DERECHOS RESERVADOS

REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
UNIVERSIDAD RAFAEL URDANETA
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA
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SIMULACIÓN DEL REACTOR DE OXICLORINACIÓN (R-201) DE LA PLANTA
DE MONOCLORURO DE VINILODEL COMPLEJO PETROQUÍMICO ANA
MARÍA CAMPOS
Trabajo Especial de Grado presentado ante la Universidad Rafael Urdaneta para
optar al título de:
INGENIERO QUÍMICO
Autores: Br. ROXAIDY MEDINA
Br. ALEJANDRO MOLERO
Tutor: ING. Gladys Quevedo Msc.
Maracaibo, octubre de 2014.
SIMULACIÓN DEL REACTOR DE OXICLORINACIÓN (R-201) DE LA
PLANTA DE MONOCLORURO DE VINILO DEL COMPLEJO
PETROQUÍMICO ANA MARÍA CAMPOS
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C.I. V-19.972.278
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Dirección: Km 56 Vía Perijá, Municipio la
Dirección: Avenida 2 el Milagro,
Cañada de Urdaneta Sector Andrés Bello
residencias palmeras apartamento 4-A.
Teléfonos (0416-0152191)
Teléfonos: (0424-6625488)
Correo Electrónico:
Correo Electrónico:
[email protected]
[email protected]
Molero García, Alejandro José.
Medina González, Roxaidy Chiquinquirá.
C.I. V- 18.496.050
_______________________
Ing. Quevedo Contreras, Gladys Ángela MSc.
Tutor Académico
ÍNDICE GENERAL
RESUMEN
ABSTRACT
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15
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Pág.
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S
E
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CAPITULO I. EL PROBLEMA………………………………………………….
S
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C
1.1. Planteamiento del E
problema…………………………………………..
DER
18
Objetivos de la Investigación………………………………………….
21
1.2.1. Objetivo General………………………………………………………..
21
1.2.2. Objetivos Específicos…………………………………………………
21
1.3.
Justificación de la Investigación……………………………………..
22
1.4.
Delimitación……………………………………………………………..
23
1.4.1. Delimitación Espacial………………………………………………….
23
1.4.2. Delimitación Temporal…………………………………………………
23
1.4.3. Delimitación Científica…………………………………………………
23
CAPITULO II. MARCO TEÓRICO…………………………………………….
24
2.1.
Descripción de la empresa…………………………………………….
24
2.1.1. Ubicación………………………………………………………………..
25
2.1.2. Misión…………………………………………………………………….
26
2.1.3. Visión…………………………………………………………………….
26
2.1.4. Organización…………………………………………………………….
26
2.1.5. Actividad económica…………………………………………………..
29
2.1.6. Proceso productivo……………………………………………………..
30
2.2.
33
INTRODUCCIÓN……………………………………………………………
1.2.
2.3.
Antecedentes de la Investigación…………………………………….
18
Descripción del proceso de la unidad de oxihidrocloraciòn
(unidad 200)……………………………………………………………………..
35
2.3.1. Unidad de oxihidrocloraciòn…………………………………………….
35
2.3.2. Reactor de oxiclorinación (R-201)……………………………………..
37
2.3.3. Alimentaciones del reactor de oxiclorinación (R-201)……………….
40
2.3.3.1. Etileno……………………………………………………………………
40
2.3.3.2. Cloruro de hidrógeno…………………………………………………..
40
2.3.3.3. Oxígeno…………………………………………………………………
41
2.3.3.4. Gas de reciclo………………………………………………………….
42
42
S
O
D
A 42
2.3.4.1. Catalizador y gas de purga…………………………………………..
V
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SE
2.3.4.2. Almacenamiento de catalizador……………………………………..
43
E
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2.3.4.3. Sistema de enfriamientoH
y vapor…………………………………….
44
C
E
R de enfriamiento……………………………….. 44
2.3.4.4. Serpentines
Einternos
D
2.4. Bases Teóricas…………………………………………………………..
45
2.3.4. Características de diseño del reactor de oxiclorinación (R-201)……
2.4.1. Cinética química……………………………………………………….
45
2.4.2.
Composición química.…………………………………………………
45
2.4.3.
Reacción química……………………………………………………..
46
2.4.4.
Clasificación de las reacciones químicas…………………………...
46
2.4.5.
Reacciones de oxidación……………………………………………..
47
2.4.6.
Calor de reacción………………………………………………………
47
2.4.7.
Coordenadas de la reacción………………………………………….
48
2.4.8.
Calor…………………………………………………………………….
49
2.3.9.
Efecto calorífico………………………………………………………..
50
2.3.10. Capacidad calorífica…………………………………………………..
50
2.3.11. Calor de formación…………………………………………………….
51
2.3.12. Flujo másico……………………………………………………………
52
2.3.13. Balance de energía……………………………………………………
52
2.3.14. Presión………………………………………………………………….
54
2.4.15. Presión de vapor………………………………………………………
54
2.4.16. Reactores de lecho fluidizado………………………………………..
55
2.4.17. Vapor……………………………………………………………………
55
2.4.18. Vapor saturado…………………………………………………………
55
2.4.19. Vaporización……………………………………………………………
56
2.4.20. Monocloruro de Vinilo (MVC)………………………………………...
56
2.4.21. Producto colateral……………………………………………………..
56
2.4.22. Pirólisis………………………………………………………………….
57
2.4.23. Simulación de procesos………………………………………………
57
Método de Taylor……………………………………………………..
57
2.4.25. Aplicaciones de la simulación de procesos………………………..
58
2.5.
Sistema de variables…………………………………………………….
59
3.3.2. Observación documental……………………………………………….
64
2.2.24.
S
O
D
A 60
CAPITULO III. MARCO METODOLÓGICO…………………………………..
V
R
SE
3.1. Tipo de Investigación……………………………………………………
60
E
R
S
3.2. Diseño de la Investigación………………………………………………
61
HO
C
E
R de datos……………………………………... 62
3.3. Técnicas deE
recolección
D
3.3.1. Observación directa del participante…………………………………. 63
3.4.
Instrumentos de recolección de datos……………………………….
66
3.5. Fases de la Investigación……………………………………………...
67
CAPITULO IV. ANÁLISIS DE RESULTADOS………………………………..
71
4.1. Identificación de las variables del proceso que Influyen en el reactor
de oxiclorinación (R-201)………………………………………………………..
71
4.2. Desarrollo de un modelo de simulación en hoja de cálculo Excel del
reactor de oxiclorinación (R-201)………………………………………………
75
4.3. Validación de los resultados de la simulación con datos reales del
proceso del reactor de oxiclorinación (R-201)………………………………
91
4.4. Elaboración del manual de usuario para la simulación del reactor de
oxiclorinación (R-201)……………………………………………………………
98
CONCLUSIONES………………………………………………………………..
100
RECOMENDACIONES………………………………………………………..
101
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS…………………………………………… 102
ANEXOS………………………………………………………………………….. 106
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 2.1. Clasificación de las reacciones químicas que se emplean en el
diseño de reactores……………………………………………………………….. 46
Tabla 3.1. Datos reales de la planta…………………………………………….. 66
S74
O
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VA
Tabla 4.1. Variables y parámetros necesarios en el modelo de simulación... 72
ER
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reciclo……………………………………………………………………………….
S
HO
Tabla 4.4. Datos reales de
laC
planta…………………………………………….
E
ER por el simulador……………………………….... ...
Darrojados
Tabla 4.5. Datos
80
Tabla 4.6. Porcentajes de desviación de etileno……………………………….
95
Tabla 4.7. Porcentajes de desviación de oxigeno…......................................
96
Tabla 4.8. Porcentajes de desviación de temperatura……………………...
97
Tabla 4.2. Variables y parámetros a considerar en el modelo de simulación
Tabla 4.3.Propiedades físico-químicas de la alimentación de etileno/gas de
92
93
Tabla 4.9. Porcentajes de desviación del coeficiente global de
transferencia de calor……………………………………………………………..
97
ÍNDICE DE FIGURAS
Fig. 2.1. Ubicación geográfica del Complejo Petroquímico Ana María
Campos (PEQUIVEN, 2000)…………………………………………………….
25
Fig. 2.2. Planimetría del Complejo Petroquímico Ana María Campos
26
S
O
AD
(PEQUIVEN,2000)……………………………………………………………...
V
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Venezuela (PEQUIVEN,2000)………………………………………………...
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Fig. 2.4. Organigrama del departamento
de MVC de la Corporación
C
E
R
E (PEQUIVEN,2000)…………………………….
Petroquímica de
DVenezuela
27
Fig. 2.5. Esquemático de la unidad de oxihidrocloraciòn (unidad 200)……..
37
Fig. 2.6. Esquemático del reactor de oxiclorinación (R-201)…………………
39
Fig. 4.1. Logodel programa Microsoft Office Excel……………………….
75
Fig. 2.3. Organigrama general de la Corporación Petroquímica de
28
Fig. 4.2. Hoja de cálculo identificada con el nombre de la simulación……… 76
Fig. 4.3. Esquemático del diagrama de proceso del reactor (R-201)……
76
Fig. 4.4. Diagrama de flujo de procesos………………………………………..
77
Fig. 4.5. Simulación del reactor de oxiclorinación (R-201) de la planta de
MVC con sus respectivos balances de masa y energía………………………
78
Fig. 4.6. Ventana principal del PI en el archivo de Excel, para calcular el
historial de campo…………………………………………………………………
94
Fig. 4.7. Datos introducidos en la ventana del PI……………………………... 94
Fig. 4.8. Bases de datos del PI en Microsoft Excel……………………………
95
ÍNDICE DE ANEXOS
Anexo 1. Manual de usuario (simulación del reactor de oxiclorinación
(R-201)…………………………………………………………………………….
107
Anexo 2. PI “Process Book” de la planta de Monocloruro de Vinilo (MVC).. 118
S
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119
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Anexo 3. PI “Process Book” del reactor de oxiclorinación (R-201)…………
118
Anexo 4. Prefabricación de los serpentines…………………………………..
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Anexo 6. Instalación de los nuevos serpentines……………………………...
S
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Hserpentines……………………………...
Anexo 7. Instalación de los
nuevos
C
E
DER
Anexo 8. Fabricación
del distribuidor de HCl………………………………….
Anexo 5. Alivio térmico de tensiones en las soldaduras de los serpentines
119
120
120
121
Anexo 9. Fabricación del distribuidor de HCl
121
Anexo 10. Condición final del aislamiento térmico del equipo………………
122
Anexo 11. Colectores de entrada y salida de vapor del reactor (R-201)…..
122
Anexo 12. Propiedades físico-químicas de la corriente de alimentación de
oxígeno/cloruro de hidrogeno…………………………………………………... 123
Anexo 13. Propiedades físico-químicas de la corriente de salida de
1,2 - dicloroetano…………………………………………………...................... 124
Anexo 14. Propiedades físico-químicas de la corriente de alimentación de
agua de caldera…………………………………………………........................ 125
Anexo 15. Reporte de inspección y evaluación interna del oxireactor
(R-201)........................................................................................................
126
Anexo 16. Anexo 16. Reporte de inspección y evaluación final a la
reparación del oxireactor (R-201).................................................................
130
Anexo 17. Diagrama de tubería e instrumentación del oxireactor (R-201)... 133
DEDICATORIA
Este trabajo se lo dedico principalmente a DIOS, por iluminarme siempre el
camino y brindarme la fortaleza y sabiduría necesaria en todo momento.
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A mis padres, por ser el pilar fundamental en el desarrollo de este trabajo, de
mi carrera y de mi vida.
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A mis hermanos, que en los malos momentos me han hecho sonreír cuando
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más lo necesite.
A mi novio, por respetar los momentos de estudios y por estar a mi lado
ofreciéndome su apoyo, cariño y amor cuando más lo necesite.
A mis amigos de la universidad por contagiarme su alegría y positivismo
durante toda la carrera.
Roxaidy Medina.
DEDICATORIA
Primeramente a nuestro padre amado celestial por guiarme siempre por el
camino correcto, y permitirme alcanzar todas las metas trazadas en mi carrera.
Gracias padre celestial.
S
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y principio y los más importante todo el amor
que me brindan.
S
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H
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A mis hermanos, E
DqueRsiempre han estado conmigo en todos los momentos y
A mis padres, por representar un pilar fundamental en el desarrollo de este
trabajo, de mi carrera y de mi vida; así como también por formarme con valores
por todo el apoyo brindado para que este trabajo de grado se ejecutara.
A mis seres queridos y amigos que aportaron un granito de arena para que
este objetivo en mi vida se halla hecho realidad.
A mi novia, por todo el apoyo, por respetar los momentos de estudios y
brindarme su amor.
A los profesores que me brindaron su conocimiento y experiencia para
formarme como profesional.
A todos un millón de gracias.
Alejandro Molero.
AGRADECIMIENTO
Gracias,
A DIOS principalmente, por estar en el camino donde me encuentro y tener la
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bendición de poder estar logrando cada una de mis metas con la ayuda de la
hermosa familia que me regalo.
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mi familia por apoyarme
DERen todos los momentos más difíciles que he pasado.
A mis padres, mis hermanos y sobrina por ser las personas que me brindan el
más sincero amor, cariño, apoyo y por confiar en mí en todo momento; y a toda
A mi novio, por su compañía, amor y compresión, por ofrecerme su ayuda
cuando más lo necesite.
A mi compañero de tesis Alejando Molero, por tener tanta paciencia conmigo,
en la realización de nuestro trabajo especial de grado.
A la profesora Gladys Quevedo, por aceptar ser mi tutora académica y por
compartir y aportar sus valiosos conocimientos en este trabajo especial de
grado.
Al profesor Waldo Urribarri, por orientarme en la realización de este trabajo de
grado.
A los Ing. Ángel Roa, Luis Cabrita, José Barreto, y Gerardo Catillo trabajadores
del Complejo Petroquímico Ana María Campos quienes me ofrecieron su apoyo
y ayuda en la elaboración de este proyecto en la planta de MVC.
Roxaidy Medina.
AGRADECIMIENTO
A dios primeramente por proporcionarme la vida, la salud, el entendimiento y el
conocimiento exacto para poder culminar de manera satisfactoria.
S
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A mis padres que me dieron el ser y el apoyo incondicional en todos los
R
aspectos para formarme como profesional, a mis hermanos que fueron
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R
S
elementos fundamentales en mi carrera universitaria que me brindaron todo su
HO
C
E
R que de alguna u otra manera aportaron un granito
A mis ser queridosE
D y amigos
apoyo, experiencia y sabiduría.
de arena para que esta meta en mi vida se halla hecho realidad.
A todos mi más sincero agradecimiento por todo ese apoyo, principalmente a
mi dios el todopoderoso.
AlejandroMolero.
Medina G. Roxaidy C.; Molero G. Alejandro J. “SIMULACIÓN DEL REACTOR
DE OXICLORINACIÓN (R-201) DE LA PLANTA DE MONOCLORURO DE
VINILO DEL COMPLEJO PETROQUÍMICO ANA MARÍA CAMPOS”. Tesis de
Grado para optar al título de Ingeniero Químico. Universidad Rafael Urdaneta.
Facultad de Ingeniería. Escuela de Ingeniería Química. Maracaibo. Venezuela.
2014. 133 p.
RESUMEN
S
O
D
VA
ER
S
E
El presente trabajo especial de grado S
tuvoR
como finalidad la simulación del
O
reactor de oxiclorinación (R-201)
en
la
planta
de Monocloruro de Vinilo del
H
C
E
Complejo Petroquímico
María Campos, para llevar esto a cabo se inició
DERAna
una previa identificación
de las variables y relaciones fundamentales entre las
mismas, respectivamente haciendo uso de parámetros necesarios tanto de
diseño como ecuaciones termodinámicas para el cálculo de balances de masa
y energía los cuales fueron factores fundamentales para el desarrollo del
modelo de simulación en Microsoft Office Excel, así mismo se realizó la
respectiva validación de los resultados de la simulación con datos reales de la
planta para medir la factibilidad del modelo y posteriormente la obtención de los
resultados. Finalmente se elaboró un manual que le permita al usuario un mejor
manejo de la hoja de cálculo. Según el tipo de investigación este trabajo
especial de grado es un proyecto factible, lo cual se requirió la investigación de
campo y documental, así como también las técnicas de observación directa y
documental. Cabe destacar, que el trabajo de investigación se realizó mediante
la simulación del proceso en el paquete Microsoft Office Excel. Para esto se
realizó la revisión de manuales e informes, diagramas de flujos de procesos
(PFD) y de tuberías e instrumentación (P&ID), descripción del proceso,
balances de masa y energía, especificaciones de cada alimentación y datos de
operación según diseño para su validación. Una vez validado, se compararon
datos arrojados por el modelo de simulación con datos reales de la plantaen el
cual se obtuvo un porcentaje de error menor al 15%, por lo que se concluye
que el modelo es satisfactorio para la planta.
Palabras claves: Simulador de proceso, reactor de oxiclorinación, Monocloruro
de Vinilo.
E-mail: [email protected], [email protected]
Medina G. Roxaidy C.; Molero G. Alejandro J. “SIMULATION
OXICLORINACIÓN REACTOR (R-201) OF VCM PLANT PETROCHEMICAL
COMPLEX ANA MARIA CAMPOS”. Thesis for the degree in Chemical
Engineering. Universidad Rafael Urdaneta. Faculty of Engineering.School of
Chemical Engineering. Maracaibo. Venezuela. 2014. 133 p.
S
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ABSTRACT
R
SE
E
R
S
This degree thesis aimed to simulate the reactor oxiclorinación (R-201) on the
ground VSM of Ana María Campos Petrochemical Complex, to carry this out
prior identification of key variables and relationships began between,
respectively, using parameters required both design and thermodynamic
equations to calculate mass and energy balances which were fundamental to
the development of the simulation model in Microsoft Office Excel factors, also
the respective validation was performed the simulation results with actual plant
data to measure the feasibility of the model and then obtain the results. Finally a
manual that allows the user to better manage the spreadsheet was developed.
Depending on the type of research degree thesis this is a feasible project, which
field research and documentary was required, as well as the techniques of
direct observation and documentary. Remarkably, the research was conducted
by simulating the process in Microsoft Office Excel package. For this revision of
manuals and reports, flow process (PFD) and piping and instrumentation (P &
ID), process description, mass balances and energy specifications of each
power and data operation is performed as designed for validation. Once
validated, data produced by the simulation model with real data plantaen which
a minor error rate was obtained compared to 15%, so we conclude that the
model is satisfactory for the plant.
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H
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DER
Key words: Process simulator, reactoroxiclorinación, Vinylmonochloride.
E-mail:[email protected], [email protected]
INTRODUCCIÓN
Pequiven Petroquímica de Venezuela S.A, es la empresa encargada de
producir y comercializar productos petroquímicos fundamentales con prioridad
hacia el mercado nacional. Su propósito es desarrollar una Petroquímica líder
S
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Acon el medio
lograr el mayor rendimiento posible para la empresa en armonía
V
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SECampos, a partir de
ambiente. En el Complejo Petroquímico AnaE
María
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Scomún, se desarrollan tres líneas de
O
materias primas como el gas natural
y sal
H
ECtenemos: Cloro-Soda que son utilizados como
producción entre E
las R
cuales
D
insumos para purificación del agua y para múltiples usos a nivel industrial,
mundial y de alcance global para satisfacer las necesidades de sus clientes y
respectivamente; fertilizantes los cuales apoyan la producción agrícola y el
desarrollo alimentario y finalmente los plásticos como Polietileno, Polipropileno
y PVC los cuales tienen una gran aplicación en la elaboración de plásticos en
sus diferentes formas.
Pequiven es la única productora de Monocloruro de Vinilo (MVC) en el país,
específicamente la planta de MVC, ubicada en las instalaciones del Complejo
Petroquímico Ana María Campos, el Tablazo (Edo Zulia), está diseñada a
producir según diseño 130 MTMA de MVC, el cual se produce mediante el
craqueo térmico de 1,2 dicloroetano (EDC). El EDC que se alimenta a los
hornos de craqueo debe cumplir con una especificación de calidad estricta para
así evitar que las impurezas presente ocasionen la coquización prematura de
los hornos y que el producto (MVC) este fuera de especificación; lo cual puede
causar pérdidas significativas de producción.
El MVC es un gas incoloro que posee un olor levemente dulce que a
temperatura ambiente se obtiene por la halogenaciòn del etileno, se emplea en
producción de Policloruro de Vinilo (PVC). También interviene en la formación
de otros polímeros, por ejemplo, en fibras acrílicas. La planta
MVC, es la
16
encargada de obtener MVC mediante la pirólisis o craqueo del EDC, siendo el
EDC generado en el proceso mediante reacciones utilizando catalizadores para
contribuir con el mejoramiento de la reacción, posteriormente pasa por ciertas
unidades de procesos. El proceso es muy complejo ya que involucra varias
unidades: Unidad 100 (Cloración directa), Unidad 200 (Oxihidrocloraciòn),
Unidad 300 (Purificación de EDC), Unidad 400 (Pirólisis o Craqueo), Unidad
500 (Purificación de MVC), Unidad 600 (Tratamiento de Efluentes), Unidad 700
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(Incineración), Unidad 800 (Almacenaje) y la Unidad 900 (Límite de Batería).
R
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EDC para la producción
DER de MVC; debido al cambio realizado en su partes
En la unidad 200 (Oxihidrocloraciòn) se encuentra ubicado el reactor de
oxiclorinación (R-201) siendo uno de los principales equipos productores de
mecánicas internas y a las nuevas condiciones operacionales; surgió la
necesidad de desarrollar un modelo de simulación a través de una hoja de
cálculo que permita verificar y probar la modificación de parámetros en la
práctica, lo cual a su vez permitirá considerar mejoras que podrían ser
implementadas en el curso del proceso.
Por lo anteriormente mencionado, se estableció como objetivo general, simular
el reactor de oxiclorinación (R-201) de la planta de Monocloruro de Vinilo. La
cual para el completo desarrollo de este objetivo se siguieron los siguientes
objetivos específicos; identificar las variables del proceso que influyen en el
reactor de oxiclorinación (R-201), desarrollar un modelo de simulación en hoja
de cálculo Excel, validar los resultados de la simulación con datos reales del
proceso, y finalmente elaborar el manual de usuario.
El trabajo se encuentra estructurado por cuatro capítulos, el primero contiene el
planteamiento del problema en el cual se describe la investigación para dar una
idea detallada de la situación; el objetivo general trata del resultado final que se
pretende alcanzar con la investigación; los objetivos específicos representan
los pasos que se deben realizar para alcanzar el objetivo general, la
17
justificación describe la importancia y delimitación representa el tiempo y la
ubicación de la investigación.
El segundo capítulo, está comprendido por el marco teórico, el cual está
constituido por las descripción de la empresa, los antecedentes utilizados como
apoyo a la investigación, las bases teóricas, las cuales encierran todas aquellas
definiciones relacionadas al trabajo de investigación, de igual manera en este
S
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capítulo se encuentra el cuadro de variables, donde se destacan los
indicadores de cada objetivo.
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especifican
DERel tipo y diseño
Así mismo, el tercer capítulo está establecido por el marco metodológico,
donde se
de investigación, las técnicas e
instrumentos de recolección de datos, conformado por una serie de tablas
adaptadas al presente trabajo de investigación, y finalizando las fases de la
investigación, en las cuales se explican detalladamente el paso a paso para la
ejecución de los objetivos planteados. En el cuarto capítulo se muestra el
análisis y discusión de resultados de cada uno de los objetivos propuestos en
el trabajo de investigación, además se presentan las conclusiones y una serie
de recomendaciones.
CAPÍTULO I
EL PROBLEMA
Esta sección describe el problema de investigación de manera objetiva, dando
S
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una idea detallada de la situación y que es lo que se pretende obtener. Se
R
SE
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S
presentan los objetivos de la investigación y la justificación donde se plantea
los beneficios a obtener con este trabajo.
1.1.
HO
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Planteamiento
DERdel Problema
En Venezuela la empresa Pequiven, Petroquímica de Venezuela S.A, es la
única productora de Monocloruro de Vinilo (MVC)en el país, específicamente
en la planta de MVC, ubicada en las instalaciones del Complejo Petroquímico
Ana María Campos, el Tablazo (Edo. Zulia). La misma está diseñada para
producir 130MTMA de MVC, utilizando como materia prima 1,2-dicloroetano
(EDC). El MVC es la materia prima para la producción de Policloruro de Vinilo
(PVC).La planta de MVC cuenta con siete unidades de proceso y dos unidades
de almacenamiento.
Entre las unidades de proceso tenemos la unidad de oxihidrocloración la cual
está diseñada para producir 110 MTMA de EDC por reacción catalítica de
etileno, cloruro de hidrógeno generado en el proceso y oxígeno proveniente de
la planta de AGA. El reactor (R-201) se alimenta con etileno, cloruro de
hidrógeno, y oxígeno. Por reacción catalítica, el etileno se convierte y se
obtiene EDC, subproductos, agua y trazas de etileno no convertido. Los gases
producto de la reacción salen por la parte superior del reactor y entran en la
columna de enfriamiento súbito (C-201), donde se enfrían los gases y se
remueve el cloruro de hidrógeno del agua, por reacción con solución de soda
cáustica (NaOH) que se alimenta en la parte superior de la columna.
19
El EDC producido en el reactor de oxiclorinación se envía al tren de purificación
de EDC con la finalidad de eliminarle la humedad y las impurezas de bajo y alto
punto de ebullición del EDC crudo. El agua residual proveniente del fondo de la
columna de enfriamiento súbito se envía a la planta de tratamiento de
efluentes.
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El reactor (R-201), es un recipiente cilíndrico de acero al carbono. El mismo,
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desarrolla en la etapa de oxihidrocloraciòn
esR
la siguiente:
S
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tiene un catalizador de lecho fluidizado de cloruro cúprico para garantizar el
contacto óptimo con cada uno de los gases alimentados. La reacción que se
2 C2H4 + 4 HCl + O22 C2H4Cl2 + 2 H2O + E
Etileno + Cloruro de + Oxígeno
hidrógeno
1,2-EDC + Agua + Energía
El reactor de oxiclorinación (R-201) está equipado con un distribuidor de gas,
12 juegos de serpentines de acero al carbono y 3 ciclones internos. Los
serpentines manejan agua de caldera en su parte interior, y en su parte exterior
cloruro de hidrógeno, etileno, oxígeno y catalizador; además están fijados con
pernos tipo “U”. Los serpentines fueron reemplazados por presentar bajos
espesores, corrosión por picadura y grietas en sus partes externas, por esta
razón se produjo la instalación de nuevos serpentines, cuyas especificaciones
por diseño eran de espesor 80 con una longitud de 12,4 metros, estos no se
encontraban comercializados; por tal motivo se analizó la posibilidad de
incorporar las tuberías de acero al carbono de espesor 40 y con una longitud
de 12 metros.
En vista de esto se requiere la verificación del proceso del reactor de
oxiclorinación (R-201) por el cambio realizado en su diseño. Para ello se
desarrolló una hoja de cálculo en Microsoft Office Excel que permita evaluar el
proceso de operación del reactor a diferentes cargas y validar los resultados
arrojados con datos reales de la planta.
20
Primeramente se debe verificar la relación que existe entre las variables de
mayor relevancia en el proceso de oxiclorinaciónhaciendo uso de parámetros
necesarios tanto de diseño como de fórmulas y ecuaciones termodinámicas
para el cálculo de balances de masa y energíaconstituyendo elementos
fundamentales para el desarrollo del modelo de simulación en Microsoft Office
Excel, de igual manera esto permitirá evidenciar estas estructuras y verificar las
nuevas condiciones operacionales en dicho proceso. Finalmente con el objetivo
S
O
D
A previos
desarrollado un manual de usuario que permita evidenciar los
pasos
V
R
E se realizaron los
Smanera
para el manejo del modelo de cálculo; y de
esta
E
R
Sde la presente investigación.
O
seguimientos de los objetivos específicos
H
C
E
R
E
D
El departamento de ingeniería de procesos de la planta de MVC se benefició
de orientar al trabajador de la planta con respecto a la simulación se ha
de este trabajo de investigación debido a que no contaban con una plataforma
de cálculo que les permitiera verificar las nuevas condiciones de operación
implementadas en el reactor de oxiclorinación (R-201).
21
1.2. Objetivos de la investigación
1.2.1. Objetivo General
Simular el reactor de oxiclorinación (R-201) de la planta de Monoclorurode
Vinilo del Complejo Petroquímico Ana María Campos.
1.2.2. Objetivos Específicos
R
SE
E
R
S
HO
C
E
RCampos.
Petroquímico Ana E
D María
S
O
D
VA
1. Identificar las variables del proceso que influyen en el reactor de
oxiclorinación (R-201) de la planta de Monocloruro de Vinilo del Complejo
2. Desarrollar un modelo de simulación en hoja de cálculo Excel del reactor de
oxiclorinación (R-201) de la planta de Monocloruro de Vinilo del Complejo
Petroquímico Ana María Campos.
3. Validar los resultados de la simulación con datos reales del proceso del
reactor de oxiclorinación (R-201) de la planta de Monocloruro de Vinilo del
Complejo Petroquímico Ana María Campos.
4. Elaborar el manual de usuario para la simulación del reactor de
oxiclorinación (R-201) de la planta de Monocloruro de Vinilo del Complejo
Petroquímico Ana María Campos.
22
1.3. Justificación de la Investigación
La planta MVC representa uno de los sistemas de producción más importante
dentro del Complejo Petroquímico Ana María Campos, debido a que
proporciona materia prima para llevar a cabo los procesos en otras plantas,
como la polimerización de síntesis de Policloruro de Vinilo en la planta de PVC,
para la posterior producción de resinas para la elaboración de plásticos tales
S
O
D
VA
como, recubrimientos de cables, artículos domésticos, envases, entre otros
R
SE
E
R
S
materiales. Además el Policloruro de Vinilo (PVC) se utiliza como materia para
la construcción de petrocasas.
O
H
C
E
Es importante destacar
DERla verificación de las nuevas condiciones de operación,
con la finalidad de evitar las posibles desviaciones capaces de ocasionar
problemas de mayor amplitud en la unidad de oxihidrocloración. Asímismo, se
aplicaron los conocimientos adquiridos durante la carrera. Además la
investigación tiene carácter teórico ya que se podrá desarrollar un modelo de
simulación en Microsoft Office Excel y desde el punto de vista practico, esta
investigación brindará un aporte para la ejecución dentro de la planta de MVC.
En el ámbito metodológico, este estudio constituye una fuente bibliografía para
futuras investigaciones, ya que servirá como antecedente y soporte técnico
para nuevos proyectos relacionados con un reactor de oxiclorinación, y a la
vez brindará aportes para el desarrollo de una simulación en Microsoft Office
Excel en la industria Petroquímica.
23
1.4. Delimitación
1.4.1. Delimitación Espacial
El trabajo de investigación se llevó a cabo en las instalaciones del Complejo
Petroquímico Ana María Campos, en la planta de MVC, ubicado en el Tablazo,
S
O
D
VA
Municipio Miranda Edo. Zulia - Venezuela.
R
SE
E
R
S
HO
C
E
Este trabajo se realizó
DERen el periodo comprendido entre el mes de septiembre
1.4.2. Delimitación Temporal
de 2013 y el mes de octubre de 2014.
1.4.3. Delimitación Científica
En la investigación se aplicaron los conocimientos adquiridos sobre química
orgánica, termodinámica, fenómenos de transporte, operaciones unitarias,
ingeniería de las reacciones y técnicas de simulación.
CAPÍTULO II
MARCO TEÓRICO
El presente capítulo muestra el sustento teórico relacionado con el desarrollo del
trabajo
de
investigación
enmarcada
dentro
de
la
variable
objeto
de
S
O
D
VA
estudio,simulación del reactor de oxiclorinación (R-201) de la planta de
R
SE
E
R
S
Monocloruro de Vinilo (MVC) del Complejo Petroquímico Ana María Campos. Se
presentarán los estudios previos o antecedentes que sirvieron de ayuda al
O
H
C
E
complementaron los conocimientos
básicos relacionados con la investigación.
DER
desarrollo del mismo, así como una serie de definiciones y conceptos que
2.1. Descripción de la empresa
Pequiven Petroquímica de Venezuela S.A, es la corporación del Estado encargada
de producir y comercializar productos petroquímicos fundamentales con prioridad
hacia el mercado nacional y con capacidad de exportación. Su propósito es
desarrollar una Petroquímica líder Mundial y de alcance global sobre las bases de
las ventajas comparativas con que cuenta Venezuela (como la disponibilidad de
grandes volúmenes de gas asociado a la producción petrolera), satisfaciendo la
necesidad de sus clientes y logrando el mayor rendimiento posible para la
empresa en armonía con el medio ambiente.
PEQUIVEN, fue creada en el año 1977, asumiendo las operaciones del Instituto
Venezolano de Petroquímica (IVP), que fue fundado en 1955. En marzo de 1978,
la empresa es afiliada a Petróleos de Venezuela (PDVSA), a partir de entonces ha
sufrido distintas etapas de restauración, consolidación y expansión, con el que ha
25
logrado ampliar su campo de operaciones desarrollando un importante
mercado interno y externo para sus productos.
2.1.1. Ubicación
El complejo petroquímico Ana María Campos se encuentra situado en la región
S
O
D
VA
Nor-Oriental del Lago de Maracaibo, específicamente en la bahía El Tablazo en
O
H
C
E
DER
R
SE
E
R
S
los Puertos de Altagracia Municipio Miranda, Estado Zulia.
Figura 2.1. Ubicación geográfica del Complejo Petroquímico Ana María
Campos (PEQUIVEN, 2000).
26
2.1.2. Misión
La misión de Pequiven es producir y comercializar con eficiencia y calidad
productos químicos y petroquímicos, en armonía con el ambiente y su entorno,
garantizando la atención prioritaria a la demanda nacional, con el fin de
impulsar el desarrollo económico y social de Venezuela.
2.1.3. Visión
R
SE
E
R
S
HO
C
E
Petroquímica Mundial
para impulsar su desarrollo.
DER
S
O
D
VA
Ser la Corporación capaz de transformar a Venezuela en una potencia
2.1.4. Organización
La estructura de Pequiven puede verse a través de los siguientes
organigramas:
Figura 2.2.Planimetría del Complejo Petroquímico Ana María Campos
(PEQUIVEN, 2000).
27
En la figura 2.2. Se presenta la planimetría del Complejo Petroquímico Ana
María Campos donde se muestran las instalaciones, las cuales se distribuyen
en dos fajas de terreno claramente delimitadas. En una faja central están
ubicadas las plantas básicas del complejo: Gas licuado, Olefinas y Cloro-Soda,
que sirven para surtir las demás plantas existente en el Complejo.
En el norte de la faja central se encuentran instaladas, las demás plantas
S
O
D
Aotras son las
ellas, que ocupa la mayor superficie, se produce Amoniaco/Urea;
V
R
SE existente pertenecen
plantas de Vinilos, mientras que las demás R
instalaciones
E
S Química Venoco, Propilven, Cloro
O
a las empresas mixtas: (Polinter,
Indesca,
H
C
E
R
Vinilos y Olefinas del
EZulia). Y las empresas privadas como (Estizulia, Praxair y
D
DoeChemical).
pertenecientes a los procesos intermedios y finales de producción. En una de
Figura 2.3. Organigrama general de la Corporación Petroquímica de
Venezuela. (PEQUIVEN, 2000).
28
En
la
figura
2.3.
Se
muestra
el
organigrama
general
de
la
CorporaciónPetroquímica de Venezuela, el cual se encuentra intregrada por
tres Complejos Petroquimicos: Ana Maria Campos en el Estado Zulia, Moròn
en el Estado Carabobo y JoséAntonio Anzoátegui en el Estado Anzoátegui. Así
mismo en elComplejo Petroquímico Ana María Campos se encuentran las
siguientes plantas: Gas Natural Licuado I y II, Olefinas I y II, Cloro-Soda,
Amoniaco, Urea, Purificadora de etano, Monocloruro de Vinilos II y Policloruro
de Vinilos II.
R
SE
E
R
S
O
H
C
E
DER
S
O
D
VA
Figura 2.4. Organigrama del departamento de MVCde la Corporación
Petroquímica de Venezuela. (PEQUIVEN, 2000).
29
En la figura 2.4. Se ilustra el organigrama del departamento de MVC. Este
tiene como función supervisar dentro del proceso productivo la obtención del
Monocloruro de Vinilo de alta calidad, para dar cumplimiento a los objetivos y al
el plan de producción dando soluciones a problemas presentados a la mayor
brevedad posible garantizando que las personas a su cargo se comprometan
con sus funciones, y las cumplan a cabalidad. Además de cumplir con los
requisitos básicos en cuanto a las normas ISO 9000 de Calidad y Gestión,
S
O
D
VA
establecidas por la Organización Internacional para la Estandarización (ISO).
O
H
C
E
DER
2.1.5. Actividad Económica
R
SE
E
R
S
PEQUIVEN está integrada por tres Complejos Petroquímicos: Ana María
Campos en el estado Zulia, Morón en el estado Carabobo y José Antonio
Anzoátegui en el estado Anzoátegui. Se encuentra organizada en unidades de
negocio que atienden el desarrollo de tres líneas de productos petroquímicos:
Olefinas y sus derivados, Fertilizantes y productos industriales, además
participa directamente en 16 Empresas Mixtas compuestas por socios locales e
internacionales. Pequiven ofrece más de 40 productos petroquímicos en los
mercados nacional e internacional. Su visión interna del negocio y la
vinculación con importantes socios en la conformación de las empresas mixtas
en las que participa, le ha permitido tener presencia en el mercado nacional y
mundial.
Pequiven cuenta con una serie de ventajas comparativas que ofrece Venezuela
en el área Petroquímica:
 País petrolero con abundantes reservas de gas natural.
 Posición geográfica favorable para acceder a mercados regionales e
internacionales.
30
 Disponibilidad de una importante infraestructura industrial en áreas claves
para la expansión.
En el complejo Ana María Campos, a partir de gas natural y sal común, se
desarrollan tres líneas de productos de naturaleza eminentemente estratégicas
para el país, cuyos usos y aplicaciones están asociados con la vida diaria de
S
O
D
VA
toda la población. Estas líneas son: Cloro-Soda utilizados como insumo para
ER
S
E
R
plásticos (Polietileno, Polipropileno yS
PVC)
los cuales tienen una gran
O
H
Cde artículos de uso cotidiano (bolsas, envases,
aplicación en la elaboración
E
R
E
potes, etc.). D
purificación del agua y para múltiples usos industriales; fertilizantes los cuales
apoyan el desarrollo agrícola y a las políticas del desarrollo alimentario;
2.1.6. Proceso Productivo
En el complejo Petroquímico Ana María Campos operan las siguientes plantas
propias de Pequiven de varias empresas mixtas, las cuales son:
 LGN I / II
Estas plantas procesan el Gas Natural proveniente del Lago de Maracaibo para
tratar lo siguiente:
- Metano
Este gas se usa como materia prima para la producción de Amoníaco, y como
gas combustible en el Complejo.
- Etano y Propano
Estos gases se utilizan como materia prima para las plantas de Olefinas II.
31
- Butano y Gasolina
Son enviados a las refinerías de Bajo Grande y Cardón, o son vendidos como
productos de exportación.
 Plantas de Olefinas
- Olefinas I
S
O
D
VA
R
SE
E
R
S
O
H
C
E
sometido a un craqueo,
DERcompresión y enfriamiento, para así obtener Etileno.
En esta área la materia prima utilizada es el Etano y Propano, el cual es
- Olefinas II
En esta área la materia prima utilizada es el Etano y Propano el cual es
igualmente sometido a craqueo, compresión y enfriamiento para obtener
Propileno.
- Cloro-Soda
Utiliza como materia prima la sal común proveniente de las salinas de Ancón
de Iturre de los Puertos de Altagracia, Estado Zulia, para producir cloro, soda
cáustica, ácido clorhídrico e hidrógeno, a partir de un proceso de electrólisis
que se lleva a cabo sobre salmuera previamente preparada. De esta planta se
despacha Cloro y Soda Cáustica a la Planta de MVC II para la preparación del
Monocloruro de Vinilos.
- MVC II
La materia prima de esta planta es el etileno proveniente de Olefinas y cloro de
Cloro-Soda, está diseñada para producir 390 toneladas métricas diarias de
MVC que se almacena en tanque (T-831), para obtener este producto se
32
realiza la cloración directa con la finalidad de producir EDC y luego este pasa
por un proceso de pirolisis obteniéndose el MVC.
- PVC II
Las materias primas usadas en la planta de PVC II son agua desmineralizada y
Monocloruro de Vinilo (MVC). El agua desmineralizada es suplida al límite de
S
O
D
VA
batería desde la planta de CTA del Complejo Zulia. Dicha planta está diseñada
R
SE
E
R
S
para producir 120 MTMA de Policloruro de Vinilo mediante el procesamiento de
MVC. Para la obtención de este producto se realiza una polimerización del
MVC.
O
H
C
E
DER
 Plantas de Servicios Industriales
Esta área se encarga de suministrar a todo el Complejo los servicios básicos
requeridos en las plantas como: agua desmineralizada, vapor, electricidad y
aire comprimido, aire industrial y sistema contra incendio esta planta está
constituida por:
- Planta Eléctrica
Suministra vapor y electricidad mediante varias calderas y turbogeneradores
respectivamente de manera continua. Esta planta beneficia a Pequiven con 110
mwh diseño (generación propia) y de Corpoelec entre 30mwh y 60mwh
dependiendo del consumo de las plantas de Pequiven.
- Área 45
Está familiarizada con Planta Eléctrica y suministra los servicios al Complejo
tales como: Vapor mediante calderas Aquotubulares, aire de instrumento, aire
de servicio.
33
- CTA (Centro de Tratamientos de Aguas)
Es la planta encargada del suministro de agua desmineralizada para todas las
calderas del área de servicio. Suministra agua a todo el Complejo.
- Transporte de Productos
S
O
D
VA
Esta área se encarga del transporte de productos terminados y también de
R
SE
E
R
S
materia prima fuera de los límites de cada una de las plantas del Complejo
Zulia incluyendo todos los muelles del mismo.
O
H
C
E
DER
2.2. Antecedentes de la investigación
Cedeño, González, Ramírez (1992). “Simulación de un reactor de
oxicloración de etileno”. Trabajo Especial de Grado presentado ante la
Universidad Nacional de México para optar al título de Ingeniero Químico.
La presente investigación describe que una adecuada simulación de la
operación del reactor de oxiclorinación de etilenopermitió optimizar las
condiciones de operación. El reactor de oxiclorinación de etileno es un
recipiente cilíndrico vertical que opera como lecho fluidizado a 498K y contiene
en su interior a los distribuidores de alimentación y serpentines de enfriamiento,
los cuales dificultan la fluidodinámica del proceso.El modelamiento adecuado
de los reactores de lecho fluidizado depende en gran medida de una correcta
estimación del diámetro de burbuja (Db) y de la velocidad de fluidización
(Umf).La literatura muestra una gran deficiencia en estudios experimentales
que determinen el diámetro de burbuja (Db) y la velocidad de fluidización (Umf)
a altas temperaturas, a pesar de que los sistemas de lecho fluidizado, tienen
normalmente aplicaciones industriales a temperaturas elevadas en operación
de secado y reacción.
34
Dicha investigación es un estudio previo de una adecuada simulación de la
operación de un reactor de oxiclorinación de etileno que nos permitió obtener
una idea más clara y precisa en cuanto a las condiciones de operación en las
que debe operar un reactor.
Builes, Calle (2008). “Simulador de reactores químicos basados en Excel”.
S
O
D
VA
Trabajo Especial de Grado presentado ante la Universidad Pontificia
ER
S
E
R
S
En la presente investigación se da una
especificación
de un simulador dinámico
O
H
C
Eagitado el cual fue simulado en Excel. Para su
de reactores de tanque
R
E
D
desarrollo se parte de la aceptación de leyes y postulados cuya validez es
Bolivariana de Medellín para optar al título de Ingeniero Químico.
reconocida por la comunidad científica.Posteriormente, se describe la evolución
histórica de la modelación en ingeniería química, de las ecuaciones de estado y
de los modelos de actividad, se exponen los principales métodos numéricos
para resolver ecuaciones diferenciales de una sola variable y se plantea un
modelo general para simular reactores de tanque agitado.
Dicho artículo aporta una breve descripción en cuanto a los modelos de
simulación que se desarrollan en ingeniería química, y los parámetros que
debemos tener en cuenta a la hora de realizar la simulación en Microsoft Office
Excel.
López (2003). “Simulación de la unidad de purificación de EDC de una
planta de MVC”. Trabajo Especial de Grado presentado ante la Universidad
del Zulia para optar por al título de Ingeniero Químico.
El presente trabajo tiene por objetivo desarrollar, mediante el empleo del
programa Microsoft Office Excel, modelos de simulación para las diferentes
columnas de destilación que integran la unidad de purificación de 1,2dicloroetano (EDC), con la finalidad de predecir el comportamiento del sistema
35
para facilitar la implementación de acciones correctivas y definir estrategias de
operación. Se efectuaron análisis de sensibilidad para evaluar el efecto sobre el
contenido de componentes livianos en el producto de fondo de la columna, al
variar la carga y la cantidad de componentes livianos en la alimentación, así
como también el calor necesario para mantener la concentración de estos
componentes dentro de las especificaciones requeridas. El mayor efecto sobre
el contenido de livianos en el fondo de la columna se obtuvo al incrementar la
carga de alimentación a valores superiores 8,333 kg/seg.
R
SE
E
R
S
HO
C
E
posteriormente la validación
DER con datos reales de la planta.
S
O
D
VA
El aporte de esta investigación consiste en el empleo del programa Microsoft
Office Excel para el desarrollo de la simulacióncon datos de diseño, y
2.3. Descripción del proceso de la unidad de oxihidrocloraciòn (unidad
200)
2.3.1. Unidad de oxihidrocloración
La
unidad
de
oxihidrocloración
está
constituida
por
dos
procesos:
hidrogenación y oxiclorinación.El reactor de hidrogenación (R-202), es un
recipiente cilíndrico de acero al carbono que contiene un lecho de catalizador
fijo. La base del catalizador consiste en SiO 2 (Oxido de Silicio) con un contenido
aproximado de 0,2% Pd (Paladio) que sirve deagente catalizador.
El propósito de la hidrogenación consiste en una hidrogenación parcial del
acetileno formado en el craqueo del 1,2-dicloroetano (EDC) lo que formará
productos colaterales como el tricloroetileno y el tetracloroetileno en el reactor
de oxiclorinación. Existiendo un excedente de hidrógeno, el acetileno es
convertido en etileno y etano.
36
La presión de operación de la hidrogenación asciende a aproximadamente
1.150.000Pa. La temperatura de operación de la hidrogenación depende del
envejecimiento del catalizador de hidrogenación. Un catalizador nuevo
empezará a funcionar a aproximadamente 413.15K. Una temperatura de
operación de aproximadamente 448,15K se habrá alcanzado después de un
cierto período de servicio. La hidrogenación es efectuada con excedente de
hidrógeno. La relación molar de alimentación de hidrógeno se situará dentro de
S
O
D
VA
un margen de 2,5 a 4 moles por cada mol de acetileno en la alimentación de
HCl.
R
SE
E
R
S
HO
C
E
R
menos de 50 ppm
de acetileno en la salida. El límite de temperatura superior se
DE
La temperatura de la hidrogenación y la relación molar se ajusta para obtener
encuentra establecido en 448,15 K. Las experiencias de servicio acumuladas
en otras plantas han demostrado una vida útil superior a 6 años. El proceso de
oxiclorinación produce 1,2-dicloroetano (EDC) mediante la reacción de etileno
con cloruro de hidrógeno y oxígeno en presencia de cloruro cúprico como
catalizador.
La formación del EDC es iniciada alrededor de los 393,15K, no obstante su
temperatura óptima se sitúa entre los 473,15K y 493,15K, dependiendo del tipo
de catalizador. El reactor de oxiclorinación se hará funcionar al principio con
483,15K y 493,15K, ajustándolo luego a lo que la experiencia indique. La
presión en el reactor es monitoreada, y la temperatura es controlada por un
controlador que acopla en cascada el controlador de la presión del vapor en los
serpentines de enfriamiento.
La oxiclorinación y las reacciones oxidantes son intensamente exotérmicas,
emitiendo una gran cantidad de calor que debe ser disipado para mantener
controlada la temperatura de la reacción. Dentro del reactor se han colocado
unos serpentines de enfriamiento verticales para disipar el calor generado por
la reacción. Los serpentines están dispuestos como varios pasos paralelos, con
varios tubos constituyendo un paso.
37
R-202
E-202
• HCl desde el D-501
Hidrógeno
• Sistema de
Compresión de
EDC y gas de
Reciclo
E-211
E-204
S
O
D
VA
D-204
Venteo Oxi
E-205
R
SE
E
R
S
C-201
D-203
O
H
C
E
DER
P-202
Hacia la C-301
P-204
NaOH
Agua
Des.
R-201
U-600
N2
C-601
Oxígeno
• Gas de Reciclo
E-207
E-212
• Etileno
E-201
Figura 2.5. Esquemático de la unidad de Oxihidrocloraciòn (unidad 200).
2.3.2. Reactor de oxiclorinaciòn (R-201)
El reactor de oxiclorinación (R-201), es un recipiente cilíndrico de acero al
carbono que contiene un lecho de catalizador fluidizado, diseñado para
suministrar un contacto intenso de los gases de alimentación al proceso con el
catalizador. Está equipado con distribuidores de alimentación, serpentines de
enfriamiento y tres ciclones internos, los cuales hansido diseñadospara
funcionar con presión de operación de 320.000Pa.
El catalizador está compuesto por partículas sólidas de granulometría fina con
una textura en cierto modo parecida a polvo de talco bajo condiciones
estáticas. Al ser fluidizado, el catalizador adquiere unas características de flujo
similares a las de un líquido.
38
El flujo ascendente del catalizador se mantiene mediante la corriente de gas
impulsor, por encima de las boquillas orientadas hacia arriba. En las zonas
entre las boquillas, la gravedad alcanza para un flujo descendente hasta que el
catalizador entre de nuevo en la zona de las corrientes del gas impulsor.
Mediante esta circulación la altura del lecho del catalizador queda ajustada en
un cierto nivel.
S
O
D
VA
ER
S
E
comportamiento de un fluido en agitación R
constante. La velocidad del gas
S
O
Htiende a producir canales en el catalizador,
inferior a 0,2 metros por segundo
C
E
ER mientras que a velocidad mayor puede resultar en
con agujeros yD
picaduras,
Al ser soplados los gases a través del catalizador a velocidad dentro del
margen de 0,2 a 0,4 metros por segundo, el catalizador presenta el
arrastre y un transporte excesivo de los sólidos.
La mezcla de etileno/gas de reciclo entra en la paila del reactor y fluye hacia
arriba a través de una rejilla o distribuidor de gas. Éste es un circulo cóncavo
de acero al carbono con boquillas diseñadas para distribuir uniformemente el
gas de reciclo a través de la sección del reactor. Cada boquilla consiste de un
tubo, abierto en el extremo superior en dirección hacia el catalizador, y dotado
de un orificio en el extremo inferior. El tamaño del agujero está diseñado
convenientemente para producir una caída de presión a las cantidades de flujo
previstas. La longitud extensa de los tubos sirve para disipar el efecto de la
velocidad de los gases entrantes para prevenir el roce y la rotura excesiva de
las partículas del catalizador en este punto.
La mezcla de oxígeno/cloruro de hidrógeno entra en el reactor a través de un
distribuidor de tubos. Las boquillas, que están hechas de tubuladuras de 48,3 x
4 mm, apuntan hacia abajo y terminan encima del distribuidor de gas de reciclo.
Los orificios taladrados en las cabezas de los tubos junto a la entrada de cada
tubuladura de oxígeno/cloruro de hidrógeno están dimensionados de forma tal
que originen una caída de presión a las cantidades de flujo previstas. La
39
mezcla de las dos corrientes de alimentación se producirá a la entrada en el
lecho fluidizado.
Las alimentaciones combinadas del reactor fluyen hacia arriba a través del
reactor, y reaccionan en la presencia del catalizador fluidizado para producir
1,2-dicloetano (EDC) de acuerdo con la siguiente reacción.
2 C2H4
Etileno +
hidrógeno
S
O
D
A+ energía
Cloruro de + oxígeno  1,2-dicloroetano + agua
V
R
SE
E
R
S
O
H
C
E
R
DE
+
4 HCl
+
O2 2 C2H4Cl2
+
2 H2O +
E
(EDC)
EFLUENTE DEL REACTOR
CICLON TERCIARIO
CICLON SECUNDARIO
CICLON PRIMARIO
BAJANTES DE CICLONES
SERPENTINES INTERNOS DE ENFFRIAMIENTO
LECHO DE LA REACCION
DISTRIBUIDOR DE GAS
BANDEJA DE DISTRIBUIDOR DE GAS
Figura 2.6.Esquemático del reactor de oxiclorinación (R-201).
40
2.3.3. Alimentaciones del reactor de oxiclorinacion (R-201)
2.3.3.1. Etileno
Es un gas incoloro, muy inflamable, es el más simple de los alquenos.Presenta
todas las reacciones típicas de adición de los alquenos y también se
S
O
D
A la materia
productos intermediarios, que hace que el etileno sea actualmente
V
R
SE
prima más importante de toda la industria Petroquímica.
E
R
S
O
H
C
E
R
El etileno como alimentación
del reactor (R-201)entra por el límite de batería
DE
polimeriza. Esto constituye la base de obtención de una gran variedad de
desde la planta de Olefinas con presión de 1.800.000 Pa. En la alimentación
de etileno se controla la presión mediante la (PIC 2302) y el flujo mediante
(FFIC 2506/FIC 2512), y se precalienta mediante el intercambiador de etileno
(E-201). El etileno puro de alimentación es mezclado con el gas de reciclo
(C2H4/gas de reciclo) en el mezclador (A-203). La corriente del gas de reciclo
es precalentada a través del (E-207).
2.3.3.2. Cloruro de hidrógeno
Es un gas incoloro de olor fuerte e irritante. Se prepara por la acción de ácido
sulfúrico concentrado sobre cloruro de sodio. Industrialmente se produce
quemando una corriente de hidrógeno en cloro. No es particularmente reactivo,
es muy soluble en agua y se ioniza casi totalmente para formar ácido
clorhídrico. El cloruro de hidrógeno se utiliza en la manufactura de compuestos
orgánicos de cloro tales como Policloruro de Vinilo (PVC).
El cloruro de hidrógeno (HCl) que se alimenta a la unidad de oxiclorinación es
anhidro de alta pureza como lo es producido típicamente en el craqueo térmico
del 1,2-dicloroetano (EDC) a Monocloruro de Vinilo (MVC) y HCl. El cloruro de
hidrógeno (HCl) de alimentación viene desde el intercambiador (E-408) con
41
1.140.000Pa de presión. El HCl de alimentación es precalentado a una
temperatura controlada por el (TIC 2201) en el intercambiador (E-202), y es
enviado al reactor de hidrogenación (R-202) con presión controlada por la (PIC
2212). La finalidad del reactor de hidrogenación consiste en hidrogenar
productos colaterales, en especial el acetileno (producto del craqueo del EDC),
a etileno.El HCl es calentado entre 413,15K y 448,15K, en el calentador de
HCl(E-202), mediante vapor en función de la cuantía de conversión del
S
O
D
VA
catalizador, la cual está relacionada con la operación del catalizador.
R
SE
E
R
S
HO
C
E
calculadas por relaciones
DER equimolares, donde se establecen 0,375 moles de
Los flujos de alimentación de etileno y oxígeno son obtenidos de acuerdo a la
cantidad de flujo de alimentación de cloruro de hidrógeno los cuales son
etileno por cada mol de cloruro de hidrógeno y 0,235 moles de oxígenopor
cada mol de cloruro de hidrógeno obteniendo finalmente los flujos respectivos
de alimentación.
2.3.3.3.Oxígeno
Gas diatónico incoloro e inodoro. El oxígeno es el elemento más abundante de
la corteza terrestre, comprendiendo en más del 40% en peso, está presente en
la atmósfera (20%) y es un constituyente de la mayoría de los minerales y
rocas (por ejemplo arsénicas, SiO2, carbonatos CaCO3, aluminosilicatos de
arcilla) y el principal elemento del mar.
La presión de oxígeno de alimentación al reactor (R-201) en el límite de batería
es de 1.200.000Pa. La presión es controlada en 950.000Pa, mediante el control
de presión (PIC 2305). El flujo de oxígeno principal es controlado por el (FIC
2301) con respecto a la proporción del flujo de HCl (FIC 2508).El (FIC 2321)
controla flujo de oxígeno fino y está acoplado en cascada por el analizador de
O2(AIC 2821) en la tubería del gas de reciclo por el lado de la succión del
compresor (K-201).El oxígeno es enviado al precalentador (E-212) donde es
42
calentado entre 408,15 y 413,15K. Luego es mezclado con el HCl hidrogenado
mediante el (A-202) (O2/HCl) y este flujo es enviado al reactor de oxiclorinación
(R-201).
2.3.3.4. Gas de reciclo
S
O
D
VA
Los gases inertes (N2, CO2, Ar) con aproximadamente un 3,0 % en volumen de
ER
S
E
R
S
buena fluidización del lecho del catalizador.
O Antes de su entrada en el reactor,
H
C
Eel gas de reciclo en el mezclador de (C H /gas de
el etileno es mezclado
con
R
E
D
etileno y un 0,5 % en volumen de oxígeno son reciclados hacia el reactor de
oxiclorinación (R-201) para alcanzar la cantidad necesaria de gas para una
2
4
reciclo). Un controlador de flujo en la tubería de descarga del compresor del
gas de reciclo controla el caudal de flujo procedente del compresor (K-201).
Para prevenir el enriquecimiento con gases inertes del gas de reciclo, una
cierta cantidad es descargada a presión controlada venteando hacia el
incinerado. Si se produce un incremento de la presión en el cabezal de venteo
del incinerador, el control de presión abrirá la válvula venteando hacia la
atmósfera.
2.3.4. Características de diseño del reactor de oxiclorinación (R-201)
2.3.4.1. Catalizador y gas con purga
El catalizador fluidizado en el reactor de oxiclorinación (R-201) consiste en
unas partículas sólidas que se conservan en movimiento y que no se precipitan
al estar en contacto con el gas que está fluyendo a velocidades superiores a
unos 0,06 metros por segundo. No obstante, aún así habrá partículas del
catalizador que se asienten en las zonas muertas del reactor, ante todo en las
boquillas del reactor, y que adquirirán una consistencia relativamente sólida si
se les permite quedar ahí durante períodos prolongados. Para prevenir las
incrustaciones formadas por las partículas del catalizador, se hace uso
43
contìnuo de un flujo positivo de gas de purga a cada una de las boquillas que
se utiliza normalmente para el control del reactor. Esto incluye las boquillas
para el indicador de presión, los manómetros, los instrumentos visualizadores
de la densidad y nivel para el lecho del catalizador, la toma para muestreo del
catalizador, y las boquillas de carga y descarga del catalizador.
2.3.4.2. Almacenamiento de catalizador
S
O
D
VA
ER
S
E
R
trampilla del oxicatalizador (D-207) y S
el eyector
de la tolva del catalizador
O
H de oxiclorinación. El catalizador nuevo es
(J-202) para la descarga en
el
reactor
C
E
R
transferido a D
la E
tolva del catalizador y al reactor con un mínimo de
Las facilidades de almacenamiento del catalizador incluyen la tolva para
catalizador (D-201) con el ciclón externo de tolva para el catalizador (S-201), la
manipulaciones y pérdidas, gracias al aprovechamiento de las ventajas de sus
características de transporte en el estado fluidizado.
El catalizador es transferido de los contenedores a la tolva del catalizador
haciendo arrancar primero el eyector de catalizador (J-202) para crear un vacío
en la tolva. El vacío hace que el aire fluya hacia el interior de la línea de
transferencia del catalizador, la cual está provista de un manguito orientable
insertado en el contenedor. El catalizador es aspirado mediante el flujo de aire,
y es arrastrado como fase diluida hacia la punta superior de la tolva (D-201). En
este lugar se va reduciendo la velocidad a causa de la gran sección transversal
de la tolva, y la gran masa del catalizador va cayendo al fondo. El aire, con
solamente una pequeña porción del catalizador arrastrado por el mismo, fluye
hacia el ciclón de etapa única en la tolva del catalizador (S-201), lugar donde
se efectúa la recuperación casi completa del catalizador.
2.3.4.3. Sistema de enfriamiento y vapor
El calor producido por la reacción es disipado mediante lageneracióndirecta de
vapor en los tubos verticales que están inmersos en el lecho del catalizador.
44
Los tubos están dispuestos en varios pasos paralelos, cada uno de los cuales
contiene varios tubos en serie.
El agua de caldera procedente del (D-509) es alimentada al tambor colector del
líquido refrigerante del reactor (D-202). Las bombas del sistema de
enfriamiento (P-201A/S) mantienen la circulación del agua de caldera hacia el
tambor colector de vapor del reactor a través de los serpentines internos en el
reactor. El agua y vapor se descargan hacia el tambor colector (D-202) donde
S
O
D
A
2401). La distribución del agua de caldera hacia todos losVserpentines
es
R
E
Sen la entrada hacia los
uniforme mediante unos orificios de estrangulación
E
R
S
O
diferentes pasos. La temperatura
de
la reacción (TIC 2507) es controlada, y
H
C
E
R
ésta acopla en cascada
DE al controlador de la presión del vapor (PIC 2401).
el vapor sale del sistema a través de la válvula de control de presión (PIC
El calentamiento del tambor colector del agua de caldera (D-202) mediante el
suministro de vapor a través de la boquilla (J-201 A-D) se requiere únicamente
si el reactor de oxiclorinación (R-201) tiene que ser calentado externamente, es
decir durante la puesta en marcha o en el modo operativo en espera
2.3.4.4. Serpentines internos de enfriamiento
Están disponibles para todos los reactores, estos serpentines proporcionan un
medio extremadamente eficaz para eliminar el calor del recipiente y así
controlar una reacción exotérmica o para enfriar el reactor al final de una
prueba. Puesto que el calor se transfiere a través de la pared relativamente
delgada del serpentín en lugar de la pared gruesa del recipiente, las
velocidades de enfriamiento son generalmente mucho más rápidas que las de
calentamiento, particularmente a temperaturas superiores a 353,15K. El agua
se utiliza normalmente como medio de enfriamiento, aunque el aire comprimido
puede ser utilizado para cargas modestas de enfriamiento.
45
2.4. Bases Teóricas
2.4.1. Cinética química
Levenspiel (1974), nos explica que bajos condiciones apropiadas una sustancia
puede transformarse en otras que constituye diferentes especies químicas. La
cinética química también puede definirse como el estudio de la velocidad y del
S
O
D
A o de un
otra. La velocidad es la masa, en moles, de un producto formado
V
R
E el mecanismo es la
Sparte
reactante consumido por unidad de tiempo; R
porE
otra
S cuyo resultado global produce la
O
secuencia de eventos químicosH
individuales
C
E
R
reacción observada.
DE
mecanismo por medio de los cuales una especie química se transforma en
2.4.2. Composición química
En opinión del autor Himmelblau (2002). La composición química son todos
aquellos elementos o compuestos presentes en una reacción química, dándole
identidad propia a la misma. Para propósitos de cálculo de cantidades que
intervienen en la reacción se pueden determinar a través de su composición
másica o molar, esto dependerá si se quiere hallar su cantidad en peso o
molar.
2.4.3. Reacción química
Según Levenspiel (1974), una reacción química es un proceso en el que un
conjunto de sustancias llamadas reactivos se transforman en un nuevo
conjunto de sustancias llamada productos. En otras palabras, la reacción
química es el cambio de transformación o acción recíproca entre dos o más
sustancias, en las que estas desaparecen y se transforman en otra distintas.
46
2.4.4. Clasificación de las reacciones químicas
Existen muchas maneras de clasificar las reacciones químicas. En la ingeniería
de las reacciones químicas, probablemente el método más útil sea dividirlas
según el número y tipos de fases implicadas, de donde resultan dos grandes
grupos: sistemas homogéneos y sistemas heterogéneos. Una reacción es
homogénea si se realiza en una sola fase, heterogénea requiere la presencia
de al menos dos fases.
R
SE
E
R
S
diseño
de reactores.
HO
C
E
DER
S
O
D
VA
Tabla 2.1. Clasificación de las reacciones químicas que se emplean en el
Además de esta clasificación, se encuentran las reacciones catalíticas cuya
velocidad es alterada por materiales que no son reactivos ni productos. Estos
materiales ajenos a la reacción, conocidos como catalizadores, no se requieren
en grandes cantidades y actúan como una serie de intermediarios entre los
reactivos para retrasar o acelerar la reacción experimentando poco o ningún
cambio (Levenspiel, 2004).
47
2.4.5. Reacciones de oxidación
SegúnFogler (2001), los elementos del grupo de transición (grupo VIII) y el
subgrupo I se usan ampliamente en reacciones de oxidación. Ag, Cu, Pt, Fe, Ni
y sus óxidossuelen ser buenos catalizadores de oxidación, además V2O5 y
MnO2 se usan comúnmente en reacciones de oxidación. Unos cuantos de los
principales tipos de reacciones de oxidación catalítica son:
O
H
C
E
DER
C2H4 + O2 2C2H4O
2SO2 + O2 2SO3
2CO + O2 2CO2
R
SE
E
R
S
Adición de oxigeno
S
O
D
VA
Catalizador: Ag
Catalizador: V2O5
Catalizador: Cu
2.4.6. Calor de reacción
El calor de reacción se define como la energía absorbida por un sistema
cuando los productos de una reacción se llevan a la misma temperatura que los
reactantes.(Levenspiel, 1974), menciona que para una definición completa de
los estados termodinámicos de los productos y los reactantes, también es
necesario especificar la presión. Si se toma la misma presión para ambos, el
calor de reacción es igual al cambio de entalpía; ésta es la definición más
común del calor de reacción. Se puede calcular el calor de cualquier reacción
combinando los calores de formación o los calores de combustión de los
productos y los reactantes.
2.4.7. Coordenada de la reacción
Smith y Van Ness (2007), definen la variable ε, como coordenada de la
reacción, caracterizada por la extensión o grado al cual ha tenido lugar una
48
reacción. La reacción química general para esta coordenada se especifica de la
siguiente manera:
lv1lA1 + lv2lA2 +…lv3lA3 + lv4lA4 +…
(Ec. 2.1)
Donde
Vi:Es el coeficiente estequiométrico
Ai:Representa una formula química
R
SE
E
R
S
HO
C
E
número estequiométrico
DERpara una especie inerte es cero.
S
O
D
VA
Al mismo Vi se le conoce como un número estequiométrico y por la convención
de signos es:Positivo (+) para un producto y negativo (-) para un reactivo. El
Así para la reacción,
2C2H4 +
4HCl + O2 
2C2H4Cl2
+ 2H2O + E
Etileno + Cloruro de hidrógeno + Oxígeno 1,2-dicloroetano + agua + Energía
Los números estequiométricos son:
vC2H4 =- 2
vHCl = - 4
VO2 = - 1
vC2H4Cl2 = 2
vH2O = 2
Al avanzar la reacción representada por la ecuación 2.1; los cambios en los
números de mol de las especies presentes son directamente proporcional a los
números estequiométricos.
49
2.4.8. Calor
Cengel y Boles (2006), describen el calor como la forma de energía que se
transfiere entre dos sistemas o entre un sistema y sus alrededores debido a
una diferencia de temperatura, es decir una interacción de energía es calor solo
si ocurre debido a una diferencia de temperatura. Los autores deducen que no
puede haber ninguna transferencia de calor entre dos sistemas que se hallan a
la misma temperatura.
Q=
O
H
C
E
Q= Calor (W).
DER
Donde:
R
SE
E
R
S
*Cp*ΔT(Ec. 2.2)
S
O
D
VA
= Flujo másico (kg/seg).
Cp= Calor especifico (J/kg*K).
ΔT= Gradiente de temperatura (K).
Una parte esencial, y a menudo la más incierta, de cualquier análisis es la
determinación del coeficiente global de transferencia de calor el cual se define
en términos de la resistencia térmica total para la transferencia de calor entre
fluidos. Las ecuaciones (Ec. 2.3) y (Ec. 2.4), representan el cálculo típico del
coeficiente global de transferencia de calor para formas cilíndricas compuestas.
Q= U * A * ΔT(Ec. 2.3)
U=
(Ec. 2.4)
Donde:
Q= Calor (W).
U= Coeficiente global de transferencia de calor (W/m2*k).
A= Área (m2).
ΔT= Gradiente de temperatura (K).
50
2.4.9. Efecto calorífico
Levenspiel (1974), nos explica que cuando el calor es adsorbido o desprendido
por la reacción puede modificar significativamente la temperatura de los fluidos
reaccionantes. Si la reacción es exotérmica y el cambiador es incapaz de
disipar todo el calor liberado, la temperatura del fluido reaccionante se elevará
a medida que va aumentando la conversión y si la reacciónes endotérmica, el
fluido se enfriará a medida que aumenta la conversión.
R
SE
E
R
S
O
H
C
E
DER
2.4.10. Capacidad calorífica
S
O
D
VA
Himmelblau (2002), nos dice que la capacidad calorífica (Cp), representa la
cantidad de energía necesaria para elevar en un grado la temperatura de una
sustancia, energía que podría suministrarse por transferencia de calor. Las
unidades comunes que se usan en la práctica de la ingeniería son: (J/kg*k).
Casi todas las ecuaciones para la capacidad calorífica para los sólidos, líquidos
y gases son empíricas. Se acostumbra expresar la capacidad calorífica a
presión constante como una función de la temperatura mediante una serie de
potencias, con contantes a, b, c y d por ejemplo:
Cp= a + bT + cT2 + dT3(Ec. 2.5)
2.4.11. Calor de formación
SegúnHimmelblau (2002), en el balance de energía los cambios de energía
causados por una reacción química, se debe incorpora la entalpia de cada
constituyente individual, una cantidad adicional denominada calor (en realidad
entalpia) de formación estándar, (∆Hfº). El subíndice ºdenota “estado estándar”
y el subíndice f denota “formación”.
51
El calor de formación también puede definirse como la entalpia especial para la
formación de un mol de un compuesto a partir de sus elementos constituyentes
por ejemplo:
C(S) +½ O2(g)  CO(g)
Según Smith y Van Ness (2007), los calores de reacción a cualquier
S
O
D
A de los
se conoce el valor para una temperatura; en consecuencia, la V
tabulación
R
SE de formación para
datos se reduce a la recopilación de los calores
estándar
E
R
S
O
una sola temperatura. La elección
usual
para esta temperatura es de 298,15K.
H
C
E
R
E
D
El cálculo del delta H de formación de la reacción (∆H ) viene dado por el
temperatura se calculan a partir de la información de la capacidad calorífica si
º
f RX
gradiente delta H de formación de los productos (∆Hfºproductos) con los reactantes
(∆Hfºreactantes).
∆HfºRX = ∆Hfºproductos- ∆Hfºreactantes(Ec. 2.6)
Las reacciones químicas también se acompañan, ya sea por una transferencia
de calor o por variaciones de temperatura durante el transcurso de la reacción,
y en algunos casos por ambas. Estos efectos son manifestaciones de las
diferencias en la estructura molecular y, en consecuencia, en la energía de los
productos y de los reactivos, por ejemplo; los reactivos que forman una
combustión liberan grandes cantidades de calor produciéndose una reacción
exotérmica, cuyo delta H de formación estándar es negativo ∆HfºRX = (-), en
caso contrario para una reacción endotérmica sería positiva ∆Hfº RX = (+).
2.4.12. Flujo másico
Robersony Crowe (1991), definen el flujo másico como la magnitud que
expresa la variación de la masa en el tiempo. Matemáticamente es el
diferencial de la masa con respecto al tiempo. Se trata de algo frecuente en
sistemas termodinámicos, pues muchos de ellos como tuberías, toberas,
52
turbinas y compresores actúan sobre un fluido que lo atraviesa. Su unidad es
en kg/seg.
Se puede expresar el flujo másico como
=ρ*V*A
(Ec. 2.7)
Donde:
ρ = Densidad (kg/m3).
O
H
C
E
A = Área (m ).
DER
V = Velocidad (m/seg).
R
SE
E
R
S
= Flujo másico (kg/seg)
S
O
D
VA
2
2.4.13.Balance de energía
SegúnHimmelblau (2002), en la actualidad uno de los problemas más
complejos que se presenta en la industria es la determinación de los balances
de energía. Se considera que el balance de energía es un principio tan
fundamental que hasta se han inventado nuevos tipos de energía para lograr
que la ecuación quede balanceada.
Para llevar a cabo los balances de materia se utiliza la ley de conservación de
la masa, la cual indica que la masa que ingresa al sistema es igual a la que
sale más la acumulada en el proceso. De manera similar se puede enunciar la
ley de conservación de energía, la cual postula que toda la energía que entra a
un proceso es igual a la que sale más la que queda en el proceso. La energía
puede manifestarse de varias maneras. Algunas de sus formas más comunes
son la entalpía, energía eléctrica, la energía química (en términos de la ∆H de
la reacción), la energía cinética, la energía potencial, el trabajo y el flujo de
calor.
53
El balance energético general puede ser expresado como:
(Ec. 2.8)
Para el estado estacionario, el balance de energía se reduce:
R
S
O
D
VA
SE
E
R
S
(Ec. 2.9)
HO
C
E
ERes igual a la rapidez neta de transferencia de energia en
del volumen deD
control
La masa y la energía se conservan y la rapidez de cambio de energia dentro
el volumen de control. Además las corrientes que se encuentran circulando
hacia afuera y adentro del volumen de control son asociadas con energia en
sus diversas formas, es decir, interna, potencial y cinética, y todas contribuyen
al cambio energético del sistema.
Por otra parte, para efecto de cálculo del balance de energía es conveniente
tomar en cuenta la presión, temperatura, entalpía y flujo del sistema, ya que
están relacionadas íntimamente e influyen en las variaciones que la energía
total del sistema pueda presentar en dado momento.
A continuación se muestra la ecuación general para el cálculo de balance de
energia en sistemas adiabáticos con reacción.
Q= ∑∆HfºRi* εi + ∑ni, salen * ∫
- ∑nj, entran * ∫
Donde:
Q= Calor de reacción.
∆HfºRi= Delta de H de formación de la reacción (J/mol).
εi = Coordenadas de lareacción.
ni,salen = Números de moles que salen (mol/seg).
(Ec. 2.10)
54
nj, entran = Números de moles que entran (mol/seg).
Tref = Temperatura de referencia (298,15K).
Tj= Temperatura de entrada (K).
T= Temperatura de salida (K).
2.4.14. Presión
S
O
D
VA
ER
S
E
R
mientras que la contraparte de la presión
en los sólidos es el esfuerzo normal.
S
O
Hcomo
C
Puesto que la presión seE
define
una fuerza por unidad de área, tiene
R
E
D
Cengel (2006), define la presión como una fuerza normal que ejerce un fluido
por unidad de área. Se habla de presión solo cuando se trata de gas o líquido,
como unidad el newton por metro cuadrado (N/m2), también conocida como
pascal (Pa).
2.4.15. Presión de vapor
Presión ejercida por un vapor. La presión de vapor saturado es la presión de un
vapor en equilibrio con su líquido o solidó. Depende de la naturaleza del líquido
o del solidó y de la temperatura(Daintith, 1997).
2.4.16. Reactores de lecho fluidizado
En este tipo de reactor ocurre fluidización cuando pequeñas particas de sólido
se suspenden en una corriente de fluido que fluye hacia arriba, la velocidad del
fluido es suficiente para suspender las partículas, pero no para sacarlas del
recipiente; las partículas se revuelven en el lecho rápidamente dando pie a un
excelente mezclado. El material que se fluidiza es casi siempre un sólido. El
medio fluidizante es un líquido o un gas, y las características y comportamiento
de un lecho fluidizado dependen en buena parte de ello. Casi todas las
55
aplicaciones comerciales importantes de la tecnología de lechos fluidizados son
sistemas gas-solido.
Fogler (2001), explica que el reactor de lecho fluidizado puede procesar
grandes volúmenes de fluido, por ejemplo, en la pirólisis catalítica de naftas de
petróleo para formar mezclas de gasolinas, las ventajas del lecho de un reactor
de lecho fluidizado sacaron del mercado a sus competidores.
S
O
D
VA
R
SE
E
R
S
HO
C
E
R por la evaporación de un solidó o líquido. Algunas
Condición que seE
D forma
2.4.17. Vapor
partículas cercanas a la superficie de un líquido adquieren suficiente energía en
colisiones con otras partículas para escapar del líquido y entrar al vapor;
algunas partículas en el vapor pierden energía en las colisiones y reingresan al
líquido. A una temperatura específica se establece el equilibrio, el cual
determina la presión del vapor del líquido a esa temperatura(Daintith ,1997).
2.4.18. Vapor saturado
Se dice del vapor que está en equilibrio con un solidó o líquido. Un vapor
saturado se encuentra en su máxima presión (presión de vapor saturado) a una
temperatura determinada. Si la temperatura del vapor saturado disminuye, el
vapor se condensa. Bajo ciertas circunstancias las sustancias se pueden
mantener en la fase de vapor o sea que el vapor contiene más de la
concentración en el equilibrio de la sustancia. Se dice entonces que el vapor
esta sobresaturado (Daintith ,1997).
2.4.19.Vaporización
Proceso mediante el cual un líquido o solidó se convierten en gas o vapor por
calor. A diferencia de la ebullición, que ocurre a temperatura fija, la
56
vaporización puede ocurrir a cualquier temperatura, su velocidad aumenta a
medida que aumenta la temperatura (Daintith ,1997).
2.4.20.Monocloruro de Vinilo (MVC)
Para Lucena (2009), el Monocloruro de Vinilo es un gas incoloro que posee un
S
O
D
A
halogenaciòn del etileno, de formula CH =CH Cl. Se emplea V
en producción
de
R
E
S
Policloruro de Vinilo (PVC). También interviene
en la formación de otros
E
R
S
O
polímeros, por ejemplo, en fibrasH
acrílicas.
C
E
DER
olor levemente dulce que a temperatura ambiente se obtiene por la
2
2
2.4.21. Producto Colateral
Para Daintith (1997), es una sustancia que se obtiene durante la manufactura
de un producto químico principal.
2.4.22.Pirólisis
Se dice de la descomposición de compuestos químicos al someterlos a
temperaturas muy elevadas (Daintith, 1997).
2.4.23. Simulación de procesos
Luyben (1973), define la simulación como la técnica númerica para conducir
experimentos en una computadora digital. Estos experimentos comprenden
ciertos tipos de relaciones matemáticas y lógicas, las cuales son necesarias
para describir el comportamiento y la estructura de sistemas complejos del
modo real a través de largos períodos de tiempo.
57
SegúnMartínez (2000), la simulación de procesos permite predecir el
comportamiento de un proceso utilizando relaciones de ingeniería tales como
balances de materia y energía, relaciones de equilibrio químico, de fases y
datos cinéticos. Teniendo una base termodinámica confiable, condiciones de
operación según diseño y modelos fieles de las operaciones unitarias, es
S
O
D
VA
posible simular el comportamiento real de plantas completas o de cualquier
ER
S
E
R
proceso desde la investigación y desarrollo,
pasando por
S
O
H y producción.
procesos y diseños, hastaE
la C
operación
DER
sistema y obtener las respuestas ante cualquier cambio de proceso. Esto
demuestra la gran importancia de la simulación durante todo el ciclo de vida del
ingeniería de
2.4.24. Método de Taylor
Según Leithold (1998), varios metodos pueden emplearse para aproximar una
función dada mediantes polinomios. Uno de los másampliamente utilizados
hace uso de la formula de Taylor, llamada así en honor al matemáticoingles
Brook Taylor. El teorema siguiente el cual puede considerarse como una
generalización del valor medio, proporciona la fórmula de Taylor. Sea f una
función tal que f y sus primeras n integrales son continuas en el intervalo
cerrado (a,b). Además se debe considerar f(n+1)(x) existe para toda x del
intervalo abierto (a,b). Entonces existe un número z en el intervalo abierto (a,b)
tal que:
f(b) = f(a) +
(b-a) +
(b-a)2 +
2.4.25. Aplicaciones de simulación de procesos
(b-a)3 +…
58
Martínez (2000), indica que la simulación de procesos químicos es una
herramienta moderna que permite el análisis de plantas en operación y llevar a
cabo las siguientes tareas:
 Predicción de los efectos de cambios en las condiciones de operación y
capacidad de la planta.
 Optimización de las variables de operación.
S
O
D
VA
R
E
S
E
R
y/o las condiciones económicas del mercado.
S
O
H
C
E
R
DE procesos para nuevos productos.
 Análisis de nuevos
 Optimización del proceso cuando cambian las características de los insumos
 Evaluación de alternativas de procesos para reducir el consumo de energía.
 Análisis de condiciones críticas de operación.
 Análisis de factibilidad y viabilidad de nuevos proceso.
 Optimización del proceso para minimizar la producción de desechos y
contaminantes.
 Entrenamientos de operaciones e ingenieros de procesos.
59
2.5. Sistema de variables
Objetivo General: Simular el reactor de oxiclorinaciòn (R-201) de la planta de
Monocloruro de Vinilo del complejo Petroquímico Ana María Campos
Objetivos
Identificar las variables del
proceso que influyen en el
reactor de oxiclorinación
(R-201) de la planta de
Monocloruro de Vinilo del
Complejo
Petroquímico
Ana María Campos.
Variables
Subvariables

Desarrollar un modelo de
Reactor de
simulación en hoja de
oxiclorinación
cálculo Excel del reactor
(R-201)
de oxiclorinación (R-201)
de
la
planta
de
Monocloruro de Vinilo del
Complejo
Petroquímico
Ana María Campos.
Elaborar el manual de
usuario para la simulación
del
reactor
de
oxiclorinación
(R-201)
de
la
planta
de
Monocloruro de Vinilo del
Complejo
Petroquímico
Ana María Campos.
Variables que
influyen en el
proceso



Modelo de
simulación




Resultados de
la simulación


Manual de
usuario
S
O
D
VA
R
SE
E
R
S
O
H
C
E
DER
Validar los resultados de la
simulación
con
datos
reales del proceso del
reactor de oxiclorinación
(R-201) de la planta de
Monocloruro de Vinilo del
Complejo
Petroquímico
Ana María Campos.
Indicadores



Flujos de
alimentaciones.
Temperatura del
reactor.
Coeficiente
global de
transferencia de
calor.
Balance de masa
y energía.
Técnicas de
simulación.
Métodos
Termodinámicos.
Ecuaciones de
estado.
Flujos de
alimentaciones.
Temperatura del
reactor.
Coeficiente global
de transferencia
de calor.
Procedimientos.
Orientación en
cuanto al uso del
programa.
Explicación de los
límites del
simulador.
60
CAPÍTULO III
MARCO METODOLÓGICO
El presente capitulo incluye el tipo de investigación, técnicas e instrumentos de
recolección de datos y fases que serán utilizados para llevar a cabo la
indagación. (Arias, 2006) indica cómo se debe realizar el estudio para
S
O
D
VA
responder al problema planteado. Por su parte (Tamayo y Tamayo, 2003)
R
aseguran que el marco metodológico se refiere al diseño y explicación de cómo
SE
E
R
S
se van a interpretar, recolectar y procesar los datos de la investigación.
O
H
C
E
3.1. Tipo de investigación
DER
El tipo de investigación se refiere a la clase de estudio que se va a
realizar.Orienta sobre la finalidad general del estudio y sobre la manera de
recopilar las informaciones o datos necesarios. Un proyecto factible, como su
nombre lo indica, tiene un propósito de utilización inmediata, y la ejecución de
la propuesta (Palella ,2010).
En este sentido, la UPEL (2005), dispone que un proyecto factible: consiste en
la investigación, elaboración y desarrollo de una propuesta de un modelo
operativo viable para solucionar problemas, requerimientos o necesidades de la
organización o grupos sociales; puede referirse a la formulación de políticas,
programas, tecnologías, métodos o procesos.
Así mismo, Arias (1999), señala que un proyecto factible está orientado a dar
respuesta o posibles soluciones a problemas conocidos en una realidad de
índole: institucional, social, educativa, económica, entre otros. Tomando en
consideración a los autores antes mencionados, esta investigación es un
proyecto factible debido a que se desarrolló un modelo de simulación del
61
reactor de oxiclorinación (R-201) en la industria Petroquímica Ana María
Campos (Pequiven) específicamente en la planta de MVC unidad 200 (unidad
deoxihidrocloración) la cual es encargada de producir 1,2-dicloroetano (EDC)
necesario para la producción de Monocloruro de Vinilo. Este trabajo de
investigación representa una solución clara y pertinente al problema planteado;
ya que al reactor (R-201) se le efectuaron cambios en sus estructuras
mecánicas internas. El modelo de simulación se ha desarrollado con la
S
O
D
A
implementación de acciones correctivas y definir estrategias deV
operación.
R
SE
E
R
S
O
H
EC
R
3.2. Diseño de la E
investigación
D
finalidad de predecir el comportamiento del sistema para facilitar la
Altuve y Rivas (1998), aseguran que el diseño de la investigación es una
estrategia general que adopta el investigador como forma de abordar un
problema determinado que permite identificar los pasos que deben seguir para
efectuar su estudio. Por otra parte (Gómez, 2012),establece que el diseño de la
investigación es un planteamiento en el cual se plasman una serie de
actividades bien estructuradas, sucesivas y organizadas, para abordar de
forma adecuada el problema de la investigación; por lo tanto en el diseño de la
investigación, se indican los pasos, pruebas y técnicas a utilizar, para
recolectar y analizar los datos. Sin duda, el diseño de la investigación es la
mejor estrategia que puede efectuar el investigador.
Como se indicó anteriormente, esta investigación es un proyecto factible, por
tal razón (UPEL, 2006) menciona que la misma debe tener apoyo en una
investigación de tipo documental, de campo o un diseño de ambas
modalidades. Por su parte(Arias, 2002), define la investigación de campo como
aquella que consiste en la recolección de datos directamente de los sujetos
investigados o de la realidad donde ocurren los hechos, sin manipular o
controlar variable alguna, es decir, el investigador obtiene la información pero
62
no altera las condiciones existentes. La investigación de campo, al igual que la
documental, se puede realizar a nivel exploratorio, descriptivo y explicativo.
Según Arias (2012), define la investigación documental como un proceso
basado en la búsqueda, recuperación, análisis, crítica e interpretación de datos
secundarios, es decir, los obtenidos y registrados por otros investigadores en
fuentes documentales: impresas, audiovisuales o electrónicas, como en toda
investigación, el propósito de este diseño es el aporte de nuevos
conocimientos.
S
O
D
VA
ER
S
E
R
S
se identificó y se ajustó de acuerdo
a
los
O tipos de diseño de investigación,
H
C
E corresponde a una investigación de campo y
concluyendo que la R
misma
E
D
Según lo expuesto anteriormente, se puede decir que la presente investigación
documental. Se consideró de campo debido a que los datos introducidos en el
la simulación del reactor (R-201) fueron extraídos a través de sistemas de
medición que tienen contacto directo con los equipos sometidos a estudio y
posteriormente se realizó una comparación de los datos arrojados por el
simulador con datos reales de la planta.
Además, la información necesaria fue recolectada en el lugar de trabajo;
también fue necesario realizar una serie de visitas al área con la finalidad de
verificar los datos establecidos en los diagramas. Por otra parte, es de tipo
documental porque se necesitó de diversas fuentes bibliográficas, tales como
libros, diagramas de flujos de procesos (PFD), planos de tubería e
instrumentación (P&ID), manuales de diseño y operación, los cuales sirvieron
como base para la interpretación y estructuración del desarrollo de la
simulación del reactor (R-201).
3.3. Técnicas de recolección de datos
Las técnicas de recolección de datos son las distintas formas o maneras de
obtener información. La observación directa, la encuesta en sus dos
63
modalidades (entrevista o cuestionario), el análisis documental, análisis de
contenido, entre otros (Arias, 1999).
La recolección de datos es una sección concebida de igual forma que la
expresión operativa del diseño de investigación, es decir, es la especificación
concreta de los procedimientos lugares y condiciones de la recolección de
datos, por lo tanto, se analizó si la investigación fue a base de lecturas,
S
O
D
A de datos
2012). Al respecto, (Méndez ,1999), define las técnicas de recolección
V
R
SelEinvestigador y que le
como los hechos o documentos a los queR
acude
E
S
O
permite tener información.
H
C
E
R
DE
documentos, encuestas, u observaciones directas de los hechos. (Gómez,
La investigación se realizó utilizando varias técnicas de recolección de datos
tales como:
3.3.1. Observación directa participante
Gómez (2012), indica que la observación es la más común de las técnicas de
investigación; la observación sugiere y motiva los problemas y conduce a la
necesidad de la sistematización de los datos; así mismo define la observación
directa como el profesional investigador que observa y recoge datos, producto
de su observación.
La observación directa consiste en visualizar o captar mediante la vista, en
forma sistemática, cualquier hecho, fenómeno o situación que se produzca en
la naturaleza o en la sociedad, en función de unos objetivos de investigación
pre-establecidos(Arias,
1999).
La
observación
participante
la
define
(Hernández, Fernández y Baptista, 2003) como aquella que consiste en el
registro sistemático, válido y confiable de comportamientos, conductas y
manifiestos en la que el observador interactúa con los sujetos observados.
64
En este trabajo de investigación se utilizó como técnica de recolección de datos
la observación directa con el fin de constatar la situación actual en campo del
objeto de estudio. En esta investigación se pudieron observar los fenómenos o
hechos que ocurren en el área, tal y como suceden en la Unidad 200
(Oxihidrocloraciòn) donde se encuentra ubicado el reactor (R-201), esta técnica
también ayudó en la observación de los equipos del proceso en general; por
otro lado se realizó un registro fotográfico de los equipos que intervienen
S
O
D
VA
directamente en el proceso, así como la compresión de los principales
R
SE
E
R
S
fenómenos estudiados.
HO
C
E
R
3.3.2. Observación
DEdocumental
Chávez (1994), señala que los estudios documentales son aquellos que se
realizan sobre la base de documentos o revisión bibliográfica. Esta
investigación se efectuó en función de documentos escritos, numéricos o
estadísticos, archivos oficiales y privados. La finalidad de los estudios
documentales es recolectar información a partir de documentos escritos.
 Revisión bibliográfica de manuales
Según Rojas (2012), la revisión bibliográfica comprende todas las actividades
relacionadas con la búsqueda de información escrita sobre un tema acotado
previamente y sobre el cual, se reúne y discute críticamente, toda la
información recuperada y utilizada. Su intención va más allá del simple hojear
revistas para estar al día en los avances alcanzados en una especialidad, o de
la búsqueda de información que responda a una duda muy concreta, surgida
en la práctica asistencial.
En esta investigación la revisión bibliográfica fue muy importante debido a que
consistió en la lectura de manuales como la descripción del proceso en
general, específicamente del reactor de oxiclorinación (R-201). Además se
65
recurrió a la planoteca donde se ubicaron los datos de operación de la planta,
así como las características de diseño del reactor (R-201).
Por otra parte se hallaron trabajos de investigación de los que fueron extraídos
algunos datos como las alimentaciones del reactor (R-201) y otros datos
adicionales que contribuyeron en el desarrollo de la investigación y evaluación
de la operación del mismo, también fue necesaria la interpretación y análisis de
S
O
D
VA
los diagramas de flujos de procesos (PFD), y planos de tuberías e
instrumentación (P&ID).

R
SE
E
R
S
HO
C
E
Revisión bibliográfica
DER de publicaciones y libros
Esta técnica se apoya en hallazgos teóricos para la sustentación de la
investigación, permitiendo obtener referencias teóricas y conceptuales
encontradas en la revisión bibliográfica objeto de estudio. La búsqueda de
revisiones bibliográficas sobre el tema de investigación, es la selección del
material útil para resumir, aclarar y ampliar las fuentes de información. En la
presente investigación, se analizó la recopilación de revisiones bibliográficas
como documentos e informes publicados dentro de la empresa, también fue
necesario la lectura y análisis de libros para la realización de las bases teóricas
y los principios acerca del funcionamiento operativo y tecnológico de las
diferentes partes que conforman el reactor (R-201).
Además se hizo necesaria la documentación sobre el programa de
computación como lo es el Microsoft Office Excel, mediante manuales e
instructivos facilitando el manejo del mismo y con ayuda del personal de la
planta de MVC. Así mismo se realizó este trabajo especial de grado como
aporte para la realización de los antecedentes para el proyecto de
investigaciones futuras.
66
3.4. Instrumentos de recolección de datos
Arias (2006), define como instrumento de recolección de datos cualquier
recurso, dispositivo o formato en papel o digital que se utiliza para obtener
registros o almacenar información. Mientras que (Sabino, 1996) menciona que
un instrumento de recolección de datos es, en un principio, cualquier recurso
de que pueda valerse el investigador para acercarse a los fenómenos y extraer
S
O
D
Aque ya han
escritos que proceden también de un contacto con la práctica,V
pero
R
E
Sinvestigadores.
sido recogidos, y muchas veces procesados,R
porE
otros
S
O
H
C
E
Hurtado (2000), indica
que
la selección de instrumentos de recolección de
R
E
D
datos implica determinar por cuales medios o procedimientos el investigador
de ellos la información, los datos secundarios, por otra parte son registros
obtendrá la información necesaria para alcanzar los objetivos de la
investigación.
Tomando en consideración a los autores antes mencionados se presenta la
tabla 3.1 que fue utilizada como instrumentos de recolección de datos para la
comparación y estudio con el modelo de simulación.
Tabla 3.1. Datos reales de la planta.
La tabla 3.1 muestra los distintos datos de la planta a comparar con el
simulador, entre las cuales tenemos la variable de entrada representada con el
color gris siendo esta el flujo de alimentación de cloruro de hidrógeno; entre las
variables de salidas tenemos los flujos de alimentación de etileno, oxígeno
temperatura del reactor y coeficiente global de transferencia de calor.
67
3.5. Fases de la investigación
A continuación se presentan de manera organizada las diversas fases
establecidas y el procedimiento seguido en cada una de ellas para así
desarrollar los objetivos específicos establecidos en la presente investigación.
S
O
D
VA
R
Fase I:Identificación de las variables del proceso que influyen en el reactor de
SE
E
R
S
oxiclorinación (R-201) de la planta de Monocloruro de Vinilo del Complejo
O
H
C
E
DER
Petroquímico Ana María Campos.
Para el cumplimento de la primera fase, se realizó una revisión y un análisis de
información del proceso de oxihidrocloración a través de manuales e informes,
revisión bibliográfica de libros como; ingeniería de las reacciones químicas,
principios básicos y cálculos en ingeniería química, y fundamentos de
transferencia de calor,así como también los diagramas de flujos de procesos
(PFD), y diagramas de tuberías e instrumentación (P&ID). Por otra parte se
realizó la revisión y análisis de trabajos de investigación similares, referente a
simulación de procesos; finalmente se realizó una tabla identificando las
variablesque influyen en el reactor (R-201), para luego seleccionarlas más
adecuadas a incorporar en el modelo de simulación.
Fase II:Desarrollo de un modelo de simulación en hoja de cálculo Excel del
reactor de oxiclorinación (R-201) de la planta de Monocloruro de Vinilo del
Complejo Petroquímico Ana María Campos.
Una vez identificadas las variables que influyen en el reactor de oxiclorinación
(R-201), se procedió a realizar un modelo de simulación en una hoja de cálculo
obtenida mediante el programa Microsoft Office Excel, este programa es uno
de los más usadoscomo simulador en las empresas de ingeniería del sector
68
químico, así mismo es el más utilizado en la Corporación Petroquímica Ana
María Campos.
Para la realización de la simulación se utilizó el siguiente procedimiento:
 Se recopilaron datos de ingreso al reactor de oxiclorinación (R-201) como lo
S
O
D
VA
es el flujo de alimentación de cloruro de hidrógeno, siendo esta la variable de
ER
S
E
R
y diámetro, dimensionamiento del distribuidor
como diámetro de entrada, y
S
O
Hde caldera;siendo estos los parámetros a
C
elflujo de alimentación de
agua
E
ERde simulación. Cabe destacar que la especificación de
emplear en el D
modelo
entrada. Así mismo el dimensionamiento de los serpentines que viene dado por
altura, diámetro, espesor y cantidad, dimensionamiento del reactor como altura
alimentación de cloruro de hidrógeno y agua de caldera fueron obtenida de las
tablas de propiedades físico-químicas previamente establecidas en esta
investigación.
 Se inició el simulador, y se creó un archivo nuevo donde se le colocó el
nombre de la simulación.
 Se realizó el diagrama de flujo de proceso del reactor de oxiclorinación
(R-201).
 Se definieron las corrientes de alimentación del reactor de oxiclorinación
(R-201), siendo el flujo de cloruro de hidrógeno la variable de ingreso y por
medio de relaciones equimolares ya establecidas en el manual de operaciones
de la planta de MVC, se determinaron las corriente de alimentación de etileno y
oxígeno, siendo estas las variables resultantes.
 Se especificaron las condiciones de operación de todas las corrientes del
proceso del reactor de oxiclorinación (R-201).
69
 Se realizó el balance energía, el cual viene dado por la (Ec. 2.10), para el
cálculo de temperatura del reactor de oxiclorinación (R-201), el mismo es un
sistema adiabático, considerando de esta manera el calor despreciable debido
a que no hay transferencia de calor al exterior. Así mismo se utilizaron los delta
H de formación (∆Hfº), y calores específicos de todos los compuestos presentes
en las reacciones acondiciones de referencia de 298,15K y 101.325Pa, y
S
O
D
polinomiales que a través del método matemático de Taylor
seA
empleó para
V
R
E
S
E
realizar el cálculo del valor real de dichas funciones.
R
S
O
H
C
E
R
 Se ingresaron
DElas ecuaciones a incluir en el sistema y las unidades
respectivamente los números de moles de reactantes y productos establecidos
en las tablas de propiedades físico-químicas, dando como resultado funciones
convenientes para el modelo de simulación. En las cuales se mencionan la (Ec.
2 1), (Ec. 2.2), (Ec. 2.3), (Ec. 2.4), (Ec. 2.5), (Ec. 2.6), (Ec. 2.7), (Ec. 2.8), (Ec.
2.9) y (Ec.2.10), para los posteriores cálculos del modelo de simulación.
 Finalmente se realizó la corrida de la simulación a diferentes cargas
obteniendo así los resultados de todos los cálculos realizados por el simulador.
Fase III: Validación de los resultados de la simulación con datos reales del
proceso del reactor de oxiclorinación (R-201) de la planta de Monocloruro de
Vinilo del Complejo Petroquímico Ana María Campos.
En esta fase ya obtenido los datos arrojados por el modelo de simulación, se
procedió a realizar una comparación mediante tablas tomando en cuenta los
datos reales de la planta, y los datos arrojados por el modelo de simulación
para así poder determinar el % de desviación, esta comparación se realizó
basándose en los valores relacionados con, el flujo de cada alimentación del
reactor (R-201), temperatura y coeficiente global de transferencia de calor,
70
Fase IV:Elaboración del manual de usuario para la simulación del reactor de
oxiclorinación (R-201) de la planta de Monocloruro de Vinilo del Complejo
Petroquímico Ana María Campos.
En esta última fase se desarrolló la elaboración del manual de usuario para la
utilización y ejecución de la simulación, describiendo cada uno de los pasos y
seguimientos que se deben efectuar para el buen manejo en una hoja de
S
O
D
VA
cálculo en Microsoft Office Excel, esto le permitirá al usuario tener una mejor
O
H
C
E
DER
R
SE
E
R
S
visión y compresión a la hora de ejecutar el programa.
71
CAPÍTULO IV
ANÁLISIS DE RESULTADOS
En este capítulo final se reflejan los resultados obtenidos en la investigación
basado en el logro de los objetivos específicos establecidos en la misma, lo
S
O
D
VA
cual permitió el alcance de la meta general que consiste en la simulación del
R
SE
E
R
S
reactor de oxiclorinación (R-201) de la planta de Monocloruro de Vinilo del
Complejo Petroquímico Ana María Campos.
O
H
C
E
DER
4.1. Identificación de las variables del proceso que influyen en el reactor
de oxiclorinación (R-201)
Este punto de la investigación se llevó a cabo mediante la revisión literaria y
documental que existe sobre el reactor (R-201), así como también la
información proporcionada por el departamento de ingeniería de proceso de la
planta de Monocloruro de Vinilo (MVC), lo cual facilitó el estudioy análisis de
variables y parámetros necesarios en el modelo de simulación del reactor de
oxiclorinación (R-201).
A partir del conocimiento de ingeniería de procesos se establecen las variables
que influyen en el reactor (R-201), con el fin de seleccionarlas más adecuadas
a incorporar en el modelo de simulación. A continuación se representa la
tabla 4.1 en el cual se muestra las variables y parámetros necesarios en el
modelo de simulación.
72
Tabla 4.1. Variables y parámetros necesarios en el modelo de simulación.
R
SE
E
R
S
O
H
C
E
DER
S
O
D
VA
En la tabla 4.1 se muestran las variables y parámetros necesariospara la
ejecución del modelo de simulación, donde se establece el flujo de
alimentación de cloruro de hidrógenocomo la variable de entrada a la cual
puede operar el reactor de oxiclorinación (R-201). Así mismo se establecen los
parámetros de entrada tales comoflujo de alimentación de
agua de
caldera,obtenida de las tablas de propiedades físico-químicas establecidas en
esta investigación; dimensionamiento del reactor, dimensionamiento del
serpentín, dimensionamiento del distribuidor, donde los mismos se pudieron
extraer de la data sheet suministrado por el departamento de ingeniería de
proceso de la planta de Monocloruro de Vinilo (MVC).
73
Por otra parte se establecen las variables o resultados del modelo de
simulación. El manual de la unidad 200 (Oxihidrocloración) de la planta de
MVC, explica que en el reactor (R-201) los flujos de alimentación de etileno y
oxígeno son obtenidos de acuerdo a la cantidad de flujo de alimentación de
cloruro de hidrógeno los cuales son calculadas por relaciones equimolares,
donde se establecen 0,375 moles de etileno por cada mol de cloruro de
hidrógeno y 0,235 moles de oxígenopor cada mol de cloruro de hidrógeno
obteniendo finalmente los flujos respectivos de alimentación.
S
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VA
R
SE
E
R
S
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cuenta los números
DEdeRmoles de los reactivos y productos que entran y salen
Por su parte, Himmelblau(2002), señala que la temperatura de un sistema
adiabático con reacción puede darsepor un balance de energía, tomando en
del sistema, así mismo se debe tomar un estado de referencia de 298,15K y
101.325Pa tanto para los calores de formación como para los calores
específicos de los diferentes compuestos incluidos en las reacciones..
Así mismo Incropera y Dewitt (1999), formulan que para diseñar o predecir el
rendimiento de intercambio de calor de una superficie cilíndrica compuesta es
esencial relacionar la transferencia total de calor con cantidades tales como; la
temperatura de entrada y salida del fluido, área superficial total para la
transferencia de calor y coeficiente global de transferencia de calor con las
(Ec. 2.3) y (Ec. 2.4) pueden determinarse para su posterior estudio.
Cabe destacar que en la planta de Monocloruro de Vinilo (MVC), no se logró
obtener y recopilar la suficienteinformación de todas las variables antes
mencionadas para ser estudiadas, analizadas y verificadas, tal es el caso de la
presión del tope del reactor en el cual se debía considerar la caída de presión
de la reacción gaseosa y la concentración de las especies reaccionantes, con
respecto al nivel de catalizador en el reactor, velocidad de los gases y tiempo
de residencia de los gases en el catalizador, sus respectivos estudios son
afectados por la presencia de materiales que no son reactivos originales ni
productos de la reacción. Por tal motivo no se puedieron desarrollar fórmulas y
74
ecuaciones adecuadas que nos permitieran obtener dichos calculos. Por otra
parte el objetivo de la simulación fue el cálculo delcoeficiente global de
transferencia de calor del reactor de oxiclorinación (R-201) en el cual se
recopiló toda la data necesaria para su posterior estudio.
Según lo expuesto anteriormente, se establecen las variables y parámetros a
considerar en el modelo de simulación las cuales se muestran en la tabla 4.2.
S
O
D
Tabla 4.2. Variables y parámetros a considerar en el modeloV
deA
simulación.
R
E
S
E
R
S
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H
C
E
R
DE
En la tabla 4.2 se ilustra el flujo de alimentación de cloruro de hidrógeno la cual
es la variable de entrada a utilizar para la ejecución del modelo de simulación
del reactor de oxiclorinación (R-201). Así mismo se muestran las variables de
salida a considerar en el modelo de simulación los cuales serán comparados
con datos reales de la planta para su respectiva verificación y estudio. Cabe
destacar que los datos obtenidos delos flujos de alimentación y temperatura del
reactor fueron extraídos de sala de control a diferencia de los cálculos del
75
coeficiente global de transferencia de calor que fueron realizados manualmente
por el departamento de ingeniería de proceso de la planta de MVC. Es por ello
que se desarrolló el modelo de simulación con la finalidad de verificar y
predecir los datos calculados.
S
O
D
VA
4.2. Desarrollo de un modelo de simulación en hoja de cálculo Excel del
reactor de oxiclorinación (R-201)
O
H
C
E
DER
R
SE
E
R
S
 Apertura de una ventana en Microsoft Office Excel.
Figura 4.1. Logodelprograma Microsoft Office Excel.
Excel es un software que permite crear tablas, calcular y analizar datos. Este
tipo de software se denomina software de hoja de cálculo. Excel permite crear
tablas que calculan de forma automática los totales de los valores numéricos
que especifica y crear gráficos simples.
 Se abrió un archivo en Microsoft Excel identificando el nombre de la
simulación.
76
S
O
D
VA
R
SE
E
R
S
O
H
C
E
En la figura 4.2 se muestra
DER la hoja de cálculo ya identificada con el nombre de
Figura 4.2. Hoja de cálculo identificada con el nombre de la simulación.
la simulación.
 Diseño del diagrama de flujo de proceso del reactor de oxiclorinación
(R-201).
Figura 4.3. Esquemático del diagrama de proceso del reactor (R-201).
77
En la figura 4.3 se muestra como se construyó el diagrama de flujo de procesos
para llevar a cabo la simulación, en las cuales a continuación se establecieron
las conexiones de las corrientes principales del proceso.
R
SE
E
R
S
O
H
C
E
DER
S
O
D
VA
Figura 4.4.Diagrama de flujo de procesos.
En la figura 4.4 se muestra el diagrama de flujo de procesos completo con
todas las corrientes de entrada y salida del reactor (R-201).
78
 Simulación del reactor de oxiclorinación (R-201) de la planta de MVC con
sus respectivos balances de masa y energía
R
SE
E
R
S
O
H
C
E
DER
S
O
D
VA
Figura 4.5. Simulación del reactor de oxiclorinación (R-201) de la planta de
MVC con sus respectivos balances de masa y energía.
En los balances de masa se introduce la cantidad de flujo de cloruro de
hidrógeno (HCl) que representaría el porcentaje de carga del reactor, y
respectivamente se obtendrían los flujos de alimentación de etileno y oxígeno.
En el balance de energía se utilizaron tablas de Delta H de formación (∆Hfº),
ecuaciones de capacidad calorífica y los números de moles, para los diversos
flujos que entran y salen del reactor tomando en consideración la reacción
79
principal y las reacciones de productos colaterales, cabe destacar que el calor
de reacción es despreciable ya que el reactor es adiabático, considerando que
no hay transferencia de calor al exterior. Posteriormente, se procedió a la
integración de la sumatoria de los calores específicos de los productos menos
la de los reactivos, tomando como temperatura de referencia 298,15K, para
finalmente obtener la temperatura del reactor.
 Propiedades físico-químicas
S
O
D
VA
R
SE
E
R
S
HO
C
E
de la planta de Monocloruro
DER de Vinilo (MVC) específicamente del laboratorio de
Las siguientes tablas representan las especificacionesde las corrientes de
alimentación del reactor de oxiclorinación (R-201), las cuales fueron extraídas
Control de Calidad.
A continuación se muestra tabla 4.3.
80
Tabla 4.3. Propiedades físico-químicas de la corriente de alimentación de
etileno/gas de reciclo.
R
SE
E
R
S
O
H
C
E
DER
S
O
D
VA
La tabla 4.3 ilustra las propiedades físico-químicas de la corriente de
alimentación de etileno/gas de reciclo, la cual fue de gran utilidad para el
desarrollo de los cálculos típicos del modelo de simulación del reactor de
oxiclorinación (R-201). Por su parte las tablas restantes se encuentran
ubicadas en los anexos 12,13 y 14 de la presente investigación.
81
 Cálculos típicos de la simulación del reactor de oxiclorinación (R-201)
Cálculo de las alimentaciones del reactor de oxiclorinación (R-201)
Ecuaciones extraídas del manual de operaciones de la planta de MVC
Pequiven (2000, p.37)
S
O
D
VA
Etileno=ṁHCl*0,375
R
SE
E
R
S
Donde:
HO
C
E
0,375: Moles de etileno
DERpor mol de cloruro de hidrógeno al sistema de reacción.
ṁHCl: Flujo másico de cloruro de hidrógeno(kg/seg), dato obtenido de sala
control el día 07/05/2014.
Etileno= 1,6194 kg/seg * 0,375= 0,6072 kg/seg
Oxigeno=ṁHCl*0,235
Donde:
ṁHCl: Flujo másico de cloruro de hidrógeno(kg/seg), dato obtenido de sala
control el día 07/05/2014.
0,235: Moles de oxígeno por mol de cloruro de hidrógeno al sistema de
reacción.
Oxigeno = 1,6194 kg/seg * 0,235= 0,3805 kg/seg
Cálculo de temperatura del reactor de oxiclorinación (R-201)
Reacciones a utilizar
Reacciones extraídas del manual de operaciones de la planta de MVC
Pequiven (2000, p.56)
1. 2C2H4 +
4HCl + O2 
2C2H4Cl2
+ 2H2O + E
Etileno + Cloruro de hidrógeno + Oxígeno 1,2-dicloroetano + Agua + Energía
82
2. C2H4 +
2O2  2CO + 2H2O + E
Etileno + Oxígeno Monóxido de carbono + Agua + Energía
3.
C2H4 +
3O2  2CO2 + 2H2O + E
Etileno + Oxígeno Dióxido de carbono + Agua + Energía
4.
2C2H4Cl2 + 4HCl +
O2 2C2H3Cl3
+ 2H2O + E
S
O
D
VA
R
1,2-dicloroetano + Cloruro de hidrógeno + Oxígeno 1,1,2-tricloroetano + Agua +
SE
E
R
S
Energía
O
H
C
E
DER
Cálculo de la coordenada de reacción(ε)
Smith y Van Ness (2007 p.485) basado en los fundamentos deintroducción a la
termodinámica en ingeniería química las coordenadas de las reacciones se
calculan de la siguiente manera:
Etileno = Netileno, salen = Netileno, entran - 2ε1 - ε2 - ε3
Donde:
Netileno, salen: Números de moles de etileno que salen provenientes de la tabla 4.5
de propiedades físico-químicas de la corriente de salida 1,2-dicloroetano
= 14,87.
Netileno,
entran:
Números de moles de etileno que entran proveniente de la tabla
4.3 de propiedades físico-químicas de la corriente de alimentación etileno/gas
de reciclo = 152,69.
14,87 = 152,69 - 2ε1 - ε2 - ε3
2ε1 + ε2 + ε3 = 152,69 - 14,87
2ε1 + ε2 + ε3 = 137,82
Ecuación 1
Oxígeno = Noxìgeno, salen = Noxìgeno,entran - ε1 - 2ε2 - 3ε3 - ε4
83
Donde:
Noxigeno, salen: Números de moles de oxígeno que salen provenientes de la tabla
4.5 de propiedades físico-químicas de la corriente de salida 1,2-dicloroetano
= 2,46.
Noxigeno,entran:Números de moles de oxígeno que entran proveniente de la tabla
4.4
de
propiedades
físico-químicas
de
la
corriente
oxígeno/cloruro de hidrógeno = 73,40.
de
alimentación
S
O
D
VA
R
E
S
E
2,46 = 73,40 - ε - 2εR
- 3ε - ε
S
O
ε + 2C
ε +H
3ε + ε = 73,40 - 2,46
E
DεE+R
2ε + 3ε + ε = 70,94
Ecuación 2
1
1
1
2
2
3
3
2
3
4
4
4
Cloruro de hidrógeno = NHCl, salen = NHCl, entran - 4ε1 - 2ε4
Donde:
NHCl,
salen:
Números de moles de cloruro de hidrógeno que salen provenientes
de la tabla 4.5 de propiedades físico-químicas de la corriente de salida
1,2-dicloroetano = 1,10.
NHCl,
entran:Números
de moles de cloruro de hidrógeno que entran proveniente
de la tabla 4.4 de propiedades físico-químicas de la corriente de alimentación
oxígeno/cloruro de hidrógeno = 275,79.
1,10 = 275,79 - 4ε1 - 2ε4
4ε1 + 2ε4 = 275,79 - 1,10
4ε1 + 2ε4 = 273,9
Ecuación 3
1,2-dicloroetano = NEDC, salen =NEDC, entran + 2ε1 - 2ε4
84
Donde:
NEDC,
salen:
Números de moles de 1,2-dicloroetano (EDC) que salen
provenientes de la tabla 4.5 de propiedades físico-químicas de la corriente de
salida 1,2-dicloroetano = 140,03.
NEDC,
entran:
Números de moles de 1,2-dicloroetano (EDC) que entran
proveniente de la tabla 4.3 de propiedades físico-químicas de la corriente de
alimentación etileno/gas de reciclo = 3,40.
R
SE
140,03 = 3,40 + 2R
ε -E
2ε
S
O
H
-2
Cε + 2ε = 3,40 - 140,03
E
R
DE -2ε + 2ε = -136,63 * (-1)
1
1
1
S
O
D
VA
4
4
4
2ε1 - 2ε4 = 136,63
Ecuación 4
Sistema de ecuaciones
2ε1 + ε2 + ε3 = 137,82
ε1 + 2ε2 + 3ε3 + ε4 = 70,94
4ε1 + 2ε4 = 273,9
2ε1- 2ε4 = 136,63
Resolviendo el sistema de ecuaciones
ε1: 68,4216
ε2: 0,5183
ε3: 0,4583
ε4: 0,1066
Delta H de formación (∆Hfº) de todos los compuestos presentes en las
reacciones
a las
condiciones
de
Pa.Himmelblau (2002, p.665, 667,668).
referencia de 298,15K
y 101.325
85
∆HfºC2H4: 52.283 J/mol
∆HfºO2: 0 J/mol
∆HfºHCl: - 92.311 J/mol
∆HfºEDC: 31.380 J/mol
∆HfºCO: - 110.520 J/mol
∆HfºCO2: - 393.510 J/mol
∆HfºH2O: - 241.826 J/mol
∆HfºC2H3Cl3: - 105.000 J/mol
S
O
D
VA
R
SE
E
R
S
HO
C
E
= (2*31.380) E
D + (2*R(-241.8268)) - (2* 52.283) - (4* (-92.311)) - (1*0)
∆HfºRX: ∆Hfºproductos- ∆Hfºreactantes(Ec. 2.6)
∆HºR1
∆HºR1= - 156.214 J/mol
∆HºR2: (2 * (-110.520)) + (2* (-92.311)) - (2* 52.283) - (2*0)
∆HºR2: - 510.228 J/mol
∆HºR3: (2* (-393.510)) + (2* (-241.826)) - (1* 52.283) - (3*0)
∆HºR3: - 1.322.955 J/mol
∆HºR4: (2 *(-105.000)) + (2 * (-241.826)) - (2 * 31.380) - (2 *(-92.311)) - (1*0)
∆HºR4: - 571.790 J/mol
Calor especifico de todos los compuestos presentes en las reacciones a las
condiciones de referencia de 298,15 K y 101.325 Pa.Cengel y Boles (2006,
p.887).
Cp= a + bT + cT2 + dT3
(Ec. 2.5)
(T en Kelvin, Cpen J/mol*K)
COMPUESTOS
A
b (10-2)
c (10-5)
D (10-9)
Nitrógeno
28,90
- 0,1571
0,8081
- 2,873
Oxígeno
25,48
1,520
- 0,7155
1,3112
86
Hidrógeno
29,11
- 0,1916
0,4003
- 0,8704
Monóxido de carbono
28,16
0,1675
0,5372
- 2,22
Dióxido de carbono
22,26
5,891
- 3,501
7,469
Cloruro de hidrógeno
30,33
- 0,7620
1,327
4,338
Etileno
3,95
- 8,344
- 8,344
17,67
1,2-dicloroetano
20,48
0,2310
- 1,4384
3,3894
1,1,2-tricloroetano
6,32
0,3431
- 2,958
9,794
Agua
32,24
1,055
1,055
R
S
O
D
VA
SE
E
R
S
Ecuación general del balance de energía
O
H
C
E
R
DE
- 3,595
La (Ec. 2.8) representa el balance general de energía. Luego de expresar los
términos en notación matemática se representaría de la siguiente manera:
ΔE= Et2 –Et1 = ∑
∑
+Q+W
Suponiendo un proceso en estado estacionario (ΔE=0), ningún cambio de
energía cinética (K), potencial (P) y cuyo trabajo es despreciable (W=0), el
balance general se reduce a:
Q= ∑∆HfºRi* εi + ∑ni, salen * ∫
- ∑nj, entran * ∫
(Ec. 2.10)
Donde:
Q= Calor de reacción.
∆HfºRi= Delta de H de formación de las reacciones (J/mol).
εi = Coordenadas de las reacciones.
ni,salen = Números de moles que salen, etileno, oxígeno, cloruro de hidrógeno,
monóxido
de
carbono,
dióxido
de
1,2-dicloroetano, 1,1,2-tricloroetano y agua.
carbono,
hidrógeno,
nitrógeno,
87
nj,
entran
= Números de moles que entran,etileno, oxígeno, cloruro de hidrógeno,
monóxido de carbono, dióxido de carbono, hidrógeno, nitrógeno, 1,2dicloroetano, 1,1,2-tricloroetano y agua.
Cp= Capacidad calorífica de cada compuesto (J/kg*K).
Tref = Temperatura de referencia (298,15 K).
Tj= Temperatura de entrada de las corriente de alimentaciòn = 423,15K y
437,25K.
T= Temperatura de salida (K).
O
H
C
E
DER
R
SE
E
R
S
Q= 0 Adiabático (no hay transferencia de calor al exterior)
S
O
D
VA
A una temperatura de referencia: 298,15K
0 = ((-156.214) * 68,4216) + ((-510.228) * 0,5183) + ((-1.322.955) * 0,4583) +
((-571.790) * 0,1066) +
4,92 *∫
178,20 * ∫
( 29,11 - 0,1916.10-2 T + 0,4003.10-5 T2 - 0,8704.10-9 T3)dt +
(28,90 - 0.1571.10-2 T + 0,8081.10-5 T2- 2,873.10-9 T3) dt +
2,46 * ∫
25,48 + 1,520.10-2T - 0,7155.10-5T2 + 1,3112.10-9T3) dt +
17,23 * ∫
(28,16 + 0,1675.10-2T + 0,5372.10-5T2 - 2,22.10-9T3)dt +
199,07 * ∫
22,26 + 5,891.10-2T - 3,501.10-5T2 + 7,469.10-9T3) dt +
1,10 * ∫
30,33 - 0,7620.10-2T + 1,327.10-5T2 + 4,338.10-9T3) dt +
14,87 * ∫
3,95 - 15,64.10-2T - 8,344.10-5T2 + 17,67.10-9T3) dt +
140,03 * ∫
0,21 * ∫
142,04 * ∫
20,48 + 0,2310.10-2T - 1,4384.10-5T2 + 3,3894.10-9T3) dt +
6,32 + 0,3431.10-2T - 2.958.10-5T2 + 9,794.10-9T3) dt +
32,24 + 0,1923.10-2T + 1,055.10-5T2 - 3,595.10-9T3) dt -
4,86 * ∫
29,11 - 0,1916.10-2T + 0,4003.10-5T2 - 0,8704.10-9T3) dt -
0,90 * ∫
(29,11 - 0,1916.10-2T + 0,4003.10-5T2 - 0,8704.10-9T3) dt -
176,34 * ∫
(28,90 - 0.1571.10-2T+ 0,8081.10-5T2- 2,873.10-9T3) dt–
88
28,90 - 0.1571.10-2T+ 0,8081.10-5T2- 2,873.10-9T3) dt -
0,08 *∫
2,43 * ∫
(25,48 + 1,520.10-2T - 0,7155.10-5T2 + 1,3112.10-9T3) dt -
73,40 * ∫
(25,48 + 1,520.10-2T - 0,7155.10-5T2 + 1,3112.10-9T3) dt -
17 * ∫
(28,16 + 0,1675.10-2T + 0,5372.10-5T2 - 2,22.10-9T3) dt (22,26 + 5,891.10-2T - 3,501.10-5T2 + 7,469.10-9T3) dt-
194,35 * ∫
0,03 * ∫
275,79 * ∫
152,69 * ∫
0,37 * ∫
S
O
D
VA
(22,26 + 5,891.10-2T - 3,501.10-5T2 +7,469.10-9T3) dt-
ER
S
E
R T + 17,67.10 T ) dt S
3,95 – 15,64.10 O
T - 8,344.10
H
C
E
(3,95
E–R15,64.10 T - 8,344.10 T + 17,67.10 T ) dtD
3,40 * ∫
30,33 - 0,7620.10-2T + 1,327.10-5T2 + 4,338.10-9T3) dt-2
-2
-5 2
-5 2
-9 3
-9 3
(20,48 + 0,2310.10-2T – 1,4384.10-5T2 + 3,3894.10-9T3) dt 32,24 + 0,1923.10-2T + 1,055.10-5T2 – 3,595.10-9T3) dt
0,77 * ∫
Considerando un sistema adiabático se procedió a la integración de la
sumatoria de los calores específicos de los productos por el número de
molesmenos la integración de los calores específicos de los reactivos por el
númerode moles, tomando como temperaturas de referencia 298,15K, 423,15K
y 437,25K de entrada respectivamente. Mientras que los valores de funciones
polinomiales se determinaron efectuando un número finito de adiciones,
multiplicaciones
y
funciones
exponenciales;
dichas
funciones
pueden
aproximarse mediante polinomios y que el polinomio, en el lugar de la función
original se empleó para realizar el cálculo del valor real de la función. El método
que se empleó para dicho polinomio fue por medio del método de Taylor para
finalmente obtener el valor de temperatura del reactor de oxiclorinación
(R-201).
Calculando T
T= 489,81K
89
Cálculo del coeficiente global de transferencia de calor
Q=
*Cp*ΔT(Ec. 2.2)
Donde:
Q= Calor del serpentín (W).
= Flujo másico del agua de caldera (kg/seg).
Cp= Calor especifico del agua de caldera (J/kg*K).
R
SE
E
R
S
ΔT= Gradiente de temperatura del serpentín (K).
HO
C
E
DER Q= U * A * ΔT(Ec. 2.3)
U=
S
O
D
VA
(Ec. 2.4)
Donde:
Q= Calor del serpentín (W).
U= Coeficiente global de transferencia de calor del serpentín (W/m2*k).
A= Área del serpentín (m2).
ΔT= Gradiente de temperatura del serpentín (K).
=ρ*V*A
(Ec. 2.7)
Donde:
= Flujo másicodel agua de caldera (kg/seg)
ρ = Densidad del agua de caldera (kg/m3).
V = Velocidad del agua de caldera (m/seg).
A = Área del serpentín (m2).
90
Cálculo del flujo másico del agua de caldera
T1= Temperatura dentro del serpentín=379,07K
Dato extraído del anexo 14 de las propiedades físico-químicas del agua de
caldera.
T2= Temperatura fuera del serpentín= 468,15K
S
O
D
VA
Dato extraídodel software PI “Process Book” de la planta MVC.
O
H
C
E
(2002, p.140).
DER
R
SE
E
R
S
Densidad del agua de calderaa 379,07K = 0,7050kg/m3
Dato extraído del libro de Operaciones Unitarias Mcabe Smith Harriot
Velocidad del agua en el serpentín = 0,0976m/Seg
Dato extraído del diagrama de flujo de procesos de la unidad de
oxihidrocloración; el cual se mantiene constante, independientemente de la
cantidad de flujo de alimentación entrante al reactor de oxiclorinación (R-201).
Área del serpentín
Según Lehmann (1982, p.400) el área de una superficie cilíndrica se calcula de
la siguiente manera:
A= 2* *r*(h+r)
r=
Donde:
r= Radio del serpentín (m).
h= Altura del serpentín (m)=12m
D= Diámetro del serpentín (m) =0,1143m
Dato extraídode la data sheet del reactor de oxiclorinación (R-201) de la planta
de MVC.
91
r=
=0,0571m
A= 2* *0,0571m *(12m + 0,0571m) = 4,32m2/Serpentín
Sustituyendo en la (Ec.2.7)
= 0,7050kg/m3*0,0976m/seg *4,32m2=0,2974kg/seg
Cálculo del calor del serpentín
S
O
D
VA
R
SE
E
R
S
HO
C
E
R 14 de las propiedades físico-químicas del agua de
Dato extraído del E
D anexo
Cp del agua de caldera 379,07K = 4272J/kg*K
caldera.
ΔT= T2-T1
ΔT= 195ºC– 105,92ºC = 89,08ºC
ΔT= 468,15K – 379,07K = 89,09 K
Sustituyendo en la (Ec. 2.2)
Q= 0,2974kg/seg* 4272J/kg*K * 89,08ºC= 113.175,4986W
Cálculo del coeficiente global de transferencia de calor
Sustituyendo la (Ec.2.3)
U=
= 294,09 W/m2*K
4.3. Validación de los resultados de la simulación con datos reales del
proceso del reactor de oxiclorinación (R-201)
En esta fase se procedió a la validación de los datos obtenidos por el modelo
de simulación con datos reales de la planta, con la finalidad de realizar una
92
comparación para analizar y verificar la confiabilidad del diseño desarrollado.
Es importante resaltar que esta comparación se realizará a diferentes cargas.
A continuación se presentan las tablas 4.4 y 4.5
Tabla 4.4. Datos reales de la planta.
R
SE
E
R
S
O
H
C
E
DER
S
O
D
VA
Los datos ilustrados en la tabla 4.4 representan los datos reales de la planta a
diferentes flujos de alimentación de cloruro de hidrógeno. Cabe destacar que
los datos obtenidos fueron extraídos de sala de control a excepción de los
valores del coeficiente global de transferencia de calor los cuales fueron
calculados por el departamento de ingeniería de proceso de la planta de
Monocloruro de Vinilo (MVC), el flujo de alimentación de cloruro de hidrógeno
se mantuvo constante motivo por el cual no se obtuvieron datos de días
consecutivos.
93
Tabla 4.5. Datos arrojados por el simulador.
R
SE
E
R
S
O
H
C
E
DER
S
O
D
VA
Los datos ilustrados en la tabla 4.5 representan los datos arrojados por el
modelo de simulación a diferentes flujos de alimentación de cloruro de
hidrógeno el cual indicada por el color celeste representa la variable de entrada
al simulador, así mismo los flujos de alimentación de etileno, oxígeno,
temperatura del reactor y coeficiente global de transferencia de calor
representan las variables de salida que serán comparadas y estudiadas
respectivamente con datos reales de la planta.
 Validación de datos reales en planta con los obtenidos por la
simulación a una determinada carga de operación
Los resultados fueron validados para flujos de alimentación comprendidos entre
1,5833 y 1,6111 kg/segde cloruro de hidrógeno.Cabe destacar que se tomó
una data operacional de siete días discontinuos comprendidos entre el
07/05/2014 hasta 23/05/2014, en un rango de tiempo (24 horas).
94
Estos datos se obtiene mediante la aplicación de Microsoft Excel la cual se
extrajo del software PI “Process Book” de la planta MVC, lo cual se muestra a
continuación como se accede a la base de datos del programa,dicha data fue
calculada en base a un promedio de los datos de operación de la planta como
se muestra en las figuras 4.6, 4.7 y 4.8.
R
SE
E
R
S
O
H
C
E
DER
S
O
D
VA
Figura 4.6. Ventana principal del PI en el archivo de Excel, para calcular el
historia de campo.
Figura 4.7. Datos introducidos en la ventana del PI.
95
Así mismo se muestra en la figura anterior, como se introducen los datos en la
ventana del PI; para obtener los resultados deseados. Es importante mencionar
que la base de datos se calcula en base a un promedio.
R
SE
E
R
S
O
H
C
E
DER
S
O
D
VA
Figura4.8. Base de datos del PI en Microsoft Excel.
A continuación se ilustran las tablas de comparación para la posterior
determinación del porcentaje de desviación.
Tabla 4.6. Porcentajes de desviación de etileno.
96
En la tabla 4.6 se ilustran los porcentajes de desviación de la corriente de
alimentación de etileno, los cuales arrojaron valores menores al 1%, esto indica
que los datos obtenidos por el simulador son muy similares a los datos reales
de la planta.
Tabla 4.7. Porcentajes de desviación de oxígeno.
R
SE
E
R
S
O
H
C
E
DER
S
O
D
VA
En la tabla 4.7 se ilustran los porcentajes de desviación de la corriente de
alimentación de oxígeno, los cuales dichos cálculos arrojaron valores mayores
al 1%, estoindica que los datos obtenidos por el modelo de simulación no son
similares a los datos reales de la planta, observando de esta manera una
diferencia considerable de la realidad.
97
Tabla 4.8. Porcentajes de desviación de temperatura.
R
SE
E
R
S
O
H
C
E
DER
S
O
D
VA
En la tabla 4.8 se ilustran los porcentajes de desviación de temperatura en el
reactor los cuales dichos cálculos arrojaron valores menores al 1%, estoindica
que los datos obtenidos por el modelo de simulación son muy similares a los
datos reales de la planta, verificando de esta manera la eficacia de la hoja de
cálculo.
Tabla 4.9. Porcentajes de desviación del coeficiente global de transferencia de
calor.
98
En la tabla 4.9 se ilustran los porcentajes del coeficiente global de transferencia
de calor del serpentín, los cuales dichos cálculos arrojaron valores menores al
1%, estoindica que los datos obtenidos por el modelo de simulación son muy
similares a los datos reales de la planta, verificando de esta manera la eficacia
de la hoja de cálculo.
S
O
D
VA
4.4. Elaboración del manual de usuario para la simulación del reactor de
oxiclorinación (R-201)
R
SE
E
R
S
HO
C
E
R reales del proceso, se procedió a la elaboración del
simulación, con los
DEdatos
Una vez finalizada la validación de los resultados obtenidos por el modelo de
manual de usuario para el uso adecuado de la simulación de un reactor de
oxiclorinación en hoja de cálculo Excel, el cual contiene los pasos a seguir para
el desarrollo del mismo. Dicho manual cumple con la función de guiar al usuario
durante la ejecución del programa, para que este haga un uso adecuado de la
herramienta proporcionada. En el manual se incluyeron los parámetros y las
unidades que intervienen en la elaboración de la hoja de cálculo, ejemplos de
llenado de cada modelo, requerimientos para la utilización de la hoja de cálculo
entre otros.
El manual está elaborado de la siguiente manera:

Portada: Identifica el manual, donde se indica el nombre de la institución, el
título de la investigación, los autores y el año en que fue elaborado.

Índice: Este fue elaborado luego de la realización del manual, en el que se
encuentra la ubicación de cada una de las partes del manual, en orden de
aparición.

Introducción: En ella se menciona la importancia del manual y un breve
resumen para describir como se debe manejar.
99

Iniciar sesión: Hace referencia a la apertura rápida del modelo de
simulación.
El manual de usuario elaborado se encuentra de forma impresa en el anexo 1
de esta investigación.
H
C
E
DER
O
SE
E
R
S
R
S
O
D
VA
CONCLUSIONES
La metodología utilizada para el desarrollo y ejecución de este trabajo de
investigación, tuvo como finalidad el desarrollo de un modelo de simulación en
hoja de cálculo Excel, así mismo los objetivos planteados al comienzo del
S
O
D
VA
trabajo especial de grado fueron alcanzados, estableciéndose de la siguiente
manera:
R
SE
E
R
S
O
H
C
E
el reactor de oxiclorinación
DER (R-201), con la finalidad de llevar a cabo un mejor
En el primer objetivo se realizó la identificación de las variables que influyen en
seguimiento de las variables de mayor importancia en el reactor con el fin de
lograr una verificación del coeficiente global de transferencia de calor.
El desarrollo del modelo de simulación permitió obtener una verificación del
comportamiento del reactor de oxiclorinación (R-201) con las nuevas
modificaciones internas que se le realizaron, permitiendo así una predicción del
desempeño del reactor a diferentes cargas del proceso.
Los resultados obtenidos por el modelo de simulación del reactor de
oxiclorinación (R-201), fueron muy similares a los resultados reales de la
planta. Dando esto como garantía de que el modelo desarrollado cumple con la
metodología de cálculo descrita por diferentes autores.
En cuanto al manual de usuario cumple la función de guiar al operador durante
el funcionamiento del programa, para que este haga un uso adecuado de la
herramienta proporcionada.
RECOMENDACIONES
Realizar investigaciones para el cálculo de forma automática de los valores
característicos como presión del tope, temperatura del reactor, entre otros, que
el modelo de simulación propuesto los toma como valores constantes, y así
S
O
D
VA
ampliar el espectro de evaluación del modelo.
R
SE
E
R
S
Estudiar el modelo realizado en Microsoft Office Excel en otros modelos
O
H
C
E
al seleccionado.
DER
matemáticos ya existentes y verificar si el comportamiento es parecido o mejor
Continuar con el proyecto, ya que los resultados obtenidos en la presente
investigación podrían ser un punto de partida para la construcción de una
herramienta didáctica para la realización de procesos industriales.
Utilizar el modelo de simulación, para la elaboración de la ingeniería conceptual
o básica de un proyecto de una nueva planta, para responder y dar solución a
un problema operacional en plantas existentes. Empleando este modelo dentro
del rango de operatividad establecida en esta investigación.
102
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
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VA
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SE
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VA
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S
O
D
VA
ER
S
E
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Lucena, N. (2009). Diccionario esencial S
química.
Editorial Larousse.México.
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H
C
E
DER
Martínez, V. (2000). Simulación de procesos e ingeniería química. Editorial
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S
O
D
Universidad Pedagógica Experimental Libertador (2005). Manual
Ade Trabajos
V
R
de Grado de Especialización y Maestría y S
Tesis
E Doctorales. Editorial
E
R
FEDUPEL. Venezuela.
S
O
H
C
E
R
E
D
Universidad Pedagógica Experimental Libertador (2006). Manual de Trabajos
de Grado de Especialización y Maestría y Tesis Doctorales (4ª Ed.).
Editorial FEDUPEL.Venezuela.
106
D
R
SE
E
R
S
O
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C
E
ER
S
O
D
VA
ANEXOS
107
Anexo 1
REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
UNIVERSIDAD RAFAEL URDANETA
FACULTAD DE INGENIERIA
ESCUELA DE INGENIERIA QUIMICA
D
R
SE
E
R
S
O
H
C
E
ER
S
O
D
VA
SIMULACIÓN DEL REACTOR DE OXICLORINACION (R-201) DE LA PLANTA
DE MONOCLORURO DE VINILO DEL COMPLEJO PETROQUIMICO ANA
MARIA CAMPOS
MANUAL DE USUARIO
Autores: Br. ROXAIDY CH. MEDINA
Br. ALEJANDRO J. MOLERO
Maracaibo, octubre de 2014.
108
ÍNDICE
INTRODUCCIÓN
1. Iniciar sesión
S
O
D
VA
2. Selección del equipo
O
4. Requerimientos de la hoja de calculo
H
C
E
ER
5. Resultados de la hoja de calculo
D
R
SE
E
R
S
3. Variables de la hoja de calculo
6. Rangos de operación de la hoja de calculo
109
INTRODUCCIÓN
La información y los datos presentes en este manual hacen referencia al cálculo
de equipos, en este caso del reactor de oxiclorinación (R-201); esto incluye la guía
y los pasos a seguir para el uso adecuado del modelo de simulación en la hoja de
cálculo Excel de dicho equipo.
S
O
D
VA
ER
S
E
de gran utilidad para el manejo correctoS
de R
las diferentes aplicaciones que se
O
H el funcionamiento de la hoja de cálculo
C
encuentran en dicho modelo
especificando
E
ER
y el manejo deD
celdas, columnas, filas, ecuaciones, funciones entre otras. Es
El manual está dirigido a toda persona que no tenga el conocimiento adecuado
para la utilización del modelo de simulación en hoja de cálculo Excel, siendo este
necesario recalcar que el modelo de simulación fue hecho en Microsoft Office
Excel 2007.
La hoja de cálculo fue desarrollada basándose principalmente en los
procedimientos de cálculos indicados en la planta de Monocloruro de Vinilo del
Complejo Petroquímico Ana María Campos. Dicho lo anterior el modelo de
simulación solo evalúa el reactor de oxiclorinación (R-201). A continuación de
describe en forma secuencial los pasos que se llevan a cabo para la simulación
del reactor de oxiclorinación, utilizando una metodología básica con el fin de
obtener una guía que oriente al usuario en el uso de la hoja de cálculo y lograr
obtener valores relevantes para su investigación.
110
1. Iniciar sesión
Al abrir el programa en Microsoft Office Excel en la computadora, aparecerá una
hoja donde se ilustra la unidad 200 (unidad de oxihidrocloraciòn) de la planta de
Monocloruro de Vinilo del Complejo Petroquímico Ana María Campos en el cual se
encuentra el reactor de oxiclorinación (R-201).
O
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C
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E
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R
Hoja de cálculo
S
O
D
VA
111
2. Selección del equipo
En la hoja de inicio se indican los diferentes equipos de la unidad 200 (unidad de
oxihidrocloraciòn) que contiene el modelo de simulación; en los cuales tenemos:
tambores, separadores, columnas, bombas, reactores, entre otros.
El usuario debe seleccionar el equipo a simular, en este caso se hará énfasis en el
reactor de oxiclorinación (R-201).
O
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R
Reactor de oxiclorinación (R-201)
S
O
D
VA
112
3.Variables de la hoja de cálculo
El programa de simulación contiene diferentes equipos pero nos enfocaremos
únicamente al reactor de oxiclorinación (R-201), el usuario deberá proceder a
ingresarle los datos a la hoja de cálculo, en la misma se encuentran recuadros de
diferentes colores característicos para su posterior identificación.
S
O
D
VA
R
1. Recuadro azul: Indica el flujo másico de alimentación de etileno en kilogramos
por hora (kg/hr).
O
H
C
E
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D
SE
E
R
S
2. Recuadro verde: Indica el flujo másico de gas de reciclo que es mezclado junto
con la de etileno en kilogramos por hora(kg/hr).
3. Recuadro naranja: Indica el flujo másico de alimentación de cloruro de
hidrogeno en kilogramo por hora (kg/hr).
4. Recuadro amarillo: Indica el flujo másico de alimentación de oxígeno que es
mezclado junto con la de cloruro de hidrogeno en kilogramos por hora (kg/hr).
113
5. Recuadro celeste: Indicador de flujo de 1,2-dicloroetano (EDC) en toneladas
métricas por día.
6.Recuadros blancos: Indicadores de temperatura en grados centígrados (ºC).
R
SE
E
R
S
O
H
C
E
ER
S
O
D
VA
7.Recuadro morado: Indicador de presión en bar.
D
8. Recuadro turquesa: Controlador de temperatura en grados centígrados (ºC).
114
4. Requerimientos de la hoja de cálculo
1. Especificación de lasalimentaciones
Se deben especificar el flujo de alimentación de cloruro de hidrogeno en kg/hr en
el reactor de oxiclorinación (R-201) en cuanto a cantidad de flujo másico,
densidad, calor especifico, y temperatura.
Temperatura
Flujo
Densidad
Viscosidad
Conductividad
térmica
Cp / Cv
Peso Molecular
O
H
C
E
ER
D
R
SE
E
R
S
CLORURO DE HIDROGENO (HCl)
S
O
D
VA
170.7
10079,6
5,12
0,0216
ºC
kg/hr
kg/m3
MPa*seg
0,0215
W/m*K
1,3977
36,3
kJ/kg*K
kg/kmol
Se debe especificar el flujo de alimentación de agua de caldera en cuanto a
cantidad de flujo másico y temperatura
AGUA DE CALDERA
Presión
Temperatura
Flujo
Densidad
Viscosidad
Conductividad
térmica
Cp / Cv
Peso Molecular
0,25
105,92
10002,6
985,7
0,5717
bar g
ºC
kg/hr
kg/m3
MPa*seg
0,2867
W/m*K
18,6
kJ/kg*K
kg/kmol
115
2. Dimensionamiento de los serpentines
Se debe especificar el dimensionamiento de los serpentines en cuanto a altura,
diámetro, espesor y número de serpentines para el cálculo del coeficiente global
de transferencia de calor.
S
O
D
VA
SERPENTIN
Altura
12
Diámetro
Espesor de la
pared
Números
SE
E
R
S
0,1143
O
H
C
E
ER
D
R
Metros (m)
Metros (m)
0,0085
Metros (m)
144,00
Tubos
3. Dimensionamiento del reactor
Se debe especificar el dimensionamiento del reactor en cuanto a diámetro, altura
de tope (H1) y fondo (H2).
REACTOR
Diámetro
3,270
Altura (H1)
2,050
Altura (H2)
6,020
Metros (m)
Metros(m)
Metros (m)
4. Dimensionamiento del distribuidor
Se debe especificar el dimensionamiento del distribuidor en cuanto a diámetro
de entrada
DISTRIBUIDOR
Diámetro
entrada
0,2032
Metros (m)
116
5. Resultados de la hoja de cálculo
Los siguientes recuadros son los resultados arrojados por la hoja de cálculo en el
cual expresan las cantidades respectivas de alimentación de oxígeno, etileno
temperatura y valor final del coeficiente global de transferencia de calor del reactor
de oxiclorinación (R-201).
S
O
D
VA
Corriente de alimentación de oxigeno
HO
C
E
R
Presión
Temperatura
Flujo
Densidad
Viscosidad
Conductividad
térmica
Cp / Cv
Peso Molecular
DE
R
SE
E
R
S
OXIGENO
7,05
25
2368,71
10,39
0,0206
bar g
ºC
kg/hr
kg/m3
MPa*seg
0,0265
W/m*K
1,3959
32
kJ/kg*K
kg/kmol
ETILENO
11,00
25
3779,85
13,58
0,0102
bar g
ºC
kg/hr
kg/m3
MPa*seg
Corriente de alimentación de etileno
Presión
Temperatura
Flujo
Densidad
Viscosidad
Conductividad
térmica
Cp / Cv
Peso Molecular
0,0208
W/m*K
1,2366
28
kJ/kg*K
kg/kmol
117
Valor de temperatura del reactor
TEMPERATURA
216
ºC
Valor del coeficiente global de transferencia de calor
COEFICIENTE GLOBAL DE
TRANSFERENCIA DE
CALOR
D
S
O
D
VA
W/(m2*K)
R
SE
E
R
S
O
H
C
E
ER
463,68
118
Anexo 2. PI “Process Book” de laPlanta deMonocloruro de Vinilo.
D
R
SE
E
R
S
O
H
C
E
ER
S
O
D
VA
Anexo 3. PI “Process Book” del Reactor de oxiclorinación (R-201).
119
Anexo 4. Prefabricación de los serpentines.
D
R
SE
E
R
S
O
H
C
E
ER
S
O
D
VA
Anexo 5. Alivio térmico de tensiones en las soldaduras de los serpentines.
120
Anexo 6. Instalación de los nuevos serpentines.
D
R
SE
E
R
S
O
H
C
E
ER
S
O
D
VA
Anexo 7. Instalación de los nuevos serpentines.
121
Anexo 8. Fabricación del distribuidor de HCl.
D
SE
E
R
S
O
H
C
E
ER
R
S
O
D
VA
Anexo 9. Fabricación del distribuidor de HCl.
122
Anexo 10. Condición final del aislamiento térmico del equipo.
D
R
SE
E
R
S
O
H
C
E
ER
S
O
D
VA
Anexo 11. Colectores de entrada y salida de vapor del reactor (R-201).
123
Anexo 12. Propiedades físico-químicas de la corriente de alimentación de
oxígeno/cloruro de hidrogeno
D
R
SE
E
R
S
O
H
C
E
ER
S
O
D
VA
Esta tabla ilustra las propiedades físico-químicas de la corriente de alimentación
de oxigeno/cloruro de hidrogeno, considerándose una de las corriente principales
para el desarrollo del modelo de simulación del reactor de oxiclorinación (R-201).
124
Anexo 13. Propiedades físico-químicas de la corriente de salida
1,2-dicloroetano (EDC)
D
R
SE
E
R
S
O
H
C
E
ER
S
O
D
VA
Dicha tabla ilustra las propiedades físico-químicas del efluente del reactor de
oxiclorinación (R-201), el cual es el producto final obtenido del proceso de
oxihidrocloraciòn; es utilizada para los cálculos típicos y desarrollo del modelo de
simulación.
125
Anexo 14.Propiedades físico-químicas de la corriente de alimentación de agua de
caldera.
D
R
SE
E
R
S
O
H
C
E
ER
S
O
D
VA
Esta tabla ilustra las propiedades físico-químicas de la corriente de agua de
caldera, perteneciente al sistema de enfriamiento del reactor de oxiclorinación
(R-201) y de gran utilidad para el desarrollo del modelo de simulación.
126
Anexo 15. Reporte de inspección y evaluación interna del oxireactor (R-201).
D
H
C
E
ER
O
SE
E
R
S
R
S
O
D
VA
127
D
H
C
E
ER
O
SE
E
R
S
R
S
O
D
VA
128
D
H
C
E
ER
O
SE
E
R
S
R
S
O
D
VA
129
D
H
C
E
ER
O
SE
E
R
S
R
S
O
D
VA
130
Anexo 16. Reporte de inspección y evaluación final a la reparación del
oxireactor (R-201).
D
H
C
E
ER
O
SE
E
R
S
R
S
O
D
VA
131
D
H
C
E
ER
O
SE
E
R
S
R
S
O
D
VA
132
D
H
C
E
ER
O
SE
E
R
S
R
S
O
D
VA
133
Anexo 17. Diagrama de tuberia e instrumentación del oxireactor (R-201).
D
H
C
E
ER
S
E
R
OS
E
S
O
D
RVA