ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA
MECÁNICA Y ELÉCTRICA
DISEÑO DE CONTROL E INSTRUMENTACIÓN PARA EL PROCESO
DE GENERACIÓN DE ÁCIDO MURIÁTICO EN UNA PLANTA
PILOTO
Q U E P A R A O B T E N E R E L T I T U L O D E :
INGENIERO EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
P R E S E N T A N
Juan José Contreras Yoseff
Eduardo Juárez López
Alexis Israel Soria Arredondo
Asesores:
México D.F. 2011 ING. GERARDO GIL MARTÍNEZ GALVAN
ING. JULIO LARA GARCÍA
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL "ADOLFO .LÓPEZMATEOS"
TEMA DE·TESIS
QUE PARA OBTENER .EL TITlJLO DE INGENIERO EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN POR LA OPCIÓN DE TITULACIÓN TESIS COLECTIVA Y EXAMEN ORAL INDIVIDUAL
DEBERA(N) DESARROLLAR
C. JUAN JOSÉ CONTRERAS YOSEFF
C.EDUARDOJUÁREZLÓPEZ
C. ALEXIS ISRAEL SORIA ARREDONDO
"DISEÑO DE CONTROL E INSTRUMENTACIÓN PARA EL PROCESO DE GENERACIÓN DE ÁCIDO MURIÁTICO EN UNA PLANTA PILOTO"
ELABORAR UNA PROPUESTA DE DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL DISCRETO IDENTIFICANDO LAS VARIABLES BÁSICAS DEL PROCESO EN LA GENERACIÓN DE ÁCIDO MURIÁTICO.
•:. MARCO TEÓRICO DEL PROCESO DE OBTENCIÓN DE ÁCIDO MURIÁTICO. •:. DESCRIPCIÓN DEL MÉTODO SAL-ÁCIDO SULFÚRICO.
•:. PROPUESTA DE INSTRUMENTACIÓN. •:. ARQUITECTURA DE CONTROL. •:. COSTO DE INVERSIÓN.
MÉXICO D. F., A 5 DE AGOSTO DE 2011.
ING. GE...ｾｾＮＮＮＮＮＬｏ I
ASESORES
ＮＭＮＭＮＮＮＮＮｾ '? r ｾｊｾｾＬｾｲｾｾｴＧｚ CESAR
D DEPARTAM TO ACADÉMICO DE
2
Índice
Agradecimientos ... VIII
Resumen ... X
Objetivo ... XII
Alcance ... XII
Justificación ... XIII
Capítulo 1 Marco Teórico del Proceso de Obtención de Ácido Muriático ... 14
1.1 Estado del Arte ... 15
1.2 Definición de Ácido Muriático/Clorhídrico ... 17
1.3 Historia del Ácido Muriático ... 18
1.4 Aplicaciones del Ácido Muriático ... 18
1.5 Riesgos del Ácido Muriático ... 19
1.6 Almacenamiento y manejo del Ácido Muriático ... 20
1.7 Procesos de obtención del Ácido Muriático ... 21
1.7.1 Proceso Alternativo Ecológico, Regeneración de ácido por medio hidrotermal® ... 21
1.7.1.1 Descripción del método Alternativo Ecológico Regeneración de ácido por medio hidrotermal ... 21
1.7.2 Proceso Hargreaves ... 23
1.7.2.1 Descripción del método Hargreaves ... 24
1.7.3 Proceso de Síntesis ... 25
1.7.3.1 Descripción del método de Síntesis... 25
1.7.4 Proceso Sal- Ácido Sulfúrico ... 26
1.7.4.1 Halita o sal Gema ... 26
1.7.4.2 Ácido Sulfúrico H2 SO4 ... 27
1.7.4.1.1 Descripción del método ... 28
Capítulo 2 Descripción del método Sal-Ácido Sulfúrico ... 33
2.1 Planteamiento del problema ... 34
2.2 Descripción del proceso Sal-Ácido Sulfúrico ... 35
2.3 Identificación de las variables del proceso de obtención de ácido muriático ... 37
2.4 Análisis Estequiométrico Ideal y Real ... 39
3
Capítulo 3 Propuesta de Instrumentación ... 50
3.1 Criterio de selección de instrumentos ... 51
3.2 Componentes propuestos para el proceso de obtención de ácido muriático ... 52
3.3 Lista de instrumentos ... 77
3.4 Entradas y Salidas del proceso Sal-Ácido Sulfúrico ... 78
3.5 Diagrama Eléctrico Alambrado Típico de un Lazo de Control ... 81
3.6 Tablero de Control ... 85
Capítulo 4 Arquitectura de Control ... 88
4.1 Permisivos del Proceso de Sal-Ácido Sulfúrico ... 89
4.2 Diagrama Lader (Escalera) ... 90
4.3 Memoria de Cálculo (Dimensionamiento de PLC) ... 100
4.4 Controlador Lógico Programable método de Sal- Ácido Sulfúrico ... 101
4.5 Descripción de operación del HMI (Human Machine Interface) en el proceso de generación de Ácido Muriático. ... 104
4.6 Memoria de Cálculo Consumo de Energía ... 114
Capítulo 5 Costo de inversión... 116
5.1 Estipulación de Costos ... 117
5.2 Cálculo del Costo de Venta del Proyecto ... 119
Conclusiones ... 121
Recomendaciones ... 126
Referencias ... 128
Glosario de términos ... 130
Acrónimos... 134
Anexos ... 136
Anexo 1 ... 137
Lista de instrumentos ... 137
Anexo 2 ... 146
Lista de equipos ... 146
Anexo 3 ... 148
Diagrama de Tubería e Instrumentación... 148
Anexo 4 ... 149
4
Anexo 5 ... 150
Diagrama de instalación eléctrica típica... 150
Anexo 6 ... 151
Gabinetes de señales de control ... 151
Anexo 8 ... 153
Tablero de Control ... 153
Anexo 9 ... 154
5
Índice de figuras
No. de
figura Descripción
Capítulo1 Pág.
1.1 Representación molecular del Ácido clorhídrico 17 1.2 Obtención del Ácido clorhídrico en laboratorio 18 1.3 Equipo de seguridad para manejo de Ácido clorhídrico 20 1.4 Planta para regenerar ácido por medio del desperdicio metalúrgico 23
1.5
Planta Textil que producía su propio Ácido Clorhídrico en la época de la revolución
industrial 24
1.6 Halita o sal gema 27
1.7 Molécula del Ácido sulfúrico 28
1.8 Diseño de planta piloto de producción de ácido clorhídrico 29
Capítulo 2
2.1 Diagrama de Proceso 35
2.2 Proceso Sal-Ácido Sulfúrico (Componentes) 37
2.3 Balance de Materia Caso Ideal 43
2.4 Balance de Materia Caso Real 46
Capítulo 3
3.1 Lazo de control de ingreso de solvente 54 3.2 Lazo de control de ingreso de Cloruro de Sodio 55 3.3 Lazo de control de ingreso de ácido sulfúrico 57 3.4 Lazo de control salida solvente sucio 59 3.5 Lazo de control ingreso vapor saturado 60 3.6 Lazo de control salida vapor saturado 61 3.7 Lazo de control salida sulfato de sodio 62
3.8 Lazo de control entrada de aire 63
3.9 Lazo de control salida vapor saturado 64 3.10 Lazo de control extracción ácido clorhídrico gaseoso 65 3.11 Lazo de control salida del sulfato de sodio del cristalizador 66 3.12 Lazo de control nivel del tanque sulfato de sodio 67 3.13 Lazo de control ingreso agua de mezclado 69 3.14 Lazo de control salida de ácido muriático 70 3.15 Lazo de control nivel del tanque ácido muriático 71 3.16 Lazo de control salida del vapor saturado 72
3.17 Lazo de control entrada del aire 72
3.18 Lazo de control motor del agitador 73
3.19 Lazo de control entrada del vapor 74
3.20 Lazo de control motor del agitador 74
3.21 Intercambiador de calor tipo chaqueta 75
3.22 Cristalizador que utiliza vapor 76
6
Capítulo 4
4.1
Programa principal para obtener ácido muriático 91
4.2 Programa de la línea del solvente 92
4.3 Programa de la línea de sal 94
4.4 Programa de la línea de ácido sulfúrico 95
4.5 Programa de la línea de vapor 96
4.6 Programa de la línea de sulfato de sodio 98 4.7 Programa de la línea de extracción de ácido clorhídrico 99
4.8 Programa de la línea de mezclado 100
4.9 CPU modelo 6ES7313-5BF03-0AB0 102
4.10 Fuente de alimentación 6ES7307-1EA00-0AA0 102
4.11 Módulo de entradas analógicas 102
4.12 Módulo de entradas digitales 103
4.13 Módulo de salidas digitales 103
4.14 Diagrama esquemático del PLC 103
4.15 Pantalla HMI del proceso de Sal-ácido sulfúrico 104
4.16 Estación de botones 105
4.17 Botones modo manual y automático 105
4.18 Indicador de número de lote 105
4.19 Tanques del proceso sal-ácido sulfúrico 105 4.20 Sliders para establecer cantidad de materia prima 106 4.21 Botones de válvula y bomba desactivados 106 4.22 Botones de válvula y bomba activados 106
4.23 Agitador activado y desactivado 107
4.24 Botón de ayuda 107
4.25 Indicador de temperatura en HER-1 107
4.26 Indicadores de masa y nivel 107
4.27 Línea 1 y 2 solvente y agua de mezclado 108
4.28 Línea 3 sal 109
4.29 Línea 4 y 5 ácido sulfúrico y vapor 110
4.30 Línea 5 y 6 vapor y gas HCL 111
7
Índice de Tablas
No. de Tabla Descripción
Capitulo 2 Pág.
2.1 Masa y Volumen de materia prima 45 2.2 Masa y Volumen de los productos 45 2.3 Datos de concentración de materia prima 46 2.4 Resultados de experimentos en laboratorio 48 2.5 Condiciones de operación teóricas del proceso Sal-ácido sulfúrico 49
Capitulo 3
3.1 Criterio para la selección de instrumentos 51 3.2 Componentes de la Planta piloto teórica 77 3.3 Tabla de señales analógicas y digitales 78
Capitulo 4
4.1 Permisivos del Proceso Sal-Ácido sulfúrico 89
4.2 Cálculo de módulos del PLC 101
4.3 Censo de carga 114
Capítulo 5
5.1 Lista de actividades 117
5.2 Costo por infraestructura 118
5.3 Costo de servicio 119
Introducción VIII
Agradecimientos
Juan José Contreras Yoseff
Este documento va dedicado a todas aquellas personas especiales para mí, a las cuales me gustaría agradecerles, su apoyo, ánimo y compañía en las diversas etapas de mi vida, tanto académica como personal, que jugaron un papel importante en los momentos de mayor complicación y también de satisfacción para mi persona.
Algunas personas están conmigo y otras en mi recuerdo, pero a todas sin excepción brindo este homenaje, sin importar en donde estén o si alguna vez llegasen a leer esta dedicatoria quiero darles las gracias por formar parte de este proyecto, que llegan a su momento cumbre, a la cristalización de un sueño que nació hace muchos años.
A mi padre, por brindarme la oportunidad de desarrollarme, como una persona de bien y de darme valiosos consejos, que fueron aplicados en mi vida diaria, los cuales al llegar a terreno firme produjeron sus raíces, y ahora dichos principios son los que rigen mi modo de vida, gracias por siempre estar ahí, y aunque hubo momentos críticos, toda esa experiencia que me transmitiste, quedara por siempre.
A mi madre, por brindarme su cariño y comprensión, de forjar con su manera de ser mi carácter, por estar al pendiente de mí en toda mi vida, y por ser una persona que con su ejemplo supo dejar un legado de trabajo y de siempre pelear por lo que uno quiere, gracias mamá por confiar en mi.
A mis hermanos, por hacerme ver la vida de diferentes maneras y poder aplicar esa diversidad a la vida profesional, tantas experiencias algunas malas, la mayoría buenas, fortalecieron mi espíritu y les estaré eternamente agradecido.
A mi novia, que con su comprensión y su desinteresado deseo de ayudar, me dio las herramientas morales de la cuales carecía, por enseñarme otro ritmo de vida, el cual aunado a todo lo que poseo en el mundo es uno de mis mayores tesoros, gracias amor por todas las alegrías que me has dado, y también por tu ayuda que ha sido de gran valor.
A mi familia en general (Vale, Marijo, Joselito, Guadalupe, Tíos, sobrinos, ahijados) por dejarme ser parte en cada una de sus historias personales y por brindarme su apoyo en cada momento que lo llegue a necesitar.
A mis amigos, saben que forman parte esencial de mí vida y que con ustedes viví cosas mas allá de lo impensable, lugares, paisajes, situaciones escolares y de vida, gracias, la deuda que tengo con ustedes es de por vida.
Introducción IX
Soria Arredondo Alexis Israel
A mi Mama:
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A mi Familia:
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A mi Hermano Eliott:
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A mi Hermano Johnattan:
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A mis Amigos:
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A mis Profesores:
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Introducción X
Juárez López Eduardo
A mis padres, José Edwviges Juárez Juárez y María Antonieta López Camacho, porque a pesar de los sucesos acontecidos en nuestra vida como familia, fueron los cimientos y un pilar muy importante, que catapultaron la conclusión exitosa de este proyecto, porque con base en el esfuerzo que dedicaron para mi educación y desarrollo, y al apoyo moral y económico que me proporcionaron a lo largo de mi vida como estudiante, contribuyeron en gran parte para lograr mi éxito profesional y por lo tanto para lograr el éxito de este arduo trabajo.
Así mismo agradezco este trabajo a cuatro personas muy importantes y doy gracias que aun se encuentren aquí, para presenciar este resultado, estas personas son mis abuelitos Guadalupe Juárez Reyes, Pedro Juárez Ramírez, Antonio López Ortiz y María Leonarda Camacho García, quienes también fueron parte importante en mi desarrollo y educación, aconsejado de la manera que solo ellos pueden aconsejar, pero también quiero agradecer en especial a mi abuelita Guadalupe quien me tendió una mano para ayudarme a seguir subiendo por la escalera del éxito, después de distintos conflictos entre mis padres, de lo contrario sin esa mano probablemente hubiese tropezado y el resultado no hubiera sido el presente.
A su vez dedico este trabajo a mis tres hermanos Joel, Néstor y Fernando, dejándolo como un ejemplo de éxito a seguir, con el cual espero se guíen para lograr su propio éxito profesional en el futuro, de la misma manera que aquí yo lo eh logrado, también dedico este trabajo al resto de la familia Padrinos, Tíos, Tías y Primos que afortunadamente son bastantes y sería una gran lista por nombrar, gracias a todos y aquí les dejo mi trabajo.
Por último quiero agradecer a todos los profesores que a lo largo de la carrera compartieron sus conocimientos y sus experiencias conmigo y mis compañeros contribuyendo para nuestro desarrollo personal y profesional, logrando con ello el éxito satisfactorio de este proyecto, en especial a los asesores de este trabajo, quienes nos guiaron durante todo el desarrollo del mismo, así como también al jurado que presencio y evaluó este trabajo, y que también aconsejo para que este resultara satisfactoriamente.
Todo esto no fue una tarea fácil, el llegar al final de esta etapa y concluirla con satisfacción, tomo varios años de esfuerzo y dedicación, y el apoyo de todos los antes mencionados fue un refuerzo muy grande para poder concluirla, y también lo serán para concluir, esta nueva etapa que comienza…
Introducción XI
Resumen
En el presente trabajo se desarrolla un proyecto para diseñar la instrumentación y control en una planta
piloto que obtiene el Ácido Muriático para uso comercial, se detalla la metodología usada, así como la
propuesta técnica que utiliza las condiciones suficientes y necesarias para obtener el producto, así como
el sub producto de la reacción Sulfato de Sodio, a continuación se detalla lo que se verá en los capítulos
posteriores.
En este trabajo se desarrolla el marco teórico del proceso de obtención del Ácido Muriático, englobando
la historia del Ácido Clorhídrico (descubrimiento, procesos de obtención, aplicaciones, cuidados, riesgos,
transporte y almacenamiento), los conceptos básicos de control y proceso, además del criterio de
selección para los instrumentos.
Cabe mencionar que se describe de manera concisa el proceso que se utiliza para obtener el Ácido
Muriático diseñado para el presente trabajo. Además del planteamiento del problema visto desde el
punto técnico-económico.
Se establecen los requerimientos y condiciones necesarias que el proceso demanda para su correcto
funcionamiento, se observa el desarrollo técnico del proceso, las entradas y salidas del Controlador
Lógico Programable (PLC), las características del PLC y su memoria de cálculo, así como el programa
diseñado para el PLC que se aplica en el proceso y la descripción del control Batch.
Se detalla el material y el equipo utilizado en el diseño del proceso de obtención de Ácido Muriático, las
características de las válvulas, tanques de almacenamiento, tubería, interruptores, intercambiador de
calor, mezclador, además de las características de la materia prima (Ácido Sulfúrico, Halita, Agua
Desmineralizada) utilizada en el proceso de obtención del Ácido Muriático y las pruebas de control para
detectar fallas en la programación del PLC.
Se analizara el costo del proyecto, teniendo en cuenta el factor humano, técnico, conceptual, diseño,
abarcando todos los aspectos económicos implicados para la realización del diseño del proceso de
obtención de Ácido Muriático.
La cuantificación de equipos y material requeridos para cumplir con las condiciones de operación del
Introducción XII
Objetivo
Elaborar una propuesta de diseño del sistema de control discreto identificando las variables básicas del
proceso y utilizando un criterio de instrumentación apropiado para la planta piloto teórica de generación
de ácido muriático
Objetivos Específicos
• Identificar las variables básicas del proceso para la propuesta del sistema de control e instrumentación.
• Conocer las condiciones del proceso por medio de pruebas en el laboratorio.
• Determinar el principio de funcionamiento de los instrumentos para las variables básicas
de medición.
• Diseñar los 15 lazos de control de las variables básicas para la planta piloto teórica
• Diseñar el diagrama de tuberías e instrumentación de toda la planta piloto teórica
• Diseñar la propuesta del sistema de control para la operación de la panta piloto para los 15 lazos de control.
• Propuesta de alambrado típico, gabinetes y tablero de control.
Alcance
Elaborar el diseño del sistema de control como base principal para la futura implantación de la planta
piloto de generación de ácido muriático. Para esto, se utilizara como materia prima el Ácido Sulfúrico
(H2SO4) y Cloruro de Sodio (NaCl), lo cual producirá Ácido Clorhídrico y el subproducto de la reacción
Introducción XIII
Justificación
El Ácido Clorhídrico es considerado el haluro de hidrógeno más importante y el diseño de
instrumentación y control para su generación determina que el Ácido Clorhídrico tiene diversas
aplicaciones tales como la obtención del hidrógeno al reaccionar con los metales, así como la obtención
del cloro al reaccionar con el dióxido de manganeso. Se usa también en las titulaciones para determinar
la presencia y cantidad de álcalis en ciertas muestras.
El Ácido Muriático solo es el resultado de la mezcla del acido clorhídrico con agua.
En México, el proceso de obtención del Ácido Muriático se obtiene en pequeña escala por medio de
laboratorios, donde es utilizado para prácticas o experimentos escolares, también es realizado de
manera clandestina en cantidades pequeñas, poniendo en riesgo la integridad del usuario y por último,
existen intermediarios pertenecientes a empresas de ramos diversos en la industria que obtienen el
Ácido Clorhídrico como desperdicio, sin generarlo en la concentración adecuada para un uso especifico.
Es por eso que se diseñara la instrumentación y el control en el proceso de generación de este ácido
como planta piloto, utilizando la sal común y el Ácido Sulfúrico, para obtener el Ácido Muriático como
producto principal, obteniendo a su vez un subproducto que será Sulfato de Sodio el cual también es
comerciable.
El proceso de generación de Ácido Clorhídrico utilizado, es un proceso descubierto en la época medieval
y es el método de obtención considerado el más importante en la industria y también en el laboratorio,
por ende el diseño realizado es a escala de una planta piloto y estará estructurado de una manera
adecuada para que el proceso tenga un uso eficiente de la energía, menores pérdidas en la materia
prima, producción ininterrumpida, detección de fallas por medio de mantenimiento preventivo además
de ser rentable.
El proceso también es amigable con el medio ambiente por aprovechar al máximo los dos elementos que
se requieren como materia prima y no obtener ningún desperdicio de las mismas, porque la reacción que
se realizara como ya se había mencionado, aparte de dar el producto de interés que es el Ácido
Clorhídrico, proporciona también un subproducto que es sulfato de sodio el cual también se
comercializara, y por último el gasto de energía será el eficiente y necesario para la generación del Ácido
Cap
Marco
Pro
Obtenc
Mu
Capítulo 1
rco Teórico de
Proceso de
ención de Ácid
Muriático
o 1
del
Capítulo I Marco Teórico del Proceso de Obtención de Ácido Muriático 15
1.1 Estado del Arte
Desde su aparición hace ya más de 1200 años, la elaboración del ácido clorhídrico ha pasado por
diversos procesos, los cuales poco a poco se han ido refinando y mejorando, hasta llegar a uno en donde
la pureza del producto y su producción en masa a sido el favorito por las empresas líder en este ramo,
como lo son:
ARKEMA CHLORE/SOUDE (Francia)®
CIDA SPA (Italia)®
GRUPO DERMET (Sur de México)®
QUIMICA QUIRURGICA (Argentina)®
XILO (España)®
Como se aprecia, dichas empresas no solo se enfocan a la fabricación u obtención del ácido muriático, ya
que en el proceso se pueden obtener diferentes, sub-productos, derivados de la obtención del ácido
muriático, o como suele pasar en muchas empresas, dentro de sus procesos, el ácido muriático, es el
sub-producto, pero como se obtiene en grandes cantidades, puede ser comercializado, y obtener por
ello una ganancia o en su defecto, poder aplicar dicho sub-producto a su proceso una vez más.
Es por eso que la utilización del ácido muriático o clorhídrico es tan diversa, pero a la vez tan innecesaria
a nivel industrial, porque en ocasiones, el ácido es tratado de desecho y vendido a otras empresas que si
lo utilizan.
Teniendo en cuenta dicha contradicción en la industria, se pasa al enfoque de comercios, donde su uso
poco a poco se ha ido extendiendo, pero con diferentes matices, puesto que en muchos países las
normas ambientales, han puesto fin a algunos usos indebidos, en otras se vuelve a retomar dicha
sustancia, creando nichos de mercado seguros y confiables, puesto que la demanda de dicho producto es
garantizada.
Pudiendo ser usada en la rama de construcción, limpieza, tratamiento de aguas, etc. El enfoque pudiese
ser desviado a este interesante mercado.
Hablando del mercado residencial, con la aparición de diversos productos para la limpieza del hogar,
existe un obstáculo enorme, el cual es la nueva tendencia de úsese y tírese, con esta nueva modalidad,
se toman en cuenta todos los productos que hacen más fácil la limpieza dentro de casa, así como las
Capítulo I Marco Teórico del Proceso de Obtención de Ácido Muriático 16 Ahora, en el marco geográfico, en nuestro país México, la existencia de dicho producto es nulo, casi una
sustancia artesanal, puesto que, en el norte del país tenemos las acereras y demás empresas del rubro
de la agricultura y ganadería, por lo que solo algunas empresas cuentan con un mercado estable, ya que
gran parte de su producto sale a los Estados Unidos, en la zona Central y del Bajío, su obtención se
reduce a ferreterías y tiendas particulares, donde la gente en sus negocios, obtiene el ácido muriático,
pero sin conocer la pureza o la concentración que es necesaria para poder tener un desempeño
favorable del producto.
Desgraciadamente, mucha de la materia prima es importada, puesto que nuestro país, gracias al Tratado
de Libre Comercio, tiene por obligación comprar materia prima a otros países que son abundantes en
ellos, con lo cual el producto final llega a ser algo caro.
En la parte Sur de nuestro país, algunas empresas se han establecido, favorablemente, gracias a la
aparición de centros turísticos, en donde las atracciones como las albercas y parques acuáticos y en su
tratamiento es indispensable dicho producto, además de tener en toda la franja costera de Veracruz,
Tabasco y Campeche, las petroquímicas que también utilizan dicho producto.
Con el anterior estudio se observan dos líneas diferentes de acción las cuales se describen a
continuación:
ENFOQUE COMERCIAL
- Residencial
- Comercial
- Industrial
ENFOQUE GEOGRÁFICO
- Zona Norte
- Zona Centro y del Bajío
- Zona Sur y Costeras
De manera general se dividió el terreno, más sin embargo en el Edo. De México y el Distrito Federal,
tiene empresas bien establecidas de ácido clorhídrico, sin embargo la diferencia fundamental, que
existirá con el diseño de este trabajo, es que la obtención de ácido clorhídrico será el proceso principal, y
su subproducto el sulfato de sodio.
Capítulo I Marco Teórico del Proceso de Obtención de Ácido Muriático 17
- Aromáticos y Químicos del Centro (1) (Toda la República)®
- CORVEL (2)(Latinoamérica)®
- Acimex(3) (Toda la República)®
- Quinmar de México (4)(Mundial)®
Dichas empresas trabajan con diferentes procesos, que obtienen de manera indirecta el ácido muriático,
obteniéndolo como subproducto, la empresa Quinmar utiliza el proceso de síntesis, pero debido a los
altos costos de obtención de hidrógeno gaseoso y cloro en el mismo estado, se hace muy difícil batir
dicho costo para una empresa que será implementada en un futuro por los autores de este trabajo
terminal.
1.2 Definición de Ácido Muriático/Clorhídrico
El Ácido Muriático, que también se conoce como ácido clorhídrico, salfumán, espíritu de sal, (HCL) su
composición es Cl: 97.23% Cl y H: 2.76%, agua fuerte, espíritu de sal, salfumán, es una solución acuosa
de gas de cloruro de hidrógeno. Esta solución resulta un líquido transparente o ligeramente amarillo, que
en estado concentrado produce emanaciones de cloruro de hidrógeno (de ahí el nombre de sal fumante)
las que combinadas con el vapor de agua del aire son muy caústicas y corrosivas de color blanquecino y
muy irritantes a las vías respiratorias.(5)
Capítulo I Marco Teórico del Proceso de Obtención de Ácido Muriático 18
1.3 Historia del Ácido Muriático
El Ácido Clorhídrico fue obtenido por primera vez por el Erick Chikis Jabir ibn Hayyan (también conocido
como Geber), alrededor del año 800, mezclando sal común con vitriolo (ácido sulfúrico).(5)
En la Edad Media, el ácido clorhídrico era conocido entre los alquimistas europeos como espíritu de sal.
En el siglo XVII, Johann Rudolf Glauber, de Karlstadtam Main, Alemania, utilizó sal (cloruro de sodio) y
ácido sulfúrico para preparar sulfato sódico, liberando gas cloruro de hidrógeno. Joseph Priestley, de
Leeds, Inglaterra preparó cloruro de hidrógeno puro en 1772, y Humphry Davy de Penzance demostró
que su composición química contenía hidrógeno y cloro.
Figura 1.2 Obtención del ácido clorhídrico en laboratorio(6)
A comienzos del siglo XX, cuando el proceso Leblanc fue sustituido por el proceso Solvay, Las materias
primas del "proceso Solvay" son la sal (NaCl) y la caliza (CaCO3). El amoniaco (NH3), no puede
considerarse como una de las materias primas ya que es regenerado. Se lleva a hornos de cal para llevar
a cabo la mezcla de las materias primas. Este proceso que no permitía obtener ácido clorhídrico como el
de Leblanc, éste ya era un producto químico utilizado de manera frecuente en numerosas aplicaciones.
1.4 Aplicaciones del Ácido Muriático
El Ácido Clorhídrico es un producto químico importante y de amplio uso. Los usos finales más grandes
para el Ácido Clorhídrico son(7):
1. El decapado del acero.
Capítulo I Marco Teórico del Proceso de Obtención de Ácido Muriático 19 3. La fabricación de alimentos.
4. La producción de cloruro de calcio.
5. Tratamiento de minerales.
6. Uso domestico para limpieza.
7. Recuperación de metales semipreciosos de catalizadores usados.
8. Catalizador en síntesis.
9. Regeneración de catalizadores.
10. Control de PH.
11. Regeneración de resinas de intercambio iónico (aguas residuales).
12. Neutralización de productos alcalinos o materiales residuales.
13. Fabricación de tintes y pigmentos.
14. Remoción de lodo cloacal.
15. Oxidación de maquina industrial.
16. Descalcificación.
17. Tanificación.
18. Teñido de pieles para la industria del cuero.
19. Carbonización de la lana.
20. Blanqueado y teñido en industria textil.
21. Purificación de arcilla y arena.
1.5 Riesgos del Ácido Muriático
Riesgos de fuego y explosión no representa pues no es inflamable. Se produce gas inflamable cuando se
encuentra en contacto con metales. Se generan vapores tóxicos e irritantes de cloruro de hidrógeno
cuando se calienta.
Riesgos a la salud, el gas causa dificultad para respirar, tos e inflamación y ulceración de nariz, tráquea y
laringe. Exposiciones severas causan espasmo de la laringe y edema en los pulmones y cuerdas vocales.
Una exposición prolongada y repetida puede causar decoloración y corrosión dental. En algunos casos,
se han presentado problemas de gastritis y bronquitis crónica. Al contacto con ojos este ácido es un
irritante severo de los ojos y su contacto con ellos puede causar quemaduras, reducir la visión o, incluso,
la pérdida total de ésta. Al contacto con la piel en forma de vapor o disoluciones concentradas causa
Capítulo I Marco Teórico del Proceso de Obtención de Ácido Muriático 20 pueden desfigurar las regiones que han sido dañadas. En caso de ingestión se produce corrosión de las
membranas mucosas de la boca, esófago y estómago. Los síntomas que se presentan son: disfagia,
náuseas, vómito, sed intensa y diarrea. Puede presentarse, incluso, colapso respiratorio y muerte por
necrosis del esófago y estómago.(8)
1.6 Almacenamiento y manejo del Ácido Muriático
Debe almacenarse en lugares secos, bien ventilados, alejado de materiales oxidantes y protegido de
daños físicos.
En concentraciones no superiores al 20% de HCL, en garrafas que se transportan en cajas, o en cubetas
portátiles de acero, forradas de polietileno.
En concentraciones no superiores al 30%, en vagones cisterna. En concentraciones aun mayores, en
vagones de carga forrados de caucho o algún material de parecida resistencia a los ácidos.
Se guarda en damajuanas herméticas de vidrio u otro material inerte, a temperaturas menores a los
30°C. Para su manejo es necesario utilizar lentes de seguridad y, si es necesario, guantes de neopreno,
viton, nunca de polietileno en lugares bien ventilados. No deben usarse lentes de contacto cuando se
utilice este producto. Al trasvasar pequeñas cantidades con pipeta, siempre utilizar propipetas, NUNCA
ASPIRAR CON LA BOCA.
Un ejemplo claro es como el mostrado en la Figura 1.3(9):
Capítulo I Marco Teórico del Proceso de Obtención de Ácido Muriático 21
1.7 Procesos de obtención del Ácido Muriático
El interés comercial llevó al desarrollo de otros procesos de obtención, que se utilizan hasta el día de
hoy, se enlistan a continuación:
1. Método alternativo ecológico, regeneración de ácido por medio hidrotermal
2. Método Hargreaves
3. Método de Síntesis
4. Método Sal-Ácido Sulfúrico
1.7.1 Proceso Alternativo Ecológico, Regeneración de ácido por medio hidrotermal®
Desde la década de los 90’s hasta nuestros días, los conceptos relacionados al cuidado ambiental, se han
hecho muy frecuentes, y han tomado una posición primordial en nuestras vidas afectando de manera
directa a las principales causantes de contaminación, las industrias.
Toda industria si bien es sabido, crea, experimenta, innova, etc. Pero es cierto que sus niveles de
desperdicios también son de considerar, es por tanto un factor determinante a la hora de implementar
un proceso que crea desperdicios dañinos a la salud.
Entrando en materia, la creación del HCL u obtención, se da por diferentes métodos, el caso que nos
ocupa viene directamente de la industria metalúrgica, una de las más contaminantes y en el cual la
innovación que se implemento fue la de generar ácido clorhídrico (muriático) por medio de un método
al cual le pusieron el nombre de regeneración de acido por medios hidrotermales, obteniendo resultados
satisfactorios, además de ganancias pues como es sabido el ácido clorhídrico (muriático) es utilizado en
muchas y muy diversas industrias, creando un circulo de producción altamente rentable.
La empresa SMS Siemag AG, es la precursora en este campo puesto que su nicho de trabajo se centra en
la industria metalúrgica, gracias a esta línea de trabajo, buscaron como recuperar un desperdicio (FeCl3),
para crear nuevos productos, dicha empresa posee plantas en Japón y Alemania de regeneración de
ácidos, con lo cual podemos observar que la aplicación de dicha tecnología es satisfactoria(10).
1.7.1.1 Descripción del método Alternativo Ecológico Regeneración de ácido por medio hidrotermal
El proceso consiste en la hidrólisis del FeCl3 cloruro férrico, y la destilación hidrolítica del Acido
Capítulo I Marco Teórico del Proceso de Obtención de Ácido Muriático 22 2Fe Cl3 + 3H2 O → Fe2 O3 + 6HCl (1.1)
Dicho proceso de puede dividir en 3 etapas importantes:
Pre-Concentración
Oxidación
Hidrólisis
Una de las características primordiales de dicho proceso que es continuo y no un proceso batch, lo que
acarrea grandes beneficios de producción y sin pérdida de tiempo. Además de que la energía térmica
está en constante recuperación, por lo que acarrea un beneficio de eficiencia en el sistema.
Pre-Concentración en la Regeneración de Ácido Clorhídrico Hidrotermal
El líquido proveniente del proceso metalúrgico (baño químico para limpiar metales) con una
concentración de 40% de FeCl2 (Cloruro Ferroso), es puesto en un evaporador al vacio alrededor de 70°
Celsius, el vacío se genera por las bombas que extraen el aire del evaporador, cuando se comienza a
calentar se libera acido clorhídrico en forma de gas a 80°C, el cual se combina con el acido clorhídrico y
agua proveniente del hidrolizador que viene a 170°C, es entonces que ingresan al condensador de agua
fría, donde se precipita obteniendo acido clorhídrico con concentración al 18% y a 108°C, obteniendo el
acido regenerado.
Oxidación del Proceso de Regeneración de Ácido Clorhídrico Hidrotermal
La pre-concentración del liquido de baño químico, ingresa con una concentración de 45% de FeCl2 retro
alimentación a una gran presión, ingresando al tanque donde se llevara a cabo la oxidación con oxigeno
a 150°C y una presión de 800kPa, produciendo una reacción con el Cloruro Ferroso, obteniendo un
compuesto dañino el FeCl3, en dicha solución se encuentran semillas de oxido férrico.
Hidrólisis del Proceso de Regeneración de Ácido Clorhídrico Hidrotermal
En el reactor de hidrólisis entra el FeCl3 concentrado, es hervido a presión ambiental, la solución hierve a
175°C, cuando hierve el proceso de hidrólisis entra en acción.
El calor que requiere el hidrolizador viene dado por los intercambiadores de calor en el proceso, para no
desperdiciar dicha energía, el oxido férrico es entonces separado por hidrociclones y filtros apropiados,
Capítulo I Marco Teórico del Proceso de Obtención de Ácido Muriático 23 En el 2009 con la colaboración de Fujikoki Ltd, Daiichi Engineering empresas japonesas y la Saitama
University desarrollaron esta tecnología de regeneración de ácidos, fabricando la primera planta piloto,
de las cuales obtuvieron los siguientes resultados:
• Cero emisiones al medio ambiente de ácido clorhídrico
• Cero emisiones de otros compuestos químicos como el cloro y óxidos
• La energía consumida por el proceso es baja de 1.5 gigajoules comparada con el 4.1 gigajoules utilizada en el proceso de rociado de bases para la regeneración del ácido.
• La energía eléctrica es de 50KwH, en comparación con los 80Kwh del proceso de rociado de
bases
Figura 1.4 Planta para regenerar ácido por medio del desperdicio metalúrgico(10)
1.7.2 Proceso Hargreaves
En los albores de la Revolución Industrial la demanda de sustancias alcalinas, como por ejemplo la ceniza
de la soda presiono a los empresarios de aquella época a implementar un proceso que obtuviera los
compuestos que necesitaban y a bajo costo, fue James Hargreaves quien desarrolló un nuevo proceso a
Capítulo I Marco Teórico del Proceso de Obtención de Ácido Muriático 24 ácido sulfúrico en la reacción principal que producía mucha perdida de energía sin embargo, la
producción del cloruro de hidrógeno continuó. En la Figura 1.5 se observa una planta de textiles de
épocas de la revolución industrial(11).
Figura 1.5 Planta textil que producía su propio Ácido clorhídrico en la época de la Revolución Industrial(12)
1.7.2.1 Descripción del método Hargreaves
Se hace reaccionar Sal, Dióxido de Azufre, aire y vapor de agua. Se generan los mismos productos que en
el proceso anterior. Las reacciones son exotérmicas y a causa de ello se genera suficiente calor para
mantener la reacción del proceso una vez los reactivos llegan a la temperatura deseada, la cual puede
variar de 420 ºC a 540 ºC(12).
Elementos para realizar la reacción:
• Sal común (NaCl)
Capítulo I Marco Teórico del Proceso de Obtención de Ácido Muriático 25
• Aire (Mezcla de gases)
• Vapor de Agua (H2 O gas)
Al llegar a la temperatura adecuada la cual es a 420°C hasta 540°C se produce la reacción de los
elementos, liberando energía y teniendo HCL ácido clorhídrico y Na2 SO4 como se muestra en la Ecuación
2:
Na Cl + H2 O gas+SO2 + Aire → Na2 SO4+ HCl (1.2)
Aunque este proceso está en desuso, se incluye por su tradición. Su abandono se debe a la dificultad de
lograr ácido concentrado a partir de soluciones diluidas de gas y al incremento en la mano de obra.
1.7.3 Proceso de Síntesis
El proceso de síntesis consiste en la obtención de los elementos primarios el cual se lograr obteniendo en
forma de gas Cl2 y en forma de gas H2 para llevar la reacción química adecuada para la producción de
Acido Clorhídrico obteniendo un nivel alto de pureza y una producción en volumen. Estos métodos se
realizan mediante la procedo químico de electrolisis(4).
Las reacciones que tienen lugar a causa de la corriente eléctrica constituyen un proceso denominado
electrólisis y son reacciones Redox. La electrólisis cosiste, por tanto, en producir, mediante el consumo
de energía unas reacciones que de espontáneamente no se producirían.
1.7.3.1 Descripción del método de Síntesis
Electrólisis con celda de diafragma
Este método se emplea principalmente en Canadá y Estados Unidos.
Se emplea un cátodo perforado de acero o hierro y un ánodo de titanio recubierto de platino u óxido de
platino. Al cátodo se le adhiere un diafragma poroso de fibras de asbesto y mezclado con otras fibras
(por ejemplo con politetrafluoroetileno). Este diafragma separa al ánodo del cátodo evitando la
recombinación de los gases generados en estos.
Se alimenta el sistema continuamente con salmuera que circula desde el ánodo hasta el cátodo. Las
reacciones que se producen son las siguientes expresadas en las Ecuaciones 3 y 4:
Capítulo I Marco Teórico del Proceso de Obtención de Ácido Muriático 26 H2 + 2e- → H2 (en el cátodo) (1.4)
En la disolución queda una mezcla de NaOH y NaCl. El NaCl se reutiliza y el NaOH tiene interés comercial.
Este método tiene la ventaja de consumir menos energía que el que emplea amalgama de mercurio,
pero por contra el NaOH obtenido es de menor pureza por lo que generalmente se concentra. También
existe un riesgo asociado al uso de asbestos.
Electrólisis con celda de membrana
Este método es el que se suele implantar en las nuevas plantas de producción de cloro. Supone
aproximadamente el 30% de la producción mundial de cloro.
Es similar al método que emplea celda de diafragma: se sustituye el diafragma por una membrana
sintética selectiva que deja pasar iones Na +, pero no iones OH- o Cl-.
El (NaOH) que se obtiene es más puro y más concentrado que el obtenido con el método de celda de
diafragma, y al igual que ese método se consume menos energía que en las de amalgama mercurio,
aunque la concentración de NaOH sigue siendo inferior y es necesario concentrarlo. Por otra parte, el
cloro obtenido por el método de amalgama de mercurio es algo más puro.
1.7.4 Proceso Sal- Ácido Sulfúrico
Los componentes principales para la composición del ácido clorhídrico son la sal (halita) y el ácido
sulfúrico que detallaremos a continuación, además del subproducto que se obtiene al realizar la reacción
el cual es el sulfato de sodio(11).
1.7.4.1 Halita o sal Gema
Algunas rocas formadas por precipitación de sales, como son las calizas, los yesos y las sales, pueden ser
consideradas como yacimientos. De las calizas se obtiene por ejemplo para formar cemento y para otros
usos. El yeso también se usa en la construcción. La halita o sal gema puede utilizarse para usos culinarios,
pero también para la preparación del sodio metálico, (Na puro), la sosa (NaOH) y el ácido clorhídrico(13).
Se denomina halita, sal gema o sal de roca al mineral formado por cristales de cloruro de sodio (NaCl).
Cristaliza en el sistema regular, en forma cúbica, rara vez de otra forma.
La composición química de la sal gema contiene 39.3% de sodio y el 60.7% de cloro, a veces con
Capítulo I Marco Teórico del Proceso de Obtención de Ácido Muriático 27 La sal gema es usada en la industria química como fuente de sodio y cloro. Como condimento, para
conservación de alimentos y para curtido de pieles. En la Figura 1.6 se aprecia la estructura de una roca
de sal.
Figura 1.6 Halita o sal Gema(13)
1.7.4.2 Ácido Sulfúrico H2 SO4
El ácido sulfúrico, aceite de vitriolo, espíritu de vitriolo, licor de vitriolo es un compuesto químico muy
corrosivo. Es el compuesto químico que más se produce en el mundo, por eso se utiliza como uno de los
tantos medidores de la capacidad industrial de los países. Una gran parte se emplea en la obtención de
fertilizantes. También se usa para la síntesis de otros ácidos
El ácido sulfúrico se encuentra disponible comercialmente en un gran número de concentraciones y
grados de pureza. Existen dos procesos principales para la producción de ácido sulfúrico, el método de
cámaras de plomo y el proceso de contacto. El proceso de cámaras de plomo es el más antiguo de los
dos procesos y es utilizado actualmente para producir gran parte del ácido consumido en la fabricación
de fertilizantes. Este método produce un ácido relativamente diluido (62%-78% H2 SO4). El proceso de
contacto produce un ácido más puro y concentrado, pero requiere de materias primas más puras y el uso
Capítulo I Marco Teórico del Proceso de Obtención de Ácido Muriático 28 Figura 1.7 Molécula del ácido Sulfúrico(14)
1.7.4.1.1 Descripción del método
El proceso de ácido clorhídrico y sal consta en hacer reaccionar Cloruro de Sodio (NaCl) con Acido
Sulfúrico (H2 SO4) para formar Cloruro de Hidrógeno (HCl) gaseoso y Sulfato de sodio (NaS04).
Fase 1.- Generación del Ácido clorhídrico
La fase uno consiste en la introducción de la sal en el reactor, una vez que el reactor contiene la sal
indicada para la producción, se debe agregar acido sulfúrico en forma dosificada. La razón de hacerlo de
esta manera es porque es una reacción altamente exotérmica y sería muy difícil controlar el proceso.
Una vez iniciado la reacción se realiza un calentamiento mediante un intercambiador de calor, donde el
flujo caliente es vapor para alcanzar la temperatura de operación de la reacción, obteniendo de esta
manera que la reacción se produzca en su totalidad y el producto y el sub producto sean separados en su
totalidad.
Fase 2.- Extracción del Ácido clorhídrico
En esta fase se extrae del reactor el acido clorhídrico en forma de gas y circula por una línea, la cual
ingresa a un mezclador, dando por terminada esta fase.
Capítulo I Marco Teórico del Proceso de Obtención de Ácido Muriático 29 Para esta última fase el mezclador cumple con la función de mezclar el agua desmineralizada con el gas
de ácido clorhídrico proveniente del reactor alcanzando la concentración deseada Ácido clorhídrico al
30% de concentración en agua desmineralizada. Para terminar en un tanque final de almacenamiento.
La Figura 1.8 plasma el proceso de obtención de ácido clorhídrico por medio de este procedimiento, en
el cual se utilizó un programa de la familia de Microsoft®, el cual nos ayuda a realizar documentos de ingeniería como diagramas de electrónica, alambrado y en nuestro caso particular diagramas de tuberías
e instrumentación, el software utilizado es Microsoft Visio®, como se puede observar a continuación:
Figura 1.8 Diseño de planta piloto de producción de ácido clorhídrico
En el proceso de sal mas acido sulfúrico, se lleva a cabo una reacción química, mediante sal y Ácido
sulfúrico para obtener Ácido clorhídrico gaseoso, donde posteriormente se realizara una disolución en
Capítulo I Marco Teórico del Proceso de Obtención de Ácido Muriático 30 La reacción de ácido sulfúrico con sal común (cloruro de sodio) es como la siguiente detallada en la
Ecuación 5:
2 NaCl + H2 SO4 -> Na2 SO4 + 2 HCl gas (1.5)
El método de sal-acido sulfúrico seleccionado para proponer un proceso de obtención de ácido
muriático, conociendo ya los diferentes métodos de obtención descritos con anterioridad, a
continuación de expresa la selección de este método y no de los demás;
Se tiene que la selección dé el método sal-acido sulfúrico se da por:
La menor complejidad que presenta en comparación con los demás métodos, en diferentes aspectos
como:
• El tipo de proceso
El proceso que se requiere para que el método de sal-ácido sulfúrico se realice correctamente, es de tipo
Batch, se tienen etapas sencillas como lo son el calentamiento y el mezclado, etapas comunes y fáciles
de realizar a diferencia de la electrólisis dada en el método de síntesis, siendo esta una etapa menos
común y más compleja, lo cual, implica que no se tiene un proceso continuo, como lo sería en otros
métodos.
Aparte de obtener el producto de interés que es el ácido muriático, brinda también la obtención de un
subproducto que es el sulfato de sodio, un compuesto también completamente comerciable.
Teniendo entonces un proceso de tipo Batch y no un proceso continuo, permite diseñar un tipo de
control menos complejo como lo es el discreto, eliminando así muchos aspectos de control regulatorio
que serian indispensables en otros métodos.
También el proceso no requiere condiciones de operación de una magnitud considerable, como en otros
métodos, por ejemplo el método Hargreaves, donde se requieren temperaturas que van desde los 420ºC
a los 540ºC, y en el método de elección sal-ácido sulfúrico, la temperatura máxima que se puede tener
para que el método funcione adecuadamente es de 150ºC.
Por lo tanto el método cumpliría el objetivo de ser estudiado en una planta piloto, por tener un tipo de
control discreto, aunque fácil pero laborioso por la cantidad de etapas del proceso, así como también
Capítulo I Marco Teórico del Proceso de Obtención de Ácido Muriático 31
• La menor complejidad de los equipos
Los equipos necesarios que demanda el método tienen una menor complejidad comparados con otros
equipos que se necesitarían usar en otros métodos, por citar un ejemplo en el método de síntesis se
emplea, un cátodo perforado de acero o hierro y un ánodo de titanio recubierto de platino u óxido de
platino. Al cátodo se le adhiere un diafragma poroso de fibras de asbesto y mezclado con otras fibras
(por ejemplo con politetrafluoroetileno), y como se ve es un equipo complejo y bastante caro, mas sin en
cambio en este método a grandes rasgos se necesita un recipiente para llevar a cabo el calentamiento,
proponiendo un intercambiador de calor con chaqueta y como fuente de calor vapor a condiciones
previamente determinadas, así como también un recipiente de mezclado entre otros, mas equipos
auxiliares y elementos finales todos descritos detalladamente más adelante.
Por lo tanto el tipo de equipos que se requieren en el método facilitan la propuesta de un proceso que
cumpla con las características del método, y lo más importante brinde la posibilidad de obtener el acido
muriático que es lo que se busca, además haciendo inca pie en que será una planta piloto los equipos
que son muy comunes brindad la facilidad de la futura implantación de el diseño que se desarrollara
durante este trabajo.
• Los factores de riesgo son menores
Sobre los factores de riesgo, cabe mencionar que estos no son nulos, existen no solo para estos
métodos, sino para muchos otros en diferentes aspectos y magnitudes, en este caso el método de
elección sal-acido sulfúrico, presenta riesgos por tener manejo de ácidos pero son riesgos menores
comparados con otros métodos, haciendo una comparación el método de síntesis que maneja Cl2 y H2
en forma de gas, y el método Hargreaves que maneja altas temperaturas, los convierte en mas riesgosos
tanto para personal como equipos, obligando a tener sistemas de seguridad complejos en estos
Capítulo I Marco Teórico del Proceso de Obtención de Ácido Muriático 32 Es por eso que también se opto por seleccionar el método sal-acido sulfúrico, comprendiendo también
que existen riesgos pero en menor magnitud, así que para eso será necesario que para una futura
implantación de la planta piloto, realizar un trabajo complementario de un sistema de seguridad.
• Los componentes necesarios son accesibles.
Ahora bien, otra razón de seleccionar el método sal-acido sulfúrico, tal y como el nombre del método lo
dice, solo se requieren de esos dos componentes para que el método funcione, los cuales combinados
brindan la obtención del acido muriático deseado, y además como se ah venido mencionando brindan
una segunda obtención que es el sulfato de sodio, dejando este método una gran ventaja, por solo
requerir de dos componentes sencillos y fáciles de adquirir, en comparación con los otros métodos que
requieren más componentes o también dos componentes pero mucho menos accesibles y más
complejos.
Bueno todo parece hasta ahorita ventajas, pero obviamente el método tiene sus desventajas; una
importante en la que son mejores los otros métodos y en especial el de síntesis es que el tempo de
obtención es mucho más rápido, comparado con el de sal-acido sulfúrico, y es por eso que ese método
es usado a nivel industrial en Europa para producir el acido clorhídrico.
Ahora bien como se realizara como planta piloto, el tiempo de obtención no es de vital importancia, más
bien la cantidad de producción por lote del proceso, lo cual se determinara durante el desarrollo de este
trabajo.
Es por todo lo anterior que se opto por seleccionar el método de sal-acido sulfúrico, para desarrollar el
trabajo de diseño, proponiendo los equipos de proceso, e innovando algunas etapas del mismo,
proponiendo la instrumentación adecuada al proceso, según propios criterios, así como también la
propuesta de control discreto para automatizar el proceso, cumpliendo los objetivos específicos y por
Cap
Descr
métod
Su
Capítulo 2
escripción del
todo Sal-Ácido
Sulfúrico
2
Capítulo II Descripción del método de Sal-Ácido sulfúrico 34
2.1 Planteamiento del problema
El problema que tiene el país en la producción de Ácido muriático es que se obtiene a pequeña escala,
obteniéndose por medio de pequeñas reacciones en laboratorios, donde solo es utilizado para prácticas
o experimentos escolares, y no para su comercialización masiva.
También se realiza de una manera clandestina en porciones pequeñas, con equipos viejos y dañados y
sin la aplicación de un sistema de control adecuado, tanto en el modo de producción, como en la calidad
y en la seguridad, poniendo así en riesgo la integridad del usuario.
Existen también intermediarios pertenecientes a empresas de ramos diversos en la industria que
obtienen el ácido clorhídrico como desperdicio, de procesos donde el interés no es el de producir el
Ácido pero sin embargo lo obtienen como subproducto sin las características adecuadas para algún tipo
de uso.
Los intermediarios sin dar algún tratamiento para alcanzar concentraciones adecuadas lo comercializan
volviéndose un problema para los que requieran algún grado de concentración en especial en la
utilización de dicho ácido.
Ahora bien para la obtención del acido clorhídrico existen varios métodos o procesos químicos que se
mencionaron con anterioridad los cuales son el Proceso Alternativo Ecológico de regeneración de ácido
por medio hidrotermal, Proceso Hargreaves, Proceso de síntesis y el Proceso de sal-acido sulfúrico.
Conociendo el problema y los diferentes métodos de obtención, lo que se busca es el diseño de una
instrumentación y un control en el proceso de generación de Ácido muriático aplicándolo en una planta
piloto, que de obtener resultados positivos, podría escalarse a una planta de nivel industrial, con todas
las normativas y estándares necesarios que el país requiera para la implantación de esta, teniendo una
producción de ácido muriático en forma.
El proceso seleccionado para la generación de Ácido clorhídrico será el proceso de Sal-Ácido sulfúrico, al
cual se diseño la instrumentación y el control, y se seleccionaron los equipos y accesorios necesarios
para que el proceso se lleve a cabo.
Todo realizado a escala de una planta piloto, por tratarse de un diseño que utiliza la tecnología existente
tendrá que ser en un futuro implantado y probado para poder corroborar que el diseño servirá a una
Capítulo II Descripción del método de Sal-Ácido sulfúrico 35 El proceso de Sal-Acido sulfúrico tuvo prioridad por sobre los demás procesos, para el diseño por las
siguientes características que ofrecieron una mejor solución al problema presentado en este trabajo:
Es un proceso sencillo en comparación con los demás, puesto que las etapas de las que se
conforman no rebasa de cuatro, incluido el subproducto obtenido de la reacción.
La materia prima como lo es el Ácido Sulfúrico y la Halita o sal; para la reacción descrita son
comerciables y fáciles de obtener en el mercado mexicano.
Se obtiene además un subproducto (Sulfato de sodio) que goza de gran fama en el medio
industrial teniendo muchas aplicaciones, haciendo que el residuo de la reacción sea también
comerciable.
El diseño de control es económico al tratarse de un control discreto (on-off).
El gasto de energía es mínimo en comparación a los demás, ya que el consumo eléctrico y el
desgaste de los equipos será controlado.
Los equipos necesarios para la función del proceso son muy conocidos en la industria, haciendo
que su valor se decremente.
No existe un proceso implantado a nivel industrial similar en el país, haciendo de nuestro diseño
único.
2.2 Descripción del proceso Sal-Ácido Sulfúrico
Figura 2.1 Diagrama de Proceso
Fase 1.- Generación del acido clorhídrico
Se inicia con un prelavado del reactor HER-1 con Solvente a una presión de 10 psi al mismo tiempo se
activa el agitador para garantizar que el proceso está limpio de residuos de una operación anterior,
realizando la circulación del flujo Solvente de lavado por la bomba BAK-1 del TAK-1, una vez cumplida la
etapa de prelavado se realiza la introducción de 60 Kg NaCl del TAK-2 cayendo por gravedad en el
reactor HER-1, una vez que concluye la introducción de NaCl indicada para la producción, se debe Generación de Ácido
Clorhídrico
Extracción de Subproducto
Extracción de Acido Clorhídrico como producto final Ácido
Capítulo II Descripción del método de Sal-Ácido sulfúrico 36 agregar 50.25 litros de H2SO4 del TAK-3 en forma dosificada con la bomba BAK-3. La razón de hacerlo de
esta manera es porque es una reacción altamente exotérmica y sería muy difícil controlar el proceso.
Mientras se tiene el proceso de agregación de los reactivos de producción NaCl y H2SO4 se activa un
agitador para realizar una mezcla homogénea de los reactivos. Cuando termina de introducir H2SO4 se
realiza el calentamiento de los reactivos con vapor saturado (sobre calentado) con una presión de 5MPa
a temperatura de 150ºC donde obtendremos HCL gas y Na2SO4 que es nuestro objetivo de esta fase.
Fase 2.- Subproducto Sulfato de Sodio
Mientras se lleva a cabo la fase de producción de Ácido muriático se realiza la extracción de 72 Kg de
Na2SO4 de HER-1 por medio de una bomba BAK-4 circulándolo a un cristalizador CR-1 para eliminar
impurezas y llevarlo al tanque de almacenamiento TAK-4 por medio de la aplicación de aire a 500 PSI, la
cual está regulada por la válvula de 3 vías denominada VC-1700, obteniendo de esta manera el sulfato de
sodio como sub-producto.
Para que CR-1 pueda llevar a cabo la cristalización se utiliza vapor proveniente de la caldera
seleccionando esta línea de flujo caliente con una válvula de 3 vías denominada VC-1900.
Fase 3.- Extracción del Ácido Clorhídrico
En esta fase se extrae del reactor el acido clorhídrico en forma de gas por medio de la bomba BAK-5
extrayendo para circularlo a MEZ-1 para realizar la generación de acido muriático.Para esta última fase
en el mezclador MEZ-1 donde se realiza la producción del acido muriático es decir, acido clorhídrico a
17% de concentración en agua, para lograr esta concentración se realiza en el mezclador se agrega 132.3
litros de agua con la bomba BAK-6 del tanque TAK-5 ya que la cantidad de Ácido clorhídrico extraída en
la fase anterior es de 33.874 litros pasando al MEZ-1 en forma directa generando un efecto de burbujeo
con el agua de mezclado activándose el agitador para lograr una mezcla homogénea, una vez realizada la
reacción en MEZ-1 se circula el acido muriático a un último tanque TAK-6 por medio de BAK-7 donde se
almacena para terminar el proceso de obtención de Ácido muriático. En la Figura 2.2 se muestra el
Capítulo II Descripción del método de Sal-Ácido sulfúrico 37 Figura 2.2 Proceso Sal-Ácido Sulfúrico (Componentes)
2.3 Identificación de las variables del proceso de obtención de ácido muriático
Una vez descrito el proceso se procede a identificar las variables que intervendrán en el proceso, y que
ayudarán a implementar una planta piloto teórica, la cual se verá más adelante, entrando en materia se
Capítulo II Descripción del método de Sal-Ácido sulfúrico 38
1. Temperatura
Dicha variable es parte fundamental del proceso ya que sin ella no se podrá alcanzar una reacción en
forma, además de la innovación que es el calentamiento por vapor saturado el cual debe de llegar al
proceso con ciertas características específicas.
La temperatura intervendrá en el reactor principal y en el cristalizador, obligándonos a tener dicha
variable estable.
2. Presión
Identificada en casi todos los procesos industriales, la presión hace que los procesos se vuelvan
peligrosos o simplemente que el grado de complejidad aumente, en el proceso se utiliza como
parámetro que no se debe de rebasar ya que si existe un aumento en la presión del reactor, la reacción
no podrá llevarse a cabo de una manera satisfactoria, también es utilizada para conocer si las bombas
están operando pues con la presión que exista en la línea se podrá conocer dicho parámetro, además en
el cristalizador se aprovecha para impulsar el sulfato de sodio en estado sólido, llevándolo a su tanque de
almacenamiento como se explica más adelante.
3. Flujo
Será el indicador más importante, en el cual se asentará la propuesta de control discreto para este
trabajo base.
En el flujo se centra el proceso batch, puesto que las cantidades específicas de todas las materias primas
(sal, ácido sulfúrico, solvente, agua), que previamente fueron obtenidas y escaladas en el laboratorio,
contendrá los puntos fijos del valor que queramos alcanzar, una vez que ingrese la cantidad necesaria de
tal materia, el flujo tendrá esa lectura y automáticamente se cerrara la válvula correspondiente.
4. Nivel
La variable de nivel será utilizada para los tanques, para saber si no se encuentran vacios y por ende
evitar que el proceso comience y pueda existir algún problema serio.
Las variables indicadas en los párrafos anteriores son básicas, existen muchas otras variables que se
Capítulo II Descripción del método de Sal-Ácido sulfúrico 39 • Viscosidad • Densidad • Humedad • Concentración • PH • Etc.
Son variables importantes, que se tienen que considerar, sensar, estudiar, pero para efectos de este
trabajo no se tomaran en cuenta, por que solo se evaluaran las variables básicas del proceso realizando
una propuesta de control general sin detenerse en los detalles específicos, partiendo de lo general hacia
lo individual.
Se tienen los datos de densidad de las materias primas y de los productos, solo como dato informativo,
todas las demás variables se idealizaron, con lo cual se pudo diseñar el control discreto con los
componentes en los lazos de control que a continuación se detallan.
2.4 Análisis Estequiométrico Ideal y Real
Se realizara el análisis Estequiométrico en forma ideal es decir cuando no se tiene impurezas en los
reactivos y con el análisis como se encuentran en el mercado obedeciendo al grado de impurezas.
Para el Análisis Estequiométrico ideal se requiere la cantidad necesaria para realizar la reacción química
de H2 SO4+ NaCl para obtener HCl + Na2SO4 se procede a realizar el balance de materia expresada en la
Ecuación 2.1: 1 . *! . ! 1 * + + ∆ (2.1)
Valores Moleculares de los elementos químicos:
2 = H = 1
1 = S = 1
4 = O = 4
1 = Na= 2
Capítulo II Descripción del método de Sal-Ácido sulfúrico 40 Por el balance Estequiométrico se tiene que la misma cantidad de átomos que entra debe de ser la
misma cantidad que se obtiene a la salida. Se procede a realizar el balance de materia, expresada en la
Ecuación 2.2:
1 . *! . !
1
* + +
∆
(2.2)
Valores Moleculares de los elementos químicos:
2 = H = 2
1 = S = 1
4 = O = 4
2 = Na= 2
2 = Cl= 2
A continuación se debe de obtener el peso molecular de los compuestos para proceder a conocer las
cantidades de masa requeridas para llevar a cabo una buena reacción.
Para el compuesto Cloruro de Sodio (NaCl)
Peso molecular del Sodio (Na) = 22.9897 = 23 aproximado
Peso molecular del Cloro (Cl) = 34.453 = 35.5 aproximado
Peso molecular del compuesto de sodio (NaCl) expresada en la Ecuación 2.3:
Na + Cl = 23 + 35.5 = 58.5 gr/gmol (2.3)
Para el compuesto Acido Sulfúrico ( H2SO4 ):
Peso molecular del Hidrogeno (H) =1.00794 = 1 aproximado
Peso molecular del Azufre (S) = 32.065
Capítulo II Descripción del método de Sal-Ácido sulfúrico 41 Peso molecular del compuesto Acido Sulfúrico ( H2SO4 ) expresada en la Ecuación 2.4:
H2+S+O4= 1 (2) + 32.065 + 16 (4) = 98.065 g/g mol (2.4)
De acuerdo al balance Estequiométrico en la ecuación 2.2 existen dos moléculas de NaCl se multiplica
por dos el peso molecular obtenido en la operación anterior como se detalla en la Ecuación 2.5:
2NaCl=2 (58.5 g/gmol)= 117 gr/gmol (2.5)
Se utilizara un 100 gr de Cloruro de sodio (NaCl) y 50 gr. de Acido Sulfúrico como unidad base para la
realización del cálculo de la cantidad de materia requerida mínima para la reacción química detallada en
la Ecuación 2.6:
. ! 1 * . ! 1 * 2 &, &, 2 2 . ! 1 * . ! 1 * . ! = = = (2.6) Donde:
WNaCl= peso requerido de NaCl para la reacción (gr)
WDatoH2SO4 = Peso base de H2SO4para el cálculo (gr)
PMNaCL=Peso molecular de NaCl (gr/grmol)
PMH2SO4=Peso molecular de acido sulfúrico (gr/grmol)
Se realiza el cálculo de la cantidad necesaria de materia mínima de H2SO4 la reacción química, expresada
Capítulo II Descripción del método de Sal-Ácido sulfúrico 42 1 * . ! 1 * . ! 2 &, &, 2 2 1 * . ! 1 * . ! 1 * = = = (2.7) Donde:
W H2SO4 = peso requerido de H2SO4 para la reacción (gr)
W DatoNaCl= Peso base de NaClpara el cálculo
(gr)
PMNaCL=Peso molecular de NaCl (gr/grmol)
PMH2SO4=Peso molecular de acido sulfúrico (gr/grmol)
2.2 Análisis Estequiométrico Real
Se define con los cálculos anteriores el reactivo limitante y el reactivo en exceso de la reacción química
1 . *! . ! 1 * + + ∆
• Reactivo limitante (RL): Acido Sulfúrico (H2SO4)
• Reactivo en Exceso(RE): Cloruro de Sodio (NaCl)
Se procede a realizar el cálculo de balance de materia para conocer las cantidades de materia en la salida
