Ingeniería básica de una planta de producción de policloruro de vinilo (PVC) granular

Trabajo Fin de Grado Ingeniería Química Ingeniería Básica de una Planta de Producción de Policloruro de Vinilo (PVC) Granular Autor: Cristóbal Beltrán Domínguez Tutor: Manuel Campoy Naranjo Dep. Escuela Técnica Superior de Ingeniería Equation Chapter 1 Section 1 Trabajo Fin de Grado Química Ingeniería Básica de una Planta de Producción de Policloruro de Vinilo (PVC) Granular Cristóbal Beltrán Domínguez Manuel Campoy Naranjo Dep. Ingeniería Química y Ambiental Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2016 Equation Chapter 1 Section 1 Ingeniería Básica de una Planta de Producción de Policloruro de Vinilo (PVC) Granular Trabajo Fin de Grado Ingeniería Química Ingeniería básica de una Planta de Producción de PVC granular Autor: Cristóbal Beltrán Domínguez Tutor: Manuel Campoy Naranjo Departamento de Ingeniería Química y Ambiental Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2016 Trabajo Fin de Grado Ingeniería básica de una Planta de Producción de PVC granular Autor: Cristóbal Beltrán Domínguez Tutor: Manuel Campoy Naranjo El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2016 El Secretario del Tribunal AGRADECIMIENTOS En primer lugar quiero agradecer a mi familia todo el apoyo recibido, no sólo durante la realización de este trabajo, sino a lo largo de todos estos años de estudio. También me gustaría mostrar mi agradecimiento a todos los compañeros y profesores que me han ayudado a lo largo de la carrera. En especial, quiero expresar mi más sincera gratitud al profesor D. Manuel Campoy Naranjo, por su dedicación y supervisión durante toda la realización del presente proyecto. RESUMEN En el presente proyecto se lleva a cabo la ingeniería básica de una planta de producción de policloruro de vinilo (PVC) granular a partir de cloro y etileno como materias primas. Esta planta posee una capacidad de producción anual de 55.000 toneladas al año. El complejo industrial en el cual transcurre este proceso consta de dos plantas de fabricación distintas: la de cloruro de vinilo (CVM) y posteriormente la del propio policloruro de vinilo. En la primera de ellas tiene lugar la formación de dicloroetano (DCE), que es un producto intermedio en la obtención del cloruro de vinilo y que se produce mediante dos operaciones distintas, como son la cloración directa del etileno y la oxicloración. El siguiente paso es la purificación de dicho dicloroetano, procedente de ambas vías y que se realiza en una unidad formada por dos columnas de destilación. Posteriormente, el DCE depurado se alimenta a un reactor de craqueo o pirólisis para producir el cloruro de vinilo monómero y también se genera ácido clorhídrico. A la salida del reactor el producto compuesto por CVM, HCl y dicloroetano no convertido entra en una nueva etapa depuración. En ella se separan el ácido clorhídrico y el DCE (que se recirculan al reactor de oxicloración y a la fase de purificación de dicloroetano, respectivamente) del cloruro de vinilo, que será empleado en la siguiente planta como materia prima para fabricar el PVC. A continuación, se encuentra la planta de policloruro. El CVM obtenido en el proceso anterior se introduce como alimentación a un reactor de polimerización, junto con agua desmineralizada y una serie de aditivos, para producir la resina de PVC en suspensión. El producto resultante del reactor, que es un “slurry” formado básicamente por PVC, agua y CVM no polimerizado, pasa por una fase de desgasado y por una columna de stripping para retirar todo el porcentaje de monómero que contiene y se envía a una unidad de centrifugado en la cual se separan el agua por un lado y el PVC húmedo por otro. Finalmente, dicho PVC húmedo se alimenta a un secador junto con aire seco precalentado y de este equipo salen dos corrientes: una con aire húmedo y otra con PVC seco, el cual se envía, tras pasar por una etapa de tamizado para cumplir con las especificaciones de producto requeridas, a unos silos de almacenamiento desde los cuales se distribuirá la resina de policloruro de vinilo producida. ABSTRACT In the present project it is carried out the basic engineering of a production plant of granular polyvinylchloride (PVC) from chlorine and ethylene as raw materials. This plant has an annual production capacity of 55,000 tons per year. The industrial complex in which this process takes place has got two different plants of manufacture: vinyl chloride (CVM) and polyvinylchloride. In the first of these takes place the formation of dichloroethane (DCE), which is an intermediate product in the preparation of vinyl chloride and it is produced by two different operations, such as direct chlorination of ethylene and oxychlorination. The next step is the purification of the dichloroethane, from both operations and it is performed in a unit consisting of two distillation columns. Subsequently, the purified DCE is fed into a cracking or pyrolysis reactor to produce vinyl chloride monomer and hydrochloric acid too. On leaving the reactor the product composed of CVM, HCl and dichloroethane not transformed enter into a new stage of purification. In this stage, hydrochloric acid and DCE (which are recirculated to the oxychlorination reactor and the purification stage dichloroethane, respectively) are separated of vinyl chloride, which will be used in the next plant as raw material for making PVC. In the polyvinyl chloride plant, the CVM obtained in the previous process is fed to a polymerization reactor, together with demineralized water and additives to produce PVC resin in suspension. The product from the reactor, which is a "slurry" basically formed by PVC, water and CVM unpolymerized, goes through a phase of degassing and column stripping to remove all percent monomer containing and sent to a unit of centrifuge in which the water on one side and wet PVC on the other are separated. Finally, the wet PVC is fed into a dryer with preheated dry air and there are two streams that go out from this equipment: one with humid air and other with dry PVC, which is sent, after passing through a screening step to meet specifications product required, to some storage silos from which the polyvinylchloride resin produced is distributed. ÍNDICE 1. Introducción 15 1.1. Definición del Proyecto 15 1.1.1. Bases del proyecto 15 1.1.2. Alcance del proyecto 15 1.1.3. Localización de la instalación 16 1.2. El PVC y sus características 20 1.3. Procesos de obtención de PVC 22 2. Memoria Descriptiva y Justificativa 29 2.1. Proceso de Producción del cloruro de vinilo 29 2.1.1. Antecedentes 31 2.1.2. Materias primas 32 2.1.2.1. Características de las materias primas 32 2.1.2.2. Proceso de obtención de las materias primas 32 2.1.3. Cloración directa 34 2.1.4. Oxicloración 38 2.1.5. Depuración de dicloroetano 41 2.1.6. Pirólisis (cracking) del dicloroetano 43 2.1.7. Depuración del cloruro de vinilo monómero 45 Figura 20. Esquema unidad de depuración de DCE 64 Figura 21. Esquema unidad de depuración de cloruro de vinilo 68 Figura 22. Proceso de producción de dicloroetano 78 Figura 23. Precalentador del aire de secado 82 Figura 24. Secador del PVC húmedo 83 Figura 25. Unidad de depuración de DCE 90 Figura 26. Unidad de depuración de CVM 102 Ingeniería básica de una Planta de Producción de PVC granular Cristóbal Beltrán Domínguez Página 15 1. INTRODUCCIÓN 1.1. Definición del Proyecto 1.1.1. Bases del proyecto El objetivo del presente proyecto es realizar la ingeniería básica de una planta de producción de policloruro de vinilo (PVC) granular. Dicho proyecto abarca desde la recepción de las materias primas necesarias, que son el cloro y el etileno, hasta la producción de la resina de PVC por el método de suspensión, con el consiguiente proceso de acabado que satisfaga los requisitos y su correspondiente preparación para ser distribuida o comercializada. La planta se encuentra ubicada en Palos de la Frontera (Huelva) y posee una capacidad de producción de 55.000 toneladas de PVC al año. 1.1.2. Alcance del proyecto El trabajo se centra en: - Una introducción sobre el policloruro de vinilo y sus características, que permiten su empleo en multitud de aplicaciones, así como los distintos procesos que existen para su obtención. - Una descripción completa del proceso llevado a cabo para producir resina de policloruro de vinilo a partir de las materias primas, indicando datos y condiciones de operación de los diferentes equipos o unidades que constituyen el proceso global. - Una memoria de cálculo que incluye el desarrollo de los balances de materia y energía de las dos plantas de fabricación en las cuales tiene lugar el proceso, junto con el diseño de los equipos principales que conforman las sucesivas etapas de producción. - Una serie de mediciones para efectuar la estimación del coste individual de cada fase del proceso y del presupuesto global del proyecto. - Un conjunto de planos y diagramas (de bloques y de flujos) de las dos plantas de producción que constituyen la ingeniería básica del presente proyecto. Ingeniería básica de una Planta de Producción de PVC granular Cristóbal Beltrán Domínguez Página 16 1.1.3. Localización del emplazamiento La fábrica de producción de PVC se encuentra ubicada geográficamente en Palos de la Frontera (Huelva), concretamente en el Polígono Industrial Nuevo Puerto de su término municipal y próxima a las plantas ya existentes de cloro-sosa y dicloroetano (DCE). En la figura 1 es posible visualizar un plano de su ubicación exacta. Figura 1. Localización geográfica del complejo industrial de producción de resina de policloruro de vinilo. [44] Esta factoría de producción de resina de PVC consta de dos plantas: la planta de obtención de cloruro de vinilo monómero (CVM) y la del policloruro de vinilo. Ingeniería básica de una Planta de Producción de PVC granular Cristóbal Beltrán Domínguez Página 17 Las razones que han llevado a ubicar el complejo industrial en este lugar de España son las siguientes: • En primer lugar, en esa zona existe una planta de cloro-sosa y otra de 1,2 dicloroetano, pertenecientes a la compañía Ercros y que fueron puestas en marcha en 1973 y 1998, respectivamente. La Planta de cloro-sosa produce cloro, sosa cáustica (NaOH) e hidrógeno (H 2 ). La sosa es utilizada para obtener hipoclorito sódico o para su venta. El cloro, por su parte, se emplea como materia prima en la fabricación de hipoclorito, ácido clorhídrico (junto con el hidrógeno) y también para originar el DCE. La planta de 1,2 dicloroetano produce el DCE a partir del cloro procedente de la planta de cloro-sosa y de etileno. Posteriormente, este dicloroetano será enviado como materia de base a la planta de CVM para dar lugar al cloruro de vinilo y este último será tratado en la planta de PVC para fabricar la resina de policloruro de vinilo. Asimismo, Ercros dispone de la concesión de la Salina de Huelva (situada en Isla Bacuta Norte y Cajavías, Aljaraque), que abastece a la planta de cloro-sosa, ya que el cloro se obtiene mediante electrólisis de la sa.l [44] • El otro gran motivo que justifica la instalación de estas dos plantas de producción en esta localidad se debe a que las demás empresas productoras de resina de policloruro se encuentran todas en el norte de la península (como se puede observar en la figura 2). De esta forma se consigue satisfacer la demanda de países vecinos como son Portugal y Marruecos, así como de otros estados del Norte de África. Ingeniería básica de una Planta de Producción de PVC granular Cristóbal Beltrán Domínguez Página 18 Figura 2. Plantas productoras de resina de PVC en España. [14] Portugal es un país deficitario de PVC, debido a que su capacidad de producción de este polímero supone únicamente en torno al 2,4-2,5% del total de la fabricación de este producto en Europa Occidental (dato que se muestra en la figura 3 adjunta). Como consecuencia de ello, requiere un gran número de importaciones para su consumo propio. Figura 3. Distribución de las capacidades europeas de producción de PVC. [10] Ingeniería básica de una Planta de Producción de PVC granular Cristóbal Beltrán Domínguez Página 19 Las relaciones diplomáticas entre España y Marruecos son excelentes, prueba de ello es que España se ha consolidado como el primer proveedor de Marruecos (e incluso se ha aumentado la ventaja respecto de Francia). El producto español es considerado tecnológicamente más avanzado y de mejor calidad que el nacional marroquí. Además, la cercanía geográfica de ambos países (y concretamente entre Huelva y Marruecos) ofrece una ventaja logística que repercute también en el precio final. En este sentido, el hecho de que Huelva cuente con adecuadas instalaciones portuarias facilita las exportaciones de policloruro de vinilo de un país a otro. La figura 4 recoge los principales países proveedores de Marruecos. Figura 4. Principales países exportadores a Marruecos. [5] El sector de envase y embalaje a partir de PVC y otros materiales plásticos ha registrado un notable desarrollo en los últimos años y ello ha provocado que el volumen de las importaciones de estos productos haya crecido considerablemente y que España ocupe los primeros puestos como suministrador. Cabe destacar también el sector de la construcción, en el cual las mayores importaciones marroquíes de tuberías, perfiles, accesorios… de PVC proceden igualmente de España. [5] Ingeniería básica de una Planta de Producción de PVC granular Cristóbal Beltrán Domínguez Página 20 1.2. El PVC y sus características El policloruro de vinilo o PVC es uno de los plásticos más usados en el mundo, junto con el polietileno y el polipropileno, debido a las múltiples cualidades que posee, así como a su gran versatilidad y a su precio, relativamente económico para las numerosas prestaciones que ofrece. Se trata de un producto ligero, impermeable, aislante, química y biológicamente inerte, resistente al fuego y a la intemperie, de larga duración y de elevada transparencia. Además se caracteriza por ser un material completamente inocuo, que no conlleva riesgos para la salud ni en su producción ni en su utilización, por lo que se considera idóneo para aplicaciones médicas. Es también una buena barrera para el oxígeno, la humedad y los olores y tiene propiedades antibacterianas, que lo hacen muy adecuado para envases y embalajes alimentarios. Asimismo, el contenido en cloro de su molécula confiere al PVC un buen comportamiento en caso de incendio, siendo un material auto-extinguible que no arde salvo en caso de estar en presencia de llama continuada. Por último cabe recalcar su composición cualitativa, carente de toda presencia de metales pesados, que permite convenientemente la recuperación por valorización energética (incineración), además de su reciclado. Como consecuencia de esta amplia variedad de propiedades de las que dispone, su uso está extendido en numerosos y diversos sectores, tanto industriales como domésticos, entre los que destacan: - La construcción - Envase y embalaje - Industria del automóvil - Aplicaciones médicas - Electricidad y electrónica - Agricultura - Mobiliario - Artículos de papelería - Aplicaciones domésticas y de ocio - Etc. [10] Ingeniería básica de una Planta de Producción de PVC granular Cristóbal Beltrán Domínguez Página 21 En la figura 5 se puede ver una distribución de estas utilidades del PVC por sectores en Europa. Figura 5. Principales usos del PVC en Europa. [10] La incorporación de aditivos (estabilizantes, lubricantes, plastificantes, modificadores de impacto, cargas y pigmentos) permite transformar la resina en un producto acabado y posibilitan su utilización en multitud de aplicaciones: rígidas o flexibles, transparentes u opacas, compactas o espumadas, dependiendo de las necesidades del producto. Como ejemplo se puede citar su empleo para suelos en hospitales, colegios, etc, (por su facilidad para limpieza y desinfección, ya que la continuidad de su superficie permite evitar zonas mal desinfectadas como las juntas de baldosas). Aproximadamente el 60% del PVC producido tiene una vida de servicio en sus aplicaciones entre 15 y 100 años. También posee beneficios medioambientales para los usos de corta vida, por ejemplo es utilizado en equipos médicos como es el caso de bolsas para sangre (conservándose la misma hasta cuatro veces más tiempo que con otros materiales). Consume menos energía en comparación con la fabricación de vidrio, es más ligero para el transporte y por tanto emite en su ciclo de vida menos anhídrido carbónico (CO 2 ). Esto mismo ocurre en el uso del PVC para el caso de componentes del automóvil. Ingeniería básica de una Planta de Producción de PVC granular Cristóbal Beltrán Domínguez Página 22 1.3. Procesos de obtención de PVC El policloruro de vinilo o PVC es un material termoplástico (polímero sintético de adición) obtenido por la polimerización del cloruro de vinilo monómero (CH 2 =CHCl), mediante el proceso de polimerización en cadena por apertura de dobles enlaces (“chain-growth polymerization”). [1] En la figura 6 se puede observar la estructura de ambas sustancias. Figura 6. Estructura molecular del policloruro de vinilo (PVC). [1] Existen dos clases de reacciones de polimerización claramente diferenciadas tanto por los mecanismos de las reacciones como por la naturaleza de los monómeros: 1. Polimerización en cadena por apertura de dobles enlaces (“chaingrowth polymerization”): se produce como consecuencia de la activación de monómeros que cuentan en su estructura molecular con un doble enlace entre dos de sus átomos de carbono, en presencia de pequeñas concentraciones de iniciadores, de manera que sus dobles enlaces se abren y los monómeros reaccionan rápidamente entre sí, encadenándose unos con otros: De esta forma se establecen nuevos enlaces coordinados y se generan nuevas moléculas, cuya masa molecular es múltiplo de la correspondiente al monómero. A tales efectos, el doble enlace puede considerarse como un grupo difuncional que no genera ningún tipo de residuo. Antiguamente, a este tipo de polimerizaciones se las conocía como poliadiciones. El mecanismo de este tipo de polimerizaciones consiste en una serie de reacciones en cadena consecutivas y simultáneas que determinan las tres etapas fundamentales del crecimiento de la cadena macromolecular. Ingeniería básica de una Planta de Producción de PVC granular Cristóbal Beltrán Domínguez Página 23 Las tres etapas son: - Iniciación: se da mediante la activación o apertura del doble enlace en una molécula aislada de monómero, que queda electrónicamente desequilibrada. - Propagación: ocurre al chocar las moléculas activadas con otras moléculas de monómero y unirse a ellas por ambos lados de los dobles enlaces abiertos. - Terminación: se basa en la desactivación del grupo molecular al desaparecer el desequilibrio electrónico y las macromoléculas quedan de nuevo estabilizadas. Esta clase de reacciones son muy rápidas. Dentro de ellas hay que destacar la polimerización radicalaria o por radicales libres, en la cual la activación del doble enlace puede realizarse no sólo mediante determinados iniciadores químicos (que es lo más frecuente en la práctica), sino también por la acción de elevadas temperaturas o de ciertas radiaciones. 2. Polimerización escalonada o paso a paso (“step-growth polymerization”): tiene lugar en monómeros que carecen de dobles enlaces pero disponen de varios grupos funcionales reactivos, los cuales reaccionan intermolecularmente generando moléculas mayores con grupos funcionales nuevos que, posteriormente, pueden crecer a su vez al reaccionar entre sí o con otras moléculas monoméricas. Los grupos funcionales reactivos pueden generar como residuos de reacción determinadas moléculas sencillas, como por ejemplo agua. En un principio estas reacciones fueron denominadas como policondensaciones. En este caso, como se ha indicado anteriormente, la polimerización del cloruro de vinilo monómero (CVM) a policloruro de vinilo corresponde al primero de los dos tipos citados. [2] Ingeniería básica de una Planta de Producción de PVC granular Cristóbal Beltrán Domínguez Página 30 Figura 8. Proceso de Producción de DCE y Cloruro de vinilo monómero. [20] Figura 9. Esquema de producción equilibrada de DCE y de cloruro de vinilo. [10] Ingeniería básica de una Planta de Producción de PVC granular Cristóbal Beltrán Domínguez Página 31 2.1.1. Antecedentes La fabricación del cloruro de vinilo monómero empezó a llevarse a cabo en la década de los 30 y hasta el año 1960 era obtenido por hidrocloración en fase gaseosa del acetileno. Según creció la demanda de este producto y dada la gran disponibilidad de etileno desde el principio de los años 50, aparecieron nuevos procesos de fabricación basados en etileno y cloro, los cuales incluían la cloración directa de etileno para formar DCE (1,2-dicloroetano) y posteriormente se efectuaba la pirólisis del mismo para producir el CVM. Sin embargo, en sus inicios la industria no tuvo un gran crecimiento pues el craqueo (o pirólisis) del DCE produce ácido clorhídrico como coproducto, el cual no tenía tanta salida comercial en aquella época. A finales de los años 50, el desarrollo de la oxicloración solucionó este problema del HCl, permitiendo una expansión de la industria del cloruro de vinilo. Actualmente son estos dos procesos (la cloración directa del etileno y la oxicloración con cloruro de hidrógeno y oxígeno), seguidos de la pirólisis (cracking) del dicloroetano, los habitualmente utilizados para la obtención del CVM (ya no se usa en Europa el procedimiento de hidrocloración en fase gaseosa del acetileno). [16] En la pirólisis del dicloroetano se produce cloruro de hidrógeno, que puede ser comercializado o bien reutilizado en el proceso de oxicloración, y lo mismo sucede con el DCE no transformado en la reacción. Cuando una unidad reutiliza la totalidad del dicloroetano y del cloruro de hidrógeno en la obtención del cloruro de vinilo (y por tanto no vende al exterior ninguno de estos dos compuestos) se dice que la unidad está equilibrada y al procedimiento se lo conoce como proceso balanceado de producción de CVM. Habida cuenta que no se convierte la totalidad del dicloroetano, la parte no transformada es recirculada al proceso de depuración, donde entra junto con el DCE procedente de la cloración directa y el de la oxicloración. Esto hace que la cantidad de este producto a depurar sea superior al estequiométricamente necesario para obtener una tonelada de cloruro de vinilo monómero. La capacidad de depuración de dicloroetano de una planta es uno de los parámetros que se toma como referencia para la evaluación de los valores de emisión de las plantas. Asimismo, para cierto tipo de contaminantes tales como el cobre y PCDD’s/F’s, es la capacidad de producción de DCE por vía oxicloración la referencia para la evaluación de las citadas emisiones. Ingeniería básica de una Planta de Producción de PVC granular Cristóbal Beltrán Domínguez Página 32 2.1.2. Materias primas 2.1.2.1. Características de las materias primas El policloruro de vinilo es un polímero termoplástico que se obtiene de dos materias primas como son el cloro y el etileno. El primero constituye un 57% en peso de su composición y se produce a partir de la sal común o cloruro sódico (NaCl) y electricidad, mediante electrólisis. Por otra parte, el etileno representa el 43% en peso restante y proviene del petróleo a través de un cracking con vapor. La unidad de producción del cloruro de vinilo monómero es equilibrada y en ella el cloro y el etileno (que son las materias primas necesarias para llevar a cabo este proceso) son suministrados por tubería, procedente de instalaciones próximas. El cloro proviene de la planta de cloro-sosa situada en el mismo polígono industrial Nuevo Puerto de Palos de la Frontera (Huelva, y que fue mencionada en la Introducción). El etileno, por su parte, es aportado por la Refinería de La Rábida, perteneciente a la compañía CEPSA y que se encuentra también localizada en dicho complejo industrial. De ello se deduce que las distancias de transporte a recorrer para el aprovisionamiento de las materias primas a la Planta de CVM son relativamente pequeñas. Dado que el cloro se obtiene a partir de la sal junto con electricidad y el etileno procede del petróleo, es posible afirmar que éstas (sal y petróleo) son las materias base para la fabricación del policloruro de vinilo. 2.1.2.2. Proceso de obtención de las materias primas En este apartado se describe brevemente el procedimiento que se sigue para producir el cloro y el etileno que, posteriormente, supondrán el comienzo del proceso global de fabricación del policloruro de vinilo granular. También se menciona el oxígeno, compuesto que también desempeña un papel importante en este proceso. 1) El cloruro de sodio o sal común es una fuente natural inagotable. El modo en que se extrae el cloro de la sal es mediante la operación de electrólisis, que se realiza en la planta de cloro-sosa. Ingeniería básica de una Planta de Producción de PVC granular Cristóbal Beltrán Domínguez Página 33 En este proceso se generan como productos finales, además de cloro, sosa cáustica o hidróxido de sodio (NaOH) e hidrógeno, a partir de la electrólisis de una salmuera preparada con la sal disuelta en agua para luego ser disociada. Esa sal empleada procede de la Salina de Huelva (que se encuentra en el término municipal de Aljaraque, relativamente próxima al complejo), la cual abastece a la planta de cloro-sosa y cuya concesión pertenece también a la compañía Ercros. La parte central de la electrólisis la constituye la “célula electrolítica”. En ella, por efecto de la energía eléctrica, la salmuera se descompone: en el ánodo se desprende cloro que a continuación se seca, se comprime y se envía a la planta de cloruro de vinilo; mientras que en el cátodo el sodio se amalgama con el mercurio y esta amalgama se descompone con agua en la “pila”, dando H 2 (que se filtra, se comprime y se envía igualmente a la planta de CVM donde se utiliza como combustible “limpio”) y NaOH, que después de filtrarse se envía a los tanques de almacén de donde es expedida a los clientes externos. El cloro sale de la electrólisis como gas húmedo a baja presión, pero debe ser seco, por lo que se procede a su secado para luego ser enviado directamente a la unidad de producción de cloruro de vinilo monómero. Asimismo, el cloro tiene que ser además libre de inertes (O 2 , N 2 y CO 2 ), en caso contrario es necesaria una licuefacción y reevaporación posterior para la reducción de su contenido en dichas sustancias. Si no requiere licuado ni almacenaje intermedio y puede ser suministrado directamente entonces se simplifica el proceso, permite una reducción del consumo de energía y evita el hecho de tener que instalar complejos sistemas de almacenamiento, manipulación y control del cloro líquido. Para disminuir aún más si cabe la posibilidad de que existan pérdidas de cloro a la atmósfera, la mayor parte de los equipos que lo contienen se encuentran ligados a un sistema de absorción de este producto en sosa cáustica, transformándolo en hipoclorito sódico, que también se produce en esta planta para su venta (ya que es ampliamente utilizado en la desinfección y en procesos de blanqueo). [9] Ingeniería básica de una Planta de Producción de PVC granular Cristóbal Beltrán Domínguez Página 34 2) Por otro lado, el etileno se deriva del petróleo. El PVC es el plástico con menor dependencia de esta fuente no renovable (de la que hay disponibilidad limitada) de todos los que existen, ya que solamente un 4% del consumo total de petróleo se emplea para fabricar materiales plásticos y, de ese porcentaje, únicamente una octava parte corresponde al PVC. Proviene de un cracker con vapor, siendo el proceso que tiene lugar en esta unidad un cracking térmico en fase vapor (steam cracking) del propio petróleo, en el cual se requiere que la presencia de propano y de propeno sea mínima al objeto de evitar la formación de cloropropanos y cloropropenos. Debido a que el etileno es un gas que se almacena y transporta con dificultad en condiciones criogénicas, su producción y consumo se realizan dentro de grandes complejos industriales en los que se encuentra integrada la refinería de tipo petroquímico y las plantas de producción de derivados (como es el caso de este proyecto y que se ha comentado previamente). Es un producto altamente reactivo participando en una gran cantidad de reacciones como son oxidación, polimerización, halogenación, alquilación,… [17] 3) Otra materia prima a tener en cuenta en el proceso de producción de CVM es el oxígeno (O 2 ), necesario para poder llevar a cabo la reacción de oxicloración del etileno. El oxígeno puede ser utilizado directamente, o bien puede ser reemplazado por aire , en cuyo caso el contenido en nitrógeno aumenta considerablemente el volumen de gases residuales a tratar. 2.1.3. Cloración directa En esta unidad de la planta de producción de CVM tiene lugar la reacción de cloración directa, que es aquella reacción en la cual el cloro gaseoso obtenido en la electrólisis se combina con el etileno, también gas y que procede de la refinería de La Rábida (situada en el término municipal de Palos de la Frontera, a escasa distancia de esta instalación), dando lugar al 1,2dicloroetano ó DCE, que es un producto intermedio que posteriormente será empleado para fabricar el cloruro de vinilo. La cloración del etileno es una reacción fuertemente exotérmica, en la que se desprenden 180 kJ/mol de calor y tiene la siguiente estructura: C 2 H 4 + Cl 2 C 2 H 4 Cl 2 Ingeniería básica de una Planta de Producción de PVC granular Cristóbal Beltrán Domínguez Página 35 Sin embargo, en este proceso se produce a su vez una reacción secundaria, que compite con la principal de cloración, y es la siguiente: CH 2 =CH 2 + 2Cl 2 Cl 2 CH - CH 2 Cl + HCl, donde se forma el 1,1,2-tricloroetano junto con ácido clorhídrico. La principal ventaja de esta operación es que permite altas tasas de conversión, ya que el DCE que se obtiene posee una pureza del 99,9%; una baja generación de residuos, evitando por tanto el gasto de insumos para su tratamiento. Los productos resultantes de esta etapa (teniendo en cuenta ambas reacciones) son aproximadamente un 99% de dicloroetano y en general menos de un 1% de otros productos tales como cloruro de etilo y 1,1,2 tricloroetano, que se obtiene en la reacción secundaria (como se ha indicado previamente). La formación de estos subproductos se puede reducir utilizando ciertos inhibidores (los más empleados suelen ser oxígeno o dimetilformamida). El proceso tiene lugar en fase líquida, concretamente utiliza la fase líquida del dicloroetano como medio de reacción y se lleva a cabo en un reactor catalítico de lecho fijo. Dado que se trata de un reactor catalítico, requiere el uso de un catalizador. Normalmente se emplean cloruros metálicos, siendo el cloruro férrico (FeCl 3 ) el más ampliamente utilizado (aunque también pueden usarse otros como cloruros de aluminio, cobre, antimonio…). [10] El cloruro férrico o tricloruro de hierro es un compuesto químico perteneciente al grupo de los haluros metálicos (que se presenta en forma de color café oscuro). Es un sólido, bastante volátil pues su enlace es principalmente covalente, con una presión de vapor alta (por lo que sus puntos de fusión, ebullición y sublimación son relativamente bajos, ya que sólo hay que romper fuerzas de Van der Waals para poder pasar de un estado a otro). Debido a dicho carácter covalente, es soluble en disolventes orgánicos. El FeCl 3 es un producto altamente versátil y con propiedades únicas. Prueba de ello es la gran variedad de aplicaciones con las que cuenta y entre las que destacan: Ingeniería básica de una Planta de Producción de PVC granular Cristóbal Beltrán Domínguez Página 36 - Posee un alto poder de formación de flóculos, característica que hace que sea un eficiente coagulante para el tratamiento de aguas residuales, aguas industriales y potabilización de agua. Además, el cloruro de hierro (III) ha sido utilizado durante muchos años como un acondicionador de lodos, etapa previa a la filtración. - También es ampliamente utilizado como agente lixiviante, para la obtención y purificación de molibdeno, para el abatimiento de metales pesados como arsénico, para el grabado y tratamiento de superficies metálicas, etc. - Asimismo, se utiliza en el laboratorio como ácido de Lewis para reacciones de catálisis como cloración y reacción de Friedel-Crafts de compuestos aromáticos. - Por último, una de sus más importantes aplicaciones es en la electrónica para producir placas de circuito impreso. [18] En la actualidad, existen nuevos procesos que emplean catalizadores complejos inorgánicos que proporcionan una mayor selectividad y disminuyen por tanto la formación de productos secundarios. Estos nuevos catalizadores no son corrosivos, lo que permite emplear como material de construcción de los equipos acero al carbono. Las condiciones de operación varían entre 50 ºC y 120 ºC de temperatura y de 1 a 5 bares (absolutos) de presión. Dentro de este rango de temperatura, la cloración se puede realizar a baja temperatura o a alta temperatura: • A baja temperatura (menos de 70 ºC), es decir, la reacción se da por debajo del punto de ebullición del dicloroetano (que está en torno a los 83,44 ºC aproximadamente), el cual debe ser lavado para eliminar el arrastre del catalizador y posteriormente secado, lo que implica un mayor consumo de energía. Por el contrario, esta opción tiene la ventaja de que el proceso es más selectivo y genera menos subproductos. • A alta temperatura, la reacción se desarrolla a una temperatura superior al punto de ebullición del dicloroetano, e incluso mayor de 90 ºC. El DCE se obtiene en fase gaseosa y se puede utilizar directamente en la unidad de cracking o pirólisis, esto conlleva menor consumo energético aunque se generan más subproductos que en la variante precedente. En este caso, es posible recuperar la energía del flujo de dicloroetano en fase vapor. Ingeniería básica de una Planta de Producción de PVC granular Cristóbal Beltrán Domínguez Página 37 En este proceso la cloración directa sucede a una temperatura de 100 ºC (alta temperatura), porque de esta manera el gasto energético disminuye considerablemente. La presión de operación es de 5 bar aproximadamente. La reacción tiene lugar con un pequeño exceso de etileno (un 3% en peso) y la conversión del reactivo limitante (cloro) se puede considerar completa, siendo la selectividad de la operación del 99%. En esta reacción de cloración no se produce agua. Esta etapa se caracteriza porque se generan pequeñas cantidades de residuos y los venteos de gases residuales (principalmente etileno, cloro, cloruro de hidrógeno e inertes) deben ser tratados antes de su emisión a la atmósfera. [10] La figura 10 muestra el diagrama de proceso de esta sección. Figura 10. Proceso de cloración directa. [17] Ingeniería básica de una Planta de Producción de PVC granular Cristóbal Beltrán Domínguez Página 38 2.1.4. Oxicloración En esta etapa del proceso de producción del cloruro de vinilo monómero se produce la reacción de oxicloración, en la que intervienen como reactivos el etileno gas (procedente de la misma refinería de La Rábida que suministraba al proceso de cloración directa), el ácido clorhídrico o HCl seco (el cual se aprovecha recirculando el obtenido en la operación de pirólisis posterior) y el oxígeno, obteniéndose como producto, al igual que en la unidad precedente, el 1,2-dicloroetano o DCE. La fuente de suministro de oxígeno puede ser el aire u oxígeno puro. Los procesos que trabajan con aire requieren un ligero exceso del mismo y de etileno para asegurar la conversión del cloruro de hidrógeno. Esto presenta el inconveniente de que se incrementa la formación de subproductos y el volumen de gases residuales. Por el contrario, en los procesos que operan directamente con oxígeno puro, se precisa un mayor exceso de etileno en la alimentación que en la alternativa anterior, pero la temperatura de trabajo es más baja y se reducen la cantidad de subproductos y el volumen de gases residuales considerablemente. Sin embargo, estas ventajas deben ser ponderadas frente al coste del oxígeno, que es mayor que en el caso de usar aire. No obstante, esta instalación va a funcionar con O 2 puro como reactivo (como todas las nuevas plantas, desde hace más de una década). La razón es que el empleo de dicho componente disminuye la cantidad de gas de venteo hasta en un 99% y el consiguiente ahorro de las unidades asociadas a este venteo (unidades de tratamiento, compresores,…) compensa el gasto que supone obtener el oxígeno puro. La reacción de oxicloración es altamente exotérmica, liberándose unos 238,5 kJ/mol de energía y ese calor de reacción es recuperado por intercambio térmico produciéndose vapor, que optimiza el rendimiento energético de la planta. Esta reacción es de la forma: C 2 H 4 + 2 HCl + 1/2 O 2 C 2 H 4 Cl 2 + H 2 O Del mismo modo que ocurría en la unidad de cloración, en este caso también se da una reacción secundaria como es la formación de cloral (tricloroacetaldehido): CH 2 = CH 2 + 3 HCl + 2 O 2 Cl 3 C−CHO + 3 H 2 O Ingeniería básica de una Planta de Producción de PVC granular Cristóbal Beltrán Domínguez Página 39 La oxicloración es un proceso que necesita una inversión mayor de capital, unos mayores costes de operación y que proporciona un DCE algo menos puro y de menor riqueza que la cloración directa, pero tiene la gran ventaja de que es un sumidero del cloruro de hidrógeno (coproducido en la obtención del cloruro de vinilo), por lo que su presencia se hace necesaria para poder cerrar el ciclo del HCl (y que el proceso sea de esta forma equilibrado). La selectividad de la formación de dicloroetano es del 96%, siendo la conversión que se alcanza de ácido clorhídrico del 99%. [16] El cloruro de hidrógeno, el etileno y el oxígeno reaccionan en fase gaseosa y la reacción se lleva a cabo en un reactor catalítico que puede ser de lecho fijo o de lecho fluido: • Lecho fijo: el reactor tiene el aspecto de un intercambiador multitubular en el cual el catalizador está envasado en tubos verticales sujetos por una envoltura en la parte superior e inferior. Es importante que ese envasado dentro de los tubos sea uniforme para que la caída de presión, el flujo y el tiempo de residencia sean iguales en cada tubo. El calor de la reacción es eliminado generando vapor en el lado de la cubierta del reactor o haciendo pasar algún otro fluido de transferencia de calor a través de él. La oxicloración por lecho fijo se realiza a temperaturas de 230-300°C) y presiones manométricas de 150-1.400 kPa (22–203 psig). Es importante controlar la temperatura. • Lecho fluido: consiste en un recipiente con tubos cilíndricos verticales equipados con una rejilla de soporte y un sistema de aspersión del material de alimentación concebido para proporcionar una buena fluidización del catalizador y distribución de esa alimentación. Como consecuencia de ello, se garantiza un contacto íntimo entre los vapores del material de alimentación y el producto, el catalizador y la superficie de transferencia de calor y la temperatura se mantiene constante. Contiene en su interior a los distribuidores de alimentación y serpentines de enfriamiento para eliminar el calor y utiliza ciclones internos o externos para reducir el arrastre del catalizador. Las condiciones de trabajo (presión y temperatura) son más bajas que en el caso de lecho fijo, con unos valores de 220 a 250 ºC y de 2 a 6 bars de presión relativa. Ingeniería básica de una Planta de Producción de PVC granular Cristóbal Beltrán Domínguez Página 46 La figura 14 muestra el tren de destilación para obtener el CVM producto. En esta sección del proceso no hay emisiones al aire y la neutralización del cloruro de vinilo se suele realizar con cal viva. Figura 14. Sección de destilación del CVM. [17] Ingeniería básica de una Planta de Producción de PVC granular Cristóbal Beltrán Domínguez Página 47 2.2. Proceso de Producción del Policloruro de Vinilo (PVC) 2.2.1. Esquemas del proceso de producción de resina de PVC Los dos esquemas que se muestran a continuación (en las figuras 15 y 16) representan el proceso global que se produce en la planta de policloruro de vinilo. En primer lugar se describen las distintas operaciones que se suceden para obtener PVC granular a partir del cloruro de vinilo y se pueden observar los principales equipos en los cuales ocurren dichas operaciones. La segunda imagen hace referencia a las fases de este proceso, con las corrientes de entrada y salida que constituyen el balance de la planta y las distintas reacciones que se dan en ellas. Figura 15. Proceso de Producción de PVC. [20] Ingeniería básica de una Planta de Producción de PVC granular Cristóbal Beltrán Domínguez Página 48 Figura 16. Esquema de fabricación de PVC en suspensión. [10] 2.2.2. Materias primas La resina de policloruro de vinilo se obtiene mediante la polimerización del cloruro de vinilo monómero. Una vez finalizado todo el procedimiento anterior para la producción de este monómero (llevado a cabo en la planta de producción de cloruro de vinilo), se pasa a la planta de producción de policloruro de vinilo. El CVM se alimenta al reactor de polimerización junto con agua y los activadores y aditivos necesarios, siendo por tanto sus principales materias primas las siguientes: • Cloruro de vinilo. • Agua desmineralizada. • Iniciadores o activadores de la reacción de polimerización. • Dispersantes, si el objetivo es producir resina de PVC en suspensión, o emulsionantes (aniónicos y no aniónicos) en el caso de la resina de emulsión. Ingeniería básica de una Planta de Producción de PVC granular Cristóbal Beltrán Domínguez Página 49 El cloruro de vinilo monómero es, evidentemente, la materia prima por excelencia de este proceso. La eficacia en el uso de CVM depende entre otros factores de: - La formación de grumos y costras en los reactores. - La espuma que puede salir de los reactores durante el venteo y stripping. - El funcionamiento de la instalación de recuperación. El agua desmineralizada se alimenta al reactor en la etapa de polimerización (en ocasiones se emplea agua caliente) y es posteriormente eliminada por evaporación en la fase de secado. También se utiliza este agua en las operaciones de limpieza de aparatos y equipos. Para este proceso en suspensión el iniciador de la reacción es soluble en el monómero, es decir, en el cloruro de vinilo y suele tratarse de perésteres, percarbonatos o peróxidos. Otros aditivos importantes que se usan son: coloides protectores, agentes surfactantes solubles en agua, controladores de acidez, antiespumantes, etc. El CVM es dispersado en el agua con la ayuda de dispersantes (que pueden ser acetato de polivinilo hidrolizado o derivados celulósicos) y agitación. [10] 2.2.3. Polimerización en suspensión El policloruro de vinilo se obtiene mediante la polimerización en cadena por apertura de dobles enlaces del cloruro de vinilo monómero: los monómeros, que cuentan en su estructura molecular con un doble enlace entre dos de sus átomos de carbono, se activan en presencia de pequeñas concentraciones de iniciadores, de manera que esos dobles enlaces se abren y los monómeros reaccionan rápidamente entre sí, asociándose unos con otros y formando cadenas de macromoléculas. La polimerización del cloruro de vinilo es una reacción fuertemente exotérmica en la cual se desprende una elevada cantidad de calor (1525 kJ/kg) y que tiene la siguiente estructura: nC 2 H 3 Cl (-C 2 H 3 Cl-)n Como se puede observar en la reacción anterior, el único producto que se forma en esta etapa es la resina de PVC en suspensión, cuyo tamaño medio de grano obtenido varía entre 50 y 200 micras. Ingeniería básica de una Planta de Producción de PVC granular Cristóbal Beltrán Domínguez Página 50 El proceso de polimerización en suspensión del CVM se realiza en medio acuoso en un reactor discontinuo, agitado, de tipo autoclave y que dispone de un sistema de refrigeración con agua en serpentines para evacuar el calor de reacción. Se trata de un proceso semicontinuo en el cual la resina es producida por lotes (batch) y se introducen en el reactor el cloruro de vinilo, agua desmineralizada y los iniciadores y otros aditivos necesarios. El CVM es dispersado en el agua por medio de agentes dispersantes y agitación. Como el iniciador de la reacción es soluble en el monómero, la polimerización se realiza en cada gota de cloruro de vinilo y el producto obtenido es una suspensión de policloruro de vinilo. La reacción puede tener lugar en “closed process” (sin apertura del reactor tras cada polimerización) o en “open process”, siendo el primero de los dos el más adecuado para producir resina de suspensión ó s-PVC, por lo que se va a emplear esta modalidad (el open process puede ser apropiado para la fabricación de resina de emulsión cuando se trata de aplicaciones especiales, ensayos de investigación,…). Durante el proceso se producen incrustaciones en las paredes del reactor que podrían requerir su limpieza y por tanto la apertura del reactor tras cada polimerización. En la actualidad, gracias al desarrollo de los sistemas de lavado a reactor cerrado y de los aditivos anti-incrustantes, este problema ha sido minimizado, por lo que cada vez se emplea más el closed process. También hay que tener en cuenta que en esta fase el sistema de vaciado y purga de vapor o gas de cloruro de vinilo debe estar equipado de forma que el reactor esté cerrado durante su realización, y por ello estas operaciones tienen lugar antes de proceder a la apertura del reactor. Las condiciones de trabajo en esta etapa son una temperatura de 50 ºC (el rango puede variar entre 35 y 70 ºC) y una presión de entre 4 y 12 bar. El grado de conversión del CVM a policloruro de vinilo oscila entre el 75 y el 95%, siendo en este proyecto del 85%. [10] Ingeniería básica de una Planta de Producción de PVC granular Cristóbal Beltrán Domínguez Página 51 La figura 17 adjunta recoge cómo es la operación de polimerización aproximadamente. Figura 17. Proceso de Polimerización en suspensión. [11] 2.2.4. Desgasado Finalizada la polimerización viene la sección de desgasificación, en la cual el cloruro de vinilo monómero no transformado es desgasado hacia un gasómetro y/o enviado directamente hacia una unidad de recuperación de cloruro de vinilo para su posterior reutilización. El desgasificador es un equipo que elimina, gracias al aumento de la temperatura del agua, los gases disueltos que pueda contener (en este proceso el gas de CVM no polimerizado) aprovechando la solubilidad inversa de los gases, según la cual éstos son menos solubles en agua a alta temperatura. Esta desgasificación se realiza térmicamente, aportando energía térmica (mediante el uso de vapor) al agua, por lo que a medida que la vamos calentando en el desgasificador se irán desprendiendo los gases disueltos de cloruro de vinilo. [24] Ingeniería básica de una Planta de Producción de PVC granular Cristóbal Beltrán Domínguez Página 52 El proceso llevado a cabo en la sección de desgasificación se refleja en la figura 18. Figura 18. Sección de desgasado. [11] Del desgasificador salen por tanto dos corrientes: una corriente para separar el cloruro de vinilo que no se ha transformado (CVM residual), el cual se envía a la unidad de recuperación de dicha sustancia; mientras que la otra contiene una suspensión o slurry, que es una mezcla compuesta por el policloruro de vinilo que se ha formado en la polimerización, agua y el resto de CVM que no se haya extraído en la primera corriente. 2.2.5. Stripping La siguiente fase en el proceso de producción de PVC es la de stripping: el cloruro de vinilo residual que aún queda en el slurry es separado de la resina de policloruro de vinilo mediante stripping con vapor (también puede hacerse a vacío) y enviado asimismo a la unidad de recuperación de CVM. Esta operación tiene lugar en una columna de stripping (stripper externo) en continuo (aunque también podría realizarse en el propio reactor, en cuyo caso la capacidad de producción de la instalación disminuye, o en un depósito intermedio, pero estas opciones son menos habituales). Ingeniería básica de una Planta de Producción de PVC granular Cristóbal Beltrán Domínguez Página 53 En el proceso el vapor empleado es condensado y se recupera el agua para la propia operación de lavado del stripping, o bien se mezcla con otras aguas del proceso (nuevo stripping) antes de su tratamiento final previo a su evacuación. Por el fondo del stripper sale una corriente con el slurry resultante, que es una combinación de policloruro de vinilo y agua y se almacena en un depósito intermedio. Si el contenido en cloruro de vinilo del agua extraída es superior a 1 mg/L, ésta es tratada por stripping con vapor hasta alcanzar un contenido en CVM igual o inferior al citado valor. Por otra parte, como el CVM tiene propiedades tóxicas, es importante que no se libere a la atmósfera ni permanezca en el producto, de ahí que los equipos posean ciertas características para evitar tales pérdidas y aseguren que el contenido en cloruro de vinilo residual en el agua del propio slurry sea menor que 20 mg/kg de resina de PVC en suspensión. Si no se alcanzaran estos valores sería necesario una prolongación del tratamiento de stripping o un nuevo stripper exterior. [10] 2.2.6. Centrifugado Antes de proceder al secado, la suspensión formada por agua y PVC que ha sido almacenada en el depósito intermedio procedente de la columna de stripping puede ser concentrada o deshidratada haciendo uso de una centrifugadora. En ella la resina de polímero se separa del agua y se produce una torta húmeda de PVC, con un contenido de humedad del 20 al 33% (la cual depende del grado de la resina). Este policloruro de vinilo húmedo pasa a la sección de secado, mientras que el agua retirada se recicla o se trata en la unidad de tratamiento de efluentes. [10] 2.2.7. Secado En esta etapa se pueden aplicar diversas técnicas de secado, todas basadas en la utilización de aire y calor. Para la producción de resina en suspensión se emplea una instalación de secado en lecho fluido (es lo más común), que usa grandes cantidades de aire (de 20.000 a 50.000 Nm³/h). La operación de secado del policloruro de vinilo húmedo se lleva a cabo en un ciclón con aire caliente: por un lado se alimenta la torta húmeda de PVC procedente de la centrifugación y por el otro entra aire, que se precalienta previamente en un intercambiador con vapor. Ambos ingresan en la cámara de secado que tiene dicho ciclón secador en su parte inferior (como se puede observar en la figura 19). Ingeniería básica de una Planta de Producción de PVC granular Cristóbal Beltrán Domínguez Página 54 Figura 19. Diagrama de flujo del proceso de secado. [11] Del ciclón de secado pasa a un separador. El PVC sale ya seco (con una humedad de apenas un 0,2-0,3%) y su contenido en cloruro de vinilo debe ser inferior a 5 mg/kg de resina (y en las calidades para usos médicos y para alimentación menor de 1 mg/kg). El aire sale del ciclón secador a una temperatura que varía entre 50 y 70ºC (dependiendo del grado del producto) y el PVC posee la misma temperatura, siendo el tiempo de residencia de 10 a 20 minutos. [10] 2.2.8. Cribado y molienda Una vez secada la resina, es tamizada y los granos de policloruro de vinilo son molidos, operación para la cual se emplea un tamiz. El producto resultante pasa mediante transporte neumático a la unidad de envasado y es enviado a los silos almacén para su posterior embalaje y expedición. Una parte de la resina fabricada se embala en sacos y big-bag’s, mientras que el resto se comercializa a granel. No se producen emisiones significativas en esta área y aquéllas de polvo pueden ser minimizadas por medio de la utilización de filtros de mangas (aunque estos filtros se obturan fácilmente y por ello requieren revisiones periódicas, como figura en su manual de operación). [10] Ingeniería básica de una Planta de Producción de PVC granular Cristóbal Beltrán Domínguez Página 55 2.2.9. Recuperación del cloruro de vinilo En la Planta de Policloruro de vinilo existe una unidad para la recuperación del cloruro de vinilo que no se transforma a resina de PVC (CVM residual). Esta unidad recibe los siguientes flujos de gases: - Gases procedentes de los venteos del reactor de polimerización. - El cloruro de vinilo no polimerizado que ha sido desgasado en el desgasificador. - Gases que provienen de la columna de stripping del slurry (y del látex, si también se fabricara e-PVC). - Gases procedentes de los desgases del depósito de slurry anexo a la columna de stripping (de agua y policloruro de vinilo). - Gases provenientes del stripping adicional de las aguas de proceso y residuales (debido a que todas las aguas residuales que contengan CVM deben sufrir un tratamiento de stripping antes de su vertido, como ya se explicó con anterioridad). Con la finalidad de modular todas estas fluctuaciones de las diferentes corrientes gaseosas se utilizar un gasómetro (que aparece representado en el diagrama de flujo de la Planta). En esta fase de recuperación de cloruro de vinilo tiene lugar la condensación del mismo para su posterior reutilización y la eficacia de este proceso de condensación está ligada al número de etapas empleadas y a las condiciones de temperatura y presión alcanzadas. Los gases residuales de esta unidad pueden ser sometidos a un nuevo tratamiento por cualquiera de las modernas tecnologías de membrana que existen en la actualidad (selectivas al CVM, bien mantenidas y con unidades en serie para lograr una alta eficiencia en la reducción de emisiones de este contaminante): absorción, tamizado molecular, oxidación a alta temperatura, oxidación catalítica, adsorción o distintas combinaciones entre ellas. [10] Ingeniería básica de una Planta de Producción de PVC granular Cristóbal Beltrán Domínguez Página 62 0 0 002 002 3 4 2 2 2 2 Et O HCl Et O HCl 1 1 C H + HCl + O C HOCl + H O 3 1 1 1 - x F - x F - x x 2 4 2 1 2 1 - y - y - y + y + y 3 3 3 1 1 1 2 1 1 - x - y F - x - y F - x - y y x + y 2 3 4 3 3 2 2 3 3 F F − → En este caso aparece y, que se refiere a los kmoles/año de HCl que se convierten en la segunda reacción (cantidad distinta a los que se convertían en la reacción primaria). Es preciso determinar los valores de las incógnitas x e y para poder resolver el balance de materia completo de esta etapa. Por esta razón, se utilizan las ecuaciones de conversión por paso de HCl y la de selectividad de formación de dicloroetano: 0 HCl HCl LoquereaccionadeHClentotal x+y ConversiónporpasodeHCl= => x = HClqueentraalreactor F (3.1.2.a) Lo quereaccionadeHCl enlareacciónprincipal Selectividadde formacióndelDCE= => Lo quereaccionadeHCl en total DCE x =>S = x+y (3.1.2.b) Se sabe además que DCE 1 F = x 2 (3.1.2.c) Como se ha indicado anteriormente, se producen 50000 toneladas de dicloroetano al año por la vía de oxicloración: DCE t DCE 1000 kg DCE 1kmol DCE kmol DCE 50000 · · =505.050,5 =F año 1 t DCE 99 kgDCE año 6 1 505.050,5 = x => x = 1,01 · 10 . 2 Ingeniería básica de una Planta de Producción de PVC granular Cristóbal Beltrán Domínguez Página 63 Sustituyendo el valor de x en la ecuación (3.1.2.b) y despejando y queda: 6 6 1,01 ·10 0,96 = => y = 42083,3 1,01 · 10 + y Y ya por último se obtiene F HCl0 de la expresión (3.1.2.a): 0 0 66 HCl HCl 1,01 · 10 + 42083,3 kmol HCl 0,99 = => F = 1,06 · 10 F año 0 6 HCl kmol HCl 35 kg HCl t HCl 1,06 ·10 · =38800 =m año 1 kmol HCl año . El paso siguiente es determinar todos los demás caudales molares y másicos: 6 1kmol Et kmol HCl kmol Et 28 kg Et 2 1,06 ·10 · · = 531.500 · año 1 kmol HCl año 1 kmol Et = 0 Et t Et = 14822 = m año Como se opera con un exceso de etileno del 10% (m): 0 Et t Et t Et 14882 · 1,1 = 16370, 2 = m año año 0 6 22 2 2 2O2 1kmol O kmol O 32 kg O kmol HCl 4 1,06 ·10 · · = 265.750 · = año 1 kmol HCl año 1 kmol O t O = 8504 = m año 2 H O 62 2 2 2 kmol H O 18 kg H O 1 1 F = x + y = · 1,01 · 10 + 42083,3 = 547.083,3 · = 2 2 año 1 kmol H O t H O = 9847,5 año Cloral 1 1 kmol Cloral F = y = · 42083,3 = 14027,8 3 3 año El PM Cloral es = kg C lo ral 147,5 1 k m o l C lo ral Cloral km ol Cloral kg Cloral t Cloral 14027, 8 · 147, 5 = 2069 = m año 1 km ol Cloral año Ingeniería básica de una Planta de Producción de PVC granular Cristóbal Beltrán Domínguez Página 64 ENTRADAS SALIDAS Componentes Caudales másicos (t/año) Componentes Caudales másicos (t/año) Etileno 16370,2 DCE 50000 HCl 38800 Cloral 2069 O 2 8504 H 2 O 9847,5 Etileno no convertido 1837,4 HCl no convertido 398,5 O 2 no convertido TOTAL 63674 TOTAL 63674 Tabla 3. Entradas y salidas del reactor de oxicloración Fuente: Elaboración propia 3.1.3. Depuración de DCE Figura 20. Esquema unidad de depuración de DCE. Fuente: Elaboración propia. DCE (cloración+oxicloración), Agua, Ligeros y Pesados DCE recirculado del horno de pirólisis Agua y Ligeros 97% de DCE y Pesados DCE puro y seco Pesados C-1 C-2 Ingeniería básica de una Planta de Producción de PVC granular Cristóbal Beltrán Domínguez Página 65 El tren de destilación empleado en esta unidad de la planta para llevar a cabo la purificación del dicloroetano se alimenta: - En primer lugar por una mezcla constituida por el DCE, formado tanto en el proceso de cloración directa como en el de oxicloración, además de agua y otras sustancias calificadas como ligeros y pesados en función de su temperatura de ebullición. Entre los primeros se hallan el cloroformo, cloruro de etilo y tetracloruro de carbono, mientras que dentro de los pesados destacan el 1,1,2-tricloroetano y los compuestos C4. - Por otro lado, con la corriente de dicloroetano no transformado a cloruro de vinilo que se recircula desde el horno reactor de craqueo de la fase posterior. Los caudales másicos correspondientes a la primera corriente de alimentación mencionada son los que se indican a continuación: m DCE = 100000 t/año (50000 obtenidos mediante cloración + 50000 producidos por oxicloración). 2 H O Tricloroetano m = 9847,5 t / año m = 340,5 t / año Mientras que la cantidad de dicloroetano que entra en el sistema procedente de la unidad de pirólisis es m DCErecirc = 70191 t/año. En la primera columna de destilación se extraen por cabeza los 9847,5 t/año de agua y todos los ligeros que llevaba la mezcla inicial; y por el fondo de la torre se separan el 97% de todo el DCE que entró (97% de 170191, es decir unas 165085 t/año), que tiene una pureza del 99,5%, más todos los pesados, que en este caso serían las 340,53 t/año de 1,1,2-tricloroetano. Este fondo se introduce en la segunda columna de destilación, de la cual sale por la parte superior todo el dicloroetano puro y seco (o sea 164260 t/año) y por la parte inferior el pequeño porcentaje de impurezas que llevaba el DCE y todo el tricloroetano (340,53 t/año). El DCE puro y seco está ya preparado para pasar a la siguiente etapa de cracking. Ingeniería básica de una Planta de Producción de PVC granular Cristóbal Beltrán Domínguez Página 66 3.1.4. Pirólisis o Craqueo DCE 0 0 4 2 2 2 3 DCE DCE C H Cl C H Cl + HCl F - - -x + x + x F - x x x → 0 DCE F es el caudal molar de dicloroetano que se alimenta al reactor de craqueo (kmol/año) y x son los kmoles/año que reaccionan del mismo. Usando la ecuación de la conversión por paso de DCE y sabiendo que ésta es del 60%: 0 DCE DCE x x = F (3.1.4.a) Como x es la cantidad molar de ácido clorhídrico que se forma => => F HCl = x (3.1.4.b) Y, como el proceso de producción es equilibrado, el HCl que se crea en esta unidad se recircula íntegramente a la etapa de oxicloración. Por tanto, el caudal de HCl que sale del reactor de pirolisis es exactamente el mismo que el que se alimentó al reactor de oxicloración, es decir t HCl 38880 año . El caudal molar equivalente a éste es de 6 HCl kmol HCl 1,06 ·10 = F año Sustituyendo en la ecuación (3.1.4.b) anterior: 6 kmol x = 1,06 · 10 año REACTOR DE CRAQUEO CVM HCl Ingeniería básica de una Planta de Producción de PVC granular Cristóbal Beltrán Domínguez Página 67 El caudal de CVM que se forma tras la reacción de craqueo también es x => => 6 CVM CVM kmol CVM F = 1,06 ·10 año PM = 62,5 Sustituyendo a continuación x en la ecuación (3.1.1.a) y despejando F DCE se obtiene: 0 0 66 DCE DCE DCE 1,06 · 10 kmol DCE 0,6 = => F = 1,77 · 10 F año PM = 99 El caudal de dicloroetano que no se convierte a cloruro de vinilo es la diferencia entre la alimentación de DCE y lo que reacciona del mismo: 0 6 6 DCE DCE kmol DCE no transformado F - x = 1,77 · 10 - 1,06 · 10 = 709.000 = año t DCE no transformado = 70191 = m año ENTRADAS SALIDAS Componentes Caudales másicos (t/año) Componentes Caudales másicos (t/año) DCE 175.395 CVM 66437,5 HCl 38800 DCE no transformado 70191 TOTAL 175.395 TOTAL 175.395 Tabla 4. Entradas y salidas de la unidad de pirólisis. Fuente: Elaboración propia. CVM t CVM m = 66437,5 año 0 DCE t DCE m = 175.395 año   ñ Ingeniería básica de una Planta de Producción de PVC granular Cristóbal Beltrán Domínguez Página 68 3.1.5. Depuración de CVM Figura 21. Esquema unidad de depuración de cloruro de vinilo. Fuente: Elaboración propia. En el reactor de craqueo o pirólisis de la fase anterior el dicloroetano puro reaccionaba para dar cloruro de vinilo monómero y ácido clorhídrico. Por tanto, la corriente que se alimenta a la primera columna de destilación de esta unidad está formada por los propios CVM y HCl, más el DCE no convertido. Los caudales másicos de estos tres compuestos son respectivamente: m CVM = 66437,5 t/año; m HCl = 38800 t/año m DCE no transformado = 70191 t/año En la primera torre se separa por la parte superior todo el HCl (las 38800 t/año), que se recirculan a la entrada del reactor de oxicloración; y por el fondo salen la totalidad del cloruro de vinilo y del dicloroetano no transformado, en una corriente que constituye la alimentación de la segunda columna de destilación. Por la cabeza de la misma se extrae el CVM, que será la materia prima a emplear en la planta de PVC posterior para producir policloruro de vinilo; mientras que por la parte inferior de esta segunda torre se separa el DCE no convertido a CVM y se reaprovecha haciéndolo recircular hasta la unidad de purificación de esta sustancia (como se comentó con anterioridad en dicha etapa de depuración). CVM + HCl + DCE no transformado HCl a oxicloración CVM DCE no transformado CVM + DCE no transformado C-3 C-4 Ingeniería básica de una Planta de Producción de PVC granular Cristóbal Beltrán Domínguez Página 69 3.2. Balances de Materia en la Planta de PVC 3.2.1. Polimerización en suspensión Cloruro de vinilo PVC Agua CVM no polimerizado Aditivos Agua La reacción que tiene lugar en esta etapa del proceso es la siguiente: 0 0 2 3 2 3 CVM CVM F - -x + x F - x x nC H Cl ( C H Cl-)n → − Siendo 0 CVM F el flujo molar inicial de cloruro de vinilo monómero que se alimenta al reactor de polimerización, procedente de la planta anterior de producción del mismo; y x es la cantidad de kmol/año de CVM que reaccionan. Sabiendo que un 85% del cloruro de vinilo que entra se convierte a policloruro de vinilo 0 CVM 6 CVM x x kmol x = => 0,85 = => x = 903.550 F año 1,06 · 10 PVC PVC PVC kmol PVC F = x => F = 903.550 año PM = 62,5 REACTOR DE POLIMERIZACIÓN PVC t PVC m = 56472 año Ingeniería básica de una Planta de Producción de PVC granular Cristóbal Beltrán Domínguez Página 70 El caudal de cloruro de vinilo monómero no polimerizado es F CVM : 6 CVM CVM0 CVM kmol CVM no polimerizado F = F - x = 1,06 · 10 - 903.550 = 159.450 = año t CVM no polimerizado = 9965,6 = m año Por otra parte, se sabe que se introducen 130 m3 de agua para producir 1 tonelada de CVM: 3 3 6 6 m agua 66.437,5 t CVM m agua t agua 130 · = 8, 64 · 10 = 8, 64 · 10 1 t CVM año año año ENTRADAS SALIDAS Componentes Caudales másicos (t/año) Componentes Caudales másicos (t/año) CVM 66437,5 PVC 56472 Agua 8,64 ·10 6 CVM no polimerizado 9965,6 Agua 8,64 ·10 6 TOTAL 8,7 ·10 6 TOTAL 8,7 ·10 6 Tabla 5. Entradas y salidas de la unidad de polimerización. Fuente: Elaboración propia 3.2.2. Desgasado CVM no polimeriz. CVM no polimeriz. Agua Slurry Agua PVC PVC El caudal de PVC que entra al desgasificador es todo el que se formó en el reactor de polimerización de la unidad anterior, es decir las 56.472 toneladas al año y lo mismo sucede con el agua proveniente de dicha fase. DESGASIFICADOR CVM residual a recuperación de CVM Ingeniería básica de una Planta de Producción de PVC granular Cristóbal Beltrán Domínguez Página 71 Del cloruro de vinilo no transformado que sale del reactor, aproximadamente la mitad se separa en este equipo y se envía a la unidad de recuperación de CVM, previo paso por un gasómetro. La corriente de salida del desgasificador consiste en un slurry o suspensión, formada por agua, policloruro de vinilo (que sale completamente) y el 50% del cloruro restante que no ha sido extraído. Por tanto, la cantidad de CVM que sale de esta fase y pasa a la columna de stripping es: Desg residual CVM CVM t CVMno polimerizado t CVMno polimeriz que va a ado F =50% de 9965,6 = 4982,8 = año launidad de recuperación de a ño =F , CVM. 3.2.3. Stripping CVM no polimeriz. Slurry Agua Agua + PVC PVC La alimentación al stripping es el slurry que procede de la etapa anterior de desgasado y, tras pasar por esta columna, se separa el cloruro de vinilo residual (no polimerizado) que quedaba aún en la suspensión resultante de la fase de desgasado y sale únicamente una corriente que consta de agua y policloruro de vinilo. Los caudales másicos de PVC y de agua son los mismos de todo el proceso (56472 t de PVC/año) COLUMNA DE STRIPPING CVM residual a recuperación de CVM Ingeniería básica de una Planta de Producción de PVC granular Cristóbal Beltrán Domínguez Página 78 3.3.3. Depósito de DCE sucio Figura 22. Proceso de producción de dicloroetano Fuente: Elaboración propia Corriente 1 Corriente 2 Corriente 3 T 1 = 100ºC T 2 = 40ºC T 3 = ? DCE DCE DCE 1,1,2 - Tricloroetano Cloral 1,1,2 - Tricloroetano HCl Agua Cloral Etileno no convertido Etileno no convertido Agua HCl no convertido HCl O 2 no convertido Etileno no convertido O 2 no convertido Tabla 10. Temperatura y composición de cada corriente. Fuente: Elaboración propia. REACTOR DE CLORACIÓN REACTOR DE OXI - CLORACIÓN DEPÓSITO DE DCE SUCIO I-1 2 3 1 225ºC 100ºC 40º C Ingeniería básica de una Planta de Producción de PVC granular Cristóbal Beltrán Domínguez Página 79 El balance de energía en este equipo sería el siguiente: Balance de Energía: i i i i e s m·cp ·ΔT m·cp ·ΔT ∑ ∑ = => i i 1 i i i i 2 3 ref ref ref 1 2 3 m·cp ·(T - T ) + m ·cp ·(T - T ) = m ·cp ·(T - T ) => ∑ ∑ ∑ En la tabla 11 se muestran los caudales de todas estas sustancias, que han sido previamente hallados en los balances de materia desarrollados a lo largo de la memoria de cálculo, y los cp de las mismas: Componentes Caudales (kmol/año) C p (J/mol K) Corriente 1 Corriente 2 Corriente 3 DCE 505050,5 505050,5 1.06·10 6 131 Tricloroetano 2550, 8 - 2550, 8 85 ,3 HCl 2550, 8 10916,7 13466, 8 29 ,1 Etileno 2550, 8 65622 68172, 8 43 ,1 Cloral - 14027,8 14027,8 9 0 Agua - 547 . 083,3 547 . 083,3 75,2 O 2 - 14805, 6 14805,6 29 ,4 Tabla 11. Caudales y Cp de cada componente Fuente: Elaboración propia Tomando la temperatura de referencia Tref = 0 ºC = 273 K y sustituyendo todos los caudales y Cp de la tabla en el balance anterior, se puede despejar la temperatura de la corriente 3 (temperatura a la que sale la mezcla del depósito de DCE sucio): T 3 = 62,6 ºC. Ingeniería básica de una Planta de Producción de PVC granular Cristóbal Beltrán Domínguez Página 80 3.3.4. Reactor de Pirólisis o Cracking Corriente 1 Corriente 2 T 1 = 147,7 ºC T 2 = 500 ºC DCE CVM HCl DCE no convertido Tabla 12. Temperatura y composición de cada corriente. Fuente: Elaboración propia. Se asume que la temperatura permanece constante en el reactor de cracking, por lo que se va a calcular el calor de reacción necesario. Ese calor de reacción se puede obtener aplicando un balance de energía a este equipo: Balance de Energía: i i R i i e s m·cp·ΔT + ΔH = m·cp·ΔT Q ∑ ∑ + => i i 1 R i i 2 ref ref 1 2 m ·cp ·(T - T ) ΔH = m ·cp ·(T - T ) Q => + ∑ ∑ + ref ref 6 R r,T r,T kJ kmol ΔH ΔH · x; ΔH = 71 ; x = 1,06 · 10 mol año ( ) (- ) − = − Siendo x los kmoles/año que reaccionan de dicloroetano en la única reacción que se produce en esta etapa, como se definió en el balance de materia del reactor de pirólisis. REACTOR DE CRAQUEO 1 2 Ingeniería básica de una Planta de Producción de PVC granular Cristóbal Beltrán Domínguez Página 81 En la tabla 13 se muestran los caudales de los componentes de este proceso, cuyos valores fueron hallados en los balances de materia, y los cp de los mismos: Componentes Caudales (kmol/año) C p ( J/mol K) Corriente 1 Corriente 2 DCE 1,77·10 6 709.000 131 CVM - 1,06·10 6 53,6 HCl - 1,06·10 6 29,1 Tabla 13. Caudales y Cp de cada componente Fuente: Elaboración propia Tomando la temperatura de referencia T ref = 0ºC = 273 K y sustituyendo los caudales y Cp de la tabla, junto con R ΔH , en el balance anterior, se determina el calor de reacción: 11 kJ = 1,31·10 = - 5210,7 kW año Q − En este caso, se puede observar que el calor de reacción es negativo (a diferencia de lo que sucedía en los procesos de cloración directa y oxicloración, debido a que las reacciones de estas dos fases eran exotérmicas mientras que la de la pirólisis es endotérmica), lo cual implica que hay que aportarle al reactor de cracking 5210,7 kW para que su temperatura se mantenga constante. Ingeniería básica de una Planta de Producción de PVC granular Cristóbal Beltrán Domínguez Página 82 3.4. Balances de Energía en la Planta de PVC 3.4.1. Unidad de secado La realización del balance de energía en esta fase de la Planta de PVC se debe a que se produce una variación de la temperatura de la corriente de resina de policloruro en la misma. Como se ha indicado en la memoria descriptiva y también en el desarrollo del balance de materia de esta unidad, al ciclón secador entran dos corrientes de producto, una con aire seco y otra con el PVC que proviene de la centrifugadora: 1) La primera de ellas procede de un intercambiador en el cual se ha precalentado el aire seco (que se alimenta a presión atmosférica y temperatura ambiente) mediante el uso de vapor. 2) La segunda corriente contiene el policloruro de vinilo húmedo que, tras su paso por el equipo de secado y estar en contacto con el aire caliente que viene del intercambiador, sale en forma de PVC seco. Por su parte, el aire sale como aire húmedo con un pequeño contenido de resina en suspensión. En las figuras 23 y 24 se representan estas dos operaciones, junto con las temperaturas de las distintas corrientes de materia: 1) Figura 23. Precalentador del aire de secado Fuente: Elaboración propia I-1 Aire caliente, T1 Vapor Vapor Aire ambiente Ingeniería básica de una Planta de Producción de PVC granular Cristóbal Beltrán Domínguez Página 83 2) Figura 24. Secador del PVC húmedo Fuente: Elaboración propia seco 2 vap 1 PVC PVC 2 H O Q = m · cp · (t - t ) + m · λ (3.4.1.a) Donde: húmedo 2 húmedo PVC PVCseco vap H O PVC PVCseco t t m 56.472 m = 55.907,2 año año t kJ m = m m = 564,8 λ año kg ; ; ; 2257 = − = Sustituyendo estos valores en la ecuación (3.4.1.a), se obtiene que 9 kJ = 1,75·10 = 69,6 kW año Q . seco seco aire 1 aire 2 t Q = m · (H - H ); m = 281.875 año (3.4.1.b) A continuación se obtiene la humedad del aire: 2 húmedo seco seco HO 2 aire aire aire aire mgHO W =W W m kgaireseco 0 2,08− = − = y se emplea el diagrama psicrométrico para sacar la entalpía H 2 : 2 kJ H = 7 1 kg aire seco . Sustituyendo en (3.4.1.b) los valores de Q y H 2 hallados, se despeja H 1 : 1 kJ H = 64,6 kg aire seco T 1 = 79ºC. Secador PVC húmedo t 1 = 60ºC PVC seco t 2 = 70ºC Aire húmedo, T 2 = 70 ºC Aire seco, T 1 Psicrométrico Ingeniería básica de una Planta de Producción de PVC granular Cristóbal Beltrán Domínguez Página 84 3.5. Diseño de Equipos en la Planta de CVM 3.5.1. Reactor de Cloración Directa En el apartado 3.1.1, donde se desarrolló el balance de materia de la etapa de cloración directa, la reacción principal que tenía lugar en dicha sección era la siguiente: C 2 H 4 + Cl 2 C 2 H 4 Cl 2 La cinética de esta reacción es de orden uno con respecto a cada uno de los dos reactivos y responde a la siguiente forma: 2 2 p Et CD CD Cl Cl (-r ) = k · c · c = (-r ) ; El subíndice “p” indica que se trata de la velocidad de reacción de la partícula y la constante cinética de la reacción de cloración directa es k CD = 0,123 3 m mol · s . Dado que el reactor de cloración directa es un reactor catalítico de lecho fijo, el modelo de reactor que se empleará para el diseño del mismo será el de flujo en pistón (FP), tanto para las partículas sólidas de cloruro férrico que catalizan la reacción, como para la mezcla fluida (gaseosa) de etileno y cloro que se alimenta a la unidad. De esta manera, la ecuación de diseño del reactor sería la que sigue: 2 Cl R Cl dF = - (-r ) dV (3.5.1.a) Aquí el subíndice “R” hace referencia a la velocidad de reacción en el reactor. 00 2 0 2 0 2 0 0 2 0 0 2 2 0 4 4 2 2 2 2 Et Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Et Cl Cl Cl Cl Cl Cl C H + Cl C H Cl F F -x F - x F x F F - x F F ·(1x ) x F + → − Ingeniería básica de una Planta de Producción de PVC granular Cristóbal Beltrán Domínguez Página 85 Por tanto, el flujo total F t queda: 0 0 0 0 0 0 0 2 2 2 2 ti Et Et Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl F F (x) = F - x ·F + F - x ·F + x ·F = F + F ·(1 - x ) =∑ . Por otro lado, se ve que 0 0 0 2 2 Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl F = F ·(1 - x ) => dFCl = F F - x F - = · , y sustituyéndolo en la ecuación de diseño anterior se obtiene que: 0 2 2 2 2 0 2 0 2 Cl Cl Cl Cl R Cl p R Cl Cl Cl Cl d - x F dx dx dV dV - (-r ) = dV F (-r ) F (-r ) · (1 - ε) ( · ) = => = => => 2 02 Cl Et CD Cl Cl dx dV = F k · c · c · (1 - ε) (3.5.1.b) A continuación, se expresan las concentraciones de etileno y cloro en función de la conversión y se sustituyen en la ecuación (3.5.1.b): 00 2 Et Cl Cl Et Et total total F - x F F c = = Q Q · . 02 Cl Cl2 Cl Cl total total F (1 - x ) F c = = Q Q · . La ecuación (3.5.1.b) quedaría así: 2 00 0 02 2 Cl Et Cl Cl Cl Cl Cl CD total total dx dV =F - x F F (1 - x ) Fk · · · (1 - ε) Q Q · · . (3.5.1.c) Para poder resolver esta ecuación diferencial, primero determinamos Qtotal, en función de la conversión: 002 Et Cl Cl total total [F + F ·(1 - x )] · R · T Ft · R · T p · Q = Ft · R · T => Q = = p p Ingeniería básica de una Planta de Producción de PVC granular Cristóbal Beltrán Domínguez Página 86 Sustituyendo en (3.5.1.c) queda: 2 00 0 02 2 0 0 0 0 2 2 Cl Et Cl Cl Cl Cl Cl CD Et Et Cl Cl Cl Cl dx dV =F - x F F (1 - x ) Fk · · · (1 - ε) [F + F ·(1 - x )] · R · T [F + F ·(1 - x )] · R · T p p · · , desarrollando y agrupando términos: 002 2 00 0 0 0 0 2 2 2 2 2 2 2 Et Cl Cl Cl 2 Cl Et Et CD Cl Cl Cl Cl Cl Cl [F + F ·(1 - x )] · R · T dx dV = Fk · F F - x F - x F x F · p · (1 - ε) ·( · · + · ) . Integrando esta ecuación: 2 20 Cl Cl V x =0,999 002 0 x =0 2 0 0 0 0 2 2 2 2 2 2 Et Cl Cl Cl 2 2 Et Et CD Cl Cl Cl Cl Cl [F + F ·(1 - x )] R · T dV = · dx k · p · (1 - ε) F - x · F - x ·F + x ·F ∫ ∫ Se conocen: - La temperatura del reactor, que se mantiene constante en 100ºC (373 K), como se explicó en el balance de energía. - La presión en el reactor es de 5 atm aproximadamente. - La porosidad del lecho fijo del reactor, que tiene un valor de 0,4. - Y los flujos molares de etileno y cloro son respectivamente: 0 0 Et Cl kmol 1 año 1 h mol F = 525.456,4 · · = 20,85 año 7000 h 3600 s s kmol mol F = 510.152 = 20,24 año s Sustituyendo todos estos valores en la ecuación de la integral se llega a: V = 2,1 m 3 . Ingeniería básica de una Planta de Producción de PVC granular Cristóbal Beltrán Domínguez Página 87 3.5.2. Reactor de Oxicloración La reacción principal que gobierna la fase de oxicloración (como se definió en el apartado 3.1.2) es la siguiente: C 2 H 4 + 2 HCl + 1/2 O 2 C 2 H 4 Cl 2 + H 2 O La cinética para esta reacción de oxicloración es de la forma: p Et OX OX OX (-r ) = k · c = (-r ) La constante cinética k OX sigue una expresión exponencial del tipo: 4 OX - E k = 1,58 ·10 · exp( ) R · T La temperatura a la que se lleva a cabo el proceso de oxicloración en el reactor es de 225 ºC (498 K) y la energía de activación E posee un valor de 40100 kJ mol . Por tanto, empleando estos valores en la ecuación anterior se obtiene que k OX = 0,986 (s -1 ). En este caso, se emplea un reactor catalítico de lecho fluido para llevar a cabo esta reacción, por lo que el modelo de reactor que se emplea para diseñarlo es el de mezcla perfecta (MP) para las partículas sólidas de catalizador de cloruro cúprico. Para el fluido gaseoso, que está constituido por la mezcla de etileno, ácido clorhídrico y oxígeno que se alimenta al reactor, se va a adoptar igualmente el modelo de mezcla perfecta con objeto de simplificar los cálculos (ya que en realidad el modelo de partícula para el gas en lecho fluidizado es más complejo y no responde exactamente ni al caso de FP ni al de MP). Por este motivo, la ecuación de diseño de dicho reactor de oxicloración, según el modelo de mezcla perfecta, es del tipo: HCl R OX ΔF = - (-r ) ΔV (3.5.2.a) Nótese que se utilizan nuevamente los subíndices “p” y “R” para diferenciar la velocidad de reacción referida a la partícula o al reactor. Ingeniería básica de una Planta de Producción de PVC granular Cristóbal Beltrán Domínguez Página 94 - En la pestaña Streams: Columna RadFrac Plato de alimentación 8 Etapa por la que sale la corriente de destilado 1 Etapa por la que sale la corriente de fondo 18 Tabla 19. Especificaciones columna C-1 Fuente: Elaboración propia - En la pestaña Pressure: presión del condensador = 5 atm Una vez definidas todas las especificaciones necesarias, se procede a simular el proceso y se obtienen estos resultados: Tabla 20. Resultados diseño riguroso de C-1. [47] Ingeniería básica de una Planta de Producción de PVC granular Cristóbal Beltrán Domínguez Página 95 Tabla 21. Resultados diseño riguroso de C-1. [47] 2) Columna de destilación C-2 La segunda torre de depuración de dicloroetano recibe como alimentación la corriente de fondos que sale por la parte inferior de la primera columna y que está constituida por aproximadamente un 97% del DCE que se introdujo inicialmente, más los compuestos pesados, entre los que destaca principalmente el tricloroetano. El procedimiento para llevar a cabo el diseño de la columna C-2 es el mismo que el empleado para diseñar la columna C-1. Diseño Preliminar Los componentes a introducir en este caso en la alimentación a la torre son el DCE y el 1,1,2-tricloroetano y la temperatura y presión son las de la corriente de fondo anterior. Se vuelve a seleccionar el método termodinámico de Chao-Seader y el modelo de columna DSTWU para este diseño preliminar. Ingeniería básica de una Planta de Producción de PVC granular Cristóbal Beltrán Domínguez Página 96 Corriente de alimentación=Corriente de fondos de columna C-1 Temperatura (ºC) 147,7 Presión (atm) 5,1 Caudales molares (kmol/h) DCE 139,98 Tricloroetano 0,361 Tabla 22. Especificaciones de la alimentación de C-2 Fuente: Elaboración propia Columna DSTWU Relación de reflujo 1,2 · reflujo mínimo Clave ligero DCE Recuperación del clave ligero (tanto por uno) 0,995 Clave pesado Tricloroetano Recuperación del clave pesado (tanto por uno) 0,005 Presión del condensador (atm) 5 Presión del hervidor (atm) 5 Tipo de condensador Total Tabla 23. Especificaciones de la columna C-2 Fuente: Elaboración propia Por último, se resuelve la simulación y se hallan los parámetros que se muestran en la tabla 24: Ingeniería básica de una Planta de Producción de PVC granular Cristóbal Beltrán Domínguez Página 97 Tabla 24. Resultados diseño preliminar de C-2 . [47] Tabla 25. Resultados diseño preliminar de C-2 . [47] Ingeniería básica de una Planta de Producción de PVC granular Cristóbal Beltrán Domínguez Página 98 Diseño Riguroso Se usa el modelo de columna RadFrac. Las especificaciones de la corriente de alimentación son exactamente las mismas que en el diseño preliminar y las de la propia torre son: - En la pestaña Configuration: Columna RadFrac Tipo de cálculo Equilibrio Número de platos 34 Tipo de condensador Total Tipo de reboiler Kettle Fases Vapor-Liquid Convergencia Standard Caudal molar fondos (kmol/h) 1,059 Relación de reflujo 1,5 Tabla 26. Especificaciones columna C-2 Fuente: Elaboración propia - En la pestaña Streams: Columna RadFrac Plato de alimentación 19 Etapa por la que sale la corriente de destilado 1 Etapa por la que sale la corriente de fondo 34 Tabla 27. Especificaciones columna C-2 Fuente: Elaboración propia - En la pestaña Pressure: presión del condensador = 5 atm Ingeniería básica de una Planta de Producción de PVC granular Cristóbal Beltrán Domínguez Página 99 Una vez definidas todas las especificaciones necesarias, se procede a simular el proceso y se obtienen estos resultados: Tabla 28. Resultados diseño riguroso de columna C-2 . [47] Tabla 29. Resultados diseño riguroso de columna C-2 . [47] Ingeniería básica de una Planta de Producción de PVC granular Cristóbal Beltrán Domínguez Página 100 3.5.4. Reactor de Craqueo o Pirólisis En esta sección del proceso de producción de cloruro de vinilo monómero transcurre esta reacción: C 2 H 4 Cl 2 C 2 H 3 Cl + HCl, La cinética de la reacción mostrada es de orden uno con respecto al reactivo (dicloroetano) y tiene la siguiente estructura: p p DCE (- r ) = k · c donde kp es la constante cinética de la reacción de pirólisis y c DCE es la concentración del reactante DCE, la cual se calcula a partir de la expresión que aparece a continuación: 13 p - E k = 3,98 · 10 · exp( ) R · T La energía de activación de la reacción de craqueo (Ep) es 5 kJ 2,43 ·10 kmol y la temperatura a la que se efectúa la operación de pirólisis es de 500 ºC (773 K), siendo la kJ R = 8,314 kmol · K , la constante de los gases universales. De ello se concluye que la constante k p tiene un valor de 1,51·10 -3 h -1 . La ecuación para el diseño del reactor es: DCE p R dF = - (-r ) dV (3.5.4.a) 0 0 0 0 0 0 0 4 2 2 2 3 DCE DCE DCE DCE DCE DCE DCE DCE DCE DCE DCE DCE DCE C H Cl C H Cl + HCl F - - -x F + x F + x F F - x x F x F (1 ) → k p Ingeniería básica de una Planta de Producción de PVC granular Cristóbal Beltrán Domínguez Página 101 Tras realizar el balance estequiométrico, el flujo molar total queda de esta manera: 0 0 0 0 0 t DCE DCE DCE DCE DCE DCE DCE DCE DCE F = F - x ·F · + x ·F + x ·F = F · (1 + x ) Como se puede observar en el balance anterior, ( ) 0 DCE DCE0 DCE DCE DCE ) F x ·F = F 1 -1x ( , por lo que dF DCE sería igual a DCE DCE0 DCE DCE0 F F - F·x- = Sustituyendo ahora este resultado en la ecuación (3.5.4.a) se tiene que 0 0 DCE DCE DCE DCE pRp p R DCE DCE d - x ·F dx dx dV - (-r ) => = dV F (-r ) k · c (1 ) ( ) =· ε − = Teniendo en cuenta que la concentración de dicloroetano es 0 DCE DCE DCE DCE total total F (1 - x ) F c = = Q Q Volviendo de nuevo a sustituir en la ecuación de diseño: 00 DCE DCE DCE DCE ptotal dx dV F (1 - x ) F k · (1 ) Q · ε − = A continuación se expresa el caudal volumétrico Qtotal en función de xDCE: ( ) DCE0 DCE t total · R · T F · R · T Q = = p p F 1+ x Separando variables e integrando se llega a: ( ) 0 0 DCE DCE V x =0,6 0 x =0 DCE DCE0 p DCE 1 + x R · T dV = k · p (1 ) (1 - x ) ·· · F ε− ∫ ∫ (3.5.4.b) Se tienen además los siguientes datos: - La temperatura a la que opera el reactor, que es de 500ºC (773 K). - La presión del reactor, p = 14 atm. Ingeniería básica de una Planta de Producción de PVC granular Cristóbal Beltrán Domínguez Página 102 - La porosidad ε = 0,4. El caudal molar de dicloroetano, hallado en el balance de materia de esta sección (apartado 3.1.4) es: 0 DCE kmol mol F = 1,77 · 106 = 70,3 año s Introduciendo estos valores en la expresión (3.5.4.b) se obtiene el volumen del reactor de pirólisis: V = 1,6 m 3 . 3.5.5. Columnas de Depuración de CVM El diseño de las dos columnas de destilación en serie que componen la etapa de purificación del cloruro de vinilo se ha realizado mediante el empleo del simulador de procesos del programa Aspen Plus (del mismo modo que se utilizó también en la depuración de dicloroetano). El procedimiento seguido para las dos torres de que consta esta etapa ha sido el siguiente: primero se efectúa un diseño preliminar y a continuación un diseño más riguroso, en el cual se han usado algunos de los datos y resultados obtenidos en el preliminar. Figura 26. Unidad de Depuración de CVM . [47] C-3 1 2 C-4 3 4 5 Ingeniería básica de una Planta de Producción de PVC granular Cristóbal Beltrán Domínguez Página 103 1) Columna de destilación C-3 La primera columna de destilación de esta unidad recibe como alimentación el producto resultante del reactor de pirólisis, que es una mezcla cosntituida fundamentalmente por el CVM y el ácido clorhídrico formados, el DCE no convertido y algunos subproductos en una proporción bastante inferior a la de los otros. En ella se separa el cloruro de hidrógeno de los otros dos componentes mayoritarios, que pasan posteriormente a la segunda torre de esta fase. Diseño Preliminar El primer paso para efectuar este diseño inicial es introducir los componentes del proceso y elegir el método termodinámico apropiado en el simulador de Aspen Plus. Luego se selecciona el modelo de columna DSTWU y se conectan las tres corrientes de alimentación, destilado y colas. A continuación, se completan las especificaciones de la corriente de alimentación y del bloque de la propia columna para poder abordar la simulación. Los datos a introducir son los que se recogen en las tablas 30 y 31: Corriente de alimentación (1) Temperatura (ºC) 90 Presión (atm) 7 Caudales molares (kmol/h) CVM 151,86 HCl 151,86 DCE 101,29 Tabla 30. Especificaciones de la alimentación de C-3 Fuente: Elaboración propia Ingeniería básica de una Planta de Producción de PVC granular Cristóbal Beltrán Domínguez Página 110 Tabla 41. Resultados diseño preliminar de C-4. [47] Diseño Riguroso Se usa el modelo de columna RadFrac. Las especificaciones de la corriente de alimentación son exactamente las mismas que en el diseño preliminar y las de la propia torre son: - En la pestaña Configuration: Columna RadFrac Tipo de cálculo Equilibrio Número de platos 29 Tipo de condensador Total Tipo de reboiler Kettle Fases Vapor-Liquid Convergencia Standard Caudal molar fondos (kmol/h) 101,475 Relación de reflujo 0,2 Tabla 42. Especificaciones de C-4 Fuente: Elaboración propia Ingeniería básica de una Planta de Producción de PVC granular Cristóbal Beltrán Domínguez Página 111 - En la pestaña Streams: Columna RadFrac Plato de alimentación 16 Etapa por la que sale la corriente de destilado 1 Etapa por la que sale la corriente de fondo 29 Tabla 43. Especificaciones de C-4 Fuente: Elaboración propia - En la pestaña Pressure: presión del condensador = 5 atm Los resultados obtenidos tras resolver la simulación de esta operación son los que se muestran seguidamente: Tabla 44. Resultados diseño riguroso de C-4. [47] Ingeniería básica de una Planta de Producción de PVC granular Cristóbal Beltrán Domínguez Página 112 Tabla 45. Resultados diseño riguroso de C-4. [47] Ingeniería básica de una Planta de Producción de PVC granular Cristóbal Beltrán Domínguez Página 113 3.6. Diseño de Equipos en la Planta de PVC 3.6.1. Reactor de Polimerización El procedimiento a seguir para efectuar el diseño del reactor de polimerización de cloruro de vinilo a policloruro de vinilo es diferente al realizado para diseñar los dos reactores presentes en la planta de CVM, debido a que el tratamiento de la cinética de reacción en este caso es demasiado complejo y no se va a abordar como tal. Carga Descarga La carga que se alimenta al reactor de polimerización corresponde a cloruro de vinilo monómero (en su mayor parte), agua y una serie de aditivos necesarios para que tenga lugar dicha reacción. En el balance de materia que se llevó a cabo para la unidad de craqueo o pirolisis se determinó que se producen 66437,5 t CVM año . Posteriormente, toda esa cantidad pasa a la planta de PVC y entra en la etapa de polimerización en suspensión. Por tanto, se puede asumir que la carga del reactor está constituida prácticamente por las 66437,5 t CVM año . La descarga del reactor consiste en el policloruro de vinilo que se forma tras la reacción, más el cloruro de vinilo no transformado que sale del mismo. El tiempo t (que aparece en el esquema) hace referencia al tiempo de ciclo de la polimerización, que es la suma de los tiempos de cada una de las cuatro fases que se dan durante en el proceso: t ciclo = t carga + t reacción + t descarga + t limpieza (h/ciclo). Para la operación de polimerización de CVM a PVC, el tiempo de ciclo es de 17 horas. El volumen (o tamaño del reactor) se va a determinar a partir de la masa y la densidad de la sustancia que contiene. REACTOR DE POLIMERIZACIÓN Ingeniería básica de una Planta de Producción de PVC granular Cristóbal Beltrán Domínguez Página 114 Como consecuencia de que en el reactor se hallan presentes dos compuestos distintos (el CVM y el PVC que se forma tras la reacción de polimerización del primero), para llevar a cabo el diseño de este equipo se va a considerar el caso más desfavorable y que daría lugar a un mayor volumen del reactor. Esta opción se da con el cloruro de vinilo, ya que su densidad es menor que la del PVC y, por consiguiente, el volumen es a su vez menor (ya que V =   ). Por este motivo, se emplean la masa y densidad del CVM para diseñar el reactor de polimerización de esta unidad. Dado que entran 66437,5 t CVM año y las plantas funcionan 7000 horas al año (debido a que es un proceso discontinuo y se ha optado por diseñarla del lado de la seguridad): t CVM 1 año 17 h t CVM kg CVM 66437,5 · · = 161,3 = 161.348 año 7000 h 1 ciclo año ciclo Como la densidad del cloruro de vinilo es de 970 3 kg m : 3 3 kg 161.348 m ciclo V = = 166,3 kg ciclo 970 m . Éste es un volumen considerable (bastante mayor que el correspondiente a los reactores presentes en la planta de cloruro de vinilo) y es probable que pueda haber problemas de agitación. Por este motivo, y tomando como referencia otros proyectos y fuentes de información relativos al proceso de producción de PVC y teniendo en cuenta que se trata de un proceso en el cual la resina de policloruro de vinilo se produce de manera discontinua, es más conveniente operar con cuatro reactores autoclaves de igual volumen que utilizar un único reactor de mayor tamaño. Así pues, se va a optar por colocar cuatro reactores de polimerización en paralelo de 41,6 m 3 cada uno (de tal forma que mientras en uno de ellos tiene lugar una de las cuatro fases del proceso, en los demás se lleven a cabo las otras fases), para que en todo momento haya algún reactor en funcionamiento. De esta manera no habría que retrasar la producción y se aumenta la eficiencia de la planta de PVC. Ingeniería básica de una Planta de Producción de PVC granular Cristóbal Beltrán Domínguez Página 115 4. MEDICIONES Y PRESUPUESTO 4.1. Planta de cloruro de vinilo 4.1.1. Reactor de Cloración Directa Para estimar el coste del reactor de cloración se han utilizado las correlaciones registradas en el método seguido por Matches (Matches' engineering to chemical energy manufacturing, que es una compañía de ingeniería que proporciona apoyo para el desarrollo de nuevos productos y procesos tecnológicos o mejoras en productos químicos, energéticos y metalúrgicos para aumentar su eficiencia). Según este procedimiento, es posible determinar el coste de este equipo a partir del tipo de reactor, su volumen (que fue calculado en el apartado del diseño), el material y la presión interna del mismo: Se trata de un reactor no agitado que consta de camisa de refrigeración externa. Su volumen es de 33,65 m 3 (que equivale a 8889 galones); el material elegido para su construcción es acero inoxidable 304 (SS 304) y la presión en el mismo es de 5 bar (72,52 psi). Todos estos datos, unidos a las correlaciones mencionadas proporcionan un coste del reactor de cloración directa de 202100 $, que son unos 181.093 €. REACTOR DE CLORACIÓN DIRECTA, R - 1 TIPO Jacketed, Non - Agitated VOLUMEN (m 3 ) 33,65 VOLUMEN (galones) 8889 MATERIAL Stainless Steel, 304 PRESIÓN (bar) 5 PRESIÓN (psi) 72,52 COSTE ( €) 181 . 093 Tabla 46. Coste Reactor de Cloración Fuente: Elaboración propia Ingeniería básica de una Planta de Producción de PVC granular Cristóbal Beltrán Domínguez Página 116 4.1.2. Reactor de Oxicloración El reactor de oxicloración es un reactor de lecho fluidizado no agitado y sin camisa de refrigeración en su exterior, ya que la corriente de salida del mismo se enfría rápidamente en un equipo enfriador o quench colocado en serie. Posee un volumen de 43,2 m 3 (11412 galones) y una presión en su interior de aproximadamente 5 bar (72,52 psi). Nuevamente, el material empleado para este equipo es acero inoxidable del tipo 304 (SS 304). El coste del reactor de oxicloración asciende a 217.383,5 € (242600 $). REACTOR DE OXICLORACIÓN, R - 2 TIPO Jacketed, Non - Agitated VOLUMEN (m 3 ) 43,2 VOLUMEN (galones) 11412 MATERIAL Stainless Steel, 304 PRESIÓN (bar) 5 PRESIÓN (psi) 72,52 COSTE ( €) 217 . 383,5 Tabla 47. Coste Reactor de Oxicloración Fuente: Elaboración propia 4.1.3. Columna de Destilación C-1 El coste de una columna de destilación se obtiene como la suma del precio de la propia torre más el coste adicional que suponen los platos de destilación: Coste C-1 = Coste columna + Coste platos (4.1.2.a) 1) Coste columna El coste del equipo empleado para llevar a cabo la operación de destilación es directamente proporcional al peso del mismo, el cual depende a su vez del material utilizado para construir la torre. Ingeniería básica de una Planta de Producción de PVC granular Cristóbal Beltrán Domínguez Página 117 El material empleado para la construcción de este equipo es acero inoxidable AISI 304, cuya densidad es de 7930 kg/m 3 . El peso del acero usado en el diseño de toda la torre se determina a partir del volumen del mismo y la densidad de dicho acero. V = V lateral + V bases (4.1.2.b) 2 2 ei lateral D D V = Π · ( - ) · H 4 4 (4.1.2.c) donde De y Di son los diámetros externo e interno de la columna respectivamente. Para hallar el diámetro interno se sigue el procedimiento que se detalla a continuación: [56] i 4 · A D = Π (4.1.2.d) v n Q A = U (4.1.2.e) mezcla vv D · PM Q = ρ (4.1.2.f) nv v L Y U = ρ ρ ρ − (4.1.2.g) mín N - N Y = N +1 (4.1.2.h) i i v D g 1 ρ = x ρ ∑ (4.1.2.i) i i L liq B 1 ρ = x ρ ∑ (4.1.2.j) Ingeniería básica de una Planta de Producción de PVC granular Cristóbal Beltrán Domínguez Página 118 La nomenclatura utilizada en todas estas expresiones es la siguiente: A es el área del material de acero inoxidable empleado en la construcción de la columna; Q v el caudal volumétrico; D el caudal molar de la corriente de destilado (kmol/h); ρ v la densidad de la fase vapor; Un es la velocidad del gas; ρ L la densidad de la fase líquida; N se refiere al número real de platos que posee la torre y N mín al número mínimo de platos que debe tener la misma; x Di es la fracción de destilado de cada una de las distintas especies y x Bi la fracción de colas de cada componente; por último, i g ρ es la densidad en fase gaseosa de cada sustancia presente y i liq ρ su homóloga en fase líquida. Los datos necesarios para los tres componentes que intervienen en esta columna son: Componente Peso molecular x D ρ g (kg/m 3 ) x B ρ liq (kg/m 3 ) DCE 99 0,693 3,42 0,997 1253 Tricloroetano 133,5 3,2E-4 4,21 2,58E-3 1435 HCl 36,5 0,307 1,49 2,85E-5 1192,98 Tabla 48. Datos de los componentes de C-1 Fuente: Elaboración propia Sustituyendo estos valores en las expresiones (4.1.2.i) y (4.1.2.j) se obtienen ρ v = =2,446 kg/m 3 y ρ L = 1253,9 kg/m 3 y además PM mezcla = 269 kg/kmol. Como además se sabe (del diseño de la columna C-1 efectuado en la memoria de cálculo) que D = 6,25 kmol/h, por medio de la ecuación (4.1.2.f) se llega a Q v = 687,5 m 3 /h. También se tiene del diseño que N = 18 y N mín = 4 => Y = 0,737 (expresión (4.1.2.h)). Por tanto, reemplazando datos en (4.1.2.g) se halla la velocidad del gas Un= 377. Finalmente, ya es posible determinar el área de la torre de destilación C-1: A = 1,823 m 2 => D i = 1,523 m. D e = D i + 2 in = 1,57 m. Ingeniería básica de una Planta de Producción de PVC granular Cristóbal Beltrán Domínguez Página 119 Para saber la altura de la columna (H), se tiene en cuenta que la misma dispone de 18 platos y que éstos se encuentran separados una distancia de 0,5 metros aproximadamente, por lo que H = 9,5 m. Ahora es posible calcular el V lateral mediante la ecuación (4.1.2.c), que tiene un valor de 1,17 m 3 . A continuación se halla el V bases : 2 3 e bases bases Π · D V = A · espesor = 2 · · 0,051 = 0,098 m 4 V total = V lateral + V bases = 1,268 m 3 . El peso de la torre sería entonces de 1,268 m 3 x 7930 kg/m 3 = 10057,98 kg. Conociendo asimismo que el valor típico de compra de estos equipos es de 12 €/kg si el material es acero inoxidable: Coste columna = 10057,98 kg x 12 €/kg = 120.695,76 €. 2) Coste platos Para obtener el precio correspondiente a los platos de una columna de destilación se emplea la siguiente correlación: i 3,28 ft 1,523 m · D(ft) M & S 1302,3 1 m Precio ($) = 140 · N · · = · 6 M & S (1970) 6 303,3 = 9008,7 $ = 8055 € = Coste platos El coste total de adquisición de la columna de destilación C-1 asciende a: Coste C-1 = 120695,76 + 8055 = 128.750,76 € Ingeniería básica de una Planta de Producción de PVC granular Cristóbal Beltrán Domínguez Página 126 4.2. Planta de policloruro de vinilo 4.2.1. Reactor de Polimerización En el apartado 3.6.1 se desarrolló el diseño del reactor de polimerización y se comprobó que lo adecuado era trabajar con dos equipos iguales en paralelo. La estimación del coste de estos dos reactores se efectúa en función del material elegido y la cantidad del mismo empleada para su construcción. Se utiliza acero inoxidable AISI 304 (para recubrir el fondo y toda la pared exterior, así como para la tapa superior) y su precio está relacionado con el volumen de este material que forma parte del reactor: V = V lateral + V bases Dado que cada equipo posee un volumen total de 41,6 m 3 , distribuidos en una altura de unos 4 m y un diámetro interno de 3,7 m, con un espesor de acero de unas 2 in (5 cm), se obtiene: V lateral = 2,36 m 3 V bases = 1,13 m 3 Por tanto, la cantidad de acero inoxidable empleada es de 3,49 m 3 x 7930 kg/m3 = 27.675,7 kg de acero inoxidable. El precio estimado es de 12 €/kg de acero, por lo que el coste de uno de los dos reactores es: Coste 1 reactor = 27.675,7 kg x 12 €/kg = 332.108,4 € Se conoce además que el coste conjunto del sistema de refrigeración con agua en serpentines para evacuar el calor de reacción de que dispone, unido al aislamiento exterior del reactor, es de unos 60.000 €. Añadiendo esto último al coste inicial de un reactor se obtiene que: Coste 1 reactor = 332.108,4 +60.000 = 392.108,4 € Finalmente, el presupuesto total de la unidad de polimerización asciende a: Coste polimerización = 4 x 392.108,4 € = 1.568.433,6 € V total = 3,49 m 3 de acero inoxidable Ingeniería básica de una Planta de Producción de PVC granular Cristóbal Beltrán Domínguez Página 127 4.3. Presupuesto Total de la Ingeniería Básica de las Plantas de CVM y PVC En el presente capítulo 4 de Mediciones y Presupuesto se ha llevado a cabo una estimación bastante aproximada del coste inicial de los principales equipos y unidades que constituyen la ingeniería básica de estas dos plantas de producción (Planta de cloruro de vinilo y Planta de policloruro). Para ello, se ha obtenido el coste de cada uno de dichos equipos principales por separado. Finalmente, se va a determinar el presupuesto total de la instalación completa, que se calcula como la suma de todas y cada una de estas unidades o fases del proyecto: IITEM EQUIPOS Nº EQUIPOS VALOR UNITARIO (€) VALOR (€) R-1 Reactor de Cloración Directa 1 181.093 181.093,00 R-2 Reactor de Oxicloración 1 217.383,5 217.383,50 C-1 Columna de Depuración de DCE 1 128.750,76 128.750,76 C-2 Columna de Depuración de DCE 1 1.414.330,48 1.414.330,48 R-3 Reactor de Pirólisis 1 796.629 796.629,00 C-3 Columna de Depuración de CVM 1 698.634,14 698.634,14 C-4 Columna de Depuración de CVM 1 954.488,32 954.488,32 R-4 Reactor de Polimerización 4 392.108,4 1.568.433,60 TOTAL - 11 - 5.959.742,80 Tabla 53. Presupuesto total Fuente: Elaboración propia El presupuesto total de construcción de la PLANTA DE PRODUCCION DE POLICLORURO DE VINILO GRANULAR (PVC), asciende a la cantidad de CINCO MILLONES NOVECIENTOS CINCUENTA Y NUEVE MIL SETECIENTOS CUARENTA Y DOS EUROS CON OCHENTA CÉNTIMOS (5.959.742,80€). Ingeniería básica de una Planta de Producción de PVC granular Cristóbal Beltrán Domínguez Página 128 5. PLANOS Y DIAGRAMAS En las páginas siguientes se pueden visualizar los cuatro planos–diagramas que componen el proceso global de producción de PVC. PLANO 1. Diagrama de bloques planta de CVM. PLANO 2. Diagrama de bloques planta de PVC. PLANO 3. Diagrama de flujo planta de CVM. PLANO 4. Diagrama de flujo planta de PVC. Ingeniería básica de una Planta de Producción de PVC granular Cristóbal Beltrán Domínguez Página 129 6. CONCLUSIONES El presente documento ha desarrollado la ingeniería básica de una planta de producción de policloruro de vinilo granular. Como tal, describe todo el procedimiento necesario para obtener este producto, incluidas una serie de mediciones y estimaciones presupuestarias de los principales equipos que la integran, sin llegar a entrar en detalles de costes de operación, ni realizar un análisis exhaustivo de la inversión, por ser un trabajo de carácter académico. La producción de policloruro de vinilo pertenece a un sector industrial puntero en cuanto a política y gestión ambiental, no existiendo ningún material alternativo más favorable al medio ambiente y que tenga un menor impacto en la naturaleza. Bajo el punto de vista del concepto de desarrollo sostenible, es preciso tener en cuenta que el 57% de su composición proviene de recursos naturales prácticamente ilimitados, como es la sal común. Por todo ello, sería interesante la realización a posteriori de una ingeniería de detalle con la finalidad última de la implantación de un complejo industrial para la fabricación de resina de policloruro de vinilo en la zona propuesta en este proyecto. Ingeniería básica de una Planta de Producción de PVC granular Cristóbal Beltrán Domínguez Página 130 7. BIBLIOGRAFÍA [1] Miguel Ángel Ramos Carpio, Ingeniería de los Materiales Poliméricos, Volumen I. [2] Alfred Rudin, The Elements of Polymer Science and Engineering. 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