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“UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ.”
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA.
DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE QUÍMICA, INGENIERÍA Y TECNOLOGÍA.
CÁTEDRA: ANÁLISIS Y SIMULACIÓN DE PROCESOS QUÍMICOS
CATEDRÁTICO: ING. GUEVARA YANQUI, Pascual Víctor.
ALUMNOS: ARECHE SULLCA, FRANCOIS.
PAITAN DE LA CRUZ, Luís Angel
SEMESTRE: IX
SECCION: “A”
HUANCAYO – PERÚ
2013
OBTENCIÓN DE PROPILEN-GLICOL
ENESTADO ESTACIONARIO
I. INTRODUCCIÓN
Es un compuesto orgánico (un diol alcohol), usualmente insípido, inodoro, e incoloro
líquido aceitoso claro, higroscópico y miscible con agua, acetona, y cloroformo. Se
manufactura por hidratación del óxido de propileno.
Se usa como humectante en productos farmacéuticos, cosmética, alimentos y tabaco
también su uso es como solvente para coloración de alimentos y saborización, como
anticongelante de alimentos. En máquina de humo para hacer humo artificial para
entrenamiento de bomberos y producciones teatrales. En desinfectantes de manos, lociones
antibacterianas, y solución salina. Como ingrediente en muchos productos cosméticos,
como ingrediente primario de la pintura y de base en aeronaves fluidificante y en ciertos
anticongelantes de vehículo, y como fluido hidráulico para máquinas.
La Administración de Alimentos y Medicamentos estadounidense (FDA) ha determinado
que el propilenoglicol es "generalmente considerado como seguro" para uso en
alimentación, cosmética, y medicinas. Como el etilenglicol, el propilenoglicol afecta la
química de la sustancia a la que se agrega por el incremento de la acidez. El propilenoglicol
se metaboliza en ácido láctico, que ocurre naturalmente en los músculos ejercitados,
mientras que el etilenoglicol lo hace a ácido oxálico, que es tóxico.
II. RESUMEN
En el presente informe se planteó como objetivo general la Obtención de Propilen-Glicol
en estado estacionario para ello es necesario los valores de flujos de entrada y salida del
proceso. En el presente trabajo se desarrollan las relaciones termodinámicas fundamentales
para el establecimiento de la consistencia termodinámica conjuntamente con el balance de
materia y energía para la producción de propilenglicol. La producción de propilenglicol
(C3H8O2) se da por la hidratación del óxido de propileno, es decir en la primera fase
Propilen glicol (C3H8O2) se obtiene por reacción del Oxido de Propileno (C3H6O) y agua
(H2O). Las corrientes de alimentación se mezclan previamente en un Mixer y la corriente
resultante ingresa a un reactor tanque agitado continuo que funciona a temperatura
constante y presión atmosférica. En una primera etapa se realizó el balance de materia al
mezclador despreciando el balance de energía por ser un proceso isotérmico, seguidamente
se planteó el balance de materia y energía al reactor de tanque agitado continuo (CSTR)
determinando así los valores de flujos molar de entrada y salida del sistema los resultados
obtenidos fueron: para una alimentación de 150 lbmol/h de Oxido de propileno y 610.595
lbmol/h de agua con una conversión en el reactor de X= 0.9614 se obtuvo 144.195 lbmol/h
de propilenglicol.
OBJETIVOS:
OBJETIVO GENERAL:
Obtención de Propilen-Glicol en estado estacionario
OBJETIVOS ESPECÍFICOS:
Realizar el balance de materia en el mezclador y en el reactor tipo CSTR.
Realizar el balance de energía en el mezclador y en el reactor tipo CSTR.
Elaborar el diagrama de flujo del proceso de producción del Propilen-glicol.
III. MARCO TEORICO
2.1. PROPILENGLICOL
El propilenglicol, también denominado 1,2-propanodiol es un producto de amplia
aplicación. Como aditivo para alimentación animal pertenece a la categoría de los
“aditivos tecnológicos”, incluyéndose dentro del grupo funcional “aditivos espesantes”. [1]
El propilenglicol es un hidrato de carbono utilizado por vía oral en vacas lecheras de alta
producción como fuente rápida de glucosa y energía en casos de cetosis. También se
utiliza en piensos semihúmedos para pequeños animales para reducir las pérdidas de
humedad y mejorar la conservación y consistencia del alimento. [1]
El PGI es un líquido incoloro, soluble en agua, higroscópico, con un olor específico de
glicoles, de viscosidad media, de baja presión de vapor y de baja toxicidad. El
propilenglicol industrial tiene uso en numerosas industrias y tiene una amplia gama de
aplicaciones prácticas. [1]
Tabla 1
Características del propilenglicol
Aspecto Liquido incoloro
Peso especifico 1.0350 – 1.0389 g/cm3
Cenizas < 70.00 ppmFormula química CH3CHOH – CH2OHNº CAS 57 – 55 -6Agua < 0.20 %Cloruros < 0.007 %
Fuente: www.pintaluba.com – Andrés Pintaluba .S.A.
2.1.1. PROPIEDADES DEL PROPILENGLICOL
Figura 1: Propiedades del propilenglicol industrial.
2.1.2. APLICACIONES:
El propilenglicol industrial se utiliza en una amplia gama de productos, incluyendo
diversos productos básicos tales como resinas de poliéster, refrigerantes para motores,
pinturas de látex, fluidos de transferencia de calor y compuestos antihielo. Asimismo,
satisface los requisitos para la aplicación en limpiadores líquidos, lubricantes,
plastificantes y aditivos para el triturado de cemento. Se emplea como disolvente,
como medio para transferir calor o como producto químico intermedio, aprovechando
sus grupos reactivos de hidroxilo. [2]
El propilenglicol industrial de Dow es el glicol preferido para la fabricación de
resinas de poliéster no saturadas, a su vez usadas en una variedad de aplicaciones,
tales como laminados plásticos reforzados para la construcción naval, gel coats,
materiales para moldeo de láminas (SMC, por sus siglas en inglés) y mármol
sintético. [2]
Las soluciones acuosas de propilenglicol industrial cuentan con excelentes
propiedades anticongelantes y por lo tanto, son valiosas en la transferencia de calor a
bajas temperaturas y en los fluidos antihielo para aeronaves. [2]
El PGI es un codisolvente valioso para las pinturas con base de agua para
edificaciones y asimismo se utiliza como producto intermedio en la producción de
resinas alquídicas para pinturas y barnices. Por su capacidad de disolución es posible
utilizarlo en limpiadores líquidos, incluyendo la estabilización de detergentes líquidos
con enzimas para lavado de la ropa. [2]
2.2. OXIDO DE PROPILENO
El propileno o propeno (H2C=CH–CH3) es un hidrocarburo perteneciendo a los
alquenos, incoloro e inodoro. Es un homólogo del etileno. Como todos los alquenos
presenta el doble enlace como grupo funcional. Es el segundo compuesto más utilizado
en la industria química en todo el mundo. [3]
El líquido es muy inflamable y el vapor forma una mezcla explosiva con el aire, el óxido
de propileno puede polimerizarse violentamente. Es muy reactivo, en particular con el
cloro, el amoniaco, agentes oxidantes fuertes y los ácidos. En la tarjeta Internacional
sobre la Seguridad de las Sustancias Químicas se indican algunas de las propiedades
físicas y químicas del óxido de propileno. [3]
2.2.1. COMPOSICIÓN:
Las impurezas ordinarias que pueden presentarse en pequeñas cantidades incluyen
agua, ácido acético, cloruro y aldehídos, en el producto final se pueden encontrar
pequeñas cantidades de monocloroacetona, 1, 2-dicloro-33propanol y dicloruro de
propileno, cuando se produce el óxido de propileno por medio del proceso de la
clorhidrina. [3]
Figura 2: Identidad y usos del óxido de propileno.
2.2.2. PROPIEDADES QUIMICAS Y FISICAS:
Figura 3: Propiedades químicas y físicas del óxido de propileno
2.2.3. MÉTODOS DE SÍNTESIS:
El óxido de propileno es producido por dos procesos principalmente: clorohidrinación
del propileno seguida de la epoxidación y el segundo está dado por el proceso
Oxirano, el cual es la reacción del propileno con peróxidos. [4]
Clorohidrinación, epoxidación:
Figura 4: Reacciones de clorohidrinación y epoxidación
Proceso Oxirano:
Figura 5: Reacción del proceso de oxirano.
2.2.4.Aplicaciones y usos:
Se emplea como intermediario para una amplia gama de productos químicos
industriales y comerciales, entre los más importantes se encuentran, Polioles,
propilenglicol, éteres de glicoles. [5]
Se utiliza como herbicida. [5]
Se emplea como aditivo en la industria de algodón. [5]
2.2.5. RIESGOS PARA LA SALUD:
Contacto con los ojos: puede causar una irritación menor .Contacto con la piel: El contacto
frecuente o prolongado puede presentar síntomas de piel reseca y de irritación ya que es
una gente desengrasante suave.
2.2.6. Inhalación: No existen síntomas significativos de un daño a la salud a consecuencia
de la inhalación .Ingestión: Relativamente no es tóxico. La ingestión de pequeñas
cantidades (sobre 100 ml) puede causar un temporal malestar gastrointestinal y
depresión del sistema nervioso central. Estos efectos son más severos en personas
con problemas previos de salud Efectos Crónicos: No se conocen efectos adversos .
IV. LA PRODUCCION DE PROPILENGLICOL EN ESTADO
ESTACIONARIO PARA
3.1. APLICANDO AL CASO DE UNA PLANTA DE PROPILEN-GLICOL EN
ESTADO ESTACIONARIO
3.1.1. DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA
Propilen glicol (C3H8O2) se obtiene por reacción del Oxido de Propileno (C3H6O) y
agua (H2O). Las condiciones de las corrientes de alimentación al sistema, se indican
en la Tabla 3.
Tabla 2Condiciones de alimentación
Nombre Óxido de Propileno Agua
Temperatura (°F) 75 75
Presión 1,1 atm 16,16 psi
Flujo molar 150 lb mol/h
Óxido de propileno Fracción molar: 1,0 Flujo másico: 0,0 lb/h
Agua Fracción molar: 0,0 Flujo másico: 11000,0 lb/h
Propilen glicol Fracción molar: 0,0 Flujo másico: 0,0 lb/h
Fuente: Separata del Ing. Pascual Guevara Yanqui.
Las corrientes de alimentación se mezclan previamente en un Mixer y la corriente
resultante ingresa a un reactor tanque agitado continuo que funciona a temperatura
constante y presión atmosférica. La reacción, que se describe en Tabla 4, ocurre en
fase líquida. El reactor tiene un volumen de 280 ft3, se supones caída de presión nula
y mantiene un nivel de líquido de 85 %.
Tabla 4Reacciones Químicas y datos cinéticos.
C3 H 6 O(l)+H 2 O(l)→ C3 H 8O2 (l) r=1,7 x1013 e(−32 000
RT )CC3 H 6O
Nota: Las velocidades de reacción están dados en lbmol/ft3.h.
Las energías de activación están dadas en Btu/lbmol.
Fuente: Separata del Ing. Pascual Guevara Yanqui.
3.2. BALANCE DE MATERIA ( ESTADO ESTACIONARIO)
3.2.1. BALANCES DE MATERIA EN EL MEZCLADOR
FH 2 O
FMezcla
FC3 H 6 O
Grafico N° 1: Mezclador.
E−S+G=A (1)
Consideraciones:
Estado estacionario (Acumulación = 0).
No existe reacción química (Generación =0)
Mezcla de fluidos líquidos incompresibles.
La entrada de los flujos es a 75°F y a 1.1 atm
Teniendo en cuenta estas consideraciones la ecuación (1) será:
E=S (2 )
FC3 H 6 O+FH 2 O=FMezcla(3)
CÁLCULO DE LA CORRIENTE FC3 H 6 O
Mezclador
De la Tabla 3:
FC3 H 6 O = 150 lbmol /h
CÁLCULO DE LA CORRIENTE FH 2 O:
De la Tabla 3:
FH 2 O=11000lbh (1 lb mol
18.0 lb )=611.111lbmol /h
CÁLCULO DE LA CORRIENTE F:
Reemplazando los valores anteriores en (3):
FMezcla=150+611.111=761.111lbmol /h
Tabla 5
Tabla de resultados del balance de materia en el mezclador.
COMPONENTE
FC3 H 6 O,
lbmol/h
FH 2 O, lbmol/h FMezcla,
lbmol/h
xi, fracción
molar en
FMezcla
Oxido de Propileno 150 0 150 0,1971
Agua 0 611.111 611.111 0,8029
3.2.2.BALANCE DE MATERIA EN EL REACTOR CSTR
FV
FMezcla
F produco
Figura 2: Balance de materia en el reactor CSTR
Reactor CSTR
Dónde:
FV: Corriente de Venteo
F produco: Corriente Producto
E−S+G=A (4)
Consideraciones:
Estado estacionario (Acumulación = 0).
La reacción ocurre en la fase líquida, por lo tanto no existe aumento de volumen.
La composición de la salida del reactor es la misma que se origina dentro del
equipo por la agitación constante y completa.
La presión de operación es la atmosférica (14,7 psia) y a una temperatura
constante de 140 °F (isotérmico).
El reactivo limitante es el óxido de propileno por encontrarse en menor
proporción que la cantidad estequiometria.
Tomando estas consideraciones se tiene:
E−S+G=0 (5)
Como el R.L es el óxido de prolileno se tiene que:
FC3 H 6 O0−FC3 H 6 O, producto+rC3 H 6 OV =0
FC3 H 6 O0−FC3 H 6 O0
(1−XC3 H 6O)+rC3 H 6 OV =0XC3 H 6 O=
(−rC3 H 6 O )VFC3 H 6 O0
(6)
CÁLCULO DE LA VELOCIDAD DE REACCIÓN:
De la ley de velocidad:
−rC3 H 6 O=K CC3 H 6 O(7)
Dónde:
k=1,7 x1013 e(−32 000
RT )h−1
CC3 H 6 O=FC3 H 6 O0
(1−XC3 H 6 O)v0
v0:caudal de alimentacion f t3/h
CÁLCULO DEL VOLUMEN DE LA MEZCLA REACCIONANTE
Viene a ser el 85% del volumen del reactor:
V=0 ,85 V reactor=0 ,85 ( 280 ft 3)=238 ft3
Reemplazando estos valores en (6):
XC3 H 6 O=(K
FC3 H 6 O0(1−XC3 H 6 O)v0
)VFC3 H 6O 0
XC3 H 6 O=K (1−X C3 H 6 O )V
v0
Despejando la conversión:
XC3 H 6 O=KV
v0+KV(8)
CÁLCULO DEL CAUDAL VOLUMÉTRICO DE ALIMENTACIÓN
ν0=νagua+νóxido de propileno
De tablas:
Densidad del agua: = 62.30lb/pie3
Densidad del óxido de propileno: = 49.32lb /pie3
Caudal volumétrico inicial de agua:
νagua=611.111lbmol
h (18 lb1lbmol )( 1 ft3
62. 30 lb )=176 .565ft 3
h
Caudal volumétrico inicial del óxido de propileno:
νóxido de propileno=150lbmol
h (58 lb1 lbmol )( 1 ft 3
49 .32 lb )=176 .399ft 3
h
Finalmente:
ν0=176 . 565+176 . 399=352 .964ft 3
h
Reemplazando en (8) todos los valores calculados a una temperatura de 140°F (600
R):
Donde: R=1.9859Btu
lbmol° R
XC3 H 6 O=238[1.7 x 1013 e
( −320001.9859 x 600 )]
352.954+238 [1.7 x 1013e( −320001.9859 x 600 )]
XC3 H 6 O=0.9614
CÁLCULO DE LOS FLUJOS MOLARES DE LOS PRODUCTOS DE REACCIÓN
FC3 H 6 O=FC3 H 6 O0−FC3 H 6O 0
XC3 H 6 O=150−150 x0.9614=5.790lbmol
h
FH 2 O=F H2 O0−FC3 H 6 O0
XC3 H 6 O=611.111−150 x 0.9614=466.901lbmol
h
FC3 H 8 O2=FC3 H 8 O20
+FC3 H 6 O0XC3 H 6 O=0+150 (0.9614 )=144.210
lbmolh
P=5.790+466.901+144.210=616.901lbmol
h
Tabla 6
Tabla de resultados del balance de materia en el reactor
Especie i
FMezcla ,
lbmol/h
xi,
fracción molar
en FMezcla
F produco,
lbmol/h
xi,
fracción molar
en F produco
Oxido de Propileno 150 0,197 5.790 0,009
Agua 610.595 0,803 466.901 0,757
Propilen glicol 0 0 144.210 0,234
3.3. BALANCE DE ENERGIA (ESTADO ESTACIONARIO)
3.3.1. BALANCE DE ENERGÍA EN EL MEZCLADOR
Qo
−Wo
=ΔEcinética+ ΔEpotencial+ ΔU+ ΔPρ
+F (9)
Consideraciones
Estado estacionario (Acumulación = 0).
No existe considerable generación de energía y trabajo del eje (Wo
=0 ).
Mezcla de fluidos líquidos incompresibles.
Las pérdidas de energía por las tuberías y accesorios son despreciables
(F≈0 ).
Las variaciones de energía cinética y potencial, de trabajo de flujo son
despreciables (ΔEcinética≈0 , ΔE potencial≈0).
El calor de mezclado es despreciable por la rapidez que ocurre en el proceso (
Qo
=0 ).
Finalmente: ΔU=0
El proceso es isotérmico.
Tabla 7
Condiciones físicas de la mezcla a la salida del mezclador
Parámetros Corriente FC3 H 6 O Corriente FH 2 O CorrienteFMezc la
Temperatura, ºF 75 75 75
Presión, psia 16,16 16,16 16,16
Flujo molar, lbmol/h 150 611.111 761.111
Fracción molar de vapor 0 0 0
3.3.2. BALANCE DE ENERGÍA DEL REACTOR CSTR
Qo
−Wo
=∑i=1
n
∫T i0
TFi 0Cpi dT + ΔH Rx (T ) F A0 X A
(10)
Consideraciones
Estado estacionario (Acumulación = 0).
No existe trabajo de eje (Wo
=0 ).
Los calores específicos son constantes en el intervalo de integración.
El calor de reacción debe evaluarse a la temperatura de operación del reactor, la
temperatura de referencia para las entalpías de formación es de 68 °F.
Qo
=∑i=1
n
F i 0Cpi (T−T i 0)+ ΔH Rx (T ) F A 0 X A
(11)
CÁLCULO DE LAS CAPACIDADES ESPECÍFICAS
Del texto: Elementos de Ingeniería de las Reacciones Químicas, H. Scout Fogler,
tercera edición – página 446:
C pagua=18BTU
lbmol. ° F
C poxidode propileno=35BTU
lbmol .° F
C ppropilenglicol=46BTU
lbmol .° F
CÁLCULO DEL CALOR DE REACCIÓN A LA TEMPERATURA DE
OPERACIÓN
ΔH Rx (140 ºF )=ΔH Rxo (68 ºF )+ΔCp (140−68 ) (12)
Cálculo del calor de reacción la temperatura de referencia (68°F): Las entalpías de
formación se obtuvieron del texto Elementos de Ingeniería de las reacciones
químicas, H. Scout Fogler, tercera edición – página 447:
∆ H agua, f° =−123000
BTUlbmol
∆ H oxidode propileno ,f° =−66600
BTUlbmol
∆ H propilenglicol ,f° =−226000
BTUlbmol
ΔH Rxo (68 ºF )=−226 000−(−123 000 )−(−66 600 )=−36 400
BTUlbmol
ΔCp=46−18−35=−7BTUlbmol
Reemplazando en (12):
ΔH Rx (140 ºF )=−36 400+ (−7 ) (140−68 )=−36 904BTUlbmol
CÁLCULO DE LA CARGA TÉRMICA DEL REACTOR
Reemplazando todos los valores calculados en (9):
Qo
= [150 (35 )+611 ,1 (18 ) ] (140−75 )+ (−36 904 ) (150 ) (0 ,959 )
Q = -4.25x106 BTU/h
3.4. DIAGRAMA DE BLOQUES PARA PRODUCIR PROPILENGLICOL
Figura 8: Balance de materia general para la producción de propilenglicol
1: Alimentación del Óxido de Propileno.
2: Alimentación de Agua.
3: Mezcla de alimentación al reactor.
4: Venteo, corriente de prevención para los gases que se pudieran formar en la
reacción.
5: Productos finales a la salida del reactor.
5
4
3
2
1
Mezclador Reactor CSTR
3.4.1. COMPOSICIONES DE LAS CORRIENTES
Tabla 8
Tabla de resultados del balance de materia
Corrientes
Especie i
Corriente 1 ,
lbmol/h
Corriente 2 ,
lbmol/h
Corriente 3,
lbmol/h
Producto 5,
lbmol/h
Oxido de Propileno 150 0 150 5.790
Agua 0 610.595 610.595 466.901
Propilen glicol 0 0 0 144.210
Total 150 610.595 760.595 616.901
Fuente: Elaboración propia
V. RESULTADOS
BALANCE DE MATERIA DEL MEZCLADOR
Corrientes 1 ,
lbmol/h
2 ,
lbmol/h
3,
lbmol/h
xi, fracción
molar en 3
Oxido de Propileno 150 0 150 0,1971
Agua 0 611.111 611.111 0,8029
BALANCE DE MATERIA DEL REACTOR CSTR
Corrientes
Especie i
3 ,
lbmol/h
xi,
fracción
molar en F
5 ,
lbmol/h
xi,
fracción
molar en P
Oxido de Propileno 150 0,197 5.790 0,009
Agua 610.595 0,803 466.901 0,757
Propilen glicol 0 0 144.210 0,234
BALANCE DE ENERGÍA DEL MEZCLADOR
Parámetros Corriente 1 Corriente 2 Corriente 3
Temperatura, °F 75 75 75
Presión, psia 16,16 16,16 16,16
Flujo molar, lbmol/h 150 611.111 761.11
Fracción molar de vapor 0 0 0
BALANCE DE ENERGÍA DEL REACTOR CSTR
Especie i ∆H i,f,
BTU/lbmol
∆Hrx (68 °F),
BTU/lbmol
Cp, ∆ Cp ∆Hrx (140 oF),
BTU/lbmol
Oxido de Propileno -66 600 -36 400 35 -7 -36 904
Agua -123 000 18
Propilen glicol - 226 000 46
BALANCE GENERAL
Especie i Corriente A ,
lbmol/h
Corriente B ,
lbmol/h
Corriente F,
lbmol/h
Producto P,
lbmol/h
Oxido de Propileno 150 0 150 5.790
Agua 0 610.595 610.595 466.901
Propilen glicol 0 0 0 144.210
Total 150 610.595 760.595 616.901
Mezcla
M-100
R-100
ESCALA:
ANÁLISIS Y SIMULACIÓN DE PROCESOS 093-B
Vo.Bo. V.G.Y.
13/11/2013POR: PAITAN DE LA CRUZ; Luis Ángel, ARECHE SULLCA; Francois
DIAGRAMA DE FLOWSHEET (Producción de Propilenglicol)
DPTO. ACADEMICO DE INGENIERIAFIQUNCP
2
5
43
1
Oxido de prolileno
Vapor
Producto
Agua
2
5
43
1
ESCALA:
ANÁLISIS Y SIMULACIÓN DE PROCESOS 093-B
Vo.Bo. V.G.Y.
13/11/2013POR: PAITAN DE LA CRUZ; Luis Ángel, ARECHE SULLCA; Francois
DIAGRAMA DE BLOQUES (Producción de Propilenglicol)
DPTO. ACADEMICO DE INGENIERIAFIQUNCP
VI. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
H. Scout Fogler,“Elementos De Ingeniería De Las Reacciones Químicas”
tercera ed. página 447-448
Gael D. Ulrich, “Diseño y Economía De Los Procesos De Ingeniería
Química” Primera ed. Página 33-46
Perry, J.H., and C.H. Chilton, and S.D. kirpatrick, chemical Engineers
Handbook, 4th edition, p. 6-19, section 9, McGraw-Hill, New York (1963)
[1] www.pintaluba.com – Andres Pintaluba .S.A.
[2] www.dogpg.com - Hoja de datos técnicos.
[3] Guía para la salud y seguridad Nº 15 – PISSQ.Metepec. Mexico-2006
[5] http://www.corquiven.com
ARANGO LAZO, Cristhian, CONTRERAS SANABRIA, Katheryn Lizet “Simulación En Un Sistemas Estacionaria Y Dinámica Con Hysis, Chemcad Para La Produccion De Una Planta De Propilenglicol” UNCP 2012