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DISEÑO Y SIMULACION DE PROCESOS INDUSTRIALES II DISEÑO Y SIMULACION DE UNA PLANTA PRODUCCION DE CLORURO DE VINILO MONOMERO
Tipo: Guías, Proyectos, Investigaciones
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DOCENTE: Ing. Virgilio Oporto Vásquez
Sucre-Bolivia
Resumen
El presente proyecto muestra el diseño de una planta para la producción de producción de
cloruro de vinilo monómero a partir de etileno y cloruro de hidrogeno que se utiliza como
materia fuente para la producción de policloruro de vinilo. Para la elaboración se empleará la
herramienta de procesos químicos Aspen Plus V.10, la cual nos permite llevar a cabo la
simulación del comportamiento real del proceso. De esta forma se procederá al análisis de la
influencia de cada una de las variables del proceso, además de su análisis económico.
La instalación se localizará en el departamento de TARIJA específicamente en el municipio
de Gran Chaco, aprovechando de este modo la materia prima que se tiene disponible de la
planta de separadora de líquidos GRAN CHACO.
En Bolivia, podría ser producido para mercados internacionales, generando
inversiones, fuentes de empleo e ingresos fiscales para infraestructura y para reducir la
pobreza; pero como aquí la dirigencia estatal tiene una visión chata de la historia es casi
imposible pensar en proyectos de escala.
P , Presión (Bar)
Ec , Ecuacion
F , Fuerza (KN)
V , Volumen (m)
T , Temperatura (K)
Z , Compresibilidad
Q , Calor (KJ, BTU)
m , Flujo másico (Tn/día)
r
Calor de reacción (KJ/mol)
0
, Entalpia de referencia (KJ/Kmol)
R, Constante Universal de los Gases (8,3145 KJ/Kmol°K)
i
, Entalpia molar para ecuación de estado (KJ)
Cpi , Calor especifico a presión constante, (KJ/Kmol°K)
Kp, Es la constante cinética de la reacción de pirólisis.
CDE , es la concentración del reactante DCE.
∆ T , Diferencia de temperaturas (K)
p, Es la velocidad de reacción de la partícula
Ea , Energía de activación
DSTW , diseño aproximado de columnas simples de destilación basado en el método
Winn-Underwood-Gilliland
DCE , Dicloroetano
CVM , Cloruro de vinilo monómero
PVC , Policloruro de vinilo
DCE
, Flujo másico de dicloroetano
ref ,
Temperatura de referencia
Calor
total
Calor total
i
Selectividad del compuesto i
Cl 2
Concentracion de cloro
k i
Constante cinética del compuesto i
− r i
Cinética de reacción
CIH Cloruro de hidrogeno
HCl Acido clorhídrico
x i
Conversión del compuesto i
∑ Sumatoria
oxicloración. Por la reacción de pirolisis, el dicloroetano se convierte en el monómero de
cloruro de vinilo (CVM) (Mamani, 2017)
El cloruro de vinilo se produce a partir de etileno y cloro, a partir de la pirolisis del 1,
dicloroetano, mediante el proceso de oxicloración de BF Goodrich y actualmente patentada
por ¨Oxyvinuyls¨, los usos del cloruro de vinilo son:
Generación de cloruro de polivinilo (PVC)
Copolímeros
Cloruro de polivilideno
Síntesis orgánica
Adhesivos para plásticos
El PVC es uno de los materiales sintéticos más antiguos de la historia en la producción
industrial. Su historia temprana del descubrimiento es múltiple y accidental en diferentes
lugares y en diferentes momentos, así como misiones sin éxito para su aplicación comercial.
Henry Victor Regnault descubrió accidentalmente PVC en al menos dos ocasiones en el siglo
segunda en 1872 por el alemán Eugen Baumann. En ambas ocasiones, el polímero apareció
como un blanco dentro de frascos sólidos del gas cloruro de vinilo recién descubierto que
había quedado expuesta a la luz solar.
El material fue difícil de trabajar y nadie logro dominar el reto de aplicaciones comerciales.
En 1913, el inventor alemán Friedrich Heinrich August Klatte sacó una patente sobre el PVC,
su método utiliza la polimerización de cloruro de vinilo con la luz del sol. El avance más
significativo se produjo en los Estados Unidos cuando la empresa BFGoodrich contrató el
científico industrial Waldo Semon para desarrollar un sustituto sintético para el caucho
natural cada vez más costoso. Sus experimentos produjeron de nuevo cloruro de polivinilo
Sin embargo, el material fue amenazado por la recesión de la década de 1920 y fue bajo
amenaza de abandono que Semon concibió la idea de PVC como un revestimiento resistente
2
al agua para las telas. Las ventas se dispararon rápidamente con una gama de productos en
rápida expansión. La demanda se aceleró de nuevo durante la Segunda Guerra Mundial,
cuando el PVC rápidamente reemplazado material tradicional para aislar el cableado en los
buques militares. Durante la década de 1950 muchas más empresas comenzaron a producir
PVC y los volúmenes aumentaron drásticamente en todo el mundo. Los desarrolladores
encontraron rápidamente más allá, a través de usos innovadores de la década y métodos
refinados para mejorar la durabilidad, abriendo la puerta a aplicaciones en los oficios de la
construcción. A mediados del siglo 20, cinco empresas estaban produciendo PVC, se
siguieron encontrando durante la década de 1960 mejores métodos para obtención de este
polímero. Un látex a base de vinilo se utiliza en estructuras inflables y revestimientos de tela,
y al mismo tiempo, se han desarrollado métodos para mejorar la durabilidad del PVC, lo que
permite aplicaciones en la industria de la construcción. Los productos de PVC se convirtieron
rápidamente en esencial para la industria de la construcción; la resistencia del plástico a la luz,
los productos químicos y la corrosión hizo la mejor opción para la creación de aplicaciones.
(Mamani, 2017)
La demanda de plásticos en el mercado interno nacional, provoca la importación de
volúmenes cada vez mayores de plásticos terminados. Con la actual potencialización de la
petroquímica en nuestro país, existe la posibilidad de generar cloruro de vinilo monómero, a
partir de la generación de etileno en la planta GRAN CHACO
Debido al incremento de la demanda de PVC, surge la necesidad de establecer una planta de
producción del cloruro de vinilo.
¿Si en nuestro país se produciría el cloruro de vinilo, se podrá eliminar o por lo menos
minimizar considerablemente las importaciones de plásticos? ¿Es posible llevar a cabo una
planta de producción de cloruro de vinilo en Bolivia a partir de etileno y cloro como materia
prima?
3
Descripción completa del proceso llevado a cabo para la producción del cloruro de
vinilo a partir de materias primas, indicando datos y condiciones de operación de
los diferentes equipos que constituyen el proceso global.
Realizar los cálculos necesarios que incluya el desarrollo de los balances de
materia y energía de la planta de producción.
El etileno es el producto químico orgánico más importante que existe para la industria y es
por esta razón que por tonelaje se fabrica. Es el componente básico de una amplia gama
de productos químicos, desde plásticos hasta soluciones anticongelantes y disolventes.
El etileno es un pequeño hidrocarburo gaseoso que es producido de manera natural, pero que
también puede ser producto u obtenido como resultado de la combustión. (Briceño, 2018)
2.1.1. Características
Las principales características del etileno son las siguientes:
Es un termoplástico que se caracteriza por ser resistente, flexible y poco denso, es
ligeramente soluble en agua, alcohol y éter, como gas es muy asfixiante, es
altamente inflamable y explosivo, tiene un límite de explosividad en aire: superior 3% en
5
volumen e inferior 32% en volumen, necesariamente debe de ser transportado por medio de
un ducto o un buque tanque.
Es conocido también con el nombre de eteno. Su estructura química se caracteriza por la
unión de dos carbonos por medio de un doble enlace.
Es uno de los compuestos químicos de mayor importancia para la industria. (Briceño, 2018)
2.1.2. Síntesis
La mayor parte de la producción mundial de etileno se obtiene por medio de un proceso
conocido como steam cracking , que en español se refiere a un craqueo con presencia
de vapor, en sustancias típicas de refinerías como es el caso del gasoil, el propano, o etano
entre otros. También puede llegar a ser obtenido a partir de las naftas y su proceso químico
de refinamiento , partiendo del gas natural. A pequeña escala, en laboratorios , también es
posible obtenerlo, cuando se da la oxidación de los alcoholes. (Briceño, 2018)
2.1.3. Propiedades físicas
Fuente: (Briceño, 2018)
2.1.4. Etileno en Bolivia
En 2012 el gobierno boliviano lanza proyecto de implementación de la Planta de Etileno –
Polietileno estará ubicado en la provincia Gran Chaco, en el departamento de Tarija, se
estima una inversión de $us 1.760 millones, en inicio de operación de la planta es hasta el
2022 (Ministerio de Hidrocarburos 2021, 2021)
6
Formula molecular C 2
4
Masa molecular (g/mol) 28.
Punto de ebullición (°C) -103.
Punto de función (°C) -169.
Densidad kg/m
3
Acidez pKa 44
solubilidad en agua -
Presión de critica (atm) 50.
Temperatura critica (°C) 10
Estado de agregación Gas
En la tabla siguiente tabla se muestra un pequeño resumen de las diferentes características
físico-químicas del cloro. (Gómez, 2017)
Fuente: (Gómez, 2017)
El oxígeno es un elemento químico de símbolo “O” y número atómico 8. Forma parte del
grupo de los anfígenos en la tabla periódica y es un elemento no metálico altamente reactivo
que forma compuestos, óxidos, con la mayoría de los elementos. Así mismo es un fuerte
agente oxidante y tiene la segunda electronegatividad más alta de todos los elementos. Es el
tercer elemento químico más abundante en el universo y el más abundante en la corteza
terrestre, formando prácticamente la mitad de su masa.
Su nombre proviene de las raíces griegas (oxys) y (gonos) Cuando se encuentra en
condiciones normales de temperatura y presión (CNPT), dos átomos de este elemento se
enlazan y forman un di oxígeno, el oxígeno se encuentra en estado gaseoso formando
moléculas diatónicas (O 2
El oxígeno se condensa a -183°C en un líquido azul pálido. Se solidifica a -219°C en un
sólido blando azulado. En la siguiente tabla se resumen algunas propiedades fisicoquimicos
del oxígeno: (Cassal, 2015)
Tabla 4. Propiedades fisicoquímicas de oxígeno
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Formula molecular Cl 2
Masa molecular (g/mol) 70.
Punto de ebullición (°K) 293.
Punto de función (°K) 172.
Densidad kg/m
3
573
solubilidad en agua -
Presión de critica (KPa) 7710
Temperatura critica (°K) 416.
Volumen critico m
3
/kg 1.78e-
Fuente: (Cassal, 2015)
El agua es un compuesto inorgánico formado por un átomo de oxígeno unido a dos átomos de
hidrogeno. En condiciones normales el agua es un color inodoro, incoloro e insípido. Es una
molécula polar debido a la electronegatividad que se forma entre los átomos de hidrógeno con
el átomo de oxígeno.
Entre sus propiedades químicas se destaca como un disolvente muy versátil (disuelve gran
variedad de compuestos). El agua tiene un elevado calor específico debido a la polaridad que
tiene. Este calor específico alto conlleva a que el agua se utilice como fluido térmico. (Alba
Ramirez, 2018)
Fuente: (Alba Ramirez, 2018)
Hasta el año 1960 el cloruro de vinilo era obtenido por hidrocloración en fase gaseosa del
acetileno. Este procedimiento ya no se utiliza en varios países europeos y actualmente es la
cloración directa del etileno, o la oxicloración con cloruro de hidrogeno y oxígeno, seguido
9
Formula molecular O
Numero atómico 8
Aspecto Incoloro
Masa molecular (g/mol) 15.
Estado gaseoso
Punto de ebullición (°K) 90.
Punto de función (°K) 50.
Densidad kg/m
3
Calor de fusión KJ/mol 0.
Volumen molar m
3
/mol 17,36e-
Electronegatividad 3.
Calor especifico J/Kg 920
Conductividad térmica W/(K*m) 0.
Formula molecular H 2
Masa molecular (g/mol) 18,
Punto de ebullición (°C) 100
Punto de fusión (°C) 0
Densidad líquida (g/ml) 1
Presión de vapor (KPa a 25°C) 3,
Calor especifico (JJ/g*K) 4,
