REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD DEL ZULIA FACULTAD DE INGENIERÍA DIVISIÓN DE POSTGRADO PROGRAMA DE POSTGRADO EN INGENIERÍA QUÍMICA
PROPUESTA DE MEJORAS AL SISTEMA DE TRATAMIENTO DE EFLUENTES DE UNA PLANTA DE MONOCLORURO DE VINILO
Trabajo Especial de Grado presentado ante la Ilustre Universidad del Zulia para optar al Grado Académico de:
ESPECIALISTA EN INGENIERÍA QUÍMICA
Autor: Ing. Geisibell Andreina Castillo Villalobos Tutor: M.Sc. Charles Gutiérrez Co-Tutor: M.Sc. Yadira López
Maracaibo, noviembre de 2012
Castillo Villalobos, Geisibell Andreina. Propuesta de mejoras al sistema de tratamiento de efluentes de una planta de monocloruro de vinilo. (2012) Trabajo Especial de Grado. Universidad del Zulia. Facultad de Ingeniería. División de Postgrado. Maracaibo. Venezuela, 83 p. Tutor: M.Sc. Charles Gutiérrez
RESUMEN
El sistema de tratamiento de efluentes de agua residual de la planta de Monocloruro de Vinilo (MVC) en estudio, presenta problemas de corrosión, ineficiencia de equipos y taponamiento de los mismos, debido a la inoperatividad de los intercambiadores instalados actualmente. El objetivo principal de esta investigación es el de proponer mejoras al sistema de tratamiento de efluentes de agua residual de la planta de MVC. Para tal fin, se determinó la eficiencia operativa de los intercambiadores disponibles en la planta de Policloruro de Vinilo (PVC), para ser instalados en el sistema de tratamiento de efluentes de agua residual. Adicionalmente, se realizará la evaluación de una columna disponible en otra planta (C-73) para determinar la factibilidad de ser instalada en el sistema en sustitución de la columna despojadora actualmente en operación denominada C-61. El trabajo incluye un análisis económico de las mejoras propuestas. Se utilizó el programa de simulación de procesos comercial Aspen Plus, para evaluar la operatividad de los equipos tanto en condiciones de diseño como de operación. Los resultados indican que es factible realizar la instalación de los dos intercambiadores en espiral denominados TT-B0201 y TT-B0202 en sustitución de los intercambiadores de placas llamados E-63 y E-64. De igual manera, se evalúo la columna C-73 arrojando resultados satisfactorios, por lo que se puede reemplazar la columna despojadora C-61. Adicionalmente, se llevaron a cabo varios análisis de sensibilidad en donde se logró disminuir el consumo de vapor, generando un ahorro del 34% mensual. También, se logrará reducir los costos por consumos de servicios de vacuum e hidrojet en un 75% por jornada de trabajo de doce (12) horas. Todas las propuestas realizadas incrementarán la confiabilidad y la continuidad operacional del sistema de tratamiento de efluentes.
Palabras Claves: Monocloruro de Vinilo, Efluentes, Intercambiador, Columna y Simulación. Correo electrónico del autor:
[email protected]
Castillo Villalobos, Geisibell Andreina. Proposed improvements to the wastewater treatment system of a vinyl chloride monomer plant. (2012) Trabajo Especial de Grado. Universidad del Zulia. Facultad de Ingeniería. División de Postgrado. Maracaibo. Venezuela, 83 p. Tutor: M.Sc. Charles Gutiérrez
ABSTRACT
The wastewater treatment system of waste water from the vinyl chloride monomer plant (MVC) under consideration presents problems of corrosion of equipment and clogging inefficiency thereof, due to the ineffectiveness of currently installed exchangers. The main objective of this research is to propose improvements to the treatment system effluent wastewater plant MVC. To this end, we investigated the operating efficiency of the plant exchangers in polyvinyl chloride (PVC), to be installed in the wastewater treatment system of wastewater. Additionally, an assessment made available in other plant column (C-73) to determine the feasibility of the system is installed in replacement of the stripping column operation currently called C-61. The work includes an economic analysis of the proposed improvements. We used the simulation program Aspen Plus business processes, to evaluate the operation of the equipment under both design and operation. The results indicate that it is feasible to install the two exchangers of known spiral TT-B0201 and TT-B0202 replacing the known plate heat exchangers E-63 and E-64. Similarly, we assessed the C-73 column yielding satisfactory results, which can replace the stripping column C-61. Additionally, we conducted several sensitivity analyzes where possible to reduce steam consumption, generating savings of 34% monthly. Also, should help reduce costs by consumption of vacuum and water jet services by 75% per working day of twelve (12) hours. All the proposals will increase the reliability and operational continuity of the effluent treatment system.
Key Words: Vinyl Chloride Monomer, Effluent, Exchanger, Column and Simulation.
Author’s e-mail:
[email protected]
DEDICATORIA
A mi hijo Andrés David, para que te sientas orgulloso de tu mamá y sea para ti un ejemplo a seguir. Te Amo A mi madre Tauly, por su apoyo incondicional, amor, comprensión y ser fuente de inspiración para crecer en la vida. A mi padre Gerardo, por su enseñanza, amor, educación; eres y serás fuente de motivación en mis deseos de continuar mis estudios y ser alguien en la vida. A mi esposo Carmelo, por estar conmigo en aquellos momentos en que el estudio y el trabajo ocuparon mi tiempo y esfuerzo. A mis hermanos Gerardo y Geisabeth, quienes de alguna u otra forma contribuyeron en esta meta alcanzada. A mi abuela mama Iría, por sus consejos y amor; aunque no estés conmigo físicamente, siempre te recordare y este logro también es para ti. A mi tía Ana Riquilda y su hijo, por toda la colaboración y el amor que me han dado siempre. A todos mis amigos y compañeros de estudio, con quienes compartí grandes experiencias y vivencias en esta etapa de mi vida. A mis compañeros del programa “Ni un Kilo más por mi Salud” por apoyarme.
AGRADECIMIENTOS
A Dios, por darme la fe, fortaleza, salud y esperanza de cumplir la meta trazada a nivel profesional y personal. A todos mis amigos y compañeros de trabajo. A mis tutores Prof. Charles Gutiérrez y Profa. Yadira López por sus asesorías, su apoyo incondicional y sus buenos consejos. A todos mis compañeros de clases por siempre estar juntos en las buenas y malas, apoyándonos de manera incondicional. A mi amigo Jerly Cardozo por su apoyo incondicional
su colaboración en la
realización de esta investigación. A mi amiga Karina Antúnez, por su apoyo incondicional y por motivarme para cumplir las metas trazadas. A todos los profesores y personas que directa o indirectamente han colaborado en la culminación de la Especialización en Ingeniería Química.
TABLA DE CONTENIDO Página. RESUMEN…………………………………………………………………………………………………………..
3
ABSTRACT…………………………………………………………………………………………………………
4
DEDICATORIA…………………………………………………………………………………………………..
5
AGRADECIMIENTO…………………………………………………………………………………………….
6
TABLA DE CONTENIDO…………………………………………………………………………..........
7
LISTA DE TABLAS……………………………………………………………………………………………..
9
LISTA DE FIGURAS…………………………………………………………………………………………..
11
INTRODUCCIÓN………………………………………………………………………………………………..
12
CAPÍTULO I MARCO TEÓRICO……………………………………..………………………………………………………. 1.1. Descripción del proceso
de
una planta
de
15
monocloruro de
Vinilo………………………………………………………………………………………………………………….
15
1.2. Descripción del sistema de tratamiento de efluentes……………………………..
17
1.3. Descripción de la unidad de incineración…………………………………………………
25
1.4. Antecedentes…………………………………………………………………………………………….
26
1.5. Simulador de Procesos……………………………………………………..………………………
30
CAPÍTULO II MARCO METODOLÓGICO…………………………………………………….……………………………
31
2.1. Recopilación de la información……………………………………………………………..….
31
2.1.1. Situación actual del sistema………………………………………………………….
31
2.1.2. Caracterización de las corrientes de operación…………………………….
32
2.2. Construcción del modelo de simulación………………………………..…………………
33
2.3. Selección del modelo termodinámico……………………………………………………...
34
2.4. Validación del modelo en condiciones de diseño…………………………..………..
37
2.5. Simulación de la columna C-73 propuesta para el sistema.…………………..
38
2.6. Simulación del sistema propuesto en condiciones de operación…………….
39
2.7. Análisis económico……………………………….…………………………………………………..
40
CAPÍTULO III RESULTADOS Y ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS……………………………….………….
41
3.1. Selección del modelo termodinámico……………………………………………………...
41
3.2. Simulación de la columna C-73 propuesta para el sistema.…………………..
46
3.3. Simulación del sistema propuesto en condiciones de operación..……….…
50
3.4. Análisis de sensibilidad……………………………..………….………………………………….
55
3.5. Análisis económico……………………………………………………………………….…………..
59
CONCLUSIONES………………………………………………………………………………………………..
61
RECOMENDACIONES…………………………………………………………………………………………
63
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS……………………………………………………………………..
64
ANEXOS A. Puntos de muestreo……………………………………………………………………………………..
66
B. Balance por componente del Sistema de Tratamiento de Efluentes.….…….
69
C. Inspección del intercambiador en espiral TT-B0201 / TT-B0202……………...
75
D. Inspección de la columna despojadora C-61………………………………………………
79
LISTA DE TABLAS Tabla
Página.
1
Unidades de producción de una Planta de MVC………………………..………………
15
2
Valores
de
diseño
de
las
corrientes
en
los
puntos
de
muestreo…………………………………………………………………………………………………….
23
3
Equipos que conforman el Sistema de Tratamiento de Efluentes……………. 24
4
Especificaciones de diseño de la columna C-73…………………………………..……
5
Equipos
que
conforman
el
modelo
de
simulación
(volumen
de
control)…………………………………………………………………………………………………….… 6
Precios
referenciales
para
el
análisis
económico
de
40
Comparación de los resultados obtenidos por el simulador y los especificados por diseño……………………………………………………………………….……
9
35
las
propuestas……………………………………………………………………………………………….… 8
33
Especificaciones de diseño de los equipos que conforman el modelo de simulación……………………………………………………………………………………………….….
7
26
42
Resultados de la corriente de efluentes de la columna despojadora C-61...…………………………………………………………………………………………………………
43
10 Resultados de las corrientes calientes del intercambiador E-64………………
45
11 Resultados de las corrientes frías del intercambiador E-64….................. 45 12 Comparación de las condiciones de diseño y operación de las columnas C-61/73…………………………………….………………………………………………………………… 47 13 Resultados de la corriente de tope de la columna C-73…………………………..
48
14 Resultados de la corriente de fondo de la columna C-73……………………..….
48
15 Promedio
de
los
resultados
obtenidos
de
la
caracterización
físico-química……………………………..…………………………………………………………..…. 50 16 Comparación de los datos de diseño de los intercambiadores TT-B0201 y E-63…………………………………………………………………………………………………………. 50 17 Resultados de los datos de operación del intercambiador E-63……………...
52
18 Comparación de los datos de diseño de los intercambiadores TT-B0202 y E-64…………………………………………………………………………………………………………. 53 19 Resultados de los datos de operación del intercambiador E-63………………. 53
20 Resultados de la simulación de la C-73 dentro del volumen de control………………………………………………………………………………………………………... 54 21 Variación del flujo de vapor contra contenido de EDC en el fondo de la C-73………………………………………………………….………………………………………………..
56
22 Variación del flujo de vapor contra contenido de EDC en el fondo de la C-73………………………………………………….…………………………………………………………
57
23 Variación del flujo de agua de enfriamiento con respecto a la temperatura
de
salida
del
efluente
final
sin
el
intercambiador
E-63………………………………………………………………………………………………….………… 24 Estimado
de
costo
por
servicios
de
vacuum
58
e
hidrojet………………………………………………………………………..……………………………… 59 25 Estimados de costos de la instalación del intercambiador de calor en espiral TT-B0201/B0202…………………………………………………………………………...
60
26 Costo total por alternativas…………………………………………..……….................. 60
LISTA DE FIGURAS Figura 1
Página. Diagrama general del proceso de producción de una Planta de MVC………………………………………………………………………………………………………….
2
Diagrama
del
sistema
de
tratamiento
de
efluentes…………………………………………………………………………………………………. 3
Diagrama
del
sistema
a
simular
como
volumen
Selección
de
modelos
termodinámicos
por
la
naturaleza
Selección
de
modelos
termodinámicos
por
rango
Diagrama
del
volumen
de
control
en
el
simulador
Diagrama
de
la
columna
C-73
en
el
simulador
Diagrama
de
la
columna
C-73
dentro
del
volumen
54
Perfil de temperatura de la columna C-73 en condiciones de operación………………………………………………………………………………………………...
13
49
de
control…………………………………………………………………………………………………….. 12
46
Perfil de temperatura de la columna C-73 en el simulador Aspen Plus………………………………………………………………………………………………………….
11
44
Aspen
Plus…………………………………………………………………………………………………………. 10
43
Aspen
Plus…………………………………………………………………………………………………………. 9
41
Perfil de temperatura de la columna despojadora C-61 en el simulador Aspen Plus……………………………………………………………….………………………………
8
38
Diagrama de la columna despojadora C-61 en el simulador Aspen Plus…………………………………………………………………………..……………………………..
7
37
de
presión……………………………………………………………………………………………………. 6
34
y
composición de la mezcla……………………………………………………………………... 5
19
de
control…………………………………………………………………………………………………….. 4
16
Diagrama
del
volumen
de
control
sin
el
55
intercambiador
E-63………………………………………………………………………………………………………...
57
INTRODUCCIÓN
En el Complejo Petroquímico Ana María Campos se encuentra ubicada la planta de Monocloruro de Vinilo denominada MVC II la cual está diseñada para producir 130 mil toneladas métricas de MVC, utilizando como materia prima etileno y cloro provenientes de las plantas de Olefinas y Cloro Soda, respectivamente; las cuales también están dentro de dicho complejo. Toda planta de producción debe procesar los efluentes para evitar la contaminación del medio ambiente, por lo que la planta de MVC II cuenta con la unidad de tratamiento de efluentes de agua residual, identificada como Unidad 60. Está unidad está diseñada para tratar el agua residual proveniente de las unidades de incineración, craqueo, purificación de 1,2-dicloroetano (EDC) y monocloruro de vinilo; ademas de la unidad de almacenamiento de producto denominada Unidad 81. El agua contiene partículas sólidas como coque, trazas de catalizador proveniente del oxireactor, partículas sólidas provenientes de la limpieza de equipos como intercambiadores, rehervidores, columnas en paradas programadas y no programadas de planta. Además, incluye el agua proveniente del sistema de drenaje de la planta. La finalidad de esta unidad consiste en remover estos sólidos y los compuestos organoclorados presentes en la corriente antes de ser enviados al sistema de tratamiento de efluentes central del Complejo Petroquímico Ana María Campos. Actualmente el sistema de tratamiento de efluentes, a pesar de las mejoras que han sido planteadas y realizadas, continúa presentando problemas de corrosión y taponamiento de equipos. Especialmente la columna despojadora (C-61), presenta taponamientos debido a la presencia de sales, sólidos y catalizador, además de problemas de corrosión en tuercas, arandelas y los internos de la columna. Los problemas presentados en dicho sistema han incrementado significativamente los costos de producción del Monocloruro de Vinilo debido a: a)
El uso continuo de camiones de achique, ya que los efluentes se encuentran
fuera de especificación.
b)
El envío de aguas contaminadas a las piscinas de neutralización de la planta de
efluentes central, en donde se deben tratar antes de disponer de las mismas, con el consiguiente aumento en el consumo de aditivos para lograr que el agua entre en especificación. c)
La limpieza mensual con hidrojet de los intercambiadores de placas por
ensuciamiento continuo, para evitar que los efluentes sean descargados a temperaturas mayores a la especificada por diseño (45C). El objetivo de este trabajo es el de proponer mejoras al sistema de tratamiento de efluentes de agua residual de una planta de monocloruro de vinilo, con el fin de disminuir los costos por mantenimiento de equipos (limpieza, reemplazo de accesorios, entre otros), y cumplir con las especificaciones solicitadas por la planta de tratamiento de efluentes centrales, respondiendo a la Ley del Medio Ambiente. Con tal propósito, se evaluará: a)
La eficiencia operativa de los intercambiadores disponibles en la planta de
policloruro de vinilo como posibles sustitutos de los existentes en el sistema de tratamiento de efluentes de agua residual. b)
La hidráulica de una columna (C-73) para determinar la factibilidad de ser
instalada en el sistema, como reemplazo de la columna despojadora actualmente en operación (C-61). Se investigará
distintos escenarios y se determinará la
factibilidad técnica y económica para el reemplazo de los diferentes equipos. Toda la evaluación se realizará a través del simulador comercial Aspen Plus con la finalidad de contrastar rápidamente las diferentes alternativas a través del comportamiento de las variables y de esta manera mejorar los procesos existentes, a través de la determinación de las condiciones óptimas de operación. Este trabajo consta de tres capítulos, el primero muestra el marco teórico, conformado por los antecedentes, descripción del proceso de una planta de MVC, la descripción del sistema de tratamiento de efluentes y las bases teóricas de los simuladores de procesos, en específico del simulador Aspen Plus. El segundo capítulo es el Marco Metodológico, en donde se exponen los pasos a seguir para el desarrollo de este trabajo, a través de la recopilación de la información,
construcción del modelo de simulación, caracterización de las corrientes, validación de la simulación, entre otros. En el tercer capítulo, se presentan los resultados y el análisis de los mismos y por último, las conclusiones y recomendaciones en función de los resultados obtenidos, respectivamente.
CAPÍTULO I MARCO TEÓRICO
1.1. Descripción del proceso de una planta de monocloruro de vinilo La planta MVC II conforma la Unidad de Negocios de Olefinas y Plásticos del Complejo Petroquímico Ana María Campos, la cual inició sus operaciones en el año 1992. La misma tiene como finalidad la producción del monocloruro de vinilo, el cual sirve de materia prima
para la producción del Policloruro de Vinilo. Tiene una
capacidad de producción de 130 MTMA, utilizando como materia prima el etileno y cloro, proveniente de las Plantas de Olefinas y Cloro soda respectivamente, ambas ubicadas dentro del Complejo. Existen diversas unidades de producción que conforman la Planta MVC II, las cuales se muestran en la Tabla 1 y Figura 1.
Tabla 1. Unidades de producción de una Planta de MVC Unidad 10 20 30 40 50 60 70 80
Descripción Cloración Directa Oxiclorinación Purificación de EDC Craqueo del EDC Purificación de MVC Tratamiento de Efluentes Incineración Almacenamiento
En la unidad de cloración directa, se forma el 1,2 dicloroetano mediante la reacción exotérmica de cloro y el etileno en fase gaseosa en un reactor en medio de EDC líquido, utilizando cloruro férrico como catalizador.
16 La reacción principal que se lleva a cabo es la siguiente:
Cl2 +
FeCl3
C2H4
C2H4Cl2
+
Calor
(1)
PLANTA PVC
HCl
OXIGENO ETILENO
OXICLORINACIÓN UNIDAD 20
EDC
PURIFICACIÓN DE EDC UNIDAD 30
EDC
CRAQUEO DE EDC UNIDAD 40
EDC MVC HCl
PURIFICACIÓN DE MVC UNIDAD 50
MVC
ALMACENAMIENTO UNIDAD 80
HCl RECICLO EDC
AGUA DE DESECHO CLORACIÓN DIRECTA UNIDAD 10
EDC SUBPRODUCTO LIQUIDO
CLORO
INICINERACIÓN UNIDAD 70
AGUA DE DESECHO
TRATAMIENTO DE EFLUENTES UNIDAD 60
EFLUENTES CENTRAL
Figura 1. Diagrama general del proceso de producción de una Planta de MVC
Además, ocurren otras reacciones secundarias que generan subproductos tales como 1,1,2-tricloroetano, cloruro de etilo; 1,1-dicloroetano y tetracloroetano, así como otros compuestos clorados pesados. Por su parte, la unidad de Oxiclorinación está diseñada para producir EDC mediante la reacción exotérmica del etileno (C2H4) con cloruro de hidrógeno (HCl) y oxígeno (O2). La reacción se lleva a cabo en un reactor de lecho catalítico fluidizado, que utiliza como catalizador cloruro cúprico soportado en alúmina siendo la principal reacción:
2HCl +
C2H4 +
1
/2O2
CuCl2/Alúmina
C2H4Cl2
+
H2O + Calor
(2)
17 El EDC producido es enviado a la unidad de purificación, con el objeto de eliminar las impurezas presentes y obtener un EDC con las especificaciones requeridas en la unidad de craqueo. Esto se realiza a través de un tren de columnas de destilación. Una vez purificado el EDC, se alimenta al horno de craqueo (unidad de craqueo) donde por efecto de la temperatura (descomposición térmica) de 490 a 500 C se produce el monocloruro de vinilo y el cloruro de hidrógeno, mediante la siguiente reacción:
C2H4Cl2
Calor
C2H3Cl
+
HCl
(3)
La corriente de salida del horno, que contiene MVC, HCl y el EDC no convertido se envía a la unidad de Purificación de MVC, en
la cual a través de un tren de
columnas de destilación se obtiene un MVC con 99,98 % de pureza. De esta área se obtienen tres productos; el MVC que se envía al área de almacenamiento para luego ser despachado a la planta de PVC, el HCl que alimenta a la unidad de oxiclorinación y el EDC no convertido que se envía a la unidad de Cloración, específicamente cloración de benceno y cloropreno, para así facilitar su separación en el tren de purificación de EDC. La planta de MVC cuenta con un sistema de incineración, en el cual se queman los subproductos líquidos generados en el proceso y las corrientes de venteo gaseosas provenientes de diversos puntos de la planta. Asimismo, cuenta con un sistema de tratamiento de efluentes, resaltado en la Figura 1; en el cual se remueven el EDC, el MVC y los sólidos que pueden estar presentes en los efluentes, además del control de pH para enviar el efluente dentro de los parámetros de especificación a la planta central de tratamiento de efluentes del Complejo Petroquímico Ana María Campos.
1.2. Descripción del sistema de tratamiento de efluentes La Unidad de tratamiento de efluentes fue diseñada para manejar las aguas de
18 desecho procedentes de las unidades de producción de EDC y MVC, así como las aguas vertidas o de rebose, derrame de agua contaminada en el piso y sistema de alcantarilla de aguas contaminadas del proceso, con el fin de remover el EDC y MVC de los efluentes antes de descargarlos a la planta central de tratamiento de efluentes. Al agua de desecho final se le realiza un control de pH con el fin de mantenerlo en un rango de valores de control entre 7 y 9. Esta unidad consta de una columna despojadora de desechos, que se alimenta con el agua provista de hidrocarburos clorados, principalmente EDC. (Ver Figura 2) El sistema de tratamiento de efluentes consta de las siguientes secciones: 1.2.1. Neutralización Las corrientes ácidas del fondo de la columna de enfriamiento y absorción C-21 y de la descarga de la bomba P-22 A/S de la sección de oxiclorinación, entran al tambor de
precipitación
D-61,
para
separar
los
sólidos
en
suspensión
presentes;
posteriormente, se unen en el mezclador estático N-61 con las corrientes ácidas del sistema de lavado del EDC de reciclo procedentes del clorador de benceno D-51, la corriente de agua de purga de la columna de enfriamiento súbito C-71 y el fondo de la columna C-74 del sistema de incineración. Debido a la acidez de estas corrientes, se requiere de un sistema de neutralización para mantener valores confiables de pH entre 6,5 y 7,5 antes de alimentarlas a la columna despojadora de hidrocarburos clorados C-61. Desde el mezclador estático N-61, las aguas residuales pasan al tambor de neutralización D-62 el cual posee un sistema de control de pH en dos etapas. En la primera etapa, se dosifica soda cáustica (NaOH) como regulador de pH, para obtener valores entre 4,5 y 5,5, en la corriente de entrada al D-62. La segunda etapa consiste en un compensador de control de pH, el cual utiliza dosificación de NaOH en la tubería de reciclo de la bomba P-61 A/S del tambor D-62 para proveer un control confiable del pH final entre valores 6,5 y 7,5. La corriente de fondo del tambor de neutralización D-62 con un valor de pH mayor a 6 se envía como alimentación a la columna despojadora C-61; adicionalmente, el sistema tiene instalado un desvío automático de esta corriente hacia la piscina de neutralización 1 que se activa cuando el pH es menor que 6.
Figura 2. Diagrama del sistema de tratamiento de efluentes
19
20 1.2.2. Almacenaje de aguas de desecho contaminadas
Piscina de neutralización No. 1 La piscina para almacenamiento de aguas residuales se diseñó para colectar y mezclar las aguas contaminadas no procesadas. Se provee agitación mediante el mezclador N-62 con el fin de mantener los sólidos suspendidos dispersos, evitar la separación de fases y garantizar un buen control de pH. Las corrientes que se colectan en esta piscina son aguas residuales procedentes de la columna de seguridad C-55, aguas residuales provenientes de las columnas de lavado C-74 y de enfriamiento súbito C-71 del sistema de incineración y aguas residuales vertidas o derramadas en el pavimento de las áreas de procesos a través de la bomba P-39 (Unidades 10, 20, 30 y 50), bomba P-47 (Unidad 40), bomba P79 (Unidad 70) y bomba P-814 (Unidad 80). La piscina No. 1 está provista de una bomba (P-64), que posee una corriente de reciclo a la piscina. También, se controla el pH mediante la dosificación de una solución acuosa de soda cáustica a una concentración que oscila entre 10 y 15 % en peso en la corriente de descarga de la bomba, para obtener un pH entre 6 y 7. En esta corriente se ha instalado un sistema de desvío automático con válvulas, la cual se activa cuando el pH se encuentra por debajo del valor predeterminado, cierra la válvula de alimentación a la piscina No. 2 y abre la válvula para retornar la corriente a la piscina No. 1. Piscina No. 2 En caso de inundación de la piscina No. 1, las aguas residuales se envían hacia la piscina
No. 2 mediante la bomba P-61 la cual se coloca en servicio para prevenir
el desborde hacia la estación norte de efluentes. Asimismo, puede pasar desde la piscina No. 1, hacia la
piscina
No. 2 por vasos comunicantes. Esta piscina está
equipada con un sistema de control de pH con un agitador
N-63 y dosificación de
soda cáustica en la tubería de descarga de las bombas P-63 A/S, con el fin de ajustar el valor de pH entre 6,5 y 7,5. Se requiere que el pH esté en este rango en la alimentación a la columna despojadora de hidrocarburos clorados C-61 para
21 controlar la corrosión y aumentar el factor de servicio del sistema. Las aguas pueden enviarse a la columna C-61 mediante la bomba P-63 A/S; en esta corriente está instalado un sistema de desvío automático con válvulas, el cual se activa cuando el pH se encuentra por debajo del valor predeterminado. 1.2.3. Despojamiento con vapor La columna despojadora de hidrocarburos clorados C-61, es una columna con 20 platos perforados cuya función es separar el EDC y otros productos clorados de las aguas de proceso y las aguas de lluvia contaminadas mediante la utilización de vapor en forma directa para su recuperación y reciclo al proceso. Las alimentaciones a la columna C-61 son las siguientes: 1. Descarga de la bomba P-63 A/S de las piscinas de neutralización de alimentación a la columna C-61. 2. Descarga de la bomba P-33 A/S del tambor de reflujo de la columna principal del sistema de purificación de EDC.
3. Descarga de la bomba P-61 A/S del tambor de neutralización D-62.
La corriente procedente de la piscina de neutralización se une con la corriente del tambor de reflujo de la columna principal del sistema de purificación de EDC y se precalienta en el intercambiador de placas E-63. Posteriormente, se mezcla con la corriente de fondo del tambor de neutralización D-62. Las aguas residuales combinadas alimentan al plato de tope de la columna despojadora C-61. El calor requerido para el eficiente despojamiento de los hidrocarburos clorados en la columna C-61, se suministra mediante la inyección directa de vapor en el fondo de la columna, con una relación de 0,1 kg de vapor/kg de aguas residuales de alimentación. Los hidrocarburos clorados y el vapor de despojamiento se condensan en el intercambiador de tope E-61 y se acumulan en el tambor de condensados
D-68
donde se retornan al tambor de EDC crudo (D-23) de la unidad 20 del proceso por medio de la bomba P-66 A/S. Los gases no condensados presentes en el D-68 se
22 condensan parcialmente en el intercambiador E-62, la presión en este tambor se controla mediante la PIC-6209, el cual, envía los gases incondensables al sistema de incineración (unidad 70). La temperatura en el tope de la columna C-61 debe mantenerse entre 100 y 103 °C. Esta temperatura se mantiene mediante el controlador de relación de flujo de vapor/flujo de alimentación total FFIC-6201. Adicionalmente, el sistema de despojamiento de aguas residuales está equipado con un tambor de vaporización parcial D-63 para la recuperación del calor. Este tambor D-63, se diseñó como un separador de vapor líquido donde la energía de la corriente del fondo de la columna C-61 se recupera mediante la reducción de presión a través del eyector temperatura y la presión bajan de 110 °C y
A-61, la
0,9 barg a 93 °C y 0,8 barg.
El líquido remanente en el tambor D-63 se bombea al precalentador de placas E-63 con la bomba P-62 A/S, posteriormente, pasa por el enfriador de placas E-64 donde se enfría hasta 45 °C antes de entrar a la sección de concentración de lodos, como se observa en la Figura 2. Esta corriente contiene pequeñas cantidades de hidróxidos metálicos y cloruros. 1.2.4. Sección de concentración de lodos Después de neutralizar y despojar los hidrocarburos clorados de las aguas de desecho de la planta, esta corriente pasa al agitador y concentrador de lodos S-61. Este equipo tiene instalado un agitador de rotación lenta N-65 en la cámara de floculación para mejorar
la floculación de las partículas de hidróxido de hierro y
otros sólidos suspendidos. En el tambor D-66 se separa la solución de sulfito de sodio al 2 % la cual se dosifica a la corriente de entrada al concentrador de lodos S-61 mediante las bombas P-61 A/S. La coagulación para garantizar una eficiente floculación y sedimentación, se propicia por la adición del polielectrolito el cual neutraliza las cargas eléctricas de los microflóculos de hidróxido de hierro. Esta solución se prepara en el tambor D-64, por dilución con agua de servicio hasta una concentración de
0,1 % y
23 homogeneizada mediante el agitador N-67. Seguidamente, la solución se dosifica a la corriente de entrada al concentrador S-61 mediante las bombas (P-67 A/S).
Los flóculos se separan en el concentrador de lodos S-61. En este equipo, varias láminas paralelas de plástico proporcionan una gran área superficial, que favorecen la precipitación de los sólidos. El flujo de rebose se envía al tambor D-65, desde el cual las aguas de desecho tratadas se bombean al límite de batería. El valor del pH se monitorea mediante un analizador en línea. Los sólidos precipitados se colectan en el cono del concentrador de lodos una vez por día. Una bomba P-69 A/S especial para lodos descarga el lodo acumulado en el cono hacia el filtro prensa S-62 y el agua del filtrado se envía a la corriente de salida del concentrador de lodos. Para un eficiente secado se requiere de una presión de 15 bar. La torta obtenida en el filtro prensa se remueve hacia los tambores especiales para lodo. En este equipo no se especifica si se utilizará transporte local. La concentración de sólidos es de alrededor de 35 %. En la Tabla 2 se muestran los valores de diseño correspondiente a los puntos de muestreo establecidos.
Tabla 2. Valores de diseño de las corrientes en los puntos de muestreo
Puntos de muestreo
EDC (%)
MVC (%)
NaCl (%)
Agua (%)
Descarga P-601 A/S
0,4
0
1
98,6
Descarga P-603 A/S
1,1
0
0
98,9
Efluente final
0
0
0,7
99,3
El sistema de tratamiento de efluentes está conformado por diseño de los equipos que se muestran en la Tabla 3.
24 Tabla 3. Equipos que conforman el Sistema de Tratamiento de Efluentes Nomenclatura
Descripción
A-61 N-61 A-62
P-67 A/S
Eyector de vapor Mezclador estático Tambor eductor de neutralización Columna despojadora de hidrocarburos clorador de las aguas de desechos Tambor de sedimentación Tambor de neutralización Tambor de separación rápida (líquido-vapor) Tambor de floculación Tambor colector de efluentes tratado Tambor para preparación del sulfato de sodio Tambor colector de drenaje Recipiente colector del condensado de la corriente de tope de la columna despojadora Condensador de la corriente de tope de la columna despojadora Condensador del venteo de no condensado en el E-61 Intercambiador de calor para las corrientes de fondo y alimentación de la columna despojadora Enfriador de la corriente de fondo de la columna despojadora para poder ser alimentada al floculador Bomba para alimentación a la despojadora desde el D61 Bomba para descarga de la corriente de fondo de la despojadora desde el D-63 Bomba para alimentación a la columna despojadora desde la piscina No. 2 Bomba para descarga de aguas de desecho desde el tambor D-62 Bomba para transferencia del hidrocarburo clorados recuperador desde el tambor D-68 Bomba para dosificación
P-68 A/S
Bomba para descarga de aguas de desecho.
C-61 D-61 D-62 D-63 D-64 D-65 D-66 D-67 D-68 E-61 E-62 E-63 E-64 P-61 A/S P-62 A/S P-63 A/S P-65 A/S P-66 A/S
P-69 A/S P-610 A/S P-611 P-612 S-61 S-62
Bomba para descarga de lodos a recuperar desde el concetrador S-61 Bomba para dosificación de sulfito de sodio Bomba de agua temporal Bomba para transferencia de la piscina No. 1 a la piscina No. 2 Concentrador de lodos Filtro prensa
25 1.3. Descripción de la unidad de incineración El diseño de la unidad de incineración tiene por objetivo principal limitar la emisión de hidrocarburos clorados hacia el ambiente, cumpliendo de esta manera con las disposiciones emitidas por el Ministerio del Ambiente y de los Recursos Naturales Renovables (M.A.R.N.R). La unidad de incineración tiene como propósito disponer de los venteos continuos de desecho del proceso y de los discontinuos (por ejemplo, los provenientes de los tanque de almacenamiento y de la parada de quipos) que contengan hidrocarburos clorados. Esto se obtiene mediante destrucción por oxidación de los hidrocarburos clorados a CO2, H2O y HCl. Las corrientes de alimentación a la unidad de incineración son los venteos provenientes de la unidad de cloración directa (R-11/2), oxiclorinación (R-21), columna principal (C-31), columna de vacío (C-32), unidad de tratamiento de agua de desecho (C-61), y de los tanques de almacenamiento
(T-
813/814/815/821/831). Los productos de desecho líquido provienen de la columna de vacío (subproductos secos, C-33) y la columna principal (subproductos húmedos, C31). La columna C-73 sirve para producir HCl gaseoso casi puro, a partir del ácido clorhídrico obtenido en el fondo de la columna absorbedora C-72. La presión de operación es de 4.7 barg. Posteriormente, se comprime a la presión requerida en al unidad de oxiclorinación mediante un eyector en la Unidad 20. La salida de fondo de la columna pasa al intercambiador de calor E-77 donde una corriente de alimentación fría (30 C) proveniente del intercambiador de iones I-71 los enfría. La temperatura del ácido azeotrópico se ajusta en el intercambiador de calor E-76. La temperatura también puede ajustarse al nivel necesario con la ayuda de una corriente parcial de desvío proveniente del intercambiador de calor E-77.
El
recipiente de ácido D-79 sirve para balancear las variaciones del ácido azeotrópico retenido en el absorbedor y el desorbedor, ya que el volumen de fondo de la columna C-73 es
pequeño. La misma operó muy poco tiempo, solo por unas
26 semanas y según las recomendaciones del licenciante, sin embargo, por presentar problemas con el sistema de refrigeración que se encuentra en la parte superior se colocó fuera de servicio y hasta la actualidad se mantiene sin operar.
Esta columna presenta un revestimiento interno de teflón, lo que la hace resistente a la corrosión. En la Tabla 4, se muestran las especificaciones a las cuales fue diseñada la columna C-73.
Tabla 4. Especificaciones de diseño de la columna C-73 Nomenclatura
C-73
Descripción
Columna
Especificaciones de diseño No. Platos
2
Sección de Empaques
2
Tipo de Empaque
Raschig
Altura del empaque (mm) Presión operación (barg) Temperatura operación (C) Presión diseño (barg) Temperatura diseño (C)
3600 4,7 160 8 170
Platos tipo
Bubble Cap
Diámetro (m)
0,80
Espaciamiento (m)
0,45
1.4. Antecedentes A continuación, se describen algunos trabajos previos llevados a cabo en la planta, relacionados con el sistema bajo estudio.
27 Tegarid y col. (2011), evaluaron la unidad 60, tomando como volumen de control la columna despojadora C-61. Se determinó que las desviaciones presentes en el desempeño de la misma, son originadas por: a) La deficiente separación de los sólidos en la alimentación a la torre. b) El descontrol de pH de la corriente de alimentación producto del mal funcionamiento de los controladores existentes y la falta de controladores de pH en los equipos asociados a la columna. Adicionalmente, se detectó una gran cantidad de equipos fuera de servicio como por ejemplo el intercambiador de placas E-63, entre otros. Una vez finalizada la evaluación se recomendó
instalar un sistema de filtrado
óptimo para la remoción de sólidos antes de alimentar la columna, mejorar el sistema de control de pH de las piscinas y el tambor D-62 e incorporar los equipos que se encontraban fuera de servicio. Hernández y col. (2011), estudió el procedimiento para el diseño de una planta de tratamiento de aguas residuales de la industria textil y se basó en el principio de consorcios
microbianos
acoplados
metabólitamente,
para
el
proceso
de
biodegradación de colorantes. Además, propuso el diseño de un bioreactor para eliminar el color provocado por el colorante rojo acido 27 de tipo azo- el cual era liberado en los efluentes del proceso de teñido de telas. Simuló a través de simulador comercial Aspen Plus 11.1 la cinética de decoloración para lograr obtener resultados que demostraron que la descarga de las aguas residuales cumple con los límites máximos permisibles de contaminantes en la normativa ambiental. Barroso (2009), realizó una revisión de la situación de los equipos que conforman el sistema de pretratamiento de efluentes de una planta de MVC, de la caracterización físico-química del agua y evaluó técnica y económicamente diferentes alternativas, a través de cálculos, simulaciones e indicadores económicos como el valor presente neto y la tasa interna de retorno. Asimismo, desarrolló la filosofía de instrumentación para la alternativa seleccionada. Los resultados de este autor mostraron desviaciones importantes con respecto al diseño. La caracterización físico-química mostró que los parámetros que se encontraron dentro de los estándares requeridos por la planta central de tratamiento fueron el pH, el MVC y el
28 EDC, mientras que los sólidos suspendidos totales se encontraron fuera de especificación, ocasionando ensuciamiento en los equipos asociados al sistema. Las alternativas planteadas fueron la implementación de un sistema de filtración (tipo cesta o tipo cartucho) y la sustitución del intercambiador de calor E-63 por uno existente en la planta de policloruro de vinilo o el diseño de un intercambiador de calor en espiral. El cálculo de la factibilidad técnica económica, presentó un valor presente neto de
Bs. 810.510
y una TIR de
265 %, valores superiores a los
requeridos por la empresa. Padilla y col. (2005), expuso una visión general de
los contaminantes
organoclorados en los efluentes acuosos y planteó varias alternativas para la eliminación de dichos compuestos, enfocándose en la hidrodecloración catalítica en fase acuosa, el cual hace referencia al tratamiento reductivo de los compuestos organoclorados, empleando hidrógeno como agente reductor. Los compuestos organoclorados de mayor importancia fueron los clorofenoles, tricloroetileno y tetracloroetileno, tetraclorometano y cloroformo, 1,2-dicloroetano, triclorobenceno y hexaclorobutadieno. Una evaluación previa de García (2003), del mismo sistema, usó como herramienta el paquete de simulación comercial Aspen Plus.
Se realizaron
simulaciones utilizando las condiciones de diseño y operación de todos los equipos involucrados en el área, con la finalidad de operar la unidad sin los equipos E-63 y P-62A/S, manteniendo los efluentes dentro de los limites de especificación. Producto de la evaluación se determinó que el intercambiador E-64 mantiene altas temperaturas en el sistema, por lo que se recomendó su reemplazo, ya que los costos de mantenimiento de este equipo eran elevados. Además, indicó García que se debe utilizar otro tipo de intercambiador, recomendando el tipo de tubo y carcasa o de existir la disponibilidad en la planta de PVC I, evaluar el tipo espiral. López y col. (2002), utilizó el simulador comercial Aspen Plus para desarrollar modelos de simulación para las diferentes columnas de destilación pertenecientes a la unidad de purificación de EDC de una planta de MVC, en donde se predijo el comportamiento del sistema de manera de facilitar la implementación de acciones correctivas
y
definición
de
estrategias
de
operación.
Utilizó
los
modelos
termodinámicos NRTL en combinación con la ecuación de estado de Redlich Wong
29 (NRTL-RK) para la columna de separación de componentes livianos y de vacío. Para la columna de componentes pesados utilizó la ecuación de estado de Lee Keesler Plocker (LKP). El estudio hidráulico mostró que todas las columnas tienen flexibilidad para operar con cargas de alimentación superiores a las de diseño. Nava (2001), empleó los paquetes de simulación comercial HTRI y Aspen Plus según condiciones de diseño para evaluar el desempeño de los intercambiadores E63 y E-64 y de otras configuraciones para el sistema, con otro tipo de intercambiadores: de tubo y carcasa, de placa, en espiral. Además, realizó una revisión de las alternativas de filtración para evitar incrustaciones en los equipos asociados al sistema (columna, intercambiadores y bombas). Determinó que el intercambiador E-63 no cumplía los requerimientos para el cual fue diseñado, debido a la baja velocidad del flujo y a la configuración del ángulo de las placas, por lo que recomendó reubicar el E-64 y dejar fuera de servicio el E-63. Encontró el mejor resultado con el intercambiador en espiral. Sin embargo, debido a su alto costo, sugirió evaluar la conveniencia de utilizar un intercambiador en espiral que se encuentra fuera de servicio en una planta de policloruro de vinilo. Reyes (1996), realizó
un estudio hidráulico de la columna despojadora de 1,2
dicloroetano, para determinar las limitaciones de su capacidad. La evaluación hidráulica se hizo mediante correlaciones encontradas en la literatura, con las cuales se determinó la caída de presión por plato, y las variables que afectan la inundación de la columna con los parámetros mecánicos de los platos existentes. Se hizo una modificación a los parámetros mecánicos de los platos con la finalidad de aumentar la capacidad de la columna, mejorando la recuperación de EDC, e incrementado la flexibilidad de la unidad de tratamiento de efluentes de la planta. Los resultados obtenidos con los parámetros hidráulicos
(relación de área de las perforaciones
sobre área de burbujeo) propuestos indican que la columna operaría en condiciones más favorables, cuando se comparo con los parámetros mecánicos existentes. Con el presente trabajo se espera aportar mejoras en el sistema de tratamiento de efluentes, en función del consumo del vapor en la columna despojadora C-61 y de las condiciones de temperatura de salida de los efluentes hacia la planta central de efluentes, con la evaluación de los intercambiadores en espiral que se encuentran disponibles
en
otra
planta.
Estas
mejoras,
incidirán
sobre
mantenimiento y producción de la planta de monocloruro de vinilo.
los
costos
de
30 1.5. Simulador de procesos Un simulador de procesos utiliza las relaciones físicas fundamentales como balances de masa y energía, relaciones de equilibrio y correlaciones de velocidad (reacción, transferencia de masa y calor) y predice los flujos, composiciones y propiedades de las corrientes, las condiciones de operación y el tamaño de los equipos. Los simuladores pueden ser utilizados para el diseño y optimización, la evaluación técnica y el control de los procesos. Los simuladores de procesos permiten reducir el tiempo de trabajo, comparar rápidamente diferentes configuraciones de equipos, mejorar procesos existentes, simular condiciones del proceso y observar el comportamiento en las variables de respuesta antes de llevarlo al caso real y a determinar las condiciones óptimas de proceso, respetando las restricciones, detectar cuellos de botella del proceso, entre otras funciones. Para su uso deben tomarse en cuenta los siguientes aspectos:
Que los resultados de una simulación no son siempre fiables y estos se deben analizar críticamente.
Los resultados obtenidos dependen de la calidad de los datos de entrada, la selección apropiada de las correlaciones empleadas (escoger bien el modelo termodinámico) y la elección adecuada del proceso.
1.5.1. Aspen plus Es un software para la simulación de procesos que ofrece un sistema guía experto y una interfase gráfica interactiva con el usuario. Permite simular cualquier tipo de operación unitaria y trabaja en forma secuencial modular, en donde cada bloque de operación unitaria es resuelto a través de interacciones de convergencia. Asimismo, permite al usuario diseñar diagramas de flujos, realizar análisis de sensibilidad, predecir flujos, composiciones y condiciones operacionales, entre otros.
CAPÍTULO II MARCO METODOLÓGICO
La metodología comprendió las siguientes etapas:
2.1. Recopilación de la información Se realizó el estudio del proceso de tratamiento de efluentes de una planta de MVC, a través
de la lectura de los diagramas de flujos (DFP), diagramas
de
instrumentación y tuberías (P&ID) y el manual de operación de la unidad 60, ya que en ellos se detallan los datos de diseño, las composiciones de las corrientes y los balances de masa. De igual manera, se realizó una revisión de los catálogos mecánicos con la finalidad de obtener las especificaciones y data de diseño de los equipos que conforman el sistema. Adicionalmente, se realizaron recorridos en planta para determinar puntos de muestreo y control de las diferentes variables de proceso.
2.1.1. Situación actual del sistema En la planta de MVC II se encontró operando la unidad de cloración directa al 48%, la unidad de oxiclorinación al 80% y la unidad de craqueo al 85%; sin embargo, la unidad 60 se encuentra limitada a 9 TM/h, cuando su capacidad normal es de 11,74 TM/h y un máximo 19 TM/h; esto debido a los daños internos y externos que presenta la columna. Estos problemas son originados por la presencia de sólidos y descontrol en el pH de la corriente de alimentación. La columna, presenta perforaciones significativas a lo largo del cuerpo con mayor incidencia en la parte superior, lo que amerita que frecuentemente salga fuera de servicio para limpieza, reemplazo de los internos y soldadura de chaquetas en ciertos lugares del cuerpo colocando en riesgo la continuidad operacional de la planta por no procesar las aguas de desecho del proceso. Se procedió a realizar un recorrido al área a fin de observar el estado de los equipos y así determinar si existían desviaciones con respecto al diseño, obteniéndose lo siguiente:
32 1. El tambor de
sedimentación D-61 (8 m3 de capacidad) se encuentra fuera de
servicio desde el año 2006, en su lugar opera el tanque D-79. Este tambor tiene internamente una capa de teflón para evitar la corrosión; sin embargo, tiene menos capacidad (2,7 m3) en comparación con el D-61 presentando menor tiempo de residencia, lo que origina que los sólidos no sean decantados en su totalidad y sean parcialmente arrastrados a la columna despojadora C-61. 2. El intercambiador E-62, el cual trabaja con agua y glicol para condensar el EDC que va en la corriente de tope, se encuentra fuera de servicio, por presentar tubos rotos. 3. El intercambiador de placas E-63, se encuentra fuera de servicio por problemas de corrosión y ensuciamiento, lo cual hace que se consuma mayor cantidad de vapor en la columna despojadora C-61, ya que la alimentación no es precalentada por ausencia del intercambiador y que los efluentes salgan a una temperatura por encima de los 45C. 4. Las bombas P-62A/S se encuentran fuera de servicio por daños continuos en el sello mecánico de las mismas, ensuciamiento y corrosión. 5. El intercambiador E-61 se encontró fuera de servicio por varios meses, el material del mismo es de grafito (tubos) y por las condiciones del sistema presentaba problemas de ruptura de tubos continuamente, por lo que se instaló un intercambiador perteneciente a la planta de cloro soda uno (mercurio) de titanio. Actualmente, no se dispone de los datos de diseño del intercambiador, por lo que se tomarán los datos del antiguo intercambiador de tope E-61.
2.1.2. Caracterización de las corrientes de operación
Consistió en la determinación de las características físico-químicas del agua generada en el proceso de la planta MVC; para sustituirlas por los valores específicos por diseño establecidos en el manual de corrientes del sistema de pretratamiento (unidad 60) en la simulación, con la finalidad de reproducir los parámetros de operación del sistema. Para la identificación de cada una de las
33 corrientes se revisaron los Diagramas de Tuberías e Instrumentación (P&ID) y los Diagrama de Flujo de Proceso (DFP)
del sistema de tratamiento de efluentes.
Adicionalmente, se realizó un recorrido por toda la unidad para determinar los puntos de muestreo, los cuales se pueden observar en el anexo B y fueron los siguientes: 1. Descarga de la bomba P-63A/S (alimentación a la columna despojadora) 2. Descarga de la bomba P-61A/S (alimentación a la columna despojadora) 3. Salida del efluente final hacia la planta central de efluentes Las muestras de agua fueron tomadas por tres (3) días consecutivos, una (1) vez al día, para su respectivo análisis. Durante este tiempo se mantuvieron las mismas condiciones de la planta; cloración directa 48 %, oxiclorinación 80 % y craqueo 85 %.
2.2. Construcción del modelo de simulación
En función del objetivo de la investigación se tomó como volumen de control los equipos que se muestran en la Tabla 5. Además, se muestra el diagrama del sistema a simular en la Figura 3.
Tabla 5. Equipos que conforman el modelo de simulación (volumen de control) Nomenclatura
Descripción
Modelo
C-61
Columna despojadora
RadFrac
D-63
Tambor
Flash 2
D-68
Recipiente colector
Flash 2
E-61
Condensador
Heatx (Shortcut)
E-63
Intercambiador de calor
Heatx (Shortcut)
E-64
Enfriador
Heatx (Shortcut)
P-62 A/S
Bomba
Pump
34 Para la construcción del modelo de simulación, se introdujeron especificaciones de diseño tales como temperatura, flujos, presiones, entre otros, de los equipos que conforman el volumen de control. En la Tabla 6, se muestran las condiciones de diseño para cada equipo (input).
Unidad 50
Agua de Enfriamiento Agua de Enfriamiento
D-62
E-61
C-61
D-68
D-23 Vapor Media
P-66A/S C-61 D-63
P-63A/S PISCINAS NEUTRALIZACIÓN
UNIDAD 30 P-62A/S
E-63 E-64 Agua de Enfriamiento Agua de Enfriamiento
Efluente
Figura 3. Diagrama del sistema a simular como volumen de control
2.3. Selección del modelo termodinámico
Los modelos termodinámicos utilizan ecuaciones de estado que calculan el coeficiente de actividad para hallar las diferentes propiedades de un sistema.
35 Tabla 6. Especificaciones de diseño de los equipos que conforman el modelo de simulación
Nomenclatura
C-61
Descripción
Columna despojadora
Especificaciones de diseño Etapas de equilibrio
20
Presión tope (barg)
0,5
Presión fondo (barg)
0,7
Platos tipo
Perforado
Diámetro (m)
0,88
Espaciamiento (m)
0,45
Alimentación Agua: Temperatura (C) Presión (barg) Flujo (kg/h)
80 2 12488,6
Alimentación Vapor: Temperatura (C) Presión (barg) Flujo (kg/h)
160 2,5 1795
D-63
Tambor
Temperatura (C) Fracción de vapor
110 0,08
D-68
Recipiente colector
Temperatura (C) Presión (bar)
50 0,1
E-61
Condensador
E-63
Intercambiador de calor
E-64
Enfriador
P-62 A/S
Bomba
Temperatura de salida lado caliente (C) Temperatura de salida lado frío (C) Temperatura de salida lado caliente (C) Presión descarga (bar)
50 93 45 5,2
36 Para la selección del modelo termodinámico se utilizó como referencia el trabajo realizado
por
García
(2003),
donde
se
seleccionaron
tres
(3)
modelos
termodinámicos considerando la naturaleza, composición, presión y temperatura de las corrientes involucradas en el proceso. Los modelos fueron WILSON, NRTL y UNICUAC. Se concluyó que todos los modelos reproducen las condiciones de diseño y operación del sistema de tratamiento de efluentes, sin embargo, el que mejor se comportó fue el NRTL. (Ver Figuras 4 y 5). Para el caso de la columna despojadora C-61 se utilizó el modelo termodinámico ELECNRTL, ya que el proceso involucra la formación de electrolitos. Debido a que las simulaciones se realizaron en el año 2003 y debido a las mejoras en el software, se realizará la simulación para validar el modelo termodinámico y reproducir las condiciones de diseño. Adicionalmente, se realizó la simulación de la columna despojadora C-61 con el modelo termodinámico ELECNRTL, debido a que este modelo es adecuado en presencia de soluciones acuosas ácidas (aguas que contienen disuelto sulfuro de hidrógeno, amoniaco, dióxido de carbono y algunos solventes adicionales), aminas acuosas para el endulzamiento de gases, agua contenida en diglicolamina (DGA), monoetanolamina (MEA), dietanolamina (DEA) o metildietanolamina (MDEA) para la remoción de sulfuro de hidrógeno y dióxido de carbono), ácidos o bases acuosas como ácido clorhídrico, hidróxido de sodio y soluciones salinas como cloruro de sodio y cloruro de potasio, entre otros. Algunas de las reacciones que pueden generarse son las siguientes:
Cl2 + 2NaOH NaClO (ac) + 2HCl (ac)
NaOCl + NaCl + H2O
(4)
Cl2 (g) + H2O (ac) + NaCl (ac)
(5)
En las Figuras 4 y 5 se muestra la selección del modelo termodinámico según la naturaleza, composición de la mezcla y rango de presión.
37
Figura 4. Selección de composición de la mezcla
modelos
termodinámicos
por
la
naturaleza
y
2.4. Validación del modelo en condiciones de diseño Se realizó la simulación con datos de diseño utilizando el modelo termodinámico recomendado en el trabajo de García, 2003 y se compararon los resultados con los establecidos por el licenciante de la planta. Para la simulación de la columna despojadora C-61 se aplicó el modelo termodinámico ELECNRTL, mientras que para el intercambiador E-63 se usó el modelo NRTL.
38
Figura 5. Selección de modelos termodinámicos por rango de presión
2.5. Simulación de la columna C-73 propuesta para el sistema Se simuló el comportamiento de la columna C-73, utilizando el mismo modelo termodinámico que para la columna despojadora C-61 (ELECNRTL), para verificar si la primera columna originalmente perteneciente a la unidad 70 cumple con los requerimientos del sistema. Para tal fin, se utilizaron las especificaciones de diseño de la columna C-73, con las condiciones de las corrientes de alimentación de la columna despojadora C-61. Para representar las dos secciones de empaque la simulación de la columna C-73, se introdujeron al simulador cuatro (4) etapas de equilibrio, sin incluir el condensador ni el rehervidor. La alimentación a la columna (agua de desecho, 64)
39 se introdujo en la etapa 1 y la corriente de vapor en la etapa 4. Con respecto a la información de los platos se le colocó que van de la etapa uno (1) a la dos (2) y que la sección de empaques va desde la etapa tres (3) hasta la etapa cuatro (4). Adicionalmente se le colocó el tipo de platos (Bubble Cap) y la geometría de los mismos (diámetro y espaciamiento entre platos). Para la sección de empaques, se tomó en consideración el tipo de empaque (anillos Rasching), material (metal), dimensión (1” – 25 mm), diámetro de la sección (800 mm) y altura del empaque (5600 mm).
2.6. Simulación del sistema propuesto en condiciones de operación Se realizó la simulación del sistema en condiciones normales de operación, bajo las premisas consideradas en la situación actual; es decir, se desincorporaron los equipos que se encontraron fuera de servicio y se incluyeron las siguientes propuestas: 1. Simulación del volumen de control incorporando el intercambiador en espiral TTB0201 en sustitución del E-63. 2. Simulación del volumen de control incorporando el intercambiador en espiral TTB0202 en sustitución del E-64. 3. Simulación del volumen de control, incluyendo la columna C-73, en sustitución de la columna despojadora C-61, una vez que se validaran las condiciones de diseño. Para las tres propuestas, se consideró el intercambiador E-62 fuera de servicio y el intercambiador de tope E-61 por diseño. Se realizaron análisis de sensibilidad con las variables de entrada más importantes del proceso a fin de observar su efecto sobre las variables de respuesta del mismo. El análisis de sensibilidad incluyó lo siguiente: 1. Se varió la alimentación de vapor a la columna despojadora para determinar el momento donde comienza a especificación).
salir EDC por el fondo (parámetro fuera de
40 2.
Se mantuvo la temperatura de alimentación a la columna despojadora sin el intercambiador E-63 y se determinó el máximo consumo de vapor.
2.7. Análisis económico Se realizó el análisis económico con la finalidad de determinar la factibilidad técnica y económica del reemplazo de los diferentes equipos. Se tomó el precio referencial de una (1) h de vacuum e hidrojet, en horarios de trabajo de 8 a 4 pm., de 4 a 11 pm. se incrementó en un 10 % y de 11 a 8 am., se incrementó en un 18 %. De igual forma, se determinaron los costos por mantenimiento de equipos, tanto de los intercambiadores de placas como el de espiral. Adicionalmente, se comparó el costo de la compra de un intercambiador nuevo, en comparación con la instalación del proveniente de la planta PVC I. Se incluyó, el costo del vapor, con la finalidad de calcular el ahorro por disminución del consumo de vapor. Los precios de referencia se muestran en la Tabla 7.
Tabla 7. Precios referenciales para el análisis económico de las propuestas Descripción
Costo
Vacuum
438 Bs./h
Hidrojet
330 Bs./h
Compra de Intercambiador
45.420 Bs.
Vapor
22 Bs./TM
CAPÍTULO III RESULTADOS Y ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS
3.1. Selección del modelo termodinámico Se realizó la simulación de la columna despojadora C-61, para validar el modelo termodinámico propuesto en otros trabajos de investigación ELECNRTL. En la Figura 6 se muestra el diagrama obtenido por el simulador comercial Aspen Plus.
66
64 C-61
VAPOR
EFLUENT E
Figura 6. Diagrama de la columna despojadora C-61 en el simulador Aspen Plus
En la Tabla 8, se muestra la comparación de los resultados obtenidos a través del simulador comercial Aspen Plus y los establecidos por el licenciante, con respecto a las condiciones de salida. Solo se tomó en cuenta la comparación con la corriente 66, ya que las alimentaciones son datos de entrada al simulador (64 y vapor) y el efluente de salida no es conocido como parámetro de diseño.
42 Tabla 8. Comparación de los resultados obtenidos por el simulador y los especificados por diseño
Condiciones
Unidad
Temperatura de salida Presión de salida Fracción de Vapor Flujo Másico Flujo Másico EDC Agua NaCl Fracción Másica EDC Agua NaCl
C barg
Corrientes 66 Balance Desviación 110 -1,09 0,5 0,00 1 0,00 1216,7 9,55
kg/h
66 Aspen 111,2 0,5 1 1100,50
kg/h kg/h kg/h
62,44 1038,06 2,09E-20
67 1149,7 0
6,80 9,71 0,00
0,06 0,94 1,90E-23
0,06 0,94 0
0,00 0,00 0,00
Las desviaciones presentadas son aceptables para el modelo termodinámico ELECNRTL., como se observa par el caso de la temperatura y presión. Sin embargo, para el caso de flujos se presenta una desviación mayor, siendo la diferencia de 100 kg/h en masa. Es importante mencionar que se reproducen las fracciones másicas de los componentes y que en el caso del efluente final solo deben ir trazas de EDC, como se muestra en la Tabla 9. En la Figura 7, se muestra el perfil de temperatura de la columna despojadora C61, manteniendo un comportamiento normal. No se observan incrementos bruscos de temperatura, manteniéndose un incremento paulatino de la misma, sin fluctuaciones. El modelo termodinámico ELECTNRTL reproduce las condiciones de diseño de la columna despojadora C-61. El modelo termodinámico propuesto para los equipos restantes, según la revisión de los antecedentes es el NRTL. Se simuló el volumen de control con la incorporación de todos los equipos. En la Figura 8, se muestra el diagrama realizado en el simulador comercial Aspen Plus.
43 Tabla 9. Resultados de la corriente de efluentes de la columna despojadora
kg/h
Corriente Efluente 115,3 0,7 0 13183,10
kg/h kg/h kg/h
0,00 13083,19 9,99E+01
Condiciones
Unidad
Temperatura de salida Presión de salida Fracción de Vapor Flujo Másico Flujo Másico EDC Agua NaCl Fracción Másica EDC Agua NaCl
C barg
C-61
0,00 0,99 7,58E-03
116 115
Temperatura C
114 113 112 111 110 109 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Etapas
Figura 7. Perfil de temperatura en el simulador Aspen Plus
de
la
columna
despojadora
C-61
44
U-5 0 CW-OUT E-6 1 B13 66
2 V1
CW-IN B1 62
64
C-6 1
D-6 8 3 GAS
VAPOR
D-2 3
D-6 3
OUT
63
SW E-6 4
E-6 3
6 5C 6 5B
65
6 5A
P-6 2AS RW 6 3A
Figura 8. Diagrama del volumen de control en el simulador Aspen Plus
Debido a que en el balance de masa por diseño, se cuenta con las especificaciones de la corriente 65, se tomó el intercambiador E-64, como base para reproducir las condiciones del proceso. Los resultados de las corrientes de salida caliente y fría, se muestran en las Tablas 10 y 11 respectivamente, las cuales son comparadas con los datos de diseño del balance de masa. En las mismas, se puede observar que bajo el modelo termodinámico NRTL, se cumplen las condiciones de diseño en las corrientes de salida del intercambiador E-64. Ya que las desviaciones son aceptables, para el caso de la fracción másica del NaCl, es del 10 %, sin embargo, la variación es solo del 0.001, lo cual es considerada como aceptable. Es importante mencionar que la fracción de NaCl se arrastra de la corriente de fondo de la columna C-61 (0,00758), ya que en el intercambiador solo ocurre intercambio de energía.
45 Tabla 10. Resultados de las corrientes calientes del intercambiador E-64
Condiciones
Unidad
Temperatura Fracción de Vapor Flujo Másico Fracción Másica EDC Agua NaCl
C kg/h
Simulador Entrada Salida caliente caliente 65A 65 103,7 45,0 0,000 0,000 12059,0 12059,0 0,000 0,992 0,008
0,000 0,992 0,008
Diseño Salida caliente 65 45,0 0,000 12065,0 0,000 0,993 0,007
% Desviación 0,00 0,00 0,05 0,00 0,08 10,04
Tabla 11. Resultados de las corrientes frías del intercambiador E-64
Condiciones
Unidad
Temperatura Fracción de Vapor Flujo Másico Fracción Másica EDC Agua NaCl
C kg/h
Simulador Entrada Salida fría fría SW RW 33,0 40,1 0,000 0,000 100012,0 100012,0 0,000 1,000 0,000
0,000 1,000 0,000
Diseño Salida fría RW 41,0 0,000 100012,0 0,000 1,000 0,000
% Desviación 2,195 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000
Con respecto al calor requerido, por diseño es de 929 kw y el obtenido por el simulador es de 826,70 kw, con un porcentaje de desviación del 11 %. Es importante mencionar que para alcanzar las condiciones de temperatura de salida de la corriente caliente, se necesita menor cantidad de calor en el intercambiador E-64.
46 3.2. Simulación de la columna C-73 propuesta para el sistema
La columna C-73 fue simulada bajo las condiciones de diseño de la columna despojadora C-61, utilizando como modelo termodinámico ELECNRTL y las características mecánicas de la columna C-73. En la Figura 9, se muestra el diagrama de la columna C-73 en el simulador comercial Aspen Plus, donde se especifican las corrientes de alimentación a la misma.
66
64
C-73
VAPOR
EFLUENTE
Figura 9. Diagrama de la columna C-73 en el simulador Aspen Plus
En la Tabla 12 se comparan las condiciones de diseño de la columna C-73 y la columna despojadora C-61. Se puede observar que las condiciones son muy similares para ambas columnas con respecto a las condiciones de presión y temperatura; para el caso del volumen nominal, la columna C-73 operaría al 63 % del volumen nominal para el cual trabaja el sistema, ya que la diferencia es de 2,6 m3. Sin embargo, actualmente la columna despojadora C-61 se encuentra operando en un 50 % de carga debido a las condiciones de corrosión que presenta.
47 Tabla 12. Comparación de las condiciones de diseño y operación de las columnas C-61/73
Columna Columna Despojadora CC-73 61
Condiciones
Unidad
Temperatura de Diseño
C
200
170
Temperatura de Operación Presión de Diseño
C
100 - 110
160
barg
4
8
Presión de Operación
barg
0,5
4,7
Volumen Nominal
m3
7,6
5
En la Tabla 13, se muestran los resultados de la corriente de tope de la columna C73 en comparación con los datos por diseño del balance. Según los resultados arrojados por el simulador, la columna C-73 reproduce las condiciones de diseño de la columna despojadora C-61, con una desviación máxima del 9.72 % para el flujo másico de agua, sin embargo la diferencia es solo de 111,73 kg/h. Para la corriente de fondo se parte de la premisa que no debe estar presente el EDC, ya que este es un contaminante en el agua de desecho. En la Tabla 14, se muestra que la cantidad de EDC es de 2 ppb, lo que indica que la columna reproduce las condiciones de diseño del sistema. En la Figura 10, se muestra el perfil de temperatura de la columna C-73, el cual presenta un comportamiento normal. No se observan incrementos bruscos de temperatura,
manteniéndose
un
incremento
paulatino
de
la
misma,
sin
fluctuaciones La columna C-73, presenta una conexión para un rehervidor, inyección de nitrógeno, indicación de temperatura, presión y nivel, alimentación de gas, gas de salida, HCl de entrada y salida y el reflujo de la columna.
48 Tabla 13. Resultados de la corriente de tope de la columna C-73
Condiciones
Unidad
Temperatura de salida Presión de salida Fracción de Vapor Flujo Másico Flujo Másico EDC Agua NaCl Fracción Másica EDC Agua NaCl
C barg
Corrientes 66 Balance Desviación 110,0 1,08 0,5 0,00 1 0,00 1216,7 9,56
kg/h
66 Aspen 111,2 0,5 1 1100,4
kg/h kg/h kg/h
62,44 1037,96 0,00
67,00 1149,70 0,00
6,80 9,72 0,00
0,057 0,943 0,000
0,060 0,940 0,000
5,42 0,35 0,00
Tabla 14. Resultados de la corriente de fondo de la columna C-73
kg/h
Corriente Efluente 115,3 0,7 0 13183,2
kg/h kg/h kg/h
2,39E-05 13083,29 99,91
Condiciones
Unidad
Temperatura de salida Presión de salida Fracción de Vapor Flujo Másico Flujo Másico EDC Agua NaCl Fracción Másica EDC Agua NaCl
C barg
1,81E-09 0,992 0,008
49 116
115
Temperatura C
114
113
112
111
110
109 1
2
3
4
Etapas
Figura 10. Perfil de temperatura de la columna C-73 en el simulador Aspen Plus
De todas estas conexiones solo se utilizarán, la conexión del rehervidor como la alimentación de vapor, la alimentación de HCl gas como el agua de desecho, el gas de salida como la corriente de tope de la columna y el HCl de salida, como el agua de desecho hacia el tambor D-63. Se tomarán las conexiones para la indicación de presión, temperatura y nivel que originalmente tiene la columna y las conexiones adicionales, como la de inyección de nitrógeno, serán condenados. Ya que la simulación de la columna mostró los resultados satisfactorios, se incluirá la columna C-73 en la simulación del sistema en sustitución de la columna C-61. Es importante mencionar, que la columna C-73 por poseer un espesor de teflón en la parte interna de la misma, disminuye os riesgos de ataque por corrosión y por consiguiente, se espera un aumento en la continuidad operacional de la misma.
50 3.3. Simulación del sistema propuesto en condiciones de operación La caracterización físico-química y los resultados se muestran en la Tabla 15.
Tabla 15. Promedio de los resultados obtenidos de la caracterización físico-química
Puntos de muestreo
EDC (ppm)
MVC (ppm)
(pH)
Descarga P-601 A/S
534
<1
7.5
Descarga P-603 A/S
221
2
12.2
Efluente final
<1
<1
7
Para la simulación bajo condiciones de operación, se plantearon tres (3) casos: Caso No. 1. Simulación del volumen de control incorporando el intercambiador en espiral TT-B0201 en sustitución del E-63. Debido a que no existe disponibilidad para realizar la simulación del intercambiador en espiral, ya que la licencia es costosa, se simuló el intercambiador de manera no rigurosa, pero tomando en cuenta el calor requerido para mantener la temperatura de salida en el valor deseado. En la Tabla 16, comparan los datos de diseño del intercambiador propuesto (TT-B0201) y del intercambiador de placas E-63.
Tabla 16. Comparación de los datos de diseño de los intercambiadores TT-B0201 y E-63
Condiciones
Unidad
Temperatura Flujo Calor
C kg/hr kw
Intercambiador en espiral TT-B0201 Caliente Fría Entrada Salida Entrada Salida 110 65,6 53,7 99,4 25331,9 23809,4 1113,742
Intercambiador de placa E-63 Caliente Fría Entrada Salida Entrada Salida 93 86 65 92,5 12138 3103 99,4
51 Como se muestra en la Tabla 16, el intercambiador en espiral TT-B0201 maneja mayor flujo que el intercambiador de placas, la diferencia es de 13139,9 kg/h, es decir, el doble del flujo lado caliente. De igual manera, ocurre con el calor, la diferencia es de 1014,3 kw. Esto indica, que solo comparando las especificaciones de diseño el intercambiador TT-B0201 puede operar en lugar del intercambiador de placa E-63. Es importante mencionar que el material del intercambiador de placas E-63 es titanio y el del intercambiador en espiral TT-B0201 es de acero inoxidable; sin embargo, este último intercambiador trabaja en condiciones de pH de 3 a 7, y no presenta ningún problema de corrosión, ya que el mismo fue inspeccionado durante el segundo trimestre del año 2012. (Ver Anexo C) Los intercambiadores en espiral son utilizados en las plantas de policloruro de vinilo, ya que los mismos pueden operar con una composición de sólidos en la corriente de entrada de hasta el 70% de sólidos, como es el caso de la lechada de PVC. Las condiciones de pH a las cuales se encuentra la lechada van desde 2 hasta 7, con la presencia de cloruros en el sistema, sin presentarse problemas de corrosión en los intercambiadores, por lo que solo se realiza mantenimiento cada 8000 h de operación (paradas programadas). La Tabla 17 muestra los resultados de los datos de operación del intercambiador E63, en donde se tienen las condiciones de temperatura de la corriente de alimentación a la columna C-61 de 92,5 C con una capacidad de intercambio de calor de 73,9 kw, muy por debajo de la capacidad de intercambio del TT-B0201 establecido por diseño. El intercambiador en espiral logró reproducir los datos de operación y diseño del intercambiador de placas E-63.
Caso No. 2. Simulación del volumen de control incorporando el intercambiador en espiral TT-B0202 en sustitución del E-64. Al igual que en el caso No. 1, no existe disponibilidad para realizar la simulación del intercambiador en espiral, ya que la licencia es costosa, por lo que se simuló el
52 intercambiador de manera no rigurosa, pero tomando en cuenta el calor requerido para mantener la temperatura de salida en el valor deseado.
Tabla 17. Resultados de los datos de operación del intercambiador E-63
Condiciones
Unidad
Temperatura Presion Flujo Másico Flujo Másico EDC Agua NaCl Calor
C barg kg/h kg/h kg/h kg/h kw
Corriente Caliente Entrada Salida 65B 65A 110,3 100,3 4,3 4,3 5909,8 5909,8 0,00 5909,8 0,00
Corriente Fría Entrada Salida 63 63A 40,0 92,50 2,0 2,0 1215,6 1215,6
0,00 0,27 5909,8 1215,4 0,00 0,00 73,97
0,27 1215,4 0,00
En la Tabla 18, se comparan los datos de diseño del intercambiador propuesto (TTB0202) y del intercambiador de placas E-64.
Como se muestra en la Tabla 18, el intercambiador en espiral TT-B0202 maneja un flujo significativamente menor que el intercambiador de placas E-64. No obstante, si bien el flujo es mayor, la capacidad de intercambio de calor requerido se encuentra por debajo de la correspondiente para el intercambiador propuesto. Por esta razón es importante simular el sistema a las condiciones de operación para calcular la cantidad de intercambio de calor necesaria para obtener los 45 C requeridos en el efluente final.
La Tabla 19 muestra los resultados obtenidos en la simulación bajo condiciones de operación, donde para alcanzar los 45 C del efluente final es necesario un intercambio de calor de 384,33 kw, lo que significa que el intercambiador propuesto TT-B0202 puede sustituir al intercambiador de placas E-64.
53 Tabla 18. Comparación de los datos de diseño de los intercambiadores TT-B0202 y E-64
Condiciones
Unidad
Temperatura Flujo Calor
C kg/hr kw
Intercambiador en espiral TT-B0202 Caliente Fría Entrada Salida Entrada Salida 110 65,6 53,7 99,4 25331,9 23809,4 1113,742
Intercambiador de placa E-64 Caliente Fría Entrada Salida Entrada Salida 92 45 33 41 12065 100012 929
Tabla 19. Resultados de los datos de operación del intercambiador E-63
Condiciones
Unidad
Temperatura Presión Flujo Másico Flujo Másico EDC Agua NaCl Calor
C barg kg/h kg/h kg/h kg/h kw
Corriente Caliente Entrada Salida 65A 65 100,3 45,0 4,27 4,27 5909,8 5909,8 0,000 5909,8 0,000
0,000 5909,8 0,000
Corriente Fría Entrada Salida SW RW 33,0 36,3 5,10 5,10 100012,0 100012,0 0,000 100012,0 0,000 384,33
0,000 100012,0 0,000
Caso No. 3. Simulación del volumen de control, incluyendo la columna C-73, en sustitución de la columna despojadora C-63, una vez validadas las condiciones de diseño.
La columna C-73, reprodujo las condiciones de operación del sistema manteniendo los perfiles de temperatura y las fracciones másicas de los componentes presentes como EDC, Agua y NaCl. En la Tabla 20, se muestran los resultados de las corrientes de tope y fondo de la columna C-73, evidenciando que todo el EDC sale por el tope y el agua con trazas de EDC por el fondo de la misma.
54 Tabla 20. Resultados de la simulación de la C-73 dentro del volumen de control.
Condiciones
Unidad
Temperatura Presión Flujo Másico Flujo Másico EDC Agua NaCl Fracción Másica EDC Agua NaCl
C barg kg/h
Corrientes Entrada Salida 66 OUT 111,4 113,4 0,5 0,6 352,9 6494,3
kg/h kg/h kg/h
2,8 350,1 0,000
1,2E-06 6491,5 6494,3 0,000
0,008 0,992 0,000
0,000 1,0 0,000
En la Figura 11, se muestra la columna C-73 incluida en el sistema de tratamiento de efluentes dentro del volumen de control seleccionado.
U-5 0 CW-OUT E-6 1 B1 3 66
2 V1
CW-I N B1 62
C-7 3 64
D-6 8 3 GAS
VAPOR D-2 3
D-6 3
OUT
63
SW E-6 4
E-6 3
65C 65B
65
65A
P-6 2 AS RW 63A
Figura 11. Diagrama de la columna C-73 dentro del volumen de control
55 En la Figura 12 se muestra el perfil de temperatura de la columna C-73 bajo condiciones de operación, la cual presenta un comportamiento normal, sin presentar variaciones bruscas de temperatura a lo largo de las cuatro (4) etapas. En la etapa 1 alcanza 111,1 C y en la etapa 4 alcanza 113,4 C, con un gradiente de temperatura de 2,3 C.
114,0 113,5
Temperatura C
113,0 112,5 112,0 111,5 111,0 110,5 110,0 1
2
3
4
Etapas
Figura 12. Perfil de temperatura de la columna C-73 en condiciones de operación
3.4. Análisis de sensibilidad Para la evaluación completa del sistema se efectuaron análisis de sensibilidad. En el primer caso se varió la alimentación de vapor
a la columna despojadora para
determinar el momento donde comienza a salir EDC por el fondo de la columna. En la Tabla 21, se muestra la cantidad de EDC en la corriente de fondo de la columna despojadora C-73, en función de los cambios de flujo de vapor con 600 kg/h se tiene un contenido de EDC en el fondo de 5 ppb, cumpliéndose a estas condiciones
56 las especificaciones por diseño (menor a 1 ppm). Esto representa una reducción en el consumo de vapor de 896 kg/h a 600 kg/h a una temperatura de 140 C, con un ahorro de 296 kg/h; es decir, un ahorro del 34 %.
Tabla 21. Variación del flujo de vapor contra contenido de EDC en el fondo de la C73
Corriente Vapor (kg/h) 500 550 600 650 700 750 800
Composición de Fondo EDC 388 ppm 149 ppm 5 ppb 2 ppb trazas trazas trazas
Para el segundo análisis de sensibilidad se mantuvo la temperatura de alimentación a la columna despojadora sin el intercambiador E-63 y se determinó el máximo consumo de vapor sin afectar la cantidad de EDC de fondo. En la Figura 13 se muestra el diagrama del sistema a simular.
En la Tabla 22, se muestran los resultados del análisis de sensibilidad, donde se varió el flujo de vapor sin el intercambiador E-63 con una temperatura de alimentación a la columna de 40 C y se verificó la cantidad de EDC salida del fondo de la columna C-73. Con flujos por encima de 700 kg/h de vapor
a 140 C, se
garantiza que la corriente de fondo contenga trazas de EDC y se cumpla con las especificaciones establecidas por el licenciante (< 1 ppm) de EDC en el efluente final.
57 U-5 0 CW-OUT E-6 1 B13 66
2 V1
CW-I N B1 62
C-7 3 64
D-6 8 3 GAS
VAPOR D-2 3
63 SW D-6 3
OUT
E-6 4
Corriente de Fondo Vapor EDC Kg/h Kg/h 600 2,48E+00 650 2,48E+00 Figura 13. Diagrama del volumen de control sin el intercambiador E-63 700 3,10E-05 750 9,30E-06 800 4,72E-06 850 2,84E-06 Tabla 22. Variación del flujo de vapor contra contenido de EDC en el fondo de la 900 1,87E-06 C-73 950 1,30E-06 1000 9,45E-07 Corriente Corriente Corriente Corriente 1050 7,08E-07 de Fondo de Fondo 1100 5,43E-07 Vapor EDC Vapor EDC 1150 4,25E-07 Kg/h Kg/h Kg/h Kg/h 1200 3,39E-07 600 2,48E+00 600 2,48E+00 1250 2,73E-07 650 2,48E+00 650 2,48E+00 1300 2,24E-07 700 3,10E-05 700 3,10E-05 1350 1,85E-07 750 9,30E-06 750 9,30E-06 1400 1,54E-07 800 4,72E-06 800 4,72E-06 1450 1,30E-07 850 2,84E-06 850 2,84E-06 1500 1,10E-07 900 1,87E-06 900 1,87E-06 1550 9,40E-08 950 1,30E-06 950 1,30E-06 1600 8,08E-08 1000 9,45E-07 1000 9,45E-07 1650 6,99E-08 1050 7,08E-07 1050 7,08E-07 1700 6,07E-08 1100 5,43E-07 1100 5,43E-07 1750 5,31E-08 1150 4,25E-07 1150 4,25E-07 1790 4,78E-08 1200 3,39E-07 1200 3,39E-07 896 1,93E-06 1250 2,73E-07 1250 2,73E-07 1300 2,24E-07 1300 2,24E-07 1350 1,85E-07 1350 1,85E-07 1400 1,54E-07 1400 1,54E-07 1450 1,30E-07 1450 1,30E-07 1500 1,10E-07 1500 1,10E-07 1550 9,40E-08 1550 9,40E-08 6 5C
65
6 5A
Corriente
P-6 2 AS
RW
58 La Tabla 23, muestra los resultados de la variación del flujo de agua de enfriamiento del intercambiador E-64 para alcanzar 45 C en la corriente del efluente final. Esta temperatura se alcanzó para un flujo de agua de 50.000 kg/h, estableciéndose como parámetro la temperatura de salida de la corriente fría del intercambiador.
Tabla 23. Variación del flujo de agua de enfriamiento con respecto a la temperatura de salida del efluente final sin el intercambiador E-63
Iteraciones 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
Flujo de Agua Kg/h 20.000 22.000 24.000 26.000 28.000 30.000 32.000 34.000 36.000 38.000 40.000 42.000 44.000 46.000 48.000 50.000 52.000 54.000 56.000 58.000 60.000 62.000 64.000
Temperatura Corriente 65 C 85,4 82,9 80,3 77,7 75,1 72,5 69,9 67,2 64,5 61,9 59,2 56,5 53,7 51,0 48,3 45,5 42,7 39,9 37,1 34,3 34,0 34,0 34,0
Según los resultados mostrados, no se debe operar el sistema sin el intercambiador E-63 ya que el flujo que se necesita para enfriar el efluente final con un solo intercambiador es de 50.000 kg/h y el intercambiador en espiral disponible está diseñado para manejar un máximo de 23.809 kg/h.
59 3.5. Análisis económico Una vez evaluado el sistema se encontró una reducción en el consumo de vapor de 7.104 kg/d. El costo del vapor es de 22 Bs/TM, lo que representa un ahorro de 156,288 Bs/d, generando un ahorro de 4.688 Bs. /mes. Actualmente los gastos por servicio de hidrojet y vacuum para garantizar que los efluentes tengan una disposición final y la limpieza de los intercambiadores E-63 y E-64, se muestran en la Tabla 24.
Tabla 24. Estimado de costo por servicios de vacuum e hidrojet Descripción
Costo Bs./h
Turno
Gastos Bs./turno
Vacuum
438
12 h
7358,4
Hidrojet
330
12 h
5544,0
Total
12902,4
En la Tabla 24, se puede observar que para una jornada de 12 h de utilización de vacuum e hidrojet, incluyendo el incremento del 10% por sobre tiempo, los gastos son de 12902,4 Bs. La limpieza de los equipos instalados actualmente se realiza bimensual y el uso del vacuum mensual. Con la instalación de los intercambiadores propuestos, el ahorro sería del 75%, ya que solo se realizaría la limpieza por mantenimiento mayor de los equipos (paradas de planta) Adicionalmente, se muestra en la Tabla 25 el estimado de costos con la instalación del intercambiador en espiral TT-B0201/B0202 por los intercambiadores de placas E-63 y E-64. El costo total de 10.600 Bs. debe ser multiplicado por dos (2), ya que se realizará la instalación de los dos intercambiadores en espiral, para un total de 21.200 Bs. Si se compara el costo total de instalar los dos (2) intercambiadores de calor TTB0201/B0202, con la compra de un solo intercambiador en espiral nuevo, la
60 diferencia entre ambas alternativas es de 24.220 Bs. En la Tabla 26 se muestra el costo por alternativas.
Tabla 25. Estimados de costos de la instalación del intercambiador de calor en espiral TT-B0201/B0202 Descripción
Costo (Bs.)
Intercambiador de calor en espiral
0
Desinstalación e Instalación
8.500
Mantenimiento
2.100
Costo total
10.600
Tabla 26. Costo total por alternativas Descripción
Costo
Compra de un (1) Intercambiador
45.420 Bs.
Costo de Instalación de TT-B0201/B0202
21.200 Bs.
Para la ejecución de las propuestas debe tomarse en cuenta: a. El ahorro en el consumo de vapor b. El servicio de vacuum e hidrojet, solo en paradas programadas c. La instalación de los dos (2) intercambiadores provenientes de la planta de policloruro de vinilo Esto generará un ahorro significativo de 41.810,4 Bs. tomando como referencia el ahorro en el consumo de vapor de un mes y de un día del servicio de vacuum e hidrojet. Una de las ventajas de instalar los intercambiadores en espiral, es que se limpian con facilidad por la configuración de los mismos.
CONCLUSIONES
En función de determinar la eficiencia operativa de los intercambiadores disponibles en la planta de policloruro de vinilo para ser instalados en el sistema de tratamiento de efluentes de agua residual, se evaluaron los intercambiadores en espiral TTB0201 y TT-B0202, en sustitución de los intercambiadores de placas E-63 y E-64. Para la simulación de los intercambiadores se utilizó el modelo termodinámico NRTL, ya que fue el que reprodujo las condiciones de diseño y de operación de los mismos; arrojando resultados satisfactorios. Es importante mencionar que el sistema de tratamiento de efluentes no debe operar sin el intercambiador E-63, ya que no se alcanzaría la temperatura de salida requerida en el efluente final. De
igual
manera,
se
simuló
la
columna
C-73,
utilizando
como
modelo
termodinámico ELECNRTL, reproduciendo las condiciones de diseño y operación de la columna despojadora C-61 que opera actualmente. Debido a las características internas de la columna C-73 (recubrimiento de teflón) se espera que este equipo muestre una mayor resistencia a la corrosión causada por las condiciones presentes en el sistema. Con respecto a la factibilidad técnica y económica del reemplazo de los diferentes equipos en el sistema de tratamiento de efluentes de agua residual con los cambios propuestos es posible disminuir el consumo de vapor en 7.104 kg/d, con un ahorro asociado de 4.688,64 Bs. /mes. Al realizar la instalación de los intercambiadores en espiral se reducirá en un 75 % el servicio de vacuum e hidrojet, logrando un ahorro de 9.525,2 Bs. por jornada de trabajo de 12 h. Además, los costos de instalación de los intercambiadores de calor TT-B0201 y TT-B0202 provenientes de la planta de policloruro de vinilo son mucho más bajos, que la compra de un solo intercambiador en espiral. Con la finalidad de garantizar la continuidad operacional del sistema de tratamiento de efluentes de agua residual y por ende de la planta de monocloruro de vinilo se plantea realizar las mejoras de acuerdo a los resultados obtenidos a través de las diferentes simulaciones de los equipos que conforman el sistema y los equipos que se evaluaron como posibles reemplazos. Es decir, reemplazar los intercambiadores
62 de placas E-63 y E-64, por los intercambiadores disponibles en la planta de policloruro de vinilo y la columna despojadora actualmente en operación C-61 por la columna C-73 disponible en la unidad 70.
RECOMENDACIONES
Realizar el levantamiento isométrico para la instalación de los intercambiadores en espiral TT-B0201 y TT-B0202.
Realizar el levantamiento isométrico para la instalación de la columna C-73 en sustitución de la columna despojadora C-61.
Debido a que la columna C-73 solo posee dos platos en su parte superior y que éstos son de material grafito impregnado (diabon) y este material no es afectado por choques térmicos y puede operarse bajo cualquier condición de temperatura hasta 200 °C dependiendo del proceso, sin embargo; se recomienda que estos dos platos sean cambiados por platos de titanio.
Realizar las recomendaciones propuestas en otros trabajos en función de garantizar el control de pH y la retención de las partículas presentes en el sistema de tratamiento de efluentes. De esa manera se incrementará la continuidad operacional del mismo.
Realizar el cálculo del coeficiente de trasferencia de calor en función de las especificaciones de diseño de los intercambiadores en espiral, a través de ecuaciones matemáticas aplicadas para intercambiadores en espiral.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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65 Tegarid Wilfredo y José Hernández. (2011) Mejoras para la unidad de tratamiento de efluentes de la Planta MVC II. Informe Técnico A-MVC2-TIP-IT-11017. Gerencia Técnica. Complejo Petroquímico Ana María Campos.
ANEXOS
ANEXO A. PUNTOS DE MUESTREO
Anexo A.1. Punto de muestreo de descarga de la P-601 A/S
67
Anexo A.2. Punto de muestra del efluente final
68
Anexo A.3. Descarga de la bomba P-603 A/S
69 ANEXO B. BALANCE POR COMPONENTE DEL SISTEMA DE TRATAMIENTO DE EFLUENTES
Unidad 600 Corriente No.: 62 Temperatura: 65 C 2,5 kg/cm2g
Presión:
Componentes
% Peso
Flujo (kg/h)
Agua
98,6
9250,5
EDC
0,4
34
1
96,2
HCl NaCl NaOH Cu
0,1
Al2O3
1,1
Cloral FeCl3 Fe(OH)3 Total
1,6 100
9383,5
70 Unidad 600 Corriente No.: 63 Temperatura: 65 C Presión:
2 kg/cm2g
Componentes
% Peso
Flujo (kg/h)
Agua
98,9
2968
EDC
1,1
33
100
3000
HCl NaCl NaOH Cu Al2O3 Cloral FeCl3 Fe(OH)3 Total
71 Unidad 600 Corriente No.: 64 Temperatura: 80 C Presión:
2 kg/cm2g
Componentes
% Peso
Flujo (kg/h)
Agua
98,7
12322,3
EDC
0,5
67
0,8
96,5
HCl NaCl NaOH Cu
0,1
Al2O3
1,1
Cloral FeCl3 Fe(OH)3 Total
1,6 100
12488,6
72 Unidad 600 Corriente No.: 65 Temperatura: 45 C Presión:
1,5 kg/cm2g
Componentes
% Peso
Flujo (kg/h)
Agua
99,3
13143,6 < 2 ppm
EDC HCl NaCl
0,7
96,5
NaOH Cu
0,1
Al2O3
1,1
Cloral FeCl3 Fe(OH)3 Total
1,6 100
13242,9
73 Unidad 600 Corriente No.: 66 Temperatura: 100 C Presión:
0,6 kg/cm2g
Componentes
% Peso
Flujo (kg/h)
Agua
94,5
1149,7
EDC
5,5
67
100
1216,7
HCl NaCl NaOH Cu Al2O3 Cloral FeCl3 Fe(OH)3 Total
74
75 ANEXO C. INSPECCIÓN TT-B0201/B0202
DEL
INTERCAMBIADOR
Anexo C.1. Vista frontal del intercambiador en espiral TT-B0201.
EN
ESPIRAL
76
Anexo C.2. Vista completa del intercambiador en espiral TT-B0201.
77
Anexo C.3. Vista lateral del intercambiador en espiral TT-B0201.
78
Anexo C.4. Vista frontal del intercambiador en espiral TT-B0202.
79 ANEXO D. INSPECCIÓN DE LA COLUMNA DESPOJADORA C-61
Anexo D.1. Bajante de la columna despojadora C-61.
80
Anexo D.2. Tuercas y arandelas en inspección interna a la columna despojadora C61.
81
Anexo D.3. Inspección interna a la columna despojadora C-61 luego de la limpieza mecánica.
82
Anexo D.4. Ensuciamiento de los platos internos de la columna despojadora C-61.
83
Anexo D.5. Ensuciamiento de los platos internos de la columna despojadora C-61.
84
Anexo D.6. Ensuciamiento del platos 19 de la columna despojadora C-61.
