Evaluación técnico-económica de alternativas de optimización y mejoras al circuito de enfriamiento de los reactores de síntesis de poliestireno expandible de la empresa Styropek Chile SpA

Abstract

Styroepk Chile SpA. es una empresa dedicada a la producción de poliestireno expandible. Cuenta con dos reactores de polimerización de 24 m3 los cuales poseen una chaqueta que permite enfriar o calentar los reactores según requiera el proceso. Actualmente la empresa presenta dificultades operaciones en el circuito de enfriamiento tales como un excesivo desgaste en los accesorios de la torre de enfriamiento y un aumento en el consumo de agua de enfriamiento. Además, se requiere evaluar un plan para aumentar su producción debido a un incremento en la demanda de poliestireno expandible. En vista de estos requerimientos, el siguiente escrito tiene el objetivo de proponer alternativas que permitan disminuir el consumo de agua de enfriamiento, aumentar la producción y disminuir la frecuencia en la mantención de los equipos y accesorios del circuito de enfriamiento. Este trabajo inicia con un diagnóstico que permite evidenciar oportunidades de mejora en el circuito de enfriamiento para los reactores sintetizadores de poliestireno expandible R-302 y R-303. Con base en el análisis realizado, se detectaron tres principales oportunidades de mejora: mala calidad del agua de enfriamiento, la torre de enfriamiento recibe agua cuya temperatura supera la temperatura que soportan los accesorios de la torre y la pérdida de agua debido al rebalse de la piscina de la torre de enfriamiento. En este escrito se detalla la aplicación de las propuestas, se realizan predicciones a través de modelos matemáticos que permitan analizar el efecto de estas, así evaluar su factibilidad técnica y se evaluarán económicamente las propuestas, con el fin de determinar la factibilidad de llevar a cabo las alternativas propuestas. En el diagnóstico realizado, se detectó una alta dureza en el agua del circuito de enfriamiento, identificando una elevada concentración de sales de calcio y magnesio, lo que provoca incrustaciones en las tuberías y chaquetas de los reactores. Estas incrustaciones influyen negativamente al disminuir el coeficiente global de transferencia de calor, de la chaqueta del reactor, provocando un incremento en el consumo de vapor durante el calentamiento del reactor y un aumento en el tiempo de enfriamiento. Además, la vida útil de accesorios de la torre y del circuito de enfriamiento se ven disminuida producto de la obstrucción, corrosión y desgaste excesivo que provocan las incrustaciones. Por lo anterior, se propone realizar una limpieza química al circuito para disminuir las incrustaciones, lo que mejoraría el coeficiente global de transferencia de calor y permitirá sustituir tanto el agua del circuito, como el agua de abastecimiento por otra con baja concentración de sales de calcio y magnesio. Para esto, se estudia la opción de utilizar agua ultrapura proporcionada por la planta de ósmosis inversa de BASF o adquirir un ablandador de agua. Adicionalmente, se determinaron los requerimientos del proceso de ablandamiento a través del dimensionamiento de un equipo y se contrastaron con el equipo cotizado en la empresa Cotano. El ablandador dimensionado mide 1,3 m de alto y 0,2 m de diámetro, trata un caudal de 0,6 m3/h, opera con 21 L de resina fuertemente ácida de ciclo sódico y es capaz de ablandar 3 m3 de agua antes de regenerarse con 5 kg de NaCl. Al comparar con el equipo cotizado, se concluye que este último cumple con requisitos del proceso de ablandamiento. En cuanto al análisis económico de ambas opciones de tratamiento hídrico, se concluye que la alternativa más rentable es utilizar agua ultrapura proporcionada por BASF. Al realizar dicha propuesta se espera disminuir el tiempo de enfriamiento de los actuales 105 minutos a 72 minutos, el cual es un tiempo alcanzado anteriormente cuando se presentaba un mejor coeficiente global de transferencia de calor, lo que aumentaría la producción de big bags (saco en donde se embala el producto) a 1450 big bags anuales equivalente una producción un 7% mayor. Se proyecta un VAN de 143.000 USD (horizonte de evaluación de 12 meses en todas las propuestas) y una TIR de 90%. De esta forma, se estima que la propuesta es rentable. En cuanto a la torre de enfriamiento, al dar inicio al enfriamiento fuerte del reactor la torre recibe agua a 100°C generando deformaciones en los rellenos y corta gotas, esto disminuye su vida útil y afecta la eficiencia de la torre. Ante ello se propone retirar temporalmente este volumen de agua caliente del circuito almacenándola en el estanque R-329. Cuando la temperatura del agua disminuya considerablemente se retornaría a la torre de enfriamiento con la ayuda del control automático, evitando recibir agua a más de 60°C. Con esta medida se aumentaría la vida de los corta gotas en un 50% lo que equivaldría a un ahorro de 4.000 USD/años. Por último, respecto a las pérdidas de agua por rebalse de la piscina detectada, se identifica que esto ocurriría debido a una descarga del agua contenida en el tramo de tubería entre los reactores de la planta y la torre de enfriamiento. Cuando las válvulas T2023A/B y P2020 (ubicadas en la entrada y salida de la planta respectivamente) de ambos reactores se encuentran cerradas, el agua se descarga debido a la diferencia de altura que existe entre la torre de enfriamiento y los reactores. Por esta razón se estudia instalar una válvula de control a la entrada de la torre de enfriamiento que permitiría retener el agua en dicho tramo de tubería. Esta propuesta presentaría una TIR del 1%, un payback durante el mes 13 y un VAN menor a cero. Por lo anterior, se concluye que la propuesta no es rentable, sin embargo, cumple con el objetivo de disminuir el consumo de agua.