Estudio de Mercado Para Una Planta de Acido Súlfurico Final

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ESTUDIO DE MERCADO PARA UNA PLANTA DE ACIDO SÚLFURICO

ACOSTA LUGO JOSÉ CARLOS MACHADO CEPEDA SAMANTHA OSORIO GONZALEZ SANDRA MILENA PRADA ALBARRACIN VIVIANA MARCELA

TORRES GARCIA MYRIAM YANETH

Presentado a DIEGO PALACIOS

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER FACULTAD DE INGENIERIAS FISICOQUIMICAS

ANALISIS DE PROCESOS INGENIERÍA QUIMICA

BUCARAMANGA 2014

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TABLA DE CONTENIDO

1.IDENTIFICACIÓN DE TECNOLOGÍA ... 4

2.ANALISIS DE DATOS HISTORICOS DE DEMANDA Y OFERTA DE INSUMOS Y PRODUCTO ... 5

2.1CANTIDAD HISTÓRICA DEMANDADA DE PRODUCTO-MATERIAS PRIMAS Y O INSUMOS . 5 2.2CANTIDAD HISTÓRICA OFERTADA DE PRODUCTO-MATERIAS PRIMAS Y O INSUMOS ... 5

3. PROYECCIÓN DE DEMANDA EFECTIVA DEL PRODUCTO Y MATERIAS PRIMAS ... 6

3.1PROYECCIÓN DE LA DEMANDA Y OFERTA DE ÁCIDO SULFÚRICO ... 6

3.2PROYECCIÓN DE LA DEMANDA Y OFERTA DE AZUFRE PETROQUÍMICO ... 7

3.3PROYECCIÓN DE LA DEMANDA Y OFERTA DE ÓXIDO DE HIERRO ... 8

3.4OFERTA VS DEMANDA ... 8

4. CAPACIDAD DE LA PLANTA A INSTALAR ... 9

5.CARACTERIZACION DE PRODUCTO E INSUMOS ... 9

5.1PRODUCTO PRINCIPAL:ÁCIDO SULFÚRICO ... 9

5.2 AZUFRE (INSUMO) ... 12

5.3ÓXIDO DE HIERRO ... 15

6. SEGMENTACIÓN DEL MERCADO ... 16

7. MERCADO COMPETIDOR ... 17

7.1PUNTOS FUERTES ... 17

7.2PUNTOS DÉBILES ... 17

8. DESCRIPCIÓN GENERAL DEL PROCESO ... 18

8.1ÁREADERECEPCIÓNYALMACENAMIENTODEAZUFRELIQUIDO ... 18

8.2ÁREADEOXIDACIÓNDEAZUFRE ... 18

8.3ÁREADECONVERSIÓNCATALÍTICADESO3 ... 19

8.4ÁREADEABSORCIÓNDESO3 ... 19

9. DESCRIPCIÓN DETALLADA DEL PROCESO ... 20

10. CONDICIONES DE OPERACIÓN DE FLUJOS DE MASA Y ENERGÍA DEL PROCESO ... 25

11. MATRIZ DE CONDICIONES ESPECIALES DE PROCESOS ... 27

12. HERRAMIENTA DE CÁLCULO Y MÉTODO DE DISEÑO USADO PARA CADA EQUIPO ... 28

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3 13. ESTRATEGIA DE DISEÑO ... 34 14. LOCALIZACIÓN DE LA PLANTA ... 36 15.COSTO DE OPERACIÓN ... 47 15.1CRM: ... 46 15.2FCI ... 50 15.3COL: ... 52 15.4CUT: ... 54 15.5CWT: ... 56 16. MATRIZ DE FONDO ... 56 17. ANALISIS DE RIESGO ... 58 18. ALTERNATIVAS DE DISEÑO ... 59

19. ANALISIS DE IMPACTO AMBIENTAL ... 62

19.1IDENTIFICACIÓNDERESIDUOSPRODUCIDOSDURANTEEL PROCESODEPRODUCCIÓNDEÁCIDOSULFURICO ... 62

19.2CARACTERÍSTICASDELOSAGENTESCONTAMINANTES ... 64

19.3CUANTIFICACIÓNDEEFECTOSAMBIENTALES ... 66

19.4SOLUCIONESDECONTROLYMITIGACIÓN ... 67

19.5COSTOSDEEQUIPOSPARAELTRATAMIENTODERESIDUOS ... 68

20. CONCLUSIONES………... 71

21.ANEXOS ... 75

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4 1. IDENTIFICACIÓN DE TECNOLOGÍA

Actualmente el ácido sulfúrico presenta dos maneras básicas de producción: el método de cámaras de plomo y el de contacto directo. El primero de ellos es el más antiguo pero el menos utilizado puesto que sólo es capaz de producir un ácido con una concentración entre 62% y el 78% mientras que el método de contacto directo genera un producto de 98.5% y 99% de pureza.

Sin embargo en el año de 1963 la empresa Bayer A.G modifico la técnica de contacto directo por una tecnología más amigable con el ambiente denominada de doble contacto. Hoy en día es la más utilizada por Colombia debido a la reducción

de emisiones de SO2 a la atmósfera por tanto en este estudio técnico y de

factibilidad se propone la producción de ácido sulfúrico por medio de este método

que en contraste con el método de contacto simple, el gas, mezcla de SO2 y SO3,

después de pasar a través de cuatro bandejas de catálisis va a una torre de absorción intermedia donde con ácido sulfúrico al 98% se absorbe la mayoría del

SO3 por lo cual un pequeño porcentaje de SO2 y trazas de SO3 se lanza a la

atmósfera disminuyendo un contaminante como lo es la lluvia ácida.

El ácido sulfúrico se producirá a partir de azufre petroquímico por el método de doble absorción el cual es un proceso catalítico de mayor rendimiento y menor tiempo de proceso para las materias primas. El catalizador usado será el pentóxido de vanadio, sin embargo debido a la falta de información sobre esta sustancia será usado para el cálculo de la capacidad a instalar el óxido de hierro como materia opcional debido a su favorabilidad por su actividad catalítica y tiempo de vida útil para la producción de ácido sulfúrico.

La operación de la planta tendrá su base en las siguientes reacciones químicas:

+ ( ) ( )

Estas describen sencillamente la metodología en la producción del ácido sulfúrico, la cual se compone de diferentes etapas tales como:

 Oxidación de azufre hasta dióxido de azufre

 Secado de los gases

 Oxidación catalítica de dióxido de azufre hasta trióxido de azufre

 Absorción de trióxido de azufre

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Este tipo de producción de ácido sulfúrico emplean insumos como aire, agua, energía eléctrica (servicios adicionales) y una mínima fracción de ciertos productos que actúan como catalizadores y neutralizadores de los procesos físico químicos lo cual le da una inversión económica relativamente baja.

2. ANALISIS DE DATOS HISTORICOS DE DEMANDA Y OFERTA DE INSUMOS Y PRODUCTO

2.1 Cantidad histórica demandada de producto-materias primas y o insumos

Basados en los datos históricos de 2003 a 2010 suministrados por el Departamento Administrativo Nacional de Estadística de Colombia se observa que el azufre líquido, materia prima para la producción del ácido sulfúrico presenta datos de demanda (tabla 2) con un comportamiento variable entre un aumento y un descenso continuo debido a que en algunas ocasiones la actividad industrial sufrió un dinamismo donde el consumo de esta materia prima fue requerido en gran medida por la industria química. Por otro lado durante el periodo comprendido entre el año 2006 hasta el año 2008 se reflejó un decremento en el comercio nacional, aunque la cantidad que se demanda se suple casi en su totalidad con las importaciones.

El comportamiento de la curva de demanda (tabla1.)para el óxido de hierro como agente catalizador en el proceso presenta una caída en el año del 2003 excepto en los periodo del 2006 (tabla 3) donde el grado de apertura fue del orden del 44%, gracias a una participación creciente de las exportaciones en el PIB que llegó al 20% y de las importaciones que alcanzó el 24% a nivel nacional, del mismo modo en el año del 2010 se presenta la misma tendencia en cuanto a la actividad económica donde el crecimiento anual de 7,7% del PIB resultó superior a lo proyectado. Esta elevada tasa de expansión se explica por el dinamismo de la demanda interna, que se expandió 9,4% anual, impulsada tanto por el consumo como por la inversión.

Adicionalmente los históricos de demanda del ácido sulfúrico como producto principal ratifican el desarrollo económico de esta sustancia durante los últimos 5 años logrando un alto nivel de aplicaciones dentro de la industria química.

2.2 Cantidad histórica ofertada de producto-materias primas y o insumos

Respecto a las curvas de oferta de los insumos y producto principal es notorio que la producción de azufre en Colombia desde el año 2003 ha presentado un

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leve incremento con respecto a su demanda generando un déficit de esta materia prima permitiendo que el azufre petroquímico se posicione como insumo predominante en la producción de ácido sulfúrico lo cual es reflejado en los datos de la tabla 2,sin embargo en el año 2008 se nota una caída en la cantidad ofrecida debido a la recesión económica que tuvo el país .

Referente al comportamiento de la producción del óxido de hierro se observa constantes fluctuaciones (tabla.4) por lo cual es difícil distinguir un índice de crecimiento, sin embargo en los años que hubo escasez de este insumo fue producto de los factores climáticos que afectaron los volúmenes de ventas externas de algunos productos básicos de origen agrícola y minero, favoreciendo el incremento de la inflación en este año.

Respecto al ácido sulfúrico se torna la curva de oferta hacia un crecimiento evidente (tabla 5) lo cual nos complica la idea de situar una empresa productora de este compuesto debido a que se localiza en un mercado muy saturado que de una u otra forma seria un punto débil para la obtención de resultados exitosos sin embargo se podría resegmentar el mercado aproximándonos a este mediante un planteamiento diferente de la propuesta de valor ya sea la asequibilidad de precios, la identificación de nuevos clientes etc.

3. PROYECCIÓN DE DEMANDA EFECTIVA DEL PRODUCTO Y MATERIAS PRIMAS

Análisis de Proyecciones

Para las proyecciones de producto e insumos se encuentran datos que se alejan considerablemente de la tendencia de la curva de demanda y oferta lo que impide visualizar un factor de crecimiento constante por lo que es indispensable emplear la función de Excel Pronostico para predecir estos valores, y adicionalmente manipular el rango de sensibilidad usando uno más amplio en datos con alta dispersión y un rango más estricto para valores que siguen mucho mejor la tendencia. Del mismo modo se utiliza la función lineal y logarítmica como las apropiadas para encontrar una función que describa el crecimiento de estos productos en 10 años.

3.1 Proyección de la demanda y oferta de ácido sulfúrico

Dentro de la proyección del producto principal se encuentra que el comportamiento es inusual al estándar es decir hay un exceso de oferta (gráfica 1) con respecto a la demanda, lo que conlleva a un desequilibrio del mercado ya que al no vender y acumular inventarios los productores dejan de producir tanto y

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tienen que bajar el precio porque no hay mercado donde quieran comprarlo a ese precio, sin embargo se puede inferir que a 10 años el escenario seguirá siendo un mercado con mayor oferta aunque si se proyectase un escenario a un tiempo mayor es posible que las curvas se crucen y al tener la curva proyectada de la demanda un aumento más pronunciado que la de la oferta podría suceder que la demanda la superase, lo cual sería favorable para los productores de ácido sulfúrico.

Gráfica. 1. Proyección a 10 años de curva de demanda-oferta ácido sulfúrico 3.2 Proyección de la demanda y oferta de azufre petroquímico

Referente a la proyección del azufre es posible notar un leve aumento en la curva de demanda (grafica 2) lo cual es razonable por motivos de uso en diversos procesos industriales. Del mismo modo la oferta presenta el mismo comportamiento pero en menor proporción a tal punto de considerar un crecimiento insignificante por lo cual se torna un escenario desfavorable debido a que sí hay carencia de este insumo la producción de ácido sulfúrico implicaría mayores importaciones y por ende un costo relativamente alto.

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Gráfica. 2. Proyección a 10 años de curva de demanda-oferta azufre petroquímico

3.3 Proyección de la demanda y oferta de óxido de hierro

En cuanto al escenario proyectado para el catalizador se es notorio un comportamiento favorable para la producción de ácido sulfúrico ya que se observa un considerable aumento en la curva de oferta mientras que la curva de demanda permanece casi constante con una ligera disminución a través del tiempo, lo que indica que se tendrá una gran cantidad de catalizador disponible en el mercado para su uso lo cual facilita la obtención de materia prima.

Gráfica. 3. Proyección a 10 años de curva de demanda-oferta óxido de hierro

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Se determina a partir de las proyecciones anteriormente citadas, un comportamiento desfavorable para el desarrollo del proyecto debido a que el pronóstico a diez años la oferta se mantiene significativamente mayor a la demanda. Este tipo de tendencia sugiere un mercado que no es accesible para el producto debido a la saturación del mismo aun teniendo un disposición lenta pero constante de las materias primas para el proceso y el espacio en el mercado para la comercialización.

4. CAPACIDAD DE LA PLANTA A INSTALAR

De acuerdo a las proyecciones elaboradas para este proyecto, la capacidad de producción que se tendrá es de 18.361 toneladas por año. Cabe resaltar que la metodología descrita en la literatura para establecer la capacidad instalada no se logró situar en este tipo de proyecto debido a que los datos resultantes de demanda efectiva y oferta efectiva (tabla 4) arrojan datos negativos que giran en torno al comportamiento inusual de los valores de demanda y oferta del ácido sulfúrico siendo la producción mayor que el consumo y en el caso del azufre el consumo es mayor que la oferta impidiendo llevar a cabo el procedimiento de la búsqueda del factor tecnológico y del envolvente inferior .

Por tanto se dispone a establecer el volumen de producción mediante el 20% del promedio de la demanda proyectada a diez años con fines netamente académicos con la suposición de que la capacidad instalada solo suplirá un 0.2 de las necesidades del consumidor.

5. CARACTERIZACION DE PRODUCTO E INSUMOS 5.1 Producto principal: Ácido sulfúrico

Fórmula: H2SO4

Líquido aceitoso, sin color y sin olor. Es muy corrosivo. En su forma comercial está usualmente impuro y su coloración es pardusca. Puede formar soluciones con el agua en cualquier proporción. Las soluciones acuosas de ácido sulfúrico se nombran de acuerdo con el porcentaje en peso de ácido en la solución; el ácido

sulfúrico concentrado es entonces H2SO4 100%, que se conoce como anhidro o

como monohidrato de trióxido de azufre.

Se comercializa en solución acuosa de concentración entre 33 a 98%. Existen cuatro grados de comercialización: comercial, electrolito (de alta pureza para baterías), textil (bajo contenido de impurezas orgánicas) o grados de reactivo.

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Propiedades físicas y químicas del ácido sulfúrico

Tabla 4. Propiedades físicas del ácido sulfúrico

El ácido sulfúrico es un ácido mineral fuerte y un oxidante fuerte. Descompone las sales de muchos otros ácidos, lo cual representa una oportunidad industrial en

diversos campos como en la producción de Sulfato de sodio (Na2SO4) y cloruro de

Hidrógeno (HCl) a partir del cloruro de sodio (NaCl), la descomposición de sulfitos a dióxido de azufre y la descomposición de fosfatos de calcio naturales

(Ca3(PO4)2) hasta ácido fosfórico (H3PO4) y sulfato de calcio (CaSO4).

Gran parte se emplea en la elaboración de fertilizantes y sales para el tratamiento de aguas. Otras aplicaciones importantes se encuentran en la refinación del petróleo, producción de pigmentos, tratamiento del acero, extracción de metales no ferrosos y manufactura de explosivos agroquímicos, detergentes, plásticos, fibra y cauchos.

TRANSPORTE: Carros Cisternas de Acero inoxidable o acero carbono de 10 a

30 toneladas y bidones de polietileno de alta densidad de 100 Kg.

PRECIO: Aproximadamente $150.000 a $200.000 galón ALMACENAMIENTO

 Tanques de acero Inoxidable o acero carbono

 Soporte de hormigón reforzado con diques de contención con capacidad de

al menos el 50% de su contenido

 Sistemas de respiración y ventilación de la atmósfera presente en su

interior, para evitar concentración de hidrógeno por la reacción del ácido con el metal.

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 Transvases frecuentes del ácido para evitar que la superficie del líquido

quede estacionaria durante mucho tiempo y ocasione corrosiones muy localizadas.

 Para ácido frío (T < 40 ºC) y concentraciones superiores al 94% se admite

el acero al carbono como material de construcción idóneo para tanques, cisternas y todo tipo de recipientes

 Las tuberías para el trasiego de ácido en estas condiciones se recomienda

velocidades de 1 m/s, que no supere 1,5 m/s

 Para concentraciones inferiores a 78% y temperaturas de hasta 125 ºC se

recomiendan materiales termoplásticos tipo PVDF o poliéster reforzado fibra de vidrio (FGRP).

 Aceros inoxidables AISI 316L (bajo carbono), 327 y/o 347 (estabilizados

con Ti y Nb, respectivamente), también soportan bien la acción corrosiva del ácido.

 A temperaturas hasta 100 ºC debe recurrirse a una protección catódica

adecuada a las condiciones de servicio, o usar aislantes adecuados como ladrillo antiácido

 Para temperaturas aún mayores en el mercado se encuentran aleaciones

especiales y en casos extremos hay que recurrir al grafito aglomerado con resinas furánicas o al acero carbono vitrificado y/o revestido con teflón en su superficie en contacto con el ácido.

PRESENTACIONES

 BIOQUIGEN LTDA(Bogotá/Colombia)

Presentaciones por concentración:

Ácido sulfúrico 0,02 n fco x 1 lt Ácido sulfúrico 0,02 n fco x 4 lt Ácido sulfúrico 0,1 n fco x 1 lt Ácido sulfúrico 0,1 n fco x 4 lt Ácido sulfúrico 0,2 n fco x 1 lt Ácido sulfúrico 0,5 n fco x 1 lt Ácido sulfúrico 1,0 n fco x 1 lt Ácido sulfúrico 1,0 n fco x 4 lt Ácido sulfúrico 2.0 n fco x 1 lt Ácido sulfúrico 2.5 n fco x 1 lt

Ácido sulfúrico otras concentraciones fco x 1 lt

 Industrias Básicas de Caldas S.A.

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Estado: liquido

Aspecto: Ligeramente Turbio (menor de 120) Presentación: A granel

Descripción Unidad Valor

CONCENTRACIÓN % H2SO4 Mayor de 98

SELENIO ppm de Se Menor de 20

ANHÍDRIDO SULFUROSO ppm SO2 Menor de 30

CENIZAS % masa Menor de 0.02

HIERRO ppm Fe Menor de 50

PLOMO ppm de Pb Menor de 10

Tabla.5 Características de comercialización del ácido sulfúrico Industrias Básicas de Caldas S.A.

5.2 Azufre (insumo)

El azufre es una de las materias primas más importantes para la producción de ácido sulfúrico. Es insoluble en agua y soluble en solventes orgánicos. En la naturaleza se encuentra en las rocas como grumos, polvo granulado y polvo sublimado.

 Fuente

El azufre natural es escaso en el mundo. Su reemplazo, el azufre petroquímico, lo produce Colombia como parte de su refinación, y tras convertirlo a ácido sulfúrico, es utilizado por la industria química para el curtido y lavado de pieles, para la industria farmacéutica y varios procesos de minería. Los beneficios se extienden a otros sectores como el agrícola, en el que el azufre es importante como componente de abonos y fertilizantes.

Proveedores:

 MONOMEROS

Grupo de la corporación PEQUIVEN Petroquímica de Venezuela S.A

Apariencia:

Sólido amarillo granular

Especificaciones de venta:

Azufre (S) (1) 97 % mín.

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(1) Sobre la base de una humedad máxima de 0.5 %

Empaque:

Bultos de 50 kg

 EMICAUCA S.A.

Empresa indígena del Cauca Productores de azufre natural

Pureza:

99.9% como azufre elemental (S)

Presentación:

Sacos de polipropileno en tela laminada de 25 y 50 Kg. Terrones de tamaño aleatorio.

Granulometría: 250mm Composición

Azufre total 99.9% mínimo

Azufre soluble en CS2 99.9% mínimo

Acidez como H2SO4 0.002% minímo

Cenizas 0.050% máximo

Humedad 0.100% máximo

Materia Orgánica 0.007% máximo

Arsénico 0.500 partes por millón máximo

Selenio 250 partes por milloón máximo

Tabla.6 Composición de azufre pulverizado EMICAUCA S.A Precio: 1000 USD / Toneladas Métricas

 ECOPETROL

Descripción: El azufre comercializado por Ecopetrol es de origen petroquímico.

Se obtiene a través de la oxidación catalítica del sulfuro de hidrógeno (H2S)

proveniente de los gases que producen las plantas de ruptura catalítica o hidrotratamiento. El azufre conseguido por esta vía es de alta pureza.

Logística de venta:

Se despacha en forma a granel, en carrotanques.

Sitio de entrega:

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14 Especificaciones técnicas

Tabla.7 Composición de azufre petroquímico ECOPETROL Transporte

El transporte debe llevarse a cabo únicamente en vagones o camiones cerrados y limpios, debe almacenarse sin presión en depósitos de acero, plástico, aluminio y revestidos de hormigón y nunca en depósitos con contenido en cobre y/o cinc.

Cargue del azufre

Posicionamiento en sitio autorizado para el carguío de camiones, con motor totalmente detenido, enganchado, y con freno de estacionamiento.

El área deberá en lo posible ser delimitada con conos reflectantes.

Estacionar en lugar abierto. No estacionar en lugar cerrado, donde los gases se acumules causando peligro de explosión. Si no hay viento, se podría crear un ambiente de acumulación de gases alrededor del camión.

No cargar los camiones con lomos que generen el riesgo de derrames de azufre en la carretera.

No ubicarse bajo la carga suspendida del azufre.

Almacenamiento

El azufre debe almacenarse en un lugar seco ya que cuando está húmedo, el azufre reacciona formando un ácido sulfúrico muy débil desperdiciando la materia prima.

Se debe almacenar aislado ya que eventualmente puede dañar las bolsas y la mayoría de los otros artículos, use plataformas para evitar el contacto entre suelos húmedos.

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Para reducir las posibilidades de fuego y explosión, sólo deben usarse para almacenamiento lugares bien ventilados.

Las puertas de los depósitos deben ser de un material no combustible y del tipo que pueda desprenderse fácilmente con una explosión.

5.3 Óxido de hierro

Conocido como óxido férrico o trióxido de dihierro es uno de los óxidos de hierro,

cuya fórmula es Fe2O3. En este compuesto, el número de oxidación del hierro es

+3. Es usado como un catalizador para la producción de ácido sulfúrico en Colombia, éste está involucrado en el proceso durante la oxidación catalítica de dióxido de azufre hasta trióxido de azufre, se empaca en diferentes capas de lecho, donde se lleva a cabo la reacción de forma adiabática.

 Fuentes

Acerías Paz del Rio, S.A quien es la única empresa que extrae y procesa hierro en Colombia, ubicada en el municipio de Paz de Río, en el nororiente del departamento de Boyacá.

Los yacimientos de minas calizas que explota Acerías Paz del Rio, están situados

en las propias instalaciones de Belencito (municipio de Boyacá) o, cerca de 2 km, se trata de un yacimiento sedimentario marino del cretáceo inferior.

 Precio: Precio de estimación: 1.423.357,67 - 1.459.854,02 COP / Tonelada

 Presentaciones

El producto final obtenido se presenta en tres modalidades con igual composición mineralógica pero distinta granulometría. Su presentación al cliente se da en palets de 1.200 Kg envasados en sacos de 25 Kg. o "big-bags" de 1.200 Kg. En cualquiera de las dos formas el producto queda perfectamente aislado, termosellado, y plástico retráctil garantizando una perfecta estanqueidad.

 Transporte

Normalmente es transportado en un palet , definido como una plataforma horizontal, rígida, usado como base para agrupar , apilar, almacenar, manipular y transportar el producto de interés en bolsas retractiles; también se pueden usar bolsas de polipropileno de 25kg para la exportación.

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Debe almacenarse es recipientes bien cerrados, en un área fresca, bien ventilada y lejos de calor o temperaturas superiores a 60°C.

6. SEGMENTACIÓN DEL MERCADO

Segmentación geográfica:

La producción mundial anual de ácido sulfúrico es de aproximadamente 150 millones de toneladas. Esta producción proviene principalmente de dos grandes fuentes: el tostado de azufre (80%) y el tratamiento de gases producidos en fundiciones (20%), siendo Asia y Europa los mayores productores de esta sustancia química [1]

La anterior cifra refleja que este compuesto químico posee un gran significado comercial a tal punto que muchos lo han considerado como un indicador per cápita para medir el índice del desarrollo técnico de una nación. Estudios predicen que la producción de ácido sulfúrico también aumentará acerca de 285 millones de toneladas para 2020, con un consumo de 280 millones de toneladas lo cual ratifica que la creación de una empresa prestadora de este producto sería un magnifico negocio, sin embargo en el mercado nacional se observa con las proyecciones de demanda y oferta de este producto químico que aunque existe un alto grado de requerimiento para satisfacer las necesidades dentro del sector industrial químico, actualmente se presenta un mercado saturado que no justificaría la factibilidad de un negocio de ácido sulfúrico, pero existe la alternativa de introducir este mercado con el fin de reducir las importaciones.

Dentro de las industrias que se centraría la venta del ácido sulfúrico mediante la tecnología de doble contacto estaría:

 Fertilizantes Nitrogenados

 Refinerías de Petróleo

 Industria del Hierro y del Acero

 Procesamiento de minerales  Pinturas y Pigmentos  Explosivos  Pesticidas  Pulpa y Papel  Textiles  Tratamiento de Aguas  Productos Farmacéuticos

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17 7. MERCADO COMPETIDOR

A nivel nacional el mercado competidor del ácido sulfúrico cada día está en aumento según registros del Departamento Administrativo Nacional de Estadística (DANE).Dentro de las empresas directas en la producción y consumo interno de este compuesto químico sobresalen:

-Ecopetrol (Complejo industrial-Barrancabermeja): La producción de ácido

sulfúrico en esta empresa, se limita a la utilización de este para producir insumos de uso interno, y en el tratamiento de hidrocarburos. La planta de esta empresa, fue diseñada para producir 70 Toneladas métricas por día del 99%, pero en 1996, solamente se llevaba a cabo una producción de 40 toneladas métricas por día, suficiente para satisfacer las necesidades internas de la empresa.

-Monómeros colombo venezolanos (Barranquilla): Esta empresa produce principalmente caprolactama y fertilizantes, sin embargo el ácido sulfúrico es un producto intermedio en la producción de estos compuestos lo que lo cataloga dentro de los competidores del mercado local.

-Productos químicos panamericanos (Bogotá D.C) -Acerías paz del rio (Bogotá D.C)

-Industrias Básicas de Caldas (Manizales) -Química Básica Colombia S.A (Caloto, Cauca) 7.1 Puntos fuertes

-Alta calidad de producción.

-Cubrimiento de todos los segmentos y necesidades nacionales -Disponibilidad de equipos e instalaciones para su producción.

-Disposición de las materias primas dentro del proceso productivo de otro producto ofrecido al mercado

-Volúmenes de producción altos. 7.2 Puntos débiles

-Uso de la tecnología de contacto directo lo cual aumenta la emisión de gases

tóxicos para el ambiente.

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18 8. DESCRIPCIÓN GENERAL DEL PROCESO

El proceso de producción de ácido sulfúrico es obtenido a través de 4 etapas descritas de la siguiente manera:

8.1 ÁREA DE RECEPCIÓN Y ALMACENAMIENTO DE AZUFRE LÍQUIDO

El azufre liquido se almacenará en un tanque de aproximadamente 18 m3 con

capacidad de almacenamiento de dos días lo cual asegurará un volumen suficiente para que no haya escasez de esta sustancia e impida la producción efectiva de ácido sulfúrico.

8.2 ÁREA DE OXIDACIÓN DE AZUFRE

El azufre líquido dispuesto en el tanque de almacenamiento es trasladado con un sistema de bombeo al horno de combustión (revestido con ladrillos refractarios),

donde será quemado en presencia de oxígeno, formando SO2 .La corriente de aire

que se dispondrá para el proceso será ingresado al quemador mediante un soplador. Esta corriente tiene un tratamiento previo mediante una torre de secado la cual utiliza ácido sulfúrico al 98% con el fin de reducir el contenido de vapor de agua de la corriente de aire. Esta sub etapa logra que a través del proceso productivo no haya problemas de corrosión en conductos y torres pertenecientes al proceso y en el caso de la conversión catalítica la formación de una niebla de trióxido de azufre que puede ser fácilmente absorbida en las torres. Finalmente el

aire pre-secado contiene aproximadamente 21% de O2 y 79% de N2 [2]

A la salida del quemador el conjunto de gases tiene una composición de 10 % de dióxido de azufre, 11% de oxígeno y 79 % de nitrógeno los cuales forman los gases residuales. Es importante resaltar que es necesario utilizar un exceso de

oxígeno por encima del requerido para combinar con el S y el SO2 que se

convertirá en SO3 en la siguiente etapa. Fuera del 11 % de oxígeno necesario

para la combustión un 5 % será necesario para combinar con el dióxido de azufre y poder formar el trióxido de azufre dejando un exceso de 6 % [3]

Adicionalmente esta etapa comprende un aumento en la temperatura de la corriente de salida de los gases de combustión debido a que la naturaleza de la reacción es altamente exotérmica por lo que habitualmente se es necesario una recuperación de calor por medio de una caldera, para establecer las condiciones óptimas para la posterior oxidación catalítica.

Dentro de las condiciones de los convertidores catalíticos esta que la temperatura de los gases de entrada esté en un rango de 380- 400°C y la caldera de recuperación está diseñada para quitar el calor de los gases hasta que su temperatura se encuentra en este rango por lo cual hay una reducción de la temperatura de unos 400°C y por tal razón es la existencia de varias toneladas de vapor dentro de la quema de azufre que se deben utilizar.

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8.3 ÁREA DE CONVERSIÓN CATALÍTICA DE SO3

El gas caliente con un porcentaje de 11% de SO2, es impulsado a un convertidor

de oxidación catalítica, donde se encuentra el pentóxido de Vanadio (V205) que

juega papel de catalizador para la conversión de SO2 a SO3. Este está finamente

dividido sobre un soporte adecuado, con el fin de ofrecer una superficie eficaz máxima.

El SO2 pasa por cuatro fases sucesivas dentro del convertidor catalítico, a cada

salida de cada fase, el gas eleva su temperatura hasta 600° C, debido al comportamiento exotérmico y reversible de la reacción por lo que debe ser disminuida mediante un intercambiador de calor hasta unos 400° C antes de ingresar a la fase siguiente, para que la temperatura de la reacción en la fase siguiente del convertidor de oxidación catalítica no supere los 600° C ya que por

debajo de 400 ° C, el V2O5 es inactivo como catalizador, y por encima de 620 ° C,

se comienza a descomponerse.

Con relación a la conversión de SO2 a SO3 esta se incrementa en cada una de las

fases, para alcanzar, luego de la última etapa, una eficiencia de conversión acumulada de al menos 98%, lo que implica una alta eficiencia de producción de ácido sulfúrico, además de minimizar la cantidad de gas de desecho en forma de SO2.

8.4 ÁREA DE ABSORCIÓN DE SO3

Es considerada la última etapa de la producción de ácido sulfúrico, en ella el gas

saliente del convertidor catalítico formado en su totalidad por SO3 reacciona con

agua para finalmente producir ácido sulfúrico. Es preciso citar que la corriente saliente no se combina directamente con agua, sino que debe combinarse indirectamente mediante absorción en ácido sulfúrico al 98%.En estas condiciones

el SO3 se une fácilmente con el agua contenida en el ácido obteniendo una

solución denominada „oleum‟ o „ácido sulfúrico fumante‟ que se utiliza principalmente en los procesos de sulfonación. Finalmente cuando estas soluciones se mezclan con agua, el óxido se combina con esta, formando más ácido sulfúrico.

El ácido sulfúrico se mantiene a la concentración deseada por la adición de agua y su temperatura se controla en el intervalo deseado de 70 a 90 °C medido en la entrada de la torre de enfriamiento por el ácido recirculado. Una parte del ácido sulfúrico requerido va a la torre de secado por aire la cual se ha mencionado anteriormente, donde la humedad del aire de entrada suministra una parte del agua necesaria en la reacción.

Esta operación se lleva a cabo en torres de absorción donde se efectúa la

absorción del SO3 en dos etapas. La primera se encuentra a la salida de la tercera

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20

completado. En ella se elimina el SO3 y se vuelve a calentar hasta 400 °C

pasando a través del cuarto lecho del catalizador, de nuevo la corriente de salida se enfría y se envía a la segunda torre de absorción.

El ácido que alimenta la absorción intermedia y final de SO3 es mantenido en

recirculación mediante el bombeo de un tanque de ácido común. El nivel de estanque de bombeo es mantenido evacuando automáticamente el ácido producido mediante un sistema de bombeo hasta los tanques de almacenamiento del ácido sulfúrico que se dispone para la venta y comercialización.

A continuación en la fig.1 se esquematiza el proceso de doble contacto para la producción de ácido sulfúrico:

Fig. 1 Diagrama de Bloques del Proceso de doble contacto para la producción de ácido sulfúrico

FUENTE: Autores

9. DESCRIPCIÓN DETALLADA DEL PROCESO

Basados en el anterior diagrama general del proceso se plantea realizar la simulación del proceso de producción de ácido sulfúrico mediante la utilización del software ASPEN HYSYS. En la figura 2 se presenta el diagrama PFD donde se presenta una visión más detallada de las condiciones de operación tanto de los equipos como de las corrientes de entrada y salida que intervienen en el proceso productivo.

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Fig. 2 Diagrama PFD Proceso de doble contacto para la producción de ácido sulfúrico FUENTE: Autores

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 Almacenamiento de azufre liquido: La materia prima será adquirida directamente de la empresa Ecopetrol, la cual comercializa azufre liquido al 99,8% de pureza de origen petroquímico obtenida a través de la oxidación

catalítica del sulfuro de hidrógeno (H2S), el cual proviene de los gases que

producen las plantas de ruptura catalítica en el proceso de producción de petróleo y sus derivados. Este insumo se almacena en un tanque V-100 el cual debe ser operado a una temperatura de 140 °C y una presión de 101,325 Kpa para garantizar la estabilidad en materia de estado líquido de la materia prima. Para mantener la temperatura del tanque es necesario usar un sistema de calentamiento tal que permita la permanencia de la temperatura de proceso del tanque del almacenamiento.

El llenado de azufre se hace por medio de cisternas al tanque de almacenamiento que está equipado con una serie de serpentines de vapor, ubicados en el fondo y en las paredes del mismo. Dichos serpentines, tendrán la función de mantener la temperatura del azufre líquido en 150°C por medio de la circulación de vapor en su

interior, a una presión de 4 Kg./cm2 a través de ellos. El tanque está construido

con materia prima de excelente calidad presentando aislamiento térmico en toda su superficie, con recubrimiento epóxico interior para alta temperatura y evitar la corrosión.

El transporte del azufre líquido se hace por medio de tanques portátiles que tiene un sistema de calentamiento indirecto por sector con circulación de fluido térmico perfectamente distribuido, en su interior, proporcionando rápido y homogéneo calentamiento.

Fig.3 Zona de almacenamiento de azufre líquido

 Área de oxidación de azufre: La materia prima es bombeada mediante una bomba centrifuga P-100 al horno de combustión el cual por simplicidad se simula usando un reactor de conversión (CRV-100), el cual trabaja a una

temperatura de 1052 ° C. Para la oxidación del azufre será necesaria

una corriente de aire a temperatura 182 °C la cual aportara al medio la

sustancia comburente (O2).Esta corriente previamente es tratada en una

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23

cantidad máxima posible de agua y evitar problemas de corrosión en el trayecto del proceso productivo. Para este proceso es necesaria la utilización de una torre de absorción (TS) la cual opera bajo 1 atmosfera de presión y una temperatura que oscila entre 32,2 a 138,4 °C. Esta torre tendrá dos salidas: una de ellas es aire en su totalidad seco y la otra agua más ácido sulfúrico a una pureza menor a la inicial.

La corriente de aire seco es desplazada por medio de un compresor adiabático (K-100) hacia el horno. Este requiere una potencia de 91,275 Kw. Para que la reacción ocurra es necesario un combustible que será el mismo azufre a condiciones de T conocidas y una fuente de ignición.

Los gases salientes del horno presentan una temperatura de 1052 °C debido a la naturaleza exotérmica de la reacción, por lo cual es necesario la recuperación de este calor mediante una caldera, sin embargo la complejidad en su simulación nos obliga a modificar esta parte del proceso mediante la utilización de un intercambiador de calor (E-106) en el cual se cede la energía al fluido de enfriamiento en circulación y por ende la disminución de la temperatura de los gases. Este equipo de transferencia trabaja bajo 101,3 Kpa y conduce un fluido de enfriamiento que va desde 25 °C hasta 40 °C.

Fig.4 Zona de almacenamiento de azufre líquido

 Área de conversión catalítica: Los gases de combustión a una

temperatura de 432°C son llevados a un reactor catalítico de 4 etapas que por simplicidad se simula mediante un tren de reactores de conversión [RC-1, RC-2, RC-3 y CRV-101] los cuales en su corriente de salida son interconectados a una serie de intercambiadores de calor uno por cada reactor de conversión [E-100,E-101,E-102] los cuales son los responsables de acondicionar la temperatura óptima de las corrientes de salida de cada

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24

reactor para que se dé la reacción casi espontánea en presencia del catalizador pentóxido de vanadio. Dentro de estos reactores reaccionará el

SO2 con el O2 restante para obtener SO3.

Los reactores trabajan a una presión un poco mayor de 101,3 Kpa y una temperatura dentro del rango de 400°C-630°C.

Fig.5 Zona de reacción catalítica

 Área de absorción de SO3: A la salida del tercer reactor catalítico (RC-3)

la corriente de gases (SO2 ,SO3 ,O2 ,N2) se disponen hacia una primera torre

de absorción (TA) de S03 la cual opera a una presión de 107 Kpa y una

temperatura máxima de 141,7 °C. En esta se dispondrá de una corriente de ácido sulfúrico al 98% que en conjunto con agua diluirán parcialmente el trióxido de azufre formando óleum (T=141,7°C) o ácido pirosulfúrico a una pureza en ocasiones mayor al 100% debido a la presencia de moléculas

de SO3.Esta corriente finalmente se recirculara en parte a la torre de

secado (TS) inicial, para usar el producto como un insumo para la absorción de vapor de agua en el aire ,otra parte se llevará a un tanque de

almacenamiento V-101 (P:107,5 Kpa y T:141,7 °C) para su

comercialización y distribución y la restante se recirculará a la segunda torre de absorción. Cabe resaltar que el óleum es desplazado mediante una bomba P-101 sin embargo antes de su llegada a la torre de secado pasa por un separador TEE-100 el cual distribuirá la corriente hacia su destino final (torre de secado) y la parte restante como insumo para la operación de la segunda torre de absorción.

Por otro lado la otra corriente restante de la torre de absorción se dirige al último reactor de conversión CRV-101 donde finalizara la reacción de un 97 % de todo el

SO2 entrante al tren de reactores catalíticos, sin embargo antes de su entrada al

reactor es necesario acondicionar la corriente que presenta una temperatura de 34,08 °C para la óptima temperatura de reacción por lo cual es necesario el uso de un intercambiador de calor por donde pasa vapor de agua a 440°C la cual le cederá calor a la corriente por ende aumentara su temperatura a 223,51 °C .

Este último reactor opera a una temperatura de 273,8 °C y una presión de 105

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SO3 de nuevo es introducida a una última torre de absorción (CRV-102) que por

motivos de convergencia se hizo necesario simular mediante un reactor de

conversión (P: 104,8 Kpa), el cual presenta una conversión del 99% de S03 a

H2SO4.Este presenta dos salidas: gases residuales que no reaccionaron en el

proceso en bajas concentraciones y finalmente ácido sulfúrico al 98%.Esta torre al presentarse como un reactor es necesario controlar la temperatura de este utilizando una corriente de retiro de calor debido a la naturaleza exotérmica de la reacción en la torre.

La corriente de interés es la del ácido sulfúrico con una temperatura de 108,9°C.Esta es dirigida mediante una bomba P-102 a un mezclador MIX -100 en

él llega una corriente de agua pura para mantener la concentración de H2SO4 y la

corriente de salida procedente de la torre de secado (TS) para finalmente ser recirculada en su totalidad a la primera torre de absorción (TA).

Fig.6 Zona de absorción de S03

10. CONDICIONES DE OPERACIÓN DE FLUJOS DE MASA Y ENERGÍA DEL PROCESO

La simulación de la producción de ácido sulfúrico está compuesta por 46 corrientes pertenecientes a entrada, salida y reciclos de los insumos y productos en el sistema de producción y 22 equipos interconectados entre sí. Las diferentes corrientes se identifican con sus composiciones, condiciones de temperatura y presión, flujo másico en el ANEXO 1 EXCEL-Condiciones de operación de flujos de proceso.

A continuación se señalan las condiciones generales de las principales corrientes en el proceso de doble contacto para la obtención de ácido sulfúrico, sin embargo en detalle se citan en ANEXO 2-Flujo de materia y energía.

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AREA DE LA PLANTA Corriente Temperatura [°C] Presión [kPa] Fracción de vapor Flujo másico [kg/h]

H2O 0

S_Liq_150 1

H2SO4 0

ALMACENAMIENTO DE AZUFRE LÍQUIDO (S liq) 140 101,3 0 700 Nitrogeno 0

Oxigeno 0 SO3 0 SO2 0 H2O 0,028515 S_Liq_150 0 H2SO4 0 (Air) 32 101,3 1 7000 Nitrogeno 0,768148 Oxigeno 0,203338

AREA DE OXIDACIÓN DE AZUFRE SO3 0

SO2 0 H2O 0,023647 S_Liq_150 0 H2SO4 0,001371 (G-R1) 1052 134,4 1 7753 Nitrogeno 0,769226 Oxigeno 0,114468 SO3 0,001986 SO2 0,089302 H2O 0,023647 S_Liq_150 0 H2SO4 0,001371 (R1-F) 420 133,0 1 7753 Nitrogeno 0,769226 Oxigeno 0,114468 SO3 0,001986 SO2 0,089302

AREA DE CONVERSIÓN CATALÍTICA H2O 0,166361

S_Liq_150 0 H2SO4 0,000045 (GS-RC4) 274 105,0 1 7008 Nitrogeno 0,744517 Oxigeno 0,068251 SO3 0,019771 SO2 0,001055 H2O 0,234051 S_Liq_150 0 H2SO4 0,76575 (Al-T1) 96 202,6 0 18608 Nitrogeno 0,000133 Oxigeno 0,000055 SO3 0,000004 SO2 0,000006 H2O 0,011543 S_Liq_150 0

AREA DE ABSORCIÓN DE SO3 H2SO4 0,984154

45(H2s04 Fi) 142 107,5 0 19354 Nitrogeno 0,000251 Oxigeno 0,000043 SO3 0,003687 SO2 0,000322 H2O 0,011543 S_Liq_150 0 H2SO4 0,984154 (H2SO4 98%) 142 107,5 0 2096 Nitrogeno 0,000251 Oxigeno 0,000043 SO3 0,003687 SO2 0,000322 Fracción másica

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Tabla 8. Condiciones de las principales corrientes de flujo en la producción de ácido sulfúrico

CONDICIONES DE OPERACIÓN PARA LAS CORRIENTES DE ENERGÍA DEL PROCESO

Corriente Tipo de utilidad Flujo de energía [kj/h]

T1 Trabajo de la bomba 59,9

Traba Trabajo de la bomba 1.056

Tra1 Trabajo de la bomba 309,7

E-106 Agua de enfriamiento 5‟4‟55.000

E-100 Agua de enfriamiento 144.000

E-102 Agua de enfriamiento 1´895.000

E-103 Vapor de calentamiento 1‟024.000

enr Sistema de enfriamiento -1‟585.000

tr Suministro de electricidad 328.600

Tabla 10. Condiciones de las principales corrientes de flujo en la producción de ácido sulfúrico

11. MATRIZ DE CONDICIONES ESPECIALES DE PROCESOS

Dentro del proceso productivo, es necesario manejar algunos equipos en ciertas condiciones especiales, como presión y temperatura. En la tabla 11 se relacionan los equipos que operan en condiciones especiales, y posteriormente se presentan las justificaciones a cada dato marcado.

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28

Tabla.11 Condiciones especiales de proceso

JUSTIFICACIONES

-En el tanque de almacenamiento de azufre V-100 se es necesario operar a temperaturas elevadas debido a que el azufre líquido se solidifica a una temperatura de 115 °C luego entonces si se opera a una temperatura por encima de la establecida se asegura el estado líquido de la materia prima.

-El horno representado por un reactor de conversión CRV-100 requiere de temperaturas altas para el proceso eficiente de combustión del azufre líquido para

la producción de SO2.

-Los cuatro reactores catalíticos son trabajados dentro de un rango de temperaturas entre 400 °C y 600°C para que el catalizador pueda ser activado y lograr el avance de la reacción [6].

-La serie de bombas necesitan alta caída de presión para impulsar el ácido sulfúrico a la torre de secado y de absorción intermedia para su uso como absorbente.

12. HERRAMIENTA DE CÁLCULO Y MÉTODO DE DISEÑO USADO PARA CADA EQUIPO A lt a T B a ja T A lt a P B a ja P N o Es te q u io m é tr ic o R e la c ió n C o m p re s ió n ∆TLM A lta ∆ P A lt o ∆T Tanque V-100 x Tanque 2 V-101 Horno CRV-100 x Reactor Fase 1 RC-1 x Reactor Fase 2 RC-2 x Reactor Fase 3 RC-3 x Reactor Fase 4 RC-4 Intercambiador 1 E-106 Intercambiador 2 E-100 Intercambiador 3 E-101 Intercambiador 4 E-102 Intercambiador 5 E-106 Intercambiador 6 E-106 Torre de Secado TS Torre de Absorción 1 TA Torre de Absorción 2 CRV-102 Bomba 1 P-100 X Bomba 2 P-101 X Bomba 3 P-102 X Compresor K-100 Mezclador 1 MIX-100 Mezclador 2 MIX-101 Equipo Condiciones especiales

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Los métodos usados para la dimensionalización de los diferentes equipos que intervienen en el proceso productivo se consignan en la tabla 12, la cual se basa en cada una de las especificaciones de diseño Anexo 3 EXCEL-Dimensionamiento de equipos.

Tabla 12.Especificaciones de dimensionalización de equipos

Cabe resaltar que dentro del proceso de dimensionamiento se tiene en cuenta:

 El manejo de heurísticas que relacionan diámetro y altura para cada uno de

los tanques.

 El sobredimensionamiento de los tanques, se realiza multiplicando por

1.2-1.25 para evitar accidentes o problemas de capacidad.

 Todos los tanques de almacenamiento están dimensionados para tener una

carga durante dos días.

 Algunas especificaciones acerca de dimensiones de equipos son

resultantes de la simulación en HYSYS.

ESPECIFICACIONES GENERALES ACERCA DE DIMENSIONAMIENTO DE EQUIPOS

EQUIPO HERRAMIENTAS DE

DIMENSIONAMIENTO

Horno CRV-100 Basados en la especificaciones encontrados en el Handbook of Sulphuric Acid Manufacturing Douglas K. Louie acerca de algunos tamaños de hornos de combustión usados en

CONDICIONES DE OPERACIÓN DIMENSIONAMIENTO

EQUIPO HERRAMIENTAS DE CALCULO MÉTODO HERRAMIENTAS DE CALCULO MÉTODO

Tanque V-100 ASPEN HYSYS FLAT CYLINDER EXCEL HEURÍSTICA

Tanque 2 V-101 ASPEN HYSYS FLAT CYLINDER EXCEL HEURÍSTICA

Horno CRV-100 ASPEN HYSYS REACTOR CONVERSION EXCEL HYSYS-BIBLIOGRAFIA

Reactor Fase 1 RC-1 ASPEN HYSYS REACTOR CONVERSION EXCEL HYSYS-BIBLIOGRAFIA

Intercambiador 1 E-106 ASPEN HYSYS HEAT EXCHANGER HYSYS Shell&Tube Exchanger Design/Rating

Torre de Secado TS ASPEN HYSYS COLUMN REACTION HYSYS TRAY SIZING

Torre de Absorción 1 TA ASPEN HYSYS COLUMN REACTION HYSYS TRAY SIZING

Torre de Absorción 2 CRV-102 ASPEN HYSYS REACTOR CONVERSION HYSYS TRAY SIZING

Bomba 1 P-100 ASPEN HYSYS PUMP HYSYS Fichas de especificaciones

Compresor K-100 ASPEN HYSYS POLYTROPIC METHOD HYSYS Fichas de especificaciones

Mezclador 1 MIX-100 ASPEN HYSYS MIXER HYSYS NINGUNO

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30

la industria de ácido sulfúrico respecto a la cantidad de toneladas producidas por año del producto y la cantidad de toneladas usadas de materia prima se estima una equivalencia de las dimensiones del horno a utilizar en la planta basados en los flujos de entrada y de salida de insumo y producto principal.

Tanques de almacenamiento

(V-100,V-101)

Basados en el dato de flujo

volumétrico (m3/h) generado por

simulación en HYSYS, y suponiendo que la capacidad de almacenamiento de la planta es de dos días se estima el volumen necesario para esta clase de equipos. Cabe resaltar que el volumen final se estima con un sobredimensionamiento del 20% del volumen inicial para preservar la seguridad industrial.

Reactor catalítico(RC1-RC2-RC3-CRV-1)

Como parte de las simplificaciones de

simulación del proceso fue

indispensable acoger cuatro unidades reactivas que hacen el papel de un solo reactor catalítico que se usa actualmente en la industria, sin embargo para su dimensionamiento es preciso realizar un sumatoria de los volúmenes generados por HYSYS de cada reactor y suponer que el valor final es el volumen del reactor a diseñar.

Para efecto de dimensionamiento se es necesario investigar en la literatura (Manual de Operaciones "Planta de ácido", Indec Chile LDTA ) las dimensiones y condiciones de un reactor catalítico ya montado, del cual se especifica su volumen y flujo de entrada, y mediante una relación con nuestro flujo, es posible determinar un

volumen estimado para nuestro

reactor .

Intercambiadores de calor (E-101,E-102,E-103,E-104,E-100,E-106)

Para este tipo de equipo de

(31)

31

conocer su área de transferencia se provee un dimensionamiento cercano. El software Hysys –Aspen mediante la simulación del proceso arroja esos valores.

Torres de secado y torres de absorción (CRV-102,TS)

Tanto el valor de la altura y el valor del diámetro es generado por HYSYS-ASPEN, adicionalmente se especifica la cantidad de empaque que se es necesario.

Bombas y compresores Dentro de las especificaciones generadas por hysys se encuentran las potencias y el peso de los equipos, por lo tanto es considerable valor único para su dimensionamiento y costo.

A continuación se muestra un resumen de los valores de las dimensiones de los respectivos equipos que hacen parte de la producción de ácido sulfúrico:

Tabla.13 Especificación resumida de dimensionamiento de equipos. Fuente: Autores

Capacidad [m3] Material Posición Peso [Kg]

22,28 Acero Inoxidable 304 Vertical 1419,486503

Capacidad [m3] Material Peso empaque [Kg] Peso total [Kg]

7,8715 Acero Inoxidable 304 6304,4 7011,215171

Diametro de carga [m] Peso [Kg]

0,03175 22,22

TANQUE DE ALMACENAMIENTO Equipo V-100

V-101

Denominacion Tanque de acopio Ácido sulfuríco

DATOS GENERALES

TANQUE DE ALMACENAMIENTO Equipo

Denominacion Tanque de acopio de azufre liquido

DATOS GENERALES

TORRE DE SECADO Equipo TS

DATOS GENERALES

TORRE DE ABSORCION Equipo TA

Denominacion Torre de absorción preliminar

Denominacion Torre de secado del aire que va al quemador de azufre

DATOS GENERALES BOMBAS Equipo P-100 Acero inoxidable 316 Material DATOS GENERALES Denominacion DATOS GENERALES BOMBAS Equipo P-101 P-102 Denominacion Denominacion Acero inoxidable 316 Material BOMBAS Equipo DATOS GENERALES Material Acero inoxidable 316

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0,03175 22,22

TANQUE DE ALMACENAMIENTO Equipo V-100

V-101

Denominacion Tanque de acopio Ácido sulfuríco

DATOS GENERALES

TANQUE DE ALMACENAMIENTO Equipo

Denominacion Tanque de acopio de azufre liquido

DATOS GENERALES

TORRE DE SECADO Equipo TS

DATOS GENERALES

TORRE DE ABSORCION Equipo TA

Denominacion Torre de absorción preliminar

Denominacion Torre de secado del aire que va al quemador de azufre

DATOS GENERALES BOMBAS Equipo P-100 Acero inoxidable 316 Material DATOS GENERALES Denominacion DATOS GENERALES BOMBAS Equipo P-101 P-102 Denominacion Denominacion Acero inoxidable 316 Material BOMBAS Equipo DATOS GENERALES Material Acero inoxidable 316 PESO [Kg] 5011,9 COMPRESOR Equipo K-100 Denominacion DATOS GENERALES MATERIAL Acero al carbon 133,13 Potencia(hp)

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33

OBSERVACIONES

-FORMA DE CATALIZADOR: Se utilizará catalizadores acanalados en forma de

estrella los cuales incrementan el área superficial y exponen mayor cantidad de estructura porosa, permitiendo una difusión más sencilla y rápida de reactivos y productos [4]

-TORRE DE SECADO: Torres de relleno de forma cilíndrica vertical, con carcaza de acero inoxidable y un revestimiento de ladrillo antiácido. Contará con un relleno de monturas cerámicas intalox de 3/4 y 3/8 soportadas en un parilla de bloques puesto que son las recomendadas en la manufactura de ácido sulfúrico.

3,368814557 Acero al carbon Horizontal 390,1830067

REACTOR CATALITICO Equipo RC1+RC2+RC3+CRV-101

DATOS GENERALES

QUEMADOR DE AZUFRE Equipo CRV-100

DATOS GENERALES

Capacidad [m3] Diametro [m] Material Peso empaque [Kg] Peso total [Kg]

7,8715 1,829 Acero Inoxidable 304 6304,4 7011,215171

TORRE DE ABSORCION Equipo CRV-102

Denominacion Torre de absorción final

DATOS GENERALES

Tipo de intercambiador (carcaza-tubo) Gas-liquido Gas-liquido Gas-Gas Gas-liquido

Nombre E-101 E-102 E-103 E-104

Carga termica [Kj/h] 152562,76 1895335,22 1024143,21 891573,25

Area efectiva de transferencia [m2] 38,31 32,64 326,50 44,18

Temperatura de salida tubo [°C] 40,00 40,00 152,35 99,99

Temperatura de entrada tubo [°C] 25,00 25,00 440,00 25,00

Temperatura de entrada carcaza [°C] 450,32 434,35 94,08 273,85

Temperatura de salida carcaza [°C] 432,00 200,00 223,51 162,78

Presión de salida tubo [Kpa] 101,30 101,30 506,62 101,30

Presión de entrada tubo [Kpa] 101,30 101,30 506,62 101,30

Presión de entrada carcaza [Kpa] 132,80 131,80 107,00 105,00

Presión de salida carcaza [Kpa] 131,80 131,00 106,33 104,80

Número de pasos por el tubo 1 1 2 1

Número de pasos por la carcaza 2 2 2 2

Peso equipo [Kg] 1110,167766 945,8594595 9461,492448 1280,271781

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34

-SISTEMA DE BOMBEO: Se usarán bombas centrifugas verticales sumergidas,

con una carcasa de acero al carbón.

-TORRES DE ABSORCIÓN Y SECADO: Su configuración estará dispuesta en

forma vertical, construida su carcasa en acero inoxidable 304. Tendrá un revestimiento de ladrillo antiácido, además un relleno de monturas cerámicas intalox ¾ y 3/8 soportado en un bloque de parilla antiácido.

-REACTOR CATALÍTICO: Se usará un cilindro vertical construido de acero inoxidable con aislación en fibra mineral y con cobertura de aluminio. El catalizador está repartido en 4 etapas separadas por platos con el catalizador soportado por una parrilla con tamiz. El catalizador estará dispuesto en pellets de la serie XLP que se caracterizan por una baja caída de presión y un rendimiento de conversión más alto en todas las camas del convertidor.

El catalizador estará soportado en aluminosilicatos ricos en portadores SiO2 tal

como el Kieselguhr (tierras de diatomeas), y con promotor de potasio y conector

de K2 SiO3. Tanto el pentóxido de vanadio como el pirosulfato de potasio son islas

fundidas en la matriz de sílice. Aproximadamente tendrá una vida útil extremadamente larga y podrá ser utilizado por un tiempo de 10 años antes que se desintegre a polvo. [5]

-MEZCLADORES: En cuanto este tipo de accesorios se usarán mezcladores de flujos los cuales con solo introducir los materiales por medio de una bomba se produce la mezcla por interferencia de sus flujos corrientes. Cabe resaltar que se omite el dimensionamiento de estos equipos ya que hace parte de la línea de tubería debido a que en naturaleza no se trataría de un equipo sino un acople de la tubería.

13. ESTRATEGIA DE DISEÑO

Durante la simulación de la producción de ácido sulfúrico se utiliza inicialmente el paquete recomendado por Honeywell, ASPENTech para productos químicos (Modelos de actividad, PRSV) sin embargo no hubo convergencia lo cual obligo a utilizar el paquete termodinámico NRTL-ideal (Modelo Non Random Two) debido a dos razones: el modelo es aplicable a sistemas parcialmente miscibles, en la cual se asume que un líquido tiene una estructura hecha de celdas de moléculas de dos tipos, en una mezcla binaria cada molécula se considera que está rodeada por moléculas de ambo tipos, en proporción determinadas por la energía de interacción de Gibbs [6], y la segunda razón reside en la convergencia de todos

(35)

35

los equipos a este modelo permitiendo la no generación de errores dentro de la corrida de la simulación.

La estrategia utilizada para realizar el diseño, consiste básicamente en la búsqueda de información bibliográfica (tesis de grado, artículos en base de datos) y patentes consultadas. Estas nos permiten tener un amplio conocimiento de la actual metodología para la manufactura del ácido sulfúrico para facilitar la posterior utilización de la interfaz del software Aspen Hysys. Se realiza la simulación bajo las siguientes consideraciones:

 Los flujos iniciales se hallaron mediante balances sencillos sobre las

ecuaciones estequiometricas que describen el proceso. Se toma como base para el cálculo la capacidad instalada generada mediante la proyección de los históricos demandados del ácido sulfúrico.

 El proceso de combustión de azufre se simula mediante la utilización de un

reactor de conversión suponiendo que la conversión es del 100% por lo tanto hay combustión completa.

 Para la simulación de torre de secado y la primera torre de absorción fue

necesario usar torres empacadas con empaque intalox y reacción química para la convergencia del proceso.

 La cinética de la reacción en el área de oxidación catalítica no se tuvo en

cuenta ya que no se simula el comportamiento del catalizador pentóxido de vanadio.

 Los equipos usados en la producción de ácido sulfúrico usan el paquete

termodinámico BASIS-1.

 Se utiliza tres reciclos durante la simulación debido a que existen algunos

insumos para la operación de algunos equipos (exactamente torres de secado y empacadas) que hacen parte de las corrientes de producción en las últimas etapas del proceso.

 La última etapa de absorción de S03 por efectos de no convergencia se

simula mediante un reactor de conversión al 98%.

 La capacidad instalada en el proceso de simulación no es la misma debido

a la complejidad del proceso y al uso de reciclos los cuales se ajustaron por prueba y error, sin embargo su proximidad al dato real está en un porcentaje de 94,4%.

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OBSERVACIÓN: El proceso se diseña en el simulador colocando cada equipo y

verificando que converja, luego se añade el siguiente equipo y se realiza la misma acción. Seguidamente se introdujeron los reciclos lo que ocasiono que algunos equipos no convergieran, como la torre de absorción. Se realiza nuevamente el método corto para la torre y de nuevo el riguroso.

14. LOCALIZACIÓN DE LA PLANTA

La ubicación de la planta es una decisión estratégica que tendrá una influencia vital para las operaciones de la planta contribuyendo en mayor medida a que se logre la mayor tasa de rentabilidad sobre el capital invertido. En Colombia existen ciudades que son buenos prospectos para realizar proyectos de grandes magnitudes como lo es la construcción de una planta industrial de ácido sulfúrico debido a su diversidad de uso en la industria química y petrolera. Para el caso de este producto químico es necesario tener en cuenta la cercanía del suministro de azufre con una buena facilidad de transporte para el mercado y un área aceptable para el desecho del afluente de gases.

Para escoger la ciudad que brinde las mejores condiciones para su ejecución fue necesario utilizar un método que ponderará los distintos agentes (geográficos, institucionales, sociales y económicos) encontrando así la mejor opción. A continuación se detalla el proceso de escogencia:

Método cualitativo por puntos

 Determinar las posibles ciudades donde estaría ubicada la planta: Una

de las primeras limitantes de la localización de la planta es la disponibilidad de la materia prima. Es necesario que el sitio escogido sea una ciudad cercana al proveedor para minimizar los costos de transporte.

Ecopetrol S.A en Barrancabermeja suministra el azufre líquido, Bioquigen LTDA en Bogotá proporciona el ácido sulfúrico necesario para el inicio de la absorción y Monsanto Enviro-Chem Systems de Estados Unidos California provee el catalizador. Teniendo en cuenta lo anterior se escoge como prospectos de ciudades a Barrancabermeja porque ser el lugar base donde se consigue la materia prima, Cartagena por poseer puerto marítimo lo que facilitaría la importación del catalizador y el mayor acceso a posibles exportaciones, además de localizarse como lugar de encuentro de la refinería de Ecopetrol la cual también podría suministrar el azufre líquido; finalmente es probable la localización en la ciudad de Cali debido a la cercanía con el puerto de San Buenaventura y su proyección mediana en el consumo de fertilizantes(siendo este mercado el mayor comprador de ácido sulfúrico).

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 Identificación de los factores más relevantes: Los aspectos que se

escogieron para la localización de la planta fueron:

 Facilidad de transporte

 Disponibilidad de materias primas

 Disponibilidad de servicios

 Disponibilidad de mano de obra

 Infraestructura industrial

 Cercanía de los centros de consumo

 Asignación de pesos a cada uno de los factores de acuerdo a su

importancia relativa (la suma de los pesos porcentuales debe ser igual al 100%): Los pesos fueron asignados de manera cuantitativa

basados en los posibles costos que conllevaría su mala escogencia.

FACTOR PESO 1 Facilidad de transporte 0.3 2 Disponibilidad de materias primas 0.3 3 Disponibilidad de servicios 0.1 4 Disponibilidad de mano de obra 0.1 5 Infraestructura industrial 0.05

6 Cercanía a los centros de

consumo

0.15

Tabla.14 Método de ponderación para localización de la planta. Fuente: Autores

Cabe resaltar que la situación de orden público del país es de suma importancia al decidir la localización de la planta ya que cualquier amenaza o bloqueo en las carreteras por protestas podrían atrasar las entregas de los productos así mismo como la llegada de los insumos, por ésta razón la facilidad de transporte es un factor determinante para la decisión final.

Por otro lado la disponibilidad de materias primas es fundamental para el inicio de las funciones en la planta, por tal motivo su peso es muy relevante. La disponibilidad de servicios, la disponibilidad de mano de obra, la infraestructura industrial y la cercanía a los centros de consumo tiene menor ponderación porque en las tres ciudades el comportamiento no es constante, sino que está sujeta a variaciones tales como vivienda, transporte, comunicaciones, salud y alimentos.