Estudio de factibilidad: Obtención de Policloruro de Vinilo a partir de Etileno en el Perú A. Manrique – GMI S.A., F. Gaspar – Osinergmin, L. Ramirez – GMP S.A. Categoría: Marque con una “X”

Artículo Técnico X

Tesis Pregrado

Tesis Posgrado Derechos de Autor 2017, ACIPET Este artículo técnico fue preparado para presentación en el Congreso Colombiano del Petróleo organizado por ACIPET en Bogotá D.C. Este artículo fue seleccionado para presentación por el comité técnico de ACIPET, basado en información contenida en un resumen enviado por el autor(es).

Resumen Evaluar el desarrollo de la industria de Policloruro de Vinilo en suspensión (S-PVC) a nivel económico, técnico, ambiental y legal para

su obtención a partir de etileno y cloro, teniendo como base proyectos anteriores de la Industria Petroquímica en el Perú para la obtención

de éstos.

Introducción La demanda de productos intermedios o finales provenientes de la Industria Petroquímica ha presentado un incremento en los últimos

años a nivel mundial y especialmente en importantes sectores industriales del Perú, siendo los más representativos el sector de plásticos

y construcción que se desarrollan con base en el Policloruro de Vinilo (PVC), generalmente haciendo uso de la resina de PVC en

suspensión para la fabricación de tuberías de PVC.

Si bien el desarrollo de la industria de Policloruro de Vinilo (PVC) en el país data desde hace 25 años teniendo como pionera a la

Sociedad Paramonga, quien en ese entonces empleaba como materia prima el Etanol; esta perdió rentabilidad frente a la producción de

Gas Natural y Petróleo y a los productos petroquímicos intermedios generados a partir de éstos. En el Perú, surgieron propuestas de

nuevos proyectos como Etilenos del Perú, un trabajo de Braskem en conjunto con Petroperú, que generaría la principal base de la

producción de PVC en un complejo Petroquímico y otros proyectos de investigación para la producción de Etileno y PVC, entre otros,

en zonas como Matarani, Arequipa, Ilo, Moquegua, Ica y Cusco con el futuro Gasoducto del Sur, que han sido propuestos

estratégicamente para el mercado de la Petroquímica.

De los resultados obtenidos de este estudio, se tendrá una perspectiva general a nivel de ingeniería conceptual de esta potencial

industria que se requiere desarrollar y que puede servir como base del desarrollo de futuros polos Petroquímicos, los cuales son

necesarios y atractivos en el Perú, al ser un país en vías de desarrollo, y que en un futuro podría conseguir una competitividad

internacional a nivel de mercado de productos petroquímicos finales.

Descripción de Procesos Producción de materias primas: Etileno y Cloro. La industria petroquímica obtiene el etileno a partir de la desintegración térmica de

naftas o gas natural, mientras que el cloro es obtenido mediante el proceso de electrólisis de salmuera (NaCl).

Producción de Monómero de Cloruro de Vinilo (VCM). El proceso de producción de VCM tiene tres unidades principales: de

cloración directa, de oxicloración y de craqueo o pirólisis; dentro de las cuales ocurren reacciones principales y secundarias (o no

deseadas), dando origen a los productos intermedios e impurezas.

Figura1. Esquema simple del proceso para la producción de VCM (Fuente: Elaboración Propia)

2 A. Manrique, F. Gaspar, L. Ramirez

Producción del S-PVC. El PVC se forma a través de la polimerización por radicales libres del monómero de cloruro de vinilo. La

reacción es en cadena que consiste en una secuencia de tres pasos: iniciación, propagación y terminación. Para el caso de

“Polimerización en Suspensión”, el proceso consiste en la mezcla de agua y el cloruro de vinilo en un reactor agitado junto con un

catalizador y agentes en suspensión. La resina es producida por lotes (batch).

Metodología Estudio legal. Para el desarrollo del presente proyecto petroquímico tiene como base la Ley Nº29163: Ley de promoción para el

Desarrollo de la Industria Petroquímica, que permite la promoción de tres tipos de industrias petroquímicas: Petroquímica Básica,

Intermedia y Final, además establece las funciones del Ministerio de Energía y Minas (MINEM), del Ministerio de la Producción

(PRODUCE) y del Órgano Supervisor de la Inversión en Energía y Minería (OSINERGMIN). Dado que el PVC es un producto

petroquímico final y teniendo como materia prima el etano, la Ley Nº 29690 respalda la producción de PVC ya que promueve el

desarrollo de la industria petroquímica basada exclusivamente en el etano que contenga el gas natural priorizando aquellos que se

encuentren ubicados en zonas geográficas estratégicas para la descentralización (en el sur del Perú y fuera de Lima o Callao).

Estudio de Seguridad y Ambiental. En el aspecto ambiental para la instalación de la planta para la producción de PVC es necesario

efectuar el Estudio de Impacto Ambiental (EIA) según Ley Nº 27446 en donde se categoriza los proyectos según su impacto

ambiental, para el caso de la planta de PVC se ubicaría en la categoría III la cual requiere del Estudio de Impacto Ambiental

Detallado (EIA-d) según el Art. 4 de Ley Nº 27446, esto es por los insumos y subproductos generados en el proceso de la producción

de PVC los cuales pueden generar impactos ambientales significativos en el medio ambiente.

Estudio de mercado. El incremento en la demanda nacional de PVC en suspensión (S-PVC) ha sufrido un incremento significativo

con el paso de los años. Así es como de 42.00 KTMA en el 2000, logra en el año 2015 una demanda de 138.00 KTMA, es decir,

aproximadamente un incremento de 330% (ver Figura 2). Esta resina crece así, impulsada principalmente por la industria de

construcción que demanda principalmente tuberías.

El Perú es netamente importador de PVC, por lo tanto el siguiente estudio de mercado considera como competidores a las

empresas que exportan al país, y como consumidores a las empresas importadoras. Entre los competidores directos en el mercado

nacional tenemos a Shintech INC (46.4%), Mexichem Resinas Vinilicas SA (10.9%) y Mexichem Resinas Colombia S.A.S (5.4%).

Mientras que, las empresas que realizan las importaciones se tiene Mexichem Perú S.A. (18.9%), Nicoll Perú S.A. (18.5%),

UNIMAR S.A. (12.4%), Andina Plast SRL (10.9%), entre otros (SUNAT1).

Demanda. El consumo de PVC en el Perú ha estado en ascenso desde el año 2000 gracias a la prosperidad de la economía

nacional y particularmente al crecimiento del sector construcción. La relación entre la importación y el PBI de la construcción, se

puede considerar de manera directamente proporcional.

Figura 2. Evolución de la Demanda de S-PVC y el PBI en el sector

construcción en el período 2000 – 2016. (Fuente: Elaboración propia)

La proyección de la demanda se basa en la proyección del PBI del sector construcción, por la sensibilidad que presenta en los

gráficos históricos anteriores (ver Anexo A para resultados).

Estudio de factibilidad: Obtención de Policloruro de Vinilo a partir de Etileno en el Perú 3

Figura 3. Evolución de la Demanda de S-PVC vs el PBI en el sector

construcción (Fuente: Elaboración propia)

La capacidad de la planta cubrirá la demanda local de los primeros 5 años proyectados. Considerando una tasa de funcionamiento

de la planta del 90% y una tasa de rendimiento de producción del 90% de la planta, se elige una capacidad de diseño de la planta de

240 KTMA (miles de toneladas métricas anuales) de S-PVC, es decir, un promedio de producción de 194 KTMA de S-PVC, con

un precio base de 980 US$/ton en el primer año de producción.

Estudio Técnico. Actualmente, las licenciantes Vinnolit y Chisso Corp poseen licencias para la producción de S-PVC (Hydrocarbon

Processing2); sin embargo, la licenciante Vinnolit presenta una integración de todos los procesos para la producción del VCM a

partir de etileno, cloro y oxígeno.

Tabla 1. Reacciones químicas principales y secundarias en la producción de S-PVC. (Fuente: Elaboración Propia)

1P: Reacción principal. 2S: Reacción secundaria.

Unidad de Cloración Directa. La cloración directa de etileno es conducida por la técnica de alta temperatura (HTC, por sus

siglas en inglés). En este caso, la temperatura de la reacción 1 (ver tabla 1) se eleva hasta alcanzar el punto de ebullición del EDC

(120°C a 4 atm). En este caso el catalizador es de tipo ácido de Lewis (FeCl3), en concentraciones de 0.1- 0.5% en peso. El

subproducto más importante es el 1,1,2 - tricloroetano (ETC), formado en la reacción 2 (ver tabla 1). La pureza obtenida del EDC

en la cloración directa es de 99.93% por lo cual no necesita pasar por un proceso de purificación previo al craqueo. La mayor parte

del EDC, que se emplea sólo para quitar el calor de reacción del reactor, se recircula al serpentín del reactor, como se muestra en la

figura 4 (ver anexo B.1 para detalles de cinética del proceso).

Figura 4. Diagrama de flujo simplificado de cloración directa (Fuente: Meyers3, 20052)

PROCESO REACCIONES

CLORACIÓN

DIRECTA

P1 𝐶2𝐻4(𝑔) + 2𝐶𝑙2(𝑔) → 𝐶2𝐻3𝐶𝑙2(𝑙) … (1)

S2 𝐶2𝐻4𝐶𝑙2(𝑙) + 𝐶𝑙2(𝑔) → 𝐶2𝐻3𝐶𝑙3(𝑙) +𝐻𝐶𝑙(𝑙) … (2)

OXICLORACIÓN P 𝐶2𝐻4(𝑔) + 2𝐻𝐶𝑙(𝑔) + 0.5𝑂2(𝑔)

𝐶𝑎𝑡.→ 𝐶2𝐻4𝐶𝑙2(𝑔) + 𝐻2𝑂(𝑙) … (3)

S 𝐶2𝐻4𝐶𝑙2(𝑙) + 2𝐻𝐶𝑙(𝑔) + 0.5𝑂2(𝑔)𝐶𝑎𝑡.→ 𝐶2𝐻3𝐶𝑙3(𝑔) + 𝐻2𝑂(𝑙) … (4)

PIROLISIS

P 𝐶2𝐻4𝐶𝑙2(𝑔)∆→ 𝐶2𝐻3𝐶𝑙(𝑔) + 𝐻𝐶𝑙 … (5)

S 𝐶2𝐻3𝐶𝑙(𝑔)

∆→ 𝐶2𝐻2(𝑔) + 𝐻𝐶𝑙

𝐶2𝐻4𝐶𝑙2(𝑔)∆→ 𝐶2𝐻4(𝑔) + 𝐶𝑙2(𝑔)

… (6)

POLIMERIZACIÓN P 𝑛 𝐶2𝐻3𝐶𝑙(𝑔) → −[−𝐶2𝐻3𝐶𝑙 −]𝑛 − … (7)

4 A. Manrique, F. Gaspar, L. Ramirez

Unidad de Oxicloración. La unidad de oxicloración tiene como objetivo aumentar la producción de EDC a partir de la reacción

altamente exotérmica catalizada (con CuCl2) de etileno con cloruro de hidrógeno y oxígeno (reacción 3, ver tabla 1). Se lleva a cabo

en un reactor de un solo paso de lecho fluidizado a las condiciones de operación de 250 °C y 4 atm. El ETC es un subproducto en

la oxicloración (reacción 4, ver tabla 1), por lo que en la siguiente etapa se da la purificación del EDC, que se compone

principalmente de tres columnas de destilación en serie, como se muestra en la figura 5 (ver anexo B.2 para detalles de cinética del

proceso).

Figura 5. Diagrama de Flujo de la Unidad de Oxicloración (Fuente: Meyers3, 2015, Elaboración propia)

Unidad de Craqueo. A temperatura elevada, el EDC se descompone en VCM y HCl mediante un mecanismo de reacción

complejo. La reacción endotérmica (reacción 5, ver tabla 1) tiene lugar a temperaturas entre 490 °C y 18 atm a una tasa de craqueo

de aproximadamente 55%, según la literatura de Meyers3. Esto da lugar a un grupo importante de subproductos, entre 20 – 30

componentes, que incluye acetileno, cloropreno y diclorobutenos. El acetileno es el subproducto más importante (reacción 6, ver

tabla 1). Se usan dos columnas de destilación para separar el VCM de EDC, HCl y subproductos restantes. Por la primera columna

se obtiene HCl por el tope mientras que los fondos de esta pasan a una segunda columna, donde por el tope se obtiene VCM y por

fondos EDC sin reaccionar, que pasa a la destilación EDC (ver anexo B.3 para detalles de cinética del proceso).

Unidad de Polimerización. La polimerización en suspensión (reacción 7, ver tabla 1), es una reacción en medio acuosa con un

monómero como fase dispersa, que da lugar al polímero como fase solida dispersa. El iniciador esta disuelto en la fase monómera,

cuya dispersión en gotas se mantiene por una combinación de agitación y uso de catalizadores solubles en agua (Ver Anexo C).

Figura 6. Diagrama de Flujo de la Unidad de Polimerización (Fuente: Meyers3, 2015, Elaboración propia)

Al completarse la reacción, se libera al polímero del VCM, a continuación existe un stripper en el que ingresa la carga por el

tope para que se produzca la separación del monómero y el polímero. Finalmente, se tiene un secador de PVC adicional el cual tiene

la función de extraer la humedad contenida en el polímero así como otros sólidos provenientes del aire previamente precalentado

que permitirá el secado a co-corriente (corrientes paralelas) de la torta de PVC (ver figura 6), el cual nos permitirá tener un producto

dentro de las especificaciones de humedad y contenido de volátiles presentes en el polímero.

Estudio de factibilidad: Obtención de Policloruro de Vinilo a partir de Etileno en el Perú 5

De manera complementaria para el diseño de una planta petroquímica de S-PVC se deberá contar con las siguientes unidades

auxiliares:

Unidad de Servicios Industriales

Unidad de Incineración Térmica

Unidad de tratamiento de efluentes

Asimismo se tienen las unidades de servicio o complementarias, entre las cuales destacan: Laboratorio, Seguridad, Sala de

control, Almacén, Mantenimiento, Oficinas y Comedor.

Finalmente se cuenta con el área de almacenamiento de productos y materia prima, y de despacho de productos.

Resultados y discusión Localización. Se toma al entorno geográfico del Perú por departamentos y se selecciona aquellas ciudades que cumplan con dos

requisitos:

A. Ciudades con mayor demanda

B. Ciudades portuarias

Las alternativas que se han elegido para la localización:

Zona Sur-Este: Está representado por el departamento de Cusco.

Zona Sur: Está representado por el puerto de Matarani en Arequipa.

Zona Centro- Occidental: Está representado por el distrito de Lurín en la provincia de Lima.

La ubicación más adecuada es en el Distrito de Lurín, provincia de Lima. En esta zona, se encuentra la mayor parte de las

empresas consumidoras de S-PVC, lo que significa que el costo de transporte del producto final hacia las plantas es mucho menor;

además, se encuentra el City Gate de Lima, de donde se puede obtener etano para la producción de etileno; finalmente, el plan de

ciudad que se dio en Lima en el 2014 inició un proceso de migración de plantas industriales hacia zonas periféricas reservadas para

su operación, Lurín es una zona elegida para este proceso, de esta manera se presentan facilidades de adquisición de terreno y

permisología.

Resultados de Simulación. Se realizó un balance de materia en base a la tecnología Vinnolit, para lo cual se usaron los factores de

rendimientos de los procesos seleccionados en el estudio técnico en base a la información brindada por Meyers3. A partir de este

balance, se calculó la materia prima necesaria para la producción de 240 KTMA de S-PVC, realizando así, la simulación del proceso

de obtención de VCM en el software UniSim R442, usando como modelo termodinámico PRSV (Peng-Robinson modificado), el

cual es recomendado utilizar para simulaciones en procesos de petróleo, gas o petroquímicos. Las condiciones de operación se

obtuvieron de los estudios de Simulation Sciences Inc4. Los resultados obtenidos se muestran en la tabla 2.

Tabla 2. Comparación de resultados de Balance de Masa. (Fuente: Elaboración Propia)

Corriente Cantidad en

Tecnología

Cantidad en

Simulación Unidades

Entrada

Etileno 110.74 110.74 KTMA

Cloro 140.30 140.30 KTMA

Oxigeno 33.39 33.39 KTMA

Intermedios

EDC

Cloración directa

(Pureza EDC)

Oxicloración

(Pureza EDC)

387.16

195,24

(99,93%)

191,92

(99,40%)

339,97

193,17

(99,00%)

146,80

(96,68%)

KTMA

VCM

Pureza

HCl ppm

240.24

99,99 %

0,50

211.44

99,81%

0,16

KTMA

HCl 142.79 124.06 KTMA

Salida

S-PVC 240.00 211.22 KTMA

6 A. Manrique, F. Gaspar, L. Ramirez

Estudio Económico – Financiero. La evaluación económica, desarrollada de la forma tradicional, se sustenta en indicadores como

el Flujo de Caja, Valor Actual Neto (VAN), Tasas Internas de Retorno (TIR), tiempo de recuperación de la inversión (Pay-Out) y

los diversos análisis de sensibilidad son calculadas en base a los elementos de costos conocidos como ISBL (Inside Battery Limits)

y OSBL (Outside Battery Limits).

Para el cálculo de los costos dentro de los límites de batería, se dimensionaron los equipos de las diferentes unidades de proceso

en base a la simulación realizada previamente, y, en base a esta, se estiman los diferentes tipos de inversión según los estudios

realizados por el IFP5, los cuales se muestran en la tabla 3. La inversión total para una planta de S-PVC de capacidad de diseño de

240 KTMA es de 141.68 MUS$.

Tabla 3. Comparación de resultados de Balance de Masa. (Fuente: Elaboración Propia)

Denominación Tipo de Inversión Cantidad

(MUS$)

I1 Inversión ISBL 55.60

I2 Inversión OSBL 22.24

I3 Gastos de ingeniería 15.57

I4 Restock de piezas 9.73

I5 Gasto de Licenciante 7.78

I6 Gasto inicial en catalizador, solvente y

productos químicos 7.78

I7 Interés intercalado 7.00

I8 Gastos de arranque 0.32

Terreno Costo del terreno 15.00

I9 Capital de trabajo 0.65

Inversión total 141.68

Los indicadores financieros y económicos se indican en la tabla 4.

Tabla 4. Indicadores económicos. (Fuente: Elaboración Propia)

INDICADORES

ECONÓMICOS

VALORES

ECONÓMICOS

VALORES

FINANCIEROS

Valor Actual Neto (VAN)

en MUS$ 11.44 21.23

Tasa Interna de Retorno

(TIR) 17.75% 27.46%

Periodo de Recuperación

de Inversión (en años) 5.64 3.64

Discusión. El trabajo se centra netamente en emplear las herramientas de simulación y diseño para aproximar los datos base para el

desarrollo de las próximas etapas del proyecto, así también la realización de un estudio económico y financiero para evaluar la

rentabilidad de la producción de S-PVC, mientras que la obtención del cloro y etileno sería abarcado por otro proyecto (Quipusco6).

Conclusiones Se escogió la tecnología Vinnolit, ya que cuenta con los procesos necesarios en la obtención de S-PVC, y se tiene la

posibilidad de trabajar con un solo licenciante.

A partir de los valores obtenidos para el valor actual neto (VAN) y el tasa interna de retorno, se puede deducir que el

proyecto es rentable, pues el VAN Económico es 11.44 MUS$ y el Financiero es 21.23 MUS$. Además, el tiempo de

recuperación es 5.64 años para el flujo de caja económico, mientras que para el financiero es de 3.64 años.

Estudio de factibilidad: Obtención de Policloruro de Vinilo a partir de Etileno en el Perú 7

La demanda de S-PVC y PBI del sector construcción se ven fuertemente relacionadas, por lo que la rentabilidad del

proyecto estará ligada al comportamiento de este sector en los próximos años. Es importante mencionar que uno de los

planes estratégicos del plan de gobierno del presidente Pedro Pablo Kuczynski es la masificación del agua potable, para lo

cual se requieren tuberías, por lo que se esperaría que la demanda de S-PVC incremente.

El hecho de realizar la tercerización la producción etileno y cloro, los cuales son materias primas para el S-PVC, nos

permite promover las diferentes características que se abarcan en la industria petroquímica: economía de aglomeración,

economía de alcance, y finalmente, una economía de transacción. En otras palabras se crea un ambiente ideal para la

industria petroquímica.

Recomendaciones. La Industria petroquímica representa el 4% del consumo de materia proveniente del Gas Natural y Petróleo, el

porcentaje restante está destinado al consumo energético, actualmente las energías renovables se están haciendo más rentables

económicamente y con mayor aceptación por el menor impacto al ambiente durante su uso, pero no todas las geografías pueden

desarrollar un mercado energético, se recomienda re evaluar la matriz energética buscando el balance de las fuentes y destinar la

materia prima a la Industria petroquímica, que ofrece productos con mayor valor agregado, y a la vez le dará una sostenibilidad al

sector upstream.

Reconocimientos Se agradece al Ing. Dante Pissani, Ing. Carola Palacios (curso de Proyectos de Inversión) y al Ing. Felipe Gonzáles (curso de

Simulación de Procesos), profesores de la Escuela de Ingeniería Petroquímica de la Facultad de Petróleo, Gas Natural y Petroquímica

de la Universidad Nacional de Ingeniería, por su invaluable apoyo en las correcciones, y, por sus acertadas recomendaciones y

sugerencias. Asimismo, agradecer a la Escuela de Ingeniería Petroquímica que nos facilitó la licencia del software de simulación

UniSim Design R442 para llevar a cabo el estudio del presente trabajo.

Nomenclatura PVC: Policloruro de Vinilo.

S-PVC: Policloruro de Vinilo en Suspensión.

NaCl: Cloruro de Sodio.

VCM: Monómero de Cloruro de Vinilo.

KTMA: Miles de toneladas métricas anuales.

MUS$: Millones de dólares americanos.

EDC: 1,2-dicloroetano.

ETC: 1,1,2-tricloroetano.

HCl: Ácido Clorhídrico.

ISBL: Inside Battery Limits, Instalaciones dentro del límite de baterías.

OSBL: Outside Battery Limits, Instalaciones fuera del límite de baterías.

VAN: Valor actual neto.

TIR: Tasa interna de retorno.

Referencias 1. SUNAT. Registros de importaciones del S-PVC, del cloro, del etileno no saturado y de oxigeno (2016).

2. HYDROCARBON PROCESSING, Petrochemical Processes Handbook (2014).

3. Meyers, R. A., Manuales de Procesos de Producción de Petroquímicos, TOMO II, Mc Graw-Hill, (2005), cap. 18.1, p. 1 – 31.

4. Simulation Sciences Inc., PRO/II CASEBOOK Vynyl Chloride Monomer (VCM) Plant. (1992), p. 3 – 13.

5. Instituto Francés de Petróleo, L’Evaluation Des Avant Projects (1968)

6. Quipusco, J., Proyecto técnico económico para la implementación de un complejo petroquímico que produzca polietileno (PE) y polipropileno

(PP) a partir del propano obtenido de los líquidos del gas natural de Camisea (2004).

7. Orejas, J. A., Model evaluation for an industrial process of direct chlorination of ethylene in a bubble-column reactor with external

recirculation loop. Chemical Engineering Science, (2001), p. 516.

8. Al Zahrani, S. M. et. al.: Modelling and simulation of 1,2-dichloroethane production by ethylene oxychlorination in fluidized-bed reactor,

Chemical Engineering Science (2001) p. 621 – 626.

9. Go, K. S. et al.: 1,2-Dichloroethane production by two-step oxychlorination reactions in a fluidized bed reactor, Chemical Engineering

Science, (2010), p. 499 – 503.

10. Ranzi , E. , et. al, Pyrolysis and chlorination of small hydrocarbons , Chem. Eng. Commun., (1992), 117 ,17 – 39

11. Munmaya K. Mishra, Norman G. Gaylord, y Yusuf Yagci, Suspension Polymerization Redox Initiators, Handbook of Vinyl Polymers Radical

Polymerization, Process, and Technology, (2009), 2da Ed., p.102 – 103.

8 A. Manrique, F. Gaspar, L. Ramirez

ANEXOS A. Resultados de la proyección de la demanda en función del PBI (Fuente: Elaboración Propia)

AÑO

PBI –

CONSTRUCCIÓN

(kMS/.)

DEMANDA

PVC

(KTM)

2016 36.5 181.6

2017 39.3 195.1

2018 42.2 209.3

2019 45.2 224.1

2020 48.4 239.4

2021 51.7 255.3

2022 55,1 271.8

2023 58.6 288.9

2024 62.2 306.6

2025 66.0 324.9

2026 69.9 343.8

B. Cinética de las reacciones y diseño de reactores de la planta de S-PVC

B.1. Cloración directa. La reacción principal es una reacción de tipo adición mientras que la secundaria es una sustitución. La

formación de las impurezas se debe a la aparición de radicales, dado por el propio mecanismo. Wachi y Morikawa (1987) muestran

un mecanismo de reacción, donde la iniciación (fotoquímica o térmica) es la formación del radical de cloro. Por esta razón pequeñas

cantidades de oxígeno, a menudo presente en el cloro producido por electrólisis, pueden aumentar la selectividad a la EDC mediante

la inhibición de las reacciones secundarias.

La velocidad de proceso global es la adición de resistencias para la transferencia de masa y la reacción química.

−𝑟1 = 𝑘𝐷1𝐶𝑐2𝐻2𝐶𝐶𝑙 (𝑘𝑚𝑜𝑙

𝑚3. 𝑠) … (B.1)

−𝑟2 = 𝑘𝐷2𝐶𝑐2𝐻2𝐶𝐶𝑙22 (

𝑘𝑚𝑜𝑙

𝑚3. 𝑠) … (B.2)

Las concentraciones están en kmol/s. Las constantes de velocidad, están expresadas por la ecuación de Arrhenius:

𝑘𝐷𝑖 = 𝐴𝑖𝑒−𝐸𝑎𝑖𝑅𝑇 ………… (B.3)

Los parámetros cinéticos son tomados del trabajo de Orejas7, quien realiza un ajuste de datos industriales, sus resultados se

muestran en la tabla B.1. Tabla B.1. Parámetros cinéticos para cloración directa (Orejas7, 2001)

i 1 2

Ai 5.36.102 𝒎𝟑.𝒔

𝒌𝒎𝒐𝒍 8.52.109

𝒎𝟔.𝒔

𝒌𝒎𝒐𝒍𝟐

Ei/R (K) 2156.58 7282.21

El reactor se modela como un flujo pistón, en un proceso isotérmico. La ecuación de diseño es la siguiente:

𝑑𝐹 = 𝑣𝑟𝑑𝑉 ............................... (B.4)

Donde:

F= Flujo molar del componente ‘i’ (kmol/s)

r= Velocidad de formación del componente ‘i’ (kmol/m3.s)

v= Coeficiente estequiométrico

V=Volumen del reactor (m3)

La selectividad de EDC está dado por la siguiente ecuación:

𝑟1

𝑟2=

𝑘𝐷1

𝑘𝐷2𝐶𝐶𝑙= (

𝐴1

𝐴2𝑒𝐸𝑎2−𝐸𝑎1

𝑅𝑇 ) 1

𝐶𝐶𝑙 … (B.5)

Estudio de factibilidad: Obtención de Policloruro de Vinilo a partir de Etileno en el Perú 9

El primer factor, dado por los parámetros cinéticos, disminuye con el aumento de la temperatura, no obstante, el segundo factor,

dado por la concentración de cloro, aumenta ya que disminuye conforme avanza la reacción.

Se simplifica los cálculos asumiendo poca conversión de la segunda reacción, se obtiene la figura B.1, en el cual se observa que

se alcanza una conversión de 97% al primer segundo.

Figura B.1. Conversión de etileno según el tiempo de residencia. (Elaboración propia)

B.2 Oxicloración. La oxicloración es el mecanismo dominante y la reacción de oxidación sólo representa un pequeño porcentaje

del etileno convertido. La actividad del catalizador aumenta con la temperatura, pero un aumento de la temperatura favorece la

oxidación a expensas de la oxicloración. En el trabajo realizado por Saeed et. al.8 se modela y simula este proceso en un reactor de

lecho fluidizado, en el cual se mostraron las influencias de distintos parámetros, como tiempo de residencia, fracción molar de

etileno, altura mínima de fluidización, diámetro de la burbuja, presión y temperatura del reactor. En la figura B.2, se muestra la

influencia del tiempo de residencia en la conversión.

Figura B.2. Efecto del tiempo de residencia en la conversión a condiciones de P=400 kPa,

T=498 K, HCl/C2J4=2, HCl/O2= 3.5 (Saeed et. Al8, 2001)

En la investigación de Go et. Al9 realizaron un ensayo experimental de este proceso, analizando efectos de propiedades similares

a las anteriores. El efecto del tiempo de residencia es un parámetro que determina el tamaño, la figura B.3 muestra los resultados

con respecto a esto.

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0 1 2 3 4

Co

nve

rsió

n E

tile

no

Tiempo de residencia (s)

10 A. Manrique, F. Gaspar, L. Ramirez

Figura B.3. Efecto del tiempo de residencia en la conversión y selectividad

a condiciones de 2 pasos, P=600kPa, T=523 K, HCl/O2= 3 (Go et. Al9, 2010)

El modelo se basa en los trabajos realizados por Saeed et. al. 8, y Go et. al.9, de los cuales se analiza según las condiciones del

proceso.

Las condiciones operatorias son similares a las trabajadas por Saeed et.8 al., dada la conversión de 96% que se requiere alcanzar,

corresponde un tiempo de residencia aprox. de 12 s. El proceso tiene un caudal volumétrico de producto de 7 283 m3/h, lo que

correspondería un reactor de 24 m3.

B.3. Craqueo. El mecanismo de reacción por el craqueo EDC en condiciones industriales es extremadamente compleja. Ranzi et

al.10 propusieron un esquema con más de 200 reacciones elementales, así como 40 especies moleculares y radicales. Para el

modelamiento se considera las siguientes cinéticas para las reacciones mostradas anteriormente:

−𝑟1 = 𝑘𝑝1𝐶𝐶2𝐻4𝐶𝑙2 (𝑘𝑚𝑜𝑙

𝑚3. 𝑠) … (B.6)

−𝑟2 = 𝑘𝑝2𝐶𝐶2𝐻3𝐶𝑙 (𝑘𝑚𝑜𝑙

𝑚3. 𝑠) … (B.7)

−𝑟3 = 𝑘𝑝3𝐶𝐶2𝐻4𝐶𝑙2 (𝑘𝑚𝑜𝑙

𝑚3. 𝑠) … (B.8)

Las concentraciones están en kmol/s. Las constantes de velocidad, están expresadas por la ecuación de Arrhenius:

𝑘𝑝𝑖 = 𝐴𝑖𝑒−𝐸𝑎𝑖𝑅𝑇 (ec. 9)

Los parámetros cinéticos considerados se toma del trabajo de Ranzi et. al.10:

Tabla B.2. Parámetros cinéticos para oxicloración.

i A(s-1) E (cal/mol) E(K)

1 1.14E+14 58000 29187.2

1 5.00E+14 69000 34722.7

3 1.00E+13 72000 36232.4

El reactor se modela como un flujo pistón, en un proceso isotérmico. Se utiliza la ecuación B.4 para el diseño. Dado la influencia

de la temperatura y el tiempo de residencia sobre el modelo, se realiza la interacción para las conversiones de VCM de 50%, 55%

y 60 %. Los resultados se observan en la figura B.4.

Estudio de factibilidad: Obtención de Policloruro de Vinilo a partir de Etileno en el Perú 11

Figura B.4. Tiempo de residencia y temperatura para conversiones de 50%, 55% y 60 %. (Elaboración propia)

C. Receta típica para la obtención de S-PVC. (Fuente: Handbook of Vinyl Polymers11, 2009)

Receta Típica: Polimerización en suspensión de cloruro de vinilo por el

sistema de Peroxidodicarbonato de dioctilo-sulfuro de sodio

Ingredientes Cantidad (ppm )

Agua 150

Cloruro de Vinilo 100

Poli (acetato de vinilo ) 0.1

Peroxidicarbonato de dioctilo 0.05

Na2Sx 0.01

Polimerización bajo agitación durante 5.8 h a 58 ºc

0

100

200

300

400

500

600

480 490 500 510 520 530 540 550 560

Tie

mp

o d

e r

esi

de

nci

a (s

)

Tempertura (°C)

Conv. 60% Conv. 55% Conv. 50%