repblica bolivariana de venezuela - …200.35.84.131/portal/bases/marc/texto/2101-04-00606.pdf ·...
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REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
UNIVERSIDAD RAFAEL URDANETA
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA
VENEZOLANA DE CLORO
VENCLORO C.A.
INGENIERÍA CONCEPTUAL DE UNA PLANTA DE CLORO-SODA PARA LA EMPRESA VENCLORO C.A.
Trabajo Especial de Grado presentado para optar al titulo de
Ingeniero Químico
Autores:
Br. Enner G. Herrera A.
CI. 15.726.012
Br. José C. Núñez V.
C.I. 14.278.207
Maracaibo, Diciembre 2004
DERECHOS RESERVADOS
REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA
UNIVERSIDAD RAFAEL URDANETA
FACULTAD DE INGENIERÍA
INGENIERÍA CONCEPTUAL DE UNA PLANTA DE CLORO-SODA PARA
Trabajo Especial de Grado presentado para optar al titulo de Ingeniero
Presentado por:
____________________ __________________
Maracaibo, Diciembre 2004
REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
LA EMPRESA VENCLORO C.A.
Químico
Br. Enner G. Herrera A. Br José C. Núñez V.
CI. 15.726.012 C.I. 14.278.207
DERECHOS RESERVADOS
UNIVERSIDAD RAFAEL URDANETA
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA
INGENIERÍA CONCEPTUAL DE UNA PLANTA DE CLORO-SODA PARA
Trabajo Especial de Grado presentado para optar al titulo de Ingeniero
Tutor Académico:
Ing
Tutor Industrial:
Ing. Arnaldo Parra
Maracaibo, Diciembre 2004
LA EMPRESA VENCLORO C.A.
Químico
. Humberto Martínez
3.112.555
DERECHOS RESERVADOS
INGENIERÍA CONCEPTUAL DE UNA PLANTA DE CLORO-SODA PARA
LA EMPRESA VENCLORO C.A.
DERECHOS RESERVADOS
ESTE JURADO APRUEBA EL TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
___________________
Tutor Académico:
_________________ __________________
Director de la Escuela de Ingeniería Química
___________________
Decano de la Facultad de Ingeniería
Maracaibo, Diciembre 2004
“INGENIERÍA CONCEPTUAL DE UNA PLANTA DE CLORO-SODA PARA LA EMPRESA VENCLORO C.A.” PRESENTADO POR LOS BACHILLERES:
HERRERA AGUIRRE, ENNER GANCELVIC Y NÚÑEZ VILLAVICENCIO,
JOSÉ CLEMENTE, PARA OPTAR AL TITULO DE INGENIERO QUÍMICO.
FACULTAD DE INGENIERÍA. ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA.
UNIVERSIDAD RAFAEL URDANETA
Ing. Humberto Martínez
C.I. 3.112.555
Ing. Oscar Urdaneta Ing. Herinarco Luzardo
C.I. 4.520.200 C.I. 10.448.127
JURADO JURADO
_____________________
Ing. Oscar Urdaneta
C.I. 4.520.200
Ing. José Bohórquez
3.379.454
DERECHOS RESERVADOS
DEDICATORIA
A Dios, en primer lugar porque sin el no es posible nada en este
mundo
A mis apoyos fundamentales mis padres: Anselmo, y Gledis ya que
A mis hermanos Victoria, Gamneris, Hengher, que han sido cañón de
A mi tía Almida y Meris, personas hermosas, gracias por quererme
Hoy día he querido dirigirle este triunfo a alguien muy especial, a una
A mi persona. Con fuerza de voluntad todo es posible, por no
detene
Enner G. Herrera A.
; por darme alegría, paz, fuerza y voluntad cuando la necesité para
salir adelante.
con su ayuda y los consejos arduos de ustedes he alcanzado todo en la vida
cuanto me propongo.
lucha incondicional junto conmigo en esta batalla ilustre que para ser
alguien en la vida.
tanto y apoyarme en las situaciones prosperas y adversas sus palabras y
consejo siempre han sido de gran ayuda.
persona que en vida me dio mucha felicidad, alegría apoyo incondicional y
sabiduría me dijo con carácter lo bueno y lo malo para ser una gran persona
de bien. Este triunfo es para mi abuela Marta Sabina que pase lo que pase
siempre la boy a llevar en mi corazón, que donde quiera que este esto es
para ella gracias abuela.
rme y seguir adelante
DERECHOS RESERVADOS
Dedicatoria
Ante todo, dedico este tra odo Poderoso, por darme vida,
A mi madre Jo Alice Villavicencio, quien siempre ha querido lo mejor
para m
mi abuelo Manuel Villavicencio, siempre por aconsejarme
oportu
mi abuela Lucy de Villavicencio, por cuidarme y siempre trabajar por
nosotr
mi hermano Manuel Núñez, por su ayuda en los momentos de
neces
todos mis familiares que en algún momento me dieron fuerzas para
llegar
José Clemente Núñez Villavicencio
bajo a Dios T
salud, fuerza, valor y entereza para cumplir con este sueño tan anhelado.
i, por trabajar y sacrificar tanto para darme educación para salir
adelante. Por aconsejarme y reprenderme cuando lo he merecido. Gracias
por cuidarme y demostrar tanto amor, esto es todo para ti.
A
namente para ser un hombre de bien, por su apoyo y ayuda cuando
los he necesitado. Esto también es para ti
A
os, dándonos ejemplo de lo que es una mujer fuerte y trabajadora.
A
idad, por su constancia y fraternidad.
A
hasta aquí.
DERECHOS RESERVADOS
Agradec
A Dios por ser mi guía mi luz y mi amigo incondicional para siempre en
Quiero agradecer a la universidad Rafael Urdaneta por la oportunidad
A mi tutor académico, Humberto Martínez ya que gracias a su apoyo se
Agradezco a mis padres, por apoyarme siempre por su consejo hacia
A mi familia, que siempre han estado conmigo, a mis hermanos, siempre
A mi compañero y amigo José Clemente, gracias con quien aprendí a
Finalmente, a todas las persona que de una manera u otra me
apoya
Enner G. Herrera A
imientos
todas mis luchas.
invaluable de alcanzar un objetivo anhelado en mi vida.
ha a podido consagrar este objetivo.
mi cuando me sentía vulnerable a las adversidades ellos siempre supieron
aconsejarme.
supimos salir adelante frente a toda situación adversa.
trabajar en equipo para sacar adelante un proyecto.
ron para ser realidad todo esto a lo largo de mi carrera.
DERECHOS RESERVADOS
Agradec
A la Universidad Rafae mi casa de estudio y centro
de for
A mi tutor académico profesor Humberto Martínez, quien sirvió de guía
A la empresa VENCLORO C.A., por confiar en nosotros aún sin
A mi padre José Clemente, por aconsejarme para bien, por él empecé
esta c
mi novia Maggie León, por darme fuerza y apoyo en los momentos
mas d
mis amigos y compañeros, Leonidas Athanasopoulos, Enrique
Viñas
A mi compañero en este trabajo Enner Herrera, con quien logré
Al profesor Ignacio Rodón, por ser fuente de inspiración profesional,
por su
inalmente, a todos los que contribuyeron de una forma u otra, dando
inform
RACIAS A TODOS USTEDES, HOY LO LOGRÉ!
imientos
l Urdaneta, por ser
mación profesional, por contar con profesores de alta calidad y
capacidad para transmitir sus conocimientos en la carrera.
y respondió a todas mis dudas con información valiosa y muy oportuna.
conocernos.
arrera que hoy estoy finiquitando.
A
uros de la carrera, por ser tan comprensiva y cariñosa, gracias.
A
y Nelson González, por su apoyo, sincera amistad y solidaridad.
engranar perfectamente para llevar a cabo este trabajo.
rectitud y por tratar de motivarnos a aprender cada día más.
F
ación, recomendaciones y ayuda para avanzar en esta labor.
G
DERECHOS RESERVADOS
HERRERA A., Enner G. y NÚÑEZ V., José C. “INGENIERÍA CONCEPTUAL
DE UNA PLANTA DE CLORO-SODA PARA LA EMPRESA VENCLORO
C.A.”, Maracaibo. Universidad Rafael Urdaneta, Facultad de IngenieríaEscuela de Ingeniería Química, 2.004
,
RESUMEN Este trabajo consiste en desarro iería Conceptual de una planta
ocedió calcular los requerimientos de materia prima e insumos
neces
alabras clave: salmuera saturada ultrapura, electrólisis, dureza, cloro
llar la Ingen
de cloro-soda para la empresa VENCLORO C.A., con la finalidad de
proporcionar a dicha empresa la capacidad para procesar materia prima, en
este caso cloruro de sodio para convertirla en cloro gas e hidróxido de sodio,
compuestos que luego serán incorporados a otro proceso ya existente en la
empresa para producir hipoclorito de sodio. Para ello se seleccionó el
proceso de producción más adecuado desde el punto de vista técnico-
económico. La implementación de la tecnología de celdas de membrana para
producción de cloro-soda es el proceso mas seguro, con menor impacto
ambiental, en este caso la empresa ELTECH es el proveedor de esta
tecnología.
Se pr
arios para el normal funcionamiento de la planta, se dimensionaron los
equipos que interviene en el proceso, se definió la ubicación física de cada
uno de los equipos dentro de los terrenos de la empresa y por ultimo se
realizó el cálculo del monto de inversión requerido para la planta. Como
resultado, se determinó que el monto de inversión requerido es de
Bs. 2.925. 500. 000, oo Pgas, soda cáustica, celdas electrolíticas.
DERECHOS RESERVADOS
ÍNDICE GENERAL
PORTADA I APROBACIÓN V DEDICATORIA VI AGRADECIMIENTOS VIII RESUMEN X ÍNDICE GENERAL XI ÍNDICE DE FIGURAS XVII INTRODUCCIÓN IX CAPITULO I: EL PROBLEMA 1.1 Planteamiento del Problema 22
1.2 Formulación del Problema 23
1.3 Justificación 23
1.4 Objetivos
Objetivo General 24
Objetivos Específicos 24
1.5 Delimitación
Espacial 25
Temporal 26 CAPITULO II: MARCO TEÓRICO 2.1 Antecedentes 27
2.2 Base teóricas 27
2.2.1 Producto de la electrolisis 28
2.2.1.1 El cloro 28
2.2.1.2 El hidróxido de sodio 28
2.2.1.3 El hidrógeno 28
DERECHOS RESERVADOS
2.2.2 Tecnologías para la obtención de cloro
y soda cáustica 29
2.2.2.1 Proceso de cloro soda en celda de
Mercurio 30
2.2.2.2 Proceso de cloro soda en celda de
Diafragma 33
2.2.2.3 Proceso de cloro soda en celda de
Membrana 35
2.2.3 Saturación de la salmuera y tratamiento primario 39
2.2.3.1 Adición de Químico 40
2.2.3.2 Clarificación de la salmuera 41
2.2.3.3 Filtración primaria de la salmuera 41
2.2.3.4 Filtración secundaria de la salmuera y
almacenamiento 42
2.2.3.4.1 Ciclo de Filtros 42
2.2.4 Tratamiento secundario de la salmuera 43
2.2.4.1 Intercambio Iónico 43
2.2.4.1.1 Resina de intercambio iónico 44
2.2.5 Área de celdas 45
2.2.5.1 Electrolisis 45
2.2.6 Procesamiento del cloro 48
2.2.7 Circulación de soda Cáustica 49
2.2.8 Manejo de la salmuera Agotada 49
2.2.8.1Declorinacion de la salmuera agotada 51
2.2.8.1.1 Declorinacion al vacío 51
2.2.8.2 Declorinacion Química 52
2.2.9 Hidráulica de Tuberías 52
2.2.9.1 Régimen de fluidos en tuberías 56
2.2.9.1.1 Numero de Reynolds 56
DERECHOS RESERVADOS
2.2.9.2 Principios de Cálculos de Caída de
presión 57
2.2.9.2.1 Tuberías Rectas Horizontales 58
2.2.9.2.2 Efectos de accesorios 59
2.2.9.2.3 Tuberías no-Horizontales 60
2.2.10 Intercambio de calor 60
2.2.10.1 Tipos de intercambiadores de calor 61
2.2.10.1.1 Intercambiadores de calor de
doble tubo 61
2.2.10.1.1.1 Flujo paralelo y flujo
contracorriente 61
2.2.10.1.2 Intercambiadores de calor de
carcaza y tubos 62
2.2.10.1.3 Flujo Cruzado 63
2.2.10.1.4 Intercambiadores compacto 64
2.2.10.2 Coeficiente global de transferencia
de calor 65
2.2.10.3 Factor de Encrustamiento 67
2.2.10.4 Análisis Térmico de un Intercambiador
de calor 68
2.2.10.4.1 Diferencia de temperatura media
logarítmica 69
2.2.10.4.1.1 Análisis térmicos en
intercambiadores de Carcasa
y tubo con flujo cruzado 74
2.2.11Bombas 78
2.2.11.1 Clasificación de las bombas 79
2.2.11.1.1 Bombas de émbolo alternativo 80
2.2.11.1.2 Bomba de émbolo Rotativo 80
2.2.11.1.3 Bombas Rotodinámicas 81
DERECHOS RESERVADOS
2.2.11.1.3.1 Bombas centrífugas 81
2.2.11.1.3.2 Bombas Múltiples 83
2.2.11.1.3.3.1 Bombas de columna 84
2.2.11.1.3.3 De flujo axial 85
2.2.12 Volumen de un cilindro 86
2.2.13 Ingeniería conceptual 86
2.2.13.1Documentos 87
2.3 Bases criterios y código de Diseños Aplicables 87
2.3.1 Base de Diseño 87
2.3.2 Criterios de Diseño 88
2.3.3 Código de Diseños 88
2.4 Definición de Términos Básicos 88
2.5 Mapa de variables 92 CAPITULO III: MARCO METODOLÓGICO 95 3.1 Tipo de Investigación 96
3.2 Diseño de Investigación 96
3.3 Técnicas de Recolección de Datos 96
3.3.1 Fase 1 Seleccionar el proceso de producción de
Cloro-Soda para desarrollar la ingeniería conceptual de una
planta de Cloro-Soda para la empresa VENCLORO C.A. 97
3.3.2 Fase 2 Determinar los requerimientos de materia prima e
insumos necesarios para el funcionamiento de una planta de
Cloro-Soda para la empresa VENCLORO C.A. 99
3.3.3 Fase 3 Dimensionar los equipos de producción de una
planta de Cloro-Soda para la empresa VENCLORO C.A. 100
DERECHOS RESERVADOS
3.3.4 Fase 4 Definir la ubicación física dentro de las
instalaciones actuales para una planta de Cloro-Soda para
la empresa VENCLORO C.A. 101
3.3.5 Fase 5 Calcular el monto de la inversión requerida
para la construcción de una planta de Cloro-Soda para la
empresa VENCLORO C.A. 102
CAPITULO IV: ANÁLISIS DE RESULTADOS 106 4.1 Fase 1 Seleccionar el proceso de producción para
desarrollar la ingeniería conceptual de una planta de Cloro-Soda
para la empresa VENCLORO C.A. 107
4.2 Fase 2 Determinar los requerimientos de materia prima e
insumos necesarios para el funcionamiento de una planta de
Cloro-Soda para la empresa VENCLORO C.A. 110
4.2.1 Descripción del proceso de la planta de Cloro-Soda 112
4.2.2 Ecuaciones químicas del tratamiento de la salmuera 115
4.2.3 Balance y condiciones de operación 118
4.3 Fase 3 Dimensionar los equipos de producción de una
planta de Cloro-Soda para la empresa VENCLORO C.A. 119
4.3.1 Nomenclatura de equipos y tuberías 120
4.3.2 Lista de equipos de proceso 121
4.3.3 Lista de bombas centrifugas 121
4.3.4 Sumario de líneas de proceso 122
4.3.5 Hoja de especificaciones técnicas de electrolizador 124
4.3.6 Hoja de especificaciones técnicas de tanques y recipientes 125
4.3.7 Hoja de especificaciones técnicas de bombas centrifugas 144
DERECHOS RESERVADOS
4.4 Fase 4 Definir la ubicación física dentro de las instalaciones
actuales para una planta de Cloro-Soda para la empresa
VENCLORO C.A. 152
4.5 Fase 5 Calcular el monto de la inversión requerida para la
construcción de una planta de Cloro-Soda para la empresa
VENCLORO C.A. 152 CONCLUSIONES 154
RECOMENDACIONES 156
BIBLIOGRAFÍA 157
ANEXOS
Anexo N° 1. Diagrama de disposición de equipos 160
Anexo N° 2 Requerimientos de la salmuera de alimentación
para los electrolizadores 163
Anexo N° 3 Hoja de especificaciones de resina de intercambio iónico 164
Anexo N° 4 Hoja especificación de seguridad de los materiales 166
Anexo N° 5 Lista de precios de bombas 171
Anexo N° 6 Precio de resina de intercambio iónico 172 Anexo N° 7 Precio de tubería PVDF 173
Anexo N° 8 Precio de tubería FRP 174
Anexo N° 9 Resistencia química de los materiales (Piping Class) 175
Anexo N° 10 Espaciamiento de equipos e instalaciones 178
Anexo N° 11Cotización de equipos de proceso 180
DERECHOS RESERVADOS
ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1. Características de los productos de la electrolisis 29
Figura 2. Diagrama de proceso de cloro-soda con celdas
de mercurio 30 Figura 3. Diagrama de proceso de cloro-soda con celdas
de diafragma 34 Figura 4. Diagrama de proceso de cloro-soda con celdas de
Membrana 38 Figura 5. Datos de la electrolisis en la salmuera 46 Figura 6. Tipos de electrolizadores 48 Figura 7. Factores de fricción en tuberías PVDF, FRP 55 Figura 8. Rugosidad relativa en tuberías PVDF, FRP 55 Figura 9. Intercambiadores de calor de doble tubo 62 Figura 10. Intercambiador de calor de carcasa y tubo 62 Figura 11. Intercambiador de calor de flujo cruzado 63 Figura 12. Intercambiador de calor compacto 64 Figura 13. Espectros del parámetro β en Intercambiador de calor
Compacto 65
Figura 14. Coeficiente global de transferencia de calor para un tubo 66 Figura 15. Valores típicos del coeficiente global de transferencia
de calor 67 Figura 16. Valores típicos del factor de encrustamiento 68 Figura 17. Distribución de temperatura en un intercambiador de calor
de doble tubo con flujo paralelo 70 Figura 18. Distribución de temperatura en un intercambiador de calor
de doble tubo con flujo contracorriente 73 Figura 19. Factor de corrección para un intercambiador de un
paso por carcasa y dos cuatro o cualquier múltiplo
de dos pasos por tubos 75
DERECHOS RESERVADOS
Figura 20. Factor de corrección para un intercambiador de dos
pasos por carcasa y cuatro, ocho o cualquier múltiplo
de cuatro pasos por tubos 76
Figura 21. Factor de corrección para un intercambiador de un solo
paso y flujo transversal, con ambos fluidos sin mezclar 77 Figura 22. Factor de corrección para un intercambiador de un solo
paso y flujo transversal, con un fluido mezclado y
otro sin mezclar 78 Figura 23. Bomba centrífuga 82
Figura 24. Curva Característica de una bomba centrífuga 83 Figura 25. Volumen de un cilindro 86 Figura 26. Matriz de evaluación llena de tecnologías de producción
de Cloro- soda 99 Figura 27. Matriz de evaluación llena de tecnologías de producción
de Cloro- soda 108 Figura 28. Plano de Simbología de la planta de Cloro-Soda 115
Figura 29. Diagrama de Flujo de Proceso (PFD) 116
DERECHOS RESERVADOS
INTRODUCCIÓN
El cloro y la soda cáustica se encuentran entre los diez químicos más
producidos en el ámbito mundial, estos compuestos son empleados en la
fabricación de una gran variedad de productos en todo el mundo, entre estos
se incluyen: detergentes, desodorantes, herbicidas, farmacéuticos,
pesticidas, refrigerantes, papel, plásticos, productos para el tratamiento de
aguas residuales y para consumo humano y muchos otros.
La empresa VENEZOLANA DE CLORO C.A. es una compañía que
tiene como meta principal la producción y comercialización del hipoclorito de
sodio obtenido a partir del cloro y el hidróxido de sodio. En estos momentos
la materia prima que utiliza VENCLORO proviene de PEQUIVEN.
La finalidad de esta investigación es eliminar la dependencia en una
sola empresa que tiene VENCLORO C.A. y de esta forma le permitirá
satisfacer su propia demanda de cloro puro y soda cáustica, para convertirse
de esta forma, en una empresa autosuficiente.
La electrólisis del cloruro de sodio en presencia de agua es el método
que se utiliza para la obtención de Cloro y Soda, la ruptura de la molécula de
sal se hace en electrolizadores los cuales deben recibir la salmuera
ultrapura, para esto es necesario someter la salmuera a un proceso riguroso
de purificación y eliminación de iones.
DERECHOS RESERVADOS
Este informe está estructurado de la siguiente manera:
Capitulo I: expone el planteamiento del problema y la formulación del mismo,
también incluye la justificación, importancia del trabajo, objetivos y
delimitaciones.
Capitulo II: contiene las bases teóricas en las cuales se apoya este trabajo.
Capitulo III: presenta la metodología empleada para la obtención de los datos
necesarios para el desarrollo de la investigación.
Capitulo IV: Se muestran los resultados finales del trabajo.
DERECHOS RESERVADOS
Capitulo I.
El Problema
22
DERECHOS RESERVADOS
CAPITULO I: El problema
1.1 Planteamiento del problema
Uno de los problemas que confrontan todos los países del mundo es la
descontaminación de los espacios en donde el hombre habita y el agua de uso
domestico, estos problemas se presentan con mayor frecuencia en zonas rurales
o de bajos recursos económicos en donde no se tiene conciencia de los peligros
que pueden acarrear el estar en contacto con agentes bacteriales y virales que
están presentes en el suelo y el agua.
Generalmente, el agua sin tratar contiene numerosos gérmenes, algunos de
los cuales pueden ser patógenos. Estos gérmenes patógenos suelen estar en el
suelo o en las aguas contaminadas con heces de personas o de animales. De este
modo, el agua se convierte en un vehículo de transmisión de enfermedades tales
como el cólera, tifoidea, paratifoidea, hepatitis, disentería amibiana y viral, entre
otras.
Actualmente, la mayor parte de las poblaciones rurales y marginales de los
países en vías de desarrollo se abastecen de agua no apta para el consumo
humano. Como consecuencia de ello, los índices de enfermedades relacionadas
con el agua son altos; sin embargo, estas enfermedades pueden ser evitadas
mediante la desinfección del agua.
La forma más común de potabilizar el agua de consumo humano es
mediante la adición de cloro y otros compuestos químicos. Ya que el cloro es el
agente principal que provoca la muerte de los organismos que están presentes en
el agua, se vuelve imprescindible para la vida humana.
La forma más común de utilizar cloro en el hogar es como hipoclorito de
sodio, este se utiliza como blanqueador de los textiles, para la descontaminación
23
DERECHOS RESERVADOS
del agua para consumo humano, el ajuste del pH de las piscinas y como materia
prima para otros productos de limpieza. (www.chlorineinstitute.com)
En el Occidente de Venezuela existe actualmente solo una planta que
produce cloro puro y pocas que producen hipoclorito de sodio, por esta razón se
solicita la elaboración de la ingeniería conceptual de una planta de Cloro-Soda
para satisfacer la demanda de este producto en Venezuela, demanda que se ha
estimado en 5 TMD.
1.2 Formulación del Problema
Por todo lo anteriormente planteado, la empresa VENCLORO C.A. desea
llevar a cabo la construcción de una planta que produzca cloro gas para su
posterior uso como materia prima en la planta de producción de hipoclorito de
sodio. Para realizar tal labor es necesario desarrollar la ingeniería conceptual para
una planta de Cloro-Soda para la empresa VENCLORO. Por lo que esta
investigación abarca los siguientes aspectos: seleccionar el proceso de producción
de la planta de Cloro-Soda, determinar los requerimientos de materia prima e
insumos necesarios, dimensionar los equipos de producción de la planta, definir la
ubicación física de la planta dentro de la empresa y por último, calcular el monto
de la inversión requerida de para la construcción de la planta.
1.3 Justificación del Problema
Hoy en día los problemas ambientales debido a la contaminación son de
suma importancia para la sociedad, por lo que constantemente se realizan
estudios para mejorar la calidad del agua que consumimos, además, el uso de
productos de limpieza en el hogar nos mantienen menos expuestos a
enfermedades que son causadas por los microorganismos que se encuentran
presentes en el agua potable, el ambiente y en el suelo.
24
DERECHOS RESERVADOS
La elaboración del diseño de una planta de producción de Cloro-Soda se
justifica debido a la necesidad que tiene la empresa VENCLORO C.A. para su
consumo interno en la producción de hipoclorito de sodio para su posterior
comercialización y eliminar la dependencia en una empresa en el suministro de
materia prima.
Con la realización de este trabajo se lograrán los siguientes aportes:
Desde el punto de vista práctico, con la ingeniería conceptual de la planta
de Cloro-Soda se soluciona el problema planteado por la empresa VENCLORO
C.A. la cual desea producir hipoclorito de sodio sin comprar la materia prima (en
este caso cloro gas) a proveedores externos. En el plano académico servirá para
poner en practica los conocimientos adquiridos y habilidades desarrolladas
durante la formación como Ingenieros Químicos para el diseño de una planta
industrial; en el ámbito científico se establecerá los criterios (técnicos y
económicos) para la selección de tecnologías y equipos para la producción de
Cloro-Soda; Como aporte social, mediante el desarrollo y posterior construcción
de la planta se dará una alternativa a la sociedad para adquirir un producto de
mucha importancia para la higiene y salud del hombre. Además será una fuente
de empleo directa e indirecta para la población local.
1.4 Objetivos 1.4.1 Objetivo General
Desarrollar la ingeniería conceptual de una planta de Cloro-Soda para la
empresa VENCLORO C.A.
25
DERECHOS RESERVADOS
1.4.2 Objetivos Específicos
1. Seleccionar el proceso de producción de Cloro-Soda para desarrollar la
ingeniería conceptual de una planta de Cloro-Soda para la empresa
VENCLORO C.A.
2. Determinar los requerimientos de materia prima e insumos necesarios para
el funcionamiento de una planta de Cloro-Soda para la empresa
VENCLORO C.A.
3. Dimensionar los equipos de producción de una planta de Cloro-Soda para
la empresa VENCLORO C.A.
4. Definir la ubicación física dentro de las instalaciones actuales para una
planta de Cloro-Soda para la empresa VENCLORO C.A.
5. Calcular el monto de la inversión requerida para la construcción de una
planta de Cloro-Soda para la empresa VENCLORO C.A.
1.5 Delimitación 1.5.1 Delimitación Espacial La ingeniería conceptual de la planta de cloro-soda para la empresa
VENCLORO C.A. se realizó como un trabajo de investigación en la Universidad
Rafael Urdaneta, con visitas a la empresa antes mencionada ubicada en la zona
industrial, segunda etapa, calle 148, municipio San Francisco, estado Zulia.
1.5.2 Delimitación Temporal La ingeniería conceptual de la planta de Cloro-Soda para la empresa
VENCLORO C.A como trabajo de investigación tuvo una duración de siete
meses, desde Febrero hasta Diciembre del año 2004.
26
DERECHOS RESERVADOS
27
DERECHOS RESERVADOS
Capitulo II.
Marco Teórico
28
DERECHOS RESERVADOS
CAPITULO II: MARCO TEÓRICO
2.1 Antecedentes
Los siguientes trabajos especiales de grado sirvieron como guía y
referencia para la presente investigación:
Ingeniería Conceptual de una Planta de Tratamiento de Agua de alta pureza para los laboratorios de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Rafael Urdaneta, 2003. Ortega, Jairo y Semprún, Marcos; quienes
desarrollaron esta investigación para proveer una solución a la demanda de agua
de alta pureza en la mencionada institución.
Los análisis y pruebas que se llevan a cabo en estos laboratorios requieren
de agua muy pura. Cualquier contaminante puede afectar los resultados de las
pruebas allí realizadas.
De este informe se tomó la parte teórica referente al intercambio iónico,
específicamente para eliminar cationes presentes en el agua.
Evaluación de la capacidad del flujo de alivio de las válvulas de seguridad de la planta de cloro soda, 2003. Pérez, Keila; de este trabajo de
investigación se utilizó información técnica relacionada con el el tratamiento
primario al que se debe someter la salmuera antes de llegar a los electrolizadores
en la planta de Cloro-Soda del complejo petroquímico El Tablazo de Pequiven, el
cual utiliza la tecnología de celdas de membrana.
2.2 Bases Teóricas
2.2.1 Productos de la electrólisis
La página web www.cl2.com indica que los productos que se obtienen del
proceso de electrólisis son el cloro gas, el hidróxido de sodio y el hidrógeno.
29
DERECHOS RESERVADOS
2.2.1.1 El Cloro El cloro es un elemento del grupo VII de la tabla periódica. No existe en la
naturaleza en forma elemental sino combinado con el sodio, potasio, magnesio.
Es un gas verde claro, de olor característico, irritante y venenoso. Es
moderadamente soluble en agua. Es un no metal muy activo. Se combina con los
no metales a excepción de Nitrógeno y con casi todos los metales.
www.msnencarta.com
2.2.1.2 El Hidróxido de Sodio El Hidróxido de sodio esta catalogado como uno de los compuestos
químicos con más alta demanda en el ámbito mundial, su utilidad es muy diversa,
sirve como materia prima de desinfectantes, para el tratamiento de aguas
servidas, productos para limpieza personal, etc. www.msnencarta.com
2.2.1.3 El Hidrógeno Es un gas incoloro, se encuentra situado en el grupo a de tabla periódica.
El hidrógeno posee la estructura mas simple de todos los átomos. Se halla en el
gas natural, en los gases orgánicos y en la atmósfera (al 0.01%), constituye el
11.2% de la masa total del agua y el 10 % del cuerpo humano. En estado libre es
escaso pero combinado es uno de los constituyentes más abundantes de los
compuestos químicos.
Se puede obtener por medio de la ruptura de la molécula de los
hidrocarburos, reducción del agua por el carbono y de otras formas. Se difunde a
través de ciertos metales (platino, paladio), su molécula es biatómica, es muy
estable y solo a altas temperaturas se disocia. www.msnencarta.com
A continuación se muestran las propiedades físicas de estos productos
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Figura 1: Propiedades de los productos de la electrólisis de la salmuera
Producto
Formula
Peso Molecular gr/grmol
Gravedad Específica
Punto de Fusión
(° C)
Punto de Ebullición
(° C)
Cloro Cl2 70.91 2.486 - 101.6 -34.6
Hidrógeno H2 2.016 0.0695 259.1 - 252.7
Hidróxido de sodio
NaOH 40 0.92 318.4 1390
Fuente: Perry, p 3-13, 3-17, 3-24 (1992) 2.2.2 Tecnologías para la obtención de Cloro y Soda Cáustica Según www.msnencarta.com existen tres procesos básicos para la
fabricación de cloro y soda cáustica a partir de la salmuera: la celda de mercurio,
la celda de diafragma, y la celda de membrana.
El proceso de celda de membrana es el más moderno, tiene algunas
ventajas económicas y ambientales. Los otros dos procesos generan desechos
riesgosos que contienen mercurio o asbesto, aunque últimamente se han
perfeccionado para producir un menor impacto ambiental y convertirse en
procesos más rentables, económicos y confiables. Cada proceso tiene sus
ventajas propias, tales como, consumo de energía, pureza de productos,
desechos industriales, alícuotas consumo de sal, de agua, de productos químicos
que intervienen en el proceso, etc. www.msnencarta.com
En cada uno de estos procesos es necesario tratar la materia prima
(Cloruro de Sodio) para no peder la eficiencia en la electrólisis, es imperativo
obtener salmuera ultrapurificada, libre de iones calcio, magnesio, hierro; la
31
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salmuera también debe ser libre de las impurezas propias de la sal cruda (lodos).
(www.cl2.com)
A continuación se describen los tres procesos antes mencionados para la
obtención de Cloro gas, Hidróxido de Sodio e Hidrógeno.
2.2.2.1 Proceso de Cloro-Soda en celdas de Mercurio
Siguiendo lo descrito en www.cl2.com la sal cruda llega al tanque saturador
en donde se mezcla con el reciclo que proviene de los electrolizadores, allí se
añade agua para mantener los niveles de los tanques y mantener la concentración
de la salmuera, la cual debe salir saturada a 305 gr/l.
Luego pasa al precipitador en donde se le agrega químicos que hacen que
los lodos y sólidos presentes en la salmuera lleguen al fondo de este
recipiente.
La corriente de proceso es pasada luego por filtros purificadores, los cuales
tienen la tarea de atrapar las impurezas más pequeñas que no pudieron precipitar
anteriormente.
Después, la salmuera ya saturada y purificada se hace pasar por un
intercambiador de calor en donde se hace aumentar la temperatura para poder
ingresar a los electrolizadores.
En los electrolizadores, la celda electrolítica tiene ánodos de titanio
localizados encima de un cátodo de mercurio, el cual fluye lentamente a lo largo
del fondo de la celda. Una alta densidad corriente es aplicada entre el cátodo de
mercurio y ánodos metálicos. El cloro gas (Cl2) se forma en el ánodo y una
amalgama de sodio se forma en el cátodo de mercurio.
La amalgama es llevada separada de la salmuera en un reactor luego entra
en la sección de descomposición. Bajo la acción de una corriente continua sobre
la salmuera, el cloro es liberado en el ánodo.
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DERECHOS RESERVADOS
La amalgama de Sodio pasa fuera de la celda electrolítica a un reactor
separador, lejos del cloro. Aquí, esta amalgama reacciona con agua
desmineralizada para dar hidrógeno y soda cáustica a una temperatura y presión
especificada solo a los usuarios de esta tecnología. De esta forma se regenera el
mercurio, que es entonces devuelto a la celda electrolítica. La sal nueva es
añadida a la salmuera agotada a la salida de la celda y la salmuera es recirculada
al principio pasando por la torre declorinadora.
La temperatura de la superficie de la celda es de 66 °C (150 °F)
aproximadamente, en la superficie del reactor separador de Mercurio es de 116
°C (240 °F) aproximadamente, estas celdas son típicas por su fácil instalación.
Aproximadamente 2.26 toneladas de soda cáustica al 50% en peso y 312
metros cúbicos de hidrógeno es la producción de una Tonelada de cloro. El
proceso de celdas de mercurio produce soda cáustica de alta calidad. La soda
cáustica del proceso de mercurio es producida en una concentración más alta que
la de procesos alternativos.
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DERECHOS RESERVADOS
Figura 2: Diagrama de proceso de obtención de Cloro-soda con celdas de Mercurio
Fuente: www.worldchlorine.com/publications/mfg/processes.
34
DERECHOS RESERVADOS
2.2.2.2 Proceso de Cloro-Soda en celdas de Diafragma
Según www.cl2.com, la celda de diafragma es la tecnología electrolítica
dominante usada en los Estados Unidos y Canadá en las plantas de Cloro-Soda.
El diseño de celda es caracterizado por la separación del ánodo y el cátodo
por un diafragma que consiste en una capa de asbesto mezclado con un aditivo
como teflón (politetrafluoroetileno) u otra fibra que cubra el cátodo.
Cualquier asbesto utilizado está confinado totalmente en la celda. El
diafragma mantiene la soda cáustica (NaOH) y el hidrógeno separado del anolito
(salmuera agotada) y el cloro.
La saturación es el primer paso, aquí se debe obtener salmuera saturada a
300 gr de sal por cada litro de agua. Luego se pasa a los tanques precipitadores
en los cuales se extraen los sólidos disueltos en la corriente de proceso.
Después se pasa la salmuera a los filtros para remover las impurezas que
aún quedan en la corriente para luego llegar a u intercambiados de calor, del cual
saldrá la corriente a 70 ° C aproximadamente.
Luego en un tanque, se mezcla la corriente de proceso con una
recirculación proveniente de los electrolizadores de salmuera agotada.
Ahora, la corriente de salmuera ultrapurificada entra a un segundo
intercambiador de calor para salir a 90 ° C. Luego, la salmuera entra a los
electrolizadores.
La Soda Cáustica que se obtiene del proceso de diafragma es muy pobre
en comparación con procesos alternativos, de hecho, la concentración de este
producto está entre 12- 14% en peso www.worldchlorine.com
35
DERECHOS RESERVADOS
Figura 3: Diagrama de proceso de obtención de Cloro-soda con celdas de Diafragma
Fuente: www.epa.gov/ttn/chief/ap42/ch08/final.pdf
36
DERECHOS RESERVADOS
2.2.2.3 Proceso de Cloro-Soda en celdas de Membrana De acuerdo a www.cl2.com, la salmuera agotada (anolito), proveniente de
los electrolizadores es enviada al tanque saturador en donde se disuelve sal
(NaCl) en la misma, también se añade agua en este punto para que el inventario
de salmuera saturada se mantenga en el nivel adecuado, de esta forma todo el
sistema estará estable.
La salmuera saturada es bombea a dos tanques en serie agitados en donde
se añade hidróxido de sodio (NaOH) y carbonato de sodio (Na2CO3),
respectivamente. Estos compuestos actúan como floculantes y atrapan todos los
sólidos suspendidos, tales como: arena, piedras, impurezas.
Luego, la salmuera es llevada al tanque clarificador, en donde se separan
completamente los líquidos de los sólidos por precipitación de estos últimos. El
lodo que sale por el fondo del clarificador es enviado al área de efluentes, mientras
que la salmuera saturada, visiblemente pura, sigue su camino por el tope del
recipiente.
Posteriormente, la salmuera es bombeada al filtro que elimina los sólidos
solubles en la salmuera, después, la salmuera pasa a unas columnas de
intercambio iónico, las cuales quitan la dureza iónica (calcio, magnesio) a la
salmuera, hasta llevarla aproximadamente a 0.01 ppm de dureza, también se
realiza la remoción de algunos oros cationes presentes en la salmuera de
alimentación.
La salmuera ya ultra purificada, se pasa por un intercambiador de calor para
llevarla hasta 80 ° C, en este punto, la salmuera está casi lista para entrar a los
electrolizadores.
Ácido clorhídrico (HCl) debe agregarse a la salmuera ultrapura proveniente
de los intercambiadores iónicos para que esta tenga un pH aproximado entre 3.5 y
5, también puede ser requerido para mejorar la pureza del cloro gas producido
durante operación normal, al reaccionar con iones hidroxilo (OH -) los cuales, de
otra manera producirían oxigeno en reacciones secundarias.
37
DERECHOS RESERVADOS
El ácido clorhídrico también puede reaccionar con Carbonato de Sodio
(Na2CO3), liberando fuera del tanque Dióxido de Carbono (CO2). Así mismo una
acidificación suficiente puede asegurar que el contenido del CO2 en el Cloro sea lo
más pequeño posible.
A diferencia de las celdas del diafragma, las celdas de membrana no
requieren que la salmera en la alimentación esté completamente saturada para
alcanzar las condiciones óptimas de operación en la celda. De hecho, solo es
necesario que esta encuentra entre 290 - 300 gr de NaCl por litro de agua.
Los electrolizadores convierten la sal (NaCl) y el agua, en cloro (Cl2),
Hidrógeno (H2) e Hidróxido de Sodio (NaOH). La salmuera agotada de Cloro y el
Cloro gas salen juntos por un lado del electrolizador, mientras que el Hidrógeno y
el Hidróxido de Sodio salen juntos por el otro.
La salmuera agotada (anolito) y el Cloro gas fluyen hacia una Té de
separación fuera del electrolizador. El Cloro gas es llevado hacia el área de
procesamiento del Cloro, mientras la salmuera agotada fluye por gravedad hacia
el tanque de salmuera agotada, en donde HCl es añadido para aumentar la
separación de la mayoría del cloro que pueda quedar en esta.
Uno de los productos secundarios producidos en el electrolizador son los
Cloratos, los cuales no son deseados. Para evitar el incremento de Cloratos en el
sistema de recirculación de la salmuera, una corriente de salmuera agotada es
enviada hacia un sistema destructor de Cloratos. Aquí, la salmuera agotada
(caliente) es calentada aun más y luego acidificada para descomponer los
Cloratos en sal, agua y Cloro. El Cloro gas es recuperado en este proceso o es
neutralizado.
La salmuera agotada se bombea hacia la torre declorinadora, en donde un
separador al vacío retira aun más Cloro para recuperarlo y enviarlo al tanque
principal de Cloro.
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DERECHOS RESERVADOS
Sulfato de Sodio (Na2SO3) o Peroxido de Hidrógeno (H2O2) e Hidróxido de
Sodio (NaOH) son añadidos a la salmuera para destruir el Cl2 remanente; este
paso es llamado la declorinacion química. Una parte de la salmuera declorinada
es enviada a un sistema concentrador/removedor de Sulfatos.
Similar a la acumulación de Cloratos, es necesario eliminar sulfatos para
mantener un equilibrio en el sistema de recirculación de salmuera. Los Sulfatos
provienen de la sal en la entrada, además de que algunos son generadores si es
usada una base química de Sulfuro para el proceso de declorinacion química.
Los sulfatos son concentrados en una corriente lateral, así un volumen
menor en la purga de salmuera del sistema es necesario, de esta forma se
minimizan las pérdidas en la materia prima (NaCl).
Desde aquí, la salmuera declorinada y agotada es enviada al saturador de
salmuera donde comienza el ciclo nuevamente.
El gas cloro desde las celdas, así como desde las otras unidades de
recuperación de cloro, se envía a un tanque de almacenamiento y luego a una
serie de procesos. Aquí, el Cl2 caliente y húmedo es enfriado es despojado de la
mayoría de la humedad. Eliminadores de neblina remueven cualquier resto de
gotas de agua y demás partículas (normalmente sal) que puedan estar presentes
en la corriente del sistema. Finalmente, el gas Cloro puede ser secado en lechos
empacados, en contracorriente con ácido sulfúrico concentrado.
Los otros productos del electrolizador, el H2 y el NaOH fluyen hacia una Té
de separación fuera del electrolizador. El H2 fluye por la contra presión hacia el
cabezal de presión donde es controlado por medio de una válvula de control y la
sobrepresión puede ser controlada por un sello auxiliar. El hidrógeno gas luego de
pasar por la válvula de control es enfriado, si este no es requerido para procesos
subsiguientes puede ser venteado por un sello de agua a la atmósfera.
El Hidróxido de Sodio fluye por gravedad desde el electrolizador hacia el
tanque de circulación de Soda; aproximadamente el 15 % de NaOH es llevado
hacia la unidad concentradora de Soda y el restante 85 % es diluido con agua y
39
DERECHOS RESERVADOS
recirculado al electrolizador. El NaOH que es bombeado hacia la unidad
concentradora de Soda es evaporado hasta alcanzar un 30 % en peso.
Figura 4: Diagrama de proceso de obtención de Cloro-soda con celdas de Membrana
Fuente: www.worldchlorine.com/publications/mfg/processes.
40
DERECHOS RESERVADOS
2.2.3 Saturación de la salmuera y tratamiento primario
Según www.cl2.com, la salmuera agotada también entra al saturador junto
con agua nueva para mantener el nivel normal del saturador, la entrada de agua y
salmuera agotada se encuentran cerca del fondo del tanque saturador. La
salmuera producida por el saturador debe exceder los 290 gr/l de NaCl; la
concentración de NaCl se determina a la temperatura de salida.
Los insolubles presentes en la salmuera son filtrados por la sal, la cual
actúa como un lecho empacado, los insolubles gradualmente descienden al fondo
del saturador y son removidos periódicamente mediante purgas. Cuando los
insolubles aumentan excesivamente, el saturador es parado y limpiado. La
salmuera saturada fluye desde el tope del saturador por gravedad hacia el tanque
de almacenamiento de la salmuera, luego es llevada hacia el tratamiento primario
(adición de químicos).
El agua añadida en la tubería de la salmuera agotada antes de que esta
corriente llegue a los saturadores, se emplea para disolver la sal y para
reemplazar el agua que se ha consumido en el proceso. El agua es añadida
continuamente y el flujo cambia solo cuando el caudal de producción de la celda
cambia significativamente (cuando la demanda de sal como materia prima
aumenta o decrece).
El flujo de agua es automáticamente controlado dependiendo del nivel del
tanque que se encuentra después del saturador (la adición de agua controla
automáticamente la cantidad total de salmuera en el sistema).
Un factor que puede influenciar la regulación del flujo de agua es la
acumulación de insolubles en el lecho de sal. Después de disolver la sal por un
tiempo considerable, la acumulación de insolubles y la sal fina en la zona del filtro,
aumentan la resistencia al flujo, hasta alterar el sistema.
La reducción del flujo puede ser compensada abriendo la válvula de control
manual a la entrada del saturador.
41
DERECHOS RESERVADOS
El saturador de salmuera podría requerir limpieza en servicio normal luego
de seis meses o más de operación. Las impurezas presentes en la sal y los
insolubles forman una masa rígida que va aumentando con el tiempo, la limpieza
debe ser hecha cuando el flujo de salmuera se vuelva anormal o a intervalos de un
año, lo que ocurra primero.
2.2.3.1 Adición de Químicos Tomando las recomendaciones de www.eltech.com, la salmuera saturada
es llevada al tanque de tratamiento procedente del tanque de saturación, en donde
se le inyecta una solución de Carbonato de Sodio (Na2CO3) y NaOH en cantidades
controladas.
El Na2CO3 reacciona con el CaCl2 en el tanque de agitación media. El Na2CO3
puede ser añadido a una cantidad de 2.0 gr/l mayor a la requerida.
El hidróxido de sodio será añadido en exceso a una cantidad de 0.2 a 1.5
gr/l de lo requerido para que la reacción se complete.
El sucio en el fondo del tanque de tratamiento de la salmuera es removido
para asegurar que el precipitado no se colecte en el fondo del tanque.
Las adiciones de estos químicos causan la precipitación de los iones Ca++ y
Mg++ en la solución de acuerdo a las siguientes reacciones:
CaCl2 + Na2CO3 → CaCO3 (s) + 2 NaCl (ec. 1)
MgCl2 + 2 NaOH → Mg(OH)2 (s) + 2 NaCl (ec.2)
El Na2CO3 y el NaOH son enviados desde el área de preparación del
tratamiento de químico de la salmuera. El flujo de NaOH es monitoreado con un
medidor de flujo para mantener el control de NaOH y salmuera.
El NaOH también puede ser añadido corriente abajo del tanque de
tratamiento de salmuera, ya que con la debida agitación en este tanque, se puede
42
DERECHOS RESERVADOS
romper los flóculos de Mg(OH)2, los cuales forman pequeñas partículas que
lentamente precipitan en el clarificador.
2.2.3.2 Clarificación de la salmuera
De acuerdo a Pury (p 4, 1983) a la salmuera tratada fluye por gravedad del
tanque de tratamiento al clarificador, cuya única función es remover la mayor parte
de los precipitados e insolubles, los cuales se depositan como lodos en el fondo.
Adicionalmente se puede agregar un floculante para promover la formación de
cristales grandes que precipiten con mayor facilidad.
El contenido de sólidos suspendidos en la salida del clarificador se espera
que sea entre 30 y 70 ppm, valor necesario para una larga y eficiente utilización
del filtro primario y del intercambiador iónico (tratamiento secundario).
2.2.3.3 Filtración primaria de la salmuera Siguiendo a Pury (p 45, 1983) La salmuera tratada es bombeada en forma
descendente a través de los filtros, los cuales pueden ser de arena o carbón de
antracita. El uso de antracita en lugar de filtros de arena reduce los niveles de
silicón (SiO2) en la salmuera, los cuales no son convenientes en la operación de
las celdas de membrana.
Estos filtros separan Calcio, Magnesio, Hierro y otro materiales no
deseados en la salmuera tratada, en la salida de los filtros primarios se espera
entre 3-10 ppm de sólidos suspendidos. Un filtro que opera correctamente
producirá salmuera clara y una capa de sucio que se depositará en los filtros.
Esta capa de sucio debe ser removida por retrolavado de los filtros, el ciclo
de lavado es hecho basándose en la caída de presión. La salmuera lavada es
usada para lavar los filtros, también se puede utilizar agua. La salmuera fluye
desde los filtros primarios hasta el tratamiento secundario. Un medidor de turbidez
en línea debe ser localizado para determinar el contenido de sólidos suspendidos,
de esta manera se pueden detectar cualquier problema con estos filtros.
43
DERECHOS RESERVADOS
2.2.3.4 Filtración secundaria de la salmuera y almacenaje
La pagina web www.woldchorine.com explica esta sección detalladamente.
El sistema de filtración secundaria consiste en filtros tubulares tipo vertical.
El sistema debe remover insolubles y sólidos suspendidos desde un nivel máximo
de 10 ppm hasta un nivel de menos de 1 ppm. Normalmente, el contenido de
sólidos suspendidos está entre 1-5 ppm. Los insolubles removidos por los filtros
son principalmente compuestos de Calcio y Magnesio; sin embargo, ocurre una
remoción de Hierro y Níquel. Específicamente, cuando el contenido de sólidos
suspendidos en la salmuera del filtrado primario es bajo, los filtros de pulido
principalmente removerán las partículas sólidas muy finas, por ejemplo, el
hidróxido de magnesio.
Los filtros secundarios de salmuera están conformados por hojas verticales
de forma suspendida y una tubería de colección interna. Los elementos se cubren
con materia celulosa antes de comenzar el ciclo de servicio. La celulosa actúa
como una capa de filtro adicional, la cual protege contra el paso de pequeñas
partículas dentro del mismo elemento filtrante.
La salmuera entra por un lado de la carcaza del filtro y se distribuye
uniformemente; pasando a través de las paredes externas de las hojas,
recolectándose luego en una tubería interna, para fluir por el otro extremo del filtro.
A pesar de que el sistema de intercambio iónico corriente abajo está
diseñado para manejar hasta 5 ppm de dureza total, su función es remover solo
cationes solubles, no los insolubles. El sistema de intercambio iónico removerá
algo de insolubles, debido al pequeño tamaño de la resina, pero no puede ser
contado para remover insolubles hasta un nivel tan bajo. www.woldchorine.com
2.2.3.4.1 Ciclos de filtros A medida que el ciclo de filtración avanza, una capa de sólidos no
deseados se forma en el filtro. Cuando esta capa alcanza un máximo de grosor, la
44
DERECHOS RESERVADOS
presión cae en el sistema de forma notable, luego los filtros deben ser puestos
fuera de servicio y deben ser limpiados. Este paso de limpieza es normalmente
llamado contra lavado. El tiempo entre cada lavado esta estimado que sea
entre12-24 horas. Pury, p53 (1983)
2.2.4 Tratamiento secundario de la salmuera 2.2.4.1 Intercambio iónico De acuerdo a www.eltech.com, el tratamiento secundario de la salmuera es
un intercambio iónico de cationes, en los cuales se eliminan los iones Ca++ y
Mg++ presentes en la salmuera que debe entrar a los electrolizadores, este
tratamiento se realiza con ciertas resinas.
Las resinas de intercambio iónico son sólidos insolubles ácidos o básicos,
los cuales tiene la propiedad de intercambiar iones de las soluciones. Durante la
reacción de intercambio iónico, estas resinas son convertidas en ácidos, bases o
sales insolubles.
Las resinas de intercambio cationico contienen cargas electronegativas
fijas, mientras que las aniónicas tiene cargas fijas electropositivas.
Una reacción básica de intercambio iónico se muestra a continuación:
R-Na2 + Ca+2 ↔ R-Ca2 + 2 Na+
Resina de Ión en Ion Ion en
Intercambio líquido Intercambiado líquido
Iónico
(ec. 3)
Como todo equilibrio químico está regido por la ley de acción de masas, la
reacción inversa corresponde a la regeneración de la resina del intercambiador
iónico.
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DERECHOS RESERVADOS
La mayoría de las unidades de intercambio son tanque que tiene un lecho
en donde se encuentra la resina por la cual se hace pasar el flujo a tratar de arriba
hacia abajo.
2.2.4.1.1 Resinas de intercambio iónico
De acuerdo a www.purolite.com, los intercambiadores de iones son
sustancias granulares insolubles que tienen en su estructura molecular radicales
ácidos o básicos capaces de permutar, si cambio aparente de su aspecto físico y
sin alteración alguna o solubilización, lo iones positivos o negativos, fijados
previamente a estos radicales por otros del mismo signo que se encuentran en
solución en el líquido en contacto con ellos. Mediante este intercambio de iones se
puede modificar la composición iónica del líquido objeto del tratamiento, sin alterar
el numero total de iones presentes en este líquido al momento de iniciarse el
intercambio.
Los primeros intercambiadores de iones utilizados fueron las tierras
naturales, después se obtuvieron compuestos sintéticos minerales y orgánicos,
siendo estos últimos los que en la actualidad se emplean casi exclusivamente bajo
el nombre de resinas.
Para determinar la capacidad de intercambio de la resina en operación del
sistema se utiliza la siguiente expresión:
E = Q•G__ (ec. 3.1) Fuente: Pury, V. p 61 (1983)
1000 • V
Donde,
E: Capacidad de Intercambio, Kg de CaCO3 por pie3 de resina
Q: Volumen de salmuera tratado
G: Concentración de Cationes en granos por galón exprsados como CaCO3
V: Volumen de resina en pie3
1000: Factor de conversión de granos a kilogranos
46
DERECHOS RESERVADOS
2.2.5 Área de Celdas: 2.2.5.1 Electrólisis:
Según www.eltech.com, la electrólisis del Cloruro de Sodio y el agua
produce Cloro, Hidrógeno e Hidróxido del Sodio de acuerdo con la siguiente
reacción:
2 NaCl (ac) + 2 H2 O(l) 2 NaOH (ac) + Cl2 (g) + H2 (g) (ec. 4)
Estas reacciones pueden ser separadas en una serie de reacciones que
ocurren en el cátodo (ec. 5) y en el ánodo (ec. 6). Iones de Sodio libres se
mueven desde la cámara del ánodo hasta la del cátodo y reaccionan para producir
Soda Cáustica (ec. 7).
2 H2O + 2 e- H2 (g) + 2 OH - (ec. 5)
2 Cl- Cl2 (g) + 2 e- (ec. 6)
2 Na+ + 2 OH- 2 NaOH (ec. 7)
Las membranas de intercambio iónico previenen el paso de iones Cloro
hacia la cámara del cátodo y previene el paso de la mayoría de los iones
Hidroxilos hacia el ánodo. La producción teórica de productos puede ser
calculada como sigue:
I (Amperes) • Ne (Electrolizadores) • PM g • C kg • TM
W = Electrolizador mol 1000 g 1000 kg
N Equivalentes • 96493 (Amp – seg) • hora • dia
mol Equivalentes 3600seg 24 hora
(ec. 8) Fuente: Eltech System Corporation. Membrane Cell Technology p 20. 2001
47
DERECHOS RESERVADOS
W = 8.95 (10-7) • I • Ne • PM • C (TM de producto/dia)
N
Donde:
I = Amperaje del circuito
Ne = Numero de electrolizadores en circuito
PM = Peso molecular
C = Coeficiente estequiométrico del producto
N = Número de electrones (Equivalentes) transferidos en la reacción
W = Producción teórica del producto
Los pesos moleculares, coeficientes estequiométricos y los electrones
transferidos son:
Figura 5: Datos de la Electrolisis de la Salmuera
Producto P.M C N
Cl2 70.9 g/ mol 1 2 electrones
NaOH 40.0 g/ mol 2 2 electrones
H2 2.0 g/ mol 1 2 electrones
Fuente: Perry, p 3-13, 3-17, 3-24 (1992)
El Hidróxido producido en el cátodo es asociado con los iones Sodio y el
agua para formar una solución de Hidróxido de Sodio al 28 – 32% en peso que
sale de las celdas del electrolizador como productos.
En la cámara del cátodo el Hidrógeno gas y la Soda Cáustica son
producidos y salen por el tope del electrolizador. En una Té fuera del
electrolizador la mezcla de dos fases es separada.
En el ánodo está envuelto el Cloro gas y su solubilidad está dada por la
siguiente ecuación:
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DERECHOS RESERVADOS
mg Cl2/litro = p [ (1.567 – 0.002822 N) 10 1000/T + 70906 ( 10 pH-A) ]
(ec. 9) Fuente: Eltech System Corporation. Membrane Cell Technology p 23. 2001
p = Presión parcial de Cloro gas (atm)
N = Concentración de NaCl (gpl )
T = Temperatura (K)
pH = pH de la solución
A= 6.01 + 0.001 (T-273.15) – 0.00044 N
Cl2 (ac) H2O → HOI (ac) + HOCl (ac) (ec. 10)
El Hidróxido puede reaccionar con el Cloro disuelto para formar una
variedad de subproductos como siguen:
Cl2 (ac) + NaOH → NaCl + HOCl (ec. 11)
2 Cl2 (ac) + 4 NaOH → O2 (g) + 4 NaCl + 2 H2O (ec. 12)
3 Cl2 (ac) + 6 NaOH_ → NaClO3 + 3 H2O + 5 NaCl (ec. 13)
Si el HCl producido reacciona con Soda Cáustica para producir sal y
agua, más Cloro, debe ser hidrolizada para restablecer el equilibrio.
Cl2 + H2O → HCl + HOCl
HCl + NaOH → NaCl + H2O
_____________________________________
Cl2 + NaOH → NaCl + HOCl (ec. 14)
49
DERECHOS RESERVADOS
Figura 6: Tipos de electrolizadores
Fuente: www.eltech.com
2.2.6 Procesamiento del Cloro Según el texto Eltech System Corporation. Membrane Cell Technology p 33
(2001), el Cloro gas producido en los electrolizadores sale caliente y saturado con
vapor de agua. El equipo necesario para el manejo del Cloro depende del uso que
se le va a dar al Cloro. La sección típica de una planta de Cloro-Soda para el
manejo del Cloro consiste en los siguientes cuatro procesos: Enfriamiento,
Secado, Compresión y Evaporación.
Si el Cloro gas va a ser utilizado en la producción de ácido clorhídrico,
normalmente solo necesita ser enfriado y comprimido antes de ser usado en la
unidad de síntesis de HCl.
50
DERECHOS RESERVADOS
2.2.7 Circulación de Soda Cáustica :
Siguiendo con Eltech System Corporation. Membrane Cell Technology p 33
(2001), la Soda Cáustica entre 28-32% fluye por gravedad desde las celdas hacia
el tanque de Soda Cáustica localizado por debajo de las celdas. La Soda Cáustica
es luego bombeada y pasada por el calentador/enfriador de Soda y es devuelto a
los electrolizadores de celdas de membrana para controlar la temperatura dentro
de este. La Soda Cáustica bombeada desde el tanque de circulación de Soda es
diluida con agua desmineralizada antes de ser enfriada y retornada a los
electrolizadores.
2.2.8 Manejo de la salmuera agotada Eltech System Corporation. Membrane Cell Technology p 24 (2001) explica
esta sección, la salmuera agotada sale del electrolizador junto con Cloro gas. El
Cloro se separa de la salmuera en una te, fuera del electrolizador. La salmuera
agotada saturada con gas Cloro fluye desde la te hasta un tanque recolector.
Desde el área de electrolisis la salmuera agotada fluye por gravedad hasta
el recolector de salmuera agotada localizado por debajo del nivel de las celdas.
Para recobrar el Cloro presente en la salmuera (como ácido hipocloroso) en
el tanque de salmuera agotada, suficiente ácido clorhídrico debe ser añadido para
forzar que la siguiente reacción tienda hacia la derecha:
HCl + HOCl → Cl2 + H2O (ec. 15)
A un pH entre 1.8-2.0, la conversión de HOCl es completada
esencialmente. Además de la cantidad de ácido hipocloroso, la cantidad de
Sulfato de Sodio en la salmuera agotada tiene impacto en la cantidad de ácido
clorhídrico que debe ser añadido para alcanzar el pH específico. El Sulfato está
envuelto potencialmente en los siguientes equilibrios:
51
DERECHOS RESERVADOS
Na2SO4 + HCl → NaHSO4 + NaCl (ec. 16)
NaHSO4 + HCl → H2SO4 + NaCl (ec. 17)
De hecho, el equilibrio expresado en la última ecuación tiende tanto hacia
la izquierda que para las condiciones de operación su impacto es insignificante. A
pesar de ello a un pH de 1.8-2.0 el equilibrio expresado de la primera ecuación
tiene un efecto insignificante en la cantidad de ácido clorhídrico requerido.
El equilibrio puede ser expresado como:
(Na2SO4) = 10 (ph-1.92) (ec. 18)
Fuente: Eltech System Corporation. Menbrane Cell Technology p 25. (2001)
A un pH de la salmuera que sale del electrolizador alrededor de 3-4
esencialmente todo el Sulfato es Sulfato de Sodio. A un pH entre 1.8-1.9, sin
embargo, escasamente más de la mitad del Sulfato está en la forma de NaHSO4.
Entre el recibidor de la salmuera agotada y el declorinador, una pequeña
corriente de salmuera puede ser desviada hacia un reactor destruidor de cloratos.
En este caso la corriente es calentada desde 88° C hasta 100° C; luego ácido
clorhídrico es agregado para destruir los Cloratos. Los Cloratos son generados en
el electrolizador como parte de una de las ineficientes reacciones. El Sistema
para la destrucción de los Cloratos mantiene la concentración de ellos por debajo
de 10-20 gpl en la salmuera agotada. La salmuera altamente acidificada pasa por
la mezcladora-destructora y hacia el reactor destructor de Cloratos. La reacción
de destrucción es como sigue :
6 HCl + NaClO3 → 3Cl2 + NaCl + H2O (ec. 19)
52
DERECHOS RESERVADOS
El gas Cloro generado en la reacción anterior se separa en el reactor
destructor de Cloratos y es venteado hacia el tanque de almacenamiento de Cloro
y luego hacia el posterior procesamiento de Cloro.
El ácido clorhídrico es agregado en exceso de los requerimientos
estequiométrícos para forzar a que la reacción tienda hacia el lado derecho y para
minimizar la formación de Dióxido de Cloro. La salmuera extremadamente
acidificada que sale del reactor normalmente posee de 30 a 60 gr/l de HCl en
exceso, este exceso reacciona con el HClO en el tanque de salmuera agotada
para liberar Cloro gas.
Una importante reacción puede ocurrir entre el Clorato y el HCl para formar
Dióxido de Cloro:
NaClO3 + 2HCl → ClO2 + ½ ClO + NaCl + H2O (ec. 20)
La reacción anterior tiene serias implicaciones de seguridad, las cuales
deben ser consideradas y cuidadosamente tomadas en cuenta durante el diseño
y operación del sistema destructor de Cloratos. Dióxido de Cloro (ClO2) es
explosivo en presencia del Cloro, y por lo tanto su formación debe ser
minimizada. La formación de ClO2 ocurre aproximadamente a un pH de 3 y
puede detonar en rango de temperatura de 60 a 70° C. Por lo tanto es imperativo
que el reactor destructor de Clorato debe ser mantenido a un pH menor a 1 y una
temperatura mayor a 100° C.
2.2.8.1 Declorinación de la salmuera agotada: 2.2.8.1.1 Declorinación al vació: De acuerdo a Eltech System Corporation. Membrane Cell Technology p31.
(2001), la salmuera agotada es bombeada desde el tanque recibidor de salmuera
agotada hacia el tope de la columna empacada (declorinador) operando a una
presión de vacío de -0.58 kgf/cm2 o 430 mm Hg por debajo de la presión
53
DERECHOS RESERVADOS
atmosférica (0.457 kgf/cm2 o 330 mm Hg absoluta) El declorinador minimiza el
Cloro disuelto en la salmuera hasta niveles de 10 mg/l. La columna empacada es
usada para asegurar un área adecuada para que se produzca la separación
vapor-liquido. El vapor y el liquido fluye a co-corriente por la columna y son
separados en el fondo. El Cloro y el vapor de agua del declorinador pasan por un
condensador de carcaza y tubos en donde se condensa la mayoría del vapor de
agua. El Cloro gas obtenido es enviado a la sección de procesamiento de Cloro,
La salmuera declorinada es luego enviada al saturador de salmuera.
2.2.8.2 Declorinación quimica : Eltech System Corporation. Membrane Cell Technology p31. (2001) dice:
Sulfato de Sodio líquido, Peroxido de Hidrógeno o Dióxido de Azufre (en orden de
preferencia), y Soda Cáustica son inyectados en la salmuera declorinada para
completamente eliminar todo el Cloro en la salmuera, descomponer los Cloratos y
ajustar pH. Asumiendo que el Sulfato de Sodio fuese empleado, la siguiente
reacción ocurre:
Na2SO3 + 2 NaOH + Cl2 → Na2SO4 + 2 NaCl + H2O (ec. 21)
El Sulfato de Sodio es agregado al 10% en peso, en cantidades dos o tres
veces mayores al radio estequiométrico. El Sulfato de Sodio en exceso puede
descomponer algo de los Cloratos en la salmuera de acuerdo a la siguiente
reacción:
3 Na2SO3 + NaClO3 → 3 Na2SO4 + NaCl (ec. 22)
2.2.9 Hidráulica de tuberías En todos los sistemas que impliquen el movimiento de fluidos a través de
líneas es importante conocer el comportamiento de los mismos en el interior de las
tuberías, esto se realiza por medio de estudios hidráulicos.
54
DERECHOS RESERVADOS
Según R. Fox, 1989, el estudio hidráulico se basa en calcular las
velocidades y diferenciales de presión ocasionados por el movimiento de los
fluidos dentro de las tuberías y accesorios tale como codos, válvulas, etc.
El método más común para transportar fluidos de un punto a otro es
impulsarlo a través de un sistema de tuberías. Las tuberías de sección circular son
las mas frecuentes, ya que esta forma ofrece mayor resistencia estructural y
también mayor sección para el mismo perímetro exterior que cualquier otra forma.
El término velocidad, se refiere a la velocidad media o promedio de cierta
sección transversal dada por la ecuación de continuidad para flujo estacionario,
esto es:
V = q = m • 1 = m • v (ec. 23)
A A ρ A
Donde:
q =: Caudal en las condiciones de flujo (m3/s)
A = Área dela sección transversal de la tubería u orificio (m2)
m = flujo másico (kg/h)
ρ = densidad del fluido (kg/m3)
v = volumen especifico del fluido
V = Velocidad del fluido, m/s
No se puede estudiar el flujo de fluidos por tuberías sin tomar en cuenta las
pérdidas de energía que supone el rozamiento de las partículas del fluido con las
paredes de la tubería (fricción), este roce tiene como consecuencia la caída de
presión en el sentido del flujo.
Esta pérdida total de presión se puede considerar como la suma de las
pérdidas mayores debida a los rozamientos del flujo completamente desarrollado a
través de un conducto de área constante y las pérdidas menores debido a los
accesorios que tiene la tubería, tales como entradas, acoplamientos entre tubos,
cambios de área y de dirección.
55
DERECHOS RESERVADOS
La ecuación general de la pérdida de presión, conocida como la formula de
Darcy y que expresa en metros de fluido es:
hl = ƒ • L • V2 (ec. 24)
2 • D • g
Donde:
ƒ = Factor Darcy, adimensional
D = Diámetro de tubería, m
V = velocidad del fluido, m/s
g = aceleración de la gravedad
La ecuación de Darcy es válida tanto para flujo laminar como turbulento de
cualquier líquido en una tubería. Con la ecuación (2) se obtiene la caída de
presión por fricción, esta se aplica a tuberías de diámetro constante por la que
pasa un flujo cuya densidad permanece casi invariable a través de la línea recta,
ya sea horizontal, vertical o inclinada.
El factor de fricción (ƒ) es un término netamente empírico que se obtiene de
forma experimental. Se han desarrollado tablas, gráficos y algunas ecuaciones
para obtener el factor ƒ.
El factor de fricción para régimen laminar es solo una función del numero de
Reynolds; mientras que para el flujo turbulento es función de la rugosidad relativa,
propia del material de la tubería y el Reynolds.
56
DERECHOS RESERVADOS
Fig. 7. Factor de fricción en tuberías PVDF
Fuentehttp://www.asahi-america.com
Fig. 8. Rugosidad Relativa e tuberías PVDF
Fuente http: //www.asahi-america.com
57
DERECHOS RESERVADOS
2.2.9.1 Regímenes de fluidos en tuberías Los flujos viscosos se pueden clasificar en laminares o turbulentos teniendo
en cuenta la estructura interna del flujo. En un régimen laminar la estructura del
flujo se caracteriza por el movimiento de láminas o capas; mientras que la
estructura del flujo turbulento se caracteriza por los movimientos tridimensionales,
aleatorios, de las partículas del fluido, superpuestos al movimiento promedio. Para
un régimen laminar, la velocidad del fluido es la máxima en el eje de la tubería y
disminuye rápidamente hasta anularse en la pared de la tubería.
La distribución de velocidades en el régimen turbulento es mas uniforme a
través del diámetro de la tubería que en el régimen laminar. En la práctica de
ingeniería son mas frecuentes las situaciones de flujo turbulento. (R. Fox, 1989)
2.2.9.1.1 Numero de Reynolds Es un parámetro empírico adimensional mediante el cual se puede
determinar el estado de un flujo, este número relaciona el flujo volumétrico, el
diámetro de la tubería, la densidad y la viscosidad del fluido. Dicho valor numérico
puede considerarse como “la relación de las fuerzas inerciales de la masa del
fluido respecto a las fuerzas viscosas” (R. Fox, 1989). El número de Reynolds se
define como:
Re = 4 • Q (ec. 25)
π •Di • v
Donde:
Q: Flujo volumétrico (m3/s)
Di: diámetro interno de la tubería (m)
v: Viscosidad cinemática (m2/s)
58
DERECHOS RESERVADOS
Si Re < 2000 el flujo se considera laminar, si Re > 4000 se considera
turbulento: cuando Re está entre estos dos valores se dice que el flujo está en
régimen de transición.
2.2.9.2 Principios de Cálculos de Caída de Presión
La ecuación básica para el cálculo de caída de presión para líquidos en
tuberías y accesorios es la ecuación de Bernoulli generalizada, la cual asume
densidad constante, la ecuación se muestra a continuación:
P1 + Z1 •g + v12 = P2 + Z2 •g + v2
2 + hL (ec. 26)
ρ gc 2gc ρ gc 2gc
Donde:
hL = Fricción o pérdida de cabezal, kJ/kg
g = Aceleración de la gravedad, m/s2
gc = constante dimensional, 1x103 kg•m/kN•s2
P = Presión, kPa
v = Velocidad de fluido, m/s
Z1, Z2 = Elevación, m
ρ = Densidad kg/m3
Para tuberías horizontales de diámetro constante, es importante solamente
el término fricción hL. Para tuberías verticales o inclinadas se debe incluir el
término de elevación y para cambios de sección transversal el término de energía
cinética. Para líquidos en general, se puede asumir viscosidad y densidad
constante. El flujo no isotérmico es una excepción, debido a intercambio de calor o
a producción o consumo de calor en el líquido por reacción química o a pérdida
por fricción.
59
DERECHOS RESERVADOS
En los casos en que el flujo se puede suponer isotérmico a través de la
sección transversal, pero no isotérmico a lo largo de la longitud de la tubería, la
caída de presión puede ser determinada dividiendo la tubería en tramos y
calculando la caída de presión entre cada una de las divisiones hechas
Cuando el flujo no se puede suponer isotérmico a través del tramo de la
tubería en cuestión, es necesario utilizar un método especia de cálculo, ya que la
densidad y viscosidad dependen casi exclusivamente de la temperatura del fluido.
(R. Fox, 1989)
2.2.9.2.1 Tuberías Rectas Horizontales
La caída de presión en tuberías rectas de diámetro constante es causada
mayormente por fricción y puede ser calculada mediante la ecuación de Fanning.
El factor experimental en esta ecuación, llamado factor Fanning ƒ, es una función
del numero de Reynolds y la rugosidad relativa de la pared de la tubería.
Para un determinado tipio de material, la rugosidad es relativamente
independiente del diámetro de la tubería; por lo tanto, el factor de fricción puede
ser expresado como una función del número de Reynolds y del diámetro interno
de la tubería. Para flujo laminar (Re < 2000), el factor de fricción es función solo
del número de Reynolds. La región de transición está limitada por valores del
número de Reynolds comprendidos entre 2000 y 4000. Aquí el flujo puede ser
tanto laminar como turbulento, dependiendo de factores tales como el cambio de
la sección transversal o la presencia de válvulas, accesorios u obstrucciones en
las tuberías. En este régimen, el factor de fricción es difícil de determinar y cae en
algún lugar entre los límites para flujo laminar y turbulento. Sin embargo para la
mayoría de las aplicaciones con tubería comercial el fluido tiende a ser turbulento
y debe usarse el valor mas alto de factor de fricción. (W. Streeter, Mecánica de
fluidos, 1994)
La precisión de la ecuación de fricción de Fanning es ± 15% para tubos
“tubing” (lisos) y ± 10% para tubería de acero comercial.
60
DERECHOS RESERVADOS
El ensuciamiento puede reducir el área de sección transversal o incrementar la
rugosidad de la tubería con el tiempo. Por esta razón, cuando se calculan las
caídas de presión de debe dar holgura para el ensuciamiento.
La mayoría de los estudios del efecto del ensuciamiento en las caídas de
presión han sido para tuberías con agua. Para tales tuberías en lugar de la
correlación de Fanning, la correlación empírica que se ha usado ampliamente es
la conocida como factor Hazen-Williams. La correlación contiene un coeficiente
conocido como factor H–W –“C”, el cual es usado para tomar en cuenta la
superficie y ensuciamiento. (R. Fox, 1989)
2.2.9.2.2 Efectos de Accesorios Los codos, conexiones “T”, válvulas, orificios y otras restricciones causa
caídas de presión adicional en la tubería. Los accesorios que tiene el mismo
diámetro nominal que la tubería, pueden ser tomados en cuenta en términos de
longitud equivalente de tubería. Esta longitud equivalente puede ser calculada a
partir de los coeficientes de los accesorios.
La longitud equivalente es entonces sumada a la longitud real de la tubería y la
suma es usada en la ecuación de Fanning para predecir la caída de presión total.
El uso de longitudes equivalentes o coeficientes de resistencia es, como se
ha publicado, esencialmente una correlación aproximada de un problema
complejo. Si la caída de presión es un factor crítico por seguridad, economía u
otras consideraciones.
Cuando no se dispone del detalle de la tubería se pueden usar las
siguientes guías para estimar longitudes equivalentes:
Líneas dentro de la Planta: La longitud real de tubería puede ser estimada a partir
del plano de distribución, alturas de torre, etc. La longitud equivalente de los
accesorios en las tuberías dentro de la planta suma entre 200% y 500% de la
longitud real. De acuerdo a esto un factor multiplicador entre 3.0 y 6.0 se puede
aplicar para estimar la longitud de tubería recta.
61
DERECHOS RESERVADOS
Líneas fuera de la Planta: Para líneas fuera de la planta, la longitud de tubería
recta aproximada puede ser estimada del plano de distribución. Debido a que los
accesorios en líneas fuera de la planta tienen una longitud equivalente
comprendida entre 20% y 80% de la longitud real, se puede aplicar un factor
multiplicador entre 1.2 y 1.8 para estimar longitudes de tubería rectas. (R. Fox,
1989)
2.2.9.2.3 Tuberías no-Horizontales En caso de tuberías no horizontales, el término de elevación debe sumarse
al cambio de presión calculado por las pérdidas por fricción y energía cinética
usando la siguiente expresión:
(ΔP)e = F ρ•g (Z2-Z1) (ec. 27)
gc
Donde:
(ΔP)e = Caída de presión debido al cambio de elevación, kPa
Z1,Z2 = Elevación al comienzo y final de la tubería, m
F = Factor que depende de las unidades utilizadas, el valor en el
sistema métrico es 9.81 x 10–3
2.2.10 Intercambio de Calor
El papel de los intercambiadores de calor es ahorrar energía y disponer de
equipos óptimos no sólo en función de su análisis térmico y del rendimiento
económico de la instalación, sino también en función de otros factores como el
aprovechamiento energético del sistema y la disponibilidad y cantidad de energía y
de materias primas necesarias para cumplir una determinada función.
Desde el momento en que un intercambiador de calor se instala y pone en
funcionamiento dentro de un proceso de transferencia térmica, se precisa un
determinado gradiente de temperatura para que se pueda efectuar la transmisión
62
DERECHOS RESERVADOS
del calor; la magnitud de este gradiente se puede reducir utilizando a medida que
aumenta el tamaño del intercambiador, pero esto a su vez implica un mayor costo,
tanto de tipo económico, como energético. www.heattransfer.com
2.2.10.1 Tipos de intercambiadores de calor. Según www.heattransfer.com, los intercambiadores de calor se clasifican en
4 tipos.
1. Doble Tubo
2. Carcaza y Tubo
3. Flujo Cruzado
4. Compacto
2.2.10.1.1 Intercambiadores De Doble Tubo Siguiendo con www.heattransfer.com, el intercambiador más sencillo, por
el tubo interno circula uno de los fluidos, mientras que el otro fluido circula por el
espacio anular. Dependiendo del sentido del flujo se clasifica en:
2.2.10.1.1.1 Flujo Paralelo y Flujo Contracorriente En este tipo de intercambiador, los dos fluidos se mueven bien sea en el
mismo sentido o en sentidos opuestos, tal y como se muestra en la figura
63
DERECHOS RESERVADOS
Fig. 9 Intercambiador de doble tubo
Fuente: www.heattransfer.com
2.2.10.1.2 Intercambiadores de Carcasa y Tubo Es el intercambiador más ampliamente usado en la industria. En este
intercambiador un fluido fluye por el interior de los tubos, mientras el otro es
forzado a través de la carcaza y sobre el exterior de los tubos. Para asegurar que
el fluido por el lado de la carcaza fluya a través de los tubos e induzca una mayor
transferencia de calor, se colocan, deflectores ó placas verticales. Es corriente
encontrar intercambiadores de calor de 2,4,8,etc. pasos de tubos. De la misma
manera existe la posibilidad que exista varios pasos de carcaza. Perry, p11-3.
(1992)
Figura 10. Intercambiador de carcaza y tubo
Fuente: www.heattransfer.com
64
DERECHOS RESERVADOS
2.2.10.1.3 Flujo Cruzado Alternativamente los fluidos pueden moverse en flujo cruzado
(perpendicular uno al otro), tal como se señala en la figura 11. Los
intercambiadores en flujo cruzado se utilizan comúnmente en procesos de
enfriamiento o calentamiento de aire o gas. En la Figura 11 se señala a dos tipos
de intercambiadores de calor de flujo cruzado. Las dos configuraciones difieren de
acuerdo si el fluido que se induce sobre los tubos esta mezclado o sin mezclar. Un
fluido se dice que esta sin mezclar debido a que las aletas previenen el
movimiento en la dirección (y) que es la dirección transversal a la dirección del
flujo principal (x). En este caso la temperatura del fluido
varia con x y con y.
Figura 11 Intercambiador de flujo cruzado
Fuente: www.heattransfer.com
En contraste para el haz de tubo sin aletear, el movimiento del fluido, se
dice que esta mezclado ya que la temperatura no cambia en la dirección
transversal, siendo función exclusiva de la dirección del flujo principal. Dado que el
flujo dentro de los tubos esta sin mezclar, ambos fluidos se dicen que están sin
mezclar en el intercambiador aleteado, mientras que un fluido esta mezclado y el
otro sin mezclar en el intercambiador no- aleteado. Es importante destacar que la
65
DERECHOS RESERVADOS
condición de mezclado y sin mezclar del intercambiador influencia
significativamente el funcionamiento del intercambiador de calor. Fuente:
www.heattransfer.com
Figura 12 Intercambiadores compactos
Fuente: www.heattransfer.com
2.2.10.1.4 Intercambiador Compacto Intercambiadores de calor con relación área superficial/volumen,
As /V = β mayores que 700 m m se denominan intercambiadores de calor
compacto, debido a su pequeño tamaño y peso, los intercambiadores de calor
compactos prevalecen en la industria automotriz, industria aéreo-espacial y en
sistemas marinos. Un espectro de intercambiadores de calor basado en el
parámetro β es mostrado en la Figura 13
66
DERECHOS RESERVADOS
Figura 13 Espectro del parámetro β ( / ) m m
Un intercambiador de carcaza y tubo típico con tubos de 25,4 mm de
diámetro, el cual es comúnmente utilizado en los condensadores de las plantas de
generación de potencia, poseen un valor de β = 130 mm . Por otra parte, los
radiadores de los nuevos automóviles con 5,5 aletas/cm (14 aletas/pulgada)
califican como intercambiadores de calor compacto dado que poseen β = 1001
mm equivalente a tubos de 3 mm de diámetro. Fuente: www.heattransfer.com
2.2.10.2 Coeficiente Global de Transferencia de Calor A diferencia de los procesos estudiados anteriormente, la temperatura
superficial o los flujos de calor no son especificados para los intercambiadores de
calor. Esta complicación es resuelta mediante la utilización del Coeficiente Global
de Transferencia de Calor. Este coeficiente es definido en términos de la
resistencia térmica total a la transferencia de calor entre dos fluidos. Cuando
consideramos fluidos de un intercambiador de calor fluyendo fuera y dentro de un
tubo, Figura 14
67
DERECHOS RESERVADOS
Figura 14 Coeficiente global de transferencia de calor para un tubo
Fuente: www.heattransfer.com
De manera que podemos escribir que:
(ec. 28)
Donde Uo, designa al coeficiente global de transferencia de calor, referido al
área externa, y de igual forma, Ui se refiere al coeficiente global de transferencia
de calor referido al área interna. Dicha distinción es necesaria, debido a que el
área disponible para transferencia de calor no es constante sino se crece cuando
se avanza radialmente.
En la tabla siguiente se muestra valores típicos del coeficiente global de
Transferencia de calor, U
68
DERECHOS RESERVADOS
Fig.15 Algunos valores típicos del Coeficiente Global de Transferencia de Calor, U
Fuente: www.heattransfer.com
2.2.10.3 Factor de Encrustamiento Las expresiones anteriores para el coeficiente global de transferencia de
calor, son válidas para tubos limpios. Como es bien conocido las superficies
interior de los tubos de un intercambiador de calor no permanecen limpias
después de varios meses de operación. Se forman escamas o depósitos en la
superficie interior. La acumulación de escamas o depósitos en el interior de los
tubos, pueden afectar severamente el valor del coeficiente global de transferencia
de calor, U.
El efecto global de los depósitos se cuantifica por el denominado Factor de
encrustamiento o Factor de suciedad, Rf el cual se determina
experimentalmente. Su efecto neto consiste en incrementar la resistencia al flujo
de calor, o que en otras palabras disminuir el coeficiente global de transferencia de
calor. Fuente: www.heattransfer.com
Factor de suciedad Rf, se relaciona con el coeficiente Global teórico,
mediante la siguiente expresión:
69
DERECHOS RESERVADOS
(ec 29) Fig.16 Valores típicos del factor de encrustamiento
Fuente: www.heattransfer.com
2.2.10.4 Análisis Térmico de un Intercambiador de Calor Según Perry, p10-24. (1992). El objetivo de un análisis térmico de un
intercambiador de calor es el de ser capaces de expresar la cantidad total de calor
transferido, q, del fluido caliente al fluido frío, en términos del coeficiente global de
transferencia de calor. El área de transferencia de calor A, y las temperaturas de
entrada y salida de los fluidos caliente y frío. Un balance de energía da como
resultado:
[ Energía perdida por el flujo caliente] = [Energía ganada por el flujo frío]
Las metodologías de análisis térmico de intercambiadores de Calor son:
1. Método F-LMTD
2. Método ε- NTU
70
DERECHOS RESERVADOS
A continuación presentaremos solo el análisis del método F-LMTD
o bien:
(ec. 30)
donde:
mh : Flujo másico del fluido caliente
ch : Calor específico del fluido caliente
Th,f :Temperatura de entrada del fluido caliente
Th,o :Temperatura de salida del fluido caliente
mc : Flujo másico del fluido frío
cc : Calor específico del fluido frío
Tc,i , : Temperatura de entrada del fluido frío
Tc,0 : Temperatura de salida del fluido frío
El producto ( c · m )aparece con frecuencia en el análisis de
intercambiadores de calor y es denominado, Capacidad calorífica, C ( c · m = C )
2.2.10.4.1 Diferencia de temperatura media logarítmica Considérese el intercambiador de calor de doble tubo mostrado en la Figura
17, el cual opera en flujo paralelo:
71
DERECHOS RESERVADOS
Fig. 17 Distribución de temperaturas en un intercambiador de doble tubo en flujo paralelo
Fuente: www.heattransfer.com, Perry, p10-25. (1992)
Se propone calcular el flujo de calor mediante:
(ec. 31)
donde: q : Flujo de calor [ W] U : Coeficiente Global de transferencia de calor, ] / [W/m2 K A: Área de transferencia de calor consistente con U. Δ Τ m: Diferencia de temperatura media En la figura 17 se muestra la historia de las temperaturas de los fluidos fríos y calientes, de este modo un balance de energía nos da como resultado.
(ec. 32)
incorporando la capacidad calorífica, y reordenando, obtenemos:
72
DERECHOS RESERVADOS
(ec. 33)
Restando ambas ecuaciones,
(ec. 34)
sustituyendo la expresión de calor expresada por:
(ec. 35)
Se obtiene la siguiente ecuación diferencial:
(ec. 36)
Integrando la ecuación anterior entre el punto 1 y el punto 2, se obtiene:
(ec. 37)
si,
(ec. 38)
De manera que sustituyendo las ecuaciones anteriores en la ecuación previamente integrada, obtenemos:
(ec. 39)
73
DERECHOS RESERVADOS
Rescribiendo la ecuación anterior:
(ec. 40)
que al despejar de la ecuación anterior, q , se tiene:
(ec. 41)
de la última ecuación se reconoce:
(ec. 42)
donde LMTD son las siglas en inglés de Logarithm Mean Temperature
Difference (Diferencia de temperatura logarítmica media).
En forma similar para un intercambiador de doble tubo, operando en
fijo en contracorriente, tal como el indicado en la Figura 18
74
DERECHOS RESERVADOS
Fig. 18 Distribución de temperaturas en un intercambiador de doble tubo en contra flujo
Fuente: www.heattransfer.com, Perry, p10-25. (1992)
Se tiene que LMTD, viene dada por:
(ec. 43)
Por tanto se verifica que aplica la misma expresión para LMTD, tanto en
flujo paralelo, como en contracorriente.
Para el caso particular de operación en contracorriente, en el cual ambos
fluidos poseen la misma capacidad calorífica, Cc = Ch , se obtiene que ΔΤ1 = ΔΤ2 ,
75
DERECHOS RESERVADOS
de manera que se presenta una indeterminación en el cálculo de ΔT m , que al
solventar aplicando la regla L’hopital se obtiene finalmente que ΔTm = ΔΤ1 = ΔΤ2 .
2.2.10.4.1.1 Análisis Térmico en Intercambiadores de Carcasa y Tubo con Flujo Cruzado.
Según Perry, p10-25. (1992). Si se usa un intercambiador calor diferente del
tipo de doble tubo, la transferencia de calor se calcula usando un factor de
corrección, F aplicado al valor LMDT, por tanto
(ec. 31)
(ec. 44)
(ec. 45)
Expresiones algebraicas para el factor de corrección, F, han sido
desarrolladas para diversos configuraciones de intercambiadores de carcaza y
tubo e intercambiadores tubo cruzado, ( TEMA 1978). Y los resultados pueden ser
presentados en forma gráfica, tales como los mostrados en la Figura 19 a 22 la
notación (T,t) es usada para especificar las temperaturas de los fluidos, con la
variante t siempre asignada al fluido que circula por los tubos. Con esta
convención no hay problema si es el fluido caliente o frío el que fluye por los tubos
o por la carcaza. Una importante implicación de las Figuras 19 a 22 es que, si el
cambio de temperatura del fluido es despreciable, P o R son cero y por tanto F=1.
Independientemente de la configuración del intercambiador. Esta situación se
presenta cuando uno de los fluidos presenta un cambio de fase.
76
DERECHOS RESERVADOS
Fig.19 Factor de corrección para un intercambiador de un paso por carcaza y dos, cuatro o cualquier múltiplo de dos pasos por tubos
Fuente: Perry, p 10-27 (1992)
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DERECHOS RESERVADOS
Fig.20 Factor de corrección para un intercambiador de carcaza y tubo con dos pasos de carcaza y cuatro, ocho o cualquier múltiplo de cuatro pasos por tubos
Fuente: Perry, p 10-27 (1992)
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DERECHOS RESERVADOS
Fig.21 Factor de corrección para un intercambiador de un solo paso y flujo transversal, con ambos fluidos sin mezclar
Fuente: Perry, p 10-27 (192)
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DERECHOS RESERVADOS
Fig.22 Factor de corrección para un intercambiador de un solo paso y flujo transversal, con un fluido mezclado y otro sin mezclar
Fuente: Perry, p 10-27 (192)
2.2.11 Bombas
Siempre que tratemos temas como procesos químicos, y de cualquier
circulación de fluidos estamos, de alguna manera entrando en el tema de bombas.
Según Perry, p6-4.(1992), el funcionamiento de la bomba será el de un
convertidor de energía, o sea, transformara la energía mecánica en energía
cinética, generando presión y velocidad en el fluido.
Existen muchos tipos de bombas para diferentes aplicaciones.
Los factores más importantes que permiten escoger un sistema de bombeo
adecuado son: presión última, presión de proceso, velocidad de bombeo, tipo de
fluido a bombear (la eficiencia de cada bomba varía según el tipo de fluido).
Le ecuación de Energía, también conocida como ecuación de Bernoulli (ec.
46) se utiliza para conocer la capacidad de la bomba:
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DERECHOS RESERVADOS
THD= ΔP + ΔZ•g•ρ + ΔV2•ρ+ hL, (ec 46)
Estacionamiento
Donde:
TDH: Cabezal Dinámico Total
ΔP: Cabezal de presión
ΔZ: Cabezal de altura
ΔV: Cabezal de velocidad
ρ: Densidad del fluido
hL: Cabezal de pérdidas por fricción y accesorios
gc: Constante dimensional
2.2.11.1 Clasificación de las Bombas
Las bombas se clasifican en tres tipos principales:
• De émbolo alternativo.
• De émbolo rotativo.
• Rotodinámicas.
Los dos primeros operan sobre el principio de desplazamiento positivo, es
decir, que bombean una determinada cantidad de fluido (sin tener en cuenta las
fugas independientemente de la altura de bombeo).
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DERECHOS RESERVADOS
2.2.11.1.1 Bombas de Embolo Alternativo
De acuerdo a Perry, 6-13. (1992), en su forma usual, la bomba de émbolo
alternativo consiste en un pistón que tiene un movimiento de vaivén dentro de un
cilindro.
Un adecuado juego de válvulas permite que el líquido sea aspirado en una
embolada y lanzado a la turbina de impulsión en la siguiente.
En consecuencia, el caudal será intermitente a menos que se instalen
recipientes de aire o un número suficiente de cilindros para uniformar el flujo.
Aunque las bombas de émbolo alternativo han sido separadas en la mayoría de
los campos de aplicación por las bombas rotodinámicas, mucho más adaptables,
todavía se emplean ventajosamente en muchas operaciones industriales
especiales.
2.2.11.1.2 Bombas de Embolo Rotativo
Siguiendo con Perry, p 6-16, (1992), las bombas de émbolo rotativo generan
presión por medio de engranajes o rotores muy ajustados que impulsan
periféricamente al líquido dentro de la carcaza cerrada.
El caudal es uniforme y no hay válvulas. Este tipo de bombas es
eminentemente adecuado para pequeños caudales (menores de 1 pie3/s y el
líquido viscoso). Las variables posibles son muy numerosas.
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DERECHOS RESERVADOS
2.2.11.1.3 Bombas Rotodinámicas
Este tipo de bomba su nombre a un elemento rotativo, llamado rodete o
impulsor, que comunica velocidad al líquido y genera presión. La carcaza exterior,
el eje y el motor completan la unidad de bombeo.
Los diversos tipos se pueden agrupar en:
2.2.11.1.3.1 Bombas Centrífugas.
Son el tipo más corriente de bombas rotodinámicas, y se denomina así
porque la cota de presión que crean es ampliamente atribuible a la acción
centrífuga.
El rodete consiste en cierto número de álabes curvados en dirección
contraria al movimiento y colocados entre dos discos metálicos.
El fluido entra por el centro u ojo del rodete y es arrastrada por los álabes y
lanzada en dirección radial. Esta aceleración produce un apreciable aumento de
energía de presión y cinética. A la salida, el movimiento del fluido tiene
componentes radial y transversal. Para que no haya una pérdida notable de
energía, y por tanto de rendimiento, es esencial transformar en la mayor medida
posible la considerable cota cinemática a la salida del rodete en la más útil cota de
presión.
Normalmente, esto se consigue construyendo la carcaza en forma de
espiral, con lo que la sección del flujo en la periferia del rodete va aumentando
gradualmente. Para caudales grandes se usa el rodete de doble aspiración, que
es equivalente a dos impulsores de simple aspiración ensamblados dorso con
dorso; esta disposición permite doblar la capacidad sin aumentar el diámetro del
rodete. Es más cara de fabricar, pero tiene la ventaja adicional de solucionar el
problema del empuje axial.
83
DERECHOS RESERVADOS
En ambos casos, las superficies de guía están cuidadosamente
pulimentadas para minimizar las pérdidas por rozamiento.
El montaje es generalmente horizontal, ya que así se facilita el acceso para el
mantenimiento. Sin embargo, debido a la limitación del espacio, algunas unidades
de gran tamaño se montan verticalmente.
Las proporciones de los impulsores varían dentro de un campo muy amplio, lo que
permite hacer frente a una dilatada gama de condiciones de funcionamiento.
Perry, p 6-8 (1992)
Figura 23. Curva característica (Comportamiento) de una bomba centrífuga
Fuente: www.marchpumps.com
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Fig.24 Bomba Centrifuga
Fuente: www.marchpumps.com
2.2.11.1.3.2 Bombas Múltiples
Para alturas superiores a 200 pies (60.96 m) se emplean normalmente bombas
múltiples o bombas de turbina. Este tipo de bomba se rige exactamente por el
mismo principio de la centrífuga y las proporciones del rodete son muy
semejantes.
Consta de un cierto número de rodetes montados en serie, de modo que el
agua entra paralelamente al eje y sale en dirección radial.
La elevada energía cinética del agua a la salida del impulsor se convierte en
energía de presión por medio de una corona difusora formada por álabes
directores divergentes. Un conducto en forma de S conduce el agua en sentido
centrípeto hacia el ojo del rodete siguiente.
El proceso se repite en cada escalonamiento hasta llegar a la salida. Si se aplica
85
DERECHOS RESERVADOS
un número suficiente de escalonamientos, puede llegarse a obtener una cota de
4.000 pies (1919.2 m). Perry, p 6-9 (1992)
2.2.11.1.3.2.1 Bombas de columna.
Son del tipo múltiple, con montaje vertical y diseñadas especialmente para la
elevación de agua en perforaciones angostas, pozos profundos o pozos de
drenaje.
Resultan adecuadas para perforaciones de un diámetro tan pequeño como 6
pulg. (15.24 cm) y con mayores diámetros son capaces de elevar cantidades de
agua superiores a un millón de galones por hora desde profundidades de hasta
1.000 pies (304.8 m).
Normalmente se diseñan los impulsores de forma que lancen el fluido en
dirección radial-axial, con objeto de reducir a un mínimo el diámetro de perforación
necesario para su empleo. La unidad de bombeo consiste en una tubería de
aspiración y una bomba situada bajo el nivel del agua y sostenida por la tubería de
impulsión y el árbol motor. Dicho árbol ocupa el centro de la tubería y está
conectado en la superficie al equipo motor.
Cuando la cantidad de agua que se ha de elevar es pequeña o moderada, a
veces es conveniente y económico colocar la unidad completa de bombeo bajo la
superficie del agua. Así se evita la gran longitud del árbol, pero en cambio se
tiene la desventaja de la relativa inaccesibilidad del motor a efectos de su
entretenimiento. www.hydraulics.com
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2.2.11.1.3.3 De flujo axial.
Este tipo de bomba es muy adecuado cuando hay que elevar un gran
caudal a pequeña altura. Por esto, sus principales campos de empleo son los
regadíos, el drenaje de terrenos y la manipulación de aguas residuales.
El rendimiento de esta bomba es comparable al de la centrífuga. Por su mayor
velocidad relativa permite que la unidad motriz y la de bombeo sean más
pequeñas y por tanto más baratas.
La altura máxima de funcionamiento oscila entre 30 y 40 pies. Sin embargo,
es posible conseguir mayores cotas mediante 2 ó 3 escalonamientos, pero este
procedimiento raramente resulta económico. Para grandes bombas se adopta
generalmente el montaje vertical, pasando el eje por el centro de la tubería de
salida El rodete es de tipo abierto, sin tapas, y su forma es análoga a la de una
hélice naval.
El agua entra axialmente y los álabes le imprimen una componente
rotacional, con lo que el camino por cada partícula es una hélice circular.
La cota se genera por la acción impulsora o de elevación de los álabes, sin que
intervenga el efecto centrífugo. La misión de los álabes fijos divergentes o álabes
directores es volver a dirigir el flujo en dirección axial y transformar la cota
cinemática en cota de presión.
Para evitar la creación de condiciones favorables al destructivo fenómeno de
cavitación, la bomba de flujo axial se ha de proyectar para poca altura de
aspiración. De hecho, es preferible adoptar en la que el rodete permanezca
siempre sumergido, ya que así la bomba estará siempre cebada y lista para
comenzar a funcionar. www.hydraulics.com
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2.2.12 Volumen de un Cilindro
El volumen de un sólido se define como el espacio que ocupa un cuerpo
tridimensional.
El volumen de un cilindro se calcula mediante la siguiente fórmula
V = π• r2• h (ec 47) Figura 25 Donde, V: Volumen r r: Radio h: Altura Π: (Pi) Constante, 3.141592 h
2.3 Ingeniería Conceptual
Es un paquete de información técnico-económica que contiene las
principales características de un proyecto de ingeniería, entre ellos: Descripción
del proceso productivo, características de los productos finales, materia prima
utilizada y requerimientos generales de área. La finalidad primordial es permitir a
la gerencia de la empresa Venezolana de Cloro C.A. conocer el alcance del
proyecto y un estimado de los costos que implica la construcción del proyecto en
cuestión. Perry, p 25-29
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DERECHOS RESERVADOS
2.3.1 Documentos
- Descripción del proceso: Es una explicación paso a paso de la operación y
comportamiento de la planta de Cloro-Soda.
- Diagrama de flujo de proceso (DFP): Es un diagrama simplificado de la
descripción del proceso.
- Especificación de Equipos: Es la información técnica de diseño de los
principales equipos del proceso.
- Estándares de Tuberías (Piping Class): Es el estándar por el cual se
diseñaran las redes de tuberías (materiales, velocidades, caídas de presión, entre
otros).
- Consumo de Químicos: Es la especificación de las cantidades y
características de los químicos consumidos en el proceso.
- Estimación de Costos de Instalación: Son los costos de implantación del
proyecto.
2.3.2 Bases, Criterios y Códigos de Diseño Aplicables
2.3.1 Bases de Diseño Los cálculos de la ingeniería conceptual para la planta de cloro-soda se
realizaron partiendo de las necesidades de la empresa VENCLORO C.A., la cual
es de 5 TMD de cloro gas.
La planta estará ubicada en los terrenos de la empresa VENCLORO CA,
ubicada en la segunda etapa de la zona industrial, San Francisco, estado Zulia.
Todos los tanques y recipientes de proceso son atmosféricos.
La materia prima, es decir, la Sal cruda que se someterá a todos los
tratamientos será la proporcionada por la empresa PRODUSAL C.A., la cual
provee todos los análisis físico-químicos de su producto.
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DERECHOS RESERVADOS
2.3.2 Criterios de Diseño
Usuario: El usuario del producto será la empresa VENCLORO C.A., quines
destinaran el producto para su posterior uso en la planta de hipoclorito que se
encuentra dentro de las instalaciones de la mencionada compañía.
Operación: Será continua, ya que al detener el proceso se corre el riesgo
de dañar los electrolizadores.
Configuración del Sistema: Constará de una sección de tratamiento
primario de la materia prima, tratamiento secundario, 2 electrolizadores,
tratamiento de la salmuera agotada y almacenamiento de soda cáustica.
2.3.3 Códigos de Diseño
Materiales de tuberías y equipos: ASTM
Válvulas: API
Diseño de tuberías y accesorios: ASA
Bombas: ANSI, API
Cálculos: AICHE
2.4 Definición de Términos Básicos
Adsorción: unión o atracción de moléculas a una superficie
Agua desmineralizada: comúnmente llamada “agua blanda” o “suave”, es
el agua que después de aplicársele cierto tratamiento químico está exenta de
sales de calcio y magnesio
Amalgama: aleación de Mercurio con otro metal
Anión: ión cargado negativamente
Ánodo: electrodo en donde la oxidación ocurre en una celda
electroquímica. Es el electrodo positivo en una celda electrolítica, mientras que es
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DERECHOS RESERVADOS
el negativo en una celda galvánica. La corriente en el ánodo es considerada
positiva de acuerdo a convenciones internacionales, si embargo, en la química
electroanalítica la corriente es considerada negativa.
Anolito: También llamado salmuera agotada, es la corriente que se va a
recircular, proviene de los electrolizadores, es la porción de la materia prima
tratada que ya no puede ser sometida a la electrólisis.
Catión: ión cargado positivamente
Cátodo: electrodo en donde ocurre la reducción en la celda electroquímica.
Es el electrodo negativo en una celda galvánica. La corriente en el cátodo es
considerada negativa de acuerdo a convenciones internacionales, si embargo, en
la química electroanalítica la corriente es considerada positiva.
Celda de Membrana de Cloro-Soda: celda para la electrólisis del cloruro
de sodio acuoso en el cual los compartimientos del ánodo y el cátodo están
separados por una membrana plástica especial que solo permite a los cationes
pasar a través de ella.
Celda de Mercurio de Cloro-Soda: celda para le electrólisis del cloruro de
sodio acuoso en la cual el mercurio se emplea como cátodo.
Celda electrolítica: celda electroquímica en la cual una corriente dirige una
reacción que de otro modo no seria espontánea.
Densidad de corriente: corriente dividida entre el área del electrodo.
Dureza: Es la cantidad de Ca+2, Mg+2 que posee una corriente de proceso,
puede ser cálcica o magnésica o total, en cuyo caso sería la suma de las dos
durezas.
Electrólisis: proceso para producir un cambio químico en una celda
electrolítica mediante el rompimiento de la molécula de un compuesto.
Electrolito: Es el nombre dado al líquido a través del cual pasa la corriente
eléctrica para producir la electrólisis.
Electrodo Bipolar: Es un electrodo que es compartido por dos celdas
electroquímicas que se encuentran dispuestas en serie, de tal modo que, un lado
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DERECHOS RESERVADOS
del electrodo (que por lo general es plano) actúa como el ánodo en una celda y los
otros lados actúan como el cátodo en otra celda. Es un rasgo de diseño muy
eficiente el usar una sola estructura plana para electrodos en dos celdas vecinas
y también como interconexión eléctrica entre ellos.
Evaluación hidráulica: Cálculo de velocidades y caídas de presión
originadas por la pérdida de energía de los fluidos en movimiento en las tuberías
Intercambio iónico: proceso en el cual se hace pasar una corriente de
agua a través de una columna rellena con un material polimérico, se utiliza para
reemplazar iones de la misma carga.
Ión: partícula cargada eléctricamente obtenida de un átomo o un grupo de
átomos enlazados químicamente por adición o remoción de electrones.
Membrana de intercambio iónico: lamina de plástico formada por resinas
de intercambio iónico. Su función es dejar pasar solo iones positivos o negativos a
través de sí, dependiendo del proceso.
Membrana semipermeable: separador en el cual ciertas moléculas pueden
pasar, mientras que otras no.
Neutralización: todos los tratamientos destinados a llevar el agua a un pH
próximo a la neutralidad o de equilibrio, puesto que el agua puede ser ácida o
alcalina.
Precipitación: La adición de un reactivo soluble, el cual por permutación o
combinación con, los iones indeseables contenidos en el agua bruta provoca la
precipitación del producto de esta combinación.
Regeneración: Es el proceso de reemplazar los iones intercambiados de la
solución tratada durante la operación de servicio con aquellos inicialmente
presentes en el grupo funcional de la resina.
Resina de intercambio iónico: resina polimétrica que contiene fragmentos
cargados eléctricamente (iones fijos) que están unidos a la estructura del
polímero. El uso de estas resinas es en la remoción de iones no deseados en una
solución, remplazando estos iones con otros de igual carga.
92
DERECHOS RESERVADOS
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Sal Bruta: También llamada “Cruda”, es la sal sin procesar, contiene lodo y
sólidos no deseados para el proceso. Salmuera: agua cargada de sal.
Soda Cáustica: Nombre dado al hidróxido de sodio (NaOH).
Solución saturada: solución que está en equilibrio con respecto a una
sustancia dada disuelta.
DERECHOS RESERVADOS
2.5 Mapa de variables
Desarrollar la ingeniería conceptual de una planta de Cloro-Soda para la empresa VENCLORO C.A.
Objetivo Especifico Variable Definición de
Variable Indicadores de
Variable Técnicas de Recolección
Fase
1. Seleccionar el
proceso de
producción de una
planta de Cloro-Soda
para la empresa
VENCLORO C.A.
Proceso de
producción de Cloro-
Soda
Tecnología que se
empleará para la
electrólisis de la
salmuera.
Costo, consumo de
energía, impacto
ambiental.
Revisión bibliográfica
y entrevista no
estructurada
Fase 1
2. Determinar los
requerimientos de
materia prima e
insumos necesarios
para el
funcionamiento de
una planta de Cloro-
Soda para la
empresa VENCLORO
C.A.
Requerimientos de
Materia prima e
insumos
Es la cantidad de
materia prima e
insumos que se
utilizarán en la planta
en su normal
desempeño.
Presión,
Temperatura, Tiempo
de residencia,
Materiales,
concentración, pH,
Dureza, Flujos
volumétricos.
Revisión bibliográfica
y entrevista no
estructurada
Fase 2
94
DERECHOS RESERVADOS
95
3. Dimensionar los
equipos de
producción de una
planta de Cloro-Soda
para la empresa
VENCLORO C.A.
Equipos de
producción
Son los diferentes
equipos que
componen la planta
Alícuotas de
consumo, tiempo de
residencia
Observación directa
y entrevista no
estructurada
Fase 3
4. Definir la ubicación
física dentro de las
instalaciones actuales
para una planta de
Cloro-Soda para la
empresa VENCLORO
C.A.
Ubicación física
El lugar donde
estará ubicada la
planta dentro de las
instalaciones de la
empresa
Disponibilidad de
espacio físico en la
planta
Observación directa
Fase 4
5. Calcular el monto
de la inversión
requerida para la
construcción de una
planta de Cloro-Soda
para la empresa
VENCLORO C.A.
Monto de la inversión
Monto de dinero que
se debe pagar por
los equipos de la
planta
Inversión en U.S. $ y
Bolivares
Entrevistas no
estructuradas
Fase 5
DERECHOS RESERVADOS
Capitulo III.
Marco Metodológico 96
DERECHOS RESERVADOS
CAPITULO III: Marco Metodológico 3.1 Tipo de Investigación
Tomando en cuenta el concepto de Tamayo y Tamayo, p 54 (1.997), esta
investigación se define como descriptiva, ya que ”comprende la descripción,
registro, análisis e interpretación de la naturaleza actual, y la composición o
procesos de los fenómenos. La investigación descriptiva trabaja sobre realidades
de hechos, y su característica fundamental es la presentar una interpretación
correcta”. En este caso se tomaron las características físico químicas de la materia
prima a ser tratada y se aplicaron conceptos de ingeniería, de esta manera se
llegó a los resultados aquí presentados.
3.2 Diseño de Investigación
De acuerdo a la estrategia empleada en esta investigación, se puede
considerar como de campo, ya que según Arias, p 50 (1.999), esta “consiste en la
recolección de datos directamente de la realidad donde ocurren los hechos, sin
manipular o controlar variable alguna”. El procedimiento metodológico de esta
investigación se aplica siguiendo un procedimiento por fases, donde se llevan a
cabo las actividades requeridas para el cumplimiento de cada uno de los objetivos
propuestos.
3.3 Técnicas de Recolección de Datos
La técnica de recolección de datos se realizó mediante revisión
bibliográfica, al evaluar los procesos de tratamiento de materia prima y de
producción de cloro-soda ya existentes, también se recogió información por medio
de entrevistas no estructuradas a ingenieros de proceso expertos en la en el
tratamiento de salmuera y electrólisis.
El dimensionamiento y características de los equipos, tales como: tanques,
bombas, filtros, intercambiador de calor e intercambio iónico se realizo mediante
observación directa de los equipos que se encuentran disponibles en el mercado,
97
DERECHOS RESERVADOS
también se realizaron entrevistas no estructuradas a ingenieros expertos en
materiales.
El estudio para la ubicación física de la planta se realizó por medio de
observación directa al evaluar los terrenos disponibles en la empresa VENCLORO
C.A y escoger el área que más se adapta a la disposición de los equipos.
El cálculo de monto de inversión se elaboro un estimado clase III según la
norma de P.D.V.S.A para la adquisición de los equipos que conforman la planta.
Además se realizaron entrevistas no estructuradas a los proveedores de los
equipos, y se utilizaron factores internacionales para dicha inversión 3.3.1 FASE 1: Seleccionar el proceso de producción de una planta de Cloro-Soda para la empresa VENCLORO C.A. En primer lugar, se hizo una investigación detallada de los diferentes
procesos que existen actualmente para la producción de Cloro- Soda a nivel
mundial, se analizaron aspectos ambientales, energéticos y económicos. De esta
manera se pudo conocer de las ventajas y desventajas que poseen las diferentes
tecnologías del proceso en cuestión.
Se definieron condiciones operacionales para el diseño de los componentes
de la planta, de acuerdo a las necesidades de la empresa y siguiendo algunos
criterios aplicados en plantas que funcionan en otras partes del mundo.
Las 3 tecnologías existentes para la producción de Cloro-Soda se encuentran
descritas en el punto 2.2.2, estas son:
1. Celdas de Mercurio.
2. Celdas Membrana.
3. Celdas de Diafragma.
Para la selección del proceso a utilizar, se realizó una matriz de evaluación,
donde se compararon las tecnologías por medio de las siguientes premisas:
98
DERECHOS RESERVADOS
• Impacto ambiental: en el punto 2.2.2 se describe los diferentes
procesos de producción de Cloro-Soda, algunos de los cuales
pueden afectar el medio ambiente.
• Severidad del proceso: este factor depende de la descripción de
cada proceso, ya que cada una de las tecnologías tiene
requerimientos diferentes con respecto a la pureza de la materia
prima.
• Costo de inversión inicial: de acuerdo al tamaño, número de equipos
de proceso, la pureza de la materia prima, consumo de
regenerantes, varían los costos de la inversión.
• Alícuota de consumo, porque cada tecnología tiene una
concentración mínima de la materia prima que debe ser alimentada a
los electrolizadores.
• Consumo de energía eléctrica: este factor se incluye debido a que
cada tecnología tiene una alícuota diferente de consumo de energía
eléctrica.
99
DERECHOS RESERVADOS
Figura 26 Matriz de evaluación de las tecnologías de producción de Cloro-Soda.
Factor de Evaluación Peso Mercurio Membrana Diafragma
Impacto ambiental
Severidad del proceso
Costo de inversión inicial
Alícuota de consumo de materia prima
Alícuota de consumo de energía eléctrica
Total
Fuente: Herrera; Núñez (2.004)
En la matriz, se asigna un valor (en un rango del 1 al 3) a cada proceso,
según se ajuste mejor al factor de evaluación correspondiente, siendo 3 la mejor
ajustada y 1 la más deficiente. El proceso o tecnología seleccionada será el que
sume la mayor cantidad de puntos.
3.3.2 FASE 2: Determinar los requerimientos de materia prima e insumos necesarios para el funcionamiento de una planta de Cloro-Soda para la empresa VENCLORO C.A.
En esta fase, se aplicaron relaciones estequiométricas y conceptos de
balance de materiales y energía para la determinación de la materia prima de la
planta, agua (lt/hr) y sal cruda (Kg/dia) requerida, así como también se aplicaron
algunos análisis de laboratorio para la determinación de ciertos insumos
(productos químicos) necesarios para el tratamiento primario de la salmuera.
También se determinó el consumo de energía eléctrica de los electrolizadores por
medio de los proveedores de los mismos.
3.3.3 FASE 3: Dimensionar los equipos de producción de una planta de Cloro-Soda para la empresa VENCLORO C.A.
100
DERECHOS RESERVADOS
Para esta fase, se realizaron cálculos y análisis para determinar las
necesidades del sistema, el cual proporcionó las velocidades y el caudal del fluido
en las tuberías, también se dimensionaron a bombas para impulsar estos fluido;
además, se dimensionaron los tanques de almacenamiento para garantizar la
operación continua de la planta cuando exista la falta de materia prima por
períodos cortos de tiempo.
3.3.3.1 Tanques Por medio de la ecuación 47 (p86), se determinó el volumen, altura y
diámetro de los recipientes que se encuentran en las diferentes etapas del
proceso, los espesores de pared se determinaron mediante tablas que
recomendaban dicho valor según la densidad y características del fluido. Este
formato es utilizado por los proveedores de estos equipos a nivel mundial.
3.3.3.2 Bombas La especificación de las bombas que interviene en el proceso, se realizó
mediante la ecuación numero 46 (p79), de acuerdo con las variables de cada
fluido a transportar. El formato de los datos técnicos se presenta al final de este
capitulo, este formato es utilizado por los proveedores de estos equipos a nivel
mundial.
3.3.3.3 Intercambiador de Calor Los cálculos para dimensionar el intercambiador de calor se realizaron
mediante el método LMDT de la ecuación 45, para el cálculo de calor
transferido se hizo a través de la ecuación 31 tanto para el fluido frío como
para el fluido caliente y todos los parámetros fueron tomados en cuenta al
momento del diseño. El formato de la hoja de datos técnicos se presenta al
final de este capitulo. Este formato es utilizado por los proveedores de estos
equipos a nivel mundial.
3.3.3.4 Intercambio Iónico
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DERECHOS RESERVADOS
Los cálculos para la determinación del volumen de la capa de intercambio
iónico se realizaron mediante la ecuación número 3.1. La hoja de especificación
de este sistema fue proporcionada por la empresa Rohm & Haas.
3.3.3.5 Tuberías
Los cálculos para el dimensionamiento de las tuberías se realizaron
aplicando el criterio de velocidad 3 m/seg., el cual se estableció de acuerdo con
los ingenieros de la empresa VENCLORO C.A.
3.3.4 FASE 4: Definir la ubicación física dentro de las instalaciones actuales para una planta de Cloro-Soda para la empresa VENCLORO C.A. Para la ubicación física de la planta, se calculó el área que va a ocupar la
planta una vez erigida, tomando en cuenta el flujograma del proceso, el diámetro
de los tanques, longitud de las tuberías y demás equipos, también se tomó en
cuenta la dirección del viento y el patio de almacén de materia prima, luego se
realizó un análisis con el fin de buscar las diferentes opciones que existen en el
área de la empresa para la construcción de la planta de Cloro- Soda. Utilizando
criterios de espaciamiento proporcionados por los ingenieros de la empresa y
siguiendo los lineamientos de
La empresa PDVSA, con su MANUAL DE INGENIERÍA DE REISGO,
documentos IR–M–02 “Separación entre Equipos e Instalaciones” Las distancias
especificadas en el anexo N° 10 se tomaron como referencia para tal propósito.
3.3.5 FASE 5: Calcular el monto de la inversión requerida para la construcción de una planta de Cloro-Soda para la empresa VENCLORO C.A.
Para la ultima etapa de esta investigación se solicitaron cotizaciones de los
equipos necesarios para la construcción de la planta a suplidores reconocidos,
luego se realizó el cálculo de la inversión total requerido.
102
DERECHOS RESERVADOS
1
Capitulo IV.
Análisis de Resultados
2
Capitulo IV: Análisis de Resultados
Al realizar esta investigación, se obtuvieron los resultados para cada una
de las fases anteriormente planificadas.
4.1 FASE 1: Seleccionar el proceso de producción de una planta de Cloro-Soda para la empresa VENCLORO C.A.
Los procesos se evaluaron otorgando la mayor puntuación a la tecnología
que mejor se ajustaban a las premisas de: impacto ambiental, severidad del
proceso, costo de inversión inicial, alícuota de consumo de materia prima, en este
caso cloruro de sodio y alícuota de consumo de energía eléctrica. En este caso
todas las premisas tienen el mismo peso o importancia.
En proceso llevado a cabo en celdas de mercurio se produce una
amalgama de sodio, la cual debe procesarse en un reactor que debe tener una
temperatura mayor a la de la celda electrolítica, esto implica un mayor consumo de
energía. Este sub-proceso puede generar desechos que contienen mercurio, que
es un metal pesado que se debe eliminar de los efluentes de la planta.
Todo este proceso de recirculación de mercurio, hace que la operación de
la planta con esta tecnología tenga un nivel de complejidad muy elevado. La celda
de este tipo debe alimentarse con salmuera a 300 gr/lt. Además, según los
proveedores de tecnologías, este es el proceso que consume mayor cantidad de
energía eléctrica.
Las celdas de diafragma se caracterizan por los sub-productos que contiene
asbestos, estos se encuentran en la membrana que separa el cloro gas y el anolito
del hidrógeno y la soda cáustica.
3
Este asbesto es contaminante y deben eliminarse por completo de los
efluentes. Esta tecnología tiene la característica de contar con dos procesos de
intercambio de calor ya que la salmuera debe entrar a una temperatura de 90 °C a
los electrolizadores, esto incrementa el costo de inversión inicial y aumenta la
complejidad de operación.
La celdas de diafragma requiere la salmuera mas concentrada (305 gr/lt), lo
que se traduce en una alícuota de consumo mayor, es decir, mayor cantidad de
materia prima por cada tonelada de producto. Su consumo de energía eléctrica
está entre los rangos de consumo de los procesos alternativos, es decir, menos
que el de mercurio pero más que el proceso de membrana.
En la tecnología de celdas de membrana, el impacto ambiental es casi nulo,
ya que no se obtienen sub-productos con metales pesados ni asbestos. Estas
celdas deben recibir la salmuera saturada a 290 gr/lt.
Además requieren que la materia prima tenga mínimos contenidos de
calcio, magnesio y hierro, lo que amerita que el tratamiento de la salmuera se
realice de manera más completa; este es el proceso más riguroso.
Los costos de inversión inicial de las tecnologías de membrana y diafragma
son similares, pero el proceso de las celdas de mercurio es el menos costoso, ya
que se sabe que produce desechos contaminantes que contiene este metal.
Además, las celdas de mercurio están en desuso a nivel mundial por sus
productos contaminantes.
La tecnología de membrana es la que tiene el menor consumo de energía
eléctrica.
4
Figura 27. Matriz de evaluación de las tecnologías de producción de Cloro-Soda
Premisa Peso Mercurio Membrana Diafragma
Impacto ambiental 1 3 2
Severidad del proceso 2 1 2
Costo de inversión inicial 3 2 2
Alícuota de consumo de materia prima 2 3 1
Alícuota de consumo de energía eléctrica 1 3 2
Total: 9 12 9
Fuente: Herrera; Núñez
Después de discutir y analizar las tres tecnologías existentes en el proceso
de electrólisis, por medio de la matriz de evaluación presentada anteriormente se
determinó que la más adecuada es la tecnología de CELDAS DE MEMBRANA
para el desarrollo de la planta por los parámetros anteriormente establecidos, ya
que dicho proceso acumula la mayor cantidad de puntos según las premisas
establecidas.
5
4.2 FASE 2: Determinar los requerimientos de materia prima e insumos necesarios para el funcionamiento de una planta de Cloro-Soda para la empresa VENCLORO C.A.
Para esta fase, los requerimientos de materia prima e insumos fueron
establecidos luego de seleccionar la tecnología de celdas de membrana y de
establecer la capacidad de producción de cloro gas, la capacidad de la planta fue
definida por VENCLORO C.A. la cual se fijó en 5000 Kg. por día. La tecnología de
celdas de membrana establece ciertos parámetros en la alimentación de la
materia prima a los electrolizadores. Los flujos másicos y la composición de la
materia prima que debe entrar a los electrolizadores se encuentran en la tabla que
se muestra a continuación. Las características de pureza, dureza total,
temperatura están reseñada en el anexo N° 1.
Se le solicitó información a ELTECH uno de los suplidores mundiales de esta
tecnología. Luego, a través de balances de masa y cálculos estequiométricos se
llegó a los siguientes resultados:
• El consumo de cloruro de sodio (Sal) por día es de 8470 Kg. al 96% de
pureza, tal como lo ofrece la empresa suplidora de dicha materia prima.
• El consumo de Na2CO3 por día es 208.1 Kg.
• El consumo de Na2SO3 es 152 Kg. Por día.
• El consumo de HCl es 80.7 Kg. por día.
• El consumo de NaOH es de 66 Kg. por día.
• La cantidad de agua reposición requerida para el normal funcionamiento de
la planta es de 5672.064 Kg. por día.
• El consumo de energía eléctrica de los electrolizadores es de 15237.5
KW/h día.
• El consumo de agua desmineralizada es de 22030 Kg./día
(22.1 m3/día)
6
BALANCE DE MATERIALES EN EL ELECTROLIZADOR
Planta Cloro –Soda VENCLORO C.A.
Material (kg/hr) S. Alim. S. Agotada NaOH Cl2 H2 Agua Reposición
H2O 2025,37 1603 494,63 41,733 18,3 236,336 NaCl 684,37 345,634 0 0 0 0
NaOH 0,46 0 232,67 0 0 0 H2 0 0 0 0 6,1 0 Cl2 0 0,7 0 201,84 0 0 O2 0 0 0 1,267 0 0
CO2 0 0 0 0,4 0 0 NaClO3 1,1667 1,8 0 0 0 0 Na2CO3 0,934 0 0 0 0 0
Total 2711,8377 1951,734 727,4 245,24 24,4 236,336
Fuente: Herrera, Núñez. (2004)
7
4.2.1 Descripción del proceso de la planta de Cloro Soda para VENCLORO C.A.
La sal bruta se deposita en el tanque saturador SS-2001, en donde
se mezcla con agua municipal hasta alcanzar una concentración de 290 – 300
gr/lt. A este tanque atmosférico también llega la salmuera agotada (anolito),
proveniente de los electrolizadores. En este punto se agrega el agua para que el
inventario de salmuera saturada se mantenga en el nivel adecuado, de esta forma
todo el sistema estará estable, el pH aproximado de la salmuera en este punto es
de 5.5, su dureza total expresada en ppm de CaCO3 es de 564,6 y su temperatura
es de 70 °C.
La salmuera saturada es impulsada por la bomba PP-2001 a dos tanques
en serie agitados, en el primero PR-3001 se añade carbonato de sodio (Na2CO3) y
en el segundo, el PR-3002, se inyecta hidróxido de sodio (NaOH). Estos
compuestos actúan como floculantes y atrapan los sólidos suspendidos, tales
como: arena, piedras e impurezas. El fluido sale por rebose del primer tanque
Precipitador al segundo y de igual manera llega al clarificador. La salmuera sale
de estos tanques con pH aproximado de 8 y su dureza es de 250 ppm de CaCO3.
El carbonato de sodio (Na2CO3) se encuentra almacenado en el área de
servicios, en el tanque TQ-7001, el cual suministra este compuesto a la bomba
PP-7001 para llevar el fluido hasta el primer precipitador. De igual forma, el
hidróxido de sodio (NaOH) se encuentra almacenado en el TQ-7002 para ser
bombeado por la PP-7002 hasta el PR-3002.
El tanque clarificador CL-3001, es donde se separan completamente los
líquidos de los sólidos por precipitación de estos últimos. El lodo que sale por el
fondo del clarificador es enviado al área de efluentes, mientras que la salmuera
saturada, visiblemente pura, sigue su camino por el tope del recipiente hacia el
8
tanque de almacenamiento TQ-3001, en este punto la dureza total de la salmuera
debe ser de 50 ppm.
Posteriormente, la salmuera es transportada por la bomba PP-3001 al filtro
FA-3001, en donde se hace pasar la salmuera por tres medios filtrantes: carbón
antracita, arena y grava para eliminar los insolubles en la salmuera., la cual debe
salir con aproximadamente 4 ppm de dureza total, la salmuera sale con pH 9.
Una vez filtrada, la salmuera pasa a la columna de intercambio iónico
CI-4001, para eliminar la dureza iónica (calcio, magnesio y trazas de hierro) a la
salmuera, hasta llevarla aproximadamente a 0.02 ppm, también se realiza la
remoción de otros cationes presentes en la salmuera de alimentación, tales como:
Cadmio y Níquel.
Se agrega ácido clorhídrico (HCl) proveniente del área de servicio del
tanque TQ-7003 y tomado por la bomba PP-7003 para acidificación de a la
salmuera ultrapura proveniente del intercambio iónico para que esta tenga un pH
aproximado entre 3.5 y 4.5.
La salmuera ya ultra purificada y acidificada se almacena en el tanque
TQ-4001, de donde se bombea por PP-4001 y se pasa por un intercambiador de
calor HE- 4001 para eleva su temperatura hasta 72 ° C. Este intercambio se hace
con la salmuera agotada proveniente de la electrólisis, en este punto la salmuera
está lista para entrar a los electrolizadores.
Los electrolizadores convierten la sal (NaCl) y el agua, en Cloro gas (Cl2),
Hidrógeno (H2) e Hidróxido de Sodio (NaOH). El Cloro gas y el anolito salen juntos
por un lado del electrolizador hacia una Te, la salmuera agotada fluye por
gravedad hacia abajo hasta al tanque TQ-6002, donde el Cloro gas remanente en
la salmuera es enviado a la línea de proceso del Cloro saliente de los
9
electrolizadores, mientras que el gas fluye hacia arriba por la línea principal de
cloro gas producido listo para entrar al proceso de hipoclorito de sodio. Todos los
fluidos salientes del electrolizador salen a una temperatura de 85 °C.
Del otro lado de la celda electrolítica, el Hidrógeno y el Hidróxido de Sodio
salen juntos hasta llegar a una Te, en donde el Hidrógeno fluye hacia arriba y es
llevado a una tubería para ser venteado a la atmósfera. El Hidróxido de Sodio, es
llevado al tanque TQ- 6001.
Desde el tanque TQ-6001, el Hidróxido de Sodio es impulsado por la bomba
PP-6001 hacia una Te que divide en flujo, aproximadamente el 15 % de NaOH es
llevado hacia la unidad de almacenamiento de Soda y el restante 85 % es
recirculado al electrolizador.
La salmuera agotada se bombea por la bomba PP-6002 hacia el
intercambiador de calor HE-4001 de donde sale a 60 °C.
Sulfato de Sodio (Na2SO3) e Hidróxido de Sodio (NaOH) son añadidos en
una cantidad doble del radio estequiometrico y 1% peso a la salmuera para
destruir el cloro remanente y completar la declorinación química.
Desde aquí, la salmuera declorinada y agotada es regresada al saturador
de salmuera donde comienza el ciclo nuevamente.
10
4.2.2 Ecuaciones químicas que intervienen en el procesamiento de saluera
ELECTROLISIS DE LA SALMUERA
2 NaCl (ac) + 2 H2 O(l) 2 NaOH (ac) + Cl2 (g) + H2 (g)
TRATAMIENTO PRIMARIO
CaCl2 + Na2CO3 CaCO3 (s) + 2 NaCl
MgCl2 + 2 NaOH Mg(OH)2 (s) + 2 NaCl
TRATAMIENTO SECUNDARIO
R-Na2 + Ca+2 R-Ca2 + 2 Na+ Resina de Ión en Ion Ion en Intercambio líquido Intercambiado líquido
Iónico
ACIDIFICACIÓN DE LA SALMUERA ULTRA PURA
NaOH + HCl NaCl + H2O
DECLORINACIÓN QUÍMICA
Cl2 + Na2SO3 + 2 NaOH 2 NaCl + Na2SO4 + H2O
11
Figura28. Plano de Simbología de la Planta de Cloro- Soda VENCLORO C.A.
Equipos Líneas Tanque Saturador Bomba Centrífuga Principal de Proceso
Servicios Auxiliares
Tanque Precipitador Intercambiador de Calor Trazado de Calor
Pneumática
Clarificador
Electrolizador Hidráulica
Filtro Eléctrica
Dirección de Flujo Torre de Intercambio Iónico
Tanque de Almacenamiento
Asunto Fecha Revisado por Fecha Aprobado por Fecha
VENCLORO
12
PP-6002
Asunto Fecha Revisado por Fecha Aprobado por Fecha
17
22
20
15
PP-2001
TQ-6002
PP-6001
TQ-6001
EE-5001
HE-4001 PP-4001
TQ-4001
CI-4001 FA-3001
PP-3001
TQ-3001
CL-3001 PR-3002 PR-3001
Cl2 H2 (Vent)
VENEZOLANA DE CLORO
VENCLORO C.A.
Agua de Reposición
Na2CO3 NaOH
Na2SO3
Lodos Lodos Lodos
NaCl
NaOH
SS-2001
2
3
1
4
5
6
7
8
9
10
11
12 13
HCl
14
16 18
19
21
23
24
25
26
27
13
4.2.3 Balance de masa y Condiciones de Operación de la planta de Cloro-Soda VENCLORO C.A.
Corriente m (Kg/h) Q (m3/h) T
(°C)
P op (kPa) man Ph
Dureza total (ppm
CaCO3)
H2O
NaCl
NaOH
Cl2
H2
1 2712,3 2,4554 60 121.31 5,5 564,6 2025.37 684.37 0.46 - - 2 2712,3 2,4554 60 385,63 5,5 564,6 2025.37 684.37 0.46 - - 3 2712,3 2,4554 60 atm 5,5 250 2025.37 684.37 0.46 - - 4 2712,3 2,4554 60 atm 8 50 2025.37 684.37 0.46 - - 5 2712,3 2,4554 60 125,91 8 50 2025.37 684.37 0.46 - - 6 2712,3 2,4554 60 370,79 8 50 2025.37 684.37 0.46 - - 7 2712,3 2,4554 55 303,39 9 4 2025.37 684.37 0.46 - - 8 2712,3 2,4554 55 291,96 10 4 2025.37 684.37 0.46 - - 9 2712,3 2,4554 55 233,91 10 0.2 2025.37 684.37 0.46 - -
10 2712,3 2,4554 55 224,5 10 0.2 2025.37 684.37 0.46 - - 11 2712,3 2,4554 50 120,67 10 0.2 2025.37 684.37 0.46 - - 12 2712,3 2,4554 51 361,774 10 0.2 2025.37 684.37 0.46 -- - 13 2712,3 2,4554 75 260,53 4 0.2 2025.37 684.37 0.46 - - 14 243,57 39,6267 85 20,6 - - - - - 201.84 - 15 18,6674 19,85 85 22,065 - - - - - - 6.116 5819,2 0,5623 85 113,05 12 - 232.67 - 232.67 - - 17 5819,2 0,5623 85 119,67 12 - 232.67 - 232.67 - - 18 5819,2 0,5623 85 174,4 12 - 232.67 - 232.67 - - 19 727,4 0,554 85 165,2 12 - 232.67 - 232.67 - - 20 5091,8 3,8979 85 167,2 12 - 232.67 - 232.67 - - 21 1951,734 1,75413 85 113,05 3.5 - - 345.634 - 0.7 - 22 1951,734 1,75413 85 108,53 3,5 - - 345.634 - 0.7 - 23 1951,734 1,75413 85 253,61 3,5 0.2 - 345.634 - 0.7 - 24 1951,734 1,75413 85 209,3 3,5 0.2 - 345.634 - 0.7 - 25 1951,734 1,75413 60 169,2 3,5 0.2 - 345.634 - 0.7 - 26 3531.133 3.525 60 169.2 5 - - 345.634 - 0.7 -
14
4.3 FASE 3: Dimensionar los equipos de producción de una planta de Cloro-Soda para la empresa VENCLORO C.A.
El volumen de los tanques se calculó basándose en el tiempo de residencia
del fluido en dichos equipos, el cual es suficiente para obtener los resultados
deseados en el tratamiento de purificación de la materia prima, además de
garantizar un inventario que proporcione al menos 8 horas de alimentación a la
sala de electrólisis.
Para el dimensionamiento del filtro y columna de intercambio iónico se
utilizó la rata de flujo igual a 1 l/seg./m2, tomada de Puri Vijay K. “Pretreatment of
water for cooling water and steam generation systems”. Calgon Corporation. 1983.
la cual fue aprobada por los ingenieros de la empresa.
El sistema de tuberías se calculó al tomar como criterio la velocidad del
fluido igual a 3 m/seg
Las dimensiones, características y hoja de especificaciones técnicas de los
equipos, tales como: electrolizadores, tanques, bombas, tuberías, filtros,
intercambiador de calor e intercambio iónico, se presentan a continuación:
15
IDENTIFICACIÓN DE EQUIPOS DE PROCESO ÁREAS DE PROCESO
EE: Electrolizador CI: Columnas de intercambio Iónico FA: Filtro de Antracita, Arena y Grava HE: Intercambiador de calor PR: Precipitador CL: Clarificador PP: Bombas centrífugas SS: Saturador TQ: Tanque de almacenamiento
10 – Almacenamiento Materia Prima
20 – Saturación
30 – Tratamiento Primario
40 – Tratamiento Secundario
50 – Electrolisis
60 – Recirculación de Salmuera
70 – Servicios
80 – Planta de Hipoclorito
90 – Hipoclorito
100 – Efluentes
IDENTIFICACIÓN DE FLUÍDO LEYENDA
S = Salmuera SA = Salmuera Agotada SU = Salmuera ultra pura A = Aire QP = Químicos para Precipitación (Na2CO3) AC = Ácido clorhídrico CA = Soda Cáustica H = Hidrógeno V = Venteo o vaciado D = Drenaje a un hoyo Cl2 = Cloro gas DC =Destrucción Cloratos (Na2SO3 )
Para identificación de Equipos XX-AAYY Donde: XX: Equipo AA: área de la planta YY: Correlativo Para identificación de tuberías: DN-XX-Mat.–AAYY Donde: DN: Diámetro Nominal de tubería (pulg.) XX: Identificación del fluido manejado M: Material de Tubería AA: Área de planta YY: Correlativo
16
4.3.2 Lista de Equipos de Proceso Planta de Cloro-Soda VENCLORO C.A. Tanques y Recipientes
No Tipo de Equipo Cap. (m3) Presión Temperatura
(°C) Nombre Equipo Recubrimiento Op Dis Op Dis 1 Saturador 32 Atm atm 70 85 SS-2001 Epoxico 2 Precipitador 2,85 Atm Atm 65 80 PR-3001 Caucho Natural 3 Precipitador 2,85 Atm Atm 65 80 PR-3002 Caucho Natural 4 Clarificador 10,6 Atm Atm 60 80 CL-3001 Caucho Natural 5 Tanque 10,6 Atm Atm 55 80 TQ-3001 Caucho Natural 6 Filtro 1,363 362 kPa 400 kPa 50 80 FA-3001 Caucho Natural 7 Columna Rellena 1,169 292 kPa 320 kPa 50 80 CI-4001 Caucho Natural 8 Tanque SU 14 Atm Atm 50 80 TQ-4001 Caucho Natural 9 Tanque NaOH 4,8 Atm Atm 65 95 TQ-6001 Caucho Natural
10 Tanque SA 4,8 Atm Atm 85 95 TQ-6002 Caucho Natural
11 Tanque Na2CO3 4,8 Atm Atm 25 35 TQ-7001 Caucho Natural
12 Tanque HCl 4.8 Atm Atm 25 35 TQ-7002 Caucho Natural
13 Tanque Na2SO3 4.8 Atm Atm 25 35 TQ-7003 Caucho Natural
Fuente: Herrera, Núñez. (2004)
4.3.3 Lista de Bombas Centrífugas Planta de Cloro-Soda VENCLORO C.A. No Fluido Top (°C) Ps (kPa) Pd (kPa) TDH (ft) NPSHd (ft) Q(m3/h) Nombre Equipo 1 Salmuera 80 166,67 431,736 88,76 48 2,4531 PP-2001 2 Salmuera 75 125,91 360,79 78,66 34,72 2,4531 PP-3001 3 Na2CO3 1% 35 105.31 172.2 22.4 24.8 2.8 PP-7001 4 NaOH 1% 25 119.5 174.02 18.26 26.3 0.211 PP-7002 5 Salmuera 65 120,36 361,77 80,84 32,87 2,4531 PP-4001 6 HCl 1% 25 115.8 259.86 48.24 22 0.61386 PP-7003 7 Salmuera 85 108,53 253,61 48,58 28,9 1,7543 PP-6002 8 NaOH 30% 85 126,91 152,72 8,64 35,1 0,5623 PP-6001 9 Na2SO3 4% 35 103.2 239.26 45.63 18.5 1.52 PP-7004
Fuente: Herrera, Núñez. (2004)
17
4.3.4Sumario de Líneas de Proceso
Planta de Cloro- Soda VENCLORO C.A.
No Área Desde Hasta Dn T Op(°C) P Op (kPa) Material Caudal (m3/h) Nombre
1 20 SS-2001 PP-2001 1 1/2" 70 121,31 PVDF 2,4554 1½-S-PVDF-2001 2 20 PP-2001 PR-3001 1" 70 385,63 PVDF 2,4554 1-S-PVDF-2002 3 30 PR-3001 PR-3002 1 1/2" 65 101,325 PVDF 2,4554 1 ½-S-PVDF -3001 4 30 PR-3002 CL-3001 1 1/2" 65 101,325 PVDF 2,4554 1 ½-S-PVDF-3002 5 30 CL-3001 TQ-3001 1 1/2" 60 101,325 PVDF 2,4554 1 ½-S-PVDF -3003 6 30 TQ-3001 PP-3001 1 1/2" 60 125,91 PVDF 2,4554 1 ½-S-PVDF-3004 7 30 PP-3001 FA-3001 1" 60 360,99 PVDF 2,4554 1-S-PVDF-3005 8 40 FA-3001 CI-4001 1 1/2" 55 303,39 PVDF 2,4554 1 ½-S-PVDF-4001 9 40 CI-4001 TQ-4001 1 1/2" 55 233,91 PVDF 2,4554 1 ½-SU-PVDF-4002
10 40 TQ-4001 PP-4001 1 1/2" 55 223.36 PVDF 2,4554 1 ½-SU-PVDF-4003 11 40 PP-4001 HE-4001 1" 65 361,774 PVDF 2,4554 1-SU-PVDF-4004 12 40 HE-4001 EE-5001 2" 80 260,5314 FRP 2,4554 2-SU-FRP-4005 13 50 EE-5001
Proceso Hipoclorito 3" 85 113,05 FRP 39,6267 3-CL2-FRP-5001
14 50 EE-5001 TQ-6001 2" 85 113,05 FRP 0,5623 2-CA-FRP-5002 15 50 EE-5001 TQ-6002 2" 85 113,05 FRP 1,75436 2-SA-FRP-5003 16 50 EE-5001 Venteo 2" 85 113,05 FRP 19,85 2-H2-FRP-5004 17 50 TQ-6002 PP-6002 2" 85 108,53 FRP 1,75436 2-SA-FRP-6001 18 60 PP-6002 HE-4001 1 1/2" 85 253,61 FRP 1,75436 1.5-SA-FRP-6002 19 60 HE-4001 SS-2001 1 ½" 60 165,6 FRP 1,75436 1 ½-SA-FRP-6004
20 60 TQ-6002 Proceso
Hipoclorito 1 1/2" 85 113,06 FRP 0,1335 1 ½-Cl2-FRP-6005 21 60 TQ-6001 PP-6001 2 1/2" 80 126,91 FRP 0,5572 2 ½-CA-FRP-6007 22 60 PP-6001 EE-5001 1 1/2" 80 152,727 FRP 0,38999 1 ½-CA-FRP-6008
23 60
1 ½-CA-FRP-6009
Proceso SodaVENCLORO 1 1/2" 80 157,727 FRP 0,1553 1 ½-CA-FRP-6009
Fuente: Herrera, Núñez. 2004
18
Sumario de Líneas de Proceso (Continuación)
N°
Área
Desde
Hasta
Dn (in)
T Op (°C)
P Op (kPa)
Material
Q (m3/h)
Nombre
23 70 TQ-7001 PP-7001 1 ½ ” 35 105.31 PVDF 2.8 1 ½-QP-PVDF-7001
24 70 PP-7001 PR-3001 1 ” 172.2 PVDF 2.8 1-QP-PVDF-7002
25
70
Proceso Soda
VENCLORO
PP-7002
1 ½ ”
35 119.5 FRP
0.21
¾-CA – FRP-7003
26 70 PP-7002 PR-3002 1 ” 35 174.02 FRP 0.21 ½-CA-FRP-7004
27 70 TQ-7003 PP-7003 1 ½ ” 35 115.8 0.61 ¾-AC-PVDF-7005
28 70 PP-7003 2-SA-FRP-
6004 1 “ 35
259.86
PVDF
0.61
½-AC-PVDF-7006
29 70 TQ-7004 PP-7004 1 ½ ” 35 103.2 PVDF 1.52 ¾-DC-PVDF-7007
30
70
PP-7004
1 ½-SA-
FRP-6004
1 ”
35
239.26
PVDF
1.52
½-DC-PVDF-7008
19
HOJA DE ESPECIFICACIONES Número de Proyecto: Planta CSO Electrolizador Especificación
Trab. No. Tag No: EE-5001 Cantidad Requerida: 2
Datos de Operación
Temperatura de Operación, Normal / Máx. °C 85 / 90 Presión de Operación Cl2 / H2 Kg./cm2 man 0,21 / 0,225
Densidad de Corriente kAmp / m2 4 Voltaje de la celda Volt 2,99
Datos de las celda
Tipo de celda Exl ( bipolar) Área del ánodo por celda (m2) 1,5
Tipo de membrana Dupont N- 982TX Número de celdas por electrolizador 41
Material del ánodo Titanio Material del cátodo Níquel
VENEZOLANA DE CLORO VENCLORO
Fuente: Herrera, Núñez. 2004
Tanque Precipitador. PR-3001/ 3002
Orientación de las Boquillas N° Diam * Elev. (m) Servicio N1 1 ½” 1.3 Entrada Salmuera N2 1 ½” 2.7 Salida Salmuera
N3 24” 1.5 Boca de Visita N4 4” 0.8 Salida de Sedimentos N5 ½” 1.5 Indicador de Nivel N6 ½” 2.5 Indicador de Nivel
*Medida tomada desde el suelo
1.42 m
0.5 m
1.8 m
N1 180 °
N2 0°
N5 225 °
N3 270 °
Escalera 315 °
Asunto Fecha Revisado por Fecha Aprobado por Fecha
1.5 m
Tanque Clarificador. CL-3001
Orientación de las Boquillas N° Diam * Elev. (m) Servicio N1 1 ½” 1.3 Ent. Salmuera N2 1 ½” 2.7 Salida Salmuera
N3 24” 1.5 Boca de Visita N4 4” 0.8 Sal. Sedimentos N5 ½” 1.5Indicador de Nivel N6 ½” 2.5Indicador de Nivel
*Medida tomada desde el suelo
D.S. Precipitador Fecha Elaborado por Fecha Revisado por Fecha
Herrera, Núñez Humberto Martínez
2.74 m
0.5 m
1.8 m N1
180 ° N2 0°
N5 225 °
N3 270 °
Escalera 315 °
1.5 m
VENEZOLANA DE CLORO
VENCLORO
Tanque Salmuera Clarificada. TQ-3001
Orientación de las Boquillas
N° Diam * Elev. (m) Servicio N1 1 ½” 1.6 Entrada Salmuera N2 1 ½” 0.3 Salida Salmuera
N3 24” 0.25 Boca de Visita N4 ½” 1.65 Indicador de Nivel N5 ½” 0.35 Indicador de Nivel N6 1 ½ Techo Alivio
*Medida tomada desde el suelo
0.25 m
2.74 m
1.8 m
Asunto Fecha Elaborado por Fecha Revisado por Fecha D.S. Tanque Atmosférico Herrera, Núñez Humberto Martínez
N1 180 °
N2 0°
N5 225 °
N3 270 °
Escalera 315 °
0.2 m
VENEZOLANA DE CLORO
VENCLORO
Filtro. FA-3001
Orientación de Boquillas N° Diam *Elev. (m) Servicio N1 1 ½” Techo Entrada N2 1 ½” Fondo Salida N3 2” 2.45 Limpieza N4 2” 0.75 Limpieza N5 1” 2.45 Presión Diferencial
N6 1 “ 0.75 Presión Diferencial N7 0.5x0.5 1.3 Compuerta
Asunto Fecha Elaborado por Fecha Revisado por Fecha
D.S Filtro Herrera, Núñez Humberto Martínez
N5, N6 90 °
N1 180 °
N2 0°
N3, N4 225 °
N7 270 °
Escalera 315 °
0.9315 m
0.6 m
1.5 m
VENEZOLANA DE CLORO
VENCLORO
Torre Intercambio Iónico. CI-4001
Orientación de Boquillas N° Diam *Elev. (m) Servicio N1 1 ½” Techo Entrada N2 1 ½” Fondo Salida N3 2” 2.45 Limpieza N4 2” 0.75 Limpieza N5 1” 2.45 Presión Diferencial
N6 1 “ 0.75 Presión Diferencial N7 0.5x0.5 1.3 Compuerta
Asunto Fecha Elaborado por Fecha Revisado por Fecha
DS Torre Rellena Núñez, Herrera Humberto Martínez
N5, N6 90 °
N1 180 °
N2 0°
N3, N4 225 °
N3 270 °
Escalera 315 °
0.9315 m
0.6 m
1.5 m
VENEZOLANA DE CLORO
VENCLORO
Tanque Salmuera Ultrapura. TQ-4001
Orientación de las Boquillas
N° Diam * Elev. (m) Servicio N1 1 ½” 1.6 Entrada Salmuera N2 1 ½” 0.3 Salida Salmuera
N3 24” 0.25 Boca de Visita N4 ½” 1.65 Indicador de Nivel N5 ½” 0.35 Indicador de Nivel N6 1 ½ Techo Alivio
*Medida tomada desde el suelo
Asunto Fecha Elaborado por Fecha Aprobado por Fecha D.S Tanque Atmosférico Herrera, Núñez Humberto Martínez
N1 180 °
N2 0°
N4, N5 225 °
N3 270 °
Escalera 315 °
VENEZOLANA DE CLORO
VENCLORO
0.2 m
0.25 m
3.22 m
1.8 m
Tanque Soda Cáustica. TQ-6001
Orientación de las Boquillas
N° Diam * Elev. (m) Servicio N1 1 ½” 1.6 Entrada Salmuera N2 1 ½” 0.3 Salida Salmuera
N3 24” 0.25 Boca de Visita N4 1 ½” 0.25 Drenaje N5 ½” 1.65 Indicador de Nivel N6 ½” 0.35 Indicador de Nivel N7 1 ½ Techo Alivio
*Medida tomada desde el suelo
Asunto Fecha Elaborado por Fecha Revisado por Fecha
DS Tanque Atmosférico Núñez, Herrera Humberto Martínez
0.2 m
0.25 m
1.8 m
1.8 m
N1 180 °
N2 0°
N4 225 °
N3 270 °
Escalera 315 °
N5, N6 45 °
VENEZOLANA DE CLORO
VENCLORO
Tanque Salmuera Agotada. TQ-6002
Orientación de las Boquillas
N° Diam * Elev. (m) Servicio N1 1 ½” 1.6 Entrada Salmuera N2 1 ½” 0.3 Salida Salmuera
N3 24” 0.25 Boca de Visita N4 1 ½” 0.25 Drenaje N5 ½” 1.65 Indicador de Nivel N6 ½” 0.35 Indicador de Nivel N7 1 ½ Techo Alivio
*Medida tomada desde el suelo
Asunto Fecha Elaborado por Fecha Revisado por Fecha DS Tanque atmosférico Núñez, Herrera Humberto Martínez
0.2 m
0.25 m
1.8 m
1.8 m
N5, N6 45 °
N1 180 °
N2 0°
N4 225 °
N3 270 °
Escalera 315 °
VENEZOLANA DE CLORO
VENCLORO
Tanque Carbonato de Sodio. TQ-7001
Orientación de las Boquillas
N° Diam * Elev. (m) Servicio N1 1 ½” 1.6 Entrada Salmuera N2 1 ½” 0.3 Salida Salmuera
N3 24” 0.25 Boca de Visita N4 1 ½” 0.25 Drenaje N5 ½” 1.65 Indicador de Nivel N6 ½” 0.35 Indicador de Nivel N7 1 ½ Techo Alivio
*Medida tomada desde el suelo
Asunto Fecha Elaborado por Fecha revisado por Fecha DS Tanque atmosférico Núñez, Herrera Humberto Martínez
0.2 m
0.25 m
1.8 m
1.8 m
N1 180 °
N2 0°
N4 225 °
N3 270 °
Escalera 315 °
N5, N6 45 °
VENEZOLANA DE CLORO
VENCLORO
Tanque Ácido Clorhídrico. TQ-7002
Orientación de las Boquillas
N° Diam * Elev. (m) Servicio N1 1 ½” 1.6 Entrada Salmuera N2 1 ½” 0.3 Salida Salmuera
N3 24” 0.25 Boca de Visita N4 1 ½” 0.25 Drenaje N5 ½” 1.65 Indicador de Nivel N6 ½” 0.35 Indicador de Nivel N7 1 ½ Techo Alivio
*Medida tomada desde el suelo
Asunto Fecha Elaborado por Fecha revisado por Fecha DS Tanque atmosférico Núñez, Herrera Humberto Martínez
N5, N6 45 °
0.2 m
0.25 m
1.8 m
1.8 m
N1 180 °
N2 0°
N4 225 °
N3 270 °
Escalera 315 °
VENEZOLANA DE CLORO
VENCLORO
Tanque Ácido Clorhídrico. TQ-7003
Orientación de las Boquillas
N° Diam * Elev. (m) Servicio N1 1 ½” 1.6 Entrada Salmuera N2 1 ½” 0.3 Salida Salmuera
N3 24” 0.25 Boca de Visita N4 1 ½” 0.25 Drenaje N5 ½” 1.65 Indicador de Nivel N6 ½” 0.35 Indicador de Nivel N7 1 ½ Techo Alivio
*Medida tomada desde el suelo
0.2 m
0.25 m
1.8 m
1.8 m
N1 180 °
N2 0°
N4 225 °
N3 270 °
Escalera 315 °
Asunto Fecha Revisado por Fecha Aprobado por Fecha DS Tanque Atmosférico Núñez, Herrera Humberto Martínez
N5, N6 45 °
VENEZOLANA DE CLORO
VENCLORO
4.3.6. Hojas de especificación de bombas centrífugas
4.4 FASE 4: Definir la ubicación física dentro de las instalaciones actuales para una planta de Cloro-Soda para la empresa VENCLORO C.A.
Dado que la disposición de equipos e instalaciones representa un método
fundamental de protección para las personas, equipos y medio ambiente, esta
actividad debe estar dirigida a proveer un nivel de riesgo mínimo basado en los
criterios de tolerancia de riesgos.
Siguiendo los criterios establecidos por PDVSA, la empresa líder en
Venezuela en el cumplimiento de normas y estándares internacionales de calidad
y seguridad, la ubicación y disposición de los equipos se hizo mediante el
documento “Separación de Equipos e Instalaciones” norma IR-M-01 de dicha
compañía.
La ubicación física y disposición de los equipos de la planta se encuentran
en el anexo N° 1 al final de este capítulo.
4.5 FASE 5: Calcular el monto de la inversión requerida para la construcción de una planta de Cloro-Soda para la empresa VENCLORO C.A.
Mediante la elaboración de entrevista no estructurada a los proveedores se
llevó acabo la cotización de cada uno de los equipos que intervienen en el
proceso, después de esta búsqueda se calculo el monto de la inversión, este
estimado es de clase III según la empresa PDVSA el cual comprende:
Presupuesto tentativo para inversiones, adquisición de equipos a largo plazo de
entrega, requiere el 60% de Ingeniería Básica, cotizaciones y datos históricos de
proyecto, 1O % precisión y 60 % Confiabilidad
En el siguiente cuadro se muestra el valor de los equipos con su instalación.
Estimación de los costos de instalación de la planta de Cloro Soda para la
empresa VENCLORO C.A.
CÁLCULO DE LAS INVERSIONES DE LA PLANTA
# Renglón Rango Factor
% Equipo
($) Labor ($) Comentarios 1 Recipientes 5 115000 3450 CS 2 Columnas (Campo) 30-35 33 0 0 Fabricados en sitio 3 Columnas (Taller) 10-15 12,5 0 4 Intercambiadores 1 35000 3500 Titanio 5 Rotativos 8 40000 2000 Bombas Plásticas 6 Instrumentación 10-15 2 76000 1520 Mínima 7 Sumatoria 266000 10470 8 Equipos instalados 276470 Base de cálculo 9 Aislamiento 1-10 5 13823,5 10 Tuberías 10-50 10 65000 PVDF y FRP 11 Fundaciones 3-5 4 0 Áreas de proceso 12 Edificios 0 0 Sala de control 13 Estructuras 0 0 Concreto/Acero
14 Protección fuego 500-800 650 0
15 Electricidad 3-6 3 8294,1 16 Pintura y aseo 0,5-1 0,5 1382,35 17 Sumatoria 88499,95 18 Equipos/labor 88499,95 19 Equipos paquetes 941800 9418 Electrolizadores 20 Total equipos ($) 1039718 Base de cálculo 21 Escenario de montaje Adición 22 Total equipos 1039718 23 Overhead administrativo 51985,898 24 Ingeniería 17675,205 25 Servicios industriales 10397,18 26 Off-sites 0 27 Edificios 28 Contingencia 103971,8 29 Inversión total ($) 1500218 30 Inversión total (MBs) 2925,4252 31 Inversión estimada del proyecto (MBs) 2925,4252
El costo total estimado para la instalación de la planta de Cloro-Soda para
la empresa VENCLORO C.A. es de 2.925. 500. 000, oo
CONCLUSIONES
• El proceso o tecnología seleccionada para la de la planta de Cloro-Soda fue
el de membrana, ya que es el proceso que más se ajusta a las exigencias
ambientales y parámetros técnico-económicos.
• El consumo de materia prima e insumos es el siguiente:
- NaCl (cloruro de sodio) 8676.1 Kg. por día.
- Na2CO3 (carbonato de sodio) 208.1 Kg. por día.
- Na2SO3 es 152 Kg. Por día.
- Agua municipal 3170.13 Kg. por día (3.2021 m3/día)
- El consumo de agua desmineralizada es de 22028.23 Kg./día
(22.1 m3/día)
- El consumo de NaOH 1N para regeneración es de 2846.74
- El consumo de HCl 1N para regeneración es de 2846.74
- El consumo de energía eléctrica es de 15237.5 KW/h día.
• Las dimensiones de los equipos son las que más se ajustan a los balances
de masa y energía, siguiendo criterios previamente consultados con los
asesores técnicos de la empresa.
• La ubicación escogida de la planta de Cloro-Soda es la mas recomendada
ya que se tomó en cuenta la disponibilidad de espacio y dirección
predominante del viento.
• El costo de instalación estimado es de Bs. 2.925. 500. 000, oo
Recomendaciones
RECOMENDACIONES
• Se recomienda la instalación de la planta utilizando la tecnología de
membrana, ya que dicho proceso ofrece menor riesgo de contaminación
ambiental, menor costo de inversión inicial y es la tecnología de punta en el
proceso de producción de cloro-soda a nivel mundial.
• Se recomienda el riguroso monitoreo y mantenimiento de los filtros
dispuestos en el tratamiento primario y de las torres de intercambio iónico,
vigilando la caída de presión y la calidad del fluido saliente ya que de esto
depende la vida de los electrolizadores.
• Se propone la investigación de la falibilidad técnico-económica de una torre
declorinadora para recuperar el cloro remanente presente en la salmuera
agotada saliente del proceso de electrólisis.
• Se propone la instalación de un compresor a salida del cloro gas, para
impulsar este fluido al proceso de hipoclorito.
• Se recomienda la acidificación de la salmuera agotada para recuperar aún
mas cloro remanente en la misma.
BIBLIOGRAFÍA
• Perry, Robert H.”Manual del Ingeniero Químico”. Quinta Edición. McGraw-
Hill. 1992.
• Arias, Fidas G. “El proyecto de la investigación. Guía para su elaboración”.
Editorial Episteme.1.999.
• Ebbing, Darrell D. “Química General”. McGraw- Hill. 1997.
• Puri Vijay K. “Pretreatment of water for cooling water and steam generation
systems”. Calgon Corporation. 1983.
• Petroleos de Venezuela S.A. “Manual de Diseño de Procesos”. Febrero
1996.
• Ludwing, Ernest. “Applied Process Desing for Chemical and Petrochemical
Plants”. Volumen I. McGraw- Hill. 1970
• Eltech System Corporation. Membrane Cell Technology. (2001)
• (www.chlorineinstitute.com)
• (www.cl2.com).
• www.worldchlorine.com/publications/mfg/processes.
• www.epa.gov/ttn/chief/ap42/ch08/final.pdf
• www.heattransfer.com • www.hydraulics.com
Anexos
Anexo N° 1: Diagrama de disposición de Equipos
Ubicación de la planta de CSO
N
Área de Carga
Planta de hipoclorito
Oficinas
Planta de Cloro-Soda
Estacionamiento
Tanque Agua
Municipal Efluentes
Almacén
Entrada
PLANTA ALTA
PR-3001 PR-3002 CL-3001 TQ-3001
FA-3001
CI-4001HE-4001
TQ-4001
Anexo N° 2: Requerimiento de la salmuera de alimentación a los electrolizadores
Requerimientos en la Salmuera de Alimentación a los Electrolizadores Planta de Cloro-Soda VENCLORO C.A.
Componente o Valor Unidades Frecuencia de Análisis
Impureza Permitido Recomendada
NaCl
Concentración 300 gr./lit 1 cada 4 horas Temperatura 65 – 80 °C 4 cada 8 horas
pH 3,5 - 4,5 4 cada 8 horas
Calcio y Magnesio < 0,02 ppm 1 por cada 8 horas
Estroncio < 0,04 ppm 1 por cada 8 horas Bario <0,05 ppm 1 por cada 8 horas
Aluminio < 01 ppm 1 por semana Hierro <0,1 ppm 1 por semana Níquel < 0,003 ppm 1 por semana
Total de Metales
Pesados < 0,3 como ppm de Pb 1 por mes
Mercurio < 0,04 ppm 1 por mes Cromo < 1 ppm 1 por mes Fluor < 1 ppm 1 por mes Yodo < 0,2 ppm 1 por mes
Bromo < 30 ppm 1 por mes
Fuente: Eltech System. Membrane Cell Technology (2001)
Anexo N° 3: Hoja de especificaciones de resina de intercambio iónico
Anexo N° 4: Hoja de especificación de seguridad de los materiales
Material: Cloro gas
Datos Físicos Formula Molecular: Cl2 Apariencia: gas de color verde amarillento con olor irritante Punto Fusión: -101 °C Punto Ebullición: -34 °C Densidad: 2.98 g/l Presión de Vapor: 5.8 bar a 20 °C Gravedad específica: 1470 Kg./m3 a 0 °C
Estabilidad
Estable. Incompatible con agentes reductores, alcoholes.
Toxicología
Toxico al inhalar, ingestión y mediante el contacto con la piel. La Inhalación causa serios daño pulmonar y puede ser fatal. 1000ppm (0.1%) puede ser fatal luego de algunas inhalaciones y la mitad de esa concentración es fatal luego de unos minutos. Causa irritación y quemadura de la piel.
Información para el transporte y
almacenamiento
Se transporta en cilindros de 1TM. Los cilindros deben ser almacenados lejos de tubería de vapor y de forma vertical.
Información ambiental
Muy toxico para organismos acuáticos.
Protección personal
Lentes de seguridad, guantes y buena ventilación.
Material: Hidróxido de Sodio
Información General Sinónimo: Soda cáustica. Formula Molecular: NaOH Datos Físicos Apariencia: Sólido o liquido blanco, sin olor. Punto de Fusión: 318 °C Punto de Ebullición: 1390 °C Presión de Vapor: 1 mm Hg a 739 C Gravedad especifica: 2116.184 Kg./ m3 Solubilidad en Agua: Alta (Nota: Su disolución en agua es altamente exotérmica)
Estabilidad
Estable. Incompatible con una gran variedad de materiales, incluyendo algunos metales, compuestos de amoniaco, fenoles, combustibles orgánicos. Su calor de disolución es muy alto y puede provocar una solución caliente y peligrosa si son usadas pequeñas cantidades de agua
Toxicología
Muy corrosivo. Causa severas quemaduras. Puede causar daño permanente en los ojos. Muy peligroso al ingerir. Dañino al contacto con la piel y por inhalación del polvo
Protección Personal
Lentes de seguridad, ventilación adecuada, se recomienda utilizar guantes de Neopreno o de PVC.
Material: Hidrógeno
General Molecular formula: H2 Datos Físicos Apariencia: Gas sin color Punto de Fusión: -259 °C Punto de Ebullición: -253 °C Temperatura Critica: -240 C Densidad: 0.0837 Kg./m3 Gravedad Específica: 0.0695
Estabilidad
Estable. Altamente inflamable. Fácilmente forma mezclas explosivas con el aire. El limite máximo de composición para uso en laboratorio de la mezcla nitrógeno/hidrogeno es 5.7% (peso) de hidrógeno.
Toxicología
Generalmente considerado como seguro, apartando el riesgo físico que implican su inflamabilidad. [Nota de Seguridad: La inhalación de hidrógeno es una práctica peligrosa en vista de la posibilidad de reacción explosiva de la mezcla de aire con hidrógeno fuera o dentro del cuerpo, causado por la descarga de electricidad estática.
Protección Personal
Lentes de seguridad, buena ventilación todo el tiempo.
Material: Cloruro de Sodio
Información General
General Sinónimos: sal común, concentrada en agua se le llama salmuera. Formula Molecular: NaCl Datos Físicos Apariencia: Cristales sin color o polvo blanco. Punto de Fusión: 804 C Punto de Ebullición: 1413 °C Presión de vapor: 1 mm Hg a 865 °C Gravedad Especifica: 2.160 Kg./m3 Solubilidad en agua: 35.7 g/100g a 0 °C
Estabilidad Estable. Incompatible con agentes oxidantes fuertes.
Toxicología
Puede causar irritación de la piel y ojos.
Protección Personal
Se cree que no es significativamente peligroso para la salud.
Material: Carbonato de Sodio
Información general
Sinónimo: Soda Ash Formula Molecular: Na2CO3 Datos Físicos Apariencia: Polvo blanco, sin olor. Punto de fusión : 851 °C Densidad: 2530 Kg./m-3
Soluble en agua: si
Estabilidad
Estable. Incompatible con aluminio, compuestos nitro orgánicos, fluoruro, metales alcalinos, óxidos no metálicos, ácido sulfúrico concentrado, óxidos de fósforo.
Toxicología
Irritante ocular y respiratorio.
Información para el transporte y
almacenamiento
No es peligroso para transportar por el aire, agua o carretera.
Protección Personal
Minimizar la exposición al polvo.
Anexo N° 5: Lista de precios de Bombas Centrífugas
Giving response to your request, we have attached a list with the prices of the equipments that you have requested. For more information please contact our sales department. The orders will be delivered after 4-6 weeks after the cancellation of the 50 % of the price of the product.
Pumping Division Marc Pumps
Product Price US $ 5C-MD 1350
LC-5C-MD 1480 AC-5C-MD 1660 TE-5C-MD 1950 TE-5K-MD 2250
Product Price US $ TE-8C-MD 2100 TE-8K-MD 2650 TE-8S-MD 3000
For more information please contact our technical department http://e1.f534.mail.yahoo.com/ym/ShowFolder?YY=95901&inc=25&order=down&sort=date&pos=0&view=&head=&box=Inbox
Anexo N° 6: Precio de Resina de Intercambio Iónico
Name Product Price US$ * MD-RES-C467-CH Duolite C467, R&H density 785.045 kg/m3
$1150
* Only available in 7 cu ft pack DUOLITE is a trademark of Rohm and Haas Company, Philadelphia, U.S.A. Ion exchange resins and polymeric adsorbents, as produced, contain by-products resulting from the manufacturing process. The user must determine the extent to which organic by-products must be removed for any particular use and establish techniques to assure that the appropriate level of purity is achieved for that use. The user must ensure compliance with all prudent safety standards and regulatory requirements governing the application. Except where specifically otherwise stated, Rohm and Haas Company does not recommend its ion exchange resins or polymeric adsorbents, as supplied, as being suitable or appropriately pure for any particular use. Consult your Rohm and Haas technical representative for further information. Acidic and basic regenerant solutions are corrosive and should be handled in a manner that will prevent eye and skin contact. Nitric acid and other strong oxidising agents can cause explosive type reactions when mixed with Ion Exchange resins. Proper design of process equipment to prevent rapid buildup of pressure is necessary if use of an oxidising agent such as nitric acid is contemplated. Before using strong oxidising agents in contact with Ion Exchange Resins, consult sources knowledgeable in the handling of these materials.
Rohm and Haas/Ion Exchange Resins - Philadelphia, PA - Tel. (800) RH AMBER - Fax: (215) 537-4157 Rohm and Haas/Ion Exchange Resins - 75579 Paris Cedex 12 - Tel. (33) 1 40 02 50 00 - Fax : 1 43 45 28 19
WEB SITE: http:// www.rohmhaas.com/ ionexchange
Anexo N° 7: Precio de tubería PVDF (FABCO)
PVDF (Kynar®) (Polyvinylidene Floride) PVDF is a strong, tough, and abrasion resistant fluorocarbon material. It resists distortion and retains most of its strength to 280°F (137 °C). It is chemically resistant to most acids, bases and organic solvents and is ideally suited for handling wet or dry chlorine, bromine and other halogens. No other solid thermoplastic piping components can approach the combination of strength, chemical resistance and working temperatures of PVDF. PVDF is joined by the thermo-seal fusion process, threading or flanging. Applications: The great versatility of the material, with its unique combination of physical and chemical properties, as well as the simple installation process of pipe, fittings and valves, make it the piping system of choice for applications in industries like semiconductor, pharmaceutical, chemical processing, metal finishing, pulp and paper.
PIPE NOTES • Pipe is 20 feet long in plain ends. For other lengths and pipe ends, please consult our customer service department. • Red Kynar® pipe is pigmented to resist ultra-violet attack when handling high concentrations of halogens. The pipe is completely compatible to Fabco’s line of Kynar® fittings and valves. • Larger diameter pipe is available upon request. Please consult customer service. • These products are not recommended for compressed air or gas systems.
ALL TAXES EXTRA • PRICES SUBJECT TO CHANGE WITHOUT NOTICE • F.O.B. STOCKING POINT • MINIMUM BILLING $25.00 • CALL OR WRITE FABCO YOUR SOURCE FOR PLASTIC MATERIALS
Anexo N° 8: Precio de Tubería FRP
Valves, Fitting & Tubing Division
FRP piping Diameter • Price US $
1 ” 100 1 ¼ ” 160 1 ½ ” 220 2 ” 200
2 ½ ” 380 3 ” 450
3 ½ ” 510 4 ” 590 6 ” 720 8 ” 800
• Pipe is 20 feet long in plain ends. For other lengths and pipe ends, please consult our customer service department. The orders will be delivered after 4-6 weeks after the cancellation of the 50 % of the price of the product. For more information please contact our technical department http://e1.f534.mail.yahoo.com/ym/ShowFolder?YY=8945901&inc=42516&order=down&sort=date&pos=0&view=&head=&box=Inbox
Anexo N° 9: Resistencia química de los termoplásticos (Piping Class)
Material
Notas
Temp.
Max. Op (°C)
PVDF
Resistente a ácidos, soluciones salinas, halógenas, hidrocarburos aromáticos y alifáticos, hidrocarburos clorados y alcoholes. Condicionalmente usada para cetonas, esteres y bases orgánicas y soluciones alcalinas.
150
FRP
Resistente a ácidos, soluciones salinas, halógenas, hidrocarburos aromáticos y alifáticos, hidrocarburos clorados y alcoholes, cetonas, aminas, esteres y aldehídos
225 DLFA is grateful to the following companies for their permission to reproduce the information contained in this Chemical Resistance Guide: George Fischer, Inc. 2882 Dow Av, Tustin, CA 92680-7285 (Basic Guide Layout plus data for PVC, PE, PP and PVDF.) Symalit AG, CH-5600 Lenzburg, Switzerland -(Data on ECTFE, FEP and PFA.) B F Goodrich, 9911 Brecksville Road, Cleveland, Ohio 441413247 - (Data on CPVC) E. I.DuPont de Nemours, 1625 Newport Gap Pike, Wilmington DE, 19808 (Data on ETFE.) CLASSIFICATION The customary classifications: resistant, conditionally resistant and not recommended are depicted by the signs: +, O, and –, which allow simple presentation and application. These classifications are defined as: Resistant, +: Within the acceptable limits of pressure and temperature the material is unaffected or only insignificantly affected. Conditionally Resistant, O: The medium can attack the material or cause swelling. Restrictions must be made in regard to pressure and/or temperature, taking the expected service life into account. The service life of the installation can be noticeably shortened. Not recommended: – The material cannot be used with the medium at all, or only under special conditions.
Fuente: www.dlfathermoplastics.com
Anexo N° 10. Espacio entre Equipos e Instalaciones. Norma IR-M-01 PDVSA
Anexo N° 11 Cotización de Equipos de proceso: Tanques de almacenamiento,
Precipitadotes, Clarificador, Filtros, Recipientes de Intercambio Iónico,
Intercambiador de calor.