UNIVERSIDAD DE COSTA RICA

FACULTAD DE INGENIERÍA

ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA

Estudio de pre-factibilidad técnica y financiera para la fabricación de ácido

sulfónico utilizando azufre elemental como materia prima en las instalaciones

de una refinería de petróleo ubicada en Moín, Limón.

PROYECTO PRESENTADO A COSIDERACIÓN DE LA ESCUELA DE INGENIERÍA

QUÍMICA PARA OPTAR POR EL GRADO DE

LICENCIATURA EN INGENIERÍA QUÍMICA

MARCO UREÑA NARANJO

CIUDAD UNIVERSITARIA “RODRIGO FACIO”

2012

i

Proyecto de graduación presentado ante la Escuela de Ingeniería Química de la Universidad

de Costa Rica como requisito final para optar por el grado de Licenciatura en Ingeniería

Química

Sustentante:

Marco Antonio Ureña Naranjo

COMITÉ ASESOR

Presidente del Tribunal

M.Sc. Ing. Hernán Camacho Soto

Director, Escuela de Ingeniería Química UCR

_________________________________________________

Director del Proyecto

M.Sc. Ing. José Rubén Naranjo Sánchez

Profesor, Escuela de Ingeniería Química UCR

Miembro Asesor

M.Sc. Ing. Samuel Cubero Vargas

RECOPE

Miembro Asesor

Ing. Alberto Antillón Arroyo

Miembro Invitado

Lic. Jose Alberto Carpio Solano, M.B.A

Profesor, Escuela de Ingeniería Quimica UCR

CIUDAD UNIVERSITARIA RODRIGO FACIO

2012

ii

RESUMEN

El siguiente proyecto tiene como finalidad estudiar la factibilidad de producir ácido

sulfónico a partir del azufre elemental liberado del proceso de refinado de petróleo en

RECOPE, cuyo proyecto de ampliación y modernización de la Refinería en Moín, espera

un flujo de azufre de aproximadamente 2209 kg/h.

De acuerdo con el estudio de mercado se estima que la demanda en el país y en

Centroamérica es reducida, por lo que se proyecta exportar el producto a otras regiones

como Suramérica.

Se estudiaron dos procesos de producción cuya única diferencia era el componente

utilizado para llevar a cabo el proceso de sulfonación. Se determinó que el proceso más

adecuado es el que utiliza azufre elemental para obtener trióxido de azufre y a partir de este

compuesto llevar a cabo el proceso de sulfonación.

De acuerdo con los balances de materia realizados, se espera una producción diaria de

aproximadamente 18 toneladas de sulfonato sódico de dodecilbenceno lineal (producto

final) que corresponde a una producción anual aproximada de 155.000 toneladas.

La inversión de capital fija se estima en un valor de $11,8 millones. El capital de trabajo se

estima en $31,3 millones para un total de capital a invertir de $43,2 millones. Se realizó un

flujo de caja con el fin de determinar la rentabilidad del proyecto, para dos casos en

específico. En el primero se considera un financiamiento de un 70% por parte de un banco

estatal, mientras que el segundo caso no considera financiamiento.

Para el primer caso el proyecto es viable con un valor actual neto (VAN) de $115,7

millones, una tasa interna de retorno (TIR) de 32% y un índice de deseabilidad (ID) de

11,306. Para el segundo caso el proyecto mejora su rentabilidad con un VAN de $134

millones, una TIR de 37% y un ID de 12,304.

iii

Se realizó un análisis de riesgo financiero del proyecto por medio de la simulación de

Monte Carlo. Se estimó que ambos casos tienen un riesgo considerable para la inversión.

Para el caso 1 existe un probabilidad de 49% de que el VAN sea positivo y una

probabilidad de 62,5% de que la TIR supere la tasa de corte real del 13,5%. Para el caso 2

la probabilidad de que el VAN sea mayor a cero es del 51% y para la TIR la probabilidad

de superar la tasa de corte es del 63,9% aproximadamente.

Se recomienda profundizar en los estudios técnicos y financieros ya que en ambos casos,

con y sin financiamiento, el proyecto es económicamente rentable. Sin embargo para tomar

una decisión acertada se deben realizar estudios más profundos a nivel de factibilidad de

proyecto ya que el riesgo para la inversión presenta valores considerables.

iv

ÍNDICE GENERAL

COMITÉ ASESOR ................................................................................................................. i

DEDICATORIA ................................................................... ¡Error! Marcador no definido.

AGRADECIMIENTOS ........................................................ ¡Error! Marcador no definido.

RESUMEN ............................................................................................................................. ii

ÍNDICE GENERAL .............................................................................................................. iv

ÍNDICE DE CUADROS ..................................................................................................... viii

ÍNDICE DE FIGURAS ......................................................................................................... xi

INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 1

CAPÍTULO 1: Aspectos Teóricos .......................................................................................... 3

1.1. Generalidades sobre la empresa. .............................................................................. 3

1.1.1. Proceso de refinación en RECOPE .................................................................. 4

1.1.2. Proyecto Ampliación y Modernización de la Refinería. .................................. 4

1.1.3. Unidades generadoras de gases ácidos que contienen azufre. .......................... 7

1.1.4. Unidad de Recuperación de Azufre Elemental (URAE) .................................. 7

1.2. Agentes Tensoactivos y sus diferentes usos. ........................................................... 9

1.2.1. Tensoactivos No Iónicos. ............................................................................... 10

1.2.2. Tensoactivos anfóteros. .................................................................................. 10

1.2.3. Tensoactivos catiónicos. ................................................................................. 11

1.2.4. Tensoactivos Aniónicos. ................................................................................. 12

1.2.5. Capacidad detersiva del Sulfonato de Alquilbenceno Lineal (LAS). ............. 13

1.3. Sulfonato de Alquilbenceno Lineal (LAS). Síntesis, Propiedades físicas y

químicas. ........................................................................................................................... 15

1.3.1. Síntesis ............................................................................................................ 15

1.3.2. Propiedades Físicas y químicas del LAS. ....................................................... 17

1.4. Principales aplicaciones del Ácido Sulfónico. ....................................................... 18

1.5. Comportamiento ambiental y Biodegradabilidad del LAS. ................................... 20

CAPÍTULO 2: Situación del Mercado del Ácido Sulfónico a nivel Nacional y Regional .. 22

v

2.1. Descripción del Proyecto. ...................................................................................... 22

2.2. Mercado Meta. ....................................................................................................... 22

2.3. Competencia Nacional ........................................................................................... 23

2.4. Estimación de la Demanda en el Mercado. ............................................................ 23

2.5. Jabones y Preparaciones Tensoactivas: Clasificación Arancelaria. ....................... 24

2.6. Tendencias a Nivel mundial en el consumo de LAS como materia prima para la

elaboración de detergentes. ............................................................................................... 25

2.7. Generalidades de la industria de jabón y preparaciones tensoactivas en Europa. 26

2.7.1. Estadísticas de Producción. ............................................................................ 26

2.7.2. Estadísticas del Comercio Internacional Europeo. ......................................... 27

2.8. Generalidades de la industria del jabón y preparaciones tensoactivas en

Latinoamérica. .................................................................................................................. 27

2.9. El sector de jabón y preparaciones tensoactivas en Centroamérica ....................... 35

2.10. Situación del Sector en Costa Rica. ................................................................... 36

2.11. Análisis de la Demanda. ..................................................................................... 38

CAPÍTULO 3: Selección del Proceso de Producción de Ácido Sulfónico .......................... 40

3.1. Proceso de producción de LAS utilizando Óleum de Petróleo como materia prima.

40

3.1.1. Proceso de Sulfonación. ................................................................................. 42

3.1.2. Proceso de Digestión. ..................................................................................... 43

3.1.3. Proceso de Dilución. ....................................................................................... 43

3.1.4. Separación del ácido consumido. ................................................................... 43

3.1.5. Neutralización. ................................................................................................ 43

3.2. Proceso de producción de LAS utilizando SO3 a partir de azufre elemental......... 44

3.2.1. Compresión y Secado de aire. ........................................................................ 45

3.2.2. Producción de SO2/SO3. ................................................................................. 45

3.2.3. Sulfonación en un reactor de película descendente. ....................................... 49

3.2.4. Estabilización y maduración de la reacción. .................................................. 50

3.2.5. Neutralización. ................................................................................................ 51

3.2.6. Tratamiento de Gases Efluentes ..................................................................... 52

3.3. Comparación y Selección del proceso de Sulfonación más adecuado. ................. 54

3.3.1. Selección del Proceso. .................................................................................... 57

vi

Capítulo 4: Definición de las características del proceso de producción de ácido sulfónico

utilizando S03 a partir de azufre elemental y elaboración del diagrama de Flujo del proceso.

.............................................................................................................................................. 59

4.1. Compresión y Secado de Aire. .............................................................................. 59

4.2. Producción de SO2/SO3. ........................................................................................ 60

4.3. Sulfonación en un reactor de película descendente. .............................................. 61

4.4. Estabilización y Maduración de la reacción. ......................................................... 61

4.5. Neutralización. ....................................................................................................... 61

4.6. Diagrama de Flujo ................................................................................................. 62

Capítulo 5: Balances de Materia y balances de Energía. ...................................................... 64

5.1. Balance de Materia. ............................................................................................... 64

5.1.1. Aire Seco y Producción de S02. ...................................................................... 64

5.1.2. Catalizador y producción de SO3. .................................................................. 65

5.1.3. AlquilBenceno y Ácido Sulfónico. ................................................................. 66

5.1.4. Sulfonato sódico de dodecilbenceno lineal y productos de neutralización. ... 67

5.2. Balance de Energía. ............................................................................................... 70

5.2.1. Reacciones Generadoras de Calor. ................................................................. 70

5.2.2. Consumos de Energía en la Planta. ................................................................ 71

5.3. Dimensionamiento de los Equipos Principales. ..................................................... 71

5.3.1. Intercambiadores de calor. .............................................................................. 72

5.3.2. Tanques de Mezclado. .................................................................................... 72

5.3.3. Reactores de Proceso. ..................................................................................... 74

5.3.4. Bombas Centrífugas. ...................................................................................... 76

5.3.5. Compresor, enfriador y secador de aire. ......................................................... 77

5.3.6. Tanques de almacenamiento de materias primas y producto final. ................ 78

Capítulo 6: Factibilidad Financiera. ..................................................................................... 80

6.1. Costo de los equipos. ............................................................................................. 80

6.2. Costo de la materia prima. ..................................................................................... 81

6.3. Costo del Producto (precio de venta). .................................................................... 82

6.4. Costo de la mano de obra. ...................................................................................... 83

6.5. Costo de los servicios de planta. ............................................................................ 83

vii

6.6. Costos Totales Anuales a 100% de capacidad. ...................................................... 84

6.7. Inversión de Capital. .............................................................................................. 85

6.8. Punto de Equilibrio. ............................................................................................... 87

6.9. Flujo de Caja. ......................................................................................................... 88

6.10. Rentabilidad Financiera...................................................................................... 94

6.11. Análisis de Sensibilidad. .................................................................................... 95

6.11.1. Variación del volumen de azufre de entrada............................................... 96

6.11.2. Variación del costo del Dodecilbenceno. ................................................... 97

6.11.3. Variación del precio de venta del producto final. ....................................... 98

6.11.4. Variación del Precio de la Electricidad. .................................................... 100

6.11.5. Variación de la tasa del impuesto sobre la Renta. .................................... 101

6.12. Análisis de Riesgo de Inversión. ...................................................................... 102

Capítulo 7: Conclusiones y Recomendaciones. .................................................................. 112

7.1. Conclusiones. ....................................................................................................... 112

7.2. Recomendaciones. ............................................................................................... 114

BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................................ 115

NOMENCLATURA ........................................................................................................... 120

APÉNDICES ...................................................................................................................... 121

A. Datos experimentales ............................................................................................... 122

B. Resultados intermedios ............................................................................................ 123

C. Muestra de cálculo ................................................................................................... 124

viii

ÍNDICE DE CUADROS

Cuadro 1.1 Especificaciones del azufre sólido producido en la Unidad de Recuperación de

Azufre Elemental. ................................................................................................................... 9

Cuadro 1.2. Mecanismos de Eliminación del LAS en una planta de tratamiento de aguas

residuales. ............................................................................................................................. 21

Cuadro 2.1. Subpartidas arancelarias en las que se clasifican los productos del sector jabón

y preparaciones tensoactivas (Ministerio de Comercio Exterior, 2011). ............................. 24

Cuadro 3.1. Comparación de características técnicas para los dos procesos de producción de

ácido sulfónico (Handbook of Detergents, 2009). ................................................................ 55

Cuadro 3.1. Comparación de criterios para la selección del proceso de producción de ácido

sulfónico más adecuado. ....................................................................................................... 58

Cuadro 5.1. Producción final esperada de LabsNa y otros productos derivados. ................ 68

Cuadro 5.2. Balance de Materia por corriente de acuerdo con el Diagrama de Flujo del

Proceso. ................................................................................................................................ 69

Cuadro 5.3. Principales Consumos Energéticos de los equipos del Proceso. ...................... 71

Cuadro 5.4. Área necesaria para los intercambiadores de calor del proceso........................ 72

Cuadro 5.5. Dimensiones de los tanques de mezclado del proceso. .................................... 73

Cuadro 5.6. Características de los tanques de mezclado del proceso. .................................. 73

Cuadro 5.7. Catalizador necesario por etapa para la conversión de S02 en S03. .................. 74

Cuadro 5.8. Volumen necesario para la conversión de S02 en S03. ..................................... 74

Cuadro 5.9. Factores de diseño para el dimensionamiento de un reactor de película

Descendente (Trambouze, 2004). ......................................................................................... 75

Cuadro 5.10. Dimensiones obtenidas para el reactor de película descendente utilizado en el

proceso de sulfonación. ........................................................................................................ 75

Cuadro 5.11. Dimensiones obtenidas para el horno de combustión de azufre. .................... 76

Cuadro 5.12. Características de las bombas centrífugas requeridas en el proceso de

producción. ........................................................................................................................... 77

Cuadro 5.13. Especificaciones para el sistema de enfriamiento de agua. ............................ 77

Cuadro 5.14. Especificaciones para el sistema de secado de aire. ....................................... 78

Cuadro 5.15. Especificaciones para el sistema de compresión de aire. ................................ 78

Cuadro 5.16. Especificaciones para los tanques de almacenamiento. .................................. 79

ix

Cuadro 6.1. Costo total de los equipos principales. ............................................................. 81

Cuadro 6.2. Costo Unitario de las materias primas necesarias en el proceso. ...................... 82

Cuadro 6.3. Costo Anual de las materias primas necesarias en el proceso. ......................... 82

Cuadro 6.4. Ingresos por venta del producto. ....................................................................... 83

Cuadro 6.5. Costos de la mano de obra necesaria en el proceso. ......................................... 83

Cuadro 6.6. Costos de los servicios de planta. ..................................................................... 84

Cuadro 6.7. Costos Totales Anuales de producción a 100% de capacidad. ......................... 84

Cuadro 6.7 (Continuación). Costos Totales Anuales de producción a 100% de capacidad. 85

Cuadro 6.8. Estimación de la inversión de Capital por el método de porcentaje del equipo

comprado. ............................................................................................................................. 86

Cuadro 6.9. Costos totales anuales de producción de la planta. ........................................... 87

Cuadro 6.10. Ingresos Totales por Producción en Planta. .................................................... 87

Cuadro 6.13. Indicadores Económicos para definir la rentabilidad del proyecto calculado

para cada uno de los casos en estudio................................................................................... 94

Cuadro 6.14. Análisis de sensibilidad variando el volumen de azufre que ingresa el proceso

para el Caso 1 (con financiamiento del 70% del proyecto). ................................................. 97

Cuadro 6.15. Análisis de sensibilidad variando el volumen de azufre que ingresa el proceso

para el Caso 2 (sin ningún tipo de financiamiento). ............................................................. 97

Cuadro 6.16. Análisis de sensibilidad variando el costo del dodecilbenceno para el Caso 1

(con financiamiento del 70% del proyecto). ......................................................................... 98

Cuadro 6.17. Análisis de sensibilidad variando el costo del dodecilbenceno para el Caso 2

(sin ningún tipo de financiamiento). ..................................................................................... 98

Cuadro 6.18. Análisis de sensibilidad variando el precio de venta del producto para el Caso

1 (con financiamiento del 70% del proyecto). ...................................................................... 99

Cuadro 6.19. Análisis de sensibilidad variando el precio de venta del producto para el Caso

2 (sin ningún tipo de financiamiento). .................................................................................. 99

Cuadro 6.20. Análisis de sensibilidad variando el precio de la electricidad para el Caso 1

(con financiamiento del 70% del proyecto). ....................................................................... 100

Cuadro 6.21. Análisis de sensibilidad variando el precio de la electricidad para el Caso 2

(sin ningún tipo de financiamiento). ................................................................................... 100

Cuadro 6.22. Análisis de sensibilidad variando la tasa del impuesto sobre la renta para el

Caso 1 (con financiamiento del 70% del proyecto). ........................................................... 101

Cuadro 6.23. Análisis de sensibilidad variando la tasa del impuesto sobre la renta para el

Caso 2 (sin ningún tipo de financiamiento). ....................................................................... 101

x

Cuadro 6.24. Valores para las distribuciones de probabilidad para la realización de la

simulación de Monte Carlo. ............................................................................................... 105

Cuadro 6.25. Resultados Obtenidos para el VAN y la TIR a partir de la Simulación de

Montecarlo para el caso 1 (Financiamiento del 70%). ....................................................... 105

Cuadro 6.26. Resultados Obtenidos para el VAN y la TIR a partir de la Simulación de

Montecarlo para el caso 2 (Sin Financiamiento). ............................................................... 106

Cuadro A.1 Cantidad de azufre a obtener en la refinería por medio del proceso Claus..... 122

Cuadro A.2 Producción diaria de sulfonato sódico de dodecilbenceno lineal. .................. 122

Cuadro B.1 Datos obtenidos para la determinación del punto de equilibrio del proyecto. 123

xi

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1.1 Distribución de la infraestructura a desarrollar en el proyecto [RECOPE, 2011]. 6

Figura 1.2 Proceso Claus para la Recuperación de azufre de corrientes que contiene H2S

[Martínez, 2000]. .................................................................................................................... 8

Figura 1.3. Alcohol etoxilado (surfactante No Iónico). ........................................................ 10

Figura 1.4. Alquil betaina y Alquilamidopropil betaina (surfactantes anfóteros). ............... 11

Figura 1.5. Bromuro de Trimetil Hexadecilamonio (Surfactante catiónico). ....................... 12

Figura 1.6. Ejemplo de un isómero de LAS de 12 átomos de carbono. ............................... 13

Figura 1.7. Esquema de Obtención de Alquilbenceno Lineal (LAB). ................................. 16

Figura 1.8. Esquema de Obtención de Sulfonato de Alquilbenceno Lineal (LAS). ............ 17

Figura 1.9. Esquema General de una Molécula de Sulfonato de Alquilbenceno Lineal

(LAS). ................................................................................................................................... 17

Figura 1.10. Distribución de los usos del LAS en la industria de los detergentes (Relatorio

Final). .................................................................................................................................... 19

Figura 2.1. Importaciones en peso de Sulfonato de AlquilBenceno Lineal por país de origen

en Uruguay para el período 2007-2011 (Scavage, 2012). .................................................... 28

Figura 2.2. Importaciones en peso de surfactantes aniónicos por país de origen en Ecuador

para el período 2010-2011 (Scavage, 2012). ........................................................................ 29

Figura 2.3. Importaciones en peso de Sulfonato de AlquilBenceno Lineal por país de origen

en Chile para el período 2002-2011 (Scavage, 2012). ......................................................... 30

Figura 2.4. Importaciones en peso de surfactantes aniónicos por país de origen en Perú para

el período 2003-2011 (Scavage, 2012). ................................................................................ 31

Figura 2.5. Importaciones en peso de Sulfonato de AlquilBenceno Lineal por país de origen

en Argentina para el período 2003-2011 (Scavage, 2012). .................................................. 32

Figura 2.6. Importaciones en peso de surfactantes aniónicos por país de origen en Colombia

para el período 2002-2011 (Scavage, 2012). ........................................................................ 33

Figura 2.7. Importaciones en peso de Sulfonato de AlquilBenceno Lineal por país de origen

en Brasil para el período 2006-2011 (Scavage, 2012).......................................................... 34

Figura 2.8. Importaciones en peso de Surfactantes aniónicos por país para la región

Suramericana durante el año 2011 (Scavage, 2012)............................................................. 35

Figura 2.9. Importaciones de Agentes de Superficie Orgánicos sin incluir el jabón para la

región Centroamericana para el período 2005-2011 (SIECA, 2012). .................................. 36

xii

Figura 2.10. Importaciones de Surfactantes Aniónicos (partida 340211) en Costa Rica para

el período 2005-2011 (SIECA, 2012)................................................................................... 37

Figura 2.11. Importaciones de sales hidrosolubles de ácidos alquilarilsulfónicos en Costa

Rica para el período 2005-2011 (SIECA, 2012). ................................................................. 38

Figura 3.1. Reacciones químicas involucradas en el proceso de sulfonación con óleum de

petróleo (HandBook of Detergents, 2009). .......................................................................... 41

Figura 3.2. Esquema de las etapas principales utilizadas en el proceso de sulfonación con

óleum de petróleo (Handbook of Detergents, 2009). ........................................................... 42

Figura 3.3. Diagrama del proceso de sulfonación con óleum de petróleo (Kent, 2007). ..... 44

Figura 3.4. Diagrama de Flujo para el proceso de compresión y secado de aire (Handbook

of Detergents). ...................................................................................................................... 47

Figura 3.5. Diagrama de Flujo para el proceso de combustión de azufre y producción de

SO2/SO3 (Handbook of Detergents)...................................................................................... 48

Figura 3.6. Reactor de película descendente utilizado en el proceso de Sulfonación de

alquilbenceno (Handbook of Detergents). ............................................................................ 49

Figura 3.7. Diagrama de Flujo para la estabilización y maduración de la reacción de

sulfonación (Handbook of Detergents, 2009). ..................................................................... 50

Figura 3.8. Diagrama de Flujo para la neutralización del ácido sulfónico y obtención del

LAS (Handbook of Detergents, 2009). ................................................................................. 51

Figura 3.9. Etapa de tratamiento de gases efluentes: Precipitador Electrostático (Handbook

of Detergents, 2009). ............................................................................................................ 53

Figura 3.10. Etapa de tratamiento de gases efluentes: Depurador de SO2 (Handbook of

Detergents, 2009). ................................................................................................................ 54

Figura 4.1. Diagrama de Flujo del Proceso de Producción de Sulfonato Sódico de

Dodecilbenceno Lineal. ........................................................................................................ 63

Figura 5.1. Dimensiones estándar de un tanque agitado (McCabe et al., 2007). ................. 73

Figura 6.1. Punto de Equilibrio para el proceso de Producción de Ácido Sulfónico. .......... 88

Figura 6.2. Relación de precios LAB/keroseno para el período 2002-2008. ..................... 103

Figura 6.3. Variación del Precio del Producto Final por País. ........................................... 104

Figura 6.4. Curva de riesgo para la variación del VAN para el caso 1 (financiamiento del

70%), probabilidad de aceptación. ..................................................................................... 106

Figura 6.5. Curva de riesgo para la variación del VAN para el caso 1 (financiamiento del

70%), probabilidad de aceptación acumulada. ................................................................... 107

Figura 6.6. Curva de riesgo para la variación de la TIR para el caso 1 (financiamiento del

70%), probabilidad de aceptación. ..................................................................................... 107

xiii

Figura 6.7. Curva de riesgo para la variación de la TIR para el caso 1 (financiamiento del

70%), probabilidad de aceptación acumulada. ................................................................... 108

Figura 6.8. Curva de riesgo para la variación del VAN para el caso 2 (Sin financiamiento),

probabilidad de aceptación. ................................................................................................ 109

Figura 6.9. Curva de riesgo para la variación del VAN para el caso 2 (Sin financiamiento),

probabilidad de aceptación acumulada. .............................................................................. 109

Figura 6.10. Curva de riesgo para la variación de la TIR para el caso 2 (Sin

financiamiento), probabilidad de aceptación. ..................................................................... 110

Figura 6.11. Curva de riesgo para la variación de la TIR para el caso 2 (Sin

financiamiento), probabilidad de aceptación acumulada. .................................................. 110

1

INTRODUCCIÓN

La demanda creciente de combustibles en el país, los precios altos del petróleo a nivel

internacional y la necesidad de actualizar las tecnologías de refinación, dieron lugar a un

convenio entre RECOPE y CNPCI (China National Petroleum Corporation) para conformar

una nueva entidad denominada SORESCO S.A., la cuál está encargada de llevar a cabo la

ampliación y modernización de la actual Refinería ubicada en Moín, Limón. Con los

cambios será posible pasar de refinar 166 m3/h a 400 m3/h (25 mil barriles a cerca de 60

mil barriles diarios) de petróleo crudo [RECOPE, 2011].

Debido a los cambios en tecnología, aumentarán las liberaciones de azufre en forma

significativa lo que obliga a una configuración que incluya la Unidad de Recuperación de

Azufre Elemental (URAE) para procesar y almacenar el azufre que se obtenga como

residuo del refinado del petróleo crudo. La necesidad de esta unidad es imperativa en toda

refinería moderna para mitigar la emisión de los gases liberados en el proceso, manejo de

residuos y cumplimiento de la legislación ambiental presente en el país. La utilización de

tecnologías limpias forma parte además de los objetivos establecidos en la política

ambiental de la empresa: “RECOPE impulsará aquellas acciones enfocadas a reducir y

compensar el impacto que su actividad produce, para contribuir a la conservación del

ambiente a nivel nacional” [RECOPE, 2010].

El azufre está presente en el gas natural en forma de ácido sulfhídrico (H2S) y en los

combustibles fósiles en forma de compuestos sulfurados que son convertidos a H2S durante

su procesamiento. La corriente gaseosa resultante de contiene principalmente H2S y CO2,

además de amoniaco (NH3) e hidrocarburos ligeros.

El objetivo del proceso de recuperación de azufre, es procesar la corriente gaseosa que

contiene H2S y CO2 y disponer del H2S de una manera segura, convirtiéndolo en azufre

elemental, un material de manejo fácil que tiene valor comercial. Para esto existen

diferentes procesos de recuperación del mismo [Martínez, 2000].

2

Entre las tecnologías limpias que se mencionan, se pretende utilizar el método de Claus

para recuperación de azufre elemental de los gases ácidos de chimenea, de donde se espera

obtener cerca del 99,5% del azufre total que escapa en forma de gas en el proceso de

refinado. La idea principal es el análisis de diversas opciones para el procesamiento y

comercialización de este producto, con el fin de darle un mejor uso y eliminar el riesgo de

generar algún tipo de impacto al ambiente debido a su almacenamiento o disposición final

[Process technical study, 2010].

Dentro de las posibles opciones está la producción de ácido sulfónico (ácido

alquilbencensulfónico lineal) a partir del azufre elemental. El ácido sulfónico es muy

utilizado, especialmente en las formulaciones de distintos tipos de detergentes para lavado

de ropa, incluyendo polvos de alta y baja densidad, líquidos, líquidos concentrados, pastas

y barras. Su uso está relacionado con su alto poder como surfactante, por lo que tiene una

demanda alta a nivel industrial. Además debido a sus características y propiedades físicas y

químicas, es de impacto ambiental bajo ya que puede eliminarse de manera sencilla con el

uso de microrganismos que se encargan de su descomposición [Nimer, 2007]. Es debido a

estas razones que esta opción se plantea como una posibilidad para el procesamiento del

azufre, disminuyendo así los impactos ambientales en los que sepodría incurrir al operar

con la ampliación y modernización de la refinería en Limón.

3

CAPÍTULO 1: Aspectos Teóricos

1.1. Generalidades sobre la empresa.

RECOPE es por Ley N° 5508 la única empresa encargada de la refinación del petróleo y de

suplir las necesidades de combustible, nafta y asfalto del país.

Dentro de los objetivos estratégicos más importantes se destacan aquellos enfocados a la

actualización de los procesos y el manejo de la refinería bajo estándares ambientales y de

seguridad laboral exigentes [RECOPE, 2010]:

1. Desarrollar y mantener la infraestructura para asegurar el abastecimiento de

combustibles en condiciones competitivas: puertos, refinería, (nueva y actual),

sistema de distribución.

2. Asegurar el abastecimiento de petróleo y derivados, diversificando las fuentes,

desarrollando alianzas y el uso de futuros.

3. Establecer una cultura empresarial orientada hacia la eficiencia y la simplificación

de los procesos, para disminuir costos y gastos ($/Bbl), de tal forma que los precios

en Costa Rica sean los más competitivos del área, asegurando el suministro

continuo y la calidad de los productos.

4. Desarrollar los proyectos y actividades de forma amigable con el ambiente y de

manera que garanticen la sostenibilidad, el uso racional de la energía y el

establecimiento de medidas para mitigar la huella de carbono de Recope.

5. Promover la investigación y el desarrollo para incorporar fuentes de energía

renovable y limpia a la matriz energética nacional, tales como biocombustibles, gas

natural, hidrógeno y otros combustibles alternativos.

6. Desarrollar actividades operacionales, constructivas y administrativas bajo los

estándares de seguridad de la industria petrolera.

A nivel ambiental la empresa toma los siguientes compromisos para asegurar el mínimo

impacto de sus procesos:

4

El cumplimiento de las políticas y normativas legales en materia ambiental.

La gestión de sus residuos sólidos, líquidos y gaseosos.

El desarrollo de sus procesos con eficiencia energética.

La incorporación y promoción del uso eficiente y las energías alternativas a nivel

nacional.

La compensación de impactos ambientales a nivel empresarial y contribución con

las acciones nacionales sobre el tema.

1.1.1. Proceso de refinación en RECOPE

El proceso inicia con el recibo de la materia prima (petróleo crudo) en el Muelle de Moín.

El petróleo crudo se bombea a la refinería por medio de tuberías marinas. Para el

funcionamiento de la Refinería esta se divide en distintas unidades (o secciones) que se

encargan de extraer y procesar los componentes naturales del crudo obteniéndose como

productos finales la gasolina superior, gasolina plus, diesel 50, diesel térmico, gas licuado

de petróleo (LPG), jet, bunker, keroseno, gasóleo, nafta, asfalto y emulsión asfáltica. Entre

estas unidades se pueden mencionar las unidades de destilación atmosférica y al vacío,

entre otras [RECOPE, 2009].

En la actualidad se espera ampliar el conjunto de secciones que se tienen dispuestas en

Moín, con el fin de que luego del proceso de modernización se pueda pasar de refinar de

25 mil a 65 mil barriles/día de petróleo crudo procesado [RECOPE, 2011].

1.1.2. Proyecto Ampliación y Modernización de la Refinería.

Debido a la demanda actual de productos, la empresa se ha visto en la necesidad de ampliar

su refinería, por lo que se realizará el proyecto de Modernización y Ampliación de la

Refinería. SORESCO S.A., es una empresa conjunta entre Refinadora Costarricense de

Petróleo S.A. (RECOPE) y CNPCI China National Petroleum Corporation International

establecida bajo un marco legal, refrendado por la Contraloría General de la República,

5

quién ha estado evaluando la viabilidad de aumentar la expansión de la refinería de Moín

de 166 m3/h (25.000 barriles por día, BPSD) hasta 400 m3/h (65 000 barriles por día,

BPSD) [RECOPE, 2011].

Los objetivos del proyecto son los siguientes [Process technical study, 2010]:

Ampliación de la refinería, servicios y soporte de una capacidad de procesamiento

de petróleo crudo de 400 m3/h (65 000 barriles por día, BPSD).

La producción de combustibles conforme a nuevas regulaciones, que ofrezca

mejoras significativas con respecto a la calidad del producto y siguiendo los normas

internacionales que minimizan el impacto ambiental del proceso.

Mejora de la competitividad y rentabilidad de la refinería de Moín, a través de:

Aumento de la cuota de producción que permita cubrir la demanda nacional de

combustibles líquidos caros.

Ajuste en los procesos de conversión de las instalaciones para el procesamiento

económico de crudos pesados, con procesos de conversión de fondos que convierten

subproductos residuales en destilados con un valor de mercado mayor.

Minimizar el material excedente para exportación.

Alcanzar la rentabilidad de los activos existentes y de las inversiones nuevas,

atrayendo créditos de largo plazo y participación de terceros con posibles

inversiones en servicios especializados e industriales.

Reducción de los costos de importación de petróleo crudo y productos terminados.

Desarrollo de la refinería de Moín, teniendo en cuenta la oferta de biocombustibles

y otros productos sustitutos existentes en el mercado de los combustibles.

Que permita el escalamiento futuro de la planta de tal manera que facilite su

desarrollo.

La siguiente figura presenta un esquema de la planta que se pretende construir:

6

Figura 1.1 Distribución de la infraestructura a desarrollar en el proyecto [RECOPE, 2011].

7

1.1.3. Unidades generadoras de gases ácidos que contienen azufre.

Como se mencionó anteriormente, la Refinería se compone de unidades distintas para el

refinado del crudo. En la mayoría de estas unidades se producen gases que se envían a una

chimenea para quemarse antes de liberarse a la atmósfera. El problema que estos generan es

el arrastre de partículas contaminantes como azufre, que bajo ciertas condiciones ocasionan

problemas como la generación de lluvia ácida. Es de estas unidades que se pretende

capturar el azufre por medio de diversos métodos de tratamiento, para su posterior

utilización como azufre elemental.

Entre las distintas unidades se pueden mencionar [Vaughn, 2011]:

Unidad de concentración de gases y tratamiento cáustico

Unidad hidratadora de nafta

Unidad de reformado catalítico

Unidad de destilación atmosférica

Unidad de conversión térmica

Unidad hidratadora de destilados medios

Unidad de destilación al vacío

Unidad de tratamiento de aguas suaves y calderas

Unidad de tratamiento de aguas residuales

Unidades nuevas que se agregarán

1.1.4. Unidad de Recuperación de Azufre Elemental (URAE)

En la unidad que se propone, se pretende recuperar los gases de las demás unidades del

proceso de refinado con el fin de tratar estos gases, previo a su liberación a la atmósfera.

Con esto se busca como objetivo final, mitigar el daño ambiental que podría ocasionar la

liberación de estos gases [Vaughn, 2011].

La unidad propuesta está diseñada en cuatro distintos módulos de trabajo: producción de

azufre, tratamiento del gas de cola, incineración de los gases de escape y la solidificación

8

del azufre líquido [Process technical study, 2010].

El H2S junto con el dióxido de carbono (CO2) presente en los gases naturales y de

refinería, se remueven por medio del endulzado de gases. La corriente gaseosa resultante de

este proceso contiene principalmente H2S y CO2, además de amoniaco (NH3) e

hidrocarburos ligeros, dependiendo estos últimos de la procedencia de la corriente que se

alimenta en el endulzado de gases [Martínez, 2000]. A continuación se presenta una figura

que resume el proceso completo.

Figura 1.2 Proceso Claus para la Recuperación de azufre de corrientes que contiene H2S

[Martínez, 2000].

El producto principal de la unidad es azufre sólido granular con propiedades que se

muestran en el siguiente cuadro [Process technical study, 2010]:

9

Cuadro 1.1 Especificaciones del azufre sólido producido en la Unidad de Recuperación de

Azufre Elemental.

Característica

Color Amarillo brillante (sólido)

Pureza, % ≥99,90

Arsénico, % masa ≤0,0001

Ceniza, % masa ≤0,03

Acidez (H2SO4), ppm ≤30

Agua, % masa ≤0,10

Hierro, % masa ≤0,003

Contenido orgánico, % masa ≤0,03

1.2. Agentes Tensoactivos y sus diferentes usos.

Se dice que un soluto es un agente tensoactivo o surfactante cuando da lugar a un descenso

significativo de la tensión superficial. El descenso de la tensión facilita la eliminación de

las partículas de suciedad de las superficies sólidas. Son moléculas que contienen un

segmento liposoluble (soluble en aceite e hidrofóbico) y otro hidrosoluble (soluble en agua

o disolventes polares). La solubilidad parcial tanto en agua como en aceite permite al

surfactante ocupar la interfase. Así pues, reducen la tensión superficial y las tensiones

interfaciales entre moléculas individuales en la superficie y la interfase, respectivamente,

por lo que tienen propiedades emulsionantes [Salager, 2004].

La parte hidrofóbica usualmente corresponde a una cadena alquílica constituida

básicamente por cadenas de entre 12 y 20 carbonos, por lo que esta sección podría ser

hidrogenada o fluorada, lineal o ramificada, conteniendo o no doble enlace. Por su parte los

grupos hidrofílicos pueden diferir bastante en su naturaleza química, pudiendo ser no

iónicos, iónicos (catiónicos o aniónicos) o anfóteros.

La clasificación de los tensoactivos se basa principalmente en la naturaleza del grupo

hidrofílico. Así los surfactantes se clasifican en agentes no iónicos, catiónicos, aniónicos y

anfóteros [Filipe, 1996].

10

1.2.1. Tensoactivos No Iónicos.

Son sustancias que no están ionizadas en disolución, pero en que la polaridad del átomo de

oxígeno unido covalentemente en los oligoetinleglicol éteres y compuestos oligohidróxidos

(por ejemplo), le confiere a estos tensoactivos no iónicos su solubilidad en agua como

resultado de su hidratación. Los más ampliamente utilizados son los alcoholes etoxilatos.

Dependiendo del grado de etoxilación se obtienen productos con un balance hidrófilo-

lipófilo distinto con aplicaciones múltiples [Salager, 2002].

Se producen a partir de la condensación de óxidos de etileno, aunque también existen

ciertos compuestos de este tipo basados en azúcares, polioles, etc. Forman micelas con

mayor facilidad que los tensoactivos iónicos debido a que las repulsiones electrostáticas en

la superficie de estas son menores. Este tipo de compuestos son menos sensibles a la dureza

del agua que los tensoactivos aniónicos. También poseen menor poder espumante, por lo

que pueden utilizarse como reguladores de esta característica. A continuación se muestra la

forma química de un agente no iónico [Salager, 2002].

Figura 1.3. Alcohol etoxilado (surfactante No Iónico).

1.2.2. Tensoactivos anfóteros.

Este tipo de compuestos poseen grupos funcionales que pueden ionizarse con carga

negativa o positiva dependiendo de las condiciones del medio, por tanto pueden actuar

como tensoactivos aniónicos o catiónicos. Pueden clasificarse como: anfolitos o betainas.

Anfolitos son los compuestos que poseen al menos un protón activo. El ejemplo mejor

11

conocido es el ácido amino carboxílico, que actúa como tensioactivo catiónico a valores

bajos de pH, y como tensioactivo aniónico a valores altos de pH [Salager, 2002].

Las betainas no poseen protones hidrolizables, pero adquieren naturaleza catiónica en

medios fuertemente ácidos. No son sensibles a la dureza del agua ni al valor del pH al que

comúnmente se trabaja a nivel industrial, son sólo débilmente tóxicas, compatibles con piel

y membranas mucosas además de poseer propiedades antibacterianas. Son compatibles con

otros tipos de tensoactivos y presentan buenas propiedades espumantes y detergentes. A

continuación se presenta una figura con la estructura química básica de una betaina [Myers,

2006].

Figura 1.4. Alquil betaina y Alquilamidopropil betaina (surfactantes anfóteros).

1.2.3. Tensoactivos catiónicos.

Este tipo de sustancias están compuestas de una parte polar hidrófila cargada

positivamente, normalmente una sal de amonio cuaternaria, amina o sal de fosfonio, unida a

una zona hidrófoba que puede tener naturaleza distinta. En disoluciones ácidas,

tensoactivos no iónicos pueden adoptar carácter catiónico debido a la protonación del

heteroátomo, sin embargo estrictamente hablando, tensoactivos catiónicos son aquellos que

no requieren de protonación para poseer carga positiva. Su uso es menos extendido, siendo

utilizado principalmente como ablandador de fibras en la industria textil. A este tipo de

compuestos también se le atribuyen propiedades antibacterianas, por lo que se usan en

microbicidas y herbicidas. También se usan como inhibidor de la corrosión, inhibidor de

procesos de oxidación, dispersante y son muy utilizados en procesos de síntesis como

12

agente transferente entre fases. A continuación se presenta la estructura química de uno de

los más utilizados [Salager, 2002].

Figura 1.5. Bromuro de Trimetil Hexadecilamonio (Surfactante catiónico).

1.2.4. Tensoactivos Aniónicos.

Son los tensoactivos más utilizados a escala mundial. Se diferencian del resto, ya que la

zona polar de este tipo de sustancias está cargada negativamente. El contraión

(normalmente sodio, potasio o iones amonio) ejerce una influencia escasa sobre las

propiedades superficiales de estas sustancias. Hoy en día este grupo polar negativo suele ser

un grupo sulfato o sulfonato, como en el caso del Sulfonato de Alquilbenceno Lineal

(Ácido Sulfónico); normalmente consistían en grupos carboxilato que se sintetizaban a

partir de sebo de animales. Dentro de este grupo hay una subdivisión ya que se pueden

encontrar tensoactivos aniónicos como los jabones, los sulfonatos de alquilbenceno lineal,

los alcoholes etoxisulfatos (AES) y los alcoholes sulfatos [Myers, 2006].

Los jabones utilizados tradicionalmente tienen una serie de ventajas:

Son muy biodegradables cuando se encuentran en disolución.

Poseen cierta acción bactericida.

No necesitan la adición de agentes que mantengan la suciedad en suspensión.

Sin embargo también presentan una serie de desventajas como lo son:

Forman compuestos insolubles con las sales cálcicas y magnésicas debidas a la

dureza del agua, lo que dificulta enormemente su acción detergente, provocando

incrustaciones e impidiendo su biodegradabilidad.

13

Entre los tensoactivos aniónicos, el sulfonato de alquilbenceno Lineal (LAS) es uno de los

más ampliamente utilizados en el mundo. El LAS utiliza un proceso de fabricación a partir

de tecnologías petroquímicas ampliamente establecidas. Su comportamiento tensoactivo se

debe a su carácter anfipático, es decir, a la solubilidad diferente que poseen las dos partes

principales de que consta su molécula: una parte hidrófila que consiste en un grupo

sulfónico polar (SO3-) unido al benceno en posición para; respecto a la parte hidrófoba, ésta

consiste en una cadena alquílica lineal de longitud variable y a la que se une el anillo

bencénico en distintas posiciones [Myers, 2006].

La mezcla comercial de LAS contiene una serie de diferencias que dependen de la longitud

de la cadena alquílica, siendo los más comunes los comprendidos entre 10 y 13 átomos de

carbono y a su vez cada uno de ellos es una mezcla de isómeros surgidos en función de la

distinta posición en la que el anillo bencénico está unido a esta cadena lineal. A

continuación se presenta un ejemplo de la estructura química de un isómero de LAS que

contiene 12 átomos de carbono [Myers, 2006].

Figura 1.6. Ejemplo de un isómero de LAS de 12 átomos de carbono.

1.2.5. Capacidad detersiva del Sulfonato de Alquilbenceno Lineal (LAS).

La capacidad detersiva del LAS radica en su poder de humectación elevado, emulsificación

y dispersión. Muchas de las manchas aceitosas o grasosas, que son líquidas a temperaturas

inferiores a los 40 °C, humedecen los sustratos textiles muy eficazmente, y tienen tendencia

a difundirse sobre la superficie formando láminas más o menos tupidas [Nímer, 2007].

14

La suciedad que se encuentra en la ropa está formada principalmente por partículas de grasa

incrustadas en las fibras de tejido, esta sustancia grasa no puede eliminarse simplemente

con agua debido a su insolubilidad. Sin embargo, estos agentes tensoactivos disminuyen la

tensión superficial del medio incrustándose el extremo apolar lipofílico de la molécula de

tensioactivo en la suciedad, y quedando expuesto el extremo polar soluble en agua de

manera que solubiliza la sustancia a eliminar del tejido [Nímer, 2007].

El poder de humectación del LAS es un aspecto muy a tener en cuenta en el proceso de

lavado ya que para que este proceso sea eficaz, la fibra textil debe entrar en contacto íntimo

con la disolución de lavado. Este proceso depende de la temperatura, la concentración de

tensoactivo y del sustrato.

El mecanismo de “rolling-up” consiste en la eliminación de la mancha aceitosa o sólida del

tejido. Se produce como consecuencia de la disminución de la tensión superficial

provocada por el tensioactivo. A raíz de esto, el ángulo de contacto que forma el borde de

la película de grasa que conforma la mancha comienza a crecer provocando así la

formación de gotas que posteriormente se desprenden del tejido. Se puede considerar este

proceso como la unión de cuatro fases:

En la primera de ellas el LAS es adsorbido por la película de grasa y por el sustrato.

En la segunda, la película de grasa se reduce hasta adquirir forma de gotas bajo la

influencia del LAS, manteniéndose su adsorción tanto en la superficie del tejido

como sobre las gotas así formadas.

En la tercera fase, las fuerzas de repulsión entre las gotas de grasa y el sustrato,

ambas cargadas con tensioactivo, comienzas a ser tan intensas que se produce la

eliminación de la mancha del tejido.

Por último, en la cuarta fase, las propiedades emulsionantes del LAS comienzan a

actuar para que las gotas de suciedad cargadas de tensioactivo sean emulsionadas y

puedan ser así arrastradas por la disolución de lavado sin riesgo de que sean

redepositadas sobre el tejido.

15

El LAS posee propiedades emulsionantes muy fuertes incluso a bajas concentraciones. Es

capaz de generar emulsiones estables particularmente en disoluciones con dureza elevada.

Este aspecto es importante por ser el responsable de evitar la redeposición de las manchas

ya eliminadas.

El proceso de eliminación de partículas sólidas es similar al ya descrito. Sin embargo en

este caso, el proceso de limpieza comienza con la acumulación de carga negativa sobre las

partículas sólidas y sobre el tejido o superficie sólida a limpiar. Esto sucede a distintos tipos

de adsorciones del LAS sobre las diferentes superficies. Como consecuencia de este

proceso de carga y adsorción, los potenciales interfaciales son alterados de manera que se

permite la eliminación de la partícula cargada de LAS del sustrato gracias al arrastre

realizado por disolución de lavado [Nímer, 2007].

1.3. Sulfonato de Alquilbenceno Lineal (LAS). Síntesis, Propiedades físicas y

químicas.

1.3.1. Síntesis

La síntesis de LAS comprende tres pasos fundamentales: la obtención de parafina, la

síntesis de alquilbenceno lineal (LAB) y la sulfonación posterior de éste originando,

finalmente, el sulfonato de alquilbenceno lineal (LAS). Los tres pasos son:

Obtención de Parafina: La materia prima para la síntesis de LAB, la n-parafina,

proviene habitualmente de la destilación del petróleo crudo, donde la fracción de

queroseno es tratada a través de tamices moleculares que separan las cadenas

lineales de las ramificadas. El procedimiento más utilizado para la obtención de n-

parafinas de rango C10 – C17 se basa en el proceso Molex de Universal Oil Products

(UOP) donde el queroseno, materia prima inicial, se somete a un hidrotratamiento

para eliminar impurezas, especialmente azufre que puede ocasionar daños en los

tamices moleculares y, posteriormente se realiza la extracción de las n-parafinas

16

mediante un proceso de adsorción selectiva sobre tamices moleculares. Todas las n-

parafinas obtenidas por este medio son de pureza alta (entre 96 y 99%).

Síntesis del alquilbenceno Lineal (LAB): actualmente es muy utilizado un método

de deshidrogenación donde el principal catalizador para la reacción es el ácido

fluorhídrico. Durante este proceso para alquilar el benceno, la posición del doble

enlace que se forma es aleatoria. Actualmente se trabaja también con un método que

utiliza un catalizador sólido en lecho fijo para la alquilación del benceno con

olefinas lineales. Este proceso evita la utilización del ácido fluorhídrico, simplifica

el proceso de fabricación y mejora el rendimiento y la calidad del producto final.

Dependiendo del método utilizado pueden cambiar las propiedades del producto

final. A continuación se muestra la reacción catalizada por ácido fluorhídrico

[Cavalli, 1999].

Figura 1.7. Esquema de Obtención de Alquilbenceno Lineal (LAB).

Síntesis de Sulfonato de AlquilBenceno Lineal (LAS): El LAS se obtiene por

sulfonación del LAB. Inicialmente se empleaba óleum (ácido sulfúrico fumante) así

como ácido sulfúrico como agentes sulfonantes. A partir de la década de los sesenta

se prefirió un cambio de tecnología hacia la utilización de reactores de película

descendiente que realizan la sulfonación en estado gaseoso. Mediante la sulfonación

del LAB se obtiene el correspondiente ácido sulfónico (HLAS) que posteriormente

se neutraliza con una base (generalmente sodio) para obtener finalmente el LAS. La

reacción que resulta es altamente exotérmica por lo que el sistema de refrigeración

del reactor debe actuar con suma eficacia para evitar hipersulfonaciones y

17

contrarestar entonces el deterioro de la calidad final del producto. El ácido sulfónico

formado se neutraliza después generalmente con NaOH, obteniéndose así el

correspondiente sulfonato sódico, operación que se realiza la mayoría de las

empresas fabricantes de detergentes. A continuación se resume la reacción que se

lleva a cabo [Erickson, 1996].

Figura 1.8. Esquema de Obtención de Sulfonato de Alquilbenceno Lineal (LAS).

1.3.2. Propiedades Físicas y químicas del LAS.

Las diferentes propiedas físicas y químicas del Sulfonato de Alquilbenceno Lineal [Nimer,

2007] son:

Peso Molecular: Considerando la fórmula molecular media de las diferentes

presentaciones (que varían de acuerdo al largo de la cadena alquílica):

(C11.6H24.2)C6H4SO3Na el peso molecular es de 342.4 g/mol. A continuación se

muestra el esquema general de una molécula de LAS.

Figura 1.9. Esquema General de una Molécula de Sulfonato de Alquilbenceno Lineal

(LAS).

18

Presión de vapor a 25 °C: Varía entre (3 y 7) x 10-13

Pa. Este valor se encuentra

referido a una molécula con 12 átomos de carbono.

Punto de Fusión: La mezcla comercial de LAS funde a 277 °C.

Punto de Ebullición: 637 °C.

Densidad: La pasta de ácido sulfónico posee una densidad de 1.06 kg/L.

Viscosidad: El valor de este parámetro es similar para todas las presentaciones

existentes de LAS, oscilando sobre los 1000 cP a 25 °C.

Solubilidad en Agua: 250 g/L. Esta propiedad varía dependiendo de la longitud de

la cadena alquílica y del proceso de fabricación. A medida que aumente la longitud

de la cadena de carbono unida al anillo bencénico, disminuye la solubilidad en agua.

Además, dentro de una misma familia de presentaciones, los isómeros que poseen el

anillo unido a la cadena alquílica en las posiciones más internas, tienen un carácter

más hidrofílico, ya que la longitud efectiva de la cadena de carbonos es menor.

Concentración Micelar Crítica (CMC): Esta es una propiedad característica de

sustancias con carácter anfipático como el LAS. Este tipo de moléculas, con

extremos tanto hidrofílicos como lipofílicos, poseen un comportamiento particular

cuando se encuentran en disolución, ya que cada zona de la molécula con diferente

solubilidad trata de distribuirse en el medio de manera que las colas lipofílicas se

agrupen entre sí, al igual que los grupos hidrofílicos, formándose de esta manera a

partir de determinada concentración, un conglomerado de estructura definida que

recibe el nombre de micela. Estas micelas pueden ser tanto esféricas (a bajas

concentraciones) como elipsoidales (a altas concentraciones de tensoactivo).

Presentan un alto poder solubilizante en fase acuosa, además de su capacidad de

solubilización selectiva de diferentes especies químicas. Para la mezcla comercial

de LAS, este valor de CMC varía de 160 – 400 μg/mL. Por debajo de este intervalo,

el tensoactivo se encuentra en forma de monómeros.

1.4. Principales aplicaciones del Ácido Sulfónico.

El ácido Sulfónico es utilizado principalmente en forma de sales sódicas y ocasionalmente

potásicas, amónicas, magnésicas o de trietilamina. Generalmente, cuando se utiliza en

19

productos de limpieza, la formulación utilizada corresponde al ácido con cadenas alquílicas

que poseen de 10 a 13 carbonos. Si poseen más de 14 carbonos los alquilbencenos son poco

solubles en agua, aunque si son solubles en disolventes orgánicos. Muchas veces se

presenta en forma de disolución en aceite mineral, generalmente cuando se utiliza en

procesos industriales de corte y taladrado de metales.

Su mayor empleo se da en distintos tipos de formulaciones de detergentes para el lavado de

ropa, incluyendo polvos de alta y baja densidad, líquidos, líquidos concentrados, pastas y

barras. Su gran uso se debe a su capacidad limpiadora como agente tensoactivo que se

mencionó con anterioridad. Se utiliza además en la formulación de detergentes para el

lavado manual de vajillas. Se presentan también otros usos: como parte de la formulación

de pesticidas agrícolas, en procesos específicos de limpieza, en la preparación de

emulsiones para fluidos lubricantes, en el procesamiento de metal y flotación de minerales,

entre otros. En la industria petroquímica es ampliamente utilizado como agente

emulsionante en las reacciones de polimerización.

El siguiente diagrama presenta la distribución en volumen de los usos del sulfonato de

alquilbenceno lineal en la industria de los detergentes:

Figura 1.10. Distribución de los usos del LAS en la industria de los detergentes (Relatorio

Final).

A nivel industrial la selección del tensoactivo empleado para una formulación dependerá

principalmente de los costos de producción y de las propiedades buscadas del tensoactivo

20

en la formulación. Dadas sus características el LAS está considerado como un agente

tensoactivo de primera opción. Entre sus ventajas se pueden mencionar:

Excelentes propiedades como tensoactivo.

Buen comportamiento ambiental, pues tanto su biodegradabilidad primaria como

final son elevadas, es decir, tanto el LAS como sus metabolitos presentan

biodegradabilidad alta y toxicidad baja.

Compatibilidad con todo tipo de fórmulas o ingredientes. Puede usarse en la

formulación de polvos concentrados y líquidos para lavado de ropa, lavavajillas,

empleado en conjunto con enzimas, blanqueadores y agentes complejantes, esto sin

afectar sus propiedades.

Baja relación costo/rendimiento.

Facilidad de procesamiento, tanto en la sulfonación con cualquier equipo o agente

sulfonante, como en la elaboración del producto final en torres de atomización o en

procesos de aglomeración.

Estabilidad del producto sulfonado y neutralizado sin alteración del pH con el

tiempo (no hidrolizadble).

Fácilmente transportable, manipulable y almacenable, ya que su forma ácida es

químicamente estable.

Compatibilidad con otros agentes tensoactivos para constitución de sistemas

activos mixtos.

1.5. Comportamiento ambiental y Biodegradabilidad del LAS.

El LAS fue desarrollado debido a la necesidad de sustituir el sulfonato de alquilbenceno

ramificado, ya que en su forma ramificada presenta una zona lipofílica formada por varias

cadenas de carbono impidiendo que los microrganismos encargados de degradar la materia

orgánica pudieran actuar sobre él. Esto provoca problemas debido a la acumulación de

espumas que impedían el adecuado intercambio de oxígeno entre la atmósfera y el medio

acuático, provocando una disminución del nivel del oxígeno en el agua y como

consecuencia, la muerte de diversas especies de peces [Eichhorn, 2001].

21

Otro de los problemas de la utilización de estructuras ramificadas era la acumulación de

espumas en plantas de tratamiento de aguas residuales, lo que provocaba la muerte de los

microrganismos que actuaban en los lodos activados, bajo condiciones aerobias, con lo que

disminuía considerablemente la eficiencia de la planta.

El LAS al poseer una cadena lineal en vez de ramificada es fácilmente accesible a los

microrganismos y por ende es fácilmente biodegradable, aumentando el rendimiento de las

plantas de tratamiento a valores de hasta el 98-99%. A la entrada de las plantas de

tratamiento usualmente se poseen valores de concentración en las aguas en el ámbito de

1.0-15.0 mg/L, siendo el rango a la salida de las plantas luego del tratamiento de 0.008-0.22

mg/L [Feijtel, 1995].

Los principales procesos que intervienen en el tratamiento de aguas residuales que

contienen LAS se muestran en la siguiente tabla:

Cuadro 1.2. Mecanismos de Eliminación del LAS en una planta de tratamiento de aguas

residuales.

Mecanismos de Eliminación Porcentaje en masa eliminado

Eliminación Física (Precipitación/Adsorción) 15-25

Eliminación Biológica (Mineralización) 75-85

Eliminación Total >98

El amplio uso del LAS genera una cantidad de aportes a las aguas residuales que deben ser

tratadas en plantas de tratamiento previamente a su deposición en diversos ecosistemas o a

su reutilización como agua para el riego de terrenos.

Los lodos que se generan en el proceso son ricos en material orgánico, por lo que pueden

utilizarse para generar compost y ser usados como abono para tierras de cultivo [Feijtel,

1995].

22

CAPÍTULO 2: Situación del Mercado del Ácido Sulfónico a nivel

Nacional y Regional

La familia de los sulfonatos de alquilbenceno lineales es de las más importante entre los

surfactantes, esto debido a su aplicabilidad alta, su costo bajo, biodegradabilidad alta y

niveles de consumo [Myers, 2006]. Como producto posee un mercado creciente a nivel

mundial, con proyecciones bastante optimistas para los próximos diez años. Esta sección

del proyecto pretende estudiar las tendencias en el uso del ácido sulfónico a nivel regional y

nacional y el posible mercado de distribución donde podría ser colocado el producto.

2.1. Descripción del Proyecto.

La idea del proyecto es la producción de ácido sulfónico en su forma neutralizada, es decir,

como sal hidrosoluble sódica. El producto se distribuirá en el mercado nacional e

internacional para ser utilizado como surfactante aniónico en distintas preparaciones

detergentes, tanto líquidas como en barra, para vajillas, cuidado personal, o a nivel

industrial.

Se pretende ubicar la planta de producción en Moín, contiguo a la nueva refinería a ser

construida por RECOPE, esto para facilidad de obtención de la materia prima ya que el

proveedor de azufre para el proceso será la misma refinería y el alquilbenceno lineal se

obtendrá por importación que llegará al puerto allí ubicado. Además para facilidades de

distribución, si el producto necesita ser exportado, se podrá utilizar el puerto ubicado en

Moín para tal propósito, así como el puerto de Caldera en el Pacífico, o vía terrestre, según

convenga.

2.2. Mercado Meta.

El principal mercado, tanto a nivel nacional como internacional, es el de detergentes y

preparaciones para limpieza. El sulfonato de alquilbenceno lineal (LAS) es ampliamente

utilizado a nivel mundial como surfactante aniónico para distintas preparaciones detersivas

23

tanto para el cuidado personal, cuidado del hogar y para su uso a nivel industrial. Se

pretende suplir las demandas del mercado nacional y cualquier excedente se pondrá a

competir en el mercado internacional para suplir demandas a nivel latinoamericano

principalmente.

2.3. Competencia Nacional

Actualmente en el país no existen empresas que se dediquen a la producción de sulfonato

de alquilbenceno lineal para su distribución en el mercado nacional. Grupo IREX desarrolla

el proceso de sulfonación para producción de LAS pero únicamente para consumo interno

de esa empresa.

En el país existen diversas compañías distribuidoras de productos químicos que poseen

LAS dentro de su cartera de productos para comercializar. Petrolube Químicos Industriales

S.A importa sulfonato de alquilbenceno lineal. Grupo Transmerquim tiene dentro de su

gama de productos ácido sulfónico lineal únicamente, mientras que Importadora Química

del Norte distribuye tanto la presentación lineal como ramificada del ácido sulfónico.

2.4. Estimación de la Demanda en el Mercado.

Para la estimación de la posible demanda del LAS en el mercado tanto nacional como

regional (Centro y Suramérica) se procederá a un análisis del mercado mundial de

detergentes y agentes de superficie orgánicos. Se considerarán generalidades del mercado

mundial, europeo, suramericano, centroamericano y nacional. Se utilizarán datos de

importación y exportación del LAS como referencia para una posible estimación de las

necesidades del mismo en el mercado.

24

2.5. Jabones y Preparaciones Tensoactivas: Clasificación Arancelaria.

Previo al estudio sobre la situación del mercado de LAS a nivel regional es necesario

describir la clasificación arancelaria de las diversas preparaciones tensoactivas, ya que la

información que se obtiene para llevar a cabo este estudio parte de dicha clasificación.

Cuadro 2.1. Subpartidas arancelarias en las que se clasifican los productos del sector jabón

y preparaciones tensoactivas (Ministerio de Comercio Exterior, 2011).

Subpartida Descripción

340111 Jabón de Tocador (incluso los medicinales)

340119 Los demás jabones en barras, panes, trozos o piezas troqueladas o

moldeadas

340120 Jabón en otras formas

340130 Productos y preparaciones orgánicos tensoactivas para el lavado de la

piel, líquidos o en crema, acondicionados para la venta al por menor,

aunque contengan jabón

340211 Agentes de superficie orgánicos, aniónicos

340212 Agentes de superficie orgánicos, catiónicos

340213 Agentes de superficie orgánicos, no iónicos

340219 Los demás agentes de superficie orgánicos

340220 Preparaciones de limpieza acondicionadas para la venta al por menor

340290 Las demás preparaciones tensoactivas, preparaciones para lavar y

preparaciones de limpieza

En color negro dentro del cuadro 2.1. se resalta el número correspondiente a los agentes de

superficie orgánicos aniónicos; dentro de este número de partida se encuentra clasificado el

ácido sulfónico en sus diversas formas salinas (sal sódica, potásica, entre otras).

25

2.6. Tendencias a Nivel mundial en el consumo de LAS como materia prima para

la elaboración de detergentes.

El mercado de los surfactantes a nivel mundial ha sufrido diversos cambios a lo largo de los

últimos años. Los mayores consumidores de surfactantes a nivel mundial continúan siendo

Europa y los Estados Unidos. Sin embargo tanto Asia como Latinoamérica han repuntado

en los últimos años y se espera que continúen creciendo.

Global Industry Analysts proyecta para el 2012 que el mercado mundial de los surfactantes

llegue a los US$16.650 billones. Se contempla además que el sector produzca 17,8 millones

de toneladas al 2015, de acuerdo con un informe presentado por la agencia. Europa es el

mercado más grande para este producto, con una participación de 36%, seguido de USA,

con un 32%. A su vez, se pronostica que Asia-Pacífico registrará el mayor crecimiento en

términos de volumen entre el 2001 y el 2012, con una tasa anual de cerca del 6%, seguida

de Latinoamérica, con un 4,4% (Bussines News Americas, 2008).

De acuerdo con datos del Instituto de Investigaciones de Mercado Ceresana, se espera que

para el 2018 el mercado de los surfactantes genere cerca de $41 billones lo que significaría

un crecimiento anual del 4.5% (Ceresana, 2012).

Se espera que en los próximos 8 años se den cambios significativos en la demanda, lo que

significaría cambios a su vez en los mercados que producen los surfactantes. Se espera que

los aumentos en demanda de Europa y USA puedan ser cubiertos por la producción de la

Zona Pacífico-Asia, mientras que los aumentos en demanda a nivel Latinoamericano

podrían ser suplidos por países como Brasil.

La demanda global de surfactantes aniónicos en el 2010 fue de aproximadamente 6,5

millones de toneladas. Esta cantidad junto con los surfactantes no iónicos correspondieron

al 85% de la demanda global de surfactantes ese mismo año. El resto corresponde a

surfactantes catiónicos y anfóteros (Ceresana, 2012).

26

De los cuatro tipos de surfactantes que existen en el mercado se espera que para el 2018

sean los surfactantes no iónicos los de mayor crecimiento. Sin embargo lo surfactantes

aniónicos (como el LAS) seguirán manteniendo su importancia y posición en el mercado de

los surfactantes como una de las principales materias primas para el desarrollo de

detergentes (Ceresana, 2012).

2.7. Generalidades de la industria de jabón y preparaciones tensoactivas en

Europa.

La disponibilidad de información para el análisis del sector de jabón y preparaciones

tensoactivas es limitada, dado que la mayoría de las estadísticas y publicaciones

corresponden a la industria química global, en la cual se incluye este sector [AACUE,

2007].

2.7.1. Estadísticas de Producción.

Durante el año 2006 el valor de mercado para la industria de jabones, detergentes y

productos de limpieza se estimó en €30.400 millones en la UE-25 más Noruega y Suiza,

según las cifras de International Association for Soaps, Detergents and Maintenance

Products (A.I.S.E,). De este valor, €24.000 millones corresponden al sector doméstico y los

restantes €6.400 millones al sector industrial e institucional.

Dentro del sector doméstico, los detergentes son el producto de mayor valor con una

participación del 50%, equivalentes a € 11.860 millones, seguido por los agentes de

superficie con € 3.824 millones, representando el 16% del total. En tercer lugar se ubicaron

los lavaplatos con € 3.515 millones (15% del total).

Los productos destinados para la limpieza especializada son los que tienen mayor valor

dentro del sector industrial e institucional (I&I), con € 1.735 millones que significaron el

27% del total. En segundo lugar, se ubicaron los productos para la cocina y servicios de

catering con un valor de € 1.470 millones (23% del total), seguido por los productos para

27

los alimentos y bebidas con una participación del 18%, equivalentes a € 1.145 millones

[AACUE, 2007].

2.7.2. Estadísticas del Comercio Internacional Europeo.

Exportaciones:

En el 2005, las exportaciones europeas del sector de jabón y preparaciones tensoactivas

sumaron € 10.426 millones, un 6% por encima al valor registrado durante el período

anterior. Las preparaciones de limpieza y los agentes de superficie son los principales

productos de exportación del sector, al representar más del 75% del total exportado.

La gran mayoría de las ventas son a nivel intra-regional (para algunos productos alrededor

del 90%). No obstante, otros destinos importantes fuera de la UE son Suiza, Estados

Unidos y China [AACUE, 2007].

Importaciones:

En el 2005, las compras del bloque europeo de jabón y preparaciones tensoactivas llegaron

a los € 8.403 millones, un 6% más de lo observado en años anteriores.

Entre los principales productos de importación se encuentran las preparaciones de limpieza

y los agentes de superficie. Estos productos representaron casi el 80% del total importado.

Pese a la importancia de la Unión Europea como principal suplidor de la región, países

como Rusia, Estados Unidos y Suiza son abastecedores importantes de este tipo de

productos en la Unión Europea [AACUE, 2007].

2.8. Generalidades de la industria del jabón y preparaciones tensoactivas en

Latinoamérica.

Como se mencionó anteriormente, a nivel Latinoamericano ha existido un aumento en los

niveles de demanda de surfactantes aniónicos en los últimos años, a una tasa de crecimiento

del 4.4% anual a partir del año 2001. Los principales países dentro de este bloque

28

económico que han tenido una mayor participación en el mercado de preparaciones

tensoactivas se encuentran en Suramérica siendo 7 los de mayor aporte: Argentina, Brasil,

Colombia, Perú, Ecuador, Chile y Uruguay.

Debido a la finalidad de este estudio, estimar el mercado de los agentes tensoactivos en

Latinoamérica, se procede a realizar un análisis de las importaciones de surfactantes

aniónicos (o en general) para cada uno de los países mencionados anteriormente.

Uruguay:

Es el país de menor participación en el mercado a nivel de importaciones de surfactantes

aniónicos. Para el período comprendido entre 2007 y 2011 se importaron 255.666,28

toneladas de sulfonato de alquilbenceno lineal para un costo aproximado de $402.489,81.

El gráfico siguiente muestra en proporción masa, los países de origen de las importaciones

realizadas por parte del sector de jabones y preparaciones tensoactivas Uruguayo [Scavage,

2012].

Figura 2.1. Importaciones en peso de Sulfonato de AlquilBenceno Lineal por país de

origen en Uruguay para el período 2007-2011 (Scavage, 2012).

Es posible observar que para el período de tiempo definido, básicamente el 100% de las

importaciones fueron provenientes de Argentina, lo cual es lógico debido a su cercanía y

altas relaciones comerciales.

99,481

0,493 0,026

Argentina

Perú

Estados Unidos

29

Ecuador:

Luego de Uruguay, Ecuador corresponde al segundo país con la menor participación en el

mercado de los surfactantes aniónicos. En este caso para el período comprendido entre

2010 y 2011 se importaron en este país 2.507.778,24 kg de surfactantes aniónicos para un

costo de $5.875.664,92. El siguiente gráfico muestra en proporción masa, los países de

origen de las importaciones realizadas por parte del sector de jabones y preparaciones

tensoactivas ecuatoriano [Scavage, 2012].

Figura 2.2. Importaciones en peso de surfactantes aniónicos por país de origen en Ecuador

para el período 2010-2011 (Scavage, 2012).

A diferencia de la tendencia mostrada en el mercado Uruguayo, en este caso el principal

suplidor de surfactantes aniónicos con, cerca del 70% es Colombia, seguido por Bolivia y

Estados Unidos. Se trata de un mercado más segmentado con participación de 9 países

diferentes actuando como suplidores de este producto.

Chile:

Para el mercado Chileno se poseen datos que comprenden un período más amplio, desde el

2002 hasta el 2011. En este caso se calcularon importaciones correspondientes a

69,05

10,39

15,61

2,08

0,00 1,51

0,75 0,29 0,18

0,13 Colombia

Estados Unidos

Bolivia

Alemania

Argentina

Brasil

Italia

Reino Unido

España

Francia

30

1.707.629,51 kg de sulfonato de alquilbenceno lineal (para este país si existían datos

exactos sobre consumo de LAS) con un costo aproximado de $2.986.907,98. El siguiente

gráfico muestra en proporción masa, los países de origen de las importaciones realizadas

por parte del sector de jabones y preparaciones tensoactivas Chileno [Scavage, 2012].

Figura 2.3. Importaciones en peso de Sulfonato de AlquilBenceno Lineal por país de

origen en Chile para el período 2002-2011 (Scavage, 2012).

A diferencia de los países analizados anteriormente, el mercado chileno se encuentra aún

más segmentado, teniendo participación mayoritaria dos países: Corea y Brasil. De hecho

cerca del 62% de las importaciones son provenientes de países fuera de Suramérica, con

participación alta de países asiáticos.

Perú:

Al igual que con Chile, para el sector de surfactantes aniónicos en Perú se poseen datos de

importaciones para un período más amplio de tiempo que comprende entre los años 2003 y

2011. Para este período se tuvieron importaciones correspondientes a $36.605.538,1 lo que

significa en promedio 11.639.312,9 toneladas métricas importadas. El gráfico siguiente

muestra en proporción masa, los países de origen de las importaciones realizadas por parte

del sector de jabones y preparaciones tensoactivas peruano [Scavage, 2012].

41,946

36,161

10,705

5,660 3,514

1,366 0,328 0,319 0,002 Corea

Brasil

China

Estados Unidos

India

Argentina

Mexico

España

Japón

31

Figura 2.4. Importaciones en peso de surfactantes aniónicos por país de origen en Perú

para el período 2003-2011 (Scavage, 2012).

En este caso se muestra un mercado con cifras más similares para muchos países

participantes. Sin embargo sigue existiendo una amplia participación en el mercado por

parte de dos países, Estados Unidos y Alemania, que juntos corresponden a cerca del 70%

de las importaciones. Cabe destacar que en este caso existe participación por parte de un

país Centroamericano, Guatemala con el 3,21%, siendo este el único país de esta región que

forma parte de las estadísticas de importación de surfactantes aniónicos en el mercado

Suramericano.

Argentina:

Para el mercado Argentino se tomaron datos comprendiendo un período del 2003 al 2011.

Las importaciones correspondientes a este período de tiempo fueron de 4.472.774,57 kg de

sulfonato de alquilbenceno lineal para un costo aproximado de $10.487.266,6 El siguiente

gráfico muestra en proporción masa, los países de origen de las importaciones realizadas

por parte del sector de jabones y preparaciones tensoactivas argentino [Scavage, 2012].

35,82

34,53

2,73

4,35

4,54

5,55 4,75

4,37

0,16

3,21

Estados Unidos

Alemania

Mexico

Italia

Brasil

Corea

India

Chile

Sudáfrica

Guatemala

32

Figura 2.5. Importaciones en peso de Sulfonato de AlquilBenceno Lineal por país de

origen en Argentina para el período 2003-2011 (Scavage, 2012).

Al igual que en casos anteriores, en Argentina el mercado se encuentra en su gran mayoría

suplido por un único país, Estados Unidos en este caso. El resto del mercado se suple por

aportes de países europeos principalmente, con una mayor influencia de Alemania y

Bélgica.

Colombia:

De los 7 países mencionados, Colombia posee el segundo mercado en importancia en el

comercio de jabones y preparaciones tensoactivas. Para conocer un poco más acerca de este

mercado se tienen datos para un período de tiempo del 2002 al 2011. Durante este tiempo

se realizaron importaciones por un valor de $34.259.353,1, correspondientes a 17.929.908.7

toneladas de surfactantes aniónicos importados a este país. Al igual que en los casos

anteriores, el gráfico siguiente muestra en proporción masa los países de origen de las

importaciones realizadas por parte del sector de jabones y preparaciones tensoactivas

colombiano. [Scavage, 2012].

72,95

15,85

5,97 2,31

1,71 0,24

0,15 0,42

0,36 0,02 Estados Unidos

Alemania

Bélgica

Italia

Holanda

Brasil

Reino Unido

España

Hong Kong

Suiza

33

Figura 2.6. Importaciones en peso de surfactantes aniónicos por país de origen en

Colombia para el período 2002-2011 (Scavage, 2012).

A diferencia de los demás países analizados, en el caso de Colombia el mercado es suplido

mayoritariamente por cuatro países a saber: Alemania, Estados Unidos, México y Corea del

Sur. Además es posible notar que el resto del mercado es abastecido por países Europeos

principalmente y con poca participación de países cercanos como Brasil o Uruguay.

Brasil:

Para finalizar, de los 7 países estudiados, Brasil posee el mayor de los mercados en cuanto

al comercio de surfactantes aniónicos. En este caso, los datos obtenidos son específicos

para la partida arancelaria correspondiente al sulfonato de alquilbenceno lineal y se tiene

para un período de 5 años, del 2006 al 2011. Durante estos años Brasil ha importado

67.341.975 toneladas de sulfonato de alquilbenceno lineal correspondientes a cerca de

$107.548.185. Al igual que en los casos anteriores, el gráfico siguiente muestra en

proporción masa los países de origen de las importaciones realizadas por parte del sector de

jabones y preparaciones tensoactivas brasileño. [Scavage, 2012].

20,40

30,03 18,09

9,99

5,24

1,69 5,52 4,15 3,56 1,33

Estados Unidos

Alemania

Mexico

Corea

Italia

Francia

Brasil

Uruguay

China

Reino Unido

34

Figura 2.7. Importaciones en peso de Sulfonato de AlquilBenceno Lineal por país de

origen en Brasil para el período 2006-2011 (Scavage, 2012).

Es posible notar que el mercado se encuentra saturado por producto proveniente de

Uruguay en su mayoría (cerca del 80%), seguido por la India pero con una diferencia

porcentual del 62%. Se muestra a su vez participación de países tanto asiáticos como

europeos.

Resumen:

El mercado suramericano de los agentes de superficies (o tensoactivos) representa una

buena oportunidad para la colocación de productos. Existe amplia competencia con países

europeos, asiáticos y suramericanos, sin embargo con precios competitivos el producto

podría tener aceptación debido al tamaño del mercado. De acuerdo con datos de Scavage,

para el año 2011 se importaron en total 31.598.945.2 toneladas de surfactantes aniónicos en

Suramérica, lo que significó una inversión de cerca de $64.265.835,3. La figura 2.8

presenta la distribución de este total de importaciones en los 7 países con mayor

participación en el mercado. Es posible notar que Brasil por sí solo contribuye básicamente

a la mitad del total de importaciones en la región.

79,492

17,186

2,204 0,745 0,130

0,150 0,052 0,023

0,015 0,002 Uruguay

India

Argentina

Corea

Estados Unidos

China

Reino Unido

Alemania

Canadá

Japón

35

Figura 2.8. Importaciones en peso de Surfactantes aniónicos por país para la región

Suramericana durante el año 2011 (Scavage, 2012).

2.9. El sector de jabón y preparaciones tensoactivas en Centroamérica

Para el 2005 las exportaciones de jabón y preparaciones tensoactivas alcanzaron los € 140,5

millones en Centroamérica, de los cuales más del 80% se dio a nivel regional. Los jabones

y las preparaciones de limpieza para la venta al por menor sumaron el 80% del total

exportado.

En cuanto a las importaciones, en el 2005 éstas sumaron los € 170,8 millones, de los cuales

casi el 70% provino de la misma región y el 3% del mercado europeo. Los principales

productos importados fueron los jabones y las preparaciones de limpieza para la venta al

por menor, que concretaron poco más del 70% del total importado [AACUE, 2007].

De acuerdo con datos de la Secretaría de Integración Económica Centroamericana, el

mercado de los surfactantes en la región ha sido muy fluctuante con una tendencia a la alza

en los últimos tres años. Como región se presentan únicamente datos de la partida

arancelaria 3402, es decir, agentes de superficie orgánicos (tanto aniónicos como catiónicos

y no iónicos) sin incluir el jabón. El gráfico siguiente (figura 2.9) muestra los datos de

importación de esta partida arancelaria con valores desde el 2005 hasta el 2011. De acuerdo

Uruguay

1%

Argentina

14%

Brasil

49% Chile

7%

Ecuador

3%

Perú

9%

Colombia

17%

36

a estadísticas mundiales el consumo de surfactantes aniónicos ronda el 70% del total del

consumo de surfactantes por lo que, de acuerdo con la información mostrada en la figura

2.9, se puede estimar que para el año 2011 en la región se importó aproximadamente

42000 toneladas métricas de surfactantes aniónicos únicamente.

Figura 2.9. Importaciones de Agentes de Superficie Orgánicos sin incluir el jabón para la

región Centroamericana para el período 2005-2011 (SIECA, 2012).

2.10. Situación del Sector en Costa Rica.

Existen alrededor de diez empresas productoras de jabón y detergentes en Costa Rica. La

industria de jabón de tocador está dominada fundamentalmente por productos importados,

con excepción de los jabones naturales o producidos sin ingredientes artificiales. En el

sector de detergentes existen dos productores locales importantes, pese a que también se

han posicionado en el mercado nacional marcas de multinacionales como Procter &

Gamble y Unilever.

En el 2005, las exportaciones costarricenses de la industria de jabón y preparaciones

tensoactivas sumaron € 23,5 millones. Centroamérica es el principal destino con una

36000

37000

38000

39000

40000

41000

42000

43000

2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012

To

nela

da

s M

étr

ica

s

Año

37

participación del 39%, seguido por Jamaica con el 21% y Cuba el 15%. Los Jabones fueron

el principal producto de exportación, representando casi el 70% del total exportado

[AACUE, 2007].

Por el lado de las importaciones, éstas representaron € 38,1 millones, de los cuales casi el

60% provino de Centroamérica, el 15% de Estados Unidos y el 10% de México. La Unión

Europea se ubicó como el quinto suplidor en importancia, con un aporte del 4%. Las

preparaciones de limpieza para la venta al por menor y los jabones de tocador fueron los

principales productos de importación. Solamente estos 2 productos sumaron el 75% del

total de compras al exterior en este sector [AACUE, 2007].

Al igual que el mercado centroamericano, Costa Rica ha presentando fluctuaciones en el

comercio de surfactantes aniónicos, mostrándose una tendencia a la alza en los últimos tres

años. La figura 2.10 muestra el comportamiento de las importaciones de surfactantes

aniónicos en el país desde el 2005 hasta el 2011.

Figura 2.10. Importaciones de Surfactantes Aniónicos (partida 340211) en Costa Rica para

el período 2005-2011 (SIECA, 2012).

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012

To

nel

ad

as

Mét

rica

s

Año

38

Datos de la misma entidad (SIECA) muestran el comportamiento de las importaciones de

sales hidrosolubles de ácidos alquilarilsulfónicos (formas neutralizadas del ácido

bencensulfónico) a partir del año 2005. En este caso se observan fluctuaciones grandes en

el mercado sin ninguna tendencia clara, observándose un pico para el año 2008. De

cualquier forma, tal y como lo muestra la figura 2.11, las importaciones ascienden en

promedio a 63 toneladas métricas anuales, valor muy bajo si se considera al país como

consumidor primario del producto que se pretende poner en el mercado (sulfonato sódico

de alquilbenceno lineal).

Figura 2.11. Importaciones de sales hidrosolubles de ácidos alquilarilsulfónicos en Costa

Rica para el período 2005-2011 (SIECA, 2012).

2.11. Análisis de la Demanda.

De acuerdo con la información recolectada, el mercado en Costa Rica y Centroamérica es

bastante reducido, pero existe una alta posibilidad de comercio con Suramérica en

específico con países como Colombia, Argentina y especialmente Brasil. Brasil y Colombia

presentan un mercado atractivo debido a facilidades de transporte marítimo y/o cercanía

con el país. El precio al que pueda venderse el producto es un factor importante para

determinar la rentabilidad del proyecto, por lo que para efectos de distribución y facilidades

0

20

40

60

80

100

120

140

2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012

To

nel

ad

as

Mét

rica

s

Año

39

de comercio, es importante tomar en cuenta la cercanía de los países a los que se pretende

vender el producto.

40

CAPÍTULO 3: Selección del Proceso de Producción de Ácido Sulfónico

El proceso de producción del Ácido Sulfónico Lineal Alquilbenceno (LAS) más utilizado

actualmente es mediante una sulfonación del Alquilbenceno Lineal (LAB) por contacto con

una corriente de trióxido de azufre (SO3). Para ello existen, a nivel industrial, diversos

reactores de película descendente, los cuales toman una corriente gaseosa de S03 diluido en

aire seco y la ponen en contacto con LAB líquido en una corriente descendente a lo largo

del reactor. La reacción que se produces es altamente exotérmica y la calidad del producto

depende principalmente de la eficiencia en la remoción de calor del reactor y del tiempo de

contacto entre las corrientes de reactivos [Basry, 2010].

Las variaciones existentes en el proceso son pocas y las diferencias más notables entre

distintas tecnologías, se dan sobre todo en el método de obtención del S03 para la

sulfonación. En este apartado se discutirán dos procesos distintos de obtención de LAS. En

el primero de ellos se considerará la obtención del SO3 partiendo de óleum de petróleo. En

el segundo proceso el SO3 se obtendrá a partir del azufre elemental como materia prima.

3.1. Proceso de producción de LAS utilizando Óleum de Petróleo como materia

prima.

La sulfonación con óleum de petróleo requiere equipo relativamente barato y el proceso

puede llevarse a cabo de manera continua o por lotes. Las reacciones químicas involucradas

en el proceso se muestran en la figura 3.1 [HandBook of Detergents, 2009]

41

Figura 3.1. Reacciones químicas involucradas en el proceso de sulfonación con óleum de

petróleo (HandBook of Detergents, 2009).

El proceso de producción continua consta de 6 etapas principales de las cuales se obtienen

como producto final el sulfonato de alquilbenceno lineal en su forma sódica. Las etapas del

proceso se mencionan a continuación y pueden verse en forma de esquema en la figura 3.2.

Sulfonación.

Digestión.

Dilución

Separación del ácido consumido.

Neutralización.

Tratamiento de gases efluentes.

42

Figura 3.2. Esquema de las etapas principales utilizadas en el proceso de sulfonación con

óleum de petróleo (Handbook of Detergents, 2009).

3.1.1. Proceso de Sulfonación.

El alquilbenceno y el óleum de petróleo se mezclan en un reactor con una atmósfera inerte.

Es necesario colocar un exceso de óleum para de manera que la concentración dentro del

reactor se mantenga alta y la conversión pueda llevarse a cabo casi en su totalidad. La

temperatura de la reacción debe mantenerse cerca de los 30 °C, por lo que debe colocarse

una chaqueta que remueva el calor generado ya que la reacción es altamente exotérmica.

Para obtener productos de calidad alta y con el color adecuado en la etapa de sulfonación

deben controlarse la temperatura, la fuerza del ácido, el tiempo de reacción y la relación de

alimentación óleum/alquilbenceno [Handbook of Detergents, 2009].

Sulfonación Óleum Alquilato

Digestión

Dilución

Separación Ácido Ácido

Neutralización

43

3.1.2. Proceso de Digestión.

Seguidamente de la sulfonación, el producto pasa a un digestor que se encarga de completar

la reacción. Para la digestión se mantiene una temperatura de 30°C. En esta etapa se busca

disminuir la concentración de ácido sulfúrico presente en el producto. El proceso de

digestión dura entre 15 y 30 minutos de acuerdo a la cantidad de producto que ingresa en el

digestor y también depende de la cantidad de óleum en exceso que se agregó en la etapa de

sulfonación [Kent, 2007].

3.1.3. Proceso de Dilución.

La mezcla ácida saliente del proceso de digestión pasa a un proceso de dilución, donde

usualmente se agrega agua en una proporción de 10% basada en la cantidad de mezcla

ácida cruda. El propósito de esta etapa es permitir que la reacción se complete y poder

iniciar la separación del ácido sulfúrico gastado que se encuentra en mezcla con el ácido

sulfónico [Kent, 2007].

3.1.4. Separación del ácido consumido.

El producto diluido pasa a un separador, donde ocurre una separación de fases. La capa

superior contiene el ácido sulfónico mientras que la inferior posee el ácido sulfúrico

gastado el cual se encuentra a una concentración cercana al 75%. El tiempo de separación

depende de varios factores tales como: configuración del tanque, viscosidad y propiedades

del ácido sulfónico, temperatura y grado de aireación en las corrientes de alimentación

[Kent, 2007]. El ácido sulfúrico gastado puede almacenarse para enviar a desecho o pasa a

un proceso de neutralización.

3.1.5. Neutralización.

El ácido sulfónico obtenido se neutraliza con una disolución al 20% de NaOH a un pH de

7.5-8 y una temperatura entre 55 y 60°C. La reacción que se da en este proceso es

44

exotérmica por lo que es necesario colocar una chaqueta para remover el calor generado

dentro del reactor. El producto final de esta etapa es el sulfonato de alquilbenceno lineal

[Handbook of Detergents, 2009].

El siguiente esquema presenta un resumen del proceso discutido, con cada una de las etapas

mencionadas.

Figura 3.3. Diagrama del proceso de sulfonación con óleum de petróleo (Kent, 2007).

3.2. Proceso de producción de LAS utilizando SO3 a partir de azufre elemental

Este proceso consta de seis etapas principales para lograr el sulfonato de alquilbenceno

lineal en su forma de sal sódica. Las etapas son:

Compresión y Secado de aire.

Combustión de Azufre y producción de SO2/SO3.

Sulfonación en un reactor de película descendente.

Estabilización y Maduración de la reacción.

Oleum

Alquilato Digestor

Reactor

Oleum

Agua

Digestor

Ácido

Tanque

NaOH

Neutralizador

Pasta Final

45

Neutralización.

Tratamiento de gases efluentes.

3.2.1. Compresión y Secado de aire.

El primer paso del proceso consiste en la compresión y secado del aire que se utilizará para

la producción de SO2. El propósito es eliminar la humedad presente en el aire de modo que

al entrar en contacto con azufre gaseoso no se de la formación de ácidos y se eviten

problemas de corrosión en el equipo [Martínez, 2010].

El proceso de compresión y secado consta de dos etapas principalmente. En la primera de

ellas el aire se pone en contacto con agua fría para eliminar humedad por condensación.

Previo a esto al agua de enfriamiento se le adiciona etilenglicol con el fin de bajar el punto

de congelación del agua y trabajar a temperaturas cercanas a los 2 C. Esto permite remover

la mayor cantidad de humedad contenida en el aire. Seguidamente el aire se pasa por una

torre absorbedora con camas de óxido de aluminio (alúmina activa) las cuales se encargan

de eliminar la humedad restante y bajar el punto de rocío del aire hasta temperaturas entre

los -60 y -70 C [Martínez, 2010]. En la figura 3.4 se presenta en detalle el procedimiento a

seguir para llevar a cabo el procedimiento antes descrito.

3.2.2. Producción de SO2/SO3.

El azufre en estado elemental se calienta en un quemador de azufre hasta alcanzar el estado

líquido, es decir una temperatura de 115 °C aproximadamente; posteriormente se lleva a

una temperatura de 140°C. El azufre en estado líquido pasa a un reactor donde se pone en

contacto con el aire seco que se obtiene del proceso anterior. El reactor trabaja a una

temperatura de 410 °C y debido al contacto se produce el dióxido de azufre (SO2). El SO2 a

la salida del reactor se encuentra a una temperatura de 700 °C.

Una vez obtenido el SO2 se procede con la obtención del SO3 por medio de una reacción

con catalizador. Previo a esto la corriente de SO2 debe enfriarse por medio de un

46

intercambio calórico hasta alcanzar una temperatura de 420 °C. Para la producción del

trióxido de azufre se utiliza un reactor de camas empacadas con 4 etapas. Las camas se

encuentran empacadas con pentóxido de vanadio (V2O5) que se utiliza como catalizador

para la reacción redox. La reacción es altamente exotérmica por lo que previo a pasar a las

camas 3 y 4 del reactor, la corriente de SO3 se enfría por medio de un intercambio calórico.

Esto se hace puesto que el catalizador necesita mantenerse dentro de un rango de

temperatura de entre 400 y 600 °C para encontrarse en su forma activa, además de que a

temperaturas mayores a los 600 °C la reacción es reversible. La temperatura de salida del

SO3 ronda los 435C y la conversión dentro del reactor es de un 99% aproximadamente

[Handbook of Detergents, 2009].

El trióxido de azufre a la salida del reactor pasa por una torre de intercambio de calor donde

se enfría hasta una temperatura de 40 °C para poder pasar a la etapa de sulfonación.

Durante este intercambio calórico, es posible condensar y recuperar el ácido sulfúrico que

podría haberse producido, si el aire utilizado no estaba lo suficientemente seco. La figura

3.5 muestra el diagrama de flujo para esta sección del proceso.

47

Figura 3.4. Diagrama de Flujo para el proceso de compresión y secado de aire (Handbook

of Detergents).

Sec

ador

Gru

po

En

riad

or

Enfr

iador

Sopla

dor

Reg

ener

ado

r

Agua Enfriamiento

Agua Enfriamiento

Vapor

Air

e S

eco

48

Figura 3.5. Diagrama de Flujo para el proceso de combustión de azufre y producción de

SO2/SO3 (Handbook of Detergents).

En

fria

do

r S

03

Ven

tila

dor

Ven

tila

do

r

Ox

idac

ión S

03

Qu

emad

or

Pre

cale

nta

do

r

Air

e S

eco

Air

e S

eco

Azu

fre

Air

e C

alie

nte

Air

e S

eco

Air

e S

eco

Azu

fre

Aire C

aliente

49

3.2.3. Sulfonación en un reactor de película descendente.

Previo a su entrada al reactor, el SO3 atraviesa un filtro para eliminación de neblina.

Seguidamente el SO3 y el alquilbenceno se alimentan a contracorriente a un reactor de

película descendiente, donde el alquilbenceno alcanza conversiones de hasta el 70% hacia

intermediarios sulfonados. La temperatura de la reacción se mantiene en 40 °C

aproximadamente. La corriente de salida sigue hacia un separador gas-líquido. La corriente

líquida (ácido sulfónico) pasa a la etapa de maduración, mientras que la corriente gaseosa

pasa por un ciclón para una nueva separación. Los remanentes de ácido sulfónico se envían

junto con la corriente líquida, mientras que los gases que contienen remanentes de SO3,

alquilbenceno sin reaccionar y otros residuos, se envían a un tratamiento para su posterior

liberación. La figura 3.6 muestra un ejemplo de un reactor de película descendente.

Figura 3.6. Reactor de película descendente utilizado en el proceso de Sulfonación de

alquilbenceno (Handbook of Detergents).

S03

Organica

Gas S03

Organica

Tubos Reaccion

Agua

Fria

Agua

Fria

Agua

Fria

Agua

Fria

50

3.2.4. Estabilización y maduración de la reacción.

La corriente líquida para maduración se envía a un reactor discontinuo (batch) donde se

agrega agua con el fin de estabilizar la reacción y forzarla hacia la producción del sulfonato

de alquilbenceno lineal como producto final de esta etapa. Se busca que todos los

intermediarios lleguen a formar el sulfonato de alquilbenceno lineal para lograr una

conversión de cerca del 99%. La temperatura de entrada al reactor debe mantenerse en un

rango de entre 45 y 50 °C. Una vez finalizada y estabilizada la reacción, se pasa a la etapa

de neutralización. Además, en esta sección se busca hidrolizar cualquier residuo de

anhídrido que haya queda sin reaccionar. El tiempo dentro del reactor ronda los 45-60

minutos de maduración. La figura 3.7 que se muestra a continuación presenta un diagrama

del proceso a seguir.

Figura 3.7. Diagrama de Flujo para la estabilización y maduración de la reacción de

sulfonación (Handbook of Detergents, 2009).

Maduración

Enfriador

Agua Fría

Bomba

Transferencia

Agua

Agu

a F

ría

Atm

ósf

era

51

3.2.5. Neutralización.

El sulfonato de alquilbenceno lineal obtenido de la etapa de maduración y estabilización se

envía a otro reactor tipo discontinuo, donde se neutraliza en presencia de hidróxido de

sodio (NaOH) para la formación de la sal correspondiente. El reactor posee un reciclo por

lo que el producto pasa por varias etapas para asegurar la calidad del producto final y para

una dispersión adecuada del calor producido en el reactor (se pretende que el producto

neutralizado absorba alguna fracción de este calor). A la salida del reactor se tiene una

temperatura de producto que ronda los 60 °C. La figura 3.8 muestra el diagrama de esta

sección del proceso.

Figura 3.8. Diagrama de Flujo para la neutralización del ácido sulfónico y obtención del

LAS (Handbook of Detergents, 2009).

Enfriador

Mezclador Mezclador

Bomba

Dosificadora Bomba de

Reciclo

Bomba

Dosificadora

Agua

NaOH

Producto

NaOH

Agua

52

El sulfonato sódico de alquilbenceno lineal es el producto final de este proceso, que pasa a

una etapa de almacenamiento previo a su distribución para la producción de diversos tipos

de detergentes. Para su almacenamiento correcto se recomienda tanques de acero

inoxidable o acero al carbono procurando mantener temperaturas menores a los 30 °C.

3.2.6. Tratamiento de Gases Efluentes

Los gases efluentes que abandonan el sistema de sulfonación, en teoría están libres de SO3

residual pero contienen dióxido de azufre no convertido y partículas arrastradas (niebla de

ácido sulfúrico y sulfónico). Este gas no se puede descargar al medio ambiente. El sistema

recomendado tiene un precipitador electrostático diseñado para recoger partículas de niebla

y una torre de depuración para absorber el gas SO2. Los gases efluentes finales son

adecuados para descargar en la atmófera una vez tratados.

Precipitador electrostático.

El precipitador electrostático se compone de un electrodo y varios tubos colectores. Las

partículas de entrada se cargan por una intensidad de corriente alta producida por el

electrodo, y se recogen en la pared del tubo pasivo. Los ácidos orgánicos se descargan en el

fondo del recipiente.

El precipitador electrostático está fabricado de acero inoxidable y el diseño incluye un

sistema interno de lavado para los electrodos y los conductos internos. A continuación se

presenta un esquema de esta etapa.

53

Figura 3.9. Etapa de tratamiento de gases efluentes: Precipitador Electrostático (Handbook

of Detergents, 2009).

Sistema depurador de SO2.

Funciona de forma semi-continua y requiere un mínimo de atención por parte de los

operarios. El tanque de recirculación se carga con una solución diluida de NaOH y se

recircula al principio de la torre de absorción. El gas contacta con la solución depuradora

mientras se dirige a la parte superior de la torre. El dióxido de azufre presente en el gas

efluente se absorbe en esta solución y reacciona formando Na2SO3. Conforme se consume

el hidróxido sódico, el pH de la solución disminuye y entonces se activa la alarma para

informar sobre la necesidad de cargar al tanque otra solución de NaOH. El tiempo de carga

de cada tanque se planifica de forma que la adición de la solución no toque a más de una

vez por turno de trabajo. Cuando se añade el hidróxido de sodio, el tanque se recarga con

agua diluyente de forma que el sistema no trabaje con concentraciones superiores al 8% en

peso o pH inferior a 11. A continuación se presenta un esquema del equipo utilizado en esta

sección.

54

Figura 3.10. Etapa de tratamiento de gases efluentes: Depurador de SO2 (Handbook of

Detergents, 2009).

3.3. Comparación y Selección del proceso de Sulfonación más adecuado.

Para la selección adecuada del proceso se compararán ambos métodos a nivel ténico,

económico y ambiental.

A nivel técnico y económico se pueden tomar en consideración muchos factores, entre los

cuáles se pueden mencionar [Peters, 2004]:

Flexibilidad del proceso.

Dificultades técnicas.

Acceso a materias primas.

Producción de desechos del proceso.

Equipos a utilizar.

Localización de la planta.

Costos generales.

Tiempo de duración.

55

Consideraciones de proceso tales como acceso a la tecnología.

A continuación se presenta un cuadro que compara el rendimiento de ambos procesos de

acuerdo con la calidad de producto, demanda de energía y consumo de materias primas.

Cuadro 3.1. Comparación de características técnicas para los dos procesos de producción

de ácido sulfónico (Handbook of Detergents, 2009).

Característica Proceso basado en SO3 Óleum de Petróleo

Calidad del producto

LAB-SO3H (%) 97 (mínimo) 88-90

LAB (%) 0.8-1.2 1-1.5

H2SO4 (%) 0.8-1.0 5-6

H2O (%) 0.3-0.5 5-6

Color (°Klett) 20-35 40-50

Utilización de Servicios

Energía Eléctrica (kW/t AM) 160 40

Agua de Enfriamiento (m3/ht AM) 100 20

Consumo de materia prima

LAB (Kg/t AM) 718 720

Azufre 99 274a

Agua de Proceso - 160

NaOH (100%) 131 159b

a: Corresponde a 792 kg de óleum (20% SO3).

b: Sin tomar en cuenta la neutralización del ácido gastado.

56

Observando el cuadro anterior se llega a diversas conclusiones. La calidad de los productos

en el proceso basado en SO3 es mucho más alta por lo que no sería necesario colocar una

etapa de purificación para los estándares del mercado. Para uso industrial se prefiere que el

surfactante posea grados Klett (color) bajos, es decir, un color neutro, por lo que en el

proceso basado en óleum sería necesario colocar una etapa de blanqueamiento del producto

final.

En cuanto al consumo de materia prima, el proceso basado en óleum de petróleo tiende a

necesitar un mayor consumo de azufre, agua de proceso y NaOH para la neutralización,

pues el proceso libera grandes cantidades de ácido sulfúrico.

A primera vista es posible decir que la única ventaja que posee el proceso basado en óleum

de petróleo está en su demanda energética debido a que la reacción es del tipo líquido-

líquido, mientras que para el proceso basado en SO3 existe una mayor demanda energética

debido al secado del aire y a la fundición del azufre.

Actualmente el proceso más utilizado a nivel mundial es el proceso basado en aire y

formación de SO3. Entre las razones del porqué esta tecnología es la predominante se

encuentran [Torres, 2012]:

Adaptabilidad: todo tipo de productos orgánicos pueden alimentarse al proceso,

tales como: alquilbencenos, alcoholes primarios, alfa olefinas y metil ésteres de

ácidos grasos. Todos estos compuestos pueden ser fácilmente sulfonados por medio

del proceso basado en SO3 sin necesidad de cambios en tecnología. Por otra parte,

procesos basados en óleum de petróleo únicamente pueden sulfonar alquilbencenos.

Seguridad: tanto el ácido sulfúrico concentrado como el SO3 líquido y el óleum de

petróleo son productos peligrosos de manejar, transportar y almacenar. El azufre,

tanto en forma sólida como líquida, aunque sigue siendo de cuidado, es más seguro

de manipular que los reactivos antes mencionados.

Precio: el proceso basado en aire/SO3 a partir de azufre elemental es la mejor opción

considerando los costos del transporte, manipulación y almacenamiento.

57

Disponibilidad: el ácido sulfúrico, el óleum de petróleo e incluso el SO3 líquido no

se producen en cualquier lado, por lo que la disponibilidad de materias primas

puede variar debido a muchos factores y terminar afectando la producción del

alquilbenceno. Por las mismas cuestiones de seguridad discutidas previamente, si

fuese necesario tener que importar materias primas, es más sencillo y seguro

importar azufre en forma sólida que el óleum de petróleo por ejemplo.

Otro de los factores más importantes por considerar es el impacto ambiental que puede

provocar el proceso y sus desechos.

El proceso de producción utilizando óleum de petróleo arroja corrientes residuales de ácido

sulfúrico gastado que debe ser desechado y/o neutralizado (lo que conlleva un mayor uso de

reactivos). De acuerdo con CHEMITON (2012) es por este tipo de problemas con el

manejo de residuos, que muchas empresas están dando un salto de tecnología hacia la

producción por medio de aire/SO3. El manejo de corrientes de ácido sulfúrico a su vez

involucra un costo alto de mantenimiento, debido a la corrosión de tuberías y equipos que

se ponen en contacto con el ácido. Un posible derrame de reactivos por ejemplo, supondría

también un alto riesgo debido a las concentraciones altas con que se tiene que trabajar el

ácido sulfúrico durante el proceso.

3.3.1. Selección del Proceso.

Para definir el proceso más adecuado y que mejor se ajusta a las necesidades de la aventura

empresarial a continuación se presenta un cuadro comparativo que resume las

características:

58

Cuadro 3.1. Comparación de criterios para la selección del proceso de producción de ácido

sulfónico más adecuado.

Criterio Óleum de Petróleo Aire/SO3

Materia Prima Mayor uso Menor Uso

Demanda Energética Menos Energía Más Energía

Calidad del Producto Menos Calidad Mejor Calidad

Acceso a la tecnología Bueno Excelente

Impacto Ambiental Mayor Menor

Riesgos y Seguridad Mayores Riesgos Menores Riesgos

Las celdas resaltadas representan las características deseables, es decir, la mejor de las

opciones. El proceso basado en el uso de aire para la producción de SO3 aunque tiene una

mayor demanda energética, utiliza una cantidad de materia prima menor, presenta un

impacto ambiental más bajo, tiene menos riesgos para los trabajadores y lo más importante,

sus productos son de más calidad y alta pureza. Es por estas razones que se selecciona

como el proceso más adecuado para la producción de ácido sulfónico, el basado en el uso

de aire para producción de SO3.

59

Capítulo 4: Definición de las características del proceso de producción de

ácido sulfónico utilizando S03 a partir de azufre elemental y elaboración

del diagrama de Flujo del proceso.

En el capítulo anterior se seleccionó el proceso basado en Aire/SO3 como el más adecuado

para llevar a cabo la producción de sulfonato sódico de alquilbenceno lineal. Este proceso

como bien se explicó consta de 5 etapas principales para la elaboración del producto. Estas

son:

Compresión y Secado de aire.

Producción de S02/SO3.

Sulfonación en un reactor de película descendente.

Estabilización y Maduración de la reacción.

Neutralización.

Cada una de estas etapas posee características específicas y condiciones que deben

cumplirse para poder ser llevadas a cabo. Este capítulo pretende definir y establecer dichas

condiciones de operación así como presentar el diagrama de flujo del proceso donde se

integran las 5 etapas en un único proceso continuo.

4.1. Compresión y Secado de Aire.

El aire que será utilizado para la reacción con azufre debe pasar por un proceso de

compresión y secado que pretende eliminar la mayor cantidad de humedad contenida en el

aire. Esto es necesario para evitar la formación de ácido sulfúrico en el proceso de

producción de S02 ya que es un producto indeseado que además podría provocar corrosión

en los equipos durante el resto del proceso de producción.

60

El aire a utilizar será tomado del entorno de la planta, por lo que el clima de la zona tiene

un efecto directo sobre las características del mismo. De acuerdo con datos del Instituto

Meteorológico Nacional (IMN), la temperatura promedio en Moín y por ende del aire es de

26 °C con una humedad relativa promedio de 87% [IMN, 2011].

Las características que debe poseer el aire a la salida de esta etapa del proceso son una

temperatura de 10 °C y una humedad máxima de 0,01g/m3 de aire [Martínez, 2010].

4.2. Producción de SO2/SO3.

El azufre que ingresa al reactor para la producción de SO2 posee una temperatura de

alrededor de 140°C (estado líquido) que al ponerse en contacto con el aire reacciona en

forma exotérmica con una gran liberación de energía.

Luego de la reacción y debido a la liberación de energía, el dióxido de azufre sale del

reactor con una temperatura cercana a los 700°C. Sin embargo, para la producción de SO3,

esta temperatura no puede ser tan alta por los motivos antes mencionados, por lo que se

hace necesario el uso de un intercambiador de calor para disminuir la temperatura hasta 425

°C. Para el intercambio se utiliza agua que se encuentra a temperatura ambiente

(aproximadamente 22°C).

Durante la reacción de obtención de SO3 por contacto del dióxido de azufre con las camas

de pentóxido de vanadio, se produce otra liberación de calor debido a que la reacción es

altamente exotérmica. Esto provoca un aumento rápido en la temperatura del trióxido de

azufre, aumento que es cada vez mayor al pasar de cama en cama, por lo que previo al

ingreso a las ultimas dos camas, esa corriente pasa por sendos intercambiadores de calor.

En el primero de ellos la temperatura pasa de 600 °C a 440 °C y en el segundo de ellos de

500 °C a 435 °C. Al igual que en el caso anterior, el intercambio de calor se hará con agua

a temperatura ambiente.

61

4.3. Sulfonación en un reactor de película descendente.

Para llevar a cabo la sulfonación el trióxido debe mantenerse en un ámbito de temperaturas

de entre 40 y 80 °C para asegurar una máxima conversión.

Por ello previo al ingreso al sulfonador, el SO3 pasa por una batería de intercambiadores de

calor que llevan la temperatura del mismo de 435 °C hasta cerca de 40°C. Para el

intercambio se utilizará agua a temperatura ambiente.

El alquilbenceno (dodecilbenceno en este caso) ingresa a temperatura ambiente (25-30°C

aproximadamente). La reacción es altamente exotérmica por lo que se agrega una chaqueta

con agua para mantener la temperatura dentro del reactor a valores entre 40 y 50°C. El

producto sulfonado a la salida del reactor tiene una temperatura dentro de este mismo

rango. El tiempo de residencia estimado para este reactor es de 48.6 minutos (alrededor de

50 minutos).

4.4. Estabilización y Maduración de la reacción.

El producto de la etapa anterior pasa a la etapa de maduración donde se agrega agua para

estabilizar la reacción y forzar la conversión de todos los intermediarios a ácido sulfónico.

En esta etapa del proceso no se manejan cambios bruscos ni valores altos de temperaturas.

El tiempo de residencia estimado dentro del reactor es de 30 minutos.

4.5. Neutralización.

Para la etapa de neutralización el producto proveniente de la etapa anterior ingresa a 45°C

aproximadamente. La disolución de NaOH (42%) utilizada para la neutralización ingresa a

temperatura ambiente. Al tratarse de una reacción exotérmica es otra vez necesario agregar

una chaqueta con el fin de mantener la temperatura durante la reacción a 40°C. El tiempo

de residencia de la reacción se estima en 60 minutos. El producto final sale a esta

temperatura y pasa a ser almacenado.

62

4.6. Diagrama de Flujo

La figura siguiente presenta el diagrama de flujo del proceso completo que incluye un

cuadro con la nomenclatura de todos los equipos.

63

25

62

1513

SELLOS DE APROBACION

ÍTEM DESCRIPCION

NOMENCLATURA

A B C D E F G H

1

2

3

4

5

6

7

A B C D E F G H

APROBACION COMISION REVISORA DE PERMISOS DE CONSTRUCCION

Proyecto:

Producción de Sulfonato Sódico

de Alquilbenceno Lineal

Propietario: RECOPE

Provincia: Canton: Distrito:

Dibujo: Ing. Marco Ureña Naranjo

PROFESIONAL RESPONSABLENombre: Marco Ureña Naranjo

Firma: No. de Reg.:

PROFESIONAL RESPONSIBLE

DIRECCION TECNICA

Nombre: Ing. Marco Ureña Naranjo

Firma: No.de Reg.:

INFORMACION REGISTRO

PUBLICOPropietario:

No. de Catastro:

Citas:

Contenido:

Planta de Producción de Sulfonato

Sódico de Alquilbenceno Lineal

Escala Fecha LaminaIndicada 23-Junio-2012 1

7

6

5

4

3

2

1

K-102

AIRE

3

4

AGUA

EG

CT-103

1

AZUFRE

R-105

9

10

17

8

C-107

7

I-106

I-108

I-109

1411

I-110 I-111

Agua Caliente

16

ÓLEUM

LAB

1918

R-115

P-114

FIL-113

S-116

A-117

20

R-118

22

AGUA

24

R-120

NaOH

25

H20LABSNa

23

Gas a Tratar

21

P-119

P-121

P-101

12

5

2

P-101 Bomba Centrífuga 1

K-102 Compresor

CT-103 Torre Enfriamiento

R-105 Reactor de Conversión

I-106 Intercambiador de Calor 1

C-107 Columna S03

I-108Intercambiador de

Calor 2

I-109Intercambiador de

Calor 3

I-110Intercambiador de

Calor 4

I-111Intercambiador de

Calor 5

P-112 Bomba Centrífuga 2

FIL-113 Filtro de Neblina

P-114 Bomba Centrífuga 3

R-115 Reactor de Sulfonación

S-116 Separador

A-117 Ciclón de Separación

R-118 Reactor de Maduración

P-119 Bomba Centrífuga 4

R-120 Reactor de Neutralización

P-121 Bomba Centrífuga 5

D-104

6

D-104 Secador de Aire

15

P-112

13

Figura 4.1. Diagrama de Flujo del Proceso de Producción de Sulfonato Sódico de Dodecilbenceno Lineal.

64

Capítulo 5: Balances de Materia y balances de Energía.

5.1. Balance de Materia.

Se tomará como base de cálculo a la producción estimada de azufre que se obtendría luego

del proyecto de Modernización de la Refinería. De acuerdo con datos del estudio técnico de

Recope, se estima que la cantidad de azufre a obtenerse ronda las 53 ton/día [Process

technical study, 2010].

Para efectos de cálculo se hará la suposición de que se trabajará en tres turnos, cada uno de

8 horas, por lo que se tendrá un flujo de azufre que equivale a 2208,33 kg. Para realizar los

balances de materia se partirá de este valor y se utilizarán las relaciones molares de acuerdo

con las reacciones químicas para el cálculo de los flujos másicos de los demás reactivos.

5.1.1. Aire Seco y Producción de S02.

De la estequiometria de la reacción entre el azufre y el oxígeno para producir el SO2, se

obtienen las siguientes relaciones molares:

S + 02 S02

P.M (kg/kmol) 32.1 32 64.1

N 1 1 1

Se tienen 2208,33 kg/h de azufre como flujo de entrada, que corresponden a un total de

68,87 kmoles de azufre. Como la relación molar es 1:1 se necesitan en total 68,87 kmoles

de oxígeno para la reacción. Esto equivale a 2203,3 kg/h de oxígeno en el quemador de

azufre.

El oxígeno para la reacción proviene del aire, por lo que la cantidad de aire necesaria para

suministrar 68,87 kmoles de oxígeno es de 10.495 kg/h, lo que equivale a 8.893,97 m3/h de

aire necesarios en el quemador de azufre.

65

De la relación molar 1:1 entre el azufre y el dióxido de azufre se obtendrían en total 68,87

kmoles de SO2, en el quemador de azufre. Sin embargo el rendimiento de la reacción no es

del 100%. El uso de aire para llevar a cabo la combustión en lugar de oxígeno puro,

provoca un rendimiento hasta valores del 85%. El uso de oxígeno puro, o aire enriquecido

con oxígeno, es poco práctico a nivel industrial debido a su costo alto [Ullman, 2011]. Por

tanto la producción de SO2 considerando este rendimiento equivale a 3752,52 kg/h de SO2

lo que significa un flujo molar de 58,54 kmol/h.

5.1.2. Catalizador y producción de SO3.

Al igual que en la sección anterior para el cálculo de estos reactivos es necesario utilizar la

estequiometria de la reacción.

SO2 + ½ O2 SO3

P.M (kg/kmol) 64.1 32 80.1

N 1 ½ 1

Para el cálculo de la cantidad de catalizador (pentóxido de vanadio) se hará uso de la

cinética de la reacción y de las ecuaciones de diseño de reactores empacados. Este cálculo

se muestra en el apéndice C, y los valores obtenidos están en la sección 5.3 de este capítulo

donde se muestra el dimensionamiento de los equipos principales.

De la relación molar 1:1 entre el dióxido y el trióxido de azufre se obtendrían en total 58,54

kmoles de SO3 en el reactor de conversión. La conversión esperada para esta reacción es de

aproximadamente el 95% [Martínez, 2010] por lo que este valor se traduce en 55,85 kmoles

de SO3 para un flujo másico de aproximadamente 4454,74 kg/h de S03.

En el reactor de película descendiente el calor de reacción puede controlarse diluyendo el

SO3 producido con aire seco, reduciendo de esta manera la presión parcial del gas y el flujo

hacia la interfase gas-líquido [Handbook of Detergents, 2009]. Se calcula entonces la

cantidad de aire que debe entrar al reactor con el fin de obtener una disolución diluida de

66

6% de SO3 en aire. Conociendo la cantidad de SO3 que se obtendrá y haciendo el cálculo

respectivo, se obtiene un flujo requerido de aire de 22.571 m3/h aproximadamente.

5.1.3. AlquilBenceno y Ácido Sulfónico.

Se parte de la reacción de sulfonación para realizar los cálculos respectivos. En este caso se

utilizará dodecilbenceno como referencia para el cálculo de la cantidad de alquilbenceno,

ya que es el reactivo más utilizado a nivel industrial para llevar a cabo esta reacción

[Hanbook of Detergents, 2009].

C12H25C6H5 + S03 C12H25C6H5SO3H

P.M (kg/kmol) 246.4 80.1 326.5

N 1 1 1

Al existir una relación molar 1:1 entre los reactivos y conociendo el flujo molar necesarios

de SO3, se calcula la cantidad de dodecilbenceno necesario en 55,85 kmoles de

dodecilbenceno para poder llevar a cabo la sulfonación. Esta cantidad equivale entonces a

un flujo de aproximadamente 13.761,45 kg/h de dodecilbenceno.

Manteniendo la estequiometria molar 1:1, se obtiene la cantidad de sulfonato de

dodecilbenceno lineal que se produce. En este caso al igual que los anteriores, se producen

55,85 kmoles de producto, lo que en este caso equivale a 18.236,37 kg/h de producto. Este

flujo de salida sin embargo, no corresponde en su totalidad a sulfonato de dodecilbenceno

lineal. El rendimiento se aproxima a un 98,5%, por lo que la cantidad que pasa a la etapa de

neutralización equivale a 17962,85 kg/h de sulfonato de dodecilbenceno lineal

aproximadamente. El resto corresponde a gases que deberán ser tratados.

67

5.1.4. Sulfonato sódico de dodecilbenceno lineal y productos de neutralización.

Como bien se expuso en la sección anterior a la etapa de neutralización ingresa un flujo de

17962,85 kg/h de sulfonato de dodecilbenceno lineal aproximadamente. Para la

neutralización se utilizará una disolución de NaOH de 42% en H2O [Martínez, 2010]. Para

ello será necesario entonces preparar una disolución con una relación de 1:3 de NaOH en

H2O respectivamente. La reacción de neutralización será la siguiente:

C12H25C6H5SO3H + NaOH + 3H2O C12H25C6H5SO3Na + 4H2O

P.M

(kg/kmol)

246,4 40 18 348,5 18

N 1 1 3 1 4

La cantidad de NaOH necesaria se calcula por medio de la relación molar de 1:1 respecto al

sulfonato de dodecilbenceno lineal. Al existir un flujo de entrada de 55,85 kmoles de

sulfonato, se deben ingresar al neutralizador 55,85 kmoles de NaOH también. Esto equivale

a un flujo de entrada de 2200,65 kg/h aproximadamente. Por otra parte tal y como lo

muestra la reacción, por cada mol de NaOH ingresan 3 moles de H2O, por lo que serán

necesarios 167,55 kmoles de agua en el neutralizador. Por tanto el flujo de agua será de

3.015 kg/h aproximadamente.

Los flujos de salida de esta última etapa se calculan también a partir de las relaciones

molares. El producto principal, sulfonato sódico de dodecilbenceno lineal, sale acompañado

de 1,9% de sulfato sódico y 1,5% de aceite libre [Handbook of Detergents, 2009]. Por tanto

el flujo de salida del neutralizador es el que se muestra a continuación.

68

Cuadro 5.1. Producción final esperada de LabsNa y otros productos derivados.

Producto Valor Unidades

Total 18521.30 kg/h

Sulfato Sódico 351.90 kg/h

Aceite Libre 277.8 kg/h

Sulfonato Sódico de

Dodecilbenceno Lineal

(LabsNa)

17891.57 kg/h

Como se puede observar, la producción total de LAS corresponde a 17891,57 kg/h lo que

equivaldría a una producción promedio de 155.578,9 ton/año de producción.

El cuadro 5.2 resume el balance de materia para cada una de las corrientes involucradas en

el proceso de acuerdo con el diagrama de flujo expuesto en el capítulo 4.

69

Cuadro 5.2. Balance de Materia por corriente de acuerdo con el Diagrama de Flujo del Proceso.

Corriente

Flujo

Total

kg/h

Flujo Componentes kg/h

Azufre S02 S03 DDB NaOH LAS LabsNa Agua Aire Otros

1 2.208,33 2.208,33 - - - - - - - - -

2 35.977,56 - - - - - - - - 35.977,56 -

3 18.000 - - - - - - - 18.000 - -

4 1.800 - - - - - - - - - 1.800

5 19.800 - - - - - - - 19.800 - -

6 35.977,56 - - - - - - - - 35.977,56 -

7 3.752,52 - 3.752,52 - - - - - - - -

8 3.752,52 - 3.752,52 - - - - - - - -

9 4.454,74 - - 4.454,74 - - - - - - -

10 4.454,74 - - 4.454,74 - - - - - - -

11 4.454,74 - - 4.454,74 - - - - - - -

12 4.454,74 - - 4.454,74 - - - - - - -

13 4.454,74 - - 4.454,74 - - - - - - -

14 4.454,74 - - 4.454,74 - - - - - - -

15 18.000 - - - - - - - 18.000 - -

16 18.000 - - - - - - - 18.000 - -

17 4.454,74 - - 4.454,74 - - - - - - -

18 13.761,45 - - - 13.761,45 - - - - - -

19 17.962,85 - - - - - 17.962,85 - - - -

20 17.962,85 - - - - - 17.962,85 - - - -

21 273,52 - - - - - - - - - 273,52

22 17.962,85 - - - - - 17.962,85 - - - -

23 18.521,30 - - - - - - 17.891,57 - - 629,7

24 84.355,14 - - - - - - - 8.4355,14 - -

25 2.200,65 - - - - 2.200,65 - - - - -

70

5.2. Balance de Energía.

Para la realización de estos balances se tomarán en cuenta todas las condiciones del proceso

que se inicaron en el capítulo 4. Acá se describirán las principales cargas energéticas de

todos aquellos equipos que así lo ameriten y se realizará la integración energética de los

mismos si es conveniente.

A lo largo del proceso existen diversas reacciones exotérmicas generadoras de calor,

específicamente las reacciones de producción de SO2, producción de SO3, sulfonación y

neutralización. La siguiente sección expone los principales valores calculados de

generación de calor para estas secciones del proceso productivo.

5.2.1. Reacciones Generadoras de Calor.

Producción de dióxido de azufre.

La producción de SO2 descrita en el balance de materia es exotérmica con un ΔH de -

9210,63 kJ/kg. Con base en el flujo de azufre de entrada y el flujo de dióxido de azufre

producido, se calcula la cantidad de calor que genera esta reacción en – 20.516.679 kJ/h de

energía liberados a partir de esta reacción.

Producción de trióxido de azufre.

La reacción de producción de SO3 al igual que en el caso anterior es altamente exotérmica

con un ΔH de -3045.95 kJ/kg. A partir de este valor y conociendo los flujos del balance de

materia se obtiene una generación de calor de -11.430.000 kJ/h de energía.

Sulfonación.

De acuerdo con la reacción descrita para la sulfonación en el balance de materia y

conociendo que el ΔH de la misma es de -170.288 kJ/mol se obtiene una generación de

calor para esta etapa del proceso de -9.470.547 kJ/h de energía.

71

Neutralización.

La reacción de neutralización al igual que las tres anteriores es altamente exotérmica con un

ΔH de -99.99 kJ/kg. Tomando el flujo obtenido en el balance de materia se calcula una

generación de calor de -1.823.593,62 kJ/h de energía.

El proceso no cuenta con operaciones que necesiten un aporte energético importante donde

la energía liberada por estas reacciones pueda aprovecharse. Por lo tanto es recomendable

considerar la opción de utilizar estas corrientes energéticas en otros procesos de la

Refinería a fin de evitar el desperdicio de las mismas. La principal opción es la generación

de vapor.

5.2.2. Consumos de Energía en la Planta.

Una vez realizados los dimensionamientos de los equipos se procede a calcular el consumo

de energía de los mismos. El cuadro 5.3 presenta un resumen con los principales valores

encontrados.

Cuadro 5.3. Principales Consumos Energéticos de los equipos del Proceso.

Equipo Consumo (kW)

Enfriador 104,6

Agitador 1 102

Agitador 2 124

Compresor 800

Secador 9,93

5.3. Dimensionamiento de los Equipos Principales.

Para llevar a cabo el dimensionamiento de los equipos se utilizará como base de cálculo los

datos generados en el balance de masa y energía que se muestran en las secciones

anteriores.

72

5.3.1. Intercambiadores de calor.

Para el dimensionamiento de los intercambiadores de calor se emplea el método de flujos a

contracorriente explicado en el Kern (2009). La metodología para determinar el área de

transferencia de calor de cada equipo se encuentra en el apéndice C.

En el cuadro 5.4, se muestra el área necesaria para cada intercambiador de calor. Los

valores de los coeficientes totales para el diseño (UD) incluyen un factor de obstrucción

total de 0,03 (m2*°C)/kW y una caída de presión permisible de 0,34 a 0,68 atmosferas en la

corriente que controle (Kern, 2009).

Cuadro 5.4. Área necesaria para los intercambiadores de calor del proceso.

Equipo MLDT Q (kW) UD (W/m2°C) A (m

2) Lt (m) Nt

I-106 520,82 198,44 46 17,13 1,29 166

I-108 479,34 229,69 78 23,88 2,67 112

I-109 429,69 93,32 66 17,11 1,62 132

I-110 299,97 265,57 90 23,30 3,84 76

I-111 79,49 294,29 75 26,06 2,92 112

5.3.2. Tanques de Mezclado.

Para el dimensionamiento de los tanques de mezclado del proceso, se considera que tengan

capacidad para manejar el flujo volumétrico de una hora de proceso. En la figura 5.1, se

muestran las dimensiones estándar de un tanque agitado y en el cuadro 5.5, se muestran las

dimensiones de los tanques de proceso.

73

Figura 5.1. Dimensiones estándar de un tanque agitado (McCabe et al., 2007).

Cuadro 5.5. Dimensiones de los tanques de mezclado del proceso.

Equipo V (m3) Dt (m) Da (m) E (m) W (m) J (m) L (m)

R-118 22,5 3,06 1,02 1,02 0,204 0,255 0,255

R-120 25 3,17 1,06 1,06 0,211 0,264 0,264

Se va a considerar el uso de 4 deflectores en los tanques, la utilización de turbinas de palas

planas y un motor capaz de proveer 150 revoluciones por minuto. En el cuadro 5.6, se

muestran las características de los tanques de mezclado del proceso.

Cuadro 5.6. Características de los tanques de mezclado del proceso.

Equipo Flujo (m3/h) η (rev/s) tm (s) P (kW)

R-118 22,5 2,5 15,48 102

R-120 25 2,5 15,48 124

74

5.3.3. Reactores de Proceso.

Para el dimensionamiento de cada uno de los reactores de proceso se tomará en cuenta el

flujo calculado en los balances de masa y las propiedades cinéticas de las reacciones que se

llevan a cabo.

Reactor de Conversión SO2-SO3.

Para conocer el volumen del reactor es necesario calcular la cantidad de catalizador que se

utilizará en cada una de las 4 etapas en las que se divide el reactor. Para ello se utiliza el

procedimiento descrito por Fogler (1999). La conversión en cada etapa de reacción se basa

en el artículo descrito por Martínez (2010). Los resultados obtenidos se muestran en el

cuadro 5.7.

Cuadro 5.7. Catalizador necesario por etapa para la conversión de S02 en S03.

Etapa Conversión Alcanzada (%) Catalizador (kg)

1 60 3.023,74

2 85 4.918,11

3 95 2.140,3

4 99 1.460,60

Para obtener el volumen se calcula la cantidad de catalizador total a utilizar y utilizando la

densidad del catalizador se aproxima un volumen de reacción. Como factor de seguridad se

considera una fracción de vacío del 25%

Cuadro 5.8. Volumen necesario para la conversión de S02 en S03.

Cantidad de Catalizador (kg) Densidad V205 (kg/m3) Volumen (m

3)

11541.94 541 26.7

75

Reactor de Película Descendente.

Para llevar a cabo la estimación del volumen de reacción para el reactor de película

descendente utilizado para el proceso de sulfonación, se seguirá el procedimiento descrito

por Trambouze (2004).

Para el diseño se utilizan de factores dependientes del flujo de líquido que ingresará al

reactor. El siguiente cuadro muestra los factores recomendados y los valores utilizados para

el cálculo.

Cuadro 5.9. Factores de diseño para el dimensionamiento de un reactor de película

Descendente (Trambouze, 2004).

Factor de Diseño Valor Recomendado Valor Utilizado

Tasa de Flujo (m3/h*m) QL/L 0,2 – 4 2,5

Número de Tubos 1 - 60 10

Espesor de la capa (mm) 0,2 - 6 6

Altura (m) 1 - 10 Calculado

Partiendo de estos valores y conociendo el flujo de entrada de líquido al reactor

(dodecilbenceno específicamente) calculado en el balance de masa, se obtienen las

dimensiones para el reactor. Se considera el uso de únicamente 10 tubos para efectos de

mantenimiento del reactor, al tener menos tubos y de mayor diámetro su limpieza y posible

reparación se ve facilitada.

Cuadro 5.10. Dimensiones obtenidas para el reactor de película descendente utilizado en el

proceso de sulfonación.

Altura (m) Numero de Tubos Diámetro de tubos (m) Volumen (m3)

7,54 20 0,24 3,414

76

Reactor de Combustión del azufre.

Para llevar a cabo la combustión del azufre se dimensiona un horno que básicamente

consiste de un cilindro horizontal de acero al carbono recubierto internamente con ladrillo

refractario. Una corriente de aire ingresa por uno de los extremos del cilindro y el azufre

líquido ingresa por el mismo extremo alimentado por una “pistola” que se encarga de una

atomización adecuada del líquido en el cilindro.

Para efectos de diseño se manejan criterios que definen que el volumen del cilindro varía

directamente con la producción final diaria. Más específicamente se estima una variación

de 0,094 m3/ton de producto. Se estipula que con este valor de diseño el tiempo de

residencia dentro del horno será tal que se dará una combustión completa del azufre para la

obtención final del SO2. El cuadro 5.11 presenta los resultados obtenidos.

Cuadro 5.11. Dimensiones obtenidas para el horno de combustión de azufre.

Relación de Diseño

(m3/ton)

Flujo de Producción diario

(ton/día) Volumen (m

3)

0,094 444,5 42

5.3.4. Bombas Centrífugas.

Para su dimensionamiento, solo se va a contemplar el flujo necesario de las mismas en el

proceso, ya que no se puede calcular la potencia de las mismas debido a que se desconoce

la longitud, el diámetro y los factores de pérdida de la tubería a ser utilizada. Para el

dimensionamiento del flujo de las bombas centrífugas, se redondea el flujo necesario a la

unidad mayor, con el fin de que pueda suplir el flujo requerido aún en presencia de tuberías

incrustadas.

77

Cuadro 5.12. Características de las bombas centrífugas requeridas en el proceso de

producción.

Equipo Flujo Requerido (gpm) Flujo Bomba (gpm) Flujo Bomba (m3/s)

P-101 4,9104 5 0,0003

P-112 79,2 80 0,005

P-114 82,368 85 0,0053

P-119 91,872 100 0,0063

P-121 459,36 500 0,032

5.3.5. Compresor, enfriador y secador de aire.

Enfriador.

Para efectos de costeo posterior, del enfriador del agua que ingresa al secador, es necesario

conocer la carga energética a utilizar. Para ello se contemplan dos factores importantes: el

flujo de agua necesario a ser enfriado, y el cambio de temperatura del fluido refrigerante. El

cuadro 5.13 presenta los valores utilizados y la carga térmica calculada en el enfriador de

agua.

Cuadro 5.13. Especificaciones para el sistema de enfriamiento de agua.

Parámetro Valor

Temperatura de entrada (°C) 15

Temperatura de salida (°C) 10

Flujo de agua (kg/s) 5

Carga térmica (kW) 104,6

78

Secador de Aire.

Para efectos de dimensionamiento y posterior costeo del secador, se calcula el flujo de aire

necesario y a partir de este valor se cotizará el secador de aire basado en el tipo de

adsorción más adecuado. El cuadro 5.14 muestra las especificaciones de aire a secar así

como las del secador marca Atlas Copco XD Series. El aire de entrada posee las

características descritas en el capítulo 4.

Cuadro 5.14. Especificaciones para el sistema de secado de aire.

Flujo de Aire (m3/h) Flujo máximo Secador (m

3/h) Potencia (kW)

25.000 25.200 9,93

Compresor de Aire.

Para su posterior costeo, debe de calcularse la potencia del compresor de aire a utilizar.

Para ello es necesario conocer el flujo de aire a comprimir y la diferencia de presión. De

acuerdo con Ullman (2011) se debe de comprimir el aire hasta valores de entre 1,5 y 2 bar

con el fin de que el aire tenga la fuerza necesaria para reponer las caídas de presión que

puedan darse a lo largo del resto del proceso. El cuadro 5.15 presenta el consumo de

potencia calculado para las condiciones indicadas.

Cuadro 5.15. Especificaciones para el sistema de compresión de aire.

Flujo de Aire (mol/h) Δ P (bar) Potencia (kW)

25.000 2 800

5.3.6. Tanques de almacenamiento de materias primas y producto final.

Para el dimensionamiento de los tanques de almacenamiento de la materia prima y del

producto, se va a considerar que tengan un volumen de almacenamiento de una semana de

79

producción. En el cuadro 5.16, se muestran las características de los tanques de

almacenamiento de la materia prima y del producto final del proceso.

Cuadro 5.16. Especificaciones para los tanques de almacenamiento.

Tanque Almacenamiento Volumen (m3) Diámetro Nominal (m)

DodecilBenceno 2.510 14,73

NaOH 150 5,76

Sulfonato Sódico de Alquilbenceno

Lineal 2.935 15,52