seleccionar el compuesto con el FM más alto, siempre que represente más de un 5% de la composición de la mezcla. Para este proceso el NaOH presenta el de mayor porcentaje en la mezcla, por lo que se selecciona como compuesto base para el FM. DOCUMENTO I. MEMORIA Página 94 de 113 11.9.3. Factor de peligros generales del proceso (F1) Se analizan seis factores que pueden contribuir al riesgo y se determina su penalización correspondiente: A. Reacciones químicas exotérmicas. La oxidación de lignina a Vainillina y Siringaldehído, junto con la degradación de Vainillina a Ácido Vainillínico, son reacciones exotérmicas que tienen lugar en el reactor por lo que este factor ha de ser tenido en cuenta. La reacción principal es una oxidación por lo que la penalización es de 0,5. B. Reacciones endotérmicas. No hay ninguna reacción endotérmica en el reactor R101 por lo que este factor no aplica. C. Manipulación de materiales y transferencia. Dentro del reactor no se opera de forma manual con ninguno de los compuestos. La operación es en estado estacionario, es decir, continuo; por lo que no se producen cargas ni descargas en el reactor. Este factor no aplica penalización. D. Unidades de proceso en estancias cerradas o interiores. Se entiende como zona cerrada cualquier área cubierta con tres o más paredes o un área sin techo con muros en todos sus lados. El reactor se encuentra al aire libre por lo que no aplica. E. Accesos. Hay disponibles más de dos accesos a la unidad de proceso por lo que no penaliza. F. Drenado y control de derrames. En el diseño del reactor R-101 en este proyecto, no se especifica ni se diseña el sistema de drenaje apropiado para la unidad. No obstante, sí que se contempla la necesidad de disponer de un sistema de control de derrames. Aun así, en base a lo indicado en las condiciones del factor, no penaliza. El valor del factor de riesgos generales del proceso F1=1,5. 11.9.4. Factor de peligros especiales de proceso (F2) Se analizan doce factores en los que se consideran las condiciones específicas del proceso que representan por sí mismos una mayor causa de explosión. A. Materiales tóxicos. Se multiplica el factor de salud de la clasificación NFPA 704 (NH) por 0,2. En este caso se trata de una mezcla por lo que se usa el del compuesto que presente el mayor valor. Se trata del NaOH o el O2 con un valor de 3. Por lo tanto, la penalización es de 0,6. B. Presión subatmosférica. La presión de operación es de 10 bar por lo que no aplica penalización. C. Operación en el rango o cerca del rango de inflamabilidad. Uno de los reactivos es oxígeno y nitrógeno por lo que siempre se está en presencia de aire. No obstante, no hay datos de los rangos de inflamabilidad de los compuestos que entran al reactor. Como el sistema está dispuesto de una purga para evitar la acumulación de inertes y mantener los rangos de concentración de O2 constantes en el reactor, se considera una penalización de 0,3 de acuerdo con la bibliografía. DOCUMENTO I. MEMORIA Página 95 de 113 D. Explosión de polvo. No se trabaja con polvo por lo que no penaliza. E. Presión. Se trabaja a presión superior a la atmosférica por lo que se debe aplicar este factor. Se considera presión de tarado de la válvula de alivio situada en el reactor un 5% superior a la presión de operación. Por lo tanto, la presión es de 10,5 bar = 9,5 bar manométricos = 137,79 psig. Se hace uso de la Tabla 2 de la página 23 de la guía en la que se relaciona la presión manométrica de tarado de la válvula de alivio y su penalización (Figura 40). Figura 40. Penalización correspondiente a cada presión manométrica de tarado de la válvula de alivio. Fuente: [106] La penalización hallada para la presión manométrica de operación (9 bar = 130,53 psig) es de 0,35. Al operar con gases comprimidos (alimentación de oxígeno y nitrógeno al reactor) se multiplica por 1,2 por lo que se obtiene una penalización de 0,42. Para la presión de alivio se obtiene de la gráfica un valor de 0,37. Por lo tanto, la penalización final es el resultado de: 0,42∙0,35 0,37=0,4 F. Temperatura baja. Pretende reflejar la posible fragilidad del acero carbono si está expuesto a temperaturas por debajo de su punto de transición. Como no se trabaja a temperaturas bajas no aplica penalización. G. Cantidad de material inflamable/inestable. Se penaliza en función de la cantidad de material inflamable expuesta sobre un área adicional. Se divide en tres categorías y la penalización se aplica una única vez para la sección y debe ser basada en el material seleccionado para el FM. DOCUMENTO I. MEMORIA Página 96 de 113 Se escoge la sección de líquidos y gases en el proceso. El material en el que se basa el factor del material, FM es el NaOH en disolución. Se trata de un compuesto no inflamable que no entra en ninguno de los supuestos descritos en la bibliografía, por lo que no aplica penalización. H. Corrosión y erosión. Tal y como se contempla en el Anexo II. Apartado 14. Diseño mecánico del reactor R-101, se considera el factor de corrosión de 0,4 debido al pH muy básico de la disolución por lo que se le aplica una penalización de 0,2. I. Fugas uniones y empaquetaduras. Para el diseño mecánico del reactor se ha considerado un factor de eficacia de soldadura de un 100% por lo que no se pueden producir ningún tipo de fuga. No penaliza. J. Equipamiento calefactor. No se usan equipos que aporten calor en el reactor. La reacción es muy exotérmica y necesita refrigeración. No aplica. K. Sistemas de intercambio de calor con aceite térmico. No aplica debido a que no se emplea aceite térmico como fluido de intercambio de calor. L. Equipos de rotación. No se tiene en cuenta penalización ya que no se emplean este tipo de equipos. El valor obtenido para los peligros especiales de proceso F2=2,5. 11.9.5. Factor de peligro de la unidad de proceso (F3) El factor de riesgo de la unidad del proceso es el resultado del producto del factor de riesgos generales del proceso (F1) por el factor de riesgos especiales del proceso (F2). El resultado es de F3=3,75. 11.9.6. Determinación del índice DOW. El índice DOW (F&EI) es el resultado de multiplicar el factor de peligro de la unidad de proceso (F3) por el factor del material (FM). En función del valor obtenido, se determina el peligro de la unidad del proceso, en este caso el reactor R-101. Los rangos de peligro establecidos se recogen en la siguiente Tabla 35: Tabla 35. Grado de peligro según el índice de fuego y explosión DOW. Fuente: [106] Grado de peligro para el índice DOW Rango del índice F&EI Grado de peligro 1-60 Ligero 61-96 Moderado 97-127 Intermedio 128-158 Grave 159-superior Severo Se obtiene un valor del Índice DOW de 52,5 por lo que el peligro para el reactor R-101 es ligero. En la Tabla 36 se muestra el formulario para el cálculo de los factores de peligro y el índice de incendio y explosión proporcionado por la guía. DOCUMENTO I. MEMORIA Página 97 de 113 Tabla 36. Formulario para el cálculo de los factores de peligro y el índice de incendio y explosión. Fuente: [106] AREA / COUNTRY España LOCATION Polígono industrial de “A Reigosa” DATE 13/07/2022 SITE Ponte Candelas, Pontevedra, Galicia. PROCESS UNIT Reactor R-101 SECTION Sección 100 PREPARED BY: Calvo Doce, Martín Iglesias García, Carlos MATERIALS IN PROCESS UNIT Lignina, NaOH, O2, N2, Vainillina, Siringaldehído, Ácido Vainillínico. STATE OF OPERATION Diseño de la planta. BASIC MATERIAL(S) FOR MATERIAL FACTOR NaOH (Hidróxido de Sodio) MATERIAL FACTOR (See Table 1 or Appendices A or B) Note requirements when unit temperature over 140 oF (60 oC) 14 1. General Process Hazards Penalty Factor Range Penalty Factor Used(1) Base Factor ......................................................................................................... 1.00 1 A. Exothermic Chemical Reactions 0.30 to 1.25 0,5 B. Endothermic Processes 0.20 to 0.40 0 C. Material Handling and Transfer 0.25 to 1.05 0 D. Enclosed or Indoor Process Units 0.25 to 0.90 0 E. Access 0.20 to 0.35 0 F. Drainage and Spill Control __________ gal or cu.m. 0.25 to 0.50 0 General Process Hazards Factor (F1) ....................................................................... 1,5 2. Special Process Hazards Base Factor ......................................................................................................... 1.00 1 A. Toxic Material(s) [%NH%]0 0.20 to 0.80 0,6 B. Sub-Atmospheric Pressure (< 500 mm Hg) 0.50 0 C. Operation In or Near Flammable Range [X] Inerted [ ] Not Inerted 1. Tank Farms Storage Flammable Liquids 0.50 0 2. Process Upset or Purge Failure 0.30 0,3 3. Always in Flammable Range 0.80 0 D. Dust Explosion (See Table 3) 0.25 to 2.00 0 / E. Pressure (See Figure 2) Operating Pressure [10] psig or kPa gauge Relief Setting [10,5] psig or kPa gauge 0,4 F. Low Temperature 0.20 to 0.30 0 G. Quantity of Flammable/Unstable Material: Quantity [%SPGQ%] lb or kg HC = [%SPGHC%] BTU/lb or kcal/kg 0 1. Liquids or Gases in Process 0 2. Liquids or Gases in Storage No aplica 3. Combustible Solids in Storage, Dust in Process No aplica H. Corrosion and Erosion 0.10 to 0.75 0,2 I. Leakage – Joints and Packing 0.10 to 1.50 0 J. Use of Fired Equipment 0 K. Hot Oil Heat Exchange System 0.15 to 1.15 0 L. Rotating Equipment 0.50 0 Special Process Hazards Factor (F2) ......................................................................... 2,5 Process Unit Hazards Factor (F1 x F2) = F3 .......................................................... 3,75 Fire and Explosion Index (F3 x MF = F&EI) ........................................................... 52,5 DOCUMENTO I. MEMORIA Página 98 de 113 11.9.7. Factor de daño El factor de daño representa el efecto global del daño causado por el fuego más el daño por explosión derivado de la fuga de combustible o de la energía reactiva de una unidad del proceso. El factor de daño se determina a partir del factor de peligro de la unidad de proceso (F3) y del factor del material. Gracias a la Figura 41, se puede hallar el factor de daño. Figura 41. Determinación del factor de daño. Fuente: [106] Se obtiene un factor de daño para el Reactor R-101 de 0,45, es decir, un 45%. 11.9.8. Radio de exposición Gracias a la Figura 42 y conocido el Índice DOW, se puede determinar el radio de exposición. Este valor permite determinar el área alrededor del equipo que se ve afectada en caso de incendio o explosión. Es decir, cualquier equipo, persona, etc. que se encuentre dentro de dicho radio, puede sufrir las consecuencias (en diferente grado) si se produce un accidente. DOCUMENTO I. MEMORIA Página 99 de 113 Figura 42. Determinación del radio de exposición. Fuente: [106] El radio de exposición proporcionado por la gráfica está en pies. Se realiza la conversión a metros multiplicando por 0,3048 tal como indica la bibliografía. Se obtiene un radio de exposición de 42 ft que es equivalente a 12,8 m. 12. Legislación, normas y códigos de diseño En el presente apartado se recogen la legislación, las normas y los códigos de diseño a seguir para el desarrollo del diseño de la planta de producción de vainillina a partir de lignina Kraft. 12.1. Legislación general 12.1.1. Área comunitaria • Reglamento (CE) n° 765/2008 del Parlamento Europeo y del Consejo, de 9 de julio de 2008, por el que se establecen los requisitos de acreditación y vigilancia del mercado relativos a la comercialización de los productos y por el que se deroga el Reglamento (CEE). • Directiva 2008/68/CE del Parlamento Europeo y del Consejo, de 24 de septiembre de 2008, sobre el transporte terrestre de mercancías peligrosas. 12.1.2. Área nacional • Real Decreto 97/2014, de 14 de febrero, por el que se regulan las operaciones de transporte de mercancías peligrosas por carretera en territorio español. • Real Decreto de 24 de julio de 1889 por el que se publica el Código Civil. DOCUMENTO I. MEMORIA Página 100 de 113 • Real Decreto 314/2006, del 17 de marzo, por el que se aprueba el Código Técnico de la edificación. (B.O.E. 28/3/2006). 12.2. Legislación acerca de la seguridad y de la higiene laboral 12.2.1. Área comunitaria • Reglamento (UE) 2016/425 del Parlamento Europeo y del Consejo, de 9 de marzo de 2016, relativo a los equipos de protección individual y por el que se deroga la Directiva 89/686/CEE del Consejo. • Directiva 2014/34/UE del Parlamento Europeo y del Consejo de 26 de febrero de 2014 sobre la armonización de las legislaciones de los Estados miembros en materia de aparatos y sistemas de protección para uso en atmósferas potencialmente explosivas (refundición). • Directiva 2003/10/CE del Parlamento Europeo y del Consejo, de 6 de febrero de 2003, sobre las disposiciones mínimas de seguridad y de salud relativas a la exposición de los trabajadores a los riesgos derivados de los agentes físicos (ruido). • Reglamento (CE) n° 1907/2006 del Parlamento Europeo y del Consejo, relativo al registro, la evaluación, la autorización y la restricción de las sustancias y mezclas químicas (REACH). • Directiva 2012/18/UE del Parlamento Europeo y del Consejo, de 4 de julio de 2012, relativa al control de los riesgos inherentes a los accidentes graves en los que intervengan sustancias peligrosas y por la que se modifica y ulteriormente deroga la Directiva 96/82/CE (Directiva Seveso III). • Directiva 1999/92/CE del Parlamento Europeo y del Consejo, de 16 de diciembre de 1999, relativa a las disposiciones mínimas para la mejora de la protección de la salud y la seguridad de los trabajadores expuestos a los riesgos derivados de atmósferas explosivas. • Directiva 2006/42/CE del Parlamento Europeo y del Consejo de 17 de mayo de 2006 relativa a las máquinas y por la que se modifica la Directiva 95/16/CE (refundición). • Reglamento (CE) n° 1272/2008 del Parlamento Europeo y del Consejo, de 16 de diciembre de 2008, sobre clasificación, etiquetado y envasado de sustancias y mezclas, y por el que se modifican y derogan las Directivas 67/548/CEE y 1999/45/CE y se modifica el Reglamento (CE) n° 1907/2006 (CLP). • Directiva 92/58/CEE del Consejo, de 24 de junio de 1992, relativa a las disposiciones mínimas en materia de señalización de seguridad y de salud en el trabajo. • Reglamento (UE) n° 649/2012 del Parlamento Europeo y del Consejo, de 4 de julio de 2012, relativo a la exportación e importación de productos químicos peligrosos (PIC). DOCUMENTO I. MEMORIA Página 101 de 113 12.2.2. Área nacional • Real Decreto 656/2017, de 23 de junio, por el que se aprueba el Reglamento de Almacenamiento de Productos Químicos y sus Instrucciones Técnicas Complementarias MIE APQ 0 a 10. • Real Decreto 1196/2003, de 19 de septiembre, por el que se aprueba la Directriz básica de protección civil para el control y planificación ante el riesgo de accidentes graves en los que intervienen sustancias peligrosas. • Real Decreto 840/2015, de 21 de septiembre, por el que se aprueban medidas de control de los riesgos inherentes a los accidentes graves en los que intervengan sustancias peligrosas. • Real Decreto 1627/1997, de 24 de octubre, por el que se establecen las disposiciones mínimas de seguridad y salud en las obras de construcción. • Ley 31/1995, de 8 de noviembre, de prevención de Riesgos Laborales. 12.3. Legislación acerca del medio ambiente 12.3.1. Área comunitaria • Directiva 2014/52/UE del Parlamento Europeo y del Consejo, de 16 de abril de 2014, por la que se modifica la Directiva 2011/92/UE, relativa a la evaluación de las repercusiones de determinados proyectos públicos y privados sobre el medio ambiente. • Directiva 1999/31/CE del Consejo, de 26 de abril de 1999, relativa al vertido de residuos. • Directiva 2002/49/CE del Parlamento Europeo y del Consejo, de 25 de junio de 2002, sobre evaluación y gestión del ruido ambiental. • Directiva 2001/42/CE del Parlamento Europeo y del Consejo, de 27 de junio de 2001, relativa a la evaluación de los efectos de determinados planes y programas en el medio ambiente. • Decisión 2006/507/CE del Consejo, de 14 de octubre de 2004, relativa a la firma, en nombre de la Comunidad Europea, del Convenio de Estocolmo sobre contaminantes orgánicos persistentes. • Directiva 2010/75/EU del Parlamento Europeo y del Consejo, de 24 de noviembre de 2010, sobre las emisiones industriales (prevención y control integrados de la contaminación). 12.3.2. Área nacional • Real Decreto 102/2011, de 28 de enero, relativo a la mejora de la calidad del aire y modificado por el Real Decreto 678/2014, de 1 de agosto y posteriormente por el Real Decreto 39/2017, de 27 de enero. DOCUMENTO I. MEMORIA Página 102 de 113 • Real Decreto Legislativo 1/2001, de 20 de julio, por el que se aprueba el texto refundido de la Ley de Aguas. • Ley 21/2013, del 9 de noviembre, de evaluación ambiental, tomando en cuenta las modificaciones establecidas en la Ley 9/2018, de 5 de diciembre con las que se transpone la Directiva 2014/52/UE del Parlamento Europeo y del Consejo. • Ley 34/2007, de 15 de noviembre, de calidad del aire y protección de la atmósfera. • Ley 37/2003, de 17 de noviembre, del Ruido. 12.3.3. Área autonómica • Real Decreto 106/2015, de 9 de julio, sobre contaminación acústica de Galicia. • Real Decreto 37/2014, de 27 de marzo, por el que se declaran zonas especiales de conservación los lugares de importancia comunitaria de Galicia y se aprueba el Plan director de la Red Natura 2000 de Galicia. 12.4. Normas, guías y códigos de diseño • Código A.S.M.E. (American Society of Mechanical Engineers) BPV. • Normas DIN (Deutsches Institut für Normung, de Alemania). • Estándar API 520 (American Petroleum Institut) • Normativa TEMA (American Tubular Exchanger Manufactures Association) relativa a intercambiadores de calor. • Normas UNE (Una Norma Española). • Normas ISO (International Organization of Standarization). • Estándar ISA (International Standard Atmosphere). • Norma NFPA 704 (Asociación Nacional de Protección contra el Fuego). • Normas NBE (Normas Básicas de Edificación). • Normas NTE (Normas Tecnológicas de Edificación). En Santiago de Compostela, a día 3 de enero de 2023. Firman, los autores del proyecto, Carlos Iglesias García Martín Calvo Doce DOCUMENTO I. MEMORIA Página 109 de 113 [72]. BRENES-ESQUIVEL, Roberto and ROJAS-SOLANO, Luis Francisco. El Agua: Sus Propiedades Y Su Importancia Biológica. Acta Académica, Noviembre, 2005, vol. 37 [Consulta: 18 Mayo, 2022]. pp. 167-196. Disponible en: http://revista.uaca.ac.cr/index.php/actas/article/view/407. ISSN 2215-583X. [73]. Propiedades Del Agua. [Consulta: 19 Mayo, 2022] Disponible en: https://agua.org.mx/propiedades-derl-agua/. [74]. National Center for Biotechnology Information. Water. 2022 [Consulta: 19 Mayo, 2022] Disponible en: https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/962. [75]. Water-Physical Properties|Britannica. [Consulta: 20 Mayo, 2022] Disponible en: https://www.britannica.com/science/water/Physical-properties. [76]. Información Técnica Del Agua Desionizada. 1995-2022 [Consulta: 26 Mayo, 2022] Disponible en: :https://www.cosmos.com.mx/wiki/agua-desionizada-4jng.html. [77]. ALFARO SANTAMARÍA, Kattia. Evaluación Del Proceso Tecnológico De Producción De Agua Desionizada Y El Procedimiento Para La Regeneración De Las Resinas De Intercambio En Una Empresa Agroindustrial. Universidad de Costa Rica. [78]. Estándares Para La Calidad Del Agua|Agua Pura|Wasserlab. [Consulta: 26 Mayo, 2022] Disponible en: https://www.wasserlab.com/es/agua-pura/estandares-para-lacalidad-del-agua. [79]. KOSARIC, Naim, et al. Ullmann's Encyclopedia of Industrial ChemistryJohn Wiley & Sons, Ltd, 2011 [Consulta: 28 Mayo, 2022]. Ethanol, pp. 1-72. Disponible en: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/14356007.a09_587.pub2. ISBN: 9783527306732. [80]. Spain Ethanol Prices, 18-Jul-2022. 2022 [Consulta: 28 Mayo, 2022] Disponible en: https://www.globalpetrolprices.com/Spain/ethanol_prices/. [81]. National Center for Biotechnology Information. Ethanol. 2022 [Consulta: 28 Mayo, 2022] Disponible en: https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/702#section=Melting-Point. [82]. Factory Price Ethanol High Quality 96%. [Consulta: 29 enero 2023]. Disponible en: https://qiaotuchem.en.made-in-china.com/product/kwFaMgJcgGTz/China-FactoryPrice-Ethanol-High-Quality-70-75-95-96-99-6-99-9-.html. [83]. Ammonia Solution, 20%, Certified AR for Analysis. 2022 [Consulta: 28 Mayo, 2022] Disponible en: https://www.fishersci.es/shop/products/ammonia-solution-20-certifiedar-analysis-d-0-92-2/p-7072803. DOCUMENTO I. MEMORIA Página 110 de 113 [84]. FARGUES, C., MATHIAS, Á. y RODRIGUES, A., 1996. Kinetics of Vanillin Production from Kraft Lignin Oxidation. Vol. 35, no. 1. [Consulta: 28 enero 2023]. ISSN 0888-5885. DOI 10.1021/ie950267k. Disponible en: http://dx.doi.org/10.1021/ie950267k. [85]. Esteves da Costa, Carina Andreia. Vanillin and Syringaldehyde from Side Streams of Pulp and Paper Industries and Biorefineries. Universidade do Porto, Marzo, 2017. [86]. ARAÚJO, J.D.P., GRANDE, C.A. y RODRIGUES, A.E., 2010. 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AIChE technical manualAmerican Institute of Chemical Engineers, 1994. Dow's Fire & Explosion Index Hazard Classification Guide. ANEXO I. BALANCES DE MATERIA Y ENERGÍA Anexo I. Balances de materia y energía Página 2 de 28 ÍNDICE 1 Balances de materia .................................................................................................. 3 1.1 Introducción ....................................................................................................... 3 1.2 Balance de materia global .................................................................................. 3 1.3 Balance de materia a las unidades del proceso .................................................. 7 1.3.1 Tanque de mezcla TM-101 ......................................................................... 7 1.3.2 Reactor R-101 ............................................................................................. 7 1.3.3 Filtro F-101 A/B ......................................................................................... 9 1.3.4 Filtro F-201 A/B ......................................................................................... 9 1.3.5 Filtro F-202 A/B ....................................................................................... 10 1.3.6 Tanque de almacenamiento V-201 ........................................................... 11 1.3.7 Columnas de adsorción T-201/T-202 ....................................................... 11 1.3.8 Tanque de almacenamiento V-202 ........................................................... 12 1.3.9 Precipitador PR-201 ................................................................................. 13 1.3.10 Spray dryer SD-301 .................................................................................. 13 1.4 Balance de materia en recirculaciones ............................................................. 15 1.4.1 Unión de corrientes 5 y 26 ........................................................................ 15 1.4.2 Unión de corrientes 14 y 18 ...................................................................... 15 1.4.3 Unión de corrientes 21 y 24 ...................................................................... 16 1.5 Balance de materia en la purga ........................................................................ 17 2 Balances de energía ................................................................................................ 17 2.1 Introducción ..................................................................................................... 17 2.2 Intercambiadores de calor ................................................................................ 18 2.2.1 Intercambiador de calor E-101 ................................................................. 19 2.2.2 Intercambiador de calor E-102 ................................................................. 20 2.2.3 Intercambiador de calor E-103 ................................................................. 20 2.2.4 Intercambiador de calor E-201 ................................................................. 21 2.3 Reactor R-101 .................................................................................................. 22 2.4 Columnas de adsorción T-201 y T-202 ........................................................... 23 2.5 Compresores .................................................................................................... 24 2.5.1 Compresor C-101 A/B .............................................................................. 24 2.5.2 Compresor C-102 A/B .............................................................................. 25 2.6 Filtro F-101 A/B .............................................................................................. 26 2.7 Spray dryer SD-301 ......................................................................................... 27 3 Bibliografía ............................................................................................................. 28 Anexo I. Balances de materia y energía Página 3 de 28 1 Balances de materia 1.1 Introducción Los balances de materia son la base del diseño del proceso. Permiten determinar la cantidad de materias primas necesarias para obtener la cantidad de producto final deseado. Se aplican tanto al proceso global como a cada unidad de proceso, para poder así determinar el flujo necesario con sus respectivas composiciones; parámetros necesarios para un correcto dimensionamiento de cada uno de ellos. [1] El balance general de materia se basa en la ecuación de conservación de masa por la que se establece que en cualquier proceso (a excepción de los procesos nucleares) la materia ni se genera ni se destruye. Se presenta en la siguiente Ecuación (1). [1] 𝐸𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎+𝐺𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛=𝑆𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎+𝐴𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛 (1) Es necesario puntualizar que, para operación en estado estacionario, el término de acumulación es nulo. Además, si no existe reacción química, el término de generación desaparece de la ecuación, por lo que el balance de materia se reduce a la siguiente Ecuación (2). [1] 𝐸𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 =𝑆𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 (2) El único equipo en el que está presente una etapa de reacción química es el reactor R-101, en cuya expresión sí que es necesario reflejar el término de generación en el balance de materia, Ecuación (3). 𝐸𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎+𝐺𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛=𝑆𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 (3) En este Anexo se determinan el balance global, a través del cual se comprueba el cumplimiento del Principio de Conservación de la Materia; y los balances a cada una de las unidades en el proceso. No se presenta balance en aquellos equipos en los que se mantienen constantes las composiciones y los caudales de cada compuesto, es decir, en aquellas unidades en las que solo se produzcan cambios en las condiciones de operación, a saber, bombas e intercambiadores de calor. 1.2 Balance de materia global Se presenta el balance de materia global. Las corrientes de entrada son las siguientes: • Alimentación de materias primas al sistema: ➢ Corriente 1: Entrada de lignina. ➢ Corriente 2: Entada de la disolución de NaOH. ➢ Corriente 3: Entrada de agua. • Alimentación fase gas al sistema: ➢ Corriente 9: Entada de aire al sistema. Anexo I. Balances de materia y energía Página 4 de 28 • Etapa de adsorción: ➢ Corriente 29: Alimentación de agua desionizada a las columnas de adsorción T-201/T-202. ➢ Corriente 31: alimentación de disolución de etanol a las columnas de adsorción T-201/T-202. • Etapa de purificación ➢ Corriente 36: Alimentación de disolución de amoníaco al precipitador PR-201. ➢ Corriente 42: Entrada de aire para deshidratación del producto en SD-301. Las corrientes de salida se corresponden con: ➢ Corriente 11: Salida de aire enriquecido en nitrógeno del filtro F-101 A/B. ➢ Corriente 17: Purga de inerte. ➢ Corriente 33: Salida de residuos de la columna de adsorción T-201/T-202. ➢ Corriente 37: Salida de siringaldehído. ➢ Corriente 40: Salida de aire, agua y amoníaco. ➢ Corriente 41: Salida de vainillina. En la Tabla 1 se muestra el balance global en unidades másicas y en la Tabla 2 se expresa el balance en unidades molares: Anexo I. Balances de materia y energía Página 5 de 28 Tabla 1: Balance de materia global. Fuente: [Elaboración propia] Entradas Salidas Flujo másico (kg/h) Flujo másico (kg/h) Corrientes/ Compuestos C. 1 C. 2 C. 3 C. 9 C.29 C.31 C.36 C.42 C.11 C.17 C.33 C.37 C.40 C.41 Lignina 1.557,24 - - - - - - - - - 3,54 - - - NaOH - 1.518,80 - - - - - - - - 1.518,80 - - - O2 - - - 1.523,01 - - - 3.032,10 761,51 691,79 - - 3.032,10 - N2 - - - 5.015,51 - - - 9.985,30 4.380,61 634,90 - - 9.985,30 - H2O - 1.518,80 17.409,27 - - 861,36 1.475,92 - - - 19.789,43 - 1.475,92 - Vainillina - - - - - - - - - - 10,30 0,34 46,97 62,20 Siringaldehído - - - - - - - - - - 2,20 20,98 1,87 0,47 Ac. vainillínico - - - - - - - - - - 59,76 - - - Compuestos X - - - - - - - - - - 1.418,35 - - - Etanol - - - - - 16.380,45 - - - - 16.380,45 - - - H2Odesionizada - - - - 21.534,12 - - - - - - - 21.533,65 0,47 NH3 - - - - - - 226,49 - - - - - 226,49 - TOTAL 82.038,37 82.038,37 Anexo I. Balances de materia y energía Página 6 de 28 Tabla 2:Balance global molar. Fuente: [Elaboración propia] Entradas Salidas Flujo molar (kmol/h) Flujo molar (kmol/h) Corrientes/ Compuestos C. 1 C. 2 C. 3 C. 9 C.29 C.31 C.36 C.42 C.11 C.17 C.33 C.37 C.40 C.41 Lignina 0,67 - - - - - - - - - 1,52·10-3 - - - NaOH - 37,96 - - - - - - - - 37,96 - - - O2 - - - 47,60 - - - 94,75 23,80 21,62 - - 94,75 - N2 - - - 179,06 - - - 356,45 156,39 22,67 - - 356,45 - H2O - 84,31 966,36 - - 47,81 81,93 - - - 1098,48 - 81,93 - Vainillina - - - - - - - - - - 0,068 2·10-3 0,31 0,41 Siringaldehído - - - - - - - - - - 0,012 0,12 0,01 3·10-3 Ac. vainillínico - - - - - - - - - - 0,36 - - - Compuestos X - - - - - - - - - - 8,34 - - - Etanol - - - - - 355,56 - - - - 355,56 - - - H2Odesionizada - - - - 1195,01 - - - - - - - 1194,98 0,026 NH3 - - - - - - 13,30 - - - - - 13,30 - Anexo I. Balances de materia y energía Página 7 de 28 Se comprueba en la Tabla 1 que se cumple la ley de conservación de masa ya que la suma de las corrientes de entrada es igual a la suma de las corrientes de salida. 1.3 Balance de materia a las unidades del proceso Se presentan los balances de materia a aquellos equipos en los que está presente un cambio en la composición de salida de la o las corrientes del proceso. Tal y como se indicó en el apartado anterior, no se tienen en cuenta bombas, compresores e intercambiadores de calor. 1.3.1 Tanque de mezcla TM-101 Al tanque llegan las corrientes 1, 2, 3, correspondientes a la alimentación fresca de lignina, NaOH y agua respectivamente. En la Tabla 3 se muestra el balance de materia y la demostración del cierre del balance. Tabla 3: Balance de materia al equipo TM-101. Fuente: [Elaboración propia] 1.3.2 Reactor R-101 Se presenta el balance de materia al reactor con el siguiente mapa de reacciones: 0,51𝐿+1,56𝑂2→𝑉+6,5𝑋 (4) 𝑉+0,5𝑂2→𝐶8𝐻8𝑂4 (5) 0,61𝐿+1,56𝑂2→𝑆𝑦+6,5𝑋 (6) Entradas Salidas Flujo másico (kg/h) Flujo másico (kg/h) Corrientes/ Compuestos C. 1 C. 2 C. 3 C.4 Lignina 1.557,24 - - 1.557,24 NaOH - 1.518,80 - 1.518,80 O2 - - - - N2 - - - - H2O - 1.518,80 17.409,27 18.928,08 Vainillina - - - - Siringaldehído - - - - Ac. vainillínico - - - - Compuestos X - - - - Etanol - - - - H2Odesionizada - - - - NH3 - - - - TOTAL 22.004,12 22.004,12 Anexo I. Balances de materia y energía Página 14 de 28 Donde: 𝑀𝑒(𝑤1): Caudal másico de líquido a evaporar en la entrada (kg/h) 𝑀𝑠(𝑤2): Caudal másico de líquido no evaporado en la corriente de producto (kg/h) 𝐺: Caudal másico de aire seco (kg/h) 𝑤1, 𝑤2: Humedad absoluta del aire a la entrada y a la salida, respectivamente (kgH2O/kgaire) Para la determinación del caudal de aire se establece a partir de datos del fabricante que el aire seco entra a una temperatura de 100°C con una humedad de 0,005 kg/kg, y se considerará saturación en el aire caliente efluente del equipo. Empleando el diagrama psicrométrico se determina la humedad absoluta del aire a esa temperatura para saturación. En la Tabla 12 se muestran los resultados obtenidos, así como en la Tabla 13 el balance de materia al equipo. Tabla 12: Caudal de aire en el SD-301.Fuente: [Elaboración propia] Parámetro Valor 𝑀𝑒(𝑤1) (kg/h) 23.236,53 𝑀𝑠(𝑤2) (kg/h) 0,47 𝑤1 (kgH2O/kgaire) 0,005 𝑤2 (kgH2O/kgaire) 1,79 𝑮 (kg/h) 13.017,40 Tabla 13: Balance de materia al equipo SD-301. Fuente: [Elaboración propia] Entradas Salidas Flujo másico (kg/h) Flujo másico (kg/h) Corrientes/ Compuestos C.39 C.42 C.40 C.41 Lignina - - - - NaOH - - - - O2 - 3.032,10 3.032,10 - N2 - 9.985,30 9.985,30 - H2O 1.475,92 - 1.475,92 - Vainillina 109,16 - 46,97 62,20 Siringaldehído 2,33 - 1,87 0,47 Ac. vainillínico - - - - Compuestos X - - - - Etanol - - - - H2Odesionizada 21.534,12 - 21.533,65 0,47 NH3 226,49 - 226,49 - TOTAL 36.365,43 36.365,43 Anexo I. Balances de materia y energía Página 15 de 28 1.4 Balance de materia en recirculaciones A continuación, se detallarán el balance de materia de las recirculaciones presentes en el proceso. 1.4.1 Unión de corrientes 5 y 26 Se trata de la mezcla de la corriente 5, procedente de TM-101, y la recirculación de una parte de lignina, NaOH y agua, proveniente de los filtros F-201 A/B y F-202 A/B, corriente 26. El balance de materia se muestra en la Tabla 14. Tabla 14: Balance de materia de la recirculación. Fuente: [Elaboración propia] 1.4.2 Unión de corrientes 14 y 18 Se corresponde con la mezcla de corrientes gaseosas. Por una parte, a través de la corriente 14 se realiza la entrada fresca de aire enriquecido, procedente del intercambiador de calor E-103, cuyo objetivo es la adecuación de su temperatura a la de reacción. Dicha corriente se une a la corriente 18, de recirculación del gas procedente del reactor R-101 tras la purga de inerte, y que contiene oxígeno sin reaccionar. La corriente resultante de la unión, corriente 15, será la entrada de gas al reactor R-101. El balance de materia se muestra en la Tabla 15. Entradas Salidas Flujo másico (kg/h) Flujo másico (kg/h) Corrientes/ Compuestos C.5 C.26 C.6 Lignina 1.557,24 467,83 2.025,07 NaOH 1.518,80 1.181,29 2.700,09 O2 - - - N2 - - - H2O 18.928,08 14.721,84 33.649,91 Vainillina - - - Siringaldehído - - - Ac. vainillínico - - - Compuestos X - - - Etanol - - - H2Odesionizada - - - NH3 - - - TOTAL 38.375,08 38.375,08 Anexo I. Balances de materia y energía Página 16 de 28 Tabla 15: Balance de materia en la recirculación de gas. Fuente: [Elaboración propia] 1.4.3 Unión de corrientes 21 y 24 Se trata de la mezcla de corrientes procedentes de las salidas de los filtros F-201 A/B y F-202 A/B, respectivamente. Estas corrientes poseen un alto contenido en lignina no despolimerizada, por lo que su objetivo será la unión de ambas para poder llevar a cabo la recirculación de compuestos, a través de la corriente 25, para su acondicionamiento. El balance de materia se muestra en la Tabla 16. Tabla 16: Balance de materia a la recirculación de salida de filtros. Fuente: [Elaboración propia] Entradas Salidas Flujo másico (kg/h) Flujo másico (kg/h) Corrientes/ Compuestos C.14 C.18 C.15 Lignina - - - NaOH - - - O2 761,51 748,54 1.510,04 N2 634,90 686,98 1.321,88 H2O - - - Vainillina - - - Siringaldehído - - - Ac. vainillínico - - - Compuestos X - - - Etanol - - - H2Odesionizada - - - NH3 - - - TOTAL 2.831,92 2.831,92 Entradas Salidas Flujo másico (kg/h) Flujo másico (kg/h) Corrientes/ Compuestos C.21 C.24 C.25 Lignina 457,22 10,61 467,83 NaOH 675,02 506,27 1.181,29 O2 - - - N2 - - - H2O 8.412,48 6.309,36 14.721,84 Vainillina - - - Siringaldehído - - - Ac. vainillínico - - - Compuestos X - - - Etanol - - - H2Odesionizada - - - NH3 - - - TOTAL 16.370,96 16.370,96 Anexo I. Balances de materia y energía Página 17 de 28 1.5 Balance de materia en la purga Con el objetivo de recircular el gas que contiene oxígeno no reaccionado procedente del reactor, corriente 16, será necesario una purga para evitar la acumulación de inerte (N2) en el sistema, a través de la corriente 17. La recirculación del gas se realizará a través de la corriente 18. El balance de materia en la purga se muestra en la Tabla 17. Tabla 17: Balance de materia en la purga de la corriente gaseosa efluente de R-101. Fuente: [Elaboración propia] 2 Balances de energía 2.1 Introducción A diferencia de lo que sucede en el balance de materia, la conservación de energía no tiene por qué conservarse, debido a que parte puede ser producida o consumida en un proceso químico. Los balances de energía se realizan para determinar los requerimientos de energía en el proceso, tanto de enfriamiento como de calentamiento en los intercambiadores de calor, así como requerimientos de potencia como es el caso de las bombas y compresores. [1] La ecuación general de conservación de energía se define mediante la Ecuación (8): 𝐸 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎=𝐸 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎+ 𝐺𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛−𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜+ 𝐴𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛 (8) Entradas Salidas Flujo másico (kg/h) Flujo másico (kg/h) Corrientes/ Compuestos C.16 C.17 C.18 Lignina - - - NaOH - - - O2 1.440,32 691,79 748,54 N2 1.321,88 634,90 686,98 H2O - - - Vainillina - - - Siringaldehído - - - Ac. vainillínico - - - Compuestos X - - - Etanol - - - H2Odesionizada - - - NH3 - - - TOTAL 2.762,20 2.762,20 Anexo I. Balances de materia y energía Página 18 de 28 Es posible distinguir entre distintos tipos de energía: Energía potencial, cinética, interna, calor, etc. Para la realización de los balances de energía en este proyecto se considera la energía potencial y la energía cinética al no ser significantes frente al calor y el trabajo. Por lo tanto, la ecuación de conservación de energía simplificada con la que se realizan los balances se expresa según la Ecuación (9): 𝐻2−𝐻1=𝑄−𝑊 (9) En la que: H: es el término de entalpía de reacción Q: es el calor intercambiado W: es el trabajo realizado Para líquidos, la entalpía específica sigue la siguiente Ecuación (10). 𝐻𝑖 =𝑚∙𝐶𝑝∙𝑇𝑖 (10) En la que: m: caudal másico de la corriente (kg/s) Cp: Calor específico de la corriente (J/kg °C) Ti es la temperatura de la corriente (°C) A continuación, se presentan los balances a cada equipo del proceso en el que haya un intercambio de energía. Debe aclararse que se consideran no relevantes los intercambios de calor que tienen lugar en los filtros F-201 A/B y F-202 A/B, donde la variación de temperatura en los líquidos que los atraviesan se asume despreciables, no así en el filtro F-101 A/B, donde se realizará el correspondiente balance de energía. 2.2 Intercambiadores de calor El calor necesario a aportar o retirar en cada caso, se calcula mediante la Ecuación (11) para intercambios en los que no se produzca un cambio de fase. 𝑄󰇗=𝑚󰇗 ∙𝐶𝑝∙(𝑇−𝑇0) (11) En la que: 𝑄󰇗: Calor intercambiado (kW) 𝑚󰇗: Caudal másico de la corriente (kg/s) 𝐶𝑝: Calor específico de la corriente a la temperatura media entre T y T0 (kJ/kg·°C) Anexo I. Balances de materia y energía Página 19 de 28 𝑇: Temperatura de la corriente a la salida (°C) 𝑇0: Temperatura de la corriente de salida (°C) A partir de la Ecuación (11) se determinan los flujos másicos de las corrientes de utilidades una vez determinada la energía necesaria para cada caso. En el caso de que se emplee vapor de agua como fluido de calentamiento, se considera que entra y sale a la misma temperatura, por lo que la energía que aporta el fluido se corresponde con el calor latente, expresado en la Ecuación (12). 𝑄𝑣=𝑚󰇗 ∙𝜆𝑣𝑎𝑝 (12) En la que: 𝑚󰇗: Caudal másico de la corriente (kg/h) 𝜆𝑣𝑎𝑝: Entalpía de vaporización (kJ/kg) 2.2.1 Intercambiador de calor E-101 El intercambiador de calor E-101, junto con el intercambiador E-102, tiene como objetivo aumentar la temperatura de la corriente de entrada al reactor. El intercambiador E-101 hace a la vez la función de enfriamiento del fluido térmico empleado en el reactor R-101. De esta forma se aprovecha la energía retirada al reactor para calentar la corriente y así disminuir la temperatura del refrigerante para volver a ser usado en el reactor. El cálculo del balance de energía se presenta en la Tabla 18: Tabla 18. Balance de energía al intercambiador E-101. Fuente: [Elaboración propia] Parámetro Valor Energía retirada en el reactor → Aportada a la corriente (kW) 4.096,06 Temperatura de la corriente de entrada, 6 (°C) 25 Calor específico medio (kJ/kg·°C) * 4,25 Caudal másico de la corriente de entrada, 6 (kg/s) 10,66 Temperatura de la corriente de salida, 7 (°C) 115,42 *Dato obtenido mediante Aspen Hysys El caudal másico de fluido térmico DowTherm ha sido calculado en el Anexo II. Cálculos justificativos en el Apartado 12.2. Cálculo del caudal de refrigerante del Diseño del Reactor R-101, donde se ha obtenido un valor de 25,68 kg/s. Anexo I. Balances de materia y energía Página 20 de 28 2.2.2 Intercambiador de calor E-102 Aporta el calor necesario para terminar de adecuar la temperatura de la corriente 7 (salida del intercambiador de integración energética E-101) hasta la requerida para la operación en el Reactor R-101. La salida del intercambiador es la corriente 8. Se usa como fluido de servicio vapor de media presión (mps) a 170°C. El cálculo del balance de energía para hallar el requerimiento de calor necesario se presenta en la siguiente Tabla 19: Tabla 19. Balance de energía al intercambiador E-102. Cálculo del flujo de calor. Fuente: [Elaboración propia] Parámetro Valor Temperatura de la corriente de entrada, T7 (°C) 115,42 Temperatura de la corriente de salida, T8 (°C) 160 Calor específico medio (kJ/kg·°C) * 4,39 Caudal másico de la corriente de entrada, 7 (kg/s) 10,66 Flujo de calor (kW) 2.086,66 *Dato obtenido mediante Aspen Hysys En la Tabla 20 se presenta el cálculo del caudal de fluido de utilidad empleado. Tabla 20: Cálculo del caudal de mps empleado en E-102. Fuente: [Elaboración propia] Parámetro Valor Flujo de calor (kW) 2.086,66 Temperatura de entrada, Te (°C) 170 Temperatura de salida, Ts (°C) 170 Entalpía vaporización, λvap (kJ/kg) 2.049 Caudal másico vapor media presión, mps (kg/s) 1,01 2.2.3 Intercambiador de calor E-103 El intercambiador de calor E-103 disminuye la temperatura de la corriente 13 compuesta por oxígeno y nitrógeno enriquecido al 50,6% de O2, salida de la membrana F-101 A/B y el compresor C-102 A/B. Se emplea como fluido refrigerante agua fría (cooling water, cw) desde una temperatura de 32°C hasta 50°C, tal y como se indica en las heurísticas para refrigeración. [1] Anexo I. Balances de materia y energía Página 21 de 28 En la Tabla 21 se recoge el cálculo de la energía intercambiada necesaria para descender la temperatura de la corriente. Tabla 21. Balance de energía al intercambiador E-103. Cálculo del flujo de calor. Fuente: [Elaboración propia] Parámetro Valor Temperatura de la corriente de entrada, T13 (°C) 239,06 Temperatura de la corriente de salida, T14 (°C) 160 Calor específico medio (kJ/kg·°C) * 1,01 Caudal másico de la corriente de entrada, 13 (kg/s) 0,39 Flujo de calor (kW) -31,14 *Dato obtenido mediante Aspen Hysys En la Tabla 22 se presenta el cálculo del caudal de fluido de utilidad empleado. Tabla 22: Cálculo del caudal de cooling water empleado en E-103. Fuente: [Elaboración propia] Parámetro Valor Flujo de calor (kW) -31,14 Temperatura de entrada, Te (°C) 32 Temperatura de salida, Ts (°C) 50 Calor específico Te (kJ/kg·°C) [5] 4,178 Calor específico Ts (kJ/kg·°C) [5] 4,181 Calor específico medio (kJ/kg·°C) 4,18 Caudal másico cooling water, cw (kg/s) 0,41 2.2.4 Intercambiador de calor E-201 El intercambiador de calor E-201 tiene como objetivo disminuir la temperatura de la corriente 19 de salida del reactor R-101 desde 160°C hasta 25°C en la corriente 20 a la entrada del filtro F-201 A/B. Se emplea como fluido refrigerante chilled water o agua enfriada. Esto es debido a que cooling water (agua fría) no puede trabajar a temperaturas inferiores a 25°C por lo que se necesita que el fluido de servicio esté a menos temperatura para enfiar la corriente hasta dicho valor. Se introduce a 15°C y se extrae a 32°C de acuerdo con los rangos establecidos por las heurísticas. En la Tabla 23 se recoge el valor de requerimiento energético para este intercambiador. Anexo I. Balances de materia y energía Página 22 de 28 Tabla 23. Balance de energía al intercambiador E-201. Cálculo del flujo de calor. Fuente: [Elaboración propia] Parámetro Valor Temperatura de la corriente de entrada, T19 (°C) 160 Temperatura de la corriente de salida, T20 (°C) 25 Calor específico medio (kJ/kg·°C) * 4,076 Caudal másico de la corriente de entrada, 19 (kg/s) 10,68 Flujo de calor (kW) -5876,78 *Dato obtenido mediante Aspen Hysys En la Tabla 24 se presenta el cálculo del caudal de fluido de utilidad empleado. Tabla 24. Cálculo del caudal de chilled water empleado en E-201. Fuente: [Elaboración propia] Parámetro Valor Flujo de calor (kW) 5876,78 Temperatura de entrada, Te (°C) 15 Temperatura de salida, Ts (°C) 32 Calor específico Te (kJ/kg·°C) [5] 4,185 Calor específico Ts (kJ/kg·°C) [5] 4,178 Calor específico medio (kJ/kg °C) 4,182 Caudal másico chilled water (kg/s) 82,69 2.3 Reactor R-101 El reactor opera en condiciones isotermas a una temperatura constante de 160°C. Los cálculos de la entalpía de cada reacción y el calor liberado total, el cual debe ser retirado para mantener las condiciones de T, han sido detallados en el Anexo II. Cálculos justificativos. Parte A. En la Tabla 25 se presenta el calor liberado por cada reacción y el calor total: Anexo I. Balances de materia y energía Página 23 de 28 Tabla 25. Balance de energía al reactor R-101. Fuente: [Elaboración propia] Parámetro Valor Q1 (kJ/h) -1,45·107 Q1 (kJ/h) -9,49·104 Q1 (kJ/h) -1,923·105 Calor reacción (kJ/h) -1,47·107 Calor reacción (W) -4,10·106 2.4 Columnas de adsorción T-201/T-202 El balance de energía en las columnas de adsorción ha sido calculado en detalle en el Anexo II. Cálculos justificativos. Parte B Apartado 4.5 Balance de energía en la columna de diseño. Para ello, se realizó el cálculo del calor liberado en el proceso de adsorción como el producto del caudal másico de mezcla y la entalpía isostérica de adsorción. Una vez obtenido el dato de calor liberado, se calcula el gradiente térmico para el caudal total de fluido y su respectivo valor de calor específico. Se calcula finalmente el gradiente térmico por cada ciclo de adsorción, teniendo en cuenta el tiempo de operación. Los resultados se muestran a continuación en la Tabla 26. Tabla 26: Balance de energía a la columna de adsorción T-201 A/B. Fuente: [Elaboración propia] ∆𝐻𝑖𝑠𝑜𝑠𝑡é𝑟𝑖𝑐𝑎(kJ/mol) -20 𝑚󰇗𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎 𝑎𝑑𝑠𝑜𝑟𝑏𝑖𝑑𝑎(mol/h) 907,47 𝑄󰇗(kJ/h) -18.149,40 Ciclo de adsorción (h) 2,4 𝑄󰇗 (kJ/ciclo adsorción) -43.558,56 𝑚󰇗𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜(kg/h) 22.073,84 𝑚󰇗𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜(kg/ciclo adsorción) 52.977,22 𝐶𝑃(kJ/kg·°C)* 3,7524 ∆𝑻 (°C) 0,22 *Dato de Cp obtenido con el simulador Aspen HYSYS Anexo II: Cálculos Justificativos Página 2 de 136 ÍNDICE REACTOR R-101 ........................................................................................................... 5 1. Introducción .............................................................................................................. 6 2. Química del reactor. ................................................................................................. 6 2.1. Química del proceso .......................................................................................... 6 2.1.1. Estimación del coeficiente estequiométrico de la lignina .......................... 7 2.1.2. Determinación del coeficiente estequiométrico de los compuestos equivalentes (X) ........................................................................................................ 7 3. Modelo cinético ........................................................................................................ 8 4. Consideraciones previas al diseño ............................................................................ 9 4.1. Teoría de la doble capa .................................................................................... 10 4.2. Etapa limitante ................................................................................................. 11 4.3. Modelo para la fase líquida. ............................................................................. 12 4.4. Modelo para la fase gas ................................................................................... 12 5. Selección del tipo de reactor ................................................................................... 13 6. Selección del tipo de relleno ................................................................................... 18 7. Cálculos previos ..................................................................................................... 19 7.1. Constantes cinéticas a la temperatura de operación ......................................... 19 7.2. Solubilidad del oxígeno ................................................................................... 20 7.3. Exceso de oxígeno ........................................................................................... 20 8. Balances de materia ................................................................................................ 21 9. Balance de Energía ................................................................................................. 25 9.1. Cálculo de la entalpía de la reacción 3 (L-Sy) ................................................. 26 9.2. Cálculo del calor de reacción ........................................................................... 27 10. Dimensionamiento del reactor ............................................................................. 28 10.1. Volumen del líquido ..................................................................................... 29 10.2. Volumen del relleno Mellapak 750Y ........................................................... 29 10.3. Volumen del gas (hold-up gas) .................................................................... 30 10.4. Dimensiones del reactor ............................................................................... 32 11. Caída de presión .................................................................................................. 32 12. Sistema de refrigeración ...................................................................................... 35 12.1. Tipo de camisa ............................................................................................. 35 12.2. Cálculo del caudal de refrigerante ................................................................ 36 13. Distribuidor de gas .............................................................................................. 38 13.1. Tipos y selección .......................................................................................... 38 Anexo II: Cálculos Justificativos Página 3 de 136 13.2. Diseño y dimensionamiento del distribuidor de gas .................................... 39 13.2.1. Cálculo de la velocidad del gas a través del plato y del número de orificios. 39 13.2.2. Cálculo de la caída de presión en el plato ............................................. 41 14. Diseño mecánico del reactor R-101 .................................................................... 42 14.1. Presión de diseño .......................................................................................... 42 14.2. Temperatura de diseño ................................................................................. 42 14.3. Selección del material de operación ............................................................. 42 14.4. Espesor de la carcasa .................................................................................... 45 14.4.1. Cálculo del espesor de la carcasa del reactor R-101 ............................. 45 14.4.2. Cálculo del espesor de la camisa de refrigeración ................................ 46 14.5. Selección y dimensionamiento de los cabezales superior e inferior ............ 47 14.6. Análisis de cargas ......................................................................................... 50 14.6.1. Cargas por peso ..................................................................................... 50 14.6.2. Cargas por viento .................................................................................. 53 14.6.3. Otras cargas ........................................................................................... 54 14.7. Análisis de tensiones .................................................................................... 54 15. Válvula de alivio .................................................................................................. 55 15.1. Dimensionamiento de la válvula .................................................................. 56 COLUMNA DE ADSORCIÓN T-201/T-202 ............................................................. 58 1. Introducción ............................................................................................................ 59 1.1. Equilibrio de adsorción .................................................................................... 60 1.1.1. Correlaciones para el equilibrio de adsorción .......................................... 61 1.2. Materiales adsorbentes ..................................................................................... 64 1.3. Métodos de desorción y regeneración del lecho .............................................. 66 1.3.1. Oscilación de temperatura (TSA) ............................................................. 66 1.3.2. Oscilación de presión (PSA y VSA)......................................................... 67 1.3.3. Fluido desplazante y cambio de pH .......................................................... 67 2. Características de la alimentación a la columna ..................................................... 67 3. Elección del sólido adsorbente ............................................................................... 68 4. Diseño del equipo: Método de Longitud de lecho no usado (LUB) ....................... 69 4.1. Estudio dinámico experimental de lechos fijos de adsorción .......................... 70 4.2. Análisis de la parte experimental ..................................................................... 73 4.2.1. Cálculos experimentales ........................................................................... 75 4.2.2. Escalamiento de la columna de adsorción ................................................ 83 Anexo II: Cálculos Justificativos Página 4 de 136 4.3. Proceso de desorción ....................................................................................... 90 4.4. Operación de las columnas .............................................................................. 90 4.5. Balance de materia en la columna de diseño ................................................... 91 4.6. Balance de energía en la columna de diseño ................................................... 94 4.7. Análisis de la caída de presión ......................................................................... 96 5. Diseño mecánico de la columna de adsorción ........................................................ 98 5.1. Determinación de las condiciones de diseño ................................................... 98 5.1.1. Presión y temperatura de diseño ............................................................... 98 5.2. Elección del material para el diseño ................................................................ 99 5.3. Cálculo del espesor de carcasa ....................................................................... 101 5.4. Selección y diseño de cabezales .................................................................... 102 5.5. Determinación de la altura total de columna ................................................. 105 5.6. Accesorios de columna: Boquillas, aperturas y conexiones .......................... 105 5.7. Cargas soportadas .......................................................................................... 106 5.7.1. Cargas debidas al peso ............................................................................ 106 5.7.2. Cargas por viento .................................................................................... 109 5.8. Cargas por efectos sísmicos ........................................................................... 110 5.9. Esfuerzos debido a cargas .............................................................................. 110 5.9.1. Esfuerzos primarios ................................................................................ 110 5.9.2. Esfuerzos principales .............................................................................. 111 5.9.3. Esfuerzos compresivos y estabilidad elástica ......................................... 112 6. Soporte de la columna .......................................................................................... 113 DIMENSIONAMIENTO BÁSICO DE EQUIPOS ................................................. 116 1. Tanque de mezcla TM-101 ................................................................................... 116 2. Tanque de almacenamiento V-201 ....................................................................... 117 3. Tanque de almacenamiento V-202 ....................................................................... 119 4. Agitador del tanque TM-101 ................................................................................ 120 5. Bombas ................................................................................................................. 121 6. Compresores ......................................................................................................... 125 7. Filtros F-101 A/B, F-201 A/B y F-202 A/B ......................................................... 126 8. Intercambiadores de calor ..................................................................................... 127 9. Precipitador PR-201 ............................................................................................. 129 10. Spray dryer SD-301 ........................................................................................... 129 11. Dimensionamiento de conducciones ................................................................. 129 12. Bibliografía ........................................................................................................ 132 Anexo II: Cálculos Justificativos Página 5 de 136 PARTE A: REACTOR R-101 Anexo II: Cálculos Justificativos Página 6 de 136 1. Introducción El reactor es una de las unidades fundamentales en cualquier proceso químico. La relevancia de este equipo no tiene por qué ser significativa en el ámbito económico; pero se trata de un elemento clave para la viabilidad del proyecto. Debe presentar las características específicas (físicas, operacionales, etc.) necesarias para que la óptima transformación de las materias primas a productos. Para obtener dichas características en este proyecto, es necesario elaborar un diseño detallado del reactor R-101, el cual se lleva a cabo en el presente Anexo II. Cálculos justificativos. Parte A. A lo largo de cada apartado de este diseño se tomará como base la siguiente Tabla 1 en la que se indica la nomenclatura para referida a cada compuesto: Tabla 1. Nomenclatura para cada compuesto. Fuente: [Elaboración propia] Compuesto Nomenclatura Lignina L Vainillina V Siringaldehido Sy Ácido vainillínico VA Compuestos equivalentes X Oxígeno O2 Nitrógeno N2 NaOH NaOH 2. Química del reactor. 2.1. Química del proceso Tal y como se ha indicado en la Memoria. Apartado 9.3. Descripción química del proceso, la oxidación de lignina en medio alcalino origina una gran cantidad de compuestos. En este proceso se consideran como productos de reacción el compuesto de valor añadido en el que se basa el proceso, la Vainillina (V), y dos subproductos originados por su degradación debido al medio oxidante en el que se desarrolla la reacción, Siringaldehído (Sy) y Ácido vainillínico (VA). (Reacciones (1), (2), (3)). [1] [2] [3] Anexo II: Cálculos Justificativos Página 7 de 136 0,51𝐿+1,56𝑂2→𝑉+6,5𝑋 (1) 𝐿+0,5𝑂2→𝑉𝐴 (2) 0,61𝐿+1,56𝑂2→𝑆𝑦+6,5𝑋 (3) Los compuestos restantes formados se engloban en un único compuesto equivalente definido como X, tal y como se ha explicado en la Memoria, apartado 9.1. Subproductos formados en el proceso. Representa los compuestos fenólicos y no fenólicos derivados de la despolimerización de la lignina a excepción del Siringaldehído y la Vainillina. 2.1.1. Estimación del coeficiente estequiométrico de la lignina El coeficiente estequiométrico de la lignina en las Reacciones (1) y (3) se estima en función de las masas moleculares de la lignina. El producto formado se ha estimado usando la siguiente expresión recogida en bibliografía: Ecuación (4). [2] 𝛼= 𝑀𝑥 0,13∙𝑀𝐿 (4) En la que: MX: masa molecular del compuesto obtenido en la reacción ML: masa molecular de la lignina Se obtienen así los siguientes coeficientes estequiométricos recogidos en la Tabla 2: Tabla 2. Cálculos de los coeficientes estequiométricos para la lignina. Fuente: [Elaboración propia] Parámetro Valor Masa molecular lignina Kraft (g/mol) 2325 Masa molecular Vainillina (g/mol) 152,15 Masa molecular Siringaldehido (g/mol) 182,17 Lignina-Vainillina (R1) 0,51 Lignina-Siringaldehido (R2) 0,61 2.1.2. Determinación del coeficiente estequiométrico de los compuestos equivalentes (X) En base a lo especificado en bibliografía [2], por cada mol de lignina que se rompe se originan 13 moles de compuestos equivalentes. Por lo tanto, en el mapa de reacciones la especie X presenta un coeficiente estequiométrico de 6,5. [2] Anexo II: Cálculos Justificativos Página 8 de 136 3. Modelo cinético Las cinéticas correspondientes a la oxidación de lignina en medio alcalino y la posterior oxidación de vainillina a ácido vainillínico, fueron propuestas por Alírio Rodrigues y colaboradores [1], fruto de un estudio de investigación sobre la oxidación de lignina Kraft para producir vainillina. La expresión de la ecuación cinética para la Ecuación (1) es la siguiente: (−𝑟1)=𝑘1𝐶𝑂 1,75𝐶𝐿 (5) En la que: (-r1): velocidad de oxidación de lignina en (mol/m3·s) k1: constante cinética de la reacción ((m3/mol)1,75 ·s) CO: concentración de oxígeno disuelta en el líquido (mol/ m3) CL: concentración de lignina (mol/ m3) La constante cinética k1 sigue la ecuación de Arrhenius y presenta la siguiente expresión (Ecuación (6)) 𝑘1=1,289∙𝑒𝑥𝑝(−29100 𝑅·𝑇 ) (6) En la que: R: constante de los gases ideales: 8,314 (J/mol·K). T: temperatura de reacción (K). El valor de la energía de activación (E1) es de 29100 J/mol·K La expresión para la ecuación cinética de la Ecuación (2) es la siguiente: (−𝑟2)=𝑘2𝐶𝑂𝐶𝐿 (7) En la que: (-r2): velocidad de oxidación de vainillina en (mol/m3·s) k2: constante cinética de la reacción (m3 /mol·s) CO: concentración de oxígeno disuelta en el líquido (mol/m3) CL: concentración de lignina (mol/m3) La constante cinética k2 sigue la ecuación de Arrhenius y presenta la siguiente expresión (Ecuación (8)) Anexo II: Cálculos Justificativos Página 9 de 136 𝑘2=72,6∙𝑒𝑥𝑝(−46000 𝑅·𝑇 ) (8) En la que: R: constante de los gases ideales: 8,314 (J/mol·K) T: temperatura de reacción (K) El valor de la energía de activación (E2) es de 46000 J/mol·K La expresión cinética de la Ecuación (3) es la siguiente Ecuación (9). [2] (−𝑟3)=𝑘3𝐶𝐿0,31𝑃𝑂1,4 (9) En la que: (-r3): velocidad de oxidación de lignina en (mol/m3·s) K3: constante cinética de la reacción PO: presión parcial de oxígeno CL: concentración de lignina (mol/m3) La constante cinética k3 sigue la ecuación de Arrhenius y presenta la siguiente expresión (Ecuación (10)) 𝑘3=0,4895∙𝑒𝑥𝑝(−29100 𝑅𝑇 ) (10) En la que: R: constante de los gases ideales: 8,314 (J/mol·K) T: temperatura de reacción (K) El valor de la energía de activación (E3) es de 29.100 J/mol·K 4. Consideraciones previas al diseño Se establecen una serie de consideraciones para llevar a cabo el diseño del reactor R-101. Previamente, es necesario realizar una explicación genérica acerca de la naturaleza de la reacción para poder tomar dichas consideraciones. En la reacción participa una fase gas definida como aire enriquecido al 50%: está formada por un inerte, el nitrógeno; y un gas reaccionante, el oxígeno. Parte del oxígeno se disuelve en el medio líquido y reacciona. Se considera que el líquido no es soluble en el gas por lo que la reacción tiene lugar únicamente en la fase líquida. [4] Anexo II: Cálculos Justificativos Página 10 de 136 En consecuencia, la reacción que tiene lugar en el interior del reactor es de tipo heterogénea fluido-fluido (gas-líquido), en la cual existe transferencia de materia desde la fase gas a la fase líquida. En este tipo de reacciones hay que tener en cuenta las siguientes etapas: [5] • Difusión de los reactivos unos hacia otros. • Reacción química. • Difusión de los productos. 4.1. Teoría de la doble capa Para determinar cómo se produce el contacto entra las fases en el reactor se hace uso de la teoría de la doble capa de Lewis y Whitman (1924). Inicialmente, es necesario indicar que las reacciones gas-líquido están formadas por una fase gas, una fase líquida y una interfase en la que tiene lugar la reacción. El modelo de la doble capa establece que la transferencia de materia del gas al líquido en la interfase se divide en dos zonas denominadas capas; en las que hay una resistencia al paso de las moléculas de una fase a la otra. Existe una capa para cada fase: la película gaseosa y la película líquida, en las que la transferencia del gas hasta la fase líquida se produce por difusión (régimen laminar). [5] [6] [7] En el resto de la masa (fase líquida y fase gas) se considera con una agitación suficiente (régimen turbulento) que permite la difusión de las moléculas. En la Figura 1 se describen gráficamente las distintas zonas en las que se produce el transporte entre fases. [5] [6] [7] Figura 1. Modelo de la doble capa de Lewis y Whitman. Fuente: [5] Anexo II: Cálculos Justificativos Página 11 de 136 El transporte entre las fases es el siguiente: [7] 1. El gas se difunde desde la fase gas a la película de la fase gas. Existe resistencia a la transferencia del gas hacia la interfase. 2. El gas se transfiere desde la película del gas hasta la película del líquido. Esta resistencia suele ser despreciable. 3. El gas se transfiere desde la película del líquido hacia la fase líquida. 4. El gas se difunde a través de la fase líquida donde se encuentra la zona de reacción. Una vez determinadas las zonas en las que puede haber resistencia a la transferencia de materia, se realizan las siguientes suposiciones para poder llevar a cabo el diseño del reactor en el siguiente apartado 4.2. Etapa limitante. 4.2. Etapa limitante Entre los distintos casos establecidos para describir los regímenes cinéticos para el transporte de materia y para la reacción [4]; y con objeto de asumir una simplificación que permita realizar un correcto diseño de ámbito académico, se toman las siguientes consideraciones en base a lo establecido en la bibliografía. − Se desprecia la resistencia a la película del gas debido a la agitación de la fase gas. [8] − Comportamiento ideal de la fase gas. [8] − Se considera que el oxígeno disuelto está en equilibrio con la interfase. [9] − Se desprecia la resistencia a la trasferencia de materia desde la película del líquido. [8] En base a las consideraciones establecidas, se selecciona el caso H (Figura 2). Para reacciones lentas, en el cual es despreciable la resistencia a la transferencia de materia y la velocidad es la que establece la cinética química. Es decir, se considera como etapa más lenta la reacción química la cual pasa a ser la etapa limitante en el proceso. [4] Figura 2. Caso H. Reacción lenta sin considerar la resistencia a la transferencia de materia. Fuente: [4] Anexo II: Cálculos Justificativos Página 114 de 136 Donde: 𝜎𝑏𝑠: Estrés por momento flector provocado por el viento (N/m2) 𝑀𝑥: Momento flector máximo (N.m) 𝐷𝑠: Diámetro interno del soporte (m), asumiendo el mismo que diámetro externo de carcasa 𝜏𝑓𝑎𝑙𝑑𝑎: Espesor de la falda (m) 𝑊𝑣: Peso total del equipo (N) 𝜎𝑤𝑠: Estrés provocado por el peso total del equipo (N/m2) En cuanto al espesor de la falda, se debe cumplir el criterio que considera el peor de los casos en cuanto a carga debida al viento y peso total del equipo, por lo que: 𝜎𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖ó𝑛<𝑆𝑠𝐸sin𝜃𝑠 (143) 𝜎𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛<0,125 𝐸𝑦(𝜏𝑓𝑎𝑙𝑑𝑎 𝐷𝑠)sin𝜃𝑠 (144) Siendo: 𝑆𝑠𝑠304: Estrés máximo permisible del material (N/m2) 𝐸: Eficacia de soldadura. 𝐸𝑌: Módulo de Young (N/m2) 𝜃𝑠: Ángulo de base de falda, en este caso 90° Los resultados obtenidos para el diseño del soporte tipo falta se recogen en la Tabla 74, donde se incluyen los distintos parámetros y esfuerzos calculados. Anexo II: Cálculos Justificativos Página 115 de 136 Tabla 74: Diseño del soporte tipo falda. Fuente: [Elaboración Propia] Parámetro Valor Sss304 (N/m2) 1,38·108 E 1 EY (N/m2) 2·1011 𝜃𝑠 90° 𝜏𝑓𝑎𝑙𝑑𝑎 (m) 7·10-3 𝑊𝑣 (N) 248.128,95 𝑀𝑥 (N·m) 67.551,14 Esfuerzo Valor 𝜎𝑏𝑠 (N/m2) 3,93·106 𝜎𝑤𝑠 (N/m2) 2,79·106 𝜎𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛(N/m2) 6,72·106 𝜎𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖ó𝑛(N/m2) 1,14·106 Finalmente, tras la realización de los cálculos, se concluye que el espesor y tipo de material escogido para el soporte de la columna es válido, ya que los esfuerzos de compresión y tensión a los que se encuentra sometido el soporte están por debajo de los límites críticos que consideran las peores condiciones. Anexo II: Cálculos Justificativos Página 116 de 136 DIMENSIONAMIENTO BÁSICO DE EQUIPOS Una vez realizados los diseños rigurosos de los equipos de reacción y de adsorción, es necesario realizar un dimensionamiento de los equipos del proceso, con el fin de estimar un tamaño y coste de equipos de cara a incluir en el presupuesto del proyecto. El dimensionamiento se realizará, si es posible, en base a los datos de proceso obtenidos. Otros equipos serán dimensionados a partir de datos de catálogo de fabricantes debido a la falta de referencias para realizar dichos cálculos. 1. Tanque de mezcla TM-101 Para el dimensionamiento de este equipo, el parámetro crítico a conocer es el volumen. Este será calculado en base al caudal másico de entrada y a un tiempo estimado de permanencia del fluido en el tanque, tal y como muestra la Ecuación (145) . 𝑉𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒=𝑚 𝜌·𝑡 (145) Siendo 𝑚 el caudal másico total de entrada al tanque (kg/h), 𝜌 la densidad del fluido (kg/m3) y 𝑡 el tiempo de permanencia del fluido en el recipiente (h), que será de 1 hora con el fin de garantizar una mezcla homogénea. Al volumen obtenido se le sumará un 10% a mayores por seguridad. Los resultados se presentan en la Tabla 75: Tabla 75: Dimensionamiento tanque de mezcla TM-101. Fuente: [Elaboración propia] Parámetro Valor Caudal másico (kg/h) 22.004,12 Densidad (kg/m3) 1.042,80 Tiempo de permanencia (h) 1 V tanque (m3) 23,21 Se debe determinar la masa del tanque, para lo cual se necesita conocer el espesor del mismo. Para ello se supone una relación L/D de 4 y en base a lo indicado en bibliografía [13], se considera el espesor mínimo en función del diámetro del tanque. Los resultados se presentan en la siguiente Tabla 76: Tabla 76. Determinación del espesor mínimo del tanque. Fuente: [Elaboración propia] Parámetro Valor V tanque (m3) 23,21 L/D 4 D tanque (m) 1,95 L (m) 7,79 Espesor tanque (mm) 7 Anexo II: Cálculos Justificativos Página 117 de 136 El diámetro del tanque está entre 1-2 m por lo que, de acuerdo con el código ASME BVP Sec. VIII D1, el espesor mínimo de un tanque a presión con un diámetro en ese rango es de 7 mm. Debido a las condiciones corrosivas a las que estará sometida el equipo el material empleado para la construcción del tanque de mezcla será monel 400. Se determina el volumen de la carcasa y, con la densidad del monel, el peso de esta. La masa total de la carcasa del tanque se muestra en la siguiente Tabla 77: Tabla 77. Cálculo de la masa de la carcasa del tanque de mezcla T-101. Fuente:[Elaboración propia] Parámetro Valor V tanque (m3) 23,21 Di tanque (m) 1,95 L (m) 7,79 Espesor tanque (mm) 7 Densidad monel (kg/m3) 8.800 Masa carcasa, monel 400 (kg) 2.936,35 Dado que el dimensionamiento del equipo es necesario para la determinación de su coste, en este caso, en base a la masa de carcasa en acero al carbono, se determinará la masa de carcasa fabricada en dicho material. Su coste será corregido por el factor material, con lo que se tendrá en cuenta su coste real en monel. Tabla 78: Masa de carcasa en acero al carbono. Fuente:[Elaboración propia] Parámetro Valor Densidad acero al carbono (kg/m3) 7.840 Masa carcasa, acero al carbono (kg) 2.616,02 2. Tanque de almacenamiento V-201 El objetivo de este equipo es garantizar el flujo constante hacia las columnas de adsorción T-201/T-202. El dimensionamiento de este equipo se realiza siguiendo la misma metodología que en el caso del tanque de mezcla TM-101. Para ello, se asumirá un tiempo de permanencia de 15 minutos y al volumen calculado se le sumará un 10% por seguridad. Anexo II: Cálculos Justificativos Página 118 de 136 Tabla 79: Dimensionamiento del tanque V-201. Fuente: [Elaboración propia] A continuación, será necesario conocer las dimensiones del tanque y el espesor de carcasa. Para ello, se aplicará una relación L/D de 3 y en base a lo indicado en bibliografía [13], se considera el espesor mínimo en función del diámetro del tanque. Los resultados se presentan en la siguiente Tabla 80. Tabla 80: Determinación espesor mínimo del tanque. Fuente: [Elaboración propia] Parámetro Valor V tanque (m3) 5,94 L/D 3 D tanque (m) 1,36 L (m) 4,08 Espesor tanque (mm) 7 El diámetro del tanque está entre 1-2 m por lo que de acuerdo con el código ASME BVP Sec. VIII D1 el espesor mínimo de un tanque a presión con un diámetro en ese rango es de 7 mm. El material de fabricación del tanque de almacenamiento V-201 será monel 400 ya que estará sometido a unas condiciones de alta alcalinidad y, por tanto, de gran corrosión. Se determina el volumen de la carcasa y, con la densidad del monel, la masa de la misma. La masa total de la carcasa del tanque se muestra en la Tabla 81. Tabla 81: Masa de carcasa fabricada en monel 400. Fuente: [Elaboración propia] Parámetro Valor V tanque (m3) 5,94 Di tanque (m) 1,36 L (m) 4,08 Espesor tanque (mm) 7 Densidad monel (kg/m3) 8800 Masa carcasa, monel 400 (kg) 1.075,40 Parámetro Valor Caudal másico (kg/h) 22.073,84 Tiempo (h) 0,25 Densidad (kg/m3) 1.029,14 V tanque (m3) 5,94 Anexo II: Cálculos Justificativos Página 119 de 136 De igual manera que en el caso del tanque de mezcla TM-101, para la determinación de su coste será necesario conocer la masa de carcasa fabricada en acero al carbono para, posteriormente, aplicar el factor de corrección material. Tabla 82: Masa de carcasa en acero al carbono. Fuente:[Elaboración propia] Parámetro Valor Densidad acero al carbono (kg/m3) 7.840 Masa carcasa, acero al carbono (kg) 958,08 3. Tanque de almacenamiento V-202 El dimensionamiento de este equipo se realiza siguiendo la misma metodología que en el caso del tanque de mezcla TM-101. En este caso, se debe considerar un volumen suficiente para albergar un volumen de fluido que garantice la continuidad del proceso. Para ello, se analiza las secuencias de adsorción-desorción, observando un tiempo ocioso de 1,4 horas, en las que no hay flujo de productos al tanque. Por ello, se realizan los cálculos del mismo modo que en el equipo anterior pero además el tanque considerará el volumen de fluido a mayores, equivalente a ese tiempo en función del caudal másico y se le sumará un 10% para asegurar la continuidad. Los resultados se muestran en la siguiente Tabla 83: Tabla 83: Dimensionamiento tanque de almacenamiento V-202. Fuente: [Elaboración propia] Se debe determinar el peso del tanque, para el cual se necesita conocer el espesor del mismo. Para ello, se supone una relación L/D de 4 y en base a lo indicado en bibliografía [13], se considera el espesor mínimo en función del diámetro del tanque. Los resultados se presentan en la siguiente Tabla 84: Parámetro Valor Caudal másico (kg/h) 21.666,94 Tiempo (h) 1,4 Densidad (kg/m3) 995,1 V tanque (m3) 33,53 Anexo II: Cálculos Justificativos Página 120 de 136 Tabla 84.Determinación del espesor mínimo del tanque. Fuente:[Elaboración propia] Parámetro Valor V tanque (m3) 33,53 L/D 4 D tanque (m) 2,20 L (m) 8,81 Espesor tanque (mm) 9 El diámetro del tanque está entre 2-2,5 m por lo que de acuerdo con el código ASME BVP Sec. VIII D1 el espesor mínimo de un tanque a presión con un diámetro en ese rango es de 9 mm. Se considera que el material el tanque de mezcla está fabricado de acero inoxidable AISI 304, ya que el equipo no estará sometido a condiciones altamente corrosivas. Se determina el volumen de la carcasa y con la densidad del acero el peso de la misma. El peso total de la carcasa del tanque se muestra en la siguiente Tabla 85: Tabla 85. Cálculo de la masa de la carcasa del tanque de almacenamiento V-202. Fuente:[Elaboración propia] Parámetro Valor V tanque (m3) 33,53 Di tanque (m) 2,20 L (m) 8,81 Espesor tanque (mm) 9 Densidad AISI 304 (kg/m3) 7.900 Masa carcasa tanque (kg) 4.331,14 4. Agitador del tanque TM-101 El objetivo del tanque de mezcla TM-101 es albergar los distintos compuestos que formarán parte de la disolución final. Para lograr una disolución homogénea es necesario el empleo de un agitador. Generalmente, el tipo de agitador depende del tipo de mezclado que se tenga como objetivo, el volumen del tanque y las propiedades de los fluidos que intervienen. En este caso, los compuestos que contiene el tanque de mezcla TM-101 son lignina, hidróxido de sodio y agua. Dado que el principal compuesto de la disolución es el agua, en torno a un 80% del caudal másico total, a una temperatura de 20°C, la disolución del tanque poseerá propiedades de alta viscosidad. En base a la literatura [13], es posible escoger el tipo de agitador teniendo en cuenta el volumen del tanque de mezcla TM-101, el cual asciende a 23,21 m3. Con estos datos, el agitador más apropiado es una turbina de palas con montaje sobre el eje. Anexo II: Cálculos Justificativos Página 121 de 136 Por otra parte, será necesario el uso de un motor que accione la turbina a través de un eje. La bibliografía [13] aporta datos sobre las potencias necesarias en base a al tipo de agitación y aplicación. Figura 34: Potencia requerida por el motor de agitación. Fuente:[13] Considerando un tipo de agitación media para mezclas líquido-líquido, se obtiene un rango de potencia de 1-1,5 kW/m3. Tomando un valor medio de potencia, 1,25 kW/m3, y teniendo en cuenta el volumen del tanque de mezcla TM-101, puede obtenerse el valor de potencia del motor requerido para la agitación, mostrado en la Tabla 86. Tabla 86: Características del sistema de agitación. Fuente: [Elaboración propia] Parámetro Valor Volumen TM-101, V (m3) 23,21 Tipo de agitador Turbina de palas sobre el eje Potencia motora, P (kW/m3) 1,25 Potencia real necesaria, Preal (kW) 29,01 5. Bombas Las bombas empleadas en el proceso tienen como función el transporte de los líquidos del proceso. La energía que deben aplicar al fluido debe ser los suficiente para cumplir los requerimientos del punto de destino, teniendo en cuenta los distintos fenómenos a los que estará sometido tales como perdidas por fricción en conducciones y accesorios, pérdidas en equipos de proceso y superar diferencias de altura entre el punto de succión y descarga. [13] El tipo de bomba escogida para la planta es la bomba centrífuga, uno de los tipos más empleados en planta químicas, entre otros factores, por estar indicada para cargas elevadas. Teniendo en cuenta que el presente dimensionamiento servirá para el cálculo de su coste, deben distinguirse las partes que conforman el equipo. Por una parte, el elemento centrífugo o rodete, que, con su movimiento en el interior de la carcasa de la bomba, aplica la energía al líquido para su impulsión. El coste se calcula teniendo en cuenta el caudal volumétrico que debe gestionar por segundo, el cual se calcula a partir de la Ecuación (146). [13] Anexo II: Cálculos Justificativos Página 122 de 136 𝑄󰇗=𝑚󰇗𝜌·103 (146) Donde 𝑄󰇗 es el caudal volumétrico (L/s), 𝑚󰇗 el caudal másico (kg/s) y 𝜌 la densidad del líquido (kg/m3). Por otra parte, se encuentra el motor eléctrico, que permitirá el movimiento del elemento centrífugo. La determinación de su coste se realizará en función de la potencia de este. Por ese motivo, será necesario la realización de un balance de energía mecánica que viene dado a partir de la ecuación de Bernoulli para fluidos incompresibles, considerando la densidad de los líquidos constante con la variación de presión. [13] 𝑣12−𝑣22 2∗(𝛼1−𝛼2)+𝑔·(𝑧1−𝑧2)+𝑃1−𝑃2 𝜌+𝑊−∑𝐹=0 (147) El primero de los términos de la expresión, ΔEcinética, hace referencia a variación de la energía cinética. Por otra parte, ΔEpotencial, expresa la variación de energía potencial, mientras que ΔEflujo expresa la energía por diferencia de presión y ∑𝐹 el sumatorio de fuerzas de fricción, las cuales provocan una pérdida de energía. Por último, se encuentra el término 𝑊, que expresa el trabajo a aportar o a retirar del fluido. Precisamente, el signo que posea este término determinará si es necesario la aportación o retirada de energía al fluido. Si el signo es positivo (+), este indica la necesidad de extraer energía del fluido, mientras que, si el signo es negativo (-), será necesaria la aportación de energía, en este caso por medio de la bomba centrífuga. En la realización de los balances de energía de las bombas aquí planteados se despreciará el primer término, ΔEcinética, debido a que se asume que el diámetro de las conducciones es el mismo y constante. Por otra parte, se asume la no existencia de pérdidas de carga, ∑𝐹, debido al rozamiento, por lo que es posible despreciar el último término de la ecuación. Además, las variaciones de temperatura del fluido se asumen como despreciables. En cuanto al término que evalúa la variación de energía potencial, ΔEpotencial, se distinguirán dos grupos de bombas. El primer grupo incluye todas aquellas bombas en las que se desprecia este término debido a que no se considera una diferencia de altura entre los puntos de succión y descarga, a saber, P-101 A/B, P-201 A/B, P-202 A/B y P-301 A/B. Por tanto, para este primer grupo, el cálculo del trabajo necesario a realizar por la bomba por unidad másica se calcula a partir de la siguiente Ecuación (148) . ΔEcinética ΔEpotencial Fricción ΔEflujo Trabajo Anexo II: Cálculos Justificativos Página 123 de 136 𝑊=𝑃1−𝑃2 𝜌 (148) Donde 𝑊 es el trabajo a realizar por la bomba (kJ/kg), 𝑃1 y 𝑃2 la presión en el punto de succión y en el punto de descarga (kPa), y 𝜌 la densidad del fluido (kg/m3). Una vez conocido el dato de trabajo que debe realizar la bomba por unidad másica, es posible conocer la potencia total requerida o potencia teórica, calculada a partir de la Ecuación (149). 𝑃𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑎=𝑚󰇗·𝑊 (149) Donde 𝑃𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑎 es la potencia teórica o útil (kW) y 𝑚󰇗 el flujo másico (kg/s). Sin embargo, una vez conocida la potencia teórica o útil que se debe aplicar, es necesario tener en cuenta que toda bomba posee una cierta eficiencia máxima. Esto hace que se necesite una potencia real mayor a la considerada como útil para lograr cumplir los requerimientos. A partir de bibliografía [13] se extrae que la eficiencia (𝜂) de este tipo de bombas ronda el 70%, con lo que el cálculo de la potencia real se lleva a cabo a partir de la Ecuación (150). 𝑃𝑟𝑒𝑎𝑙=𝑚󰇗·𝑊 𝜂 (150) Finalmente, aplicando las expresiones anteriormente explicadas, se obtienen los siguientes datos mostrados en la Tabla 87, correspondientes a las bombas centrífugas pertenecientes al primer grupo. Tabla 87:Parámetros de las bombas del proceso. Fuente:[Elaboración propia] P-101 A/B P-201 A/B P-202 A/B P-301 A/B CENTRÍGUFA 𝑚󰇗 (kg/h) 22.004,12 28.900,07 16.370,96 23.348,03 ρ (kg/m3) 1.042,81 1.027,85 1.031,13 991,68 Q (L/s) 5,86 7,81 4,41 6,54 MOTOR P1 (kPa) 101 240 240 101 P2 (kPa) 1.000 3.000 1.000 103 W (kJ/kg) 0,86 2,69 0,74 2,01·10-3 Pteórica (kW) 5,27 21,56 3,35 1,31·10-2 η 70% 70% 70% 70% Preal (kW) 7,53 30,79 4,79 1,87·10-2 Anexo II: Cálculos Justificativos Página 130 de 136 El diámetro óptimo que garantiza el menor coste puede ser calculado a partir de la Ecuación (155). [13] 𝐷ó𝑝𝑡𝑖𝑚𝑜 =0,33·(𝐺 𝜌)0,5 (155) Donde 𝐷ó𝑝𝑡𝑖𝑚𝑜 es el diámetro óptimo de la conducción (m); 𝐺 es el caudal másico de fluido (kg/s) y 𝜌 la densidad del fluido (kg/m3). Una vez obtenido el diámetro óptimo, debe seleccionarse el espesor de conducción más adecuado para cada caso en función de las condiciones de proceso tales como presión y temperatura. En este proceso son se destacan condiciones de operación anormalmente altas, con lo que se puede concluir que el tipo de espesor de tubería más adecuado corresponde al tipo “Schedule 40”. Los parámetros de las conducciones deben ser estandarizados en base al catálogo del fabricante y según la norma ASME B36.10 para la estandarización de conducciones de acero. Figura 37: Dimensiones estandarizadas de conducciones fabricadas en acero inoxidable SúperDúplex UNS32750 del proveedor Walmitube. Fuente:[53] Anexo II: Cálculos Justificativos Página 131 de 136 Aplicando la metodología explicada anteriormente en este apartado, se determinan las dimensiones de las conducciones del proceso cuyo flujo sea de líquidos o gases, mostrándose los resultados en la Tabla 92. Tabla 92: Dimensiones de las conducciones del proceso. Fuente: [Elaboración propia] Corriente G (kg/s) ρ (kg/m3) Dóptimo (mm) Destandarizado (mm) Espesor (mm) Tipo de espesor 2 0,84 1.350 8,25 10,30 1,73 Sch 40 3 4,84 997,00 22,98 26,70 2,87 Sch 40 4 6,11 1.042,81 25,26 26,70 2,87 Sch 40 5 6,11 1.042,81 25,26 26,70 2,87 Sch 40 6 10,66 970,31 34,59 42,20 3,56 Sch 40 7 10,66 970,31 34,59 42,20 3,56 Sch 40 8 10,66 970,31 34,59 42,20 3,56 Sch 40 9 1,82 1,212 403,97 406,40 12,70 Sch 40 10 1,82 2,456 283,78 323,80 10,31 Sch 40 11 1,43 1,543 317,51 323,80 10,31 Sch 40 12 0,39 1,625 161,23 168,30 7,11 Sch 40 13 0,39 7,057 77,37 88,90 5,49 Sch 40 14 0,39 8,346 71,14 73,00 5,16 Sch 40 15 0,79 8,332 101,40 101,60 5,74 Sch 40 16 0,77 8,319 100,22 101,60 5,74 Sch 40 17 0,37 8,319 69,46 73,00 5,16 Sch 40 18 0,40 8,319 72,25 73,00 5,16 Sch 40 19 10,68 1.029,99 33,60 42,20 3,56 Sch 40 20 10,68 1.029,99 33,60 42,20 3,56 Sch 40 21 2,65 1.036,48 16,69 17,10 2,31 Sch 40 22 8,03 1.027,85 29,16 33,40 3,38 Sch 40 23 8,03 1.027,85 29,16 33,40 3,38 Sch 40 24 1,90 1.023,65 14,20 17,10 2,31 Sch 40 25 4,55 1.031,13 21,92 26,70 2,87 Sch 40 26 4,55 1.031,13 21,92 26,70 2,87 Sch 40 27 6,13 1.029,14 25,47 26,70 2,87 Sch 40 28 6,13 1.029,14 25,47 26,70 2,87 Sch 40 29 5,98 997,00 25,56 26,70 2,87 Sch 40 30 5,98 997,00 25,56 26,70 2,87 Sch 40 31 4,79 806,70 25,43 26,70 2,87 Sch 40 32 4,79 806,70 25,43 26,70 2,87 Sch 40 33 10,88 928,39 35,73 42,20 3,56 Sch 40 34 6,02 995,10 25,66 26,70 2,87 Sch 40 35 6,02 995,1 25,66 26,70 2,87 Sch 40 36 0,47 964,00 7,31 10,30 1,73 Sch 40 38 6,49 991,70 26,69 26,70 2,87 Sch 40 39 6,49 991,70 26,69 26,70 2,87 Sch 40 40 10,08 1,683 807,77 813 17,48 Sch 40 42 3,62 1,18 577,68 610 17,48 Sch 40 Anexo II: Cálculos Justificativos Página 132 de 136 12. 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Coste de servicios auxiliares .............................................................................. 8 3.4. Coste de mano de obra directa e indirecta ......................................................... 9 3.5. Coste de mantenimiento y reparación .............................................................. 10 3.6. Coste de distribución del producto .................................................................. 10 3.7. Coste del seguro ............................................................................................... 11 4. Cálculo de costes de gestión.................................................................................... 11 4.1. Gastos comerciales .......................................................................................... 11 4.2. Gastos administrativos ..................................................................................... 11 4.3. Gastos de investigación ................................................................................... 12 5. Resumen de costes de manufactura ......................................................................... 12 6. Cálculo de ingresos por la venta de productos ........................................................ 12 7. Amortización ........................................................................................................... 13 8. Análisis del flujo de caja ......................................................................................... 14 9. Análisis de rentabilidad de la planta ....................................................................... 18 9.1. Valor Actual Neto (VAN) ................................................................................ 18 9.2. Tasa Interna de Retorno (TIR) ......................................................................... 18 9.3. Payback ............................................................................................................ 19 10. Conclusiones sobre la viabilidad económica ....................................................... 20 11. Análisis de sensibilidad ....................................................................................... 20 12. Bibliografía .......................................................................................................... 23 Anexo III. Análisis de viabilidad económica Página 3 de 23 1. Introducción En el presente anexo se realizará un análisis para la determinación de la viabilidad económica del proyecto planteado en este trabajo. La rentabilidad del proyecto se analizará en base a los indicadores financieros VAN (Valor Actual Neto), TIR (Tasa Interna de Rentabilidad) y “Payback” o tiempo de retorno. Por otra parte, se analizarán los flujos de caja de la planta en un período de 20 años, con lo que se estudiará su evolución en términos económicos. Para este estudio, se tiene como base el presupuesto para la construcción y puesta en marcha de la planta, calculado en el Documento V. Presupuesto. 2. Préstamo de capital para la puesta en marcha Una vez calculado la inversión que se debe realizar para poder comenzar la actividad industrial, incluyendo la construcción y puesta en marcha, es necesario buscar vías de financiación. El método de financiación más habitual es a través de un préstamo por parte de una entidad bancaria. Ello conlleva a un coste a mayores debido a los intereses impuestos por dicha entidad. En el momento de la realización del presente análisis de viabilidad económica se está experimentando en España un aumento considerable de los tipos de interés en préstamos, debido en parte a la situación económica de Unión Europea y a factores como la incertidumbre por guerras y tensiones internacionales. Habiendo realizado una búsqueda general en varias entidades financieras, se ha establecido una media de tipo de interés fijo al préstamo de un 7%. Además, se establece un plazo de 20 años para la devolución del capital prestado por parte de la entidad financiera. En base a estos datos y a la cuantía solicitada de préstamo, la cual asciende a 49.929.196,01 €, se debe calcular el importe anual a pagar a la entidad, también conocido como “anualidad”, según el método francés, el cual permite el cálculo de cuotas anuales constantes a interés fijo y que se expresa en forma de la Ecuación (1) [1]: 𝐶𝑢𝑜𝑡𝑎 𝑎𝑛𝑢𝑎𝑙 (𝐶)=𝐶𝑜·𝑖·(1+𝑖)𝑛 (1+𝑖)𝑛−1 (1) Siendo: 𝐶𝑜: Cuantía total del préstamo original (€) 𝑖: Tasa de interés anual fijo 𝑛: Período de devolución del préstamo (años) Teniendo en cuenta todos los datos descritos y aplicando la Ecuación (1) siguiendo el método francés, se obtienen los resultados mostrados en la Tabla 1. Anexo III. Análisis de viabilidad económica Página 10 de 23 La mano de obra indirecta engloba a todo aquel personal cuyo trabajo no esté relacionado directamente con el proceso, pero sí con otras tareas que dan soporte a la planta. Dentro de este grupo se encuentran los profesionales administrativos, transportistas o equipos de limpieza, entre otros. El cálculo del coste de la mano de obra indirecta se obtiene por medio de un método factorial, aplicando un factor de un 15% con respecto al coste de mano de obra directa [8]. Los resultados se muestran en la Tabla 8. Tabla 8: Coste de mano de obra indirecta. Fuente:[Elaboración propia] Concepto Valor Coste de mano de obra directa (€/año) 5.408.000,00 Factor de cálculo 0,15 Coste de mano de obra indirecta (€/año) 811.200,00 3.5. Coste de mantenimiento y reparación Se incluyen todos los costes derivados del mantenimiento de la planta, así como de reparaciones y sustitución de piezas de equipos. El coste asciende al 5% del coste de capital fijo, cuyo valor ha sido calculado en el Documento V. Presupuesto [3]. Los resultados se recogen en la Tabla 9. Tabla 9: Coste de mantenimiento y reparaciones. Fuente: [Elaboración propia] Concepto Valor Coste de capital fijo, CF (€) 45.363.029,39 Factor de cálculo 0,05 Coste de mantenimiento y reparación (€) 2.268.151,47 3.6. Coste de distribución del producto Se incluyen los costes de empaquetado del producto final y su distribución a los clientes. De la misma manera que en el caso anterior, su coste se calcula a partir del coste de capital fijo, correspondiéndose en este caso con el 1% del coste de capital fijo [3]. Los resultados obtenidos se muestran en la Tabla 10. Tabla 10: Coste de distribución del producto. Fuente: [Elaboración propia] Concepto Valor Coste de capital fijo, CF (€) 45.363.029,39 Factor de cálculo 0,01 Coste de distribución del producto (€) 453.630,29 Anexo III. Análisis de viabilidad económica Página 11 de 23 3.7. Coste del seguro Se incluye el coste de contratación del seguro para la planta, calculado como el 1% del coste de capital fijo [3]. Los resultados obtenidos se recogen la Tabla 11. Tabla 11: Coste de contratación del seguro. Fuente: [Elaboración propia] Concepto Valor Coste de capital fijo, CF (€) 45.363.029,39 Factor de cálculo 0,01 Coste de contratación del seguro (€) 453.630,29 4. Cálculo de costes de gestión En el siguiente apartado, se tendrán en cuenta el coste de los gastos de gestión, entre los que figuran los gastos comerciales, administrativos y de investigación. El importe de cada uno de estos gastos será calculado a partir del coste total de explotación, aplicando un factor de cálculo para cada caso dado por bibliografía [3]. 4.1. Gastos comerciales Se incluyen los costes derivados de la venta del producto, entre los que se encuentra personal o publicidad, entre otros. Los resultados obtenidos se muestran en la Tabla 12. Tabla 12: Cálculo de gastos comerciales. Fuente: [Elaboración propia] Concepto Valor Coste total de explotación (€) 51.535.253,44 Factor de cálculo 0,1 Gastos comerciales (€) 5.153.525,34 4.2. Gastos administrativos Se incluyen los costes derivados del trabajo de oficina y sus empleados, entre otros. Los resultados se muestran en la Tabla 13. Tabla 13: Cálculo de gastos administrativos. Fuente: [Elaboración propia] Concepto Valor Coste total de explotación (€) 51.535.253,44 Factor de cálculo 0,03 Gastos administrativos (€) 1.546.057,60 Anexo III. Análisis de viabilidad económica Página 12 de 23 4.3. Gastos de investigación Se incluyen los gastos de laboratorio, donde se procesan las analíticas que puedan ser realizadas para el control de calidad, así como los gastos en investigación y desarrollo. Los resultados obtenidos se muestran en la Tabla 14. Tabla 14: Cálculo de gastos de investigación. Fuente: [Elaboración propia] Concepto Valor Coste total de explotación (€) 51.535.253,44 Factor de cálculo 0,01 Gastos de investigación (€) 515.352,53 5. Resumen de costes de manufactura A continuación, se recogen en la Tabla 15 los datos de las distintas partidas que conforman los costes de explotación y los costes de gestión. Tabla 15: Costes de manufactura de la planta. Fuente:[Elaboración propia] Partida Coste EXPLOTACIÓN Materias primas y otros compuestos 38.309.673,98 € Servicios auxiliares 3.830.967,40 € Mano de obra directa 5.408.000,00 € Mano de obra indirecta 811.200,00 € Mantenimiento y reparaciones 2.268.151,47 € Distribución del producto 453.630,29 € Seguro 453.630,29 € TOTAL COSTES EXPLOTACIÓN 51.535.253,44 € GESTIÓN Gastos comerciales 5.153.525,34 € Gastos administrativos 1.546.057,60 € Gastos de investigación 515.352,53 € TOTAL COSTES GESTIÓN 7.214.935,48 € 6. Cálculo de ingresos por la venta de productos La principal fuente de ingresos de la planta viene de la venta del producto obtenido: vainillina al 98% pureza. En el Documento I apartado 5. Estudio de mercado se ha analizado los distintos tipos de vainillina y su mercado. En el caso de la vainillina producida a partir de lignina Kraft, tras analizar el mercado, se ha determinado un precio medio de venta de 140 $/kg, lo que se traduce en 134,84 €/kg, aplicando el cambio de divisa. Anexo III. Análisis de viabilidad económica Página 13 de 23 Además, en el proceso de separación de vainillina y siringaldehído, llevada a cabo en la Sección 200 del proceso, se obtiene siringaldehído como subproducto. Tal y como se ha analizado anteriormente, el siringaldehído es un compuesto ampliamente usado en la industria farmacéutica, por lo que se considerará la venta de este subproducto. Para ello, se ha obtenido a partir de bibliografía [9] un precio de venta de 22 €/kg. Por tanto, se puede concluir que los ingresos de la planta vendrán de la venta del producto y subproducto, tal y como se muestra en la Tabla 16. Tabla 16: Ingresos por ventas de producto y subproducto. Fuente: [Elaboración propia] Compuesto Cantidad (t/año) Precio venta (€/t) Importe (€) Vainillina 500 130.841,12 65.420.560,75 Siringaldehído 168,85 22.000 3.714.700,00 INGRESOS ANUALES TOTALES (€) 69.135.260,75 7. Amortización A medida que pasa el tiempo, ya sea por uso u obsolescencia, existe una pérdida de valor del capital inmovilizado. Esto se traduce en pérdidas para la empresa por lo que el objetivo es el cálculo del valor perdido anualmente para que pueda ser reconocido como un gasto deducible. La cuota de amortización anual representa el valor que compensa la pérdida de valor, por lo que se trata de un parámetro importante a la hora de analizar la rentabilidad económica de una planta industrial. La cuota de amortización puede ser calculada a partir de la Ecuación (5). [10] 𝐶𝑎𝑚𝑜𝑟𝑡𝑖𝑧𝑎𝑐𝑖ó𝑛 =𝐶𝐹−𝐶𝑡𝑒𝑟𝑟𝑒𝑛𝑜 𝑛 (5) Donde: 𝐶𝐹: Coste de capital fijo (€) 𝐶𝑡𝑒𝑟𝑟𝑒𝑛𝑜: Coste del terreno (€) 𝑛: Vida útil de la planta (años) Puede observarse que la cuota de amortización será constante durante los años de vida útil de la planta. Además, en el cálculo de la cuota no se tiene en consideración el coste del terreno ya que se asume que este no se deprecia a lo largo del tiempo, por lo que no podrá ser compensado. Aplicando la expresión con los datos mostrados en la Tabla 17, se obtiene la cuota de amortización. Anexo III. Análisis de viabilidad económica Página 14 de 23 Tabla 17: Cálculo de la cuota de amortización. Fuente: [Elaboración propia] Concepto Valor Coste de capital fijo, CF (€) 45.363.029,39 Coste del terreno, 𝐶𝑡𝑒𝑟𝑟𝑒𝑛𝑜(€) 2.745.474,31 𝑛 (años) 20 𝑪𝒂𝒎𝒐𝒓𝒕𝒊𝒛𝒂𝒄𝒊ó𝒏 (€) 2.130.877,75 8. Análisis del flujo de caja En este apartado se realizará un análisis de los flujos monetarios anuales de la planta, para los 20 años de vida útil que se ha considerado para esta, a partir del cual se podrá comprobará la viabilidad económica del proyecto. Se analizan por tanto las entradas y salidas de dinero con el tiempo, lo cual dependerá de los ingresos y gastos de la planta. En la realización del flujo se calcularán diversos parámetros, empezando por el beneficio bruto o beneficio antes de impuestos para cada año (𝐵𝐴𝐼𝑚). Este es calculado como la diferencia entre los ingresos y la suma de costes de manufactura, la cuantía correspondiente a los intereses para ese año debido al capital vivo del préstamo financiero y la cuota de amortización. Debe tenerse en cuenta la aplicación de la tasa de inflación sobre los ingresos y los costes de manufactura totales del año, que para este caso es de un 3%. Se calcula a partir de la Ecuación (6). [3] 𝐵𝐴𝐼𝑚=𝐼𝑛𝑔𝑟𝑒𝑠𝑜𝑠𝑚−𝐶𝑜𝑠𝑡𝑒𝑠𝑚−𝐼𝑛𝑡𝑒𝑟𝑒𝑠𝑒𝑠𝑚−𝐶𝑎𝑚𝑜𝑟𝑡𝑖𝑧𝑎𝑐𝑖ó𝑛 (6) Siendo 𝐼𝑛𝑔𝑟𝑒𝑠𝑜𝑠𝑚 y 𝐶𝑜𝑠𝑡𝑒𝑠𝑚 los valores de ingresos y costes de manufactura actualizados con la tasa de inflación y 𝐼𝑛𝑡𝑒𝑟𝑒𝑠𝑒𝑠𝑚 la cuota correspondiente a los intereses, para el año 𝑚. Cabe destacar que el BAI no incluye la cuantía debida a impuestos. La cuantía debida a impuestos se estima como un 30% del BAI para ese año. El siguiente paso será por tanto la aplicar dichos impuestos, con lo que se obtiene el denominado beneficio neto para el año 𝑚, (𝐵𝑁𝑚), calculado a partir de la Ecuación (7). [3] 𝐵𝑁𝑚= 𝐵𝐴𝐼𝑚−𝑖𝑚𝑝𝑢𝑒𝑠𝑡𝑜𝑠𝑚 (7) A continuación, el cálculo del flujo neto de caja para el año 𝑚, 𝐹𝑁𝐶𝑚, se obtiene sumando la cuota de amortización al beneficio neto de ese año. Tal y como se explicó en el punto 7. Amortización, el sentido que tiene sumar la cuota de amortización es compensar la pérdida de valor con el tiempo. Se obtiene a partir de la Ecuación (8). [3] 𝐹𝑁𝐶𝑚=𝐵𝑁𝑚+𝐶𝑎𝑚𝑜𝑟𝑡𝑖𝑧𝑎𝑐𝑖ó𝑛 (8) Anexo III. Análisis de viabilidad económica Página 15 de 23 Finalmente, es posible calcular el flujo neto de caja acumulado mediante la suma del flujo neto de caja acumulado del año (𝑚-1) y el flujo neto de caja del año 𝑚. El flujo de caja neto acumulado será de vital importancia para la determinación del “Payback”, que constituye uno de los parámetros de análisis para determinar la viabilidad económica de la planta. Cabe destacar que en el año 0 (año en el que se realiza la inversión) el flujo neto de caja acumulado es igual al valor de la inversión, en este caso 49.929.196,01 €. La aplicación de los distintos parámetros anteriormente explicados permite realizar los flujos de caja año a año durante la vida útil de la planta, 20 años, lo cual se muestra en la Tabla 18. Anexo III. Análisis de viabilidad económica Página 16 de 23 Tabla 18:Flujos de caja anuales. Fuente: [Elaboración propia] Año 0 1 2 3 4 5 6 7 Ingresos - 69.135.260,75 € 71.209.318,57 € 73.345.598,13 € 75.545.966,07 € 77.812.345,05 € 80.146.715,40 € 82.551.116,87 € Costes - 58.750.188,92 € 60.512.694,58 € 62.328.075,42 € 64.197.917,68 € 66.123.855,21 € 68.107.570,87 € 70.150.798,00 € Intereses - 3.495.043,72 € 3.409.789,38 € 3.318.567,23 € 3.220.959,54 € 3.116.519,30 € 3.004.768,25 € 2.885.194,63 € Amortización - 2.130.877,75 € 2.130.877,75 € 2.130.877,75 € 2.130.877,75 € 2.130.877,75 € 2.130.877,75 € 2.130.877,75 € BAI - 4.759.150,36 € 5.155.956,85 € 5.568.077,72 € 5.996.211,10 € 6.441.092,78 € 6.903.498,53 € 7.384.246,49 € Impuestos - 1.427.745,11 € 1.546.787,06 € 1.670.423,32 € 1.798.863,33 € 1.932.327,83 € 2.071.049,56 € 2.215.273,95 € BN - 3.331.405,25 € 3.609.169,80 € 3.897.654,40 € 4.197.347,77 € 4.508.764,95 € 4.832.448,97 € 5.168.972,54 € Amortización - 2.130.877,75 € 2.130.877,75 € 2.130.877,75 € 2.130.877,75 € 2.130.877,75 € 2.130.877,75 € 2.130.877,75 € FNC -49.929.196,01 € 5.462.283,00 € 5.740.047,55 € 6.028.532,16 € 6.328.225,52 € 6.639.642,70 € 6.963.326,72 € 7.299.850,30 € FNC acumulado -49.929.196,01 € -44.466.913,00 € -38.726.865,45 € -32.698.333,29 € -26.370.107,77 € -19.730.465,07 € -12.767.138,35 € -5.467.288,05 € Año 8 9 10 11 12 13 14 15 Ingresos 85.027.650,37 € 87.578.479,88 € 90.205.834,28 € 92.912.009,31 € 95.699.369,59 € 98.570.350,68 € 101.527.461,20 € 104.573.285,03 € Costes 72.255.321,94 € 74.422.981,60 € 76.655.671,04 € 78.955.341,17 € 81.324.001,41 € 83.763.721,45 € 86.276.633,10 € 88.864.932,09 € Intereses 2.757.250,85 € 2.620.351,00 € 2.473.868,17 € 2.317.131,54 € 2.149.423,35 € 1.969.975,58 € 1.777.966,47 € 1.572.516,72 € Amortización 2.130.877,75 € 2.130.877,75 € 2.130.877,75 € 2.130.877,75 € 2.130.877,75 € 2.130.877,75 € 2.130.877,75 € 2.130.877,75 € BAI 7.884.199,83 € 8.404.269,53 € 8.945.417,31 € 9.508.658,84 € 10.095.067,08 € 10.705.775,89 € 11.341.983,88 € 12.004.958,47 € Impuestos 2.365.259,95 € 2.521.280,86 € 2.683.625,19 € 2.852.597,65 € 3.028.520,12 € 3.211.732,77 € 3.402.595,16 € 3.601.487,54 € BN 5.518.939,88 € 5.882.988,67 € 6.261.792,12 € 6.656.061,19 € 7.066.546,95 € 7.494.043,12 € 7.939.388,72 € 8.403.470,93 € Amortización 2.130.877,75 € 2.130.877,75 € 2.130.877,75 € 2.130.877,75 € 2.130.877,75 € 2.130.877,75 € 2.130.877,75 € 2.130.877,75 € FNC 7.649.817,64 € 8.013.866,43 € 8.392.669,87 € 8.786.938,94 € 9.197.424,71 € 9.624.920,88 € 10.070.266,47 € 10.534.348,68 € FNC acumulado 2.182.529,59 € 10.196.396,02 € 18.589.065,89 € 27.376.004,83 € 36.573.429,54 € 46.198.350,42 € 56.268.616,89 € 66.802.965,57 € Anexo III. Análisis de viabilidad económica Página 17 de 23 Año 16 17 18 19 20 Ingresos 107.710.483,58 € 110.941.798,09 € 114.270.052,03 € 117.698.153,59 € 121.229.098,20 € Costes 91.530.880,05 € 94.276.806,45 € 97.105.110,65 € 100.018.263,97 € 103.018.811,88 € Intereses 1.352.685,49 € 1.117.466,07 € 865.781,29 € 596.478,58 € 308.324,68 € Amortización 2.130.877,75 € 2.130.877,75 € 2.130.877,75 € 2.130.877,75 € 2.130.877,75 € BAI 12.696.040,29 € 13.416.647,82 € 14.168.282,34 € 14.952.533,30 € 15.771.083,89 € Impuestos 3.808.812,09 € 4.024.994,35 € 4.250.484,70 € 4.485.759,99 € 4.731.325,17 € BN 8.887.228,21 € 9.391.653,47 € 9.917.797,64 € 10.466.773,31 € 11.039.758,72 € Amortización 2.130.877,75 € 2.130.877,75 € 2.130.877,75 € 2.130.877,75 € 2.130.877,75 € FNC 11.018.105,96 € 11.522.531,23 € 12.048.675,39 € 12.597.651,06 € 13.170.636,48 € FNC acumulado 77.821.071,53 € 89.343.602,76 € 101.392.278,15 € 113.989.929,21 € 127.160.565,69 € Anexo III. Análisis de viabilidad económica Página 18 de 23 9. Análisis de rentabilidad de la planta El análisis de rentabilidad de la planta se realizará empleando 3 indicadores financieros a partir de los flujos de caja mostrados en la Tabla 18. Estos determinarán si el proceso planteado es económicamente viable o no, en otras palabras, dictaminan si el proceso es rentable. 9.1. Valor Actual Neto (VAN) Se trata del primero de los indicadores financieros para llevar a cabo el análisis de rentabilidad. El objetivo de este marcador es la emisión de una proyección económica de futuro de un proyecto, por lo que permite determinar fácilmente si un proyecto puede ser, desde un punto de vista económico, viable en el caso de reportar beneficios (VAN positivo), no viable si reporta pérdidas (VAN negativo) o, si simplemente no reporta pérdidas ni beneficios (VAN =0). Este parámetro se determina realizando una actualización de los flujos de gastos e ingresos, descontando la inversión inicial, tal y como expresa la Ecuación (9): [11] 𝑉𝐴𝑁 = −𝐼+ ∑ 𝐹𝑛 (1+𝑖)𝑛 𝑁 𝑁=1 (9) Siendo 𝐼 la cuantía de inversión inicial (€); 𝐹𝑛 el flujo de caja; 𝑖 la tasa de descuento (7%) y 𝑛 el tiempo de vida útil (años). Teniendo en cuenta los datos de los flujos de caja año a año, puede determinarse el VAN correspondiente al proyecto presentado, mostrado en la Tabla 19. Tabla 19: Cálculo del VAN. Fuente: [Elaboración propia] Siguiendo las indicaciones descritas en este apartado, puede concluirse que el proceso debe ser ACEPTADO, ya que el valor de VAN obtenido indica que el proyecto generará beneficios en el futuro. 9.2. Tasa Interna de Retorno (TIR) Se trata de uno de los marcadores más empleados en la industria para determinar la viabilidad económica de un proyecto. Se define como el valor de tasa de descuento que iguala el VAN a cero, expresado en porcentaje. Este parámetro no solo indica si el proyecto es viable económicamente o no, sino que, además, el resultado se corresponde con la tasa de rentabilidad del proyecto. Para poder realizar dicha valoración, se debe comparar el valor de la TIR con la tasa de descuento, siendo en este proyecto de un 7%. Valor Actual Neto, VAN 34.743.319,98 € Anexo III. Análisis de viabilidad económica Página 19 de 23 Si la TIR es mayor que la tasa de descuento puede concluirse que el proyecto es rentable y por tanto, viable. Por el contrario, si la TIR es menor que la tasa de descuento sería un indicativo de la no rentabilidad del proyecto y, por tanto, que este debe ser descartado. La TIR se calcula a partir de la Ecuación (10): [11] 0= −𝐼+ ∑ 𝐹𝑛 (1+𝑇𝐼𝑅)𝑛 𝑁 𝑁=1 (10) Siendo 𝐼 la cuantía de inversión inicial (€). De la misma manera que en el caso del Valor Actual Neto (VAN), se emplearán los datos obtenidos para la determinación de la TIR. El resultado para este proyecto se muestra en la Tabla 20. Tabla 20: Cálculo de la TIR. Fuente: [Elaboración propia] Observando el dato tenido y siguiendo las indicaciones descritas, puede concluirse que el proyecto es RENTABLE, ya que el valor de la Tasa Interna de Retorno es superior a la tasa de descuento para este proyecto. 9.3. Payback Este último indicador proporciona la información sobre el tiempo que se tardará en recuperar la inversión inicial. Es un indicativo de lo rentable que es un proceso ya que, se puede concluir que cuantos más años se tarde en recuperar la inversión de la planta, menor rentabilidad reporta la misma. El tiempo de retorno se determina cuando el flujo neto de caja acumulado del año 𝑚 iguala la inversión inicial. [11] Figura 1:Representación del Payback o tiempo de retorno. Fuente:[Elaboración propia] €(60.000.000,00) €(40.000.000,00) €(20.000.000,00) €- €20.000.000,00 €40.000.000,00 €60.000.000,00 €80.000.000,00 €100.000.000,00 €120.000.000,00 €140.000.000,00 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 Tiempo (años) Payback Tasa Interna de Retorno, TIR 13,6% Oficinas Aparcamiento Laboratorio Sala de Control Carga y Descarga Tanques de almacenamiento Etapa de mezcla Etapa de filtración Precipitación y Purificación Adsorción Taller de mantenimiento Gestión de residuos Carreteras Zonas Verdes LEYENDA Posibles Ampliaciones Otras Parcelas V-201 V-202 R-101 P-101 A/B E-101 E-102 Etapa de reacción P-203 A/B P-204 A/B C-101 A/B C-102 A/B E-103 TM-101 P-202 A/B F-101 A/B E-201 F-202 A/B F-201 A/B P-201 A/B T-201 T-202 PR-201 SD-301 P-301 A/B N 22 45 6 7 8 1 3 19 20 22 23 9 18 21 24 15 2526 17 16 11 10 27 13 1412 33 34 35 38 41 40 37 31 32 39 27 28 29 30 36 42 LT 101 PSV 101 PI 101A PAH 101A PI 102A PI 102B PSV 102A PSV 102B TT 101 TIC 101 TY 101 PSV 105 TIC 102 TT 102 PSV 106 PAH 101B PSV 108 TIC 103 TT 103 PSV 107 TAH 101 PAH 102 TT 102 PT 103 TT 103 PY 103 PIC 103 PI 202A PI 202B PAH 202A PAH 202B PAH 201A PAH 201B PI 204A PI 204B TT 201 TIC 201 LAH 101 LAL 101 LY 101 LIC 101 TY 201 PY 101 PT 101 PIC 101 PI 104A PI 104B PSV 104A PSV 104B PY 102 PT 102 PIC 102 FY 202 FIC 202 FT 202 FY 101 PI 101A FT 101 FIC 101 FY 201 FT 201 FIC 201 PSV 201 LV 101 FV 101 PV 101 PV 102 TV 101 TV 102 TV 103 PV 103 TV 201 FV 201 FV 202 PSV 103A PSV 103 B PSV 202A PSV 202B PSV 203A PSV 203 B LT 102 LY 102 LIC 102 LV 102 PI 103A PI 103B PI 201A PI 201B PI 203A PI 203B XYY 122 X: Primera Letra Y: Letras sucesivas 2: Número de lazo 1: Sección Primera posición Letras sucesivas A: Composición A: Alarma F: Flujo C: Controlador L: Nivel H: Alto P: Presión L: Bajo T: Temperatura I: Indicador T: Transmisor V: Válvula INSTRUMENTOS Montaje en planta Montaje en sala de control LÍNEAS Línea de proceso Señal eléctrica Señal neumática VÁLVULAS Válvula de control Válvula manual Válvula antirretorno Válvula de venteo/drenaje Válvula sin especificar Válvula de alivio Válvula de todo o nada PLC con montaje en cuadro Función de controlador PI 205A PI 205B PI 206A PI 206B FY 214 LT 201 LY 201 LIC 201 PSV 204 LAH 201 LAL 201 PI 301A PI 301B LT 202 LY 202 LIC 202 LAH 202 LAL 202 PSV 206 PSV 205 PSV 207 PSV 208 LT 203 LY 203 LIC 203 LAL 203 LAH 203 PAH 204 PSV 301 TAH 301 PAH 203 FY 204 FY 203 FT 204 FIC 204 FT 203 FIC 203 FY 301 FT 301 FIC 301 FY 205 FY 206 FY 207 FY 208 FY 209 FY 210 FY 211 FY 212 FY 213 LV 201 FV 203 FV 204 LV 202 LV 203 FV 301 FV 205 FV 206 FV 207 FV 208 FV 209 FV 210 FV 211 FV 212 FV 213 FV 214 TI 301 XYY 122 X: Primera Letra Y: Letras sucesivas 2: Número de lazo 1: Sección Primera posición Letras sucesivas A: Composición A: Alarma F: Flujo C: Controlador L: Nivel H: Alto P: Presión L: Bajo T: Temperatura I: Indicador T: Transmisor V: Válvula INSTRUMENTOS Montaje en planta Montaje en sala de control LÍNEAS Línea de proceso Señal eléctrica Señal neumática VÁLVULAS Válvula de control Válvula manual Válvula antirretorno Válvula de venteo/drenaje Válvula sin especificar Válvula de alivio Válvula de todo o nada PLC con montaje en cuadro Función de controlador - - 6842 Ø1710,38 Ø1732,02 R290,76 39,85 425,62 1710,38 10,82 R1539,34 Ø2 CÓDIGO DE DISEÑO: ASME BPV SEC. VIII MATERIAL DE CONSTRUCCIÓN: MONEL 400 SOPORTE DEL EQUIPO: TIPO FALDA ACERO AL CARBONO LEYENDA RELLENO DEL REACTOR PLATO DE BURBUJEO DATOS DEL EQUIPO 7744 5840 7010 Ø1750 Ø1764 R180 R1764 369 7 25 7 DATOS DEL EQUIPO CÓDIGO ASME BPV SEC.VIII DIV I CARCASA Y CABEZALES Material de construcción: MONEL 400 SOPORTE TIPO FALDA Material de contrucción: ACERO INOXIDABLE 304 PESO PARÁMETROS DE OPERACIÓN Presión operación: 2,4 bar Temperatura de operación: 25 ºC Caudal másico: 22.073,84 kg/h Masa de adsorbente: 14.231,08 kg Vacío: 173,55 kN Lleno: 248,13 kN NOTAS Medidas en milímetros, mm Tipo de cabezal toriesférico No se consideran dimensiones de las conexiones LEYENDA Resina SP700 DOCUMENTO IV: ESTUDIOS CON ENTIDAD PROPIA* * Los Estudios con Entidad Propia relativos al estudio de Seguridad y Salud se adjuntan en el archivo II de este proyecto. DOCUMENTO IV. ESTUDIOS CON ENTIDAD PROPIA Página 2 de 24 ÍNDICE ESTUDIO DE IMPACTO AMBIENTAL ................................................................................ 3 1. Introducción .......................................................................................................................... 3 2. Marco legislativo .................................................................................................................. 3 3. Objeto y descripción del proyecto ........................................................................................ 3 4. Resumen de emisiones ......................................................................................................... 5 5. Análisis ambiental del proceso ............................................................................................. 6 5.1. Justificación de la ubicación .............................................................................. 6 5.2. Análisis medioambiental de las alternativas ...................................................... 6 6. Descripción del inventario ambiental e identificación de impactos ..................................... 8 6.1. Medio físico ....................................................................................................... 8 6.1.1. Clima .......................................................................................................... 8 6.1.2. Hidrología ................................................................................................... 9 6.1.3. Geología ..................................................................................................... 9 6.1.4. Calidad del aire ......................................................................................... 10 6.1.5. Paisaje ....................................................................................................... 12 6.2. Medio biológico ............................................................................................... 12 6.2.1. Flora .......................................................................................................... 12 6.2.2. Fauna ........................................................................................................ 13 6.2.3. Red Natura 2000 ....................................................................................... 13 6.3. Medio socioeconómico y cultural .................................................................... 14 6.3.1. Población y empleo .................................................................................. 14 6.3.2. Uso del suelo ............................................................................................ 15 7. Identificación de impactos ambientales .............................................................................. 15 8. Medidas para la mitigación de impactos ............................................................................ 18 8.1. Medidas en la fase de construcción ................................................................. 18 8.2. Medidas en la fase de explotación ................................................................... 18 8.3. Medidas en la fase de desmantelamiento ......................................................... 20 9. Programa de Vigilancia Ambiental .................................................................................... 20 10. Conclusiones ................................................................................................................... 21 11. Bibliografía ..................................................................................................................... 22 DOCUMENTO IV. ESTUDIOS CON ENTIDAD PROPIA Página 9 de 24 Figura 1: Evolución anual de temperaturas máximas (línea roja) y mínimas (línea azul) medias en Ponte Caldelas. Fuente: [10]. 6.1.2. Hidrología La hidrología en el presente proyecto no es un aspecto relevante, ya que la costa se encuentra a 6,5 km aproximadamente. Asimismo, es conveniente mencionar los posibles vertidos en el río Umia y en la Rega de Reigosa, próximos al área industrial seleccionada, a pesar de que el proceso no contenga sustancias perjudiciales para el medio ambiente. 6.1.3. Geología La mayor concentración de terremotos de Galicia se encuentra en la región limitada en la Figura 2, que se corresponde con el área comprendida en la zona Asturoccidental leonesa. Esta región no queda definida dentro de los límites del proyecto, ya que está situada en otra área, por lo que se concluye que existe poca actividad sísmica. Figura 2: Geología y sismicidad de Galicia. Fuente: [11]. DOCUMENTO IV. ESTUDIOS CON ENTIDAD PROPIA Página 10 de 24 Como se puede observar en la Figura 3, en la región de Ponte Caldelas predomina la zona de rocas grafíticas, especialmente granito de dos micas grano grueso y medio-fino, además de micaesquisitos grises y esquisitos verdes albíticos y esquisitos verdes con estaurolita y/o granate; finalmente, en menor medida se sitúa el grano de Beariz de grano grueso y medio-fino, junto con Gneises glandulares. [12] Figura 3: Mapa geológico de Ponte Caldelas. Fuente: [13]. 6.1.4. Calidad del aire La legislación que establece los parámetros a cumplir, en cuanto a la calidad del aire se refiere, vienen determinados por la siguiente legislación. El Real Decreto 39/2017 de 27 de enero por el que se modifica el Real Decreto102/2011 de 28 de enero relativo a la mejora de la calidad del aire, el cual modifica el Real Decreto 102/2011, de 28 de enero. Cabe destacar que dicha modificación va referida a los métodos de referencia para la evaluación de las concentraciones de dióxido de azufre, dióxido de nitrógeno y óxidos de nitrógeno, partículas (PM10 y PM2,5), plomo, benceno, monóxido de carbono y ozono, arsénico, cadmio, mercurio, níquel e HAP. [20] Dicha legislación debe de ser cumplida durante todas las fases en las que se ve involucrada la planta (construcción, operación y desmantelamiento). Se determina la calidad del aire mediante el índice diario de calidad del aire (IDCA), de uso muy común. DOCUMENTO IV. ESTUDIOS CON ENTIDAD PROPIA Página 11 de 24 El índice considera el análisis de sustancias para evaluar el nivel de calidad del aire, tales como O3, PM2.5, PM10, CO, NO2 y SO2. [14]. En la Figura 4 se muestran los distintos rangos de calidad de aire y su significado. Figura 4. Rangos de valor del ICA. Fuente: [14]. En la Figura 5 se muestra el IDCA en Pontevedra, localidad más próxima de la cual se han podido obtener datos. Figura 5. Índice de la calidad del aire en Pontevedra. Fuente: [14]. DOCUMENTO IV. ESTUDIOS CON ENTIDAD PROPIA Página 12 de 24 Actualmente, la calidad del aire en Pontevedra tiene un ICA de 9 por lo que entra dentro del rango de nivel de contaminación del aire bueno, siendo el principal contaminante las partículas finas de P10 y el O3. No obstante al tratarse de una calidad buena quiere decir que no se anticipan impactos a la salud para dicho valor. 6.1.5. Paisaje El paisaje de Ponte Caldelas destaca por el contorno del río Verdugo, además del arbolado situado en sus márgenes que se describe a lo largo de las aguas cristalinas del mismo. En concreto, en el área industrial el terreno está adecuado a edificios industriales por lo que la calidad paisajística es sumamente baja. En la Figura 6 se muestra una fotografía aérea del polígono y en rojo se concreta la parcela en la que se sitúa la planta.[15] Figura 6. Vista aérea del polígono de A Reigosa: Localización de la planta en rayado rojo. Fuente: [26]. 6.2. Medio biológico Dentro del medio biológico se recogen los factores bióticos afectados con la realización del proyecto, tales como la flora y la fauna. De acuerdo con lo indicado en la Ley 21/2013 de 9 de diciembre de Evaluación Ambiental, es necesario un apartado específico para la evaluación de las repercusiones del proyecto sobre espacios Red Natura 2000. 6.2.1. Flora La flora existente en Ponte Caldelas es variada, contando con especies caducifolias reducidas a lo largo del tiempo por la actividad humana y la introducción del pino y del eucalipto, de manera sustitutiva. Tal y como se muestra en la Figura 7, la flora destacable en un radio de 10 km se corresponde con eucaliptales, zona agrícola y prados artificiales, bosque autóctono, matorrales, bosque de plantación y pinares, entre otros. [16] DOCUMENTO IV. ESTUDIOS CON ENTIDAD PROPIA Página 13 de 24 Figura 7: Flora de Ponte Caldelas. Fuente: [16] 6.2.2. Fauna La fauna presente en Ponte Caldelas es variada, acorde con la flora mencionada. Se trata de una zona de gran biodiversidad, en la que se recogen especies tan representativas como la abubilla, el herrerillo capuchino, el halcón peregrino, el avión roquero, el aguilucho pálido, el pito real, el escarabajo gallego, el zorro, la nutria europea, el jabalí, el desmán de los Pirineos, el corzo, el lobo, la boga del Duero, la anguila, la culebra de collar, la lagartija gallega, la culebra viperina, entre otras. [16] 6.2.3. Red Natura 2000 La Directiva 92/43/CEE del Consejo, de 21 de mayo de 1992, relativa a la conservación de los hábitats naturales y de la fauna y flora silvestre, crea una red ecológica europea coherente denominada Natura 2000 que constituye un instrumento fundamental de la política de la Unión Europea en materia de conservación de la biodiversidad. Esta Red Natura 2000 está compuesta por los lugares de importancia comunitaria (LIC), por las zonas especiales de conservación (ZEC) y por las zonas de especial protección para las aves (ZEPA), declaradas según las disposiciones de la Directiva 2009/147/CE del Parlamento Europeo y del Consejo, de 30 de noviembre de 2009, relativa a la conservación de las aves silvestres. La red deberá asegurar el mantenimiento o el restablecimiento, en caso de ser necesario, de los tipos de hábitats naturales. Este fin concuerda con la ascendente conciencia ciudadana que respalda un cambio de comportamiento con el medio, de tal manera que se preste mayor importancia a la biodiversidad biológica y al mantenimiento de los sistemas necesarios para la conservación de la biosfera. DOCUMENTO IV. ESTUDIOS CON ENTIDAD PROPIA Página 14 de 24 A modo de síntesis, la Directiva tiene la finalidad de fomentar la disposición del territorio, la gestión de los elementos del paisaje que abarcan importancia en la flora y la fauna silvestres, así como garantizar la aplicación de un sistema de vigilancia del estado de conservación de los hábitats naturales. [17] La Planta de Producción de vainillina no se encuentra situada en ninguna de las zonas especificadas anteriormente afectadas por la Red Natura 2000, tal y como se puede ver en la Figura 8. Figura 8. Mapa de Red Natura 2000 de la zona próxima a la instalación (punto rojo). Fuente: [22]. 6.3. Medio socioeconómico y cultural Dentro del medio socioeconómico y cultural se recogen los factores socioeconómicos y culturales afectados con la realización del proyecto, tales como la población y el empleo, el uso del suelo y la vulnerabilidad ante accidentes. 6.3.1. Población y empleo El municipio de Ponte Caldelas registró una población de 5.548 habitantes en el año 2021, contando con una gran mayoría dentro del rango de población activa. Además, la localización cercana de grandes núcleos urbanos, como Vigo o Pontevedra, que cuentan con una alta tasa de población activa, beneficia la disponibilidad de mano de obra y, por tanto, el empleo. Pontevedra DOCUMENTO IV. ESTUDIOS CON ENTIDAD PROPIA Página 15 de 24 Figura 9: Evolución anual de la tasa de paro en Ponte Caldelas. Fuente: [18]. Tal y como se refleja en la Figura 9, la tasa de paro registrada hasta junio de 2022 es del 14,82%, por lo que la implantación del proyecto en la zona tendría un resultado beneficioso ya que generaría puestos de trabajo directos e indirectos que disminuirían dicha tasa de desempleo. 6.3.2. Uso del suelo Como la ejecución de la planta se lleva a cabo en el polígono de “A Reigosa”, constituye un terreno destinado a fines industriales que tiene un impacto de uso del suelo mínimo. 7. Identificación de impactos ambientales La identificación y cuantificación de impactos ambientales ocasionados a partir de la instalación del presente proyecto tiene lugar a partir de la Matriz de Leopold. Esta matriz tiene el objetivo de establecer una relación de causa y efecto ambiental de un proyecto en desarrollo, de tal manera que se determinan los impactos ambientales generados por la planta clasificándolos en factores ambientales (filas de la matriz) y acciones ejecutadas por el hombre (columnas de la matriz). A su vez, los factores ambientales se agrupan en aspectos físicos, aspectos biológicos y aspectos socioeconómicos, definidos anteriormente en el apartado correspondiente a Descripción del inventario ambiental e identificación de impactos. Por otra parte, las acciones del proyecto se disponen en: • Fase de construcción. Se recogen acciones de construcción y edificación, además de la puesta en marcha del proyecto. • Fase de explotación. Se disponen acciones de funcionamiento del proceso del proceso productivo y del manejo de residuos. DOCUMENTO IV. ESTUDIOS CON ENTIDAD PROPIA Página 16 de 24 • Fase de desmantelamiento. Reúne las acciones propias para el desmantelamiento de la planta y la generación de residuos. Para analizar el efecto de los impactos ambientales, la matriz de Leopold establece una medida de la Magnitud (M) y de la Importancia (I) de los mismos, de manera que se asignan valores de -5 a 5 en el primero de los casos (M) y de 1 a 5 en el segundo (I). Los valores negativos indican un impacto perjudicial para el medio ambiente mientras que los valores positivos representan un impacto beneficioso tal y como se recoge en la Tabla 1. Tabla 1: Escala de medidas de magnitudes e importancias de la matriz de Leopold. Fuente: [Elaboración propia]. Valor Magnitud Importancia 1 Muy baja Ninguna 2 Baja Baja 3 Media Media 4 Alta Alta 5 Muy alta Muy alta DOCUMENTO IV: ESTUDIOS CON ENTIDAD PROPIA Página 17 de 24 Figura 10: Matriz de Leopold de la planta de producción de vainillina a partir de lignina Kraft DOCUMENTO IV: ESTUDIOS CON ENTIDAD PROPIA Página 18 de 24 Tal y como se puede observar en la Figura 10, se obtiene un valor de impacto total de la presente planta de producción de vainillina a partir de lignina Kraft de 119 tras realizar la Matriz de Leopold. De este modo, se concluye que el impacto producido por el proyecto es positivo debido a que los impactos positivos, alcanzados en el ámbito socioeconómico, son superados por los impactos negativos, producidos en el ámbito físico y en el ámbito biológico. 8. Medidas para la mitigación de impactos En este apartado se recogen las medidas establecidas para la prevención y reducción de los impactos ocasionados por la Planta de producción de vainillina a partir de lignina Kraft que fueron analizados en la matriz de Leopold, tal y como se puede observar en la Figura 10. 8.1. Medidas en la fase de construcción Para disminuir los impactos generados en la fase de construcción, es necesario tomar medidas para reducir principalmente las acciones asociadas al acondicionamiento del terreno, a la cimentación y estructuras y a la instalación de la obra. De este modo, se mejorarán las tecnologías de la maquinaria empleada en esta fase y se llevará a cabo el mantenimiento y la supervisión de las mismas. Por otra parte, el horario de trabajo en esta fase debe ser adecuado para afectar mínimamente a la población cercana, de modo que se operará en un periodo correspondiente a la menor molestia de los habitantes por el ruido ocasionado. Teniendo esto en cuenta, también es necesario trabajar con un equipamiento que minimice la propagación de ruido y las vibraciones generadas. Cabe mencionar, que la construcción de las estructuras debe basarse en la legislación vigente, asimismo el material empleado debe garantizar la disminución de la dispersión de partículas hacia la atmósfera, así como de la generación de residuos. Del mismo modo, estos residuos ocasionados deben ser clasificados e identificados en función de su origen y composición para el desecho controlado de los mismos. 8.2. Medidas en la fase de explotación En la fase de explotación se adoptan las medidas de prevención más influyentes a lo largo de la vida del proyecto, puesto que es la fase más larga del mismo y, por tanto, la de mayor importancia y repercusión. DOCUMENTO V: PRESUPUESTO DOCUMENTO V. PRESUPUESTO Página 2 de 14 ÍNDICE 1. Introducción al presupuesto ...................................................................................... 3 2. Estimación del coste de equipos ............................................................................... 3 2.1. Actualización de coste y cambio de moneda ..................................................... 7 2.2. Coste de equipos por catálogo ........................................................................... 7 2.3. Coste total de equipos ........................................................................................ 8 3. Coste total de capital................................................................................................. 8 3.1. Presupuestos de capital fijo, CF ......................................................................... 8 3.1.1. Costes directos ............................................................................................ 9 3.1.2. Costes indirectos ....................................................................................... 10 3.1.3. Cálculo del presupuesto de capital fijo ..................................................... 10 3.2. Presupuesto de capital circulante, CC............................................................... 10 4. Desglose de partidas presupuestarias ..................................................................... 11 5. Presupuesto final de la planta ................................................................................. 12 6. Bibliografía ............................................................................................................. 14 DOCUMENTO V. PRESUPUESTO Página 3 de 14 1. Introducción al presupuesto Finalmente, en el presente documento se realizará el presupuesto necesario para la construcción y puesta en marcha de la planta de producción de vainillina (4-hidroxi-3metoxibenzaldehído) a partir de lignina Kraft. Para ello, se empleará un método preliminar o de estimación de costes de Clase 4 según la asociación “Advancement of Cost Estimating International” o AACE International. Este permite establecer los costes aproximados con una precisión de ±30%, siendo la más usada en este tipo de proyectos industriales para la elaboración del presupuesto.[1] En las distintas partes que componen este documento, se explicará con detalle el cálculo del coste de equipos, el cual se realizará en base a los datos obtenidos en el Anexo II. Cálculos justificativos, sección Dimensionamiento básico de equipos; así como de las distintas partidas presupuestarias. 2. Estimación del coste de equipos Para el cálculo del coste de los equipos se utilizará el método factorial, el cual se basa en la aplicación de factores dados por heurísticas en función del equipo a analizar. [1] El cálculo se realiza a partir de la Ecuación (1). 𝐶𝐸=𝑎+𝑏·𝑆𝑛 (1) Siendo a, b, S, n los factores dados por las tablas aportadas en la bibliografía. [1] A continuación, en la Tabla 1 se muestran los valores típicos de los parámetros en base al tipo de equipo. Tabla 1: Factores para la estimación de coste de equipos. Fuente: Adaptado de [1]. Equipo Unidad base, S Slower Supper a b n Recipientes a presión (CS) Masa carcasa (kg) 160 250.000 10.000 29 0,85 Recipientes a presión (304 SS) Masa carcasa (kg) 120 250.000 15.000 68 0,85 Bombas Caudal (L/s) 0,2 126 6.900 206 0,9 Motor de bomba Potencia (kW) 1 2.500 -950 1.770 0,6 Compresores reciprocantes Potencia (kW) 93 16.800 220.000 2.300 0,75 Reactor con camisa Volumen (m3) 0,5 100 53.000 28.000 0,8 DOCUMENTO V. PRESUPUESTO Página 4 de 14 Equipo Unidad base, S Slower Supper a b n Relleno estructurado 304 SS Volumen (m3) - - - 6.900 1,0 Distribuidor de gas Diámetro (m) 0,5 5 290 550 1,9 Agitador Potencia (kW) 5 75 15.000 990 1,05 Intercambiadores de calor carcasa y tubos Área (m2) 10 1.000 24.000 46 1,2 Spray dryer Caudal evaporado (kg/h) 400 4.000 350.000 1.900 0,7 El factor S se ha calculado previamente para cada equipo en el Anexo II. Cálculos justificativos, sección Dimensionamiento básico de equipos, teniendo en cuenta la característica necesaria para estimar el coste en base a la Tabla 1. El valor obtenido de S para cada equipo debe encontrarse dentro del rango inferior y superior que marca dicha tabla. En el caso de que el valor supere el límite superior, se asumirá el valor del límite superior para la estimación del coste, y viceversa. El resto de los factores, “a,b,n” permiten la obtención del coste del equipo, 𝐶𝐸, para el año 2007 y empleando los dólares estadounidenses como unidad monetaria, el cual se actualizará posteriormente debido a la inflación al coste real del año en el que se realiza el presente presupuesto. Por otra parte, cabe destacar que el coste de los equipos de filtración y precipitación vienen determinados por el catálogo del fabricante, al no disponer de datos suficientes para la estimación de su coste por el método factorial. A pesar de que el spray dryer se adquiere por catálogo, su coste se determinará con el método factorial al no disponer del precio de mercado por parte del proveedor. Este método factorial permite el cálculo del coste de equipos utilizando un material, presión y temperatura base. Debido a que los equipos implementados para el proceso propuesto en este proyecto no cumplen esas características base, se deberá aplicar una serie de factores de corrección. Estos factores de corrección se recogen en la Tabla 2, Tabla 3 y Tabla 4, extraídas de la bibliografía [1] [2]. DOCUMENTO V. PRESUPUESTO Página 5 de 14 Tabla 2: Factor de corrección para material. Fuente: Realizada a partir de [1]. Material Factor de corrección (fm) Acero al carbono 1,00 Aluminio y bronce 1,07 Acero 1,1 Acero inoxidable 304 1,3 Acero inoxidable 316 1,3 Acero inoxidable 321 1,5 Monel 1,65 Níquel e Inconel 1,7 Tabla 3: Factor de corrección por temperatura. Fuente: Realizado a partir de [2]. Rango de temperatura (°C) Factor de corrección (ft) 0-100 1,00 300 1,6 500 2,1 Tabla 4: Factor de corrección por presión. Fuente: Realizado a partir de [2]. Cabe destacar que los factores de corrección para material, temperatura y presión se establecen, según las tablas, para ciertos valores concretos. Debido a que los valores de estas propiedades en los equipos no siempre se corresponden al valor exacto aportado por las tablas, se procederá a realizar la interpolación de los factores en base al valor real de cada equipo. Este paso resulta fundamental ya que, la utilización de los factores dados por las tablas, aproximando al valor siguiente más grande, conllevaría a una variación muy importante en la estimación del coste de equipos y representaría un error considerable en cuanto a la presentación del presupuesto. A continuación, teniendo en cuenta lo descrito anteriormente, se muestra en la Tabla 5 los costes obtenidos de los equipos en base a los datos de dimensionamiento previamente calculados. Rango de Presión (bar) Factor de corrección (fp) 0,01 2,00 0,1 1,3 0,5-7 1,0 50 1,5 100 1,9 DOCUMENTO V. PRESUPUESTO Página 6 de 14 Tabla 5: Coste de equipos. Fuente: [Elaboración propia] Equipo Unidad base, S Nº uds fm fp ft Coste equipos ($) TM-101 2.616,02 1 1,65 1 1 54.948,27 Agitador TM-101 29,01 1 1 1 1 48.986,80 P-101 A/B 5,86 2 1,65 1,03 1 26.891,26 Motor P-101 A/B 7,53 2 1 1 1 9.987,22 P-201 A/B 7,81 2 1,65 1,27 1 34.407,88 Motor P-201 A/B 30,79 2 1 1 1 25.772,54 P-202 A/B 4,41 2 1,65 1,03 1 26.115,13 Motor P-202 A/B 4,79 2 1 1 1 7.161,59 P-203 A/B 6,00 2 1 1 1 15.866,49 Motor P-203 A/B 650,03 2 1 1 1 170.589,75 P-204 A/B 5,98 2 1 1 1 15.860,29 Motor P-204 A/B 520,7 2 1 1 1 149.092,65 P-301 A/B 6,54 2 1 1 1 16.033,15 Motor P-301 A/B 1 2 1 1 1 1.640,00 R-101 15,72 1 1,65 1,03 1,18 615.058,78 Relleno 316 SS 0,83 1 1,3 1,03 1,18 9.019,34 Plato burbujeo 1,71 1 1,65 1,03 1,18 3.638,31 T-201/T-202 2.931,69 2 1,65 1 1 117.715,38 V-201 958,08 1 1,65 1 1 32.870,93 V-202 4.331,14 1 1 1 1 98.872,73 C-101 A/B 243,45 2 1 1 1,1 795.858,69 C-102 A/B 110,46 2 1 1,03 1,42 872.782,30 E-101 1.000 1 1 1,03 1,04 221.876,90 E-102 105,9 1 1 1,03 1,18 44.213,22 E-103 10 1 1 1,03 1,42 36.168,71 E-201 169,29 1 1 1,03 1,18 55.583,63 SD-301 4.000 1 1 1 1 981.241,58 Coste de equipos ($), año 2007 4.488.253,53 DOCUMENTO V. PRESUPUESTO Página 7 de 14 2.1. Actualización de coste y cambio de moneda Las fluctuaciones sobre el valor del dinero con el tiempo es un parámetro a tener en cuenta a la hora de calcular los costes de adquisición de equipos. La actualización de los costes se realiza por medio de la Ecuación (2): 𝐶𝑜𝑠𝑡𝑒𝑎ñ𝑜 𝑟𝑒𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝐶𝑜𝑠𝑡𝑒𝑎ñ𝑜 2022 =𝐼1 𝐼2 (2) Siendo: 𝐶𝑜𝑠𝑡𝑒𝑎ñ𝑜 𝑟𝑒𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎: El coste obtenido en el año de referencia, enero 2007 𝐶𝑜𝑠𝑡𝑒𝑎ñ𝑜 2022: Coste año actualizado 𝐼1: Índice año enero 2007 (509,7) 𝐼2: Índice año septiembre 2022 (821,3) [3] Una vez actualizado el coste de adquisición, debe realizarse el cambio de divisa de dólares norteamericanos ($) a euros (€). Para ello, se tendrá en cuenta el valor de cambio de moneda en el momento de la realización de este documento, el cual asciende a 1,07 $/€ [4]. En la Tabla 6 se presenta el coste total actualizado en ambas divisas. Tabla 6: Coste de equipos actualizado al año 2022 en distintas divisas. Fuente: [Elaboración propia] Parámetro Valor Coste de equipos ($), año 2007 4.488.253,53 $ Coste de equipos ($), año 2022 7.232.102,46 $ Coste de equipos (€), año 2022 6.758.974,26 € 2.2. Coste de equipos por catálogo Tal y como se mencionó anteriormente, el coste de los filtros y del precipitador vendrán dados por catálogo, con precios actualizados. En el caso de los filtros F-201 A/B y F-202 A/B, se estima un coste a partir de bibliografía [5], siendo el precio de cada filtro de 61.400$, que aplicando el cambio de moneda descrito en el aparto anterior, resulta en 57.383,18€. Teniendo en cuenta que en total hay un grupo de 4 filtros, el precio asciende a 229.532,72€. DOCUMENTO V. PRESUPUESTO Página 8 de 14 En el caso del filtro F-101 A/B, su coste se calcula a partir de los datos del fabricante en función de las toneladas de oxígeno en la corriente de salida del filtro [6], ascendiendo el coste total a 126.051,23$, que al cambio suponen 117.804,89 € por cada filtro. Teniendo en cuenta la existencia de dos filtros, el coste asciende a 235.609,78€. Por último, en el caso del precipitador, se adquiere una unidad industrial que pueda ser compatible con el proceso. Se ha optado por la elección de una unidad comercial cuyo precio asciende a 100.000$, que, al cambio, supone un coste de 93.457,94€. [7] Debe recordarse que, a pesar de que el equipo spray dryer, perteneciente a la sección 300 del proceso, se adquiere mediante catálogo al proveedor, el cálculo de su coste se ha realizado mediante la estimación por el método factorial debido a que el precio real de dicho equipo no se ha puesto en conocimiento por parte del proveedor. 2.3. Coste total de equipos Una vez obtenido el coste de todos los equipos, tanto estimados como adquiridos, se realiza la suma para obtener el coste total de adquisición de los equipos necesarios para el proceso, mostrado en la Tabla 7. Tabla 7: Coste total de equipos. Fuente:[Elaboración propia] Coste de equipos calculado, año 2022 6.758.974,26 € Coste de equipos por catálogo, año 2022 558.600,44 € Coste total de equipos, año 2022 7.317.574,70 € 3. Coste total de capital El coste total de capital hace referencia al capital dispuesto para llevar a cabo la materialización de la planta industrial. Este resulta de la suma de los costes de capital fijo, CF, y de los costes de capital circulante, Cc. En el caso de las plantas químicas, el coste total de capital se suele realizar mediante el empleo de un método de factores individualizados para cada partida, lo que contribuye a la elaboración de un presupuesto de mayor precisión. A continuación, se desarrollarán los distintos costes que conforman el coste total de capital. [1] 3.1. Presupuestos de capital fijo, CF El siguiente punto de análisis para el presupuesto será el cálculo del capital necesario para la construcción de la planta y preparación para su operación, denominado como capital fijo o inmovilizado. Este engloba los costes directos e indirectos pagados a los contratistas para la ejecución del proyecto y que incluyen las siguientes partes [1]: DOCUMENTO V. PRESUPUESTO Página 9 de 14 • Los equipos implementados en la instalación. • Sistema de tuberías, equipamiento, instrumentación y control. • La ingeniería civil contemplada en el proyecto. • Adquisición del terreno y “offsites”. • Diseño e ingeniería. • El capital de contingencia. 3.1.1. Costes directos Los costes directos engloban los costes dentro de los límites de batería (CISBL) que, además del coste de adquisición de equipos, incluye los costes derivados de su montaje y estructuras necesarias, el coste de tuberías, electricidad, instrumentación, edificios y estructuras auxiliares, revestimiento y pintura. Además, dentro de los costes directos se incluyen los costes de adquisición del terreno y los costes derivados de los “offsites” (COSBL), destinados a proporcionar apoyo y servicios a la planta, como son sistemas de protección y comunicación y accesos o aparcamientos, entre otros. [1] [2] El cálculo de CISBL se realizará a partir de la siguiente Ecuación (3). 𝐶𝐼𝑆𝐵𝐿 = ∑𝐶𝑒𝑖 ·[(1+𝑓𝑝)𝑓𝑚+(𝑓𝑒𝑟 +𝑓𝑒𝑙 +𝑓𝑖+𝑓𝑐+𝑓𝑐+𝑓𝑠+𝑓𝑙)] 𝑖=𝑀 𝑖=1 (3) Los factores han sido extraídos de la bibliografía “Sinnot” [1] y se recogen a continuación en la Tabla 8 y Tabla 9. Tabla 8: Factores de corrección para CISBL. Fuente: [1]. Partida Factor Instalación de equipos, fer 0,3 Tuberías, fp 0,8 Instrumentación y Control, fi 0,3 Instalación eléctrica, fel 0,2 Ingeniería civil, fc 0,3 Estructuras y edificios, fs 0,2 Revestimiento y pintura, fl 0,1 Tabla 9: Factor de corrección para COSBL. Fuente: [1] Partida Factor Offsites, OS 0,3 DOCUMENTO V. PRESUPUESTO Página 10 de 14 3.1.2. Costes indirectos Los costes indirectos engloban los costes de diseño e ingeniería, el fondo o capital de contingencia, reservado para circunstancias imprevistas durante todas las etapas de construcción de la planta. [1] El coste de cada partida que forman los costes indirectos se obtiene mediante la Ecuación (4): 𝐶𝑖𝑛𝑑𝑖𝑟𝑒𝑐𝑡𝑜 𝑝𝑎𝑟𝑡𝑖𝑑𝑎 =𝐶𝐼𝑆𝐵𝐿 ·𝑓 (4) Siendo: 𝐶𝑖𝑛𝑑𝑖𝑟𝑒𝑐𝑡𝑜 𝑝𝑎𝑟𝑡𝑖𝑑𝑎: El coste de cada partida que forma parte de los costes indirectos (€). 𝐶𝐼𝑆𝐵𝐿: Coste de capital dentro de los límites de batería (€). 𝑓: Factor de cada partida. Los factores de cada partida, previamente mencionados, para el cálculo de costes indirectos se recogen en la Tabla 10. Tabla 10: Factores para costes indirectos. Fuente: [1] Partida Factor Diseño e Ingeniería, D&E 0,3 Capital de contingencia, X 0,1 3.1.3. Cálculo del presupuesto de capital fijo Finalmente, el coste de capital fijo, CF, puede calcularse mediante la Ecuación (5). [1] 𝐶𝐹=𝐶𝐼𝑆𝐵𝐿 · (1+𝑂𝑆)·(1+𝐷&𝐸+𝑋)+𝐶𝑡𝑒𝑟𝑟𝑒𝑛𝑜 (5) Siendo: 𝑂𝑆: Factor correspondiente a “offsites” 𝐷&𝐸: Factor correspondiente a diseño e ingeniería 𝑋: Factor correspondiente a la contingencia 𝐶𝑡𝑒𝑟𝑟𝑒𝑛𝑜: Coste del terreno (€) 3.2. Presupuesto de capital circulante, CC Se corresponde al capital necesario para la puesta en marcha de la planta hasta la obtención de ingresos. El capital circulante incluye la adquisición de materias primas y catalizadores empleados en la operación, el almacenamiento de productos o el pago de salario de trabajadores, entre otros.