Diseño de una planta para la obtención de óxido de propileno

Documento: Memoria Diseño de una planta para la obtención de óxido de propileno Autor/Autora: Alfons Lloret Riera Director/Directora - Codirector/Codirectora: Manuel-José Lis Arias Titulación: Grado en Ingeniería Química Convocatoria: Primavera, 2024. 1 ÍNDICE ÍNDICE DE FIGURAS ................................................................................................... 5 ÍNDICE DE TABLAS ..................................................................................................... 6 1 INTRODUCCIÓN ................................................................................................... 7 1.1 Objeto ............................................................................................................. 7 1.2 Justificación .................................................................................................... 8 2 ANÁLISIS DE MERCADO ..................................................................................... 9 2.1 Mercado del óxido de propileno ...................................................................... 9 2.2 Mercado de los productos derivados del óxido de propileno ......................... 11 2.3 Evolución del precio del óxido de propileno .................................................. 12 2.4 Exportaciones e importaciones del óxido de propileno ................................. 13 2.5 Necesidades de producción del óxido de propileno ...................................... 14 3 Estudio del producto ............................................................................................ 15 3.1 Propiedades físicas y termodinámicas .......................................................... 16 3.2 Propiedades químicas .................................................................................. 17 3.3 Peligros y seguridad ..................................................................................... 17 4 Comparación de alternativas ............................................................................... 18 4.1 Método de las clorhidrinas (CHPO) .............................................................. 18 4.2 Métodos de coproducción ............................................................................. 20 4.3 Proceso de Sumitomo .................................................................................. 21 4.4 Proceso HPPO ............................................................................................. 22 5 Proceso seleccionado .......................................................................................... 23 6 Estudio de las materias primas ............................................................................ 24 6.1 Propileno ...................................................................................................... 24 6.1.1 Propiedades físicas y termodinámicas ................................................... 24 6.1.2 Propiedades químicas ........................................................................... 25 6.1.3 Peligros y seguridad .............................................................................. 26 6.1.4 Evolución del precio del propileno ......................................................... 26 6.2 Peróxido de hidrogeno .................................................................................. 27 2 6.2.1 Propiedades físicas y termodinámicas ................................................... 27 6.2.2 Propiedades químicas ........................................................................... 27 6.2.3 Peligros y seguridad .............................................................................. 28 6.2.4 Evolución del precio del peróxido de hidrogeno ..................................... 28 6.3 Metanol ......................................................................................................... 29 6.3.1 Propiedades físicas y termodinámicas ................................................... 29 6.3.2 Propiedades químicas ........................................................................... 30 6.3.3 Peligros y seguridad .............................................................................. 30 6.3.4 Evolución del precio del metanol ........................................................... 30 7 Estudio de los componentes intermedios ............................................................. 31 7.1 Propilenglicol ................................................................................................ 31 7.1.1 Propiedades físicas y termodinámicas ................................................... 31 7.1.2 Propiedades químicas ........................................................................... 32 7.1.3 Peligros y seguridad .............................................................................. 32 7.2 Oxigeno ........................................................................................................ 32 7.2.1 Propiedades físicas y termodinámicas ................................................... 33 7.2.2 Propiedades químicas ........................................................................... 33 7.2.3 Peligros y seguridad .............................................................................. 34 8 Descripción del proceso ....................................................................................... 34 8.1 Alimentaciones ............................................................................................. 34 8.2 Reacción ...................................................................................................... 36 8.3 Recirculación del propileno ........................................................................... 40 8.4 Purificación y obtención del oxido de propileno ............................................ 41 8.5 Separación del metanol i el agua .................................................................. 41 9 Descripción de los equipos .................................................................................. 41 9.1 Lista de equipos ........................................................................................... 41 9.2 Descripción de equipos principales ............................................................... 43 9.2.1 Reactor R-1 ........................................................................................... 43 9.2.2 Columna de destilación SCOL-1 ............................................................ 43 3 9.2.3 Columna de destilación SCOL-2 ............................................................ 44 9.2.4 Columna de destilación SCOL-3 ............................................................ 44 9.2.5 Columna de destilación SCOL-4 ............................................................ 45 9.3 Descripción de equipos secundarios............................................................. 45 9.3.1 Separador Flash V-1 .............................................................................. 45 9.3.2 Separador Flash V-2 .............................................................................. 46 9.3.3 Intercambiador de calor HX-1 ................................................................ 46 9.3.4 Intercambiador de calor HX-2 ................................................................ 46 9.3.5 Intercambiador de calor HX-3 ................................................................ 47 9.3.6 Compresor C-1 ...................................................................................... 47 9.3.7 Bomba PUMP-1 ..................................................................................... 47 9.3.8 Bomba PUMP-2 ..................................................................................... 47 9.3.9 Bomba PUMP-3 ..................................................................................... 47 9.3.10 Bomba PUMP-4 ..................................................................................... 47 9.3.11 Bomba PUMP-5 ..................................................................................... 47 9.3.12 Válvula VALVE-1 .................................................................................... 48 9.3.13 Válvula VALVE-2 .................................................................................... 48 9.3.14 Válvula VALVE-3 .................................................................................... 48 9.3.15 Válvula VALVE-4 .................................................................................... 48 9.3.16 Válvula VALVE-5 .................................................................................... 48 10 Seguridad ............................................................................................................ 48 11 Control del proceso .............................................................................................. 49 11.1 Reactor ......................................................................................................... 50 11.1.1 Control de temperatura .......................................................................... 50 11.1.2 Control de presión ................................................................................. 51 11.1.3 Control de flujo ...................................................................................... 51 11.2 Columnas de destilación ............................................................................... 52 11.2.1 Control de temperatura .......................................................................... 52 11.2.2 Control de presión ................................................................................. 53 4 11.2.3 Control de flujo ...................................................................................... 54 11.3 Tanques de separación Flash ....................................................................... 55 11.4 Intercambiadores de calor ............................................................................ 55 12 Análisis económico y de rentabilidad ................................................................... 56 12.1 Economía del proceso .................................................................................. 56 12.2 Inversión inicial ............................................................................................. 57 12.3 Costos de producción y beneficios ............................................................... 57 12.4 Flujo de caja ................................................................................................. 57 12.5 Periodo de retorno de la inversión PBT ........................................................ 60 12.6 Índice de retorno de la inversión ROI ............................................................ 61 13 Referencias ......................................................................................................... 62 5 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1. Capacidad mundial de producción de óxido de propileno. Fuente [1]………….…..……..9 Figura 2. Principales productos de obtención a partir del óxido de propileno. Fuente [3]….…..…12 Figura 3. Evolución del precio del oxido de propileno desde 2018. Fuente [8]…….…………..…..13 Figura 4. Comercio de óxido de propileno entre Europa y el resto del mundo. Fuente [4]………..13 Figura 5. Comercio de óxido de propileno entre España y el resto del mundo. Fuente [4]……….14 Figura 6. Estructura del oxido de propileno. Fuente [11]…………………………………………..…15 Figura 7. Proporción de métodos de obtención de óxido de propileno Fuente [1]………………18 Figura 8. Producción de PO mediante el método de las clorhidrinas. Fuente [1]……………..…18 Figura 9. Esquema del proceso de clorhidrinas para la producción de PO. Fuente [18]……….18 Figura 10. Reacciones proceso de co-producción. Fuente [1]……………………………………..20 Figura 11. Esquema del proceso PO-SM para la producción de PO. Fuente [18]……………....21 Figura 12. Proceso de Sumitomo para la obtención de PO. Fuente [1]………………………..…21 Figura 13. Proceso de obtención de PO a partir de peróxido de hidrogeno. Fuente [1]………..22 Figura 14. Evolución del precio del propileno. Fuente [9]…………………………………………..26 Figura 15. Evolución del precio del peróxido de hidrogeno. Fuente [10]………………………..….28 Figura 16. Evolución del precio del metanol. Fuente [25]…………………………………………....30 Figura 17. Rango de operación estable para la disolución. Fuente [15]……………………….….35 Figura 18. Reacciones que participan en el proceso………………………………………………...37 Figura 19. Diagrama del sistema de control de temperatura del reactor…………………………..50 Figura 20. Diagrama del sistema de control de presión del reactor…………………………………51 Figura 21. Diagrama del sistema de control de flujo………………………………………………….51 Figura 22. Diagrama del sistema de control de temperatura de las columnas de destilación…..52 Figura 23. Diagrama del sistema de control de presión de las columnas de destilación…….…..53 Figura 24. Diagrama del sistema de control de flujo de las columnas de destilación…………….54 Figura 25. Diagrama del sistema de control de los tanques de separación Flash…………………55 Figura 26. Diagrama del sistema de control de flujo de los intercambiadores de calor…………..55 Figura 27. Evolución del flujo de caja acumulado en el tiempo……………………………………..60 6 ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1. Capacidad de producción europea del oxido de propileno. Fuente [2]……………...…....10 Tabla 2. Propiedades físicas y termodinámicas del óxido de propileno. Fuente [13]…….…..……16 Tabla 3. Propiedades físicas y termodinámicas del propileno. Fuente [21]…………………..…....25 Tabla 4. Propiedades físicas y termodinámicas del peróxido de hidrogeno. Fuente [23]…..…….27 Tabla 5. Propiedades físicas y termodinámicas del metanol. Fuente [24]…………………..……..29 Tabal 6. Propiedades físicas y termodinámicas del propilenglicol. Fuente [26]……………..…….31 Tabla 7. Propiedades físicas y termodinámicas del propileno. Fuente [29]…………………..……33 Tabla 8. Composición de las corrientes de alimentación y recirculación al inicio del proceso..…36 Tabla 9. Datos para el cálculo de las constantes cinéticas. Fuente [16]…....................................38 Tabla 10. Resultados de las constantes cinéticas………………………………………………...….39 Tabla 11. Composición de las corrientes de entrada y salida del reactor…………………………..40 Tabla 12. Listado de los equipos……………………………………………………………………….42 Tabla 13. Datos dimensionales de SCOL-1…………………………………………………...………43 Tabla 14. Datos dimensionales de SCOL-2…………………………………………………………...44 Tabla 15. Datos dimensionales de SCOL-3…………………………………………………………...44 Tabla 16. Datos dimensionales de SCOL-4…………………………………………………………..45 Tabla 17. Datos dimensionales de V-1………………………………………………………………...46 Tabla 18. Datos dimensionales de V-2………………………………………………………………..46 Tabla 19. Datos para la economía del proceso………………………………………………………56 Tabla 20. Datos para el cálculo de los beneficios netos…………………………………………….58 Tabla 21. Flujo de caja del año 0 al 3……………………………….………………………………….59 Tala 22. Flujo de caja del año 4 al 7.……………………………….…………………………………..59 Tabla 24. Flujo de caja del año 8 al 11…………………………………………………………………59 Tabla 25. Flujo de caja del año 12 al 15………………………………………………………………..59 7 1 INTRODUCCIÓN En el panorama dinámico de la industria química, el diseño y la implementación de procesos eficientes y sostenibles son imperativos para el éxito y la competitividad de las empresas. En este contexto, el óxido de propileno se destaca como un compuesto de gran relevancia, con aplicaciones vitales en una variedad de sectores, desde la fabricación de productos de consumo hasta la industria farmacéutica y química. Este trabajo de fin de carrera representa un hito significativo en el camino hacia la ingeniería química, centrándose en el diseño y la evaluación de una planta de producción de óxido de propileno. Realizado como parte de los requisitos para obtener el título de ingeniero químico, este proyecto integra diversas disciplinas de la ingeniería, desde la selección de materias primas hasta la optimización de operaciones unitarias. Un aspecto destacado del desarrollo de esta planta es la utilización del entorno de simulación DWSIM para modelar y simular el proceso completo. Esta herramienta proporciona una plataforma robusta para analizar el comportamiento del sistema y optimizar parámetros clave. La mayor parte de los datos utilizados para el dimensionamiento de equipos entre otros, se basan en los resultados de la simulación obtenidos de este programa. A lo largo de esta memoria, se examinarán los fundamentos teóricos, las metodologías de diseño y los resultados obtenidos, con un enfoque en la aplicabilidad práctica y las implicaciones industriales. Al promover la innovación y la excelencia en la ingeniería química, este trabajo aspira a contribuir significativamente al avance del campo y preparar al autor para los desafíos y oportunidades que le aguardan en el futuro profesional. 1.1 Objeto Este proyecto tiene como objeto, el diseño de una planta de producción de óxido de propileno con la finalidad principal de establecer una infraestructura industrial moderna y eficiente capaz de alcanzar una producción anual de 100 mil toneladas anuales, para cumplir con las necesidades del mercado de óxido de propileno con una pureza no inferior al 99,9% y de esta manera alcanzar a satisfacer la creciente demanda de este componente químico esencial. A un nivel económico regional la creación de una planta de producción de óxido de propileno que reduzca la dependencia de importaciones fortalecería la autonomía económica de la región, contribuyendo al desarrollo de un sector industrial sólido y diversificado que generará empleo y fomentará el crecimiento económico local. Durante la realización de este proyecto, se pretende implementar tecnologías de vanguardia y prácticas industriales eficientes para maximizar la productividad y minimizar los costos operativos. De esta forma podremos asegurar la calidad del óxido de propileno producido, cumpliendo con estándares internacionales y proporcionando a los clientes un producto competitivo en el mercado global. También se pretende integrar medidas y tecnologías que reduzcan el impacto ambiental del proceso de producción, cumpliendo con normativas medioambientales y promoviendo prácticas sostenibles. Buscar la eficiencia energética y la optimización de recursos para minimizar la huella de carbono y otros impactos ambientales negativos. Además, el desarrollo de este proyecto tiene la idea de fomentar la investigación y el desarrollo constante en el ámbito de la producción de óxido de propileno, buscando oportunidades para mejorar la eficiencia, calidad y sostenibilidad del proceso. 8 En resumen, el proyecto tiene como objetivo crear una planta de producción de óxido de propileno que no solo satisfaga las necesidades del mercado, sino que también impulse el desarrollo económico, la competitividad industrial y la sostenibilidad ambiental en la región. 1.2 Justificación La realización de este proyecto de diseño y evaluación de una planta de producción de óxido de propileno se fundamenta en la creciente demanda y relevancia de este compuesto en diversas industrias. El óxido de propileno es un componente clave en la fabricación de una amplia gama de productos, incluyendo polímeros, glicoles y surfactantes, que tienen aplicaciones en sectores como la construcción, la automoción, la agricultura y la salud. En este contexto, el desarrollo de una planta de producción eficiente y sostenible de óxido de propileno presenta múltiples beneficios y justificaciones como los que se describen a continuación:  Satisfacer la demanda del mercado: La creciente demanda de productos derivados del óxido de propileno requiere la expansión de la capacidad de producción. Una planta bien diseñada y operada puede contribuir significativamente a cubrir esta demanda creciente y satisfacer las necesidades del mercado.  Diversificación de la oferta: La disponibilidad de una planta de producción local de óxido de propileno reduce la dependencia de importaciones y mejora la seguridad y estabilidad de la cadena de suministro para las empresas y sectores que utilizan este compuesto en sus procesos.  Promoción de la innovación y la competitividad: El diseño y la implementación de una planta de producción de óxido de propileno requiere la aplicación de tecnologías y metodologías avanzadas en ingeniería química. Este proyecto brinda la oportunidad de promover la innovación y mejorar la competitividad de las empresas y del sector industrial en su conjunto.  Consideraciones medioambientales: Una planta de producción diseñada con enfoques modernos de ingeniería puede incorporar tecnologías y prácticas que minimicen el impacto ambiental, como la reducción de emisiones, el uso eficiente de recursos y la gestión responsable de residuos. Esto contribuye a la sostenibilidad y al cumplimiento de regulaciones ambientales cada vez más estrictas.  Formación y desarrollo profesional: La realización de este proyecto proporciona una valiosa experiencia práctica para el autor, permitiendo aplicar y ampliar sus conocimientos teóricos en un contexto real. Además, la realización de este proyecto pude ser un inicio para enfrentar los desafíos y responsabilidades de una futura carrera profesional en la industria química. En resumen, el diseño y la evaluación de una planta de producción de óxido de propileno responden a necesidades crecientes del mercado, promueven la innovación y la competitividad, abordan consideraciones medioambientales y contribuyen al desarrollo de la investigación en el campo de la ingeniería química. 15 importaciones y exportaciones en la región y en Europa en su conjunto. Con una capacidad de producción incrementada, se podría reducir la dependencia de importaciones de óxido de propileno de otros países, lo que fortalecería la autosuficiencia y la competitividad del mercado europeo. Al mismo tiempo, el excedente de producción podría destinarse a satisfacer la demanda en otros mercados, lo que potencialmente impulsaría las exportaciones y contribuiría positivamente a la balanza comercial de la región. En resumen, establecer una capacidad de producción de 100 mil toneladas anuales para la planta de óxido de propileno no solo se basa en las necesidades presentes y futuras del mercado, sino que también tiene el potencial de transformar la dinámica comercial tanto a nivel regional como europeo, fortaleciendo la posición de la industria química europea en el mercado global. 3 Estudio del producto El óxido de propileno es uno de los materiales de partida más empleados en la industria química. Su mercado está en continuo crecimiento debido a las numerosas aplicaciones de sus productos derivados. Se emplea mayoritariamente para conseguir polioles de poliéster que son utilizados para la obtención de espumas de poliuretanos. Asimismo, se utiliza para la obtención de glicoles de propeno y éteres de glicol de propeno, los cuales son empleados en la elaboración de poliésteres y disolventes, respectivamente. La molécula del óxido de propileno es quiral y está formada por tres átomos de carbono, un átomo de oxígeno y seis de hidrógeno. Su fórmula molecular se corresponde a C3H6O. Pertenece al grupo de los epóxidos: se trata de un éter cíclico que contiene un anillo formado por un átomo de oxígeno unido a dos de carbono. Su estructura se muestra en la Figura 6. Figura 6. Estructura del oxido de propileno. Fuente [11]. El óxido de propileno (OP) está entre los 50 productos químicos de más volumen de producción en el mundo. La mayor parte del OP producido se convierte en derivados, por lo tanto, la relevancia de la exposición laboral se limita a la industria química. Se utiliza principalmente como producto intermedio para la producción de polioles de poliésteres, glicoles de propileno y éteres de propilenglicol. Polioles de poliésteres en manufactura de espumas de poliuretano flexibles o rígidas. Glicoles de propileno en materias primas para resinas no saturadas de poliéster, humectantes en productos farmacéuticos, cosméticos y alimentos, fluidos de transferencia de calor, anticongelantes y desincrusta-dores de hielo para aviones. Éteres de propilenglicol en solventes y agentes de acoplamiento en pinturas y en la producción de recubrimientos, tintas, resinas y limpiadores. 16 En combinación con óxido de etileno, el OP puede copolimerizar en bloque, obteniéndose tensioactivos no iónicos útiles en detergentes y emulgentes. También, se usa para esterilizar una variedad de materiales que van desde instrumentos médicos de plástico hasta productos alimenticios [12]. 3.1 Propiedades físicas y termodinámicas El óxido de propileno es un líquido volátil e incoloro, con olor etéreo. Es muy soluble en agua, etanol y etilo éter. Comercialmente se encuentra en forma de dos isómeros ópticos, como una mezcla racémica [12]. Resulta muy inflamable, tiene un amplio rango de explosividad y moderadamente tóxico. Tiene una solubilidad limitada en el agua, pero es miscible en gran variedad de disolventes orgánicos. En la Tabla 2 se encuentran resumidas las propiedades físicas del óxido de propileno. Aunque el óxido de propileno puede existir en forma de dos isómeros ópticos, se considerará a lo largo del proyecto una mezcla racémica, dado que es el producto comercial usual. Tabla 2. Propiedades físicas y termodinámicas del óxido de propileno. Fuente [13]. Propiedad Valor Masa molar 58.08 g/mol Punto de fusión (a 1 atm) -111.9 ºC Punto de ebullición (a 1 atm) 34.2 ºC Temperatura crítica 209.1 ºC Presión crítica 4920 kPa Densidad crítica 312 𝑘𝑔 / 𝑚  Factor de compresibilidad crítica 0.2284 Calor de combustión (a 25ºC y 1 atm) -33035 kJ/kg Calor de polimerización -1500 kJ/kg Calor de fusión 112.6 kJ/kg Entalpia estándar (a 25ºC) 248 kJ/kg Entropía estándar (a 25ºC y 1 atm) 4.94 kJ/kg Energía libre de formación 459 kJ/kg Densidad (a 20ºC) 0.83 𝑔 / 𝑚  Presión de vapor (a 20ºC) 57.7 kPa 17 3.2 Propiedades químicas Debido a la asimetría del carbono en la molécula y la alta tensión provocada por el anillo de oxirano, el óxido de propileno puede reaccionar con una amplia gama de reactivos. Las reacciones con ácidos minerales y amoníaco ocurren naturalmente a temperatura ambiente, sin necesidad de catalizador. Sin embargo, para la mayoría de las otras reacciones, se requiere el uso de catalizadores. El óxido de propileno es un compuesto orgánico que perteneciente a la clase de los epóxidos. Sus propiedades químicas son fundamentales para entender su comportamiento y aplicaciones en la industria química [13]. El compuesto, conocido también como 1,2-epoxipropano, es un epóxido cíclico con un anillo de tres miembros formado por dos átomos de carbono y uno de oxígeno. Esta estructura es altamente reactiva debido a la tensión del anillo, que lo hace susceptible a abrirse y reaccionar con diversos nucleófilos y agentes reductores, convirtiéndolo en un intermediario versátil en la síntesis de muchos productos químicos. Además, el óxido de propileno es un compuesto polar debido a la diferencia de electronegatividad entre el oxígeno y los átomos de carbono. Esta polaridad contribuye a su solubilidad en agua y otros solventes polares, y también aumenta su reactividad en reacciones químicas, facilitando su uso en diversos procesos industriales. Además, el óxido de propileno tiene un punto de ebullición de aproximadamente 34 ºC y un punto de fusión de aproximadamente -112 ºC. Estos valores indican que es un líquido a temperatura ambiente, lo que facilita su manipulación, almacenamiento y uso en diversas aplicaciones industriales. 3.3 Peligros y seguridad El óxido de propileno es un compuesto tóxico y un irritante, que puede causar efectos adversos en la salud humana si no se maneja adecuadamente. Es importante seguir las normas de seguridad y las prácticas de manejo seguro al trabajar con este compuesto. Se trata de un líquido incoloro muy volátil y con un ligero olor a éter que resulta extremadamente inflamable, con un punto de inflamación de -37 °C y un amplio rango de explosividad, entre 1,7-37 % de volumen en aire. El vapor es más pesado que el aire y se dispersa a nivel del suelo, con el consiguiente riesgo de ignición a mayor distancia y de retorno de la llama. Las bases, los ácidos y los haluros metálicos pueden provocar polimerización violenta. El Óxido de Propileno puede formar peróxidos y por lo tanto puede polimerizarse. Reacciona de forma violenta y con peligro de fuego y explosión con oxidantes, ácidos orgánicos e inorgánicos, bases orgánicas e inorgánicas, anhídridos, cloruros de hierro, aluminio y estaño, cloro, aminas, amoníaco y metales alcalinos [13]. También representa un riesgo significativo para la salud humana, dado que su inhalación o ingestión puede ocasionar daños severos. Asimismo, su contacto con la piel y los ojos puede resultar altamente tóxico. Adicionalmente, este compuesto exhibe propiedades mutagénicas y carcinogénicas, lo que agrava su potencial nocivo para el organismo. 18 4 Comparación de alternativas La Figura 7 muestra las proporciones de producción de PO por método de producción a nivel mundial. Los métodos comercializados actualmente para la producción de PO se pueden dividir aproximadamente en tres metodologías desde el punto de vista de su historia. Figura 7. Proporción de métodos de obtención de óxido de propileno Fuente [1]. La primera generación fue el método del cloro para fabricar PO usando cloro, y la segunda generación fue un método de coproducción que producía PO y coproductos como monómeros de estireno (SM) o alcohol tert-butilo (TBA) usando hidroperóxido orgánico (PO/SM, PO/TBA). Estos métodos de producción tienen inconvenientes, como problemas con el procesamiento de los subproductos o dificultades para equilibrar los mercados del PO y los coproductos [1]. En términos económicos se ha vuelto deseable un nuevo proceso de fabricación de PO amigable con el medio ambiente sin ningún coproducto. Como resultado, se comercializaron métodos de producción de tercera generación basados en el uso de cumeno como portador de oxígeno (POC) y peróxido de hidrógeno para óxido de propileno (HPPO). Desde 2015, los métodos de producción de tercera generación han representado la mitad o más de la capacidad de producción entre las nuevas plantas con una capacidad de producción de más de 200,000 toneladas/año. A continuación, se detallarán las diversas alternativas disponibles en la actualidad para alcanzar el objetivo de este proyecto, sobre la base de las cuales se podría concebir el diseño de una planta capaz de garantizar los niveles de producción y pureza de óxido de propileno establecidos como justificación de este. 4.1 Método de las clorhidrinas (CHPO) El método de las clorhidrinas, es el método más antiguo de producción de PO que se ha implementado industrialmente. El óxido de propileno se produce generando clorohidrinas de propileno con propileno, cloro y agua como materias primas, seguido de la dehidrocloración [1]. El propileno y el cloro reaccionan para producir una mezcla de αy β-clorohidrinas (9:1), y luego, el PO se sintetiza mediante reacción con un álcali como por ejemplo, el hidróxido de calcio. El único producto es PO, y como subproducto, se produce una sal de álcali en la misma cantidad molar que el PO [14]. 19 Este método de producción es una reacción a temperatura moderada en una solución acuosa, pero para cada tonelada de PO, se necesitan una gran cantidad de materias primas secundarias. Además, hay un gran exceso de agua presente en esta reacción, y se mantiene una concentración de clorohidrina del 3 al 6%, por lo que la formación de aductos de cloro debe ser controlada. Por lo tanto, se produce un gran volumen de agua residual que contiene la sal de álcali y el proceso conlleva una carga de agua residual extremadamente grande [14]. Figura 8. Producción de PO mediante el método de las clorhidrinas. Fuente [1]. El impacto en el medio ambiente del procesamiento de residuos es alto, ya que aproximadamente se generan 40 toneladas de aguas residuales que contienen aproximadamente 1.9 toneladas de cloruro de calcio por tonelada de PO. Aún hoy en día, el método del cloro representa aproximadamente el 40% de la capacidad de producción de PO a nivel mundial, pero es difícil construir nuevas instalaciones debido a las tendencias recientes hacia restricciones ambientales más estrictas [1]. La Figura 9 demuestra esquemáticamente el proceso de clorohidrina. Los dos pasos de reacción en la producción de clorohidrina de propileno en el primer reactor (clorohidrinación) son la producción del complejo de cloro de propileno en el primer paso de reacción, seguido por una reacción con agua para producir dos isómeros de clorohidrina de propileno. Figura 9. Esquema del proceso de clorhidrinas para la producción de PO. Fuente [18]. 20 4.2 Métodos de coproducción Los métodos de co-producción incluyen PO/SM y PO/TBA, y utilizan hidroperóxido de etilbenceno y hidroperóxido de terbutilo (TBHP), respectivamente, como peróxidos orgánicos para fabricar PO mediante epoxidación de propileno. Al mismo tiempo, se produce un monómero de estireno (SM) o tert-butanol (TBA) como co-producto [1]. A continuación, se describe detalladamente este tipo de proceso. En la Figura 10 se encuentran las reacciones que participan en los procesos de coproducción. (𝐶𝐻)𝐶𝐻 + 𝑂→ (𝐶𝐻)𝐶𝑂𝑂𝐻 (𝐶𝐻)𝐶𝐻𝐶𝐻+ (𝐶𝐻)𝐶𝑂𝑂𝐻 → 𝐶𝐻𝐶𝐻𝑂𝐶𝐻+ (𝐶𝐻)𝐶𝑂𝐻 (𝐶𝐻)𝐶𝑂𝐻 → 𝐶𝐻𝐶(𝐶𝐻)+ 𝐻𝑂 𝐶𝐻𝐶(𝐶𝐻)+ 𝐶𝐻𝑂𝐻 → (𝐶𝐻)𝐶𝑂𝑂𝐻 Figura 10. Reacciones proceso de co-producción. Fuente [1]. En el método PO/TBA, el PO se produce generando TBHP mediante la oxidación por aire del isobutano seguida de la epoxidación del propileno con TBHP. La oxidación del isobutano se lleva a cabo en fase líquida bajo condiciones de temperatura de 120 - 140 °C y una presión de 3 - 4 MPa. La conversión del isobutano es del 35 al 50% y la selectividad del TBHP es del 50 al 60%. La epoxidación del propileno normalmente se realiza en presencia de un catalizador que incluye un compuesto de molibdeno en fase líquida bajo condiciones de 90 - 130 °C y 1.5 - 6 MPa. La conversión del propileno es aproximadamente del 10%, la conversión del TBHP es del 95% o más y la selectividad del PO es aproximadamente del 90%. Si el TBA se deshidrata, forma isobutileno, y si se reacciona además con metanol, se puede sintetizar éter metil tert-butil (MTBE), que es útil como potenciador de octanaje para la gasolina. Dado que este método produce aproximadamente 2.1 toneladas de MTBE como subproducto por cada tonelada de PO, la rentabilidad del proceso se ve severamente afectada por las condiciones del mercado del MTBE [1]. De manera similar, la rentabilidad del método PO/SM no es independiente del mercado porque el método produce aproximadamente 2.5 toneladas de SM como subproducto por tonelada de PO. En la Figura 11 se encuentra representación esquemática en la que se describe gráficamente el proceso de óxido de propileno-monómero de estireno (PO-SM) para la producción de óxido de propileno. 21 Figura 11. Esquema del proceso PO-SM para la producción de PO. Fuente [18]. 4.3 Proceso de Sumitomo El método POC establecido por Sumitomo Chemical, es un proceso de tres etapas de reacción con un proceso para generar hidroperóxido de cumeno (CMHP) mediante la oxidación del cumeno (CUM) con aire, un proceso de epoxidación para el propileno (C3') utilizando el CMHP, y una etapa para recuperar el cumeno mediante la hidrogenación del alcohol α-cumílico (CMA) formado en el proceso de epoxidación. En la Figura 12 se encuentra esquematizado el proceso descrito con las fórmulas de cada uno de los componentes que participan. Figura 12. Proceso de Sumitomo para la obtención de PO. Fuente [1]. 22 En el método POC, se utiliza óxido de silicio que contiene titanio que actúa como un catalizador de epoxidación que es altamente activo y tiene una alta selectividad para el PO. El catalizador de silicato de Ti (TS-1) utilizado en HPPO tiene una estructura de zeolita clasificada como tipo MFI en la que el titanio sustituye al aluminio. El catalizador de titanio de Sumitomo se caracteriza por tener mesoporos a escala nanométrica y fue diseñado para tener alta actividad en reacciones con moléculas grandes como el hidroperóxido de cumeno [1]. La razón del alto rendimiento del catalizador de Ti de Sumitomo se puede atribuir a los siguientes tres elementos: los mesoporos mencionados anteriormente, el titanio tetraédrico en la matriz de sílice en un estado altamente disperso, que es altamente activo en reacciones de epoxidación, y una alta hidrofobicidad superior a otros silicatos de titanio. Las características de POC son un rendimiento extremadamente alto de PO mediante un catalizador de epoxidación de alto rendimiento y un consumo de energía mucho menor para la separación y purificación que otros métodos de producción de PO. 4.4 Proceso HPPO HPPO en sí mismo tiene un proceso de reacción de un solo paso para la epoxidación de propileno usando peróxido de hidrógeno, pero esencialmente es un proceso de tres pasos en el caso de que se incluya la producción de peróxido de hidrogeno a través del ciclo de oxidación/reducción. Se puede decir que hay solo algunas diferencias fundamentales respecto a POC. El proceso principal, aparte de la epoxidación, es el proceso de recuperación y reciclaje del solvente de metanol, y este proceso consume una gran cantidad de energía para la separación y purificación del solvente. Como ejemplo, la Figura 13 brinda una visión general del proceso. Figura 13. Proceso de obtención de PO a partir de peróxido de hidrogeno. Fuente [1]. La epoxidación es la parte del proceso en la que se obtiene PO mediante la reacción de peróxido de hidrogeno y propileno. La reacción se lleva a cabo haciendo fluir propileno y H2O2 con un solvente de metanol en un reactor catalítico en el que se utiliza el catalizador TS-1. Normalmente se utiliza un reactor del tipo carcasa y tubos, y el catalizador se regenera repetidamente mediante calentamiento o lavado con metanol. La temperatura de reacción se mantiene alrededor de los 50 °C, y el límite superior de la concentración de PO en la solución de reacción es de aproximadamente el 10% en peso, debido a que la 23 estabilidad térmica del peróxido es baja, y el PO reacciona fácilmente con agua y metanol. Se predice que la recuperación del calor de reacción a esta baja temperatura de reacción sería difícil y que habría límites para utilizar el calor de reacción para otros procesos [1]. Luego encontramos la recuperación de metanol. Los componentes gaseosos y el PO crudo se separan secuencialmente de la solución de reacción obtenida en el proceso de epoxidación y luego se obtiene una mezcla de metanol/agua que contiene productos de reacción secuenciales como el propilenglicol y otras impurezas de punto de ebullición alto. El metanol se recupera por destilación y se recicla a la reacción de epoxidación. Como se describió anteriormente, la concentración de PO en la solución de reacción de epoxidación se mantiene baja, por lo tanto, se necesita un gran exceso en la cantidad de metanol como solvente para el PO. El calor latente evaporativo de metanol es tan grande como 1,100 kJ/kg, por lo tanto, se puede suponer que el consumo de energía por cantidad de PO producido será comparativamente alto en el caso de HPPO. 5 Proceso seleccionado Tras la evaluación de los procesos nombrados anteriormente para la obtención de óxido de propileno se ha optado por enfocar el planteamiento y diseño de la planta con el proceso a partir de propileno y peróxido de hidrogeno (HPPO). Existen varias razones por las cuales se ha elegido este proceso entre las cuales se encuentran las que se nombran a continuación:  Alta selectividad y rendimiento: El proceso de HPPO ofrece una alta selectividad para la producción de óxido de propileno (PO) con rendimientos mejorados en comparación con otros métodos.  Menor consumo de energía: Aunque el proceso de HPPO puede requerir una gran cantidad de energía para la separación y purificación del metanol, su eficiencia energética en la producción de PO puede ser mayor que otros métodos, especialmente si se compara con procesos que involucran cloro, que pueden requerir altas temperaturas y consumir más energía.  Menor impacto ambiental: En comparación con otros métodos de producción de óxido de propileno que utilizan cloro, el proceso de HPPO puede ser más respetuoso con el medio ambiente al no generar subproductos indeseables como cloruro de hidrógeno.  Flexibilidad en la selección del catalizador: El proceso de HPPO puede utilizar diferentes tipos de catalizadores, como el TS-1 (catalizador de titanio-silicio), que pueden ofrecer ventajas en términos de selectividad y actividad catalítica.  Recursos disponibles: Si hay disponibilidad de propileno y peróxido de hidrógeno a precios competitivos, el proceso de HPPO puede resultar económicamente viable. En resumen, el proceso de HPPO puede ser una opción atractiva para la obtención de óxido de propileno debido a su alta selectividad, menor impacto ambiental y posibles beneficios económicos, especialmente cuando se combinan con el uso de catalizadores eficientes y prácticas de producción eficaces. Es importante comentar que existe una limitación importante a la hora de seleccionar el proceso, ya que algunos de ellos no es posible simularlos en el entorno de simulación empleado para este proyecto. 24 Para la simulación de este proyecto se utiliza el programa DWSIM que no cuenta con alguno de los productos o subproductos de algunos procesos por lo que era inviable el diseño de la planta. Por ejemplo, el proceso de las clorhidrinas (CHPO) era una propuesta muy interesante ya que se podía estudiar la posibilidad de incorporar en la planta una columna de destilación reactiva capaz de cumplir con la función de dar lugar la reacción del proceso a la vez que los componentes son separados por las cabezas y las colas de la propia columna como podemos ver en el artículo de la bibliografía [19] descrito en 2005. Lamentablemente este proceso quedo descartado por la incompatibilidad del entorno de simulación para el diseño de la planta. 6 Estudio de las materias primas Este estudio es fundamental para el diseño y operación eficiente de la planta de producción de óxido de propileno. En este segmento, se analizarán las características físicas y químicas, costos y seguridad de las materias primas necesarias para el proceso productivo. La selección adecuada de materias primas no solo influye en la viabilidad técnica del proyecto, sino que también impacta directamente en los costos operativos y en la calidad del producto final. Para la producción de óxido de propileno, las materias primas principales son el propileno, el peróxido de hidrógeno y el metanol que se utiliza como disolvente en la mezcla. A continuación, se encuentra toda la información necesaria a cerca de estos compuestos. 6.1 Propileno El propileno, también conocido como propeno, es un hidrocarburo insaturado con la fórmula química C3H6. Es uno de los alquenos más importantes y se caracteriza por la presencia de un doble enlace carbono-carbono. Este compuesto es un gas incoloro con un ligero olor similar al del petróleo, y es esencial en la industria petroquímica debido a su alta reactividad y versatilidad. El propileno se encuentra de manera natural en el gas natural y como un subproducto de la refinación del petróleo. La mayor parte de la producción industrial de propileno se lleva a cabo mediante el craqueo térmico y catalítico de hidrocarburos más pesados, así como a través de la deshidrogenación del propano. 6.1.1 Propiedades físicas y termodinámicas Es fundamental comprender las propiedades físicas y termodinámicas del propileno, ya que estas influyen directamente en el comportamiento del gas bajo diversas condiciones de proceso. La Tabla 3, presenta un resumen de los valores físicos y termodinámicos a tener en cuenta, proporcionando una base sólida para el análisis y la optimización de las operaciones industriales involucradas en la producción de óxido de propileno. 31 7 Estudio de los componentes intermedios En el proceso de producción de óxido de propileno, además de las materias primas principales como el propileno y el peróxido de hidrógeno, es esencial considerar los componentes intermedios que juegan un papel crucial en las reacciones y en el equilibrio general del proceso. Estos componentes intermedios, como el propilenglicol y el oxígeno, no solo influyen en la eficiencia y selectividad de la reacción principal, sino que también afectan el diseño y la operación de los equipos de proceso. A continuación, se presentan las propiedades y características de estos componentes intermedios, destacando su relevancia y su impacto en la producción de óxido de propileno. 7.1 Propilenglicol El propilenglicol, también conocido como 1,2-propanodiol, es un alcohol sintético de fórmula química C₃H₈O₂. Se presenta como un líquido incoloro, inodoro y con una viscosidad moderada, lo que lo hace fácilmente manejable en diversas aplicaciones industriales y comerciales. Este compuesto es miscible con agua, acetona y cloroformo. 7.1.1 Propiedades físicas y termodinámicas Para comprender mejor el comportamiento del propilenglicol en el contexto de su uso y manejo en procesos industriales, es crucial examinar sus propiedades físicas y termodinámicas. Estos datos son fundamentales para el diseño y la optimización de los sistemas de producción y para garantizar la seguridad y eficiencia del proceso. A continuación, se presenta una tabla que resume las propiedades más relevantes del propilenglicol, incluyendo su punto de ebullición, punto de fusión, densidad, viscosidad entre otros parámetros esenciales. Tabal 6. Propiedades físicas y termodinámicas del propilenglicol. Fuente [26]. Propiedad Valor Masa molar 76.1 g/mol Punto de fusión (a 1 atm) -59ºC Punto de ebullición (a 1 atm) 188.2ºC Temperatura de autoignición 420ºC Límite inferior de explosividad en aire 2.6% Límite superior de explosividad en aire 12.6% Viscosidad (a 20ºC) 58.1 mPa·s Densidad (a 20ºC) 1.036 g/ml Presión de vapor (a 20ºC) 10.6 Pa 32 7.1.2 Propiedades químicas El propilenglicol, también conocido como 1,2-propanodiol, es un compuesto químico versátil con diversas propiedades útiles en múltiples aplicaciones industriales y comerciales. Destaca por su capacidad como humectante, atrayendo y reteniendo la humedad, lo que lo hace ideal para su uso en cosméticos y productos para el cuidado de la piel. Además, es un solvente eficaz para una amplia gama de sustancias, incluyendo compuestos farmacéuticos y fragancias, lo que permite su utilización en formulaciones farmacéuticas y en la industria cosmética y de cuidado personal [27]. Otra propiedad significativa del propilenglicol es su función como estabilizador y emulsionante, estabilizando emulsiones y permitiendo que los ingredientes se mezclen de manera uniforme, lo que es crucial para la producción de cremas y lociones con una textura suave y homogénea. Su baja toxicidad y su capacidad para ser metabolizado fácilmente en el cuerpo humano lo hacen seguro para su uso en productos alimentarios y farmacéuticos. Además, debido a su punto de congelación más bajo que el agua, es un aditivo común en productos anticongelantes y líquidos de enfriamiento utilizados en automóviles y sistemas de calefacción y refrigeración. En la industria alimentaria, el propilenglicol actúa como estabilizador de sabor y aroma, mejorando la retención de estos en productos alimenticios y bebidas. También se utiliza como suavizante y plastificante en la fabricación de productos plásticos y de caucho, mejorando la flexibilidad, elasticidad y resistencia de estos materiales. Estas múltiples propiedades hacen del propilenglicol un componente esencial en una variedad de industrias, destacando su importancia y versatilidad en el ámbito industrial y comercial. 7.1.3 Peligros y seguridad El propilenglicol es generalmente considerado seguro debido a su baja toxicidad y su capacidad para ser metabolizado fácilmente en el cuerpo humano, lo que permite su uso en productos alimentarios y farmacéuticos. Sin embargo, la exposición prolongada o en altas concentraciones puede causar irritación en la piel, los ojos y el tracto respiratorio, y en casos raros, reacciones alérgicas cutáneas [26]. Por lo tanto, es crucial utilizar equipos de protección personal adecuado, como guantes y gafas de seguridad, y trabajar en áreas bien ventiladas para evitar la inhalación de vapores. Para su almacenamiento, el propilenglicol debe mantenerse en contenedores bien cerrados en un lugar fresco y seco, lejos de oxidantes fuertes. En caso de contacto con la piel o los ojos, se debe enjuagar inmediatamente con abundante agua, y si se inhala en grandes cantidades, trasladar a la persona afectada a un lugar con aire fresco. Es fundamental seguir las normativas de almacenamiento y etiquetado de productos químicos para asegurar un entorno de trabajo seguro y minimizar cualquier riesgo potencial. 7.2 Oxigeno El oxígeno es un elemento químico esencial. Es el tercer elemento más abundante en el universo y el más abundante en la corteza terrestre, formando aproximadamente el 21% de la atmósfera terrestre [28]. En condiciones estándar, el oxígeno es un gas diatómico (O₂), incoloro, inodoro e insípido. Este gas es vital para la respiración de la mayoría de las formas de vida en la Tierra y juega un papel crucial en muchos procesos biológicos y químicos. Químicamente, el oxígeno es altamente reactivo y forma compuestos con casi todos los elementos, incluidos los metales, no metales y gases. Esta reactividad es fundamental en procesos de combustión, oxidación y muchas reacciones industriales. En la industria, 33 el oxígeno se utiliza en la producción de acero, metanol, etileno y en procesos de purificación del agua, así como en la medicina, donde se emplea en terapias de oxigenación y como soporte vital en hospitales. 7.2.1 Propiedades físicas y termodinámicas Para comprender plenamente el comportamiento y las aplicaciones del oxígeno en diversas industrias, es esencial examinar sus propiedades físicas y termodinámicas. Estas características son fundamentales para diseñar procesos que involucren su manejo, almacenamiento y utilización segura y eficiente. A continuación, se presenta una tabla que resume las propiedades más relevantes del oxígeno, incluyendo su punto de ebullición, punto de fusión, densidad, capacidad calorífica y solubilidad, entre otros parámetros cruciales. Tabla 7. Propiedades físicas y termodinámicas del propileno. Fuente [29]. Propiedad Valor Masa molar 32 g/mol Punto de fusión (a 1 atm) -218.4ºC Punto de ebullición (a 1 atm) -183ºC Calor de fusión 0.444 kJ/mol Calor de evaporación 3.41 kJ/mol Capacidad calorifica 0.918 kJ/kg·K Viscosidad (a 25ºC) 20.18 μPa·s Densidad (a 20ºC) 1.429 g/ml 7.2.2 Propiedades químicas El oxígeno molecular (O₂) está compuesto por dos átomos de oxígeno unidos por un enlace doble, lo que le confiere estabilidad y una estructura lineal. Además, las moléculas de O₂ son paramagnéticas, lo que significa que muestran propiedades magnéticas en presencia de un campo magnético externo. Con respecto a su densidad, el oxígeno es aproximadamente 1,1 veces más pesado que el aire, lo que lo hace ligeramente más denso. Aunque es poco soluble en agua, puede disolverse en cantidades limitadas. En términos de conductividad eléctrica, el oxígeno es un débil conductor [28]. Químicamente, el oxígeno exhibe una alta electronegatividad, siendo el segundo elemento más electronegativo después del flúor. Esta propiedad le permite formar una variedad de compuestos con otros elementos, siendo la molécula más destacada el agua (H₂O). Esta combinación de propiedades químicas del oxígeno lo convierte en un elemento fundamental en la química y la biología, participando en una amplia gama de reacciones y procesos vitales para la vida en la Tierra. 34 7.2.3 Peligros y seguridad Aunque el oxígeno resulta indispensable para la vida, a altas concentraciones puede resultar tóxico para los seres vivos por su alta capacidad oxidante. Por ejemplo, una exposición prologada a altos niveles de oxígeno puede provocar náuseas, mareos, espasmos musculares, convulsiones y pérdidas de visión y conocimiento. Del mismo modo puede provocar la irritación de los pulmones, causando tos o insuficiencia respiratoria. Algunas sustancias como los peróxidos y algunos radicales hidroxilos también pueden resultar muy tóxicos [28]. 8 Descripción del proceso En este apartado se describe detalladamente la línea de producción de la planta de óxido de propileno, abarcando todas las etapas del proceso productivo. La línea de producción comprende desde la recepción y acondicionamiento de materias primas, pasando por las diferentes fases de reacción y separación, hasta la purificación del producto final. Se detallan los principales equipos utilizados en cada etapa, así como las corrientes involucradas. Estas corrientes pueden ser estudiadas de manera más sencilla mediante la información disponible en el Anexo B, donde se puede encontrar un diagrama de flujo de este proyecto, donde se encuentran representados cada uno de los equipos, con la numeración correspondiente de cada corriente, acompañada de una tabla que muestra tanto sus características físicas, como de presión y temperatura, así como su composición con los flujos molares de cada componente que las conforma. Es por esto por lo que a lo largo de la descripción de este proceso podemos encontrar entre paréntesis el número que describe a cada corriente para poder identificarla de una forma más sencilla en el diagrama de flujo y poder entender mejor el proceso descrito. Además, este análisis proporciona una visión comprensiva de la operativa de la planta, destacando los aspectos clave que garantizan la eficiencia, seguridad y calidad en la producción de óxido de propileno. 8.1 Alimentaciones Lo primero que se ha de valorar a la hora de empezar a definir este proceso son las composiciones y características de las corrientes que serán necesarias en nuestro proceso previo a la entrada al reactor. Para la obtención de óxido de propileno a partir de propileno y peróxido de hidrógeno, el disolvente más utilizado es el metanol, ya que el metanol actúa como un disolvente muy eficaz en este proceso debido a cuatro razones principales:  Solubilidad: Metanol tiene una buena solubilidad para ambos reactivos (propileno y peróxido de hidrógeno) y el producto (óxido de propileno).  Estabilidad: Es químicamente estable en las condiciones de reacción del proceso HPPO.  Compatibilidad: El metanol no interfiere con los catalizadores empleados en el proceso, que son generalmente basados en compuestos de titanio.  Facilidad de separación: Los productos y subproductos se pueden separar fácilmente del metanol mediante técnicas convencionales como la destilación, lo que facilita la purificación del óxido de propileno. 35 En resumen, se elige el metanol para que actúe como disolvente en este proceso principalmente por a sus propiedades físicas y químicas que favorecen la eficiencia y la selectividad de la reacción. Para obtener la máxima velocidad de reacción, es crucial determinar la cantidad óptima de disolvente que permita alcanzar concentraciones más elevadas tanto de propileno como de peróxido de hidrógeno, variables de alta importancia en el proceso. En la siguiente figura podemos observar el rango de operación estable para una presión menor de 25 bares y una temperatura menor de 100 ºC. La fracción molar mínima de metanol en la mezcla para que la disolución se encuentre dentro de este rango seria de un 70%. Figura 17. Rango de operación estable para la disolución. Fuente [15]. Es importante señalar que se utilizará un exceso de propileno en la mezcla, haciendo que el peróxido de hidrógeno actúe como reactivo limitante durante la reacción. Como se explicará en apartados posteriores, el propileno no reaccionado será recirculado nuevamente en el proceso. Al aumentar la relación de propileno respecto al peróxido de hidrógeno, se favorece la reacción principal en detrimento de las reacciones secundarias, incrementando así la selectividad hacia el producto deseado, que es el óxido de propileno. En este caso, se empleará una relación molar de propileno/peróxido de hidrógeno de 7:1. Hay que tener en cuenta también que al no participar el metanol en la reacción este también se puede recircular de forma continua en el proceso. En el caso de este proyecto se consigue reciclar el 99.91 del metanol utilizado durante el proceso por lo que solamente será necesaria una pequeña cantidad de alimentación de metanol constante en el proceso para mantener las concentraciones deseadas de alimentación al reactor. Teniendo en cuenta lo comentado hasta ahora y para cumplir el objetivo de obtener 100 toneladas anuales de óxido de propileno, la corriente con la mezcla pertinente para la entrada a nuestro reactor es la numero 8 y estará formada por la mezcla de las corrientes que se encuentran en la Tabla 8, en esta se incluyen tanto las corrientes de alimentaciones (1, 3 y 5) como las de recirculación (27 y 33). 36 Tabla 8. Composición de las corrientes de alimentación y recirculación al inicio del proceso. Corriente 1 3 5 27 33 8 Flujo másico (kg/h) 9,197.87 141.458 11,354.1 161,010 53,780.6 235,483 Flujo molar (kmol/h) 218.58 4.41 441.01 5,046.62 1,278.06 6,988.69 Peróxido de hidrógeno (kmol/h) 0 0 213.08 0.04 0 213.12 Propilenglicol (kmol/h) 0 0 0 0 0 0 Metanol (kmol/h) 0 4.41 0 4,995.53 0 5,000 Propileno (kmol/h) 218.58 0 0 0 1,278.06 1,496.63 Óxido de propileno (kmol/h) 0 0 0 0.55 0 0.55 Agua kmol/h 0 0 227.93 50.47 0 278.4 Oxigeno (kmol/h) 0 0 0 0 0 0 Las corrientes de alimentación inicialmente se encuentran a una temperatura de 20 ºC y una presión de 101,325 kPa. Una vez que estas corrientes se mezclan con las corrientes de recirculación de propileno y metanol, la mezcla resultante debe cumplir con condiciones específicas para alcanzar los resultados deseados a la salida del reactor. Cada una de las corrientes de alimentación y recirculación está equipada con una bomba o compresor, dependiendo de la fase en que se encuentre la corriente, para aumentar la presión de cada una de ellas hasta 2500 kPa antes de la mezcla. Una vez alcanzada la presión deseada, todas las corrientes se mezclan para luego introducir la mezcla resultante (7) en un intercambiador de calor (HX-1), donde se incrementará la temperatura de la corriente que ingresará al reactor hasta 82 ºC. Estos pasos previos al reactor son cruciales para asegurar que la corriente de entrada (8) cumpla con las condiciones óptimas de presión y temperatura, favoreciendo así una mayor conversión de peróxido de hidrógeno y una mayor selectividad hacia la reacción principal. 8.2 Reacción Para obtener óxido de propileno a partir de propileno y peróxido de hidrógeno, en este proceso participan tres reacciones. Como se muestra en la Figura 18, la reacción principal produce óxido de propileno y agua a partir del peróxido de hidrógeno y el propileno. Existe una reacción secundaria no deseada, en la que el óxido de propileno 37 generado en la reacción principal reacciona con agua, dando lugar a propilenglicol. Además, se produce una tercera reacción en paralelo con la principal, en la que el peróxido de hidrógeno se descompone en agua y oxígeno. Figura 18. Reacciones que participan en el proceso. Para llevar a cabo las reacciones mencionadas, se utilizará un reactor catalítico encamisado de lecho empacado (R-1) con un volumen de 7115.4 litros. Este reactor operará isotérmicamente a una temperatura de 82 ºC y una presión de 25 bares. Estas condiciones se han seleccionado porque es beneficioso que la temperatura sea lo más alta posible para favorecer la velocidad de la reacción principal, pero la mezcla de entrada al reactor debe mantenerse en fase líquida. Como se indicó en la sección anterior, la presión máxima de trabajo para un rango de operación estable es de 2500 kPa, y a esta presión, la temperatura máxima a la que podemos mantener la mezcla en fase líquida es de 82 ºC. Las reacciones que ocurren en el reactor son exotérmicas, liberando calor que podría aumentar la temperatura de la mezcla y provocar un cambio de fase indeseado. Para evitarlo, el reactor está equipado con una camisa refrigerada con agua, manteniendo así una temperatura constante. Además, es importante minimizar la pérdida de presión para la siguiente etapa del proceso. El catalizador seleccionado es la silicalita-1 de titanio (TS-1), ampliamente utilizado en los procesos de obtención de óxido de propileno a partir de peróxido de hidrógeno. Esta zeolita presenta una estructura tipo MFI y está compuesta de átomos de titanio tetraédricos y átomos de silicio, lo que facilita el proceso [17].El uso de peróxido de hidrógeno como oxidante, junto con el catalizador TS-1 (titanio silicalita-1), ofrece varias ventajas significativas en la producción de óxido de propileno. En la epoxidación del propileno, el doble enlace carbono-carbono del propileno es atacado por el átomo de oxígeno del peróxido. Antes de que el peróxido transfiera un átomo de oxígeno para reaccionar con moléculas orgánicas, este se activa en TS-1 mediante la formación de peroxocomplejos de titanio [17]. El empleo de TS-1 como catalizador asegura una alta eficiencia en la utilización atómica del oxígeno y permite la ejecución de reacciones “limpias” sin la generación de subproductos. Este proceso utiliza el peróxido de hidrógeno como agente oxidante de manera altamente efectiva. Además, el uso de TS-1 proporciona una alta conversión y selectividad hacia la reacción principal, lo que garantiza una producción eficiente y sostenible de óxido de propileno. La combinación de estos factores contribuye a una operación más económica y ambientalmente amigable [17]. En un principio se estudió la posibilidad de utilizar dos reactores con una columna de destilación situada entre ellos encargada de separar el óxido de propileno e incorporar una nueva fuente de alimentación de propileno en el segundo reactor para favorecer así la selectividad de la reacción como se documenta en el artículo de la bibliografía [15]. Esta idea permite una mayor selectividad hacia la reacción principal, ya que se reduce 38 la concentración de óxido de propileno y se augmenta la concentración de propileno a la entrada del segundo reactor, obteniendo de esta forma mejores resultados. Pero finalmente después de estudiar barias opciones se llegó a la conclusión de que no era necesario ya que como se ve posteriormente, con el uso de el catalizador de titanio la velocidad de reacción de la reacción principal es muchísimo más grande que la de las reacciones secundarias por lo que si se implementara este sistema la mejora en la selectividad de la reacción es despreciable. A continuación, se encuentran las ecuaciones utilizadas para encontrar las constantes cinéticas necesarias para las velocidades de reacción de las reacciones que participan en el reactor. 𝑘= 𝑘, ∗ 𝑒 ∗ Ecuación 1. Fuente [16]. 𝑏 = 𝑏, ∗ 𝑒 ∗ Ecuación 2. Fuente [16]. 𝑏 = 𝑏, ∗ 𝑒 ∗ Ecuación 3. Fuente [16]. En la Tabla 9 se encuentran las constantes utilizadas para realizar el cálculo para encontrar las constantes cinéticas de las ecuaciones 1, 2 y 3 para la temperatura de la reacción que es de 82ºC (355.15 K). Tabla 9. Datos para el cálculo de las constantes cinéticas. Fuente [16]. Constante Valor Unidades 𝑘  ,  364 𝑚  / ( 𝑠 ∗ 𝑘𝑔 ) 𝑘  ,  131 𝑚  / ( 𝑠 ∗ 𝑘𝑔 ) 𝑘  ,  4.96 𝑘𝑚𝑜𝑙 / ( 𝑠 ∗ 𝑘𝑔 ) 𝑏  ,  5 ∗ 10   𝑚  / 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑏  ,  1 . 83 ∗ 10   𝑚  / 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐸  43,030 𝑘𝐽 / 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐸  60,590 𝑘𝐽 / 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐸  49,810 𝑘𝐽 / 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑄  18,710 𝑘𝐽 / 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑄  20,480 𝑘𝐽 / 𝑘𝑚𝑜𝑙 R 8.314 𝑘𝐽 / ( 𝑘𝑚𝑜𝑙 ∗ 𝐾 ) T 355.15 K 39 Seguidamente después de sustituir los correspondientes valores de la Tabla 9 en las ecuaciones 1, 2 y 3, se obtienen los resultados de la Tabla 10. Tabla 10. Resultados de las constantes cinéticas. Constante Valor Unidades 𝑘  0.6149 𝑚  / ( ℎ ∗ 𝑘𝑔 ) 𝑘  5 . 786 ∗ 10   𝑚  / ( ℎ ∗ 𝑘𝑔 ) 𝑘  8 . 433 ∗ 10   𝑚  / ( ℎ ∗ 𝑘𝑔 ) 𝑏  0.282 𝑚  / 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑏  0.188 𝑚  / 𝑘𝑚𝑜𝑙 Una vez encontradas todas las constantes cinéticas necesarias, estas se pueden substituir en las ecuaciones 4, 5 y 6 para obtener las velocidades cinéticas de cada reacción en función de las concentraciones de los componentes de la mezcla que varían en el tiempo. 𝑟 󰆒=∗∗∗ ∗∗ Ecuación 4. Fuente [16]. 𝑟 󰆒=∗∗∗ ∗∗ Ecuación 5. Fuente [16]. 𝑟 󰆒=∗∗ ∗∗ Ecuación 6. Fuente [16]. Para obtener el resultado de la composición final que tendrá la corriente que sale del reactor (9) es necesario resolver el siguiente sistema de ecuaciones. Las ecuaciones 7, 8, 9, 10, 11 y 12 corresponden la diferencia de flujo molar de cada componente entre la entrada y la salida del reactor en función de la cantidad de catalizador utilizado.   = −𝑟 󰆒− 𝑟 󰆒 Ecuación 7. Fuente [16].   = −𝑟 󰆒 Ecuación 8. Fuente [16].   = 𝑟 󰆒− 𝑟 󰆒 Ecuación 9. Fuente [16].   = 𝑟 󰆒− 𝑟 󰆒+ 𝑟 󰆒 Ecuación 10. Fuente [16].   = 𝑟 󰆒 Ecuación 11. Fuente [16]. 40   = 𝑟 󰆒 Ecuación 12. Fuente [16]. Para obtener las Flujos molares de cada componente a la salida del reactor se resuelve el sistema de ecuaciones planteado para 3700 kg de catalizador. Con lo que se obtiene los resultados de la Tabla 11. Tabla 11. Composición de las corrientes de entrada y salida del reactor. 8.3 Recirculación del propileno A la salida del reactor (R-1) se encuentra un intercambiador de calor (HX-1) que eleva la temperatura de la corriente (9) que sale del reactor hasta 85 ºC, logrando así una fracción de vapor en la mezcla del 17.85%. Esta mezcla (10) de gas y líquido se separa en un tanque de destilación Flash (V-1). De esta manera, se consigue separar el 96.29% del propileno no reaccionado, aunque también se arrastra una pequeña cantidad de óxido de propileno que se desea reintroducir en el proceso. Para ello, se utiliza una columna de destilación (SCOL-4). A través del fondo de la columna (22) se recupera el óxido de propileno remanente en la mezcla, mientras que por la cabeza de la columna (21) se obtiene el propileno. En la mezcla (21) de propileno aún quedan trazas de oxígeno, las cuales se eliminan mediante la incorporación de un segundo tanque de destilación Flash (V-2) a la salida de la cabeza de la columna (SCOL-4). Por otro lado, la corriente (12) liquida que se obtiene a la salida del primer tanque Flash (V-1) le sigue otra columna de destilación (SCOL-1) encargada de separar las trazas de propileno restantes en esta mezcla. Por lo que por la cola de esta columna (15) se obtiene una mezcla libre de propileno que se une a la corriente (23) de óxido de propileno de la línea anterior y por la cabeza de la columna (14) se obtiene el propileno restante que se mezcla con la corriente (31) de propileno de la línea anterior para ser recirculado nuevamente en el proceso De esta forma se consigue recircular el 99.57% del propileno no reaccionado en una corriente (33) con una pureza de propileno del 99.99 ≈ 100%. Corriente 8 (Entrada) 9 (Salida) Flujo másico (kg/h) 235,483 235,483 Flujo molar (kmol/h) 6,988.69 6,988.37 Peróxido de hidrógeno (kmol/h) 213.12 0.04 Propilenglicol (kmol/h) 0 0.36 Metanol (kmol/h) 5,000 5,000 Propileno (kmol/h) 1,496.63 1,283.61 Óxido de propileno (kmol/h) 0.55 213.2 Agua kmol/h 278.4 491.11 Oxigeno (kmol/h) 0 0.03 47 Para cumplir con este objetivo el intercambiador tiene un área de transferencia de calor de 60 𝑚. 9.3.5 Intercambiador de calor HX-3 Intercambiador de calor con un área de transferencia de calor de 900 𝑚 con la función de augmentar la temperatura de la corriente (18) que se obtiene por las colas de la columna de destilación (SCOL-2) hasta una temperatura de 180ºC. Estas son las condiciones optimas de la corriente de entrada la columna de destilación (SCOL-3) que separa el agua del metanol. 9.3.6 Compresor C-1 Este compresor está diseñado para aumentar la presión de la corriente (1) de alimentación de propileno fresco en el sistema hasta 2500 kPa, permitiendo su mezcla efectiva con las demás corrientes que ingresan al reactor. 9.3.7 Bomba PUMP-1 Se trata de una bomba centrífuga encargada de aumentar la presión de la corriente (3) de alimentación de metanol hasta 2500 kPa antes de su mezcla con las demás corrientes de alimentación y recirculación. 9.3.8 Bomba PUMP-2 Bomba centrifuga con la función de augmentar la presión de la corriente (5) de alimentación de peróxido de hidrogeno con agua para que esta cumpla con las condiciones de presión adecuadas. 9.3.9 Bomba PUMP-3 Esta bomba se encarga de augmentar la presión de la corriente (30) en fase liquida que sale del separador Flash (V-2) compuesta por propileno des de 1100 kPa hasta 2500 kPa para que esta cumpla las condiciones de presión adecuadas previo a su recirculación en el proceso. 9.3.10 Bomba PUMP-4 Al igual que la bomba anterior (PUMP-3), esta bomba se encarga de aumentar la presión de la corriente (14) de propileno que se obtiene por la cabeza de la columna de destilación (SCOL-1) des de 450 kPa hasta 2500 kPa para su correcta recirculación al inicio del proceso. 9.3.11 Bomba PUMP-5 Esta última bomba tiene la función de augmentar la presión de la corriente (26) que se obtiene por la cabeza de la columna de destilación (SCOL-3) que se encarga de separar el metanol del agua. Esta corriente está formada principalmente por metanol y necesita augmentar su presión hasta 2500 kPa para poder ser recirculada de nuevo con la alimentación de metanol fresco. 48 9.3.12 Válvula VALVE-1 Esta válvula se ubica en la salida del tanque Flash (V-1) para reducir la presión de la corriente (12) obtenida hasta 450 kPa. Esta condición de presión es crucial, ya que corresponde a la presión operativa requerida por la columna de destilación (SCOL-1) en etapas posteriores del proceso. 9.3.13 Válvula VALVE-2 Similar a la válvula (VALVE-1) anterior, esta válvula se encuentra ubicada en la salida del tanque Flash (V-1), pero en este caso para la corriente (11) gaseosa. Su función es reducir la presión desde 2500 kPa hasta 1200 kPa, que corresponde a la presión operativa requerida por la columna de destilación (SCOL-4) en la secuencia del proceso. 9.3.14 Válvula VALVE-3 La corriente (15) procedente de la cola de la columna de destilación (SCOL-1) es seguida por esta válvula, diseñada para reducir la presión desde 450 kPa hasta la presión atmosférica. Esta presión es necesaria para el equipo siguiente (SCOL-2) en el proceso. 9.3.15 Válvula VALVE-4 Al igual que la válvula anterior (VALVE-3), esta válvula está destinada a reducir la presión de la corriente (22) a presión atmosférica. Las corrientes (22 y 15) procedentes de estas dos válvulas se mezclarán para ser introducidas en la columna de destilación (SCOL-2), la cual produce el producto final del proceso. 9.3.16 Válvula VALVE-5 Esta válvula se encuentra entre la columna de destilación (SCOL-4) y el tanque de separación Flash (V-2) y se encarga de disminuir la presión de la corriente (21) desde los 1200 kPa hasta los 1100 kPa. 10 Seguridad Para el apartado de seguridad del proyecto, se ha llevado a cabo un Análisis de Riesgos y Operabilidad (HAZOP) de los equipos de la planta para identificar posibles riesgos y garantizar la seguridad operativa. Este análisis se ha centrado en anticipar y mitigar variables de control críticas para cada equipo, asegurando que se tomen las medidas necesarias para prevenir incidentes y mantener una operación segura y eficiente. El HAZOP es una técnica sistemática utilizada para identificar y evaluar problemas potenciales que podrían representar riesgos para la operación de una planta industrial. Su objetivo principal es mejorar la seguridad y la eficiencia de los procesos. Este análisis se realiza mediante el examen detallado de los procesos y equipos, buscando posibles desviaciones de las condiciones normales de operación que podrían llevar a situaciones peligrosas. Para la realización del HAZOP de esta planta, en el cual se puede encontrar tabulado en el Anexo C de este proyecto, se han realizado los pasos que se describen a continuación: 49  Definición del alcance y selección del sistema a estudiar: Se determina qué partes del proceso serán objeto del análisis, identificando los equipos y sistemas críticos.  División del sistema en nodos: El proceso se divide en secciones manejables, conocidas como nodos, cada uno de los cuales se examina de manera individual.  Identificación de desviaciones: Se utilizan palabras guía (como "más de", "menos de", "no" y "parte de") para identificar posibles desviaciones de las condiciones normales de operación.  Evaluación de causas y consecuencias: Para cada desviación identificada, el equipo analiza las posibles causas y las consecuencias potenciales.  Determinación de medidas de mitigación: Se desarrollan estrategias para mitigar o eliminar los riesgos asociados con cada desviación. Esto puede incluir cambios en el diseño, procedimientos operativos o sistemas de control.  Documentación: Los resultados del análisis HAZOP se documentan de manera detallada, incluyendo las desviaciones identificadas, sus causas, consecuencias y las medidas de mitigación recomendadas. El HAZOP realizado en la planta de producción de óxido de propileno ha permitido identificar posibles desviaciones de las condiciones operativas normales, evaluar sus causas y consecuencias, y desarrollar estrategias de mitigación adecuadas. Se ha prestado especial atención a los reactores y columnas de destilación, debido a su papel crucial en el proceso y su potencial riesgo inherente. En el próximo apartado de este proyecto, se presentan las variables de control implementadas en cada uno de los equipos, que resume las necesidades de control identificadas durante el HAZOP y las medidas de seguridad implementadas. En el próximo apartado se describen los sistemas de control implementados en cada uno de los equipos de la planta. Los diseño de estos sistemas se han realizado a partir de los resultados obtenidos durante la realización del HAZOP. Estos sistemas de control permiten realizar un monitoreo continuo de las condiciones de la planta, garantizando que se mantenga un entorno de trabajo seguro y controlado en todo momento. 11 Control del proceso El control eficaz de los equipos en una planta de producción de óxido de propileno es fundamental para asegurar operaciones seguras, eficientes y confiables. Este apartado se centra en el estudio y análisis del control de diversos equipos críticos, incluyendo el reactor, las columnas de destilación, los tanques Flash y los intercambiadores de calor. Cada uno de estos equipos desempeña un papel crucial en el proceso global de producción, desde la conversión de materias primas como propileno y peróxido de hidrógeno hasta la separación y purificación de productos finales. El objetivo principal es asegurar que los equipos operen dentro de los parámetros óptimos, manteniendo condiciones de temperatura, presión y composición adecuadas para maximizar la eficiencia del proceso y la calidad del producto. El estudio detallado del control de estos equipos permitirá identificar estrategias y técnicas avanzadas para optimizar el rendimiento y la seguridad operativa de la planta. 50 11.1 Reactor El control del reactor en la planta presenta un aspecto crítico para asegurar la eficiencia del proceso y la seguridad operativa. Este componente esencial es donde tiene lugar la reacción de epoxidación del propileno con peróxido de hidrógeno, catalizada por TS-1, para producir óxido de propileno. La optimización de variables como temperatura, presión y relación de alimentación es fundamental para maximizar la conversión del propileno en el producto deseado con alta selectividad. El control preciso de la temperatura y la presión dentro del reactor es crucial para mantener las condiciones óptimas de reacción, asegurando que la cinética de la reacción sea adecuada y que se minimicen los efectos adversos como la formación de subproductos. Además, la correcta gestión del tiempo de residencia de las corrientes de alimentación y la monitorización en tiempo real de variables críticas garantizan una operación eficiente y segura del reactor. Estas estrategias de control no solo optimizan el rendimiento del proceso, sino que también contribuyen a mantener altos estándares de seguridad y calidad en la producción de óxido de propileno. 11.1.1 Control de temperatura El sistema de control de la temperatura opera utilizando un sensor de temperatura para medir constantemente esta variable en el interior del reactor. Este sensor envía una señal al controlador, que compara la temperatura medida con la variable controlada. Si se detecta alguna desviación, el controlador decide si es necesario calentar o enfriar el sistema. Para esto se emplea una válvula de control que permite el flujo de agua refrigerada hacia el interior de la camisa que envuelve el reactor. El control de temperatura implica una retroalimentación continúa debido a que es un parámetro esencial para mantener la temperatura del proceso dentro de los límites adecuados. Esto asegura la estabilidad del proceso, evitando fluctuaciones que podrían poner en riesgo la instalación, a los trabajadores o incluso afectar la calidad del producto final. Figura 19. Diagrama del sistema de control de temperatura del reactor. En el control de temperatura del reactor, el sensor TI envía constantemente lecturas de temperatura al controlador TIC. Si esta temperatura augmenta como consecuencia de las reacciones exotérmicas que se involucran en el proceso, el controlador FIC transforma la señal per a regular la válvula automática para que augmente el flujo de agua refrigerada hacia la camisa. 51 11.1.2 Control de presión El sistema de control de presión es un elemento crítico para garantizar la seguridad en la planta, evitando fugas y cualquier tipo de accidente involuntario. Este sistema opera con un sensor de presión ubicado en el reactor, el cual mide continuamente la presión interna y envía una señal al controlador específico de presión. El reactor tiene una presión de trabajo de 2500 kPa, en el caso de que la presión del sistema augmentara el controlador de presión enviaría una señal a la válvula automática para que augmente el flujo descarga hasta que los niveles de presión se normalicen. Si se detecta un augmento de presión por encima de los 2500 kPa de presión de trabajo. Figura 20. Diagrama del sistema de control de presión del reactor. Como podemos observar, el reactor cuenta con un sensor de presión (PI_102), el cual realiza mediciones continuas del valor de presión y las envía al controlador PIC_102. Si el controlador detecta que la presión está fuera del rango establecido (en nuestro caso, por encima de 2500 kPa), abrirá la válvula de control, permitiendo la salida de gases del reactor y evitando así una sobrepresión 11.1.3 Control de flujo El control de caudal es fundamental para mantener constante el flujo volumétrico durante las horas de operación del reactor, ya que de no ser así habría cambios en el tiempo de residencia por lo que no se obtendrían los resultados de conversión deseados. Figura 21. Diagrama del sistema de control de flujo. 52 Como se observa, el sistema cuenta con un sensor FI_103 que mide la cantidad de mezcla que ingresa al sistema. Este valor se transmite al controlador FIC_103, el cual, si es necesario, envía una señal para que se accione la válvula automática y regule de esta manera el flujo de alimentación hacia el reactor. 11.2 Columnas de destilación El control preciso de las variables operativas en las columnas de destilación es crucial para asegurar la calidad del producto y la eficiencia del proceso. Las variables más importantes a controlar son la temperatura, la presión y el flujo, ya que afectan directamente la separación y purificación de los componentes. La temperatura debe ser controlada cuidadosamente para mantener el equilibrio entre las fases líquida y vapor, lo que garantiza una separación eficiente de los reactivos y subproductos. La presión, por otro lado, influye en los puntos de ebullición de los componentes y debe ser ajustada para optimizar las condiciones de destilación. El control del flujo asegura la circulación a través del sistema, evitando acumulaciones y asegurando un rendimiento constante. En los próximos apartados se encuentran representados gráficamente los sistemas de control que presentan en común las cuatro torres de destilación que participan en el proceso. 11.2.1 Control de temperatura Para temperatura de la parte alta de la columna se regula a través del reflujo de la columna a través de una válvula automática que reacciona en función de un sensor de temperatura. En cambio, para regular la temperatura de la parte baja de la columna se utiliza la válvula automática que controla la entrada de vapor al hervidor conectado a la salida de la parte baja de la columna. Figura 22. Diagrama del sistema de control de temperatura de las columnas de destilación. 53 Como podemos ver en la Figura 22 el sensor de temperatura TI_205 lee la temperatura de la parte alta de la columna y envía información al controlador FIC_205 para que augmente o disminuya la apertura de la válvula de reflujo para mantener una temperatura constante. En la parte baja de la columna se encuentra el sensor de temperatura TI_204 que proporciona la información necesaria al controlador FIC_204 para controlar la entrada de vapor al hervidor y regular de esta forma la temperatura de la parte baja de la columna. 11.2.2 Control de presión Para regular la presión de la columna se utiliza una válvula de descarga de gases colocada en el tanque que almacena el destilado a la salida de el condensador de la columna Figura 23. Diagrama del sistema de control de presión de las columnas de destilación. Como se puede observar en la Figura 23, en cada una de las columnas de destilación de la planta se cuenta con un sensor de presión como el PI_206 que envía información al controlador FIC_206 para que abra la válvula de descarga en caso de una presión superior a la presión de trabajo de cada una de las columnas. Adicionalmente también se cuenta con una alarma de presión baja como la del sensor PI_207. 54 11.2.3 Control de flujo El fujo es una variable muy importante a tener en cuenta para evitar inundaciones en la columna y garantizar un correcto funcionamiento de la columna. En esta planta cada una de las columnas de destilación cuenta con una valvula automatica que controla el flujo de entrada a partir de una variable de flujo definida. Para evitar inundaciones tanto en el tanque de destilado como en la columna se utilizan una serie de sensores de nivel que controlan el flujo de destilado y de la salida por las colas de las columnas. Figura 24. Diagrama del sistema de control de flujo de las columnas de destilación. En la Figura 24 se puede observar el sensor de flujo FI_201 que envía información al controlador FIC_201 para que controle la válvula automática que regula el flujo de entrada a la columna en función de la variable de flujo definida. Para evitar inundaciones en la columna se cuenta con la alarma de nivel alto LI_202 que al activarse envía información al controlador FIC_202 para que augmente el flujo de salida de la parte baja de la columna. Además, se cuenta con una alarma de nivel bajo que avisa de nivel insuficiente en la columna. Para evitar inundaciones en el tanque de destilada se utiliza el mismo sistema descrito para la columna con el sensor de nivel LI_203 que encaso de dar nivel alto, el controlador FIC_203 augmenta el flujo de salida de el destilado hasta normalizar el nivel del tanque. 55 11.3 Tanques de separación Flash En el control de los dos tanques de separación flash involucrados en el proceso, las variables críticas a considerar son la presión y el flujo. Para mantener una presión de trabajo constante, se emplea un sensor de presión que, en caso de detectar un aumento en el sistema, envía una señal al controlador de flujo. Este, a su vez, incrementa la apertura de la válvula de salida de la fase gaseosa del tanque. Adicionalmente, para evitar el desbordamiento del tanque, se utilizan dos detectores de nivel. Estos dispositivos proporcionan la información necesaria para regular la válvula automática que controla la salida de la fase líquida, asegurando así la prevención de inundaciones. En la Figura 25 se puede ver representado gráficamente el sistema de control descrito. Figura 25. Diagrama del sistema de control de los tanques de separación Flash. 11.4 Intercambiadores de calor En el caso de los intercambiadores de calor, la única variable que se debe controlar es la temperatura de la corriente de salida, dado que la función principal de estos equipos es aumentar la temperatura de las corrientes hasta un valor predeterminado. Como se muestra gráficamente en la Figura 26, esto se logra gracias a un sensor de temperatura ubicado en la salida del intercambiador, el cual envía información para regular el paso del vapor mediante una válvula automática. Figura 26. Diagrama del sistema de control de flujo de los intercambiadores de calor. 56 12 Análisis económico y de rentabilidad El presente análisis económico tiene como objetivo evaluar la viabilidad económica de la planta. Se examinarán los principales factores que influencian los costos de producción, la inversión inicial requerida, y los potenciales ingresos generados por la venta del producto. Además, se realizarán proyecciones de flujo de caja y se calcularán indicadores clave de rentabilidad, tales como el periodo de retorno de inversión (PBT) y el Índice de retorno de inversión (ROI). Este análisis detallará tanto los costos fijos como variables asociadas con la construcción y operación de la planta, incluyendo la adquisición de materia prima, energía, mantenimiento, mano de obra entre otros. Al finalizar, se espera ofrecer una visión comprensiva de los beneficios económicos potenciales y los riesgos asociados, proporcionando así una base sólida para la toma de decisiones estratégicas respecto a la implementación del proyecto. Este enfoque permitirá evaluar con precisión la rentabilidad y sostenibilidad de la planta de producción de óxido de propileno. 12.1 Economía del proceso El primer paso por realizar previo al estudio del diseño de la planta es calcular la economía del proceso para ver si el proceso de obtención de óxido de propileno a partir de propileno y peróxido de hidrogeno puede llegar a ser rentable o no. Para ello es necesario realizar los cálculos correspondientes para saber los beneficios que se pueden obtener por kilogramo de producto teniendo en cuenta los costes pertinentes de materias primas necesarias. En la Tabla 19 encontramos todos los datos a tener en cuenta para obtener la información deseada entre los que se encuentran los kilogramos de cada materia prima necesaria para producir un kilogramo de óxido de propileno y el coste de cada uno de los componentes. Tabla 19. Datos para la economía del proceso. Peróxido de hidrogeno Propileno Óxido de propileno Agua Coeficiente estequiométrico. 1 1 1 1 Massa molar g/mol 34.01 42.08 58.08 18.02 kg/kg OP 0.5856 0.7245 1 0.3104 €/kg 0.53 [10] 1.04 [9] 1.54 [8] 0 Como se puede observar en los siguientes cálculos, partir de los datos de la Tabla 19, solamente teniendo en cuenta los costes de las materias primas, se obtienen unos beneficios brutos de 0.48 euros por kilogramo de óxido de propileno producido. 1 ∗ 1.54 − (0.53 ∗ 0.5856 + 1.04 ∗ 0.7245)= 0.48€/𝑘𝑔𝑃𝑂 63 [10] Mike. Hydrogen peroxide price index. Businessanalytiq. Recuperado el 26 de abril de 2024, de https://businessanalytiq.com/procurementanalytics/index/hydrogenperoxide-price-index/ [11] Propylene oxide. Sigmaaldrich.com. Recuperado el 6 de junio de 2024, de https://www.sigmaaldrich.com/ES/es/product/usp/1576945 [12] de Propileno, D. T. P. E. L. E. D. E. L. L. D. E. E. P. D. E. L. Ó. (s/f). ÓXIDO DE PROPILENO. Insst.es. 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