Fabricación de detergente en polvo

Fabricación de detergente en polvo 1 ÍNDICE GENERAL ÍNDICE MEMORIA ÍNDICE general ..........................................................................................1 ÍNDICE MEMORIA .......................................................................................1 Resum.......................................................................................................7 Resumen ...................................................................................................7 Abstract ....................................................................................................7 Capítulo 1: INTRODUCCIÓN.................................................................. 8 Capítulo 2: HISTORIA........................................................................... 9 Capítulo 3: DETERGENTES .................................................................. 10 3.1. Clasificación de los tensioactivos .................................................10 3.1.1. Tensioactivos aniónicos ........................................................10 3.1.2. Tensioactivos catiónicos .......................................................13 3.1.3. Tensioactivos anfóteros........................................................14 3.1.4. Tensioactivos no iónicos .......................................................14 3.2. Capacidad detersiva...................................................................14 3.3. Constitución de los detergentes..................................................16 3.3.1. Coadyuvantes .....................................................................17 3.3.2. Aditivos..............................................................................20 3.3.3. Auxiliares de presentación ....................................................23 3.3.4. Formulación........................................................................24 3.4. Aplicaciones..............................................................................25 Capítulo 4: PROCESO DE FABRICACIÓN DE DETERGENTE EN POLVO .. 27 4.1. Descripción global......................................................................28 4.1.1. Resumen del proceso...........................................................28 4.1.2. Reacciones .........................................................................28 4.2. Entradas al proceso ...................................................................29 4.2.1. Materias primas...................................................................29 Nieves Adalid Gavilán 2 4.2.2. Insumos.............................................................................31 4.2.3. Recursos naturales ..............................................................31 4.3. Etapas del proceso.....................................................................31 4.3.1. Pre-adición .........................................................................32 4.3.2. Torre de secado ..................................................................34 4.3.3. Post-adición........................................................................35 4.4. Generadores .............................................................................36 4.5. Envasado..................................................................................37 4.6. Diagrama de flujo......................................................................38 4.7. Automatización .........................................................................38 Capítulo 5: BIBLIOGRAFÍA ................................................................. 39 5.1. Libros de consulta......................................................................39 5.2. Páginas Web .............................................................................39 ÍNDICE PRESUPUESTO índice presupuesto......................................................................................1 Capítulo 1: INTRODUCCIÓN.................................................................. 2 Capítulo 2: COSTES FIJOS..................................................................... 3 2.1. Nave industrial............................................................................3 2.2. Maquinaria..................................................................................4 2.2.1. Maquinaria línea de fabricación ...............................................4 2.2.2. Maquinaria línea envasado......................................................5 2.2.3. Automatización .....................................................................5 2.2.4. Total importe maquinaria .......................................................5 2.3. Personal .....................................................................................6 2.4. Total de costes fijos .....................................................................6 Capítulo 3: COSTES VARIABLES............................................................ 7 3.1. Materias primas...........................................................................7 3.1.1. Para la fabricación .................................................................7 3.1.2. Para el envasado...................................................................8 3.1.3. Total precio de materias primas ..............................................8 3.2. Total de costes variables ..............................................................8 Capítulo 4: INGRESOS ........................................................................ 10 Fabricación de detergente en polvo 3 4.1. Detergente en polvo ..................................................................10 4.2. Ácido sulfúrico al 76%................................................................11 4.3. Total ingresos ...........................................................................11 Capítulo 5: RENTABILIDAD ECONÓMICA ............................................ 12 5.1. Amortizaciones..........................................................................12 5.2. Balance económico ....................................................................12 ÍNDICE PLIEGO DE CONDICIONES Índice pliego de condiciones.........................................................................1 Capítulo 1: PLIEGO DE CONDICIONES GENERALES............................... 2 1.1. Objeto........................................................................................2 1.2. Disposiciones legales ...................................................................2 1.3. Condiciones facultativas legales.....................................................3 1.4. Seguridad del trabajo...................................................................3 1.5. Seguridad pública........................................................................4 Capítulo 2: PLIEGOS DE ESPECIFICACIONES TÉCNICAS ....................... 5 2.1. Especficicaciones de materiales y equipos.......................................5 2.2. Especificaciones de ejecución........................................................7 Capítulo 3: PLIEGO DE CLÁUSULAS ADMINISTRATIVAS ....................... 8 ÍNDICE ANEXOS índice anexos .............................................................................................1 Capítulo 1: RIESGOS QUÍMICOS ........................................................... 4 1.1. Toxicidad de los agentes tensoactivos ............................................5 Capítulo 2: PROTECCIÓN Y SEGURIDAD................................................ 6 2.1. Compatibilidad materias primas con los equipos de trabajo...............6 2.2. Incompatibilidad entre reactivos..................................................10 2.2.1. Incompatibilidad entre reactivos............................................10 2.3. Ley de prevención de riesgos laborales.........................................13 2.3.1. Evitar los riesgos.................................................................13 2.3.2. Equipos de protección colectiva.............................................14 Nieves Adalid Gavilán 4 2.3.3. Equipos de protección individual (EPI)....................................16 2.4. Normativa interna......................................................................16 2.5. Emergencias .............................................................................17 Capítulo 3: MEDIO AMBIENTE............................................................. 18 3.1. Contaminación a causa de los detergentes....................................18 3.2. Biodegradabilidad ......................................................................19 3.3. Tripolifosfato de sodio ................................................................21 3.3.1. Eutrofización.......................................................................21 3.3.2. Hidrólisis del TPP .................................................................21 3.3.3. Consistencia de las pastas de detergentes que contienen TPP ...22 3.4. Legislación................................................................................23 Capítulo 4: PROYECTO DE FIN DE CARRERA I..................................... 24 4.1. Problema..................................................................................24 4.2. Detergentes y jabones ...............................................................24 4.2.1. ¿Qué es un jabón?...............................................................24 4.2.2. ¿Qué es un detergente? .......................................................26 4.3. Antecedentes............................................................................28 4.4. Enfoque....................................................................................29 4.5. Requirimientos de diseño a tratar ................................................29 4.5.1. Composición .......................................................................30 4.5.2. Materias primas...................................................................30 4.5.3. Proceso..............................................................................31 4.5.4. Medio ambiente...................................................................31 4.5.5. Almacenaje.........................................................................31 4.6. Análisis de requerimientos de diseño............................................31 4.6.1. Composición .......................................................................31 4.6.2. Materias primas...................................................................35 4.6.3. Proceso..............................................................................36 4.6.4. Medio ambiente...................................................................37 4.6.5. Almacenaje.........................................................................38 4.7. Soluciones tecnológicas..............................................................38 4.7.1. Composición .......................................................................38 4.7.2. Materias primas...................................................................39 4.7.3. Proceso..............................................................................39 4.7.4. Medio ambiente...................................................................39 4.7.5. Almacenaje.........................................................................39 Fabricación de detergente en polvo 5 4.8. Área y emplazamiento de la planta ..............................................40 4.8.1. Empaque............................................................................40 4.8.2. Ocupación de material..........................................................40 4.8.3. Área planta.........................................................................41 4.8.4. Emplazamiento ...................................................................41 4.9. Planificación PFCII .....................................................................44 4.9.1. Etapas de de desarrollo PFCII ...............................................44 4.9.2. Diagrama de Gantt .............................................................44 4.10. Presupuesto PFCI ......................................................................46 Capítulo 5: AUXILIAR CÁLCULO.......................................................... 47 5.1. Fomulario .................................................................................47 5.1.1. Balance macroscópico de materia ..........................................47 5.1.2. Balance de macroscópico de energía......................................48 5.1.3. Intercambiador de calor .......................................................48 5.1.4. Transporte de fluidos ...........................................................49 5.2. Tablas auxiliares de cálculo.........................................................51 Capítulo 6: CÁLCULOS DEL PROCESO.................................................. 54 6.1. Introducción .............................................................................54 6.2. Caudal másico, energía, área del intercambiador...........................54 6.2.1. Balance de materia y de energía del reactor 1.........................54 6.2.2. Balance de materia del mezclador de dilución .........................59 6.2.3. Balance de materia del separador..........................................61 6.2.4. Balance de materia y de energía del reactor 2........................61 6.2.5. Balance de materia y de energía de la torre de atomización......68 6.2.6. Balance de materia de la reacción de combustión ....................69 6.3. Dimensionado de la torre de secado.............................................72 6.3.1. Diámetro d del secadero.......................................................72 6.3.2. Altura de L del secado..........................................................72 6.3.3. Balance de materia del mezclador 2.......................................73 Capítulo 7: SIMULACIÓN .................................................................... 74 Capítulo 8: FICHAS TÉCNICAS ............................................................ 75 Nieves Adalid Gavilán 6 ÍNDICE PLANOS Índice PLANOS ...........................................................................................1 PLANO 1-5: UBICACIÓN FÁBRICA......................................................... 2 PLANO 2-5: SITUACIÓN FÁBRICA......................................................... 3 PLANO 3-5: PLANTA GENERAL.............................................................. 4 PLANO 4-5: DETALLE DEL PROCESO DE FABRICACIÓN ......................... 5 PLANO 5-5: DIAGRAMA DE FLUJO DEL PROCESO.................................. 6 Fabricación de detergente en polvo 7 RESUM Este proyecto consiste en dimensionar una planta para la fabricación de Detergente en polvo para lavado de ropa. El tensioactivo por excelencia para el lavado de ropa es el dodecilbencenosulfonato sódico, por lo tanto, se obtendrá y se preparará una fórmula de detergentente. Además, se realiza un estudio de la acción negativa de los detergentes en el medio ambiente, protección y seguridad en la fábrica, una simulación de los cálculos, un diseño detallado y general de la planta, un pliego de condiciones y un presupuesto para conseguir una producción rentable. RESUMEN Aquest projecte consisteix en dimensionar una planta que fabrica detergent en pols pel rentant de la roba. El tensioactiu per excel·lència pel rentat de la roba és el dodecilbencensulfonat sòdic, per tant, s’obtindrà i es prepararà una fórmula de detergent. A més a més, es realitza un estudi de l’acció negativa del detergents en el medi ambient, protecció i seguretat en la fàbrica, una simulació dels càlculs, un diseny detallat i general de la planta, un plec de condicions i un pressupost per aconseguir una producció rentable. ABSTRACT This project consists of sizing a plant to manufacture powder detergent for washing clothes. The surfactant the best for washing clothes is sodium dodecylbenzenesulfonate, therefore, is obtained and prepared detergentente formula. In addition, a study of the negative action of detergents on the environment, safety and security at the factory, a simulation of the calculations, a detailed design and general plant, a specification and a budget to achieve profitable production. Nieves Adalid Gavilán 8 CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN La producción es de 10 toneladas la hora, cantidad que fue estimada de otros proyectos de esta aplicación para que fuese una planta de categoría medianapequeña, es decir, una planta piloto. Se tomará la cantidad de 10 toneladas la hora como dato para el dimensionamiento de las máquinas y equipos que se seleccionarán para tal efecto. Para elaborar el detergente en polvo, primero se realizará un estudio de los componentes del detergente para conseguir una fórmula de detergente que sea efectiva, luego se obtendrá el tensioactivo aniónico, dodecilbencenosulfonato de sodio, para el lavado de la ropa mediante la sufonación del óleum y después la neutralización con sosa caústica. El siguiente paso es adicionar los insumos (no termolábiles) y llevar el producto a una torre de atomización (para secar el producto para transformarlo en polvo) finalmente, adicionar otros insumos (termolábiles). Se comercializará un detergente con partículas entre 0,5 y 1 micras y el envase será de 2kg. Esto lo llevarán a cabo un total de 18 trabajadores diarios, suma de los trabajadores de oficinas y fabricación, personal suficiente para una planta mediana-pequeña automatizadas. Habrá dos turnos para los trabajadores de oficinas y tres turnos para los trabajadores de fabricación. Todos los trabajadores tienen una jornada laboral de 8 horas diarias de lunes a viernes. Execpeto el viernes que habrá un ciclo menos porque hay que limpiar las máquinas. Por lo tanto, se preve unos 215 días laborales para el 2011. La nave está situada en “Pol Ind Pla de Palou C / Palautordera, 24 Granollers (Barcelona)”, que se puede acceder por autopista A-7 y autovía C-17 a Barcelona y autovía C-60 a Mataró y Badalona. Tiene 6000m2 de terreno y 4000m2 construidos. En la primera planta, se realizará la fabricación de detergente en polvo y en la planta de arriba están las oficinas, panel de control y laboratorio. Fabricación de detergente en polvo 9 CAPÍTULO 2:HISTORIA La historia del jabón y del detergente se puede resumir en los siguientes puntos: • Los sumerios, en 2800 años a.C. ya fabricaban el jabón. Hervían diversos álcalis juntos y utilizaban su residuo para lavarse. • Los egipcios ya utilizaban un producto jabonoso que consistía en una mezcla de agua, aceite y ceras vegetales o animales, fórmula que fue utilizada también por los griegos y los romanos. • En 1790, Nicolás Leblanc médico y químico francés desarrolló el proceso de fabricación del jabón. • En 1861, Ernest Solvay redescubrió y mejoró el proceso de fabricaión de del jabón basándose en la sal común, piedra caliza y amoníaco. La competición entre los dos procesos anteriores duró años, pero la simplicidad, los costes de operación reducidos y sobretodo el reducido impacto ambiental del proceso Solvay, aseguró su éxito. • En 1930, disminuyó el precio de jabón y aparecieron las primeras lavadoras provocando unos hábitos de higiene en la población que coincidió con el descubrimiento de los tensoactivos sintéticos. Los primeros detergentes fueron los alquilbencenosulfonatos, que no pueden ser degradados por las bacterias porque son cadenas ramificadas. • En 1965, aparecieron los detergentes alcanosulfonatos lineales. Estos nuevos detergentes si podían ser metabolizados por las bacterias ya que son compuestos de cadena saturadas. • En 1916, se pone a la venta en Alemania el primer detergente químico, Nelka. No era muy eficaz pero fue el origen de una investigación de los detergentes. • En 1990, aparecen las primeras lavadoras automáticas y los detergentes compactos, más concentrados, eficaces y con menor impacto ambiental. Nieves Adalid Gavilán 16 El otro fenómeno que se produce por la ruptura de la capa de la solución acuosa, es la formación de las burbujas y/o espuma. Esta formación se consigue con la mezcla de agua y aire. 3.3. Constitución de los detergentes La formulación comercial de productos de limpieza, tanto líquidas como sólidas, están constituidas generalmente por una mezcla de uno o varios tensioactivos que actúan mejorando la acción detersiva y una serie de componentes complementarios: los aditivos, los coadyuvantes y los auxiliares de presentación (como los blanqueantes, enzimas, etc.), que conforman un producto no sólo con mejores características de limpieza sino con mayor seguridad tanto para el consumidor, como para los equipos y el medio ambiente. Como un detergente esta compuesto de varios componentes esto proporciona un efecto sinérgico aumentado el poder detersivo. Los detergentes de hoy en día, tanto líquido como en polvo, contienen entre un 5 y un 20% en peso de tensioactivos. De esta manera, una concentración de detergente doméstico de 5 g/l, originará una agua de lavado con 1 gramo de tensioactivo por cada litro, es decir, un 0,1% en peso. Figura 3.8. Componentes de un detergente Fabricación de detergente en polvo 17 Como en el apartado 3.1 se ha explicado la clasificación de los tensioactivos, ahora, se explicará los componentes complementarios que se clasifican en coadyuvantes, aditivos y auxiliares de presentación. 3.3.1. Coadyuvantes Los coadyuvantes también se pueden denominar builders o constructores. Los constructores dan soporte a los surfactantes secuestrando las partículas que dan dureza al agua (magnesio y calcio) para evitar la interacción de estos iones con los surfactantes. La eliminación de las manchas se hace mediante la quelación (solubles), precipitación (insolubles) o intercambio iónico (insolubles). Se destacan los siguientes constructores: 1. Ácido etilendiaminotetraacético (EDTA). Son sustancias que atrapan las partículas metálicas en las manchas en medio acuoso, evitando que éstas se depositen sobre la tela, por lo tanto, elimina las manchas mediante quelación. Figura 3.9. Ácido etilendiaminotetraacético 2. Tripolifostatos de sodio. La fórmula de este coadyuvante es Na 5 P 3 O 10 que se utiliza en lavandería y lavaplatos. Sus características son: • Ablandan el agua por precipitación de los iones que causan la dureza del agua con lo que permiten lavar en aguas duras. Asimismo, saponifica los ácidos grasos que han podido quedar libres, disolviéndolos en el medio acuoso. • Actúa como emulsionante de la grasa y dispersante de las partículas sólidas de la suciedad impidiendo que se redepositen. • Mantiene la alcalinidad del medio. • Neutraliza la suciedad ácida. • Ejerce un comportamiento sinérgico con los tensioactivos para lavar mejor. • No nocivos. • Pueden eliminarse en plantas depuradoras. • Eficacia muy alta. • Soluble. Nieves Adalid Gavilán 18 Los inconvenientes son: • Tanto ellos como los productos resultantes de su hidrólisis contienen fósforo, interviene negativamente en el proceso de la eutrofización de lagos y embalses y en la permeabilidad del suelo, ya que el fósforo son nutrientes para los vegetales (para más información ver anexo de medio ambiente). Los sustitutos de este coadyuvante son: carbonato de sodio, silicatos, zeolitas, sales sódicas de ácidos hidrocarboxilicos. 3. Carbonatos de sodio. Su fórmula es Na 2 CO 3 . Las ventajas son: • Son muy baratos • Ablandan el agua por precipitación. • Aportan alcalinidad al medio • Son buffers Las desventajas son: • Los precipitados pueden incrustarse en los tejidos y sobre alguna parte de la lavadora. • Alto poder corrosivo 4. Silicatos de sodio. El silicato de sodio es Na 2 SiO 3. • Son solubles • Ablanda el agua formando precipitados que se enjugan fácilmente • Inhiben la redeposición de las partículas indeseasen los tejidos lavados. • Son anticorrosivos, dificultan la oxidación del acero inoxidable o del aluminio. • Son disoluciones tampones o reguladores o buffers, es decir, mantienen el pH adecuado durante todo el lavado, proporcionando las condiciones de trabajo óptimas para que así el resto de los componentes del detergente sean capaces de funcionar al máximo rendimiento. 5. Zeolitas sódica. Es un aluminosilicato sódico con una estructura cristalina formando poros en su interior cuya fórmula es Na 2 Al 2 Si 3 O 10 ·2H 2 O. En comparación, con el TPP presenta una serie de inconvenientes y ventajas. Los inconvenientes: • Poca capacidad de intercambio para el ión magnesio (intercambio iónico). • Para que se produzca intercambio, los iones metálicos deber de estar en disolución. • Insoluble en agua. Fabricación de detergente en polvo 19 • Menos eficacia. • Neutro Las Ventajas: • Capacidad de intercambio para los iones calcio, esta capacidad en muchos casos es superior, al TPP, especialmente a temperaturas altas. • Proporciona una fase heterogénea en el mismo sistema de lavado, lo que impide que se produzcan incrustaciones sobre las prendas. 6. Sales sódicas de ácidos hidrocarboxilicos. Se utilizaban estos agentes por su poder secuestrante, pero su elevado precio provocó su rápida sustitución por otros coadyuvantes ionorgánicos. Actualmente, se aceptan las siguientes sales: • Sales sódicas del ácido nitrilo acético, NTA. Es el mejor complejante de los iones calcio que el TPP. Pero, solubiliza los iones cationes metálicos pesados, aumentando la toxicidad de aguas residuales. • Sales sódicas del ácido cítrico, CT-Na. Es un complejante de iones calcio y magnesio. Estas sales presentan las siguientes ventajas: • Es altamente soluble en agua. • Es químicamente compatible con cualquier otro ingrediente. • No es tóxico y resulta altamente biodegradable. Los incovenientes son: • Al aumentar la temperatura disminuye el poder secuestrante. • Resulta caro y no abunda en los mercados. Las funciones resumidas de los principales coadyuvantes son: Tabla 3.1. Funciones de los coadyuvantes Agentes coadyuvantes Funciones Polifosfatos Ablandar el agua Silicatos solubles Ablandar el agua Carbonatos Ablandar el agua Perboratos Blanquear Nieves Adalid Gavilán 20 La vida de los coadyuvantes más importantes en la industria química de detergentes son: Figura 3.10. Evolución de los builders en la industria Los tripolifosfatos tienen una eficacia más elevada que los demás coadyuvantes pero afectan negativamente al medio ambiente, en algunos países europeos se prohibieron su utilización, por eso motivo, fueron sustituidos poco a poco por las zeolitas y los carbonatos. Pero, los científicos de las industrias de este campo, observaron que no eran tan eficaces como los TPP, además del coste elevado de las zeolitas, por ello, a lo largo de los años se introdujeron la mezcla de los carbonatos y los silicatos. 3.3.2. Aditivos Este componente aporta características ajenas al poder detersivo. Los agentes aditivos más comunes son: enzimas, carboximetilcelulosa, estabilizadores de espuma, colorantes y perfumes. A continuación, se explican cada uno de estos aditivos: 1. Blanqueantes. Los tejidos se blanquean por la liberación del oxígeno (oxígeno inestable). Las burbujas que se forman por la liberación de oxígeno van degradando las manchas indeseadas y el color de la ropa dejándola blanca. Casi todos los blanqueantes son componentes “per”, es decir, tiene un oxígeno adicional y son oxidantes en comparación a su fórmula estable. Además, inhiben la formación de bacterias y fungicidas. Los blanqueantes más utilizados son: a) Peróxido de hidrógeno. El peróxido de hidrógeno o agua oxigenada (H 2 O 2 ). La inestabilidad del peróxido de hidrógeno: 2 H 2 O 2 (l)  2 H 2 O (l) + O 2 (g) ↑ Tambíen, es capaz de actuar como agente oxidante o reductor. Las ecuaciones que se muestran a continuación presentan las semireacciones para la reacción en solución ácida. 2H + (ac) +H 2 O 2 (ac) + 2e -  2H 2 O (l) H 2 O 2 (ac)  O 2 (g) + 2H + (ac) + 2e - b) Hipoclorito de sodio. La fórmula del hipoclorito es NaClO, también es conocido como lejía. Sólo es estable en solución acuosa a pH básico. El peróxido de hidrógeno y el hipoclorito de sodio son incompatibles con la gran mayoría de los componentes de los detergentes en polvo porque son líquidos y Siglo XX TPP Siglo XX Zeolitas más Carbonatos Siglo XXI Carbonatos más silicatos Fabricación de detergente en polvo 21 porque la descomposición de peróxido de hidrógeno se acelera en medio ácido, que ocasionaría la formación del LAS, y porque la descomposición del hipoclorito de sodio se relantiza en medio básico provocando la no liberación del oxígeno, es decir, en ninguno de los casos se tendría un detergente efectivo y blanqueante. En cambio, el perborato, percarbonato y persulfato son menos agresivos que el hipoclorito de sodio, se encuentran en estado sólido, son compatibles con todos los componentes del detergente y la descomposición se acelera en medio básico. Por eso, se elegirá el mejor de los tres para blanquear la ropa. c) Peroxoborato de sodio. Su fórmula es Na 3 BO 4 . El boro afecta negativamente al medio ambiente, por eso se descarta como componente del detergente. d) Peroxocarbonato de sodio. La fórmula es Na 2 CO 4 . e) Peroxosulfato de sodio. El persulfato/peroxosulfato de sodio es Na 2 SO 5 que es menos utilizado que el percarbonato de sodio. Al elevar la temperatura de lavado aumenta la descomposición de los compuestos “per”, pero éstos no blanquean a temperaturas bajas, ya que, necesitan un activador para acelerar su descomposición y blanquear a temperatura ambiente. El activador que se utiliza es el TAED, normalmente se añade menor del uno porciento al detergente. Un ejemplo del TAED con el peróxido de hidrógeno. Figura 3.11. Reacción del TAED con el H 2 O 2 f) Blanqueante óptico. Son compuestos blancos o incoloros que absorben luz en la región violeta y ultravioleta del espectro electromagnético (entre 340 y 400nm) y la reflejan en la zona azulada del espectro visible (entre 400 y 470nm), lo que da a la prenda una apariencia más blanca. Estos no cambian las características de absorción de la prenda, pero al reflejar más luz, hacen que el ojo crea que esta viendo un color más blanco y brillante. Si se incide luz ultravioleta, rayos del sol, en la prenda se verán las manchas de un color amarillento y si se hace en el detergente que contega blanqueante óptico se podrá apreciar donde está por el brillo que resplandece. Los blanqueadores ópticos tienen un 0,0001 porciento de titanio.En la formulación del detergente se utilizará la curamina como activador de los “per”. g) Blauet. Los “blauets” son agentes ópticos, granos de color azul, que tiene un 0,00001 por ciento de titanio. También, pueden ser utilizados en las pinturas y tintes para dar un brillo al color blanco. Nieves Adalid Gavilán 22 Con respecto a los blanqueantes, se formulará un detergente que contega el peroxocarbonato de sodio, el TAED y la curamina para blanquear y dar brillo a la ropa blanca. Si se formulase un detergente para ropa de color no se añadiría ningún blanqueante, porque destiñería la ropa. 2. Enzimas. Las enzimas rompen las moléculas orgánicas adheridas en los tejidos facilitando la interacción del tensioactivo en porciones más pequeñas de suciedad para eliminarla. Las moléculas orgánicas pueden ser restos de leche, sangre, tomate... En el siguiente esquema se muestra la reacción de una enzima y tensioactivo con una partícula indeseada. Figura 3.12. Interacción de una enzima y tensioactivo con la suciedad Dependiendo del compuesto orgánico adherido a la ropa tenemos su correspondiente enzima para hidrolizarlo: Proteína  Proteasas Celulosa  Celulosas Almidón  Amilasas Lípidos  Lipasas En la industria de detergentes se compra una mezcla de las anteriores enzimas para asegurarse de que no quedan sustancias indeseadas en los tejidos. Los enzimas son termolábil. 3. Carboximetilcelulosa (CMC). Modifica la viscosidad de la pasta y estabiliza las dispersiones. Retiene humedad, modifica las propiedades de consistencia, absorbe minerales de la superficie y precipita las particulas en suspensión formando coloides en el fondo. Figura 3.13. Fórmula de la carboximetilcelulosa Enzima Tensoactivo Fabricación de detergente en polvo 23 4. Estabilizadores de espuma. Controlan la espuma para evitar la formación excesiva espuma. La producción de espuma no tiene nada que ver con el poder detergente. Sin embargo, el consumidor tiene siempre la impresión de que si no hay espuma no hay buena detergencia. Este malentendido está a menudo mantenido y acentuado por la publicidad de los propios fabricantes de detergentes. Para el lavado a máquina tanto de ropa es un inconveniente la formación de espuma por la eficacia del detergente y el daño de la máquina, por eso, se han desarrollado las formulaciones baja-espuma. Como por ejemplo, la silicona. Figura 3.14. Estructura de la silicona 5. Colorantes. El color de las prendas se va perdiendo con el lavado, por ello, se añaden unas partículas de color al detergente para mantener el color de la prenda. Los colorantes son compuestos orgánicos con dobles y simples enlaces alternados, es decir, sistemas conjugados. Si se hace reaccionar un oxidante con un colorante, el agente oxidante reaccionará con los dobles enlaces del colorante transformandolos a enlaces simples. Esta pérdida de conjugación provoca que la mólecula deje de aborver en la región ultravioleta-visible y por lo tanto deja de ser coloreada. Por eso, no se debe utilizar ningún tipo de oxidante para lavar ropa de color. 6. Perfumes. Dan aroma a los tejidos. 3.3.3. Auxiliares de presentación Los auxiliares de presentación son compuestos minerales u orgánicos que sirven para dar un acabado al producto final y conseguir la concentración adecuada. Los más usados son el sulfato de sodio y el agua. 7. Sulfato de sodio. La fórmula de sulfato de sodio es Na 2 SO 4 y evita que el polvo se apelmace facilitando su manejo y disolución en el agua. A parte, da volumen al detergente en polvo. 8. Agua. Los detergentes en polvo tienen una cierta humedad, que son moléculas de agua adheridas al detergente. Nieves Adalid Gavilán 24 Las funciones resumidas de los aditivos y auxiliares se muestran en la siguiente tabla: Tabla 3.2. Funciones de los aditivos y los auxiliares Aditivos y auxiliares Funciones Sulfato de sodio Evitar endurecimiento del polvo Sustancias fluorescentes Absorber la luz ultravioleta Enzimas Romper moléculas Carboximetilcelulosa Impedir la adhesión del polvo Estabilizadores de espuma Estabilizar la espuma Colorantes Evitar perdida de colores Perfumes Perfumar 3.3.4. Formulación Los componentes de un detergente en polvo para ropa blanca y para ropa de color son: Tabla 3.3. Componentes para ropa blanca y de color Ropa blanca Ropa de color Tensoactivo aniónico Tensoactivo aniónico Carbonato de sodio y silicato de sodio Carbonato de sodio y silicato de sodio Percarbonato de sodio y activador Enzimas Blanqueante óptico Silicona Enzima Carboximetilcelulosa Silicona Colorante Carboximetilcelulosa Perfume Perfume Sulfato de sodio Sulfato de sodio Agua Agua - Pero, este proyecto sólo se centra en un tipo de detergente en polvo que es para lavar ropa blanca, aunque el dimensionado y presupuesto de maquinaria y materias primas sería la misma, pero no los ingresos y los beneficios brutos. No se ha añadido suavizante a la formulación del detergente en polvo porque el suavizante es líquido y si se hace pasar por el proceso de secado pierde las propiedades de suavizante. Por este motivo, el suavizante se comprará a parte. Fabricación de detergente en polvo 25 La formulación de los detergentes se determina de acuerdo a la finalidad para la cual se fabrica, es decir, del uso, de la concentración, viscosidad, densidad, humedad y del consumidor. Además, de las conclusiones extraídas en el apartado 3.3.3 En la siguiente tabla se muestra la fórmula que continene el detergente en polvo. Tabla 3.4. Formulación del detergente en polvo Componentes Sustancia Porcentaje Kg/h detergente Envase detergente kg Agentes tensoactivos Dodecilbencenosulfonato de sodio 20,0 2000 40 Constructores 1 Carbonato de sodio 15,0 1500 30 Constructores 2 Silicato de sodio 15,0 1500 30 Sustancias blanqueadoras Peroxocarbonato de sodio 20,0 2000 40 Sustancias ópticas Curamina 1,2 120 2 Activador TAED 0,8 80 2 Estabilizador de espuma Silicona 0,4 40 1 Polímeros Carboximetilcelulosa 2,0 200 4 Auxiliar 1 Agua 10,0 1000 20 Auxiliar 2 Sulfato de sodio 15,0 1500 30 Perfume Perfume 0,1 10 0 Enzima Proteasas, lipasas, celulosas… 0,5 50 1 Total 100,0 10000 2 En la industria de detergentes se produce detergentes en polvo, líquidos, cremosos o compactos. Los ingredientes que componen el detergente en polvo son: materia activa (dodecilbencenosulfonato de sodio) y componentes complementarios (coadyuvantes, aditivos y auxiliares). El detergente en polvo contiene entre un 8% y un 10 % máximo de humedad. 3.4. Aplicaciones Los campos de aplicación de la industria de detergentes son: Detergentes en polvo para la colada, detergentes líquidos y concentrados, estabilizadores de espuma en detergentes líquidos, productos para la limpieza de superficies duras, sanitarios, productos lavavajillas, limpiadores de alfombras y tapicerías. En la actualidad son pocos los procesos industriales que no utilizan detergentes en alguno o varios de sus procesos: Nieves Adalid Gavilán 32 CALIDAD + COSTE Figura 4.1. Etapas del proceso A continuación, se detalla cada etapa del proceso. 4.3.1. Pre-adición Es la primera etapa del proceso de elaboración del detergente en polvo. Como esta etapa se trabaja con líquidos, soluciones (acuosas) y agua, se denomina etapa de mezcla húmeda, se puede dividir en: reacción de sulfonación, reacción de neutralización y finalmente pasta slurry. QUIMICA INGREDIENTES Líquidos Sólidos Enzimas Perfumes TERMICO Torre 300ºC a 90ºC MEZCLA SECA Post-adición MEZCLA HUMEDA Pre-adición DENSIDAD Volumen Peso Performance HUMEDAD FISICA ENVASADO Manipulación o perarios NO Manipulación operarios PROCESO POR LOTES (Reactores Batch) PROCESO CONTINUO Fabricación de detergente en polvo 33 11. Reacción de sulfonación En la industria de los detergentes es común emplear el dodecilbenceno (DDB) como agente activo. El DDB es sulfonado con el oleum, para formar el respectivo ácido dodecilbencensulfónico (LAS). La reacción que tiene lugar es la reacción 1 (Ver 4.1.2) La velocidad de reacción es extremadamente rápida y exotérmica. Es necesario mantener la temperatura a 55 ºC a fin de evitar el exceso de sulfonación y el consiguiente oscurecimiento de la mezcla, para mantener la temperatura se emplea un intercambiador alrededor del reactor, el conjunto del reactor y del intercambiador de calor se denomina reactor con camisa. La sulfonación produce una conversión del 96% en menos de un minuto. Pero, para facilitar los cálculos y los diseños del proceso se ha supuesto una conversión del 100%. Las variables a controlar son: • Efectividad del agente sulfonante. • Relación de agente activo y agente sulfonante. • Temperatura. • Técnica y tiempo de agregado del agente sulfonante. • Grado de agitación en la sulfonación. • Temperatura y tiempo de agitación de la mezcla reaccionante. • Pureza del agente sulfonante. Actualmente la mayoría de las industrias eliminan la etapa de sulfonación y adquiren por parte de otras industrias químicas el ácido Sulfónico de Dodecilbenceno como materia prima para la producción de los detergentes, como por ejemplo, Henkel, debido a que el coste del LAS es mucho más bajo que dodecilbenceno. En el anexo se hace un estudio económico de esto último. 12. Reacción de neutralización El LAS formado se neutraliza con una solución de sosa cáustica, para formar el tensoactivo aniónico, dodecilbencensulfonato de sodio. La reacción es la reacción 2 ver 4.1.2. La neutralización se efectúa de la siguiente manera: se deposita la solución de NaOH (20%) en el neutralizador, después se agrega el LAS y se agita a una velocidad tal que su temperatura en el neutralizador se mantenga en un rango de 50-55 ºC (el cual debe tener una capacidad mínima igual al doble de la capacidad del sulfonador). Durante la neutralización es necesario controlar la temperatura para mantener la fluidez de la pasta. Esta reacción es altamente exotérmica, generando de 6 a 8 veces más calor que en la reacción de sulfonación (1). Los equipos empleados para controlar la temperatura en las etapas de sulfonación y neutralización son intercambiadores de calor de flujo circulante. Nieves Adalid Gavilán 34 La masa formada en la reacción (2), se mezcla con los insumos elegidos para elaborar el detergente. La operación se realiza en tanques de mezcla denominados crouthers (recipientes cilíndricos de base cónica y dispuesta de una chaqueta de calentamiento y un agitador), en donde se forma un lodo pastoso denominado slurry con un contenido del 40 al 60% de sólidos. Es necesario mantener un control estricto de la composición del producto resultante, la temperatura y el pH. Parámetros de la formación de la pasta slurry: • Temperatura de mezcla: 60º C. • pH de la mezcla: 10 (básico). - Comprobación de un pH básico cualitativamente: La mezcla contiene agua y dodecilbencenosulfonato de sodio. El agua es neutra y la sal del LAS es básica porque la sal se descompone en catión sodio y en el anión dodecilbenecenosulfonato, reacción (4). El catión sodio no reacciona con el agua por lo tanto, el pH del medio es neutro, pero el anión de la sal del LAS si que reacciona con el agua, formando LAS y hidroxilos, reacción (5). CH 3 (CH 2 ) 9 (CH) 2 C 6 H 5 SO 3 Na  CH 3 (CH 2 ) 9 (CH) 2 C 6 H 5 SO 3- + Na + (4) H 2 O + CH 3 (CH 2 ) 9 (CH) 2 C 6 H 5 SO 3-  CH 3 (CH 2 ) 9 (CH) 2 C 6 H 5 SO 3 H + OH - (5) Finalizada la mezcla, el slurry se bombea a la torre de secado. El detergente desechado del tamiz y los detergente devueltos por el consumidor se vierten en el mezclador de la pasta slurry, para que no haya residuos. Ver el anexo de cálculos para conocer más información del dimensionado. 4.3.2. Torre de secado La pasta slurry contiene entre un 30 y el 40 % de humedad (los cálculos se han realizado con un valor del 36% de agua, ver anexo de cálculos) hasta un producto terminado del 10 % máximo de humedad. El secado se efectúa en la torre de aspersión o dispersión. La masa pastosa o slurry es bombeada a la torre de dispersión a una presión de 75 a 150 Psi., las partículas dispersas son puestas en contracorriente con aire caliente (400 ºC). En ésta sección se realizan las siguientes operaciones: • Generación de aire caliente. • Secado del producto. • Separación de polvo de arrastre. La producción de aire caliente necesaria para el secado del producto se obtiene mediante el horno generador de combustión de gas natural (el gas natural contiene entre un 90% y un 95% de metano y el resto es nitrógeno, sulfuro de hidrógeno y helio, pero los cálculos se han realizado con el porcentaje máximo Fabricación de detergente en polvo 35 de metano, es decir, 100%). El generador está dotado de los dispositivos para el control de la combustión y la regulación automática de la temperatura del aire caliente a 400 ºC. Cerca del generador está situado el ventilador que ha de enviar el aire caliente a la torre, provisto de válvulas de regulación de caudal y enfriamiento. El aire de secado entra por la parte inferior de la torre y sale por arriba, en sentido contrario al descenso de las partículas atomizadas por los inyectores. El distribuidor está provisto de numerosas bocas de entrada de aire para garantizar una inyección uniforme y regular del aire al interior de la torre. En cambio, la pasta slurry sale atomizada por la parte de arriba de la torre. Mientras el producto seco sale por la parte inferior de la torre, el aire (húmedo) lo hace por la parte superior, pasando a través del conducto a la batería de ciclones. • Torre de Aspersión o dispersión Se alimenta de un gran volumen de aire caliente suficiente para abastecer el calor necesario para completar la evaporación del agua. La transferencia de masa y energía se logra mediante el contacto directo del gas caliente con las gotitas dispersas. Después de concluir la desecación el gas saliente por la parte superior es enfriado (por el calentamiento global) y las partículas finas se separan del gas por medio de un filtro (para que las partículas finas no pasen a la atmosfera contaminándola).La torre de aspersión generalmente está construida con chapa de acero común, está provista de mirillas o puntos de observación, e inyectores de pulverización. Tienen forma y dimensiones estudiadas para obtener valores óptimos de la velocidad y temperatura del aire además del tiempo de contacto. Normalmente la altura promedio es 24 metros (la torre que se instalará será de 20,4m). • Batería de ciclones La recolección de finos y nieblas en la parte superior de la torre de aspersión son atrapados por medio de filtros que atrapan más del 90 % de los sólidos. Los ciclones están ajustados con mangas de alta resistencia a la temperatura. Los finos son continuamente recogidos y reciclados dentro de la torre de dispersión, así se asegura una aspersión libre de niebla y se evita la operación manual. El aire sale a la atmósfera con un contenido de finos y material particulado por debajo de 5 mg/m 3 . Para ver el dimensionado de la torre ver anexos. • Sistema de enfriamiento El producto caliente que sale de la descarga de la torre es transportado por el conducto en donde sufre un enfriamiento. En el paso por el conducto de enfriamiento, los grumos más pesados se descargan en la parte inferior del conducto. 4.3.3. Post-adición La mezcla es seca porque el porcentaje de agua es de un 10%, esto se considera un polvo seco. En esta última etapa se realiza la operación de tamizado, en que Figura 4.2. Torre de secado Nieves Adalid Gavilán 36 las partículas de 0,5 a 1 micras pasan como producto deseado (se recogen en la parte inferior del tamizado) y el resto se desecha en el mezclador de la pasta slurry. Después de realizar una granulometría se añaden los insumos que no se han añadido en la pasta slurry, porque las altas temperaturas de la torre se secado supondría una desactivación de las de las propiedades de las sustancias, como por ejemplo, el perfume y enzimas mediante dosificadoras. Las tres etapas anteriores (pre-adición, torre de secado y post-adición) se pueden esquematizar en un diagrama de flujo como es el siguiente. Figura 4.3. Diagrama de flujo proceso de fabricación. 4.4. Generadores Los generadores del proceso de manufactura de los detergentes son: el vapor, el intercambiador de calor y el quemador. 13. Vapor: Es requerido como suministro de energía en el crouther, para mantener las condiciones de temperatura exigidas, la cual es aproximadamente de 60 - 70 ºC 14. Intercambiador de calor: Las reacciones del proceso, son fuente generadora de energía por cuanto allí se efectúan unas reacciones altamente exotérmicas, por tanto es necesario disponer del agua como fluido de enfriamiento que absorba la energía producida. Necesariamente las aguas calientes son enviadas a un sistema de torres de enfriamiento donde son enfriadas y recirculadas. Estos intercambiadores consisten de un número de tubos paralelos encerrados en una carcasa cilíndrica y se clasifican de acuerdo a la construcción del cabezal de Reactor 1 Reactor 2 Mezclador 1 Pasta Slurry Torre de secado Ciclones de limpieza Pasta Slurry Tamizado Insumos 1 Insumos 2 Mezclador 2 DETERGENTE EN POLVO Fabricación de detergente en polvo 37 tubos. En todos los casos los tubos están mandrilados o soldados al cabezal para impedir pérdidas hacia el casco. Los tipos de intercambiadores utilizados son: a) Intercambiadores de cabezal fijo: Es el tipo de intercambiador más simple, pero tiene algunas limitaciones: • Diferencia de temperatura limite de 65 ºC entre los fluidos, dado que no hay tolerancias para expansión. • No se puede limpiar dentro del casco, por lo tanto el líquido del mismo debe estar lo más limpio posible. b) Intercambiadores de cabezal flotante: Para permitir que los tubos puedan expandirse debido a la diferencia de temperatura en el intercambiador, uno de los cabezales del tubo se mueve libremente dentro del casco. Esta cabeza debe estar encerrada dentro del casco con una tapa para retornar el fluido de los tubos a la salida. c) Intercambiadores de tubos en U: Los tubos son de una sola pieza y hechos para cada caso. Los tubos pueden expandirse y contraerse y sólo un cabezal es necesario. El haz de tubos puede ser sacado para inspeccionarlo y limpiarlo, los cuales sólo pueden ser limpiados mediante el uso de reactivos químicos. 15. Quemador: Es el dispositivo que suministra la energía necesaria para mantener la temperatura del aire a la entrada de la torre de secado a 400 ºC. Una vez obtenido el detergente en polvo se realiza la operación de envasado. 4.5. Envasado El detergente se envasará en envases de cartón. Cada envase contendrá 2 kg de detergente, en el PFCI se dijo de 9 kg, pero esto conlleva una envase más grande y el doble de peso que hace desfavorable la venta por su formato. La etapa de envasado es una serie de operaciones unitarias mecánicas para dar un aspecto final al detergente en polvo. A continuación, se observa un esquema del envasado. Figura 4.4. Proceso de envasado Llenar Agrupar paquetes y envolver Etiquetar “Paletelizar” y envolver Sellar Secar el sellado Plegar cartón Cortar “asa” Montar caja Codificar Nieves Adalid Gavilán 38 El circuito del envaso se puede describir de la siguiente forma: la primera máquina del envasado realiza tres operaciones: coge los cartones desplegados, los pliega, corta el asa a la distancia adecuada y la inserta en el cartón, es decir, monta la caja para poder llenar el envase con facilidad y sin la ayuda de personal. Después, se transporta a la siguiente máquina que es el llenador de los envases, esta máquina o puede que conjunto de máquinas tiene un dosificador, una báscula y un sensor para detectar el nivel de llenado. La siguiente máquina se encarga de cerrar el envase y sellarlo (poner una cinta adhesiva para asegurarse de que el envase este cerrado). Luego, se seca la cinta adhesiva con una máquina que expulsa aire caliente, para que el secado se realice más rápido. Una vez secado, se imprime un código de barras en cada cartón. La siguiente máquina agrupa los envases de seis en seis y los envuelve firmemente en papel film, por lo tanto, debe tener un mecanismo de esperar los envases, agruparlos por lotes de seis en seis, envolverlos (el film de rodearlos por las 6 caras) y finalmente cortar el film. Luego, el lote de seis cartones se pega la etiqueta (contiene fecha, identificación de la sustancia y de la empresa, composición e información y código). La última máquina va poniendo los lotes de seis en seis en palees y una vez lleno y con una altura. La última etapa del envasado es el transporte de los palees al almacén de detergente en polvo. 4.6. Diagrama de flujo En el documento de planos se adjunto el diagrama de flujo del proceso de elaboración de detergente en polvo. 4.7. Automatización El proceso de elaboración del detergente de principio a fin, incluyendo envasado, está controlado y regulado por PC’s y sistemas electromecánicos, en el que el programa simula la función de un trabajador. Si la planta está automatizada habrá un o varios trabajadores visualizando las pantallas del proceso. Las computadoras especializadas, son utilizadas para leer entradas de campo a través de sensores y en base a su programa, generar salidas hacia el campo a través de actuadores. Existen dos tipos distintos: DCS o Sistema de Control Distribuido, y PLC o Controlador Lógico Programable. El primero era antiguamente orientado a procesos de tipo analógico (4-20mA), mientras que el segundo se utilizaba en procesos de tipo digital (ceros y unos). Actualmente ambos equipos se parecen cada vez más, y cualquiera de los dos puede ser utilizado en todo tipo de procesos. Figura 4.5. Esquema de automatización Fabricación de detergente en polvo 39 CAPÍTULO 5: BIBLIOGRAFÍA 5.1. Libros de consulta García Domínguez, J.J. “Tensioactivos y Detergencia”.Ed. Dossat, S.A. Madrid, 1986 Peters S., Max; “Plant Design and Economics for Chemical Engineers”.Timmerhaus D., Klaus Ed. Mc Graw Hill. 1991 Austin, George T. “Industrias de Procesos Químicos” Ed. Mc Graw Hill. Aguer Hortal, Mario; Pérez Gorostegui, Eduardo “Teoría y práctica de economía de la empresa”; Ed. Centro de Estudios Ramón Areces, S.A. Madrid Riegel, E.R.“Química Industrial” Ediciones Grijalbo, S.A. Barcelona-México, 1964 Sánchez Leal, Joaquín “Aspectos Ecológicos de los Detergentes” Gestió i Promoció Editorial, S.A. Barcelona, 1995 5.2. Páginas Web http://www.henkel.com http://revista.consumer.es/web/es/20030901/actualidad/analisis2/63530.php http://www.fichasdeseguridad.com http://turnkey.taiwantrade.com.tw/ http://www.merck-chemicals.es - 1 - ÍNDICE PRESUPUESTO índice presupuesto......................................................................................1 Capítulo 1: INTRODUCCIÓN.................................................................. 2 Capítulo 2: COSTES FIJOS..................................................................... 3 2.1. Nave industrial............................................................................3 2.2. Maquinaria..................................................................................4 2.2.1. Maquinaria línea de fabricación ...............................................4 2.2.2. Maquinaria línea envasado......................................................5 2.2.3. Automatización .....................................................................5 2.2.4. Total importe maquinaria .......................................................5 2.3. Personal .....................................................................................6 2.4. Total de costes fijos .....................................................................6 Capítulo 3: COSTES VARIABLES............................................................ 7 3.1. Materias primas...........................................................................7 3.1.1. Para la fabricación .................................................................7 3.1.2. Para el envasado...................................................................8 3.1.3. Total precio de materias primas ..............................................8 3.2. Total de costes variables ..............................................................8 Capítulo 4: INGRESOS ........................................................................ 10 4.1. Detergente en polvo ..................................................................10 4.2. Ácido sulfúrico al 76%................................................................11 4.3. Total ingresos ...........................................................................11 Capítulo 5: RENTABILIDAD ECONÓMICA ............................................ 12 5.1. Amortizaciones..........................................................................12 5.2. Balance económico ....................................................................12 Nieves Adalid Gavilán 8 Silicato de sodio 1.500 1.870,50 7,20 13.467,60 Peroxocarbonato de sodio 2.000 2.494,00 95,40 237.927,60 Cumarina 120 149,64 190 28.431,60 TAED 80 99,76 10.000 997.600,00 Silicona 40 49,88 7.580 378.090,40 Carboximetilcelulosa 200 249,40 150,30 37.484,82 Sulfato de sodio 1.344 1.675,97 140,50 235.473,50 Perfume 10 12,47 9.800 122.206,00 Enzimas 50 62,35 55.000 3.429.250,00 Total 11.405 14.222,04 84.532,70 8.461.944,97 3.1.2. Para el envasado Las materias primas para el envasado son: envase de cartón con su diseño final para el consumidor, asas del envase, remaches para unir el cartón con la asa, cinta adhesiva para cerrar el envase, tinta para el código de barras, film para el lote de tres envases y la etiqueta. Tabla 3.1.2. Precio anual del material de envasado. Concepto Precio (€) Material envasado 200.000 3.1.3. Total precio de materias primas El precio total de materias primas será la suma del precio total de las materias primas para elaborar el detergente y el precio total de las materias primas de envasado. Tabla 3.1.3. Precio total anual de materias primas Concepto Precio (€) Materias primas fabricación 8.461.944,97 Materias primas envasado 200.000 Total 8.661.994,97 3.2. Total de costes variables El total de costes variables anuales será la suma de las materias primas y de los servicios contratados (instalaciones, seguridad y mantenimiento). El importe de los servicios contratados es una estimación de los servicios contratados de otras plantas químicas con la misma aplicación. Fabricación de detergente en polvo 9 Tabla 3.2. Total de costes variables anuales Concepto Importe (€) Materias primas 8.661.945 Electricidad/luz 92.000 Gas natural 38.000 Seguridad 24.000 Mantenimiento 90.000 Total 8.905.945 Nieves Adalid Gavilán 10 CAPÍTULO 4: INGRESOS Los ingresos de esta planta se pueden dividir en dos: los ingresos que se obtienen en vender el detergente en polvo, que es el objetivo de esta planta química, y en vender el ácido sulfúrico, subproducto de la fabricación de detergente en polvo por sulfonar con oleum. Si el proceso dura 4 horas y se fabrica 24 horas diarias de lunes a viernes, entonces, hay 6 ciclos diarios en esta fábrica. Excepto, el viernes (o aquel día antes del festivo) que habrá 5 ciclos al día porque hay que lavar las máquinas por seguridad, higiene y protección de la maquinaria. Entonces, para saber las toneladas de detergente en polvo y de el ácido sulfúrico producido anuales, hay que saber la cantidad de detergente horaria (10 toneladas a la hora), los ciclos diarios de la fábrica (anteriormente comentados) y la cantidad de detergente que se produce al año (por ejemplo, en 2011 hay 215 días laborales). Por lo tanto, se fabrica 12.470 toneladas de detergente en polvo y 1.552,52 toneladas de ácido sulfúrico al año. 4.1. Detergente en polvo El detergente en polvo se vende en envases de cartones de 2,5 kg de producto y el precio del kilogramo es de 1, 4 euros (precio muy competitivo), que en toneladas serían unos 1.400 euros. Si se considera que se vende el 100% de detergente en polvo que se produce al año, los ingresos de esta planta serán. Tabla 4.1. Ingreso detergente en polvo. Concepto Toneladas/año €/Tonelada €/año Detergente en polvo 12.470 1.400 17.458.000 Fabricación de detergente en polvo 11 4.2. Ácido sulfúrico al 76% Se vende el ácido sulfúrico al 76% sobrante del proceso de fabricación a 300 euros la tonelada. Si se producen 1.552,52 toneladas al año, ingreso de la venda de este subproducto será: Tabla 4.2. Ingresos ácido sulfúrico al 76% Concepto Toneladas/año €/Tonelada €/año Ácido sulfúrico 1.552,52 300 465.756 4.3. Total ingresos La suma de los ingresos del detergente en polvo y del ácido sulfúrico es: Tabla 4.3. Total ingresos Concepto €/año Detergente en polvo 17.458.000 Ácido sulfúrico 465.756 Total 17.923.756 Nieves Adalid Gavilán 12 CAPÍTULO 5: RENTABILIDAD ECONÓMICA 5.1. Amortizaciones Sólo se tiene en cuenta la maquinaria: Tabla 5.1. Amortizaciones Concepto Coste total(€) Periodo Coste amortizado (€) Maquinaria 3.666.220 10 366.622 5.2. Balance económico Una vez obtenidos los costes (fijos y variables) y los ingresos, se realiza el balance económico para conocer la rentabilidad anual de la planta. Antes de calcular la rentabilidad anual se mencionan dos conceptos importantes de este punto: El beneficio bruto y el neto. • El beneficio bruto son los ingresos menos los gatos. • El beneficio neto son los beneficios menos los impuestos. Fabricación de detergente en polvo 13 Balance económico del primer año, teniendo en cuenta el gasto del proyectista (ver anexo 3. PFCI) será: Tabla 5.2.1. Balance económico primer año Concepto €/año Alquiler 204.000 Amortizaciones 366.622 Personal 370.600 Proyectista 14.420 Total costes fijos 955.642 Total costes variables 8.905.945 Total gastos 9.861.587 Ingresos 17.923.756 Beneficio bruto 8.062.169 Impuestos 5.000.000 Beneficio neto 3.062.169 Por lo tanto, el beneficio neto en el primer año es de 3.062.169 euros. Entonces el balance económico a partir del primer año será: Tabla 5.2.2 . Balance económico a partir del primer año. Concepto €/año Alquiler 204.000 Amortizaciones 366.622 Personal 370.600 Total costes fijos 941.222 Total costes variables 8.905.945 Total gastos 9.847.167 Ingresos 17.923.756 Beneficio bruto 8.076.589 Impuestos 5.000.000 Beneficio neto 3.076.589 A partir del primer año, el beneficio neto anual será de 3.076.589 euros. Nieves Adalid Gavilán 14 Fabricación de detergente en polvo 1 ÍNDICE PLIEGO DE CONDICIONES Índice pliego de condiciones.........................................................................1 Capítol 1: PLIEGO DE CONDICIONES GENERALES................................. 2 1.1. Objeto........................................................................................2 1.2. Disposiciones legales ...................................................................2 1.3. Condiciones facultativas legales.....................................................3 1.4. Seguridad del trabajo...................................................................3 1.5. Seguridad pública........................................................................4 Capítol 2: PLIEGOS DE ESPECIFICACIONES TÉCNICAS ......................... 5 2.1. Especficicaciones de materiales y equipos.......................................5 2.2. Especificaciones de ejecución........................................................7 Capítol 3: PLIEGO DE CLÁUSULAS ADMINISTRATIVAS ......................... 8 Nieves Adalid Gavilán 2 CAPÍTULO 1:PLIEGO DE CONDICIONES GENERALES Esta parte del documento incluye la descripción general del contenido del proyecto, los criterios o aspectos normativos para desarrollar la obra de una forma legal y segura para los trabajadores que la llevan a cabo. 1.1. Objeto Son objeto del presente Pliego de Condiciones todas las obras, con inclusión de materiales y medios auxiliares, que sean necesarios para llevar a término la instalación del control y regulación de la fábrica, los equipos y maquinaria para fabricar 10 toneladas de detergente en polvo. La maquinaria se instalará según los planos adjuntos a este proyecto y documentación de la memoria. Es también objeto del presente pliego de condiciones la definición de la normativa legal a que están sujetos todos los procesos y las personas que intervienen en la obra (instalación de la línea de control y regulación, montaje de equipos y maquinaria) . 1.2. Disposiciones legales El contratista está obligado al cumplimiento de la reglamentación del Trabajo correspondiente, la contratación del Seguro Obligatorio, Subsidio familiar y de vejez, Seguro de Enfermedad y todas aquellas reglamentaciones de carácter social vigentes o que en lo sucesivo se dicten. En particular, deberá cumplir lo dispuesto en la Norma UNE 24042 “Contratación de Obras. Condiciones Generales”, siempre que no lo modifique el presente Pliego de Condiciones. Fabricación de detergente en polvo 3 El contratista deberá estar clasificado, según Orden del Ministerio de Hacienda, en el Grupo, Subgrupo y Categoría correspondientes al Proyecto y que se fijará en el Pliego de Condiciones Particulares, en caso de que proceda. 1.3. Condiciones facultativas legales Las obras del Proyecto, además de lo prescrito en el presente Pliego de condiciones, se regirán por lo especificado en: • Reglamentación General de Contratación según Decreto 3410/75, de 25 de noviembre. • Pliego de Condiciones Generales para la Contratación de Obras Públicas aprobado por Decreto 3854/70, de 31 de diciembre. • Artículo 1588 y siguientes del Código Civil, en los casos que sea procedente su aplicación al contrato de que se trate. • Real Decreto 1955/2000 de 1 de Diciembre, por el que se regulan las Actividades de Transporte, Distribución, Comercialización de productos de limpieza y ácido sulfúrico. • Reglamento Electrotécnico para Baja Tensión e Instrucciones. • Técnicas Complementarias (Real Decreto 842/2002 de 2 de Agosto de 2002). • Ley 31/1995, de 8 de noviembre, sobre Prevención de Riesgos Laborales • RD 162/97 sobre Disposiciones mínimas en materia de Seguridad y Salud en las Obras de Construcción. 1.4. Seguridad del trabajo El contratista deberá proveer cuanto fuese preciso para el mantenimiento de las máquinas, herramientas, materiales y útiles de trabajo en debidas condiciones de seguridad. Mientras los operarios trabajen en circuitos o equipos en tensión o en su proximidad, usarán ropa sin accesorios metálicos y evitarán el uso innecesario de objetos de metal; los metros, reglas, mangos de aceitera, útiles limpiadores, etc., que se utilicen no deben ser de material conductor. Se llevarán las herramientas o equipos en bolsas y se utilizará calzado aislante o al menos sin herrajes ni clavos en suelas. El personal de la Contrata viene obligado a usar todos los dispositivos y medios de protección personal, herramientas y prendas de seguridad exigidos para eliminar o reducir los riesgos profesionales tales como casco, gafas, banqueta aislante, etc., pudiendo el Director de Obra suspender los trabajos, si estima que el personal de la contrata está expuesto a peligros que son corregibles. El Director de Obra podrá exigir del Contratista, ordenándolo por escrito, el cese en la obra de cualquier empleado u obrero que, por imprudencia temeraria, fuera Nieves Adalid Gavilán 2 4.5.2. Materias primas...................................................................30 4.5.3. Proceso..............................................................................31 4.5.4. Medio ambiente...................................................................31 4.5.5. Almacenaje.........................................................................31 4.6. Análisis de requerimientos de diseño............................................31 4.6.1. Composición .......................................................................31 4.6.2. Materias primas...................................................................35 4.6.3. Proceso..............................................................................36 4.6.4. Medio ambiente...................................................................37 4.6.5. Almacenaje.........................................................................38 4.7. Soluciones tecnológicas..............................................................38 4.7.1. Composición .......................................................................38 4.7.2. Materias primas...................................................................39 4.7.3. Proceso..............................................................................39 4.7.4. Medio ambiente...................................................................39 4.7.5. Almacenaje.........................................................................39 4.8. Área y emplazamiento de la planta ..............................................40 4.8.1. Empaque............................................................................40 4.8.2. Ocupación de material..........................................................40 4.8.3. Área planta.........................................................................41 4.8.4. Emplazamiento ...................................................................41 4.9. Planificación PFCII .....................................................................44 4.9.1. Etapas de de desarrollo PFCII ...............................................44 4.9.2. Diagrama de Gantt .............................................................44 4.10. Presupuesto PFCI ......................................................................46 Anexo 5: AUXILIAR CÁLCULO ............................................................. 47 5.1. Fomulario .................................................................................47 5.1.1. Balance macroscópico de materia ..........................................47 5.1.2. Balance de macroscópico de energía......................................48 5.1.3. Intercambiador de calor .......................................................48 5.1.4. Transporte de fluidos ...........................................................49 5.2. Tablas auxiliares de cálculo.........................................................51 Anexo 6: CÁLCULOS DEL PROCESO..................................................... 54 6.1. Introducción .............................................................................54 6.2. Caudal másico, energía, área del intercambiador...........................54 6.2.1. Balance de materia y de energía del reactor 1.........................54 Fabricación de detergente en polvo 3 6.2.2. Balance de materia del mezclador de dilución .........................59 6.2.3. Balance de materia del separador..........................................61 6.2.4. Balance de materia y de energía del reactor 2........................61 6.2.5. Balance de materia del mezclador 1.......................................67 6.2.6. Balance de materia y de energía de la torre de atomización......68 6.2.7. Balance de materia de la reacción de combustión ....................69 6.3. Dimensionado de la torre de secado.............................................72 6.3.1. Diámetro d del secadero.......................................................72 6.3.2. Altura de L del secado..........................................................72 6.3.3. Balance de materia del mezclador 2.......................................73 Anexo 7: SIMULACIÓN ....................................................................... 74 Anexo 8: FICHAS TÉCNICAS ............................................................... 75 Nieves Adalid Gavilán 4 CAPÍTULO 1: RIESGOS QUÍMICOS Los riesgos químicos de las sustancias que se necesitan para fabricar detergente en polvo son: Tabla 1.1. Riesgos químicos RIESGO QUÍMICO QUE PUEDE CAUSAR LA SUSTANCIA SUSTANCIA Inflamable Explosivo Nocivo Irritante Peligro M. Ambiente Corrosivo Comburente Tóxico Dodecilbenceno X X Óleum X X X Ácido dodecilbencensulfónico X X Hidróxido de sodio X Carbonato de sodio X Sulfato de sodio X X Carboximetilcelulosa X X Fabricación de detergente en polvo 5 Percarbonato sódico X Silicato de sodio X Dodecilbencenosulfonato de sodio X X 1.1. Toxicidad de los agentes tensoactivos La toxicidad de se puede dividir a corto plazo y a largo plazo. 16. Acción a corto plazo: De los diferentes tipos de detergentes aniónicos, los derivados del alcohol láurico son menos tóxicos que los compuestos a base de alquilarilos.  De los diferentes tipos de detergentes no iónicos, los menos tóxicos son los ésteres oxietilénicos, los ácidos oleicos y los condensados mixtos de óxido de propileno y óxido de etileno. • Se admite que las algas y ciertos animales como los poliquetos son muy sensibles, mientras que los moluscos y los crustáceos lo son poco. 17. Acción a largo plazo Todos los agentes tensoactivos se han mostrado como peligrosos, incluso a débiles concentraciones, es decir, son tóxicos. Nieves Adalid Gavilán 6 CAPÍTULO 2: PROTECCIÓN Y SEGURIDAD Para diseñar una fábrica química se debe tener en cuenta la compatibilidad de materias primas con los equipos de trabajo, para que no haya ninguna reacción química que provoque un deterioro, una perforación del equipo de trabajo. También, se debe tener en cuenta la incompatibilidad entre las materias primas necesarias para llevar a cabo el objetivo de la empresa. Una incompatibilidad ocasiona incendios, vapores tóxicos, explosiones, reacciones incontrolables, por este motivo, se decide estudiar la protección y seguridad en la planta de detergente en polvo con la ayuda de la Ley de Prevención de Riesgos Laborales 31/1995. Según el artículo 4 de la Ley anterior, un equipo de trabajo es aquélla máquina, aparato o instrumento o instalación utilizada en el trabajo. 2.1. Compatibilidad materias primas con los equipos de trabajo En una planta de fabricación de este tipo, el estudio de la compatibilidad de las materias primas se puede dividir en: el suelo y la línea de producción. El suelo: los productos pueden corroer el suelo y provocar accidentes, por eso, el suelo de esta planta será de… La línea de producción: son todos aquellos equipos de trabajo que están en contacto con las materias primas, como los tanques, reactores, conductos. A continuación, se realiza un estudio sobre la compatibilidad de las materias primas más importantes para la fabricación de detergentes (dodecilbenceno, Fabricación de detergente en polvo 7 oleum e hidróxido de sodio) y los detergentes en general respecto a los equipos de trabajo. • Dodecilbenceno: Como no se ha encontrado el dodecilbenceno se ha escogido el benceno, que tiene una química parecida. Tabla 2.1. Compatibilidad Dodecilbenceno Nieves Adalid Gavilán 8 • Óleum 25% Tabla 2.2. Compatilibilidad óleum 25% Fabricación de detergente en polvo 9 • Hidróxido de sodio 20% Tabla 2.3. Compatibilidad hidróxido de sodio 20% Nieves Adalid Gavilán 10 Donde: 1=Satisfactorio a temperatura cercana a la ambiental, pero depende de cada producto. 2=Satisfactorio a temperatura superior a la ambiental, pero depende de cada producto. A = Excelente. B = Bueno, puede causar un efecto leve de corrosión o decoloración. C= Bajo, efecto moderado, no recomendado para uso continuo. D = Daño severo, no recomendado para ningún uso. N/A = Información no disponible. De las compatibilidades anteriores, se observa que en muchos casos el material con puntuación excelente es un material poco conocido y caro, esto hace llegar a la conclusión de que todo el equipo de trabajo será de acero inoxidable 316, que es el material estándar para los equipos de trabajo en aplicaciones químicas. 2.2. Incompatibilidad entre reactivos En este apartado, se compara la reacción violenta que provocan al almacenarse dos reactivos incompatibles. 2.2.1. Incompatibilidad entre reactivos En la siguiente tabla, nos indica cualitativamente que reactivos dependiendo de su química se pueden almacenar conjuntamente o no. Tabla 2.5. Incompatibilidad entre reactivos Fabricación de detergente en polvo 11 Explicación de los iconos de la tabla anterior de izquierda a derecha: • Inflamable: Son aquellas capaces de formar una mezcla, con el aire, en concentraciones tales que las haga formar una flama espontáneamente o por la acción de una chispa. Punto de ignición bajo. • Explosivo: Son aquellas que producen una expansión repentina, por turbulencia, originada por la ignición de cierto volumen de vapor inflamable, acompañada por ruido, junto con fuerzas físicas violentas capaces de dañar seriamente las estructuras por la expansión rápida de los gases. • Tóxico: Las sustancias y preparados que por inhalación, ingestión o penetración cutánea en pequeñas cantidades puedan provocar efectos agudos o crónicos o incluso la muerte. • Comburente: Las sustancias y preparados que en contacto con otras sustancias, en especial con sustancias inflamables, produzcan una reacción fuertemente exotérmica. • Irritante: Las sustancias y preparados no corrosivos que, en contacto breve, prolongado o repetido con la piel o las mucosas puedan provocar una reacción inflamatoria. La mayoría de las materias primas son corrosivas, nocivas y peligrosas para el medio ambiente. Su significado es: • Corrosivo: Las sustancias y preparados que en contacto con los tejidos vivos puedan ejercer una acción destructiva de los mismos. • Nocivo: Las sustancias y preparados que por inhalación, ingestión o penetración cutánea puedan provocar efectos agudos o crónicos o incluso la muerte. • Peligrosos para el medio ambiente: Las sustancias y preparados que presentes o puedan presentar un peligro inmediato o futuro para uno o más componentes del medio ambiente. Figura 2.1. Corrosivo, nocivo y peligrosos para el medio ambiente. Como la tabla anterior no indica información sobre estas propiedades químicas, por lo tanto, se debe tener otra información de apoyo como la siguiente tabla. Nieves Adalid Gavilán 18 CAPÍTULO 3:MEDIO AMBIENTE Se explicará brevemente la acción desfavorable de los detergentes en el agua y en suelo, la degradación del LAS, las desventajas del tripolifosfato de sodio, una breve citación de la ley de medioambiente con respecto a los detergentes y la toxicidad de tensioactivos. 3.1. Contaminación a causa de los detergentes En el mundo hay un 97,5% de agua salada, y el resto es agua dulce con un 2,5%. El 2,5% de agua dulce se puede dividir en: los glaciales con un 74%, en aguas subterráneas con un 25,7% y un 0,3% en ríos y lagos. Sólo 1% del agua dulce de los ríos, lagos y aguas subterráneas se puede utilizar para el consumo diario y para su uso. Figura 3.1. Distribución del agua en el mundo Fabricación de detergente en polvo 19 Las fuentes de contaminación de agua dulce son: • Contaminación por sales solubles. • Contaminación de origen natural. • Contaminación química: Por detergentes, fertilizantes, sales minerales, metales pesados, fenoles, productos fitosanitarios. • Contaminación orgánica de origen urbano. • Contaminación térmica. • Contaminación por residuos radioactivos. Los efectos de los detergentes sobre las aguas: • Formación de espumas. • Inhibición de los procesos redox. • Disminución de los niveles de oxígeno. • Proliferación de algas y procesos de eutrofización. • Formación de películas aislantes superficiales.  Perturbación del proceso de autodepuración de las aguas Y los efectos de los detergentes sobre los suelos son: • Modifican la permeabilidad de los suelos. 3.2. Biodegradabilidad Se entiende por biodegradabilidad la ruptura de un sustrato orgánico a causa de la acción enzimática de microorganismos vivos que lo utilizan para producir energía (por respiración celular) y formar sustancias como aminoácidos, tejidos y organismos. Una degradación total de un sustrato orgánico es aquella que consigue descomponer el sustrato en sus elementos químicos más simples, pero no siempre se puede degradar un sustrato totalmente o parcial, esto se debe a varios factores. Los factores principales son: • Factores ambientales. • Cadenas saturadas/insaturadas. • Metales pesados. En el ámbito de los detergentes, la degradación del LAS, la realizan microorganismos aeróbicos, que son aquellos que necesitan oxígeno para vivir o desarrollarse y el factor más importante que interviene en la degradación es la cadena saturada/insaturada. Una cadena orgánica saturada es aquella que contiene el máximo de hidrógenos posibles, en cambio, una cadena insaturada o ramificada es aquella que contiene dobles enlaces o tiene cadenas secundarias. Por lo tanto, un microorganismo no puede o es un proceso dificultoso degradar Nieves Adalid Gavilán 20 una cadena insaturada por el hecho de no contener elementos simples en su cadena. En conclusión, a mayor grado de ramificación el sustrato es menos biodegradable. Por este motivo que se ha elabora un LAS lo menos ramificado posible. Para que ocurra el proceso de biodegradación del LAS es necesario las siguientes etapas y/o reacciones: • Omega-oxidación • Beta-oxidación • Remoción de la cadena alquílica con dioxigenación formando e l 4- sulfocatecol • Apertura del anillo bencénico • Desulfonación Hasta llegar a obtener SO 4-2 , CO 2 y H 2 O. En el siguiente figura se Figuratiza el proceso de biodegradación del LAS. Es importante destacar que el LAS de la figura no es el LAS que se obtiene en esta fábrica de detergente en polvo, pero como el LAS que se obtiene es menos ramificado, se obtendrá el mismo resultado en bajo condiciones más favorables. Figura 3.2. Figura de biodegradabilidad del LAS Fabricación de detergente en polvo 21 3.3. Tripolifosfato de sodio A pesar de las ventajas que ofrece la utilización del tripolifosfato de sodio, TPP, existe una serie de dificultades ecológicas y técnicas. A continuación, se analizarán las dos dificultades: 3.3.1. Eutrofización La eutrofización es el aumento de la cantidad de nutrientes (como por ejemplo el TPP) en las aguas superficiales que dan una desarrollo excesivo de la microflora y en especial de las algas, limitando la cantidad de oxígeno y luz a los animales acuáticos llevando a éstos a la muerte. Al descomponerse ciertas algas producen un gran consumo de oxígeno, puede conducir a condiciones anaerobias muy peligrosas debido al desprendimiento de SH 2 y NH 3 , dando olor y sabor desagradable al agua. La tendencia actual de eliminar los fosfatos es hacerlo en los vertidos urbanos. Esto se puede conseguir mediante dos tipos de actuaciones: 21. Eliminar o reducir el contenido de fosfatos en los detergentes. Con este tratamiento se reduce el 50%. El detergente que se fabrica no contiene tripolifosfatos. • Consiste en tratar las aguas residuales en plantas que incluyen la precipitación de los fosfatos. Se consigue una reducción mucho más elevado que el anterior. • Desviación de las aguas residuales. • Eliminación de fósforo en pre-embalse. • Precipitación química en el mismo lago, añadiendo floculantes en sus aguas. 3.3.2. Hidrólisis del TPP El TTP tiene tendencia a descomponerse hidrolíticamente en mono y difosfato en el proceso de atomización. Esto puede controlarse y mantenerse dentro de unos límites dependiendo del tipo de TPP que se trate, de la calidad técnica de la instalación de atomización y de la formulación final del detergente a la que se quiere llegar. Ante las exigencias, se han elegido dos caminos para intentar solucionar el problema: 22. Optimización y/o modificación del comportamiento de hidratación del TPP en la pasta Slurry de los detergentes en polvo. A continuación, se mencionan diversas alternativas: • Adición del TPP en la pasta durante la etapa final de mezclado. • Adición de pequeñas proporciones, de cera dispersada en agua. Nieves Adalid Gavilán 22 • Adición de TPP y vapor de agua durante la etapa final de secado. • Utilización de un TPP con una rápida velocidad de hidratación. 23. Realizar un mezclado secundario del fosfato con el producto atomizado, con lo cual se evita la exposición térmica del TPP durante la preparación de la pasta y la posterior atomización. Las distintas alternativas son: • Adición del TPP o de la mezcla TPP-SO 4 Na 2 al producto atomizado. • Adición del TPP hidratado, a temperaturas moderadas y con una densidad adecuada al producto atomizado. • Usar una mezcla TPP-zeolita para mezclado en seco con el detergente. 3.3.3. Consistencia de las pastas de detergentes que contienen TPP La consistencia de la pasta, influye en el diseño y control de las operaciones de mezclado, transporte y atomización. Se parte de una pasta acuosa en la que tiene lugar la reacción entre el TPP y el agua presente. La reacción de hidratación depende de varios factores y afecta a la eficacia del proceso, a las propiedades del detergente y a la consistencia de la pasta. Ante los problemas planteados, la industria de detergentes debe de seguir los siguientes pasos: 24. Intensificar la investigación de la búsqueda de posibles sustituyentes del Tripolifosfato pentasódico. 25. Control de proceso de fabricación, que tiene una doble finalidad: • Asegurarse que el fósforo autorizado y presente esté en forma de Tripolifosfato pentasódico hexahidratado. • Caracterizar las pastas de detergente que contienen tripolifosfato, y aquellas formulaciones en las que se sustituya dicho producto por otros coadyuvantes. Una reducción de la consistencia de la pasta, es un factor favorable por los siguientes motivos: • Favorece la reacción de hidratación, reduciendo el tiempo de exposición del producto anhidro en un medio alcalino y atenuando su descomposición hidrolítica. • Permite operar con pastas de elevada concentración de sustancias sólidas, lo cual disminuiría los gastos energéticos. Fabricación de detergente en polvo 23 3.4. Legislación El reglamento (CE) nº 648/2004, de 31 de marzo de 2004, estable normas destinadas a lograr la libre circulación de detergentes y tensioactivos para detergentes en el mercado europeo, garantizando al mismo tiempo una elevada protección del medio ambiente y de la salud humana. Los anexos III y VII del reglamento anterior, han sido modificados. Estos anexos establecían métodos de ensayos de biodegradación, normas de etiquetaje e informaciones sobre sus ingredientes, que ha sido derogado por el reglamento (CE) nº 907/20006, de 21 de junio 2006. Nieves Adalid Gavilán 24 CAPÍTULO 4: PROYECTO DE FIN DE CARRERA I 4.1. Problema Este proyecto consiste en diseñar una planta automatizada con producción horaria de 10 Toneladas de Detergente en polvo para lavado de ropa. A parte, formular y obtener dodecilbencenosulfonato sódico. Se diseñara una planta y un proceso siguiendo las normativas y legislaciones pertinentes. Finalmente, se realizará un estudio económico para conseguir una producción rentable. 4.2. Detergentes y jabones Los detergentes y los jabones son productos que eliminan la suciedad de los objetos. La diferencia está en la composición, proceso de fabricación, la facilidad o dificultad de limpiar con aguas duras y la eficacia de la limpieza. En este apartado se realiza una comparación de los detergentes y jabones. Además, de explicar porque se formulará y obtendrá el dodecilbencenosulfonato sódico, componente principal de los detergentes. 4.2.1. ¿Qué es un jabón? Un jabón es una sustancia formada por dos extremos, uno denominado hidrófobo que se une a las moléculas de grasa y el otro, llamado hidrófilo, que se une al agua. Esta estructura hace disolver la grasa en agua. Fabricación de detergente en polvo 25 El proceso de saponificación, es el proceso de obtención del jabón, que consiste en reaccionar un ácido graso de cadena larga con hidróxido de sodio, compuesto básico, para formar una sal de ácido graso, jabón, y agua.La reacción de saponificación es: RCOOH + Na + OH -  RCOO - Na + + H 2 O2 En la siguiente figura se aprecian las diferentes partes del jabón. Figura 4.1. Forma esquemática del jabón. La parte hidrófoba, es la cadena larga de un ácido graso, la otra, es el carboxilato COO-. A continuación, se representa una micela de jabón, es la interacción de diferentes moléculas de jabón. La parte no polar está en el interior y la parte polar está en el exterior para interaccionar con el agua. Las diferentes moléculas de jabón están situadas en el espacio de forma de estrella para que la repulsión de cargas negativas sea mínima. Figura 4.2. Representación esquemática de una micela de jabón. 2RCOOH (ácido graso), Na + OH - (hidróxido de sodio), RCOO - Na + (Éster de sodio), H 2 O (agua). 1. Nieves Adalid Gavilán 26 4.2.2. ¿Qué es un detergente? Los detergentes están compuestos de varias sustancias. La sustancia principal de detergente es parecido al de un jabón, porque tiene una cadena larga hidrófoba y un extremo terminal hidrófilo. Normalmente, es un compuesto derivado del petróleo. Esta sustancia se denomina tensioactivo o surfactante. Los detergentes se han ido reemplazando por los jabones porque actúan mejor en aguas duras, esto es un inconveniente para los jabones. En la siguiente tabla, se observan las ventajas y desventajas de los detergentes y jabones. Tabla 4.1. Ventajas y desventajas de los detergentes y jabones. Factores Detergente Jabón Agua dura Fácil limpieza Difícil limpieza Componentes >1 1 Coste Elevado Bajo Eficacia de lavado Elevada Baja Espacio Grande Pequeño Proceso Elaborado Simple Ropa amarillenta No Sí En la imagen de más abajo, se observa que la molécula de detergente y jabón son muy similares. Figura 4.3. Diferenciación de la molécula de detergente con la del jabón. Fabricación de detergente en polvo 27 Los detergentes están formados básicamente de tres componentes, el componente tensioactivo, el coadyuvante y el auxiliar: 26. Agente tensioactivo: Mencionado anteriormente tiene las siguientes propiedades: • Detersivo • Espumante: forma espuma • Capacidad de solubilizar • Humectante: Disminuye la tensión superficial e interfacial, es decir, mejora el mojado de los tejidos para facilitar el lavado y separa las partículas indeseadas y que estás no vuelvan a depositarse en los tejidos. • Dispersantes Se distinguen diferentes tensioactivos dependiendo de la cadena hidrofílica: d) Aniónicos: Molécula hidrofílica cargada negativamente. Más utilizado a nivel doméstico. Ejemplos: Dodecilbenceno sulfonato de sodio, jabón, acillactitato sódico. Figura 4.4. Dodecilbenceno sulfonato de sodio El dodecilbenceno sulfonato de sodio puede ser lineal como la figura 4, o con tres radicales, o con un radical… e) Catiónicos: Molécula hidrofílica cargada positivamente. Tienen propiedades desinfectantes pero no lavan tan bien. Ejemplos: Acil-aminoácidos, Aquil imidazolina, Aminas etoxiladas. f) No-iónicos: Molécula hidrofílica sin carga. Se utilizan para vajillas. Ejemplos: Ácido abiótico, Dimetil éter del ácido tetradecil fosfónico, Glicerol diester (diglicérido). Figura 4.5. Fórmula del Diglicérido g) Anfóteros: Son tensioactivos que actúan como ácido o base dependiendo con qué molécula se encuentren. Son empleados para la piel. Ejemplos: anfoacetato con contenido en sal, anfopropionato sin contenido en sal, entre otros. 27. Agente coadyuvante o builders: Componente o componentes que ayudan o refuerzan el poder del tensioactivo. Los agentes coadyuvantes son: • Polifosfatos: Ablandan el agua y permiten lavar en aguas duras. Nieves Adalid Gavilán 34 columna, indica el consumo kg/h de cada componente sabiendo que el objetivo es 10 tonelada/h detergente. El consumidor quiere que el detergente haga espuma porque se piensa que cuánta más espuma más efectivo es el poder de limpieza. Esto es erróneo. El tensioactivo utilizado es de baja espuma. Tabla 4.3. Perfume, blanqueador óptico y colorante Perfume, Blanqueador óptico, colorantes Composición en % peso Composición en % peso Consumo kg/h Blanqueador óptico - 0,08 8 Colorantes - 0,01 1 Esencia perfumante - 0,1 10 Total 0,01 al 2 0,29 29 En la tabla , el símbolo “-“significa que la composición no está especificada por la patente ES 2 163 606 T3, en cambio, en la tabla 3, significa que la cantidad de componente es nula. • Composición del detergente aproximada de marcas conocidas (en sí no patentada): A partir de datos históricos de las composiciones de diferentes marcas conocidas se realiza una composición. El problema es comprar la patente, tener cuidado para no copiar la patente de la conocida para no caer en el fraude. Las desventajas son que hay que hacer una patente, tener cuidado de no caer en el fraude por copia, luego, el consumidor no conoce la marca, puede provocar una difícil competencia. Una solución sería realizar un detergente en polvo de marca conocida de gama baja. La ventaja es que sabemos que el funciona producto y no perdemos tiempo de saber si funciona o no. También, disponemos de más datos de la composición de los detergentes con esta manera. Tabla 4.4. Composición del detergente aproximada de marcas conocidas. Componentes Proporción (%) Consumo kg/h Ejemplo Agentes tensioactivos 20 2000 Surfactante aniónico Fabricación de detergente en polvo 35 Constructores 15 1500 Polifosfato Reguladores 15 1500 Silicato Sustancias blanqueadoras 20 2000 Perborato sódico Sustancias abrillantadoras 2 200 - Encimas 0,5 50 Proteasa Estabilizadores de espuma 0,5 50 - Polímeros 2 200 - Agua 10 1000 - Otros 15 1500 Sulfato sódico Total 100 10000 Detergente 4.6.2. Materias primas En este apartado se analizará las diversas manera de obtener el DDBSNa y los agentes sulfonantes. Las ventajas y desventajas de obtener el DDBSNa utilizan una u otra manera son: 36. Reacción de alquilación: Reación de un benceno con el dodeceno. Luego, añadir un agente sulfonante y finalmente, el hidróxido de sodio. 37. Inconveniente, tener en cuenta muchas reacciones, productos químicos, maquinaria, más personal y más espacio. 38. Reacción de sulfonación del agente surfactante: Reaccionar el dodecilbenceno con un agente sulfonante, finalmente añadir el hidróxido de sodio. 39. La empresa PREMEX, empresa petrolera, en 1960 producía dodecilbenceno y cuatro más tarde empezó a producir del benceno, esto hace pensar que cuesta más fabricar el benceno que el dodecilbenceno. Luego, este método conlleva una reducción de espacio y menos maquinaria personal que el anterior. 40. Reacción de neutralización: Reaccionar el ácido dodecilbencenosulfónico, DDBSA, con el hidróxido de sodio. Hay muy pocas empresas que compran el DDBSA a las industrias petroleras. La producción de DDBSA es muy pequeña, es un inconveniente, porque la fábrica a diseñar produce 1000kg/h. Se evitan reacciones, maquinaria, por lo tanto, espacio. Nieves Adalid Gavilán 36 Ahora, analizaremos los distintos agentes sulfonantes. h) El ácido sulfúrico, H 2 SO 4 al 98%. Se requiere una gran cantidad de ácido para conseguir un elevado porcentaje de sulfonación, como consecuencia traer un gran coste, separación de ácido no aprovechado y manejo de gran cantidad de un producto peligroso. El agua producida, perjudica la reacción ya que al aumentar su concentración, disminuyendo la velocidad de sulfonación. i) El Oleúm o ácido fumante, (H 2 SO 4 .SO 3 ) al 20-25%: Se añade una pequeña porción de este reactivo. No se necesita ninguna separación pero su manejo es difícil. No debe de contener más de un 0,01% de hierro. A mayores cantidades se produce un detergente amarillento que disminuye la calidad del producto. Evita la acción de frenado del agua. j) El anhídrido sulfúrico gaseoso (SO 3 (g) ): Se obtiene una mayor eficiencia pero el acondicionamiento es más complicado que las anteriores. Es muy deshidratante y carboniza el producto. k) El ácido clorosulfónico: No es adecuado cuando el agente surfactante tiene un anillo aromático, porque se puede producir la cloración del anillo aromático. 4.6.3. Proceso Hay tres métodos para llegar al producto deseado. 41. Secado por atomización (Spray drying): Consiste en mezclar todos los ingredientes en una suspensión pastosa (slurry) que contiene 30% de agua y luego secar por atomización (spray drying) en una corriente de gases calientes. Es el método más utilizado ya que permite una perfecta homogeneización. Sin embargo el costo energético del secado y el hecho de que ciertas sustancias como los blanqueadores, las enzimas e inclusos ciertos surfactantes, no son estables al calor, han impulsado el desarrollo de dos otros procesos: 42. Neutralización en seco y el mezclado: El proceso de neutralización en seco consiste en mezclar noiónicos y/o ácidos alquil sulfónicos y ácidos grasos con una carga de mejoradores alcalinos sólidos. Como no tenemos ácidos grasos lo descartamos. El proceso no adecuado para polvo de baja densidad, ya que con este método se consigue una densidad alta (600-900 kg/m 3 ), menor cantidad de detergente por envase. Se puede combinar con el proceso de secado por atomización. 43. Aglomeración de sólidos: Consigue una densidad del 500kg/m 3 mediante una tecnología compleja. Fabricación de detergente en polvo 37 Sin embargo ninguno de estos dos últimos métodos ha logrado todavía suplantar el primero. Falta por determinar la duración total del proceso, un punto muy importante en la fabricación en serie. La maquinaria e instrumentación aproximada es: • Tolvas • Atomizador • Reactores • Tanque de emergencia • Bombas • Conductos • Cinta transportadora • Tamices • Dosificación aditivos líquidos • Dosificación aditivos sólidos • Dosificación de detergente en polvo • Depuradoras • Analizadores • Ciclones • Intercambiadores de calor • Filtros • Controlador/sensor de temperatura • Medidor de pH • Caudalímetros • Básculas • Detectores de nivel 4.6.4. Medio ambiente Se diseñará un detergente en polvo que sea el menos contaminante posible. Dos problemas más importantes del medido ambiente provocados por los detergentes son en el medio acuático y el subsuelo por la espuma y los polifosfatos. La formación de espuma puede corregirse por eliminación de la lluvia, el riego a baja presión, vibraciones acústicas, antiespumantes o utilizando detergentes poco o nada espumosos. SOLUCIÓN: se diseña un detergente poco espumoso y con antiespumante. Nieves Adalid Gavilán 38 El consumidor prefiere un detergente con mucha espuma para que limpie mejor la ropa, pero la espuma del detergente no viene relacionada con su poder detersivo. La composición a diseñar no tendrá un tensioactivo no-iónico, ya que es un agente espumante. La silicona, polímero, es antiespumante, pero está, siempre va acompañada del carbonato de sodio en vez del polifosfato de sodio. El carbonato de sodio se emplea en algunas formulaciones exentas de fosfatos, junto a silicatos. Inconveniente alto poder corrosivo y elevado pH. Polifosfatos son muy tóxicos para el medio acuático, una alternativa son las zeolitas ya que se utilizan para la misma finalidad y se eliminan mediante procesos de tratamiento de agua. Los inconvenientes de las zeolitas son: caras, poca efectividad, no poseen propiedades dispersantes, tienen dificultad de mantener el pH alcalino. 4.6.5. Almacenaje Los productos a tener en cuenta son: Materias primas, intermedias y producto acabado. 44. Materias primas • Dodecilbenceno: Combustible. • Hidróxido de sodio, NaOH: Separar de los ácidos fuertes, metales y materiales combustibles. Se tiene que guardar en un lugar cerrado y seco. El suelo tiene que ser de hormigón por si hay vertimiento de NaOH que no destruya el suelo. • Oléum: Separar de sustancias combustibles y agentes reductores, aire seco y ventilación. Corrosivo 45. Materia intermedia y producto acabado • Envasarlo de tal forma que no puedan absorber humedad. Sitio seco. 4.7. Soluciones tecnológicas La solución tecnológica de cada requerimiento que se ha mencionado y se ha analizado será aquella más viable y más utiliza por la industria. 4.7.1. Composición De las cuatro vías, se elije la última, “Composición del detergente aproximada de marcas conocidas” por las ventajas que tiene, se corta reduce el tiempo de investigación. Por lo tanto, se diseñará un detergente de en polvo de una marca conocida de gama baja, por tener una aproximación de ella. Esto no quiere decir que no se va a realizar un estudio completo de cada una de los componentes de nuestra composición y de otros que podría llevar. Fabricación de detergente en polvo 39 4.7.2. Materias primas Una vez tenido en cuentas las ventajas y desventajas de los métodos de obtención del dodecilbencenosulfonato de sódio y del agente sulfonante, las materias primas son: dodecilbenceno, oléum e hidróxido de sodio. En este proyecto se llevará la segunda manera de obtención del DDBSNa por sus ventajas. El agente sulfonante a utilizar será el anhídrido sulfúrico porque el rendimiento es mucho más elevado que los demás agentes sulfonantes y por la dificultad de instalar un proceso de acondicionamiento. 4.7.3. Proceso Actualmente, en todas las industrias detergentes en polvo se realizar el primer método, porque se consigue una perfecta homogeneización, pero un coste energético del secado elevado y los componentes auxiliares del detergente en polvo se ven afectados negativamente con el calor, su poder disminuye, por ello, se han desarrollado los otros dos métodos. El proceso que se va llevar a cabo es el primero “Secado por atomatización” por las ventajas que tiene y por el estudio energético que se puede realizar y por tener más información. 4.7.4. Medio ambiente Se diseña un detergente poco espumoso y con antiespumante. El cosumidor prefiere un detergente con mucha espuma para que limpie mejor la ropa, pero la espuma del detergente no viene relacionada con su poder detersivo. La composición a diseñar no tendrá un tensioactivo no-iónico, ya que es un agente espumante. Se elegirá una mezcla de carbonatos y silicatos de sodio en vez de los otros coadyuvantes porque son menos contaminantes y la mezcla de los dos potencian sus propiedades detersivas. 4.7.5. Almacenaje Todo producto líquido o viscoso almacenado en tanques, mientras que el producto sólido, en tolvas o sacos. Todo esto encima de pales universales o isopales. Se realizará un empaque de cartón y no de bolsas de plástico porque estás empeoran el medioambiente y porque la gran mayoría de detergente en polvo se comercializa en cartón. El empaque de las bolsas se realizan mediante el llenado de los paquetes por volumen, y no por peso, en cambio, empaque en cartón el llenado se realiza por peso, donde la densidad juega un papel importante en el llenado por peso. El envase será de 10 kilos, por lo tanto, se necesitarán 1000 paquetes a la hora. El dodecilbenceno estará lejos de hidróxido de sodio y del oléum, pero éstos dos últimos estarán ubicados en el mismo sector. Finalmente, debe de haber una buena ventilación en todos los reactivos y productos de almacenamiento. Nieves Adalid Gavilán 40 4.8. Área y emplazamiento de la planta Para determinar el área de la planta se ha realizado el estudio siguiente: 4.8.1. Empaque Sabiendo que el detergente en polvo a obtener tiene unos 500 kg/m 3 , las medidas del envase de detergente en polvo son 15x30x40 cm 3 , es decir, un volumen de 18000cm 3 , y en metros cúbicos, 0,018 m 3 y el peso del envase con el producto son 10kg. Por lo tanto, en un metro cúbico hay 500kg de detergente (un metro cúbico ocupa un metro cuadrado). 4.8.2. Ocupación de material El volumen que ocupa 10000kg/h de detergente en polvo son 20m 3 , entonces el área es 20 m 2 , realizando pilas de un metro de altura, pero si realizan pilas de medio metro de alto, el área será 40 m 2 (un piso normal son 80 m 2 ). Medidas de un pale universal, 1 m ancho por 1,2m de largo, la altura no interesa porque no ocupa. En una hora ocupamos 40 m 2 de fábrica, ¿cuántos metros cuadros de pales serán? 1x1, 2x 40 = 48 m 2 y lo redondeamos a 50 m 2 , siempre a la alza. Por lo tanto, ocupamos 50 m 2 para una hora de producción. Material distribuido en áreas: • Fabricado 50m 2 • Por fabricar 50m 2 • Curso 50m 2 Salida de traileres: Un trailer que pueda llenar 30000kg de detergente en polvo. Y lo cargamos con dos horas de producción de detergente en polvo para que no se cargue del todo. Por lo tanto, en dos horas el nivel de ocupación será: • Fabricado 100m 2 • Por fabricar 100m 2 • Curso 100m 2 Pero se necesita espacio por si se retrasa el camión, esto implica, ampliar 200 m 2 fabricado y por fabricar. El otro no ocupa nada porque el material esta en las máquinas y el material que está en los tubos tampoco porque se diseñará una instalación de tuberías que no ocupe espacio (por arriba, subterráneo…). Una cosa es que el material no ocupe nada, otra que las máquinas si que ocupen, por Fabricación de detergente en polvo 41 lo tanto, se debe de realizar una lista de maquinaria y equipos que se necesitan para fabricar detergente en polvo. El lista aproximado de maquinaria y equipos está en el subapartado 4.6.3 Entonces, el espacio será: • Fabricado 200 m 2 • Por fabricar 200m 2 • Maquinaria 1500 m 2 4.8.3. Área planta Con este estudio y en base a otros proyectos, 4000metros construidos. En la siguiente lista se muestra una idea aproximada de los diferentes sectores que contendrá la planta a diseñar: • Almacén materias primas y productos acabados • Fábrica • Laboratorio • Oficinas • Vestuarios / Lavabos • Sala de control • Taller • Recepción de camiones (entrada y salida camiones) • Parking 4.8.4. Emplazamiento Estará situada la planta en un sitio amplio y fuera de la zona urbana, es decir, alrededor de la ciudad. Es imposible ubicar 10000 m 2 en una zona urbanística, por el espacio, emisión de toxinas, ruido y el precio del terreno. La planta se instalará fuera del alcance de otras plantas de detergentes por temas de competencia pero se intentará dentro de lo posible que éste cerca de las productoras de materias primeras. La planta estará situada en “Pol Ind Pla de Palou C / Palautordera, 24 Granollers (Barcelona)”. Nieves Adalid Gavilán 42 Figura 4.6. Situación planta en Granollers, Barcelona Figura 6. 7. Situación planta Granollers (Barcelona). Comunicación por autopista A-7 y autovía C-17 a Barcelona y autovía C-60 a Mataró y Badalona. Fabricación de detergente en polvo 43 Se ha escogido una nave construida por lo comentado en el apartado 1.3, y sus características de la nave son: • Estructura de hormigón. • Cuatro puertas seccionales. • Dos muelles de carga hidráulicos. • Acceso desde dos calles. • Ventanas de aluminio doble vidrio. • Altura útil interior de 7 m. • Altura útil interior 2 ª planta de 5 m. • Lavabos y vestidores a la nave. • Instalación eléctrica y climatización. • Instalación mangueras de contra incendios. • Aire condicionado. • Dos montacargas. • Patio privado con zona de maniobra. • 34 plazas de parking Figura 4.8. Interior de la nave Nieves Adalid Gavilán 50 Donde: u: Velocidad del fluido, m/s q: Caudal volumétrico, m 3 /h D: Diámetro, m 46. Ecuación de Bernoulli: (11) Donde: h1-h2: Diferencias de alturas (inicial - final), m u: velocidad, m/s g: Gravedad, 9,8m/s 2 P: Presión, atm : Volumen específico, m 3 /kg W o : energía aportada o extraída del sistema por alguna bomba o aparato entre los puntos 1 y 2, metros de columna de agua h f : pérdida de carga • Perdida de carga (hf): (12) h f : Pérdida de carga, m f: Coeficiente de Fanning, adimensional L eq : Laccesorios+Lgeométría (longitud tubería), m • Potencia de la bomba: (13) Donde: N: Potencia de la bomba, CV η : Rendimiento de la bomba. 0 21 2 2 2 2 1 21 =−± − + ⋅ − +− fo hW PP g uu hh γ γ Dg uL fh eq f ⋅⋅ ⋅ =2 2 η γ ⋅            ⋅ ⋅ ⋅ = CVs mfkg Wq N o )( 75 Fabricación de detergente en polvo 51 5.2. Tablas auxiliares de cálculo Tabla 5.1. Identificación de las materias primas principales Fórmula Nomenclatura Abreviaciones C 12 H 25 C 6 H 4 SO 3 H Ácido dodecilbencenosulfúrico DDBSO3/LAS C 12 H 25 C 6 H 4 SO 3 Na Dodecilbencenosulfonato de sodio DDBSO3Na C 12 H 25 C 6 H 5 Dodecilbenceno DDB H 2 O Agua H 2 SO 4 Ácido sulfúrico H 2 SO 4 .SO 3 /H 2 S 2 O 7 Oleum/ Ácido fumante Na 2 SO 4 Sulfato de sodio SO 3 Trióxido de azufre/ Anhídrido sulfúrico NaOH Hidróxido de sodio/ Sosa cáustica Nieves Adalid Gavilán 52 Tabla 5.2. Formulación de detergente en polvo Sustancia Proporción Kg/h detergente Pack 2 kg Dodecilbencenosulfonato de sodio 20,0 2000 40 Producción Carbonato de sodio 15,0 1500 30 Silicato de sodio 15,0 1500 30 Peroxocarbonato de sodio 20,0 2000 40 Cumarina 1,2 120 2 TAED 0,8 80 2 Silicona 0,4 40 1 Carboximetilcelulosa 2,0 200 4 Agua 10,0 1000 20 Sulfato de sodio 15,0 1500 30 Adición antes del secador Perfume 0,1 10 0 Proteasas, lipasas, celulosas… 0,5 50 1 Adición después del secador 100,000 10000 2 Fabricación de detergente en polvo 53 Tabla 5.3. Datos esenciales para los cálculos * No se incluye la entalpía de formación porque no interviene en la reacción. Tabla 5.4. Calor latente del agua Tabla 5.5 Densidad componentes secundarios Componente PM (kg/kmol) Cp kJ/(kmolºC) Cp kJ/(kgºC) ∆Hºf (kJ/kmol) ρ (kg/m 3 ) C 12 H 25 C 6 H 5 246 824,99 3,35 -228,79 840,00 H 2 SO 4 .SO 3 178 249,73 1,40 -3826,31 1830,00 C 12 H 25 C 6 H 4 SO 3 H 326 996,58 3,06 -113,85 1229,00 H 2 SO 4 98 138,67 1,42 -8163,27 1927,00 H 2 O (l) 18 75,50 4,18 -285500,00 1000,00 H 2 O (v) 18 33,46 1,86 -241830,00 1000,00 NaOH 40 80,40 2,01 -426800,00 2100,00 C 12 H 25 C 6 H 4 SO 3 Na 348 4949,24 14,22 -273653,85 1071,00 Na 2 SO 4 142 570,84 4,02 -1384490,00 2630,00 CH 4 16 35,00 2,19 -74850,00 0,72 O 2 32 29,16 0,91 0,00 1,43 CO 2 44 37,40 0,85 -393500,00 1,60 N 2 28 28,91 1,03 * 1,25 Aire 29 29,00 3,35 * 1,20 ∆HºH2O(v) 40656 kJ/kmol TH2O(eb.) 100ºC Componente ρ (kg/m3) Carbonato de sodio 2540 Silicato de sodio 1440 Peroxocarbonato de sodio 1100 Cumarina 650 TAED 1080 Silicona 5000 Carboximetilcelulosa 1118 Nieves Adalid Gavilán 54 CAPÍTULO 6:CÁLCULOS DEL PROCESO 6.1. Introducción Se realizarán balances macroscópicos de materia (BMM) y de energía (BME) en todas las etapas del proceso de fabricación de detergente en polvo, para conocer el caudal másico, volumen, diámetro tubería, área de los intercambiadores de calor del reactor 1 y reactor 2, área y altura de la torre de secado, energía y potencia a partir de una base de cálculo de 10000kg/h de detergente en polvo. Excepto la etapa de tamizado porque la relación del desecho/ producto deseado es muy baja, en consecuencia el error es muy bajo si no se tiene en cuenta los balances de materia del tamizado. Es importante tener en cuenta el diagrama de flujo, la formulación del detergente () y las reacciones químicas del proceso general. En el Anexo de simulación también, se encuentran estos cálculos y otros con más detalle. 6.2. Caudal másico, energía, área del intercambiador Se calculará el caudal másico (excepto tamizado) y de energía (excepto mezclado de dilución, separador, mezclador Pasta Slurry, tamizado y mezclador detergente en polvo). También, se hallará el área del intercambiador del reactor 1 y del reactor 2. 6.2.1. Balance de materia y de energía del reactor 1 Fabricación de detergente en polvo 55 Suposiciones: • El anhídrido sulfúrico no pasa al ácido gastado • El ácido sulfúrico que ha salido del anhídrido tienen la misma fuerza de ácido. • El dodecilbencenosulfonato de sodio es un 20% de materia activa del producto final. • La relación del Oleum a dodecilbenceno es 1,1. • La solución del Oleum y el hidróxido de sodio es del 20%. • Un kilogramo de la solución al 20% del Oleum contine 0,2 kg de SO3 y O,8 kg de H2SO4. • La conversión del dodecilbenceno es del 100%. • Se desprecia las reacciones laterales que puedan producirse en el proceso general. Cálculo de la materia activa del DDBSO3Na, teniendo en cuenta la suposición 3 (1.1 Anexo cálculos): Se considera la reacción 1. Figura 6.1. Corriente de entra y salida del Reactor 1. • La cantidad de ácido dodecilbencenosulfúnico es: • La cantidad de dodecilbenceno es: hHSOHCHkgC g kg HSOHCHmolC HSOHCHgC NaSOHCHmolC HSOHCHmolC NaSOHCHgC NaSOHCHmolC kg g NaSOHCHhCkg /56,1873 1000 1 1 326 1 1 348 1 1 1000 /2000 3462512 3462512 3462512 3462512 3462512 3462512 3462512 3462512 = NaSOHCHhCkgNaSOHCHhCkg 34625123462512 /200020,0/10000 =⋅ Nieves Adalid Gavilán 56 hHCHkmolC mol kmol HCHgC HCHmolC kg g HCHhCkg /75,5 1000 1 246 1 1 1000 /79,1413 562512 562512 562512 562512 = hkgOleumhHCHkgC /17,1555/79,14131,1 562512 =⋅ • Los moles de dodecilbenceno son: • Cantidad de Oleum experimental, teniendo en cuenta la suposición 1: • La cantidad de SO 3 requerida: • 1kg de 20% Oleum contenido 0,2kg de SO 3 y 0,8 de H 2 SO 4 : H 2 O + SO 3  H 2 SO 4 • Agua asociada al SO 3 requerida: • Total de Oleum teórico requerido: • El Oleum experimental contiene: hkgSO g kg molSO gSO HSOHCHmolC molSO HSOHCHgC HSOHCHmolC kg g hHSOHCHkgC /460 1000 1 1 80 1 1 326 1 1 1000 /53,1873 3 3 3 3462512 3 3462512 3462512 3462512 = hOkgH g kg OmolH OgH SOmolH OmolH SOgH SOmolH kg g SOkgH kgSO g kg molSO gSO SOmolH molSO SOgH SOmolH kg g SOkgHkgSO /147,0 1000 1 1 18 1 1 98 1 1 1000 8,0 853,0 1000 1 1 80 1 1 98 1 1 1000 8,02,0 2 2 2 42 2 42 42 42 3 3 3 42 3 42 42 423 = =+ hOkgH g kg OmolH OgH molSO OmolH gSO molSO kg g hkgSO /45,1038,0 1000 1 1 18 1 1 80 1 1 1000 /460 2 2 2 3 2 3 3 3=⋅ hHCHkgC g kg HCHmolC HCHgC NaSOHCHmolC HCHmolC NaSOHCHgC NaSOHCHmolC kg g NaSOHCHhCkg /79,1413 1000 1 1 246 1 1 348 1 1 1000 /2000 562512 562512 562512 3462512 562512 3462512 3462512 3462512 = hkgOleumhkgSOhOkgH /45,563/460/45,103 32 =+ Fabricación de detergente en polvo 57 • Exceso de SO 3 : • H 2 SO 4 formado: • H 2 O sobrante • Concentración de H 2 SO 4 A continuación se reflejan los datos obtenidos en la siguiente tabla: Tabla 6.1. Caudales molares del reactor 1 kmol/h Componente 1 2 3 DDB 5,75 - - H2O - 12,70 1,86 SO3 - 16,58 16,58 H2SO4 - - 10,83 LAS - - 5,75 Total 5,75 29,28 35,02 Para encontrar los valores de la tabla sólo hay que multiplicar el peso molecular de cada compuesto por su caudal másico (Ver tabla 5.3) hkgSOhkgOleum hOkgHhkgOleum /66,1326853,0/17,1555 /52,228147,0/17,1555 3 2 =⋅ =⋅ hSOkgH g kg SOmolH SOgH molSO SOmolH gSO molSO kg g hkgSO /66,1061 1000 1 1 98 1 1 80 1 1 1000 /66,866 42 42 42 3 42 3 3 3 = hOkgH g kg OmolH OgH molSO OmolH gSO molSO kg g hkgSOhkgOleum /52,33 1000 1 1 18 1 1 80 1 1 1000 /66,866147,0/52,228 2 2 2 3 2 3 3 3 = −⋅ [ ] %97100 /52,228/66,1061 /66,1061 42 242 42 =⋅ + =hOkgHhSOkgH hSOkgH SOH hkgSOhkgSOhkgSO //460853,0/66,1326 333 =−⋅ Nieves Adalid Gavilán 58 Para hallar el calor que se desprende o se necesita aportar, el posible agua de refrigeración y el área del intercambiador se aplicarán las fórmulas del BME. Figura 6.2. Temperaturas de entrada y salida del Reactor 1 Teniendo en cuenta la ecuación 3 y 5 del Anexo formulario el calor será: Calor de entrada + Entalpía de la reacción = Calor de salida + Q El calor es negativo, es el calor desprendido por los fluidos calientes (corrientes 1, 2 y 3). Entonces, el calor que hay que refrigerar es 179600,18kJ/h. El fluido que se utilizará para refrigerar debe ser más frío que los anteriores, para que absorba el calor de los fluidos calientes. El fluido por excelencia es el agua. El incremento de temperatura serán 5ºC. En la siguiente tabla, se indica el incremento de temperatura, la temperatura de entrada y salida. Tabla 6.2. Temperaturas agua refrigeración ∆T H2O (ºC) 5 Te H2O (ºC) 20 Ts H2O (ºC) 25 Se hace un cambio de unidades (kJ a kW) porque la energía y potencia se expresa en kilowatios. kmolkJH hkJTCeW hkJTCpW R SRS ERE /02,4222 /75,397792)( /98,193915)( 1 1 1 −=∆ =Σ = Σ hkJQ hkmolR RHTCeWTCeWQ RSRSERE /18,179600 /75,5 )()( 111 −= = ⋅ ∆ − Σ − Σ = kW s kJ kW s h h kJ Q89,49 / 1 3600 118,179600 = − = Reactor de sulfunación W1, T1=28ºC W2, T2=28ºC W3, T3=55ºC Fabricación de detergente en polvo 59 El caudal de agua másico de refrigeración será (Ver tabla 5.3). Teniendo en cuenta la densidad del agua (1kg/1l) y que 60 segundos es un minuto, el caudal volumétrico será: Ahora se determina el área del intercambiador del reactor 1 (Ver anexo 5) El incremento de la temperatura logarítmica es (Ver anexo 5) El área del intercambiador es: Se escoge un valor estándar para el coeficiente de transmisión de calor del agua de 0,5kW/ (m 2 ºC) (Ver Anexo 5). Si se mezcla el ácido dodecilbencensulfónico, el ácido sulfúrico y el hidróxido de sodio, se favorecerá la reacción de neutralización entre el ácido sulfúrico y el hidróxido de sodio, formando una gran cantidad de sulfato de sodio, para controlar esta reacción de neutralización se realizan dos operaciones: dilución y separación del ácido sulfúrico. Dilución: Se hace diminuir la concentración del ácido sulfúrico añadiendo agua hasta llegar a una solución del 76% en peso. Separación: Antes de hacer añadir el hidróxido de sodio se separa gran parte de ácido sulfúrico diluido que se consigue gracias a la diferencia de densidad (compuesto orgánico e inorgánico). 6.2.2. Balance de materia del mezclador de dilución La cantidad del ácido dodecilbencensulfónico a la entrada y salida de la operación del diluido es la misma. Y la cantidad del ácido sulfúrico en la solución concentrada (97%) y diluida (76%) es la misma. skg Ckg kJ C kW OCpHOTH Q OWH /39,2 º 18,4º5 89,49 22 2= ⋅ = ⋅∆ = C T TTT Tm frioTecalienteTsT fríoTscalienteTeT º03,13 2 1 ln )21( ,,2 ,,1 = ∆ ∆ ∆−∆ =∆ −=∆ − = ∆ 2 2 66,7 º03,13 º 5,0 89,49 1m C C m kW kW TmU Q A= ⋅ ⋅ = ∆⋅ = min/22,143 min1 60 1 1 39,22 l s kg l s kg OqH =⋅= Nieves Adalid Gavilán 66 Como el signo del calor hallo es negativo, es el calor desprendido por los fluidos calientes (corrientes 7, 8 y 9) es 4224900,00kJ/h. Entonces, el calor que hay que refrigerar es 4224900,00kJ/h. El fluido frío será agua. Como normalmente la energía se expresa en kW (un kW son 1kJ), se hace un factor de conversión para cambiar las unidades del calor desprendido de la reacción 2. • El calor en kilowatios es: Tabla 6.6. Temperaturas agua refrigeración ∆T H2O (ºC) 5 Te H2O (ºC) 20 Ts H2O (ºC) 25 • Caudal másico y volumétrico del agua es Ahora se determina el área del intercambiador del reactor 1 (Ver anexo 5). El incremento de la temperatura logarítmica es (Ver anexo 5.) • Área del intercambiador del reactor 2 es: hkJQ hkmolR hkmolR RHRHTCeWTCeWQ RRSRSERE /00,4224900 /10,1 /75,5 32)()( 3 2 323,23,2 −= = = ⋅ ∆ − ⋅ ∆ − Σ − Σ = kW s kJ kW s h h kJ Q58,1173 / 1 3600 100,4224900 == min/14,3369 min1 60 1 1 15,562 /15,56 º 18,4º5 58,1173 22 2 l s kg l s kg OqH skg Ckg kJ C Kw OCpHOTH Q OWH =⋅= = ⋅ = ⋅∆ = C T TTT Tm frioTecalienteTsT fríoTscalienteTeT º42,15 2 1 ln )21( ,,2 ,,1 = ∆ ∆ ∆−∆ =∆ −=∆ − = ∆ 2 2 25,152 º42,15 º 5,0 58,1173 2m C Cm kW kW TmU Q A= ⋅ ⋅ = ∆⋅ = Fabricación de detergente en polvo 67 • Balance de materia del mezclador 1 Figura 6.5. Corrientes de entrada y salida del mezclador 1 A partir de la ley de conservación de masa y de la formula del detergente (), se encuentran los caudales másicos de la corrientes y de cada componente. Tabla 6.7. Corrientes de entrada y salida del mezclador 1 (Pasta Slurry) kg/h Componente 9 10 11 DDSO3Na 2000,00 - 2000 H2O 1448,28 - 1448,28 Na2SO4 156,48 1343,52 1500 Carbonato de sodio - 1500 1500 Silicato de sodio - 1500 1500 Percarbonato de sodio - 2000 2000 Sustancia óptica - 120 120 TAED - 80 80 Silicona - 40 40 Carboxilmetilcelulosa - 200 200 Total 3604,75 6783,52 10388,28 Se observa que no se ha incluido ni las enzimas ni el perfume porque se desnaturalizarían al pasar por el secador perdiendo sus propiedades debidas al calor del aire para secar la Pasta Slurry y formar polvo. MECLADOR (PASTA SLURRY) W9=DDBSO3Na,H2O,Na2SO4 W10=Materias primas W11= PASTA SLURRY Nieves Adalid Gavilán 68 También, se observa que la columna de la corriente 11 está resaltada en amarilla excepto el agua que está resaltada en verde. El amarillo indica que proviene de una formulación fija (ver ) y el verde indica que no es la cantidad de agua de la formula del detergente en polvo. 6.2.5. Balance de materia y de energía de la torre de atomización Los caudales másicos de las corrientes de entrada y salida y el calor de la torre de atomización se determinan de una forma sencilla, porque no interviene ninguna reacción y no se ha tenido en cuenta la humedad del aire. Figura 6.7. Corrientes de entrada y salida del secador Los caudales másicos se han hallado con la ley de conservación de la masa. W14=aire,T400ºC W11= Pasta, T=45ºC W15=Aire húmedo, H2O(v)=448,28kg/h T=90ºC TORRE DE SECADO W11= Pasta 10%H2O, T=80ºC Fabricación de detergente en polvo 69 Tabla 6.8. Caudales másicos del secador. 6.2.6. Balance de materia de la reacción de combustión Suposiciones: • Por cada tonelada de detergente en polvo entran 30m 3 /h de CH 4 . • El aire sólo contiene un 79% de N 2 y un 21% de O 2 , además entra con un exceso del 20%. • Para calentar el aire se utiliza, el combustible gas natural y se supone que contiene el 100% de CH 4 y la reacción es completa. • El aire que entra para quemar el CH 4 y el aire que entra en el secador es la misma cantidad. Para calentar el aire se realiza mediante el contacto del calor generado de una reacción de combustión (exotérmica). Para producir calor con un combustible, se necesita el combustible, el comburente y un activador. El combustible será el gas natural, el comburente será el oxígeno que contiene el aire (composición del aire suposición 14) y el activador será una llama. El combustible es gas natural y se supone que contiene el 100% de CH4 y la reacción es completa (según suposición 15 1.1 introducción). También, se supone que entran 30m3CH4/Tdetergente en polvo (ver suposición 13). Una vez quemado el combustible, se filtran los gases de salida y se condensa el agua para recolectarla y llevarla al depósito de agua para la limpieza de los equipos o agua de refrigeración. Kg/h Componente 11 14 15 16 Detergente 8950,00 - - 8950,00 H2O 1448,28 - 448,28 1000 Aire - 3675,91 3675,91 - Total 10388,28 3675,91 4124,19 9950 Nieves Adalid Gavilán 70 Figura 6.7. Corrientes reacción de combustión. Se considera la reacción de combustión: CH 4 +2O 2  CO 2 +2H 2 O BASE DE CÁLCULO: 30m 3 CH 4 /Tdetergente en polvo y 10Tdetergente en polvo/h • El caudal volumétrico de metano será • Cantidad de CH4 • Cantidad de O2 estequiométrico • Cantidad de O2 entrada hkmolO kmolCH kmolO h kmolCH /89,26 1 2 44,13 2 4 24 = hmergenteT ergenteT m q CH /300det10 det 30 3 3 4 == Rhkmol m kg h m CHW RCHW BMMCH mkg CH === −= = /44,13 1 717,0 300,12 ,120 /717,0 3 3 4 4 4 3 4 ρ hkmolOW R ROW aireexceso RtricoestequioméO /27,32,13 2 2,13 %20 2, 2 2 2 =⇒ − = = COMBUSTIÓN W13=Aire 79%N2 y 21%O2, en mol Exceso 20% W12= CH4 W14=aire+CO2+H2O (v) Fabricación de detergente en polvo 71 • Cantidad de O2 sale • Aire que entra • Cantidad de N2 a la salida y a la entrada (el nitrógeno no interviene en la reacción). • Cantidad de CO2 • Cantidad de H2O Tabla 6.9. Caudales molares de la reacción de combustión. kmol/h Componente 12 13 14 CH4 13,44 - - O2 - 26,89 5,38 N2 - 121,38 121,38 H2O - - 26,89 CO2 - - 13,44 Total 13,44 148,27 167,09 No se calcula este calor porque no es uno de los objetivos principales del apartado de los cálculos, pero se calcula en el Anexo de simulación. hkmolRCOW RCOW BMMCO /44,13,14 ,140 2 2 2 == +−= hkmolROHW ROHW OBMMH /89,262,14 2,140 2 2 2 == +−= hkmolOW ROWOW BMMO /38,5,14 2,14,130 2 22 2 = −−= hkmol OW Waire O /64,153 ,13 2 2 == χ hkmolWaireNWNW N /64,153,14,13 222 =⋅== χ Nieves Adalid Gavilán 72 El aire de entrada para que se produzca la combustión y el aire de entrada del secador es la misma cantidad. 6.3. Dimensionado de la torre de secado Para dimensionar la torre de secado se necesitan los siguientes parámetros: diámetro y altura. 6.3.1. Diámetro d del secadero El caudal de aire molar hallado en la reacción de combustión pasándolo a caudal másico con la ayuda del anexo 5 es Wg=4455, 64 kg aire /h y considerando un caudal másico por área de G=340, 39 kg / (m2h). El diámetro será: 6.3.2. Altura de L del secado En general, la relación de la altura o longitud (L) de una torre de secado y su diámetro es: Entonces, la longitud de torre de secado en general es: El diámetro son 4,08 m y la altura son 20,4m. Estos valores se pueden dar como válidos porque Henkel de Montmeló produce 5 toneladas más a la hora que esta fábrica, su torre de secado son 5 metros y su altura son 30 metros. Por lo tanto la relación de la empresa Henkel de Montomeló es: Por lo tanto, la relación se puede considerar correcta. 2 2 2 2 21,3 4 )08,4( 08,4 39,340 64,44554 4 4 m m S m hm kg h kgaire d G Wg d d GSGWg =⋅= = ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ = ⋅⋅=⋅= π π π π 5= d L mdL 4,205 = ⋅ = 45,5= d L Fabricación de detergente en polvo 73 6.3.3. Balance de materia del mezclador 2 Figura 6.9. Corrientes de entrada y salida del mezclador 2 Como se conocen las corrientes 16,17 y 18 de cada componente: W18=W17+W16 W16=9940kg/h W17=50kg/h W18=10000kg/h Se puede hallar fácilmente los caudales másicos totales de cada corriente: Tabla 6.10. Caudales másicos del mezclador 2 kg/h Componente 16 17 18 Detergente seco 9940 - 9940 Perfume - 10 10 Enzimas - 50 50 Total 9940 60 10000 W16= detergente seco= 9940,00kg/h W18= detergente= 10000kg/h W17= perfume y enzimas=10 + 50=60kg/h Mezclador 2 Nieves Adalid Gavilán 74 CAPÍTULO 7: SIMULACIÓN Es una simulación realizada con el Excel 2003 de todos los cálculos posibles que tienen que ver con el dimensionado de la fábrica. Este anexo se encuentra en el CD. Fabricación de detergente en polvo 75 CAPÍTULO 8: FICHAS TÉCNICAS A continuación se adjuntan las fichas técnicas relacionadas con este proyecto. Nieves Adalid Gavilán - - 6 CAPÍTULO 5: DIAGRAMA DE FLUJO DEL PROCESO Fabricación de detergente en polvo 7 Nieves Adalid Gavilán - - 8