ESTIMACIÓN DE COSTOS DE MANUFACTURA

COSTOS DE MANUFACTURA

Los costos asociados con la operación diaria de una planta química deben ser estimados antes de que la viabillidad de un proceso propuesto pueda ser valorada. A fin de estimar los costos de manufactura , necesitamos información provista en el PDF, una estimación del capital fijo de inversión y un estimativo del número de operadores que se requieren para operar la planta. Los costos de manufactura se expresan en unidades de dólares por unidad de tiempo

FACTORES QUE AFECTAN EL COSTO DE MANUFACTURA Tabla 6.1

FACTORES QUE AFECTAN EL COSTO DE MANUFACTURA Tabla 6.1

Costo de Manufactura (COM) = Costos Directos de Manufactura (DMC) + Costos Fijos de Manufactura (FMC) + Gastos Generales (GE)

FACTORES QUE AFECTAN EL COSTO DE MANUFACTURA Tabla 6.1

FACTORES Y ECUACIONES El costo de manufactura, COM, se puede determinar cuando se conocen o se pueden estimar los siguientes costos: 1. Capital fijo de inversión (FCI): (CTM o CGR) 2. Costo de mano de obra de operación (COL) 3. Costo de los servicios (CTU) 4. Costo del tratamiento de residuos (CWT) 5. Costo de la materia prima (CRM) DMC  C RM  CWT  CUT  1.33COL  0.069 FCI  0.03COM

FMC  0.708COL  0.069 FCI  depreciación GE  0.177COL  0.009 FCI  0.16COM

COM  0.280 FCI  2.73COL  1.23(C RM  CWT  CUT ) COM d  0.180 FCI  2.73C OL  1.23(C RM  CWT  CUT )

COSTO DE MANO DE OBRA N OL  (6.29  31.7 P 2  0.23N np ) 0.5 N np   Equipos

Donde

NOL

es el número de trabajadores por turno

P

es el número de procesos involucrados en el manejo de partículas sólidas

Cálculo del número de trabajadores  365.dias  3.turnos  (# Turnos / año) Planta      1095.Turnos / año 1 . año 1 . dia     6.turnos  49.sem    294.Turnos / operador  año (# Turnos / año) Oper    1 . año operador  sem   

 1095.turnos    1.año  # Operadores    3.72.operadores  294.turnos     operador  año 

Para estados Unidos el número de operadores es de 4.5, esto se debe a que los trabajadores realizan 5 turnos por semana

ESTIMACIÓN DE COSTOS DE MANO DE OBRA E INSTALACIONES HDA Ejemplo 6.2 Estime el requerimiento de mano de obra y los costos para las instalaciónes para la Hidroalquilación del tolueno. Del PFD de la figura 1,5 el número y tipo de equipo se determinó. Utilizando la ecuación de Nnp, se hace un estimado del número de operadores por turno. Esta información se muestra en la tablaE6.2 N OL  (6.29  31.7(0) 0.1  0.23(11)) 0.5  (8.82) 0.5  2.97

El número de trabajadores por turno es 2.97 Mano de obra operativa = (4.5)(2.97) = 13.4 Costos Mano de Obra = (14)($50.000) = $700.000/año

SERVICIOS PARA UNA PLANTA CON MÚLTIPLES UNIDADES DE PROCESO Tabla 6.3

SERVICIOS PARA UNA PLANTA CON MÚLTIPLES UNIDADES DE PROCESO Tabla 6.3

COSTO DE AGUA DE ENFRIAMIENTO Ejemplo 6.3 Estime el costo de servicios para producir una corriente circulante de agua de enfriamiento usando una torre de enfriamiento mecánica preliminar. Considere una base de 1 GJ/h de energía removida de las unidades de proceso. El flujo de agua de enfriamiento que se requiere para remover esta energía es m (Kg/h). 

Un balance de energía

m C p T  1x10

 9



m( 4180  40  30)  41.800 m

Despejando se tiene que el flujo de agua m = 23923 Kg/h Para un calor latente para el agua a una temperatura promedio de 35ºC = 2417 kJ/Kg La cantidad de agua evaporada de la torre, Wtorre

Wtower

1x109   413.7.Kg / h H vap

Esta cantidad corresponde al 1.73% del flujo de agua que circula. Necesitamos conocer el máximo factor de concentración de sales disueltas Este factor toma valores típicos entre 3 - 7. Para este ejercicio S = 5

S

Sloop Sin

COSTO DE AGUA DE ENFRIAMIENTO Ejemplo 6.3 Realizando un balance de agua y sales en el diagrama, se obtiene: Purga Pérdidas por evaporación y arrastre

WMU  Wtower  Wwind  WBD SinWMU  SloopWtower  Wwind  WBD

Agua de enfriamiento 30 ºC

Procesos Procesos

Agua de reposición

Sin (Wtower  Wwind  WBD )  SloopWwind  SloopWBD Como Sloop = 5 Sin reordenando se tiene que:

Procesos

Figura 6.2 Diagrama esquemático de un lazo de agua de enfriamiento

WBD 

Wtorre 1.73%  Wwind   0.3%  0.133% 4 4

WMU  1.73  0.3  0.133  2.163%  517.Kg / h

COSTO DE AGUA DE ENFRIAMIENTO Ejemplo 6.3 Se estima un caída de presión de 38.7 psi = 266.7 kPa

PBomba

1  1 23923  .V  P  ( 266 .7 )  2.36 .kW  0.75 (1000 )( 3600 )

PAbanico 

( 23923 )( 2 .2048 ) ( 0.5)( 0 .041 )  1 .61 .kW ( 60 )( 8 .337 )

Usando un costo para electricidad ($0.06 / kW), agua de proceso ($0.067 / 1000 kg) y químicos para el agua de reposición ($0.156 / 1000 kg):

Costo de agua de enfriamiento = costo de electricidad + costo de químicos para agua de reposición + costo de agua de reposición

CCW  (0.06 )(2.36  1.61) 

(517 .3)(0.156 ) (517 .3)(0.067 )   $0.354 / h  $0.354 / GJ 1000 1000

COSTOS DE REFRIGERACIÓN Un ciclo básico de refrigeración consta de un fluido de trabajo que circula alrrededor de un lazo que consiste en un compresor, un evaporador, una válvula de expansión o turbina y un condensador. Condensador V

L

Compresor

Válvula

V

L+V

Evaporador

La eficiencia de Carnot de un sistema mecánico de refrigeración se puede expresar mediante el coeficiente reversible de desempeño, COPREV:

COPREV 

Tevaporador TCondensador  Evaporador

T1  T2  T1

COSTOS DE REFRIGERACIÓN

Trabajo reversible por unidad de refrigeración

Debido a que todo el proceso para una máquina de Carnot debe ser reversible, el COPREV da el mejor desempeño teórico para el sistema de refrigeración.

Figura 6.4 Trabajo ideal para ciuclos de refrigeración como función de la temperatura de refrigeración

Está claro que si el TEvap - Cond aumenta, el trabajo requerido por unidad de energía removida en el evaporador aumenta. Los costos de operación para refrigeración incrementarán si la temperatura a la cual se quuiere refrigerar disminuye.

ESTIMACIÓN DE SERVICIO DE REFRIGERACIÓN A 5 ºC Ejemplo 6.5 Otener un costo estimado para un servicio de refrigeración operando a 5ºC Considere una etapa simple de un sistema de refrigeración para proporcionar refrigeración a 5ºC, usando 1,1 difluoruroetano (R - 152a) como refrigerante. El PFD del proceso y las condiciones de operación se dan en la figura E6.5 y la tabla E6.5, respectivamente. Compresor de baja temperatura Compresor de alta temperatura

Evaporador de baja temperatura

Condensador

Condensador CW

Válvula de expansión

Válvula de expansión

Figura E6.5 PFD para una ciclo simple de refrigeración

ESTIMACIÓN DE SERVICIO DE REFRIGERACIÓN A 5 ºC Ejemplo 6.5 Tabla E6.5 condiciones de corrientes

Cuando la circulación del R - 152a es 65.3 kmol/h, la carga del evaporador es 1 GJ/h. Se asume una eficiencia de 75% para el compresor y las cargas en los equipos son: Potencia del compresor = 66.5 kW (a 75% de eficiencia) Condensador = 1.24 GJ/h Evaporador = 1.00 GJ/h Trabajo del compresor por unidad de enfriamiento = (66.5)/(1x106/3600) = 0.2394 El costo de refrigeracuión @ 5ºC = (66.5)(0.06) + (1.24)(0.354) = $4.43 / h = $4.43/GJ

COSTO DE PRODUCCIÓN DE VAPOR Vapor de Alta Presión (hps) Proceso que usa HPS

3 Vapor de Media Presión (mps) 2

Pérdida del proceso

Proceso que usa MPS

1

PIC

Pérdida del PIC proceso

4

Vapor de Baja Presión (lps) Agua de reposición

Proceso que usa LPS Pérdida del proceso

Caldera E-12

Bomba de Agua de Alimentación a la Caldera Condensado

Procesos Generadores de vapor alta, media y baja presión Condensador de Superficie

Estimación costo de vapor de alta presión Ejemplo 6.6 Determine el costo de producir vapor de alta presión usando una fuente de gas natural la cual tiene un costo de $6/GJ. Vapor de alta presión (41.0 barg) Una base de 1000 kg de hps generado a 45.3 bar y 400 ºC

[email protected] barg, 400ºC = 3204.3 kJ/kg

@ 41 bar de saturación Tsat = 254 ºC. asuma que la el agua de alimentación a la caldera proviene de un DEAERATOR que opera a una presión de escape de 0.7 barg y Tsat = 115 ºC (10 psig) hBFW = 483 kJ/kg HBFW-hps = (3204.3 - 483) = 2721.3 kJ/kg La energía requerida para producir hps = (2721.3)(1000) = 2.721 GJ Debido a esto el hps es sobrecalentado, podemos producir mas que 1000 kg de vapor saturado de este. A fin de sobrecalentar este vapor, se añade BFW para producir vapor saturado @ 41.0 barg (h = 2797.6 kJ/kg). Ver figura E6.6.

Estimación costo de vapor de alta presión Ejemplo 6.6 (x - 1000) kg de BFW @ 0.7 barg y 115 ºC x kg de vapor saturado @ 41.0 barg

Sobrecalentador 1000 kg de hps @ 44.3 barg y 400 ºC

Figura E6.6 Esquema de un proceso desobrecalentamieto para hps

Un balance de entalpía da: (1000)(3204.3) + (x - 1000)(483) = (x)(2797.6)

x = 1175.7 kg

El costo de gas natural para producir 1000 kg de hps (asumiendo un 90% de eficiencia de la caldera) está dado por:

(2.721) (1000)(6.00) Costo   $15.43 (0.9) (1175.7)

Estimación costo de vapor de alta presión Ejemplo 6.6 El costo de tratamiento para el BFW circulante = $0.12 / 1000 kg. El costo de BFW se basa en que se requiere un 10% de reposición. El uso eléctrico para los sopladores es 14 kW/1000 kg de vapor producido dando un costo de eléctricidad = (14)(0.06) = $0.84 El costo de BFW se basa en la reposición, tratamiento químico y la energía térmica en la corriente: Para una base de 1000 kg de BFW: Costo de agua de reposición: $0.067 Costo de tratamiento químico = $0.12 Energía en BFW = mCpDT = (1000)(4.18)(115 - 25) = 0.376 GJ Valor de la energía = ($6.00)(0.376) = $2.26 Costo de BFW = 2.26 + 0.067 + 0.12 = $2.45/1000 kg Costo de reposición de BFW = (0.1)(2.45) = $0.245 Costo total de hps = $15.43 + $0.12 + $0.84 + $0.245 = $16.64 / 1000 kg

COSTO DE ALGUNOS QUÍMICOS COMUNES Tabla 6.4

FACTOR DE CORRIENTE

Costos de manufacturas y asociados generalmente se reportan en términos de $ / año. La información en un PFD se muestra usualmente en términos de kg o kmol por hora o por segundo. A fin de calcular los costos anuales de materia prima o de servicios , se debe conocer el tiempo en el cual la planta opera, a esto se le conoce como Factor de Corriente (SF), donde: Factor de Corriente (SF) =

Número de días que la planta opera por año 365

Representa la fracción de tiempo en que la unidad de proceso esta en línea y operando a la capacidad de diseño.

ESTIMACIÓN DE SERVICIOS PARA UNIDADES DEL PROCESO HDA Ejemplo 6.9 Estime las cantidades y los costos anuales de los servicios apropiados para los siquientes equipos en el PFD de la hidroalquilación del tolueno. Se asume que el factor de corriente es 0.95 y que todos los números en el PFD están base de tiempo. Los requerimientos de cada unidad se encuentran en la tabla 1.7. a. b. c. d. e. f.

E - 101, Precalentador de la alimentación E - 102, Enfriador del efluente del reactor H - 101, Calentador C - 101, Compresor de gas de reciclo, asumiendo impulsor eléctrico C - 101, Compresor de gas de reciclo, asumiendo impulsor de vapor que usa vapor de 10 barg con descarga a la presión atmosférica P - 101, Bomba de tolueno alimentado

Ejemplo 6.9 a. E - 101: la carga calórica es 15.19 GJ/h, el costo de hps es $9.83/GJ 

del balance de energía Se tiene que



Q  15.19.GJ / h  (m vapor )(H vap )  (m vapor )(1699.3).kJ / kg mvapor = 8939 kg/h = 2.48 kg/s

Costo anual = (Q)(Cvapor)(t) = (15.19 GJ/h)($9.83/GJ)(24)(365)(0.95) = $ 1.242.000 / año

b. E - 102: la carga calórica es 46.66 GJ/h, el costo del agua de efriamiento es $0.354/GJ 

del balance de energía Se tiene que



Q  46.66.GJ / h  (m vapor )(C P )(TCW )  (m CW )(4.18)(10) mCW = 1.116.270 kg/h = 310 kg/s

Costo anual = (46.66 GJ/h)($0.354/GJ)(24)(365)(0.95) = $ 137.000 / año

Ejemplo 6.9 c. H - 101: la carga calórica es 27 GJ/h (7500 kW). Asuma que un calentamiento indirecto no reactivo con una eficiencia térmica de 90%. El costo del gas natural es $6/GJ y en valor de calentamiento es 0.0377 GJ/m3. 

del balance de energía Se tiene que



Q  27 .GJ / h  (v gas )( H gas natural )( eficiencia )  (v gas )( 0.0377 )( 0.9) mgas= 769 std m3/h = 0.22 std m3/s

Costo anual = (Q)(Cvapor)(t) = (27 GJ/h)($6/GJ)(24)(365)(0.95)/(0.9) = $ 1.498.000 / año

d. C - 101: la potencia de eje es 49.1 kW, y de la figura 6.7 la eficiencia del impulsor eléctrico es 90% Potencia eléctrica = Pdr = Potencia de salida /

dr

= (49.1)/(0.9) = 54.6 kW

Costo anual = (54.6 kW)($0.06/GJ)(24)(365)(0.95) = $ 27.300 / año

Ejemplo 6.9

e. Para vapor de 10 barg descargado a una presión de 0 barg la tabla 6.5 establece que se requiere 8.79 kg-vapor/kW de potencia.la eficiencia del eje es 35% (figura 6.7). Vapor requerido = (49.1)(8.79/0.35) = 1233 kg/h = 0.34 kg/s Costo anual = (1233)(24)(365)(0.95)(13.71x10-3) = $ 140.700 / año

f. P - 101: la potencia de eje es 14.2 kW, y de la figura 6.7 la eficiencia del impulsor eléctrico es 86% Potencia eléctrica = Pdr = Potencia de salida /

dr

= (14.2)/(0.86) = 15.5 kW

Costo anual = (16.5)(0.06)(24)(365)(0.95) = $ 8240 / año

COSTO DE TRATAMIENTO DE RESIDUOS LÍQUIDOS Y SÓLIDOS Como las regulaciones ambientales continuan estrechas, los problemas y costos asociados con el tratamiento de corrientes de residuos químicos incrementan. En los últimos años se ha tratado de reducir o eliminar el volumen de estas corrientes mediante estrategias de minimización de residuos. Tales estrategias involucran la utilización de procesos con tecnologías alternativas o usar etapas adicionales de recuperación a fin de reducir o eliminar las corrientes de residuos. Algunos costos típicos asociados con estos tratamientos se muestran en la tabla 6.3, y los flujos se pueden obtener del PFD. Vale la pena notar que los costos asociados con la eliminación de sólidos de las corrientes de desecho, especialmente los residuos peligrosos, tenían costos elevados hace unos cuantos años, y los valores dados en la tabla 6.3 son solo una aproximación. El escalamiento de estos valores se debe hacer con mucho cuidado.

COSTO DE MANUFACTURA PROCESO HDA Ejemplo 6.10 Calcule el costo de manufactura sin depreciación (COMd) para el proceso de la hidroalquilación del benceno usando el PFD de la figura 1.5 y los flujos dados en la tabla 1.5. un resumen de los servicios para todos los equipos se dan en la tabla E6.10 de los cuales encontraremos los costos totales anuales de los servicios para este proceso son: Vapor = $ 1.807.000 / año Agua de Enfriamiento = $ 166.000 / año Gas Combustible = $ 1.498.000 / año Electricidad = $ 37.400 / año Total de Servicios (CUT) = $ 3.508.000 / año

RESUMEN DE REQUERIMIENTO DE SERVICIOS PARA EQUIPOS EN EL PROCESO HAD Tabla E6.10

Ejemplo 6.10 Costo de materia prima del PFD, tabla 6.4 y ejemplo 6.8: Tolueno = $ 26.797.000 /año Hidrógeno = $ 3.614.000 /año (basado en un valor de $0.0644/ std m3) Total Materia Prima (CRM) = $ 30.411.000 /año No existen corrientes de desecho en el PFD asi que: Tratamiento de Residuos (CWT) = $ 0.0 /año Del ejemplo 6.2 el costo de la mano de obra operativa es: COL = (14)(50.000) = $ 700.000 /año El capital fijo de inversión es: FCI = $ 9.26 x 106 Finalmente, usando la ecuación 6.1, el costo total de manufactura es:

COM d  0.180FCI  2.73COL  1.23(C RM  CWT  CUT ) COMd = $ 45.29 x 106 /año