analisis del desempeño de los electrolizadores de la planta cloro soda
DESCRIPTION
El propósito de ésta investigación fue analizar del desempeño de los electrolizadores MGC-30 del proceso de producción de Cloro de la Planta Cloro Soda del Complejo Petroquímico Ana María Campos. La sala de celdas de la planta Cloro Soda está conformada por dos circuitos independientes con 36 electrolizadores MGC-30 cada uno, los cuales operan según diseño a una intensidad de corriente de 180 kA y 136 V y en la actualidad planta se encuentra operando por debajo del diseño a una corriente de 130KA. La investigación es de tipo descriptiva, analítica, considerando que el diseño es documental, de campo y experimental. La población es el área de celdas electrolíticas donde se tomó como muestra los electrolizadores MGC-30. Para la recolección de los datos se realizó a través de la observación directa y la revisión bibliográfica y documental. Estos datos por medio de un procedimiento de cálculos, permitieron en conclusión, alcanzar el objetivo propuesto, obteniendo resultados en la cual, la mayoría de las membranas instaladas en ambos circuitos son del tipo Nafion N982TX y N2030TX. Así mismo se obtuvieron reportes de eficiencia de corriente promedio calculada para el circuito I fue de 94% y para el circuito II de 97%, a su vez, la generación de clorato de sodio (NaClO3) se reportó en el circuito I en su mayoría por encima del rango máximo permisible (2,0 g/L) y en el circuito II por debajo de 2,0 g/L. En las recomendaciones se tiene cumplir con los reemplazos de los 17 electrolizadores con más de 4 años en servicio, asimismo cumplir los ensamblados nuevos por año (24 ensamblados nuevos) para evitar tener ensamblados con más de 5 años en servicio en los circuitos, así como también proveer de materiales (estocásticos, membranas y electrodos) para el armado de nuevos electrolizadores.TRANSCRIPT
1
REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA EDUCACIÓN UNIVERSITARIA
UNIVERSIDAD BOLIVARIANA DE VENEZUELA
CENTRO DE ESTUDIOS EN CIENCIAS DE LA ENERGÍA
PROGRAMA DE FORMACIÓN DE GRADO EN GAS
SEDE ZULIA
ANALISIS DEL DESEMPEÑO DE LOS ELECTROLIZADORES DEL PROCESO DE PRODUCCIÓN DE CLORO DE LA PLANTA CLORO SODA DEL COMPLEJO PETROQUIMICO ANA MARIA
CAMPOS
Trabajo Especial de Grado presentado ante la
Universidad Bolivariana de Venezuela para optar al título de:
INGENIERO EN REFINACION Y PETROQUIMICA
Realizado por:
Palencia David
Albornoz Dianibeth
Tutor Académico: Ing. Yulaima Bonias Tutor Industrial: Ing. Zenda García
Maracaibo, Mayo 2015
2
ANALISIS DEL DESEMPEÑO DE LOS ELECTROLIZADORES DEL PROCESO DE PRODUCCIÓN DE CLORO DE LA PLANTA CLORO SODA DEL COMPLEJO PETROQUIMICO ANA MARIA
CAMPOS
____________________________ ____________________________ Autor (es) Autor (es) Palencia David Albornoz Dianibeth Cédula de Identidad V- 15.525.538 Cédula de Identidad V- 18.064.989
TSU en Petroquímica TSU en Petroquímica Correo: adrianzapalencia @gmail.com Correo: [email protected] Teléfono: 0426-4694343 Teléfono: 0416-9631299
________________________ ________________________ Tutor Académico Tutor Industrial Ing. Yulaima Bonias Ing. Zenda García C.I. V-11.069.894 C.I. V- 15.531.334
3
APROBACIÓN
Este jurado aprueba el Trabajo Especial de Grado titulado ANALISIS DEL
DESEMPEÑO DE LOS ELECTROLIZADORES DEL PROCESO DE
PRODUCCIÓN DE CLORO DE LA PLANTA CLORO SODA DEL COMPLEJO
PETROQUIMICO ANA MARIA CAMPOS, que Palencia David, Albornoz
Dianibeth portador (es) de la cédula de identidad V-15.525.538, V-18.064.989,
presentan ante el Programa de Formación de Grado en Refinación y Petroquímica
de la Universidad Bolivariana de Venezuela en cumplimiento con las Normas
Transitorias para la presentación y evaluación del mismo, como requisito para
optar al Título de:
INGENIERO EN REFINACION Y PETROQUIMICA
________________________ Jurado Calificador
Ing. Yulaima Bonias V- 11.069.894
Tutor Académico
______________________ __________________ Jurado Calificador Jurado Calificador
Ing. Adalana Rosales Ing. XXXXXXXXXXX V- XXXXXXXX V- XXXXXXXXXX
____________________________________________________ Coordinador Regional de los PFG en Hidrocarburos
Ing. Jorge Moronta V-12.257.473
Maracaibo, Mayo 2015.
4
Palencia David, Albornoz Dianibeth. ANALISIS DEL DESEMPEÑO DE LOS ELECTROLIZADORES DEL PROCESO DE PRODUCCIÓN DE CLORO DE LA PLANTA CLORO SODA DEL COMPLEJO PETROQUIMICO ANA MARIA CAMPOS. (2015).Trabajo Especial de Grado. Universidad Bolivariana de Venezuela, Programa de Formación de Grado en Refinación y Petroquímica. Maracaibo, Venezuela. 97 páginas. Tutor Académico Ing. Yulaima Bonias; Tutor Industrial Ing. Zenda García.
RESUMEN
El propósito de ésta investigación fue analizar del desempeño de los electrolizadores MGC-30 del proceso de producción de Cloro de la Planta Cloro Soda del Complejo Petroquímico Ana María Campos. La sala de celdas de la planta Cloro Soda está conformada por dos circuitos independientes con 36 electrolizadores MGC-30 cada uno, los cuales operan según diseño a una intensidad de corriente de 180 kA y 136 V y en la actualidad planta se encuentra operando por debajo del diseño a una corriente de 130KA. La investigación es de tipo descriptiva, analítica, considerando que el diseño es documental, de campo y experimental. La población es el área de celdas electrolíticas donde se tomó como muestra los electrolizadores MGC-30. Para la recolección de los datos se realizó a través de la observación directa y la revisión bibliográfica y documental. Estos datos por medio de un procedimiento de cálculos, permitieron en conclusión, alcanzar el objetivo propuesto, obteniendo resultados en la cual, la mayoría de las membranas instaladas en ambos circuitos son del tipo Nafion N982TX y N2030TX. Así mismo se obtuvieron reportes de eficiencia de corriente promedio calculada para el circuito I fue de 94% y para el circuito II de 97%, a su vez, la generación de clorato de sodio (NaClO3) se reportó en el circuito I en su mayoría por encima del rango máximo permisible (2,0 g/L) y en el circuito II por debajo de 2,0 g/L. En las recomendaciones se tiene cumplir con los reemplazos de los 17 electrolizadores con más de 4 años en servicio, asimismo cumplir los ensamblados nuevos por año (24 ensamblados nuevos) para evitar tener ensamblados con más de 5 años en servicio en los circuitos, así como también proveer de materiales (estocásticos, membranas y electrodos) para el armado de nuevos electrolizadores. Palabras clave: Área de Celdas, Electrolizadores, Membranas, Eficiencia de corriente, Producción de Cloro.
Correo electrónico: [email protected], [email protected]
5
David Palencia, Albornoz Dianibeth. PERFORMANCE ANALYSIS electrolyzers PRODUCTION PROCESS CHLORINE CHLORINE SODA PLANT OF PETROCHEMICAL COMPLEX ANA MARIA CAMPOS. (2015) Grade Special .work. Bolivarian University of Venezuela, Undergraduate Training Programme in Refining and Petrochemicals. Maracaibo, Venezuela. 97 pages. Yulaima Bonias Academic Tutor Ing.; Industrial Tutor Ing. Zenda Garcia.
ASBTRACT The purpose of this study was to evaluate the performance of the MGC-30 electrolyzers for improving the production process Chlorine Chlor-Alkali Plant of the Ana Maria Campos Petrochemical Complex. The living cells in the Chlor-Alkali plant consists of two independent circuits with 36 electrolysers MGC-30 each, which operate as designed at a current of 180 kA and 136 V and currently plant is operating below Design a current 130KA. The research is descriptive, analytical and experimental, considering that design is documentary and field. The population is the area of electrolytic cells was sampled where the MGC-30 electrolyzers. For data collection was carried out through direct observation and literature and document review. These data through a calculation procedure, allowed in conclusion, achieve the objective, obtaining results in which most of the membranes installed in both circuits are of the type Nafion N982TX and N2030TX. Also reports efficiency average current calculated for the circuit are obtained I was 94% and for the circuit II of 97%, in turn, the generation of sodium chlorate (NaClO 3) was reported in circuit I mostly above the maximum allowable range (2.0 g / L) and circuit II below 2.0 g / L. The recommendations must meet the replacement of the 17 electrolysers with more than 4 years in service, also meet the new assemblies per year (24 assembled new) to avoid having assembled with more than 5 years of service in the circuit, and also provide materials (stochastic, membranes and electrodes) for the assembly of new electrolysers. Keywords: cell range, Electrolysers, membranes, Power Efficiency, chlorine production. Email: [email protected], [email protected]
6
DEDICATORIA
Antes todo le damos gracias a DIOS por permitirme la culminación de este trabajo especial de grado, por haberme dado la sabiduría y fortaleza cada día para su realización. A mi esposa que siempre fue motivación de esta meta y ejemplo para este logro. A mis padres que construyeron con esta lucha. A mi suegra que con sus apoyos y consejos me motivaba a seguir adelante. A mis hijas, DIOS permita que la realización de esta meta les sirva de ejemplo en un mañana. A mis compañeros de estudios que con muchos sacrificios y tropiezos en el camino logramos alcanzar el objetivo. Y en especial a mi comandante “HUGO RAFAEL CHAVEZ FRIAS” que gracias a él tuve la oportunidad de lograr mi meta de ser un ingeniero de la REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA.
DAVID PALENCIA
7
DEDICATORIA
A nuestro DIOS y padre celestial por haberme bendecido dándome todas las
fuerzas y oportunidades que he recibido en mi vida.
A mi hermosa madre que con su apoyo incondicional.
A mi cuñado por siempre apoyarme en las buenas y malas.
A nuestro presidente eterno “HUGO CHAVEZ’’ ya que sin su apoyo jamás se
hiera hecho posible este logro.
DIANIBETH ALBORNOZ
8
AGRADECIMIENTO
Le agradecemos a DIOS el creador de los cielos y la tierra por habernos
escuchado en todo momento para la realización de este Trabajo Especial de
Grado.
A la empresa PEQUIVEN en especial al equipo de la planta cloro soda por
brindarme la oportunidad de realizar nuestra Trabajo Especial de Grado.
A nuestro tutor Industrial, Ing. Zenda García por habernos apoyados
incondicionalmente.
A nuestro tutor Académico, Ing. Yulaima Bonias por creer en nosotros y ser
nuestro mayor apoyo.
A nuestra amiga Ing. Gleidy Bravo por brindarnos su apoyo en los
momentos que la necesitamos.
A nuestra Universidad por abrirnos las puertas de su casa y darnos la
oportunidad de realizar nuestro estudios de educación superior en tan prestigiosa
escuela.
9
ÍNDICE GENERAL
Página
RESUMEN..................................................................................................... 4
ABSTRACT................................................................................................... 5
DEDICATORIA.............................................................................................. 7
AGRADECIMIENTOS................................................................................... 8
INDICE GENERAL........................................................................................ 9
INDICE DE TABLAS..................................................................................... 12
INDICE DE FIGURAS.................................................................................... 13
INTRODUCCIÓN……………………………………………………….......……. 14
1. CAPÍTULO I. PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN…………………....…… 17
1.1 Identificación y Descripción de la Situación Problema…………………… 17
1.2 Objetivos de la Investigación……………………………………………….. 21
1.2.1 General…………………………………………………………………... 21
1.2.2 Específicos………………………………………………………………. 22
1.3 Justificación de la Investigación……………………………………………. 22
1.4 Proyección de la Investigación………………..……………………………. 25
1.5 Delimitación de la Investigación………………………………………......... 26
2. CAPÍTULO II. FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA……………………..…...... 27
2.1 Antecedentes de la Investigación…………………………………………... 27
2.2 Referentes Teóricos………………………………………………….……… 31
2.2.1 Cloro…………………………………………………………………. 31
2.2.2 Hidróxido de Sodio………………………………………………….. 32
2.2.3 Hidrogeno……………………………………………………………. 32
2.2.4 Descripción del Proceso de Planta Cloro Soda…………………. 33
2.2.4.1 Área de Salmuera……………………………………..… 35
2.2.4.2 Área de Electrolizadores…..……………………………... 35
10
2.2.4.3 Características de la Membrana.……………………... 38
2.2.4.4 Condiciones de Operación de los
electrolizadores…………………………………………. 39
a.- Temperatura de la celda………………………………… 40
b.- Concentración de la Soda Caustica producto………… 40
c.- PH del anolito…………………………………………….. 41
d.- Calidad de la salmuera de alimentación………………. 42
e.- Concentración de cloruro de sodio en el anolito……... 44
f.- Diferencia de presión entre los colectores de
cloro/hidrogeno fuera de especificación………… …… 45
g.- Densidad de corriente…………………………………… 46
2.2.4.5 MGC-30 Electrolizadores – Fabricante Oxitech
Systems…………………………………………………… 47
2.2.4.6 Interruptor puentes Jumper Swicht…………………….. 49
2.3 Definición de Términos Básicos…………………………….……........... 51
2.4 Definición de Variables………………………………………….………… 56
2.5 Sistematización de las Variables………………………………….……... 57
3. CAPÍTULO III. MARCO METODOLÓGICO………………………………... 58
3.1 Referentes Metodológicos…………………………………………………... 58
3.1.1 Diseño de la Investigación………………….……….………………… 58
3.1.2 Tipo de Investigación……………….…….………….……………….. 58
3.1.3 Nivel y Modalidad de Investigación…………………………………. 60
3.1.4 Población y Muestra/ Área de Investigación……………………….. 61
3.1.5 Técnica e Instrumentos para la Recolección de Datos……………. 63
3.2 Operacionalización de las Variables de la investigación………………… 65
3.3 Procedimientos……………………………………………………….………. 68
3.4 Cronograma de Actividades………………………………………………… 69
11
4. CAPÍTULO IV. PRESENTACIÓN Y ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS 70
4.1 Diagnosticar la situación actual del sistema de los electrolizadores
del área de celdas de la Planta Cloro Soda…………………………. 70
4.2 Analizar los tipos de membranas que utilizan los electrolizadores
del área de celdas de la Planta Cloro Soda.…................................. 73
4.3 Medir la eficiencia de corriente en los electrolizadores del área de
celda de la Planta Cloro Soda.…………..……………………………. 75
4.4 Estimar la frecuencia de falla de los electrolizadores del área de
celdas de la Planta Cloro Soda………………………………………... 81
CONCLUSIÓNES.......................................................................................... 91
RECOMENDACIONES.................................................................................. 93
REFERENTES BIBLIOGRÁFICOS............................................................... 95
ANEXOS........................................................................................................ 98
12
INDICE DE TABLAS
Tabla Pagina
1 Propiedades de los productos de la electrolisis de la
salmuera………………………………………………………………….. 31
2 Sistematización de las variables………………..……………………… 78
3 Operacionalizacion de las variables…………………………………… 67
4 Distribución de los ensamblados, tipos de membranas y tiempo de
servicio de los electrolizadores del circuito I………………………….. 73
5 Distribución de los ensamblados, tipos de membranas y tiempo de
servicio de los electrolizadores del circuito II……………………….. 74
6 Datos promedio por tipo de membrana para los electrolizadores
del circuito I………………………………………………………………. 78
7 Datos promedio por tipo de membrana para los electrolizadores
del circuito II……………………………………………………………… 79
8 Duración de ensamblados reparados reiteradamente en el periodo
enero- marzo del 2015………………………………………………….. 83
9 Contenido de Soda Caustica en el anolito de los ensamblados
reparados reiteradamente en el periodo enero- marzo del
2015………………………………………………………………………. 85
13
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura Página
1. Ubicación geográfica de la Planta Cloro Soda……………………………..….. 26
2. Diagrama de Proceso de la Planta Cloro Soda………………………………... 34
3. Diagrama general del área de electrolizadores………………………………... 36
4. Esquema interno de un electrolizador………………………………………….. 37
5. Reacciones producidas en el proceso electrolítico………………………………………………….………………………
38
6. Electrolizador MGC-30: Oxitech. Systems……………………………………... 48
7. Jumper Swicht…………………………………………………………………….. 50
8. Distribución de membranas circuito I…………………………………………… 71
9. Distribución de membranas circuito II………………………………………….. 71
10. Eficiencia de corriente de los electrolizadores del circuito I.……...………….. 76
11. Eficiencia de corriente de los electrolizadores del circuito II……...………….. 77
12. Relacion entre el tiempo de sevicio y la eficiencia de corriente según el tipo
de membrana para el circuito I…………………………………………………... 80
13. Relacion entre el tiempo de sevicio y la eficiencia de corriente según el tipo
de membrana para el circuito II……...………………………………………….. 80
14. Distribución de la frecuencia de falla de las membranas enero- marzo
2015………………………………………………………………………………… 81
15 Frecuencia de falla de los electrolizadores en enero-marzo
2015…………………………………………………………………………………
82
16 Comportamiento de la presión en el colector del circuito II durante el
periodo enero – marzo 2015……………………………………………………..
85
17 Comportamiento de la presión en el colector del circuito I durante el
periodo enero – marzo 2015……………………………………………………..
86
18 Variación de carga en el circuito I……………………………………………….. 87
19 Variación de carga en el circuito II……………………………………............... 88
14
INTRODUCCIÓN
El presente estudio se desarrolla en la planta de Cloro Soda del Complejo
Petroquímico Ana María Campos, Pequiven, ubicada en la costa nor-oriental del
Lago de Maracaibo, Estado Zulia, cuyos principales productos son: cloro (Cl2),
soda cáustica (NaOH) e Hidrógeno (H2). El cloro es empleado como purificador y
desinfectante del agua; ya sea en piscinas, embalses o plantas de tratamiento. La
soda se utiliza principalmente en la industria de los insecticidas, detergentes,
solventes para limpieza de tuberías, pulpa de papel, removedores de pintura y en
la refinación del petróleo. El hidrógeno por su parte, se utiliza en la producción de
ácido clorhídrico dentro de la misma planta. Es importante mencionar que la
planta Cloro Soda es la única existente a nivel nacional, por lo que de aquí se
deriva su importancia estratégica.
Esta planta cuenta con un área compuesta por dos circuitos de
electrolizadores de operación independiente. Cada circuito está conformado por
treinta y seis (36) electrolizadores para un total de setenta y dos (72), El circuito I
consiste de los Electrolizadores E2-EL201 a E2-EL236, el Circuito II de los
Electrolizadores E2-EL237 a E2-EL272, dentro de cada circuito, hay dos filas de
18 Electrolizadores que se conectan a los procesos en paralelo.
Así mismo, los electrolizadores son un equipo formado por un conjunto de
celdas electrolíticas en una unidad de producción simple, las cuales a su vez están
constituidas por un Ánodo, un Cátodo y una membrana especial, la cual separa la
cámara de Ánodo de la cámara del Cátodo, ya que a través de ella se da la
separación de la molécula de cloruro de sodio Na: Cl), y con esto producir cloro,
hidrógeno y soda cáustica. Cada circuito tiene un rango de corriente eléctrica de
operación de 90 a 180 KA, con un rango de Voltaje de D.C. correspondiente de
alrededor 115-136 V.
15
Actualmente el área de celdas consta en su mayoría con electrolizadores con
más de 4 años en servicio, asimismo, produce una posible disminución en el
desempeño de los electrolizadores el cual afecta la producción de cloro de planta
debido a estar limitada por no subir carga mayor a 130KA.
La finalidad de esta investigación es evaluar el desempeño de los
electrolizadores, para garantizar la producción óptima del cloro, por medio del
mantenimiento efectivo y eficaz de sus elementos principales (cátodo, ánodo y
membrana), y al mismo tiempo determinando que tipo de membrada utilizada
actualmente es más resistente al proceso, y cual de ellas permite garantizar la
mayor confiabilidad, rentabilidad y operatividad de todo el sistema de
electrolizadores.
En el marco teórico metodológico esta investigación se realizo por medio de la
revisión de historiales de mantenimientos realizados a los electrolizadores,
aplicando la observación directa y la revisión bibliográfica y documental, ya que se
pudo interactuar con el contexto real del área de celdas electrolíticas, por lo que
durante la investigación de campo no hubo obstáculos ya que el investigador
manipula directamente la variable de estudio.
Para lograr esta investigación se desarrollaron los siguientes capítulos:
capítulo I, que se refiere al planteamiento del problema, formulación del problema,
objetivos de la investigación, justificación de la investigación y delimitación de la
investigación.
16
De igual modo, el capítulo II, se da a conocer los antecedentes de la
investigación, bases teóricas y definición de términos básicos, también como el
capítulo III, se establecen los criterios metodológico, formado por nivel de la
investigación, diseño de investigación, población y muestra, técnica e instrumentos
de recolección de datos y por último, el capítulo IV, en la que se analiza los
resultados de la investigación.
17
CAPITULO I
1. Problema de Investigación
1.1 Identificación y Descripción de la Situación Problema
La química del cloro es uno de los pilares del desarrollo económico e industrial
del siglo XXI. El desarrollo de la producción de cloro en un país está directamente
relacionado con la demanda de sus productos derivados y en base al uso como
materia prima para la obtención de dichos productos. El cloro y la soda cáustica se
encuentra entre los diez químicos más producidos en el ámbito mundial, estos
compuestos son empleados en la fabricación de una gran variedad de productos
en todo el mundo, entre estos se incluyen: detergentes, desodorantes, herbicidas,
farmacéuticos, pesticidas, refrigerantes, papel, plástico, productos para el
tratamiento de aguas residuales y para consumo humano y muchos otros.
En Venezuela, en el Occidente del país se encuentra actualmente la Planta
Cloro Soda, ubicado en el Complejo Petroquímico Ana María Campos en el
Estado Zulia, esta Planta posee un alto valor estratégico nacional por cuanto es la
única en el país que produce Cloro, necesario para las Plantas hidrológicas que
potabilizan el agua de consumo humano, así como interviene, directamente o
como intermediario, en más del 50% de la producción química industrial y es parte
integrante de la vida misma de la industria (mecánica, telecomunicaciones,
transportes, informática, química, petroquímica, farmacia, cosmética, construcción,
tratamiento de aguas, metalurgia, confección, deportes, entre otros.), por tanto la
química del cloro crea bienestar y calidad de vida a toda la sociedad.
18
Ahora bien para que todo este proceso pueda llevarse a cabo de manera
satisfactoria, la Planta Cloro Soda cuenta con un área de celdas compuesta por
dos circuitos de electrolizadores de operación independiente. Cada circuito está
conformado por treinta y seis (36) electrolizadores para un total de setenta y dos
(72). Estos electrolizadores MGC-30 (Membrane Gap Cell), que utiliza la
tecnología de membranas es un ensamblado de dos o más celdas electrolíticas
que está compuesto por 30 compartimientos anódicos, 30 membranas y 30
compartimientos catódicos en la cual ocurren las reacciones que permiten la
descomposición de la sal y la soda, en cloro e hidrógeno, los cuales operan según
diseño a una intensidad de corriente de 180 kA y 136 V.
- Dos electrodos; uno cargado positivamente (ánodo) y otro cargado
negativamente (cátodo).
- Dos sustancias electrolíticas, las cuales se hacen circular separadamente
por cada una de las cámaras. Por la cámara de ánodo circula la salmuera a 300
g/l y por la cámara del cátodo circula la soda cáustica al 31%.
- Una membrana polimérica que separa el ánodo del cátodo e impide el
contacto directo del cloro y la salmuera con el hidrógeno y la soda cáustica.
La membrana de cada una de las celdas pasa a ser el corazón del proceso,
ya que permite la adecuada separación de los productos, a la vez que se lleva a
cabo la electrólisis de la salmuera. De esta manera el cloro se dirige hacia el
sistema de procesamiento de cloro y el hidrógeno hacia el sistema de
procesamiento de hidrógeno a través de colectores independientes. El límite
permisible de densidad de corriente para la operación de los electrolizadores es de
1.5-4 kA/m2. El límite superior de la densidad de corriente está relacionado con la
capacidad de transporte de la membrana, sin embargo este no es el único factor
determinante.
19
Las membranas operan exitosamente a densidades de corriente de 4
kA/m2; a densidades mayores la distribución de corriente se hace mas crítica, ya
que la distribución real de corriente para la membrana depende también de los
perfiles de concentración del electrolito y temperatura, fracción del gas en el
electrolizador, así como también de la corriente en los electrodos. Si la densidad
de corriente es excesiva, se puede originar ampollas en el área activa de la
membrana. A mayor carga de corriente la presión interna en la membrana es mas
alta, debido a un incremento en el transporte de la masa.
Si la densidad no está uniformemente distribuida, la densidad de corriente
local y la presión interna pueden exceder las fuerzas cohesivas del polímero,
formando micro-ampollas o vacíos, que posteriormente pueden conducir a
ampollas o huecos aun a densidades de corriente promedio de 3-4 kA/m2. Se
puede esperar que la eficiencia de la corriente disminuya mas rápidamente
cuando se opera a densidades de corriente más altas. El límite inferior para la
densidad de corriente se relaciona con la difusión del material, ya que éste juega
un papel relativamente muy grande. Por lo tanto la eficiencia de la corriente puede
declinar a densidades de corrientes inferiores al mínimo establecido y afectar
también la pureza de la soda cáustica por el incremento de cloruros y cloratos.
En consecuencia los cambios en la carga deben minimizarse a fin de
asegurar un óptimo rendimiento de la membrana, sin embargo cambios muy
frecuentes y demasiado rápidos pueden afectar a largo plazo el rendimiento y con
el tiempo comienzan a presentarse fugas de salmuera o de soda cáustica en las
celdas electrolíticas que obligan a bajar la producción de la planta para proceder al
reemplazo del electrolizador que presente la condición más crítica.
20
Bajo este esquema de producción, las membranas se convierten en el
aspecto de mayor atención y cuidado a la hora de operar la planta de Cloro Soda;
donde la medida del deterioro de las membranas viene dada por incrementos en el
consumo de energía, lo cual significa aumentos en el voltaje y/o disminución de la
eficiencia de corriente o ambas, las cuales determinan en gran medida su tiempo
de vida útil.
No obstante el área de celdas consta en su mayoría con electrolizadores
con más de 4 años en servicio, asimismo, produce una posible disminución en el
desempeño de los electrolizadores el cual afecta la producción de cloro de planta
debido a estar limitada por no subir carga mayor a 130KA.
Sin embargo la Planta Cloro Soda cuenta con un importante taller de
renovación de celdas donde se reparan y hace el ensamblado a los
electrolizadores al momento de fallar dos de sus principales componentes internos
el ánodo y la membrana. La membrana es reemplazada en su totalidad pero el
ánodo es reparado ya que puede presentar perforaciones en las mallas debido al
extenuante proceso (temperatura, electricidad, reacción electroquímica entre
otros), Se hace necesario recalcar que las membranas aunque pueden ser
reemplazadas en su totalidad presentan un alto costo, y adicional a esto la
empresa solo cuenta con un proveedor para la adquisición de la misma.
Por otra parte, es importante señalar que dentro de la Industria Petroquímica
los procesos han ido mejorando cada vez más su tecnología, buscando la
optimización y la eficiencia, en donde la capacidad productiva debe maximizarse;
el mantenimiento debe ser función directa de la Confiabilidad de Operación de las
líneas de producción, buscando que los mismos operen no sólo con una elevada
confiabilidad sino también dentro de sus parámetros de diseño con el fin de
21
disponer de procesos productivos óptimos. Esta situación planteada ha creado la
necesidad de realizar una investigación que permita mejorar el desempeño de los
electrolizadores que conforman la sala de celdas con respecto a la carga de
corriente requerida según la especificada por diseño, evaluando cada uno de los
componentes que integran el cuerpo del electrolizador y al mismo tiempo los
factores que influyen en el proceso de producción de cloro, de forma tal que se
podrá mejorar la confiabilidad e integridad del sistema de electrolizadores, y al
mismo tiempo se buscara la mejora en el aumento de la carga promedio de
corriente requerida por dicho sistema.
Los planteamientos anteriores y las realidades descritas, fueron las bases para
proponer la evaluación del desempeño de los electrolizadores para el
mejoramiento de la producción de cloro, permitiendo reflejar al lector la necesidad
e importancia de tener en Plantas de este tipo equipos de tan valiosa utilidad.
Formulación del problema
Con base a lo anteriormente expuesto, surge la siguiente interrogante:
¿Cuáles son los factores que intervienen en el desempeño de los electrolizadores
del área de celdas de la Planta Cloro Soda del Complejo Petroquímico Ana María
Campo?
1.2 Objetivos de la Investigación.
1.2.1 Objetivo General:
Analizar el desempeño de los electrolizadores del proceso de producción de
cloro de la Planta Cloro Soda del Complejo Petroquímico Ana María Campo.
22
1.2.2 Objetivos Específicos
Diagnosticar la situación actual del sistema de electrolizadores que
conforman el área de celdas de la Planta Cloro Soda
Analizar los tipos de membranas que utilizan los electrolizadores del
área de celdas de la Planta Cloro Soda
Determinar la eficiencia de corriente de los electrolizadores del área
de celdas de la Planta Cloro Soda
Estimar la frecuencia de falla de los electrolizador del área de celdas
de la Planta Cloro Soda
1.3 Justificación de la investigación
Con la presente investigación, se pretende mejorar las condiciones actuales
del sistemas de electrolizadores en el área de celdas y electrolisis de la Planta
Cloro Soda, de modo que contenga todos los elementos necesarios que
garanticen la preservación, optimización y confiabilidad operacional de los equipos
críticos del sistema, manteniendo al mismo tiempo la producción que es de gran
importancia para el desarrollo productivo del país.
Bajo una visión teórica, la investigación pretende constituir medidas de
mejoras en el mantenimiento de los elementos principales (ánodos y membranas)
que conforman los electrolizadores, a través de la evaluación del desempeño de
los mismos, con el objeto de mejorar la confiablidad e integridad del equipo, y al
mismo tiempo, mantener de forma significativa la producción de cloro que se
requiere por diseño, proporcionando conceptos, principios y aspectos teóricos
relacionados con el tema en estudio, los cuales están conceptualizados para dar
respuesta a las interrogantes de la investigación en lo que respecta al desempeño
de los electrolizadores para el mejoramiento de los procesos de producción de
cloro y otros productos derivados de la salmuera o materia prima.
23
Con relación al aspecto metodológico, este proyecto de investigación es un
trabajo de importancia en el área de Ingeniería de Refinación y Petroquímica en la
Universidad Bolivariana de Venezuela, ya que servirá de guía para otras
investigaciones que se puedan realizar en áreas similares o temas relacionados,
principalmente como se abordara el proceso de recolección y procesamiento de la
información, la cual servirá como fuente de consulta específicamente en aquellos
estudios realizados en el área de producción de cloro, particularmente en el
mantenimiento de electrolizadores utilizando como base de estudio la evaluación
y análisis de los elementos principales del electrolizador, (ánodos y membranas
electrolíticas).
Desde el punto de vista institucional, se desea que la investigación sirva como
referente de estudio a toda la población estudiantil de ingeniería en Refinación y
Petroquímica de la Universidad Bolivariana de Venezuela, para facilitar el
dominio de algunas materias relacionadas con el Programa.
En el ámbito económico y social, esta investigación se ubica en el lineamiento
estratégico del desarrollo del Plan de la Patria 2013- 2019, en su objetivo III la cual
dicta, convertir a Venezuela en un país Potencia en lo Social, lo Económico y lo
político dentro de la gran potencia naciente de América Latina y el Caribe, así
como en el 3.1.3.3 que incluye el Manteniendo y mejorando los niveles de
confiabilidad y mantenibilidad de la infraestructura existente, por lo tanto esta
investigación permite que las estrategias y mejoras estén encaminadas a
garantizar la disponibilidad y eficacia requerida de las unidades, equipos e
instalaciones, asegurando la duración de su vida útil y minimizando los costos de
mantenimiento, dentro del marco de la seguridad y el medio ambiente.
24
Por otra parte el 3.1.7. Se enfoca en fortalecer y expandir la Industria
Petroquímica Nacional, con relación a este punto Pequiven tiene como objetivo
producir y comercializar con eficiencia y calidad productos químicos y
petroquímicos, en armonía con el ambiente y su entorno, garantizando la atención
prioritaria a la demanda nacional, con el fin de impulsar el desarrollo económico y
social de Venezuela, ya que como dicta el punto 3.2.1.2 se debe desarrollar la
producción primaria y construir los ejes estratégicos en la química petroquímica,
así como las cadenas asociadas de productos derivados, como es nuestro caso el
Cloro; como base de la industrialización en la generación de bienes de consumos
intermedios y finales.
A su vez, se alinea a la construcción e impulso del modelo económico
productivo eco-socialista, basado en una relación armónica entre el hombre la
naturaleza, que garantice el uso y el aprovechamiento racional, óptimo y
sostenible de los recursos naturales, respetando los procesos y ciclos de la
naturaleza, por lo tanto esta investigación se enfoca en mantener la producción de
cloro, mediante el mantenimiento eficaz y eficiente de los electrolizadores que
permiten la obtención de cloro e hidrogeno.
Así mismo, es importante señalar que reactividad del cloro es provechosa,
pues gracias a ésta propiedad lo usamos para combatir la acción de las bacterias
y para fabricar todo tipo de productos químicos: lejía, salfumán, plásticos,
medicamentos y plaguicidas, como ya se había explicado anteriormente. Pero
también por su elevada reactividad, el cloro debe manejarse con precaución,
transportándose en forma estrictamente controlada, cuidando con detalle las
instalaciones donde se obtiene y aquellas que sintetizan compuestos clorados,
para mantener el equilibrio del medio ambiente aplican estrictas medidas de
seguridad en la Planta Cloro Soda.
25
Después de lo anteriormente dicho, esta investigación se plantea continuar
mejorando la eficiencia, la calidad y disponibilidad de los equipos críticos en la
Planta Cloro Soda y por ende en el mejoramiento y optimización del desarrollo
productivo del Complejo Petroquímico Ana María Campos, Desarrollando el
poderío económico en base al aprovechamiento óptimo de las potencialidades que
ofrecen nuestros recursos tecnológicos.
1.4 Proyección de la Investigación
La presente investigación abarcó, desde la descripción de la situación actual
del área de celdas electrolíticas hasta la estimación de la frecuencia de falla de
los electrolizadores por cada circuito. Es así como la idea de evaluar el
desempeño de los electrolizadores, es sin lugar a duda una idea acertada para
mejorar el sistema en el área de celdas electrolíticas de la Planta Cloro Soda, ya
que se lograra optimizar los procesos productivos y se obtendrán grandes
beneficios debido a los sustanciosos ahorros en términos de operación y
mantenimiento de los equipos en cuestión.
Permitiendo, de esta manera, un importante control y seguimiento en la
operatividad del sistema para garantizar el mejor uso de las membranas iónicas,
mantenimiento de los ánodos y ensamblados de los electrolizadores, que
garanticen la producción de cloro, como objetivo principal de la empresa. A su vez
esta investigación promueve procesos formativos integrales y continuos de los
trabajadores para adoptar técnicas y tecnologías que hagan más eficiente la
producción y humanizar cada día el proceso de trabajo eficaz, eficiente y
productivo.
26
1.5 Delimitación y Limitación de la Investigación
1.5.1 Delimitación espacial
La investigación será realizada específicamente en el área de celdas o
electrolizadores de la Planta Cloro Soda del El Complejo Petroquímico Ana María
Campos, ubicada en los Puertos de Altagracia, del Municipio Miranda del Estado
Zulia.
1.5.2 Delimitación temporal
Este estudio se llevará a cabo en un periodo aproximado de seis (6)
meses comprendido desde el mes de enero de 2015 hasta mayo del 2015 en la
cual se alcanzarán los objetivos propuestos.
Considerando que no existen limitaciones para obtener la información ya que,
los mismos investigador son los que operan directamente los equipos estudiados
en dicha investigación.
Figura 1. Ubicación Geográfica de la Planta Cloro Soda- Complejo Petroquímico Ana María
Campos. Fuente: Gerencia Técnica- Pequiven (2015).
27
CAPITULO II
2.- Fundamentación Teórica
El marco teórico constituye el paso siguiente al planteamiento del problema al
enunciado de los objetivos de la investigación, el cual exige la búsqueda, análisis
y sistematización de los elementos teóricos que permitan la compresión efectiva
del problema objeto de investigación, en términos de su alcance e implicaciones
teóricas, prácticas para las empresas, la ciencia, la sociedad, la comunidad, las
instituciones y los individuos mismos.
2.1 Antecedentes de la Investigación
Para comenzar con cualquier tipo de investigación es necesario contar con
una base sólida suficiente de material de consulta referido al tema a tratar, en este
caso concreto se realizó la revisión de algunas investigaciones realizadas que
guardan estrecha relación con el análisis de los electrolizadores para la
producción de cloro de la Planta Cloro Soda del Complejo Petroquímico Ana
María Campo, se recopiló la información de utilidad con el fin de obtener datos
relevantes que sirvan de guía para emitir resultados confiables.
Al inicio los orígenes de la moderna industria petroquímica se remontan a la
mitad del siglo XIX. El impacto del petróleo sobre la industria (1930´s en E.U., y
1950´s en otras partes del mundo) fue estimulado principalmente por la provisión
de una fuente amplia y segura de materia prima barata.
28
La industria petroquímica alcanzó el grado de desarrollo actual debido a la
innovación y sustitución continua en sus procesos. Además, ha alcanzado un
crecimiento arriba de cualquier economía en general. Su inherente utilidad y
atractivo económico es una característica importante que ayudará a su
crecimiento. Es paradójico que numerosos estudios han mostrado que los
productos petroquímicos, a pesar de ser producidos a partir del petróleo,
generalmente requieren menor energía total de entrada que similares artículos
hechos de otros materiales. El uso de petroquímicos puede así contribuir a un uso
más eficiente de energía.
En 1980 cerca de 70 millones de toneladas de petroquímicos fueron
producidos alrededor del mundo, predominando plásticos y resinas. Este grupo
junto con otros polímeros (fibras y gomas sintéticas) constituyen cerca del 85% del
total de petroquímicos producidos ese año.
Enner G. Herrera A. y José C. Núñez V (2004). Realizo un Trabajo Especial
de Grado en ingeniería Química, para la Universidad del Zulia, la misma se
encuentra titulada “INGENIERÍA CONCEPTUAL DE UNA PLANTA DE CLORO-
SODA PARA LA EMPRESA VENCLORO C.A.” el objetivo de esta investigación
consistió en desarrollar una ingeniería conceptual de una planta de cloro-soda
para la empresa VENCLORO C.A., con la finalidad de proporcionar a dicha
empresa la capacidad para procesar materia prima, en este caso cloruro de sodio
para convertirla en cloro gas e hidróxido de sodio, compuestos que luego serán
incorporados a otro proceso ya existente en la empresa para producir hipoclorito
de sodio. Para ello se seleccionó el proceso de producción más adecuado desde
el punto de vista técnico económico.
29
La implementación de la tecnología de celdas de membrana para
producción de cloro-soda fue el proceso más seguro, con menor impacto
ambiental, en este caso la empresa ELTECH fue el proveedor de esta tecnología.
El presente estudio típico como descriptivo aplicado y con la relación al diseño es
documental y de campo. El estudio para la ubicación física de la planta se realizó
por medio de observación directa al evaluar los terrenos disponibles en la empresa
VENCLOROC.A y escoger el área que más se adaptaba a la disposición de los
equipos. El cálculo de monto de inversión se elaboro una estimada clase III según
la norma de P.D.V.S.A para la adquisición de los equipos que conforman la planta.
Además se realizaron entrevistas no estructuradas a los proveedores de los
equipos, y se utilizaron factores internacionales para dicha inversión.
De lo expuesto, se expresa que este estudio tiene similitud con la presente
investigación, ya que en el mismo se utilizaron teorías relacionadas con los
procesos y equipos que conforman una Planta de Cloro Soda, que servirán de
apoyo al desarrollo de nuestras base teóricas, por otra parte; la diferencia entre
estas dos investigaciones radica específicamente en que el estudio fue propuesto
para desarrollar una ingeniería Conceptual de una planta de cloro-soda para la
empresa VENCLORO C.A.
Ana Gómez (2002). Realizo un Trabajo Especial de Grado en ingeniería de
Gas, para la Universidad del Zulia, para optar al título de Magíster Scientearum en
ingeniería de gas, la misma se encuentra titulada “SIMULACIÓN DINÁMICA DEL
SISTEMA DE PROCESAMIENTO DE HIDROGENO DE UNA PLANTA DE
CLORO SODA”. El objetivo de esta investigación fue proponer un modelo para
simular dinámicamente el sistema de procesamiento de hidrógeno de una planta
de Cloro Soda, con la finalidad de conocer su comportamiento dinámico y así
establecer las relaciones entre las variables de operación. A partir de este punto
30
se pudo determinar la mejor estrategia de control para el sistema. Para tales
efectos se utilizó el simulador ASPEN PLUS y ASPEN DYNAMIC, ambos con
tecnología de ASPEN TECHNOLOGY. Después de elaborar el modelo se pudo
determinar que el mismo representa satisfactoriamente el comportamiento real del
proceso y puede ser utilizado como herramienta de estudio para otros puntos de
operación en estado estacionario y dinámico. La estrategia de control que permite
la menor perturbación en la presión del colector de hidrógeno durante una
variación de intensidad de corriente de la planta y responde rápidamente,
manteniendo la variable de proceso en el valor deseado, es aquella donde los
parámetros de los controladores son:
PC5002: K = 2; T1 = 0,001 min.; T2 = 3 min.
PC5036: K = 1; T1 = 0,001 min.; T2 = 0,4 min.
PC5114: K = 1; T1 = 0,001 min. y T2 = 0 min.
También se concluyo que las membranas de los electrolizadores, se
someten a una operación más crítica, cuando el circuito de producción de cloro
opera con el sistema de alta presión. En base a los resultados obtenidos se
recomendó utilizar los parámetros entonados de los controladores para obtener
mínimas variaciones de presión cuando se realizan variaciones en la intensidad de
corriente de la planta.
Esta investigación aportó una guía para el estudio de la membrana iónica
como factor fundamental en el sistema de electrolizadores de la Planta Cloro
Soda, donde el desarrollo del mismo genera una matriz informativa eficaz de los
parámetros de operación del sistema, también a resultar ser un estudio de
factibilidad positiva para la empresa, usa y explica métodos y lineamientos
tomados en consideración para cualquier adecuación desde el punto de vista
económico, practico y factible en investigaciones presentes y futuras realizadas
por la empresa e investigadores académicos.
31
Ruth Cañizalez , Sergio De Pool y Ricardo Fabelo (2014). Realizarón un
Trabajo Especial de Grado en ingeniería de sistema USBMed, para la Universidad
Rafael Belloso Chacin, la misma se encuentra titulada “DISEÑO DE UN SISTEMA
DE CONTROL ÓPTIMO PARA LA REGULACION DE PRESION DEL CABEZAL
DE CLORO DE LAS CAMARAS DE CELDAS DE LA PLANTA CLORO SODA
PEQUIVEN”. El propósito de esta investigación estuvo dirigido al diseño de un
sistema que regulara la presión del cabezal de cloro en las cámaras de celdas
(Planta de Cloro Soda en Pequiven) utilizando como técnica el control óptimo. La
metodología utilizada según la investigación fue de tipo descriptivo y aplicada, De
diseño no experimental, de Campo y Transaccional descriptiva.
La unidad de análisis se enfocó en la generación de cloro por medio de la
regulación de presión del cabezal de cloro de 30 “de FRP de la cámara de celdas,
basada en la recolección de datos finitos en tiempo real directos del proceso. Las
técnicas de recolección de datos fueron cualitativas y cuantitativas en función de
los diferentes programas utilizados para el desarrollo de los modelos matemáticos
y los parámetros para el control óptimo. El resultado final es la demostración de la
efectiva del control óptimo dentro de la investigación propuesta.
Donde el control es esencial en los procesos industriales, donde variables
físicas como presión, temperatura, humedad y flujo entre otras, deben ser
parametrizadas de acuerdo a las condiciones del proceso con la finalidad de
mejorarlos y optimizarlos. La mayoría de los procesos industriales son
multivariables y se requiere del análisis del sistema dinámico, manipulando sus
entradas de manera que se comporte de acuerdo a las necesidades que el
ambiente y el sistema experimenten en cada intervalo de tiempo.
32
Este antecedente aporta síntesis, parámetros y conclusiones precisas
tomadas del mismo lugar de los acontecimientos siendo raíz de estudio para
técnicos, ingenieros y estudiantes sobre temas afines.
2.2 Referentes Teóricos
Todo estudio de esta índole posee basamento teórico que lo sustenta, de allí
que se abordaron todo lo que se consideró pertinente de acuerdo a la
investigación que se realiza.
2.2.1 El Cloro
El cloro es un elemento del grupo VII de la tabla periódica. No existe en la
naturaleza en forma elemental sino combinado con el sodio, potasio, magnesio. Es
un gas verde claro, de olor característico, irritante y venenoso. Es Moderadamente
soluble en agua. Es un no metal muy activo. Se combina con los no metales a
excepción de Nitrógeno y con casi todos los metales.
2.2.2 El Hidróxido de Sodio
El Hidróxido de sodio esta catalogado como uno de los compuestos químicos
con más alta demanda en el ámbito mundial, su utilidad es muy diversa, sirve
como materia prima de desinfectantes, para el tratamiento de aguas servidas,
productos para limpieza personal, entre otros.
2.2.3 El Hidrógeno
Es un gas incoloro, se encuentra situado en el grupo a de tabla periódica.
El hidrógeno posee la estructura mas simple de todos los átomos. Se halla en el
gas natural, en los gases orgánicos y en la atmósfera (al 0.01%), constituye el
11.2% de la masa total del agua y el 10 % del cuerpo humano.
33
En estado libre es escaso pero combinado es uno de los constituyentes más
abundantes de los compuestos químicos. Se puede obtener por medio de la
ruptura de la molécula de los hidrocarburos, reducción del agua por el carbono y
de otras formas. Se difunde a través de ciertos metales (platino, paladio), su
molécula es biatómica, es muy estable y solo a altas temperaturas se disocia.
A continuación se muestran las propiedades físicas de estos productos
Tabla 1. Propiedades de los productos de la electrolisis de la salmuera
Producto Formula Peso
Molecular gr/grmol
Gravedad Especifica
Punto de Fusión
(°C)
Punto de Ebullición
(°C)
Cloro CL2 70.91 2.486 - 101.6 - 34.6
Hidrógeno H2 2.016 0.0695 259.1 - 252.7 Hidróxido De Sodio
NaOH 40 0.92 318.4 1390
Fuente: Perry, p 3-1, 3-17, 3-2 (1992).
2.2.4 Descripción General del Proceso de la Planta Cloro Soda
La planta Cloro Soda de Pequiven el Tablazo, es una planta con tecnología de
membranas, cuyo licenciante es la empresa OXICHEM y con un capacidad
instalada de 388 toneladas métricas de cloro y 438 toneladas métricas de soda al
100% por día. Paralelo a esto, la planta de Cloro Soda tiene una unidad para
síntesis de ácido clorhídrico, en la cual se procesan 100 toneladas métricas diarias
de ácido a máxima capacidad de la unidad.
La planta recibe energía eléctrica trifásica de 34,5 kV en corriente alterna, la
cual se transforma en 110 voltios y se rectifica para entregar 179.100 amperios de
corriente continua a cada electrolizador.
34
En la Figura 2 se presenta un diagrama de bloque de la planta cloro soda. En
el mismo podemos apreciar las distintas áreas en que se divide la planta partiendo
del área de salmuera donde se procesa la materia prima (sal) y terminando en el
procesamiento y envasado del cloro. Adicionalmente, tenemos las áreas de
producción de ácido clorhídrico e hipoclorito de sodio. El consumo de ésta materia
prima por diseño de planta es el siguiente:
645 Toneladas métricas diarias (TMD) de Sal Cruda.
67.6 metros cúbicos por hora (m3/h) de Agua Desmineralizada.
34.5 Kilovoltios de Electricidad.
La planta está diseñada para producir los siguientes valores en toneladas
métricas en 335 días de operación de planta (8040 horas):
386 TMD de Cloro Gas.
377 TMD de Cloro Líquido.
100 TMD de Ácido Clorhídrico (32%).
436 TMD de Soda Cáustica (100%).
120 TMD de Hipoclorito de Sodio.
11.6 TMD Hidrógeno Gas.
En los siguientes párrafos se realiza una descripción de las áreas de interés
para el mejor entendimiento de esta investigación.
35
Figura 2. Diagrama de Proceso de la Planta Cloro Soda- Complejo Petroquímico Ana María
Campos. Fuente: Gerencia Técnica- Pequiven (2015).
36
2.2.4.1 Área de Salmuera:
El proceso comienza en el área de saturación, con la preparación de la
salmuera a una concentración de 300 g/l, para lo cual se combina la salmuera
agotada (recirculada desde sala de celdas) con la cantidad de agua
desmineralizada necesaria para disolver la sal. Del área de saturación, la
salmuera se transfiere al área de tratamiento primario, donde se trata
químicamente para bajar los niveles de calcio y magnesio con soluciones de
carbonato de sodio y soda cáustica respectivamente. En algunos casos de ser
necesario, se añade cloruro de calcio para mantener la relación de calcio /
magnesio de 2:1.
Los sólidos generados en el área de tratamiento, se separan primero en un
clarificador y luego se procede a filtrar el sobrenadante, hasta eliminar todos los
sólidos en suspensión, mediante un filtrado primario con antracita y un filtrado de
pulido que utiliza celulosa vegetal como medio filtrante. Directamente del sistema
de filtración, la salmuera se pasa a través de un sistema de intercambio iónico, en
el cual se remueve la dureza (iones calcio y magnesio en su mayoría) a niveles
extremadamente bajos de 25 ppb., para obtener la salmuera ultra pura.
2.2.4.2 Área de Electrolizadores o área de Celdas electrolíticas
La siguiente área de proceso, es el área de electrolizadores, la cual está
conformada por dos trenes de 36 electrolizadores conectados en serie y cada
electrolizador a su vez está formado por 30 celdas electrolíticas conectadas en
paralelo. Al área de electrolizadores se hace circular una corriente de 180 kA por
cada circuito de electrolizadores para permitir la obtención de Cl2 e H2. En la
Figura 3, se muestra esquemáticamente el diagrama del área de electrolizadores.
37
Figura 3. Diagrama general del área de Electrolizadores Fuente: Gerencia Técnica- Pequiven (2015).
La función de la cámara de celdas en la planta de Cloro, es la de convertir el
cloruro de sodio tratado en cloro. Esta conversión ocurre dentro de los
electrolizadores MGC-30, cuando la electricidad de corriente directa y de alto
amperaje de los rectificadores se pasa a través de ellos. El electrolizador de igual
manera, funciona para separar físicamente el producto cloro de los productos
cáustica e hidrogeno para que sean de resultado extra puro (esta operación es
realizada en forma simultanea).
Los electrolizadores están diseñados para efectuar la reacción con el voltaje
mínimo, lo cual resulta en un menor consumo de energía por unidad de productos.
Los componentes de una celda electrolítica se muestran esquemáticamente en la
figura 4.
38
Figura 4. Esquema Interno de un Electrolizador Fuente: Gerencia Técnica- Pequiven (2015).
La membrana de cada una de las celdas pasa a ser el corazón del proceso, ya
que permite la adecuada separación de los productos, a la vez que se lleva a cabo
la electrólisis de la salmuera. De esta manera el cloro se dirige hacia el sistema de
procesamiento de cloro y el hidrógeno hacia el sistema de procesamiento de
hidrógeno a través de colectores independientes.
39
Figura 5. Reacciones Producidas en el Proceso Electrolítico
Fuente: Gerencia Técnica- Pequiven (2015).
2.2.4.3 Características de la membrana:
Las membranas de las celdas presentan las siguientes características:
Alta eficiencia de corriente (evitar la migración del ión hidroxilo del cátodo al
ánodo).
Baja resistencia eléctrica.
Excelente resistencia química al cloro y la soda cáustica.
Buena resistencia al calor.
Buena estabilidad dimensional.
Baja permeabilidad a la sal y al agua.
Larga duración operacional.
Los problemas operacionales de la membrana se inician cuando las especies
que entran a la misma, comienzan a ser insolubles dentro de la membrana,
cuando pasan desde un anolito relativamente ácido hasta el catolito fuertemente
40
básico. Entre las impurezas dañinas se incluyen los cationes alcalino térreos
(magnesio, calcio, bario, estroncio, etc.). Las concentraciones a las cuales éstos
comienzan a deteriorar la membrana, están relacionadas con la solubilidad de sus
hidróxidos. En líneas generales, los niveles máximos de impurezas en la
salmuera, caen en el rango de 10 a 100 ppb, especialmente para los cationes que
la membrana no rechaza. La concentración específica depende del diseño de la
membrana, del diseño de la celda, de las condiciones de operación, y el tipo de
impureza misma.
2.2.4.4 Condiciones de Operación del electrolizador:
El principal propósito de las condiciones de operación de un electrolizador es
mantener el flujo de masa (iones sodio + agua) dentro de los límites de la
capacidad de transporte de la membrana. La composición de los polímeros influye
en dicha capacidad de transporte, así como también la temperatura y el contenido
de agua. Las condiciones de operación son seleccionadas por el fabricante de las
membranas, con el objetivo de obtener un mejor rendimiento y tiempo de vida en
todos los electrolizadores.
La medida del deterioro de las membranas viene dada por incrementos en el
consumo de energía, lo cual significa aumentos en el voltaje, disminución de la
eficiencia de corriente o ambas. Existe un número de factores que si no se
controlan adecuadamente contribuyen a este deterioro. Entre las principales
variables operacionales a controlar en una celda de electrólisis se encuentran:
a.- Temperatura de la celda:
La membrana es una solución de electrolitos y al igual que éstos, su
conductividad aumenta con el incremento de la temperatura. El rango de
operación oscila entre 80 y 95 ºC. A temperaturas mayores de 95 ºC, el contenido
41
de agua en la membrana aumenta, por lo que ésta absorbe agua originando
expansión, arrugas y abombamiento. Por otra parte, una temperatura demasiado
alta puede ocasionar falla de las partes plásticas del electrolizador.
Una disminución de la temperatura de la celda ( por debajo de los 80 ºC),
puede ocasionar que la diferencia de temperatura a través de la membrana sea
muy grande, lo cual afecta su operación ya que disminuye el transporte de agua y
la conductividad, originando un incremento innecesario del voltaje del
electrolizador. También se produce una reducción en la liberación del gas cloro del
anolito, ya que aumenta su solubilidad.
Es importante mantener constante la temperatura del anolito de alimentación,
para ayudar a asegurar una operación del electrolizador en estado estable. La
temperatura del anolito afecta la cantidad de agua que se evapora dentro del gas
cloro y la cantidad de agua que se transporta a través de la membrana, lo cual
afecta la concentración de NaCl.
b. Concentración de la soda cáustica producto:
Se recomienda mantener los niveles de concentración de soda en un rango de
30 a 35%, preferiblemente entre 30 y 32% para obtener un mejor consumo de
energía. Valores superiores al máximo (32%) aumenta la tendencia de difusión de
los iones hidroxilo hacia el compartimiento del ánodo, originando disminución de la
eficiencia de corriente.
El cambio de voltaje ocasionado por la variación de concentración de soda
cáustica producto (catolito), es de 20 a 30 mV por cada uno porciento de
concentración superior al valor de 32%. La disminución de la eficiencia de
42
corriente puede ser permanente si la desviación excede al 37% de la
concentración de soda cáustica. La concentración mínima de la soda se establece
con el fin de asegurar una buena operación y rendimiento de la celda, debido al
transporte en reverso de agua. El daño podría ser permanente si la concentración
cae muy baja (menos del 25% de hidróxido de sodio); demasiada agua en la
membrana causa un excesivo abombamiento, que puede conducir a pliegues
(arrugas) y problemas mecánicos.
Las membranas abombadas exhiben un menor rechazo a los aniones y por lo
tanto tienen una menor eficiencia de corriente de soda, originando un incremento
en el oxígeno contenido por el gas cloro y la producción de cloratos en el anolito.
La membrana en la celda electroquímica es una solución de electrolitos que
separa las soluciones de catolito y anolito. Su capacidad es proporcional al
contenido de agua, el cual es variable y se determina por las concentraciones de
las soluciones del catolito y del anolito. El agua disponible se distribuirá por sí
misma entre los tres electrolitos: cloruro de sodio, membrana y soda cáustica. A
mayor cantidad de agua, la capacidad de la membrana es más grande.
c.- pH del anolito:
La salmuera que se alimenta a los electrolizadores se acidifica para reducir la
concentración de iones hidroxilo en el compartimiento del ánodo, a fin de disminuir
la generación de oxígeno y la formación de cloratos dentro de la celda. El rango
permitido de pH para la salmuera que se alimenta a sala de celda se encuentra
entre 3 a 10.
43
El pH del anolito nunca debe ser menor de dos. Los protones son mejores
conductores que los iones sodio; a un pH de 2 los protones transportan
aproximadamente un 1-2% de la corriente. Si el pH baja a menos de 2, los
protones transportarán una fracción de corriente más alta y se protona la capa
carboxílica de la membrana, la cual comienza a convertirse en no iónica, es decir
no conductiva, disminuyendo la velocidad de difusión del ión sodio. A medida que
aumenta la cantidad de protones que penetran en la membrana, se incrementa la
resistencia por lo que el voltaje sube y eventualmente el calor resultante causa
ampollas (daño irreversible en las membranas).
Un pH de anolito muy alto (mayor de 11), puede deberse a la existencia de
orificios en la membrana, a través de los cuales el catolito fluye dirigido por la
mayor presión. El alto pH puede deteriorar el revestimiento anódico, hasta el punto
de disolver el substrato de titanio. Se debe incrementar la adición de ácido
clorhídrico a la salmuera de alimentación y/o el flujo de salmuera al máximo
permisible, para mantener el pH del anolito en el rango recomendado.
d.- Calidad de la salmuera de alimentación:
Las impurezas solubles en el anolito pueden difundir dentro de la membrana
ayudadas por el campo eléctrico y/o transporte de agua. También pueden
interactuar entre sí y los límites de aceptación dependerán del tipo de membrana y
condiciones de operación. A excepción del cloruro, sodio y agua el resto de las
especies se consideran impurezas. El efecto de las impurezas sobre las
membranas es el siguiente:
Pasar inofensivamente a través de la membrana; el potasio es un ejemplo.
Desplazar selectivamente al sodio en la unidad funcional de la membrana,
reduciendo por lo tanto los sitios activos disponibles para el transporte de sodio.
44
Un ejemplo típico es el ion magnesio, el cual precipita cerca de la cara anódica
de la membrana. Los finos precipitados de hidróxido de magnesio no llegan a
romper su estructura polimérica, sino que ocasionan obstrucción de la membrana,
por lo que aumenta la resistencia al flujo del ion sodio, lo que trae como
consecuencia un incremento en el voltaje de la membrana.
Precipitar y romper físicamente la membrana. Algunos compuestos son
solubles en el anolito acídico y forman compuestos insolubles en un medio
alcalino. Ya que la membrana es relativamente alcalina, puede ocurrir la
precipitación de sales insolubles o complejos dentro de la misma; frecuentemente
cerca de la superficie que está del lado cátodo, que es la capa que controla la
eficiencia de corriente. La mayor solubilidad de estas especies (calcio, sulfatos,
bario etc.) permite la formación de cristales más grandes y esto ocasiona la
ruptura física del polímero en el lado cátodo de la membrana, reduciendo el
rechazo de los aniones, originando un declive irreversible en la eficiencia de la
corriente, además de un mayor voltaje.
El hierro es un contaminante que puede influir en la operación de las
membranas ya que para valores mayores de 1 ppm se acumula en las mismas,
especialmente durante las paradas de planta, en donde se tiene un alto pH en la
salmuera. El hierro puede crear enlaces con los metales que recubren el ánodo
(rutenio, cobalto, iridium), depositándose en el mismo, lo que aumenta el voltaje
del ánodo.
También los sulfatos, especialmente precipitados de sulfato de bario, además
de romper la membrana y ocasionar disminución de la eficiencia de la corriente;
podrían depositarse sobre el ánodo y aumentar su voltaje.
45
Entre algunos factores que pueden influir en la desactivación del recubrimiento
del ánodo se encuentra las impurezas de Carbón Orgánico Total (TOC). Una de
las fuentes de TOC lo constituye la sal que se emplea como materia prima, lo cual
puede deberse a un deficiente lavado en la salina o por contaminación en el barco
que la transporta. El TOC de peso molecular mas elevado, tienden a polimerizar
sobre el ánodo, formando una capa que reduce su actividad catalítica, por lo que
ocasiona un sobrevoltaje. Hasta ahora no se conoce el efecto del TOC sobre las
membranas.
e.- Concentración de cloruro de sodio en el anolito:
Se establece como rango normal de operación para un electrolizador, una
concentración de NaCl en el anolito de 190 y 230 g/l. Se define el límite inferior ya
que cuando baja la concentración del anolito por debajo de este valor, pasa mas
agua hacia la membrana aumentando el transporte de masa a través de la misma.
En la operación se desea evitar que se exceda la capacidad de la membrana.
Este valor mínimo (190 g/l) incluye un factor de seguridad que contempla la
posibilidad de que en ciertos puntos de un electrolizador puedan existir
concentraciones de anolito ligeramente mas bajas debido a un mezclado
imperfecto. A concentraciones inferiores a los 170 g/l, se ocasiona la electrólisis
del agua y no del cloruro de sodio, generando protones que dañan la capa
carboxílica de la membrana. Además como se dijo anteriormente, si el transporte
de agua aumenta, se producen ampollas. Las ampollas se forman al separarse la
capa carboxílica y sulfónica de la membrana, este espacio adicional crea una
mayor resistencia al flujo, originando aumento de voltaje.
46
La operación por un período prolongado a baja concentración de NaCl puede
ocasionar la de laminación completa de la membrana. También se puede
deteriorar el recubrimiento de los ánodos si la concentración cae por debajo de
120 g/l, con un incremento asociado de la producción de oxígeno.
f.- Diferencia de presión entre los colectores de cloro / hidrógeno fuera de
especificación:
Para una eficiente operación de la membrana, la presión en el cabezal de
hidrógeno debe ser mayor que la presión en el cabezal de cloro. Se recomienda
75 mm de columna de agua para el colector de hidrógeno y 0 mm de columna de
agua para el colector de cloro. Los rangos de operación permisible se encuentran
entre 25 y 150 mm de columna de agua para el lado cátodo y 25-50 mm de
columna de agua para el lado ánodo.
Este diferencial de presión tiene por objetivo inmovilizar la membrana y
minimizar las fluctuaciones y vibraciones que aumentan el voltaje y que por
períodos extensos podrían causar declive acelerado en la eficiencia de corriente y
fallas. Un excesivo diferencial de presión puede deformar la membrana, causar
rasgadura y rompimiento de la malla de teflón porque la obliga a introducirse
dentro de las aberturas de los ánodos (dependiendo del diseño de los electrodos)
e incrementa el voltaje.
Además cuando la membrana se mueve entre el cátodo y el ánodo, la fricción
contra los electrodos puede ser suficiente para desgastarla y formar huecos. Los
diferenciales de presión anormales ocurren durante parada y arranque de la
planta.
47
Adicionalmente, cambios en el diferencial de presión entre los colectores de
cloro e hidrógeno, debido a fluctuaciones de líquido por pérdida de electrolito en
una de las cámaras u obstrucción en una línea de salida, también pueden causar
cortadura o tensión en la membrana, todo lo cual origina aumento de voltaje.
g.- Densidad de Corriente:
El límite permisible de densidad de corriente para la operación de los
electrolizadores es de 1.5-4 kA/m2. El límite superior de la densidad de corriente
está relacionado con la capacidad de transporte de la membrana, sin embargo
este no es el único factor determinante. Las membranas operan exitosamente a
densidades de corriente de 4 kA/m2; a densidades mayores la distribución de
corriente se hace mas crítica, ya que la distribución real de corriente para la
membrana depende también de los perfiles de concentración del electrolito y
temperatura, fracción del gas en el electrolizador, así como también de la corriente
en los electrodos.
Si la densidad de corriente es excesiva, se puede originar ampollas en el
área activa de la membrana. A mayor carga de corriente la presión interna en la
membrana es mas alta, debido a un incremento en el transporte de la masa. Si la
densidad no está uniformemente distribuida, la densidad de corriente local y la
presión interna pueden exceder las fuerzas cohesivas del polímero, formando
micro-ampollas o vacíos, que posteriormente pueden conducir a ampollas o
huecos aun a densidades de corriente promedio de 3-4 kA/m2.
Se puede esperar que la eficiencia de la corriente disminuya mas
rápidamente cuando se opera a densidades de corriente más altas. El límite
inferior para la densidad de corriente se relaciona con la difusión del material, ya
que éste juega un papel relativamente muy grande. Por lo tanto la eficiencia de la
48
corriente puede declinar a densidades de corrientes inferiores al mínimo
establecido y afectar también la pureza de la soda cáustica por el incremento de
cloruros y cloratos. Los cambios en la carga deben minimizarse a fin de asegurar
un óptimo rendimiento de la membrana. Cambios muy frecuentes y demasiado
rápidos pueden afectar a largo plazo el rendimiento de la membrana. La velocidad
de incremento y disminución de la carga, depende de la habilidad para mantener
las condiciones de operación requeridas, entre las cuales el control de presión de
los colectores de cloro e hidrógeno es uno de los más limitantes. Una disminución
muy brusca, puede causar un colapso en la mezcla de dos fases que se encuentra
en el tope de las celdas (agotamiento de sal) dañando la membrana.
2.2.4.5 MGC-30 electrolizadores, regiones E2-EL201 a E2-EL236 (Circuito
I) - E2-337 a EI-272 (Circuito II) Fabricante: Oxitech Systems
Cada uno de los 72 electrolizadores MGC-30 es una unidad monopolarica de
electrolisis que consiste principalmente de 30 pailas ánodos fabricadas de níquel;
planchas distribuidoras de corriente, fabricadas de cobre y níquel; y membranas
fabricadas de materiales poliméricos propietarios, todos ensamblados en una pila
comprimidos entre dos entablonados de contención de acero de carbono. El
entablonado de contención posterior es simple.
El entablonado de contención frontal contiene cuatro conexiones bridadas de
4”. Son para alimentación de salmuera, alimentación de caustica, salida de
salmuera/cloro y salida de caustica/hidrogeno. Las dimensiones generales del
electrolizador (sin incluir los conectores intercelulares) son: 196.9 mmH, 1283
mmW, y 1902 mmD (sin incluir las conexiones de alimentación y descarga ni las
barras tirantes).
49
El peso con la barra de distribución intercelular, sin fluido adentro, es de
6630Kg. Los conectores intercelulares son de fabricación de cobre. Hay 15 pares
tope/fondo, 15 conectados a distribuidores de corriente ánodo, 16 conectados a
distribuidores de corriente cátodo. Cuando un electrolizador se coloca en su
posición, estos conectores intercelulares reposan en planchas de barra de
distribución de cobre montados encima del acero de soporte del electrizador, así
creando la ruta eléctrica para el circuito más la fundación del electrolizador en el
circuito. En la siguiente figura 6, se muestra un esquema de un Electrolizador
MGC-30.
Figura 6. Electrolizador MGC-30. Fabricante: Oxitech Systems, Inc.Chardon,Ohio,
U.S.A. Utilizado en Planta Cloro Soda- Complejo Petroquímico Ana María Campos. Fuente: Gerencia Técnica- Pequiven (2015).
50
2.2.4.6 Descripción del Interruptor Puente JUMPER SWITCH
La función del “Jumper Switch” es mantener el flujo de corriente a través del
circuito al momento de retirar un electrolizador para su reemplazo. Cuando el
“Jumper Switch” es conectado y cerrado la corriente DC fluye a través del “Jumper
Switch” puenteando al electrolizador, lo cual permite la continuidad de la corriente
en el circuito cuando se retira el electrolizador. El “Jumper Switch” incluye un
voltímetro digital ubicado en el panel de control, el voltímetro es energizado en 24
VDC a través de dos baterías de 12 VDC conectadas en serie.
El voltímetro provee una medida de verificar que no hay un corto a través de
los módulos cuando el “Jumper Switch” se encuentre en la posición de apertura.
También sirve para verificar que cuando el “Jumper Switch” esta cerrado fluye a
través de él la corriente necesaria para remover el electrolizador en forma segura.
El “Jumper Switch” esta equipado con un selector de prueba de apertura
(CELL ON OR SWITCH OPEN TEST). Cuando el “Jumper Switch” este abierto y
exista diferencia de potencial entre sus terminales deberá brillar la luz amarilla del
panel. La posición de abierta o cerrada de los módulos de contacto de vacío no
puede ser vista desde el exterior del equipo. Sin embargo, presionando el selector
de prueba de apertura, con todos los módulos abiertos, se encenderá la luz
amarilla de indicación que el “Jumper Switch” esta abierto y la celda
electrolizadora está energizada. Si la luz no enciende, entonces uno o más de sus
contactos está cerrado, ó la lámpara del indicador esta dañada. Esta función es
utilizada para asegurar que el “Jumper Switch” ha abierto en forma segura.
El “Jumper Switch” utiliza una matriz de elementos para realizar su función de
cierre y apertura.
51
El mecanismo de apertura y cierre del “Jumper Switch” esta conformado por
21 elementos, cada elemento posee un módulo de contacto de vacío (VCM) y un
actuador neumático. El VCM esta compuesto por dos discos de cobre montados
sobre placas de acero, ver anexos 1 y 3. Los elementos están dispuestos en un
arreglo matricial para minimizar la energía inductiva almacenada. La matriz de
elementos posee “elementos conductivos de sacrificio”, estos elementos pueden
ser identificados en el dibujo mostrado en el anexo 2. Estos elementos requieren
mantenimiento periódico después de 250 operaciones a plena carga.
Para una secuencia de apertura, abren primero los “elementos de no
sacrificio”, seguidamente abren los “elementos de sacrificio” y finalmente los
elementos resistores. Los resistores son los encargados de disipar la energía
inductiva almacenada luego de la apertura de los elementos de sacrificio. Ambos
elementos son idénticos en apariencia externa. La operación completa de apertura
es un proceso multipasos que ocurre en menos de 0,5 segundos.
Cuando el “Jumper Switch” es cerrado, todos los elementos cierran alunísono.
Figura 7. Jumper Switch utilizado en la Planta Cloro Soda- Complejo Petroquímico Ana María Campos.
Fuente: Gerencia Técnica- Pequiven (2015).
52
2.3 Definición de Términos Básicos
Anión: ión cargado negativamente.
Ánodo: electrodo en donde la oxidación ocurre en una celda electroquímica. Es el
electrodo positivo en una celda electrolítica, mientras que es el negativo en una
celda galvánica. La corriente en el ánodo es considerada positiva de acuerdo a
convenciones internacionales, si embargo, en la química electroanalítica la
corriente es considerada negativa.
Anolito: También llamado salmuera agotada, es la corriente que se va a
recircular, proviene de los electrolizadores, es la porción de la materia prima
tratada que ya no puede ser sometida a la electrólisis.
Catión: ión cargado positivamente.
Cátodo: electrodo en donde ocurre la reducción en la celda electroquímica. Es el
electrodo negativo en una celda galvánica. La corriente en el cátodo es
considerada negativa de acuerdo a convenciones internacionales, si embargo, en
la química electroanalítica la corriente es considerada positiva.
Celda de Membrana de Cloro-Soda: celda para la electrólisis del cloruro de
sodio acuoso en el cual los compartimientos del ánodo y el cátodo están
separados por una membrana plástica especial que solo permite a los cationes
pasar a través de ella.
53
Celda de Mercurio de Cloro-Soda: celda para le electrólisis del cloruro de sodio
acuoso en la cual el mercurio se emplea como cátodo.
Celda electrolítica: celda electroquímica en la cual una corriente dirige una
reacción que de otro modo no seria espontánea.
Conversión: Como en cualquier otro proceso químico, se define como la fracción
de reactivo consumido en la reacción electroquímica:
xA= 1 - nA/noA.
Consumo energético: Representa la energía necesaria para obtener una
cantidad específica de producto:
Cu= W/mP = V·ℑ·(νe/νP)/ηcMP {J/g} = 2680·V·ℑ·(νe/νP)/ηc(%)MP {kWh/kg}
(donde V es el voltaje promedio de la celda a lo largo de una serie i de medidas en
el proceso, V= ΣVi/i)
Densidad de corriente: corriente dividida entre el área del electrodo.
Dureza: Es la cantidad de Ca+2, Mg+2 que posee una corriente de proceso,
puede ser cálcica o magnésica o total, en cuyo caso sería la suma de las dos
durezas.
Electrólisis: proceso para producir un cambio químico en una celda electrolítica
mediante el rompimiento de la molécula de un compuesto.
54
Electrolito: Es el nombre dado al líquido a través del cual pasa la corriente
eléctrica para producir la electrólisis.
Electrodo Bipolar: Es un electrodo que es compartido por dos celdas
electroquímicas que se encuentran dispuestas en serie, de tal modo que, un lado
del electrodo (que por lo general es plano) actúa como el ánodo en una celda y los
otros lados actúan como el cátodo en otra celda. Es un rasgo de diseño muy
eficiente el usar una sola estructura plana para electrodos en dos celdas vecinas y
también como interconexión eléctrica entre ellos.
Eficiencia de corriente: Se define como la relación entre la carga utilizada en la
formación del producto y la corriente total circulada en la celda:
ηηηηc= {(mP/MP)·νe/νP·ℑ}/Q (un valor inferior a la unidad puede indicar la
formación de subproductos por reacciones secundarias (sP), o bien por electrolisis
del disolvente u otro electrolito de soporte, e.g. oxígeno en la producción de cloro).
Intercambio iónico: proceso en el cual se hace pasar una corriente de agua a
través de una columna rellena con un material polimérico, se utiliza para
reemplazar iones de la misma carga.
Ión: partícula cargada eléctricamente obtenida de un átomo o un grupo de átomos
enlazados químicamente por adición o remoción de electrones.
Membrana de intercambio iónico: lamina de plástico formada por resinas de
intercambio iónico. Su función es dejar pasar solo iones positivos o negativos a
través de sí, dependiendo del proceso.
55
Membrana semipermeable: separador en el cual ciertas moléculas pueden
pasar, mientras que otras no.
Neutralización: todos los tratamientos destinados a llevar el agua a un pH
próximo a la neutralidad o de equilibrio, puesto que el agua puede ser ácida o
alcalina.
Precipitación: La adición de un reactivo soluble, el cual por permutación o
combinación con, los iones indeseables contenidos en el agua bruta provoca la
precipitación del producto de esta combinación.
Regeneración: Es el proceso de reemplazar los iones intercambiados de la
solución tratada durante la operación de servicio con aquellos inicialmente
presentes en el grupo funcional de la resina.
Resina de intercambio iónico: resina polimétrica que contiene fragmentos
cargados eléctricamente (iones fijos) que están unidos a la estructura del
polímero. El uso de estas resinas es en la remoción de iones no deseados en una
solución, remplazando estos iones con otros de igual carga.
Rendimiento área-tiempo: Es la producción por unidad de iempo y superficie
electródica, para una densidad de corriente (J, A/m2): PP= 9·10-6
ηc(%)MPJ·νP/νe{kg/m2día}
56
Reacción química: proceso en el que una o más sustancias denominadas
reactivos, se transforman en otras sustancias diferentes llamadas productos de la
reacción.
Sal Bruta: También llamada “Cruda”, es la sal sin procesar, contiene lodo y
sólidos no deseados para el proceso.
Salmuera: agua cargada de sal.
Selectividad: Es la relación entre los moles de producto formados y de reactivo
consumidos, y es una medida del rendimiento de la reacción:
sP = nP/(noA-nA)·νA/νP.
Soda Cáustica: Nombre dado al hidróxido de sodio (NaOH).
Solución saturada: solución que está en equilibrio con respecto a una sustancia
dada disuelta.
Voltaje de celda: Resulta de la contribución de los potenciales el ectródicos de
equilibrio, las sobretensiones anódica y catódica (<0), y la caída óhmica:
V= εoc-εoa-δa-δc-Ir .
57
2.4 Definición de las Variables
Variable: Sistema de Electrolizadores o área de celdas electrolisis
Definición Conceptual:
Sistema de Electrolizadores: módulo ordenado de equipos que se encuentran
interrelacionados y que interactúan entre sí para lograr descomponer la salmuera
en sus elementos base (cloro, Hidrogeno y Soda caustica) mediante la electrólisis.
Definición Operacional:
Sistema de Electrolizadores: Operacionalmente el sistema de electrolizadores o
cámara de células, tiene como función convertir el cloruro de sodio tratado en los
productos de cloro, hidróxido de sodio, e hidrogeno. Esta conversión ocurre dentro
del electrolizados MGC-30 de la Planta Cloro Soda, cuando la electricidad de
corriente directa y de alto voltaje de los rectificadores se pasa a través de ellos. El
electrolizador también funciona para físicamente separar el producto cloro de los
productos caustica e hidrogeno para que resulten productos muy puros. Los
electrolizadores de diseñan para efectuar la reacción con el voltaje mínimo, lo cual
resulta en un menor consumo de energía por unidad de productos.
58
Tabla. 2. Sistematización de la Variable
Fuente: Palencia y Albornoz (2015)
Objetivo General: Evaluar el desempeño de los electrolizadores para mejorar la producción de cloro de la Planta Cloro Soda del Complejo Petroquímica Ana María Campos
Objetivos Específicos Variables Dimensiones Indicadores Sub indicadores
1.- Diagnosticar la situación actual del sistema de electrolizadores que conforman el área de celdas de la Planta Cloro Soda
Sistema de Electrolizadores o área de celdas
electrolíticas
Situación actual del sistema de electrolizadores
Identificar los electrolizadores por circuito Tipos de membranas utilizadas
Circuito I: EL201-EL236 CircuitoII: EL237-EL272 Marca: - ASAHI GLASS -DUPON
2.- Analizar los tipos de membranas utilizadas en los electrolizadores del área de celdas de la Planta Cloro Soda
Tipos de membranas utilizadas en sistema de electrolizadores
por circuito
- ASAHI GLASS -DUPON -Membranas por distribución de ensamblados -Membranas por tiempo de servicio de cada electrolizador
(Flemion): F8020/F8021 (Nafion): N982TX N2010TX N2100TX
3.- Determinar la eficiencia de corriente en los electrolizadores del área de celdas de la Planta Cloro Soda
Eficiencia de corriente en los electrolizadores del sistema
-Eficiencia de corriente en electrolizadores -Eficiencia de Corriente por tipo de membrana
-Circuito I -Circuito II -Muestra de Cloro Gas -Valor permisible de Generación de Clorato de Sodio “NaCLO3”
4.- Estimar la frecuencia de falla de los electrolizadores del área de celdas de la Planta Cloro Soda
Frecuencia de falla de los electrolizadores del sistema
-Causa de Fallas Prematuras de los electrolizadores -Condiciones de las Membranas que fallaron -Interruptor Puente de los electrolizadores
-Falla de rotámetro -Rotura de tuberías de alimentación de soda caustica y salmuera. -Presión de los colectores de Cloro -Parámetros de los circuitos y cambio de cargas. -Presencia de ampollas y arrugas -Grandes manchas oscuras -Abrasión de malla y bandeja -Jumper Switch
5. Comparar los Circuitos I y II que conforman el área de Celdas de la Planta Cloro Soda
Comparación del Circuito I y II del área de Celdas
55
59
CAPÍTULO III
Marco Metodológico
3.1 Referentes Metodológico
La investigación es un proceso que está compuesto por una serie de etapas,
las cuales se derivan una de la otra. Por ello, al llevar a cabo un estudio o
investigación, el investigador debe conocer y definir las distintas maneras de
realizarla, tanto en contenido como en su estructura organizativa, para que de esta
forma la investigación resultante sea válida y confiable. (Bavaresco, 2003:12). Lo
que hace y condiciona una investigación es el procedimiento que se sigue al llevar
a cabo la misma; por ello en este capítulo se define el procedimiento para
desarrollar esta investigación con base a los objetivos planteados.
3.1.2 Diseño de la investigación
Según Sampieri y otros (2001:78), “el diseño se refiere al plan o
estrategia concebida para obtener la información que se desea. El diseño
señala al investigador lo que debe hacer para alcanzar sus objetivos de
estudio y para contestar las interrogantes de conocimiento que se ha
planteado”. Hurtado (2002:15) consideran que es el “Conjunto de decisiones,
pasos, esquema y actividades a realizar en el curso de la investigación."
Por lo tanto, Sampieri y otros (2001:65) explican que los diseños cuasi
experimental de investigación ,debido a que según es donde manipulan
deliberadamente, al menos, una variable independiente para observar su efecto y
relación con una o más variables dependientes.
60
Solo que difieren de los experimentos “verdaderos” en el grado de
confiabilidad que se pueda obtener en los resultados”. Por tal motivo, la actual
investigación es de tipo experimental ya que se manipulan variables estudiadas.
De igual manera, es necesario precisar que esta investigación es de campo,
que según Arias (1999:28) señala que una investigación de campo consiste en
la recolección de datos de los sujetos investigados, o de la realidad donde
ocurren los hechos (datos primarios), sin manipular o controlar variable
alguna.”
Por los objetivos indicados en la actual investigación desarrollada se
considera de éste tipo ; ya que se pretende establecer una interacción entre
los objetivos y la realidad de la situación del campo, observar y recolectar
los datos directamente de la realidad, en su situación natural.
Siguiendo el mismo orden de ideas, es necesario precisar que esta
investigación es de tipo documental, según Hurtado (2002:17) “el estudio de
problemas con el propósito de ampliar y profundizar el conocimiento de su
naturaleza, con apoyo, principalmente, en trabajos previos, información y
datos divulgadas por medios impresos, audiovisuales o electrónicos”.
La originalidad del estudio se reflejará en el enfoque, criterios,
conceptualizaciones, reflexiones, conclusiones, recomendaciones y, en
general, en el pensamiento del estudiante.
61
La atribución de que esta investigación es de tipo documental, por
motivo del apoyo en fuentes de carácter documental en estricto sentido
bibliográfico, basado en la consulta de libros, en artículos o ensayos de
revistas y periódicos.
3.1.3 Tipo de investigación
El tipo de investigación se refiere al grado de profundidad con que se aborda
un objeto o fenómeno. Sabino (2002:28). De manera que, Sabino (2002) define la
investigación descriptiva como aquella que "radica en describir algunas
características fundamentales de conjuntos homogéneos de fenómenos. Las
investigaciones descriptivas utilizan criterios sistemáticos que permiten poner de
manifiesto la estructura o el comportamiento de los fenómenos en estudio,
proporcionando de ese modo información sistemática y comparable con la de
otras fuentes".
Según Arias (1999:46) "los estudios descriptivos miden de forma
independiente las variables, y aun cuando no se formulen hipótesis, las primeras
aparecerán enunciadas en los objetivos de la investigación".
Por tal motivo, este trabajo de investigación es también de tipo descriptivo,
porque permitirá poner de manifiesto la relevancia que tiene el mantenimiento
eficaz y eficiente de operación del equipo interruptor puente, ya que es un equipo
clave para mantener la producción de la Planta Cloro Soda.
Así mismo Hurtado (2012) también considera que en una investigación
analítica se pretende encontrar pautas de relación interna en un evento, a fin de
llegar a un conocimiento más profundo de dicho evento, que la simple descripción;
62
intenta identificar las sinergias o los aspectos menos evidentes de los eventos
analizados. En algunos casos se manifiesta como contrastación de un evento con
otro, o la medida en que un evento contiene o se ajusta a ciertos criterios, por
ejemplo, un ser con un deber ser, o una situación práctica con unos criterios
teóricos.
De acuerdo con ello este estudio se perfila como una investigación analítica
como puede inferirse del hecho de que la evaluación del desempeño de los
electrolizadores del área de celdas electrolíticas se tratará individualmente a fin de
contrastar cada uno de los tipos de membranas que utilizan estos equipos, y la
eficacia que tienen cada una de ellas con respecto a la eficiencia de corriente que
debe mantener el sistema. Derivándose de ello un conocimiento más general que
permita al investigador evaluar la veracidad y aplicabilidad del modelo teórico.
3.1.4 Nivel y Modalidad de la Investigación
Hernández S (1996) “los estudios explicativos van más allá de la descripción
de conceptos o de fenómenos o del establecimiento de relaciones entre
conceptos; están dirigidos a responder a las causas de los eventos físicos o
sociales”. El medio de que se valen para tal labor es la verificación de una
hipótesis que en estos casos es imprescindible. Las características de este tipo
de estudios son, de manera general, las siguientes:
- parten de un abundante cuerpo teórico;
- identifican las relaciones de causalidad; y,
- proponen nuevas hipótesis para futuros estudios.
63
Esta investigación es explicativa porque en este nivel se analizan y sintetizan
los datos obtenidos en la investigación, para llegar a las conclusiones del objeto
de estudio. Para deducir que es un nivel explicativo se inició con una investigación
exploratoria, para poder recolectar los datos necesarios que nos permitan
constituir una visión aproximada de dicho planteamiento, es decir, un nivel
superficial de conocimiento y utilidad para futuros intereses sobre el tema.
Posteriormente se llegó al nivel descriptivo, por cuanto implico el desarrollo
detallado y entendible de las características, conceptos, variables y parámetros
relacionados con el tema de estudio, poniendo de manifiesto los conocimientos
teóricos y metodológicos asumidos durante el nivel exploratorio de la
investigación.
Luego se llegó al nivel comparativo con el objeto de lograr la identificación de
diferencias o semejanzas en el desempeño y eficiencia de cada uno de los tipos
de membranas utilizadas en los electrolizadores, en consideración la aparición de
un evento, en dos o más contextos, grupos o situaciones diferentes.
Y por ultimo el nivel analítico ya que se realizó la desarticulación general de las
partes en estudio como lo son los electrolizadores y sus elementos internos como
membrana iónica y ánodo fundamentales para el buen desempeño del equipo,
descomponiéndolo en sus partes o elementos para observar las causas, la
naturaleza y los efectos, analizando y examinando particularidades de las
variables cuestionadas en ambas maquinas como la eficiencia energética,
confiabilidad, consumo de combustible, inversión inicial, mantenimiento y efectos
ambientales.
64
3.1.5 Población y Muestra
Población
Según Chávez (2004:52), “La población de un estudio es el universo de la
investigación sobre el cual se pretende generalizar los resultados. Está
constituida por características o estratos que le permiten distinguir los sujetos,
unos de otros”.
Partiendo de esta definición, y considerando que en este caso particular se
persigue la optimización del proceso de producción de cloro de la Planta Cloro
Soda, por lo tanto se propone el analizar el desempeño de los electrolizadores de
dicha planta, así la población estaría representada por el área de Celdas o
Electrolisis de la Planta Cloro Soda del Complejo Petroquímico Ana María
Campos.
La población es finita, además de acuerdo a su función se considera como
objetiva debido a que se tiene acceso a cada una de las instalaciones que
conforman la población de estudio.
Muestra
Chávez, (2004:52) expresa que “La muestra es una porción
representativa de la población, que permite generalizar sobre ésta, los
resultados de una investigación. Su propósito básico es extraer información que
resulta imposible estudiar en la población, porque esta incluye la totalidad”.
Este análisis se efectuará a los electrolizadores pertenecientes al área de
Celdas de la Planta Cloro Soda del Complejo Petroquímico Ana María Campos.
65
3.1.6 Técnicas e Instrumentos de Recolección de datos
“Las técnicas de investigación son medios que utiliza el investigador para
medir el comportamiento o atributos de las variables. Entre estos se pueden
mencionar: los cuestionarios, las entrevistas y escalas de clasificación, entre
otros”. (Chávez, 2004:79).
Las técnicas de recolección de datos aseguran la fluencia de la
información ya que ellos nos conllevan a la toma de parámetros y de
normativas a seguir en el alcance del conocimiento. “La recolección se
efectúa sólo como una consecuencia de la necesidad de encontrar los datos
requeridos para su comprobación empírica” (Méndez, 2001:36). “La
investigación no tiene significado sin las técnicas de recolección de datos.
Éstas técnicas conducen a la verificación del problema planteado. Cada tipo de
investigación determinará las técnicas a utilizar y cada técnica establece sus
herramientas, instrumentos o medios que serán empleados” (Bavaresco, 2003:33).
En este trabajo se aplicó una variedad de técnicas de recolección de
datos con el fin de cumplir con cada uno de los objetivos planteados. Las
fuentes de recolección de datos utilizados en este diseño y sus implicaciones
pueden clasificarse según su procedencia de la siguiente manera:
Observación directa: esta técnica se aplica para la verificación en
persona del problema, predecir las características y datos que se
sistematizaran en la investigación haciendo énfasis en la percepción
sensorial, aumentando las probabilidades de datos exactos, es decir objetivos
y comprobables.
66
Bavaresco (2003:54) “las observaciones se pueden considerar como la
técnica de mayor importancia, por cuanto es la que conecta al investigador con la
realidad, es decir al sujeto con el objeto o problema que se está estudiando.
Entrevistas no estructuradas: Tamayo (2009:19) se expresa de esta técnica
como “la relación directa establecida entre el investigador y su objeto de estudio a
través de individuos o grupos con el fin de obtener testimonios orales”. Las
entrevistas no estructuradas fueron realizadas a los ingenieros de Planta Cloro
Soda.
Revisión bibliográfica o documental: Bavaresco (2003:54) afirma “esta
técnica tiene su apoyo en los distintos tipos de notas de contenido,
información general, resumen, paráfrasis, comentarios o confrontación directa
(textual o literal) mixta y cruzada así como la técnica de cita de pie de página y en
la bibliografía final del trabajo de investigación”.
El estudio aborda esta técnica de gran importancia para el desarrollo de la
investigación aplicada, puesto que es una buena fuente de recolección de datos a
través de esta vía, nos garantiza la optimización de la teoría analizada para
la resolución de problemas prácticos que involucran dichas investigación.
3.2 Operacionalización de las Variables
Las variables de estudio de esta investigación están relacionadas con la
visualización y compresión del tema abordado por tanto esta variable quedará
establecidas de la siguiente manera: Sistema de Electrolizadores del área de
Celdas Electrolíticas.
67
En este sentido la operacionalización de las variables para la evaluación del
desempeño de los electrolizadores para mejorar la producción de cloro, en las
cuales se instauran las pertinencias que exhiben en su dimensionamiento,
indicadores, sub-indicadores y sus técnicas, que se muestra en la tabla 3.
68
3.2- Tabla 3. Operacionalización de las Variables
Fuente: Palencia y Albornoz (2015)
Objetivo General: Evaluar el desempeño de los electrolizadores para mejorar la producción de cloro de la Planta Cloro Soda del Complejo Petroquímica Ana María Campos
Objetivos Específicos Variable Dimensiones Indicadores Sub indicadores Técnicas Instrumentos
1.- Diagnosticar la situación actual del sistema de electrolizadores que conforman el área de celdas de la Planta Cloro Soda
Sistema de Electrolizadores o área de celdas electrolíticas
Situación actual del sistema de electrolizadores
Identificar los electrolizadores por circuito Tipos de membranas utilizadas
Circuito I: EL201-EL236 CircuitoII: EL237-EL272 Marca: - ASAHI GLASS -DUPON
Revisión bibliográfica
Hoja de Registro Manual de Proceso Área de celdas electrolisis
2.- Analizar los tipos de membranas utilizadas en los electrolizadores del área de celdas de la Planta Cloro Soda
Tipos de membranas utilizadas en sistema de electrolizadores por circuito
- ASAHI GLASS -DUPON -Membranas por distribución de ensamblados -Membranas por tiempo de servicio de cada electrolizador
(Flemion): F8020/F8021 (Nafion): N982TX N2010TX N2100TX
Revisión bibliográfica Observación directa Entrevista no estructurada
Hoja de Registro “Membrane Cell Plant Operating Manual”. Manual C B1/B2/B3-D1-D7- D8-D9 – E-144 – F.(OXITECH)
3.- Medir la eficiencia de corriente en los electrolizadores del área de celdas de la Planta Cloro Soda
Eficiencia de corriente en los electrolizadores del sistema
-Eficiencia de corriente en electrolizadores -Eficiencia de Corriente por tipo de membrana
-Circuito I -Circuito II -Muestra de Cloro Gas -Valor permisible de Generación de Clorato de Sodio “NaCLO3”
Revisión bibliográfica Observación directa y estructural
Hoja de Excel Hoja de registro
4.- Estimar la
frecuencia de falla de los electrolizadores del área de celdas de la Planta Cloro Soda
Frecuencia de
falla de los
electrolizadores
del sistema
-Causa de Fallas Prematuras de los electrolizadores -Condiciones de las Membranas que fallaron -Interruptor Puente de los electrolizadores
-Falla de rotámetro -Rotura de tuberías de alimentación de soda caustica y salmuera. -Presión de los colectores de Cloro -Parámetros de los circuitos y cambio de cargas. -Presencia de ampollas y arrugas -Grandes manchas oscuras -Abrasión de malla y bandeja -Jumper Switch
Observación Directa y estructural
cocomnH
Hoja de cálculo de Excel Hoja de registro
5. Comparar los Circuitos I y II que conforman el área de Celdas de la Planta Cloro Soda
Comparación del
Circuito I y II del
área de Celdas
68
69
3.3.- Procedimientos
Evaluar el desempeño de los electrolizadores para mejorar la producción de cloro de la Planta Cloro Soda del Complejo Petroquímica Ana María Campos
Objetivo especifico Metodología aplicada Resultados
1.- Diagnosticar la situación actual del sistema de electrolizadores que conforman el área de celdas de la Planta Cloro Soda
Visitas al área de celdas de la Planta Cloro Soda Revisión de datos técnicos.
Se reconoce la situación del sistema del Jumper Switch en el área de celdas de electrolizadores, se conocen los parámetros operacionales del equipo y se dispone de las condiciones del agua requerida según diseño para dicho sistema.
Registro descriptivo de datos de funcionamiento.
Se logra profundizar en el entendimiento sobre parámetros y magnitudes del Jumper Switch
Formulación de objetivos. Ya con un organigrama mental y físico definido, se pudo formular los pasos para lograr un objetivo principal.
Evaluación del de tipo de información de recursos disponibles.
Se reunió, se analizó y se clasificaron las herramientas disponibles para atacar los objetivos planteados.
2.- Analizar los tipos de membranas utilizadas en los electrolizadores del área de celdas de la Planta Cloro Soda
Revisión bibliográfica, documental, estadística y cartográfica.
Al tener acceso a toda la información documentada posible, se pudo plasmar de manera general el mapa de actividades cronológicas y sincronizar el abordaje de puntos teóricos y prácticos durante la investigación.
Recolección de datos de campo.
Durante esta importante actividad, se complementó con teoría, para obtener cierto grado de pericia sobre lo concerniente al tema de la investigación.
Crear tabla para asentar datos de campo y tópicos de importancia.
Esta metodología nos permitió diseñar la herramienta principal con que contamos para analizar y concluir los resultados de la investigación.
Organigrama de trabajo.
Este método se implementó para establecer conexiones armónicas entre todo el material, tanto el ya existente como el producido por espontaneas visitas al campo y entrevistas esporádicas no estructuradas.
Análisis y verificación de datos de campo y documentales.
Ya con la matriz comparativa diseñada y cargada con todos los datos posibles recolectados, se logró de una forma clara establecer diferencias y conclusiones.
3.- Medir la eficiencia de corriente en los electrolizadores del área de celdas de la Planta Cloro Soda
Clasificación y registros de información. Aquí la síntesis fue utilizada como herramienta de depuración y solidificación de datos. Síntesis y conclusiones. Ya desbastada toda la información se clasifico lo más importante.
Elaboración de cuadros y tablas.
Se cargó la información obtenida en tablas y gráficos estadístico y didácticos para una clara interpretación .
4.- Estimar la frecuencia de falla de los electrolizadores del área de celdas de la Planta Cloro Soda
Comparación de magnitudes iniciales y finales del comportamiento de los equipos estudiados.
En este paso concluyente se procedió a vaciar la información relevante de los equip en cuestión en la matriz de comparación, estableciendo un balance operacional final de las mismas.
Consulta y supervisión para implementar la matriz comparativa.
Se solicitó observación del procedimiento con la matriz comparativa de parte del tutor industrial reforzando y debatiendo los análisis concluyentes.
Información, debate y conclusión.
En el espacio geográfico y poblacional (área de Celdas electrolíticas), se crearon expectativas durante el proceso investigativo donde se optó por divulgar resultados del estudio por medio de la matriz comparativa, promoviendo el debate sobre los mismos y concluyendo tópicos sobre el tema.
5. Comparar los Circuitos I y II que conforman el área de Celdas de la Planta Cloro Soda Elaboración, recopilación general y
preparación para impresión preliminar. En esta parte culminan este trabajó con la matriz de información y comparación, y anexos recolectados durante toda la investigación.
Fuente: Palencia y Albornoz (2015)
69
70
3.4 Cronograma de Actividades
Objetivos
Actividades
Tiempo
MESES – AÑO 2015
ENERO FEBRERO MARZO ABRIL MAYO
1.- Diagnosticar la situación actual del sistema de electrolizadores que conforman el área de celdas de la Planta Cloro Soda
Visitas a la planta de cloro soda Revisión de datos técnicos Registro descriptivo de datos de funcionamiento
Formulación de objetivo Revisión bibliográfica se realiza una observación directa de la situación actual del sistema de electrolizadores
2.- Analizar los tipos de membranas utilizadas en los electrolizadores del área de celdas de la Planta Cloro Soda
Revisión bibliográfica se realiza una observación directa de los tipos de membranas utilizados en el sistema
Recolección de datos de campo
Crear tabla para asentar datos de campo y tópicos de importancia.
Análisis y verificación de datos de campos y documentales
Clasificación de registro de información
3.- Medir la eficiencia de corriente en los electrolizadores del área de celdas de la Planta Cloro Soda
Síntesis y conclusiones Esquema final.
Redacción del borrador final
Elaboración de cuadros, tablas y
graficas de eficiencia de corriente por tipo membrana y servicio de mtto de los electrolizadores según num de ensamblado
4.- Estimar la frecuencia de falla de los electrolizadores del área de celdas de la Planta Cloro Soda 5. Comparar los Circuitos I y II que conforman el área de Celdas de la Planta Cloro Soda
Falla de elementos y variables claves
para el sistema (Rotametro,Tuberias)
Parada del circuito y cambio de carga
Función del Jumper Swicth
Información, debate y conclusión.
Fuente: Palencia y Albornoz (2015)
70
71
CAPITULO IV
4. Descripción y Análisis de los Resultados
Situación actual del sistema de Electrolizadores que conforman el área
de celdas
La sala de celdas de la planta Cloro soda está conformada por dos circuitos
independientes con 36 electrolizadores MGC-30 cada uno, los cuales operan
según diseño a una intensidad de corriente de 180 kA y 136 V y en la actualidad
planta se encuentra operando por debajo del diseño a una corriente de 130KA. Un
electrolizador es un ensamblado de dos o más celdas electrolíticas; el ánodo y el
cátodo están separadas por una membrana iónica delgada. El electrolizador MGC-
30 (Membrane Gap Cell) está compuesto por 30 compartimientos anódicos, 30
membranas y 30 compartimientos catódicos.
Los electrolizadores de los circuitos I y II de la planta Clorosoda utilizan
membranas fabricadas por Asahi Glass (Flemion F8020 y F8021) y Dupon (Nafion
N982TX, N2010TX, N2030TX y N2100TX). Las Figura 8 y 9 muestran la
distribución de los diferentes tipos de membranas en los circuitos I y II
respectivamente. En la Figura 8 se observa que la mayoría de las membranas son
Nafion, siendo el 42% de tipo N982TX, el 44% del tipo N2030TX, el 3% del tipo
N2010TX y N2100TX. De manera similar, en la Figura 9 se observa que la
mayoría de las membranas utilizadas por los electrolizadores del circuito II son
Nafion, siendo 50% del tipo N982TX, el 36% del tipo N2030TX, el 8% del tipo
N2100TX y el 3% del tipo N2010TX. El tipo de membrana Asahi F8021 siendo 8%
para el circuito I y 3% para el circuito II.
72
Figura 8. Distribución de membranas circuito I.
Fuente: Palencia y Albornoz (2015).
Figura 9.Distribución de membrana circuito II
Fuente: Palencia y Albornoz (2015).
N2100 3%
F8021 8% N2010TX
3%
N2030TX 44%
N982TX 42%
N2100 F8021 N2010TX N2030TX N982TX
N2100 8%
F8021 3%
N2010TX 3%
N2030TX 36%
N982TX 50%
N2100 F8021 N2010TX N2030TX N982TX
73
Actualmente el área de celdas consta en su mayoría con electrolizadores
con más de 4 años en servicio, asimismo, produce una posible disminución en el
desempeño de los electrolizadores el cual afecta la producción de cloro de planta
debido a estar limitada por no subir carga mayor a 130KA.
Durante el periodo de enero - marzo del año 2015, la carga promedio manejada
por los electrolizadores fue de 113,05 KA para el circuito I y 126.05 KA para el
circuito II.
Las Tablas 4 y 5 muestran la distribución de ensamblados en ambos
circuitos de electrolizadores, así como el tipo membrana instalada y el tiempo en
servicio de los mismos. El promedio de días en operación para el circuito I fue de
1047 días, siendo el máximo de 2121 días reportado para el electrolizador EL-219
(ensamblado #514D, membrana N982TX). Asimismo, el promedio de días en
operación para los electrolizadores del circuito II fue de 942 días, siendo el
máximo de 2091 días reportado por el EL-270 (ensamblado #516G, membrana
N2030TX).
En el mismo sentido, los electrolizadores del circuito I constan de 10
electrolizadores con más de 4 años en servicio y en el circuito II de 7
electrolizadores con mas de 4 años en servicio, siendo la vida útil de las
membranas 3 años, es decir, a mayor tiempo en servicio un electrolizador es
posible una disminución de la eficiencia del electrolizador y un incremento en el
contenido de soda cáustica en el anolito respectivamente, sin embargo no impacta
la calidad de cloro.
74
Tabla 4. Distribución de ensamblados, tipos de membranas y tiempo en servicio
de los electrolizadores circuito I.
Electrolizador Ensamblado Fecha
Servicio Fecha última Reparación
Tipo de membrana
Días en servicio
EL-201 #601 24/05/2014 00/00/00 N2030TX 108
EL-202 #541B 15/04/2010 29/11/2013 N2030TX 1587
EL-203 #572ª 24/05/2012 08/05/2013 N2030TX 828
EL-204 535C 20/11/2009 02/04/2014 N982TX 1732
EL-205 #561E 03/10/2011 25/05/2014 N982TX 1059
EL-206 #569 17/04/2012 00/00/00 N982TX 865
EL-207 #597 25/03/2014 00/00/00 N2030TX 167
EL-208 #602 26/05/2014 00/00/00 N2030TX 106
EL-209 575 25/05/2012 00/00/00 N982TX 827
EL-210 #576 26/05/2012 00/00/00 N2030TX 826
EL-211 #566F 02/05/2012 07/04/2014 N982TX 850
EL-212 #554ª 07/06/2011 30/08/2013 F8021 1175
EL-213 #548B 18/04/2011 19/06/2013 N982TX 1224
EL-214 #594 28/01/2014 04/10/2013 N2100TX 224
EL-215 586B 29/04/2013 02/04/2013 N982TX 493
EL-216 544D 14/03/2011 15/11/2013 N982TX 1258
EL-217 #532 21/09/2009 00/00/00 N2010TX 1791
EL-218 574 25/05/2012 00/00/00 N2030TX 827
EL-219 #514D 21/10/2008 29/12/2013 N982TX 2121
EL-220 #530J 14/08/2009 15/04/2014 N2030TX 1828
EL-221 #570 23/04/2012 00/00/00 N982TX 859
EL-222 #547-K 03/05/2011 09/04/2013 N2030TX 1209
EL-223 555-B 22/08/2011 29/08/2012 F-8021 1100
EL-224 538C 01/03/2010 21/11/2013 N982TX 1631
EL-225 #604 16/06/2014 00/00/00 N2030TX 86
EL-226 #552B 26/05/2011 25/03/2014 F8021TX 1186
EL-227 #578 27/08/2012 00/00/00 N982TX 345
EL-228 #531 18/09/2009 00/00/00 N2030TX 1794
EL-229 #558ª 29/08/2011 06/12/2011 N2030TX 1093
EL-230 #553D 04/05/2011 13/05/2013 N2030TX 1208
EL-231 #535D 20/11/2009 02/04/2014 N2030TX 1732
EL-232 529D 14/08/2009 19/09/2013 N982TX 1828
EL-233 #567ª 16/03/2012 16/04/2012 N2030TX 896
EL-234 577 02/07/2012 00/00/00 N982TX 790
EL-235 595 06/03/2014 00/00/00 N2030TX 186
EL-236 #528D 22/07/2009 07/11/2013 N982TX 1850
Fuente: Palencia y Albornoz (2015).
75
Tabla 5. Distribución de ensamblados, tipos de membranas y tiempo en servicio
de los electrolizadores circuito II.
Electrolizador Ensamblado Fecha
Servicio Fecha última Reparación
Tipo de membrana
Días en servicio
EL-237 598 01/04/2014 00/00/00 N2030TX 161
EL-238 571 27/04/2012 00/00/00 N982TX 855
EL-239 531G 18/09/2009 22/05/2014 N2030TX 1794
EL-240 584A 13/04/2013 29/04/2013 N982TX 509
EL-241 591A 06/06/2013 25/10/2013 N2100 456
EL-242 596 24/03/2014 00/00/00 N982TX 168
EL-243 549-E 04/05/2011 22/10/2013 N982TX 1208
EL-244 587A 16/05/2013 04/06/2012 N982TX 476
EL-245 579-A 28/08/2012 14/10/2013 N2030TX 734
EL-246 573 A 24/05/2012 26/10/2012 N982TX 828
EL-247 546-C 11/04/2011 13/10/2011 N2010TX 1231
EL-248 534F 17/11/2009 02/06/2014 N2030TX 1735
EL-249 600 12/05/2014 00/00/00 N2030TX 120
EL-250 537E 11/02/2010 03/04/2014 N982TX 1651
EL-251 551-F 23/05/2011 18/07/2013 F-8021 1189
EL-252 550-D 16/05/2011 24/11/2011 N2030TX 1196
EL-253 585-A 19/03/2011 07/03/2014 N982TX 1253
EL-254 559 27/09/2011 00/00/00 N982TX 1065
EL-255 564-B 27/12/2011 30/10/2012 N2030TX 975
EL-256 581 10/12/2012 00/00/00 N2030TX 632
EL-257 557A 26/08/2011 24/05/2014 N982TX 1096
EL-258 588D 18/05/2013 28/12/2013 N-982TX 474
EL-259 542C 04/05/2010 06/12/2013 N982TX 1568
EL-260 580-A 19/09/2012 01/11/2012 N982TX 713
EL-261 582 08/02/2013 00/00/00 N2030TX 574
EL-262 589-B 17/05/2014 12/05/2014 N982TX 115
EL-263 536C 21/12/2009 12/03/2014 N982TX 1701
EL-264 592A 04/07/2013 22/07/2013 N2100TX 428
EL-265 583 13/02/2013 18/01/2013 N982TX 569
EL-266 565 03/02/2012 00/00/00 N982TX 939
EL-267 526-E 03/06/2009 28/12/2013 N982TX 1899
EL-268 #593 11/11/2013 00/00/00 N-2100TX 301
EL-269 560 27/09/2011 00/00/00 N2030TX 1065
EL-270 516-H 21/11/2008 03/12/2013 N2030TX 2091
EL-271 562B 06/10/2011 10/06/2013 N2030TX 1056
EL-272 556A 24/08/2011 26/03/2014 N2030TX 1098
Fuente: Palencia y Albornoz (2015).
76
4.3 Determinar la eficiencia de corriente de los electrolizadores por
circuito
Con la finalidad de estimar la eficiencia de corriente de los electrolizadores
del circuito I y II, se procedió a calcular la eficiencia a través del método
suministrado por la licenciante DENORA, este método da resultados de eficiencia
de corriente eficaces, ya que considera variables de proceso que pueden afectar
la eficiencia de corriente, y de igual manera, calcula el voltaje corregido a una
densidad de corriente 3.5 KA/M2, 90°C y 33% NaOH. Ver anexo 1 y 2.
La figura 10 y 11 muestran la eficiencia de corriente calculada y la
generación de clorato de sodio para los electrolizadores del circuito I y II
respectivamente, durante el período comprendido entre febrero y abril de 2015.
Para ambos circuitos se observa que no se cuenta con resultados para todos los
electrolizadores, debido a que se realiza la recolección de muestras para el anolito
y cloro gas diariamente, obteniendo las muestras contaminadas con aire
descartándose los resultados por presentar alto contenido de oxigenó y nitrógeno.
Para el circuito I solo se cuenta con resultados de eficiencia de corriente
para 10 electrolizadores lo que representa el 27,77% del total de los mismos.
Entre los resultados obtenidos se tiene una eficiencia de corriente promedio de
94% para este circuito, siendo el máximo reportado de 96% para el electrolizador
EL-229 (ensamblado #558A, membrana N2030TX) y el valor mínimo de 88%
reportado por el electrolizador EL-212 (ensamblado #554A, membrana F8021).
En cuanto a la generación de clorato de sodio se observa que para los
electrolizadores algunos de los valores reportados se encuentran por encima del
valor máximo permisible para este parámetro (2,0 g/L), obteniendo un promedio de
(2,51 g/L) para el circuito I. Asimismo, los electrolizadores que reportaron altos
valores de generación de clorato de sodio se corresponden en su mayoría con las
77
eficiencias de corriente más bajas. Este comportamiento es de esperarse ya que
el clorato de sodio es producto de una reacción secundaria dentro del
electrolizador y es generado en las celdas debido a la deficiencia de membranas
(retromigración de OH del catolito hacia el anolito), y un alto incremento de clorato
de sodio en el anolito ocasiona deterioro en la membrana.
Figura 10. Eficiencia de corriente de los electrolizadores del Circuito I. Período. Febrero - Abril.
Fuente: Palencia y Albornoz (2015).
Asimismo, de acuerdo con los resultados mostrados en la figura 11, se
cuenta con valores representativos para 19 electrolizadores para el circuito II lo
que representa el 52,77% del total. El valor promedio para eficiencia de corriente
en el circuito II fue de 97%, siendo el valor máximo de 98.7% reportado por el
electrolizador del EL-253 (ensamblado #580A, membrana N982TX) y el valor
mínimo de 94% reportado por el electrolizador EL-248 (ensamblado #551G,
membrana F8021).
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
80,0
82,0
84,0
86,0
88,0
90,0
92,0
94,0
96,0
98,0
100,0
GE
NE
RA
CIÓ
N D
E N
aC
lO3 (
g/L
)
EF
ICIE
NC
IA (
%)
ELECTROLIZADORES
Eficiencia de corriente
78
En cuanto a la generación de clorato de sodio en los electrolizadores del
circuito II se observa que la mayoría reportaron valores inferiores a 2,0 g/L (valor
máximo permisible).
Figura 11. Eficiencia de corriente de los electrolizadores del Circuito II. Período. Febrero - Abril.
Fuente: Palencia y Albornoz (2015).
4.3.2 Eficiencia de corriente por tipo de membrana
En las Tablas 6 y 7 se muestran los valores promedio para la eficiencia de
corriente, el tiempo en servicio y la generación de clorato de sodio NaClO3
generado en los circuitos I y II respectivamente. En la Tabla 6 se observa que la
eficiencia de corriente reportada se encuentra alrededor del 90% y 94%. La
membrana que reportó la eficiencia más alta fue la membrana de tipo N2030TX
(95%). En cuanto a la generación de clorato de sodio se observa que los valores
promedio reportados se encuentran en su mayoría por encima del valor permisible
de 2,0 g/L (máximo permisible).
79
En cuanto al tiempo en servicio de los electrolizadores, las membranas
N2010TX y F8021 fueron las que reportaron mayor tiempo promedio en servicio
(1788 días y 1150,66 días), mientras que las membranas N982TX y N2030TX
fueron las que presentaron menor duración (1116 días y 969,43 días).
Tabla 6. Datos promedio por tipos de membranas para los electrolizadores del circuito I.
Tipo de membrana
Tiempo promedio
en servicio (días)
Eficiencia de
corriente promedio
(%)
Promedio de
generación de NaClO3
(g/L)
Número de muestras
representativas
N2100TX 221 00 00 00
F8021 1150,66 90 3,2 1
N2010TX 1788 00 00 1
N2030TX 969,43 95 2,4 5
N982TX 1116 94.5 3 3 Fuente: Palencia y Albornoz (2015).
Asimismo, en la Tabla 7 se observa que la eficiencia de corriente reportada
se encuentra alrededor del 90% y 97%. La membrana que reporto la eficiencia
más alta fue la membrana de tipo N2100TX (97%). En cuanto a la generación de
clorato de sodio se observa que los valores promedio reportados se encuentran
alrededor de 2 g/L y la membrana tipo F8021 presento valores por encima del
máximo permisible (2 g/l). Es importante mencionar que las membranas tipo
N2100TX han venido operando con una eficiencia optima y con respecto a la
generación de clorato de sodio presentan los valores más bajos < 1.5 g/l.
80
Tabla 7. Datos promedio por tipos de membranas para los electrolizadores del circuito II.
Tipo de membrana
Tiempo promedio en servicio (días)
Eficiencia de corriente promedio
(%)
Promedio de generación de NaClO3
(g/L)
Número de muestras
representativas
N2100TX 392 97 1 3
F8021 1186 00 00 00
N2010TX 1228 96,75 1,70 1
N2030TX 1015 96 3 2
N982TX 946 90 2 13 Fuente: Palencia y Albornoz (2015).
Para ambos circuitos se incluyó el número de muestras representativas,
como se menciono anteriormente debido a los problemas presentados durante los
análisis se cuenta con muy pocas muestras, lo que disminuye la confiabilidad de
los resultados presentados.
Por su parte, las Figuras 12 y 13 relacionan la eficiencia de corriente con los
días en servicio de acuerdo con el tipo de membrana utilizada. En la Figura 12 se
observa que la eficiencia de corriente con respecto a las membranas tipo F8021
son afectadas con el tiempo en servicio. No se contaron con muestras
representativas para el cálculo de la eficiencia para el tipo de membrana N2100TX
y N2010TX.
81
Figura 12. Relación entre el tiempo de servicio y la eficiencia de corriente según el
tipo de membrana para el Circuito I. Fuente: Palencia y Albornoz (2015).
En la figura 13 se observa que la eficiencia de corriente del circuito II se
mantiene prácticamente constante independientemente de los días en servicio de
acuerdo a los diferentes tipos de membranas. No se contaron con muestras
representativas para el cálculo de la eficiencia para el tipo de membrana F8021.
Figura 13. Relación entre el tiempo de servicio y la eficiencia de corriente según el tipo de membrana para el Circuito II. Fuente: Palencia y Albornoz (2015).
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
50
65
80
95
N2100 F8021 N2010TX N2030TX N982TX
Pro
me
dio
tie
mp
o e
n s
erv
icio
(d
ías
)
Efi
cie
ncia
de c
orr
ien
te (
%)
Tipos de membranas
Eficiencia de corriente
0
500
1000
1500
2000
2500
50
65
80
95
N2100 F8021 N2010TX N2030TX N982TX
Pro
me
dio
tie
mp
o e
n
se
rvic
io (
día
s)
Efi
cie
nc
ia d
e c
orr
ien
te (
%)
Tipos de membranas
Eficiencia de corriente
82
4.4.- Estimar la Frecuencia de Fallas de los electrolizadores.
Durante el trimestre de enero - marzo del año 2015 se repararon 19
ensamblados y entre ellos algunos electrolizadores les correspondía ser
desarmados por presentar más de 5 años en servicio.
La figura 14 muestra la distribución de la frecuencia de falla entre los
diferentes tipos de membranas. Se observa que el 53% de las fallas ocurrieron en
membranas del tipo N2030TX. Asimismo, las membranas de tipo N982TX
presentaron el 37%, y por último las membranas F8021 presento un 10%.
Figura 14. Distribución de la frecuencia de falla de las membranas Enero - Marzo 2015. Fuente: Palencia y Albornoz (2015).
La figura 15 muestra el número de ensamblados o electrolizadores que
fallaron por mes. Durante el mes de abril se reportaron siete (7) electrolizadores
con fallas. Asimismo, durante el mes de mayo se reportaron diez (10)
electrolizadores con falla. Finalmente durante el mes de junio se reportaron dos (2)
electrolizadores con fallas.
F8021 10%
N982TX 37%
N2030TX 53%
F8021 N982TX N2030TX
83
Figura 15. Frecuencia de falla de electrolizadores en Enero - Marzo del 2015. Fuente: Palencia y Albornoz (2015).
4.4.1 Reparaciones de ensamblados.
Del 100% que representan los 72 electrolizadores en el área de celdas, el
26.38% (19 electrolizadores) representa el total de electrolizadores que fugaron
en el lapso analizado, tanto como ensamblados nuevos y ensamblados que
habían sufrido reparaciones anteriores. La tabla 8 muestra los tiempos en servicio
máximos de algunos de estos ensamblados reparados desde su última instalación
hasta su presente.
Estos ensamblados observados en la tabla indica ser reparado por fugas en
algunas de sus celdas, igualmente se pudo establecer que algunos ensamblados
han sido reparados reiteradamente en el termino de menos de 1 meses.
0 2 4 6 8 10
Enero
Febrero
Marzo
Número de Fallas
84
Tabla 8. Duración de ensamblados reparados reiteradamente en el periodo enero - marzo
2015.
ENSAMBLADOS REPITE FUGA
EN 1 MES
ENSAMBLADOS REPITE FUGA
EN 3 Y 6 MESES
#535C (12 días)
#535D (20 días)
#534E (10 días)
#603 (14 días)
#534D (1 meses
y 21 días)
#516H (3
meses)
#530I (3 meses y 17 días)
#531F (3 meses
y 25 días)
#589A (4 meses y 3 días)
#552a (4 meses
y 15 días)
#523D (5 meses
y 22 días)
Fuente: Palencia y Albornoz (2015).
De 19 ensamblados, 10 han sido reparados reiteradamente y los 09
sobrantes se han mantenido en servicio hasta más de 1 y 2 años en servicio sin
volver nuevamente a fugar. Esto nos indica tal como se viene efectuando
(reemplazo de celdas) no se garantiza que elimine la celda problema, ya que
puede existir otras celdas con fugas o durante el proceso de reemplazo se puede
dañar alguna de las membranas, esto se evidencia en los análisis de ppm de
NaOH realizado al electrolizador luego de colocarlo nuevamente en servicio.
En la tabla 9 se muestra la concentración de NaOH de los ensamblados
nuevos y reparados reiteradamente entre enero-marzo, en la misma se puede
observar los ensamblados #523D, #516H, 535D, y 534D/E presentan valores
superiores a 1500 ppm NaOH (Diseño: 0 – 1500 ppm Membranas usadas, máximo
permisible 2000 ppm), lo siguiente indica existencia de huecos en membranas,
razón por la cual los ensamblados presentaron poco tiempo en servicio y de igual
modo, los que reportaron alto contenido de soda posterior al reemplazo es posible
que presenten poco tiempo en servicio.
85
Por otro lado, los ensamblados mencionados tienen más de 4 años en
servicio, por encima de su vida útil, excepto los electrolizadores #589A que tiene 1
año y 3 días, #552A con 3 años y #603 con 14 días en servicio.
Tabla 9. Contenido de soda cáustica en el anolito de los ensamblados reparados reiteradamente en el periodo - marzo 2015.
ENSAMBLADOS REPITE FUGA
EN 1 MES
ENSAMBLADOS REPITE FUGA
EN 3 Y 6 MESES
#535C (1240ppm)
#535D (1905ppm)
#534E (1618ppm)
#603 (1344)
#534D (1831ppm)
#516H (2193ppm)
#530I (Circuito F/S)
#531F (1059ppm)
#589A (N.D)
#552a (965ppm)
#523D (3057ppm)
Fuente: Palencia y Albornoz (2015).
En el mismo sentido, se tiene el ensamblado #603 con un tiempo en
servicio de 14 días con alto contenido de NaOH de 1344ppm relativamente
(Diseño: 0 - 500ppm Membranas nuevas). La especificación de concentración de
NaOH en el anolito para ensamblados nuevos esta establecida en valores por
debajo de500 ppm, valores superiores a este se especifican para membranas
usadas con tiempo mayor de 1 año. Es importante mencionar que altos valores de
ppm de NaOH puede indicar fallas durante el armado, llenado y/o puesta en
servicio del electrolizador o fallas con las membranas.
4.4.2 Causas de las fallas prematuras de los electrolizadores
4.4.2.1 Fallas de rotámetros, rotura de tuberías de alimentación
de soda cáustica y salmuera.
Debido a que el volumen de cada compartimiento de anolito es
relativamente pequeño, cuando se producen fallas en rotámetros y válvulas en la
alimentación de la salmuera se puede originar una reducción del flujo de
alimentación de salmuera al electrolizador causando un excesivo agotamiento de
NaCl en el anolito y producir daños irreversibles en las membranas en poco
86
tiempo. Este tipo de daños se detecta por la presencia de ampollas en la
membrana la cual se ha evidenciado en algunas membranas que han fallado. El
impacto sobre la membrana se produce cuando ocurre una disminución del flujo
de alimentación de soda al electrolizador o cuando se realiza la reparación ya que
se debe drenar el electrolizador, la cual es una condición muy desfavorable para la
integridad de la membrana.
4.4.2.2 Presión en los colectores de cloro.
La figura 16 y 17 muestra el comportamiento de las presiones de los
colectores de cloro en el transcurso del periodo de enero, febrero y marzo,
observándose variaciones que sobrepasan los limites permitidos (10 a (-10)
mmH2O). Se presenta un comportamiento no similar en la presión del colector del
circuito I y la presión del colector del circuito II, ya que la presión alcanzada en el
circuito I a principio de mes fue de 30 mmH2O, debido a la deficiencia del
compresor de cloro C, haciendo que actué el pote de sello de cloro E3-D301A/B.
Figura 16. Comportamiento de la presión en el colector del circuito II durante el periodo Enero- Marzo del 2015.
Fuente: Palencia y Albornoz (2015).
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
25
30
35
Pre
sió
n (
mm
H2O
)
Tiempo (Enero - Marzo 2015)
Presión del Colector A
87
Figura 17. Comportamiento de la presión en el colector del circuito I durante el periodo
Enero - Marzo del 2015. Fuente: Palencia y Albornoz (2015).
Durante las variaciones en la presión del colector de cloro, la membrana
realiza movimientos alternos de flexión-tensión que hacen que las mallas se
muevan contra el cátodo, y a medida que la membrana se mueve se produce un
roce con los electrodos. Con una presión manejada superior a la permisible, se
produce mayor abrasión o roce a la membrana que pueden conllevar a rasgaduras
de las membranas, que posteriormente permite el paso fácil de soda cáustica del
lado cátodo al lado ánodo.
En la medida que se reducen las variaciones bruscas de presión diferencial
(H2/Cl2) en los electrolizadores se incrementa la posibilidad de aumentar la vida
útil de las membranas.
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
25
30
Pre
sió
n (
mm
H2
O)
Tiempo (Enero - Marzo 2015)
Presión del Colector B
88
4.4.2.3 Paradas de los circuitos y cambios de carga.
Las figuras 18 y 19 muestran las variaciones de carga en los circuitos I y II,
respectivamente durante los meses de enero, febrero y marzo. En este período
para el circuito I se registraron tres (3) variaciones de carga considerables.
Las mismas fueron ocasionadas en el mes de enero por el disparo del
compresor de cloro C y el bajo inventario de solkafloc que conllevo a salir de
servicio el circuito I, y por último, a finales de marzo hubo una falla eléctrica.
Por otro lado, las variaciones de carga promedio entre 130KA - 120KA es
debido por la deficiencia que presenta el jumper switch ya que al momento del
reemplazo de un electrolizador se procede a bajar carga de 130KA a 100KA.
Figura 18. Variaciones de carga en el Circuito I. Fuente: Palencia y Albornoz (2015).
89
Asimismo, para el circuito II se registraron aproximadamente cinco (5)
variaciones de carga, adicionalmente, sumando las distintas variaciones de carga
generadas por problemas con equipos relacionados en el proceso, que producen
inestabilidad en los circuitos.
Las mismas fueron ocasionadas en el mes de enero por el disparo del
circuito II por la falla del electrolizador EL-236, luego para finales de periodo hubo
una falla eléctrica externa y alto Ca/Mg en el tanque de salmuera ultra pura E1-
TK114. Seguidamente, para el mes de febrero, para la fecha 15/2/2015 ocurrió
problemas con el electrolizador EL-262.
Finalmente para el mes de Marzo se presentó fuga de soda caustica en la
PC4183 el cual se optó por bajar carga para la reparación de la misma el día
26/03/2015.
Figura 19. Variaciones de carga en el Circuito II. Fuente: Palencia y Albornoz (2015).
90
Es importante considerar que las paradas súbitas y variaciones de carga
pueden causar daños en las membranas, variaciones en las concentraciones de
los electrolitos y cambios de temperatura que originan repetidos ciclos de
calentamiento y enfriamiento de las membranas.
Estas variaciones de temperatura pueden causar cambios en el
comportamiento (expansión/contracción) de las membranas que pueden producir
arrugas, esto, aunado a las variaciones de presión que se generan durante las
paradas y variaciones de carga de los circuitos, pueden producir abrasión y
finalmente causar huecos a las membranas.
4.4.2.4 Condiciones observadas en membranas que fallaron luego de
desarmado el ensamblado.
En inspección visual realizada a algunas de las membranas que han fugado se
ha podido detectar:
Presencia de ampollas y arrugas: se han observado ampollas cerca de la parte
superior y en el centro de las membranas. Entre las causas que originan el
ampollamiento de las membranas se tiene: agotamiento localizado de la salmuera
dentro de la celda, agotamiento excesivo del anolito, transporte de agua en
reverso durante paradas y corriente en reverso. También, durante las paradas del
circuito o de un electrolizador se puede originar una corriente en reverso causando
formación de ampollas en las membranas si no se desaloja complemente el cloro
o hipoclorito del anolito.
91
Grandes manchas oscuras: estas manchas son el resultado de la liberación de
níquel del cátodo originado por corriente inversa o por difusión de hipoclorito a
través de la membrana durante paradas y/o drenaje de los electrolizadores, al no
efectuar un eficiente lavado (recirculación de la salmuera) para remover el cloro.
Abrasión de malla y bandeja: estas abrasiones son el resultado de la variación
de presión de los colectores de cloro, aunado a las variaciones de presión que se
generan durante las paradas ó variaciones de carga en los circuitos, pudiendo
producir abrasión y finalmente causar daños mecánicos en las membranas debido
a la fluctuación de la presión.
Es importante mencionar, que no se dispone de una cámara adecuada para la
captación de imágenes a las fallas observadas en los electrolizadores.
4.4.2.5. Interruptor puente de los electrolizadores “Jumper Switch”
El interruptor puente tiene conectores o brazos adaptadores de cobre, los
cuales se unen a ambos lados del electrolizador a ser retirado. Cuando el
interruptor puente se conecta, la corriente (DC) fluye a través del mismo,
puenteando al electrolizador.
Esto permite la continuidad de la corriente en el circuito cuando se retira el
electrolizador, sin embargo, este equipo opera actualmente por encima de los
puntos de disparos permisibles lo que indica baja eficiencia. Esta situación nos
trae como consecuencia tener que bajar carga de planta, hasta 100Ka cuando se
va a realizar el reemplazo de algún electrolizador generando altas PNR.
92
Es importante acotar, que desde el punto de vista de la seguridad, esto
representa una condición de alto riesgo, para el personal que labora en el área de
electrolizadores. De este modo, las PNR generadas debido al reemplazo de los
electrolizadores durante el trimestre Enero – Marzo 2015 son de 121.82 TM Cl2.
Por ende, es necesario el estudio para obtener un nuevo Jumper Switch y por los
momentos el reemplazo de módulos en su totalidad para su mayor confiablidad.
4.5 Comparar los circuitos I y II que conforman el área de Celdas de la
Planta Cloro Soda
A continuación se realiza una comparación de una forma precisa entre el
circuito I y II conformados por los 72 electrolizadores en el área de celdas de la
Planta Cloro Soda:
SUGERENCIA: REALIZAR CUADRO COMPARATIVO DEL CIRCUITO I Y
II, CON LO ASPECTOS MAS RESALTANTES EXPLICADOS EN LOS
OBJETIVOS ANTERIORES.
93
CONCLUSIONES
MEJORAR Y RESUMIR LAS CONCLUSIONES GENERALIZADAS 1 POR
OBJETIVO, ES DECIR 5 CONCLUSIONES
Teniendo claro lo expuesto en líneas anteriores, se presentan entonces las
conclusiones pertinentes, estas fueron presentadas por objetivos específicos,
demostrando así la compresión de cada uno de ellos;
En cuanto a la situación actual del sistema de electrolizadores o sala se
celdas de la planta Cloro Soda, estas actualmente se encuentra operando
por debajo del diseño a una corriente de 130KA, así como se determina que
las membranas utilizadas en cada uno de los electrolizadores son
fabricadas por Asahi Glass (Flemion F8020 y F8021) y Dupon (Nafion
N982TX, N2010TX, N2030TX y N2100TX).
Se observa que entre los dos circuitos existe un total de 19 electrolizadores
con más de 4 años en servicio, considerando que la vida útil de las
membranas es de aproximadamente 3 años.
Con respecto a la eficiencia de corriente para ambos circuitos no se
cuentan con resultados para todos los electrolizadores, debido a que se
realiza la recolección de muestra para anolito y cloro gas diariamente,
obteniendo las muestras contaminadas con aire descartándose los
resultados por presentar alto contenido de oxigeno y nitrógeno. La
eficiencia de corriente promedio calculada para el circuito I fue de 94% y
para el circuito II de 97%.
Las PNR reportada debido a la deficiencia del Jumper Swicht durante el
trimestre Enero – Marzo 2015 son de 121.82 TM Cl2.
94
RECOMENDACIONES
Repetir el muestreo diario de los electrolizadores individuales de cloro gas
en caso de que las muestras de los mismos resulten contaminadas con
aire, con la finalidad de obtener datos de alta confiabilidad para los cálculos
de eficiencia de corriente.
Proveer nuevas membranas tipo N2100TX para ensamblados nuevos.
No realizar el aumento de carga mayor a 130KA por circuito.
Realizar el remplazado de los 17 electrolizadores con más de 4 años en
servicio, asimismo cumplir los ensamblados nuevos por año (24
ensamblados nuevos), para evitar tener ensamblados con más de 5 años
en servicio en los circuitos.
Realizar el estudio necesario y alternativas tecnológicas para la obtención
de un nuevo equipo “interruptor puente”, así como también programar el
mantenimiento mayor que requiera el Jumper Swicht para un aumento de
confiabilidad de operación del mismo, sin la necesidad de bajar carga (KA).
Realizar la procura de materiales (estocásticos, ánodos y membranas
Dupont) con la finalidad de realizar la prueba de los ánodos/cátodos y
membranas de Jianying Anuo Electrode, y de esta forma, contar con
repuestos para electrolizadores nuevos y para reparación.
95
REFERENTES BIBLIOGRAFICOS
1. Enner G.Herrera A. ose C.Nuñe V. (2004) “Ingeniera Conceptual de
una Planta Cloro Soda” Edo.Zulia, Venezuela.
2. Ana J.Gome. (2002). “Simulación Dinamica del Sistema de
Procesamiento de Hidrogeno de una Planta de Cloro Soda” Edo
Zulia. Venezuela.
3. Ruth Cañizalez, Sergio de Pool y Ricardo Fabelo.(2014) “Dieño de un
Sitema de Control optimo para la Regulacion de Presión del
Cabezal de Cloro de las Camaras de Celdas de la Planta Cloro Soda
Pequiven” ” Edo Zulia. Venezuela.
4. Arias, F. (2004). El proyecto de investigación. Introducción a la
metodología científica. 4ta edicion. Editorial Episteme. Caracas –
Venezuela
5. Bavaresco, A, (2000) Proyecto Metodológico en la investigación (como
hacer un diseño de investigación) Academia Nacional de Ciencias
Económicas. Servicios Bibliotecarios de la universidad del Zulia.
Caracas – Venezuela.
6. Blaxter, L, Hughes, C. I Tight, M. (2000) Como se hace una
investigación Colección Herramientas Universitarias. Barcelona: Gedisa
7. Colmenares, M. (2004) Metodología de la investigación. Material de
apoyo para la cátedra de investigación I.
8. Comer, D. (1996). Redes globales de información con internet y TCP/IP.
9. Chávez, N. (2001) Introducción a la investigación Educativa. Sin
Editorial. Maracaibo
10. De Pelekais, C.; Finol De Franco, M:; Neuman, N. Y Parada, J. (2005).
El ABC de la investigación. Una aproximación Teórico – Práctica.
Ediciones Astro Data S.A. Maracaibo- Venezuela.
11. Diccionario Larousse (2002).5ta Edicion
12. Finol, T. y Nava de villabos, H, (2002). Procesos y productos en la
investigación Documental. Editorial de la Universidad del Zulia.
Maracaibo.
13. Hernández, Fernández y baptista (2003). Metodología de la
investigación Mexico: Editorial Ultra, S.A. de C.V.
14. Hernández, J. (2008) Implantación de un sistema automatizado para la
inyección de tretaetilo de plomo a las mezclas de gasolina Caso: CRP-
Amuay- PDVSA. Trabajo especial de grado en Ingeniería en Electronica.
Universidad Dr. Rafael Belloso Chacin. Maracaibo
96
15. Hurtado de Barrera, J (2002). Metodología de la investigación
holística.caracas. Ediciones de la fundación Servicios y proyecciones
para América Latina.
16. Kuo, B. (1999). Control de procesos. Editores Mc. Graw Hill.
17. Manual de la Gerencia de servicios industriales de Pequiven. (2006)
18. Manual para metodología de la investigación. Material de apoyo para la
cátedra seminario I. (2004) URBE
19. Méndez, C. (2003). Metodología. Editorial. McGraw-Hill. Mexico
20. Perdomo, R. (1996). Metodología de la investigación Jurídica.
Universidad de los Andes Consejo de Publicaciones. Consejo de
desarrollo Científico Humanístico y Tecnológico. Mérida- Venezuela
21. Sabino, C. (2002). El proceso de Investigación. Segunda edicion.
Panamericana Editorial. Santa Fe de Bogotá. Colombia
22. • Ebbing, Darrell D. (1997)“Química General”. McGraw- Hill. Mexico
23. • Ludwing, Ernest. “Applied Process Desing for Chemical and
Petrochemical
24. Plants”.(1970) Volumen I. McGraw- Hill. Mexico
25. • Eltech System Corporation. Membrane Cell Technology. (2001)
26. VEPICA/OXITECH. (2012) .Planta Cloro Soda Complejo Zulia,
“Membrane Cell Plant Operating Manual”. Manual B1/B2/B3.
27. VEPICA/OXITECH. (2012) .Planta Cloro Soda, Complejo Zulia,
“Membrane Cell Plant Operating Manual”. Manual C.
28. VEPICA/OXITECH. (2012). Planta Cloro Soda, Complejo Zulia,
“Membrane Cell Plant Operating Manual”. Manual D1-D7.
29. VEPICA/OXITECH. (2012) .Planta Cloro Soda, Complejo Zulia,
“Membrane Cell Plant Operating Manual”. Manual D8-D9.
30. VEPICA/OXITECH. (2012). Planta Cloro Soda, Complejo Zulia,
“Membrane Cell Plant Operating Manual”. Manual E.
31. VEPICA/OXITECH. (2012). Planta Cloro Soda, Complejo Zulia,
“Membrane Cell Plant Operating Manual”. Manual F.
97
ANEXOS
Anexo 1
Hoja de cálculo utilizada para estimar la eficiencia de corriente de los electrolizadores (ejemplo.1)
Fuente: Palencia y Albornoz (2015)
98
Anexo 2
Hoja de cálculo utilizada para estimar la eficiencia de corriente de los electrolizadores (ejemplo. 2) Fuente: Palencia y Albornoz (2015)
99
Anexo 3
Área de Celdas Electrolíticas Circuito I y II Fuente: Palencia y Albornoz (2015)
Anexo 4
Jumper Swicht en servicio Fuente: Palencia y Albornoz (2015)
100
Anexo 5
Membrana perforada por filamento en malla Fuente: Palencia y Albornoz (2015)
Anexo 6
Menbranas perforada por abrasión Fuente: Palencia y Albornoz (2015)
101
Anexo 7
ñ
Menbrana perforada por filamento Fuente: Palencia y Albornoz (2015)
Anodo perforado en malla y bandeja Fuente: Palencia y Albornoz (2015)
102
Cátodos Disponibles
Fuente: Palencia y Albornoz (2015)
Membrana perforada por reacción de hidrógeno y cloro Fuente: Palencia y Albornoz (2015)
103
Membrana con hierro N982TX Fuente: Palencia y Albornoz (2015)