PLANTA DE PRODUCCIN DE POLIESTIRENO DE PROPSITO GENERAL

Mayra del Pilar Quiroz Laura Mara Calle Rubn Daro Vargas Andrs Felipe Oate Juan Jos Zapata

Universidad de los Andes

Departamento de Ingeniera Qumica Bogot D.C. 2011-2

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TABLA DE CONTENIDO

Objetivos. ......................... ............. 2 Introduccin y justificacin del proyecto.. 2 1. Caractersticas del producto.. ......................................... 2. Descripcin de procesos de produccin de poliestireno. 7

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2.1 Toyo Engineering Corporation.... .. 10 2.2 Polimeri Euuropa SpA... ... 10 2.3 Aplicaciones del poliestireno segn velocidad de fluidez 11 2.4 Norma ASTM D5296-05.. .... 13 2.5 Norma ASTM D123810... 13 2.6 Mecanismos de polimerizacin.. 14 1. 20 3.1. Anlisis nacional . 21 Anlisis de mercado..

.

3.2.

Anlisis

regional . 34 3.3. Anlisis internacional .. 41 2. 4.1. Caractersticas y tendencias del mercado.. Matriz

. 50 DOFA .. 52 3. Clientes actuales y potenciales...

. 54 6. Proveedores y materias

primas. 55 7. . 59 7.1. Mtodo de Electra .. 72 7.2. Ubicacin geoFigura de la planta 74 8. Diagrama de Localizacin de la

planta

bloques .. 76

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9.

Seguridad

industrial 76 10. Bibliografa 77 Anexos 83

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Objetivos Objetivo general Disear una planta de produccin de poliestireno de propsito general a travs de un proceso bulk continuo usando reactores de mezcla y flujo pistn que requieren tolueno como solvente para controlar la viscosidad de la solucin polimrica que se tiene como mezcla reactante. Se estima una capacidad de produccin de 30.000 toneladas por ao en un mercado en el cual se entrar a competir con industrias como Americas Styrenics de Colombia Ltda, Ajover S.A. y Dow Qumicas de Colombia. Objetivos especficos Caracterizar el poliestireno para propsito general como un producto de inters, identificando sus propiedades y especificaciones. Reconocer y describir las diferentes rutas de produccin de poliestireno para propsito general para seleccionar la mejor alternativa de produccin. Realizar un estudio de mercado nacional, regional e internacional para comprender la dinmica de importacin y exportacin en la comercializacin de las materias primas y el producto. Analizar el mercado e identificar los clientes actuales y potenciales para la comercializacin del producto. Identificar y seleccionar los proveedores de las materias primas necesarias en el proceso de produccin de poliestireno de propsito general. Seleccionar una ubicacin geogrfica para localizar la planta con base en criterios que afecten los costos de produccin y la ptima operacin del proceso. Elaborar un diagrama de bloques especificando las operaciones bsicas necesarias para producir el polmero especfico.

Introduccin y justificacin del proyecto El poliestireno es un polmero que tiene un gran uso en la industria y la fabricacin de productos con aproximadamente el 8% del mercado de polmeros con propiedades de buena resistencia, transparencia, y facilidad de procesamiento. Este material se puede encontrar en el campo del transporte de alimentos, produccin de embalajes, moldes, carcasas de aparatos, utensilios domsticos, recipientes, etc. En su forma de copolmero, el poliestireno expandido es ampliamente utilizado para aislamiento y empaque 6

de alimentos. La produccin mundial cuenta con varios billones de kilogramos al ao.(Lia, 2011) Este polmero fue producido comercialmente por primera vez en los aos 30s y las cantidades disponibles de estireno ayudaron a su crecimiento en la industria. El estireno es capaz de polimerizarse espontneamente con la aplicacin de calor en una atmsfera libre de oxgeno, sin embargo se agregan catalizadores a la reaccin para realizar una polimerizacin completa a ms bajas temperaturas. (ICIS, 2011) Es un buen material para el transporte y manejo de alimentos porque mantiene una alta asepsia porque es qumicamente inerte y no es biodegradable, ningn microorganismo puede digerir el poliestireno lo que lo convierte en un gran contaminante sobre todo en los ocanos donde se mantiene a flote por su baja densidad. Se han realizado investigaciones para acelerar la degradacin del poliestireno que en condiciones de deposicin normales podra tomar de 500 a 1000 aos, mtodos como la adicin de compuestos moleculares bajos que hacen ms efectiva la fotodegradacin capaz de romper los enlaces cruzados en el poliestireno de alto impacto acelerando y aumentando la eficiencia de la foto-degradacin y foto-oxidacin.(Kaczmarek, 2000) El monmero estireno es uno de los productos del refinamiento del petrleo, la polimerizacin del estireno se puede realizar por cualquiera de los mtodos de polimerizacin; por radicales libres o crecimiento en cadena, por polimerizacin catinica, aninica, y por mecanismos de coordinacin de adicin, este ltimo utilizado para la creacin de copolmeros. En este documento se enfocar en el mtodo de crecimiento en cadena por medio de radicales libres, se trata de una reaccin muy rpida y exotrmica en la que una cadena puede crecer hasta tener 1.000 unidades del monmero en menos de un segundo. (Hart, 2007) Se tienen dos tipos principales de polmeros: cristalino, una resina transparente y amorfa que tiene buena rigidez y propiedades elctricas y de impacto, con diferentes cantidades de butadieno que aumentan las resistencias mecnicas del material. La produccin industrial de poliestireno est regida por tres tipos de procesos de polimerizacin, por suspensin, solucin y msico o bulk. El primer proceso permite un manejo continuo o por lotes dando como resultado una alta conversin con un polmero de alta pureza. Por suspensin, se obtienen polmeros de diferentes pesos moleculares para materiales especializados y de alto impacto. El proceso ms comn el es msico cuyas ventajas son la claridad de las resinas obtenidas y bajos costos de operacin(ICIS, 2011). Ms adelante se tratarn con ms profundidad estas rutas con el fin de seleccionar la ms adecuada. Para el desarrollo del diseo de una planta de proceso se debe comenzar desde un anlisis preliminar que indique las necesidades del mercado hasta el estudio del control de los procesos productivos. En este documento se presenta en primera instancia la ruta de 7

produccin establecida en para el desarrollo del proyecto, identificando y describiendo cada uno de los componentes principales que abarca el proceso, luego, basndose en el estudio de mercados, se evala el acceso a materias primas y los posibles compradores, en este estudio se busca identificar regiones de consumo y produccin de las sustancias de inters. Finalmente de acuerdo a proveedores, clientes, acceso a mercados y materias primas, acceso a tierras y servicios, y seguridad industrial se busca seleccionar la mejor ubicacin de la planta de produccin. 1. Caractersticas del producto El poliestireno nmero CAS 9003-53-6 y frmula molecular (-CH (C6H5)-CH2 -)x, es un slido inflamable que se maneja en pellets transparentes. Es un material inerte, no biodegradable, lo que significa que puede ser almacenado en condiciones normales sin ningn tipo de cuidado en cuanto a aislamiento biolgico o qumico. Al ser tratado con temperatura para procesamiento o durante la polimerizacin se generan vapores que pueden ser absorbidos por el organismo por inhalacin y genera irritacin en los ojos. El polmero a condiciones estndar no tiene ningn tipo de riesgo, pero caliente puede generar quemaduras serias al contacto con la piel. Durante el procesamiento del polmero puede haber residuos en polvo que irritan el tracto respiratorio superior.(Videolar, 2011) Corroborando lo anterior se encuentra la norma NFPA 704 donde la clasificacin del riesgo es 0, 1 y 0 correspondientes a salud, inflamabilidad y reactividad respectivamente. Segn la norma UN/NTC 1692 se tiene un riesgo menor con el manejo del polmero por ser un slido fcilmente inflamable Clase 4 tipo 1. A continuacin se muestran los rtulos de estas dos normas que ilustran los riesgos del manejo de este material.

Figura 1. Rtulos de seguridad NFPA y UN para el poliestireno de uso general(Videolar, 2011)

El material tiene una baja inflamabilidad y no tiene riesgo de explosin por impacto mecnico, pero hay posibilidad de explosin por una descarga esttica, en caso de incendio el fuego se puede combatir con qumicos secos, CO2, agua o espuma y protegerse con mscaras respiratorias ya que se genera un humo denso y gases irritantes.(Videolar, 2011) La polimerizacin del estireno comienza con la adicin de un catin, generalmente perxido de benzolo, que rompe el doble enlace del monmero dejndolo cargado negativamente para luego romper el doble enlace de otra molcula y as sucesivamente haciendo crecer la cadena. El polmero 8

resultante tiene un peso molecular comprendido entre un intervalo de 1 y 3 millones para cadenas de 10.000 a 30.000 unidades de monmero. El proceso se muestra en la siguiente Figura.

Figura 2. Reaccin de crecimiento en cadena del poliestireno. (PSLC, 2007)

El poliestireno es un polmero amorfo y termoplstico, lo que significa que las cadenas de polmero estn configuradas de manera irregular y aleatoria dndole sus propiedades de transparencia similar al vidrio que tambin es un material amorfo. Termoplstico significa que es un material que se funde o ablanda al calentarlo por encima de su punto de transicin vtrea (alrededor de 100C) y luego de enfriarlo se vuelve a endurecer.(Hart, 2007) El poliestireno puede ser modificado de varias formas, la forma ms conocida es el polietileno expandido o Styrofoam que se produce aadiendo un hidrocarburo de bajo punto de ebullicin como el pentano, que durante el proceso se evapora y produce burbujas que expanden el polmero y forman una espuma. Tambin se tienen varios copolmeros que modifican las propiedades fsicas del material, un ejemplo es el polibutadieno, acrilonitrilo o el p-divinilbenceno, que normalmente no seran compatibles para mezclarse o adicionarse al poliestireno por la alta insolubilidad de los polmeros, pero al agregarlo durante el proceso de polimerizacin, se unen qumicamente los dos monmeros creando un nuevo polmero, generalmente utilizado para crear enlaces entre las cadenas lo que endurece y da ms resistencia al material. La reaccin de copolimerizacin de estireno y p-divinilbenceno se muestra en la siguiente Figura.

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Figura 3. Reaccin de copolimerizacin de estireno y p-divinilbenceno. (Hart, 2007)

Por el contrario, si se le realiza una sulfonacin a este polmero, se le aade una molcula de SO3- Na+ en la posicin para de la molcula de estireno, generando una separacin ms grande entre las cadenas, lo que cambia las propiedades fsicas a tal punto de dar como resultado una resina que es utilizada como surfactante utilizado en detergentes y para ablandar el agua por el intercambio de iones de Ca+ y Mg2+ por iones Na+. La estructura de la resina se muestra en la siguiente Figura.

Figura 4. Estructura de una resina intercambiadora de iones. (Hart, 2007)

En la industria, los copolmeros estn patentados, tanto los productos como los procesos para obtenerlos y las cantidades de reactivo utilizado. Generalmente se encuentran patentes para solventes, aditivos para aceites y resinas, componentes de asfaltos, materiales de tuberas y materiales especializados en general para usos especficos. En este proyecto trabajaremos con poliestireno de propsito general con las especificaciones que se muestran en la siguiente tabla.Tabla 1. Propiedades fsicas y mecnicas del poliestireno.(Videolar, 2011)

Formula Molecular Punto de fusin

(-CH (C6H5)-CH2 -)x. >132,22C

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Temperatura de transicin vtrea Temperatura de auto-ignicin Temperatura de descomposicin

100 C 420 C > 250 C

Peso molecular promedio Viscosidad intrnseca (en tetranidronaftaleno a 75C) Densidad a 20C a 50C a 110C Coeficiente de dilatacin lineal entre 0 y 40C, por C Aumento de volumen por calentamiento desde 20 a 110C Compresibilidad a 20C, por atm Calor especfico a 20C a 50C a 80C ndice de refraccin Mdulo de Young ( 0-5% de extensin) Resistencia a la traccin a 20C Resistencia al choque ( barra con muesca de 0,5 plg. en cuadro) Dureza Brinell ( bola de 2 mm de dimetro, 3 kg) Conductividad trmica

25.000 1,0 dlts/gr 0,92 0,9 0,81 0,0002 14 5,5 x 10-5 0,55 0,7 0,9 1,52 1.600 kg/cm2 150 kg/cm2 +2,07 kgm

2 0,0007

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cal/(seg)(cm2) (C /cm) Alargamiento en la ruptura 500

Es necesario tener en cuenta las condiciones fsicas del poliestireno para el manejo, transporte y procesamiento del material, se deben controlar sobre todo las condiciones de temperatura en el almacenamiento que si se lleva por encima de la temperatura de transicin vtrea, las propiedades del material comienzan a cambiar drsticamente y se podran generar atascamientos. El manejo y transporte de este material se debe realizar en contenedores secos, frescos, bien ventilados, con contacto a tierra y bien cerrados. El transporte neumtico puede generar polvo por lo que se deben tomar precauciones de cuidado respiratorio y de una la posible creacin de una atmsfera explosiva. En caso de presentarse un derrame de material, se debe disponer adecuadamente en recipientes de desecho y no se debe permitir el acceso a fuentes de agua o drenajes.(Videolar, 2011) 2. Descripcin de procesos de produccin de poliestireno Los procesos de manufactura del poliestireno son en general patentes registradas por las empresas productoras y en general las recetas o especificaciones de proceso como cantidades, requerimientos energticos, diseo de unidades y condiciones de proceso tales como temperaturas, presiones, flujos y concentraciones pueden ser datos restringidos por la empresa. A continuacin se presentan algunas de las patentes de proceso registradas para la obtencin de poliestireno, se realizar un resumen para explicar cada uno de los procesos. El primer proceso ha sido diseado por Taiwn Turnkey Project Association, una empresa que provee asesora en materia de tecnologa industrial y facilita el acceso de informacin de fabricantes, maquinarias y de equipos a los compradores extranjeros. Tambin ayuda a los proveedores de equipos y plantas industriales a promover sus exportaciones y brindar capacitacin y orientacin para optimizar la tecnologa y promover la innovacin, el comercio internacional y el valor agregado de las empresas.(TTAP, 2009) Este proceso comienza con la adicin continua del monmero estireno y los aditivos qumicos a un tanque de polimerizacin con un agitador en el que se da el proceso de prepolimerizacin y se inicia la polimerizacin hasta que se llega a una conversin del 90%. La solucin es bombeada a un desvolatilizador que extrae los residuos de estireno monmero que no reaccionaron, se volatilizan, luego se condensan y se recirculan a la primera etapa. El poliestireno se extrae en los fondos del desvolatilizador y pasa a un moldeador

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que moldea, refrigera, seca y filtra dndole forma de pldora para finalmente llevar el producto a almacenamiento. (TTAP, 2009) La siguiente Figura muestra el diagrama de bloques del proceso desarrollado por la compaa Taiwan Turnkey Proyect Association.

Figura 5. Diagrama de bloques de la planta de produccin de poliestireno diseada por TTPA. (TTAP, 2009)

El siguiente proceso fue diseado por Dow Chemical Company, una empresa con presencia en todos los continentes que cuenta con una amplia trayectoria en la industria qumica, especializada en la produccin de qumicos, plsticos, productos agrcolas y consultora en materia de tratamiento de residuos. El proceso consiste en varios reactores de flujo pistn conectados en serie. En el primer reactor se aaden el estireno monmero, solventes y en algunos casos un iniciador, los reactores operan en temperaturas ms elevadas secuencialmente para llegar a una conversin final de entre el 60 y el 90%. Posteriormente el monmero sin reaccionar es separado del polmero en un evaporador flash al vaco. La mezcla de solvente y monmero es condensada y recirculada, algunos aditivos se pueden agregar durante el proceso. 13

Diferentes grados del poliestireno pueden ser producidos en el mismo proceso solamente modificando las condiciones de operacin, flujo, temperatura y presin, estos parmetros pueden modificar drsticamente las propiedades del producto. Al tratarse de una reaccin muy exotrmica, la temperatura puede llegar a ser muy elevada y se corre el riesgo de que las cadenas se degraden despus de conformarse generando cadenas cortas de bajo peso molecular fuera de las especificaciones del producto. (Brempt, 2011) La siguiente Figura muestra un diagrama de bloques del proceso desarrollado por DOW.

Figura 6. Diagrama de bloques de la planta de produccin de poliestireno diseada por DOW. (Brempt, 2011)

Produccin de Poliestireno Existen muchas clases de poliestireno y copolmeros en el mercado. Sin embargo, se pueden destacar cuatro principales, que son ms ampliamente usados en la actualidad: el poliestireno de Alto impacto (HIPS), el copolmero estireno acrilonitrlo (SAN), la resina estireno acrilonitrlo butadieno (ABS) y el poliestireno de propsito general (GPPS). La Figura 7 resume las caractersticas que definen a cada uno.(El Pas, 2011)

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Figura 7. Tipos ms comunes de poliestireno y copolmeros

El GPPS se caracteriza por ser un producto transparente, por lo que es uno de los ms utilizados en aplicaciones que requieran plsticos transparentes, con una dureza apropiada y que se puedan moldear (inyeccin, extrusin). Por lo general se utiliza para fabricar vasos desechables, contenedores de alimentos, contenedores de discos compactos, etc. 2.1.Toyo Engineering Corporation Esta es una de las empresas productoras de poliestireno ms grandes del mundo, ha desarrollado un proceso llamado TOYO-MITSUI PS PROCESS para la produccin de GPPS, HIPS, ABS y SAN. Este proceso se basa en una polimerizacin tipo bulk, que incluye un reactor(es) con un devolatilizador. Implementa una iniciacin de la polimerizacin trmica. La Figura 8 muestra de forma esquemtica ste proceso. En este esquema podemos observar que para la produccin de GPPS sta empresa tiene como reactantes el estireno y solventes no especificados. Por ser un esquema, no se incluyen muchos detalles. Sin embargo, es posible inferir que en el tanque del monmero reciclado existe una purga que no permita la acumulacin de trazas contaminantes que influiran de forma negativa en el producto final.(Toyo Engineering Corporation, 2011)

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Figura 8. Esquema del proceso produccin de GPPS o SAN

2.2. Polimeri Europa SpA El proceso de produccin de GPPS de esta empresa se basa en una polimerizacin bulk del estireno con una iniciacin con perxido. El monmero es agregado con algunos qumicos no especificados a una seccin de mezclado. La reaccin ocurre en presencia del solvente (etilbenceno). Esta mezcla es luego introducida a la seccin de polimerizacin, compuesta generalmente por dos reactores CSTR, en donde el calor de la reaccin es removido por evaporacin de la materia voltil. Existen varios arreglos de reaccin para cumplir con los requerimientos de los clientes. Al final del tren de reaccin, el polmero es enviado a una seccin de dos etapas en serie de devolatilizacin en condiciones al vaco. De esta manera, el monmero que no ha reaccionado y los compuestos de bajo punto de ebullicin son removidos del polmero, el cual es enviado finalmente a una seccin de peletizacin. El calor es introducido por un sistema de aceite diatrmico. La mezcla de vapores, despus de la condensacin, es reciclada de forma constante. Los vapores no condensados, los gases inertes del sistema al vaco y la purga de lquidos orgnicos de la seccin de condensacin son recuperados para ser aprovechados como combustibles en el horno en donde el aceite diatrmico es calentado. En la Figura 9 se muestra el esquema de este proceso.(Polimeri Europa, 2009)

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Figura 9. Esquema del proceso de produccin de GPPS de Polimeri Europa

2.3.Aplicaciones del poliestireno segn su velocidad de fluidez (g/10 min) En la Figura 10 se muestra un esquema representativo de las aplicaciones que se le da al poliestireno segn su velocidad de fluidez, medida siguiendo los parmetros establecidos por la norma ASTM D1238. Este esquema fue construido con base en la diversidad de poliestirenos de propsito general producidos y comercializados por la compaa petroqumica INEOS (INEOS Styrenics, 2011), ya que la falta de especificaciones en las dems empresas hace imposible sta correlacin. La velocidad de fluidez es til para predecir el peso molecular de un polmero, ya que stos dos se encuentran inversamente relacionados de acuerdo a la siguiente ecuacin(Michigan State University): 1MFRMw3.4 a 3.7 (1)

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En donde MFR es la velocidad de fluidez en g/10 min y Mw corresponde al peso molecular del polmero. Se decidi producir poliestireno de 1.6 g/10 min de velocidad de fluidez, debido a las muchas aplicaciones que se tienen tanto en la industria de alimentos como en la de la construccin, siendo la primera segn The Dow Chemical Company la de mayor uso a nivel mundial.(The Dow Chemical Company, 2008)

Figura 10. Aplicaciones del poliestireno segn su velocidad de fluidez.

2.4.Norma ASTM D5296-05 (ASTM International , 2005) Mtodo de testeo estndar para pesos moleculares (PM) promedios y distribucin de peso molecular de poliestireno por cromatografa de alto desempeo en exclusin de tamao. 18

Tipo de poliestireno: Importancia

2000 g/mol