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UUU NNN III VVV EEE RRR SSS III DDD AAA DDD DDD EEE CCC AAA RRR AAA BBB OOO BBB OOO
FFF AAA CCC UUU LLL TTT AAA DDD DDD EEE III NNN GGG EEE NNN III EEE RRR AAA
EEE SSS CCC UUU EEE LLL AAA DDD EEE III NNN GGG EEE NNN III EEE RRR AAA QQQ UUU MMM III CCC AAA
DISEO DE UNA PLANTA PILOTO PARA LA ELABORACIN DE FERTILIZANTES, APARTIR DEL CIDO FOSFRICO
PRODUCIDO POR TRIPOLIVEN, C.A.
r
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO PRESENTADO ANTE LA ILUSTRE
UU NIVERSIDAD DE CARABOBO PARA OPTAR AL TTULO DE
TTRRAABBAAJJOO EESSPPEECCIIAALL DDEE GGRRAADDOO PPRREESSEENNTTAADDOO AANNTTEE LLAA IILLUUSSTTRREE UNNIIVVEERRSSIIDDAADD DDEE CCAARRAABBOOBBOO PPAARRAA OOPPTTAARR AALL TTTTUULLOO DDEE
INGEE NIERO QUMICO IINNGGENNIIEERROO QQUUMMIICCOO
AUTORES: TUTORES ACADMICOS: AAUUTTOORREESS:: TTUUTTOORREESS AACCAADDMMIICCOOSS::
NANCY MEZONES ING. JUAN PORTILLO NNAANNCCYY MMEEZZOONNEESS IINNGG.. JJUUAANN PPOORRTTIILLLLOO
JOS QQ UARTUCCIO ING. VICTOR GUANIPA JJOOSS QUUAARRTTUUCCCCIIOO IINNGG.. VVIICCTTOORR GGUUAANNIIPPAA
TUTOR INDUU STRIAL TTUUTTOORR IINNDDUSSTTRRIIAALL
III NG. ENRIQUE OROPEZA NNGG.. EENNRRIIQQUUEE OORROOPPEEZZAA
VALENCIA, OCTUBRE DELL 2002 VVAALLEENNCCIIAA,, OOCCTTUUBBRREE DDEEL 22000022
Este
la
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base a un estudio tcnico econmico, la seleccin de la tecnologa que permita
la obtencin del producto con la calidad y rentabilidad deseada. Se establece
la capacidad de la planta piloto en funcin de un balance de masa; se disean
los equipos, accesorios y sistemas involucrados en el proceso
fundamentndose en las normas de diseo mecnico ASME. Por ltimo, se
determinan los costos asociados a la adquisicin y funcionamiento de stos.
Para exponer el orden de ideas de los anlisis desarrollados, se estructura esta
investigacin en seis captulos. El primero de ellos presenta el planteamiento
del problema y las justificaciones en las que se basa esta investigacin;
tambin seala los objetivos a lograr, las limitaciones y alcances presentes. El
captulo II, titulado Marco Referencial, introduce el rea en la cual se lleva a
cabo esta investigacin y la descripcin detallada de las tecnologas
estudiadas. En el captulo III, se muestra los principales conocimientos
tericos que sustentan las bases de este trabajo. Posteriormente, se describe la
metodologa empleada en el cumplimiento de cada uno de los objetivos
planteados. En el captulo V, se realiza la seleccin de la tecnologa mediante
el empleo de una matriz de decisin, la cual permite comparar, con base en
unos criterios previamente establecidos y ponderados segn los requerimientos
de la empresa, las distintas alternativas. Seguido al captulo anterior, se
realiza el balance de masa, se aplican las normas y correlaciones respectivas
para el establecimiento de la capacidad de la planta, el dimensionamiento de
los equipos y sistemas involucrados en el proceso; as como tambin se
determinan los costos asociados con la adquisicin y puesta en marcha de la
planta piloto. Finalmente, se indican las conclusiones derivadas de este trabajo
y las principales recomendaciones establecidas a la empresa. Conviene
mencionar, que para completar la informacin suministrada en cada captulo se
presenta la seccin de apndices.
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los proyectos deben implicar la mnima inversin y la mxima rentabilidad
posible.
Para la industria qumica las exigencias son mucho mayores, pues a nivel
nacional el consumo de la mayora de los productos que en ellas se genera ha
disminuido notablemente, por ello si se quiere mantener el nivel de ventas e
intentar conservar o superar las ganancias, estas empresas deben incursionar
en los mercados internacionales; sin embargo, estos exigen cumplir con ciertos
estndares de calidad que se deben tener en consideracin.
La presente investigacin tiene lugar en una industria qumica dirigida al
sector de los productos fosfatados: Tripoliven C.A. (TPV), empresa del sector
empresas mixtas de Morn estado Carabobo, la cual fue constituida en 1972
con la participacin accionara en partes iguales de Petroqumica de Venezuela
S.A., Valqumica C.A. y FMC Foret, e inici sus operaciones en 1977. Su
principal producto es el tripolifosfato de sodio (TPF); el cual es vendido a
granel y/o en polvo como base para la fabricacin de detergentes.
El proceso productivo de la empresa est dividido en 2 plantas, tal como se
muestra en la figura I.1; la planta de P2O5 encargada de la elaboracin de
cido fosfrico de proceso hmedo a concentraciones de 28 y 54 % de P2O5 y
la planta de TPF que emplea el cido al 28% como materia prima para la
fabricacin del tripolifosfato de sodio.
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obsolescencia de los equipos que estn siendo subutilizados. Para contrarrestar
estas prdidas la produccin de cido concentrado debe emplearse en otros
usos, que generen una demanda tal que requiera colocar en funcionamiento
continuo la seccin de concentracin.
Las posibles aplicaciones de este cido son:
El sector de los fosfatos para detergentes, cuya demanda se encuentra cubierta
totalmente a nivel nacional y parcialmente a nivel internacional por TPV.
El sector alimentos o farmacia, en los cuales se emplea cido de proceso seco
y
El sector fertilizantes
TPV se ha enfocado a ste ltimo sector como la posibilidad de generar la
demanda de cido concentrado que pondra en uso continuo esta seccin de la
planta de P2O5; adicionalmente la incursin en este nuevo sector de los
productos fosfatados, es una oportunidad que permite fortalecer el negocio
mediante una expansin horizontal de la empresa.
El mercado de los fertilizantes en el pas se encuentra monopolizado por la
empresa del Estado, ya que los productos que sta ofrece al agro venezolano,
poseen muy bajo costo gracias al subsidio que el mismo Estado mantiene sobre
stos; en consecuencia, competir por el mercado nacional no es tarea fcil, ni
ofrece rentabilidad. A nivel internacional, la empresa cuenta con un estudio de
mercado para los fertilizantes fosfatados, el cual arroja la existencia de un
mercado insatisfecho en Amrica Latina; en el se requiere especficamente de
la produccin de fosfatos tanto mono (MAP) como diamnico (DAP) y de urea
fosfato (UF) de alta calidad, lo cual se traduce en un muy bajo contenido de
metales y otras impurezas.
Los fosfatos de amonio son producidos por la reaccin de cido fosfrico con
amoniaco anhidro: el fosfato monoamnico se obtiene por la reaccin de un
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I.1.1 SITUACIN ACTUAL
TRIPOLIVEN, C.A., no dispone del diseo de una planta para elaborar
fertilizantes fosfatados, MAP, DAP y UF especficamente, a nivel piloto
empleando como materia prima el cido fosfrico que la empresa produce.
Adems de ello no ha definido bajo que tecnologa y que condiciones son
requeridas en la materia prima para elaborar los fertilizantes con la calidad y
rendimiento deseados.
Mientras no se posea la informacin en cuanto a la tecnologa, la materia
prima y la planta piloto; no podrn cristalizarse los planes de ampliacin del
mercado de la empresa, pues a partir de la planta piloto se evala el
comportamiento de las variables en la nueva lnea de produccin, se mide la
aceptacin del producto y pueden ser captados los clientes.
I.1.2 SITUACIN DESEADA
Disponer del diseo de una planta piloto para la elaboracin de fertilizantes de
alta pureza: fosfato monoamnico (MAP), diamnico (DAP) y Urea fosfato a
partir del cido fosfrico que TRIPOLIVEN, C.A produce. Para generar
estrategias que permitan captar clientes y evaluar la rentabilidad de esta nueva
lnea de produccin.
Justificacin La disponibilidad del diseo de la planta piloto para producir MAP, DAP y
Urea fosfato de alta pureza a partir del cido fosfrico que TRIPOLIVEN, CA
elabora, le permitira a la empresa evaluar la rentabilidad que ofrece dicha
lnea de produccin para lograr la diversificacin deseada y; en consecuencia,
poder cristalizar los planes de ampliarse horizontalmente en el mercado de los
productos fosfatados.
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I.3.2.2 Seleccionar la tecnologa adecuada, en base a un estudio tcnico-
econmico de las diferentes alternativas que ofrece el mercado.
I.3.2.3 Determinar la capacidad de la planta piloto.
I.3.2.4 Disear los diferentes equipos, accesorios y sistemas involucrados
en el proceso.
I.3.2.5 Determinar los costos asociados al diseo y funcionamiento de la
planta piloto.
I.4 LIMITACIONES Y ALCANCES
Esta seccin se emplea con la finalidad de enmarcar exactamente lo que abarca
el desarrollo de la presente investigacin, que se alcanza y cuales aspectos no
pueden ser profundizados.
I.4.1 LIMITACIONES
Las principales limitantes en el desarrollo del diseo de la planta piloto para
la produccin de los fertilizantes: MAP, DAP y UF a partir del cido fosfrico
elaborado en TPV, son:
No se consideran para el diseo de la planta piloto otros fertilizantes
diferentes de fosfato monoamnico, fosfato diamnico y Urea fosfato.
Los fertilizantes que se obtienen no deben ser granulares, ni sintetizados por
procesos que impliquen el amasado del producto.
El cido fosfrico que se emplea en la sntesis de los fertilizantes, debe ser
obtenido por va hmeda.
El proyecto no debe exceder el costo preestablecido por la empresa.
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Seleccionar la tecnologa que se adapta a las condiciones exigidas por la
empresa para la produccin de MAP, DAP y UF.
Obtener los fertilizantes a nivel de laboratorio con el grado NP (nitrgeno,
fsforo) y contenido de impurezas deseado.
Establecer las condiciones de concentracin para el cido y el amonaco a la
alimentacin del proceso, de forma tal que los productos se obtengan con las
condiciones requeridas.
Fijar la distribucin fsica y dimensiones de todos los equipos que conforman
la planta piloto.
Proponer una seccin para el lavado de los gases de reaccin.
CAPTULO II
Marco referencial En esta seccin se describen de forma breve, algunas caractersticas bsicas de
los fertilizantes, que facilitan el entendimiento de las propiedades fsico
qumicas de estos productos, haciendo especial hincapi en los fertilizantes de
inters para el presente proyecto en conjunto con la descripcin de las
tecnologas para la elaboracin de los fosfatos de amnico y Urea fosfato,
estudiadas en el trabajo de investigacin.
Antecedentes A continuacin, se presentan algunas de las referencias consultadas, en el rea
de fertilizantes y diseos de plantas a escala piloto, que sirven de premisa
para el desarrollo de los objetivos planteados en el presente Trabajo Especial
de Grado.
II.1.1 Kajitani, T., Fujii, S. y Sato, T., (1985). Process for producing
purified diammoniun phosphate from wet process phosphoric acid. US
Patent 4610862, Japn.
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anhidro con cido fosfrico empleando un reactor o neutralizador, un
granulador, un secador y un molino como equipos principales.
El principal logro de esta investigacin es la obtencin de DAP granulado
con el tamao deseado (entre 2 y 4 milmetros) con un rendimiento
aproximado en la etapa de granulacin de 90%.
II.1.4 Baptista, O. Y Saporito, G. (1996) Diseo conceptual de una
planta piloto para producir cido fosfrico. Tesis de grado no publicado.
Universidad de Carabobo. Brbula.
El objeto de este trabajo es ejecutar el diseo de una planta piloto
homologable a la planta comercial de cido fosfrico que opera en
TRIPOLIVEN, C.A., que permita la realizacin de pruebas experimentales
sobre los productos y procesos involucrados.
En esta investigacin, se obtuvo el diseo de una planta piloto de cido
fosfrico capacitada para manejar un volumen de reaccin de hasta 27 L y
manipular variables de proceso tales como: tiempo de residencia, flujos de
alimentacin, temperatura de reaccin, densidad, relacin slidos lquido y
acidez sulfrica.
II.1.5 Snchez, A. (1997). Diseo de una planta piloto para la
elaboracin de polifosfatos de sodio compatible con la planta comercial de la
empresa TRIPOLIVEN, C.A.. Tesis de grado no publicado. I.U.P.F.A.N.,
Morn.
El objeto de este trabajo es desarrollar el diseo de una planta piloto para la
produccin de polifosfato de sodio compatible con la planta comercial de la
empresa TRIPOLIVEN, C.A., que permita la realizacin de pruebas
experimentales sobre los productos y los procesos involucrados.
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especie determinada se cultiva ao tras ao en un mismo lugar, el suelo puede
agotarse y ser deficitario en uno o varios nutrientes. En tal caso, es preciso
reponerlos en forma de fertilizantes. La aplicacin de fertilizantes adecuados
estimula el crecimiento de las plantas.
Elementos nutritivos y sus funciones: Se considera que los elementos
nutritivos de las plantas son; nitrgeno, fsforo, potasio, calcio, magnesio,
cobre, zinc, boro y en algunos casos molibdeno. Mientras que el carbono,
hidrgeno y oxgeno son elementos constitutivos de la planta, que las mismas
obtienen del dixido de carbono del aire, agua y suelo. El nitrgeno, el fsforo
y el potasio se llaman elementos mayores o principales, porque son utilizados
en grandes cantidades por las plantas y se consideran limitantes de la
produccin del suelo, por esto son los tres elementos que deben contener casi
todos los fertilizantes.
Las funciones ms resaltantes de los elementos principales son: el nitrgeno
comprende 16 a 18% de las llamadas protenas de las plantas y forma parte de
la clorofila, que es la materia colorante verde, por lo que su deficiencia se
evidencia por un crecimiento reducido y la falta de color verde saludable. Este
elemento se encuentra en cantidades enormes en la atmsfera, pero las plantas
no pueden aprovecharlo de esta forma. El potasio a pesar de no ser un
componente real de ninguno de los compuestos orgnicos del protoplasma
vegetal, aporta vigor y resistencia a las enfermedades adicionalmente a la
probabilidad, an no probada, de desempear un papel cataltico en las
principales sntesis que estos organismos realizan.
El fsforo entra en la composicin de diversos compuestos orgnicos de las
plantas, como los fosfolpidos, el cido nuclenico y algunas coenzimas; por lo
cual el desarrollo de la raz y la pronta madurez de las cosechas dependen de
l. El fsforo aprovechable por las plantas en los fertilizantes suele estimarse
como % de P2O5; aunque qumicamente no se encuentra enlazado de esta
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despus de la siembra, porque las races no existen o son tan pequeas que no
poseen la capacidad de aprovechar el nitrgeno disponible de forma eficiente.
La alta movilidad del nitrgeno facilita la absorcin de ste por las plantas. El
fertilizante ntrico, se adapta bien para aplicaciones cuando los cultivos ya
estn en desarrollo y corrige rpidamente las deficiencias de este nutriente. Se
debe aplicar una cantidad de este fertilizante en cuanto la deficiencia de
nitrgeno sea visible.
Fertilizantes Amnicos: los fertilizantes amnicos van combinados con los
nitratos, y estn representados principalmente por el sulfato de amonio, nitrato
de amonio, nitrato de amonio calcio y nitrato de sulfato de amonio.
Los fertilizantes amnicos proporcionan el nitrgeno en forma de amonio que
es igualmente soluble al agua. A diferencia del nitrato ste es absorbido y
retenido por las partculas finas del suelo. No presentan prdidas inmediatas
por lixiviacin en suelos arcillosos o limosos, su accin es tambin menos
rpida pero ms duradera.
Fertilizantes de amidas: los fertilizantes de amidas proporcionan el nitrgeno
en forma de amida, mediante una transformacin qumica se convierte primero
en nitrgeno amnico y luego en nitrato. El nitrgeno de amidas acta ms
lentamente que el amnico y an ms lentamente que el ntrico, el fertilizante
de amidas, debe incorporarse el suelo, para evitar prdidas de nitrgeno
elemental, los ms empleados son la urea 45% de nitrgeno y la cinamida de
calcio 21% de nitrgeno 39% calcio.
La urea es un compuesto altamente soluble al agua y la cinamida es poco
soluble al agua, lo que le aporta una accin menos rpida que la primera. La
urea es por esto adecuada para la preparacin de soluciones de nitrgeno y se
puede aplicar antes, al mismo tiempo o despus de la siembra. La Urea
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Los fosfatos solubles a los cidos dbiles se usan especialmente en suelos
cidos. En estos suelos tampoco existe el peligro de lixiviacin. El alto
contenido calcio de estos fertilizantes ayuda a corregir la acidez del suelo. Se
incorpora este fertilizante inmediatamente despus de la distribucin alvoleo,
se obtendr un mejor efecto.
En forma lquida el fertilizante fosfatado est disponible como cido
superfosfrico, con 70 - 75% de fosfato y como soluciones de multinutrientes
con diferentes contenidos de fosfato.
II.2.1.4 FERTILIZANTES COMPUESTOS
Las principales ventajas de estos fertilizantes son la flexibilidad en la
produccin y en lo econmico de su aplicacin. Algunos de estos son:
Fosfato monoamnico (MAP).
Fosfato diamnico (DAP).
Nitrato de fosfato de amonio.
Superfosfato de amonio.
Fosfato ntrico.
Fosfato de urea o Urea fosfato.
Para la elaboracin de fertilizantes compuestos lquidos, se usa el Potasio en
forma de cloruro o de nitrato de potasio.
Fosfato Monoamnico (MAP): El fosfato monoamnico es el resultado de la
reaccin qumica entre cido fosfrico y amonaco, en cantidades equimolares,
de forma tal que el compuesto posee una relacin molar N/P de
aproximadamente 1; el mismo puede producirse de distintos grados, con
anlisis que varan entre 10-12% de N y 50-62% de P2O5. El cido fosfrico
empleado en la elaboracin del MAP puede ser tanto cido de horno como de
proceso hmedo, mas por razones econmicas ste suele obtenerse a partir de
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la produccin de fertilizantes en solucin. Con un secado apropiado, el
material cristalino tiene propiedades fsicas bastante buenas para manejo en
bolsas o sacos. La Urea fosfato es empleada para la produccin de soluciones
de polifosfatos de urea, para ello la Urea fosfato slida es primero calentada,
por medios externos o por el calor qumico de la amoniacin formndose un
lquido de urea polifosfatos de amonio.
II.3 DESCRIPCIN DE LAS TECNOLOGAS
A continuacin se describen las tecnologas disponibles en el mercado parar la
elaboracin de los fertilizantes MAP, DAP y Urea fosfato. Los fosfatos
amnicos suelen realizarse bajo un mismo patrn, ya que como se sabe ambos
se obtienen de la reaccin de neutralizacin entre el cido fosfrico y el
amonaco; en el caso del MAP la neutralizacin se lleva acabo hasta alcanzar
una relacin N/P de aproximadamente 1 y en el DAP alrededor de 2, tal como
lo establece la estequiometra. La elaboracin de Urea fosfato se limita a
procesos de cristalizacin, ya que partir de estos, existen casos especiales en
que se realizan fertilizantes fosfato ureicos en solucin.
La elaboracin de estos fosfatos puede dividirse en dos tendencias, segn
como se obtiene el producto slido, procesos granulares y procesos no
granulares (incluyen los productos en polvo y cristales). Adicionalmente bajo
estos dos esquemas existe la posibilidad de emplear varios tipos de materia
prima; el cido fosfrico puede ser de proceso hmedo o de horno y el
amonaco puede ser gaseoso o en solucin. El empleo de una materia u otra
depende de las restricciones propias del proceso, la disponibilidad, los
requerimientos del fabricante y el mercado a cubrir, entre otras.
II.3.1 PROCESO PHOSAI:
El proceso es llevado a cabo en dos etapas:
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FIGURA II.1 DIAGRAMA DE FLUJO DEL PROCESO PHOSAI
II.3.1.1 PROCESO SAIs SRI
Con base en las patentes de la tecnologa SAI y otras informaciones
publicadas por este instituto, la SRI internacional dise un proceso que ser
estudiado y evaluado a continuacin, segn el diagrama de flujo que se
muestra en la figura II.2.
El tamao de la planta propuesta por la SRI para este proceso, est diseada
para procesar 250.000 ton cortas/ao de P2O5 lo cual es equivalente a 480.000
ton mtricas/ao de MAP producido con un grado 10-52-0 y con un factor de
corriente de 0,87. La pieza crtica de los equipos en este proceso es el
moisture disengagement units (MDU), equipo en el cual se lleva acabo la
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relacin molar en la solucin de N/P 1,4; lo cual significa que el 40% del
MAP ha sido convertido a DAP. Esta relacin molar es controlada por ajustes
de pH en la solucin, hasta un valor de 5,4 mediante la manipulacin de los
flujos de amonaco y de cido. Luego, esta solucin sale del reactor A y pasa
al reactor B, el cual es usado para sembrar la solucin con cristales mediante
la adicin de una porcin del cido que proviene del E-101. El precalentador
es usado con la finalidad de ayudar a evaporar el contenido de agua en la
solucin de MAP en el MDU.
La porcin remanente del cido es aadida directamente al MDU, donde se
disminuye la relacin molar N/P a 1. En este equipo, la solucin de MAP se
mantiene en constante agitacin, al mismo tiempo que se somete a un vaco
relativamente pequeo para vaporizar el agua que contiene; convirtindose la
masa de MAP en polvo. El agua que es evaporada de la sal, es extrada con
ayuda del aire impulsado por el soplador K-101, desde el cual se enva a los
ciclones V-103 A, B y C para separar las partculas que hallan podido ser
arrastradas. Finalmente, el aire es tratado en la seccin de disminucin de
contaminantes antes de ser venteado a la atmsfera.
El polvo de MAP cristalino, pasa hacia los tamices S-103, en los cuales se
separa cualquier material de mayor tamao al deseado, para luego ser triturado
en el molino S-102. El material molido es devuelto a los tamices y el producto
final sale de stos directamente hacia almacenamiento.
Las impurezas provenientes del cido fosfrico alimentado, forman un
precipitado al ponerse en contacto con el amonaco, el cual no es separado de
la solucin de MAP en ninguna etapa del proceso, por lo tanto las impurezas
pasan a formar parte del producto en polvo e influyen en el proceso de
cristalizacin. As el MAP en polvo, es el nico producto obtenido de este
proceso y posee aproximadamente 6% de humedad.
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millones BTU/h
T 151 A,B
Tanques de
almacenamiento
de cido
1.500.000gal c/u Acero al carbn
recubierto
T-152 A,B
Tanques de
almacenamiento
de amonaco
400.000gal c/u Acero al carbn
V 103 A,C
V 104 A,B Ciclones --- Acero al carbn
88.769
S-101 A, B MDU 4 pies x 16 pies
c/u Acero al carbn
S-102 2 Molinos 20 hp c/u Acero al carbn
S-103 4 tamices 40 hp c/u Acero al carbn
344.633
M-101, M-102,
M-103.
Equipos
miscelneos
100 pes, 60 pies
y 200 pies,
respectivamente
Acero al carbn 249.598
---
Seccin de
disminucin de
contaminantes
--- --- 2.817.987
TOTAL 3.827.519
Fuente: PROCESS ECONOMICS PROGRAM REPORTS No. 127, 1979, SRI
International
(*)Capacidad 435.000 TM/ao de MAP (10-52-0).
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La segunda etapa de reaccin en este proceso, es una torre de evaporacin
flash para eliminar el agua y formar MAP en polvo. El procedimiento que se
sigue en el proceso Minifos, se describe de acuerdo con la Figura II.3.
FIGURA II.3. DIAGRAMA DE FLUJO DEL PROCESO FISON
El H3PO4-hmedo (48 a 52% P2O5) es bombeado al reactor, este ltimo est
provisto de un agitador y deflectores o tabiques de desviacin para promover
un alto grado de agitacin. La solucin de fosfato de amonio del reactor es
rociada a travs de una boquilla, especialmente diseada para el control del
rociado, dentro de una pequea torre con corriente de tiro natural donde el
fino polvo de MAP se forma. Ac es necesario acotar que la solucin de MAP
rociada contiene todas las impurezas que se alimentaron con el cido, debido a
que el proceso no posee ningn sistema de separacin para las mismas. El
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proveniente de las ventanillas inferiores de la torre. Esta corriente de aire es
extrada por el tope de la torre con ayuda de un soplador y llevado hasta la
seccin de disminucin de contaminantes. El polvo de MAP que llega hasta el
fondo de la torre, es transportado a un lecho de enfriamiento con aire para
luego ser almacenado. El aire empleado en el lecho de enfriamiento, es pasado
a travs de unos ciclones, (con la finalidad de recobrar las partculas finas de
MAP) y tratado en la seccin de disminucin de contaminantes antes de ser
venteado al ambiente.
Este proceso se limita a la produccin de fosfatos de amonio MAP, DAP y
AAP (polifosfatos de amonio), ya que el tipo de reactor por boquilla que se
emplea no es el ms adecuado, ni tcnica ni econmicamente, para la
produccin de otros fertilizantes en esta misma rama en especial no es viable
para la produccin de Urea fosfato.
El principal problema de este proceso es el reactor, el cual tiende a obstruirse
y requiere frecuentemente ser cambiado por uno nuevo, como consecuencia de
los desgastes provocados por las impurezas que trae el cido en conjunto con
la presin a la cual opera el equipo y la constante friccin de la mezcla slido-
lquido que por l fluye. Por otra parte, una de las ventajas ms significativas
del proceso es que no presenta generacin de desechos ni de subproductos.
El diseo y los costos de todos los equipos incluyendo la seccin de
abatimiento de impurezas corresponden a la SRI, las caractersticas se
encuentran en la tabla II.2.
II.3.3 PROCESO SWIFT
Se caracteriza por un nico sistema de reaccin, el cual provee la interaccin
instantnea del cido fosfrico y el amonaco. ste es comnmente llamado
reactor-jet o boquilla de dos fluidos, ya que se mezclan en una misma boquilla
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FIGURA II.5. BOQUILLA DE DOS FLUIDOS PARA EL PROCESO SWIFT.
TABLA II.2
RESUMEN DE LOS EQUIPOS MAYORES PARA UNA PLANTA CON
TECNOLOGA FISON (*)
Cdigo del
equipo
Nombre del
equipo Tamao Descripcin
Costos
para el ao
2.002 (US $)
V-101 Reactor 13.000 gal Hastelloy clad 104.957
V-102 y V-103 Ciclones --- Acero al carbn
T- 151 A,B
Tanques de
almacenamiento
de cido
1.500.000 gal
c/u
Acero al carbn
recubierto
T- 152A,B
Tanques de
almacenamiento
de amonaco
400.000 gal c/u Acero ala carbn
35.508
S-101 A, B Torre de spray 24 pies x 90 pies
c/u Acero al carbn
S-102 Lecho de
enfriamiento 60 ton/h Acero al carbn
1.044.343
M-101. Banda
transportadora 18 pulg x 40 pies Acero al carbn
M-102 Elevador de
cangilones 60 ton/h Acero al carbn
M-103 Banda
transportadora
18 pulg x 200
pies Acero al carbn
165.528
---
Seccin de
disminucin de
contaminantes
---- --- 2.589.972
Este
lar
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con una boquilla de salida en la parte ms baja. La alimentacin de amonaco
y cido fosfrico se introducen tangencialmente en el reactor a travs de una
corriente en espiral descendente en el reactor, con lo cual se logra la mezcla
de ambos completamente, tal como se muestra en la figura II.7.
FIGURA II.7. DIAGRAMA ESQUEMTICO DEL REACTOR DEL
PROCESO GARDINIER
La lechada de reaccin es expulsada por medio de la boquilla en la torre de
rociado; el calor generado por la reaccin y el descenso de la presin, evapora
el agua y genera gotitas muy finas de MAP, que solidifican completamente
antes de llegar a la base de la torre (60 pies) y contienen las impurezas
provenientes del cido fosfrico alimentado. El contenido de humedad del
producto obtenido en la base de la torre posee un rango de 2 a 4%, el grado
nominal del producto es 11-53-0.
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La mezcla de reaccin tiene un tiempo de residencia en el reactor de menos de
1 segundo y luego es esparcida en la torre S-103, a travs de la boquilla del
mismo, el vapor que genera la reaccin sirve como coayudante en la
atomizacin de la mezcla. Los gases que ascienden en la torre estn
compuestos de aire, algunas partculas finas de MAP, el amonaco que no
reaccion y vapor de agua, los cuales son llevados hasta la seccin de
disminucin de contaminantes con ayuda de un pequeo vaco ejercido en el
tope de la torre.
Por otra parte, el polvo de MAP formado que llega al fondo de la torre, es
posteriormente trasladado a un lecho de enfriamiento con aire S-104, para
luego pasar a almacenaje. El aire empleado para este enfriamiento es
suministrado por el soplador K-101, que al salir es tratado en los ciclones V-
101 y torres de agotamiento (en la seccin de disminucin de contaminantes)
antes de ser descargado a la atmsfera de nuevo. El corto tiempo de residencia
en la torre y las temperaturas relativamente bajas que se alcanzan, aseguran
que la cantidad de citratos insolubles en el producto sea baja; sin embargo, el
resto de las impurezas que trae el cido son transferidos al producto. En la
tabla III.3 se muestran los costos de adquisicin de los equipos para la planta
propuesta.
Este proceso presenta muchas similitudes con el proceso Fisons, entre las
cuales estn:
La fcil adaptacin de la tcnica para la produccin de DAP Y AAP mediante
un cambio netamente de flujos y relaciones molares, pero la produccin de
Urea fosfato se ve limitada por la presencia del reactor tubular de spray, el
cual difcilmente se amolda a este producto.
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M-103 Banda transportadora18 pulg x 200
pies Acero al carbn
---
Seccin de
disminucin de
contaminantes
--- --- 2.589.972
TOTAL 3.951.447
Fuente: PROCESS ECONIMICS PROGRAM REPORTS No. 127, 1979, SRI
International.
(*) Capacidad 417.000 TM/ao de MAP(11-54-0)
Los problemas de obstruccin y desgaste frecuente del reactor, que en la
mayora de los casos se resuelve con cambio de la pieza.
No presenta generacin de subproductos ni desechos.
II.3.4 TECNOLOGA CHISSO CORPORATION PARA LA
PRODUCCIN DE MAP Y/O DAP PURIFICADO A PARTIR DE CIDO
FOSFRICO HMEDO
La Chisso Co. provee un proceso para la produccin de MAP y/o DAP
purificado a partir de cido fosfrico hmedo y amonaco gaseoso, el cual se
describe a continuacin. La invencin consiste en una combinacin de los tres
puntos siguientes:
Primero: H3PO4-hmedo y amonaco son continuamente alimentados al
sistema de reaccin con una relacin molar de NH3/ H3PO4 entre 0,9 y 1,35; y
mientras la relacin molar es mantenida, se forma una lechada que contiene
cristales de MAP y un lodo insoluble que se origina del H3PO4-hmedo.
Segundo: La lechada es separada en una parte que contiene MAP y una parte
que contiene el lodo insoluble, de acuerdo a un proceso de separacin
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La lechada formada en el reactor es continua o intermitentemente enviada a
los sedimentadotes 4 y 6, donde la lechada es separada en dos porciones: una
sobrenadante, que contiene MAP en gran cantidad llamada solucin
formadora y otra en el fondo, que contiene la porcin del lodo insoluble, el
cual posee las impurezas que precipitaron en la etapa de reaccin. La lechada
en el separador 6 se enva a la centrifuga 13 para obtener los cristales de MAP
purificado y un filtrado que pasa al envase de recirculacin 12; los cristales
son lavados con una pequea cantidad de agua antes de ser almacenado como
producto.
La corriente 5 constituye un bypass, para controlar la deposicin en los
separadores 4 y 6, mientras que la corriente 7 es la lechada con el lodo
insoluble que fue separada en 6 y pasa al calentador 8 para ser calentada entre
60 y 95C, (temperatura mayor en 10 a 15C a la temperatura de ingreso al
calentador) para disolver los cristales de MAP contenidos en la lechada. La
lechada caliente pasa a la centrifuga 9, la cual puede separar partculas ms
finas que 13, donde es entonces dividida en un lodo insoluble y un filtrado.
La separacin en 9 puede ser llevada a cabo uniforme y eficientemente, por un
mezclado de 90% partes en peso de lechada y 10% en peso ms o menos de
agua aadida en el calentador 8 por la lnea 17. Los filtrados obtenidos en los
separadores 4, 13 y 9, se mezclan en el envase de reciclo 12 para luego
recircular continua o intermitentemente una parte al reactor, la otra parte debe
ser sometida a concentracin, para que la cantidad de agua en el sistema no
provoque la dilucin de la solucin y por ende, la no cristalizacin del
producto. Este proceso de concentracin puede aprovechar el calor de la
reaccin en un envase adicional o en el mismo tanque 12, lo cual es aplicado
en la mayora de los casos empleando un medio de intercambio trmico con
vapor de agua; inclusive se puede realizar la concentracin en el paso por la
tubera 15, pero implicara un tanque intermedio.
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medio de intercambio trmico que ste posee para enfriar la solucin hasta la
cristalizacin total, los cristales son separados empleando la centrifuga 13.
Luego el licor madre obtenido de la separacin en 13, es enviado al
sedimentador para separar las impurezas que posee, ya que a diferencia de los
fosfatos de amonio, la Urea fosfato no atrapa las impurezas del cido en la
cristalizacin la mayor parte de ellas queda en el licor madre. Luego se
establece un circuito de reciclaje de licor madre decantado hasta el reactor.
El proceso est integrado por equipos que no requieren de diseos especiales,
son de fcil mantenimiento y larga durabilidad, si se mantiene un plan de
mantenimiento preventivo adecuado. Las capacidades de los mismos se
estimaron por balances de masa del sistema tomando una produccin de
417.000 TM/ao de MAP (12-62-0) y los costos corresponden a una
estimacin tipo 1, estas caractersticas se muestran en la tabla II.4.
II.3.5 PRODUCCIN DE UREA FOSFATO SEGN LA TENNESSEE
VALLEY AUTHORITY (TVA).
El proceso para la manufactura de Urea fosfato segn TVA se describe a
continuacin: urea fundida (275-285F) o perlas de urea no acondicionada
(46% N) y H3PO4-hmedo (54 % P2O5) son alimentados en la primera etapa
(reactor cristalizador) junto con el reciclo de licor madre; este ltimo es
alimentado para incrementar la fluidez.
La primera etapa es enfriada por debajo de la temperatura de saturacin de la
solucin; debido a esto, ocurre la formacin de algunos cristales. La
cristalizacin se completa en la segunda etapa mediante enfriamiento a 68 F
(20C). La lechada y los cristales productos de la segunda etapa de
cristalizacin, son extrados y separados del licor madre en una centrfuga por
cargas tipo basket.
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fertilizantes granulares o en suspensin, por lo cual generalmente es vendido
como subproducto.
Luego los cristales de Urea fosfato, son secados con aire a 100 F (38C),
contienen aproximadamente 17,3% a 17,5% N y 44,0% a 44,5% P2O5
comparado con la composicin terica de 17,7-44,9-0 para la Urea fosfato.
Aproximadamente el 80% del P2O5 del cido, es recobrado como Urea fosfato
relativamente puro. Estos cristales contienen solo de 10 a 15% del hierro,
aluminio, magnesio y flor que contena la alimentacin de cido. En la figura
II.11, se ilustra el diagrama de flujo seguido en el procedimiento descrito.
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continua al cristalizador al vaco para producir los cristales de DAP, los cuales
son separados por centrifugacin. Los cristales centrifugados pueden ser
mezclados con la torta filtrada y luego secados para producir un fertilizante
granular que contiene 18% de N y 47% de P2O5.
TABLA II.5
RESUMEN DE LOS EQUIPOS MAYORES PARA UNA PLANTA DE MAP
SEGN LA TECNOLOGA TVA (*)
Nombre del equipo Tamao Descripcin Costos para el ao
2.002 (US $)
Reactor 16000gal Hastelloy 310.692
Filtro centrifugo 1 Hasta 10 ton/h de slido Acero inoxidable 316 64.401
Filtro centrifugo 2 Hasta 100 ton/h de
slido Acero inoxidable 316 104.434
Tanque agitado 5000 gal Acero inoxidable 316 63.531
Cristalizador Tanque c/serpentn Acero inoxidable 316 13.617
TOTAL 556.675
Fuente: PROPIA.
(*) Capacidad de planta de 417.000 TM/ao de MAP (12-62-0)
Los vapores generados en el cristalizador deben ser sometidos a agotamiento
antes de ser venteados al ambiente, por lo general se emplea una torre de
absorcin con cido fosfrico fresco a fin de recuperar el amonaco perdido.
Este esquema es fcilmente ajustable a la produccin de MAP, APP y Urea
fosfato, en los dos primeros casos se emplea la misma metodologa descrita
con variacin en las relaciones de flujo y moles N/P a travs del sistema.
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FIGURA II.12. DIAGRAMA DE FLUJO PARA LA PRODUCCIN DE DAP
SEGN EL PROCESO TVA AL VACO
TABLA II.6
RESUMEN DE LOS EQUIPOS MAYORES PARA UNA PLANTA DE MAP
SEGN LA TECNOLOGA TVA AL VACO (*)
Nombre del equipo Tamao Descripcin Costo para el ao
2.002 (US $)
Reactor 16000gal Hastelloy 310.692
Filtro banda 25 m2 rea filtrante Polister 218.716
Vaporizador rea: 400 pie2;
Calor transferido: 5
Carcasa: acero al
carbn 196.089
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FIGURA II.13. DIAGRAMA DE FLUJO PARA LA PRODUCCIN DE
UREA FOSFATO EMPLEANDO UN REACTOR-CRISTALIZADOR
II.3.8 PROCESO TVA-PUGMILL
El proceso de produccin involucra una neutralizacin parcial del cido
fosfrico (hmedo) con amonaco en un reactor tubular, y la solidificacin del
MAP en una amasadora (pugmill).
El cido fosfrico (hmedo), grado comercial, es amoniado hasta una relacin
molar NH3/H3PO4 de 1,0 en dos etapas: la primera se lleva a cabo en un
preneutralizador (225F 275F) y la otra en un reactor tubular (425F). Del
30 a 40% del amonaco es suministrado al preneutralizador y el resto se
inyecta al reactor tubular. La descarga del amasador (250F 275F) es
enfriada y luego tamizada para retirar el producto deseado (menos de 10
mesh), del producto de mayor tamao; la cual es molido y recirculado. Cabe
resaltar, que en este proceso no se requiere de una etapa de secado, en virtud
de que el calor de reaccin evapora casi toda el agua contenida en el cido
alimentado; el producto contiene menos del 1% de humedad.
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que manteniendo esta relacin molar, existe poca posibilidad de que el MAP
precipite. Los cristales de DAP que precipitan en la solucin, estn rodeados
con una pelcula de licor madre relativamente ms cida, del cual una parte es
desplazado por las aguas de lavado, y el remanente cristaliza en la superficie
del DAP. En la figura II.15 se ilustra el diagrama de flujo correspondiente a
este proceso.
FIGURA II.15. DIAGRAMA DE FLUJO PARA LA MANUFACTURA DE
DAP EMPLEANDO UN SATURADOR ATMOSFRICO (TVA)
II.3.10 PRODUCCIN DE DAP GRANULAR POR DORR-OLIVER OR
CHEMICO PROCESS
Se trata bsicamente de una adaptacin comercial de proceso TVA preparado
para la manufactura del fertilizantes fosfato diamnico, ya sea el 21-54-0,
empleando cido fosfrico de horno, o el 18-46-0 con H3PO4 de proceso
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empaca en bolsas. En la figura II.16 se ilustra el diagrama de bloque
esquemtico de este proceso.
FIGURA II.16. DIAGRAMA DE BLOQUE PARA LA PRODUCCIN DE
DAP GRANULAR
CAPITULO III MARCO TERICO En este captulo se encuentran los principales fundamentos tericos que
soportan las bases de esta investigacin.
III.1 ANLISIS DE VARIANZA (34)
El anlisis de la varianza (o ANOVA: Analysis of variance) es el mtodo
empleado para comparar dos o ms medias, ya que cuando se quiere comparar
ms de dos medias es incorrecto utilizar repetidamente el contraste basado en
la t de Student. Por dos motivos:
En primer lugar, debido a que se realizaran simultnea e independientemente
varios contrastes de hiptesis, la probabilidad de encontrar algn efecto
significativo por azar aumentara. En cada contraste se rechaza la H0 si la t
supera el nivel crtico, para lo que, en la hiptesis nula, hay una probabilidad
. Si se realizan m contrastes independientes, la probabilidad de que, en la
hiptesis nula, ningn estadstico supere el valor crtico es (1 - )m, por lo
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cuadrados del error y se representa por SSE y al denominador grados de
libertad por ser los trminos independientes de la suma de cuadrados.
2) Otra llamada varianza entre grupos (slo contribuye a ella la varianza entre
las distintas muestras), o varianza de los tratamientos, o cuadrados medios de
los tratamientos y representada por MSA o MSB (Mean Square Between). Se
calcula a partir de la varianza de las medias muestrales y es tambin un
cociente; al numerador se le llama suma de cuadrados de los tratamientos (se
le representa por SSA) y al denominador (k-1) grados de libertad.
MSA y MSE, estiman la varianza poblacional en la hiptesis de que las k
muestras provengan de la misma poblacin. La distribucin muestral del
cociente de dos estimaciones independientes de la varianza de una poblacin
normal es una F con los grados de libertad correspondientes al numerador y
denominador respectivamente, por lo tanto se puede contrastar dicha hiptesis
usando esa distribucin. Si en base a este contraste se rechaza la hiptesis de
que MSE y MSA estimen la misma varianza, se puede rechazar la hiptesis de
que las k medias provengan de una misma poblacin.
Aceptando que las muestras provengan de poblaciones con la misma varianza,
este rechazo implica que las medias poblacionales son distintas, de modo que
con un nico contraste se contrasta la igualdad de k medias.
Existe una tercera manera de estimar la varianza de la poblacin, aunque no es
independiente de las anteriores. Si se consideran las kn observaciones como
una nica muestra, su varianza muestral tambin es un estimador centrado de
2:
Se suele representar por MST, se le denomina varianza total o cuadrados
medios totales, es tambin un cociente y al numerador se le llama suma de
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Igual tamao minimiza la probabilidad de error tipo II.
III.1.2 MODELOS DE ANLISIS DE LA VARIANZA
El ANOVA permite distinguir dos modelos para la hiptesis alternativa:
Modelo I o de efectos fijos en el que la H1 supone que las k muestras son
muestras de k poblaciones distintas y fijas.
Modelo II o de efectos aleatorios en el que se supone que las k muestras, se
han seleccionado aleatoriamente de un conjunto de m>k poblaciones.
Un ejemplo de modelo I de ANOVA es aquel que asume existen cinco
poblaciones (sin tratamiento, con poca sal, sin sal, etc.) fijas, de las que se han
extrado las muestras. Un ejemplo de modelo II sera: un investigador est
interesado en determinar el contenido, y sus variaciones, de grasas en las
clulas hepticas de cobayas; toma del animalario 5 cobayas al azar y les
realiza, a cada una, 3 biopsias hepticas.
La manera ms sencilla de distinguir entre ambos modelos es pensar que, si se
repitiera el estudio un tiempo despus, en un modelo I las muestras seran
iguales (no los individuos que las forman) es decir corresponderan a la misma
situacin, mientras que en un modelo II las muestras seran distintas.
Aunque las asunciones iniciales y los propsitos de ambos modelos son
diferentes, los clculos y las pruebas de significacin son los mismos y slo
difieren en la interpretacin y en algunas pruebas de hiptesis suplementarias.
III.1.3 ANLISIS DE LA VARIANZA DE DOS FACTORES
Es un diseo con anlisis de varianza ANOVA que permite estudiar
simultneamente los efectos de dos fuentes de variacin. En cualquier caso, el
investigador puede estar interesado en estudiar si hay, o no, diferencia en la
evolucin segn el sexo. En un ANOVA de dos vas se clasifica a los
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III.1.4 CONTRASTES DE HIPTESIS EN UN ANLISIS DE LA
VARIANZA DE DOS FACTORES
Del mismo modo que se hizo en el ANOVA de una va, para plantear los
contrastes de hiptesis habr que calcular los valores esperados de los
distintos cuadrados medios. Los resultados son:
Modelo I
TABLA III.2
RESULTADOS PARA UN ANALISIS DE VARIANZA ANOVA DE MODELO I
MS Valor esperado
MSA
MSB
MSAB
MSE
Por lo tanto, los estadsticos MSAB/MSE, MSA/MSE y MSB/MSE se
distribuyen como una F con los grados de libertad correspondientes y permiten
contrastar, respectivamente, las hiptesis:
no existe interaccin (MSAB/MSE)
no existe efecto del primer factor, es decir, diferencias entre niveles del
primer factor (MSA/MSE)
no existe efecto del segundo factor (MSB/MSE)
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funcionamiento del equipo. Si el eje es vertical el tambor se apoya
generalmente en resortes o en cojinete basculantes (centrifuga pendular). Las
centrifugas de tamiz, funcionan bajo un esquema discontinuo: llenado,
escurrido, lavado, escurrido, vaciado; la extraccin de la materia slida puede
hacerse por arriba o por debajo, segn el modelo de centrifuga.
Este tipo de centrfuga se emplea mayormente para separar los cristales de las
aguas madres (azcar, sales) o para el escurrido de fibras (lana, ropa). Un
esquema de este tipo de centrfugas se muestra en la figura III.1.
Fuente: http://www.geocities.com/icasegunda/procquim/centrifug/centrifug.html
FIGURA III.1. CENTRFUGA DE TAMIZ
Las medidas de seguridad para el manejo de equipos centrfugos son:
Las centrfugas se deben comprobar por lo menos una vez al ao por un
tcnico especializado, llevndose para cada centrifuga un libro de control.
Las centrifugas deben disponer de una tapa protectora con cierre de seguridad
y el funcionamiento impecable de dicho cierre debe comprobarse
continuamente por el tcnico mecnico.
La carga mxima y el nmero de revoluciones por unidad de tiempo indicadas
en la placa de identificacin no se deben sobrepasar.
En las centrifugas, y en especial en las de tamiz, la carga debe repartirse de
modo uniforme; si por distribucin inadecuada de la carga se produce
desequilibrio, primeramente se intentar compensar por rellenado; si as no se
consigue el equilibrio se elimina por raspado parte de la capa depositada; si
an as no se consigue una marcha regular sin vibraciones, se debe parar la
centrifuga inmediatamente.
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INTERCAMBIADORES DE SERPENTINES SUMERGIDOS
Los intercambiadores de serpentn se usan en casos en que no hay tiempo o
dinero para adquirir un equipo comercial, ya que son fciles de construir en un
taller. Al ser fcilmente removibles y transportables se usan mucho para
instalaciones provisorias. El rendimiento del intercambio es bueno y son
fciles de limpiar exteriormente. La limpieza interior generalmente no es
problema, ya que la aplicacin ms frecuente es para calentamiento,
generalmente con vapor. El vapor no ensucia, pero es bastante corrosivo.
En general, los serpentines se colocan en la parte baja de los tanques y los de
enfriamiento en la parte superior, o distribuidos uniformemente sobre la altura
vertical. Los materiales que tienden a solidificarse durante el enfriamiento,
requieren agitacin o una cubierta uniforme en el fondo.
Los serpentines pueden inclinarse para facilitar el drenaje; cuando es
imposible hacerlo y permanecen suficientemente cerca del fondo para lograr la
refusin adecuada, los serpentines se deben limpiar mediante el soplado, para
evitar los riesgos de congelacin.
El serpentn sumergido es una buena solucin rpida y econmica a
necesidades no previstas de intercambio, aunque tambin existen muchos
sistemas que lo utilizan en forma permanente. Un ejemplo de ello es el calefn
domstico, que calienta agua en llama directa mediante un serpentn de " por
cuyo interior circula el agua. Los tubos usados varan en dimetro segn las
necesidades, desde 3/4 a 2". Los valores de h para lquidos en el interior de
serpentines son del orden del 20% superiores a los correspondientes a tubo
recto, estimados como se explic antes. En el exterior se puede dar una de dos
situaciones: conveccin natural o forzada. Con conveccin natural los valores
dependen del salto de temperatura a travs de la pelcula. Valores de h de 30 a
50 para .t de 10 a 100 F son quiz algo conservadores. Con agitacin
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III.4 CRISTALIZACIN (34)
Las soluciones son mezclas homogneas de un soluto (sustancia que se
disuelve) distribuido uniformemente en un disolvente (sustancia que disuelve);
stas pueden existir en cualquier estado de la materia. Segn la cantidad de
soluto presente las soluciones pueden ser: no saturadas, saturadas o
sobresaturadas. En la figura III.3 se muestra un diagrama esquemtico de los
tipos de soluciones.
Las soluciones no-saturadas tienen una concentracin de soluto menor que las
soluciones saturadas, y stas a su vez tienen una concentracin de soluto
menor que una solucin sobresaturada. Una solucin saturada posee la mxima
cantidad de soluto que puede disolverse en el solvente a la temperatura que se
encuentra la mezcla, esta cantidad de soluto es igual a la solubilidad de la
sustancia a la temperatura dada; una solucin sobresaturada posee ms soluto
que el correspondiente a la concentracin de equilibrio y es muy inestable.
Fuente: http://www.monografias.com/trabajos10/mese/mese.shtml
FIGURA III.3. DIAGRAMA ESQUEMTICO DE LOS TIPOS DE
SOLUCIONES
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http://www.ur.mx/cursos/diya/quimica/jescobed/defcap1.htm
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disolvente original en la que la solubilidad del soluto disminuye bruscamente.
Tambin, si se desea una precipitacin prcticamente completa, se puede crear
qumicamente un nuevo soluto aadiendo un tercer componente que reaccione
con el soluto original para formar una sustancia insoluble. Este proceso recibe
el nombre de precipitacin.
Los equipos donde tiene lugar la cristalizacin se clasifican segn el mtodo
mediante el cual crean la sobresaturacin de la solucin, cabe destacar que la
sobresaturacin por adicin de un tercer componente no se incluye en este
grupo, slo se incluyen aquellos mtodos que se basan en las propiedades
termodinmicas.
Para esta clasificacin se incluye adems del enfriamiento y la evaporacin,
un tercer mtodo, la saturacin adiabtica que consiste en el enfriamiento
adiabtico al vaco este es el mtodo ms importante a gran escala. Si una
solucin caliente se introduce en un recinto donde la presin total es menor
que la presin de vapor del disolvente a la temperatura que se introduce ste
se evapora rpidamente lo que provocar un enfriamiento adiabtico. La
combinacin de la evaporacin y el enfriamiento produce la sobresaturacin
deseada.
III.5 Bombas (38)
Una bomba es un transformador de energa, recibe energa mecnica y la
convierte en energa que un fluido adquiere en forma de presin, de altura o de
velocidad. Lo inverso a lo que sucede en una bomba se tiene en una turbina,
la cual transforma la energa de un fluido, en sus diferentes componentes
citadas, en energa mecnica.
BOMBAS CENTRFUGAS
Este
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ampliamente aplicados. Los impulsores convencionales de bombas centrfugas
se limitan a velocidades de boca en el orden de 60 m/s (200 pie/s). Para limitar
la erosin, las velocidades de boca de impulsores de bomba para suspensiones
de slidos se limitan normalmente a 30 m/s (100 pie/s).
SENSIBILIDAD A LA VISCOSIDAD
Los niveles normal y mximo de viscosidad tienen un impacto significativo en
la seleccin del tipo de bomba debido al deterioro del funcionamiento de las
bombas centrfugas con el incremento de la viscosidad. El deterioro es
continuo y gradual y por lo tanto cualquier regla que aplique a niveles
especficos de viscosidad es necesariamente arbitraria. Las siguientes guas
indican la prctica tpica.
TABLA III.3
GUA PARA LA SELECCIN DE BOMBAS SEGN LA VISCOSIDAD
Este
lar
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deben llenar con lquido antes de arrancar la bomba. Cuando la fuente de
succin est a presin positiva, o se coloca encima de la bomba, el cebado se
lleva a cabo simplemente abriendo la vlvula de succin y descargando o
ventilando el vapor atrapado desde una conexin con vlvula en el cuerpo de
la bomba o en la lnea de descarga (antes de la vlvula de bloqueo de
descarga). El lquido fluye en la lnea de succin y el cuerpo de la bomba para
desplazar el vapor a ventilar.
CAPTULO IV Marco metodolgico En esta seccin se presenta la metodologa que se sigue para dar
cumplimiento a los objetivos propuestos, incluye el tipo de investigacin, las
tcnicas y procedimientos que se emplean para llevar a cabo el proyecto
IV.1 TIPO DE INVESTIGACIN
El presente trabajo especial de grado est enmarcado dentro de la modalidad
de Proyectos Factibles, segn la definicin propuesta por la Universidad
Pedaggica Experimental Libertador (1990) que expresa: el proyecto factible
consiste en la elaboracin de una propuesta de un modelo operativo viable, o
una solucin a un posible problema de tipo prctico para satisfacer
necesidades de una institucin o grupo social...
La propuesta de este proyecto consiste en el diseo de una planta piloto para
producir los fertilizantes: fosfato monoamnico (MAP), fosfato diamnico
(DAP) y urea fosfato (UF) de alta pureza a partir del cido fosfrico que
Tripoliven, C.A. elabora.
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Criterio necesario, constituye la base de la primera etapa de seleccin, es
restrictivo y completamente excluyente; si se cumple, la alternativa es
aprobada en la primera etapa y pasa a la siguiente, de no cumplirse la
alternativa es desechada por completo.
Criterios deseables, constituyen la segunda etapa de seleccin y son
valorados en porcentaje segn el nivel de importancia, cada uno de ellos es
una prueba que deben pasar las alternativas.
La matriz de decisin se construye colocando los criterios deseables en las
columnas y las alternativas en las filas, como se menciona anteriormente, los
criterios constituyen una evaluacin para las alternativas; por lo cual la matriz
debe llenarse de forma vertical, asignndole a cada alternativa un puntaje del
1 al 10, segn el grado de cumplimiento del criterio. Cabe destacar que el
puntaje de las alternativas es independiente entre s, pudiendo existir una o
ms de ellas que posean igual puntaje para un mismo criterio. Por ltimo, la
seleccin se basa en el puntaje total obtenido por las alternativas, el cual se
calcula para cada una de ellas, como la sumatoria del producto entre el
puntaje obtenido en el criterio por su porcentaje.
Para estructurar la propuesta se requiere de una fase experimental que permita
determinar la concentracin de cido y amonaco necesaria en la alimentacin
del proceso; para la obtencin de los fertilizantes con las condiciones
deseadas. Esta fase tiene lugar en el laboratorio de aseguramiento y control de
calidad de TPV y se lleva a cabo a partir de un diseo experimental de tipo
factorial, ya que ste permite considerar 2 o ms variables actuando
conjuntamente sobre la variable respuesta seleccionada. Los datos que se
obtienen son analizados empleando la estadstica inferencial mediante un
anlisis ANOVA, el cual establece los posibles efectos de cada factor o
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Las experiencias son llevadas a cabo bajo un diseo factorial con 2 replicas
por tratamiento, donde los factores estudiados son las concentraciones de las
materias primas empleadas y las variables respuestas de inters son el
contenido de fsforo (P2O5), contenido de nitrgeno, contenido total de
impurezas y rendimiento del proceso. Los tratamientos se realizan al azar
empleando el mismo procedimiento de sntesis independientemente de la
concentracin del cido y variable segn el fertilizante a obtener, tal como se
especifica a continuacin:
Fosfatos de Amonio (MAP y DAP)
Los fosfatos de amonio se obtienen a partir de amonaco y cido fosfrico, por
lo cual se tienen dos factores en el diseo, factor 1 concentracin de amonaco
y factor 2 concentracin del cido; los niveles para el factor 1 vienen dados
por la disponibilidad de la materia en el mercado y son: 22% NH3 (solucin
amoniacal) y 99% NH3 (amonaco gaseoso). Para el cido fosfrico se
seleccionan 3 niveles de concentracin: cido 28% de P2O5 cuya
disponibilidad es total, ya que se elabora actualmente en la planta P2O5; cido
54% de P2O5 que es de especial inters al ser el producto que est generando
la capacidad ociosa en la planta de P2O5 y por ltimo se selecciona cido la
35% de P2O5 como nivel intermedio, con la finalidad de analizar con un mayor
nmero de datos el comportamiento de las variables respuesta.El diseo
experimental que se sigue est representado el la tabla IV.1, tanto para MAP
como DAP se emplea el mismo esquema.
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PROCEDIMIENTO DE ELABORACIN DE MAP Y DAP A PARTIR DE
CIDO FOSFRICO Y AMONACO GASEOSO
Alcance:
Este procedimiento contempla los pasos a seguir en la obtencin de MAP y
DAP, empleando el montaje experimental que se muestra en la Figura IV.1.
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Procedimiento experimental (instrucciones):
Verificar que todas las vlvulas estn cerradas.
Introducir aproximadamente 2500 gramos de cido fosfrico en el envase de
reaccin.
Abrir la vlvula V-1.
Cargar el contenedor B-2 con amonaco, mediante la apertura de la vlvula V-
2 hasta que se observe una presin aproximada de 8 psig en el indicador de
presin IP-1.
Cerrar la vlvula V-2.
Abrir lentamente la vlvula V-3, con la finalidad de introducir el amonaco en
el envase de acero inoxidable.
Tomar muestras de la lechada de reaccin cada 2 minutos, empleando pipetas
volumtricas de 25 mL, con la finalidad de determinar la relacin NH3/PO4= y
el pH de la mezcla.
Repetir los pasos 5.4 al 5.7 hasta que se alcance la relacin molar NH3/PO4=
requerida, NH3/PO4= = 1 cuando se quiere obtener MAP y NH3/PO4= = 2
cuando se quiere obtener DAP y dejar la mezcla de reaccin en agitacin
durante 45 minutos.
PD: Cuando se observe la precipitacin de slidos en la mezcla de reaccin,
tomar una muestra para determinar el pH y la relacin molar NH3/PO4=.
Una vez concluida la dosificacin de amonaco y el tiempo de agitacin
respectivo, descargar la mezcla mediante la vlvula V-4, en un beacker de 4
litros para llevar a la etapa de centrifugacin.
Poner en funcionamiento la centrfuga.
Aadir la mezcla en la centrfuga.
Una vez finalizada la centrifugacin de la mezcla, recoger el slido de las
impurezas y la solucin de fosfato de amonio.
Someter el slido a secado con aire por 2 horas aproximadamente.
Pesar el slido y tomar muestras para su posterior anlisis.
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PROCEDIMIENTO DE ELABORACIN DE MAP Y DAP A PARTIR DE
CIDO FOSFRICO Y SOLUCIN AMONIACAL AL 22% EN NH3.
Alcance:
Este procedimiento contempla los pasos a seguir en la obtencin de MAP y
DAP, empleando el montaje experimental que se muestra en la Figura IV.2.
Dosificador de hidrxido de amonio
Agitador
Beacker
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Pesar aproximadamente 700 gramos de cido fosfrico y verterlo en el beacker
de reaccin.
Determinar, mediante el empleo del ndice terico y la masa de cido, la masa
requerida de hidrxido de amonio para sintetizar MAP o DAP, segn sea el
caso.
Aadir la solucin pesada de hidrxido de amonio en el embudo de separacin.
Ajustar y colocar en funcionamiento el sistema de agitacin.
Adicionar lentamente el hidrxido de amonio, mediante la apertura de la
vlvula del embudo de separacin.
Tomar muestras de la lechada de reaccin cada 2 minutos, empleando pipetas
volumtricas de 25 mL, con la finalidad de determinar la relacin NH3/PO4= y
el pH de la mezcla.
Repetir los pasos 5.6 y 5.7 hasta que se alcance la relacin molar NH3/PO4=
requerida, NH3/PO4= = 1 cuando se quiere obtener MAP y NH3/PO4= = 2
cuando se quiere obtener DAP y dejar la mezcla de reaccin en agitacin
durante 45 minutos.
PD: cuando se observe la formacin de slidos en la lechada de reaccin debe
tomarse una muestra para determinar pH y relacin molar.
Una vez concluida la dosificacin de hidrxido de amonio y el tiempo de
agitacin respectivo, descargar la mezcla de reaccin para llevarla a la etapa
de centrifugacin.
Poner en funcionamiento la centrfuga.
Aadir la mezcla en la centrfuga.
Una vez finalizada la centrifugacin de la mezcla, recoger el slido y la
solucin de fosfato de amonio.
Someter el slido a secado con aire por 2 horas aproximadamente.
Pesar el slido y tomar muestras para su posterior anlisis.
Dejar enfriar la solucin de fosfato de amonio a temperatura ambiente; con la
finalidad de conseguir la cristalizacin de la misma, de no alcanzarse la
formacin de cristales la solucin debe someterse a un enfriamiento mayor
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Principio:
Este mtodo consiste en hacer reaccionar cido fosfrico de planta con urea en
perlas grado tcnico mediante el empleo de un envase con agitacin mecnica;
con una relacin molar de 1.
Equipos e Instrumentos:
Centrfuga.
Beacker de 2 litros (reactor).
Dosimat (dosificador).
Motor para agitacin mecnica.
Agitador recubierto con resina anticido.
Termmetro.
Material de vidrio: Beacker, varillas, pipetas, cilindros graduados, balones
aforados, etc.
Reactivos:
cido fosfrico de planta 52% y 28% en peso de P2O5.
Urea en perlas grado tcnico.
Agua destilada.
Carbn activado.
Procedimiento experimental (instrucciones):
Pesar aproximadamente 700 gramos de cido fosfrico y verter en el envase
de reaccin
Dosificar lentamente la urea en perlas, dejando disolver completamente antes
de continuar la adicin.
Una vez concluida la dosificacin de urea dejar agitar la mezcla de reaccin
por aproximadamente 1 hora.
Retirar la agitacin y dejar decantar la lechada de reaccin por 4 horas
aproximadamente.
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IV.2.1.2 Seleccin de la tecnologa adecuada para la elaboracin de
MAP, DAP y UF, en base a un estudio tcnico-econmico de las diferentes
alternativas que ofrece el mercado.
El cumplimiento de este objetivo se logra a travs de la comparacin y
evaluacin de las tecnologas disponibles en el mercado con una matriz de
decisin, donde los criterios de seleccin son la traduccin de las
necesidades de la empresa, as como tambin los porcentajes asignados a
cada uno de ellos.
Criterio necesario: los fertilizantes deben ser obtenidos a partir de cido
fosfrico de proceso hmedo y empleando un proceso que no implique la
granulacin y/o amasado del producto
Criterios deseables:
Nivel de impurezas en el producto fertilizante dentro de los estndares
internacionales (C1= 25%).
Flexibilidad para la elaboracin de otros fertilizantes bajo la misma
tecnologa (C2= 25%).
Alto rendimiento (C3=15%).
Rentabilidad del proyecto (C4=25%).
Tecnologa limpia (C5= 10%).
La importancia de cada criterio segn las necesidades de la empresa, son
la base para la ponderacin asignada a los mismos, la cual es realizada en
conjunto con la gerencia.
Para la evaluacin de los criterios establecidos es necesario: 1) realizar
sntesis de los fertilizantes a nivel de laboratorio empleando los diferentes
procesos propuestos por las tecnologas estudiadas como base para
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Realizar los diagramas de flujo del proceso que se consideren necesarios.
Calcular las especificaciones tcnicas de cada uno de los equipos empleando
las correlaciones adecuadas para cada equipo segn las normas de diseo.
IV.2.1.5 Estudio de la inversin requerida para la adquisicin de
los equipos, accesorios y materia prima; la instalacin y puesta en marcha
de la planta piloto.
En el cumplimiento de este objetivo, se recopilan los costos de adquisicin de
los equipos y sus respectivos costos de instalacin. Para tal fin, se determina,
en primer lugar, cuales de los equipos pueden ser realizados por el personal de
taller y mantenimiento de Tripoliven, C.A. y sus respectivos costos; y de
igual manera se hallan, a partir de peticin de cotizaciones a los proveedores,
los costos de adquisicin de los equipos que no pueden ser realizados por la
empresa. Por otra parte, se obtienen los costos a puerta de planta de las
materias primas e insumos para determinar los costos por batch.
Con todos estos se hace un balance general de inversin que implica la
instalacin y puesta en marcha de la planta piloto propuesta.
IV.3 EQUIPOS EMPLEADOS
En esta seccin se resea una breve descripcin de los principales equipos
empleados en el laboratorio para la sntesis y caracterizacin de los productos,
en conjunto con las materias primas y los productos obtenidos.
IV.3.1 SNTESIS DE FOSFATOS DE AMONIO CON AMONACO
GASEOSO
En la elaboracin de fosfatos de amonio, empleando amonaco gaseoso como
materia prima, se recurre a un reactor de acero inoxidable con un acople en el
lateral inferior izquierdo para alimentar el gas. ste hace uso de un anillo de
distribucin de acero inoxidable ubicado en el fondo del envase.
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IV.3.2 SNTESIS DE FOSFATOS DE
AMONIO CON SOLUCIN AMONIACAL
FIGURA IV.4. SISTEMA DE ALIMENTACIN DE AMONACO
FIGURA IV.5. SISTEMA DE AGITACIN
Para la obtencin de fosfatos
de amonio, a partir de solucin
amoniacal, se utiliza el
montaje que se muestra en la
figura IV.6, el cual consta de
un beacker de vidrio de 2L
como envase de reaccin, un
embudo de decantacin de
500mL como dosificador de
amonaco; en conjunto con el
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A la izquierda los dosificadores automticos, a la derecha equipo de absorcin
atmica
FIGURA IV.7. EQUIPOS PARA LA CARACTERIZACIN DE LOS
FERTILIZANTES
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Arriba MAP vista superior y lateral, abajo DAP vista lateral y superior.
FIGURA IV.9. CRISTALES CARACTERSTICOS DE LOS FOSFATOS DE AMONIO
OBTENIDOS EN EL LABORATORIO
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MAP, DAP y UF; es decir, cada criterio va enfocado a cubrir una o varias de
las necesidades que tiene la empresa en relacin al proyecto, tal como se
muestra a continuacin.
V.1.1 CRITERIO NECESARIO:
Los fertilizantes deben ser obtenidos a partir de cido fosfrico de proceso
hmedo y empleando un proceso que no incluya la granulacin y/o amasado
del producto.
Los estudios de mercado arrojan una demanda casi totalmente satisfecha en el
mbito nacional con los fertilizantes granulares elaborados por la compaa
del Estado, y una demanda insatisfecha de fertilizantes no granulares en
algunos pases sur americanos; con miras de cubrir esta demanda insatisfecha,
si el proyecto resulta factible, se restringe la elaboracin de los fertilizantes a
procesos no granulares. Por otra parte los fertilizantes slo pueden obtenerse a
partir de cido de proceso hmedo, pues es el producido en TPV y como se
menciona previamente el presente proyecto busca cubrir la capacidad ociosa
que actualmente existe en la planta de P2O5 de TPV.
V.1.2 CRITERIOS DESEABLES:
Como se menciona previamente el criterio necesario es totalmente restrictivo,
pues plasma la condicin mnima requerida para que la alternativa sea
evaluada o descartada, mas los criterios deseables que se muestran a
continuacin son el conjunto de todas aquellas necesidades no restrictivas o
que pueden ser manipuladas.
Nivel de impurezas en el producto fertilizante dentro de los estndares
internacionales. (C1): 25%
El cido fosfrico de proceso hmedo debido a su procedencia posee un alto
nivel de impurezas como metales, cloruros y fluoruros, en la tabla V.1 se
muestran anlisis tpicos de cido fosfrico; dichas impurezas no se desean
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impurezas mximo de 0,35. %; 2) DAP anlisis 18-46-0 y contenido mximo
de impurezas 0,20; 3) UF de anlisis 17-46-0 con un contenido mximo de
impurezas de 0,20.
Flexibilidad para la elaboracin de otros fertilizantes bajo la misma
tecnologa. (C2): 25%
Como se expresa antes, la empresa busca ampliarse horizontalmente con la
incursin en el mercado de los fertilizantes fosfatados, en el cual existe a
nivel internacional una deficiencia en MAP, DAP y UF. Con miras a cubrir
esta necesidad y con la finalidad de generar la mayor rentabilidad posible se
desea implementar un proceso que sea flexible, es decir, adaptable a la
produccin de una variedad de fertilizantes fosfatados; que para los alcances
de este proyecto slo se enfoca a la produccin de los tres fertilizantes
mencionados.
En relacin a este criterio, las tecnologas se evalan por su versatilidad en la
elaboracin de MAP, DAP y Urea fosfato obtenidos a partir de cido fosfrico
hmedo; para ello se toma en cuenta la facilidad con la cual el proceso
aportado por cada una de las tecnologas se puede adaptar, sin que sea
necesario incluir nuevos equipos, a la elaboracin de dichos fertilizantes.
Alto rendimiento. (C3): 15%
Este criterio permite evaluar, en cada uno de los procesos aportados por las
tecnologas, la cantidad de producto que se obtiene a partir de una
alimentacin fija de materias primas. Es decir, este patrn pretende identificar
aquellas tecnologas que producen los mayores beneficios econmicos para un
mismo costo fijo relacionado con la alimentacin de materia prima al proceso.
Para la evaluacin de este criterio se toman en cuenta los valores de
rendimiento terico aportados para las tecnologas propuestas y en aquellos
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costos asociados de Tripoliven, C.A., es decir se toma en consideracin que la
planta se instala en las inmediaciones de la mencionada empresa.
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