UNIVERSIDAD VERACRUZANA

UNIVERSIDAD VERACRUZANA
FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS
ZONA XALAPA
PROGRAMA EDUCATIVO:
INGENIERÍA QUÍMICA
“SIMULACIÓN DE LA PRODUCCIÓN DE
POLIETILENO DE BAJA DENSIDAD (PEBD)
EN ASPEN PLUS”
TESIS
Que para acreditar la Experiencia Educativa:
Experiencia Recepcional
P r e s e n t a:
DIANA OREA CORTINA
Asesor interno:
Dr. Jorge Octavio Virues Delgadillo
Asesor externo:
Dr. Eduardo Vivaldo Lima
Xalapa, Ver., Junio 2014
JURADO ASIGNADO:
Dr. Jorge Octavio Virues Delgadillo
Dr. Epifanio Morales Zárate
M.C. Miguel Antonio Roldán Rico
Lugar donde se realizó la tesis:
Laboratorio de Polímeros
Departamento de Ingeniería Química
Universidad Nacional Autónoma de México
Ciudad Universitaria
México D.F.
TUTOR INTERNO: Dr. Jorge Octavio Virúes Delgadillo
TUTOR EXTERNO: Dr. Eduardo Vivaldo Lima
2
RESÚMEN
PALABRAS CLAVES: Aspen Plus, polietileno de baja densidad, reactor tubular,
simulación, polímero.
El polietileno de baja densidad (LDPE) es uno de los insumos más
importantes de la industria petroquímica. Las propiedades químicas y físicas
versátiles del LDPE hacen que este tenga una gran cantidad de usos. Algunas
de las aplicaciones del LDPE son bolsas y películas plásticas, tuberías y
aislante. El LDPE se produce a partir de la polimerización vía radical y la
adición de moléculas de etileno. En la industria gran parte del LDPE se produce
en procesos continuos a altas presiones, para realizar la polimerización la
mayoría se realizan en reactores tubulares.
Se llevaron a cabo 4 simulaciones de un reactor tubular, donde se
mezcla el monómero y un iniciador a presiones entre 1300 atm y 3400 atm y
temperaturas entre 160°C y 330°C. Cuando el iniciador se activa, comienzan
una serie de reacciones en cadena de adicción de moléculas de etileno, lo cual
hace crecer la molécula de polímero hasta que la reacción se detiene. La
polimerización del etileno es un proceso complejo en cuanto a la estabilidad del
reactor y el control de las propiedades del polímero. Se estudió el efecto de
cambios en el volumen del reactor y en la intensidad de mezcla entre iniciador
y monómero en algunas propiedades asociadas con el polietileno de baja
densidad; todo ello se realizó en el simulador Aspen plus con el tipo de modelo
cinético de Ziegler- Natta.
En las simulaciones se analizó la reacción de descomposición del iniciador y la
reacción de iniciación del polímero, y se encontró que a altas temperaturas, el
iniciador se descompone rápidamente, produciendo una molécula activa de
iniciador la cual rápidamente se mezcla con el monómero produciendo el
primer radical polimérico.
3
ABSTRACT
KEYWORDS: Aspen Plus, low- density polyethylene tubular reactor, simulation
Polymer.
The low density polyethylene (LDPE) is one of the most important
supplies of the petrochemical industry. The versatile Chemical and Physical
properties of LDPE make it have a lot of uses. Some of the applications are
LDPE plastic bags and films, pipes and insulation. LDPE is produced from
radical via polymerization and the addition of ethylene molecules. In industry
LDPE largely occurs in continuous processes at high pressures, for
polymerization most of them are performed in tubular reactors.
There were 4 simulations of a tubular reactor, where monomer and
initiator are mixed at pressures between 1300 atm and 3400 atm and
temperatures between 160°C ad 330°C. When the initiator is activated, it starts
a chain reaction serie of ethylene molecules addiction, which makes the
Polymer molecule grow until the reaction stops. The polymerization of ethylene
is a complex process in regard to the stability of the reactor and control the
Polymer Properties. The effect of changes has been studied in the volumen of
the reactor and the intensity of mixture between initiator and monomer in some
Properties associated with low density polyethylene, all this was done in the
Aspen Plus simulator with the kind of kinetic model of Ziegler-Natta catalysts.
In the simulations the initiator decomposition reaction and the initiation
reaction of the Polymer were analyzed and found that at high temperatures, the
initiator is rapidly decomposed, producing an active initiator molecule which
quickly is mixed with the monomer to produce the first polymeric radical.
.
4
RESUMÉN………………………………………………………………………………..
ABSTRACT………………………………………………………………………...........
CONTENIDO……………………………………………………………………………..
SÍMBOLOS……………………………………………………………………………….
LISTA DE TABLAS……………………………………………………………………...
LISTA DE FIGURAS…………………………………………………………………….
3
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INTRODUCCIÓN………………………………………………………………………...
Antecedentes……………………………………………………………………………..
Motivación de la Investigación………………………………………………………….
Objetivos……………………………………………………………………………….....
Objetivo General……………………………………………………………..........
Objetivo Específico……………………………………………………………......
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11
11
11
CAPÍTULO 1. MARCO TEÓRICO………………………………………………….....
1.2 Polímeros………………………………………………………………………….....
1.3 Propiedades generales de los sistemas de polímeros…………………............
1.4 Clasificación de los Polímeros…………………………………………………......
1.5 Estructura de los Polímeros………………………………………………………..
1.6 Reacciones de polimerización……………………………………………………..
1.6.1 Polimerización de adición o de crecimiento de cadena………………..
1.6.2 Polimerización por coordinación………………………………………….
1.6.3 Polimerización de condensación o crecimiento de pasos……………..
1.7 Usos y aplicaciones de los Polímeros…………………………………………….
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15
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19
19
CAPÍTULO 2. POLIETILENO.................................................................................
2.1 Descripción de polietileno……………………………………………………….....
2.2 Tipos de polietileno………………………………………………………………….
2.3 Polietileno de Baja Densidad (PEBD)………………………………………….....
2.4 Procesos para la manufactura del Polietileno…………………………………....
2.5 Método de polimerización por adición…………………………………………….
2.6 Descripción del proceso de producción de PEBD……………………………….
2.7 Reactor Tubular……………………………………………………………………...
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CAPÍTULO 3. SIMULADOR “ASPEN PLUS”.......................................................
3.1 Simulación de procesos químicos en Ingeniería Química……………………...
3.2 Tipos de simulación………………………………………………………………....
3.3 ASPEN PLUSTM……………………………………………………………………..
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35
CAPÍTULO 4. SIMULACIÓN DEL PROCESO DE POLIETILENO DE BAJA
DENSIDAD………………………………………………………………………............
4.1 Parámetros de la simulación……………………………………………………….
4.2 Descripción del proceso…………………………………………………………….
4.3 Mecanismo de reacción…………………………………………………………….
4.4 Esquema de flujo de proceso…………………………………………………......
4.5 Condiciones de proceso……………………………………………………………
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38
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42
RESULTADOS ………………………………………………………………………….
CONCLUSIONES………………………………………………………………………
REFERENCIAS…………………………………………………………………………
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61
62
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SIMBOLOS
PE
Polietileno
SPI
Society of Plastics
TM
Trademark “Marca registrada”
Tf
Temperatura de fusión
UCR
Unidad constitucional repetitiva
(X)
Grado de polimerización
LDPE
Polietileno de baja densidad
HDPE
Polietileno de alta densidad
PVC
Polivinilcloruro
PS
Poliestireno
PP
Polipropileno
PB
Polibutadieno
K-1
Coeficiente de expansión lineal
GPa
Módulo de tracción
MPa
Resistencia a tracción
6
LISTAS DE TABLAS
Tabla 1.
Principales polímeros de la industria química.
Tabla 2.
Principales polímeros del código SPI de reciclaje mundial.
Tabla 3.
Propiedades mecánicas, térmicas y eléctricas de los polímeros.
Tabla 4.
Clasificación de polímeros, subdivisión y su definición según su
estructura.
Tabla 5.
Clasificación de polímeros según su estructura.
Tabla 6.
Clasificación de las reacciones de polimerización por adición.
Tabla 7.
Aplicaciones de los polímeros más comunes.
Tabla 8.
Clasificación de los diferentes tipos de polietileno.
Tabla 9.
Propiedades físicas del polietileno de baja densidad.
Tabla 10. Propiedades mecánicas del polietileno de baja densidad.
Tabla 11. Propiedades eléctricas del polietileno de baja densidad.
Tabla 12. Propiedades térmicas del polietileno de baja densidad.
Tabla 13. Se presenta una comparación de los distintos procesos de
manufactura de polietileno y sus principales aspectos
Tabla 14.
Ecuaciones de diseño para reactor tubular
Tabla 15.
Materias primas que se necesitan para la producción de PEBD.
Tabla 16.
Lista de componentes utilizados en el modelo añadido en el
simulador Aspen Plus
Tabla 17.
Gráfica de los parámetros evaluados por DPN y DPW
Tabla 18.
Gráfica de la velocidad de descomposición del iniciador frente a la
longitud del reactor PFR1
Tabla 19.
Gráfica de los perfiles de temperatura del refrigerante y del reactivo
para PFR1.
Tabla 20.
Gráfica del perfil de fracción molar de etileno para PFR1 y PFR3
Tabla 21.
Perfiles de temperatura del reactor tubular.
7
LISTAS DE FIGURAS
Fig.1
Estructura de monómeros de etileno (lado izquierdo) cuando ya
se tiene finalizada la reacción de polimerización las nuevas
moléculas formadas son llamadas polietileno.
Fig. 2
Distribución de peso molecular de un polímero.
Fig. 3
Ramificación esquemática de polietileno de baja densidad.
Fig. 4
Representación de la molécula de etileno no activada (A),
representación de etileno ya “activada.
Fig. 5
Esquema representativo de la terminación en desproporción
Fig. 6
Esquema de flujo de proceso.
Fig. 7
Sección que se anexa los datos al simulador Aspen Plus.
Fig. 8
Descripción que se le anexa al simulador Aspen Plus.
Fig. 9
Se anexan los componentes al simulador Aspen Plus.
Fig.10-33
Datos que se anexan al simulador Aspen Plus.
Fig. 34
Variación de la densidad del etileno con la presión de diferentes
temperaturas.
Fig. 35-40 Resultados de las simulaciones en Aspen Plus.
Fig. 41
Variación del flujo de polietileno para el primer circuito de
polimerización.
Fig. 42
Conversion de la polimerizacion con respecto a la temperatura.
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INTRODUCCIÓN
ANTECEDENTES
Los polímeros han sustituido en muchos usos a otros materiales
empleados desde hace mucho tiempo, como los metales, la madera, el vidrio,
la lana y el algodón, porque representan ventajas sobre ellos porque son más
ligeros, más resistentes a los impactos y a la intemperie, son moldeables y en
general presentan un menor costo que los materiales a los que sustituyeron,
por ello los científicos han nombrado el presente siglo como Edad de los
Polímeros.
En 1933 los químicos ingleses que trabajaban para la ICI (Imperial
Chemicals Industries) R.O. Gibson y E.W. Fawcett estaban probando la
reacción entre benzaldehído y etileno a presiones elevadas. Al finalizar el
experimento notaron que las paredes del recipiente de la reacción estaban
cubiertas por una capa muy delgada de un sólido blanco semejante a la cera,
pero al repetir el experimento usando sólo etileno, este se descompuso con
gran violencia; pero en 1935 se llevaron a cabo nuevamente los experimentos
llegaba a una temperatura de 180ºC la presión caía dramáticamente, lo que
obligaba a bombear más etileno; cuando se abrió el recipiente se encontró un
polvo blanco: el polietileno de baja densidad. La caída de presión fue originada
por una fuga en una de las uniones del aparato; el éxito de experimento residió
en la adición de más etileno; ese etileno contenía por suerte la cantidad de
oxígeno necesaria para acelerar la formación de polímero. (Peacok, A.J. 2000).
El polietileno es la materia prima más económica dentro del ramo de los
plásticos debido a que obtención a partir del fraccionamiento del petróleo
involucra un menor número de pasos en relación a otros, lo que implica una
menor cantidad de energía utilizada en sus síntesis, induciendo a un menor
precio de los empaques en el mercado.
Gracias a las nuevas tecnologías, existen herramientas que facilitan
conocer el proceso de una planta industrial sin la necesidad de gastar materias
primas, energía eléctrica, horas hombre, etc., para obtener resultados que
harán más fácil la toma de decisiones. La paquetería de ASPEN PLUS, un
simulador que permite estudiar estos cambios de una manera más sencilla y a
un bajo costo de inversión, ayudando a definir si los cambios son factibles a
escala industrial.
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INTRODUCCIÓN
MOTIVACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN
Hoy en día con el uso de simuladores, al Ingeniero Químico se le abre
un amplio panorama para la resolución de problemas, ya que son una
herramienta útil para los procesos de la industria química y, dentro de la rama
de los polímeros, han aportado un gran avance tecnológico, pues se puede
manipular las variables como se desee siempre y cuando las condiciones estén
dentro de lo permitido.
El polietileno es la materia prima más económica dentro del ramo de los
plásticos, debido a que su obtención a partir del fraccionamiento del petróleo
involucra un menor número de pasos en relación a otros. El uso de un
simulador permite analizar los problemas de los procesos y desarrollar sus
aplicaciones basados en la manipulación directa y en la construcción de
modelos.
Por todo lo anterior, esta investigación utilizará la ayuda de la
herramienta del simulador ASPEN PLUS; con él desarrollaremos un modelo
que nos ayudará a entender y saber si es posible modificar y optimizar el
proceso del PEBD.
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INTRODUCCIÓN
OBJETIVOS
Objetivo principal
Simular el proceso de producción de Polietileno de Baja Densidad
en reactor tubular, utilizando el paquete de simulación ASPEN PLUS.
Objetivos particulares

Predecir el comportamiento de simulación del proceso de
producción del polietileno de baja densidad.

Visualizar los resultados de la simulación y las interacciones
entre las variables y parámetros de diseño y operación que
interviene en el proceso.

Establecer las diferencias entre los resultados de la industria y los
resultados obtenidos, para evidenciar las ventajas de la
utilización del simulador de procesos.

Presentar a la simulación de procesos como herramienta
moderna y eficiente para el estudio de la carrera de Ingeniería
Química.
11
MARCO TEÓRICO
1.2 Polímeros
Las poliolefinas constituyen una importante familia de materiales dentro
de los polímeros, siendo el Polietileno (PE) y Propileno (PP) los de mayor
consumo mundial.
Un polímero es una macromolécula constituida a partir de varias
unidades repetidas más pequeñas que le proporcionan una estructura lineal o
ramificada. Aunque una gran variedad de polímeros se producen naturalmente,
los polímeros sintéticos o hechos por el hombre poder ser hechos a la medida
para satisfacer necesidades específicas del mercado. (Polymer Plus Guide,
2000). De hecho el nombre de estos compuestos ya sugiere su constitución
interna, puesto que la palabra polímero deriva de los términos griegos “poli” y
“meros”, que significan “mucho” y “parte”, respectivamente. Cuando la molécula
está formada por pocas unidades, se habla de un oligómero, derivado
etimológicamente del termino griego “oligo” que significa “poco”. (Peacok, A.J.
2000).
Los polímeros son un tipo particular de macromolécula, que se caracteriza
por tener una unidad que se repite a lo largo de la molécula. Las pequeñas
moléculas que se combinan entre sí mediante un proceso químico, llamado
reacción de polimerización, para formar el polímero se denominan monómeros
(Fig. 1) (Rodríguez F., 1984). La unión de todas estas pequeñas moléculas da
lugar a una estructura de constitución repetitiva en el polímero (Fig. 2) y la
unidad que se repite regularmente a lo largo de toda la molécula, se conoce
con el nombre de unidad constitucional repetitiva (UCR) o unidad monomérica
(Rubín Irvin, 2005). La longitud de la cadena del polímero viene determinada
por el número de UCR que se repiten en la cadena. Esto se llama grado de
polimerización (X), y su peso molecular viene dado por el peso de la unidad
constitucional repetitiva multiplicado por el grado de polimerización. (Shan,
C.L.P, 2003).
12
MARCO TEÓRICO
Fig.1 Estructura de monómeros de etileno (lado izquierdo) cuando ya se finalizada la
reacción de polimerización las nueva moléculas formadas son llamadas polietileno.
De acuerdo al tamaño de las cadenas de monómeros existen más de
cien tipos de plásticos, lo más comunes son los que se muestran en la
siguiente tabla (Ver tabla 1), donde se da el nombre comercial y en fórmula
química la diferencias de un monómero y de un polímero (Rubín Irvin, 2005).
Tabla 1. Principales polímeros de la industria química
Nombre
Polietileno
Monómero
(LDPE y HDPE)
Polivinilclororuro
Polímero
Cl
(PVC)
Poliestireno
(PS)
Polipropileno
(PP)
Polimetacrilato de
metilo
1.
(C5O2H8)n
Polibutadieno
(PB)
Sabiendo que hay gran variedad de polímeros, existe una clasificación
formado por un número rodeado por un triángulo de acuerdo por la Sociedad
de la Industria de Plásticos (SPI por sus siglas en inglés), en la siguiente tabla
(Ver tabla 2) está la clasificación principal de un grupo de materiales
relacionados con propiedades diferentes, que facilita el reciclaje de estos
materiales (D.W. Van Krevelen, 2000).
13
MARCO TEÓRICO
Tabla 2. Principales polímeros del código SPI de reciclaje mundial
Nombre
Tereftalato de
polietileno
Código SPI
Polietileno de alta
densidad
Policloruro de vinilo
Polietileno de baja
densidad
Polipropileno
Poliestireno
1.3 PROPIEDADES GENERALES DE LOS SISTEMAS DE POLIMEROS
En cualquier aplicación, el costo es un factor importante. El precio del
polímero en la forma de polvo, látex, solución o bala, es solo parte del cuadro
económico. El costo de otros ingredientes, el equipo de fabricación, mano de
obra, energía y todos los otros costos indirectos, pueden muy bien eclipsar la
participación del polímero. De acuerdo a la utilidad a la que se le de uso serán
las propiedades que
podrían considerarse para una aplicación individual:
propiedades mecánicas, propiedades térmicas y propiedades eléctricas (Ver
tabla 3).
Tabla 3. Propiedades mecánicas, térmicas y eléctricas generales de los polímeros
(Rodríguez Ferdinand, 1984).
Propiedades mecánicas
Propiedades térmicas
Propiedades
eléctricas
Resistencia a la tensión
Coeficiente de expansión
Resistencia eléctrica
Resistencia a la
Conductividad térmica
Constante dieléctrica
compresión
Resistencia a la flexión
Calor especifico
Factor de potencia
Estabilidad dimensional
Temperatura de distorsión
-----------al calor
Resistencia al impacto y
Resistencia al calor
-----------tenacidad
14
MARCO TEÓRICO
1.4 Clasificación de los polímeros
Las características del polímero son usualmente generadas por el nombre
del polímero, como el polietileno y el poliestireno, o por el tipo de monómero
químico como acrílico o poliéster; pero gracias a estas características se
pueden clasificar de diferentes maneras, y a su vez esas clasificaciones,
pueden subdividirse en otras (Ver tabla 4).
Tabla 4. Clasificación de polímeros, subdivisión y su definición según su estructura
(adaptado del texto de Wiseman, P. 2003).
Clasificación
Subdivisión
Definición
Homopolímeros
Formados a partir de un solo tipo de
Composición
monómero.
Hetepolímeros
Formados
por
dos
o
más
monómeros.
Naturales
Sacados de la naturaleza.
Origen
Semisintéticos
Se obtienen por transformación de
polímeros naturales.
Sintéticos
Se obtienen industrialmente.
Termoplásticos
Después de ablandarse o fundirse
por calentamiento, recuperan sus
Comportamiento
propiedades originales al enfriarse,
frente a una
en general son polímeros lineales
fuente de calor
con bajas Tf.
Termoestables
Después del calentamiento se
convierten en sólidos más rígidos
que los polímeros originales.
Amorfo
Cuando las cadenas no están
arregladas en una forma particular.
Estado físico
Cristalino
Cuando
las
cadenas
están
arregladas en una forma particular.
1.4 Estructura de los polímeros
Los
polímeros
pueden
ser
definidos
como
largas
macromoléculas donde una estructura pequeña se repite
moléculas
o
a lo largo de la
cadena. Por esta razón, los polímeros tienden a presentar diferentes
comportamientos físicos
a
los de las moléculas pequeñas,
también
denominadas monómeros, que son producidos cuando los monómeros son
enlazados a través de la polimerización llegando a ser una estructura repetitiva
de segmentos dentro de la cadena, como se muestra en la siguiente tabla en
forma representativa la clasificación de las diferentes estructuras que adoptan
éstos materiales durante el proceso (Ver tabla 5).
15
MARCO TEÓRICO
Tabla No. 5 Clasificación de polímeros según su estructura (adaptado del texto
Rodríguez Ferdinand 1984).
Clasificación
Tipo
Estructura física
Lineales
Ramificados
Estructura de la cadena de
polímeros
Estrella
Entrecruzado
Malla
Homopolímero
Composición/Segmentos
Copolímero
Amorfo
Estado físico
Cristalino
Homocadena
Estructura de la cadena
Copolímero
C
C
C
S
1.6 Reacciones de polimerización
En 1929, Carothers separo las polimerizaciones en dos grupos, de acuerdo
con la composición o la estructura de los polímeros, se dividen Los
polímeros son formados principalmente
a través de dos reacciones
generales: (Odian, G, 1991).
 Reacciones en poliadiciones (polimerización por adición).
 Reacciones en policondensaciones (polimerización por condensación).
16
MARCO TEÓRICO
1.6.1 Polimerización de adición o de crecimiento en cadena
En esta clase de polimerización los polímeros son sintetizados por la
adición de monómeros insaturados a la cadena creciente. Un monómero
insaturado es aquel que tiene un enlace covalente, o doble, entre sus átomos,
estos enlaces covalentes son bastante reactivos y al ser eliminados permiten
que el monómero se pueda acoplar con otros monómeros insaturados, es
decir; el polímero se sintetiza por adición de un monómero insaturado a una
cadena en crecimiento, en este tipo de polimerización no se generan productos
secundarios, por ello también cuenta con una clasificación que va de acuerdo a
la formación de las cadenas poliméricas que se producen en las diferentes
reacciones que pueden ocurrir entre los monómeros (Ver tabla 6). (D.W. Van
Krevelen, 2000).
La primera reacción de adicción implica la activación química externa de
las moléculas que las induce a combinarse en una reacción en cadena, sus
etapas son:
 Iniciación: Los
radicales libres manteniendo la neutralidad eléctrica
capturan electrones compartidos para lo que fijan un monómero,
transfiriendo su inestabilidad al extremo siguiente de la cadena.
 Propagación o crecimiento: La etapa de crecimiento es muy rápida, el
reactor contiene mayoritariamente iniciador, monómero y polímero
acabado.
La
concentración
de
iniciador
y
su
velocidad
de
descomposición en función de la temperatura controlan la velocidad
global de la polimerización y afectan inversamente a la longitud
promedio de la cadena, esta se repite sucesivamente hasta que por
recombinación de los dos extremos en crecimiento o por fenómeno de
transferencia al iniciador radicalizo este se desactiva.
 Terminación: Acoplamiento: Los dos electrones desapareados se unirán
para formar un par y se establecerá un nuevo enlace químico que unirá
las respectivas cadenas.
 Desproporción: El electrón desapareado de una de las cadenas se une
a un electrón del enlace C-H del átomo de carbono vecino al otro
carbono radical. El carbono terminal de la primera cadena cumple con el
17
MARCO TEÓRICO
octeto, mientras que la segunda cadena forma un doble enlace terminal
(Rodríguez Ferdinand, 1984).
Una característica distintiva de las cadenas de polimerización por adición es
que los polímeros de alto peso molecular son formados inmediatamente aun a
bajas conversaciones, y que el monómero está siempre presente en cantidades
considerables durante la polimerización. (Wiseman, P., 2003)
Tabla No.6 Clasificación de las reacciones de polimerización por adición (Ramos M.A,
1998)
Reacciones de
Principales aspectos
polimerización
 Los iniciadores de radical libre son compuestos
químicos que poseen un enlace covalente débil
que se rompe fácilmente en dos radicales libres
cuando son sometidos a un fuente de calor.
 En cada etapa ocurre, la reacción de un radical
libre es acompañada por la formación de un
nuevo radical libre para continuar la cadena de
Polimerización vía radical
reacción.
libre
 Las cadenas también pueden ser terminadas
por contactos con las paredes del contenedor
en otras formas similares.
 El resultado global de las reacciones de
transferencia de cadena es un polímero con un
peso molecular promedio bajo.
 Estas reacciones son catalizadas a través de
una especie iónica o por un par de iones el cual
es formado con el monómero de un paso inicial
y puede adicionar más monómeros.

Las reacciones de adición de cadenas iónicas
Polimerización iónica
son diferentes a las reacciones de adición de
radicales libres.
 En la primera, está involucrado un ion opuesto
y se encuentra en extrema proximidad de la
cadena de propagación del polímero; mientras
que en la segunda, los radicales se encuentran
libres.
 La polimerización catiónica es inducida a través
de iniciadores químicos o por irradiación.
 Las especies activas están conformadas por
iones carbonios.
 Unión carbonio es un grupo de átomos que
Polimerización catiónica
contiene un átono de carbón con solo seis
electrones y una carga positiva.
 Es utilizada con mayor frecuencia cuando el
control no es necesario.
 La polimerización aniónica es iniciada
empleando bases como por ejemplo: Li+NH2- .
Se utiliza este polimerizar óxidos orgánicos.
Polimerización aniónica
18
MARCO TEÓRICO
Polimerización por
coordinación
 Aquel proceso donde se producen la
eliminación de una molécula ligera como agua,
amoniaco o HCl. El producto resultante, el
policondensado, ha de tener por tanto una
composición centesimal distinta a la del
monómero o monómeros de partida, ya que el
policondensado puede ser un homopolímero o
un copolímero.
1.6.2 Polimerización por coordinación
En la polimerización si el centro reactivo y el metal son apreciablemente
covalentes, el proceso es llamado polimerización por coordinación; este es
utilizado para los catalizadores Ziegler-Natta que están entre los tipos de
catalizadores de coordinación más importantes a nivel industrial. Dentro de
sus ventajas podemos destacar es la generación de polímeros lineales y
permite el control estereoquímica (Gottfried, W.E., 2001).
1.6.3 Polimerización de condensación o crecimiento en pasos
En la polimerización de condensación algunos átomos del monómero no
son incluidos en el polímero resultante, por lo que se produce una pequeña
molécula como residuo. Los monómeros iniciales de estas sustancias han de
tener al menos dos grupos funcionales, obteniéndose en este caso un polímero
con estructura lineal. Si se parte de monómeros tri, tetra o en general poli
funcionales se obtiene polímeros reticulados tridimensionalmente.
Finalmente, si se combinan monómeros bifuncionales con monómeros tri
o poli funcionales se forman policondensados ramificados, pudiendo en este
caso formarse también estructuras reticuladas si la cantidad de monómero poli
funcional
es suficientemente
grande.
Los policondensados lineales y
ramificados son termoplásticos y los reticulados termoendurecibles (Peacok,
A.J. 2000).
1.5 USOS Y APLICACIONES DE LOS POLIMEROS
La mayor parte de los objetos de la vida moderna están fabricados con
estos materiales, la versatilidad de las propiedades de los plásticos ha
permitido su aplicación en campos tan distintos como la medicina, la ingeniería,
las comunicaciones, la industria textil, la industria automotriz y, desde luego, en
19
MARCO TEÓRICO
la vida cotidiana; algunos ejemplos de polímeros y sus usos, se dan en la
siguiente tabla (Ver tabla 7) (Rubín Irvin, 2005).
Tabla 7. Aplicaciones de los polímeros más comunes
Tipo de Polímero
PET
Tereftalato de Polietileno
HDPE
Polietileno de alta densidad
PVC
Policloruro de vinilo
LDPE
Polietileno de baja densidad
PP
Polipropileno
PS
Poliestireno
Usos comunes
Envases para alimentos como:
aderezos,
mermeladas,
jaleas,
refrescos, agua, etc.)
Algunas bolsas para supermercado,
bolsas para congelar, envases de
leche, helado, jugos ,shampoo,
detergentes, químicos, cubetas, etc.
Envases para plomería, tuberías,
mangueras, suelas para zapatos,
cables, correas para reloj, etc.
Película de empaque, bolsas de
basura, envases para laboratorio,
etc.
Bolsas para frituras, popotes,
equipo para jardinería, cajas para
alimentos, cintas para empacar,
envases para uso veterinario, etc.
Cajas para discos compactos,
cubiertos de plástico, imitaciones de
cristal, juguetes, etc.
El polietileno se ubica dentro de los productos de consumo masivo. Es
ampliamente utilizado en la industria del envasado de alimentos en forma de
film, bolsas, botellas, vasos, potes, etc. El polietileno, particularmente el
polietileno de alta densidad, a menudo se utiliza en sistemas de tuberías de
presión debido a su inercia, fuerza y la facilidad de montaje. Como se ha
descripto, el polietileno puede ser formulado para cubrir un gran número de
requerimientos de los productos con él fabricados, admitiendo ser procesado
por todos los métodos de conformación de termoplásticos conocidos
(inyección, extrusión, soplado, rotomoldeo, termoformado, etc.) (Malpass B. De
nnis).
20
POLIETILENO
2.1 DESCRIPCIÓN DEL POLIETILENO
El polietileno es un termoplástico, designación que se emplea para
aquellos polímeros que se ablandan cuando son expuestos al calor, y que
retornan a su condición original cuando son enfriados a temperatura ambiente y
es el plástico más común. La producción anual es de aproximadamente 80
millones de toneladas métricas. Su uso principal es en el embalaje (Malpass B.
Dennis, 2010).
Sus propiedades pueden ser controladas y modificadas conveniencia,
cambiando la densidad, peso molecular promedio, y la distribución de peso
molecular, mediante la manipulación de las variables del proceso (Mcketta,
John J., 1994). Dentro de las características más importantes tenemos:
Distribución de pesos molecular: La distribución de peso molecular y
otros parámetros tales como, pesos moleculares promedio, la distribución y el
grado de ramificaciones, pueden influenciar fuertemente las propiedades
físicas, mecánicas y reológicas de un material polimérico. El polietileno no se
escapa de dicha aseveración, ya que sus propiedades mecánicas varían
ampliamente, permitiendo su utilización en aplicaciones que exigen buena
flexibilidad y dureza (Brandrup, J. 1975).
Peso molecular promedio: Los polímeros presentan un peso molecular
que es heterogéneo o polidisperso, pues cuando se habla de peso en
polímeros, en este contexto se refiere a cantidades promedio (Ver figura 1)
donde el punto máximo de acuerdo a la mayor cantidad de moléculas se le
llama peso molecular promedio en número. Los promedios de peso molecular
más frecuentemente utilizados son el peso molecular promedio en número, que
se define como peso total de todas las moléculas dividido por el número total
de moléculas, y el peso molecular promedio en peso, que se define como la
suma de las fracciones en peso de cada molécula multiplicada por su peso
molecular (Carberry James, 1987).
21
POLIETILENO
Fig.2 Distribución de peso molecular de un polímero (Carberry James, 1987).
2.2 TIPOS DE POLIETILENO
El polietileno se clasifica en varias categorías basadas sobre todo en su
densidad y ramificación (Ver tabla 8). Sus propiedades mecánicas dependen
en gran medida de variables tales como la extensión y el tipo de ramificación, la
estructura cristalina y el peso molecular. Con respecto a los volúmenes
vendidos, los grados de polietileno más importantes son el HDPE y LDPE.
(Malpass B. Dennis 2010).
Tabla 8. Clasificación de los diferentes tipos de polietileno (adaptado de Malpass B.
Dennis 2010).
Tipo de Polietileno
Densidad
Características
Polietileno de ultra alto
0.930-0.935 Material
muy
duro,
extraordinaria
peso molecular
g/cm3
tenacidad, bajo desgate y excelente
(UHMWPE)
resistencia química.
Polietileno de alta
0.941
Tiene un bajo grado de ramificación, por lo
densidad (HDPE)
g/cm3
tiene fuertes fuerzas intermoleculares y
resistencia a la tracción.
Polietileno reticulado
----------Sus propiedades a alta temperatura
(PEX o XLPE)
mejoran, su flujo se reduce y su resistencia
química es mayor.
Polietileno de media
0.926-0.940 Tiene buenas propiedades de resistencia al
densidad (MDPE)
g/cm3
choque y caída.
Polietileno de baja
0.915-0.925 Tiene mayor resistencia a la tracción que el
densidad lineal (LLDPE)
g/cm3
LDPE, no es sencillo procesarlo.
Polietileno de baja
0.010-0.940 Tiene una menor resistencia a la tracción
densidad (LDPE)
g/cm3
pero tiene un aumento de ductilidad.
Polietileno de muy baja
0.880-0.915 Con altos niveles de cadena corta
densidad (VLDPE)
g/cm3
ramificada.
Polietileno de ultra bajo
0.93-0.95
Por su bajo peso molecular hace que sea
3
peso molecular
g/cm
un material blando ceroso.
(ULMWPE)
22
POLIETILENO
2.3 POLIETILENO DE BAJA DENSIDAD (PEBD)
El polietileno de baja densidad o PEBD (LDPE en inglés) es un polímero de
cadena ramificada, (Fig. 2) por lo que su densidad es más baja (Rodríguez
Ferdinand, 1984).
Fig. 3 Ramificación esquemática de polietileno de baja densidad (D.W. Van Krevelen
2000)
El polietileno de baja densidad es un termoplástico comercial, posee
buenas propiedades físicas (Ver tabla 9), semicristalino (un 50% típicamente),
transparente y más bien blanquecino, flexible, liviano, impermeable, inerte (al
contenido), no tóxico, tenaz (incluso a temperaturas bajas), con poca
estabilidad dimensional, pero fácil procesamiento y de bajo costo. Además
posee excelentes propiedades eléctricas (Ver tabla 11)
(buen aislante
eléctrico) pero una resistencia a las temperaturas débil (Ver tabla 12). Su
resistencia química también es muy buena pero es propenso al agrietamiento
bajo carga ambiental, pues sus propiedades mecánicas no son las resistentes
(Ver tabla 10). Su resistencia a los rayos UV es mediocre y tiene propiedades
de protección débiles, salvo con el agua. Buena dureza y resistente al impacto
en bajas temperaturas (Peacok, A.J. 2000).
Tabla 9. Propiedades físicas del polietileno de baja densidad
PROPIEDADES FÍSICAS
Absorción de agua en 24 hrs. (%)
Densidad (g/cm3)
Índice refractivo
Resistencia a la radiación
Resistencia al ultravioleta
Coeficiente de expansión lineal (K-1)
Grado de cristalinidad (%)
< 0.015
0.915-0.935
1.51
Aceptable
Mala
1.7 x 10-4
40-50
23
POLIETILENO
Tabla 10. Propiedades mecánicas del polietileno de baja densidad
PROPIEDADES MECÁNICAS
Módulo elástico (N/mm2)
Coeficiente de fricción
Módulo de tracción (GPa)
Relación de Poisson
Resistencia a tracción (MPa)
Esfuerzo de rotura (N/mm2)
Elongación a ruptura (%)
200
-0.1-0.3
-5.25
8-10
20
Tabla 11. Propiedades eléctricas del polietileno de baja densidad
PROPIEDADES ELÉCTRICAS
Constante dieléctrica a 1MHz
Factor de disipación a 1MHz
Resistencia dieléctrica (KV mm-1)
Resistencia superficial (ohm/sq)
Resistencia de volumen (ohm/cm)
2.2-2.35
1-10 X 10-4
27
1013
1015-1018
Tabla 12. Propiedades térmicas del polietileno de baja densidad
PROPIEDADES TERMICAS
Calor específico (J K-1 Kg-1)
Coeficiente de expansión ( x106 K-1)
Conductividad térmica a 23 ºC (W/mK)
Temperatura máxima de utilización (ºC)
Temperatura de reblandecimiento (ºC)
Temperatura de cristalización (ºC)
Temperatura mínima de utilización (ºC)
1900-2300
100-200
0.33
50-90
110
105-110
-60
2.4 PROCESOS PARA LA MANUFACTURA DEL POLIETILENO
Existen diversos procesos para la manufactura del polietileno como se
muestra en la siguiente tabla (Ver tabla 13), que dependen de factores como el
producto a ser manufacturado, el grado de polimerización, cristalinidad,
condiciones de operación, etc. (Mcketta, John J., 1994).
24
POLIETILENO
Tabla no. 13 Se presenta una comparación de los distintos procesos de manufactura
del polietileno y sus principales aspectos.
Procesos para la
manufactura del
Principales aspectos
polietileno
En el proceso de alta presión, el etileno es polimerizado a
polietileno empleando presiones muy elevadas y catalizadores a
radicales libres. Dependiendo del producto particular a ser
Proceso a alta
manufacturado, puede ser alimentado al proceso varios
presión
comonómeros y modificadores en conjunto con el etileno.
La conversión de etileno a polietileno en un reactor tubular
generalmente se encuentra entre 20 y 30%, lo cual resulta en un
elevado reciclaje de monómeros, que deben ser re comprimidos
hasta la presión de reacción.
Los procesos en solución de baja presión son operados a
Proceso a baja
temperaturas por encima del punto de fusión del polímero o de
presión en fase
su solubilidad en el medio de la reacción. Los procesos en fase
solución y
solución pueden variar por el tipo de solvente utilizado, presión
catalizador de
de operación, y mecanismo de remoción del calor de
metal de transición polimerización. El peso molecular del polímero puede ser
controlado sobre un amplio rango controlando la temperatura y
por adición de hidrógeno.
El proceso de baja presión en fase gas la polimerización ocurre
en estado gaseoso. El etileno y los comonómeros son circulados
continuamente empleando un compresor en el lecho fluidizado
Proceso a baja
del proceso a fin de proveer la resina de fluidización, un recurso
presión en fase
de monómeros, y un método de remoción de calor de
gas con
polimerización. El reactor de mezclado gas emplea un agitador
catalizador de
para generar la circulación. En este caso la temperatura
metales de
promedio debe ser controlada por debajo del punto de fusión del
transición
polímero.
2.5 METODO DE POLIMERIZACION POR ADICION:
Consideremos la polimerización de etileno para dar polietileno. Como ya
se vio, la molécula de eteno (o etileno), C2H4, está enlazada químicamente por
un enlace doble entre los dos átomos de C y por 4 enlaces covalentes simples
C-H. El C2H4 es una molécula insaturada que contiene un enlace doble carbono
carbono. Cuando se activa la molécula de etileno de forma que el enlace doble
C=C se abre, el doble enlace se transforma en uno simple (Fig. 3) y como
resultado cada átomo de C queda con un electrón libre para el enlace con otro
C de otra molécula que tenga otro electrón libre. (Shan, C.L.P. 2003).
25
POLIETILENO
Fig. 4 Representación de la molécula de etileno no activada (A),
representación de etileno ya “activada (B).
Iniciación:
Para la reacción de polimerización del etileno pueden emplearse
diversos tipos de catalizadores. Dentro de estos tipos están los peróxidos
orgánicos que actúan como generadores de radicales libres. Un radical libre
puede definirse como un grupo de átomos que tienen un electrón desapareado
(electrón libre) que puede enlazarse de forma covalente a un electrón
desapareado (electrón libre) de otra molécula. Se denotan con un punto
seguido a la fórmula de la especie (Brandrup J. 1975).
Iniciación:
La reacción de iniciación consiste en la una ruptura homolítica de un
iniciador, para producir dos radicales, los cuales van a reacciones con el etileno
para crear centros activos, (Ki es la constante de velocidad).
I
2R
Ki
R + CH2 = CH2
R
CH2
CH2
Crecimiento
La cadena molecular comienza su crecimiento, hasta contener masa
molecular elevada formada por un gran número de átomos, (Kp es la constante
de velocidad de reacción de propagación).
R
CH2
Kp
CH2 + CH2 = CH2
Kp
R
R
CH2
(CH2
CH2
CH2) X
CH2
CH2
CH2
26
POLIETILENO
Terminación:
Donde Ktd es la constante de velocidad de reacción de terminación.
R
CH2 + R
CH2
CH2
Ktd
R
CH3 + R
CH2 =CH2
2.6 DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE PRODUCCION DE PEBD
La presente investigación tiene el objetivo de llevar a cabo la simulación
de reactores para la producción de polietileno de baja densidad para ello
sabemos que el proceso en solución, el etileno y los comonómeros son
polimerizados a bajas presiones y temperaturas utilizando catalizadores de
metales de transición. La reacción de polimerización se lleva a cabo a
temperaturas por debajo del punto de fusión del polímero resultante de forma
tal que el polímero se encuentra como partículas sólidas suspendidas en una
mezcla de reacción de monómeros disueltas en un diluyente inerte (D.W.Van
Krevelen, 2000). El etileno, los comonómeros, y el diluyente son las materias
primas básicas requeridas por el proceso en solución. Así, los comonómeros
como propileno, 1-buteno, y el 1-hexeno son utilizados para controlar la
densidad del polímero, dependiendo de las propiedades del producto deseado.
(Encyclopedia of Polymers Science and Engineering, 1986). El proceso se
desarrolla de la siguiente manera:
Polimerización: El etileno es una molécula bastante estable que polimeriza solo
al entrar en contacto con los catalizadores. La conversión es altamente
exotérmica, que es el proceso que libera una gran cantidad de calor. Los
catalizadores más comunes consiste en cloruro de titanio, el llamado
catalizadores de Ziegler-Natta (Gottfried, W.E. 2001).
Purificación de la materia prima: El etileno, comonómeros, y el diluyente son
alimentados al separador del sistema de purificación que remueve trazas e
impurezas comúnmente presentes en las materias primas disponibles a nivel
comercial. Estas impurezas pueden incluir parte por millón (ppm) de agua,
oxigeno, compuestos sulfurados, monóxido de carbono (CO), y dióxido de
carbono (CO2), que funcionan como veneno para el catalizador de metal de
transición. El sistema de purificación de etileno típicamente incluye tamices
moleculares dependiendo de la calidad de las materias primas. Los separados
requeridos para la desgasificación también son instalados tanto para las
corrientes de comonómeros como para las del diluyente (Gottfried W.E. 2001).
27
POLIETILENO
Reacción: Luego de la purificación, las materias primas son alimentadas al
reactor, el cual posee una chaqueta de enfriamiento de agua para remover el
calor del proceso de polimerización. El catalizador del metal de transición, el
diluyente, y los monómeros son añadidos y movidos continuamente a través
del agitador. Los monómeros polimerizan como una solución suspendida que
es circulada a través del reactor. El polímero es removido a través de un
asentador que se encuentra en forma vertical, donde las partículas se pueden
asentar en alguna extensión del diluyente. Estas partículas concentradas en
diluyente son removidas por descarga intermitente en la sección de separación
del proceso (Gottfried W.E. 2001).
Separación monómero-polímero: La mezcla de polímero, monómeros no
reactantes, y diluyente es separada bajando la presión en una etapa de
separación del sistema. Las partículas de polietileno son alimentadas de la
sección de separación a un secador donde una purga de nitrógeno remueve el
diluyente residual, luego son alimentadas a un mezclador en el cual pueden ser
incorporados los auditivos; y finalmente se envían a un extrusor y sistema
donde el producto es llevado a su forma final para un almacenaje y transporte.
La combinación de diluyente separado y monómero no reactante es enviada al
sistema de recuperación (Gottfried W.E. 2001).
Recuperación de monómeros y diluyente: El diluyente y los monómeros son
separados en el paso de recuperación de diluyente. El etileno disuelto y el
comonómeros en el diluyente son destilados y enviados ya sea a la unidad de
recuperación de monómero o son quemados como combustible. Si la unidad de
producción de etileno se encuentra cercana, los monómeros pueden ser
reciclados hacia esa unidad de recuperación; de otra forma, se requiere de una
unidad de recuperación de monómeros a fin de recuperar los monómeros no
reactantes. El diluyente es secado y enviado a almacenaje y luego es
recirculando de regreso al reactor. (Odian, G. 1991).
En la fabricación de productos comerciales se debe satisfacer generalmente
el criterio de rentabilidad para que el proyecto siga adelante. Puesto que ningún
reactor químico puede obtener alguna utilidad por sí mismo, el ingeniero
químico tiene que considerar el efecto de su reactor sobre la rentabilidad del
proyecto completo. Esta cuestión presenta dos aspectos principalmente a) el
costo del reactor (tanto del capital como los costos de operación) y b) el costo
28
POLIETILENO
del resto del proyecto para transformar le producto del reactor a su condición
final ya comercial. Las razones por las cuales con el tiempo se adoptan
procesos continuos en casi todas las industrias químicas a gran escala son
principalmente las siguientes:
a) Menor costo de mano de obra debido a la eliminación de operaciones
como sería el repetido llenado y vaciado de recipientes.
b) Facilidad de implantar el control automático. Esto también reduce los
costos de mano de obra, aunque casi siempre requiere de considerable
inversión.
c) Mayor constancia en las condiciones de reacción y, por tanto, mayor
constancia en la calidad del producto.
Se demostrará que un tipo de reactor puede preferirse a otro porque
produce un rendimiento más alto o un producto de mejor calidad. Estas
consideraciones químicas pueden tener una importante repercusión sobre los
costos de producción, pero solo son un factor en la composición general de los
costos. Otros factores que deben considerarse incluyen lo siguiente:
 Costos de capital del proceso: no es común que el costo del capital del
reactor mismo determine la selección del tipo de reactor.
 Costos de operación del reactor y de la planta relacionada con este: es
obvio que los costos de la materia prima serán menores mientras más
alto sea el rendimiento, pero el costo de mano de obra y energía
necesarias para la operación de la planta puede determinar la selección
del tipo de reactor.
 Facilidad de control y mantenimiento: La planta tiene que proporcionar
un producto de calidad especificada para lo cual es necesario un equipo
de control. También debe ser posible para y poner en marcha la planta
con facilidad. Alcanzar una pequeña ganancia en el funcionamiento a
régimen permanente pero incremento la dificultad de mantener este
régimen puede ser antieconómico. La sencillez en el diseño y el control
presentan beneficios económicos reales.
29
POLIETILENO
 Seguridad: no es fácil incluir la seguridad en los cálculos de los costos,
pero en años recientes, las técnicas de estudio de “riesgos y operación”
han mejorado notablemente. Estas incluyen métodos para cuantificar
las medidas de seguridad, lo que conduce a poder establecer
comparaciones económicas entre las alternativas que las consideran.
2.7 REACTOR TUBULAR
El reactor tubular recibe este nombre porque en muchos casos toma la
forma de un tubo. En general, es cualquier reactor de operación continua en
que hay un movimiento constante de uno o de todos los reactivos en una
dirección espacial seleccionada (los reactivos entran en un extremo del sistema
y salen por el otro) y en el cual no se hace intento alguno por inducir el
mezclado entre los elementos del fluido en un ningún punto a lo largo de la
dirección de flujo: esto quiere decir que es el tipo de reactor continuo para el
cual
la
primera
aproximación
útil
más
adecuada
para
predecir
su
comportamiento es la suposición de que el fluido se desplaza como si fuera un
tapón (Camberry, James, 1987).
Con frecuencia los tubos tienen unos cuantos centímetros de diámetro y
pueden ser de varios metros de longitud. Los reactores tubulares en ocasiones
funcionan en condiciones adiabáticas y otras con transferencia de calor a
través de la pared. En el primer caso, la temperatura se eleva naturalmente a lo
largo de la dirección del flujo si la reacción es exotérmica y decae si la reacción
es endotérmica. En el caso no adiabático, la temperatura tiende a elevarse
inicialmente, a pesar del enfriamiento externo, debido a la elevada rapidez
inicial de la reacción. Sin embargo, la temperatura del fluido reaccionante
empieza a disminuir con el tiempo, que es el resultado de que la rapidez de
desprendimiento de calor caiga por debajo de la rapidez de la transmisión del
calor a través de la pared (Denbigh K.G., 1999). El reactor tubular es uno de
los flujos continuo en donde no se induce la mezcla del fluido entro los
diferentes puntos a lo largo de la dirección de flujo. Se deduce que la primera
aproximación más apropiada para el cálculo del funcionamiento del reactor se
basa en la hipótesis de que hay un flujo “tapón” (también llamado flujo en
pistón) (Froment, Gilbert F. 1990).
30
POLIETILENO
¿Qué significa esta hipótesis? Diversos autores le dan significado
ligeramente distinto, pero aquí se define al flujo “tapón” como un estado
idealizado del flujo tal que:
 En cualquier sección transversal normal a los movimientos del fluido son
uniformes el gasto en masa y las propiedades del fluido (presión,
temperatura y composición) (Froment, Gilbert F. 1990).
 La difusión relativa al flujo del fluido es insignificante. Los reactores que
satisfacen aproximadamente dicha suposición se denominaran reactores
de flujo “tapón” (Froment, Gilbert F. 1990).
En general, el funcionamiento de un reactor tubular debe ser entonces,
exactamente igual al de un sistema intermitente que tenga una duración igual al
tiempo de paso por el reactor tubular y la misma temperatura y presión. Sin
embargo, debe tenerse cuidado en lo que respecta a las presiones, ya que no
debe suponerse que el volumen de un elemento de fluido necesariamente
permanece constante (Floger, H.S. 2008).
Los reactores tubulares pueden utilizarse para las polimerizaciones
gaseosas, (por ejemplo, el polietileno). Para polimerización en fase liquida o
por emulsión, la alta viscosidad del líquido, o la necesidad de agitación, hace
que eso sea imposible. El perfil de rapidez en un reactor tubular debido a la
elevada viscosidad de acuerdo a sus ecuaciones de diseño (Ver tabla 14),
daría como resultado que la distribución de tiempos de residencia fuera muy
amplia y unas de las consecuencias sería un grado de polimerización
insuficiente en el material que fluye por el centro y un grado de polimerización
excesiva cerca de la pared del tubo. El perfil de la rapidez en un reactor tubular
debido a la elevada viscosidad daría como resultado que la distribución de
tiempos de residencia fuera muy amplia y una de las consecuencias sería un
grado de polimerización insuficiente en el material que fluye por el centro y un
grado de polimerización excesiva cerca de la pared del tubo. Esto tendería, por
lo tanto, a que el polímero sólido se deposite sobre la pared, lo que provocaría
el asolvamiento progresivo del tubo (M.M. Peter Van Erdeghem, 2009).
31
POLIETILENO
Tabla 14. Ecuaciones de diseño para reactor tubular
Diferencial
Integral
Deducción
rA
FA0
V= ∫
FA FA – FA0 X
dFA 0 FA0 Dx
-FA0
rA
FA0
rA
Dv
V=0 ; x= 0
V= FA0 ∫
Tiempo
de
residencia,
espacio-tiempo,
espacio-velocidad:
Estos
términos se utilizan con frecuencia durante el estudio del funcionamiento de un
reactor y aquí pueden examinar en forma conveniente. El tiempo de residencia
de un elemento de fluido que sale del reactor es el intervalo que pasa dicho
elemento dentro del reactor. Para un reactor tubular bajo condiciones de flujo
“tapón”, el tiempo de residencia es el mismo para los elementos del fluido
efluente (Froment, Gilbert 1990).
El espacio-tiempo se define como el “volumen del reactor” dividido entre
el “gasto volumétrico” del fluido y, por tanto, tiene las dimensiones de tiempo. Si
por “volumen de reactor” se entiende el volumen vacío y por “gasto
volumétrico” el medido a la temperatura y presión del reactor, entonces el
espacio-tiempo es igual al tiempo de residencia en un reactor tubular isotérmico
en donde no cambia la densidad del fluido en proceso. El espacio-velocidad es
simplemente el reciproco del espacio-tiempo (Froment, Gilbert F. 1990).
32
SIMULADOR “ASPEN PLUS”
3.1 SIMULACIÓN DE PROCESOS QUÍMICOS EN INGENIERÍA QUÍMICA
La simulación de procesos químicos es una disciplina transversal a
todas las áreas de la ingeniería química que ha tomado una significativa
importancia debido a la evolución de las herramientas informáticas, y han
abierto un espectro más amplio de posibilidades en el uso de aplicaciones para
integración de procesos, análisis dinámico, evaluación de costos y diseño
conceptual de operaciones de reacción separación. Por tal razón, la generación
de nuevos procesos apoyada en la simulación obliga la integración de
conceptos de la ingeniería química y el desarrollo de habilidades de innovación.
(Jana Amika K, 2009).
La simulación es la tarea de representar un proceso de transformación
química o física mediante un modelo matemático que involucra el cálculo de
balances de materia y energía acoplados con el equilibrio de las fases y con las
ecuaciones de transporte y cinética química; donde es representada por
diagramas de flujo de proceso que son el lenguaje de los procesos químicos y
estos son utilizados en los simuladores de procesos con el fin de prever fallas y
evaluar el desempeño de un proceso (Aspen Plus, 2006). En la mayoría de los
simuladores se lleva a cabo la solución del sistema en forma lineal, resolviendo
cada unidad por separado y avanzando por el sistema según se conozcan las
variables necesarias para calcular la siguiente unidad; sin embargo, este
proceso no sirve cuando existen reciclas de materia en el sistema, pues
algunas de las variables por calcular son necesarias para inicializar el sistema
(Jana Amika K, 2009).
Un simulador de procesos es un programa de computador utilizado para
modelar el comportamiento en estado estacionario de un proceso químico,
mediante la determinación de las presiones, temperaturas y velocidades de
flujo. En la actualidad, los programas de computador utilizados en simulación
de procesos, así como a los sistemas de control y su respuesta a las
perturbaciones propias de una operación. De igual manera, se encuentra en el
mercado software disponible para el dimensionamiento de los equipos,
33
SIMULADOR “ASPEN PLUS”
estimación de costos, estimación y análisis de propiedades, análisis de
operabilidad y optimización (M.M. Peter Van Erdeghem, 2009).
Los simuladores de procesos permiten:

Estimar y realizar análisis de regresión de propiedades físicas.

Procesos donde los componentes deben ser mezclados, separados,
calentados, enfriados y convertidos mediante operaciones básicas.

Predice el comportamiento de un proceso utilizando principios de la
ingeniería.

Analiza el comportamiento de un sistema y realiza estudios de
optimización y sensibilidad.

Cambiar las condiciones de operación y analiza alternativas.

Estimar costos.

Genera como salida graficas o bien tablas de resultados.
3.2 TIPOS DE SIMULACIÓN
Los simuladores de procesos se clasifican de acuerdo con la estrategia
de simulación que utilizan para plantear el modelo matemático que representa
el proceso a simular. La estrategia de simulación se refiere a la manera en la
que se aborda el problema de resolución del modelo. Generalmente, la
estrategia depende de la complejidad del modelo y del modo de cálculo; la
primera entendida como las diferentes posibilidades existentes, desde modelos
lineales hasta modelos sofisticados con ecuaciones de velocidad de
transferencia de masa, energía y momentum; el segundo, referido a la
información (variables de entrada) que es necesario especificar para poder
especificar para poder resolver el modelo en términos de la información
restante (variables de salida) (M. Häfele, 2002)..
Las dos estrategias fundamentalmente utilizadas en la resolución de
problemas de simulación son la estrategia secuencial y la estrategia
simultánea. El concepto de simulación secuencial nace de la necesidad de
calcular diferentes unidades de proceso, dentro de un diagrama de flujo, en el
modo de evaluación. En este modo, se deben conocer algunos de los valores
de las corrientes de entrada y las especificaciones de parámetros de cada una
34
SIMULADOR “ASPEN PLUS”
de las unidades. Como no es posible especificar todas las corrientes de
entrada a las unidades de un proceso en forma simultánea, se hace necesario
utilizar los valores de salida obtenidos en el cálculo de una unidad como
valores de entrada de la siguiente unidad. De esta forma se establece un orden
de cálculo en forma secuencial para resolver una a una todas las unidades del
proceso. (Aspen Plus, 2006).
El orden de cálculo lo establece automáticamente el simulador,
asegurando que sea consistente con el flujo de información; en la mayoría de
los casos el cálculo arranca en los equipos para los cuales se conocen los
valores de las corrientes de alimento y los parámetros (Polymer Plus 2000).
3.3 ASPEN PLUSTM
Aspen Plus es una simulador de procesos en estado estacionario que se
utilizan para predecir el comportamiento de un proceso o una serie de
operaciones unitarias, a través de las relaciones básicas existentes. Éste
paquete de software sofisticado puede ser utilizado en casi todos los aspectos
del proceso desde una ingeniería de diseño hasta el análisis de costos y
rentabilidad; tiene una biblioteca integrada por columnas de destilación,
separadores, intercambiadores de calor, reactores, etc. (Fogler Scott H.,
Gurmen Nihat M. 2002).
Las relaciones y conexiones existentes en el proceso se determinan
mediante los balances de materia y energía, el equilibrio de fases, el equilibrio
químico y las velocidades de transformación química. De esta manera, es
posible simular el comportamiento de plantas existentes o en proyecto, con el
fin de mejorar las especificaciones del diseño o aumentar la rentabilidad y
eficiencia de operación en un proceso (Aspen Plus, 2006).
Entre las principales utilidades que se encuentran en estos simuladores
están:

Generación de gráficos y tablas.

Diseño preliminar de los diagramas de flujo usando de equipos
simplicados.

Realización de análisis de sensibilidad y casos de estudio.
35
SIMULADOR “ASPEN PLUS”

Dimensionamiento y evaluación de equipos.

Ajuste de datos experimentales.

Análisis de propiedades de componentes puros y mezclas.

Estudio de mapas y curvas residuales.

Optimización de procesos.

Estimación y regresión de propiedades fisicoquímicas.

Análisis dinámico de procesos.
Aspen Plus se localiza dentro del grupo de simuladores de estrategia
secuencial. Por tal razón, está compuesto por un grupo de unidades o
programas de simulación representados a través de bloques o iconos a los
cuales debe suministrarse la información pertinente para la resolución de los
balances de materia y energía (Aburdene, M.E. 1992).
Este paquete ha sido desarrollado por Aspen Technology Inc. y es un
programa de simulación de flujos de procesos utilizado para predecir, evaluar y
optimizar el comportamiento en el mundo real de los procesos químicos (Fogler
Scott H., Gurmen Nihat M. 2002). El proceso de simulación con Aspen Plus
permite predecir el comportamiento de un proceso utilizando relaciones básicas
de ingeniería tales como el balance de materia y energía, equilibrio físico,
equilibrio químicos, cinética y catálisis química, etc. Al ingresar la información
necesaria y esto va de acuerdo a las variables que necesitemos en nuestro
proceso, se puede simular el comportamiento apegado a la realidad de una
planta de proceso (Aspen Plus, 2006).
36
SIMULACIÓN DEL PROCESO DE POLIETILENO DE BAJA DENSIDAD
4.1 PARÁMETROS DE LA SIMULACIÓN
Para poder realizar la simulación, necesitamos tener los parámetros o
variables, que son determinantes para realizar un análisis de resultados
obtenidos y éstos se clasifican en:
Parámetros fijos o independientes:
Son los valores de diseño suministrados por hojas de datos de los
equipos, o por los informes de diseño, tales como: flujos de proceso,
temperatura y presión de operación, dimensiones de los equipos, composición
de las cargas de entrada en los equipos y otras condiciones de operación.
Parámetros manipulables o dependientes:
Son parámetros que pueden variar sus valores al momento de realizar la
simulación, tales como: métodos termodinámicos y propiedades físicas de los
componentes, parámetros cinéticos, etc.
Variables observadas:
Estos son los resultados obtenidos después de realizar la simulación,
temperatura y/o flujo de salida de los equipos, composición de las corrientes de
salida y del reciclo del proceso, condiciones finales de operación de los
equipos.
4.2 DESCRIPCIÓN DEL PROCESO
La alimentación comienza con el monómero de etileno
junto con el
iniciador a presiones entre 1000 atm y 3000 atm y a temperaturas entre 100°C
y 300°C; la alimentación se mezcla con la corriente de reciclado de baja
presión cuando el iniciador se activa, lo cual hace crecer la molécula de
polímero hasta que la reacción se detiene; esta polimerización es un proceso
complejo en cuanto a la estabilidad del reactor y el control de las propiedades
del polímero; además la polimerización de etileno es bastante sensible a dos
variables: la temperatura y la intensidad del mezclado entre el iniciador y el
monómero. Ambas juegan un papel importante, ya que si hay problemas de
mezclado, se pueden formar puntos calientes a lo largo del reactor, lo que
favorece la descomposición del etileno, disminuyendo el rendimiento (la
conversión de etileno hacia polímero) del proceso. En la segunda etapa el
etileno se calienta aún más para que la reacción tenga lugar.
37
Para describir el proceso de polimerización es también importante tomar
en cuenta el mecanismo de polimerización y se dividió la reacción global en
etapas más sencillas denominadas reacciones químicas; cada una de estas
reacciones tiene asociados uno o varios parámetros cinéticos, además uno de
estos pasos intermedios ocurre más lentamente y, por ende, controla la
velocidad global de la reacción.

El mecanismo de reacción se basa en que el catalizador y co-catalizador
son completamente solubles en el solvente y su cantidad se mantiene
constante durante la reacción.

El crecimiento de la cadena polimérica se debe al enlace de una
molécula de etileno con la próxima cadena polimérica activada
disponible.

Se considera que la concentración de etileno en la fase liquida es
proporcional a su presión en la fase gaseosa.
4.3 MECANISMO DE REACCIÓN
El polietileno de baja densidad es producido por una polimerización por
radicales libres. Para la polimerización de radicales libres, el esquema de
reacción se puede dividir en dos partes, las principales reacciones que son
características de todos los radicales libres y las reacciones secundarias que
por lo generales representan para la estructura (cadenas lineales o ramificadas,
largas o cortas).
Reacciones principales:
Las
principales
reacciones
de
radicales
libres
son:
iniciación,
propagación y terminación, donadores radicales como oxígeno o peróxido que
se utilizan para iniciar la polimerización; la reacción es iniciada con una mezcla
de iniciadores que cada uno de ellos se descompone en radicales en un nivel
de temperatura distinto. El siguiente paso es la reacción de crecimiento de
cadena, en la presencia de radicales, nuevas moléculas de monómeros se
añaden al final de los reactivos que forman radicales, radicales más largos es
llamada “polímero vivo”; cuando la concentración de radicales es lo
suficientemente alta comienza la tercera etapa en la reacción de crecimiento
de cadena terminando resultando en “polímero muerto”. Dos mecanismos
diferentes conducen a la terminación y la desproporción. El dibujo esquemático
38
SIMULACIÓN DEL PROCESO DE POLIETILENO DE BAJA DENSIDAD
de la terminación de la reacción en desproporción se representa en la siguiente
figura. (fig.5)
Fig. 5 Esquema representativo de la terminación en desproporción
Esquema de reacción:
Iniciador de descomposición
(2.1)
Iniciación
(2.2)
Iniciación
(2.3)
Iniciación termal
(2.4)
Propagación
(2.5)
Terminación por combinación
(2.6)
Terminación por desproporción (2.7)
En esta notación el índice v se utiliza para distinción de los diferentes
iniciadores (v=1, 2,3). El índice más alto significa una temperatura de
descomposición inferior del iniciador, es decir, iniciador 1 se descompone a alta
y el iniciador de 3 a bajas temperaturas. Mientras Ri denota los radicales
iniciadores correspondientes. M es el monómero (en este caso es el etileno), Ri
en general es porque está el “polímero vivo” y Pi son “polímeros muertos” de la
longitud de la cadena i. A partir de un punto de crecimiento de la cadena de
vista no hay ninguna distinción entre los radicales que vienen de una iniciación
mediante iniciadores (ec.2.2) por el modificador X (2.3) o por iniciación térmica
(2.4), desde la principal diferencia entre la cadena polimérica viva y la cadena
de terminación es la longitud de molécula. Con el fin de explicar la formación de
39
SIMULACIÓN DEL PROCESO DE POLIETILENO DE BAJA DENSIDAD
dobles enlaces por la reacción de terminación (2.7), se añade una “especie”
llamada DB. Esta especie representa la concentración de moléculas que
contiene dobles enlaces. Además de las principales etapas de reacción (2.12.7), que se producen en todo proceso de polimerización por radicales libres,
varias reacciones laterales también están presentes; y todas influyen en las
propiedades físicas del polietileno de baja densidad.
En cuanto al comportamiento del catalizador Ziegler-Natta al agregar el
solvente se forma una cierta cantidad de centros activos cuya concentración
solo varia con la velocidad de la reacción de desactivación; la reacción de
iniciación es muy rápida, irreversible y no contribuye sensibilidad a la cantidad
total de etileno consumido y la localización del sitio activo se ubica siempre en
el carbón intermedia de la cadena polimérica, finalmente para que las
reacciones se involucren las especies intermedias se cumple el estado
estacionario. Volviendo al tema de un catalizador de Ziegler-Natta este se
compone por lo menos de dos porciones: un componente del metal de la
transición y un compuesto principal del alquil del metal del grupo. El
componente del metal de la transición es generalmente titanio o vanadio. El
compuesto alquil del metal principal del grupo es generalmente un alquil de
aluminio. En práctica común, el componente titanio se llama “el catalizador' y el
alquil de aluminio se llama “el co-catalizador”. Sin embargo, es realmente la
combinación de los dos que forman el catalizador activo.
4.2 ESQUEMA DE FLUJO DE PROCESO
A partir de la revisión bibliográfica establecí los diferentes equipos y los
valores de los flujos necesarios para realizar la simulación como se muestran el
tabla (Ver tabla no.15). Es importante conocer las materias primas, el proceso
que se hará en la reacción de polimerización y como se produce la
polimerización a alta presión, utilizando hexano como diluyente y que se lleva
a cabo mediante un rector tubular. El monómero etileno, el cual constituye la
principal materia prima, el hexano hará el ajuste para la concentración que
junto con los catalizadores Ziegler-Natta son continuamente alimentados. El
hidrogeno es un controlador de peso molecular; así como el propileno o 1buteno servirán para el ajuste de la densidad que se alimentara continuamente
40
SIMULACIÓN DEL PROCESO DE POLIETILENO DE BAJA DENSIDAD
con etileno gaseoso al gas de reciclo que llega a los reactores. Los gases son
dispersos por un agitador y se disolverán en el hexano a temperatura de 75°C
A 85°C, polimerizando el etileno en presencia del catalizador y formándose una
pasta de polímero con una concentración determinada. La presión del
polimerización es mantenida por la presión parcial de hidrogeno, el calor latente
de hexano en un 80% y el resto por enfriamiento de las chaquetas del reactor y
el gas de reciclo conteniendo una gran cantidad de vapores hexano que será
transferido, luego de ser condesado y enfriado.
Tabla no. 15 Materias primas que se necesitan para la producción de PEBD
Materias primas
Descripción
Principal materia, interviene en la reacción de
Etileno (C2H4)
polimerización como monómero del proceso.
Interviene en la reacción de polimerización como
agente controlador de la longitud de las cadenas
Hidrogeno (H2)
del polímero y por consiguiente en el índice de
fluidez.
Se utiliza en el proceso de polimerización para
Comonómeros
1-buteno, 1-hexeno y 1-octeno
controlar el valor de la densidad del producto
final.
TiCl4 : Tetracloruro de Titanio
Catalizador Ziegler -Natta
compuesto
activo
(C2H5)3Al : Trietil de Aluminio compuesto líquido
Hidrocarburo que se utiliza para mantener la
Hexano (C6H14)
pasta de polietileno.
La figura 6 muestra el diagrama de flujo simplificado de una planta de
produccion de polietileno de baja densidad utilizando un reactor tubular.
El reactor tubular con una longitud de 10 m., diametro de con un flujo de
etileno de 11.0 kg/s, temperatura entrada: 226.85 °C, la concentración iniciador
entrada: 0.0011 kmol/m3, concentración etileno entrada: 15.8206 kmol/ m 3,
presión de operación: 2150 atm y el volumen: 0.411m 3
41
SIMULACIÓN
PROCESO
POLIETILENO
BAJA
DENSIDAD
SIMULACIÓN
DELDEL
PROCESO
DE DE
POLIETILENO
DE DE
BAJA
DENSIDAD
Fig. 6 Esquema de flujo de proceso
4.5 CONDICIONES DE PROCESO
El polietileno de baja densidad por radicales libres, es llevado a cabo en
reactor tubulares a alta presión (1300-3400 atm), y altas temperaturas (150°C340°C). En esos estados de alta compresión, el monómero de etileno gaseoso
se comporta como un líquido, los datos que se introducen en el simulador
Aspen Plus para poder simular se muestran en la Tabla no.15.
Tabla 17. Condiciones para la polimerización del polietileno baja densidad.
Nombre
Componentes
Datos
Descripción
INI1
Iniciador
Pure12
Iniciador
INI2
2° Iniciador
Pure12
Iniciador
E2
Etileno
Pure12
Monómero
PEBD
Polietileno
Polímero
Polímero
E2-SEG
---------
Segmento
Segmento Etileno
AGUA
Agua
Pure12
Refrigerante
42
SIMULACIÓN DEL PROCESO DE POLIETILENO DE BAJA DENSIDAD
Tabla 18. Condiciones de alimentación para la polimerización del polietileno baja densidad.
Alimentación
E2FD1B E2FD2B INIFD1 INIFD2 Refrigerante
Temperatura (°C)
140
50
0
0
160
Presión (bar)
2010
2000
2010
2010
100
E2 (kg/hr)
40000
25000
-------
-------
-------
INI1 (kg/hr)
-------
--------
6
12
------
INI2 (kg/hr)
-------
-------
1.5
3
-----
Agua (kg/hr)
------
-------
-------
------
160000
Tabla 19. Condiciones de los equipos para la polimerización del polietileno baja densidad
Temperatura
Presión(atm)
(°C)
Presión
Tamaño
Bloque
PFR1
PFR2
Drop. (bar)
170
------
100
250 m largo y 0.059
m diámetro
170
------
100
220 m largo y 0.059
m diámetro
170
------
100
250 m largo y 0.059
PFR3
m diámetro
170
------
100
220 m largo y 0.059
PFR4
m diámetro
43
-------
2000
-------
------
FDMIX1
-------
1900
-------
-----
FDMIX2
0
250
------
-----
HPS
0
1
-----
-----
LPS
El tipo de simulación que se realizara es el tipo Flowsheet o simulación de
un diagrama de flujo de proceso convencional. En este tipo de simulación, el
procedimiento para llevar a cabo la simulación comprende las siguientes
etapas:

Se abrió una página en blanco en el simulador Aspen Plus V.8 para
comenzar la simulación.

Se realizó el diagrama de flujo de proceso de producción de polietileno
de baja densidad.

Se definió el tipo de equipo en este caso un reactor de tipo RPLUG.

En la sección de especificaciones globales se colocó el título de la
simulación y las unidades para los datos de entrada y de salida.

Se definieron los componentes del sistema (Ver tabla 16), identificando
correctamente las materias primas así como de sus propiedades.

Se realizó la simulación y una vez concluida esto se realizó un análisis
de los datos y se graficaron.
44
SIMULACIÓN DEL PROCESO DE POLIETILENO DE BAJA DENSIDAD
Tabla no.16 Lista de componentes utilizados en el modelo añadido en el simulador Aspen Plus

Nombre del compuesto
Tipo
Polímero de baja densidad
Polímero
R-etileno
Segmento
1-Buteno
Convencional
Agua
Convencional
Etano
Convencional
Etileno
Convencional
Hidrogeno
Convencional
Metano
Convencional
n-Hexano
Convencional
Nitrógeno
Convencional
Propileno
Convencional
Tetraetilo de Titanio
Convencional
Trietil-Aluminio
Convencional
Se seleccionó el modelo de POLYNRTL para representar las
propiedades termodinámicas del sistema, y para aquellos equipos cuyos
flujos están relacionados con el polímero. Los flujos, temperatura y
presión de los materiales de las corrientes de entrada.

Se realizaron 4 corridas de simulación y una vez realizadas se
analizaron los resultados.
A continuación en las siguientes figuras se muestra el lenguaje que se anexo al
simulador Aspen Plus:
Fig.7 Sección que se anexa los datos al simulador Aspen Plus
45
SIMULACIÓN DEL PROCESO DE POLIETILENO DE BAJA DENSIDAD
Fig.8 Descripción que se le anexa al simulador Aspen Plus
Fig.9 Se anexan los componentes al simulador Aspen Plus.
Las siguientes figuras son los que nos muestra el simulador Aspen Plus de
acuerdo a los datos que se estan anotando para hacer las simulaciones.
Fig.10
46
SIMULACIÓN DEL PROCESO DE POLIETILENO DE BAJA DENSIDAD
Fig.11
Fig.12
Fig.13
Fig.14
Fig.15
Fig.16
47
SIMULACIÓN DEL PROCESO DE POLIETILENO DE BAJA DENSIDAD
Fig.17
Fig.18
Fig.19
Fig.20
Fig.21
Fig.22
Fig.23
Fig.24
48
SIMULACIÓN DEL PROCESO DE POLIETILENO DE BAJA DENSIDAD
Fig.25
Fig.26
Fig.27
Fig.28
Fig.29
Fig.30
Fig.31
Fig.32
49
SIMULACIÓN DEL PROCESO DE POLIETILENO DE BAJA DENSIDAD
Fig.33
50
RESULTADOS
4.6 VALIDACIÓN Y RESULTADOS DEL SIMULADOR
Una vez realizado las simulaciones del proceso de producción de
polietileno de baja densidad en el simulador “Aspen Plus”; lo primero que
vamos a evaluar son 3 simulaciones realizadas, estos resultados se graficaron
(Ver fig.34 ) lo que se destaca es que conforme va aumentando la presión y la
densidad, la temperatura de la polimerización de polietileno de baja densidad
va disminuyendo, por lo que en su punto medio a la temperatura de 210°C se
produce polietileno de baja densidad de mejor calidad.
.
Fig.34 Variación de la densidad del etileno con la presión de diferentes temperaturas
La siguiente tabla (Ver tabla 17) muestran los parámetros evaluados por la
primera sección de reactor (PFR1) y son presentadas por DPn y DPW frente a
la longitud del reactor:
51
. Tabla 17. Gráfica de los parámetros evaluados por DPN y DPW
En la tabla 18 se muestra la velocidad de descomposición del iniciador frente a
la longitud del reactor para PFR1.
Tabla 18. Gráfica de la velocidad de descomposición del iniciador frente a la longitud del
reactor PFR1
En la siguiente tabla 19 se muestra los perfiles de temperatura del refrigerante
y reactivo para PFR1.
52
Tabla 19. Gráfica de los perfiles de temperatura del refrigerante y del reactivo para PFR1
En la siguiente tabla 20 se muestra el perfil de fracción molar de etileno
restante en PFR1 Y PFR3.
Tabla 20. Gráfica del perfil de fracción molar de etileno para PFR1 y PFR3
53
En la siguiente tabla 21 se muestran los perfiles de temperatura del reactor.
Tabla 21. Perfiles de temperatura del reactor tubular.
En las siguientes figuras (Ver Figuras 35- 40) se muestra un resumen de
corrientes de los resultados que indica el simulador Aspen Plus.
Fig. 35
54
Fig. 36
Fig. 37
55
Fig. 38
Fig. 39
56
Fig. 40
57
Fig. 41
58
RESULTADOS
Una vez realizado la simulación en Aspen Plus, se introdujeron los
valores de las hojas de especificaciones o “Data Sheet” de los mismos en el
bloque de simulación a fin de verificar los valores generados en relación a los
parámetros de diseño, en la siguiente figura (Ver figura 41) el efecto de la
variación de los diferentes temperaturas del proceso sometidos a estudio sobre
el tiempo de producción de polietileno es casi idéntico.
Fig.41 Variación de la temperatura de salida del flujo del agua en el reactor (PFR1)
59
RESULTADOS
Estudio de la sensibilidad
Para llevar a cabo el estudio de la sensibilidad del proceso, que permite
el aumento de la producción y de la calidad del producto, se realizaron
variaciones de los flujos del reactivo, (en este caso etileno) y otro flujos de
importancia para el proceso del polimerización (flujo de hidrogeno y el flujo de
recirculación).
E l efecto de la variación de los diferentes flujos del proceso sometidos a
estudio sobre el flujo de producción de polietileno se presenta en la fig. 41, se
puede observar que de los flujos manipulados, el aumento en el flujo del etileno
genera la mejor tendencia, con un aumento creciente en línea recta de la
producción de polietileno de baja densidad. Esto se debe a que la conversación
del etileno es casi completa, y por ende, al aumentar este flujo, aumenta la
producción de polietileno de baja densidad. Por otra parte las variaciones en el
reciclo y el flujo de hidrogeno parecieran no generar mayores cambios, aunque
en este caso, con respecto al flujo de reciclo, se observa que comienza con un
aumento de la producción que alcanza una temperatura óptima.
Fig. 41 Variación del flujo de polietileno para el primer circuito de polimerización
60
CONCLUSIONES
**El esquema de simulación generado
se reprodujo las condiciones de
operación de planta del proceso de producción de Polietileno de Baja Densidad
con un porcentaje de variación no mayo al 10% todo fue bajo las
especificaciones por las bases de diseño en cada una de las secciones que
requiere el proceso.
**La simulación de procesos como aplicación en Ingeniería Química, resulta ser una
importante herramienta complementaria dentro de las diversas áreas de la carrera, así
como también, proyectos de investigación, proceso de enseñanza- aprendizaje, etc.
**Las simulaciones permitieron conocer las déficits que tiene el proceso de polietileno
de baja densidad y esas fueron vistas cuando se graficó temperatura vs conversión y
no se alcanza una conversión al 100 por lo que destaco que se debería llevar a su
temperatura máxima de polimerización para así evitar desperdicios en caso que no
hubiese un reciclo del proceso.
Fig.42 Conversion de la polimerizacion con respecto a la temperatura
RECOMENDACIONES
A partir del estudio realizado a través de la simulación, es necesario
investigar más datos sobre el comportamiento de un reactor tubular en conjunto
con la producción del polietileno de baja densidad, ya que hay pocos datos con
que se pueda correlacionar. Sería recomendable obtener los valores y más
datos para mejorar los resultados de la simulación del proceso de
polimerización. Y sería importante tomar en consideración un estudio para
mejorar el comportamiento fluido dinámico del reactor; sobre todo llevarse
pruebas experimentales que permitan comprobar las cinéticas de las diferentes
reacciones, ya que no se disponían estos datos a nivel de operación.
61
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social systems”, Proceeding of the Fourth Annual Pittsburgh Conference,
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