Trabajo-amoniaco - Terminado.docx

UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS (Universidad del Perú, Decana de América)

FACULTAD DE QUÍMICA E INGENIERÍA QUÍMICA Escuela de Ingeniería Química

PLANTA DE PRODUCCIÓN DE AMONIACO Curso: Cálculos Económicos en Ingeniería Química Docente: Ing. Pedro Romero y Otiniano Alumnos: 

PIMENTEL BRAVO; JESSICA SULEMA

15070037



REYES ROSALES; JOHAN FRANKLIN

15070127



ARECHE URETA; KATIA LUZ

15070102

FECHA DE ENTREGA: 4 de diciembre del 2018

Ciudad Universitaria - Lima

PLANTA DE PRODUCCIÓN DE AMONIACO

TABLA DE CONTENIDO

INTRODUCCIÓN

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PROCESO DE FABRICACIÓN DE AMONIACO

4

TABLAS DE DATOS OBTENIDOS POR LA SIMULACIÓN DEL PROCESO

8

TABLA DE DATOS DE COSTOS

26

ANÁLISIS DE INVERSIÓN DE UNA PLANTA DE AMONIACO

44

ANEXOS

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2

PLANTA DE PRODUCCIÓN DE AMONIACO

INTRODUCCIÓN El amoníaco es un gas incoloro de olor muy penetrante. Ocurre naturalmente y es también manufacturado. Se disuelve fácilmente en el agua y se evapora rápidamente. Generalmente se vende en forma líquida. La cantidad de amoníaco producido industrialmente cada año es casi igual a la producida por la naturaleza. El amoníaco es producido naturalmente en el suelo por bacterias, por plantas y animales en descomposición y por desechos animales. El amoníaco es esencial para muchos procesos biológicos. Es uno de los productos intermedios más importantes de la industria química. La mayor parte del amoniaco (80%) se destina a la fabricación de fertilizantes, como:   

Nitrato amónico: NH4NO3 Sales amónicas: (NH4)2SO4, (NH4)3PO4 Urea: (NH2)2C=O

Otros usos del amoníaco incluyen:      

Fabricación de HNO3. Explosivos. Caprolactama, nylon. Poliuretanos. Gas criogénico por su elevado poder de vaporización. Productos de limpieza domésticos tales como limpiacristales.

Por lo tanto su costo energético influye de manera importante en los otros sectores de la industria química.

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PLANTA DE PRODUCCIÓN DE AMONIACO

PROCESO DE FABRICACIÓN DE AMONIACO Proyecto de Balances de Materiales Producción de amoniaco Fondo Usted trabaja para una empresa de consultoría que ha sido contratada para determinar las condiciones operativas más rentables para un circuito de síntesis de amoníaco en las instalaciones de su cliente. Solo debe evaluar la parte de síntesis de amoníaco de un proceso mucho más grande que toma carbón, lo convierte en un gas de síntesis (monóxido de carbono e hidrógeno), agrega nitrógeno y elimina el monóxido de carbono, ajusta la composición y produce amoníaco. El amoníaco es uno de los cinco productos químicos más producidos en la industria. Es una materia prima para óxidos de nitrógeno y fertilizantes, entre otros. El proceso en cuestión es producir 50,000 toneladas anuales de amoníaco en un año de 8000 horas. Producción de amoniaco La unidad 600 produce amoníaco a partir de una mezcla de alimentación que contiene cantidades estequiométricas de nitrógeno e hidrógeno más gas inerte que es casi todo metano. La figura 1 ilustra las unidades principales en el diseño de su cliente. La composición del alimento fresco es de 24.5% de nitrógeno, 73.5% de hidrógeno y 2.0% de metano. El metano es inerte y no reacciona. La alimentación se comprime, se mezcla con la corriente de reciclaje, se precalienta y se envía al reactor. La reacción está limitada en el equilibrio, lo que significa que la temperatura del reactor limita el alcance de la reacción. La constante de reacción y equilibrio, en el rango de 700 K - 750 K son: N 2  3H 2  2 NH3 (1)

K

2 PNH 3 1 N2

3 H2

P P

12711  1.054  1012 exp   T 

(2)

donde las unidades de K son atm-2 y T está en Kelvin. El efluente del reactor se enfría y se separa en un recipiente instantáneo, produciendo amoníaco líquido y gases ligeros. Para evitar que el metano se acumule en la corriente de reciclaje, una fracción de los gases ligeros va a una corriente de purga, y los gases ligeros restantes se comprimen y reciclan. El circuito de síntesis de amoníaco se puede operar en un rango de presión de 10 a 150 atm, temperaturas del reactor de 420 ° C a 480 ° C y relaciones de purga a reciclaje de 1/10 a 1/100. Para simplificar los cálculos de balance de materiales, puede suponer que la corriente de reciclaje no contiene amoníaco y que la corriente de amoníaco no contiene gases disueltos. El rango de condiciones de operación involucra compensaciones. Las presiones más altas aumentan la conversión de equilibrio pero aumentan el costo de comprimir los gases de reacción; las temperaturas más bajas del reactor aumentan la conversión de equilibrio pero aumentan el costo al requerir más enfriamiento para eliminar el calor de la reacción exotérmica; las relaciones de purga a reciclado más 4

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pequeñas pierden menos gas de reacción del ciclo de reciclaje pero aumentan el costo, ya que se debe comprimir más gas para reciclar nuevamente al reactor.

Problema Usted, el equipo de ingeniería debe elegir las mejores condiciones operativas para el proceso de síntesis de amoníaco para producir 50,000 ton / a (50,000,000 kg / a). Su objetivo es minimizar los costos operativos y maximizar las ganancias. Está limitado por la temperatura del reactor, la presión del reactor, la relación de purga a reciclar y los costos operativos. Es posible que no use el software CAD, pero debe usar los cálculos de la hoja de cálculo de Excel. Antes de desarrollar una hoja de cálculo, debe resolver el balance de materiales a mano en al menos un caso para demostrar que la hoja de cálculo está configurada correctamente. Formación grupal Un grupo de diseño estudiantil consistirá de 4 miembros del grupo. Se recomienda que elija un socio para este proyecto para formar un par. Cuando haya formado un par, escriba sus nombres en la tabla publicada en la puerta del Dr. Kugler. El Dr. Kugler combinará pares para formar grupos de cuatro. Las asignaciones de grupo se realizarán el 5 de noviembre. Informes

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Se espera que cada grupo prepare un informe escrito que recomiende los mejores procedimientos operativos para el proceso de síntesis de amoníaco. Este informe debe presentarse a las 3:00 PM, miércoles 3 de diciembre. El informe debe seguir las pautas de diseño del informe del departamento. Los datos deben estar en forma de gráficos y tablas, ya que esto condensa los resultados y los hace fácilmente comprensibles. El apéndice debe incluir su hoja de cálculo y un cálculo manual para al menos un caso representativo. Los cálculos de la mano deben hacerse con un lápiz. Autores del informe Aunque el trabajo en un informe grupal nunca se puede dividir en partes iguales, solo aquellos miembros que hacen contribuciones sustanciales al informe final deben ser listados como autores. Asignaciones de grupo a corto plazo Vence el lunes 10 de noviembre. Resuelva el balance de materiales para el caso donde T = 450 ° C; P = 100 atm; Relación de purga a reciclar = 1/20. Tenga en cuenta que la relación de hidrógeno a nitrógeno = 3.000 en cada corriente. Utilice N3 = 100 kmol / h como base para su cálculo. Vence el lunes 17 de noviembre. Configure una hoja de cálculo de Excel para calcular el balance de materiales donde T, P y la relación de purga para reciclar se ingresan manualmente. Escale la hoja de cálculo para producir 50,000 toneladas de NH3 / año. Ejecutar dos casos para 1) T = 450 ° C; P = 100 atm; Relación de purga a reciclado = 1/20 y 2) T = 420 ° C; P = 50 atm; Relación de purga a reciclar = 1/10. Vence el miércoles 19 de noviembre. Expanda la hoja de cálculo de Excel para incluir los costos operativos de modo que se pueda calcular una ganancia o pérdida anual para cualquier conjunto de condiciones operativas. Ejecutar dos casos para 1) T = 450 ° C; P = 100 atm; Relación de purga a reciclado = 1/20 y 2) T = 420 ° C; P = 50 atm; Relación de purga a reciclar = 1/10. Información suplementaria Valor de la alimentación y productos Alimento fresco de hidrógeno $ 0.72 por libra Alimento fresco de nitrógeno $ 0.02 por libra Metano en la alimentación o purga $ 0.18 por libra Hidrógeno en purga $ 0.45 por libra Producto de amoniaco $ 0.30 por libra Costos Operativos Variables Enfriamiento después del reactor $ 0.005 por lb de gas en la corriente 4 Compresores $ 0.004 (ΔP) por kg-mol Al calcular ΔP, suponga que la alimentación fresca se suministra a 10 atm, y suponga que la corriente 9 antes del compresor de reciclaje está a 8 atm. Costos Operativos Fijos La operación de la unidad de producción de etanol implica costos adicionales, como mano de obra, mantenimiento y servicio de la deuda, que deberían permanecer casi constantes

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a medida que cambian los parámetros operativos. Suponga que estos costos fijos son $ 0.05 por kg de amoníaco producido. Beneficio (pérdida) en la unidad A un precio de venta de $ 0.30 por libra, el valor de 50 millones de kg de amoníaco es de $ 33.0 millones. Al estimar la ganancia o pérdida para varias condiciones operativas, la cifra significativa para la ganancia debe ser de $ 0.1 millones.

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TABLAS DE DATOS OBTENIDOS POR LA SIMULACIÓN DEL PROCESO TABLA N°1 Tabla de corrientes para la Unidad 600 Secuencia No Temp C Pres kPa Fracción de vapor Total kg / h Total kmol / h Componente kmol / h nitrógeno hidrógeno dióxido de carbono metano amoníaco

Corriente No. Temp C Pres kPa Fracción de vapor Total kg / h Total kmol / h Componente kmol / h nitrógeno hidrógeno dióxido de carbono metano amoníaco

1 200 1000 1 13025.36 1500.00

2 985.42 15000 1

3 574.99 15000 1

4 350 14965 1

13025.36 1500.00

78814.08 7973.84

78814.08 7973.84

366.63 1099.88 0.0084

366.63 1099.88 0.0084

1663.12 4990.03 0.076

1663.12 4990.03 0.076

33.48 0

33.48 0

334.16 986.45

334.16 986.45

9 -38.79 500 1 73098.78 7193.17

10 -38.79 500 1 7309.88 719.32

1440.55 4322.50 0.075 334.09 1096.06

144.06 432.24 0.0075 33.41 109.61

8

11 -38.79 500 1 65788.90 6473.85

1296.50 3890.15 0.067 300.69 986.45

12 488.54 15000 1 65788.90 6473.85

1296.50 3890.15 0.067 300.69 986.45

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TABLA N°2 Tabla de corrientes para la Unidad 600 (continuado) Corriente No. 13 14 15 Temp C 300 250 300 Pres kPa 960 925 1000 Fracción de vapor 0 0 0 5 5 Dowtherm total A kg / 1.89310 1.89310 1.893105 h

TABLA N° 3 Resumen de flujo de flujo de servicios para la Unidad 600 E-601 cw 1.46106 kg/h

E-602 cw 2.43106 kg/h

E-603 cw 5.65105 kg/h

TABLA N° 4 Resumen parcial del equipo Intercambiadores de calor E-601 A = 716.0 m2 1-2 intercambiadores, cabeza flotante, acero al carbono secuencia de proceso en shell Q = 61,030 MJ/h índice de presión máxima of 15,000 kPa E-602 A = 758.8 m2 1-2 intercambiador, cabeza flotante, acero al carbono secuencia de proceso en shell Q = 101,661 MJ / h Presión máxima de 15,000 kPa

9

E-603 A = 45.73 m2 1-2 intercambiador, cabeza flotante, acero al carbono Dowtherm en tubos Q = 23651 MJ / h Presión máxima de 2000 kPa

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Reactors R-601 – Heat Exchanger Portion Q = 23651 MJ/h A = 661.9 m2 intercambiador de contraflujo, cabeza flotante, acero al carbono flujo de proceso en tubos Presión máxima de 15,000 kPa

Pumps and Compressors C-601 carbon steel power = 10.33 MW 65% efficient C-602 carbon steel power = 30.74 MW 65% efficient

R-601 – Reactor Portion catalizador en tubos catalizador de Ru promovido en soporte de grafito

P-601 A/B carbon steel power = 18.96 kW 80% efficient

Vessels V-601 carbon steel height = 4.5 m diameter = 0.9 m maximum pressure rating of 1000 kPa

Para información adicional sobre la producción de amoniaco, consulte la literatura. Se sugieren algunas posibilidades.1,2 Se recomienda encarecidamente que lea sobre la producción de amoníaco antes de continuar con esta tarea. Muchos precios de los productos químicos están disponibles en http://www.icis.com/StaticPages/a-e.htm. El valor de syngas es de $ 0.10 / kg.

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Asignación Su tarea es evaluar el diseño interno, identificar problemas o errores, si los hubiere, y sugerir soluciones para estos problemas. Dado que el equipo hecho a medida ya se ha pedido, se desean soluciones a los problemas que retienen la mayor cantidad posible de este equipo. También debe recomendar cualquier otro cambio que considere que debe realizar para mejorar el rendimiento en la Unidad 600. Específicamente, debe preparar lo siguiente antes de las 9:00 a.m., el lunes 3 de noviembre de 2008: 1. un informe escrito que detalla su evaluación del diseño actual, las modificaciones recomendadas (si las hubiera) y los costos (ahorros) incrementales asociados con sus modificaciones recomendadas. Esto debe incluir: a. Una explicación de cualquier error encontrado en el diseño de la Unidad 600. segundo. una explicación y justificación de cualquier mejora que recomiende al diseño de la Unidad 600. do. una evaluación económica incremental (EAOC antes de impuestos a una tasa de interés del 15%, 10 años de vida útil) de las modificaciones recomendadas. re. un PFD, una tabla de flujo, una tabla de utilidades y una lista de equipos para el proceso modificado, si el proceso se modifica de hecho. Si hay modificaciones, el informe debe contener una lista de los nuevos equipos que se comprarán, incluidos el tamaño, el costo y los materiales de construcción. Entregables Específicamente, lo siguiente debe completarse a las 9:00 a.m., el lunes 3 de noviembre de 2008: 1. Prepare un informe escrito, de acuerdo con las pautas, detallando la información en los puntos 1, 2 y 3, arriba. 2. Incluya un conjunto de cálculos legibles y organizados que justifiquen sus recomendaciones, incluidas las suposiciones realizadas. 3. Adjunte una copia firmada de la declaración de confidencialidad adjunta. Formato de informe Este informe debe ser breve y cumplir con las directrices, que están disponibles al final de la siguiente página web http://www.che.cemr.wvu.edu/publications/projects/index.php. Eso debe estar encuadernado en una carpeta que no esté sobredimensionada en relación con el número de páginas en el informe. Las figuras y tablas deben incluirse según corresponda. Se debe adjuntar un apéndice que incluya elementos como los cálculos solicitados. Estos cálculos deben ser fáciles de seguir. La declaración de confidencialidad debe ser la última página del informe. El informe escrito es una parte muy importante de la tarea. Los informes que no cumplan con las pautas recibirán severas deducciones y deberán ser reescritos para recibir crédito. Los informes escritos mal escritos y / u 11

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organizados también pueden requerir una nueva escritura. Asegúrese de seguir el formato descrito en las pautas para los informes escritos. Presentación oral Se espera que presente y defienda sus resultados entre el 3 de noviembre de 2008 y el 6 de noviembre de 2008. Su presentación debe ser de 15 a 20 minutos, seguida de un período de preguntas y respuestas de aproximadamente 30 minutos. Asegúrese de prepararse para esta presentación, ya que es una parte importante de su tarea. Debe traer al menos una copia impresa de sus diapositivas a la presentación y entregarla antes de comenzar la presentación. Otras reglas Usted no puede discutir este tema principal con nadie más que el instructor. Se prohíbe la discusión, la colaboración o cualquier interacción con alguien que no sea el instructor. Esto significa que cualquier conversación cruzada entre estudiantes sobre cualquier cosa relacionada con esta tarea, sin importar cuán insignificante pueda parecerle, es una violación de las reglas y se considera deshonestidad académica. Los infractores estarán sujetos a las sanciones y procedimientos descritos en los Procedimientos Universitarios para el Manejo de Casos de Deshonestidad Académica (consulte la página 48 del Catálogo de Pregrado de 2007-2009 o siga el enlace http://www.arc.wvu.edu/rightsa.html) . Consultoría está disponible desde el instructor. La consulta de Chemcad, es decir, las preguntas sobre cómo usar Chemcad, no cómo interpretar los resultados, es ilimitada y gratuita, pero solo del instructor. Cada individuo puede recibir cinco minutos gratuitos de consulta del instructor. Después de cinco minutos de consulta, la tasa es de 2.5 puntos deducidos por 15 minutos o cualquier fracción de 15 minutos, en forma acumulativa. El período inicial de 15 minutos incluye los 5 minutos de consulta gratuita.

Informes tardíos Los informes tardíos son inaceptables. Se aplicarán las siguientes sanciones severas: * Informe tardío sobre la fecha de vencimiento antes del mediodía: una calificación de una letra (10 puntos) * Informe tardío después del mediodía en la fecha de vencimiento: dos calificaciones de letras (20 puntos) * Informe tardío un día tarde: calificaciones de tres letras (30 puntos) * cada día adicional tarde: 10 puntos adicionales por día

Referencias 1. Eggeman, T., "Amoníaco", Enciclopedia Kirk-Othmer de Tecnología Química, versión en línea, 10/18/2001. (Se puede acceder a esta enciclopedia desde cualquier computadora de la Universidad en http://www.libraries.wvu.edu/databases. Hay una versión impresa más antigua disponible en la sección de referencia de la Biblioteca de Evansdale). 12

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2. Quartulli, Orlando J., William Turner y Keith W. Padgett, “Amoníaco”, en Encyclopedia of Chemical Processing and Design, (J. J. McKetta, ed.), Marcel Dekker, Nueva York, vol. 3, 256-278 (1977). (Esta colección está disponible en la sección de referencia de la Biblioteca de Evansdale, primer piso, atrás y a la derecha).

Apéndice Cálculos y otra información pertinente E-601 Q = 61030106 J/h fluido de proceso en cáscara cw hi = 1000 W/m2K flujo de proceso ho = 60 W/m2K U  (1/hi + 1/ho)-1 = 56.6 W/m2K Tlm = 418.33C A = 716.0 m2 Q = m CpT = m (4.184 kJ/kg°C)(10°C) m =1.46106 kg/h

575

T

350 40 30

Q

E-602

350 Q = 101661106 J/h fluido de proceso en cáscara cw hi = 1000 W/m2K T corriente de proceso condensación parcial ho = 1000 W/m215 K -1 2 U  (1/hi + 1/ho) = 500 W/m K Tlm = 87.36C A = 758.8 m2 Q F = 0.852 Q = m CpT = m (4.184 kJ/kg°C)(10°C) m =2.43106 kg/h Supongamos que el diagrama T-Q a la derecha es aproximadamente cierto para la condensación parcial

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15 5

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E-603

300 250

Q = 23651106 J/h Dowtherm fluido en tubos Dowtherm hi = 1500 W/m2K cw ho = 1000 W/m2K U  (1/hi + 1/ho)-1 = 600 W/m2K Tlm = 239.44.6C A = 45.73 m2 Q = m CpT = m (4.184 kJ/kg°C)(10°C) m = 5.65105 kg/h

T 40 30

Q

Intercambiador de calor R-601

350

T Q= J/h 400 Tlm = 71.135C asume la línea recta - realmente obtener punto caliente este es un cálculo conservador ya que Tlm es realmente más grande ya que T-Q diagrama a la derecha muestra Dowtherm en cáscara ho = 2000 W/m2K corriente de reacción hi = 150 W/m2K U  (1/hi + 1/ho)-1 = 139.53 W/m2K A = 661.9 m2 Cp = 2.5 kJ/kg°C para Dowtherm m DT  Q / C p T  Q /2.5 kJ/kg C 50C 

350

23651106

m DT  1.893105 kg/h

 1000 kg/m3 para Dowtherm

V-601 Asumir 10 minutos de tiempo de residencia por líquido. Supongamos que el líquido es la mitad del volumen total. de Chemcad: caudal de líquido en la corriente 8 = 8.7427 m3 / h 14

350

Q

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(8.7427 m3 / h) (h / 60 min) (10 min) = 1.457 m3 Doble volumen a 2.915 m3 2.915 m3 = d 2h/4 asume que h = 5d d  0.9 m h  4.5 m

P-601 A / B y Loop todo el tubo es 3 en el horario 40 di = 0.07792 m A = 0.004769 m2 Longitud de tubo equivalente a 10 m Cambio de elevación de 4 m desde la salida del reactor a la entrada del reactor (Dowtherm fuera arriba, abajo) Elija un aumento de presión de 75 kPa en la bomba. mantenga Dowtherm presurizado para reducir la volatilidad y evitar la cavitación presión fuera del reactor = 960 kPa presión de salida E-603 = 925 kPa presión de salida de la bomba 1000 kPa Propiedades de Dowtherm: Cp = 2.5 kJ/kg°C = 997 kg/m3 = 0.3 cP Dowtherm entra en el reactor a 250 ° C, Dowtherm sale del reactor a 300 ° C para el intercambiador de calor del reactor Q = 2.3651010 J / h = 2.5 J / g ° C (50 ° C) = 1.893105 kg / h v = / A = 11.0 m / s tubería de acero comercial  / d = 0.0059 Re = dv /  = 2.87106 de la ecuación de Pavlov: f = 0.0080 balance de energia mecanica Ws = 356 J / kg = 18.96 Kw

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140 120

P (kPa)

100 80 60 40 20 0 0

50

100

150

200

250

flowrate (m3/h)

Pump Curve for P-601 A/B Ecuación para curva de bombeo:

P(kPa)  121.1  0.02838v  0.0003209v2  0.000005536v3 ChE 456 Primavera 2009 Mayor 2 Producción de amoníaco Fondo Se le solicitó a su compañía que complete un nuevo diseño de una instalación de amoniaco de gas de síntesis para reemplazar el diseño defectuoso que evaluó anteriormente. La nueva capacidad de la planta es de 80,000 ton / a, con un año de 8000 horas. Asignación

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Su tarea es proporcionar un diseño de proceso integral para esta nueva planta. Específicamente, debe preparar lo siguiente antes de las 9:00 a.m., el lunes 23 de febrero de 2009: 1. Prepare un informe escrito que detalle el diseño de su proceso optimizado para el nuevo proceso sujeto a las restricciones provistas. El informe debe: • incluir un PFD que muestre todos los equipos principales, procesos y flujos de servicios públicos. Este PFD se debe dibujar utilizando los iconos estándar en CorelDraw y debe ser legible, ordenado, con todos los equipos principales numerados y todos los flujos de proceso identificados por número. El PFD se debe dibujar en formato horizontal. Los principales bucles de control también deben dibujarse en el diagrama. • incluir una tabla de flujo correspondiente al PFD solicitado anteriormente. • incluya una tabla con los detalles de diseño (altura, longitud, área, número de bandejas, alimentación, etc.) de todos los equipos principales necesarios para el proceso. • Incluir los requisitos de utilidad para todos los equipos. Los resultados de los costos de los servicios públicos deben presentarse como una tabla o en una figura, pero no ambos. • Incluir el costo de fabricación para el proceso. Los resultados del costo de fabricación deben presentarse como una tabla o en una figura, pero no ambos. • Incluir los costos de capital (base) para todos los equipos. Los resultados de los costos de capital deben presentarse como una tabla o en una figura, pero no ambos. • incluir un análisis de los aspectos económicos del proyecto, utilizando una base de un período de construcción de 2 años (60% el primer año y 40% el segundo año - ya se posee el terreno), una tasa de retorno después de impuestos del 10%, una Vida útil a 10 años, y una tasa impositiva del 45%. • Incluir una lista de costos de materia prima para la planta.

2. Un apéndice debe incluirse con su propia tabla de contenidos. La numeración de páginas puede continuar desde el final del informe o puede reiniciarse. Este apéndice debe incluir: a. en el Apéndice debe incluirse un informe de Chemcad convergente impreso, utilizando la opción de salida / informe, para su diseño propuesto. No incluya una lista completa de propiedades de flujo, pero sí incluya flujos de flujo (masa y moles), operaciones unitarias, resultados de convergencia y cualquier otro dato relevante para su diseño.

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segundo. Hojas de cálculo Excel para todas las estimaciones de costos de capital (utilizando CACPCOST) y los diagramas de flujo de efectivo. do. un conjunto legible y organizado de cálculos que justifican sus recomendaciones, incluidas las suposiciones realizadas. Los apéndices deben tener una tabla de contenido precisa para que el lector pueda encontrar rápidamente cualquier cálculo en particular. Entregables Específicamente, debe entregar lo siguiente antes de las 9:00 a.m., el lunes 23 de febrero de 2009: 1. Prepare un informe escrito, de acuerdo con las pautas, detallando la información en los puntos 1 y 2, arriba. 2. Adjunte una copia firmada de la declaración de confidencialidad adjunta.

Formato de informe El informe escrito es una parte muy importante de la tarea. Los informes que no cumplan con las pautas recibirán severas deducciones y deberán ser reescritos para recibir crédito. Los informes escritos mal escritos y / u organizados también pueden requerir la reescritura. Asegúrese de seguir el formato descrito en las pautas para los informes escritos. Presentación oral Se espera que presente y defienda sus resultados en algún momento entre el 23 de febrero de 2009 y el 2 de marzo de 2009. Su presentación debe ser de 15 a 20 minutos, seguida de un período de preguntas y respuestas de aproximadamente 30 minutos. Asegúrese de prepararse para esta presentación, ya que es una parte importante de su tarea. Debe traer al menos dos copias impresas de sus diapositivas a la presentación y entregarlas antes de comenzar la presentación. Otras reglas Usted no puede discutir este tema principal con nadie más que con los instructores. Se prohíbe la discusión, la colaboración o cualquier otra interacción con alguien que no sea el instructor. Los infractores estarán sujetos a las sanciones y procedimientos descritos en los Procedimientos Universitarios para el Manejo de Casos de Deshonestidad Académica (consulte la página 48 del Catálogo de Pregrado de 2007-2009 o siga el enlace http://www.arc.wvu.edu/rightsa.html) . 18

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Consultoría está disponible desde el instructor. La consulta de Chemcad, es decir, las preguntas sobre cómo usar Chemcad, no cómo interpretar los resultados, es ilimitada y gratuita, pero solo de los instructores. Cada individuo puede recibir cinco minutos gratuitos de consulta de los instructores. Después de cinco minutos de consulta, la tasa es de 2.5 puntos deducidos por 15 minutos o cualquier fracción de 15 minutos, en forma acumulativa. El período inicial de 15 minutos incluye los 5 minutos de consulta gratuita. Informes tardíos Los informes tardíos son inaceptables. Se aplicarán las siguientes sanciones severas: * Informe tardío sobre la fecha de vencimiento antes del mediodía: una calificación de una letra (10 puntos) * Informe tardío después del mediodía en la fecha de vencimiento: dos calificaciones de letras (20 puntos) * Informe tardío un día tarde: calificaciones de tres letras (30 puntos) * cada día adicional tarde: 10 puntos adicionales por día

 rN 2  k f

p N p1H.52 2

p NH

3

 kr

p NH 3 p1H.52

(3)

cuando

 17,307  k f  5823 exp   RT 

(4)

 40,765  kr  1.77 1015 exp  RT  

(5)

y

donde las unidades de frecuencia son kmol / m3catalizador hr, la presión parcial está en atm, y la constante de gas está en kcal / kmol. En Chemcad, eligió la energía de activación en kcal, el volumen en m3, el flujo molar en kmol, el flujo de masa en kg y la unidad de tiempo de h. El catalizador se promueve óxido de hierro, con una gravedad específica de 2.6 y una fracción de vacío de empaque de 0.44. Recuerde que las unidades requeridas en Chemcad para la velocidad de reacción son kmol / m3reactor hr.

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Es posible que desee considerar varias configuraciones de reactor. Algunas configuraciones sugeridas son lecho empacado de envoltura y tubo con remoción de calor, reactor adiabático y lechos empacados adiabáticos en etapas con interenfriamiento. Hay otras posibilidades. Apéndice 1 Criterios de diseño para la Unidad 600 • alimentar syngas o Disponible desde la tubería a una presión de 1,000 kPa y temperatura ambiente. o composición  72% en moles de hidrógeno  24% en moles de nitrógeno  4% en moles de metano.  10 ppm de dióxido de carbono • El CO2 máximo permitido en la alimentación del reactor es de 10 ppm. Si se debe eliminar el CO2 de la alimentación del proceso, se recomienda el uso de disolventes para mono-monoetanolamina o dietanolamina (pura o disuelta en agua). El solvente se puede recuperar por decapado. Estas aminas pueden requerir materiales de construcción no típicos. • Base de diseño = 80,000 ton / año de amoníaco puro: debe estar contenido en la corriente del producto, con un contenido de amoníaco> 99.9% en peso como un líquido que se puede bombear a una instalación de carga de rieles cercana. • El precio de venta del amoníaco es de $ 500 por tonelada. • El costo del gas de síntesis es de $ 0.10 / kg • El costo de la monoetanolamina es de $ 2.42 / kg • El costo de la dietanolamina es de $ 2.75 / kg • El costo de la carga inicial de catalizador es despreciable. Apéndice 2 Información sobre Reactor y Cinética de Reacción. La única reacción de importancia es

N 2  3H 2  2 NH3

(1)

donde las unidades de presión son atm. Las cinéticas son: Balances energéticos y métodos numéricos 20

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Proyecto de diseño Producción de amoniaco Su tarea es continuar evaluando la viabilidad de un proceso para producir 50,000 ton / a de amoníaco a partir de syngas. En la Figura 1 se muestra un diagrama de flujo de proceso sugerido (PFD). Debe usarlo como punto de partida. Su tarea es desarrollar un "mejor" caso, donde "mejor" depende de consideraciones económicas, es decir, EAOC. Al informar su mejor caso, indique claramente cualquier modificación al PFD e indique las condiciones operativas para el proceso modificado y la EAOC correspondiente. Reacción química Syngas está disponible en una tubería a 1000 kPa y 200 ° C. Se comprime, se mezcla con una corriente de reciclaje y se calienta o se enfría a 350 ° C para alimentar al reactor. El reactor funciona adiabáticamente. El efluente del reactor se enfría, la presión se reduce mediante una válvula y la corriente se condensa parcialmente, produciendo una corriente rica en amoníaco. El producto líquido de amoníaco se encuentra en la corriente 8. Parte de la corriente 9 se recicla y otra se purga. Dependiendo de la presión del separador de flash, V-601, es posible que la corriente de reciclaje deba comprimirse hasta la presión de la Corriente 2. La reacción que se produce en el reactor es reversible.

N 2  3H 2  2 NH 3 (1) Esta es una reacción de equilibrio, y la constante de equilibrio en un amplio rango de temperaturas viene dada por

11,806  K  3.29  10 12 exp   T  En el reactor, se obtiene el 90% de la conversión de equilibrio.

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Detalles del proceso Streams y detalles del equipo Corriente 1: gas de síntesis - a 200 ° C y 1000 kPa - contiene 72% en moles de H2, 24% en moles de N2 y 4% en moles de CH4 Corriente 8: producto de amoniaco - 50,000 ton / año - un año es de 8000 horas Corriente 10: purga utilizada como combustible-gas en el horno - puede atribuirse un menor valor calorífico Flujos 9-11: el gas de síntesis y el amoníaco sin reaccionar que no se encuentran en el flujo del producto se reciclan, la división de reciclaje es una variable de decisión potencial Información del equipo Compresor (C-201) El compresor aumenta la presión de la corriente de alimentación a la presión del reactor. Se puede suponer que el compresor es adiabático. En ese caso, la potencia del compresor (kW) se puede calcular como  P  0.286   (3) Ws (kW)  20,000m (kmol/s)  out   1  Pin     22

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donde (kmol / s) es el caudal molar total de la Corriente 1. La ecuación 3 incluye la eficiencia del compresor. El costo de la electricidad para hacer funcionar el compresor es un costo de utilidad. El compresor aumenta la temperatura de la corriente comprimida de acuerdo con

Tout  Pout    Tin  Pin  donde T es la temperatura absoluta.

0.286

(4)

En general, la relación de presión de salida a entrada en un compresor es entre 3 y 5. Si se necesita una relación de compresión mayor que 5, los compresores generalmente se activan con enfriamiento entre las etapas del compresor, pero no después de la última etapa. Si elige hacer esto, la relación de compresión para cada etapa debe ser idéntica, y el "interenfriamiento" debe ser de 50 ° C. El diagrama de flujo de proceso debe representar con precisión la configuración del compresor elegido. Intercambiador de calor (E-601) La alimentación del reactor se enfría a T = 350 ° C utilizando una utilidad de frío. En cualquier intercambiador de calor, la corriente del proceso no se puede enfriar por debajo de la temperatura de la utilidad más 10 ° C. La asignación de 10 ° C es para propósitos de diseño como aprenderá el próximo año. Reactor (R-601) Este es un reactor adiabático. Es esencialmente una gran tubería llena de catalizador. La conversión de equilibrio puede calcularse basándose en la elección de la presión de funcionamiento y la temperatura de salida. Estas son variables de decisión que se espera que manipules para encontrar valores óptimos. El reactor puede funcionar a presiones de 500 kPa P 20,000 kPa y a cualquier temperatura superior a 350 ° C. La conversión real en el reactor es el 90% de la conversión de equilibrio. Encontrará que las conversiones son bajas, lo que requiere un gran flujo de reciclaje. Una configuración alternativa del reactor que puede aumentar la conversión es poner en escena varios reactores adiabáticos con un intercambiador de calor entre las etapas para reducir la temperatura de entrada a cada reactor subsiguiente. El número de etapas del reactor está determinado por la economía. La temperatura de la corriente "interenfriada" es una variable de decisión potencial. El diagrama de flujo de proceso debe representar la configuración del reactor elegida.

Intercambiador de calor (E-602) y recipiente (V-601) Este intercambiador de calor enfría y condensa parcialmente el efluente del reactor a una temperatura que condensa el amoníaco. La válvula posterior reduce la presión a la presión deseada para el separador. La ecuación 4 se utiliza para determinar la temperatura de salida de la válvula para una presión elegida. Este recipiente permite separar el vapor y el líquido producidos en E-602. El vapor sale por la corriente superior y el líquido sale por la corriente inferior. La corriente 9 contiene todos los gases ligeros de la corriente 7 más algo de amoníaco. La corriente 8 solo contiene amoníaco, y la división de amoníaco debe 23

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calcularse para la temperatura y la presión elegidas .. E-602, la válvula y el V-601 pueden tratarse todos juntos para fines computacionales como una operación de flash a la temperatura y presión elegidas. La temperatura y la presión de este flash son variables de decisión potenciales. La utilidad apropiada se debe usar en E-602, y la utilidad apropiada depende de la temperatura elegida para la separación. En cualquier intercambiador de calor, la corriente del proceso no se puede enfriar por debajo de la temperatura de la utilidad más 10 ° C. La asignación de 10 ° C es para propósitos de diseño como aprenderá el próximo año. Compresor (C-602) El compresor aumenta la presión de la corriente de reciclaje a la presión de la corriente con la que se mezcla. Se puede suponer que el compresor es adiabático. En ese caso, la potencia del compresor (kW) se puede calcular como  P  0.286    (5) Ws (kW)  10,000m(kmol/s)  out   1  Pin    

donde (kmol / s) es el caudal molar total de la Corriente 11. La ecuación 3 incluye la eficiencia del compresor. El costo de la electricidad para hacer funcionar el compresor es un costo de utilidad. El compresor aumenta la temperatura de la corriente comprimida de acuerdo con la Ecuación 4. En general, la relación de presión de salida a entrada en un compresor es entre 3 y 5. Si se necesita una relación de compresión mayor que 5, los compresores generalmente se activan con enfriamiento entre las etapas del compresor, pero no después de la última etapa. Si elige hacer esto, la relación de compresión para cada etapa debe ser idéntica, y el "interenfriamiento" debe ser de 50 ° C. El diagrama de flujo de proceso debe representar la configuración del compresor elegido. Análisis Económico Al evaluar casos alternativos, la función objetivo que se utilizará es el costo operativo anual equivalente (EAOC), definido como EAOC = - (valor del producto - costo de alimentación - costos de servicios públicos - costo de tratamiento de desechos - anualidad de costos de capital) Un valor negativo de EAOC significa que hay un beneficio. Es deseable minimizar la EAOC; es decir, un gran valor negativo de EAOC es muy deseable. Los costos de los servicios públicos son los de vapor, agua de refrigeración, agua refrigerada, refrigeración, agua de alimentación de calderas, electricidad y tratamiento de residuos. La anualidad del costo de capital es un costo anual (como el pago de un automóvil) asociado con el costo de capital fijo único de la construcción e instalación de la planta. La anualidad del costo de capital se define de la siguiente manera:

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capital cost annuity  FCI

i(1  i) n (1  i) n  1

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donde FCI es el costo instalado de todo el equipo; i es la tasa de interés; y n es la vida vegetal, en [y]. Para efectos contables, tome i = 0.15 y n = 10. Mejoramiento Aprenderá los métodos de optimización en ChE 230. La función objetivo (EAOC) se define arriba. Debes considerar tanto la optimización topológica como la paramétrica. La optimización topológica implica considerar diferentes configuraciones de proceso (como la ubicación del equipo de proceso, ya sea para agregar o quitar equipo). Puede alterar la configuración del proceso de cualquier manera que mejore el rendimiento económico siempre que no viole las leyes de la naturaleza. La determinación del número óptimo de reactores en etapas con intercooling es un ejemplo de una optimización topológica. La optimización paramétrica implica determinar los mejores parámetros operativos para la topología del proceso elegido. Es su responsabilidad definir las variables de decisión apropiadas. Se sugiere que observe detenidamente el uso eficiente de las materias primas y la relación de purga / reciclaje para la Corriente 9, así como la temperatura y presión del reactor. Si hay demasiadas variables de decisión para realizar una optimización paramétrica razonable, es su responsabilidad determinar, con la justificación apropiada, cuáles afectan más significativamente la función objetivo. Entonces deberías enfocarte solo en esas variables de decisión. Esto se llama un análisis de Pareto. Datos Todos los datos requeridos, aparte de la capacidad de calor del amoníaco líquido, se pueden encontrar en el apéndice de su libro de texto [1]. Para este proyecto, y solo para este proyecto, puede usar datos que están fuera del rango de aplicabilidad, si es necesario. Se sugiere que indique claramente esta suposición en su informe escrito. La capacidad calorífica del amoníaco líquido es [2]: C p  3.0094  4.3692  10 2 T  2.4114  10 4 T 2  5.856  10 7 T 3  5.2953  10 10 T 4 (7) donde la temperatura está en Kelvin y las unidades de capacidad calorífica son kJ / mol K.

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TABLAS DE DATOS DE COSTOS Costos de equipo Los costos de equipo para la planta de etanol se muestran en la Tabla 1. Cada costo es para un equipo individual, incluida la instalación Table 1: Equipment Costs Equipment

Costo instalado en $ miles (en $ para calentador encendido)

Reactor, per stage Vessel, V-601 Any heat exchanger Any pump Any compressor Fired Heater

500 100 200 40

0.8 0.0189Ws [W]

11 10 x where x  2.5  0.8 log 10 Q where Q is the heat duty in kW

Costos de utilidad Vapor a baja presión (618 kPa, saturado, costo o crédito) $ 13.28 / GJ Vapor de presión media (1135 kPa, saturado, costo o crédito) $ 14.19 / GJ Vapor de alta presión (4237 kPa, saturado, costo o crédito) $ 17.70 / GJ Gas natural o gas combustible (446 kPa, 25 C) cuesta $ 11.00 / GJ crédito $ 9.00 / GJ Electricidad $ 0.06 / kWh Agua de alimentación de la caldera (a 549 kPa, 90 ° C) $ 2.45 / 1000 kg (Hay un costo para el agua de alimentación de la caldera solo si el vapor producido ingresa a las corrientes del proceso. Si, por otro lado, el vapor producido se condensa posteriormente, puede convertirse nuevamente en vapor. En ese caso, no hay un costo neto para agua para alimentación de la caldera.) Agua de enfriamiento $ 0.354 / GJ disponible a 516 kPa y 30 C, presión de retorno * 308 kPa la temperatura de retorno no debe ser superior a 15 * C por encima de la temperatura de entrada Agua Refrigerada $ 4.43 / GJ disponible a 516 kPa y 5°C, presión de retorno * 308 kPa la temperatura de retorno no debe ser superior a 15°C Refrigerante de baja temperatura $ 7.89 / GJ disponible a -20 ° C Refrigerante de muy baja temperatura $ 13.11 / GJ 26

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disponible a -50 ° C Proceso (Desionizado) Agua Disponible a la presión deseada y 30 ° C. Tratamiento de aguas residuales basado en el volumen total tratado Costos de la materia prima / valor del producto Materia prima o producto syngas ammonia

$ 0.067 / 1000 kg $ 56/1000 m3

precio $0.10/kg $500/tonne

Otra información Debes asumir que un año equivale a 8000 horas. Esto es aproximadamente 330 días, lo que permite el cierre y el mantenimiento periódicos. Entregables Cada grupo debe entregar un informe procesado por palabra. Debe ser claro, conciso y cumplir con el formato prescrito. El formato se explica en las pautas del informe escrito, proporcionadas en un documento separado. Los informes que no cumplan con el formato prescrito recibirán deducciones significativas y deberán ser reescritos. Al presentar los resultados para diferentes casos, los gráficos son superiores a las tablas. El cuerpo del informe debe ser corto, enfatizando solo los resultados y explicando por qué los resultados presentados son óptimos. El apéndice del informe debe contener detalles de cálculos que sean fáciles de seguir. Los cálculos que no se pueden seguir fácilmente perderán crédito. La salida de computadora sin explicaciones detalladas no es apropiada; Los cálculos cuidadosamente escritos a mano son los mejores. El informe escrito debe presentarse el viernes 24 de abril de 2009 a las 3:00 pm. Los informes finales se pueden presentar antes del lunes 27 de abril de 2009, al comienzo de la clase, pero recibirán una deducción automática de dos letras. Habrá presentaciones orales de los resultados del proyecto en la clase CHE 202 el lunes 27 de abril de 2009. Las presentaciones orales continuarán el 29 de abril de 2009, ya que probablemente no podamos completar todas las presentaciones el 27 de abril de 2009. Las pautas de presentación oral ser proporcionado en un documento separado. Habrá una revisión del proyecto en la clase CHE 230 el jueves 30 de abril de 2009. Cualquier persona que no participe en este proyecto recibirá automáticamente una F para ChE 202 y ChE 230, independientemente de los otros grados obtenidos en estas clases. Calificación La calificación del informe para cada clase se basará en el contenido técnico pertinente a esa clase, que incluye la respuesta a las preguntas durante la presentación oral (50%); el contenido técnico general, incluido el pertinente a la otra clase (10%); la presentación oral (20%); y el informe escrito (20%). Las calificaciones para la presentación oral y el informe escrito incluirán la calidad de la escritura o la presentación oral y la adhesión al formato prescrito. Las calificaciones para la presentación oral y el informe escrito serán 27

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calificaciones compuestas para todo el equipo. Por lo tanto, se recomienda la preparación del grupo y la retroalimentación. Los documentos en el siguiente sitio web proporcionan una indicación de los atributos esperados de un informe de diseño escrito y una presentación oral. http://www.che.cemr.wvu.edu/ugrad/outcomes/rubrics/index.php Los grupos Trabajará en este proyecto en grupos de 3 o 4. Más detalles sobre la formación de grupos y la evaluación entre pares se tratarán en clase. Revisiones: Al igual que con cualquier problema abierto, es decir, un problema sin una sola respuesta correcta, la declaración del problema anterior es deliberadamente vaga. Existe la posibilidad de que, mientras trabaja en este problema, sus preguntas requerirán revisiones y / o aclaraciones. Debe tener en cuenta que estas revisiones / aclaraciones pueden llegar en breve. Referencias 1. Felder, R. M. y R. W. Rousseau, Principios elementales de procesos químicos (3ª ed.), Wiley, Nueva York, 2005. 2. Base de datos Chemcad, Chemcad 6.1, Chemstations, Inc., Houston, TX.

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Ingeniería de Separaciones y Reacciones Proyecto de diseño Producción de amoníaco Su tarea es continuar evaluando los detalles de un proceso para producir 50,000 toneladas de Amoniaco por año a partir de gas de síntesis. Este bucle de síntesis de amoniaco se integrará con un proceso más grande que convierte el carbón en gas de síntesis (syngas), ajusta la composición de la syngas, y produce amoniaco. El amoníaco es uno de los cinco principales productos químicos producidos por la industria química se utiliza como materia prima para óxidos de nitrógeno y fertilizantes, entre otros productos. Como parte final del estudio de viabilidad, nos gustaría que estudiara los detalles del reactor y la sección de separación de la planta propuesta y luego optimizar el proceso completo. Su diseño final debe ser un proceso optimizado y debe incluir todas las operaciones de la unidad necesario para producir la cantidad y pureza deseadas de amoniaco. Reacción química Para proporcionar una estimación inicial de la integración del bucle de síntesis de amoníaco en el proceso general, se supone que la alimentación de gas de síntesis se ha tratado previamente para producir cantidades estequiométricas de nitrógeno e hidrógeno. El syngas está disponible a 1000 kPa y 200 ° C. Las especificaciones de alimentación de gas de síntesis son 24,4% en moles de nitrógeno, 73,3% en moles de hidrógeno, 2,3% en moles de metano y 5,6 ppm de dióxido de carbono. En el tratamiento previo, los compuestos que contienen oxígeno, como el CO 2, deben eliminarse, porque las cantidades superiores a 10 ppm en el reactor envenenan el catalizador. Un método para lograr esto es por metanación, de ahí las pequeñas cantidades de metano en el gas de síntesis. Si se debe eliminar el dióxido de carbono de la alimentación del proceso, se recomienda el uso de disolventes monoetanolamina o dietanolamina (pura o disuelta en agua). El solvente se puede recuperar por decapado. Estas aminas pueden requerir materiales de construcción no típicos. La reacción es reversible y descrita por: N 2  3H 2  2 NH3 La cinética detallada de la reacción se describe en el Apéndice 2. La corriente de producto de amoníaco debe tener un contenido de amoníaco de más de 99.9% en peso como un líquido que puede ser bombeado a una instalación de carga de rieles cercana. Para información adicional sobre la producción de amoniaco, consulte la literatura. Se sugieren algunas posibilidades.1,2 Se recomienda encarecidamente que lea sobre la producción de amoníaco antes de continuar con esta tarea. Muchos precios de los productos químicos están disponibles en http://www.icis.com/StaticPages/a-e.htm. El valor de syngas es de $ 0.10 / kg. 29

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Asignaciones especificas 1. Diseño de separaciones - (ChE 312) Usted debe determinar el número de columnas de destilación requeridas, sus ubicaciones, su secuencia y la información suficiente para que cada columna determine sus costos. La columna de destilación que purifica el amoníaco debe diseñarse en detalle. El diseño detallado de una torre de bandejas incluye el número de bandejas, el espaciado de las bandejas, el diámetro, la relación de reflujo, la altura de la presa, las especificaciones de presión superior e inferior, y el diseño de equipos auxiliares (intercambiadores de calor, bomba, tambor de reflujo, si están presentes). Un diseño detallado de una torre empacada incluye altura, tamaño y tipo de empaque, y las mismas otras especificaciones que en una torre de bandeja. Para todas las columnas de este proyecto, puede suponer que HETP = 0,6 m. Para la columna de destilación, se debe determinar la mejor opción económica entre una torre empacada y una bandeja. Para una columna de destilación empaquetada o de bandeja, se debe determinar la relación de reflujo óptima. Tenga en cuenta que una torre consiste en un recipiente con partes internas (bandejas o embalaje). Las restricciones en un barco son típicamente una relación de altura a diámetro inferior a 20. Sin embargo, es posible extender esta relación a 30 siempre que la torre tenga menos de aproximadamente 3 pies (1 m) de diámetro. Para torres de mayor diámetro, las tensiones causadas por el viento limitan la altura real. Se necesitan soportes adicionales para una relación altura-diámetro por encima de 20, incluso para columnas de diámetro más pequeño. Por lo tanto, hay una "penalización" en el costo de capital de un 25% adicional (solo en el barco) hasta una relación de 25, y una "penalización" de un 100% adicional hasta una relación de 30. Debe elegir las presiones de operación para cada columna sujeto a las restricciones de temperatura de operación y servicios públicos disponibles. Si se necesitan columnas de vacío, la caída de presión se convierte en una preocupación importante. Como alternativa a las torres de bandejas, se pueden usar torres empacadas con un empaque estructurado de baja caída de presión. El factor de embalaje como se define en Wankat3, p. 336, es que para Koch Flexipac # 2. Suponga que el HETP para el empaque estructurado es de 0.6 m (consulte la definición de HETP en Wankat3, pág. 332, y la relación entre HETP y HOG en la Ecuación (15.36) en Wankat3.), Y que la caída de presión es 0.2 kPa / m (0.245 pulgadas de agua / pie).

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2. Diseño del reactor - (ChE 325) Se pueden considerar varios tipos de reactores para su uso en este diseño. Son un reactor de lecho empacado adiabático (una serie de estos con enfriamiento entre etapas, si es necesario), un reactor de lecho empacado "isotérmico" y un reactor de lecho empacado con intercambio de calor. Un reactor "isotérmico" se define aquí como uno con una temperatura de salida específica, no necesariamente la temperatura de entrada, y se necesita algún tipo de intercambio de calor para agregar o eliminar el calor de reacción para mantener la temperatura constante. Chemcad modelará todo el reactor como "isotérmico" a esa temperatura. Debe entenderse que esta situación no es físicamente realista. En un reactor con intercambio de calor, la temperatura a lo largo del reactor de lecho empacado no es constante. La temperatura se puede controlar variando la temperatura y el caudal del fluido de transferencia de calor, el área de transferencia de calor y la relación catalizadora / inerte. El fluido de transferencia de calor sugerido es Dowtherm A ™. Si se usa un fluido de transferencia de calor, se hace circular en un circuito cerrado a través del reactor donde su temperatura aumenta (si la reacción es endotérmica) o disminuye (si la reacción es exotérmica). Luego, se agrega (elimina) el calor del fluido en un intercambiador de calor (o calentador encendido, si es necesario). El fluido de transferencia de calor se bombea de nuevo al reactor. Las propiedades del Dowtherm A ™ se pueden obtener de Chemcad. Para su mejor caso, debe incluir una discusión de los perfiles de temperatura, presión y concentración obtenidos de Chemcad. Otra información Se debe asumir que un año equivale a 8000 horas. Esto es aproximadamente 330 días, lo que permite el cierre y el mantenimiento periódicos. Entregables General El proceso completo de amoníaco debe optimizarse utilizando las variables de decisión de su elección. Las variables de decisión deben elegirse como aquellas que afectan más fuertemente la función objetivo. Hay optimización topológica y optimización paramétrica. En la optimización topológica, que generalmente se hace primero, se elige la mejor configuración de proceso. La optimización paramétrica implica variables de operación y debe realizarse después de que se complete la optimización topológica. Algunos ejemplos de parámetros que pueden usarse como variables de decisión son la temperatura del reactor, la presión, la conversión y la relación de reflujo de la columna de destilación. 31

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Análisis Económico Al evaluar casos alternativos, se debe utilizar la función objetivo equivalente de costo operativo anual (EAOC). La EAOC se define como EAOC = - (valor del producto - costo de alimentación - costos de servicios públicos - costo de tratamiento de desechos - anualidad de costos de capital) Un EAOC negativo significa que hay un beneficio. Es deseable minimizar la EAOC; es decir, un gran EAOC negativo es muy deseable. La anualidad del costo de capital es un costo anual (como el pago de un automóvil) asociado con el costo fijo único de la construcción de la planta. La anualidad del costo de capital se define de la siguiente manera: capital cost annuity  FCI

i(1  i) n (1  i) n  1

(5)

Donde FCI es el costo instalado de todo el equipo; i es la tasa de interés (toma i = 0.15) y n es la vida útil de la planta para fines contables (toma n = 10). Otra información A menos que se indique específicamente en clase, la información en este documento es válida solo para este proyecto. Cualquier información en los proyectos de segundo año que no se indique específicamente en este documento no es válida para este proyecto. Entregables Informes escritos Cada grupo debe entregar un informe escrito utilizando un procesador de textos. Se deben enviar dos copias idénticas, una para cada instructor. Los informes escritos del proyecto deben presentarse antes de las 11:00 a.m. del miércoles 21 de abril de 2010. Los proyectos que se presenten tarde recibirán una deducción mínima de una letra. El informe debe ser claro y conciso. Para obtener la información de formato correcta, consulte el documento titulado Informes de diseño por escrito. El informe debe contener un diagrama de flujo de proceso (PFD) etiquetado y una tabla de flujo, cada uno en el formato apropiado. El software preferido para preparar PFDs es Corel Draw. Un PFD de 32

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Chemcad es inaceptable; sin embargo, debe incluirse en el apéndice junto con un informe de Chemcad para el caso base. La figura 1 debe utilizarse como plantilla para su PFD. Al presentar los resultados para diferentes casos, los gráficos son superiores a las tablas. Para el caso óptimo, el apéndice del informe debe contener detalles de cálculos que sean fáciles de seguir. Estos pueden ser escritos a mano si se hace cuidadosamente. Alternativamente, se pueden incluir hojas de cálculo de Excel, pero estas deben estar bien documentadas para que el lector pueda interpretar los resultados. Los cálculos que no se pueden seguir fácilmente y que no se explican perderán crédito. Dado que este proyecto involucra dos "mini diseños", se sugiere que el informe se organice con las siguientes secciones. Debe haber un resumen general y una introducción. Luego, debe haber una sección de resultados seguida de una sección de discusión para cada uno de los componentes principales de este proyecto de diseño, a saber, el diseño del reactor y la estrategia de separación. Conclusión general y las secciones de recomendación deben seguir. Como mínimo, debe haber apéndices separados para cada clase, ChE 312 y ChE 325, cada uno con cálculos detallados claramente escritos, fáciles de seguir y apropiados para la clase correspondiente. Para evaluar las habilidades de escritura de cada miembro del grupo, los miembros del grupo deben escribir las secciones de resultados y discusión de cada mini diseño. La autoría de cada uno de estos mini informes debe estar claramente especificada en el informe. Aunque las partes individuales escritas de los informes deben ser creadas por un solo miembro del grupo, es la intención de los instructores que los miembros del grupo se ayuden entre sí para escribir diferentes secciones. Para este fin, le recomendamos que busque información, como revisión y crítica, de otros miembros de su grupo. Los informes serán evaluados de la siguiente manera: • Contenido técnico específico del curso - 50% • Presentación oral - 20%. • informe escrito - 20% • calidad técnica de las secciones generales (seguridad, simulación, etc.) - 10% Para obtener un conjunto más detallado de criterios de evaluación que usaremos, consulte el siguiente sitio web (evaluación del proyecto de diseño, evaluación del informe oral, evaluación del informe escrito): http://www.che.cemr.wvu.edu/ugrad/outcomes/rubrics/index.php Cada informe será evaluado por separado por ambos instructores. Un relato histórico de lo que hizo cada grupo no es requerido ni requerido. Los resultados y las explicaciones deben ser los necesarios para justificar sus elecciones, no una letanía de todo lo que se intentó. Cada mini informe debe limitarse a 4-5 páginas de espacio doble más figuras y tablas.

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Este informe debe cumplir con las directrices del Departamento. Debe estar encuadernado en una carpeta que no esté sobredimensionada en relación con el número de páginas en el informe. Las figuras y tablas deben incluirse según corresponda. El informe escrito es una parte muy importante de la tarea. Los informes escritos mal escritos y / u organizados pueden requerir una nueva escritura. Asegúrese de seguir el formato descrito en las pautas para los informes escritos. No seguir el formato prescrito puede ser motivo para una reescritura. La siguiente información, como mínimo, debe aparecer en el cuerpo principal del informe final: 1. un PFD generado por computadora (no un PFD de Chemcad) para el caso óptimo recomendado, 2. Una tabla de flujo que contiene los elementos habituales, 3. una lista de nuevos equipos para el proceso, costos y especificaciones del equipo (presentado con un número razonable de cifras significativas), 4. una tabla resumen de todas las utilidades utilizadas, 5. un resumen claro de las alternativas consideradas y una discusión, apoyada con figuras, de por qué la alternativa elegida es superior, 6. Un análisis económico claro que justifique el caso recomendado. 7. una sección de discusión pertinente a cada clase más una sección de discusión general para optimizar todo el proceso 8. un informe de Chemcad solo para su caso optimizado (en el Apéndice). Esto debe contener la conectividad del equipo, la termodinámica y las portadas de balance de materiales en general; flujos de arroyos; resúmenes de equipos; perfiles de torre; y especificaciones de diseño de la bandeja (embalaje) (si utiliza Chemcad para diseñar las bandejas (embalaje)). No debe contener propiedades de flujo. No se solicitará la salida faltante de Chemcad; El crédito se deducirá como si faltara la información. Informes orales Cada grupo dará un informe oral en el que los resultados de este proyecto se presentarán de manera concisa. El informe oral debe durar entre 15 y 20 minutos, y cada miembro del grupo debe hablar. Cada miembro del grupo debe hablar solo una vez. Seguirá una sesión de preguntas y respuestas de 5 a 10 minutos, y todos los miembros deben participar. Consulte el documento titulado Informes orales para obtener instrucciones. Las presentaciones orales serán el miércoles 21 de abril de 2010, de 11:00 a.m. a 1:00 p.m. Se requiere la asistencia de todos los estudiantes durante las presentaciones de sus 34

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compañeros de clase (esto significa en la sala, no en el pasillo o en la sala de computadoras). El no asistir a cualquiera de las sesiones requeridas anteriormente resultará en una disminución de la calificación de una letra (por ocurrencia) de su calificación del proyecto en ChE 312 y CHE 325. Equipos Este proyecto se completará en equipos de 3 o 4. Más detalles sobre la formación de grupos y la evaluación entre pares se discutirán en clase. Revisiones Al igual que con cualquier problema abierto (es decir, un problema sin una sola respuesta correcta), la declaración del problema anterior es deliberadamente vaga. Existe la posibilidad de que, mientras trabaja en este problema, las preguntas de la clase requerirán revisiones y / o aclaraciones de la declaración del problema. Debe tener en cuenta que estas revisiones / aclaraciones podrían llegar en breve.

Apéndice 2 Información sobre la cinética de reacción La principal reacción en la síntesis catalítica del amoníaco es N 2  3H 2  2 NH3 Se ha informado que el análisis experimental del rendimiento de este catalizador proporciona la siguiente expresión para la velocidad neta de reacción del nitrógeno: p N p1H.52 p NH 2  rN 2  k f  kr 1.53 pH 2 p NH 3

donde kf y kr son las constantes de velocidad de reacción para las reacciones directa e inversa, las unidades de velocidad son kmol / (m3 catalizador hr), la presión parcial está en atm, y la constante de gas está en kcal / mol. En Chemcad, eligió la energía de activación en kcal, el volumen en m3, el flujo molar en kmol, el flujo de masa en kg y la unidad de tiempo de hr. Las constantes de velocidad se informaron de la siguiente manera:  17,307  k f  582.3 exp  RT    40,765  k r  1.77  1014 exp  RT   donde la energía de activación se da en kcal / kmol y la temperatura está en grados Kelvin. El catalizador se promueve óxido de hierro, con una gravedad específica de 2.6 y una fracción de vacío de empaque de 0.44. Recuerde que las unidades requeridas en Chemcad para la velocidad de reacción son kmol / m3reactor hr.

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Es posible que desee considerar varias configuraciones de reactor. Algunas configuraciones sugeridas son lecho empacado de envoltura y tubo con remoción de calor, reactor adiabático y lechos empacados adiabáticos en etapas con interenfriamiento. Hay otras posibilidades.

Mecánica de fluidos, transferencia de calor, termodinámica Proyecto de diseño Producción de amoníaco Su tarea es continuar evaluando los detalles de un proceso para producir 50,000 toneladas / año de amoníaco a partir de una alimentación de gas de síntesis. Esta es la cantidad de amoníaco en la corriente del producto, no la masa total de la corriente del producto. En la Figura 1 se muestra un diagrama de flujo de proceso de caso base (PFD). Debe usar esto como punto de partida. Su tarea es completar los mini diseños descritos más adelante en este documento. Reacción química Syngas está disponible en una tubería a 1000 kPa y 200 ° C. Se mezcla con una corriente de reciclaje, se comprime y se calienta o se enfría a 350 ° C para alimentar al reactor. El reactor funciona adiabáticamente. El efluente del reactor se enfría, la presión se reduce mediante una válvula, lo que produce una condensación parcial y produce una corriente de líquido rico en amoníaco. El producto líquido de amoníaco se encuentra en la Corriente 10. Parte de la Corriente 11 se recicla y otra se purga. La reacción que se produce en el reactor es reversible. N 2  3H 2  2 NH 3 Esta es una reacción de equilibrio, y la constante de equilibrio en un amplio rango de temperaturas viene dada por 11,806  K  3.29  10 12 exp   T  Las unidades de K son atm-2. En el reactor, hay un acercamiento de 10 ° C al equilibrio. Detalles del proceso Corriente de alimentación y corrientes de efluentes Corriente 1: gas de síntesis - a 200 ° C y 1000 kPa - contiene 72% en moles de H2, 24% en moles de N2 y 4% en moles de CH4 Corriente 10: producto de amoniaco - 50,000 ton / año - un año es 8000 horas

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Corriente 12: purga utilizada como combustible-gas en el horno - no hay crédito para esta corriente.

Información del equipo de caja base Compresores (C-601 / C-602) Estos comprimen la alimentación a una presión suficiente para que la entrada del reactor esté a 15,000 kPa. El compresor consta de dos etapas con relaciones de compresión idénticas. Los compresores son adiabáticos con una eficiencia del 65%. Intercambiador de calor (E-601) Este es un intercooler, enfriando la corriente de alimentación a 50 ° C utilizando agua de refrigeración. La caída de presión es de 35 kPa. Como los compresores no se llevan bien con los líquidos, tanto la alimentación como la salida de este intercambiador de calor deben ser 100% de vapor. Intercambiador de calor (E-602) Este intercambiador de calor calienta o enfría la alimentación del reactor a 350 ° C. La caída de presión es de 35 kPa.

Reactor (R-601) Este es un reactor de lecho empacado adiabático. La presión de entrada es de 15.000 kPa. Este reactor debe simularse en Chemcad utilizando el módulo de reactor de equilibrio. La 37

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unidad de presión debe especificarse como atm. El acercamiento al equilibrio es de 10 ° C, y la caída de presión es de 50 kPa. Intercambiador de calor (E-603) Este intercambiador de calor enfría y condensa parcialmente el efluente del reactor. La temperatura del efluente de la caja base es de 15 ° C y se utiliza agua refrigerada. La caída de presión es de 35 kPa. La válvula subsiguiente reduce la presión que entra en el flash a 1050 kPa. Vaso (V-601) Este recipiente separa los gases ligeros del amoníaco en las condiciones de la Corriente 9. La caída de presión a través del recipiente es de 25 kPa, lo que permite una caída de presión adicional de 25 kPa para la corriente de reciclaje. Esta embarcación debe simularse en Chemcad como un separador de flash con modo cero. El vapor sale por la corriente superior y el líquido sale por la corriente inferior. Suponga un tiempo de residencia líquido de 10 minutos por consideraciones de tamaño. Esto significa que la velocidad de flujo de la corriente de líquido que sale de la Corriente 10 se utiliza para calcular un volumen. Luego, este volumen se duplica para dejar espacio para que el vapor se desprenda del líquido. Si necesita determinar el costo de este barco, suponga que es un barco vertical. La relación de reciclaje / purga posterior es 9/1 en el caso base. Asignación La tarea consiste en los siguientes "mini diseños". 1. Mecánica de fluidos y termodinámica - (ChE 310 y ChE 320) Problema de diseño Usted debe optimizar el diseño de la sección de alimentación del proceso, que incluye los compresores de alimentación, el intercooler y los flujos 1-5. Las condiciones de flujo deben tomarse de la simulación de caso base realizada en la Sección 5. Para el intercambiador E-601, se requiere un diseño detallado (Mini-Diseño # 2). Para la parte de optimización, las áreas de transferencia de calor (y los costos posteriores) pueden estimarse utilizando un coeficiente de transferencia de calor global de 60 W / m2 /C. Para el diseño final y detallado del intercambiador de calor (E-601), Mini-Design # 2, se deben calcular los coeficientes de transferencia de calor. La función objetivo para la optimización debe ser el costo operativo anual equivalente (EAOC, $ / y) solo para esta sección, que se define como: A  EAOC  CAP , i, n   AOC P  donde CAP ($) es la inversión de capital para los compresores, el intercambiador de calor y la tubería, AOC ($ / y) es el costo operativo anual, que incluye los costos de servicios públicos para el intercambiador de calor y los compresores, y

i1  i A   , i, n  P  1  i n  1 n





donde i = 0.15 (tasa de rendimiento del 15%) y n = 10 (vida vegetal de diez años).

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Los costos de los componentes de las tuberías y el intercambiador de calor se indican en el Apéndice. Se debe determinar el diámetro óptimo de la tubería y el número programado de cada corriente, el área del intercambiador de calor, el tamaño / paso del tubo del intercambiador de calor y la función del compresor que minimiza el EAOC. Para flujos sin cambio de fase, las caídas de presión para cada intercambiador pueden estimarse a partir de: 15 kPa para el fluido del lado de la carcasa si 1 pulgada 16 tubos BWG a 1.25 pulgada cuadrada. 35 kPa para el fluido del lado del tubo si son tubos BWG de 1 pulgada 16. Para otras configuraciones, las caídas de presión se pueden obtener mediante los métodos de escalado ilustrados en la clase CHE 310. Para E-601, que se diseñará en detalle, las caídas de presión aproximadas se pueden usar en los cálculos para determinar el diámetro óptimo de la tubería. Sin embargo, en el diseño detallado del intercambiador de calor, las caídas de presión deben calcularse utilizando las relaciones apropiadas. Para evaluar la cantidad y el costo de las tuberías requeridas para el mini diseño, se puede suponer que C-601, E-601 y C-602 están a nivel (nivel del suelo). C-601 se ubica a 3 m de longitud equivalente desde el punto de mezcla para las corrientes 1 y 13 con el punto de mezcla 1 m por encima del nivel. La línea de succión para cada compresor está 0,5 m por encima del nivel, y la línea de descarga para cada compresor es 1,5 m por encima del nivel. La longitud equivalente de la tubería para la Corriente 2 es de 3 m, la longitud equivalente de la tubería para la Corriente 3 es de 4 m, la longitud equivalente de la tubería para la Corriente 4 es de 2 m, y la longitud equivalente de la Corriente 5 es de 3 m. Solo para este diseño pequeño, se puede suponer que tanto el E-601 como el E-602 son horizontales, 1-2 intercambiadores, con la alimentación 1.5 m por encima del grado y la descarga 0.5 m por encima del grado. 2. Transferencia de calor - (ChE 311) Diseño de Intercambiador de Calor, E-601. Se requiere un diseño detallado de E-601 para las condiciones del caso base. Se debe suponer que el agua de refrigeración está disponible en las condiciones especificadas en el Apéndice de esta declaración de problema. Para este diseño de intercambiador de calor, se debe proporcionar la siguiente información: • Diámetro de la concha • Número de pases de tubos y carcasas. • Número de tubos por pasada • Inclinación y disposición del tubo (triangular / cuadrado)

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• Número de deflectores del lado de la carcasa, si los hay, y su disposición (espaciado, paso, tipo) • Diámetro, espesor de la pared del tubo, grosor de la pared de la carcasa y longitud de los tubos • Cálculo de los coeficientes de transferencia de calor de la película del lado de la carcasa y del tubo • Cálculo del coeficiente de transferencia de calor global (puede suponer que no hay incrustaciones en ninguno de los lados del intercambiador) • Zona de transferencia de calor del intercambiador. • Caídas de presión en el lado de la carcasa y del lado del tubo (calculadas, no estimadas) • Materiales de construcción • Costo aproximado del intercambiador. Se debe incluir un esquema detallado del intercambiador junto con un conjunto de cálculos exhaustivos en un apéndice del mini-diseño. 3. Termodinámica - (ChE 320) Debe optimizar el sistema de flash y reciclaje, que incluye los flujos 8, 9, 11, 12 y 13 junto con C-601/602, E-601 y V-601. La función objetivo para la optimización debe ser el costo operativo anual equivalente (EAOC, $ / y) solo para esta sección, que se define como: A  EAOC  CAP , i, n   AOC P  donde CAP ($) es la inversión de capital para el equipo (incluye compresores, intercambiadores de calor, recipientes, etc.), AOC ($ / y) es el costo operativo anual (incluye los costos de servicios públicos para el compresor, así como el costo de alimentación del reactivo) y

i1  i A   , i, n  P  1  i n  1 n





donde i = 0.15 (tasa de rendimiento del 15%) y n = 10 (vida vegetal de diez años). Las variables de optimización pueden incluir, pero no se limitan a la presión y temperatura del recipiente, y la relación de reciclaje a purga. Los costos de equipo y materia prima, el valor del producto y la eficiencia del equipo se encuentran en el Apéndice. Además, la termodinámica de la mezcla de amoníaco-nitrógeno-hidrógeno-metano que entra en el recipiente flash debe modelarse con precisión. Las inexactitudes en la termodinámica del equilibrio vapor-líquido de esta mezcla pueden llevar a cálculos inexactos de la separación de fases y el costo general de la planta. Justifique su elección del paquete de termodinámica basándose en un examen de los diagramas T-xy de los pares de componentes a una variedad de posibles presiones de operación. 4. Informe de análisis de seguridad Al diseñar un proceso químico, es importante conocer las propiedades de los productos químicos que se consumen y producen en el proceso, así como el impacto de las 40

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condiciones extremas del proceso. Existe una documentación significativa de prácticas de seguridad en plantas de amoníaco. El propósito del informe de análisis de seguridad es hacer que la gerencia esté al tanto de los riesgos para el personal debido a las condiciones de operación extremas, así como a la inflamabilidad y toxicidad de todos los químicos consumidos o producidos en el proceso. Como mínimo, las MSDS (hojas de datos de seguridad y materiales) para todos estos productos químicos deben proporcionarse en un apéndice, y debe proporcionarse una breve discusión de las principales preocupaciones de cada producto químico como una sección separada del informe. Esta discusión debe incluir inquietudes generales y preocupaciones que son específicas de las condiciones de operación en este proceso. Además, se debe proporcionar una breve discusión de los posibles riesgos de seguridad para cada pieza del equipo en su proceso. Finalmente, se debe explicar una característica de su diseño de proceso que aborde una de estas preocupaciones. 5. Chemcad / mejoras de proceso Se debe proporcionar una simulación de Chemcad del caso base del proceso que se muestra en la Figura 1. Se pueden sugerir mejoras en los procesos que no violen las leyes de la física. Se debe proporcionar una explicación de las razones de tales mejoras del proceso, incluido un análisis económico, si es posible. Dado que no hay costo de reactor disponible en este momento, se puede omitir de cualquier análisis económico. Como el reactor es efectivamente una constante, el óptimo no se ve afectado, pero la EAOC está desactivada por un valor constante. Otra información Se debe asumir que un año equivale a 8000 horas. Esto es aproximadamente 330 días, lo que permite el cierre y el mantenimiento periódicos. Plan de ataque sugerido El análisis de seguridad puede comenzar tan pronto como se distribuya el proyecto. Un buen lugar para encontrar hojas de MSDS es http://siri.org. La simulación de Chemcad también se puede hacer de inmediato. Una vez que se realiza la simulación de Chemcad, se puede diseñar el intercambiador de calor. El diseño de la mecánica de fluidos / termodinámica y el diseño de la termodinámica se pueden completar a continuación. El análisis de equilibrio vapor-líquido no debe intentarse hasta que ese material esté cubierto en la clase de termodinámica. Entregables Informes escritos Cada grupo debe entregar un informe escrito utilizando un procesador de textos. Se deben enviar tres copias idénticas, una para cada instructor. Los informes escritos del proyecto para todos los grupos, independientemente de la fecha de presentación, deben presentarse antes de las 11:00 a.m. del jueves 3 de diciembre de 2009. Los proyectos que se presenten tarde recibirán un mínimo de una deducción de una letra. El informe debe ser claro y conciso. Para obtener la información de formato correcta, consulte el documento titulado Informes de diseño por escrito. El informe debe contener un diagrama de flujo de proceso (PFD) etiquetado y una tabla de flujo, cada uno en el formato apropiado. El software preferido para preparar PFDs es Corel Draw. Un PFD de Chemcad es inaceptable; sin embargo, debe incluirse en el apéndice junto con un informe 41

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de Chemcad para el caso base. La figura 1 debe utilizarse como plantilla para su PFD. Al presentar los resultados para diferentes casos, los gráficos son superiores a las tablas. Para el caso óptimo, el apéndice del informe debe contener detalles de cálculos que sean fáciles de seguir. Debe haber apéndices separados para cada "mini-proyecto". Estos pueden ser escritos a mano si se hacen de manera ordenada. Alternativamente, se pueden incluir hojas de cálculo de Excel, pero estas deben estar bien documentadas para que el lector pueda interpretar los resultados. Los cálculos que no se pueden seguir fácilmente y que no se explican perderán crédito. Dado que este proyecto involucra "mini diseños", se sugiere que el informe se organice de la siguiente manera. Debe haber un resumen general, que resuma los resultados de su trabajo, enfatizando lo que encontró, no lo que hizo. También debe haber una introducción que oriente al lector al problema. Luego, debe haber una sección de resultados seguida de una sección de discusión para cada "mini diseño". Deben seguirse las secciones generales de conclusiones y recomendaciones. Como mínimo, debe haber un apéndice para cada uno de los "mini diseños" con cálculos detallados que están claramente escritos y son fáciles de seguir. Para evaluar las habilidades de escritura de cada miembro del grupo, los miembros del grupo deben escribir las secciones de resultados y discusión de cada mini diseño. La autoría de cada uno de estos mini informes debe estar claramente especificada en el informe. Aunque las partes individuales escritas de los informes deben ser creadas por un solo miembro del grupo, es la intención de los instructores que los miembros del grupo se ayuden entre sí para escribir diferentes secciones. Para este fin, le recomendamos que busque información, como revisión y crítica, de otros miembros de su grupo. Los informes serán evaluados de la siguiente manera: • Contenido técnico específico del curso - 50% • Presentación oral - 20%. • Informe escrito - 20% • Calidad técnica de las secciones generales (seguridad, simulación, etc.) - 10% Para obtener un conjunto más detallado de criterios de evaluación que usaremos, consulte el siguiente sitio web (evaluación del proyecto de diseño, evaluación del informe oral, evaluación del informe escrito): http://www.che.cemr.wvu.edu/ugrad/outcomes/rubrics/index.php Cada informe será evaluado por separado por cada uno de los tres instructores. Un relato histórico de lo que hizo cada grupo no es requerido ni requerido. Los resultados y las explicaciones deben ser los necesarios para justificar sus elecciones, no una letanía de todo lo que se intentó. Cada mini informe debe limitarse a 4-5 páginas de espacio doble más figuras y tablas. Informes orales Cada grupo dará un informe oral en el que los resultados de este proyecto se presentarán de manera concisa. El informe oral debe durar entre 15 y 20 minutos, y cada miembro del grupo debe hablar. Cada miembro del grupo debe hablar solo una vez. Seguirá una sesión de preguntas y respuestas de 5 a 10 minutos, y todos los miembros deben participar. Consulte el documento titulado Informes orales para obtener instrucciones. Las presentaciones orales serán el jueves 3 de diciembre de 2008, de 11:00 a.m. a 2:00 p.m. y 42

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el viernes 4 de diciembre de 2009, de 11:00 a.m. a 1:00 p.m. Se requiere la asistencia de todos los estudiantes durante las presentaciones de sus compañeros de clase (esto significa en la sala, no en el pasillo o en la sala de computadoras). Si no asiste a cualquiera de las sesiones requeridas anteriormente, se reducirá la calificación de una letra (por ocurrencia) de su calificación de proyecto en ChE 310, ChE 311 y ChE 320. Cualquier persona que no presente con su grupo es sujeta a una deducción mínima de una letra de la calificación del proyecto. Revisión del proyecto Habrá una revisión del proyecto a las 11:00 a.m. el viernes 11 de diciembre de 2009. Se espera la asistencia. Equipos Este proyecto se completará en equipos de 3 o 4. Más detalles sobre la formación de grupos y la evaluación entre pares se discutirán en clase. Revisiones Como con cualquier problema abierto; es decir, un problema sin una sola respuesta correcta, la declaración del problema anterior es deliberadamente vaga. Existe la posibilidad de que, a medida que avanza el proyecto, las preguntas de la clase requieran revisiones y / o aclaraciones. Es importante tener en cuenta que estas revisiones / aclaraciones pueden llegar en breve.

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ANÁLISIS DE LA INVERSIÓN DE UNA PLANTA DE AMONIACO El costo adquirido se obtuvo a partir del CHEMCAD para el costo de cada equipo:

Cantidad 1 1 1 1 1 1

Costos de equipo de una planta de amoniaco Equipo Intercambiador de calor E-601 Intercambiador de calor E-602 Reactor (R-601) Compresor C-601 Compresor C-602 Vessels V-601 Costo total de equipo adquirido

Costo 100071 105526 750000 509478 680256 41000 2186331

La inversión de capital para diferentes rubros se estima haciendo uso de la tabla Nº 17 de Lang, tomando como base el costo del equipo adquirido (para una planta que procesa fluidos) Según la tabla Nº 17 Costos Directos 2186331 1027576 393540 1442978 240496 393540 218633 1530432 131180

Equipo adquirido Instalación de equipo adquirido Instrumentación y controles Cañerías y tuberías Instalaciones eléctricas Obras civiles Mejoras de terreno Instalaciones de servicio Terreno Costo directo total de la planta

7564705 Costos Indirectos 721489 896396 1617885

Ingeniería y supervisión Gastos de construcción Costo indirecto total de la planta Total de costos directos e indirectos de la planta Horarios de contratista

9182590 459130

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Eventuales

918259

Inversión de capital fijo

10559979

Capital de trabajo

2295211

Inversión total de capital

15301405

CUADRO 1 Capacidad instalada (TN/año) día/mes mes/año Gastos pre operativos

50000 30 días 11 meses 400000

CUADRO 2: PROFORMA DE VENTAS Y PRODUCCION Precio de venta de amoniaco($/TN) 600 Ventas Ventas Producción Total Exteriores Locales años Capacidad 65% 35% (TN/año) 1 60% 19500 10500 30000 2 75% 24375 13125 37500 3 80% 26000 14000 40000 4 90% 29250 15750 45000 5 a 10 90% 29250 15750 45000 Precio ponderado 585

CUADRO 3: PLAN DE INVERSION Y FINANCIAMIENTO inversión aporte propio crédito Concepto total ($) 60% 40% Inversión fija 10559979 6335987 4223991 Capital de trabajo 2707337 2707337 Intereses pre operativos 570239 570239 Total 13837554 6906226 6931328 45

Ventas ($/año) 18000000 22500000 24000000 27000000 27000000

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CUADRO 4: ESTRUCTURA DE COSTO VARIABLE UNITARIO insumos unidad consumo/producto precio de insumo hidrogeno lb 0.18 0.72 nitrógeno lb 0.82 0.02 combustible galones 0.30 0.50 costo de ventas 5% Precio ponderado

CVU 0 0 0 Total

CUADRO 5: COSTOS FIJOS OPERATIVOS Concepto mensual Nº anual ($) planilla 140000 14 1960000 otros gastos 120000 12 1440000 depreciación 382608 amortización 194048 Costos fijos 3976656 operativos

Cálculos Auxiliares 1) Por depreciación edificios maquinas gastos de mantenimiento

393540 2186331 721489

2) Por amortización intangible gastos pre operativos interés pre operativo

400000 570239

% 5% 10% 20% total

D 19677 218633 144298 382608

20% 20% Total

80000 114048 194048

CUADRO 6: CAPITAL DE TRABAJO ESTRUCTURAL Base de operación 2 meses Producción anual 1er año 30000 Para 2 meses 5455 CVU 392 Necesidad de fondos Para cubrir CV 2140670 Para cubrir CF efectivo 566667 Capital de trabajo 2707337 46

CVU ($/TN) 286 36 41 29 392

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CUADRO 7: CREDITO Monto: Interés Plazo Desembolso Principal Interés Semestres 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Interés pre operativo

Monto Interés Pago Principal Interés

4223991 18% liquido semestralmente 10 semestres. Incluye 4 semestres de periodo de gracia 50% al inicio 50% a la mitad de la obra 703999 9% Programa de Pagos y Amortización Capital adeudado Interés Principal Serv. Deuda 2111996 0 0 0 4223991 190080 0 190080 4223991 380159 0 380159 4223991 380159 0 380159 4223991 380159 703999 1084158 3519993 380159 703999 1084158 2815994 316799 703999 1020798 2111996 253439 703999 957438 1407997 190080 703999 894078 703999 126720 703999 830718 0 63360 3436439 3499799 570239

CUADRO 8: CREDITO. CAPITAL DE TRABAJO 2707337 18% liquido semestralmente 6 semestres incluye 2 semestres de periodo de gracia 676834 9%

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Semestre 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Cap. Trabajo adeudado 0 0 2707337 2707337 2707337 2030503 1353668 676834 0 0 0

Interés

Principal

Serv. deuda

I

P

0 0 0 243660 243660 243660 182745 121830 60915 0 0

0 0 0 0 676834 676834 676834 676834 676834 0 0

0 0 0 243660 920495 920495 859579 798664 737749 0 0

0 0 0 623820 623820 623820 499545 375270 250995 126720 63360

0 0 0

CUADRO 9: CALCULO DEL PUNTO DE EQUILIBRIO Base para el 1er año de operación Concepto Donde: CF CVU P he % he

ℎ𝑒= 𝐶𝐹/(𝑃−𝐶𝑉𝑈)

costo fijo operativo costo variable unitario precio ponderado 20653 41.31%

CUADRO 10: COSTO TOTAL DEL PRODUCTO 1) Costo de manufactura 3) Gastos de ventas costo variable 363 costos variables costo fijo 126 costos fijos 2) Gastos administrativos 4) Gastos financieros costos variables 0 Costo total de producción costos fijos 6 ($/TN)

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29 42 567

1247639 1123364 626264 190080

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Impuesto a la renta AÑO producción ventas ($) TOTAL DE COSTOS costo variable costo fijo G. financieros total de costos UTILIDAD impuesto a la renta utilidad neta

CUADRO 11: ESTADO DE GANANCIA Y PERDIDAS 30% 1 30000 18000000

2 37500 22500000

3 40000 24000000

4 45000 27000000

5 45000 27000000

6 a10 45000 27000000

11773686 3976656 1247639 16997981 1002019 300606 701413

14717108 3976656 1123364 19817128 2682872 804862 1878011

15698248 3976656 626264 20301168 3698832 1109649 2589182

17660529 3976656 190080 21827265 5172735 1551821 3620915

17660529 3976656 0 21637185 5362815 1608844 3753970

17660529 3782608 0 21443137 5556863 1667059 3889804

Retorno sobre la inversión 𝑅= (∑24_(𝑖=1)^𝑛▒𝑈𝑁/𝑁)/𝐼 Donde: UN N I Entonces: R

utilidad neta años de vida inversión total 12%

49

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AÑO 1) Ingresos o ventas EGRESOS costos variables costos fijos impuesto a la renta 2) Total de egresos 3) Saldo de caja flujo financiero global 4) Servicio deuda 5) Saldo de caja final

1 2 3 4 5 6 a 10 18000000 22500000 24000000 27000000 27000000 27000000 11773686 14717108 15698248 17660529 17660529 17660529 3400000 3400000 3400000 3400000 3400000 3400000 300606 804862 1109649 1551821 1608844 1667059 15474292 18921969 20207898 22612350 22669374 22727588 2525708 3578031 3792102 4387650 4330626 4272412 1247639 1278069

1123364 2454666

TASA

15%

AÑO 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Saldo de caja -13837554 1278069 2454666 3165838 4197570 4330626 4272412 4272412 4272412 4272412 4272412

SE HALLA EL VAN SE HALLA EL TIR

2508696.14 19.40%

50

626264 3165838

190080 4197570

0 4330626

0 4272412

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ANEXOS

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