Metodos Para Determinar El Costo

1

Ingeniería de Procesos

Unidad 1

Evaluación económica preliminar de un proceso industrial químico

2

Procesos Unitarios

Proceso Químico

Materias Primas

Energéticos

Energía

Producto Deseado

Contaminantes

Mano de Obra

3

Realizar una evaluación preliminar de las cantidades de materia prima

necesaria para elaborar un producto, de las cantidades e identidades de

productos desechados, y de la economía del proceso involucrado en la

elección de las materias primas y las reacciones químicas.

Objetivo General de la Unidad I

4

Objetivos de la Unidad I

1. Revisar la estequiometría de las reacciones y las ecuaciones químicas balanceadas.

2. Mostrar como las reacciones químicas convierten las materias primas en los productos deseados.

3. Aprender a realizar una evaluación preliminar de las cantidades de materia prima necesaria para elaborar un producto, de las cantidades e identidades de productos desechados.

4. Aprender a realizar la evaluación de la economía del proceso involucrado en la elección de las materias primas y las reacciones químicas.

5

Qué materias primas están disponibles.

¿Cómo pueden combinarse las reacciones químicas en rutas para convertir de manera eficiente la materia prima en productos?

¿Cuánta materia prima se consume? ¿Qué subproductos se generan?

¿Cuáles son las sencillas medidas aplicables para comparar el impacto económico y ambiental de diferentes materias primas o rutas de reacción química?

Preguntas que se formulan al inicio de la Síntesis de un Proceso Químico

6

1. Introducción.

2. Materias primas.

3. Ecuaciones balanceadas de las reacciones químicas.

4. Análisis de generación-consumo

5. Una primera mirada a los balances de materia y la economía del proceso.

5.1 Economía del átomo.

5.2 Economía del proceso.

5.3 Capacidades del proceso y valores del producto.

Estudio de Caso: Química de seis carbonos

Unidad 1 Transformación de los recursos naturales en

productos útiles

7

1) Para elaborar un producto que tiene una función deseada específica.

2) Para convertir materiales de desecho en productos útiles.

3) Para mejorar el desempeño de un material natural.

4) Para convertir materia en energía.

1.1 Introducción

8

Proceso QuímicoMaterias primas

Producto deseado

Subproductos

Energía

Mano de obra

9

Los procesos químicos convierten la materia prima en productos deseados.

En la síntesis de los procesos químicos, se elige la materia prima

apropiada, se seleccionan las reacciones químicas y las operaciones físicas

necesarias para transformar las propiedades de las materias primas en las

de los productos deseados.

El objetivo es diseñar un proceso químico que sea seguro de operar, que

utilice de manera eficaz y económica la materia prima, que los productos

deseados sean confiables, y que tengan un impacto ambiental mínimo.

10

Antes de que el desarrollo del proceso pueda comenzar es necesaria la

planeación de los requerimientos del producto, de esta manera la

ingeniería del producto y la ingeniería del proceso están completamente

unidas. La calidad y disponibilidad de materias primas, las previsiones

económicas, la seguridad y confiabilidad del producto, los aspectos

concernientes a la comercialización, patentes y propiedad de tecnología,

todo influye en el diseño del proceso.

11

1.2 Materias primas

1) Aire.

2) Agua.

3) Minerales.

4) Combustibles fósiles.

5) Productos agrícolas y forestales.

Exploración y producción petroleras

Refinería de petróleo

Compuestos químicos básicos

Compuestos químicos de especialidad

Plásticos y polímeros

Fabricantes de plásticos

Petróleo crudo

Bisfenol APolicarbonato

Benceno

Fenol

Ventanas para avionesLentesBiberonesCascos para ciclistas

12

13

Una compañía petrolera extrae petróleo crudo de depósitos subterráneos.

Una compañía que refina petróleo procesa el crudo para obtener benceno.

Una compañía de compuestos químicos básicos transforma por medio de reacciones el benceno en fenol.

Una compañía de compuestos químicos finos o de especialidad convierte el fenol

en bisfenol A.

Una compañía de plásticos polimeriza el bisfenol A en policarbonato.

Los fabricantes utilizan el policarbonato para fabricar ventanas de avión, vidrio a

prueba de balas, lentes, biberones y discos compactos y cascos para futbolistas.

Los consumidores compran lentes, biberones y discos compactos, los utilizan y desechan en rellenos sanitarios o en depósitos para reciclado.

14

Cloruro de sodio

Cloro Hidróxido de sodio

Carbonato de sodio

Bicarbonato de sodio

Piedra caliza

Pulpa y papel

Disolventes

Plásticos

Pesticidas

Anticongelante

Refrigerantes

Jabón

Tintes

Fibras

Papel

Medicamentos

Caucho

Jabón

Vidrio

Medicamentos

Papel

Ablandamiento de agua

Cerámicas

Bicarbonato de sodio

Polvo para hornear

Bebidas carbonatadas

Extintores de fuego

15

Estudio de CasoQuímica de seis carbonos

En este estudio de caso se ilustra como aplicar los conceptos que se presentaron en la

Unidad 1 para tomar decisiones referentes a las materias primas, los productos y las

rutas de reacción, considerando con alguna profundidad los procesos específicos de

importancia en los negocios de los compuestos químicos orgánicos. Estos procesos

están ligados a los compuestos de seis carbonos.

Se consideran dos cuestiones:

1. El benceno es un compuesto de seis carbonos que se extrae mediante la

purificación del petróleo. Suponga que se tienen disponibles 15,000 kg /día de

benceno, ¿Cuáles son algunos productos útiles de seis carbonos que se podrían

obtener a partir del benceno?

16


2. ¿Es posible reemplazar el benceno con una materia prima de un recurso

renovable para elaborar los mismos productos de seis carbonos?

Los compuestos orgánicos simples como el benceno sirven como materias primas en la producción de los plásticos, detergentes, fármacos y fibras, omnipresentes en las sociedades modernas.

Por ejemplo, piense en el nylon. El nylon se vendió por primera vez comercialmente en 1940, cuando la segunda guerra mundial comenzaba. La fibra se volvió rápidamente un elemento indispensable cuando la guerra estalló, ya que se empleó para los paracaídas, tiendas, sogas, cuerdas para neumáticos de avión y otros artículos imprescindibles. Quizá el éxito comercial más grande del nylon estuvo en la calcetería de mujer, cuando las medias de nylon reemplazaron las medias de seda anteriormente suministradas por los japoneses.

17


C C

C C

C

C

H

H

H

H

H

H

Figura 1.6 Tres diferentes representaciones de la estructura del benceno, C6H6, una de las materias primas más importantes en la industria de los compuestos químicos orgánicos sintéticos.

18


Existen varios tipos de nylon, de los cuales uno de los más importantes se llama

nylon 6,6 es un polímero –una macromolécula muy grande que contiene muchas

unidades pequeñas repetidas unidas por ligaduras covalentes-. El nylon 6,6 contiene

dos unidades repetidas, las cuales son compuestos de seis carbonos:

hexametilendiamina y ácido adípico. (Esto es de donde provienen los 6, 6.) A

continuación se analiza la fabricación del ácido adípico a partir del benceno. Se

muestran las estructuras del ácido adípico e intermediarios importantes; observe que

la estructura de seis carbonos se conserva.

19

OO

OH

OHO

Benceno, C6H6

Ciclohexano,C6H12

Ciclohexanona, C6H10O

Ácido adípico, C6H10O4

Figura 1.7 El benceno se convierte en ácido adípico a través de una serie de reacciones químicas que involucran productos intermediarios como el ciclohexano y la ciclohexanona


20


Reacción 1. El benceno se hidrogena para convertirse en ciclohexano:

126266 3 HCHHC (R1)

Reacción 2. El ciclohexano se oxida parcialmente con el oxígeno. Aunque en

realidad hay productos múltiples de esta reacción, por simplicidad

suponga que aquí solo ocurre una reacción que produce

ciclohexanona (C6H10O) y agua:

OHOHCOHC 21062126 (R2)

21


OHNOOHCHNOOHC 241063106 22 (R3)

Reacción 3. La ciclohexanona se oxida con el ácido nítrico para formar ácido

adípico

En la tabla 1.5 se muestra el análisis de generación-consumo. Se encuentra una generación/consumo neta de los productos intermediarios ciclohexano y ciclohexanona igual a cero, por lo tanto no son necesarios ajustes adicionales.

OHNOOHCHNOOHHC 2410632266 2223

22

OO

OH

OH

O

Figura 1.8 Ruta de reacción del benceno para formar ácido adípico, en la que se muestran otras materias primas y subproductos.

H2

O2

HNO3

H2O

NO, H2O

23


Tabla 1.5 Análisis de generación-consumo del proceso de conversión del benceno en ácido adípico

Compuesto vi1 vi2 vi3 vi, neto

C6H6 -1 -1

H2 -3 -3

C6H12 +1 -1 0

O2 -1 -1

C6H10O +1 -1 0

HNO3 -2 -2

C6H10O4 +1 +1

NO +2 +2

H2O +1 +1

24


Se consume un mol de benceno, 3 moles de hidrógeno, 1 mol de oxígeno y 2 moles

de ácido nítrico para producir un mol de ácido adípico. Hay dos productos

residuales: óxido nítrico, que se libera a la atmósfera, y agua, la cual baja al drenaje

(¡vía un sistema de tratamiento de agua, por supuesto!). La liberación de los

compuestos de óxido de nitrógeno es una preocupación para el medio ambiente, pero

hasta ahora ningún proceso comercial se ha desarrollado que evite la oxidación del

ácido nítrico que lleva a la generación de óxidos de nitrógeno.

25


El ácido adípico, del cual aproximadamente se utiliza 85% para fabricar el nylon

6,6, es un posible producto de valor agregado que se obtiene a partir del benceno.

¿Hay otras opciones?

Una idea es el catecol, una materia prima industrial importante para la producción

de compuestos químicos finos o de especialidad. El catecol se utiliza para elaborar

fármacos como L-Dopa (utilizado para tratar la enfermedad de Parkinson) y

condimentos como el vanilín.

El catecol es uno de tres isómeros del dihidroxibenceno C6H6O2; los otros dos,

hidroquinona (p-dihidroxibenceno) y resorcinol (m-hidroxibenceno) también son

compuestos químicos industrialmente importantes. Los isómeros tienen fórmulas

moleculares idénticas, pero los átomos están distribuidos en diferentes geometrías.)

Con base en la estructura del catecol, es fácil ver por qué el benceno se percibe

como una materia prima.

26

OH

Benceno, C6H6

Fenol,C6H5OH

Catecol,C6H6O2

Figura 1.9 Dihidroxibencenos y sus precusores, benceno + fenol

OH

OHOH

OH

OH

OH

Resorcinol,C6H6O2

Hidroquinona,C6H6O2

27


Reacción 1: El benceno y el propileno (C3H6) se combinan para formar el

isopropilbenceno (C9H12, también llamado cumeno):

1296366 HCHCHC R1

Reacción 2: El cumeno reacciona con el oxígeno para producir el intermediario

inestable hidroperóxido de cumeno (C9H12O2):

21292129 OHCOHC R2

Reacción 3: El hidroperóxido de cumeno se descompone en fenol (C6H6O) y el

subproducto acetona (C3H6O):

OHCOHCOHC 63662129 R3

28


Reacción 4: El fenol reacciona con el peróxido de hidrógeno (HOOH), un agente

oxidante fuerte, para producir catecol:

OHOHCoOHOHC 22662266 R4

La hidroquinona también se produce en cantidades significativas; por

simplicidad, esta reacción se ignora.)

El análisis de generación-consumo se muestra en la tabla 1.6

29

Tabla 1.6 Análisis de generación-consumo para el proceso de benceno a catecol

Compuesto vi1 vi2 vi3 vi4 vi, neto

C6H6 -1 -1

C3H6 -1 -1

C9H12 +1 -1 0

O2 -1 -1

C9H12O2 +1 -1 0

C6H6O +1 -1 0

C3H6O +1 +1

H2O2 -1 -1

o-C6H6O2 +1 +1

H2O +1 +1


30


El resultado neto es:

OHCOHOHCOHOHCHC 6322662226366

En general, se ha consumido 1 mol de benceno, 1 mol de propileno, y dos diferentes

fuentes de oxígeno, O2 y H2O2, para obtener 1 mol de catecol. Al contrario del caso

del ácido adípico, se ha producido un subproducto que es valioso: la acetona se

utiliza como disolvente y materia prima industrial para la síntesis de otros

compuestos químicos orgánicos.

31


Se han identificado dos productos útiles que se podrían obtener a partir del benceno.

Como se comparan los dos procesos en la economía del átomo? Si se considera solo

el costo de la materia prima y el valor de los productos , ¿cuál será el mejor curso de

acción? Suponga que el benceno se valora a $ 0.41 / kg. (El precio del benceno varía

significativamente con el cambio en los precios del petróleo.)

Opción 1 Vender el benceno. Si se venden 15,000 kg /día de benceno a este

precio se generan

15,000 kg de benceno

díaX

$ 0.41

kg de benceno=

$ 6,150

día

32


Opción 2 Fabricar ácido adípico. El análisis de generación-consumo para esta

opción se mostró en la tabla 1.5. La información para la fijación de precios se

obtiene del Chemical Market Reporter o de otras fuentes y el análisis se lleva a cabo

de forma tabular, como se muestra a continuación. La base para el cálculo es de

15,000 kg /día de benceno consumido.

La economía fraccional del átomo es

60.012632678

146

Re

activosii

PP

Mv

Mv

La economía del proceso es atractiva: se podría obtener una ganancia limpia de $

27,000 /día, un incremento considerable sobre el valor del propio benceno.

33


Tabla 1.7 Economía del átomo y economía del proceso para el proceso de conversión del benceno en ácido adípico

Compuesto vi1 Mi viMiKg /día

(FE = 192.3) $/kg$/kg $/día

C6H6 -1 78 -78 -15,000 0.41 -6,150

H2 -3 2 -6 -1,154 0.2 -230

O2 -1 32 -32 -6,154 ~0 0

HNO3 -2 63 -126 -24,230 0.40 -9,700

C6H10O4 +1 146 +146 +28,076 1.54 +43,200

NO +2 30 +60 +11,538 ~0 0

H2O +2 18 +36 +6,923 ~0 0

Suma 0 0 +27,100

34


Por supuesto, si se ignoran los costos de construcción y operación de las

instalaciones, y se asume que el precio del ácido adípico permanecerá estable a pesar

del aumento en la capacidad de las plantas mundiales que ocurriría si semejante

planta fuera construida.

Esta valoración muy preliminar nos dice simplemente que vale la pena considerar

este proceso a mayor detalle.

Opción 3: Fabricar catecol. Ahora, considere la posibilidad de producir catecol a

partir del benceno (tabla 1.8).

Si se consideran la acetona y el catecol como productos útiles, la economía del

átomo es muy alta a 0.90. La ganancia neta es enorme: ¡$ 89,300 /día! (Por supuesto,

sin tomar en cuenta el costo de construcción y operación de las instalaciones.)

35


Tabla 1.7 Economía del átomo y economía del proceso para el proceso de conversión del benceno en catecol

Compuesto vi1 Mi viMiKg /día

(FE = 192.3) $/kg$/kg $/día

C6H6 -1 78 -78 -15,000 0.41 -6,150

C3H6 -1 42 -42 -8,077 0.26 -2,100

O2 -1 32 -32 -6,154 ~0 0

H2O2 -1 34 -34 -6,538 1.49 -9,740

C3H6O +1 58 +58 +11,154 0.86 +9,600

o-C6H6O2 +1 110 +110 +21,153 4.62 +97,700

H2O +1 18 +18 +3,462 ~0 0

Suma 0 0 +89,300

36

Retroceda un paso y considere la materia prima, el benceno, el cual es un reactivo de

uso muy difundido. ¿Por qué el benceno? El benceno se deriva del petróleo crudo, es

abundante y relativamente económico; décadas de investigación y desarrollo en la

industria del petróleo han logrado esto.

Se sabe como extraer el petróleo crudo del suelo, como purificar el benceno a partir

del petróleo, y como usar todos los demás componentes del crudo para numerosas

funciones.


37

¿Por lo tanto, cuál es el problema? Primero, el petróleo es un recurso no renovable.

Segundo, el benceno es carcinogénico. Tercero, es volátil, por lo cual una parte de él

termina en el aire y contribuye a la generación de smog. Además, en el proceso de

conversión del benceno en ácido adípico, se producen óxidos de nitrógeno, lo cual

puede favorecer la reducción del ozono y el efecto invernadero.


¿Existe otra materia prima que pudiera sustituir al benceno? ¿Qué otros compuestos

de seis carbonos están fácilmente disponibles, quizá a partir de los recursos

renovables?

38

O

O

HO

OH

HO

HO

OH

H

H

H


La glucosa (C6H12O6) es uno de tales compuestos. Es no tóxica y se produce a partir de recursos renovables como el maíz. Compare la estructura de la glucosa con las estructuras del ácido adípico y del catecol: la glucosa es químicamente más similar a estos dos productos que el benceno.

Figura 1.10 Estructuras lineales y cíclicas de la glucosa, comparadas con el ácido adípico y el catecol. No se muestran todos los hidrógenos

OH

OH

OH

HO

HO

O

O

OH

HO

OH

OH

Glucosa, C6H12O6Ácido adípico, C6H10O4 Catecol, C6H6O2

39

¿La glucosa es un sustituto adecuado del benceno como una materia prima para la

producción del ácido adípico y del catecol? El primer desafío es identificar las rutas

de reacción que convierten glucosa en los productos deseados. Por desgracia, la

glucosa no tiene la misma reactividad química del benceno.


No puede resistir las presiones y temperaturas altas, frecuentemente usadas con la

química del benceno, sin degradarse. Por otro lado, la glucosa es una materia prima

industrial muy útil para los microorganismos como la levadura y las bacterias (¡por

no mencionar a los humanos).

Las bacterias y las levaduras consumen glucosa para obtener energía, sustento, y

crecer y reproducirse. Con métodos de la ingeniería genética moderna, a menudo se

puede engañar a los microorganismos para que conviertan una parte de la glucosa en

productos útiles para los humanos.

40

La bacteria E. coli se ha diseñado genéticamente en un laboratorio de investigación

para convertir glucosa en ácido mucónico (C6H6O4): La E. coli necesita mol de

glucosa y mol de oxígeno para producir 1 mol de ácido mucónico; el dióxido de

carbono y el agua son los subproductos:


El ácido mucónico puede entonces hidrogenarse a ácido adípico en un reactor

químico más convencional:

3

7

2

17

OHCOOHCOOHC 2246626126 1182

17

3

7 R1

41062466 2 OHCHOHC R2

El análisis de generación-consumo para la conversión de glucosa en ácido adípico se

muestra en la tabla 1.9.

41

Tabla 1.9 Análisis de generación-consumo del proceso de conversión de glucosa en ácido adípico

Compuesto vi1 vi2 vi, neto

C6H12O6 -7/3 -7/3

O2 -8.5 -8.5

C6H6O4 +1 -1 0

CO2 +8 +8

H2O +11 +11

H2 -2 -2

C6H10O4 +1 +1


42

Compuesto νiMi νi Mi

Kg/día(FE = 192.5)

$/kg $/día

C6H12O6 -7/3 180 -420 -80,850 0.60 -48,500

O2 -8.5 32 -272 -52,360~0

0

CO2 +8 44 +352 +67,760 ~0 0

H2O +11 18 +198 +38,120 ~0 0

H2 -2 2 -4 -770 0.2 -150

C6H10O4 +1 146 +146 +28,100 1.54 +43,300

Sumas 0 0 -5,400

Tabla 1.10 Economía del átomo y economía del proceso para el proceso de conversión de glucosa en ácido adípico

43

Los mismos investigadores diseñaron genéticamente a la E. coli para convertir la

glucosa directamente en catecol. La conversión bacteriana de la glucosa en catecol

requiere de mol de glucosa más oxígeno para producir 1 mol de catecol, con

dióxido de carbono y agua como subproductos:


¿Cómo se comparan el benceno y la glucosa como materias primas en cuanto a sus

economías de proceso y del átomo? La comparación debe basarse en la misma

velocidad de producción de productos deseados: 21,150 kg catecol /día, o 28,100 kg

de ácido adípico /día. (Las velocidades se redondean para reflejar el nivel de

exactitud de estos cálculos).

3

12

OHCOOHCOOHC 2226626126 1182

15

3

7 R1

44

El precio de la glucosa fluctúa un poco con los precios del maíz, la pureza y la

ubicación. El precio de la glucosa es de, digamos, $ 0.60 /kg. Se supondrá que el

oxígeno es gratuito y que el dióxido de carbono y el agua no tienen valor.


La tabla 1.10 muestra que la glucosa no es claramente una buena opción como

materia prima para la producción de ácido adípico. La economía fraccional del átomo

es de solo 0.21, porque gran parte del carbono se consume para elaborar CO2 (a fin de

producir la energía necesaria para la supervivencia y el crecimiento bacterial). El

proceso pierde dinero.

3

12

45


La tabla 1.11 muestra que el proceso glucosa en catecol es pobre en economía del

átomo (0.17), pero es provechoso debido al alto valor del producto catecol. Sin

embargo, la glucosa no es competitiva con el benceno si solo se consideran los costos

de materia prima. Otras consideraciones (como el impacto ambiental, la confiabilidad

de la fuente de materia prima, la protección de patentes, los costos de energía, el

costo del equipo, la seguridad, la tecnología, factibilidad tecnológica y la proyección

de cambios en los costos de materia prima) pueden hacer que se opte por la materia

prima más cara. En la fabricación de catecol, por ejemplo, se obtiene una cantidad

significativa del isómero de la hidroquinona como subproducto cuando el benceno se

utiliza como materia prima, pero no cuando se usa glucosa. Si es oneroso separar la

hidroquinona del catecol, el proceso de glucosa se vuelve económicamente más

competitivo.

46

Compuesto νi

Mi

g/g-molνi Mi

Kg/día(FE = 192.3)

$/kg $/día

C6H12O6 -7/3 180 -420 -80,770 0.60 -48,500

O2 -7.5 32 -240 -46,150~0

0

CO2 +8 44 +352 +67,690 ~0 0

H2O +11 18 +198 +38,080 ~0 0

o-C6H6O2 +1 110 +110 +21,150 4.62 +97,500

Suma 0 +49,200

Tabla 1.11 Economía del átomo y economía del proceso para el proceso de conversión de glucosa en catecol

47


En la comparación de procesos diferentes, además de considerar los costos de

materias primas y el valor de los productos, es necesario considerar la producción de

desperdicios. La producción de desperdicios implica que una parte de nuestras

valiosas materias primas, por las que se ha pagado buen dinero, se han convertido en

materia indeseable. En el mejor de los casos, los productos “residuales” serán

valiosos subproductos. En el peor, si los productos residuales son tóxicos, se

requerirá una eliminación costosa. A continuación se compara la generación de

residuos para cuatro procesos: de benceno a ácido adípico, de benceno a catecol, de

glucosa a ácido adípico y de glucosa a catecol. (tabla 1.12).

48

Materia prima

ProductoProducto

kg/día

Subpro-ducto kg/día

Identidad del sub-

producto

Desper-dicios kg/día

Identidade los

desperdi-cios

Kg de desperdi-cios por

kg de producto

BencenoÁcido adípico

28,100 0 18,500 NO, H2O 0.66

Benceno Catecol 21,150 11,150 Acetona 3,460 H2O 0.16

GlucosaÁcido adípico

28,100 0 105,880 CO2, H2O 3.77

Glucosa Catecol 21,150 0 105,770 CO2, H2O 5.00

Tabla 1.12. Generación de desperdicios provenientes de cuatro procesos

49


Recuerde que estos cálculos corresponden a una generación de residuos mínima; sin

considerar cualquier ineficacia durante el proceso. Los procesos que usan benceno

producen menos residuos que aquellos que usan glucosa. Gran parte del carbono

presente en la glucosa no termina como producto sino como CO2 (tal cual se analizó

en los cálculos de la economía del átomo). ¿Por qué? Una razón es que en la

fermentación, la conversión de glucosa en CO2 produce energía debido a la

supervivencia y el crecimiento bacteriano. Para una comparación más exacta, es

preciso considerar si la energía necesaria para los procesos del benceno se encuentra

quemando combustibles y produciendo CO2. En este caso, los cálculos de

desperdicios deben considerar los requerimientos energéticos y de materia prima.

Metodos Para Determinar El Costo

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