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SELECCIÓN Y CONSTRUCCIÓN DE UN EQUIPO PORTÁTIL A ESCALA
PILOTO PARA LA SEPARACIÓN FÍSICA DE UNA SOLUCIÓN ACUOSA DE
HIDROCARBUROS EN LA PLANTA DE POLIESTIRENO DE DOW QUÍMICA
DE COLOMBIA S.A.
CAMILO ECHAVARRÍA BENÍTEZ
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERIA
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA QUIMICA
BOGOTA
2006
1
AGRADECIMIENTOS
Quiero expresar mis más sinceros y profundos agradecimientos a:
Álvaro Gómez Concha, líder de la planta de poliestireno de Dow Química de Colombia,
por haberme brindado la oportunidad de realizar mi trabajo de grado en las instalaciones de
dicha compañía.
Manuel Emilio Kerguelén Caballero, ingeniero de producción y coordinador de calidad de
la planta de poliestireno de Dow Química de Colombia, por haberme apoyado y guiado en
la realización del proyecto durante mi estadía en la ciudad de Cartagena.
Todo el personal de operaciones de la planta de poliestireno de Dow Química de Colombia,
por su paciencia y colaboración en cada una de las labores que fueron realizadas para
llevar a cabo este proyecto.
Miguel W. Quintero, mi asesor y colaborador en la Universidad de los Andes, por haberme
brindado la suficiente autonomía y confianza para trabajar en este proyecto en la ciudad de
Bogotá y a su vez, por su apoyo y oportuna intervención durante las etapas claves del
proyecto.
Edgar M. Vargas, mi asesor y colaborador en la Universidad de los Andes, por su valiosa
ayuda y comprensión, así como también por su intervención incondicional en las etapas
2
claves aún en medio de la distancia y circunstancias que lo condujeron a dejar la
universidad.
Luís Alejandro Mariño, ingeniero de producto de RAMGUZ Ltda., representante de Pall
Corporation en Colombia, por toda la paciencia y colaboración prestada, así como también
por toda la información relevante que me suministró para que el proyecto fuera llevado a
cabo exitosamente.
A todas las demás personas que participaron directa o indirectamente en este proyecto.
3
CONTENIDO
I. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA................................................................... 8
1. PROCESO DE PRODUCCIÓN DE POLIESTIRENO. ...................................... 8
II. METODOLOGÍA DE SELECCIÓN. ...................................................................... 14
1. CARACTERIZACIÓN DE LA SOLUCIÓN ACUOSA. .................................. 15
a. Composición................................................................................................... 15 b. Propiedades físicas. ........................................................................................ 16 c. Factores claves para la separación.................................................................. 17 d. Condiciones de operación............................................................................... 19 e. Otras propiedades de la dispersión. ................................................................ 19 f. Prueba de Agitación. ...................................................................................... 20
2. CLASIFICACIÓN DE LA SOLUCIÓN............................................................ 20
3. SELECCIÓN DE TECNOLOGIA. .................................................................... 22
III. RESULTADOS. ....................................................................................................... 23
1. CARACTERIZACIÓN DE LA SOLUCIÓN ACUOSA. .................................. 23
a. Composición................................................................................................... 23 b. Propiedades físicas. ........................................................................................ 28 c. Factores claves para la separación.................................................................. 29 d. Condiciones de operación............................................................................... 29 e. Otras propiedades de la dispersión. ................................................................ 30 f. Prueba de Agitación. ...................................................................................... 30
2. CLASIFICACIÓN DE LA SOLUCIÓN............................................................ 31
3. SELECCIÓN DE LA TECNOLOGÍA............................................................... 31
IV. MECANISMO DE COALESCENCIA. ................................................................... 33
V. TECNOLOGÍA DE SEPARACIÓN. ....................................................................... 38
VI. EVALUACIÓN ECONÓMICA DEL PROYECTO................................................ 45
1. PROCEDIMIENTO DE INCINERACIÓN. ...................................................... 45
2. SISTEMA VERTICAL MULTIETAPA............................................................ 46
VII. CONCLUSIONES.............................................................................................. 48
VIII. RECOMENDACIONES. ................................................................................... 50
IX. REFERENCIAS. ...................................................................................................... 51
4
TABLAS
Tabla 1. Tipos de sistemas de fase a considerar según la prueba de agitación. ............. 21
Tabla 3. Composición fase pesada Agua........................................................................ 26
Tabla 4. Compuestos adicionales identificados en agua de proceso. ............................. 28
Tabla 5. Propiedades físicas de ambas fases .................................................................. 29
Tabla 6. Factores que controlan el desempeño de la separación. ................................... 29
Tabla 7. Otras propiedades de la dispersión................................................................... 30
Tabla 8. Clasificación según los resultados de prueba de agitación............................... 31
Tabla 9 Costos de Incineración ...................................................................................... 45
Tabla 10. Costos del Sistema de separación multietapa................................................. 46
FIGURAS
Figura 1. Pretratamiento de materias primas y reacción. ................................................. 9
Figura 2. Devolatilización, sistema de vacío, granulación y empaque........................... 11
Figura 3. Tanque de proceso y tambor de recolección de la solución acuosa de
hidrocarburos. ................................................................................................................. 12
Figura 4. Metodología de Selección............................................................................... 14
Figura 5. Caracterización de la solución. ....................................................................... 15
Figura 6. Continuación caracterización de la solución................................................... 18
Figura 9. Diagrama de selección del método de separación........................................... 32
Figura 12. Etapas del mecanismo de coalescencia. ........................................................ 35
Figura 13. Esquema general sistema de separación multietapa...................................... 39
Figura 14. Sistema de Separación vertical multietapa.................................................... 40
Figura 15. Cartucho coalescedor Phase Sep® Coalescer. .............................................. 41
Figura 16. Cartucho separador Phase Sep® Separador. ................................................. 41
Figura 17. Carcasa del sistema de separación multietapa. ............................................. 43
Figura 18. Vistas ortogonales y corte y sección de la carcasa del sistema coalescedor.44
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RESUMEN
El proceso de producción de poliestireno de la planta de Dow Química de Colombia que
opera en la ciudad de Cartagena genera como subproducto una solución acuosa de varios
hidrocarburos dentro de los cuales los mayores porcentajes corresponden a etilbeceno y
estireno monómero. La alternativa actual de disposición del residuo es la incineración, sin
embargo, este método transforma el contaminante de la fase líquida a la fase gaseosa, pero
no constituye una solución real al problema.
El presente proyecto tuvo como objetivo encontrar una segunda alternativa de tratamiento y
disposición del residuo, mediante la implementación de nueva tecnologías y la experiencia
de conocedores en procesos de separación líquido-líquido.
Se realizó la caracterización del residuo para determinar cualitativa y cuantitativamente la
composición, propiedades físicas claves y la clasificación como solución tipo I. El método
de separación seleccionado corresponde a la coalescencia con fibras de fluoropolímero. Se
diseñó un sistema vertical multietapa conformado por un coalescedor y un separador
hidrofóbico de PALL Corporation. La concentración de hidrocarburo en la corriente de
agua de salida es menor a 15 ppm.
6
INTRODUCCIÓN
Los procesos de producción tienen asociados una serie de subproductos que se obtienen de
la operación de las plantas a nivel mundial. La industria petroquímica es una de tantas
industrias que se ve afectada por la generación de subproductos o contaminantes que
representan un problema desde el punto de vista ambiental. Los esfuerzos recientes por
solucionar estos problemas implican la implementación de nuevas técnicas y tecnologías de
producción más limpia que buscan optimizar los procesos actuales y de esta manera reducir
la emisión de contaminantes a la atmósfera. Uno de los problemas más comunes es la
separación líquido – líquido, una operación unitaria crítica en muchos de los procesos
químicos que se llevan a cabo en la industria; por tal razón se requiere de una metodología
de diseño rápida y confiable que permita identificar la tecnología más efectiva para ser
implementada en el diseño del separador. Dow Química de Colombia, quiere implementar
nueva tecnología para la separación de subproductos líquido-líquido con el fin de reducir la
emisión de contaminantes a la atmósfera y mejorar su proceso de producción.
Este proyecto tiene como objetivo seleccionar y construir un equipo portátil a escala piloto
para realizar la separación líquido-líquido de una solución acuosa de hidrocarburos que se
obtiene como subproducto del proceso de producción de poliestireno.
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OBJETIVOS
General
Realizar la selección y construcción de un equipo portátil para la separación física de 205
Kg/día y un porcentaje de 80% de recuperación como mínimo de una solución acuosa de
hidrocarburos que se obtiene como uno de los subproductos del proceso de producción de
poliestireno de la planta de Dow Química de Colombia S.A. en la ciudad de Cartagena.
Específicos
1. Caracterizar la solución acuosa de hidrocarburos.
2. Definir el método físico de separación requerido para la aplicación del equipo teniendo
en cuenta las características de los compuestos a separar.
3. Diseñar el equipo portátil de separación física para 205 kg/día de solución de
hidrocarburos.
4. Predecir el balance costo – desempeño del equipo.
5. Construir el equipo de separación para ser empleado en campo.
6. Evaluar el desempeño del equipo.
8
I. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Los subproductos de los procesos de manufactura, al igual que los productos indeseados
que se obtienen de reacciones alternas a la reacción principal y de la recuperación de
contaminantes presentes en la materia prima, aditivos y demás, constituyen en muchos
casos retos para la ingeniería química y para la industria en general cuando requieren de
tratamientos adicionales para disposición y/o purificación.
1. PROCESO DE PRODUCCIÓN DE POLIESTIRENO.
La planta de poliestireno de Dow Química en Cartagena produce dos tipos principales de
resinas de poliestireno: poliestireno cristal y poliestireno de alto impacto. La diferencia
entre las dos resinas es la presencia de polibutadieno en aquella de alto impacto lo que le
confiere su dureza y demás propiedades mecánicas. Cada una de estas resinas se producen
en los dos trenes de producción que operan en este momento en el site de la ciudad de
Cartagena. A continuación se presenta un diagrama de bloques y una breve explicación del
proceso de producción de poliestireno que se lleva a cabo en las instalaciones de Dow
Química de Colombia en la ciudad de Cartagena. El diagrama de bloques permite analizar
aquellas operaciones que representan puntos de obtención de los distintos subproductos del
proceso, enfatizando y centrando nuestra atención principal en la solución acuosa de
hidrocarburos a separar. Las principales materias primas que intervienen en el proceso son
el polibutadieno o caucho y el estireno monómero. El caucho contiene en su interior agua y
su presentación es en bloques de gran tamaño. El polibutadieno es sometido a un proceso
9
de molienda en el cual se reduce a secciones de menor tamaño con el objetivo de acelerar el
proceso de disolución que se lleva a cabo en los tanques de disolución en presencia de
estireno y de agitación. Una vez se tiene una solución homogénea de estireno y caucho, el
aceite mineral es adicionado al proceso y la nueva mezcla entra a la etapa de filtración
donde son removidas todas las partículas extrañas. Antes de ingresar a la etapa de reacción,
se adiciona al proceso etilbeceno y la mezcla se somete a un precalentamiento con el
objetivo de aumentar la temperatura hasta conseguir las condiciones óptimas que se
requieren al interior del reactor.
Figura 1. Pretratamiento de materias primas y reacción.
La etapa de reacción produce poliestireno a partir de la polimerización de los monómeros,
dímeros y trímeros como subproductos, estireno que no reaccionó, aceite mineral,
etilbenceno y agua de proceso recuperada del caucho. Una vez todo el contenido (materias
primas, poliestireno, aditivos y subproductos) abandonan la etapa de reacción, atraviesan la
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etapa de devolatilización en la que, mediante una caída súbita de la presión, se volatilizan
todos los componentes cuya presión de vapor es alta y de esta manera se separan el
poliestireno, cuya consistencia es líquida pero pesada y la mezcla de estireno, etilbeceno,
aceite mineral y agua. El poliestireno es extruído en hilos de grosor determinado y enfriado
en un baño de agua. Posteriormente se pelletiza y se envía a los silos de almacenamiento;
finalmente los pellets son empacados en bolsas o carro tanques de acuerdo a las
necesidades de los clientes.
Con el objetivo de recuperar el etilbenceno, el aceite mineral y el monómero de estireno,
que representan materia prima que puede ser recirculada al proceso reduciendo los costos
de materia prima para la planta, la mezcla de vapores que abandona el devolatilizador
atraviesa el sistema de vacío. Esta etapa del proceso hace uso de enfriamientos sucesivos
para separar los compuestos a partir de las diferencias en sus puntos de ebullición. Una
primera etapa de enfriamiento permite recuperar aquellos compuestos pesados como el
aceite mineral y los dímeros y trímeros de la reacción. La segunda etapa de enfriamiento
permite recuperar los compuestos livianos que corresponden a la mezcla de agua,
etilbenceno y estireno monómero.
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Figura 2. Devolatilización, sistema de vacío, granulación y empaque.
La planta de poliestireno de Dow Química de Colombia tiene tanques de proceso que
permiten almacenar la mezcla de hidrocarburos y agua para someterla a una primera etapa
de separación física. Mediante la diferencia de densidades se obtienen dos fases
parcialmente diferenciadas: una fase liviana de hidrocarburos y una fase pesada de agua.
Mediante un sistema de control que hace uso principalmente de un sensor de interfase
instalado en el tanque de proceso y una válvula de descarga localizada en el fondo, se drena
el agua de proceso para someterse a distintos métodos de disposición final. El agua de
proceso corresponde a una solución acuosa de hidrocarburos, es decir, una fase continua de
agua que contiene dispersa en pequeñas gotas una fase de hidrocarburos. Esta solución se
12
almacena en tambores cerrados que se ubican en la bodega de la planta. A continuación se
presenta una representación gráfica del tanque de proceso, el sistema de control y el tambor
de almacenamiento de agua de proceso.
Figura 3. Tanque de proceso y tambor de recolección de la solución acuosa de hidrocarburos.
La disposición final de estos subproductos se convierte entonces en un problema adicional
para la planta de poliestireno, que requiere la implementación de alguna medida innovadora
para solucionarlo. La estrategia actual de tratamiento y disposición consiste en incinerar la
solución acuosa en el incinerador utilizado para eliminar ciertos sólidos y volúmenes de
agua residual. Desde el punto de vista económico este procedimiento representa para la
planta un costo considerable. Si la solución no fuera incinerada, la reglamentación
ambiental y en especial el decreto 1594 del 26 de junio de 1984 del Ministerio de
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Agricultura, que reglamenta y regula los diferentes usos del agua y residuos líquidos,
establece un porcentaje de remoción de contaminante de 80% en carga1. La reglamentación
actual sin embargo, no define criterios específicos para el etilbenceno y el estireno.
Teniendo en cuenta que se producen mensualmente 1255.6 Kilogramos de solución acuosa
de hidrocarburos almacenados en 6 tambores, se plantea la alternativa de diseñar y construir
un equipo portátil para la separación física de 205 Kilogramos al días de solución y un
porcentaje de 80% de recuperación como mínimo, separando el agua de proceso del
hidrocarburo a un costo menor que el del procedimiento de incineración.
1 Ref.1. Decreto 1594 de 1984.
14
II. METODOLOGÍA DE SELECCIÓN.
Con el objetivo de identificar rápidamente la tecnología más efectiva para la separación
líquido-líquido es necesario implementar una metodología de selección clara y confiable.
La información extraída de varios artículos de publicación, así como también de los
diferentes proveedores de tecnología de separación y la experiencia de Dow Química de
Colombia permiten establecer lineamientos guías y recomendaciones para llevar a cabo un
acercamiento sistemático para la selección y diseño de separadores líquido - líquido.
La metodología de diseño comienza con la caracterización de la solución de hidrocarburos
y posterior clasificación teniendo en cuenta los cuatro tipos básicos de corrientes de
acuerdo a los resultados de las pruebas de agitación a pequeña escala. Finalmente, se sigue
el procedimiento de decisión y selección del método de separación con el fin de identificar
la tecnología más efectiva para la nueva aplicación.
Figura 4. Metodología de Selección
METODOLOGIA DE SELECCION
Caracterización Shake Test
Clasificación
Tipo I
Tipo II
Tipo III
Tipo IV
Selección de Tecnología
15
1. CARACTERIZACIÓN DE LA SOLUCIÓN ACUOSA.
La solución de alimentación consiste de una mezcla de dos fases formadas por la presencia
de por lo menos dos componentes inmiscibles. La habilidad de caracterizar varias
propiedades de la fase así como también identificar todos sus componentes son necesarias
para entender los requerimientos de separación de fase. Esta caracterización se puede llevar
a cabo a través de mediciones de propiedades físicas aunque otras veces pueden derivarse o
inferirse de datos o información adicional.
Figura 5. Caracterización de la solución.
a. Composición.
La caracterización de la corriente a separar conlleva en primer lugar, la determinación
cualitativa y cuantitativa de los componentes de cada una de las fases. De esta menara es
conveniente realizar pruebas de análisis químico para determinar cuáles son los
hidrocarburos que conforman la fase liviana, en qué proporción se encuentran en la
CARACTERIZACIÓN DE LA SOLUCIÓN
Composición Propiedades Físicas Factores claves
Fase liviana
Fase pesada
Densidad
Viscosidad
TensiónInterfacial
Tamaño de gota
Fase Dispersa Fase continua
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solución y de igual forma establecer los componentes que se encuentran disueltos en la fase
acuosa junto con su composición exacta2.
b. Propiedades físicas.
Las propiedades físicas de interés para cada fase de líquido son la densidad y viscosidad. La
densidad y la viscosidad pueden ser determinadas experimentalmente si se cuenta con una
muestra del sistema de dos fases. La propiedad más importante de la mezcla es la tensión
interfacial que permite obtener información acerca de la compatibilidad de las dos fases y al
mismo tiempo acerca de la mutua solubilidad de los principales componentes de cada fase.
Sistemas que tienen baja solubilidad mutua (y por ende baja compatibilidad) exhiben alta
tensión interfacial. Tales sistemas tienden a presentar gotas de fase dispersa de mayor
tamaño con el fin de alcanzar una mínima área interfacial y por ende el mínimo contacto
entre las fases. Por otra parte, sistemas con alta solubilidad mutua usualmente exhiben baja
tensión interfacial. Estos sistemas forman más fácilmente pequeñas gotas de fase dispersa
debido a que pueden tolerar mayores áreas interfaciales. A medida que la tensión interfacial
disminuye, pequeñas gotas tienden a ser más estables y la separación se vuelve mucho más
difícil de realizar. Si por el contrario, la tensión interfacial aumenta la separación es más
sencilla debido a que las gotas tienden a tener un mayor tamaño3.
2 Ref. 2. Dahuro, Holden, Frank, et al. (1999) 3 Ref. 2. Dahuro, Holden, Frank, et al. (1999)
17
c. Factores claves para la separación.
Cuando dos líquidos inmiscibles están en contacto, uno de los líquidos tiende a dispersarse
en forma de gotas suspendidas en la otra fase. Dos de las principales características de la
dispersión son el tamaño de la gota y la identificación de cuál es la fase continua y la fase
dispersa. La manera en que una dispersión se forma usualmente determina qué fase se
dispersa en la otra y cuál es el tamaño de la gota formada.
Tamaño de Gota
La característica clave de una dispersión es el tamaño de la gota. Este puede variar desde
menos de 1 µm hasta más de 200 µm. Si el tamaño de la gota es mayor que 100 µm,
entonces le mezcla se separará rápida y fácilmente en dos fases diferenciadas (siempre y
cuando la diferencia de densidades sea razonable y la viscosidad no sea muy grande). Este
ejemplo normalmente se conoce como dispersión primaria. Posterior a la separación inicial
para formar la interfase, se visualizan una capa siguiente que permanece turbia debido a la
presencia de gotas de mucho menor tamaño que no llegaron a la interfase. Esta segunda
dispersión se conoce con el nombre de emulsión y consiste normalmente de un gran número
de gotas muy pequeñas con diámetro menor a 10 µm. La separación de esta segunda
dispersión ocurrirá a una velocidad mucho menor debido a la presencia de estas pequeñas
gotas. Si la tensión interfacial entre fases es baja y el tamaño de de gota es pequeño, se
formará una emulsión estable. También, si la diferencia de densidades entre las fases es
baja, la estabilidad de la emulsión se incrementará debido a que la fuerza motriz
gravitacional para la separación de las fases disminuye4.
4 Ref2. Dahuro, Holden, Frank, et al. (1999)
18
¿Cuál es la fase dispersa?
La determinación de qué fase está dispersa en la otra depende de dos factores principales: la
razón volumétrica de las dos fases y la manera física en la que las fases son puestas en
contacto. Una forma sencilla de determinar la fase dispersa es medir la proporción de cada
fase en la mezcla total. Aquella fase que se encuentre en menor proporción o concentración
será la que presente tendencia a dispersarse en la otra. Cuando se manejan dispersiones de
agua en hidrocarburos se pueden identificar dos tipos: una de agua en hidrocarburo, cuando
el agua se encuentra en menor proporción y es la fase dispersa (hidrocarburo será la fase
continua); aquella que es hidrocarburo en agua se presenta cuando la fase acuosa es la que
se encuentra en una mayor concentración y la fase de hidrocarburo se dispersa en pequeñas
gotas en su interior.
Figura 6. Continuación caracterización de la solución.
CARACTERIZACION DE LA SOLUCION
Condicionesde operación
Otras propiedades Prueba de Agitación
Temperatura
Proporción entre fases
Sólidos Totales
Diámetro departícula
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d. Condiciones de operación.
La temperatura y la proporción entre las fases son parámetros importantes de operación.
Como se mencionó en la sección anterior la fracción volumétrica de las fases puede
determinar cuál de las dos fases está dispersa en la otra. De igual forma tiene gran
influencia en la velocidad de separación en la medida de que las gotas dispersas se unan
rápidamente. Teniendo en cuenta esta información se puede afirmar que la proporción entre
fases tiene una fuerte influencia en el desempeño de la separación líquido-líquido. En
muchas ocasiones sistemas de dos fases con concentraciones de fase dispersa menores al
20% tienen bajas eficiencias de separación con los métodos convencionales. Por otra parte,
altas temperaturas pueden favorecer la velocidad de separación debido a una reducción en
la viscosidad5.
e. Otras propiedades de la dispersión.
La presencia de sólidos suspendidos en el sistema de dos fases o en la dispersión a analizar
puede disminuir la eficiencia de la separación e incluso afectar el funcionamiento del
equipo. La determinación del contenido de sólidos, así como también, la distribución de
tamaño de partícula de los mismos, permitirá determinar si es necesario o no implementar
un sistema de pretratamiento antes de llevar a cabo la separación de las fases con el fin de
eliminar cualquier material particulado o sedimento incrementando la eficiencia del
siguiente separador. De igual forma, el pH del sistema de dos fases es una variable
importante ya que determinará el tipo de material compatible con el nivel de acidez o
5 Ref. 2. Dahuro, Holden, Frank, et al. (1999)
20
alcalinidad que maneje la dispersión, repercutiendo notablemente en su funcionamiento y
costo de adquisición.
f. Prueba de Agitación.
La prueba de agitación o “Shake Test” es una prueba cualitativa que da una primera
indicación acerca de la dificultad de separación y de cuál sería el tipo de equipo más
adecuado para llevar a cabo la separación líquido-líquido. La prueba consiste en agitar por
varios minutos una muestra representativa del sistema de dos fases que se encuentra al
interior de un cilindro graduado y sellado, y medir el tiempo requerido que se necesite
obtener una interfase totalmente clara y dos fases completamente diferenciadas6.
2. CLASIFICACIÓN DE LA SOLUCIÓN.
A continuación se presenta la lista de los sistemas de fase a considerar según el
comportamiento en la prueba de agitación. Una clasificación de cuatro diferentes tipos de
soluciones posibles está organizada en la tabla 1.
6 Ref. 2. Dahuro, Holden, Frank, et al. (1999)
21
Tipo Observación Tensión Interfacial
Diferencia de densidades
Viscosidad de cada fase
Presencia de sólidos
I5 minutos o menospara obtener dosfases
Moderada a alta. > 10 dynes/cm. ∆ρ > 0,1 g/cm3 µ < 10 cP Despreciable
II 10 - 15 minutos paraobtener dos fases
Moderada. 5-10 dynes/cm.
∆ρ > 0,1 g/cm3 µ < 10 cP Despreciable
IIIDespues de 15 minlas fases no se hanseparado
Baja a moderada. 2 -10 dynes/cm. ∆ρ > 0,05 g/cm3 µ < 100 cP
Baja concentración
IV a
Emulsión Estable.Despues de una horalas fases no se hanseparado.
Baja a alta ∆ρ > 0,1 g/cm3 µ > 100 cP en una de las fases
Despreciable
IV b
Emulsión Estable.Despues de una horalas fases no se hanseparado.
Baja. < 2 dynes/cm. ∆ρ > 0,1 g/cm3 µ < 100 cP Despreciable
IV c
Emulsión Estable.Despues de una horalas fases no se hanseparado.
Baja a alta ∆ρ < 0,05g/cm3 µ < 100 cP Despreciable
IV dEmulsión Estable con presencia desurfactantes.
Baja ∆ρ > 0,1g/cm3 µ < 100 cP
Sólidos y surfac-tantes suficien-tes para estabi-lizar la emulsión
Tabla 1. Tipos de sistemas de fase a considerar según la prueba de agitación7.
7 Ref. 2. Dahuro, Holden, Frank, et al. (1999)
22
3. SELECCIÓN DE TECNOLOGIA.
A continuación se presenta el árbol de decisión y selección para la separación líquido-líquido.
La metodología propuesta es producto de la experiencia de todas las plantas de Dow Química
en el mundo así como de las recomendaciones de cada uno de los proveedores de tecnología de
separación y artículos de publicación. Los principales criterios de selección corresponden a la
concentración de la fase dispersa y el diámetro promedio de las gotas de la fase dispersa8.
8 Ref. 2. Dahuro, Holden, Frank, et al. (1999)
SEPARACION DE DISPERSIONES
Concentración Fase Dispersa> 30% Volumen
SI
Concentración Fase Dispersa> 15 %
Separador de Platos
NO
Concentración Fase dispersa>5%
NO
Gotas > 200 µm
SI
Gotas < 25 µm
SI NO
Centrífuga
NO SI
Gotas > 25 µm SI
Coalescedor
NO
¿ Espacio Disponible ?
SI
NO
Decantador porGravedad
SI
Gotas < 25 µm
Decantador porGravedad
SI
Separador por GravedadY Equipo Adicional
NO
Gotas > 25 µm
Coalescedor
Separador de Platos
SI
NO
Figura 7. Selección de tecnología de separación.
23
III. RESULTADOS.
La metodología de selección analizada en el capítulo anterior sugiere una serie de pruebas
experimentales para llevar a cabo la caracterización de la solución acuosa de hidrocarburos.
Cada uno de los procedimientos se llevó a cabo en los laboratorios de la planta de
poliestireno de Dow Química de Colombia en la ciudad de Cartagena y en el Centro de
Investigaciones en Ingeniería Ambiental CIIA en la ciudad de Bogotá. Los resultados
obtenidos se presentan a continuación:
1. CARACTERIZACIÓN DE LA SOLUCIÓN ACUOSA.
a. Composición.
La caracterización de la corriente a separar conlleva en primer lugar, la determinación
cualitativa y cuantitativa de los componentes de la fase continua y la fase dispersa. Para tal
fin se llevaron a cabo análisis de cromatografía de gases y espectrometría de masas. El agua
de proceso de la fase pesada así como también el hidrocarburo de la fase liviana
corresponde a las muestras utilizadas para llevar a cabo todos los procedimientos. La
determinación cualitativa y cuantitativa de los componentes del sistema a separar se llevó a
cabo separadamente para cada fase.
Compuestos en fase liviana de hidrocarburos
El laboratorio de calidad continuamente analiza cualitativa y cuantitativamente todos los
hidrocarburos que intervienen en el proceso de producción de poliestireno. De esta manera
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todos los laboratorios de las distintas plantas de producción de polímeros en el mundo,
cuentan con una gran información acerca de la fase liviana de hidrocarburos que se conoce
comúnmente como la solución de recirculado o de líquido de sellos. El nombre varía
dependiendo de la localización de los tanques donde se encuentre el hidrocarburo. Después
de un análisis detallado y profundo del proceso de producción y en especial de la reacción
de polimerización de poliestireno a lo largo de más de cuarenta años, Dow Química de
Colombia tiene como patrón de la solución de recirculado aquella con la siguiente
composición:
Los análisis de las muestras de recirculado se comparan con el patrón presentado
anteriormente mediante análisis de cromatografía de gases en el equipo MULTISIZER
BECKMAN COULTER9.
9 El equipo es propiedad de Dow Química de Colombia y se encuentra en el laboratorio de la planta de poliestireno STYRON bajo la dirección del técnico Fernando Gallego.
Compuesto Concentración % másicoTolueno 0,40%Etilbenceno 39,60%Estireno 53,41%Isopropilbenceno 1,00%n-propilbenceno 2,00%α-metil estireno 0,59%Agua 3,00%
Tabla 2. Composición fase liviana de hidrocarburos
25
Presencia de Compuestos orgánicos en muestras de agua de proceso
Se analizaron dos muestras de agua de proceso, con el objetivo de establecer la presencia de
compuestos orgánicos presentes en las mismas.
Para la preparación de las muestras se tomaron 100 ml de agua de proceso y se transfirieron
a frascos de vidrio ámbar de 110 ml sellados empleando un septum de teflón/silicona
(grado cromatográfico) y una grapa de aluminio. La muestra se colocó en un baño de agua
a 50˚C durante 20 minutos. Transcurrido este tiempo, se realizó la extracción de los
compuestos orgánicos en la muestra utilizando la microextracción en fase sólida (SPME),
con una fibra de 75 µm de Carboxen/Polidimetilsiloxano (PDMS). El dispositivo SPME se
dejó expuesto durante 20 minutos.
El análisis se realizó en el cromatógrafo de gases HP6890 Series II, dotado con un puerto
de inyección split/splitess, una columna SPB-624 (6% Cinanopropilfenil – 94%
dimetilsiloxano copolímero), de 60m por 0.32mm (diámetro interno) por 1.85 µm (espesor
de la fase estacionaria) y un detector selectivo de masas (MSD) HP 5972 A operado en el
modo de barrido total (full scan). La línea de transferencia y la cámara de ionización se
mantuvieron a 280˚C y 170˚C, respectivamente y un rango de masas, m/z = 30-600. La
programación de temperatura del horno seleccionada fue 45˚C a 5˚C/min. hasta 250˚C. La
fibra con los analitos absorbidos durante el período de extracción fue expuesta en puerto de
inyección operado en el modo splitless (250˚C).
El análisis de los compuestos en la fase pesada (agua) supone la presencia de por lo menos
aquellos compuestos presentes en la fase liviana de hidrocarburos. Se esperaba que todos
26
estuvieran disueltos en alguna concentración y de igual forma no sería sorpresiva la
aparición de compuestos adicionales que no concuerdan con el patrón pero que debido a
múltiples variaciones en las condiciones de operación pueden dar lugar a la creación de
otros subproductos. En los resultados obtenidos durante el análisis por cromatografía de
gases de las muestras de agua se observan varias señales que corresponden a compuestos
orgánicos presentes en las muestras.
Compuesto Concentración mg/LTolueno 1,02Etilbenceno 30,3Estireno 139,29Isopropilbenceno 8,78n-propilbenceno 2,63α-metil estireno -
Tabla 3. Composición fase pesada Agua.
El agua de proceso de las muestras de Dow Química de Colombia presenta una concentración
total de 182.02 miligramos por litro o 182.02 partes por millón de compuestos orgánicos
volátiles VOCs. El cromatograma se presenta a continuación:
27
Adicionalmente se realizó la identificación de los compuestos que no se encuentran
presentes en el estándar. La identificación de los compuestos se realizó por comparación
con el espectro de masas obtenido durante el análisis y la biblioteca WILEY275. Los picos
presentes en las muestras que se lograron identificar se encuentran en la tabla siguiente:
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65
6.24
7.39
9.98
10.3
011
.68
15.1
5 17.4
9
33.6
8
46.7
6
57.3
8
n-P
ropi
lben
cenoIs
opro
pilb
ence
noE
stire
no
Etil
benc
eno
Tolu
eno
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 655 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65
6.24
7.39
9.98
10.3
011
.68
15.1
5 17.4
9
33.6
8
46.7
6
57.3
8
n-P
ropi
lben
cenoIs
opro
pilb
ence
noE
stire
no
Etil
benc
eno
Tolu
eno
Figura 8. Cromatograma de la muestra de agua de proceso.
28
Tiempo de retención (min) Compuesto Pureza (%)
6,24 Isobuteno 72
7,4 Metilester del ácido fórmico 74
9,98 Acetona 72
10,31 Alcohol Isopropílico 64
11,68 Alcohol Terbutílico 78
15,16 Metilciclopentano 86
17,49 Ciclohexano 91
33,68 1,4 -Dimetilbeceno 95
36,62 1,2,3,5 - Tetrametilciclohexano 91
42,48 Benzaldehido 97
46,76 Fenol 91
57,38 No identificado -
Tabla 4. Compuestos adicionales identificados en agua de proceso. .
b. Propiedades físicas.
A continuación se presentan los resultados correspondientes a las mediciones de densidad y
viscosidad de cada una de las fases. Las determinaciones experimentales de las propiedades
físicas claves se llevaron a cabo en las instalaciones de los laboratorios de poliestireno,
agroquímicos y polioles del site de Cartagena de Dow Química de Colombia. La tensión
interfacial no se encontró experimentalmente debido a la dificultad para su determinación;
en cambio, se utilizaron las referencias teóricas y la experiencia de las plantas de proceso
de poliestireno en todo el mundo para identificar dentro de una base de datos la
información correspondiente a esta propiedad. Estos son los resultados:
29
ρ fase liviana hidrocarburo 0,879 g/cm3ρ fase pesada agua 0,987 g/cm3µ fase liviana hidrocarburo 3,105 cStµ fase pesada Agua 1,699 cSt
Propiedades Físicas Claves
Tabla 5. Propiedades físicas de ambas fases
c. Factores claves para la separación.
A continuación se presentan los resultados de la determinación de los factores claves que
influyen en el desempeño del equipo separador. Teniendo en cuenta que la concentración
de hidrocarburo en el agua es de 1% a 10% podemos afirmar que la fase dispersa es el
hidrocarburo y que la fase continua corresponde al agua de proceso.
Fase Dispersa HidrocarburoFase Continua AguaConcentración fase dispersa 1% - 10% máximo
Factores que controlan el desempeño
Tabla 6. Factores que controlan el desempeño de la separación.
d. Condiciones de operación.
La temperatura de operación a la que se encuentra el tanque de proceso y por ende el agua
de proceso que constituye la solución acuosa de hidrocarburos a analizar es de 25˚C. De
acuerdo a los resultados de los factores claves que controlan el desempeño de la separación
se puede afirmar que la proporción entre las fases es de 9: 1 para el agua y el hidrocarburo
respectivamente.
30
e. Otras propiedades de la dispersión.
Los resultados correspondientes a otras propiedades de la dispersión tales como el tamaño
de la gota, la concentración de sólidos totales y el diámetro medio de partícula se
obtuvieron a partir de la información suministrada por expertos en la tecnología de
separación de Dow Química y empresas especializadas en la determinación de distribución
de tamaño de partícula. La concentración de sólidos en la muestra es de 110 partes por
millón con un diámetro de partícula de 69 µm. Teniendo en cuenta este resultado podemos
afirmar que la concentración de sólidos en el agua de proceso es despreciable y no es
necesario un sistema de pretratamiento para eliminar el material particulado.
Tamaño de gota > 200 µmConcentración sólidos totales 110 mg/LDiámetro medio de partícula 68,83 µm
Otras propiedades de la dispersión
Tabla 7. Otras propiedades de la dispersión
f. Prueba de Agitación.
La prueba de agitación para la solución acuosa de hidrocarburos arrojó un tiempo de
separación de tres minutos y once segundos a partir de los cuales pudo identificarse dos
fases completamente diferenciadas y una interfase clara. La prueba se realizó en el
laboratorio de poliestireno de Dow Química de Colombia S.A. en la ciudad de Cartagena.
31
2. CLASIFICACIÓN DE LA SOLUCIÓN.
Los resultados de clasificación de la solución según la metodología sugerida por Dow
Química describen al desecho como una solución tipo I de acuerdo a la siguiente
información:
Observación del Shake test < 5 minTensión Interfacial > 10 dynes/cmDiferencia de Densidades ∆ρ > 0,1 g/cm3Viscosidad de cada fase µ < 10 cP
Solución tipo I
Tabla 8. Clasificación según los resultados de prueba de agitación.
3. SELECCIÓN DE LA TECNOLOGÍA.
Según la experiencia de las plantas de proceso de Dow Química, las referencias teóricas y
las sugerencias de varios de los proveedores de tecnología de separación, la selección del
método de separación líquido-líquido, depende no solo del tipo de solución sino también de
las proporciones de cada fase y el tamaño de cada gota.
De acuerdo a los resultados obtenidos en la caracterización del desecho y en la prueba de
agitación a pequeña escala, se selecciona el método de coalescencia siguiendo el diagrama
de selección y decisión de método que se presenta de forma abreviada a continuación:
32
Figura 9. Diagrama de selección del método de separación10.
10 Ref. 2. Dahuro, Holden, Frank, et al. (1999)
33
IV. MECANISMO DE COALESCENCIA.
La coalescencia es el fenómeno de formación y crecimiento de gotas de mayor tamaño a
partir de gotas pequeñas dispersas y suspendidas en una corriente de fluido.
Los facilitadores de coalescencia que se emplean comúnmente en los procesos de
separación corresponden a lechos formados por fibras porosas delgadas y entrecruzadas
desordenadamente que capturan las gotas dispersas y las liberan solamente después de
haber coalescido a gotas más grandes11. El lecho está constituido por varias capas de medio
filtrante cuyos diámetros de poro aumentan progresivamente a medida que el fluido
atraviesa el medio y las gotas de la fase dispersa son cada vez de mayor tamaño12. Las
dimensiones del poro comienzan con una estructura muy fina y luego se convierten en 11 Ref 3. Magiera, 1997. 12 Ref 4. Wines, 2005.
Figura 10. Mecanismo de Coalescencia
34
poros más grandes con espacios vacíos par alas gotas coalescidas. En la primera zona de
coalescencia, la dispersión de entrada contiene gotas finas, en el rango de tamaño de 0.2-50
micrones, hasta transformarse en una suspensión de gotas grandes de 500-5000 micrones.
Una vez el fluido abandona el material las fases dispersa y continua son fácilmente
separables.
Los materiales que se utilizan frecuentemente para llevar a cabo la coalescencia de gotas
dispersas a gotas de mayor tamaño y lograr la separación de las fases son la fibra de vidrio,
algunos metales, polímeros como el nylon, poliacrilonitrilo, polipropileno y algunas
ocasiones fluoro polímeros. Sin duda los materiales poliméricos son de gran utilización y
aceptación debido a que pueden soportar fuertes ataques químicos en un rango amplio de
temperaturas. De igual forma, presentan una alta impregnabilidad y la facilidad para formar
fibras de diámetros de menor tamaño lo que aumenta la eficiencia global de separación.
Figura 11. Coalescencia a través de medio filtrante
35
Figura 12. Etapas del mecanismo de coalescencia. Cuando se utilizan un medio fibroso, la probabilidad de que una gota colisione con una
fibra es normalmente mayor en comparación con la probabilidad de que esta colisione y
calezca con otra gota dispersa en la corriente de alimentación. Si la gota es retenida en
alguna fibra después de la colisión, esta puede moverse a lo largo de la fibra o moverse
sobre otras fibras y unirse con otras gotas retenidas. La retención depende ya sea del
atropamiento de la gota, o de la habilidad de la gota para humedecer la fibra
preferencialmente. Teniendo en cuenta el enunciado anterior el mecanismo de coalescencia
puede ser descrito por las siguientes etapas:
• Adsorción de las gotas a la fibra
• Translación de las gotas a las intersecciones de las fibras por el seno del fluido.
• Coalescencia de dos gotas para formar una gota mas grande
36
• Coalescencia repetida de pequeñas gotas hasta grandes gotas en las intersecciones de las
fibras.
• Liberación de las gotas de las intersecciones de las fibras debido al incremento en el
arrastre del seno del fluido.
• Repetición de los pasos anteriores con porosidades del medio progresivamente mayores
para obtener gotas más grandes.
Las fuerzas que controlan la adsorción de las gotas a las fibras del coalescedor pueden ser
electrostáticas o fuerzas de London van der Waals. Las fuerzas de van der Waals se dan por
la formación de dipolos instantáneos. Como los electrones van cambiando su posición en la
molécula, la distribución de la densidad de carga forma dipolos instantáneos, y así parte de
una molécula atrae a parte de otra con carga instantanea de signo contrario (o repele a la de
igual signo)13.
Por otra parte podemos analizar el desempeño de la coalescencia debido a la influencia de
varios factores. En primer lugar las propiedades superficiales específicas de las fibras
determinan la adsorción y liberación final de las gotas coalescidas; por lo tanto es necesario
un material con una alta impregnabilidad. En segundo lugar, el diámetro de las fibras y la
longitud de las zonas porosas determinan el área de adsorción; de esta manera es necesario
un material con mayor área superficial por unidad de volumen que se obtiene con diámetros
menores. Finalmente el tercer factor que influye en el desempeño de la coalescencia es el
13 La polaridad de una molécula está determinada por la presencia de electrones móviles fáciles de desplazarse. Estos electrones se encuentran sobre todo en los derivados aromáticos y los compuestos que tengan dobles enlaces conjugados.
37
gradiente de porosidad a medida que la corriente de solución atraviesa el medio filtrante de
material; se necesita un material que permita crear fibras con diámetros en amplios rangos
con el fin de emplearse en la mayoría de las aplicaciones de separación14.
14 Ref 3. Magiera, 1997.
38
V. TECNOLOGÍA DE SEPARACIÓN.
Una vez fue seleccionado el mecanismo de coalescencia como el método más efectivo para
llevar a cabo la separación del hidrocarburo de la solución acuosa, el siguiente paso fue
asesorarse de la compañía líder en el mundo en tecnología de filtración y separación de
fases. PALL Corporation ®, es el proveedor de la tecnología con mayor eficiencia y
capacidad para remover contaminantes que aquellos proveedores de técnicas de separación
convencional. PALL ha sido reconocida por su alto grado de control de producto y
protección de los equipos de separación.
Una vez la etapa de caracterización y selección del método fueron finalizadas, se llevaron a
cabo una serie de reuniones con los ingenieros de producto de PALL Corporation con el
objetivo de discutir acerca de la aplicación particular de la planta de poliestireno.
Teniendo en cuenta la experiencia de la compañía en aplicaciones similares PALL
Corporation, líder mundial en tecnología de separación, filtración y purificación provee su
experiencia técnica para realizar la construcción de un sistema vertical multietapa
conformado por un elemento coalescedor de diseño patentando y material fluoro
polimérico, seguido de un elemento separador de naturaleza hidrofóbica y material
polimérico.
39
Figura 13. Esquema general sistema de separación multietapa.15
El sistema contiene un cartucho coalescedor encima de un cartucho separador de barrera
hidrofóbica. El fluido entra por la parte de arriba de la carcasa y fluye radialmente desde el
interior hacia el exterior del cartucho coalescedor ocasionando el crecimiento de las gotas
dispersas hasta grandes gotas en la corriente de salida. Las gotas coalescidas fluyen
axialmente hacia a bajo con el fluido convectivo y atraviesan las fibras del separador
hidrofóbico que repele la corriente acuosa.
15 Ref 5. DEL GIUDICE, BALOUET (1999)
40
Figura 14. Sistema de Separación vertical multietapa
El elemento coalescedor corresponde a un cartucho Phase Sep ® Coalescer de tecnología
patentada PALL Corporation, construido con un soporte central de acero inoxidable y
fibras de material fluoropolimérico que proporcionan una estructura porosa fina de 14 µm.
Sus dimensiones características son 6 in para la longitud nominal y 2 ¾ in para el diámetro
nominal. El elemento separador corresponde a un cartucho Phase Sep ® Separador de
tecnología patentada construido con fibras de material polimérico de naturaleza hidrofóbica
y dimensiones aproximadas de 6 in para la longitud nominal y 2 ¾ in para el diámetro
nominal.
41
Figura 15. Cartucho coalescedor Phase Sep® Coalescer.
Figura 16. Cartucho separador Phase Sep® Separador.
42
Las principales ventajas del sistema de separación vertical multietapa se basan en primer
lugar en su diseño sencillo y fácil de instalar, en segundo lugar su alta eficiencia de
separación que garantiza una concentración de hidrocarburo en el agua de salida menor a
15 ppm frente a una concentración de 182 ppm a la entrada (eficiencia del 92%). De igual
forma se requiere poco espacio para el montaje lo que garantiza su instalación en cualquier
lugar de la planta sin importar la ubicación de los tanques de proceso y finalmente, pero no
menos importante la vida útil de los cartuchos de dos años aproximadamente lo que reduce
notablemente los costos de adquisición y de operación.
Para la elaboración de la carcasa se siguieron las recomendaciones de los modelos y
montajes de las aplicaciones existentes de PALL para coalescencia de pequeños flujos y se
adecuó al proceso particular de la planta de poliestireno. El material de construcción será
acero inoxidable, que garantice total resistencia a cualquiera de los componentes que hacen
parte del sistema a separar. La carcasa está constituida por un recipiente cilíndrico de
fondo cónico y una tapa que se coloca en la parte superior. El fondo del recipiente cuenta
con tubo de acople donde se coloca el cartucho separador y por donde se drena el contenido
de hidrocarburo y adicionalmente, una abertura localizada en uno de los extremos del fondo
por la cual se drena el agua separada después de atravesar el equipo. La tapa presenta una
abertura en la parte superior que comunica la alimentación con el interior del recipiente. Un
tubo para acople instalado al respaldo de la tapa permite asegurar el cartucho coalescedor
de tal forma que se facilite el montaje del sistema de separación durante las tareas de
reemplazo de cartuchos o limpieza de los mismos. El esquema se presenta a continuación:
43
Figura 17. Carcasa del sistema de separación multietapa.
44
Figura 18. Vistas ortogonales y corte y sección de la carcasa del sistema coalescedor.
45
VI. EVALUACIÓN ECONÓMICA DEL PROYECTO.
La evaluación del proyecto consiste en comparar las alternativas actuales de disposición y
tratamiento del desecho con las nuevas alternativas que surgen a través de la
implementación de la metodología de selección e identificación de tecnología de
separación. De esta manera se realizará una comparación de los montos por concepto de
gasto de incineración, la primera alternativa, y aquellos montos por concepto de
implementación del sistema de separación vertical multietapa.
1. PROCEDIMIENTO DE INCINERACIÓN.
Ingeambiente del Caribe, compañía localizada en la ciudad de Cartagena sería la encargada
de prestar el servicio de incineración del agua de proceso de la planta de poliestireno de
Dow Química de Colombia. Los precios por concepto de incineración se presentan a
continuación:
Descripción del Servicio Condiciones Vr Unitario
($/Kg)Con transporte 1300
Sin transporte 1100
Incineración y disposición final de cenizas resultantes en
celda de seguridad
Tabla 9 Costos de Incineración
46
Teniendo en cuenta una producción anual de 15.12 toneladas de solución acuosa de
hidrocarburos se estima que si se escoge a la incineración como la alternativa para realizar
la disposición final del residuo, la planta de poliestireno incurriría en un gasto anual de diez
y nueve millones seiscientos cincuenta mil pesos ($19’650,000).
2. SISTEMA VERTICAL MULTIETAPA.
La implementación de la nueva alternativa de separación que corresponde al montaje del
sistema conformado por los cartuchos coalescedor y separador requiere en primer lugar de
la compra de cada uno de los componentes así como también de la construcción de la
carcasa. A continuación se presentan los costos correspondientes a la adquisición de los
cartuchos y a la compra de materiales y mano de obra necesaria para la elaboración de la
carcasa en acero inoxidable.
Descripción Cantidad Valor
Coalescedor 1 $1'200,000
Separador 1 $1'200,000
Carcasa en Acero Inoxidable 1 $1'600,000
Tabla 10. Costos del Sistema de separación multietapa
Teniendo en cuenta la tabla 10, podemos afirmar que para el primer año la planta de
poliestireno realizaría una inversión inicial de cuatro millones de pesos ($4’000,000). Sin
embargo es necesario tener en cuenta que los cartuchos tienen una vida útil de dos años. De
esta manera la estimación de costos requiere analizar la implementación del proyecto en un
período de tiempo mayor a un año con el fin de contemplar los costos de mantenimiento
47
por concepto de reemplazo de los cartuchos obsoletos. Con el objetivo de generar una
mayor claridad en la comparación de las alternativas de inversión se realizan dos diagramas
de flujo para un período de tiempo de 6 años en los que se analizan los egresos de cada uno:
A partir de la información anterior se puede afirmar que la segunda alternativa de
disposición y tratamiento del residuo es la más favorable desde el punto de vista financiero
ya que representa para la planta de poliestireno un gasto considerablemente menor frente la
alternativa de incineración. De igual forma, la segunda alternativa es también viable desde
el punto de vista ambiental ya que realmente se está realizando un proceso de separación y
INCINERACIÓN
SISTEMA COALESCEDOR - SEPARADOR
Año 0 1 2 3 5 64
19.65 19.65 19.65 19.65 19.65 19.65
Año 0 1 2 3 4 5 6
4.02.4 2.4
Tabla 11. Diagramas de flujo para cada una de las alternativas de inversión
48
no simplemente transformando un contaminante de una fase líquida a una fase gaseosa
como ocurre con el procedimiento de incineración.
VII. CONCLUSIONES.
Se identificó una oportunidad de implementación de tecnología innovadora para optimizar
el proceso de producción de poliestireno y de esta manera reducir la emisión de
contaminantes a la atmósfera al mismo tiempo que se reducían gastos por tratamiento y
disposición de residuos.
El procedimiento de caracterización de la solución acuosa de hidrocarburos permitió
clasificarla como una solución tipo I y de esta manera realizar una correcta selección del
método de coalescencia para realizar la separación del agua y el hidrocarburo.
La eficiencia de separación es del 91.75 % frente a un 80 % definido de manera
preliminar. La eficiencia de separación es garantizada por PALL Corporation que asegura
el éxito del sistema de separación a través de su experiencia y aplicación en problemas
similares.
El mecanismo de coalescencia fue estudiado con un nivel de profundidad adecuado para
entender cada una de las etapas que tenían lugar al interior de los cartuchos de medio
filtrante.
49
Se diseñó y se implementó un plan de construcción para un sistema vertical multietapa
conformado por un coalescedor hidrofóbico de material fluoro polimérico y un elemento
coalescedor de material polimérico y naturaleza hidrofóbica. El equipo diseñado se
caracteriza por ser innovador y eficiente convirtiéndose en una alternativa llamativa para
ser implementada en varias de las plantas de poliestireno de Dow Química alrededor del
mundo donde se presenta el mismo problema de disposición de desechos. De igual forma
presenta un balance costo desempeño favorable.
50
VIII. RECOMENDACIONES.
Realizar la finalización de la etapa de construcción y posterior evaluación del desempeño
del equipo para comparar los resultados esperados según el proveedor y los resultados
experimentales obtenidos de la operación del equipo.
Realizar el escalamiento del equipo para manejar un volumen mayor de solución acuosa de
hidrocarburos.
Determinar la viabilidad técnica y económica de la instalación del sistema de separación
multietapa a la descarga de los tanques de recirculado y de líquido de sellos como
soluciones al final del proceso.
51
IX. REFERENCIAS.
1. “Vertimientos de Residuos Líquidos”, Decreto 1594 del 26 de Junio de 1984. Capítulo IV, Artículo 72. Ministerio de Agricultura.
2. DAHURON, HOLDEN, FRANK & PRINCE: “Liquid –Liquid phase separation:
Literature review and recommended selection method”. The Dow Chemical Company, May 1999.
3. MAGIERA, Robert (1997): “Separation of Liquid-Liquid Dispersions by Flow
Through Fibre Beds”, Liquid-Liquid Separation, Filtration & Separation, May 1997, Pg. 369.
4. WINES, Thomas H. (2005): “Improve Contaminant Control in Ethylene Plants”,
Hydrocarbon Processing, April, 2005.
5. DEL GIUDICE, BALOUET (1999) “Pall Corporation’s PhaseSep Liquid / Liquid Coalescer System Removes Pyrolysis Gasoline from Quench Water”, PALL Corporation, March 1999.
6. SPETH, PFENNIG, CHATTERJEE & FRANKEN (2002): “Coalescence of
secondary dispersions in fiber beds”, Separation and Purification Technology, Elsevier Science, 2002.
7. MAGDICH, Paula. S. F.: “The Removal of oil from oil-water mixtures using
selective oil filtration”, Department of Civil and Mineral Engineering, University of Minnesota.
8. WINES, Thomas H. (1996): “Minimizing Liquid Contaminants in Natural Gas
Liquids”, Hydrocarbon, Chemical, Polymer Group, PALL Corporation, March 1996.
9. LI, Jingquan (2004). “Coalescence of oil-in-water emulsions in fibrous and granular
beds”, Separation and Purification Technology, May 2004.
19.65 19.65 19.65 19.65 19.65 19.65 Año 0 1 2 4 6 INCIN
Año 0 1 2 3 5 3 4 5 6 4.0 2.4 2.4