Proceso de Produccion de Polipropileno a Partir de Propileno.. Modificado

DISEÑO Y SIMULACION DE PROCESOS INDUSTRIALES II “PRQ-351”

Contenido

CAPITULO 1 ............................... ................................................ .................................. ................................. ................................. ................................. ................................. ........................ ....... 11 1.

INTRODUCCION .................................. .................................................. ................................. ................................. ................................. .................................. ................... 11 1.1.

................................................. ................................. ................................. ................................. ........................... .......... 12 ANTECEDENTES. .................................

1.2.

............................................... ................................. ........................... .......... 16 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ...............................

1.3.

OBJETIVOS ................................ ................................................. .................................. .................................. ................................. ................................. ..................... .... 17

1.4.

.................................................. ................................. ................................. ................................. ........................... .......... 17 JUSTIFICACION. ..................................

1.5.

................................................ .................................. .................................. .................................. ............................. ............ 18 METODOLOGIA ...............................

................................................. ................................. .................................. .................................. ................................. ................................. ..................... .... 20 CAPITULO II .................................

2.

FUNDAMENTO TEORICO. ................................. ................................................. ................................. .................................. .................................. ................... 20 2.1.

................................................ ................................. ................................. .................................. ................................. ............................. ............. 20 Historia. ...............................

2.2.

............................................. ............ 21 DESCRIPCIÓN DE PROPILENO Y POLIPROPILENO. P OLIPROPILENO. .................................

2.3.

.................................................. .......................... .......... 25 CARACTERÍSTICAS CARACTERÍSTICAS DEL DE L POLIPROPILENO. ..................................

2.4.

PROPIEDADES DEL PROPILENO Y POLIPROPILENO. .......................................... ......................................... 28

2.5.

........................ 30 USOS Y APLICACIONES DEL PROPILENO P ROPILENO Y POLIPROPILENO. .........................

................................................ .................................. .................................. .................................. ................................. ................................. ..................... .... 32 CAPITULO III...............................

3.

................................................. ................................. ................................. ................................ ................ 32 ENTORNO AL SILUMADOR .................................

3.1.

USO DE SIMULADORES EN LA L A INDUSTRIA QUÍMICA. QUÍMICA. ............................... ......................................... .......... 32

3.2.

................................................. ................................. .................................. ..................... .... 34 SIMULACIÓN DE PROCESOS. .................................

3.3.

................................................. ................... 35 APLICACIONES DE SIMULACIÓN DE PROCESOS ................................

3.4.

SIMULADOR ASPEN PLUS®: ............................... ................................................. ................................... ................................. ....................... ....... 36

3.5.

LIMITACIONES DE LOS SIMULADORES ................................ ................................................. .................................. ................... 37

3.6.

SELECCIÓN DEL SIMULADOR ADECUADO PARA EL PROCESO. ............................ ........................... 37

CAPITULO IV ................................................ .................................................................................................... .................................................... ........................... 38 ESTUDIO DE MERCADO ............................................................................................ ................. 38 4.1.

......................... 41 ESTUDIO DE MERCADO NACIONAL PARA EL POLIPROPILENO ..........................

4.1.1. 4.2.

................................................ .................................. .................................. ............................. ............ 44 DEMANDADEL PRODUCTO ...............................

4.2.1. 4.3.

........................................... .......... 41 Consumo y proyecciones de la demanda d emanda de polipropileno .................................

Demanda Mundial del polipropileno ............................... ................................................ .................................. ............................. ............ 44

................................................ .................................. .................................. ................... 44 DEMANDA DEL POLIPROPILENO ...............................

PROCESO DE PRODUCCION DE POLIPROPILENO A PARTIR DE PROPILENO

1


4.4.

................................................ .................................. .................................. ................................ ............... 45 ANÁLISIS DE LA OFERTA ...............................

4.5.

DETERMINACION DETERMINACION DE LA CAPACIDAD ............................... ............................................... ................................. ........................... .......... 45

4.6.

.................. 46 DETERMINACION DETERMINACION DEL FLUJO F LUJO DE ALIMENTACIÓN DE PROPILENO ..................

4.6.1.

.................................................. ................................. ................................. ................................. ........................... .......... 46 Flujo de Propileno: ..................................

................................................. ................................. .................................. .................................. ................................. ................................. ..................... .... 47 CAPITULO V .................................

TECNOLOGIAS DE PRODUCCION DE POLIPROPILENO ................................ ................................................ .......................... .......... 47 5.

.......................... 47 PROCESOS COMERCIALES DE OBTENCIÓN DE POLIPROPILENO ..........................

5.1.1.

................................................. ................................. .................................. ..................... .... 49 Proceso en suspensión (Slurry) .................................

5.1.2.

................................................ .................................. .................................. ................................. .......................... .......... 50 Proceso Spheripol ...............................

5.1.3.

Proceso Novolen .................................. .................................................. ................................. ................................. ................................. ........................... .......... 52

5.1.4.

.................................................. .................................. ................................. ................................. ................................ ............... 53 Proceso LIPP .................................

5.2.

CRITERIOS PARA LA SELECCIÓN DE LA TECNOLOGIA MAS ADECUADA ....... 54

................................................ .................................. .................................. .................................. ................................. ................................. ..................... .... 55 CAPITULO VI ...............................

6.

INGENIERIA DEL PROYECTO ................................. .................................................. .................................. ................................. .......................... .......... 55 6.1.

.................................................. ................... 55 DIAGRAMA DE FLUJO DEL PROCESO (UNIPOL). .................................

6.2.

................................................. ................................. ................................. ..................... .... 56 DESCRIPCIÓN DEL PROCESO ................................

6.3.

DESCRIPCIÓN DE LOS EQUIPOS DEL PROCESO Y ECUACIONES DE DISEÑO 56

6.3.5.

INTERCAMBIADOR DE CALOR DE CORAZA Y TUBOS ................................. ........................................ ....... 69

6.3.6.

.................................................. ................................. ................................. ................................. ........................... .......... 71 Caída de presión ..................................

.................................................. ................................. ................................. ....................... ....... 71 Transferencia de calor por convección ..................................

6.3.7.

.................................................. ................................. ................................. ................................. ........................ ....... 71 Balance de energía ..................................

6.3.8.

Ley de Newton de enfriamiento: ecuación para el flujo de calor transferido .................. 71

6.3.9.

................................................. .......................... .......... 72 Coeficiente global de transferencia de calor (U) .................................

6.3.10.

Cálculo de la temperatura media logarítmico

6.3.11.

................................................ .................................. .................................. ................... 72 Cálculo del Número de Reynolds ...............................

6.3.12.

Cálculo del número de Prandt. ................................. ................................................. ................................. .................................. ..................... .... 73



................................ ....................................... ....... 72

................................................ .................................. .................................. ............................. ............ 73 6.4.9. Cálculo del número de Nussel ............................... ................................................. ................................. .................................. .................................. ................................. .......................... .......... 73 Caída de presión .................................

6.4.

.................. 83 DESCRIPCION DEL PROCESO EN EL SIMULADOR ASPEN PLUS V8.6 ..................

6.4.1.

Ingreso de Componentes ............................... ................................................ .................................. .................................. ................................ ............... 83


2


6.4.2.

................................................. .................................. ................................. ................................. ..................... .... 84 Modelos de actividad ................................

6.4.3.

ECUACIONES DE ESTADO .................................. ................................................... ................................. ................................. ..................... .... 84

6.4.4.

................................................. .......................... .......... 87 Alimentación del Catalizador y Co-Catalizador Co -Catalizador .................................

6.4.5.

................................................. .................................. ................................. .......................... .......... 88 Alimentación de Hidrogeno ................................

6.4.6.

.................................................. .................................. ................................. .......................... .......... 89 Alimentación de Nitrógeno .................................

6.4.7.

Mezclador de corrientes ................................. ................................................. ................................. ................................. ................................ ................ 90

6.4.8.

................................................ .................................. ............................. ............ 90 Reactor de mezcla completa (CSTR) ...............................

6.4.9.

................................................ .................................. ................................. ................................. .................................. ..................... .... 92 Compresor ...............................

6.4.10.

................................................ .................................. .................................. ................................ ............... 93 Intercambiador de calor ...............................

.................................................. .......................... .......... 93 Especificación de datos del intercambiador de calor ..................................



6.4.11.

Separador flash................................. ................................................. ................................. .................................. .................................. ............................. ............ 94

................................................ .................................. .................................. ................... 94 Especificación de datos del separador ...............................



6.4.12.

Absorvedor .................................. .................................................. ................................. ................................. ................................. .................................. ................... 95

Especificación de datos del Absorvedor ............................... ................................................ .................................. ................................ ............... 95



6.4.13.

DIAGRAMA DE FLUJO DEL PROCESO EN EL SIMULADOR ASPENPLUS .... 96

6.5.

BALANCE DE MATERIA............................... ................................................ .................................. .................................. ................................ ............... 97

6.6.

.................................................. .................................. ................... 99 BALANCE DE ENERGIA DEL PROCESO .................................

6.7.1.

................................................... ................................. ................................. ................... .. 102 ESTIMACIÓN DE COSTOS. ..................................

6.8.2. CRITERIOS PARA LA EVALUACIÓN ECONÓMICA DEL PROCESO DE ................................................. ................................. ................................. ................ 104 PRODUCCION DEL POLIPROPILENO ................................. ................................................ .................................. ................................. ................................. ................................. ................................. ...................... ..... 110 CAPITULO 7 ...............................

7. ANALISIS DE RESULTADOS, CONCLUCIONES, CONCLUCIONES, RECOMENDACI RE COMENDACIONES ONES Y ................................................. ................................. ................................. .................................. ................................. ........................... ........... 110 BIBLIOGRAFIA ................................

8.

7.1.

................................................. ................................. ................................. ................................. ...................... ..... 110 Análisis de resultados .................................

7.2.

Conclusiones ................................ ................................................. .................................. .................................. ................................. ................................. ................... .. 110

7.3.

................................................ .................................. .................................. .................................. ................................. ........................ ........ 111 Beneficios ...............................

7.4.

Recomendaciones ................................. ................................................. ................................. .................................. .................................. ........................... .......... 111

.................................................. .................................. ................................. ................................. .................................. ................... .. 112 BIBLIOGRAFIA.................................

ANEXOS ................................. ................................................. ................................. ................................. ................................. .................................. .................................. ........................... .......... 115 ................................................. ................................. ................................. .............................. .............. 115 ANEXO A: Diseño del Separador Flash .................................

Tabla de propiedades

................................ ................................................. .................................. .................................. ................................. ................................. ................... .. 115


3


ANEXO B: Calculo de la conversión en el proceso ........................................................................ 123 

Definición de la conversión ............................................................................................... 123


4


NOMENCLATURA H2: Hidrogeno N2: Nitrógeno PP: Polipropileno Cv: Coeficiente de caudal DFP : Diagrama de Flujo de Procesos. EOS Equation Of State (Ecuación de Estado) FCC: Craqueo Catalítico Fluido FDA: Food and DrugAdministration (Administración de Alimentos y Fármacos) GHSV espacio velocidad de gas por hora GLP: Gas Licuado de Petróleo GN: Gas Natural INE: Instituto Nacional de Estadística LHSV: espacio velocidad de líquido por hora MMpcd: Millones de pies cúbicos OCDE: Organización para la Cooperación y el Desarrollo CSTR: Reactor de mezcla completa o tanque agitado continúo PGP Propileno Grado Polímero PRO Unidad de recuperación del Propileno STAR: Steam Active Reforming (Reformado de vapor activo) TM: Tonelada métrica TMA: Toneladas métricas año UOP Universal Oil Products (Productores Universales de Petróleo) YPFB: Yacimientos Petrolíferos Fiscales Bolivianos PROCESO DE PRODUCCION DE POLIPROPILENO A PARTIR DE PROPILENO

5


SIMBOLOGÍA



Ec. ecuación



P, Presión (KPa)



, fuerza (KN)



 ̇ 



n, Número de moles del gas ó vapor, (Kmol/h, Kmol/dia)



R, Constante Universal de los Gases (8,3145 KJ/Kmol°K)







ρ, Densidad de gas, (Kg/m3) , Volumen, (MMm3/h , MMm3/Día) , masa (Kg)

m ,flujo masico (tonm/dia)







Tr, Temperatura reducida, [Adimensional]



Pc, Presión Crítica, (KPa)



Tc, Temperatura Crítica, (°K)





























, Temperatura del sistema, (0C°K) , Factor de Compresibilidad, (Adimensional)

Pr, Presión reducida, [Adimensional]

  ∑  =;               ∅∅ ̇   H , Temperatura pseudocritica (°K) , volumen pscritico (m3)

,presión pseudoreducida (KPa) , volumen pseudoreducido sumatoria

; , , , ,parámetros de corrección de las ecuaciones de estado , parámetros de corrección de la ecuación de estado por componente. ,

,

,

,

, ,

,

parámetros de corrección de las ecuaciónes de estado

, coeficiente de jugosidad para componente

, coeficiente de jugosidad para componente para mezcla

, entalpia molar para ecuación de estado (KJ/Kmol) , entalpia de referencia (KJ/Kmol)


6






























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

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





      qi qomi mo    

, Calor específico a presión constante, (KJ/Kmol°K) , Calor específico a volumen constante, [KJoule/Kmol°K]



Calor específico a presión constante para componente (KJ/Kmol°K)

,entropía (KJ/Kmol°C) entropía de referencia (KJ/Kmol°C)

,energía interna (KJ/Kmol°K) energía interna de referencia (KJ/Kmol°K)

, energía libre de gibbs (KJ/Kmol°K) energía libre de gibbs (KJ/Kmol°K)

, factor acéntrico

,constante de relación isentropica , calor del fluido caliente (KJ) calor del fluido frio (KJ) , masa del fluido caliente y frio respectivamente (Kg) ,temperatura del fluido caliente y frio respectivamente (°K)

, diámetro equivalente (m)

, numero de Reynolds adimensional

G es el gasto másico de la corriente (kg/s*m2) ,calor (KJ,BTU)

n es el número de subcorrientes en las que se divide el flujo (canales del arreglo en el intercambiador (adimensional)





w es el ancho de la placa (m) b es la distancia entre las placas (m).



µ; es la viscosidad del fluido (kg/m*s)



U; coeficiente global de transferencia de calor (W/ m2 *K)



A ;es el área de transferencia de calor (m2)



Pr es un parámetro adimensional



K es la conductividad térmica del fluido (W/m*K)



h, coeficiente de transferencia de calor convectivo. (W/ m2* K)


7






∆ ℎℎ ;  ℎ    ̇̇ : : gc: factor de conversion 1 kN⁄  p.  HP,,    ̌̈ es el espesor de la placa (mm)

k, en este caso es la conductividad térmica del material de fabricación de las placas (W/m*K).



















































; coeficiente de transferencia de calor convectivo fluido caliente. (W/ m2* K) ; coeficiente de transferencia de calor convectivo fluido frio. (W/ m2* K)

coeficiente global de transferencia de calor máximo

Jh; coefieciente convectivo por corriente ,

parámetro, adimensionales de diseño de intercambiador de placas

ρL, Densidad de líquido, [Kg/m3]

, número de Nussel adimencional

Ecin, Energía cinética, [KJoule]

Epot, Energía potencial, [KJoule]

, aceleración de la gravedad igual a 9,81 [m/s2]

: Entropía espesifica (KJ/kg oC)

: Generación de entropía (KJ/kg oC)

Flujo de calor (KJ/Kmol h)

Temperatura de la superficie (o K)

Trabajo de compresión (KJ)

, eficiencia isentropica

, eficiencia politropica

η, Rendimiento, [Adimensional] potencia de compresor

Relación de compresión

,presión de entradaa (Kpa)

, presión de salida (Kpa)

, Caudal. para gases en (m3/seg) estándar (15 °C y 101.325 Kpa) ,Densidad relativa del gas respecto al aire a (15 °C y 101.325 Kpa)


8






1, 12    , 

,Temperatura del gas a la entrada de la válvula (°K) Coeficiente de Flujo de la válvula y depende del tipo, diámetro y grado de apertura de

este dispositivo.













,Presión aguas arriba (kpa)

,Presión aguas abajo (Kpa)

, volatilidad relativa fracción molar fase liquida y vapor respectivamente (%)

, constante de equilibrio entre fasses

P.M.; peso molecular



ΔHv, Entalpía de Vaporización, [KJoule]



ΔH, Variación de Entalpía, [KJoule]



W, Flujo molar del Producto de Fondo, [Kmol/hora]



D, Flujo Molar del Destilado, [Kmol/hora]



Lo, Flujo Molar del Reflujo, [Kmol/hora]



G, Flujo Molar del vapor, [Kmol/hora]



L, Flujo Molar del líquido, [Kmol/hora]

















   

, Relación de Reflujo, [Adimensional Entalpía en la alimentacion, [KJoule/Kmol] , Entalpía del vapor, [KJoule/Kmol] , Entalpía del destilado, [KJoule/Kmol]

, Entalpía del líquido, [KJoule/Kmol] ,Entalpía del líquido de reflujo, [KJoule/Kmol]

, Carga térmica del condensador, [KJoule] , Carga térmica del reboiler, [KJoule]


9


RESUMEN El polipropileno, es uno de esos polímeros versátiles que andan a nuestro alrededor. Cumple una doble tarea, como plástico y como fibra. El polipropileno se obtiene a partir del propileno que a su vez es producido a partir del gas petróleo. Actualmente es utilizado en una amplia variedad de aplicaciones. El proyecto a continuación tiene como objetivo general realizar el diseño y una simulación del proceso de producción del Polipropileno a partir de Propileno en el simulador Aspen Plus v8.6. Los objetivos específicos para el trabajo son 1) Analizar y seleccionar la tecnología más adecuado para la obtención del polipropileno, 2) selección de los componentes que intervienen en el proceso, 3) selección del modelo termodinámico, 4) realizar el diseño de los equipos 5) resolver los balances de materia y energía del proceso 6) realizar el análisis económico 7) evaluación de los costos. Se identificó la fuente y características de la materia prima, su tecnología UNIPOL que es un modelo simplificado del modelo SLURRY, de esta forma facilitando el uso del catalizador de Ziegler – Natta. Así mismo llevando la reacción de polimerización de propileno en un reactor de mezcla completa (CSTR) fluidizado. El flujo de operación utilizado es de 200000 TMA de propileno que es obtenido en la página de YPFB, y luego de realizado la simulación del proceso con la tecnología UNIPOL se logró una conversión en el proceso del 90% con una producción de polipropileno de una pureza del 99%.


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CAPITULO 1 1. INTRODUCCION El presente trabajo se enfoca principalmente en la simulación de la planta de producción de polipropileno a partir de propileno ubicado en el departamento de Tarija, localidad de Yacuiba dentro de la provincia de gran chaco. A la planta de polipropileno se alimentará propileno, materia prima que proviene de la Planta de Propileno, El complejo petroquímico de plásticos industrializará el propano extraído del gas natural que se procesa en la Planta de Separación de Líquidos Gran Chaco “Carlos Villegas”. El polipropileno es un plástico empleado en innumerables procesos de producción industrial, como ser: envases en general, envases de alimentos, botellas, la industria de los empaques en general, envolturas de medicamentos, cosméticos, juguetes, material médico, material de escritorio, bolsas, fibras, fibras trenzadas para sogas, canastas, muebles plásticos, entre otros. El polipropileno es uno de los polímeros más versátiles y de bajo costo en la industria. Sus aplicaciones varían desde productos como películas utilizadas en el embalaje de alimentos para refrigerios, hasta elementos de mayor valor, como aparatos de uso doméstico, productos electrónicos y partes automotrices. Las simulaciones computacionales de procesos productivos en la industria química constituyen una herramienta muy útil para el desarrollo de los procesos pues aprovechan la rapidez del cálculo de un ordenador para entregar resultados de forma instantánea. En una industria en constante cambio como lo es la industria de los combustibles, la habilidad para predecir rápidamente que pasara si se modifican una o más variables de proceso es fundamental a la hora de controlar adecuadamente los procesos especialmente de aquellos que tendrían altos costos. (Calle, 2016). En la última década, los plásticos han liderizado el mundo de los materiales. La versatilidad en los procesos de transformación y su elevado número de aplicaciones hacen que el polipropileno sea la poliolefina por excelencia en todo el mundo y la que registra el mayor índice de crecimiento para la fabricación de plásticos. La disponibilidad de ésta versátil materia prima, le dará a la economía un fuerte impulso en el que tanto el Estado como los inversionistas privados podrán invertir en nuevas iniciativas y emprendimientos industriales. PROCESO DE PRODUCCION DE POLIPROPILENO A PARTIR DE PROPILENO

11


1.1.ANTECEDENTES. 1.1.1. Industria Petroquímica. La petroquímica es un área de la química abocada al estudio de los derivados del petróleo y su utilización en la industria, es un área vital ya que la demanda de combustibles crece día a día. La industria petroquímica tiene como objetivo la transformación del petróleo en la mayor cantidad de derivados posibles, con menor o mayor calidad dependiendo los procesos aplicados Este proceso es el denominado refinamiento del petróleo el cual acontece en las refinerías, pudiendo otorgar como resultado la producción de GLP, Gasolina, Queroseno, Diésel o Full Oíl entre otros derivados químicos del petróleo y de los gases asociados. Los productos petroquímicos incluyen todas las sustancias químicas que de ahí se derivan. La industria petroquímica moderna data de finales del siglo XIX. La mayor parte de los productos petroquímicos se fabrican a partir de un número relativamente pequeño de hidrocarburos, entre ellos el metano, el etano, propano, butano y los aromáticos como el benceno, tolueno y xileno. La petroquímica, por lo tanto, aporta los conocimientos y mecanismos para la extracción de sustancias químicas a partir de los combustibles fósiles. La gasolina, el gasoil, el querosén, el propano, el metano y el butano son algunos de los combustibles fósiles que permiten el desarrollo de productos de la petroquímica. La industria petroquímica exige importantes medidas de seguridad para evitar los daños ambientales ya que sus procesos son potencialmente contaminantes y de alto impacto medioambiental.

1.1.2. Industria Petroquímica en Latinoamérica. Con una capacidad global de producción estimada en 100 millones de toneladas por año al año 2012, los complejos petroquímicos en América latina y el Caribe están concentrados en Brasil, México, Venezuela, Argentina, Trinidad y Tobago y en menor escala en Colombia, Chile y Perú.


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1.1.2.1. Oferta y Demanda Mundial del Polipropileno. El consumo mundial de polipropileno aumentó en casi 7 por ciento, o 2,2 millones de toneladas, para alcanzar un total de 34 millones de toneladas métricas en 2009. El informe anual 2010 PTAI para el polipropileno estima que la demanda global para el polipropileno creció otro 7 por ciento global en 2010 y alcanzará cerca de 36,4 millones de toneladas.

1.1.2.2. Mercado Nacional del Propileno y Polipropileno. La proyección del consumo de poliolefinas El mercado es claramente dominado por el polietileno. Los productos derivados del polietileno son sumamente variados, junto al PVC y el PP, son los denominados comodines, aquellos que por ser producidos en tan alta cantidad, su precio es sumamente bajo, alrededor 700$/ton. La tasa de crecimiento del Polipropileno y Polietileno, es igual, y generalmente el polipropileno tiene una tasa de crecimiento mayor al polietileno. El crecimiento del PE está ligado al crecimiento del PIB de una nación, mientras que el PP es un poco más innovativo, buscando nuevos mercados a través de nuevas aplicaciones (el gran consumidor de PP son las empresas automotrices).

1.1.3. Polimerización. 1.1.3.1. Polimerización por condensación La molécula de monómero pierde átomos cuando pasa a formar parte del polímero. Por lo general, se pierde una molécula pequeña. Por lo cual, en las polimerizaciones por condensación se generan subproductos. Los polímeros obtenidos por esta vía se los denomina polímeros de condensación. Debido a que ahora hay menos masa en el polímero que en los monómeros originales, decimos que el polímero está condensado con respecto a los monómeros. El subproducto, ya sea HCl gaseoso, agua o cualquier otro, se denomina condensado.

1.1.3.2. Polimerización de crecimiento en cadena y en etapas Este sistema de clasificación de las polimerizaciones nuevamente divide las reacciones de polimerización en dos categorías, que son: 

Polimerizaciones por crecimiento de cadena


13




Polimerizaciones por crecimiento en etapas

Las diferencias entre polimerización por crecimiento de cadena y polimerización por crecimiento en etapas son un tanto más complicadas que las diferencias entre polimerización por adición y polimerización por condensación.

1.1.3.3. Polimerizaciones por crecimiento de cadena En la polimerización por crecimiento en cadena los monómeros pasan a formar parte de la cadena “uno a la vez”. Primero se forman dímeros, después trímeros, a continuación tetrámeros, etc. De esta manera, la cadena se incrementa de uno en uno o, mejor dicho, de monómero a monómero

1.1.3.4. Polimerizaciones por crecimiento en etapas En la polimerización por crecimiento en etapas o pasos, es posible que un oligómero reaccione con otros, por ejemplo un dímero con un trímero, un tetrámero con un dímero, etc., de forma que la cadena se incrementa en más de un monómero. En la polimerización por crecimiento en etapas, las cadenas en crecimiento pueden reaccionar entre sí para formar cadenas aún más largas. Esto es aplicable a cadenas de todos los tamaños. En una polimerización por crecimiento de cadena sólo los monómeros pueden reaccionar con cadenas en crecimiento. En este punto de un sistema de crecimiento de cadena, sólo podría suceder una cosa: que se adicione un tercer monómero al dímero para dar lugar a un trímero, luego un cuarto para formar un tetrámero y así sucesivamente. Pero en la polimerización por crecimiento en etapas, ese dímero puede reaccionar de otras formas diferentes. Obviamente, puede reaccionar con uno de los monómeros para formar un trímero pero pueden suceder otras reacciones. Puede reaccionar con otro dímero para formar un tetrámero, o puede reaccionar con un trímero para formar un pentámero. Estos tetrámeros y pentámeros pueden reaccionar para formar oligómeros aún más grandes y así crecer hasta que los oligómeros sean lo suficientemente grandes como para transformarse en polímeros


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1.1.4. EL COMPLEJO Se ha anunciado que la inversión en la planta será de 2.200 MM de dólares financiada por el BCB con crédito de 1.847 MM de dólares y el resto con aporte de YPFB. Es el proyecto más caro de Bolivia, después de la planta de fertilizantes de Bulo Bulo. Las plantas de propileno y polipropileno se alimentarán de GLP, materia prima que proviene de la Planta de Separación de Líquidos “Carlos Villegas”; permitirá la manufactura de productos en base de polipropileno, generación de fábricas, producción de envases plásticos, tuberías, nylon, sacos de tejidos (saquillos) y bolsas para productos industriales. La industria privada y estatal tendrá acceso a una materia prima nacional a bajo costo y se estimularán las inversiones y el desarrollo industrial. El complejo supone el mayor salto industrial para Bolivia, además, por la venta de polipropileno el país captará $us 420 millones por año.

1.1.5. LA EMPRESA La empresa que hizo los estudios de ingeniería del proyecto es Tecnimont. Se trata de una consultora especializada con la que YPFB ya firmó dos contratos: el primero en 2012 y el segundo en 2014. El primer contrato fue para los estudios de ingeniería conceptual de la planta y el segundo para desarrollar el plan estratégico del proyecto, revisión y validación del estudio de ingeniería conceptual, estrategia de contratación PDP+FEED+IPC, fiscalización y apoyo más soporte técnico especializado. La relación de YPFB con Tecnimont se ha manejado siempre en reserva. El primer contrato de Tecnimont fue por 3,8 MM de dólares, pero terminó pagándose 4,2 MM de dólares y no se sabe cuánto se pagó por el segundo contrato. Ninguno de los estudios realizados por la consultora se ha dado a conocer y tampoco se sabe cuándo entregaron los últimos estudios.


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1.2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Impulsado por el crecimiento Petroquímico, en Bolivia actualmente se proyecta la construcción de una planta de polipropileno, La Planta tendrá una capacidad de proceso de 900 toneladas métricas día (TMD) de propano y una capacidad de producción de 250.000 toneladas métricas año (TMA) de polipropileno. Entre el 10 y 20% del producto (polipropileno homopolímero) se destinará al mercado interno y entre el 80 y 90% a países como Brasil, Argentina, Perú y China. La alimentación a esta planta será una corriente de propileno que será producido mediante GLP suministrada por de la planta de separación de líquidos de gran chaco hoy “Carlos Villegas”. El propileno monómero utilizado para la producción de polipropileno el cual tiene un mercado muy grande en la industria, ya que se usa para fabricar diversos productos de gran importancia. Todos estos usos generan una alta demanda. El problema esencial es la carencia de una planta de polipropileno en el País y el aumento significativo de la demanda de los derivados de este producto en el mercado nacional y teniendo en cuenta nuestra riqueza en gas natural, y porque no posibilitar una vía para el desarrollo del país. El Proyectar el diseño de una nueva planta en nuestro País, el cual posee abundantes yacimientos de gas, materia prima para la obtención de este producto, además de contar con dos plantas de separación de líquidos hace factible esta propuesta. Ampliar la proyección de este importante y creciente producto a nivel mundial permitiría: desarrollar nuevas tecnologías y establecer nuevos alcances económicos tan importantes para el desarrollo económico, social y científico de nuestra nación. En bibliografía se mencionan varios métodos de obtención del polipropileno, en base a este escenario, se planteó conceptualizar método shperipol, Diseñado como híbrido con dos reactores en serie, el primero para trabajar en suspensión y el segundo en fase gas, es un proceso versátil, que permite preparar diferentes tipos de productos con propiedades óptimas.


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1.3. OBJETIVOS 1.3.1. Objetivo General. Realizar el Diseño y una simulación del proceso de producción del Polipropileno a partir de Propileno en el simulador Aspen Plus v8.6.

1.3.2. Objetivos Específicos. -

Analizar y seleccionar la tecnología más adecuada para el proceso de obtención del polipropileno.

-

Selección de los componentes que intervienen en el proceso.

-

Seleccionar el modelo termodinámico más adecuado.

-

Realizar el diseño de los equipos que intervienen en el proceso.

-

Resolver los balances de materia y energía del proceso.

-

Realizar el análisis económico del proceso.

-

Evaluación de costos de los equipos.

-

Interpretar resultados y dar sentido físico.

1.4. JUSTIFICACION. 1.4.1. Justificación Social. Bolivia es uno de los mayores productores de gas natural la cual es materia prima para la obtención de gas licuado de petróleo (GLP) y es producida por dos plantas de separación de líquidos Gran Chaco y Rio Grande, durante muchos años se ha exportado gas natural (GN) y en los últimos (GLP) con un alto valor energético a precios muy bajos y una alta demanda de nuestro país de propileno y polipropileno, por ello se vio la necesidad de construir una nueva planta de polipropileno la cual permitirá obtener mayores beneficios de nuestro gas natural e introducir a Bolivia en la industria petroquímica. PROCESO DE PRODUCCION DE POLIPROPILENO A PARTIR DE PROPILENO

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Con la construcción de esta planta de producción de polipropileno y debido a sus grandes usos, en la fase de construcción de la Planta de Propileno y Polipropileno, se generará alrededor de 4.000 fuentes de trabajo directos, 150 directos en la fase de operación/comercialización y 10.000 empleos indirectos por efecto multiplicador en la industria.

1.4.2. Justificación Económica. La disponibilidad de ésta versátil materia prima, le dará a la economía un fuerte impulso en el que tanto el Estado como los inversionistas privados podrán invertir en nuevas iniciativas y emprendimientos industriales. La producción de polipropileno ayudara a que Bolivia pase de ser un país importador a ser un país productor y exportador de este producto lo que generaría ganancias en favor del país.

1.4.3. Justificación técnica. Con la Implementación de la planta de polipropileno se abastecerá el mercado interno de polipropileno, se eliminará la importación de este producto, se generará ingresos de mayores divisas para el país con su exportación, se estimulará la inversión pública y privada en emprendimientos industriales que utilizan el plástico como materia prima y se mejorará las condiciones de costos de operación en la industria nacional de los plásticos haciéndola más competitiva en el entorno regional.

1.5. METODOLOGIA Para llevar a cabo el estudio, necesariamente se recurre al método de Análisis Documental, con el objeto de recabar información escrita en la literatura referente principalmente a: -

Polimerización del polipropileno.

-

Procesos de obtención del polipropileno.

-

Modelo y simulación de reactores.


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-

Simulación de procesos en Aspen Plus v8.6

La figura 1.1 muestra en forma esquemática las etapas para el desarrollo del proyecto.

Figura 1.1: Esquema del plan de trabajo


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CAPITULO II 2. FUNDAMENTO TEORICO. 2.1.Historia. El polipropileno es sin duda, uno de los polímeros con mayor opción de futuro. Este hecho se ve justificado con el hábito creciente de sus mercados, aún en los tiempos más agudos de crisis. Dentro de la mayoría de los sectores en los que se encuentran nuevas aplicaciones, dan lugar a un material estructural, considerado uno de los más atractivos por las ventajosas condiciones de competitividad económica, que caracterizan al polipropileno como miembro del grupo de los termoplásticos de gran consumo frente a los ingenieriles, y más frente aquellos de altas prestaciones. En 1954 el italiano G. Natta, siguiendo los trabajos elaborados por K. Ziegler en Alemania, logró obtener polipropileno de estructura muy regular denominado isotáctico. Su comercialización en Europa y Norteamérica se inició rápidamente en 1957, en aplicaciones para enseres domésticos. Los trabajos de Natta y Ziegler que permitieron conseguir polímeros de etileno a partir de las olefinas, abrieron el camino para la obtención de otros polímeros. Este plástico, también con una estructura semicristalina, superaba en propiedades mecánicas al polietileno, su densidad era la más baja de todos los plásticos, y su precio también era muy bajo, pero tenía una gran sensibilidad al frío, y a la luz ultravioleta, lo que le hacía envejecer rápidamente. Por este motivo su uso se vio reducido a unas pocas aplicaciones. Pero el descubrimiento de nuevos estabilizantes a la luz, y la mayor resistencia al frío conseguida con la polimerización propileno−etileno, y la facilidad del PP a admitir cargas reforzantes, fibra de vidrio, talco, amianto y el bajo precio de dieron gran auge a la utilización de este material. La amplia gama de propiedades del polipropileno, lo hace adecuado para una gran variabilidad de aplicaciones en diferentes sectores, y marca la parada ante los materiales del futuro, además de suponer una alternativa, mucho más económica. Debido a esto, el empleo de este material está creciendo, gracias en gran parte, al desarrollo de nuevos y mejores productos. Se utiliza para muchas piezas de automóviles, como por ejemplo los parachoques, en carcasas de electrodomésticos y cajas de baterías, y otras máquinas, para PROCESO DE PRODUCCION DE POLIPROPILENO A PARTIR DE PROPILENO

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rafias y monofilamentos, fabricación de moquetas, cuerdas, sacos tejidos, cintas para embalaje. Debido a que soporta temperaturas cercanas a los 100ºC, es utilizado para tuberías de fluidos calientes. También se puede encontrar también en envases de medicamentos, de productos químicos, y sobre todo de alimentos que deban esterilizarse o envasarse en caliente, además se utiliza en forma de película ya que tiene una gran transparencia y buenas propiedades mecánicas: mirillas para sobres, cintas autoadhesivas, etc. Los materiales plásticos hoy en día, representan un inmenso grupo que se distingue casi en su totalidad, por el hecho de ser desarrollados por el hombre, y son consideradas sustancias macromoleculares y en su mayoría orgánicas, además de ser utilizados cada día más, en diferentes y nuevos campos de aplicación.

2.2.DESCRIPCIÓN DE PROPILENO Y POLIPROPILENO. 2.2.1. Propileno. El propileno, también llamado propeno es generalmente descrito como volátil y un gas incoloro a temperatura ambiente. El cual es mucho más versátil que el etileno debido a sus tres carbonos y la presencia de un doble enlace, lo que provoca que sean posibles muchos más derivados basados en este compuesto que los que son generados con el etileno, hecho que ocasiona una mayor demanda tasa de crecimiento de esta olefina que el etileno. (Olah, Goeppert, & Prakash, 2006). El propileno (CH2=CHCH3) constituye una de las principales olefinas ligeras. Se trata de un gas muy volátil y se suele almacenar como un líquido a presión. Su almacenamiento y transporte en condiciones criogénicas resultan más fáciles que con el etileno, debido a la diferencia en sus propiedades físicas.


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Figura 2. 1: Polipropileno: molécula y propileno

Fuente: Polypropylene (The definitive User's Guide and Databook; Plastic Design Library, 1998)

Las propiedades más relevantes del propileno son: -

Temperatura normal de ebullición: -47,7ºC.

-

Temperatura crítica: 91,8ºC.

-

Presión crítica: 4,47 MPa.

-

Límites de explosividad en el aire: 2,2 – 10,0 %V. La química del propileno queda determinada por la presencia de un doble enlace y de átomos de hidrógeno alílico. Cuando uno de estos hidrógenos es abstraído, el radical alilo resultante queda estabilizado por resonancia. Las principales reacciones en que interviene el propileno consisten en reacciones de polimerización, de adición electrófilica y de sustitución. La obtención del propileno se lleva a cabo principalmente como subproducto junto con el etileno y otras olefinas, bien mediante procesos de craqueo con vapor de hidrocarburos, bien en procesos de refinería. Como consecuencia de ello, la producción de propileno queda determinada en gran medida no sólo por su demanda, sino también por la del etileno y la de los productos de refinería. A nivel mundial, las relación etileno/propileno es aproximadamente de 2/1, con variaciones según los países que dependen de la relación propileno de craqueo con vapor / propileno de refinería, y del tipo de alimentación utilizada.

Producción de propileno mediante craqueo con vapor . Durante el proceso de craqueo con vapor de hidrocarburos, el propileno se separa por destilación de la fracción C3, PROCESO DE PRODUCCION DE POLIPROPILENO A PARTIR DE PROPILENO

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compuesta por propano, propileno y otros componentes menores. En la torre C3, el propileno se separa por cabeza de la columna, mientras que por fondo se separa una mezcla rica en propano. El tamaño de la columna varía según el grado de pureza buscado para el propileno (el grado polimérico requiere mayor número de platos).

Producción de propileno En refinería, el propileno se obtiene principalmente como subproducto del craqueo catalítico en lecho fluido (FCC) de gasóleos. De nuevo, la producción depende del destino al que se orienta la refinería (por ejemplo, las refinerías de Estados Unidos, más orientadas a maximizar la producción de gasolina, producen más propileno que las de Europa).Dado que el propileno de refinería va acompañado de mayor proporción de propano (del orden de un 30 %, frente a un 8-10 % en el propileno de craqueo térmico), el grado obtenido en general es inferior al correspondiente al propileno de craqueo con vapor. Las especificaciones del propileno son: grado refinería (50 – 70 % de pureza), grado químico (92 – 94 %), y grado polímero (> 99 %). 

Hay varias vías de obtención además del craqueo térmico.



La segunda en importancia es el cracking catalítico (fcc).



Dos vías recientes: deshidrogenación de propano y metátesis.



El principal derivado de propileno es el polipropileno (pp).



Su demanda mundial viene creciendo a altas tasas en el mundo



Otros derivados importantes: acrilonitrilo, óxido de propileno



Los crackers de etano producen muy poco propileno

2.2.2. Polipropileno. El polipropileno o PP es un plástico de desarrollo relativamente reciente que ha logrado superar las deficiencias que presentaba este material en sus inicios, como eran su sensibilidad a la acción de la luz y al frío. Ello es posible mediante la adición de estabilizantes y la inclusión de cargas reforzantes como el amianto, el talco o las fibras de vidrio. El polipropileno se obtiene a partir del propileno extraído del gas del petróleo. El polipropileno (PP) – (C3H6) – n es un polímero termoplástico que se obtiene de la polimerización del propileno (o propeno). El polipropileno es un polímero de adición ya PROCESO DE PRODUCCION DE POLIPROPILENO A PARTIR DE PROPILENO

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que se produce por un mecanismo en el cual el monómero se agrega en el extremo de crecimiento de la cadena. Este mecanismo también suele llamarse polimerización por crecimiento de cadena y es típico de las olefinas. Las propiedades del polipropileno, como la de todos los polímeros, dependen de muchas variables entre las que se encuentran el grado de cristalinidad, el tipo de polimerización, etc. La mayoría de ellas corresponden a polipropileno isotáctico obtenido mediante catalizadores Ziegler-Natta. El polipropileno isotáctico cristaliza en forma helicoidal, con tres grupos – CH3 por paso. Es lineal, altamente cristalino, de alto peso molecular y sin insaturaciones. Presenta propiedades análogas al polietileno, pero el grupo – CH3 aumenta la rigidez de la cadena (mayor temperatura de fusión) e interfiere la simetría molecular. Su densidad se encuentra en torno a 0,90 g/cm3, lo que lo hace el más ligero de los plásticos importantes. Su alta cristalinidad le proporciona una elevada resistencia a la tracción, rigidez y dureza. Posee excelentes propiedades eléctricas, carácter químico inerte y resistencia a la humedad. Se halla completamente libre de cuarteamiento por tensiones ambientales. Además, es un material duro, y está dotado de una buena resistencia al choque y a la tracción, tiene excelentes propiedades eléctricas y una gran resistencia a los agentes químicos y disolventes a temperatura ambiente. Es un polímero formado de enlaces simples carbono-carbono y carbono-hidrógeno, pertenece a la familia de las poliolefinas (polietilenos entre otros) y su estructura molecular consiste de un grupo metilo (CH3) unido a un grupo vinilo (CH2); por medio del arreglo molecular de este último se logra obtener diferentes configuraciones estereoquímicas (isotáctico, sindiotáctico y atáctico); en orden de cristalinidad y ordenamiento de las moléculas, en primer lugar se encuentra la configuración isotáctica (más usado en el polipropileno), luego la sindiotáctica y por último la atáctico que presenta un alto grado de desorden en la estructura molecular (mayor porcentaje amorfa que cristalina).


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2.3. CARACTERÍSTICAS DEL POLIPROPILENO. El polipropileno es un termoplástico que pertenece a la familia de las poliolefinas y que se obtiene a partir de la polimerización del propileno, el cual es un gas incoloro en condiciones normales de temperatura y presión, que licúa a - 48°C. El Polipropileno puede clasificarse por las materias primas que se utilizan en su elaboración y por su estructura química: 

Por Materias Primas:

-

Homopolímero.

-

Copolímero Impacto.

-

Copolímero Random. 

Estructura Química:

-

Isotáctico.

-

Sindiotáctico.

-

Atáctico.

2.3.1. Por Materias Primas. 2.3.1.1. Polipropileno Homopolímero: Presenta alta resistencia a la temperatura, puede esterilizarse por medio de rayos gamma y óxido de etileno, tiene buena resistencia a los ácidos y bases a temperaturas debajo de 80°C, pocos solventes orgánicos lo pueden disolver a temperatura ambiente. Posee buenas propiedades dieléctricas, su resistencia a la tensión es excelente en combinación con la elongación, su resistencia al impacto es buena a temperatura ambiente, pero a temperaturas debajo de 0°C se vuelve frágil y quebradizo.

2.3.1.2. Polipropileno Copolímero: Presenta excelente resistencia a bajas temperaturas, es más flexible que el tipo Homopolímero, su resistencia al impacto es mucho mayor y aumenta si se modifica con hule EPDM, incrementando también su resistencia a la tensión al igual que su elongación; sin embargo, la resistencia química es inferior que el Homopolímero, debilidad que se acentúa a temperaturas elevadas. PROCESO DE PRODUCCION DE POLIPROPILENO A PARTIR DE PROPILENO

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2.3.1.3. Polipropileno Copolímero Random: Las propiedades más sobresalientes del Copolímero Random son: el incremento en transparencia, flexibilidad y resistencia al impacto. Posee un índice de fluidez desde 1 g/10 min para soplado hasta 30g/10 min para inyección.

2.3.2. Por su Estructura Química. Estructuralmente es un polímero vinílico, similar al polietileno, sólo que uno de los carbonos de la unidad manométrica tiene unido un grupo metilo.

Figura 2. 2: Estructur a química del PP

El polipropileno fabricado de manera industrial es un polímero lineal, cuya espina dorsal es una cadena de hidrocarburos saturados. Cada dos átomos de carbono de esta cadena principal, se encuentra ramificado un grupo metilo (CH3). Esto permite distinguir tres formas isómeras del polipropileno, La clasificación más importante del polipropileno, se basa en su estructura química:

2.3.2.1. Polipropileno Isotáctico: Desde el punto de vista comercial, el polipropileno isotáctico es el más importante en comparación con el atáctico y el sindiotáctico; el propileno isotáctico es la estructura más estéreo-regular del polipropileno. Por esto, es logrado un alto grado de cristalinidad. Como resultado, muchas propiedades mecánicas y de procesabilidad del polipropileno son altamente determinadas por el nivel de isotacticidad y su cristalinidad. Aunque el incremento de la cristalinidad del polipropileno hace al material menos duro que le polietileno.


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Figura 2. 3: Isotactica

2.3.2.2. Polipropileno Sindiotáctico: El polipropileno sindiotáctico ha llegado a ser recientemente una realidad comercial, los radicales de metilo, están alternados a lo largo de la cadena de manera ordenada estereoquímicamente, como lo muestra la siguiente figura:

Figura 2. 4: Sindiotactica

2.3.2.3. Polipropileno Atáctico: El polímero atáctico, es caracterizado por sus características pegajosas, amorfas y bajo peso molecular. Proveen el mismo efecto de un plastificante, reduciendo la cristalinidad del polipropileno. Una cantidad pequeña del polímero atáctico el final del polímero puede ser usado para proporcionar ciertas propiedades mecánicas, como rendimiento a bajas temperaturas, elongación, propiedades de procesabilidad y ópticas.

Figura 2. 5: Atáctica

Estas se diferencian por la posición de los grupos metilo-CH3 con respecto a la estructura espacial de la cadena del polímero. Las formas isotácticas y sindiotácticas, dada su gran regularidad, tienden a adquirir en estado sólido una disposición espacial ordenada, semicristalina, que confiere al material unas propiedades físicas excepcionales. La forma atáctica, en cambio, no tiene ningún tipo de cristalinidad. Los procesos industriales más PROCESO DE PRODUCCION DE POLIPROPILENO A PARTIR DE PROPILENO

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empleados están dirigidos hacia la fabricación de polipropileno isotáctico que es el que ha despertado mayor interés comercial.

2.4. PROPIEDADES DEL PROPILENO Y POLIPROPILENO. 2.4.1. Propiedades Físicas y químicas del Propileno. -

Forma/estado: Gas

-

Forma/Figura: Gas líquido

-

Color: Incoloro

-

Olor: Prácticamente inodoro

-

Olor, umbral: La superación de los límites por el olor es subjetiva e inadecuada para advertir del riesgo de sobreexposición.

-

pH: No aplicable.

-

Punto de fusión: -185,24 °C

-

Punto ebullición: -47,69 °C (1.013 KPa)

-

Punto de sublimación: No aplicable.

-

Temperatura crítica (°C): 92,4 °C

-

Punto de inflamación: No aplicable para gases y mezclas de gases

-

Velocidad de evaporación: No aplicable para gases y mezclas de gases

-

Inflamabilidad (sólido, gas): Gas inflamable

-

Límite de inflamabilidad - superior (%): 11 %(v)

-

Límite de inflamabilidad - inferior (%): 1,8 %(v)

-

Presión de vapor: 1.158,5508 kPa (25 °C)

-

Densidad de vapor (aire=1): 1,49 AIRE = 1

-

Densidad relativa: 0,5139 (20 °C )4 °C

-

Solubilidad(es)

-

Solubilidad en agua: 200 mg/l (25 °C)

-

Coeficiente de reparto (n-octanol/agua): 1,77

-

Temperatura de autoignición: 460 °C 455 °C

-

Descomposición, temperatura de: Desconocido.

-

Viscosidad

-

Viscosidad cinemática: No hay datos disponibles.


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-

Viscosidad dinámica: 0,083 MPa/s (16,7 °C)

-

Propiedades explosivas: No corresponde.

-

Propiedades comburentes: No aplicable. 2.4.2. Propiedades Del Polipropileno. 2.4.2.1. Propiedades Físicas.

-

La densidad del polipropileno, está comprendida entre 0.90 y 0.93 gr/cm3.Por ser tan baja permite la fabricación de productos ligeros.

-

Es un material más rígido que la mayoría de los termoplásticos. Una carga de 25.5 kg/cm2, aplicada durante 24 horas no produce deformación apreciable a temperatura ambiente y resiste hasta los 70 grados C.

-

Posee una gran capacidad de recuperación elástica.

-

Tiene una excelente compatibilidad con el medio.

-

Es un material fácil de reciclar

-

Posee alta resistencia al impacto.

2.4.2.2. Propiedades mecánicas. -

Puede utilizarse en calidad de material para elementos deslizantes no lubricados.

-

Tiene buena resistencia superficial.

-

Tiene buena resistencia química a la humedad y al calor sin deformarse.

-

Tiene buena dureza superficial y estabilidad dimensional.

-

2.4.2.3. Propiedades eléctricas. La resistencia transversal es superior a 1016 O cm.

-

Por presentar buena polaridad, su factor de perdidas es bajo.

-

Tiene muy buena rigidez dieléctrica.

2.4.2.4. Propiedades químicas. -

Tiene naturaleza apolar, y por esto posee gran resistencia a agentes químicos.

-

Presenta poca absorción de agua, por lo tanto no presenta mucha humedad.

-

Tiene gran resistencia a soluciones de detergentes comerciales.

-

El polipropileno como los polietilenos tiene una buena resistencia química pero una resistencia débil a los rayos UV (salvo estabilización o protección previa).

-

Punto de Ebullición de 320 °F (160°C).


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-

Punto de Fusión (más de 160°C).

2.5. USOS Y APLICACIONES DEL PROPILENO Y POLIPROPILENO. 2.5.1.

Usos del Propileno.

Figura 2. 6: Derivados principales del propileno Fuente: (Energy an Enviromental Profile of the U.S.; Chemical Industry; 2000)

2.5.2. Usos del Polipropileno Dentro de las principales aplicaciones y usos que tiene el polipropileno, se encuentran: Fabricación de sacos. Bolsas. Envolturas debido al lustre satinado y buena tenacidad. A nivel automotriz, por su peso reducido, precio, facilidad de conformación. Utensilios domésticos. PROCESO DE PRODUCCION DE POLIPROPILENO A PARTIR DE PROPILENO

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Juguetes. Cassetes. Block de dibujo o escritura. Piezas de dispositivos. Empaquetados. Utensilios de laboratorio. Botellas de diferentes tipos. Envolturas de aparatos eléctricos. Embalajes. Estuches de cintas. Fibras. Monofilamentos. Tubos. Casco de barcos. Asientos y piezas para el automóvil, por ejemplo, cofres de baterías y parachoques. El PP es transformado mediante muchos procesos diferentes. Los más utilizados son: Moldeo por inyección de una gran diversidad de piezas, desde juguetes hasta parachoques de automóviles. Moldeo por soplado de recipientes huecos como por ejemplo botellas o depósitos de combustible. Termoformado de, por ejemplo, contenedores de alimentos. En particular se utiliza PP para aplicaciones que requieren resistencia a alta temperatura (microondas) o baja temperatura (congelados). Producción de fibras, tanto tejidas como no tejidas. Extrusión de perfiles, láminas y tubos.


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CAPITULO III 3. ENTORNO AL SILUMADOR 3.1. USO DE SIMULADORES EN LA INDUSTRIA QUÍMICA. Todos los profesionales relacionados al desarrollo diario de una planta química tienen la responsabilidad de decidir qué hacer frente a diferentes situaciones de operación, por ello es importante que la persona a cargo sepa que acción resulta ser la más adecuada para solucionar la problemática presente. Lamentablemente las condiciones de trabajo en la industria no permiten el proceso de prueba y error, pues implementar una decisión equivocada puede llegar a tener consecuencias indeseadas en las condiciones de especificación del producto. Sin embargo utilizar un simulador no es siempre la única o mejor alternativa. Una buena forma de decidir si un simulador es adecuado, es considerar las siguientes situaciones: Cuando existe la formulación matemática pero es difícil obtener una solución analítica: La resolución de muchos esquemas teóricos resulta ser tan extensa que a menudo se recurre a simplificaciones que merman la exactitud del modelo. Si no existe el sistema real. Si es imposible experimentar directamente con el sistema real: Debido a que en planta se debe mantener un estricto control de calidad, no se puede intervenir el sistema las veces que sea necesario hasta encontrar la solución óptima. El sistema evoluciona muy lentamente, o muy rápidamente: La posibilidad que ofrecen los simuladores actuales de modificar el tiempo virtual de la simulación, es un recurso invaluable para estudiar problemas de este estilo, en el simulador se puede obtener el resultado en unos pocos segundos. El desarrollo del modelo puede ser costoso, laborioso y lento. Es preciso un amplio conocimiento del sistema a modelar, incluyendo consideraciones específicas tomadas de plantas o diseños similares. No se puede conocer el grado de imprecisión de los resultados. PROCESO DE PRODUCCION DE POLIPROPILENO A PARTIR DE PROPILENO

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Generalizando, las conveniencias de utilizar el simulador computacional son, entre otras, que evita complicados cálculos y entrega resultados rápidamente. Y fundamentalmente, al trabajar con sistemas abstractos, no existe el riesgo de inutilizar un equipo ni la necesidad de detener la producción por decisiones equivocadas. Dentro de la estrategia general de la ingeniería de procesos, diseño de procesos puede considerarse constituido por tres etapas: -

síntesis de procesos.

-

simulación de procesos.

-

optimización.

3.1.1. Síntesis de procesos: Esta etapa en la cual se crea una estructura básica del diagrama de flujo: se seleccionan los equipos a ser utilizados, con sus correspondientes interconexiones y se establecen los valores iníciales de las condiciones de operación. 3.1.2. Simulación de procesos: Es la etapa en la cual se requiere solucionar balances de materia y energía para un proceso en estado estacionario, calcular dimensiones y costos de equipos y efectuar una evaluación económica preliminar del proceso. 3.1.3. La optimización: Puede ser paramétrica, modificando parámetros tales como la presión o temperatura, o estructural cuando se hacen modificaciones al diagrama de flujo involucrando a los equipos y/o sus interconexiones. El resultado de estas tres etapas es el diagrama de flujo de proceso en una forma no definitiva puesto que se continuara ahora con lo que se conoce como ingeniería de detalle, la cual implica aun una enorme cantidad de trabajo. Aunque las tres etapas están relacionadas entre sí como lo muestra la figura, el interés de este trabajo está dirigido a la segunda etapa: La simulación de procesos


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Figura 3. 1: Diseño de proceso

Fuente: Diseño de procesos de simulación. (Martinez.at.al 2000:34)

3.2. SIMULACIÓN DE PROCESOS. La simulación de procesos puede ser definida como una técnica para evaluar en forma rápida un proceso con base en una representación del mismo, mediante modelos matemáticos. La solución de estos se lleva a cabo por medio de programas de computadora y permite tener un mejor conocimiento del comportamiento del dicho proceso. El número de variables que aparecen en la descripción matemática de una planta de proceso químico puede ser tan grande como 100000, y el número de ecuaciones no lineales que deben resolverse pueden ser del orden de miles, por lo tanto la única forma viable de resolver un problema es por medio de una computadora. En 1980 empezaron a surgir compañías elaboradoras de software, que desarrollaban paquetes de simulación para su comercialización. Pero tenían la desventaja de que la entrada y salida de la información eran muy rígidas y se presentaban en forma de listados de difícil interpretación. A fines de los años ochenta se inició el desarrollo de paquetes de simulación interactivos y su comercialización marco el comienzo de un uso más intensivo y generalizado en la industria y en PROCESO DE PRODUCCION DE POLIPROPILENO A PARTIR DE PROPILENO

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las universidades. Entre 1991 y 1995 se inicia la comercialización de paquetes de simulación dinámica y de integración de energía. En los últimos años la simulación de procesos en estado estacionario ha llegado a ser una herramienta de apoyo para el diseño de procesos químicos y además su uso se está extendiendo en las instituciones de formación de ingenieros químicos. La simulación de procesos está jugando un papel muy importante en la industria química, como una herramienta adecuada y oportuna para el diseño, caracterización y optimización y monitoreo del funcionamiento de procesos industriales.

3.3.

APLICACIONES DE SIMULACIÓN DE PROCESOS

La simulación de procesos químicos es una herramienta moderna que se ha hecho indispensable la solución adecuada de los problemas de proceso. Permite efectuar el análisis de plantas químicas en operación y llevar a cabo las siguientes tareas, las cuales son comunes en las diversas ramas de la industria química: Predicción de los efectos de cambios en las condiciones de operación y capacidad de planta 

Optimización de variables de operación



Optimización del proceso cuando cambian las características de los insumos y/o las condiciones económicas del mercado.



Análisis de nuevos procesos para nuevos productos.



Evaluación de alternativas de proceso para reducir el consumo de energía



Análisis de condiciones críticas de operación.



Transformación de un proceso para desarrollar otras materias primas.



Análisis de factibilidad y viabilidad de nuevos procesos.



Optimización del proceso para minimizar la producción de desechos y contaminantes.


35


3.4.



Entrenamiento de operadores e ingenieros de procesos.



Investigación de la factibilidad de automatización de procesos.

SIMULADOR ASPEN PLUS®:

El Sistema Avanzado para Ingeniería de Procesos – Advanced System for Process Engineering (ASPEN) – es un software líder como herramienta de modelado de procesos de diseño conceptual, optimización y monitoreo de desempeño para la industria química, de polímeros, de metales y de minerales. Desarrollado en la década de 1970 por investigadores del Massachusetts Institute of Technology (MIT) y comercializado desde 1980 por la compañía Aspen Tech, Aspen Plus es un simulador estacionario, secuencial modular, con la base de datos más amplia entre los simuladores de procesos comerciales e incluye comportamiento de iones y electrolitos. Modela y simula cualquier tipo de proceso para el cual haya un flujo de materia y energía de una unidad de procesos a otra, y es especialmente el software más indicado para simular reactores catalíticos ya que permite que el usuario introduzca datos de la cinética involucrada, cantidad y propiedades del catalizador, entre otras. Aspen Plus es un programa básicamente de simulación de procesos químicos, en el cual además de simulaciones de diagramas de flujo, se puede realizar: (1) estimación de propiedades de compuestos, (2) análisis de sensibilidad de variables de proceso, (3) obtener especificaciones de diseño de proceso, y, (4) síntesis y análisis de procesos químicos, entre otras tareas del diseño de procesos y equipos. ASPEN PLUS ™ es un paquete de software diseñado para permitir a un usuario para construir un modelo de proceso y luego simular el modelo sin cálculos tediosos. ASPEN PLUS ™ puede utilizarse para una amplia variedad de tareas de ingeniería química. Por ejemplo, se puede ejecutar tareas como simples como la descripción de las propiedades termodinámicas de una mezcla de etanol y agua, o tan complejo como la predicción del comportamiento de estado estable de una planta petroquímica a gran escala.


36


ASPEN ™ como una herramienta útil para la simulación de escenarios de ingeniería de reacción, tales como el diseño y dimensionamiento de los reactores, la predicción de las conversiones de reacción, y la comprensión del comportamiento de equilibrio de la reacción. Aspen Plus permite: -

Regresión de datos experimentales.

-

Diseño preliminar de los diagramas de flujo usando modelos de equipos simplificados.

-

Realizar balance de materia y energía rigurosos usando modelos de equipos detallados.

-

Dimensionar piezas clave de los equipos.

-

Optimización on-line de unidades de proceso completas o bien plantas.

3.5. LIMITACIONES DE LOS SIMULADORES Se debe tener en cuenta que los resultados de una simulación no son siempre fiables y estos se deben analizar críticamente. Hay que tener en cuenta que los resultados dependen de: -

La calidad de los datos de entrada.

-

De que las correlaciones empleadas sean las apropiadas (escoger bien el paquete termodinámico).

-

Elección adecuada el proceso.

3.6. SELECCIÓN DEL SIMULADOR ADECUADO PARA EL PROCESO. Para realizar trabajos con polímeros el más adecuado es el simulador Aspen Plus ya que AspenPolymers es el que opera utilizando la plataforma de Aspen Plus y también es el único que las patentes autorizadas.


37


CAPITULO IV ESTUDIO DE MERCADO En este capítulo se analizaran todos los aspectos inherentes al mercado en el cual se desea incursionar con la producción de polipropileno a partir de propileno. Se entiende por mercado al área en que confluyen las fuerzas de la oferta y demanda para realizar las transacciones de bienes y servicios a precios determinados (Hernández Sampieri, 2012). Según Gabriel Baca Urbina el estudio de mercado consta de la determinación y cuantificación de la oferta y demanda, el balance oferta – demanda y el análisis de los precios. Cuyo objetivo general es verificar la posibilidad real de penetración del producto en un mercado determinado tomando en cuenta el riesgo. Para poder realizar el análisis del mercado se deben de reconocer cuatro variables fundamentales.

Análisis Oferta Se conoce como oferta a la cantidad de bienes o servicios que un cierto número de productores está dispuesto a poner a disposición del mercado a un precio determinado. Esto está directamente relacionado con la materia prima con la que se cuenta para producir, a continuación se realizará un análisis de la producción de propileno en Bolivia.

Oferta Histórica Para poder establecer la evolución histórica se debe tomar en cuenta datos del pasado, con este propósito a continuación se presentan diferentes cuadros que permiten apreciar la forma en que evoluciono la oferta en el tiempo.

Oferta Proyectada Sobre la base de la información histórica se debe realizar, un análisis del comportamiento de la oferta pasada, luego se procede a su proyección; por tanto la oferta proyectada se refiere al comportamiento futuro que probablemente tenga la oferta en el futuro sobre la base de los datos que se tiene en el período histórico.


38


Una herramienta que nos permite estimar la demanda proyectada es el ajuste de mínimos cuadrados, ya que con esta herramienta se obtiene una ecuación lineal que modela el comportamiento de la variable dependiente que (Demanda) con respecto de la variable Independiente que en este caso sería el tiempo (Cuellar, 2015). Para realizar el ajuste de los mínimos cuadrados se utilizó el software Microsoft Excel y a continuación se presentan los resultados de la Oferta Proyectada. Esto quiere decir que la Oferta de la materia para el año 2025 será de 102.66 MMm3/día.

Capacidad de procesamiento gas natural A continuación se presenta una tabla en la que se muestra la capacidad de las plantas instaladas en el territorio nacional, se incluye también la Planta Gran Chaco y la Planta de Rio Grande.

Empresa

Chaco S.A.

Andina

Repsol

BG Bolivia

Planta

Tipo

Carrasco

Criogénica

Capacidad MMpcd Cochabamba 70

kanata

Criogénica

Cochabamba

50

1.42

San Roque

Dew Point

Tarija

30

0.85

Vuelta Grande

Criogénica

Chuquisaca

120

3.40

Rio Grande

Absorción

Santa Cruz

180

5.10

Vibora

Desgasolinadora

Santa Cruz

90

2.55

Sirari

Desgasolinadora

Santa Cruz

46

1.30

Yapacani

Desgasolinadora

Santa Cruz

30

0.85

Paloma

Criogénica

Cochabamba

40

1.13

Margarita

Desgasolinadora

Tarija

75

2.12

Monteagudo

Desgasolinadora

Chuquisaca

8

0.23

La Vertiente

Desgasolinadora

Tarija

90

2.55

Ubicación


Capacidad MMm3d 1.98

39


Porvenir

Desgasolinadora

Chuquisaca

60

1.70

Naranjillos

Desgasolinadora

Santa Cruz

50

1.42

Colpa

Desgasolinadora Mejorada

Santa Cruz

70

1.98

San Alberto

Desgasolinadora

Tarija

466

13.20

Sábalo

Desgasolinadora

Tarija

472

13.37

Tacobo

Desgasolinadora

Santa Cruz

60

1.70

Tarija

1130 3137

32.00 88.86

Vintaje Petrobras Energía Petrobras Bolivia Pluspetrol

Gran Chaco TOTAL

Tabla 4. 1: Capacidad de plantas de Procesamiento de Gas Instaladas en Bolivia. Elaboración propia

Fuente: Ministerio de Hidrocarburos y Energía en base a Información Y.P.F.B.

Análisis de la Demanda Se conoce como demanda a la cantidad de bienes y servicios que el mercado requiere o solicita para buscar la satisfacción de una necesidad específica a un precio determinado. El objetivo del análisis de la demanda es determinar y medir las cantidades de materia que se requiere para cubrir con las necesidades del mercado.

Demanda Histórica Uno de los objetivos del estudio de mercado es conocer el comportamiento del consumo de la materia prima en el pasado, es decir la demanda que existió en periodos de tiempo anteriores. Los datos históricos se trasladan a un cuadro en el que la demanda se halla (variable dependiente) en función del tiempo (v. independiente).

Demanda Proyectada La demanda proyectada se refiere al comportamiento que esta variable puede tener en el tiempo. A continuación se presenta un tabla que fue elaborada para organizar la información presentada de esta forma facilitar los cálculos requeridos para determinar la demanda proyectada. PROCESO DE PRODUCCION DE POLIPROPILENO A PARTIR DE PROPILENO

40


Balance Oferta - Demanda Sin lugar a dudas esta es la sección más importante del estudio de mercado, porque es donde combinamos toda la información recopilada y calculada, y como fruto de esto obtenemos la demanda/oferta insatisfecha la cual nos servirá para definir los flujos de operación en el presente trabajo.

4.1. ESTUDIO DE MERCADO NACIONAL PARA EL POLIPROPILENO El polipropileno en nuestro país será producido como producto final de la planta de propileno y polipropileno, por lo tanto necesitamos saber cuánto es la importación del polipropileno a Bolivia.

4.1.1. Consumo y proyecciones de la demanda de polipropileno

Figura 4. 1: Precios e importacio nes del PP

Fuente: VMICTAH en base a datos del INE

Se obtiene la siguiente ecuación del ajuste polinomio de tercer grado para la proyección de la importación del polipropileno:

  31.432  245.73  1723.9  9245.4²  0.9765


41


Año

Producción (Y)

X2

XY

Y2

X

2006

10619

1

10619

112763161

1

2007

12316

4

24632

151683856

2

2008

12639

9

37917

159744321

3

2009

14676

16

58704

215384976

4

2010

15650

25

78250

244922500

5

2011

16491

36

98946

271953081

6

2012

21215

49

148505 450076225

7

Sumatorias

103606

140

457573 1606528120

28

Tabla 4. 2: Regresión Lineal Fuente: Elaboracion propia

Por ajuste de mínimos cuadrados se obtiene: Ajuste Mínimos Cuadrados

A

8636,7143

B

1541,0357

R

0,9539391

Tabla 4. 3: Ajuste de Mínimos Cuadrados

Con estos valores que calculamos proseguimos a calcular la proyección de la importación de polipropileno para los próximos años, se obtuvieron los resultados presentados en la siguiente tabla:

Años

Producción (tm)

2006

10619

2007

12316

2008

12639

2009

14676

2010

15650

2011

16491

2012

21215


42


2013

20965

2014

22506,03571

2015

24047,07143

2016

25588,10714

2017

27129,14286

2018

28670,17857

2019

30211,21429

2020

31752,25

2021

33293,28571

2022

34834,32143

2023

36375,35714

2024

37916,39286

2025

39457,42857

Tabla 4. 2: Proyección de polipropileno, Fuente: Elaboración Propia Graficando los resultados obtenidos se obtienen:

Proyeccion de Polipropileno (TMA) 2028

45000 40000

2024

35000 ) m 30000 t (

2020

25000 n o i c 20000 c u d 15000 o r P 10000

s 2016 o ñ A2012 2008 2004

5000

2000

0 1

2

3

4

5

6

7

8

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

años

produccion tm

Figura 4. 2: Proyección de impor tación del PP

Fuente: Elaboración propia PROCESO DE PRODUCCION DE POLIPROPILENO A PARTIR DE PROPILENO

43


4.2. DEMANDADEL PRODUCTO 4.2.1. Demanda Mundial del polipropileno Impo rt ado res

2009

2010

2011

2012

2013

Mundo

7.602.829

8.860.763

10.652.004

9.907.706

10.209.255

Alem ani a

524.433

634.289

786.175

719.575

814.854

Estados Unidos d e América

624.474

720.073

760.238

757.735

773.014

China

450.911

554.302

670.095

652.717

565.129

Reino Unido

421.792

486.362

541.577

501.460

536.039

Bélgica

446.417

468.888

502.613

456.568

520.740

Francia

383.869

486.032

500.156

469.173

471.710

Italia

259.134

307.275

378.143

330.384

373.900

Polonia

221.743

285.098

345.461

298.897

302.237

México

172.068

222.742

281.138

292.339

294.383

Canadá

216.254

250.103

272.608

280.501

279.636

Perú

19.762

24.811

34.415

31.626

34.906

Tabla 4. 3: Países importadores de Polipropileno

Fuente: Estadísticas para el comercio para el desarrollo internacional de las empresas TRADEMA. [En línea]. Disponible en: http://www.trademap.org/Index.aspx[Accesado 20 de septiembre 2016].

4.3. DEMANDA DEL POLIPROPILENO OTROS1 4% 4% 29%

OTROS2 4% 4% 7%

GUATEMALA COSTA RICA NICARAGUA

11%

ECUADOR BOLIVIA

22%

15%

CHILE COLOMBIA

Figura 4. 1: Países importadores en Sud y Centro América

Fuente: SIICEX / Elaboración: SIICEX


44


4.4. ANÁLISIS DE LA OFERTA Exportador es

2009

2010

2011

2012

2013

Mundo

7.512.508

8.812.246

10.430.107

9.965.991

10.305.315

Alemania

792.650

1.054.181

1.234.742

1.158.228

1.188.305

Italia

876.732

923.922

1.040.515

957.241

1.019.243

Bélgica

670.598

704.013

774.087

659.744

693.327

China

335.192

449.874

657.685

615.357

647.177

Estados Unidos de América

456.219

517.387

552.276

557.188

552.610

Reino Unido

301.050

315.501

342.570

323.020

362.302

Turquía

220.069

283.830

339.298

322.311

341.280

Japón

292.563

360.521

399.882

368.067

331.309

México

175.441

183.662

278.345

280.845

308.131

Perú (Puesto 89)

69.716

94.830

132.341

158.885

139.487

Tabla 4. 4: Exportaciones mundiales

Fuente: Estadísticas para el comercio para el desarrollo internacional de las empresas TRADEMA.[En línea]. Disponible en:http://www.trademap.org/Index.aspx[Accesado 20 de mayo 2016].

4.5.DETERMINACION DE LA CAPACIDAD Según YPFB, la planta tendrá una capacidad de producción de 250 mil toneladas métricas (TM) por año de polipropileno y 200 mil toneladas métricas (TM) por año de propileno. Asimismo, demandará 1.489 TM por día de gas licuado de petróleo (GLP) que será la materia prima proveniente de la Planta Separadora de Líquidos Gran Chaco. Entre los potenciales mercados para la exportación figuran: Brasil, Argentina, Perú y China.


45


4.6. DETERMINACION DEL FLUJO DE ALIMENTACIÓN DE PROPILENO 4.6.1. Flujo de Propileno: Para obtener el flujo de alimentación de propileno (propeno) que se necesita para la producción de polipropileno en nuestro proceso, se recurrió a información de YPFB presentada a continuación el cual indica que se utilizara 200000 TMA de propileno:

Figura 4. 2: Complejo de producción de plástico de propileno Fuente: Revista YPFB PROCESO DE PRODUCCION DE POLIPROPILENO A PARTIR DE PROPILENO

46


CAPITULO V TECNOLOGIAS DE PRODUCCION DE POLIPROPILENO 5. PROCESOS COMERCIALES DE OBTENCIÓN DE POLIPROPILENO

Los procesos comerciales de obtención del polipropileno son variables, pero pueden clasificarse en tres grandes tipos: 

Procesos en masa. El reactor contiene sólo propileno líquido, catalizador y el PP producto. El ejemplo más extendido de este tipo de procesos es el Spheripol.



Procesos en suspensión o “Slurry”. Además de propileno y catalizador, en estos reactores se añade un diluyente inerte. Este tipo de procesos fue el utilizado en primer lugar por Montecatini y el más empleado hasta los años 1980 pero actualmente ya no se construyen plantas basadas en él por ser más complejo que las alternativas (en masa y en fase gas). Sin embargo, las plantas construidas hasta los años 1980 siguen funcionando y produciendo sobre todo PP choque.



Procesos en fase gas. En este caso el propileno se inyecta en fase gas para mantener al catalizador en suspensión, formando un lecho fluido. A medida que el PP se va formando sobre las partículas de catalizador, éstas modifican su densidad, lo cual hace que abandonen el lecho al terminar su función.

En la actualidad muchas de las nuevas unidades de producción incorporan procesos híbridos, en los que se combina un reactor que opera en suspensión con otro que opera en fase gas. En los primeros procesos la polimerización se efectuaba en presencia de un diluyente (proceso en “slurry”) y la actividad de los catalizadores no era muy alta por lo que se necesitaban diversas etapas de neutralización y eliminación de restos del catalizador después de la polimerización. Por otra parte la estereo-especificidad no era muy alta, obteniéndose un cierto porcentaje del polímero atáctico que quedaba disuelto en el disolvente, separándose de este modo del producto isotáctico, por lo que el proceso resultaba aún más complejo. Dentro de este tipo de procesos existen marcadas diferencias en la configuración de los reactores (de tipo bucle o autoclave) y en el tipo de diluyente PROCESO DE PRODUCCION DE POLIPROPILENO A PARTIR DE PROPILENO

47


utilizado, lo que afecta a las características de la operación y al rango de productos que se puede fabricar. En la segunda generación de procesos, desarrollados a partir de 1960, se elimina el diluyente y la polimerización se efectúa “en masa”, con el monómero en fase líquida o gas. La crisis energética de los años 70 y la demanda de productos de alta calidad promueve el desarrollo de catalizadores cada vez más activos y estereo-específicos (catalizadores de tercera generación) disponiéndose hoy en día de los llamados “superactivos” que proporcionan óptimos rendimientos permitiendo incluso el control de la forma y tamaño de partículas, lo que ha hecho posible el desarrollo de procesos muy simplificados como el Unipol PP (de Unión Carbide, en fase gas) y el Spheripol (de Himont, en fase líquida).En estos procesos simplificados las diferentes tecnologías se distinguen principalmente en el tipo de reactor empleado: lecho fluidizado o agitado en fase gas y reactor tanque agitado o tubular en fase líquida. Cuando el producto a obtener es el homopolímero o el copolímero con etileno de estructura al azar, la polimerización se efectúa en un reactor con una sola etapa mientras que el copolímero de alto impacto o de bloques se obtienen dos etapas: una primera de polimerización del propileno (en fase líquida o gas) y una segunda en la que se obtiene la fase elastomérica de propileno-etileno (generalmente en fase gas, por la mayor facilidad de mezcla con el etileno).En los diagramas de bloque que se incluyen a continuación se representan los tres tipos de procesos simplificados por el empleo de los catalizadores de alta actividad:

Figura 5. 1: Diagramas de bloques del proceso Slurry

Fuente:(2009); “Polimerización del Polipropileno”, Textos Cientificos.com [en línea] disponible en: http://www.textoscientificos.com/polimeros/polipropileno/polimerizacion


48


5.1.1. Proceso en suspensión (Slurry) El proceso en suspensión o slurry se utilizó principalmente en las décadas del „60 y „70. Se requería el empleo de un solvente como butano, heptano, hexano o incluso parafinas más pesadas. El solvente cumplía el papel de medio de dispersión del polímero producido en los reactores y disolvía el alto nivel de polímero atáctico en su separación. El uso de solvente también facilitaba la desactivación del catalizador y su extracción, que involucraba el contacto del producto del reactor con alcohol y soluciones cáusticas. El proceso Montecatini (Montedison) fue el primer proceso industrial, y sigue siendo el más representativo. Se distinguen las siguientes etapas: Preparación del catalizador; polimerización; recuperación de monómero y solvente; remoción de residuos de catalizador; remoción de polipropileno atáctico y de bajo peso molecular; secado del producto; adición de modificadores y extrusión del polímero. El sistema catalítico consiste en TiCl3 con monoclorodietilaluminio, Al(C2H5)2Cl, en solución en heptano. El TiCl3 se prepara primero por reducción de tetracloruro de titanio con trietilaluminio, en un reactor agitado de acero inoxidable, y luego se introduce al reactor de polimerización. El propileno se polimeriza en estado líquido a temperatura entre 60 y 80 ºC, y presión entre 5 y 12 atm. El proceso de polimerización es continuo, se realiza en heptano y se utiliza hidrógeno para reducir el peso molecular. El lodo (slurry) que contiene el polímero se pasa a un reactor donde se separa parte del propileno no reaccionado, se purifica y recicla; el catalizador se descompone por reacción en metanol, en presencia de HCl anhidro, y se neutraliza con solución de KOH al 50%. Los solventes se eliminan por centrifugación. La mezcla de agua, metanol y heptano conteniendo el polímero atáctico se envía a una columna en la cual los solventes son arrastrados por vapor. El polímero atáctico se recupera por el fondo de la columna. El polímero suspendido en agua se centrifuga y se transfiere a un secador. Una vez seco, se mezcla con aditivos (antioxidantes en particular), se extruye en forma de gránulos y se almacena en silos.


49


Figura 5. 2: Diagrama del proceso Slurry

Fuente:Calle, E. (2016);“Planta de propileno y Polipropileno”,

Simulación de procesos químico

[en línea]

disponible en: http://simulacionprocesosindustriales.blogspot.com/2016/04/planta-de-propileno-y-polipropileno.html

5.1.2. Proceso Spheripol El proceso Spheripol. Diseñado como híbrido con dos reactores en serie, el primero para trabajar en suspensión y el segundo en fase gas, es un proceso versátil, que permite preparar diferentes tipos de productos con propiedades óptimas. El primer reactor es de tipo bucle (o loop), en el cual se hace circular catalizador y polímero a gran velocidad para que permanezcan en suspensión en el diluyente. El diluyente es en realidad el mismo propileno líquido que, dadas las condiciones de operación, facilita la evacuación del calor generado por la reacción al mismo tiempo que permite aumentar el rendimiento del sistema catalítico. En el segundo reactor de fase gas se incorpora ulteriormente el polímero producido en el reactor loop. En esta fase se preparan grados con características especiales añadiendo un comonómero además del monómero. Tras separar el polímero fabricado de las corrientes de propileno, y de desactivar el catalizador, el polvo de PROCESO DE PRODUCCION DE POLIPROPILENO A PARTIR DE PROPILENO

50


polipropileno obtenido se envía a la línea de acabado donde se añaden aditivos y se le da la forma de granza requerida para su distribución comercial.

Figura 5. 3: Diagrama del proceso Shperipol Fuente: Calle, E.

(2016);“Planta de propileno y Polipropileno”, Simulación de procesos químico [en línea] disponible en: http://simulacionprocesosindustriales.blogspot.com/2016/04/planta-de-propileno-y-polipropileno.html

En el campo de los procesos, los últimos desarrollos han ido dirigidos a la optimización con objeto de mejorar las propiedades de los polímeros, aumentar las capacidades de producción y reducir costes. La adecuación del proceso al sistema catalítico empleado es un parámetro fundamental con vistas a este objetivo.


51


5.1.3. Proceso Novolen

Figura 5. 4: Diagrama del proceso Novelen

Fuente: Calle, E. (2016);“Planta de propileno y Polipropileno”,


[en línea]


El propileno, el etileno y/o alguno de los demás comonómeros utilizados se alimentan a los reactores. Se agrega hidrógeno para controlar el peso molecular en el medio de reacción. Se eligen las condiciones de polimerización (temperatura, presión y concentración de los reactivos) dependiendo del grado que se desee producir. La reacción es exotérmica, y el enfriamiento del reactor se realiza por la transferencia de calor por la descompresión (flash) de la mezcla de los gases licuados del reactor con las corrientes de alimentación. La evaporación de los líquidos en el lecho de polimerización asegura que el intercambio de calor extremadamente eficiente.


52


El polvo de polipropileno se descarga desde el reactor y se separa en un tanque de descarga a presión atmosférica. El comonómero sin reaccionar se separa del polvo y se comprime, y finalmente se recicla o se retorna aguas arriba a la unidad de destilación para su recuperación. El polímero se pone en contacto con nitrógeno en un tanque de purga para despojarlo del propileno residual. El gas de purga se recupera, el polvo se transporta a los silos de polvo, y posteriormente por extrusión se convierte en pellets, donde se incorpora una gama completa de aditivos bien dispersados.

5.1.4. Proceso LIPP Es un proceso similar al Novolen. Es el adoptado por Petroken S.A. para la producción de Homopolímeros.

Figura 5. 5: Diagrama del proceso Lipp

Fuente: Calle, E. (2016);“Planta de propileno y Polipropileno”,


[en línea]


Consiste en hacer reaccionar el propileno junto con Hidrógeno y el catalizador en un reactor. Luego de terminado este paso, se separa el polipropileno de residuos de la reacción, como monómeros, catalizador, etc., los cuales son reflujados al reactor. Luego se suceden los mismos pasos de terminación que en el proceso Novelen.


53


5.2. CRITERIOS PARA LA SELECCIÓN DE LA TECNOLOGIA MAS ADECUADA Según la información revisada YPFB implantaría el proceso shperipol para la planta de 

producción de polipropileno ya que este sería el proceso más adecuado y el más usado actualmente. 

Desafortunadamente no se encontró suficiente información del proceso shperipol por lo que no se optó por este proceso para realizar el presente proyecto.



Ya que el manual de ASPENTEACH cuenta con un ejemplo del proceso UNIPOL para la producción de polipropileno, con datos de entrada y salida de los equipos (P, T que son propiedades intensivas y no dependen de la masa del sistema) y además se logró conseguir la cinética de reacción de polimerización del manual de AspenTeach para este proceso, entonces este proceso UNIPOL es el que cuenta con mayor información disponible.



En el proceso Unipol (Unión Carbide), la reacción ocurre en fase gaseosa en un reactor de lecho fluidizado al cual se alimentan continuamente los reactantes y un catalizador especialmente diseñado para la obtención de polipropileno de configuración isotáctico. Ese catalizador empleado pertenece al tipo Ziegler Nicholls, específicamente tetracloruro de titanio y se mantiene almacenado en estado líquido. Cuando pasa al proceso de reacción, experimenta un cambio de fase convirtiéndose en gas para llevar a cabo la reacción en fase gaseosa con el monómero (propileno).


54


CAPITULO VI 6. INGENIERIA DEL PROYECTO Una vez seleccionado el proceso UNIPOL como la tecnología más adecuada para este proceso y con el flujo de alimentación de propileno 22831.05 Kg/hr, en este capítulo se procederá al diseño de los equipos mostrando las ecuaciones de diseño del reactor así como los balances de materia y energía de los equipos para luego proceder a realizar la simulación del proceso y resolver los balances de materia y energía del proceso más la realización del análisis económico y la evaluación de costos de los equipos.

6.1. DIAGRAMA DE FLUJO DEL PROCESO (UNIPOL).

Figura 6. 1: Proceso UNIPOL, Fuente: Aspen Plus v8.6 PROCESO DE PRODUCCION DE POLIPROPILENO A PARTIR DE PROPILENO

55


6.2.DESCRIPCIÓN DEL PROCESO La alimentación a este proceso son 6 corrientes (propileno, propano que cumple la función de inerte, catalizador, co-catalizador N2 e H2) que entran a un mezclador, la corriente resultante ingresa al reactor de Mezcla Completa fluidizado (isotérmico) que opera como un mezcla completa “CSTR” que opera a una temperatura de 69°C y 200 KPa y se encuentran en 2 fases, fase vapor y fase polímero. Una vez que se realizó la polimerización del propileno en el reactor la corriente de salida del reactor que contiene el polímero pasa a un separador Flash y posteriormente a un absorvedor donde se alimenta el N2 y así se separa la fase vapor del polímero PP. La corriente de salida del reactor que aun contienen el propileno sin polimerizar se introduce a un compresor para reducir su presión, luego pasa a un intercambiador de calor para luego recircularlo y volver a alimentar al proceso optimizando el proceso. En la siguiente tabla se muestra las condiciones de alimentación al proceso: CONDICIONES DEL PROCESO COMPUESTOS FORMULA FUNCION Tetracloruro de Titanio TiCl4 Catalizador Trietil Aluminio Al3C2H5 Co-Catalizador Propileno C3H6 Monómero Propano C3H8 Inerte Polipropileno Polímero Hidrogeno H2 Agente de transferencia de calor Nitrógeno N2 Inerte Agua H2O Enfriador

Flujo (Kg/Hr) 152.207 2.7485 22831.1 3.04414 5.43596 50.7357 650000

Tabla 6. 1: Condiciones de alimentación al proceso, Fuente: Elaboración propia

6.3. DESCRIPCIÓN DE LOS EQUIPOS DEL PROCESO Y ECUACIONES DE DISEÑO Los equipos que intervienen en el proceso son los siguientes: -

Mezclador.

-

Separador Flash.

-

Absorvedor.

-

Compresor.


56


-

Intercambiador de calor.

-

Reactor de mezcla completa fluidizado (Isotérmico).

6.3.1. SEPARADOR FLASH.

Figura 6. 2: Separador Flash, Fuente: Aspen Plus v8.6

En la ingeniería de procesos químicos, los cálculos de separadores flash constituyen uno de los cálculos básicos más frecuentemente empleados. Como se ha visto en el apartado anterior, se requiere un cálculo flash para determinar el estado de cualquier corriente de proceso que ha sufrido una transformación física o química, como ocurre cuando hay un intercambio de calor, ya sea por un cambio de presión o un cambio de composición debido a una reacción. A continuación se expone el problema de cálculo de un flash, primero considerando un modelo termodinámico ideal, que más adelante se generalizará a no-ideal, y el procedimiento más habitual para su resolución.

6.3.1.1. SEPARADOR FLASH ISOTERMO Considérese un sistema con dos fases y S número de componentes. El grado de libertad termodinámico de este sistema será

22

Con T y P especificadas, se reduce a S – 2. Así pues, si se especifican S – 2 composiciones de la mezcla, el estado el sistema queda termodinámicamente determinado. Sea por ejemplo el sistema mostrado en la figura. Si se toma 1 mol/hr de la corriente con las PROCESO DE PRODUCCION DE POLIPROPILENO A PARTIR DE PROPILENO

57


composiciones conocidas de la mezcla zi, a unas T y P especificadas, y se desea calcular la distribución de la mezcla en V mol/hr de vapor de composición yi, y L mol/hr de líquido de composición xi. Se tienen por tanto 2 S incógnitas. Por otro lado, hay S ecuaciones de balance de materia y S ecuaciones de coeficientes K especificados. Por tanto, el problema está correctamente especificado.

Figura 6. 3: Separación instantánea

Fuente: Operaciones de transferencia de masa, (Treyba l, R. 1993, p. 401)

Permite obtener dos productos: el vapor donde se encuentran en mayor cantidad los compuestos livianos y el líquido donde los componentes pesados se encuentran en mayor cantidad. En el diseño de un separador de fases se asume que: -

El líquido y el vapor tienen el tiempo de contacto suficiente para lograr el objetivo

-

La presión de líquido y vapor son las del tanque separador, es decir, que no existe caída de presión.

-

Existe solo una fase líquida y vapor


58


Balance de materia Balance global 

       

Ec. 6.1

Balance por especie

Ec. 6.2

Balance de energía Dónde:

Ec. 6.3

ZF = Fracción molar de la corriente i de alimentación XD = Fracción molar de la corriente i de fase líquida XB = Fracción molar de la corriente i de fase vapor F = Flujo molar de la corriente de entrada D = Flujo molar del vapor HF = Entalpía de la corriente de alimentación HD = Entalpía de la corriente de vapor HB = Entalpía de la corriente de líquido Q = Flujo de calor

6.3.2. MEZCLADOR DE CORRIENTE


59


Figura 6. 4: Mezclador, Fuente: Aspen plus v8.6

Un mezclador estático es un aparato para conseguir la mezcla de dos fluidos por lo general, los fluidos son líquidos, sin embargo, los mezcladores estáticos también se utilizan para mezclar corrientes de gas, dispersar un gas en un líquido o dispersar líquidos inmiscibles entre sí. Los mezcladores de corrientes presentan la operación de suma de corrientes cuyos fluidos pueden tener distintas composiciones, temperaturas y estados de agregación (Rodríguez, 2002, P 4.188)

Balance de materia para cada uno de los componentes:

 ∗  ∗  ∗  ∗  ∗  ∗  ∗  ∗  ∗  ∗  ∗ ∗ ´+

Ec. 6.4

Balance de energía en el proceso de mezclado simplificado:

Dónde:

Ec. 6.5

H = Las entalpias específicas correspondientes a cada una de las corrientes. Q = Flujo de calor. Fi = Flujo de materia X = Fracción de cada componente. Referencia: (Rodríguez, 2002)

El mezclador es considerad adiabático, es decir

0

La variable que usualmente se fija en el diseño es la presión entre las de las corrientes de entrada.

6.3.3. COMPRESORES PROCESO DE PRODUCCION DE POLIPROPILENO A PARTIR DE PROPILENO

60


Figura 6. 5: Compresor, Fuente: Aspen Plus v8.6

Los compresores son máquinas rotativas capaces de impulsar gases de un punto a otro aumentando a su vez la presión, permitiendo el desplazamiento del fluido y su suministro a mayor presión, tal como lo son los gases y vapores.

6.3.3.1. Desempeño de los compresores -

En el compresor centrífugo: La Presión es aproximadamente constante para diferentes flujos.

-

En el compresor reciprocante: El flujo es aproximadamente constante para un rango de presión. Presión comercial

relación de

Razón de

de descarga

compresión por

compresión por

máxima, psia

etapa máxima

maquina

Reciprocante

35000-50000

10

--

Centrifugo

3000-5000

3-4.5

8-10

Rotatorio

100-130

4

4

De flujo axial

80-130

1.2-1.5

5-6.5

Tipo de compresor

Tabla 6. 2: Tipos de compresores y sus capacidades

Referencia: (Rodríguez, 2002)


61


6.3.3.2. Compresor reciprocante. 



Es adiabática No hay cambios de forma de energía: de presión a presión

Se utilizan ampliamente en la industria, son flexibles en caudal y rango de presión de descarga. Rangos: 

Potencia motor: de 1 a 10.000 C.V.



Presión descarga: de 1 a más de 700 atm



Velocidad: de 125 a 1000 r.p.m.



Caudal: Hasta 10 000 cfm (4,7 m3/s)

6.3.3.3. Compresor centrifugo. Los compresores centrífugos operan con velocidades de flujo de hasta 140 m3/s y presiones de hasta 700 Bar. 

Es politrópica.



Cambios de forma de energía: de cinética a presión.

6.3.3.4. Teorías básicas de los compresores centrífugos 6.3.3.4.1. Compresión Isentrópica (Pvk = const.) : Compresión Adiabática reversible. Entropía constante, es idea

6.3.3.4.2. Compresión politrópica (Pvn = const.) : Es una compresión irreversible, la entropía no es constante Fuente: Rodríguez, 2002, p. 185.


62


6.3.3.5. Ecuaciones de diseño de compresores 6.3.3.5.1. Trabajo realizado por el compresor

 ∫ 

Dónde:

Ec. 6.6

W= trabajo del compresor V= volumen inicial P= presión de operación

6.3.3.5.2. Trabajo de compresión Isentrópica

p.  −∗ ∗    ∗∗− ∗[ 1] p.  −∗ ∗    ∗∗− ∗[ 1]

Ec. 6.7

6.3.3.5.3. Trabajo de comprensión polytropica

Ec. 6.8

Fuente: Rodríguez, 2002, pp. 180-181

Los principios termodinámicos que rigen la centrífuga en las operaciones de compresor y el expansor son el mismo, pero la dirección del flujo de corriente de energía es opuesta. Compresión requiere energía, mientras que la expansión libera energía.

6.3.3.5.4. Cálculo de flujo de calor adiabático para un compresor

 ̇     ∗ ∗ 

Ec. 6.9

6.3.3.5.5. Cálculo de flujo de calor poli trópico para un compresor

  ̇  ∗− ∗[,  ]∗  

Ec. 6.10


63


Siendo:

   ∗[ ,−− ]

Ec. 6.11

Dónde:

    

: Densidad de la masa : Factor de calor politrópico : Exponente politrópico : Exponente isentropico ; Gravedad especifica

6.3.3.5.6. Cálculo de eficiencia para un compresor -

Eficiencia isoentropica

        −−   

Ec. 6.12

6.3.3.5.7. Eficiencia poli trópica.

  −∗ ∗     ∗        −

Ec. 6.13

Siendo:

            ,

Ec. 6.14


64


          , 

Ec. 6.15

6.3.3.5.8. Conversión de eficiencia poli trópica a eficiencia isentropica y viceversa.

−       ∗ − ∗    + 

Ec.6.16

Ec. 6.17

6.3.3.5.9. Potencia del Compresor

K−    Z ∗Q∗  HP  

Ec. 6.18

Dónde: n pol = eficiencia poli trópica R = 1545 / P.M. HP = potencia del compresor Z = compresibilidad promedio R d = Relación de compresión Pd/Ps Fuente: Rodríguez, 2002, pp. 182-183


65


6.3.3.6. Balance de energía

.> 

Solo se trabaja con gases: ya sea vapor recalentado o como mínimo vapor saturado La energía potencial y cinética se desprecia debido a la disminución o aumento de presión

Dónde:

∗ ̇      –  0

Ec. 6.19

Hent, Hsal= entalpia especifica molar de entrada y salida ṁ= flujo másico Q= flujo de calor W= flujo de calor

6.3.4. TORRE DE ABSORCIÓN.

Figura 6. 6: Torre de Absorción, Fuente: Aspen Plus v8.6


66


En el diseño de torres de absorción rellenas la principal dificultad radica en la determinación de los coeficientes de transferencia de masa. Es prácticamente imposible efectuar el cálculo teórico de dichos coeficientes debido al elevado número de variables que deben ser tomados en cuenta, tales como la superficie de contacto, forma, porosidad, distribución del relleno, etc. Es por ello que dichos coeficientes se calculan casi exclusivamente con ecuaciones empíricas, sin embargo dichas ecuaciones fácilmente pueden dar lugar a errores de hasta un 25%, dando lugar así a resultados inciertos. La forma más confiable de calcular dichos coeficientes es mediante pruebas experimentales efectuadas en equipos de absorción, a escala de laboratorio, que operen en condiciones similares de temperatura, flujos superficiales y relación diámetro de relleno a diámetro de la torre que el equipo industrial. En el experimento se mide la altura real de la torre así como los flujos y composiciones de las corrientes de entrada y salida. Entonces se asumen valores del coeficiente de difusión, calculando con ellos la altura de la columna hasta que la altura calculada sea igual a la altura medida. Cuando esto sucede se tiene el coeficiente de difusión que puede ser empleado para realizar diseños y/o simulaciones. Los coeficientes obtenidos de esta manera son mucho más confiables que los calculados con ecuaciones empíricas y son los únicos que se deben emplear para el dimensionamiento, diseño o simula-ción real de este tipo de equipos.

6.3.4.1. Flujos de entrada y salida en torres rellenas. Para los balances de materia consideraremos el esquema que se muestra en la figura:

Figura 6. 7: Flujos de entrada y salida en torres rellenas

Fuente: Elaboración Propia PROCESO DE PRODUCCION DE POLIPROPILENO A PARTIR DE PROPILENO

67


Donde como se puede observar, todos los flujos y composiciones que entran o salen del fondo de la columna tienen el subíndice 1, mientras que los flujos y composiciones en la cabeza de la columna tienen el subíndice 2. El balance de materia para el soluto es:

∗+∗+∗+∗+

Ec.6.20

Donde como en las torres de absorción por etapas, B es el flujo molar de líquido inerte (constante) y C es el flujo molar de gas inerte (constante):

 ∗ 1   ∗ 1    ∗ 1   ∗ 1  

Ec. 6.21 Ec. 6.22

Los datos con los que generalmente contamos son los flujos y composiciones de entrada (L2, x2, V1, y1) y la composición de la fase gaseosa a la salida (y2) o el porcentaje de soluto absorbido (pa). Por lo tanto sólo queda una incógnita, la misma que puede ser calculada con la ecuación 6.20.Una situación un tanto más complicada se presenta cuando el dato adicional con el que contamos es la altura de la torre de relleno. En este caso tenemos que asumir un dato adicional, usualmente y2 o pa, y con el valor asumido calcular la altura de la torre, entonces se compara la altura calculada con la altura conocida y si son iguales el proceso concluye, caso contrario se asumen otros valores de y2 (o fa) hasta que la altura calculada sea igual a la altura conocida, de manera similar al procedimiento que se sigue en las torres de absorción por etapas cuando se conoce el número de etapas. Analicemos el caso más frecuente donde se conocen los flujos y composiciones de entrada y el porcentaje de soluto absorbido. Con los flujos y composiciones de entrada y las ecuaciones 6.22 y 6.23 calculamos B y C, siendo el porcentaje absorbido:

∗−∗∗∗100

Ec. 6.23

Como son conocidos todos los flujos de entrada y salida el lado izquierdo de la ecuación 6.21, es decir el flujo total de soluto, puede ser calculado: PROCESO DE PRODUCCION DE POLIPROPILENO A PARTIR DE PROPILENO

68


 ∗+∗+  ∗  ∗ ∗1    ∗ ∗   ∗  +  −∗   +   + 

Ec. 6.24

Puesto que conocemos V1, y1, podemos despejar de esta ecuación V2, y2: Ec. 6.25

Ahora con este valor y la ecuación 6.23 calculamos V2: Ec. 6.26

Entonces como ya conocemos V2 y V2, y2, podemos calcular y2: Ec. 6.27

Con y2 calculado, de la ecuación 6.21 despejamos x1: Ec. 6.28 Ec. 6.29

Finalmente con x1 y la ecuación 6.22 calculamos L2: Ec. 6.30

Fuente: Peñaranda, pp. 138-139

6.3.5. INTERCAMBIADOR DE CALOR DE CORAZA Y TUBOS Los intercambiadores de calor son aparatos que facilitan el intercambio de calor entres dos fluidos que se encuentran a temperaturas diferentes y evitan al mismo tiempo que se mezclen entre sí. Un intercambiador de calor típico es el de coraza y tubos mostrados en la figura 2.1. Estos intercambiadores de calor contienen un gran número de tubos (a veces varios cientos) empacados en una coraza con sus eje paralelos al de éste. La transferencia de calor tiene lugar a medida que uno de los fluidos se mueve por dentro de los tubos, en tanto que el otro se mueve por la fuera de éstos, pasando por la coraza. Es común la colocación de desviadores (deflectores) en la coraza para PROCESO DE PRODUCCION DE POLIPROPILENO A PARTIR DE PROPILENO

69


forzar al fluido a moverse en dirección transversal a dicha coraza con el fin de mejorar la transferencia de calor, y también mantener un espaciamiento uniforme entre los tubo.

Figura 6. 8: Intercambiador de calor de coraza y tubos con reflectores segmentados. Adaptado de Cengel

Figura 6. 9: Intercambiador de calor tubo y coraza Fuente: Aspen Plus v8.6

La transferencia de calor es la ciencia que trata de predecir el intercambio de energía que puede tener lugar entre cuerpos materiales, como resultado de una diferencia de temperatura. La termodinámica enseña que esta transferencia de energía se define como calor. El hecho de que el objetivo deseado del análisis sea la rapidez de la transferencia de calor complementa los principios primero y segundo de la termodinámica, al proporcionar leyes experimentales e xperimentales adicionales que se usan para establecer la rapidez de la transferencia de energía. (Holman, 1999, p. 17) PROCESO DE PRODUCCION DE POLIPROPILENO A PARTIR DE PROPILENO

70


6.3.6. Caída de presión La caída de presión del enfriador puede ser determinado en una de dos maneras: 

Especificar la caída de presión.



Definir una relación de flujo de presión en el enfriador especificando un valor k. (KBC Advanced Technologies, 2005- 2011 p. 805)

Transferencia de calor por convección La transferencia de calor por p or convección se debe al movimiento del fluido. El fluido frio adyacente ad yacente a superficies calientes recibe calor que luego transfiere al resto del fluido frio mezclándose con él. La convección libre o natural ocurre cuando el movimiento del fluido no se complementa por agitación mecánica. Pero cuando el fluido se agita mecánicamente, el calor se transfiere por convección forzada. La agitación mecánica puede aplicarse por medio de un agitador, aun cuando en muchas aplicaciones de proceso se induce circulando los fluidos calientes y fríos a velocidades considerables en lados opuestos de tubos. Las convecciones libre y, forzada ocurren a diferentes velocidades, la última es la más rápida y por lo tanto, la más común. Los factores que promueven altas transferencias para la convección forzada, no necesariamente tienen el mismo efecto en la convección libre. Es propósito de este capítulo establecer un método general para obtener las razones de transferencia de calor particularmente en presencia de convección forzada. (Kern, 1999, p. 45)

6.3.7. Balance de energía Para una entalpía o calor de flujo del refrigerador de la corriente de energía se resta de la de la corriente de entrada: Flujo de calor entrada - Flujo de calor transferido por el enfriador = Flujo de calor salida

 ̇ –  ̇∗   ̇

Ec. 3.6

Fuente: KBC Advanced Technologies, 2005- 2011, p. 805 6.3.8. Ley de Newton de enfriamiento: ecuación para el flujo de calor transferido PROCESO DE PRODUCCION DE POLIPROPILENO A PARTIR DE PROPILENO

71


  ℎ       ℎ . ∆ o

Ec. 3.7

Fuente: Holman, 1999, p. 45

6.3.9. Coeficiente global de transferencia de calor (U) Las siguientes ecuaciones se desprenden de las ecuaciones básicas de balance de energía. Partiendo Part iendo de la ecuación:

   ∗ ∗ ∗ 

ó

   . ∆ 

Ec. 3.8

Sabiendo que estos valores de Q son equivalentes, es posible utilizar el valor de Q calculado, el área de transferencia de calor que es un dato conocido y la de U, la ecuación queda:



del proceso para calcular el valor

  ∗ Fuente: Holman, 1999, p. 113 6.3.10. Cálculo de la temperatura media logarítmico

Ec. 3.9



El valor de la temperatura media logarítmica permite caracterizar la transferencia de calor, en la etapa correspondiente con base en las temperaturas extremas del sistema. La



considera

la diferencia de temperaturas de las dos corrientes corrie ntes y no solamente de una; el valor que resulta es una representación de la fuerza impulsora promedio.

 ( −)−−−

Ec. 3.10

Fuente: Holman, 1999, p. 116 6.3.11. Cálculo del Número de Reynolds Se calcula el número de Reynolds para cada corriente. La ecuación apropiada para esta operación es la de flujo que se divide en varias sub corrientes ya que esta es la disposición en el equipo. PROCESO DE PRODUCCION DE POLIPROPILENO A PARTIR DE PROPILENO

72


 ∗

Ec. 3.11

Fuente: Holman, 1999, p. 71 6.3.12. Cálculo del número de Prandt. El número de Prandt, expresa la relación entre la difusión del momento, el efecto mecánico de la fricción del fluido sobre la superficie, y la difusión del calor debido a este proceso. Depende de las características físicas del fluido

 ∗

Ec. 3.12

Fuente: Holman, 1999, p. 71 6.4.9. Cálculo del número de Nussel El número de Nussel es la relación entre el coeficiente de película y la conductividad térmica del fluido.

0,332∗ ∗

 

Ec. 3.13

Con la información reunida y mediante este algoritmo de cálculo se cuenta con suficientes datos para calcular el coeficiente de transferencia de calor convectivo. Se realiza utilizando la ecuación:

  ∗

Ec. 3.14

Fuente: Holman, 1999, p. 71 Caída de presión Esta ecuación de flujo general utiliza la caída de presión a través del intercambiador de calor sin ningún cabeza estática contribuciones. La cantidad, P1 - P2, se define como la pérdida de presión por fricción que se utiliza para el tamaño Enfriador con un valor k. Flujo =

√  ∗∗ √   


Ec. 3.15 73


Fuente: KBC Advanced Technologies, 2005- 2011, p. 806 Dónde: K = coeficiente de transferencia de calor por conducción de la pared h = coeficiente de transferencia de calor por convección del fluido T = temperatura del fluido (ºF) Tamb = temperatura del ambiente (ºF) U = coeficiente global de transferencia de calor (BTU/h*ft2*ºF) Q = flujo de calor (BTU/h*ft3*ºF) A = área



 ∗ℎ

G = velocidad de masa (lb/



= viscosidad (centipoise)

)

De = diámetro equivalente (ft)

6.3.13. REACTOR MEZCLA COMPLETA FLUIDIZADO.

Figura 6. 10: Reactor mezcla completa fluidizado, Fuente: Aspen Plus v8.6


74


Un reactor de tipo catalítico de uso común es el de lecho fluidizado el cual es análogo del CSTR en cuanto a que su contenido, a pesar de ser heterogéneo , está bien mezclado, lo que permite una distribución de manera uniforme de temperatura en todo el lecho. El reactor de lecho fluidizado únicamente puede describirse de manera aproximada con el modelo del CSTR; para mayor precisión. La temperatura es relativamente uniforme en todo el interior, con lo que se evitan los puntos calientes. Este tipo de reactor puede manejar grandes cantidades de alimentación y sólidos; además, tiene buen control de temperatura. Por consiguiente, se emplea en un gran número de aplicaciones. La ventaja del fácil reemplazo o regeneración del catalizador en ocasiones se contrarresta por el alto costo del reactor y del equipo para regenerar el catalizador.

6.3.13.1.

Modelo de lecho fluidificado con dos fases

El reactor de lecho fluidizado tiene la capacidad de tratar volúmenes grandes de fluido. La fluidización ocurre cuando las pequeñas partículas sólidas son suspendidas en una corriente ascendiente de fluido. Su descripción matemática es sumamente complicada debido a su naturaleza hidrodinámica. Para ello, se han propuesto varios modelos, el más resaltante es el de KunniLevenspiel, que considera la existencia de tres fases en el lecho: fase emulsión, burbuja y estela. Sin embargo, el modelo de dos fases, que representa la fase burbuja y fase densa circundante, ha resultado ser el modelo más conveniente para el reactor de lecho fluidizado [66-69], y los detalles del mismo se encuentra en Kunii-Levenspiel. Lu et al. En función al modelo planteado por Wgialla et al, representa el reactor de lecho fluidizado en un modelo de dos fases para la síntesis de DME a partir de syngas, el cual reproduce satisfactoriamente las pruebas experimentales, donde la fase burbuja está en flujo pistón y la fase densa en mezclado perfecto. La figura 3.12 representa modelo de dos fases para un reactor de lecho fluidizado.


75


Figura 6. 11: Modelo de dos fases de un reactor lecho fluidizado

Fuente: Smith, pp.695

Suposiciones del modelo El modelo emplea los siguientes supuestos: 4. La fase burbuja no contiene sólidos y está en un CSTR. La extensión de la reacción en la fase burbuja es insignificante. 5. La fase densa se supone que está en mezclado perfecto, y la temperatura se mantiene constante en la fase densa. 6. La ley de gases ideales se aplica para gas en las dos fases. 7. Las resistencias de masa y transferencia de calor entre partículas y el fas de fase densa son insignificantes.

6.3.13.2. Balance Molar en un reactor de Mezcla Completa (CSTR) Un balance de moles para la especie j en cualquier instante del tiempo, t, da la siguiente ecuación: PROCESO DE PRODUCCION DE POLIPROPILENO A PARTIR DE PROPILENO

76


             ∗  

Balance molar del iniciador:

Balance molar del monómero:

Balance molar de las moléculas de 1-mero:

Balance molar de las cadenas crecientes de n-meros:

Balance molar de las cadenas poliméricas de n-meros:

  

Ecuación de diseño de un reactor de mezcla completa (CSTR):

La otra fórmula que da la empresa PROPILVEN, S.A. en Venezuela es para un ractor CSTR el cual se utiliza en la empresa en su planta piloto


77


6.3.13.3. Cinética de Reacción. Las reacciones que participan en la polimerización del propileno son las siguientes: REACCION DE POLIMERIZACION 1) Act-Spon (1) 2) Act-Spon (2) 3) Act-Spon (3) 4) Act-Spon (4) 5) Chain-Ini (1) 6) Chain-Ini (2) 7) Chain-Ini (3) 8) Chain-Ini (4) 9) Propagation (1) 10) Propagation (2) 11) Propagation (3) 12) Propagation (4) 13) Chat-Mon (1) 14) Chat-Mon (2) 15) Chat-Mon (3) 16) Chat-Mon (4) 17) Chat-Cocat (1) 18) Chat-Cocat (2) 19) Chat-Cocat (3) 20) Chat-Cocat (4) 21) Chat-H2 (1) 22) Chat-H2 (2) 23) Chat-H2 (3) 24) Chat-H2 (4) 25) Deact-Spon (1) 26) Deact-Spon (2) 27) Deact-Spon (3) 28) Deact-Spon (4) 29) Atact-Prop (1) 30) Atact-Prop (2) 31) Atact-Prop (3) 32) Atact-Prop (4)

Cps[Ticl4] Cps[Ticl4] Cps[Ticl4] Cps[Ticl4] Po Po Po Po Pn[C3H6-R] + C3H6 Pn[C3H6-R] + C3H6 Pn[C3H6-R] + C3H6 Pn[C3H6-R] + C3H6 Pn[C3h6-R] + C3h6 Pn[C3h6-R] + C3h6 Pn[C3h6-R] + C3h6 Pn[C3h6-R] + C3h6 Pn[C3h6-R] + Tea Pn[C3h6-R] + Tea Pn[C3h6-R] + Tea Pn[C3h6-R] + Tea Pn[C3h6-R] + H2 Pn[C3h6-R] + H2 Pn[C3h6-R] + H2 Pn[C3h6-R] + H2 Po/Pn Po/Pn Po/Pn Po/Pn Pn[C3h6-R] + C3h6 Pn[C3h6-R] + C3h6 Pn[C3h6-R] + C3h6 Pn[C3h6-R] + C3h6

-> -> -> -> -> -> -> -> -> -> -> -> -> -> -> -> -> -> -> -> -> -> -> -> -> -> -> -> -> -> -> ->

Po Po Po Po P1[C3h6-R] P1[C3h6-R] P1[C3h6-R] P1[C3h6-R] Pn+1[C3h6-R] Pn+1[C3h6-R] Pn+1[C3h6-R] Pn+1[C3h6-R] Dn + P1[C3h6-R] Dn + P1[C3h6-R] Dn + P1[C3h6-R] Dn + P1[C3h6-R] Dn + Po Dn + Po Dn + Po Dn + Po Dn + Po Dn + Po Dn + Po Dn + Po Csd[+ Dn Csd[+ Dn Csd[+ Dn Csd[+ Dn Pn+1[C3h6-R] Pn+1[C3h6-R] Pn+1[C3h6-R] Pn+1[C3h6-R]

Tabla 6. 3: Cinética de reacción


78


6.3.13.4. Ecuación de Arrhenius La constante de velocidad de reacción k no es verdaderamente una constante, es sólo independiente de las concentraciones de las especies que interactúan en la reacción. La cantidad k es referida velocidad de reacción específica o constante de velocidad. Casi siempre depende fuertemente de la temperatura Y de que esté presente un catalizador o no, y en reacciones en fase gas puede estar en función de la presión total. En sistemas líquidos también llega a estar en función de parámetros como la fuerza iónica y la elección de disolvente. Estas otras variables normalmente exhiben un efecto mucho menor sobre la velocidad de reacción específica que la temperatura, con excepción de los disolventes supercríticos, como el agua supercrítica. Fue el gran químico sueco Arrhenius quien primero sugirió que la dependencia de la velocidad de

  − ∗ 

reacción específica k A respecto de la temperatura, podría correlacionarse por una ecuación del tipo:

Donde:

A = Factor pre exponencial o factor de frecuencia. E = Energía de activación. R = Constante Universal de los gases. T = Temperatura de referencia O también:

En la siguiente tabla se muestra los parámetros cinéticos de las reacciones:


79


Tabla 6. 4: Parámetros cinéticos de la reacción

6.3.13.5. Definición de catalizador Los catalizadores son sustancias químicas, simples o compuestas, que aumentan la velocidad de una reacción química, sin modificarse durante la misma, hecho que los diferencia de un reactivo. Sólo afecta la cinética mas no modifica el equilibrio de la reacción; es decir, en una reacción reversible, el catalizador acelera la reacción inversa al igual que la directa, por lo que la PROCESO DE PRODUCCION DE POLIPROPILENO A PARTIR DE PROPILENO

80


composición en el equilibrio será la misma que la de un sistema no catalizado. Los catalizadores heterogéneos son aquellos que actúan en una fase diferente que los reactivos. Generalmente son sólidos que actúan sobre sustratos en una mezcla de reacción líquida o gaseosa. Los catalizadores heterogéneos suelen estar conformados por sitios activos, que son las sustancias que activan al reactivo para acelerar la reacción, los cuales se encuentran dispersos en un soporte que consiste en un segundo material poroso que mejora la eficacia, le da estabilidad a la fase activa y minimiza el costo del catalizador. Un catalizador es una sustancia que afecta la velocidad de una reacción. Un catalizador por lo regular altera la velocidad de una reacción promoviendo un diferente camino molecular “mecanismo” para la reacción

Figura 6. 12: Energía vs Coordenada de reacción

Fuente: Elementos de Ingeniería de las reacciones químicas (Fogler, H. 2008 p. 546)

6.3.13.6.

Caída de presión

Para reacciones en fase líquida, la concentración de reactivos se ve afectada de manera insignificante por cambios inclusive bastantes grandes de presión global. En consecuencia, se puede ignorar por completo el efecto de la caída de presión sobre la velocidad de reacción al determinar el tamaño de reactores químicos en fase líquida. Sin embargo, para reacciones en fase gaseosa, la concentración de las especies reaccionantes es proporcional a la presión global; en consecuencia, tomar en cuenta de manera correcta los efectos de la caída de presión sobre el sistema de reacción constituye, en muchos casos, un factor clave para el éxito o el fracaso de la operación del reactor. Este hecho es particularmente cierto en micro reactores empacados con catalizador sólido. En este caso, los canales son tan pequeños que la caída PROCESO DE PRODUCCION DE POLIPROPILENO A PARTIR DE PROPILENO

81


de presión logra limitar el paso del flujo y, por lo tanto, la conversión para reacciones en fase gaseosa.

Fuente: Fogler, H. 2008, p.175 La expresión más empleada para calcular la caída de presión en un lecho empacado de tipo poroso es la ecuación de Ergun:

Ec. 6.36, Fuente: Fogler, pag 177 (4ta Edición).

El término 1 domina en flujo laminar y el término 2, en flujo turbulento. Donde: P = presión, lbf /pies2 (KPa)

Volumen de vacío

                       

Ø = porosidad = 1-Ø=

= fracción de vacío

gc= 32.174 lbm.pies/s2 lbf (factor de conversión)]= 4.17 X 108 lbm. pies/h2*lbf

(recuerde que en

el sistema métrico gc = 1.0) Dp= diámetro de partículas en el lecho, pies (m)

f.L = viscosidad del gas que pasa por el lecho, lbm/pies.h (kg/m*s) z = longitud o largo del lecho empacado de tubería, pies (m) u = velocidad superficial = flujo volumétrico/área de la sección transversal del tubo, pieslh (mis)

p = densidad del gas, lbm/pies3 (kg/m3) G = pu = densidad de flujo másico, lbm/pies2 • h (kg/m2 • s)

6.3.13.7. Condiciones de operación. Una característica importante del reactor de lecho fluidificado es que opera a temperatura casi constante, siendo más fácil su control. No hay Posibilidades de desarrollo de puntos calientes, como en el caso de los reactores de lecho fijo. El lecho fluidifizado no posee la flexibilidad del PROCESO DE PRODUCCION DE POLIPROPILENO A PARTIR DE PROPILENO

82


lecho fijo para introducir o eliminar calor. Es posible añadir un diluyente para controlar el nivel de temperatura, pero esto puede no ser deseable por otras razones (se requiere una separación después del reactor, disminuye la velocidad de la reacción y se aumenta el tamaño del equipo). Se puede hacer circular un fluido que transmita el calor a través de la chaqueta del reactor, pero si éste es de gran tamaño, el intercambio de energía por este método es limitado. A continuación se muestra las condiciones de operación del reactor: Condiciones del Reactor Presión (KPa) 200 Temperatura (ºC) 69 Volumen (m3) 46 Tabla 6. 5: Condiciones del reactor

6.4. DESCRIPCION DEL PROCESO EN EL SIMULADOR ASPEN PLUS V8.6 6.4.1. Ingreso de Componentes El primer paso para un trabajo en HYSYS es la definición de componentes, los cuales se pueden agrupar en una lista y guardarlos (Exportarlos) bajo un determinado nombre.

Figura 6. 13: Ingreso de componentes, Fuente: Aspen Plus v8.6


83


6.4.2. Modelos de actividad Generalmente se desempeñan bien para sistemas de componentes polares a bajas presiones y lejos de la region crítica. Aspen Polymers ofrece: POLYFH: modelo Flory-Huggins POLYNRTL: Non-Random Two-Liquid (NRTL) adaptado a polímeros POLYUF: UNIFAC/Redlich-Kwong para polímeros POLYUFV: modelo de volumen libre de UNIFAC

Figura 6. 14: Modelo de actividad, Fuente: Aspen Plus v8.6

6.4.3. ECUACIONES DE ESTADO Válidos para toda la región del fluido, desde el gas al líquido pesado. Bueno para modelar sistemas de polímeros a altas presiones. PROCESO DE PRODUCCION DE POLIPROPILENO A PARTIR DE PROPILENO

84


Actualmente, las ecuaciones de estado más utilizado para polímeros son:

POLYSL: Sanchez-Lacombe EOS POLYSAFT: Statistical Associating Fluid Theory EOS PC-SAFT: Perturbed-Chain Statistical Associating Fluid Theory EOS (Aspentech V8,6,). El modelo termodinámico que se eligió es la ecuación de estado de:

POLYSAFT: Statistical Associating Fluid Theory EOS

Figura 6. 15: Ecuaciones de estado, Fuente: Aspen Plus v8.6

Se utilizó el method assistant (ayudante de método) el cual nos recomienda para este proceso la ecuación de POLYSAFT. Ayudante de la selección del método de la característica Recepción al ayudante de la selección del método de la característica.


85


El propósito del ayudante es ayudarle a seleccionar los métodos más apropiados de la característica para el uso con Aspen más y las características de Aspen. El ayudante le hará un número de preguntas cuál utiliza para sugerir uno o más métodos de la característica para utilizar.

Alimentación del flujo de propileno La alimentación del propileno es 200000 TMA, dato que fue obtenido de información de YPFB. Para nuestro proceso se hizo la conversión de la siguiente manera:

 .    ∗  ∗ 

Figura 6. 16: Alimentación del flujo de propileno

De la misma manera se especificó las demas corrientes de alimentación que intervienen en el proceso (H2, N2, Cat, Co-Cat, Propano).


86


6.4.4. Alimentación del Catalizador y Co-Catalizador 

Alimentación del Co – Catalizador. Para el flujo del catalizador se dedujo la expresión de relación de los átomos aluminio y titanio de catalizador y co-catalizador en los laboratorios de la planta de PROPILVEN, S.A

  30 152207 4 ∗ 189,47,687167 4 ∗ 47,1  802,4790295 8 67   802.47902953026, 26, 7 4930098 9   ∗ 114,26,1679  3 2748.5 ℎ 26.74930098 ∗ 1  2.7485 /ℎ

en Venezuela.

Figura 6. 16: Alimentación de Co-catalizador, Fuente: Aspen Plus v8.6


87




Alimentación del Catalizador:

Figura 6. 17: Alimentación del catalizador, Fuente: Aspen Plus v8.6

6.4.5. Alimentación de Hidrogeno Según los estudios de laboratorio en la plata PROPILVEN, S.A. en Venezuela la relación de propileno y el hidrogeno es de 200:1

 200 1 /ℎ   22831, 496,3283 /ℎ 46496,3/   283200/ℎ 2,7816 /ℎ  2    2,7816 ℎ ∗ 1  5.435906 ℎ 


88


Figura 6. 19: Alimentación de hi drog eno, Fuente: AspenPlus v8.6

6.4.6. Alimentación de Nitrógeno

Figura 6. 20: Alimentación de nitró geno, Fuente: AspenPlus v8.6


89


6.4.7. Mezclador de corrientes En el mezclador se combina las siguientes corrientes: catalizador, cocatalizador, nitrógeno, hidrogeno, Propileno, Hidrogeno y lo recuperado después de la reacción para luego ser alimentado al reactor.

Figura 6. 21: Mezclador de corrientes, Fuente: AspenPlus v8.6

6.4.8. Reactor de mezcla completa (CSTR) Reactores de tanque agitados con una, dos, o tres fases con reacciones de equilibrio o controladas en alguna fase basado en estequiometria o cinética El esquema cinético de Ziegler-Natta usado en el modelo incluye la activación espontánea del sitio, la iniciación de cadena, propagación, la transferencia de cadena al hidrógeno, monómero y co-catalizador, y desactivación espontánea del sitio. Cuatro tipos del sitio se utilizan en este ejemplo para representar las distribuciones de peso molecular amplias que se observan típicamente para los polímeros de Ziegler-Natta.

Figura 6. 22: Reactor de mezcla completa, Fuente: AspenPlus v8.6 PROCESO DE PRODUCCION DE POLIPROPILENO A PARTIR DE PROPILENO

90




Especificacion de datos del reactor

Figura 6. 23: Especificación de datos del reactor, Fuente: AspenPlus v8.6 

Diagrama local de la cadena de la longitud de distribucion dentro del reactor (fraccion peso Vs grado de polimerizacion)

Figura 6. 18: Diagrama local de la cadena de la longitud de distribución dentro del reactor, Fuente: Aspen Plus v8.6 PROCESO DE PRODUCCION DE POLIPROPILENO A PARTIR DE PROPILENO

91


6.4.9. Compresor Mantiene la circulación continua de los gases calientes del tope del reactor aumentado la presión a la presión de alimentación de 30 atm.

Figura 6. 25: Compresor, Fuente: Aspen Plus v8.6 

Especificación de datos del compresor

Figura 6. 19: Especificación de datos del compresor, Fuente: Aspen Plus v8.6


92


6.4.10. Intercambiador de calor Esencialmente, un intercambiador de tubo y carcasa consiste en un haz de tubos encerrados en una carcasa cilíndrica. Los extremos de los tubos se acoplan en unas láminas que separan los fluidos externo e interno del tubo. La carcasa tiene unos deflectores que dirigen el caudal y soportan los tubos. El conjunto de deflectores se mantiene unido mediante barras de soporte y espaciadores.

Figura 6. 20: Intercambiador de calor, Fuente: Aspen Plus v8.6 

Especificación de datos del intercambiador de calor

Figura 6. 21: Especificación de datos del intercambiador de calor, Fuente: Aspen Plus v8.6 PROCESO DE PRODUCCION DE POLIPROPILENO A PARTIR DE PROPILENO

93


6.4.11. Separador flash El polímero que es del reactor llega a un tanque recibidor de producción descargado ricos en monómeros, estos gases se ventean hacia el sistema de recuperación en el que son comprimidos enfriados y destilados

Figura 6. 22: Separador Flash, Fuente: Aspen Plus v8.6 

Especificación de datos del separador

Figura 6. 23: Especificación de datos del separador, Fuente: Aspen Plus v8.6 PROCESO DE PRODUCCION DE POLIPROPILENO A PARTIR DE PROPILENO

94


6.4.12.

Absorvedor

Figura 6. 24: Absorvedor, Fuente: Aspen Plus v8.6 

Especificación de datos del Absorvedor

Figura 6. 25: Especificación de datos del Absorvedor, Fuente: Aspen Plus v8.6 PROCESO DE PRODUCCION DE POLIPROPILENO A PARTIR DE PROPILENO

95


6.4.13. DIAGRAMA DE FLUJO DEL PROCESO EN EL SIMULADOR ASPENPLUS

Figura 6. 26: Proceso de obtención del polipropileno a partir del propileno, Fuente: Aspen Plus v8.6

PROCESO DE PRODUCCION DE POLIPROPILEN O A PARTIR DE PROPILENO

96


6.5. BALANCE DE MATERIA Units From To Substream: MIXED Phase: Component Mole Flow TICL4 KMOL/HR TEA KMOL/HR C3H6 KMOL/HR C3H8 KMOL/HR PP KMOL/HR H2 KMOL/HR N2 KMOL/HR H2O KMOL/HR Component Mass Flow TICL4 KG/HR TEA KG/HR C3H6 KG/HR C3H8 KG/HR PP KG/HR H2 KG/HR N2 KG/HR H2O KG/HR

AGUA-ENT

AGUA-SAL EXC1

EXC1

ALIM-N2

CAT

COCAT

H2

MEZCLA N2 POWDER1 MEZCLADO REACTOR ABSORVED MEZCLADO MEZCLADO MEZCLADO REACTOR MEZCLADO FLASH

Liquid

Liquid

Vapor

Liquid

Liquid

Vapor

Mixed Mixed

Vapor

Liquid

0 0 0 0 0 0 0 36080.48

0 0 0 0 0 0 0 36080.48

0 0 0 0 0 0 17.84855 0

0.00802395 0 3.573627 0.00690336 0 0 0 0

0 0.0240744 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0.4804877 0 0

0.00802395 0.0240744 19423.43 365.1151 4.55E-69 1984.245 182.0552 0

0 0 0 0 0 0 0.0338909 0

0.00802395 0.0239571 52.35659 1.010312 195.4878 0.1441992 0.0338909 0

0 0 0 0 0 0 0 650000

0 0 0 0 0 0 0 650000

0 0 0 0 0 0 500 0

1.52207 0 150.3805 0.304414 0 0 0 0

0 2.748499 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0.9686056 0 0

1.52207 2.748499 817350 16100.3 1.91E-67 4000 5100 0

0 0 0 0 0 0 0.949404 0

1.52207 2.73511 2203.199 44.55125 8226.252 0.2906883 0.949404 0

Tabla 6. 6: Balance de materia, Fuente: Aspen Plus v8.6


97


Units

POWDER2 PP-PROD PROPENO PROPE NO RECICLO SAL-GAS1 SAL-GAS2 VAPOR-1 FLASH ABSORVED EXC1 FLASH ABSORVED REACTOR ABSORVED MEZCLADO MEZCLADO COMP

From To Substream: MIXED Phase: Liquid Component Mole Flow TICL4 KMOL/HR 0.00802395 TEA KMOL/HR 0.0239571 C3H6 KMOL/HR 5.028181 C3H8 KMOL/HR 0.0981994 PP KMOL/HR 195.4878 H2 KMOL/HR 0.000206796 N2 KMOL/HR 0.000146641 H2O KMOL/HR 0 Component Mass Flow TICL4 KG/HR 1.52207 TEA KG/HR 2.73511 C3H6 KG/HR 211.5891 C3H8 KG/HR 4.330253 PP KG/HR 8226.252 H2 KG/HR 0.000416876 N2 KG/HR 0.00410791 H2O KG/HR 0

VAPOR-2 COMP EXC1

Liquid

Liquid

Vapor

Vapor

Vapor

Vapor

Vapor

0.00802395 0.0239571 0.2017885 0.00399965 195.4878 9.40E-08 0.0258851 0

0 0 244.2543 1.003409 0 0 0 0

4.75E-10 1.42E-09 19175.6 364.1048 4.55E-69 1983.765 182.0213 0

2.10E-13 6.26E-13 47.32841 0.9121126 5.12E-82 0.1439924 0.0337443 0

1.29E-13 3.86E-13 4.826393 0.0941997 2.84E-103 0.000206702 17.82281 0

4.75E-10 1.42E-09 19175.6 364.1048 4.55E-69 1983.765 182.0213 0

4.75E-10 1.42E-09 19175.6 364.1048 4.55E-69 1983.765 182.0213 0

1.52207 1.52207 2.73511 8.49139 0.1763707 8226.252 1.90E-07 0.7251335 0

0 0 10278.38 44.24683 0 0 0 0

9.01E-08 1.62E-07 806922 16055.75 1.91E-67 3999.031 5099.051 0

3.98E-11 7.15E-11 1991.61 40.22099 2.16E-80 0.2902714 0.9452961 0

2.45E-11 4.40E-11 203.0977 4.153882 1.19E-101 0.000416687 499.279 0

9.01E-08 1.62E-07 806922 16055.75 1.91E-67 3999.031 5099.051 0

9.01E-08 1.62E-07 806922 16055.75 1.91E-67 3999.031 5099.051 0

Tabla 6. 7: Balance de materia, Fuente: Fu ente: Aspen Plus v8.6


98


6.6. BALANCE DE ENERGIA DEL PROCESO Units From To Mole Flow KMOL/HR Mass Flow KG/HR Volume Flow CUM/SEC Temperature C Pressure N/SQM Vapor Fraction Liquid Fraction Solid Fraction Molar Enthalpy J/KMOL Mass Enthalpy J/KG Enthalpy Flow WATT Molar Entropy J/KMOL-K Mass Entropy J/KG-K Molar Density KMOL/CUM Mass Density KG/CUM Average Molecular Weight

AGUAENT

AGUASAL EXC1

ALIM-N2

CAT

COCAT

H2

0

0

1

0

0

1

0.9999618

1

0

1 0

1 0

0 0

1 0

1 0

0 0

3.82E-05 0

0 0

1 0

-261950000 -261430000

125946

2734910

-318310000

184954

16139000

-46019.35

-63836000

-14540000 -14512000 2625300000 2620100000

4495.914

64480.53

-2788100

91748.6

420541

-1642.757

-1517200

624.4325

2726.219

-2128.658

24.68561

98424700

-0.4332334

-4416500

EXC1 36080.48 650000 0.2253668 35 3000000

MEZCLA N2 POWDER1 MEZCLADO REACTOR ABSORVED MEZCLADO MEZCLADO MEZCLADO REACTOR MEZCLADO FLASH 36080.48 17.84855 3.588554 0.0240744 0.4804877 21954.88 0.0338909 249.0648 650000 500 152.207 2.748499 0.9686056 842555 0.949404 10479.5 0.2284233 0.0416183 8.40E-05 4.16E-06 0.000114215 4.066414 7.86E-06 0.00399801 44 30 30 30 30 62.44519 30 69 3000000 300000 3000000 3000000 3000000 3000000 3000000 2800000

-128170 -7114.44

-126510 -7022.445

-8597.981 -306.923

-212940 -5020.33

-872270 -7640.288

-27709.64 -13745.68

-152410 -3971.446

-28251.33 -1008.491

-295170 -7015.255

44.4713 801.163 18.01528

43.87624 790.4428 18.01528

0.1191284 3.337202 28.01348

11.87166 503.5314 42.41457

1.607867 183.5647 114.1666

1.168578 2.355713 2.01588

1.499743 57.55515 38.37666

1.198479 33.57356 28.01348

17.30479 728.1061 42.0754

Tabla 6. 8: Balance de energía del proceso, Fuente: Aspen Plus v8.6


99


Units

POWDER2 PP-PROD PROPENO RECICLO SAL-GAS1 SAL-GAS2 VAPOR-1 VAPOR-2 From FLASH ABSORVED EXC1 FLASH ABSORVED REACTOR COMP To ABSORVED MEZCLADO MEZCLADO COMP EXC1 Mole Flow KMOL/HR 200.6465 195.7515 245.2578 21705.49 48.41826 22.74361 21705.49 21705.49 Mass Flow KG/HR 8446.433 8239.902 10322.63 832076 2033.066 706.531 832076 832076 Volume Flow CUM/SEC 0.00290803 0.00278663 0.00567834 4.00508 0.0719871 0.1747747 4.662775 4.300851 Temperature C 65 60 30 64.93776 65 60 69 74.82272 Pressure N/SQM 500000 100000 3000000 3050000 500000 100000 2800000 3050000 Vapor Fraction 0 0 0 1 1 1 1 1 Liquid Fraction 1 1 1 0 0 0 0 0 Solid Fraction 0 0 0 0 0 0 0 0 Molar Enthalpy J/KMOL -81409000 -84145000 4595050 16272400 20131800 5157210 16876600 17133700 Mass Enthalpy J/KG -1933900 -1999000 109175 424480 479446 166013 440241 446948 Enthalpy Flow WATT -4537300 -4575400 313048 98111000 270763 32581.55 101754000 103304000 Molar Entropy J/KMOL-K -324470 -330400 -212670 -151830 -148600 -22550.55 -149530 -149320 Mass Entropy J/KG-K -7707.763 -7849.198 -5052.981 -3960.743 -3539.062 -725.9142 -3900.639 -3895.236 Molar Density KMOL/CUM 19.16594 19.51294 11.99773 1.505414 0.1868323 0.0361475 1.293072 1.401886 Mass Density KG/CUM 806.8112 821.3718 504.9713 57.70972 7.845025 1.122924 49.56964 53.741 Average Molecular Weight 42.09609 42.09369 42.08889 38.33479 41.98966 31.06503 38.33479 38.33479

Tabla 6. 9: Balance de energía del proceso, Fuente: Aspen Plus v8.6


100


6.7. ANÁLISIS ECONÓMICO Y DIMENSIONAMIENTO DE TODO EL PROCESO DE PRODUCCION DEL POLIPROPILENO Un proceso industrial (o nuevo proceso) sólo tiene estabilidad en el mercado (o perspectivas de comercialización) si su aspecto económico es favorable. Se presentan algunas técnicas para el análisis económico de procesos. Podemos identificar tres tipos de niveles para el diseño de un proceso: 1. Diseño preliminar 2. Estudio de pre inversión 3. Diseño final, o ingeniería de detalle En el primer nivel se toma información básica del proyecto, con diseños aproximados y escenarios económicos simples, para llegar a un diagnóstico preliminar sobre el potencial económico del proceso. Esta etapa debe hacerse en forma tan rápida como sea posible, para tomar la decisión de continuar con el proyecto, si existe un potencial favorable, o terminarlo y no invertir tiempo adicional en él si es claro que el proceso no tiene perspectivas económicas razonables. En el segundo nivel, el panorama promisorio del proceso amerita un diseño más elaborado y un análisis económico más riguroso, con estimaciones de inversiones más confiables y costos de operación más desglosados. El tercer nivel típicamente se lleva a cabo por una firma especializada, con el fin de elaborar diseños finales y planos para la construcción del equipo. Dada la información que se genera en forma de un diseño final, las estimaciones económicas a este nivel son las más exactas que se pueden tener para la etapa de diseño del proceso. Para este proyecto trabajaremos con el diseño preliminar para llegar a un diagnóstico sobre el potencial económico del proceso.


101


6.7.1. ESTIMACIÓN DE COSTOS. El objetivo de una planta es desarrollar un proceso capaz de producir un beneficio. Visto que el beneficio es igual a las ganancias obtenidas menos todos los gastos, es esencial conocer cuáles son los gastos implicados en el proceso y estimar sus costos. El gasto más importante para cualquier proceso industrial es la inversión de capital, el cual representa el dinero que se requiere para poner el proyecto en marcha. Existen diversos factores de costos que tienen un impacto proporcional en la inversión del capital. Estos se dividen en costos directos, que son aquellos elementos que están relacionados al proceso químico de la planta, es decir, los equipos, el material y la mano de obra necesaria para la instalación completa de una planta, los cuales normalmente abarcan entre el 70 y el 85% de la inversión, y en costos indirectos, que son aquellos que, siendo necesarios para la ejecución de proyecto, no se particularizan en elementos tangibles; un ejemplo de este tipo de costos son los salarios administrativos, el transporte del material, la supervisión de la construcción, entre otros. Estos representan el 30%-15% de la inversión total. Una estimación de la inversión del capital inicial para una planta puede variar desde un estimado de un pre-diseño basándose en información básica como el tamaño del proyecto propuesto, hasta un estimado detallado preparado a partir de datos muy específicos. Entre estos dos extremos existen otros tipos de estimados que varían en precisión dependiendo de la etapa de desarrollo del proyecto. Las siguientes cincocategorías mostradas en la siguiente Tabla representan la gama de estimación de costos más usada en las consultoras. A pesar de que la estimación de orden de magnitud y de estudio presenta un alto margen de error en la precisión del costo real, son muy importantes para determinar si un proyecto es rentable y continuar a la siguiente fase de ingeniería o para comparar diseños alternativos.


102


El estimado de costos asociado a la etapa de ingeniería conceptual es el estimado Clase IV, también llamado estimación factorizada porque se realiza tomando como base el costo total de todos los equipos contenidos en el proceso, que es un factor delos costos directos de la inversión inicial. El monto obtenido del costo de los equipos se considera que es un porcentaje entre el 15 y el 40% del costo de la inversión total ya partir de este se determinan los costos de los demás factores, luego de asignarles los porcentajes que representan sobre la inversión total. (Peters & Timmerhaus, 1991).


103


6.8.2. CRITERIOS PARA LA EVALUACIÓN ECONÓMICA DEL PROCESO DE PRODUCCION DEL POLIPROPILENO Tasa de retorno (ROI) Es una de las medidas más usadas para medir la rentabilidad de un proceso. Se define como el beneficio neto dividido por la inversión total del proceso.

 

P= Beneficio neto I= inversión total del proceso

Tabla 6. 10. Inversión total de la planta de Polipropileno Beneficio neto

Inversión total

($/año)

($)

420000000

2200000000

Fuente: Información de YPFB, (2017)

 2200000000  0.5238

La tasa de recuperación mínima (imin) se establece a situaciones económicas en el mercado y en función del riesgo que implica la operación industrial bajo consideración. El beneficio adicional con respecto al beneficio mínimo establecido por la compañía es otro criterio que puede usarse para evaluar alternativas. Si la tasa de retorno (ROI>imin) se cumple, entonces será positiva, lo cual establece el requisito para la factibilidad económica usando este criterio. Como podemos observar la tasa de retorno para este proyecto es mayor a cero, significa que el proyecto de la planta de Polipropileno es factible.


104


6.8.2.1. Cálculo del VAN, TIR, Período de recuperación de la inversión (PRI) Resumen económico del proceso de producción del polipropileno en el simulador Aspen Plus v8.6 

Costos Fijos Summary Name Total Capital Cost [USD] Total Operating Cost [USD/Year] Total Raw Materials Cost [USD/Year] Total Product Sales [USD/Year] Total Utilities Cost [USD/Year] Desired Rate of Return [Percent/'Year] P.O. Period [Year] Equipment Cost [USD] Total Installed Cost [USD]

Summary 8314290 3031280 0 0 1153800 20 0 2200400 3170100

Tabla 6. 11: Costos Fijos, Fuente: Aspen Plus v8.6 

Costos variables Utilities Name Fluid Rate Rate Units Cost per Hour Cost Units Electricity 1698.348 KW 131.62197 USD/H

Tabla 6. 12: Costos variables, Fuente: Aspen Plus v8.6

6.8.2.2. Costos de los equipos que intervienen en el proceso.

Name EXC1 FMIX1 STRIP2-flash vessel COMP1 REACTOR STRIP1-flash vessel

Equipment Cost [USD] 81100 0

Equipment Installed Cost [USD] 194500 0

Equipment Weight [LBS] 24700 0

Installed Weight [LBS] 50983 0

18400 1466200 609600

107000 1879700 878000

3400 32300 231000

13019 119808 281991

25100 110900 7800 Tabla 6. 13: Costos de los equipos, Fuente: Aspen Plus v8.6


19634

105


Flujo de Caja. Valores de costos proyectados para 20 años año 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

cantidad 250000 250000 250000 250000 250000 250000 250000 250000 250000 250000 250000 250000 250000 250000 250000 250000 250000 250000 250000 250000

costo total 2200000000 2200000000 2200000000 2200000000 2200000000 2200000000 2200000000 2200000000 2200000000 2200000000 2200000000 2200000000 2200000000 2200000000 2200000000 2200000000 2200000000 2200000000 2200000000 2200000000

C.U.P 8800 8800 8800 8800 8800 8800 8800 8800 8800 8800 8800 8800 8800 8800 8800 8800 8800 8800 8800 8800

Ps/IVA 10560 10560 10560 10560 10560 10560 10560 10560 10560 10560 10560 10560 10560 10560 10560 10560 10560 10560 10560 10560

Pc/IVA 12137.664 12137.664 12137.664 12137.664 12137.664 12137.664 12137.664 12137.664 12137.664 12137.664 12137.664 12137.664 12137.664 12137.664 12137.664 12137.664 12137.664 12137.664 12137.664 12137.664

ingr total 3034416000 3034416000 3034416000 3034416000 3034416000 3034416000 3034416000 3034416000 3034416000 3034416000 3034416000 3034416000 3034416000 3034416000 3034416000 3034416000 3034416000 3034416000 3034416000 3034416000

imp trans 3% 91032480 91032480 91032480 91032480 91032480 91032480 91032480 91032480 91032480 91032480 91032480 91032480 91032480 91032480 91032480 91032480 91032480 91032480 91032480 91032480

Tabla 6. 14: Valores de costos proyectados para 20 años, Fuente: Información YPFB


106


Flujo de Caja. fljo de caja 1 ingreso total ingreso por ventas otros

2

preoperación

costo total inversiones costos directos costos indirectos

3

utilidad de impuestos

4

imp a transacciones

5

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 20 3.034E+09 3034416000 3.03E+09 3.034E+09 3.034E+09 3E+09 3E+09 3.03E+09 3.03E+09 3034416000 3.034E+09

2.2E+09

2200000000 2.2E+09

2.2E+09

2.2E+09

2.2E+09 2E+09 2.2E+09

2.2E+09 2200000000

2.2E+09

834416000

834416000 8.34E+08 834416000 834416000 8.3E+08 8E+08 8.34E+08 8.34E+08 834416000 834416000

-420000000

91032480

91032480 91032480 91032480 91032480 9.1E+07 9E+07 91032480 91032480 91032480

utilidad imponible

-420000000

743383520

743383520 7.43E+08 743383520 743383520 7.4E+08 7E+08 7.43E+08 7.43E+08 743383520 743383520

6

utilidad de impuestos

-420000000

185845880

185845880 1.86E+08 185845880 185845880 1.9E+08 2E+08 1.86E+08 1.86E+08 185845880 185845880

7

flujo neto de caja

-420000000

557537640

557537640 5.58E+08 557537640 557537640 5.6E+08 6E+08 5.58E+08 5.58E+08 557537640 557537640

91032480

Tabla 6. 15: flujo de caja, fuente: Aspen Plus v8.6


107


Con esta tabla y los valores del Flujo neto se puede calcular el primer indicador Económico que es el VAN (Valor Actual Neto)

a) V A N: Suma de los flujos de caja anuales actualizados deducido el valor de la inversión

  11  12 ⋯… 1 Dónde: I o = Es el valor de flujo neto de caja en el año 0 FNC= Flujos Netos de Caja del año n n = Es el número de años

VALOR ACTUAL NETO

VAN (6%) VAN (25%)

5974912807 1784438675

          Este valor del VAN que es > 1, nos indica que el proyecto es rentable y que se puede proseguir con el mismo.


108


b) Índice de Rentabilidad (I.R.): Posteriormente se puede calcular el IR (Índice de Rentabilidad)

  

que su ecuación se muestra a continuación:

INDICE DE RENTABILIDAD (IR) Ingreso (Io) 420000000 IR 14.22598287

c) Taza de interés de retorno (TIR): “La tasa de descuento que hace que el VAN sea igual a cero” Se trata, pues, de despejar la "k " de la siguiente fórmula:

    ∗    TASA DE INTERES DE RETORNO

TIR

0.206305195

El valor calculado del TIR es mayor que 1 esto indica que el proyecto es rentable.


109


CAPITULO 7 7. ANALISIS DE RESULTADOS, CONCLUCIONES, RECOMENDACIONES Y BIBLIOGRAFIA 7.1. Análisis de resultados Se resolvieron los balances de materia y energía con el simulador AspenPlus donde se ven coherencia en los resultados obtenidos. Las presiones y temperaturas introducidas a las diferentes corrientes y equipos ya estaban dadas en el proceso UNIPOL que se encontró en documentos revisados. La conversión obtenida en nuestro proceso fue calculada luego de resolver los balances de materia y energía ya que las ecuaciones de diseño del reactor estaban en función a flujos y no en función a conversión, La conversión que se obtuvo fue del 90%. Debido a la falta de propiedades del PP se hizo el diseño del separador Flash sin tomar en cuenta al PP para el cálculo del factor de compresibilidad “Z”. Siguiendo el algoritmo de diseño del separador flash se obtuvo una altura de 2,5 m apropiadamente con un diámetro de 50 cm. Una vez realizado el diseño del separador los resultados obtenidos señalan que este es un separador vertical. El volumen del reactor que se obtuvo fue de 46 m3, este volumen tiene sentido físico ya que existen reactores industriales de hasta 75 m3 además que el flujo de alimentación es grande.

7.2. Conclusiones Se escogió trabajar con el método UNIPOL para realizar el proyecto porque es el proceso que cuenta mayor información disponible. El modelo termodinámico escogido fue el POLYPCSF porque es el que nos recomienda el simulador. En el proceso Unipol (Unión Carbide) implementado en el proceso, la reacción ocurre en fase gaseosa en un reactor de lecho fluidizado que opera en un reactor CSTR al cual se alimentan continuamente los reactantes y un catalizador especialmente diseñado para la obtención de polipropileno de configuración isotáctico. Ese catalizador empleado pertenece al tipo Ziegler Nicholls, específicamente tetracloruro de titanio y se mantiene almacenado en estado líquido. PROCESO DE PRODUCCION DE POLIPROPILENO A PARTIR DE PROPILENO

110


Cuando pasa al proceso de reacción, experimenta un cambio de fase convirtiéndose en gas para llevar a cabo la reacción en fase gaseosa con el monómero (propileno). El flujo de propileno de alimentación a nuestro proceso es 22831.1 Kg/hr y fue obtenido de información de YPFB, La implementación de esta planta ofrecerá muchos beneficios tanto para el sector público, privado y empresarial, lo cual generará mayores oportunidades y beneficios para el aprovechamiento de los recursos naturales mejorando las tecnologías de las industrias petroquímicas. Los equipos más importantes en el desarrollo de la simulación de la planta del POLIPROPILENO fue el reactor de Mezcla Completa Fluidizado por ser el equipo donde se lleva a cabo la reacción de polimerización para la polimerización del propileno, también consideramos importante a la columna de absorción por ser un equipo donde obtuvimos el PP con gran cantidad de pureza. La conversión obtenida en el proceso fue del 90 % esto indica que casi todo el propileno alimentado fue convertido en polipropileno. En el cálculo de los indicadores económicos VAN, TIR, IR se obtuvieron resultados positivos estos valores indican que el proyecto es rentable.

7.3. Beneficios El proyecto permitirá industrializar el gas natural vía transformación química del propano contenido en el GLP, también abastecerá el mercado interno de polipropileno, se eliminará la importación de este producto, se generará ingresos de mayores divisas para el país con su exportación, se estimulará la inversión pública y privada en emprendimientos industriales que utilizan el plástico como materia prima y se mejorará las condiciones de costos de operación en la industria nacional de los plásticos haciéndola más competitiva en el entorno regional. En la fase de construcción de la Planta de Propileno y Polipropileno, se generará alrededor de 4.000 fuentes de trabajo directos, 150 directos en la fase de operación/comercialización y 10.000 empleos indirectos por efecto multiplicador en la industria.

7.4. Recomendaciones Durante el Diseño de la planta para la obtención de polipropileno se debe tener cuidado con los datos introducidos como ser presiones, Flujos y temperaturas. Por lo que se procedió a buscar datos en distintas bibliografías para así lograr nuestro objetivo principal obtener polipropileno con una pureza aproximada de 99%. PROCESO DE PRODUCCION DE POLIPROPILENO A PARTIR DE PROPILENO

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8. BIBLIOGRAFIA Acarapi F., (2016)”Bolivia impulsa el proyecto más caro de su historia” en El Cambio.14 de abril de 2016, A1 Holman, J., (1999) Transferencia de calor, decima reimpresión, McGraw Hill Book Company INC., México, pp. 17-71, 113-116. INE (2012): Cifras del comercio exterior. Kern, Donald Q. Process Heat Transfer McGraw-Hill International Editions: Chemical Engineering, Series, Singapore (1965) p. 139. Martínez, V. et al. (2000) Simulación de Procesos en Ingeniería Química Plaza y Valdez de C.V. México. Meyers, R. (2005) Hanbook of Petrochemicals Production Processes. New York, McGraw-Hill. Perry R. (1992),”Manual del Ingeniero Químico” editorial McGraw Hill, Tomo IV sección 15 Rodríguez. J. (2002) Introducción a la termodinámica con algunas aplicaciones de Ingeniería, Primera edición, Universidad Tecnologica Nacional, pp 178-181. Sandoval, G. (2006) “Proyecto petroquímico para la implementación y puesta en marcha de una planta de producción”, Tesis de licenciatura, Peru, Universidad Nacional de Ingeniería.

Treybal, R, (1993), Operaciones de transferencia de masa, SegundaEdición, México,McGRAWHILL, pp. 401-414 YPFB Corporación (2016). Servicio Feed-EPC del proyecto de construcción de las Plantas de Propileno y Polipropileno Términos de referencia Especificaciones generales Parte B-Bases de diseño

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112


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113


Xinhua.(2016); “Propileno-Polipropileno, “Propileno-Polipropileno, conozca los detalles de la planta industrial más grande de

la

historia

de

Bolivia”,

América

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114


ANEXOS ANEXO A: Diseño del Separador Flash Datos: Presión de operación (Pop):

500000 Pa; 500 KPa; 72,5189 Psia.

Temperatura de operación (Top):

65 ᵒC; 149 ᵒF; 608,67 ᵒR; 338,15 K

Caudal del gas (Qg):

10479,5 Kg/h

Caudal del líquido (QL):

8446,43 Kg/h

Grados API:

141

Tiempo de respuesta (Tr):

2 min

Gravedad específica:

0,522

Tabla de propiedades Tabla: Propiedades de los compuestos

Compuesto nitrogeno hidrogeno propano propeno agua tetracloruro de titanio titanio PP

TC(ºF) -232.51 -399.91 205.97 197.15 705.47

PC(psia) 491.6779 118.15491 616.4104 667.1736 3208.2348

w 0.039 -0.218 0.153 0.144 0.344

PM(lb/lbmol)ºapi PM(lb/lbmol)ºapi 28.13 2.016 44.094 42.081 18.015

688.73 -

675.8759 -

0.268 -

189.712 4.20E+06

Calculo de propiedades de operación. Peso molecular de la mezcla (PMmezcla)

   = ∗ PROCESO DE PRODUCCION DE POLIPROPILENO A PARTIR DE PROPILENO

115


195,5205     195,28,592057 6,7491 72, 5 189   ∗195, 5 205   /     ⍴ ∗  2, 2 809  ∗∗ 0,9517∗10,731 ᵒ∗∗ ∗608,67ᵒ  ⍴ 131,141,55 ∗⍴ 131,141,51405 ∗62,43  32,5215  . →10479,5 ℎ ∗ 2,21046 23103,1057 ℎ     1 1ℎ   23103,1057 ℎ ∗ 2,2809 ∗ 3600 2,814      14, 7   608, 6 7ᵒ    ,2,814  ∗ 72,5189 ∗ 519,67ᵒ ∗0,95170,6358       2, 2 046  1 1ℎ   8446,43  ∗ 1 ∗ 32,4199 ∗ 3600 0,1595        ⍴ ∗ 32,5372  ∗0,1595  5,1897 

Gravedad específica

Densidad del gas

Densidad del líquido

Caudal del gas (Qg)

Caudal del líquido (QL)

1) Velocidad del flujo permisible


116


      ⍴ ∗ 2,2809  ∗0,6358  1,4502      2, 2 809 5, 1 897  ⍴         ∗  ⍴  1,4502  ∗ 32,5372  0,9475 2≤≤0, 6  0,0169∗ 0,1021∗0,2105 0,0169∗0,9475 0,1021∗0,94750,21050,1289     32, 5 372 2, 2 809  ⍴ ⍴  ∗   ⍴  0,1289∗ 2,2809   0,4695    ∗ 0,85∗0,4695  0,3991    0, 6 358     0,3991  1,5931   ∗ 1,20∗1,5931 1,9117  18,7217  12∗  4 ∗  12∗  4∗1,9117  18,7217 ≈20

Factor de diseño del cálculo de velocidad

Velocidad máxima a la cual puede fluir el gas dentro del separador

2) Área de la sección transversal requerida para el flujo

3) Diámetro del equipo


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4) Velocidad del gas en el recipiente (real)

∗  12 ∗ 4 2012 ∗ 4 2,1816    0, 6 358 ∗  ∗  2,1816 0,2914  ∗ <

5) Volumen de retención máxima del liquido

 141.5 131,5 141.0,5225 131,5139,5728 40<140 1,5min90 120  ∗ 0,1595  ∗12019,14     ∗  0,1595  ∗9014,355    19,14 14,355 33,495     0,15950,15950,6358  0,2       1  ∗⍴∗⍴ 10,2 ∗2,2809  0,2∗32,5215  8,3322     √ 45   8,345322  15,589  6) Boquilla de entrada


118


   √ 60   8,360322  20,79     5,1897  1,4502  6,64     6, 6 4          8,3322  0,78    4∗0, 7 8 4∗    ∗ ∗  12∗  ∗20,79 2,623    4 ∗0, 7 8    ∗ ∗4∗   12∗  ∗15,589 3,028  ,,,,,,,,,,  4   4∗0, 7 8 4∗   ∗  ∗  8,938  ℎ ≥ ℎ ≥4    √ 45⍴   2,245809  29,7961 

7) Altura mínima permisible desde el NAAL hasta la boquilla de entrada PDVSA

8) Boquilla de salida


119


   √ 60⍴   2,260809  39,7281    4∗0, 6 358    ∗ ∗4∗ 12∗  ∗29,7961 1,978    4∗0, 6 358    ∗ ∗4∗  12∗  ∗39,7281 1,713   2    4∗0, 6 358 4∗   ∗  ∗   29,143     √ 45⍴   32,545372  7,889     √ 60⍴   32,560372  10,519    4∗0, 1 595    ∗ ∗4∗  12∗  ∗10,519  1,667    4∗0, 1 595    ∗ ∗4∗   12∗  ∗7,889  1,925   2  PROCESO DE PRODUCCION DE POLIPROPILENO A PARTIR DE PROPILENO

120


  4∗0, 1 595   ∗4∗  ∗   7,311  ℎ ≥ 4  204 5  0, 1 5∗<ℎ∗ <16 0,15∗0,15∗203   0, 6 358   ∗  0,2914  2,182   ∗ √  1∗√ 2,182 1,477  ℎ 1,5  ∗ℎ  ∗  ∗  12 ∗ 33, 4∗2095  46,059   /→ℎ     ℎ 24   0,5 ∗24  /→ℎ     ℎ 36   0,5 ∗36  0,5 ∗0,5 ∗2010 

9) Altura entre la línea tangente superior y la boquilla de salida del gas

10) Distancia tope del extractor y la línea tangente superior (mínima)

11) Espesor del extractor de niebla (3-7 pulgadas)

12) Altura del líquido entre NAAL – NBBL

13) Altura mínima desde la boquilla de entrada hasta:

14) Altura entre NBBL – boquilla inferior


121


ℎ∗ ≥9  ℎ 9  ∗ ∗ ℎ ℎ ℎ  ℎ ℎ ℎ        /→′  5 3 /→′ 946, 05944241, 1 ∗ 91,559 /→′ ℎ ℎ ℎ  ℎ′ /→′ 946,0594436 1 99,059 ’/  /→ ∗ ’ 1∗ 91,559 20 4,578  /→ ∗ ’ 1∗ 99,059 20 4,953 2,5< ’ <5       ∗    /  2∗ℎ  1∗91,512592∗5 8,463   ∗    /  2∗ℎ  1∗99,012592∗5 9,088  20 

15) Altura mínima efectiva del separador

16) Verificar

17) Longitud del equipo

18) Diámetro malla separadora de gotas


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Proceso de Produccion de Polipropileno a Partir de Propileno.. Modificado

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