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Divisin de Ciencias Bsicas e Ingeniera
INGENIARA QUMICA
LABORATORIO DE PROCESOS Y DISEO III
REVALORACIN DE LOS SUBPRODUCTOS DE LA CAA DE AZCAR
INTEGRANTES:
Vargas Robledo Viviana
ASESORES: Dr. Sergio Revah Mossiev
M. en C. Sergio Hernndez Jimnez
Mxico DF, a 18 de abril de 2008
UUNNIIVVEERRSSIIDDAADD AAUUTTNNOOMMAA MMEETTRROOPPOOLLIITTAANNAA
UUNNIIDDAADD IIZZTTAAPPAALLAAPPAA
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2
RESUMEN
La cachaza es un residuo de la produccin azucarera que se genera
en el proceso de clarificacin del jugo de caa durante la fabricacin
de azcar cruda y contiene gran parte de materia orgnica, entre
ellas la cera de la caa. Este residuo se destina principalmente
como abono en los campos de cultivo y en algunos casos como
alimento de rumiantes.
En el presente trabajo se propone una alternativa para
revalorizar este residuo mediante la recuperacin de sus componentes
con solventes orgnicos. Especficamente, se describe un
procedimiento de la extraccin industrial de ceras provenientes de
la cachaza cuya utilizacin es muy variada. Entre ellas la obtencin
del Policosanol, producto de alto valor agregado.
El proceso de recuperacin de la cera se realiza en un sistema de
extraccin con heptano. Posteriormente se lleva a cabo la refinacin
de la misma utilizando acetona como solvente para eliminar el
aceite y la resina presentes en ella. En seguida se obtiene el
Policosanol por medio de una reaccin de saponificacin.
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3
INDICE
RESUMEN.........................................................................................................................2
INTRODUCCIN..............................................................................................................5
CAPITULO 1
.....................................................................................................................6
JUSTIFICACION DEL PROYECTO
.................................................................................6
1.1
OBJETIVOS.................................................................................................................6
Objetivo general
...............................................................................................................6
Objetivos
particulares.......................................................................................................6
1.2 GENERALIDADES
.....................................................................................................7
1.3 ESTUDIO DE MERCADO
..........................................................................................8
1.3.1 Estudio de mercado para la cera
refinada................................................................8
Demanda
..........................................................................................................................8
Oferta
...............................................................................................................................8
Competencia.....................................................................................................................8
Precios
.............................................................................................................................9
1.3.2 Estudio de mercado para el Policosanol
..................................................................9
Demanda
..........................................................................................................................9
Oferta
.............................................................................................................................10
Competencia...................................................................................................................10
Precios internacionales
..................................................................................................10
1.4 UBICACIN DE LA
PLANTA..................................................................................11
1.5 CONCLUSIONES DE ANALISIS DE MERCADO
...................................................13 CAPITULO 2
...................................................................................................................14
2.1 ANTECEDENTES BIBLIOGRAFICOS
....................................................................14
2.1.1 Extraccin y refinacin de
cera..............................................................................14
2.1.2 Refinacin de la cera
.............................................................................................14
2.1.3 Obtencin de alcoholes
..........................................................................................15
2.2 OBJETIVOS
EXPERIMENTALES............................................................................16
2. 3 MTODO EXPERIMENTAL
...................................................................................16
2.3.1 Extraccin de cera
.................................................................................................16
2.3.2 Refinacin de la cera
.............................................................................................17
2.3.3 Obtencin de alcoholes
..........................................................................................17
2.3.4Purificacin de alcoholes
alifticos.........................................................................17
2.4 RESULTADOS Y
DISCUSIN.................................................................................18
2. 5 CONCLUSIONES EXPERIMENTALES
.................................................................23
CAPITULO 3
...................................................................................................................24
3.1 DESCRIPCIN DEL PROCESO
...............................................................................24
3.1.1Extraccin de
ceras.................................................................................................24
3.1.2
Refinacin..............................................................................................................24
3.1.3 Obtencin de Policosanol
......................................................................................24
3.2 BALANCE DE MATERIA
........................................................................................27
3.3. DISEO DE LOS
EQUIPOS.....................................................................................29
3.3.1. Secado de cachaza
..................................................................................................29
3.3.1.1 Secador rotatorio
................................................................................................29
3.3.2 Obtencin de
ceras...................................................................................................31
3.3.2.1 Lixiviador de
ceras..............................................................................................31
3.3.2.2 Evaporador de Heptano
......................................................................................34
3.3.3. Refinacin de ceras
.................................................................................................36
3.3.3.1 Tanque de agitacin
............................................................................................36
3.3.3.2
Evaporadores......................................................................................................38
3.3.3.3 Decantadores
......................................................................................................40
3.3.4 Obtencin de
Policosanol.........................................................................................41
3.3.4.1 Reactor de saponificacin
...................................................................................41
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4
3.3.5
Bombas....................................................................................................................43
3.3.6 Tanques de
almacenamiento.....................................................................................44
3.3.7 Intercambiador de
calor............................................................................................45
3.3.8 Compresor
...............................................................................................................47
3.4 EVALUACIN ECONMICA DEL PROCESO
.......................................................47
3.4.1 Costo de equipo
.....................................................................................................47
3.4.2 Capital de inversin
...............................................................................................49
3.4.3 Costo de mano de
obra..........................................................................................50
3.4.4 Costos de operacin
..............................................................................................50
3.4.5
Rentabilidad..........................................................................................................51
3.5 DESCRIPCION DE LA
PLANTA..............................................................................52
3.6. ASPECTOS DE
SEGURIDAD..................................................................................54
3.6.1 MEDIDAS ECOLOGICAS
.....................................................................................54
3.6.2 MEDIDAS DE SEGURIDAD PARA TRABAJADORES
..........................................54
3.7.
CONCLUSIONES.....................................................................................................55
3.8 BIBLIOGRAFIA
........................................................................................................56
APNDICE A. CLCULOS DE BALANCE DE MATERIA
..........................................58 APNDICE B. CLCULOS DEL
DISEO DE EQUIPOS .............................................64 B.
I Secador Rotatorio
......................................................................................................64
B. II Requerimiento de energa para calentar el aire de 25 a 120
C...............................70 B .II.1 Datos para el diseo de
equipos transportadores
................................................71 B. III
Propiedades de la cachaza, aire y heptano en el
secador......................................72 B.IV. Diseo
extractor de ceras.
.....................................................................................73
B.V. Diseo del decantador
............................................................................................75
B.VI. Diseo del
evaporador...........................................................................................78
B.VII. Diseo de los tanques de mezclado y del reactor de
saponificacin ......................83 B. VIII. Intercambiadores de
calor..................................................................................86
B.IX
Compresor..............................................................................................................89
B. X Diseo de la potencia de las
bombas.......................................................................90
APENDICE C. Determinacin de la constante cintica, orden de
reaccin para la saponificacin de ceras24
..................................................................................................91
APNDICE D. DISEO DE REACTOR
........................................................................94
APNDICE E. JUSTIFICACIN DEL HEPTANO Y ACETONA
.................................95 APENDICE F. FICHAS DE SEGURIDAD
....................................................................96
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5
INTRODUCCIN
Mxico es el sptimo productor de azcar de caa a nivel mundial.
Actualmente existen 58 ingenios distribuidos en 15 Estados de la
Repblica y cuya produccin alcanza ms de 5 millones de toneladas de
azcar por ao. Veracruz es la entidad que registra la mayor
produccin, utilizando 250 mil hectreas y elabora con sus 22
ingenios 20.4 millones de toneladas de azcar al ao, generando18
millones de toneladas por ao de cachaza.
El desarrollo de la industria azucarera ha generado una gran
variedad de residuos que han sido poco explotados, como son el
bagazo, las vinazas y la cachaza. La cachaza es empleada como abono
para los campos agrcolas, aunque la mayor parte de sta es expuesta
a la intemperie provocando contaminacin. A la fecha los ingenios
azucareros no tienen inters en revalorizar estos desechos.
Adems, el azcar actualmente compite con edulcolorantes,
particularmente el jarabe de maz transgnico que produce alta
fructuosa cuyos precios son ms bajo. El jarabe ya se produce en el
pas, por lo que a mediano plazo, la industria azucarera perder el
mercado del sector de refrescos embotellados, que hoy absorbe el
30% de la produccin nacional de azcar. Ante esa desalentadora
perspectiva y la inminente quiebra de muchos ingenios el Gobierno
mexicano expropio 27 ingenios. [1]
Recientes investigaciones se han realizado en torno a los
residuos del sector azucarero, llamando la atencin principalmente
la cachaza. Se ha demostrado [3] que ha partir de sta se puede
obtener cera con las caractersticas necesarias para ser utilizada
en otras ramas de la industria como la farmacutica y cosmtica.
Los estudios que se han realizado acerca de la composicin de las
ceras de la caa, demostraron que existe un constituyente llamado
Policosanol, el cual reduce los niveles de colesterol alto y los
niveles de lipoprotenas de baja densidad (LDL), adems de que es
utilizado como ergognico y suplemento alimenticio para la
disminucin y control de peso, sin provocar efectos secundarios en
la salud.
El Policosanol esta constituido por ocho alcoholes alifticos
primarios de cadena larga, tambin llamados alcoholes grasos, dentro
de los cuales su componente ms abundante es el 1octacosanol
[CH3(CH2)26 CH2O14] seguido de 1-triacontanol y 1-hexacosanol y
otros alcoholes en menor proporcin (1-tetracosanol, 1-heptacosanol,
1-nonacosanol, 1-dotriacontanol y el 1-tetratriacontanol).[2]
Ya que Mxico es un productor de azcar y con esta actividad
genera gran cantidad de residuos en el proceso, adems de que no
existe una industria que se dedique a la extraccin de cera de la
caa, nos planteamos el objetivo de obtener ceras y Policosanol a
nivel industrial.
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6
CAPITULO 1
JUSTIFICACION DEL PROYECTO
La industria caera mexicana a lo largo de su historia ha sido
importante en el desarrollo nacional. Sin embargo, en los ltimos 50
aos se han producido grandes rezagos tecnolgicos, que tienden a
agravarse frente a la creciente competitividad internacional y
apertura de nuevos mercados. El desperdicio y la falta de
tratamiento de los residuos industriales de los ingenios, aunado al
deterioro agro-ecolgico, la erosin de suelos y la quema de
caaverales, han impactado negativamente a esta industria.
La cuestin de los residuos se ha convertido en un problema por
la creciente incapacidad para eliminarlos, es por eso que es
necesario desarrollar tecnologas que contribuyan a la recuperacin
de productos a partir de estos, considerando aspectos ambientales y
econmicos.
1.1 OBJETIVOS
Objetivo general
Disear una planta de extraccin de ceras provenientes de la
cachaza de la caa de azcar.
Objetivos particulares
Estudio de mercado.
Determinar la capacidad de la planta.
Distribucin y dimensionamiento de equipos de proceso.
Planteamiento de rentabilidad de proceso mediante un anlisis
econmico (TIR y TREMA).
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1.2 GENERALIDADES
La cachaza es un residuo obtenido en el proceso de la
clarificacin del jugo de caa de azcar; este residuo esta
constituido por cera cruda en 10-13%, un 75% de humedad, adems de
2% de bagacillo y aproximadamente 3.5% de azcares disueltos,
arcilla e impurezas orgnicas todo este porcentaje esta dado en
fraccin peso.[3]
Desde el punto de vista qumico la cera esta compuesta por
esteres y polisteres de cidos grasos, hidrocarburos y alcoholes de
alto peso molecular. Las ceras pueden estar clasificadas segn su
origen ya sea de tipo animal, vegetal y mineral.
Las ceras vegetales forman un revestimiento en las hojas, tallos
y semillas, ya que son una proteccin de la planta contra: los rayos
UV, el ataque de insectos y adems previene la evaporacin de
agua.
Los constituyentes de las ceras dependen mucho de la naturaleza
de la misma, pero en general contienen las siguientes sustancias:
35.5% de cidos grasos y 60% de materia no saponificable.
Los cidos comprenden 15% de cidos voltiles, 15% de cidos grasos
solubles en carbonato de sodio y 70% de cidos no voltiles. Estos a
su vez estn constituidos por 22% de hidroxicidos y 56% de cidos
grasos normales. Esto ltimos contienen 5.8% de acido oleico, 2% de
acido linolico, 24.5% de cidos de 14 a 24 tomos de carbono y 68.2 %
de cidos de 28 a 30 tomos de carbono.
La materia no saponificable contiene 2.7% de hidrocarburos,
72.1% de alcoholes de los cuales la mayor parte es alcohol
mirislico y 17.1% de esteroles, de los cuales se ha aislado
stigmaterol y sitosferol.[3] Algunas de las caractersticas fsicas
de la cera de caa son: [4]
Tabla 1.1 Caractersticas de la cera de caa.[4]
Propiedades Valor Punto de fusin 65-68 C
ndice de saponificacin
70-100 mg de sosa/g de cera
Densidad a 25 C 980.29 kg/m3
Viscosidad a 80 C 42 cp Capacidad calorfica
de18 a 120 C 1.3 x 104J/kg
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8
Las ceras derivadas de la caa de azcar pueden utilizarse en la
produccin industrial de papel, tinta, recubrimientos, lacas,
cosmticos y abonos. Otro uso potencial se ha encontrado en la
industria farmacutica, ya que a partir de la cera se obtiene una
mezcla de alcoholes alifticos primarios de cadena larga denominada
Policosanol, con propiedades que permiten utilizarlo como compuesto
activo en formulaciones para reducir los niveles de colesterol
[4].
1.3 ESTUDIO DE MERCADO
En el se hace el anlisis de mercado para cera y Policosanol,
consta bsicamente de la determinacin de la oferta y demanda.
1.3.1 Estudio de mercado para la cera refinada Demanda
La cera esta dirigida a empresas que producen y distribuyen cera
vegetal tanto en el mercado nacional como en el extranjero. Una de
estas empresas es Cenamex que comercializa ms de 27 toneladas
mensuales de cera de candelilla. Actualmente, esta empresa afronta
el problema de sobreexplotacin de la planta de candelilla, lo que
trae como consecuencia la falta de materia prima para la produccin
de cera.
Es por este motivo que la produccin de cera a partir de cachaza,
reemplazara la produccin de cera de candelilla, ya que se ha
comprobado que las caractersticas fisicoqumicas de estas dos ceras
son similares.[5]
Oferta
En Mxico no se extrae cera a partir de la cachaza, sin embargo
existen empresas nacionales que se dedican a la produccin ceras
vegetales. Algunas de estas empresas son Multiceras S. A de C. V y
Adiplast S. A de C. V, ambas empresas fabrican ceras vegetales para
la fabricacin de cosmticos, gomas, tintas, adhesivos,
recubrimientos, emulsiones, pulimentos, productos farmacuticos,
etc. Estas empresas buscan mejorar sus productos combinando
diferentes ceras vegetales, la caracterstica principal es el punto
de fusin. La cera de cachaza tiene un punto de fusin de 65-68 C,
siendo este un punto destacado en las ceras que ellos utilizan, por
tal motivo la cera de caa de azcar puede ser til para estos
fines.[5]
Competencia
Dado que su punto de fusin y su aspecto fsico caracterstico para
la elaboracin de productos naturales, cosmticos y medicamentos, la
cera de caa puede competir con la produccin de cera de
candelilla.
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9
Precios
Los precios de la cera de caa de azcar sern tomados de acuerdo
al precio de la cera de candelilla. En la Tabla 1.2 se muestran los
precios que se otorgan por kilogramo de cera en tres diferentes
pases, que son los compradores de la empresa Cenamex.
Tabla 1.2. Precios de cera.
Cera Precio por kg (USD)
Pas
candelilla 2.4 Mxico candelilla 3.8 Japn candelilla 5.2
Italia
1.3.2 Estudio de mercado para el Policosanol
Demanda
El Policosanol est dirigido a derechohabientes con diagnstico
previo de hipercolesterolemia que asistan a instituciones privadas
y a consultorios particulares. Segn datos reportados por la INEGI,
en Mxico existen actualmente 104 millones de habitantes, de las
cuales ENSANUT[1] reporta que de la poblacin que asiste a
consultorios particulares, el 30.8% padece hipercolesterolemia y de
la poblacin que es derechohabiente de hospitales privados, el 25.6%
tiene el mismo diagnstico.[6]
PEMEX, SEDENA,ESTATALES 11.8%
PRIVADOS Y PARTICULARES 56.4%
ISSSTE 16.3%
IMSS 15.5%
Figura 1. Distribucin de poblacin con Hipercolesterolemia que
asisten a diferentes instituciones de sector Salud.
Por lo tanto, la poblacin que tiene las posibilidades de
adquirir el producto son aproximadamente 16 millones de personas,
esto es porque en las instituciones pblicas y estatales administran
el medicamento.
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10
Oferta
Los productos existentes en el mercado ofrecen regularmente
cajas de 20 a 30 tabletas con una cantidad de 5 a 20 mg de
Policosanol (como principio activo). En el caso de obtencin de
Policosanol de cera de caa, se ofrecer un producto que compita en
precio y calidad con lo que existe en el mercado, debido a que se
elaborara con materias primas que actualmente no tienen un valor
agregado, adems de que representan un problema de contaminacin para
la industria azucarera nacional. [6]
Competencia
En Mxico no hay registro de empresas que se dediquen a la
obtencin de Policosanol, sin embargo, el producto es vendido dentro
del pas ya que es importado, por tal motivo cabe la posibilidad de
la competencia. Algunos laboratorios mexicanos como Mercol de
Laboratorios Exakta S. A de C. V y Dupla de laboratorios Grupo
Carbel S. A; se dedican a comprar el Policosanol (activo) a la
industria farmacutica cubana Laboratorios Dalmer S. A.
Precios internacionales
En el Mercado internacional, se encuentran diversos medicamentos
que contienen Policosanol, en la tabla 1 se muestran uno de los
precios y el pas de localizacin:
Tabla 1.3. Precios de Policosanol como principio activo.
Producto Precio (USD) Pas Plicosanol 1000 Cuba
Policosanol 1200 Japn
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11
1.4 UBICACIN DE LA PLANTA
Para determinar la localizacin de la planta es necesario
establecer los criterios de transporte de materia prima y de
producto terminado, los cuales representan un factor importante en
el balance econmico.
Mxico es un productor de caa de azcar con un total de 58
ingenios azucareros, por lo tanto hay una disposicin de materia
prima (cachaza). En la Tabla 1.4 se muestran los estados que
cuentan con ingenios productores de azcar, que sern los posibles
proveedores de materia prima para la produccin de Policosanol.
Tabla 1.4 Numero de ingenios caeros por estado en Mxico.
Estados productores Nmero de ingenios Veracruz 22 Jalisco 6
San Luis Potos 4 Oaxaca 4
Michoacn 3 Tabasco 3 Sinaloa 3 Chiapas 2 Nayarit 2 Puebla 2
Tamaulipas 2 Morelos 2
Quintana Roo 1 Colima 1
Campeche 1 Datos obtenidos de la Unin Nacional de Caeros,
AC.-CNPR
A partir de la tabla 1.4, se establece que en el estado de
Veracruz, Jalisco y Oaxaca, San Luis Potosi en ellos existe la
posibilidad de establecer una planta de extraccin de cera, dado que
el nmero de ingenios existentes en esos estados, podran abastecer
la materia prima necesaria para la extraccin de cera.
Para la ubicacin de la planta se hizo uso del mtodo cualitativo
denominado por puntos, este mtodo consiste en asignar a una serie
de factores que se consideran relevantes para la localizacin.[7]
Los necesidades y ponderaciones se muestran en la Tabla 1.5.
Tabla 1.5. Aspectos de la localizacin de la planta.
NECESIDADES PORCENTAJE Demanda 10 Materia prima 35 Servicios 10
Transporte 15 Normas ambientales 15 Ubicacin 15
Total 100
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12
A continuacin se presenta la tabla de ponderaciones para los
estados de Jalisco, Oaxaca, Veracruz:
Tabla 1.6. Datos de ponderacin para la ubicacin de la
planta.
Veracruz Jalisco Oaxaca Calificacin Ponderacin Calificacin
Ponderacin Calificacin Ponderacin
Demanda 3 0.1 4 0.1 3 0.1 Materia Prima
4 0.35 3 0.35 3 0.35
Servicios 4 0.1 4 0.1 4 0.1 Transporte 4 0.15 4 0.15 3 0.15
Normas ambientales
4 0.15 4 0.15 4 0.15
Clima 4 0.15 4 0.15 4 0.15 Total 3.9 3.65 3.4
NOTA: Los valores tomados para la ponderacin son: 4-MUY BIEN;
3-BIEN; 2-REGULAR; 1-MAL; 0-NULO.
Con la tabla 1.6, se elige el estado de Veracruz, ya que su
ubicacin cuenta con excelentes vas de comunicacin, materia prima,
infraestructura y servicios que ofrece.
Para localizar la ciudad en la que se ubicara la planta, se hizo
con necesidades y ponderaciones. El mapa esta dividido en tres
zonas (Centro, Sur y Norte) como se muestra en la figura 1.1
Figura 1.1. Estado de Veracruz
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13
Tabla 1.7. Ponderacin del estado de Veracruz
Zona Norte Zona Centro Zona Sur Calificacin Ponderacin
Calificacin Ponderacin Calificacin Ponderacin
Materia prima
2 0.50 4 0.50 1 0.50
Servicios 3 0.20 3 0.20 3 0.20 Normas
ambientales 4 0.20 4 0.20 4 0.20
Clima 2 0.10 4 0.10 4 0.10 Total 2.6 3.8 2.3
Por los resultados expuestos en la Tabla 1.7, se decide que la
planta estar ubicada en la zona centro del estado de Veracruz,
debido a que ah se encuentran 18 ingenios azucareros de los 22 con
los que cuenta el estado. Especficamente, se elige el municipio de
Crdoba, en donde se localiza el ingenio azucarero San Miguelito,
que produce 97453 Toneladas de cachaza anualmente, siendo este el
ingenio que proporcionar la materia prima (cachaza). Este ingenio
ser nuestro principal proveedor por dos razones principales:
pertenece al grupo SAGARPA, lo que indica que el precio de la
materia es mas barata debido a que pertenecen al Estado, y la
segunda razn es la cantidad de cachaza que produce al ao, que es la
necesaria para proveer la cantidad de materia prima necesaria para
la planta.
Crdoba es una ciudad comercial, se encuentra bien comunicada con
el Distrito Federal y el puerto de Veracruz (por sendas autopistas
y carreteras libres) que es el lugar donde se adquirirn los
solventes necesarios.
1.5 CONCLUSIONES DE ANALISIS DE MERCADO
La planta de extraccin de ceras a partir de cachaza estar
ubicada en el Estado de Veracruz por la gran cantidad de ingenios
con localizacin especifica en el Municipio de Crdoba ya que se
encuentra el ingenio de San Miguelito, que tiene una produccin de
cachaza que abastecer la necesidad de materia prima de la planta, y
que cuenta con los servicios requeridos para la instalacin de esta
industria.
Con la produccin de Policosanol se revalorizarn los residuos de
la produccin de azcar de la caa en especial la cachaza,
convirtindolo en un subproducto, y tener un beneficio econmico
dndole un valor agregado a los residuos.
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CAPITULO 2
2.1 ANTECEDENTES BIBLIOGRAFICOS
2.1.1 Extraccin y refinacin de cera
En aos anteriores se han realizado mltiples experimentos para
extraer la cera de la caa, pero ninguno estos mtodos encontr
utilizacin industrial, hasta que se adopt el mtodo de extraccin con
solventes selectivos para separar la cera contenida en la cachaza,
obtenindose as un producto constituido por 3 fracciones: cera dura,
aceite y resinas.
En 1916 la firma inglesa Rose Dows and Thomson, ofreci el
proceso de Merz, que consiste en la extraccin de la cera cruda. La
cachaza se somete a un proceso de secado para despus ser extrada
con heptano a 15 20 C, disolvindose, de esta manera, la fraccin
grasa o aceite.
Sweenson, en 1940 patent un proceso para la extraccin de la cera
cruda a partir de la cachaza utilizando heptano en una columna de
platos perforados.[2]
Orjuela en el 2006 presenta un proyecto para la extraccin de
cera a partir de la cachaza y al realizar la caracterizacin
fisicoqumica de esta cera, encuentra que su composicin qumica es
muy similar a la de la cera de candelilla.
2.1.2 Refinacin de la cera
Sweenson (1940) realiz estudios para la refinacin de cera cruda
por fraccionamiento con acetona. El mtodo empleado para la
refinacin se basa en el proceso para eliminar la parafina de los
aceites lubricantes producidos del petrleo, diferencindose del
mismo ya que en la refinacin de la cera de caa es necesario
eliminar una fraccin resinosa, adems del aceite, llevndose a cabo
en las siguientes etapas.[2]
Eliminacin de la fraccin resinosa o aceite soluble en acetona, a
25 C. Eliminacin de la fraccin resinosa insoluble en acetona, a 95
100 C.
Entre los aos 1970-1980 Cuba fue uno de los pases pioneros que
incursionaron el la extraccin de cera cruda en forma experimental,
utilizando como solvente alcohol etlico del cual se obtena cera
refinada, aceite y resina.
Daz y Fernndez en el 2000 realizaron la refinacin de cera cruda.
El proceso de separacin se hace utilizando la diferencia de
solubilidad de estas fracciones en alcohol a diferentes
temperaturas. La cera cruda fundida se mezcla con etanol fro de
alto grado alcohlico para separar el aceite, despus la cera
desengrasada se mezcla con etanol caliente, obtenindose en el
extracto la fase rica en cera y en el refinado la fraccin rica en
resina. La agitacin se mantiene en 400 rpm durante una hora.
[8]
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15
2.1.3 Obtencin de alcoholes
El inters por obtener los alcoholes alifticos provenientes de la
cera de caa comenz aproximadamente hace diez aos. El medio para
obtener estos compuestos es casi siempre por va de
saponificacin.
Horn y Martic (1957) proponen un mtodo para la obtencin de
alcoholes grasos a partir de la cera cuticular de la caa de azcar,
que se basa en la saponificacin homognea con hidrxido de potasio
alcohlico, seguido de una esterificacin del material
insaponificable y posteriormente una destilacin molecular. Otra
forma de separacin de la mezcla de alcoholes es a travs de una
columna de alta eficiencia y alto vaco. Finalmente, dichos autores
regeneran los alcoholes empleando hidrxido de potasio.
En otro trabajo, Lamberton[9] (1965) propone un proceso de
saponificacin similar al anterior para la separacin de alcoholes a
partir de cera cuticular de caa de azcar, en el cual se desarrollo
una separacin de la parte insaponificable, por cromatografa de
columna sobre almina. Obtuvieron as 3 fracciones: una minoritaria
de hidrocarburos, otra de compuestos carboxlicos y carbonlicos
conjugados, ambas diluidas con una mezcla de n- hexano/tolueno y
una tercera fraccin con los alcoholes (la cual representa el 40 %)
diluida con cloroformo.
Martnez y Castro (2002), realizaron una caracterizacin de los
compuestos que se encuentran en la cera obtenida a partir de la
cachaza de caa de azcar. Esto se realiz siguiendo una metodologa
para la extraccin y purificacin. Los alcoholes alifticos de cadena
larga y los cidos grasos se obtuvieron por saponificacin de la cera
cruda utilizando NaOH en 25% de exceso y etanol al 95%. La cantidad
de NaOH se calcul con respecto al ndice de saponificacin. Seguida
de una purificacin de la mezcla saponificada por filtraciones a
presin reducida y secado a 50 C. Teniendo como resultado un til
procedimiento para aprovechar la cachaza como fuente alcoholes de
alto peso molecular, cidos grasos y fitoesteroles.[10]
Conclusiones
Para la extraccin de ceras se recomienda el uso de solventes
orgnicos no polares y mezclas de ellos, tales como hexano y heptano
ya que se ha demostrado una adecuada eficiencia de extraccin.
Del anlisis bibliogrfico para refinar la cera cruda se puede
concluir el uso de diferentes solventes orgnicos principalmente la
acetona y el isopropanol debido a que son los que han presentado
mejores resultados en la separacin de los componentes de la cera
cruda.
Por ltimo, en la obtencin de alcoholes alifticos se concluye que
es necesaria una reaccin de saponificacin con un hidrxido alcalino
para la formacin de los alcoholes.
-
16
2.2 OBJETIVOS EXPERIMENTALES
Evaluacin a nivel experimental de dos sistemas de extraccin para
la obtencin de cera.
Evaluacin de parmetros de extraccin (relacin solvente/
cachaza).
Refinacin de cera para obtener un producto que puede ser usado
en la industria farmacutica y cosmtica.
Obtencin de Alcoholes Alifticos primarios (POLICOSANOL) a partir
de la cera proveniente de la cachaza de la caa de azcar.
2. 3 MTODO EXPERIMENTAL
La etapa experimental se dividi en dos secciones. La primera se
refriere a la extraccin de cera de la cachaza con la finalidad de
determinar el equipo de extraccin y los parmetros de dicho sistema,
subdividindose en la refinacin de la cera obtenida. La segunda
parte, tuvo como objetivo extraer y purificar la mezcla de
alcoholes alifticos.
2.3.1 Extraccin de cera
Eleccin del equipo Para obtener cera de la cachaza se evaluaron
dos sistemas, una configuracin de
tanque agitado de vidrio tipo batch y un aparato tipo Soxhlet.
En ambos equipos se utiliz una relacin en peso de 1:5
cachaza-solvente para determinar la cantidad de cera extrada.
Seleccin del solvente de extraccin Se analizaron 3 solventes
orgnicos no polares: Heptano (OmniSolv, 99.97%), Hexano
(J.T.Baker, 100%) y una mezcla Heprano-Tolueno (50% en peso)
(J.T. Baker, 99.9%). Cada uno se evalu con los sistemas mencionados
anteriormente.
Relacin cachaza: solvente La determinacin de la relacin cachaza:
solvente se realiz con el fin de obtener el
mximo rendimiento de extraccin (g de cera/g de cachaza seca).
Esto se logr manteniendo fijo el volumen del solvente y a su vez
variando la cantidad de cachaza colocada en el equipo. Se propuso
este orden debido a limitantes de operacin del equipo soxhlet, ya
que es necesario un volumen de 235 mL para comenzar los ciclos. Las
relaciones de cachaza: solvente en trminos msicos fueron 1:4, 1:5,
1:6,1:7 y 1: 8.
Ciclos (Recirculaciones) Se determin el nmero de ciclos del
solvente sobre la cachaza para obtener el grado
de extraccin que tiene cada recirculacin. La temperatura del
solvente se encuentra entre 90 y 95 C. El nmero de recirculaciones
realizadas fueron: 4, 5, 6, 7, y 8.
-
17
2.3.2 Refinacin de la cera
Para refinar la cera se emplearon 3 solventes diferentes:
Acetona (J.T. Baker, 99.5%), alcohol etlico anhidro (J.T Baker,
99.9%) e Isopropanol (J.T. Baker, 99%). La cera cruda se puede
separar en tres fracciones. La cera se mezcl con el solvente en una
relacin msica de 1:5 con agitacin constante durante 1.5 hr, al
trmino de este tiempo se filtr con papel filtro N 42 bajo presin
reducida. Los aceites se encuentran en la parte acuosa. El slido
recuperado se someti a calentamiento a una temperatura de 90 C y
agitacin vigorosa con el mismo solvente durante 1.5 horas para
separar la fraccin resinosa. Posteriormente se filtr en caliente.
El slido recuperado es cera refinada.
2.3.3 Obtencin de alcoholes
Una muestra de 10g de cera se disuelve en 100 mL de una mezcla
etanol-agua al 50% (v/v). El ndice de saponificacin reportado tiene
un valor de 73 es decir, 73 mg de base/g de cera cruda. El medio
bsico para esta reaccin se prepar con NaOH (98.9%) en un 25% en
exceso (en peso). La reaccin se efecta a una temperatura no mayor a
los 70 C, con agitacin constante durante 1.5 horas. Transcurrido el
tiempo de reaccin, la solucin se filtr sin dejar enfriar bajo
presin reducida y el filtrado fue lavado con 50mL de etanol a su
temperatura de ebullicin. Cuando el filtrado alcanz la temperatura
ambiente se precipit un slido que se separ nuevamente bajo presin
reducida.
2.3.4Purificacin de alcoholes alifticos
La partculas slidas recolectadas en el papel filtro contienen
los alcoholes alifticos al igual que sales de cidos grasos y
fitoesteroles, por lo que es necesario la purificacin del material
slido obtenido, esto se realiza utilizando acetona (pureza) como
solvente (100mL) en un reflujo por 5 minutos. La solucin resultante
se filtr en caliente. Cuando se alcanzo la temperatura ambiente, se
filtr nuevamente bajo presin reducida y se purific lavando con
etanol al 95%. El producto es secado en un horno a 50 C.
-
18
2.4 RESULTADOS Y DISCUSIN
En el sistema de tanque agitado la recuperacin de solvente fue
menor que en el otro sistema, esto se atribuye a que el sistema no
es hermtico y la temperatura de operacin era muy cercana a la
temperatura de ebullicin de los solventes, por tal motivo se
tuvieron perdidas importantes de solvente; de igual manera la
cantidad de cera obtenida es menor en comparacin con la que se
obtiene en el aparato tipo soxhlet. Para cada experimento se
realizaron 3 extracciones con cada uno de los distintos solventes
propuestos. En la Tabla 2.1 se resume los resultados para la
seleccin de equipo y solvente. Un parmetro relevante para esta
eleccin es el rendimiento el cual se define de la siguiente
manera.
cachaza de g cera de g
oRendimient % = (2.1)
Tabla 2.1 Eleccin de equipo y solvente
Solvente Equipo Punto de ebullicin de solvente (C)
% rendimiento
de cera
%Recuperacin de solvente.
Heptano Tanque agitado
98 10.2 81.29
Heptano+Tolueno Tanque agitado
Tolueno 110.8
Heptano 98
11.2 72.52
Hexano Tanque agitado
69 0 0
Heptano Soxhlet 98 15.0 83.33 Heptano+Tolueno Soxhlet
Tolueno
110.8 Heptano
98 13.1 76.90
Hexano Soxhlet 69 4.6 70.41
A partir del anlisis de los datos obtenidos en la Tabla 2.4.1 se
elige el equipo soxhlet por que present mayor eficiencia en la
obtencin de resultados, ya que se obtuvo el 15% de cera comparado
con el 10.2% obtenido en el tanque agitado, si bien la diferencia
de porcentaje de cera obtenida es del 4.8 % es importante mencionar
que el solvente utilizado tambin contribuye a esta decisin. Para
identificar al mejor solvente es necesario saber que la similitud
qumica entre el solvente y la cera est principalmente determinada
por la existencia de fuerzas de atraccin. Las molculas de cera
estarn dispuestas a separarse si es que el solvente les ofrece la
posibilidad de interactuar con ellas con el mismo tipo de fuerzas
de atraccin que las mantena unidas, entonces se puede esperar que
se produzca una disolucin.
Ahora bien, la identificacin y cuantificacin de este tipo de
fuerzas de atraccin del solvente son posibles gracias a la
determinacin de sus parmetros de solubilidad. En la figura E.1
(Apndice E) se puede apreciar cules familias de solventes se ubican
dentro del rea de solubilidad de las ceras. Por lo tanto, se elige
al n-Heptano como solvente. Para aspectos de seguridad y efectos
ambientales ver Pg. 51.
-
19
Determinacin de la relacin cachaza: solvente y nmero de
recirculaciones para la extraccin de ceras
El anlisis de resultados demuestra que la relacin cachaza:
solvente que satisface los objetivos planteados es la relacin 1:5,
como se puede observar en el Grfico 2.4.1. La cantidad de cera
obtenida en esta relacin es menor en comparacin a la de 1:6, a
pesar de este resultado se elige dicha relacin debido a que,
conforme se aumenta la cantidad de cachaza la diferencia de cera
obtenida es mnima (0.05g); esto corresponde a que la cachaza y el
solvente alcanzan un equilibrio termodinmico y ya no es posible
seguir extrayendo mas cera.
0.1050
0.1488 0.15070.1559 0.1606
0.0000
0.0200
0.0400
0.0600
0.0800
0.1000
0.1200
0.1400
0.1600
1:4 1:5 1:6 1:7 1:8
g cera / g cachaza
alimentada
0.0009
0.0007 0.0006 0.0004 0.0006
Grfico 2.1. Determinacin de la relacin de cachaza-solvente en un
sistema tipo soxhlet con heptano a una temperatura de operacin de
95C.
Para definir el nmero de ciclos en el equipo se cuantific la
cantidad de cera extrada con diferentes nmeros de recirculaciones,
en el Grfico 2.4.2 se observa cmo a partir de 6 recirculaciones la
cantidad de cera obtenida es similar, es por esto que un mayor
numero de reflujos ya no son de inters para la extraccin, adems de
un gasto excesivo de energa.
0.54000.5644
0.5976 0.6130 0.6207
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
4 5 6 7 8Recirculaciones
Cera
(g
)
con incertidumbre de 0.0001
Grfico 2.2. Determinacin de numero de recirculaciones con un
relacin de 1:5 en un sistema tipo soxhlet, con una temperatura de
operacin de 95 C.
-
20
Caracterizacin de la cera
Para reconocer la calidad o el tipo de cera que se obtuvo, es
necesario caracterizar el productoA continuacin se muestran las
pruebas realizadas a la cera cruda.
Tabla 2.2 caracterizacin de cera cruda
Los datos de la tabla muestran que el producto obtenido es cera
de cachaza de caa de azcar, siendo que las caractersticas se
encuentran dentro del rango reportado en la literatura.
Refinacin de la cera
La relacin cera: solvente es de 1:5. Los resultados se muestran
en la Tabla 2.3; la acetona es el solvente con el se obtiene mayor
rendimiento comparndolo con los otros dos solventes; con la
definicin de rendimiento ya antes dada.
Tabla 2.3. Refinacin de cera.
Se puede notar que los tres solventes utilizados funcionaron
para la refinacin de cera, puesto que con todos se obtuvo un
rendimiento de cera. El punto de fusin se determina para rectificar
que lo obtenido es cera refinada; el rango reportado en la
literatura es de 77-79 C, mientras que la obtenida
experimentalmente es de 77-78 C por lo que podemos decir que lo
obtenido es cera refinada.
Espectrometra de cera cruda y refinada
Se realizo una espectrometra para la cera de cruda, refinada y
candelilla; la cual fungir como patrn ya que se encuentra reportado
(Orjuela 2006) que poseen estructuras qumicas muy similares.
En el Grfico 2.3 se muestra que ambas ceras son similares en su
estructura funcional, como ya se haba mencionado anteriormente lo
cual concuerda con lo reportado por Orjuela.
Caractersticas Experimental Literatura cp 42.2 42
Punto de fusin C 68 68-65 espectrometra 1300-1400 1100-1400
Solvente Cera cruda (g)
Tebullicin de solvente (C)
% rendimiento de cera
Punto de fusin de cera refinada (C)
Acetona 1.3365 56 48.19 78 Etanol 1.9350 79 42.56 77 Isopropanol
0.6134 83 20.44 78
-
21
35
45
55
65
75
85
95
105
400 900 1400 1900 2400 2900 3400 3900cm -1
CERA CRUDACERA REFINADA
C-H
OH
C-O
C=O
C-H
% Tr
an
sm
itan
cia
Grafico 2.3. Comparacin entre cera de caa cruda, refinada y cera
de candelilla.
Del grfico anterior se puede localizar algunos de los grupos
funcionales ms importantes que caracterizan a las ceras, los
compuestos aromticos se localizan en el rango de 675 870 cm-1,
entre 2850-2690 cm-1 esta la presencia de enlaces carbono-hidrgeno
(hidrocarburos), de 1690 -1760 cm-1 se encuentran las bandas de
compuestos carboxlicos, los alcoholes estan ubicados en el rango de
3200-3600 cm-1 y finalmente los esteres se localizan de
1200-1400cm-1, los alcoholes alifticos estn contenidos dentro de
estas molculas.
Obtencin de Policosanol
La extraccin de alcoholes alifticos de la cera saponificada se
realiz mediante una reaccin de saponificacin. La reaccin se efecto
a una temperatura de 70 C, manteniendo a agitacin.
El tiempo requerido para la reaccin se determin monitoreando la
desaparicin de las bandas de steres (2700-3000cm-1) y la aparicin
de las bandas del grupo OH (3300 cm-1). En los grficos subsecuentes
se observa el transcurso de la reaccin. Las muestras se tomaron
cada 20 minutos.
-
22
40
50
60
70
80
90
100
110
400 780 1160 1540 1920 2300 2680 3060 3440 3820
cm-1
%T
12
Grafico 2.4. Muestra 1 y 2.
En esta primera grfica se observan las muestras obtenidas al
minuto 20 y 40 respectivamente. En la muestra 2 se logra observar
la aparicin de los grupos OH.
40
60
80
100
400 800 1200 1600 2000 2400 2800 3200 3600 4000cm-1
T%
34
5
Grafico 2.5. Muestra 3, 4 y 5.
En este grafico observamos que en la muestra 5 se presenta una
mayor desaparicin de los esteres en comparacin con todas las
muestras anteriores y el crecimiento evidente de la banda de los
alcoholes. El tiempo de reaccin necesario es de 1.5 horas.
El siguiente paso despus de la reaccin fue el de purificar el
producto. Al finalizar el proceso de purificacin y secado del slido
obtenido se detect la presencia de algunos cristales cuyas
caractersticas fsicas son las de un slido blanco amorfo y de
acuerdo a lo reportado en la literatura el Policosanol tiene este
aspecto, sin embargo, debido a las limitaciones que se tuvieron con
la materia prima no se puede afirmar con certeza que el producto
resultante es un alcohol aliftico de alto peso molecular.
-
23
2. 5 CONCLUSIONES EXPERIMENTALES
Los resultados obtenidos permiten formular las siguientes
conclusiones:
Se logr una extraccin de cera a partir de la cachaza con un
rendimiento del 15%.
Del anlisis de los sistemas de extraccin se eligi el equipo
soxhlet ya que tiene mejores condiciones de operacin para la
obtencin de cera.
Con respecto a los parmetros de extraccin, se concluye el
heptano como solvente, una relacin cachaza: solvente 1:5 y 4 ciclos
en el equipo.
El solvente con mejores resultados para la refinacin de cera es
la acetona, ya que se obtiene mayor cantidad de cera refinada.
Se logr determinar los parmetros de reaccin, sin embargo, la
purificacin del Policosanol requiere de una tcnica ms
especializada.
-
24
CAPITULO 3
3.1 DESCRIPCIN DEL PROCESO
El proceso esta dividido en 3 secciones: extraccin de cera de la
cachaza, refinacin de la cera y obtencin de Policosanol. La cachaza
deber entrar libre de humedad al inicio del proceso por lo que
deber ser secada antes. Todo el proceso es por lotes debido a los
tiempos que se requieren en cada operacin.
3.1.1Extraccin de ceras
La cachaza hmeda es introducida a un secador rotatorio en donde
se le disminuye el exceso de humedad para despus enviarla al
sistema de extraccin (L1-L3). Este sistema consta de tres
extractores que funcionan alternadamente en donde se introduce el
solvente a una temperatura de 96 C con un tiempo de extraccin de 30
minutos. La cachaza es transportada por canjilones. Al trmino de la
extraccin, la solucin de solvente-cera se bombea a un evaporador en
el que se separa el heptano (E1, E2). Debido a que un evaporador no
es suficiente para separar el solvente permitido en la cera, se
enva a otro evaporador (E3) para eliminar el solvente sobrante. La
cera cruda que sale de este evaporador es la materia prima para el
siguiente proceso, la refinacin.
3.1.2 Refinacin
La cera cruda es mezclada durante 1.5 hr en un tanque (M1) con 5
Kg de acetona por cada Kg de cera, mantenindola a 25 C, esta
operacin es para eliminar la fraccin aceitosa de la cera.
Posteriormente, la suspensin formada es separada con un filtro (F1)
en que se retiene la cera slida, los aceites mezclados en la
acetona se separan nuevamente con un evaporador (E4).
La cera slida libre de aceites es llevada a un segundo tanque de
mezclado (M2) que opera a 90C y 3 atm de presin, durante 1.5 hr, en
esta etapa las ceras son solubles en la acetona a esta temperatura.
La mezcla es separada en un decantador (D1), en donde la resina se
deposita en el fondo y la cera queda en solucin. Esta solucin se
bombea a un evaporador (E5) para retirar la acetona que contiene.
Los productos finales de este proceso son: los aceites, las resinas
y la cera refinada.
3.1.3 Obtencin de Policosanol
Una vez obtenida la cera refinada, una parte es destinada como
producto final, es decir, esta lista para su venta al mercado; la
otra cantidad se utiliza para obtener Policosanol. La mezcla de
alcoholes alifticos se obtiene con una reaccin de saponificacin que
se lleva a cabo en un reactor batch (R1). El tiempo de reaccin es
de 1.5hrs y la temperatura es de 70 C. Al final de la reaccin la
mezcla es filtrada (F2). La reaccin tendr dos productos
principales, en la que nos interesa la parte insaponificable en
donde estn disueltos los alcoholes de alto peso molecular. La
materia saponificada slida se utiliza como materia prima para
productos de limpieza.
-
25
Los alcoholes sern aislados en un laboratorio de alta tecnologa
ubicado en la planta.
Tabla 3.1 Descripcin utilizada en el esquema de proceso
EQUIPO NOMENCLATURA BOMBAS B1-B5 CONDENSADORES K1-K3 DECANTADOR
D-1 EVAPORADORES E1-E5 EXTRACTORES L1-L3 FILTROS F1,F2 MEZCLADORES
M1,M2 REACTOR R-1 TANQUES DE ALMACENAMIENTO
T1,T2
VLVULAS V1-V4 INTERCAMBIADORES I1, I2, I3
-
Figura 3.3 Esquema de proceso.
-
27
3.2 BALANCE DE MATERIA
A continuacin se presentan las cantidades de materia (en Kg) que
entran y salen de cada unidad de proceso, este balance se realiz
por un lote de produccin, al da se procesan 48 lotes. El balance de
materia se ha agrupado en las siguientes tablas, divididas en las 3
secciones en las que se divide en proceso. Los clculos se
encuentran en el Apndice A. Esta primera tabla corresponde a la
extraccin de cera cruda de la cachaza y la recuperacin del solvente
empleado en esta etapa.
Tabla 3.2 Balance de materia para la obtencin de cera cruda
Sustancia C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 C9 Cachaza 431.70 431.70
Cera cruda
47.93 47.93 47.45 0.55
47.45 0.48 46.97
Heptano 2396.00 2156.40 239.60 21.56 2134.84 21.56 21.35
0.21
Despus de la extraccin, la cera cruda se refina con acetona. Los
datos del balance de materia se muestran en la siguiente tabla.
Tabla 3.3 Balance de materia para el proceso de refinacin de
cera
Sustancia C10 C11 C12 C13 C14 C15 C16 C17 Cera
refinada 19.97 22.11
Cera con resinas
1.42 1.40 0.02 26.85
Resina 8.30 4.73 Aceites 18.70 17.75 0.15 17.60 0.95 Acetona
234.81 234.81 223.06 220.83 2.23 11.75 127.25 139
Sustancia C18 C19 C20 C21 Cera refinada
21.66 0.45 21.44 0.22
Cera con resinas
Resina 0.1 4.63 4.46 0.05 Aceites Acetona 136.22 2.78 2.37
133.85
-
28
La tercera parte del proceso es la correspondiente a la reaccin
de saponificacin de la cera refinada, los alcoholes de alto peso
molecular se encuentran disueltos en la parte insaponificable de la
reaccin. El balance de materia en esta unidad est expresado en
trminos de moles; posteriormente, para corroborar el resultado se
hace un anlisis en unidades de masa.
Reaccin NA0 NA NB Nc 1 0.0031 0.00127 0.00191 0.0019 2 0.00023
9.4E-05 0.00014 0.00014 3 0.00064 0.000256 0.00038 0.00038
Moles totales 0.00406 0.00162 0.00244 0.00244
Tabla 3.4 Balance de materia para la obtencin de
Policosanol.
Sustancia C22 C24 C25
Cera refinada 12.05 10.53
Hidrxido de sodio 0.879 0.716
Policosanol (Octacosanol, heptacosano, hexacosanol)
0.988*
Materia saponificada 0.678
*Nota: el Policosanol no esta aislado.
El balance de materia se puede comprobar de manera
siguiente:
12.05+0.879=10.53+0.716+0.988+0.678
-
29
3.3. DISEO DE LOS EQUIPOS
En las pginas posteriores se muestran las caractersticas de los
equipos, los cuales estn ordenados segn la seccin correspondiente
dentro del proceso. Es importante mencionar que slo se describen
aquellos que estn relacionados con las operaciones unitarias ms
importantes y determinantes, tales como secado, evaporacin,
mezclado, entre otras.
Se anexan tablas a cada figura donde se ponen datos del tamao,
condiciones y tipo de material de construccin. Para conocer a fondo
el clculo del diseo y otros criterios tomados en cuenta consltese
el apndice A.
3.3.1. Secado de cachaza
3.3.1.1 Secador rotatorio
Antes de que la cachaza sea alimentada al proceso de extraccin,
es necesario eliminar la humedad contenida en ella, de no ser as,
el agua estara en contacto con el n-Heptano teniendo de esta manera
una etapa ms de separacin para el n-Heptano y el agua.
Para la eleccin del equipo de secado se tomaron caractersticas
fsicas de la cachaza como son: El contenido de bagazo 30%,
contenido de humedad 75%, Capacidad calorfica, cantidad de sacarosa
(azcar) 3.5% en base hmeda, el contenido de cera 10%, adems de que
tiene el comportamiento esponjoso, es decir, que absorbe
humedad.
El equipo propuesto para el secado de la cachaza es un secador
rotatorio de transferencia de calor por conveccin, que cuenta con
aspas que permiten la homogeneidad dentro del equipo, adems de que
se encuentra en constante movimiento como el que se muestra en la
figura 3.4. El material de construccin propuesto es acero al carbn,
debido a que es un material econmico.
Figura 3.4 Secador rotatorio
-
30
Tabla 3.5 Caractersticas de construccin del secador de
cachaza
Caracterstica Valor Longitud (m) 18.50 Dimetro (m) 3.50 Aspas
por circulo (--) 11 Numero de crculos (--) 30 Espacio entre aspas
(m) 0.60 Espesor (m) 0.0003 Material de construccin Acero al carbn
Temperatura del gas (C) 120
El secado se realiza con un flujo de aire caliente. Los datos
del flujo del aire para el secado se muestran en la tabla
posterior.
Tabla 3.6 Requerimiento de energa para calentar el aire de 25 a
120 C Caracterstica Valor
Q KW 5304.66 F vapor (Kg/min) 0.43
HA (J/Kg) 0.50 Gs (Ton/min) 7.90
-
31
3.3.2 Obtencin de ceras
3.3.2.1 Lixiviador de ceras
El proceso de extraccin de ceras se lleva a cabo en un sistema
semicontinuo, que consiste en torres de lixiviacin donde un lote de
slido se pone en contacto por un determinado tiempo con solvente,
que es administrado continuamente.
El tiempo de contacto requerido para llevar a cabo la separacin
de cera se estableci de acuerdo a los resultados de la
experimentacin (ver captulo 2), donde se encontr que el ptimo es de
30 minutos.
De acuerdo al volumen requerido para el procesamiento de cachaza
por da, que es de 13m3 aproximadamente, se proponen 3 separadores
con un volumen de 4.3m3 cada uno; aumentando un 25% se obtiene una
capacidad de 5.7m3 por extractor de ceras. .
Tabla 3.7 Caractersticas de los separadores de cera de
cachaza
Caracterstica Valor Nmero de extractores 3 Volumen de cada
extractor (m3)
5.7
Dimetro (m) 1.5 Altura (m) 3. Separacin entre las torres (m) 1.5
Tiempo de contacto (min) 30
Se sugiere que el material de construccin sea acero vidriado con
el fin de evitar la corrosin.
-
32
Figura 3.5. Diagrama del sistema de extraccin de ceras
-
33
Balance de energa para el extractor
El balance de energa en el extractor est dado por la siguiente
ecuacin:
QH = (3.1)
Puesto que no hay contribuciones de energa cintica, potencial,
ni trabajo realizado en la extraccin, el balance de energa se
reduce a la ecuacin anterior.
El calor Q necesario para llevar a cabo la operacin es
suministrado por el intercambiador de calor; dado que el extractor
se encuentra aislado, es decir, no permite transferencia de calor
con los alrededores, entonces el sistema opera adiabticamente, por
lo tanto:
0== QH (3.2)
-
34
3.3.2.2 Evaporador de Heptano
Se disean 3 evaporadores de efecto simple para separar la mezcla
de cera-heptano proveniente del proceso de extraccin, mediante
vapor de agua a 120C; el diseo de los equipos se realiza conforme
al modelo de evaporadores de pelcula descendente de tubos
verticales y coraza, con un sobrediseo del 25% en el volumen.
Figura 3.6 Evaporador de pelcula descendente de tubos largos
verticales.
Evaporador 1 y 2
stos operan alternadamente donde la mezcla de alimentacin entra
con un peso de 2204.320 kg, una temperatura inicial de 90C y una
concentracin de 2.17 % de cera cruda; las condiciones de trabajo
son 110C de temperatura y una presin de 1.39 atm; la corriente de
salida contiene 69.004 kg con un 68% de cera y se eliminan 47.27 kg
de vapor de agua. La presin es de 1.92 atm.
Despus de que la mezcla haya sido concentrada en el primer
evaporador, es dirigida hacia un intercambiador de calor con el
propsito de aumentar la temperatura a 110 C, que es la temperatura
ptima del producto en el evaporador 3; al realizarse lo anterior se
ahorra energa en el calentamiento inicial del prximo proceso.
-
35
En la tabla 3.8 se muestran las dimensiones para los
evaporadores que se utilizan despus del sistema de extraccin:
.
Tabla 3.8. Caractersticas y dimensiones del evaporador 1 y 2
Caracterstica Smbolo Magnitud Unidades
Volumen V 79.78 m3
rea de transferencia tA
36.37 m2
Calor q 400041.03 J/s Nmero de tubos tN
23 - - - Dimetro de los tubos do
0.10 m
Dimetro del evaporador
D 3.44 m
Longitud del evaporador
L 6.88 m
Dimetro de la coraza Dc 2.02 m
Longitud de la coraza Lc 5 m
Nmero de evaporadores
-- 2 ---
Evaporador 3
La mezcla concentrada a la salida de los anteriores evaporadores
contiene 31.25% de heptano, por tal motivo, la mezcla nuevamente
pasa por otro evaporador para eliminar la mayor cantidad posible de
solvente. La alimentacin entra a 110C y a una presin de 1.39atm. El
equipo opera a 115C y 1.59atm. Las dimensiones para este sistema se
especifican en la tabla 3.9:
-
36
Tabla 3.9. Caractersticas y dimensiones del evaporador 3
Caracterstica Smbolo Magnitud Unidades
Volumen V 2.05 m3
rea de transferencia tA
2.60 m2
Calor q 5203.92 J/s Nmero de tubos tN
13 - - - Dimetro de los
tubos do
0.051 m
Dimetro del evaporador
D 1.01 m
Longitud del evaporador
L 2.03 m
Dimetro de la coraza
Dc 0.59 m
Longitud de la coraza
Lc 1.2 m
Nmero de evaporadores
-- 1 ---
3.3.3. Refinacin de ceras
3.3.3.1 Tanque de agitacin
En el proceso de refinacin de cera cruda se utilizan 2 tanques
de mezclado, en el primero es separada la fraccin aceitosa de la
cera utilizando acetona a 25 C, caracterstica que permite la
solubilidad de los aceites en ella. El segundo tanque opera a una
temperatura de 90 C y a una presin de 3 atm, presin suficiente para
mantener la acetona en estado lquido, es en esta etapa donde las
resinas son insolubles en acetona caliente por lo que la cera
permanece en solucin con dicho solvente. El tiempo de operacin en
ambos mezclados es de 1.5 hr. .
Tabla3.10 Propiedades fsicas de los componentes en la
refinacin
T (25C) T( 90C) (Kg/m3) (cP) (kg/m3) (cP) Acetona 784.584 0.313
277 0.165 Cera 993.145 80 864.997 42.200
-
37
Los factores para calcular las dimensiones del tanque se
describen a continuacin:
1=TD
H ;
4.0=TD
Da ;
1=DaE
; 51
=
DaW
; 41
=
DaL
Donde:
Da = Dimetro del impulsor DT = Dimetro del tanque H = Altura del
lquido E = Altura del impulsor W = Anchura de las propelas L =
Longitud del impulsor
Figura 3.7 Tanque agitado.
Dado que los tanques son cilndricos, el volumen total se define
como:
4
2hDV Tpi= (3.3)
En un tanque cilndrico vertical la altura deber ser 2 veces
mayor que el dimetro (h=2d). De la ecuacin 3.2 se calcula el
dimetro del tanque:
32pi
VDT = (3.4)
-
38
Con estos datos se determinan las dimensiones y la potencia de
la turbina dentro del tanque:
Tabla 3.11 Dimensiones del impulsor en el tanque agitado.
Mezclador1 Mezclador 2 E (m) 0.273 0.301 W (m) 0.055 0.060 Dt
(m) 0.683 0.753 Da (m) 0.273 0.301 H (m) 0.683 0.753 N (rpm) 84.386
113.20 P (KW) 3.856 7.979
3.3.3.2 Evaporadores
Evaporador 4
En la primera etapa del proceso de refinacin, la cera es
separada del aceite por medio de acetona a temperatura ambiente,
esta mezcla es conducida a un filtro para posteriormente llevarse a
un evaporador. La alimentacin es de 222.42 kg con una temperatura
de 25C y concentracin de 7.33% en peso de aceite. El evaporador
trabaja a 70C bajo una presin de 1.6atm. La corriente de salida
contiene 21.189 kg de alimentacin concentrada. En la tabla 3.12 se
muestran las dimensiones del evaporador:
Tabla 3.12. Caractersticas y dimensiones del evaporador
Caracterstica Smbolo Magnitud Unidades
Volumen V 0.93 m3 rea de transferencia tA
1.43 m2
Calor q 78677.46 J/s Nmero de tubos tN
10 - - - Dimetro de los
tubos do
0.05 m
Dimetro del evaporador
D 0.78 m
Longitud del evaporador
L 1.56 m
Dimetro de la coraza
Dc 0.45 m
Longitud de la coraza
Lc 0.85 m
Nmero de evaporadores
-- 1 ---
-
39
Evaporador 5
En la segunda parte de la refinacin, la cera proveniente del
filtro es llevada a un tanque agitador para mezclarse con acetona
caliente, la solucin se transporta a un decantador donde se separa
la resina que contiene la cera. Posteriormente la mezcla restante
de cera refinada con acetona se introduce a un evaporador para
finalizar la separacin. La alimentacin es de 153.31 kg a 90C y
presion de 2.79atm.
En la tabla 3.13 se muestran las dimensiones del evaporador para
esta parte del proceso:
Tabla 3.13 Caractersticas y dimensiones del evaporador 5
Caracterstica Smbolo Magnitud Unidades
Volumen V 0.72 m3
rea de transferencia tA
1.24 m2
Calor q 40818.11 J/s Nmero de tubos tN
9 - - - Dimetro de los
tubos do
0.05 m
Dimetro del evaporador
D 0.72 m
Longitud del evaporador
L 1.43 m
Dimetro de la coraza
Dc 0.41 m
Longitud de la coraza
Lc 0.80 m
Nmero de evaporadores
-- 1 ---
-
40
3.3.3.3 Decantadores
Dentro de la etapa de refinacin de ceras, especficamente en el
retiro de las resinas, se utiliza un decantador para separar las
mismas de la cera refinada. Debido a su densidad mayor, las resinas
descienden al fondo del recipiente y de esta manera son eliminadas,
el tiempo necesario para lograr la operacin es de 10 minutos, el
cual ha sido calculado con la ecuacin de velocidad de
sedimentacin.
Tabla 3.14 Datos del decantador
Caracterstica Valor VT(m3) 0.664 Vc (m3) 0.626 Vi (m3) 0.038 Lc
(m) 1.215 Zc (m) 0.222 Dc (m) 0.810 J (m) 0.100
donde:
Vi : Volumen de la parte inferior con longitud de Zc Vc: Volumen
de la parte superior con longitud Lc
El material del decantador es acero inoxidable. La figura
siguiente es una aproximacin de la unidad.
Figura 3.8. Esquema de un decantador
-
41
3.3.4 Obtencin de Policosanol
3.3.4.1 Reactor de saponificacin
La reaccin qumica involucrada para convertir los steres en
alcoholes primarios de cadena larga es la siguiente:
alcoholesgrasoscidosdeSalesNaOHEsteres ++
Los steres que participan en la reaccin son octacosanato de
alquilo, heptacosanato de alquilo y hexacosanato de alquilo.
El mecanismo de reaccin se lleva a cabo dentro de un reactor
batch. El volumen necesario para la produccin de policosanol tiene
un sobrediseo del 25%. Una vez que el reactor contenga cera
refinada, se pone en contacto con NaOH y etanol como solvente, la
agitacin debe ser vigorosa. El tiempo de residencia es de 90
minutos con una conversin correspondiente del 60%.
Figura 3.9. Diagrama del reactor de saponificacin
-
42
Dimensiones del reactor
En la tabla 3.15 se pueden ver tanto las dimensiones y las
condiciones de operacin del reactor. ste est equipado de un
agitador de turbina de 4 aspas con inclinacin de 45 y un sistema de
deflectores para asegurar una mezcla a fondo.
Tabla 3.15. Reactor Batch
Caracterstica Smbolo Valor
Orden de reaccin 2
Cintica de reaccin k (L/mol.s) 0.0098 Volumen del reactor V
(m3) 0.92
Longitud del reactor H (m) 1.67 Dimetro del reactor Dt (m) 0.84
Ancho de los deflectores J (m) 0.07 Tiempo de residencia
min 90
Temperatura C 70
Agitacin en el reactor
En el clculo de la potencia y el tipo de agitador del reactor,
se utilizan los mismos factores y condiciones de un tanque agitado;
para el diseo se han tomado en cuenta las caractersticas y
propiedades de la mezcla, tales como densidad y viscosidad.
Tabla 3.16. Propiedades fsicas de los componentes en el
reactor
T (70C) (Kg/m3) (cP) Etanol 744.720 0.226 Cera 864.997
42.200
-
43
Los valores obtenidos para el agitador son:
Tabla 3.17 Agitado
Caracterstica Smbolo Valor Dimetro del agitador Da (m) 0.34
Ancho de la paleta W (m) 0.07 Longitud a la que se pone el agitador
E (m) 0.34 Revoluciones por minuto rpm 109.27 Potencia del motor P
(kW) 7.498
3.3.5 Bombas
En la tabla 3.8 se reportan las potencias de las bombas
utilizadas en el proceso, el clculo se realiz mediante el balance
de energa mecnica mejor conocido como Ecuacin de Bernoullie.
Tabla 3.18 Potencia de bombas
BOMBAS POTENCIA (HP)
B1 2.5 B2 6.5 B3 0.5 B4 0.5 B5 0.5
-
44
3.3.6 Tanques de almacenamiento
A partir del balance de materia en la extraccin, se conoce que
dicha operacin requiere de 115008 Kg/dia de n-Heptano. El solvente
es recirculado despus de que ha sido separado el producto deseado,
sin embargo existen prdidas de ste en el transcurso, por lo cual se
hace necesario renovarlo, por tal motivo se requiere tener una
reserva del mismo de 1011442.08Kg por semana.
Tabla 3.19. Dimensiones del tanque de almacenamiento de
n-Heptano. Caracterstica Valor Volumen requerido (m3) 169.9 Volumen
mximo(m3) 212.5 Dimetro del tanque (m) 9.8 Altura del tanque (m)
19.6
Tanque de almacenamiento de Acetona.
Para el proceso de refinacin de cera es preciso contar con
17374.56 Kg/dia de Acetona, las prdidas a lo largo del
procedimiento son de 305.76 Kg/dia de Acetona. Por lo que el diseo
del tanque se realiza contemplando un almacenamiento para
satisfacer al proceso por una semana.
En seguida se presentan las dimensiones del tanque.
Tabla 3.20 Dimensiones del tanque de almacenamiento de Acetona
Caracterstica Valor Volumen requerido (m3) 20.6 Volumen mximo(m3)
25.7 Dimetro del tanque (m) 4.9 Altura del tanque (m) 9.7
En la etapa de Saponificacin se utiliza Etanol, el cual es
recuperados al 100% ya que slo funciona como disolvente y no
interviene en la reaccin.
Los tanques de almacenamiento son cilndricos verticales de fondo
plano, lo que permiten almacenar grandes cantidades volumtricas de
solvente con techo flotante, ya que sto es usual para almacenar
productos con alto grado de volatilidad. Este tipo de techo es con
el fin de reducir o anular la cmara de aire, adems de que
proporciona un medio aislante para la superficie del lquido,
reducindose as la velocidad de transferencia de calor al solvente
durante aquellos periodos en que la temperatura ambiente es alta,
evitando as la formacin de gases (su evaporacin), y
consecuentemente, la contaminacin del ambiental
-
45
3.3.7 Intercambiador de calor
Para la extraccin de la cera es necesario que el solvente entre
a la columna de extraccin a una temperatura de 96C. Este
intercambiador de calor esta diseado para calentar una corriente de
n-heptano de 25 C hasta 96 C para despus ser enviado al sistema de
extraccin. El intercambiador es de tubo y coraza de dos pasos con
arreglo triangular.
Figura 3.10. Intercambiador de calor
Las dimensiones de este intercambiador se presentan el la
siguiente tabla.
Tabla 3.21. Caractersticas del intercambiador para el heptano
Caracterstica Smbolo Magnitud Unidades rea de transferencia
1.34 m2
Nmero de tubos
11 ----
Dimetro de los tubos
0.019 m
Dimetro de coraza
0.10 m
Longitud de la coraza
2 m
Requerimiento energtico
26.02 KW
tA
tN
do
CD
CL
Q
-
46
En el segundo mezclador es necesario tener una mezcla de cera
con acetona a 90 C para la separacin de la fraccin resinosa. Por
ello se disean 2 intercambiadores de calor, uno para elevar la
temperatura de la cera que proviene del filtro de 25 a 90 C y el
segundo intercambiador para calentar la acetona de 25 a 90 C. En la
tabla 3.22 y 3.23 se presentan las dimensiones de los mismos.
Tabla 3.22. Intercambiador de calor para cera con resinas
Caracterstica Smbolo Magnitud Unidades rea de transferencia
2.49 m2
Nmero de tubos
21 ----
Dimetro de los tubos
0.019 m
Dimetro de coraza
0.14 m
Longitud de la coraza
2 m
Requerimiento energtico
40.51 KW
Tabla 3.23. Intercambiador para acetona.
Caracterstica Smbolo Magnitud Unidades rea de transferencia
1.80 m2
Nmero de tubos
15 ----
Dimetro de los tubos
0.019 m
Dimetro de coraza
0.12 m
Longitud de la coraza
2 m
Requerimiento energtico
29.31 KW
tA
tA
tN
do
CD
CL
Q
tN
do
CD
CL
Q
-
47
3.3.8 Compresor
Debido a que la acetona cambia a fase vapor con este
calentamiento, es necesario comprimirla para enviarla al mezclador
en estado lquido. Por lo que es necesario un compresor. La
corriente de acetona se comprime isotrmicamente a 90C y presin de 1
hasta 3 atm.
Generalmente los compresores trabajan con una eficiencia entre
el 75 y 80%.
3.4 EVALUACIN ECONMICA DEL PROCESO
Mediante la evaluacin econmica se determinan los recursos
econmicos necesarios para la realizacin del proyecto, en l se hace
la suma del capital fijo y el capital de trabajo.
El capital fijo es el costo requerido para la construccin del
proceso en el estn involucrados los costos de terreno, de equipo,
de instalacin (en general), y de servicios, de instrumentacin de
control para el proceso. Representando el 85% del costo total de
capital de inversin.
En el capital de trabajo, es el capital con el que hay que
contar antes de empezar a trabajar (financiar); esto es, hay que
costear la primera produccin antes de recibir ingresos, comprar la
materia prima, otorgar crdito en las primeras ventas.
3.4.1 Costo de equipo
El costo del equipo se hizo mediante el uso de Capcost y chem y
Distribuidora de Equipos de procesos qumicos Ullmann para cada uno
de los siguientes equipos.
-
48
Tabla 3.24. Costo de equipo Unidad Cantidad Monto por unidad
(USD) Monto (USD)
Secador RA-25 2 466,400 932,800 Bandas transporadoras
(Acero al carbon) 32 13,900 444,800
Elevador de gravedad 3 15,000 45,000 Extractor 3 230,400
691,200
Decantadores 1 14,800 14,800
Evaporador de pelcula descendente de tubos largos para
separacin de cera-heptano de 80m3
2 200800 401,600
Evaporador de pelcula descendente de tubos largos para
separacin de cera-heptano de 2m3
1 15400 15,400
Evaporador de pelcula descendente de tubos largos para separacin
de aceite-acetona de
0.93m3
1 17100 17,100
Evaporador de pelcula descendente de tubos largos para
separacin de cera refinada-acetona de 0.72m3
1 22400 22,400
Tanque agitador 2 17500 35,000 Reactor 1 28000 28,000 Filtros 3
295000 885,000
Bomba de 0.5 HP 3 3800 11,400 Bomba de 2.5 HP 1 19000 19,000
Bomba de 6.5 HP 1 49400 49,400
Intercambiador de calor para heptano
1 6300 6,300
Intercambiador de calor para cera 1 10000 10,000 Intercambiador
de calor para
acetona 1 8000 8,000
Compresor 1 15700 15,700 Tanque de almacenamiento de
productos 3 35,000 105,000
Tuberia ----- ------ 14,670 Silos Tanque 2 26000 52,000
SUMA TOTAL
3,824,570
-
49
3.4.2 Capital de inversin
Teniendo el monto total del equipo del proceso de extraccin y de
saponificacin de ceras, se calcula el monto necesario para los
conceptos que conforman el capital fijo, asignndoles un porcentaje
determinado del total de costo del equipo (Ulrich, 1984). Una vez
determinado el capital fijo, se calcula en base a este el capital
de trabajo.
En la tabla se desglosa el monto asignado para cada concepto del
capital total de inversin, en ella podemos observar que el proyecto
requiere una inversin inicial aproximada de $ 14,309,726 USD.
Tabla 3.24 Capital de inversin
Concepto Monto (USD) Costo de Equipo $ 3,824,570
Costo de instalacin del equipo $ 1,246,378 Costo de
Instrumentacin y control $ 477,336 Costo de instalacin de tuberas $
265,186 Costo de instalacin elctrica $ 291,705 Costos Directos
fuera de sitio Instalaciones $ 477,336 Mantenimiento de
instalaciones $ 132,592 Servicios auxiliares $ 928,154 Terreno $
668,021
Costos Indirectos
Servicios de ingeniera y supervisin $ 875,116 Gastos de
construccin $ 1,087,266 Gastos de contingencia. $ 1,113,785
Suma total del capital fijo $ 11,387,445 Capital de trabajo y
mano de obra $ 2,962,281 Capital total de inversin $ 14,349,726
-
50
3.4.3 Costo de mano de obra
El costo de mano de obra esta incluido dentro de capital de
trabajo, por lo que solo se hace mencin del personal necesario y el
sueldo a percibir durante un ao de operacion. El clculo se realiza
tomando como base el salario mnimo establecido para la zona C en la
cual se encuentra el estado de Veracruz, lugar donde se ubicara la
planta.
Tabla 3.25 Costo de mano de obra Puesto No.
Turnos
Personal por turno
Salarios mnimos
Salario anual (USD)
Ingeniero de Planta 3 2 10 113,880
Ingeniero de seguridad 3 1 8 45,552
Supervisores 3 1 7 39,858
Operarios Especializados 3 7 6 239,148
Personal de taller 2 4 4 60,736
Obrero calificado 3 27 4 614,952
Ayudante en general 3 4 2 45,552
Suma Total de Salrio Anual 1,159,678
3.4.4 Costos de operacin
El costo de venta del producto est dado por el costo de la
materia prima, gastos de administracin y gastos de operacin,
salarios de obreros, servicios auxiliares y mantenimiento de la
planta. En la tabla 3.22 se muestran los flujos de materia prima,
as como el monto de la misma que el proceso requiere para operar
anualmente.
Tabla 3.26 Costo de operacin Concepto Cantidad Monto (USD)
Cachaza (transporte) 24150 Ton $ 1,207,500 Heptano (grado
industrial) 2,441,000 Lt $ 5,882,810 Acetona (grado industrial)
722,862 Lt $ 3,729,972
Hidroxido de Sodio 139,650 Kg $ 54,088 Etanol 42,508 Lt $
95,645
Gastos de operacin - - - $ 1,836,790 Gastos administrativos - -
- $ 1,052,592
Costos de energa 50928 KW /da $ 112,448 Suma $ 13,971,845
-
51
3.4.5 Rentabilidad
La rentabilidad del proyecto se evala mediante el concepto de
TIR (tasa interna de retorno) y TREMA (tasa de rendimiento mnima
atractiva). Para ello se calcula el flujo de efectivo despus de
impuestos (FDI).
Tabla 3.27 Calculo de rentabilidad Ao FAI USD
s/inflacin FAI c/
inflacin Depreciacin Ingreso
gravable Impuesto FDI
c/Impuesto 0 -14349726 ---- ------ ------ -14349726 1 7428750
9657375 -1304520,545 10961895,55 -3836663,441 5820711,559 2 7428750
12554587,5 -1304520,545 13859108,05 -4850687,816 7703899,684 3
7428750 16320963,8 -1304520,545 17625484,3 -6168919,503 10152044,25
4 7428750 21217252,9 -1304520,545 22521773,42 -7882620,697
13334632,18 5 7428750 27582428,7 -1304520,545 28886949,28
-10110432,25 17471996,49 6 7428750 35857157,4 -1304520,545
37161677,9 -13006587,27 22850570,09 7 7428750 46614304,6
-1304520,545 47918825,11 -16771588,79 29842715,78 8 7428750
60598595,9 -1304520,545 61903116,48 -21666090,77 38932505,17 9
7428750 78778174,7 -1304520,545 80082695,26 -28028943,34
50749231,38 10 7428750 102411627 -1304520,545 103716147,7
-36300651,69 66110975,45
Si la TREMA es menor que la TIR el proceso es rentable.
Considerando una TIIE de 7.45 (BANXICO, 2007) y un porcentaje de
riesgo del 35%, tenemos que la TREMA tiene un valor de 42.45
mientras que la TIR presenta un valor de 68.74 por lo que esto
representara que el proceso si es rentable.
-
52
3.5 DESCRIPCION DE LA PLANTA
El esquema que se muestra a continuacin describe la distribucin
de la planta de extraccin de ceras. La ubicacin de cada equipo y su
localizacin se muestra en el diagrama.
Figura 3.1 Esquema de la planta.
-
53
Figura 3.2. Esquema general de la planta de extraccin de
ceras
-
54
3.6. ASPECTOS DE SEGURIDAD
3.6.1 MEDIDAS ECOLOGICAS
De acuerdo a la NOM-052-ECOL-1993 debemos mantener al n-Heptano
aislado de fuentes de ignicin, considerando riesgo de explosin, as
como la NOMCRP-002-ECOL-1993 que hace referencia a disminuir las
concentraciones elevadas de solvente en el ambiente para minimizar
las posibilidades de explosin, estas concentraciones pueden ser
medidas a travs de un equipo de medicin de gas en el ambiente.
Con la NOM-054-ECOL-1993 se analiza que la cantidad de n-Heptano
en la cera es menor en relacin a la Acetona, adems en los anexos 1
y 2 publicados en la NOM-CPR-001-ECOL-1993 nos indican que estos
dos compuestos son incompatibles y no generan una reaccin que
cambie el equilibrio ecolgico y ambiental. Con el anexo 5 de la
misma norma la acetona y n-Heptano se encuentra en el grupo 4
(Anexo 4) por lo tanto no reaccionan entre si.
Tomando en cuenta la NOM-056-ECOL-1993 diseamos el rea de
confinamiento de los solventes. Teniendo un riguroso control de
estos.
Se diseo de tal manera que las fuentes de electricidad estn por
lo menos a 60 m de distancia y 3 m de altura, la instalacin
elctrica debe de permitir el fcil manejo de estos solventes, con su
debido sealamiento informativo, preventivo y restrictivo. En cuanto
el sealamiento debe estar sobre placas con dimensiones de 0.60 x 40
m teniendo colores de fondo blanco con biseles y letras
grandes.
3.6.2 MEDIDAS DE SEGURIDAD PARA TRABAJADORES
Es necesario evaluar peridicamente a los trabajadores expuestos
a las emisiones de n-Heptano y de Acetona, de esta manera se evita
alteraciones a la salud, tomando en cuenta que la exposicin de
n-Heptano en las reas de trabajo es de 85 ppm y de Acetona es de 32
ppm por cada 15 min NOM-010-STPS-1998.
El personal debe estar capacitado para el manejo y uso de los
solventes como su clasificacin n-Heptano No.CAS 67-64-1, Acetona
No. CAS-142-82-5 y la simbologa de sustancia qumicas (rombo de
riesgos de sustancias qumicas, cdigo de colores y sealamientos que
indican obligacin) NOM-017-STPS-2001.
Con los sealamientos que indica obligacin se preve al personal
para que use el aditamento adecuado al manejo de solventes:
Cabeza Casco dielctrico Ojos Goggles Aparato respiratorio
Respirador contra gases y Vapores Extremidades superiores Guantes
para sustancias qumicas Tronco Bata Calzado Contra sustancias
qumicas
-
55
En caso de emergencia el personal capacitado debe tomar medidas
para el control de la emergencia, al momento de llegar los
servicios auxiliares ponerse en coordinacin para poder auxiliar en
el control de la emergencia.
El control de fugas de n-Heptano es con agua (menos de 25C) se
evitara que aumente la concentracin de aire en el ambiente
reduciendo la posibilidad de que se generen mezclas explosivas
aire-acetona-heptano para la Acetona recoger el liquido o absorber
con arena, absorbente e inerte y trasladarlo a un lugar seguro,
equipo autnomo de respiracin NOM-018-STPS-2000.
Algunas otras medidas preventivas.
Por la exposicin de n-Heptano y de Acetona se recomienda tomar 2
litros de leche diarios.
3.7. CONCLUSIONES
Despus de conjuntar las 3 partes, estudio de mercado,
experimentacin y diseo de la planta se puede concluir que el
proyecto se puede llevar a cabo a escala industrial, sin embargo,
habr que considerar algunos aspectos como el manejo de los
solventes y la perdida de los mismos.
La purificacin del policosanol requiere de una tcnica ms
especializada. Los equipos para la purificacin del policosanol no
se especifican debido a que no existen resultados concretos. Por lo
tanto no se consideraron en el diseo
A partir de los datos experimentales se realiz el diseo de los
equipos que constituyen la parte fundamental para la obtencin de
cera y Policosanol. Encontrando que el sistema de extraccin y el
reactor son los pasos fundamentales para el proceso.
De manera general, con el anlisis de mercado y costos indirectos
se encontr que la TIR es de 68.87%, y de esta manera se establece
que el proyecto es rentable.
-
56
3.8 BIBLIOGRAFIA
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propuestas para la modernizacin, reconversin, diversificacin, medio
ambiente y sustentabilidad de la agroindustria de la caa de azcar
en el Estado de Veracruz. Facultad de Economa de la Universidad
Veracruzana.
2. Laguna Granja Abilio, Sotolongo Garca Raissa; Procedimiento
de obtencin de mezcla de alcoholes superiores a partir de la cera
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caa de azcar. La industria de los derivados de la caa de azcar.
Edit. Cientfico-Tcnico La Habana Cuba. Ao 1980.
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Qumica. Ed. Mc Graw Hill. 4 edicin, 1991.
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Mc Graw Hill. 2 edicin, 1988.
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24. Skoog D., West D., Qumica Analtica.7 edicin, ao 2001.
Editorial Mc Graw Hill
-
58
APNDICE A. CLCULOS DE BALANCE DE MATERIA
Estableciendo la ecuacin general de balance de materia, sabemos
que las entradas son iguales a las salidas por lo tanto no tenemos
acumulacin por lo tanto nuestro balance queda de la siguiente
manera:
Entradas-Salidas = 0
Entradas = Salidas
Se presentan los clculos de balance de materia de cada para el
proceso.
Balance de materia en el extractor 1.
Figura A1. Extractor de cera.
Balance de materia por componentes en el extractor de cera.
Balance de Cachaza: 04321 =+ PPPP
00.070.43100.070.43100.0 =+
Balance para n-Heptano. 04321 =+ PPPP
00.060.23840.215600.000.2396 =+
Balance para Cera: 04321 =+ PPPP
00.000.093.4793.4700.0 =+
Balance global de materia en el extractor de cera.
04321 =+ PPPP 00.030.67133.220463.47900.2396 =+
-
59
Balance de materia en el evaporador 1
Figura A2. Evaporador 1 de n-Heptano.
Balance de materia por componente en el evaporador.
Balance para Cera: 0653 = PPP
00.045.4748.093.47 =
Balance para n-Heptano: 0653 = PPP
00.056.2184.213440.2156 =
Balance de materia en el evaporador 2
Figura A3. Evaporador 2 de n-Heptano
Balance de materia por componente en el evaporador 2.
Balance para Cera: 0876 = PPP
00.097.4648.045.47 = Balance para n-Heptano:
0876 = PPP 00.021035.2156.21 =
-
60
Balance de materia en el condensador.
Figura A4. Condensador de n-Heptano
Balance de materia por componente en el condensador.
Balance para Cera: 0975 =+ PPP
00.096.048.048.0 =+ Balance para n-Heptano:
0975 =+ PPP 00.019.215635.2184.2134 =+
Balance de materia en el recuperador de solvente.
Figura A5. Recuperador de n-Heptano
Balance de materia por componente en el recuperador de
solvente.
Balance para Cachaza: 011104 = PPP
00.000.070.43170.431 =
Balance para n-Heptano 011104 = PPP
00.062.22798.1160.239 =
Balance de materia en el mezclador.
Figura A6. Mezclador 1
-
61
Balance de materia por componente en el mezclador.
Para Cera: 013128 =+ PPP
00.097.4600.097.46 =+
Para Acetona: 013128 =+ PPP
00.081.23481.23400.0 =+
Balance de materia en el filtro.
Figura A6. Filtro 1
Balance de materia por componente en el filtro.
Balance para Aceite: 0151413 = PPP
00.095.075.1770.18 =
Balance par Cera con resinas: 0151413 = PPP
00.085.2642.127.28 =
Balance para Acetona: 0151413 = PPP
00.075.1106.22381.234 =
Balance de materia en el evaporad