PRODUCCIÓN DE ESTIRENO PRIMERA ENTREGA: ESTUDIO DE MERCADO Y TÉCNICO T ÉCNICO
JENNIFER KATHERINE CARRILLO CORTES
CÓD: 2114661
FELIX MANUEL CUELLO PENSO
CÓD: 2110978
MARIA PAZ GONZÁLEZ ACOSTA
CÓD: 2113691
DANY FARLEY HERREÑO GALVÁN
CÓD: 2113692
JHON FREDI MALAVER RODRÍGUEZ
CÓD: 2114656
BEATRIZ MARCELA MOYA CHICA
CÓD: 2083373
WALTER JESUS RIVERA MORAD
CÓD: 2113690
JHON CARLOS SUÁREZ CETINA
CÓD: 2094558
UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER FACULTAD DE INGENIERÍAS FISICOQUÍMICAS ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA BUCARAMANGA 2015
23233 Análisis de Procesos Grupo: L3 Estireno
TABLA CONTENIDO INTRODUCCIÓN............................................................................................................... 4 OBJETIVOS ...................................................................................................................... 5 MARCO TEÓRICO ............................................................................................................ 6 1.ESTUDIO DE MERCADO............................................................................................... 7 1.1 MATERIA PRIMA ..................................................................................................... 7 1.1.1 Propiedades 1.1.2 Proveedor
.....................................................................................................................7
.........................................................................................................................8
1.1.3 Cantidades y precios
......................................................................................................9
1.1.4 Transporte .......................................................................
¡Error! Marcador no definido.0 definido. 0
1.1.5 Almacenamiento .............................................................
¡Error! Marcador no definido.0 definido. 0
1.2PRODUCTO. 1.2PRODUCTO.............................................................. ¡Error! Marcador no definido.0 definido.0 1.2.1 Propiedades ....................................................................
¡Error! Marcador no definido.0 definido. 0
1.2.2 Cantidades ......................................................................
¡Error! Marcador no definido.1 definido. 1
1.2.3 Precios .............................................................................
¡Error! Marcador no definido.3 definido. 3
1.2.4 Presentaciones ...............................................................
¡Error! Marcador no definido.3 definido. 3
1.2.5 Transporte .......................................................................
¡Error! Marcador no definido.3 definido. 3
1.2.6 Almacenamiento .............................................................
¡Error! Marcador no definido.4 definido. 4
definido. 4 1.2.7 Productos sustitutos ....................................................... ¡Error! Marcador no definido.4
1.3 INSUMOS .....................................................................
¡Error! Marcador no definido. 5
1.3.1. Inhibidor ..........................................................................
¡Error! Marcador no definido.5 definido. 5
1.3.2. Catalizador ………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………16 1.4 CAPACIDAD DE LA PLANTA………………………………………………………….. 16 1.5 COMPETENCIA COMPETENCIA ............................................................ ¡Error! Marcador no definido. 8 2.ESTUDIO TÉCNICO ................................................................................................... 20 0 2.1 RUTA DE SÍNTESIS ............................................................................................ 21 1 2.2 DESCRIPCIÓN DESCRIPCIÓN DEL PROCESO .......................................................................... 22 2 2.3 DIAGRAMA DE FLUJO DE BLOQUES BLOQUES .................... ¡Error! Marcador no definido.2 definido.2 2.4 DIAGRAMA DE FLUJO DEL PROCESO………………………………………………23 CONCLUSIONES CONCLUSIONES .............................................................. ¡Error! Marcador no definido.4 definido.4 BIBLIOGRAFÍA BIBLIOGRAFÍA.............................................................. ¡Error! Marcador no definido.5 definido.5 ANEXOS....................................................................... ¡Error! Marcador no definido.6 definido.6
2
23233 Análisis de Procesos Grupo: L3 Estireno
ANEXO A. FICHA DE SEGURIDAD ETILBENCENO. ....¡Error! Marcador no definido.6 ANEXO B. FICHA DE SEGURIDAD DEL ESTIRENO .................................................. 28 ANEXO C. DATOS ESTUDIO DE MERCADO ............................................................. 30
3
23233 Análisis de Procesos Grupo: L3 Estireno
INTRODUCCIÓN Actualmente el estireno es uno de los compuestos orgánicos más utilizados como materia prima para la producción de polímeros, la industria de los polímeros ha tenido un gran avance ya que ha sido una de las más dinámicas en las últimas décadas, ayudando así a contribuir con el desarrollo económico del país. Debido al aumento de la demanda del estireno, este se ha convertido en un producto de interés, por ello con el paso del tiempo se ha hecho necesario el aumento de su producción así como la realización de mejoras de la misma. Se producen millones de toneladas por año, destinadas para fabricar productos como caucho, plásticos, material aislante, entre otros. La mayoría de estos productos contienen estireno en forma de una cadena larga (poliestireno), y estireno sin formar cadenas. En el presente informe se evalúala posibilidad de instalar una planta de producción de estireno en Colombia, por medio de un estudio de mercado y técnico que permita determinar la capacidad de la planta que va a suplir la demanda actual y futura del país, logrando así, ser proveedores de las empresas productoras de poliestireno en Colombia.
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23233 Análisis de Procesos Grupo: L3 Estireno
OBJETIVOS GENERAL
Analizar la factibilidad de la instalación y funcionamiento de una planta para la producción de estireno en Colombia.
ESPECÍFICOS
Recopilar la información necesaria para el estudio técnico y de mercado. Definir cuantitativamente el mercado potencial de estireno proyectado en un periodo de 10 años. Identificar la mejor ruta de síntesis del proceso por medio del estudio técnico. Calcular la capacidad de la planta. Identificar los equipos requeridos y sus condiciones de operación que garanticen el buen funcionamiento de la planta.
5
23233 Análisis de Procesos Grupo: L3 Estireno
MARCO TEÓRICO El estireno es un compuesto orgánico de formula molecular C 8H8, constituido por un anillo de benceno con un sustituyente de etileno 1, es un líquido incoloro que debe guardarse en ausencia de luz pues con ella polimeriza convirtiéndose en una masa sólida. Se conoce también como vinilbenceno, etenilbenceno, cinameno y feniletileno. Es inflamable, capaz de formar mezclas explosivas con el aire a muy bajas concentraciones, es apolar por lo cual se disuelve en algunos líquidos orgánicos pero no se disuelve en agua. Debido a su estructura química es muy reactivo y puede polimerizar violentamente, para su almacenamiento seguro debe ser inhibido evitando temperaturas extremas1 Es la materia prima de numerosos homo y copolímeros termoplásticos (poliestireno, poliestireno expandible, ABS, SAN) y elastómeros (cauchos estireno -butadieno). El estireno se aisló por primera vez en el siglo XIX de la destilación de storax, un bálsamo natural. Aunque se conocía su polimerización du rante muchos años no se realizaron aplicaciones comerciales debido a que en ese entonces el polímero era quebradizo y se rompía con facilidad. En 1937 se inició por p rimera vez un proceso a nivel industrial para la producción de estireno, fabricando así un monómero d e alta pureza que podía ser polimerizado en un plástico estable e incoloro. En 1940, la polimerización del monómero estireno se popularizó como materia prima para la fabricación de caucho sintético, fue así como Estados Unidos aumentó de una forma dramática su producción de Estireno. El estireno tiene bastantes usos: desde envases alimentarios hasta componentes de automóviles, barcos y ordenadores. El estireno empleado en esos productos es sintético y se fabrica en plantas petroquímicas, sin embargo, también aparece en la naturaleza como componente natural de numerosos alimentos comunes, como son el café, las fresas o la canela. En la tabla 1 se reportan las diversas técnicas que se han desarrollado en los últimos años para la manufactura del estireno. Tabla 1. Técnicas para la producción comercial de Estireno
Pirólisis del petróleo y recuperación en varias etapas del proceso. Cloración de la cadena del etilbenceno seguida de deshidrogenación. Cloración en cadena del etilbenceno e hidrólisis para dar el correspondiente alcohol y luego deshidrogenación. Oxidación del etilbenceno a hidroperóxido de etilbenceno, el cual por reacción con propileno produce a-feniletanol y óxido de propileno. A continuación el alcohol es deshidratado a estireno.
6
23233 Análisis de Procesos Grupo: L3 Estireno
Conversión oxidativa del etilbenceno a a-feniletanol por vía acetofenona y subsecuente deshidrogenación del alcohol. Dimerización de etilbenceno seguida de desproporcionamiento y degradación del mismo poliestireno reciclado. Alquilación de tolueno con metanol. Deshidrogenación catalítica de etilbenceno. Fuente: Elaboración propia con base en Deshidrogenación catalítica del etilbenceno a estireno.
Revista Científica Guillermo de Ockham. Vol. 11, No. 1. Enero - junio de 2013
1. ESTUDIO DE MERCADO 1.1MATERIA PRIMA 1.1.1 Propiedades El etilbenceno (figura 1) es un compuesto orgánico de formula molecular C 8H10, líquido incoloro, de olor similar a la gasolina, altamente inflamable, reacciona con oxidantes fuertes, ataca a materiales plásticos y el caucho. En fase vapor se mez cla bien con el aire, formando fácilmente mezclas explosivas. Es una sustancia prácticamente insoluble en agua, pero miscible con disolventes orgánicos y sustancias lipófilas (aceites y grasas).
Figura 1 . Estructura molecular de etilbenceno.
Este compuesto se encuentra principalmente en productos naturales tales como el carbón y el petróleo. El etilbenceno es empleado en la fabricación de estireno y es un importante disolvente en las industrias del caucho y del material plástico. La sustancia es tóxica para los organismos acuáticos, es importante evitar que el producto químico se incorpore al ambiente. (Ver ficha de seguridad del compuesto, anexo A).
Tabla 2. Propiedades físicas del etilbenceno
Fórmula Molecular Peso Molecular [g/mol] Punto de ebullición[ °C] Punto de fusión [°C ]
C8H10 106,2 136 -95
7
23233 Análisis de Procesos Grupo: L3 Estireno
Densidad Relativa(agua=1) Solubilidad en agua, g/100 ml a 20 °C Presión de vapor, a 20 °C Densidad relativa de vapor(aire=1) Densidad relativa de la mezcla vapor/aire a 20°C (aire=1) Punto de inflamación [°C] Temperatura de ignición [°C] Límites de explosividad,% en volumen en el aire Coeficiente de reparto octanol/agua como log POW Viscosidad a 25 °C [mm 2/s]
0,9 0,015 0,9 3,7 1,02 18 432 1-6,7 3,1 0,6
Fuente: Elaboración propia con base de IPCS, en
2008. Hojas de datos de seguridad. [Enlinea] [Citado el 9 noviembre de 2015].
1.1.2 Proveedor Actualmente Colombia importa 2000 Ton/año de etilbenceno utilizado en la manufactura de estireno, dado que en el país no existen grandes empresas que se dediquen a la producción del mismo, se decide importar la materia prima. Con base en la tabla 3 se evalúala actividad de importaciones anuales históricas desde el año 2002 al año 2015 según el reporte presentado por el DANE de diferentes países que producen etilbenceno. Se selecciona Estados Unidos como el potencial proveedor de la materia prima teniendo en cuenta la capacidad y precio de venta. Tabla 3. Países importadores de etilbenceno
KILOGRAMOS AÑO DESCRIPCIÓN ARANCEL 2002
Etilbenceno
2003
Etilbenceno.
2004 2005
Etilbenceno. Etilbenceno.
2006
Etilbenceno.
2007
Etilbenceno.
2008
Etilbenceno.
2009
Etilbenceno.
V A L O R E S C.I.F
PAÍS ORIGEN BRUTOS ALEMANIA. 2 ESTADOS UNIDOS. 58.800 ALEMANIA. 2 ESTADOS UNIDOS. 59.834 ESTADOS UNIDOS. 26.152 ALEMANIA. 0,3 ESTADOS UNIDOS. 27.35481 ALEMANIA. 0,33 ESTADOS UNIDOS. 33.968 ALEMANIA. 0,56 ESTADOS UNIDOS. 40.384 ITALIA. 1 ALEMANIA. 15,19 ESTADOS UNIDOS. 45.360 ALEMANIA. 1,22
NETOS 1 45,043.5 1.0 56.556 24.370 0,1 24.836 0,11 31.27 0,18 36.541 0,22 7.89 41.051 0,87
PESOS COLOMBIANOS 111.560 235,188,826 467.511 342.104 122.098 27.845 127.842.718 376.970 186.811.492 40.107 191.957.297 37.721 1.989.716 228.678.946 180.467
DOLARES 40 91,927 164.8 119.825 47.542 12 55.119.87 156,30 78.321 17,85 92.790 19,30 946.95 118.145 82,70
8
23233 Análisis de Procesos Grupo: L3 Estireno ESTADOS UNIDOS. 13.160 2010 Etilbenceno. ALEMANIA. 0,10 ESTADOS UNIDOS. 32.819 2011 Etilbenceno. ALEMANIA. 0,71 ESTADOS UNIDOS. 52.707 2012 Etilbenceno. ALEMANIA. 0,36 CANADA 9.945 ESTADOS UNIDOS. 24.267 2013 Etilbenceno. ALEMANIA. 1 ESTADOS UNIDOS. 37.593 2014 Etilbenceno. ALEMANIA. 2,50 CHINA 0 ESTADOS UNIDOS. 34.414 2015 Etilbenceno. ESTADOS UNIDOS. 16.716 Fuente: Autores, con base endatos del DANE.
11.868 0,09 29.702 0,64 47.706 0,19 9 21.961 1 34.026 1,60 0 31.147 15.126
87.561.999 52.987 142.656.849 150.901 262.026.617 425.708 54.880.652 117.230.307 169.240 187.079.139 987.176 416.463 191.136.683 93.874.011
43.267 26,36 76.425 78,28 138.600 234,94 30.420 64.479 89,83 102.483 478 182.3 92.022 38.518
La empresa productora es BP Chemicals, Texas con una capacidad de producción de 1,100 millones de libras por año de etilbenceno 2.
1.1.3 Cantidades y precios Como se mencionó anteriormente en los últimos años Colombia importa aproximadamente 2000 ton/ año de etilbenceno para la producción de poliestireno, por tanto se realiza una estimación de las cantidades y precios. Los datos muestran resultados anuales y se originan desde el año 2002 hasta el 2015, de acuerdo a la demanda que requiere el país con respecto a su costo en dólares por Estados Unidos, país proveedor potencial de la materia prima (ver tabla 4). Tabla 4. Precio por kilogramo del etilbenceno de acuerdo a las importaciones Colombianas desde
Estados Unidos.
AÑO
Kg DEMANDADOS BRUTOS
VALORES C.I.F DÓLARES
PRECIO POR Kg EN DÓLARES
2002
58,799.88
91,927.00
1.563387544
2003
59,834.84
119,825.53
2.00260467
2004
26,152.25
47,542.00
1.817893298
2005
27,354.81
55,119.87
2.014997362
2006
33,968.06
78,321.62
2.305743101
2007
40,383.87
92,789.99
2.297699304
2008
45,360.23
118,145.11
2.604596802
2009
13,159.60
43,267.56
3.287908447
2010
32,818.50
76,425.62
2.328735926
2011
52,707.27
138,600.61
2.62962984
9
23233 Análisis de Procesos Grupo: L3 Estireno 2012
24,267.00
64,479.77
2.657096881
2013
37,593.62
102,482.99
2.726073999
2014
34,414.1
92,021.8
2.673955733
2015
16,716.00
38,517.55
2.304232472
Fuente: Autores, con base en datos del DANE.
1.1.4 Transporte El etilbenceno, tiene la propiedad de disolver cuerpos grasos, tiene carácter liposoluble y su especial afinidad por el tejido graso del sistema nervioso central y de la médula ósea del ser humano le confiere características mutagénicas y cancerígenas muy peligrosas, por ende, para su transporte tiene que estar en recintos cerrados que mantengan condiciones de temperatura alrededor de 10 °C y presiones mayores a 0.01 atm (presión de vapor). Su medio de transporte es variado, puede transportase por carretera, avión, ferrocarril y conteiner. Las siguientes entidades regulan el transporte de esta sustancia:
El transporte aéreo del etilbenceno es regulado por las instrucciones de la organización internacional de aviación civil técnicas (TI) de la OACI. El transporte marítimo del etilbenceno empaquetado está regulado por el código marítimo internacional de mercancías peligrosas (IMGD). En transporte marítimo en buques está regulado por el código internacional para la construcción y el equipo de buques que transporta químicos peligrosos(código CIQ)3
Debido a que la materia prima se encuentra en el extranjero, es transportada vía marítima.
1.1.5 Almacenamiento Se debe almacenar en un ambiente fresco y seco, separado de oxidantes fuertes. El almacenamiento debe ser a prueba de incendio, el lugar debe tener medidas para contener el efluente de extinción de incendios, ya que el vapor es más pesado que el aire y puede viajar a través del piso. Se debe mantener en un área sin acceso a desagües o alcantarillados, también debido a la baja conductividad eléctrica, la sustancia puede generar cambios electrostáticos como resultado de la agitación fluida. Además no se debe usar aire comprimido para el llenado, vaciado y manejo4.
1.2 PRODUCTO 1.2.1 Propiedades
10
23233 Análisis de Procesos Grupo: L3 Estireno
El estireno (figura 2) es un hidrocarburo aromático de fórmula C 8H8, posee un anillo de benceno con un sustituyente etileno, líquido aceitoso, incoloro y amarillo de aroma dulce que se evapora fácilmente. A menudo contiene otros productos químicos que le dan un aroma penetrante desagradable.
Figu ra 2. Estructura molecular de Estireno.
Este a su vez puede formar peróxidos explosivos y puede polimerizar por calentamiento suave, bajo la influencia de la luz, oxidantes, oxígeno y peróxidos, causando peligro de incendio y explosión. Ataca al caucho, al cobre y aleaciones de cobre. La sustancia se puede absorber por inhalación del vapor, la evaporación de l estireno se da a 20°C por tanto se puede alcanzar muy lentamente unaconcentr ación nociva en el aire. (Ver ficha de seguridad del compuesto, anexo B). Tabla 5. Propiedades físicas del estireno
Formula Molecular Peso Molecular[ g/mol] Punto de ebullición[ °C] Punto de fusión [° C ] Densidad Relativa(agua=1) Solubilidad en agua ,g/100 ml a 20 °C Presión de vapor, a 20 °C Densidad relativa de vapor(aire=1) Densidad relativa de la mezcla vapor/aire a 20 ° C (aire=1) Punto de inflamación [ ° C ] Temperatura de ignición [ ° C ] Límites de explosividad,% en volumen en el aire Coeficiente de reparto octanol/agua como log POW
C8H8 104,2 145 -30,6 0,91 0,03 0,67 3,6 1,02 31 490 0,9-6,8 3,0
Fuente: Elaboración propia con base de IPCS, en
2006. Hojas de datos de seguridad. [Enlinea].. [Citado el 9 nov iembre de 2015].
1.2.2 Cantidades
11
23233 Análisis de Procesos Grupo: L3 Estireno
A partir de los datos reportados por el DANE de importaciones, exportaciones, consumo y venta a nivel nacional de Estireno, se estableció la d emanda y oferta del producto en Colombia, registrando los kilogramos de estireno anuales desde e l año 1990 hasta el 2014. La demanda se realizó con base en la necesidad de suplir el comercio colombiano de estireno y se obtuvo de la siguiente manera: = − +
(ec.1)
El consumo y venta de estireno en el país, se tomó como la capacidad de producción de las plantas colombianas, es decir la oferta a nivel nacional.
(Ver anexo C. Datos estadísticos de importaciones, exportaciones, consumo y venta a nivel nacional) Tabla 6. Oferta y demanda de estireno a nivel nacional
AÑO
DEMANDA (kg)
OFERTA (kg)
1990
0,00
0
1991
41564991,00
0
1992
32099652,00
0
1993
49202996,00
49261031
1994
128559949,2
56247459
1995
127312658,9
51805261
1996
125228034,8
50175405
1997
152776202,7
60598307
1998
141143618,7
60851890
1999
134002243,6
53745919
2000
153884246,41
59832356
2001
99463817,8
6146097,8
2002
90235451,4
8591714,4
2003
86268746,6
8493009,5
2004
161185265,3
63257415,6
2005
92704715,5
3596641,9
2006
147983328,1
52410651,4
2007
116070422,2
11073536,7
2008
123676252,9
21628778,1
2009
102481176,8
5337356,5
2010
104488653,5
5445988,3
2011
112740109,5
15140224,5
2012
126510001,1
12314914,9
2013
128442913,02
15478162,7
12
23233 Análisis de Procesos Grupo: L3 Estireno Fuente: Elaboración propia con base en los datos registrados por el DANE
1.2.3 Precio Se tomaron los precios en dólares C.I.F por kilogramos de importación de los países comercializadores de estireno, tomando como fuente los datos reportados por el DANE en el 2014, de los cuales Estados Unidos es el principal importador, seguido de México, España, Alemania y Reino Unido.( Ver Anexo C. Datos estadísticos del Estireno) Tabla 7. Precio en dólares por kilogramo de importación de estireno 2014 Fuente: Elaboración propia con base en los datos registrados por el DANE.
1.2.4 Presentaciones El producto principal Estireno (monómero) se presenta como líquido, su entrega se puede realizar a través de tanques cilíndricos montados en contenedores,también se puede entregarpor medio de camiones cisterna. La presentación final del
PA S PRECIO ( US$/Kg) Alemania 5,3 España 38,3 Estados Unidos 1,62 México 2 Reino Unido 24,36 producto dependerá de la ubicación y requerimiento de la empresa demandante 1.2.5 Transporte El estireno es un líquido incoloro y oleaginoso el cual es muy peligroso para la salud humana es inflamable y tóxico. La polimerización del estireno es muy frecuente en su transporte, para evitarla debe ser inhibida, por eso se mezcla generalmente con 4-terc-butil catecol; otros compuestos empleados como inhibidores de la polimerización pueden ser:
El ácido pícrico Compuestos nitro aromáticos derivados de la quinona (hidroquinona, benzoquinona), Naftoles, aminas (p-fenil-diamina, fenotiacina)
Para el transporte del estireno, este debe estar en un recinto cerrado con temperatura adecuada, esta puede ser la temperatura ambiente, sin exceder el valor de 31°C ya que se puede producir mezclas explosivas de vapor/aire. Para prevenir incendios en el transporte debe mantenerse en lugares oscuros y frescos.
13
23233 Análisis de Procesos Grupo: L3 Estireno
El transporte de sustancias peligrosas en Colombia está regulado por el ministerio de transporte (el etilbenceno también entra en esta categoría) por medio del DECRETO NÚMERO 1609 del 2012, el cual regula todo el transporte de sustancias peligrosas por carreteras.
1.2.6 ALMACENAMIENTO El estireno debe ser almacenado en recipientes herméticos resistentes al ataque del producto, correctamente sellados y etiquetados, dispuestos en lugares frescos y ventilados, puede hacerse en tanques de acero inoxidable, silicato de zinc o aluminio y mantener la temperatura por debajo de 25 °C, para protegerlos contra el daño físico y el fuego. Almacenar preferentemente en espacios exteriores o en cabinas estándares en espacios interiores preparados para líquidos inflamables. El estireno también se almacena con gases inertes, por ejemplo nitrógeno. Cuando el nivel oxígeno en el gas inerte es menor de 8% en volumen la posibilidad de fuego o explosión queda descartada 5.
1.2.7 Productos sustitutos. Teniendo en cuenta los diferentes usos que se le han dado al Estireno, los cuales son: Fibras. Láminas de fibras de vidrio. Fabricación de una amplia gama de polímeros: - Poliestireno (envases para alimentos o comida precocinada, menaje de hogar, muebles, artículos de uso médico y de laboratorio.) - Poliestireno expandible (aislamiento, embalaje.) - Poliestireno impacto. Resinas (pinturas, abrillantador, dispersantes.) Resinas poliéster (náuticas, botones, automóviles.) Sistemas de aislamiento. Tableta electrónica. Producción de plásticos transparentes. Cauchos SBR/SBS/SIS/Látex (Neumáticos, suelas para calzado, adhesivos, modificación asfaltos, recubrimientos para papel, aditivos para pintura, tuberías, etc)
14
23233 Análisis de Procesos Grupo: L3 Estireno
Debido a la gran variedad de productos que se pueden obtener, también existe una variada competencia de acuerdo a la materia prima que se emplea para la fabricación de dichos productos, los cuales pueden llegar a ser sustitutos del estireno, tales como:
Poliuretano en suelas de calzado, pinturas, embalajes, componentes de automóviles. Polipropileno en juguetes, maletas, tapas de botellas, jeringas. Polietileno en embalajes, plástico para empaques, sistemas de aislamiento, tuberías. Cloruro de polivinilo en muebles, partes para automóviles, tuberías, botellas. Resinas fenólicas en adhesivos, materiales aislantes, muebles y partes de automóviles.
1.3 INSUMOS 1.3.1 Inhibidor P-Terbutil Catecol Compuesto químico de formula molecular C 10H1402, sólido de olor fenólico, color blanco, puede actuar como antioxidante, inhibidor y estabilizante. Compuesto orgánico derivado del catecol utilizado para estabilizar e inhibir la polimerización del butadieno, estireno y vinil acetato entre otros monómeros reactivos, es 35 veces mejor inhibidor que la hidroquinona. Es insoluble en agua y soluble en aldehídos y cetonas.
Figura 3. Estructura molecular de p-terbutilcatecol.
Este compuesto es corrosivo e inflamable, nocivo por inhalación, contacto con la piel, y por ingestíon irritante de ojos, sistema respiratorio y piel. Provoca graves quemaduras en la piel y lesiones oculares. Usar el equipo de seguridad apropiado al manipular este producto.
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El producto puede causar despigmentación en la piel, por lo que es necesario el uso de guantes para proteger las manos, a su vez almacenar en un lugar fresco y seco con adecuada ventilación, en envases bien cerrados. Tabla 8. propiedades físicas del p-terbutil catecol
Formula Peso molecular[g/mol] Punto de fusión [°C] Punto de ebullición [°C] Flash Point [°C] Presión de vapor a ,25 ° C [Pa] Densidad (25 °C) [g/cm3 ]
C10H1402 166,217 55 285 130 0,133 1,05
Elaboración propia con base en Maquimex 19/Marzo/2012. Hojas de datos de seguridad. Fuente: [Enlinea]..[C itado el 11 noviembre de 2015].
1.3.1 Catalizador Los óxidos inorgánicos son los catalizadores más empleados en la industria para la producción de estireno-monómero, particularmente los óxidos de hierro en forma de hematita (Fe203) promovidos por los óxidos se potasio, cerio y cromo 6.Si bien estos catalizadores presentan alta actividad, selectividad y bajo costo por ser abundantes, su desactivación rápida, su área superficial específica baja, su alta toxicidad y su mayor polución ambiental debido a la presencia de cromo constituyen notorias desventajas7. La composición más común de este catalizador es 90% Fe 203, 4 % Cr 203 y 6 % K2C03. A la temperatura de reacción el carbonato potásico es considerablemente volátil y esto hace que sea lentamente perdido. Por esto es que el carbonato debe ser repuesto por adición a la alimentación. Comercialmente se suelen utilizar partículas de catalizador extraídas de 4-6 mm de diámetro. Para mejorar la selectividad del catalizador se utilizan tamaños más pequeños, trayendo como consecuencia un aumento en la presión. El tiempo de vida del catalizador es de 1 a 2 años.
1.4 CAPACIDAD DE LA PLANTA En base al estudio de mercado y el análisis de los datos suministrados por el DANE se realizaron las proyecciones a partir del año 2013 ya que es el último año del cual se conoce información de demanda para el estireno, no obstante, se realizaron los
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cálculos teniendo en cuenta un tiempo de operación de 10 años para la planta, comenzando desde el año 2016 hasta el 2025, la metodología consiste en calcular la demanda efectiva para el producto, y por medio de la función objetivo de Excel se calcula un valor de capacidad de planta de tal manera que el promedio de los porcentajes de utilización anual de la planta sea del 80% (dato heurístico). La capacidad teórica obtenida para el diseño es de 151656,8 Ton/año sin embargo por aspectos de seguridad se debe instalar una planta con un 20% más de la capacidad de diseño teórica, es decir, la capacidad de planta que se debe instalar para satisfacer la demanda colombiana de estireno es de 181988.1 Ton/año. Teniendo en cuenta el estudio de mercado realizado y debido a los múltiples usos del estireno en la industria de material plástico se prevé un crecimiento anual del mercado de 6,6%. (Ver Anexo C. Datos de crecimiento anual del mercado de Estireno)
1600
) n o T ( d a d i t n a C
DEMANDA PROYECTADA DE ETILBENCENO HASTA 2025
1200
800 Demanda 400
0 1990
1995
2000
2005 2010 Tiempo (años)
2015
2020
2025
Fuente: Autores
Como se puede observar la demanda de Etilbenceno sufre variaciones en los años mostrados, ya que presenta un pico exagerado en el año 1999 con una demanda de 1557,3 toneladas, a su vez se evidencia un aumento en la demanda desde el año 2004 hasta el año 2008, pero comienza a disminuir significativamente desde el 2011 hasta el 2013, teniendo en cuenta las proyecciones desde el 2013 hasta el 2025 la curva de demanda disminuirá hasta llegar a cero en el año 2016.
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Fuente: Autores
La demanda de estireno en los primeros años mostrada en el estudio de mercado, tiene un crecimiento importante desde el año 1991 hasta el año 1997, por lo cual la oferta de estireno en Colombia se incrementa durante estos años. En el año 1998 hasta el 2000 la demanda y la oferta sufre algunas fluctuaciones, desde el 2001 hasta el 2003 existe una disminución importante tanto en la demanda como en la oferta. Al cabo del año 2004 se observan variaciones en el mercado muy importante con picos elevados. También se puede observar que la proyección de la demanda desde el año 2014 hasta el 2025 se mantiene aproximadamente constante y la oferta decrece a partir del año 2014, por lo tanto, se concluye que se podrá aumentar la capacidad de la planta para satisfacer el mercado de estireno a nivel nacional en un futuro próximo.
1.5 COMPETENCIA Asia ha sido el principal impulsor del aumento de la demanda de estireno debido a la expansión industrial que ha tenido para la producción y comercialización de poliestireno, principalmente en China. El crecimiento en la demanda también se ha notado en Europa central y oriental y en Sur América. La importación de estireno desde el 2008 hasta el 2010 es dominado por China, seguida de países europeos y norteamericanos.
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Principales países importadores de Estireno Monto de Importaciones (M USD) Países
1 2 3 4 5
China Bélgica Estados Unidos Alemania México
3709 1088 937 676 643
Fuente: Styrene Uses and Market Data
Monto de Importaciones (MUSD)
10% 13%
9%
China 53%
Belgica Estados Unidos
15%
Alemania México
Fuente: Styrene Uses and Market Data
Las exportaciones a nivel mundial de estireno en el 2008 es dominado por Países Bajos, Corea del Sur y Estados Unidos. Principales paises exportadores de Estireno Países
Monto de las exportaciones (MUSD)
1
Países Bajos
2488
2
Corea del Sur
1665
3
Estados Unidos
1475
Fuente: Styrene Uses and Market Data
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Monto de las exportaciones (MUSD)
26%
44%
Países Bajos Corea del Sur
30%
Estados Unidos
Fuente: Styrene Uses and Market Data
Colombia no es un país exportador de estireno; por el contrario. Se ha presentado un aumento en las importaciones desde el año 2007. El estireno, compuesto necesario para la producción de poliestireno, debe ser importado pues en el país no hay lo suficiente producción para proveer las cantidades que se requieren en una planta construida para la producción de poliestireno. Las principales empresas importadoras requieren el estireno para la fabricación de plásticos en formas primarias, cauchos sintéticos y suplementos de construcción como tejas y tanques. El estireno importado viene principalmente desde Estados Unidos por vía marítima a través de los puertos de Cartagena y de Barranquilla. Algunas empresas colombianas exportan estireno a países vecinos desde Cartagena por vía marítima y terrestre hacia Venezuela y Costa Rica, y a Ecuador por vía terrestre desde Maicao e Ipiales.
2. ESTUDIO TÉCNICO El estireno, según la literatura presenta varias rutas de síntesis (ver tabla1) de las cuales la deshidrogenación catalítica del etilbenceno es la más aplicada industrialmente, debido a que algunos procesos utilizan cloro, cuya materia prima tiene costo elevado y los residuos e impurezas orgánicas cloradas en el etilbenceno alimentado contaminan el monómero del estireno, y perjudican el medio ambiente. Además, los procesos que usan el petróleo para sintetizar estireno son complejos y costosos en cuanto a requerimiento energético, también presenta desventajas
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respecto a la elevada exotermia que desactivan los sistemas catalíticos debido a la formación de coque. Actualmente, los óxidos inorgánicos con promotores son los catalizadores más empleados en la industria, particularmente los óxidos de hierro en forma de hematita (Fe2O3) promovidos por los óxidos de potasio, cerio y cromo. Estos catalizadores se caracterizan por presentar desactivación rápida, área superficial específica baja, alta toxicidad y alta polución ambiental debido a la pr esencia de cromo. Sin embargo presentan alta actividad, gran selectividad y bajo costo por ser abundantes.
2.1 RUTA DE SÍNTESIS En la deshidrogenación catalítica del etilbenceno toman lugar las siguientes reacciones: La (ec.1) es la reacción necesario que la temperatura se encuentre entre 550600°C. Las reacciones que toman lugar son las siguientes:
(1)
(2)
(3) Figura 4. Sistemas de reacciones para la fabricación de estireno.
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2.2 DESCRIPCIÓN DEL PROCESO El proceso de producción del estireno, es un proceso en continuo. Inicialmente se adecúa la alimentación de etilbenceno que es nuestra materia prima la cual está disponible a 30°C (estado líquido) hasta tenerla como vapor saturado c on ayuda de un precalentamiento usando un intercambiador de calor E-401 y mezclandola con vapor sobrecalentado. El vapor de agua es inerte en la reacción y está presente como diluyente, lo cual permite desplazar el equilibrio a favor de la producción de estireno, el vapor además proporciona energía para conducir la reacción. Este vapor originalmente está disponible como vapor de baja presión, el cual se sobre calienta en el horno H-401, la dosificación de vapor es de 15 partes de vapor por cada parte de etilbenceno, en base molar. Esta corriente será la alimentación para dos lechos adiabaticos R401 a-e y R-402 a-e donde se efectuará las reacciones, el diseño en serie con calentamiento intermedio permite aumentar la conversión para la obtención de los productos. El flujo de vapor para el calentamiento en E-402 está en una relación 0,6:1 respecto a la suministrada en E-401, en base molar. La temperatura de la corriente de productos se reduce por medio de tres enfriadores de productos E-403, E-404 y E-405 hasta una temperatura de 65°C ; la cuál se envía a un separador de tres fases V-401, donde se obtiene los gase s ligeros (hidrogeno, metano, etileno), líquido orgánico y efluente de agua en corrientes separadas. La corriente orgánica que contiene el producto deseado se destila en dos torres de destilación, en la primera T-401 se elimina el benceno y tolueno, en la segunda T402 se separa el etilbenceno que no reacciona el cual es recirculado para la producción del estireno.
2.3 DIAGRAMA DE FLUJO DE BLOQUES
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Fuente: Autores
2.4 DIAGRAMA DE FLUJO DEL PROCESO
Figur a 5. Diagrama de flujo del proceso
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CONCLUSIONES
Se realizó el estudio técnico y de mercado preliminar para la puesta en marcha de una planta de producción de estireno que trabaje durante un periodo de 10 años, desde el año 2016 hasta el 2025. Se determinó la mejor ruta de síntesis analizando los procesos históricos y actuales de producción de estireno, también se determinaron las mejores condiciones de operación para los equipos con el fin de garantizar el funcionamiento óptimo de la planta. Se estimaron los datos de oferta y demanda por medio de una proyección tendencial realizada con la ayuda de Excel, esto nos permitió determinar la información para el mercado potencial de estireno durante los próximos 10 años. Se determinó la capacidad de la planta de estireno para saciar la demanda nacional con un porcentaje de utilización de 80% (dato heurístico).
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BIBLIOGRAFÍA [Citado en noviembre del 2013] Disponible en 1.REPSOL
2. TOLOSA, María; RIOS, Felipe; LEÓN, Álvaro. Producción de etilbenceno. Marzo 2012. 3. CEFIC [Citado el 11 de noviembre del 2015] Disponible en 4. Etilbenceno [citado el 13 de noviembre de 2015] Disponible en 5. CUNNINGHAM. Estireno Nota técnica.2013 6. CAUSADO,Robert. Deshidrogenación catalítica del etilbenceno. Año 2013. 7. KHATAMIAN. Nano ZSM-5 type ferrisilicates as novel catalysts for ethylbenzenedehydrogenation in the presence of N2O. Año 2011. 8. TURTON, Richard & others.Analysis, Synthesis and design of chemical processes. 3ra Edición. 9. WEISSERMEL, Klaus, JURGE, Hans. Química orgánica industrial. Editorial Reverté. Año 1981S.
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ANEXOS ANEXO A: Ficha de seguridad del Etilbenceno.
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ANEXO B: Ficha de seguridad del Estireno.
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ANEXO C: Hoja de cálculo del estudio de mercado Capacidad-de-Planta-Estireno.xlsx
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