proyecto final intercambiador de calor previo a absorbedor en planta de acido sulfurico

UNIVERSIDAD TÉCNICA FEDERICO SANTA MARÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA Y AMBIENTAL

TRANSFERENCIA DE CALOR 2012

Intercambiador de Calor previo a

Absorbedor en Planta de Ácido

Sulfúrico

23 de julio

2012 Entrega Final Entrega III

Profesor

Ayudante

Patricio Nuñez

Integrantes Felipe Cisternas

Juan Ogaz

María Ramos

Intercambiador de Calor Previo al Absorbedor

Planta de Ácido Sulfúrico

(Cisternas, Ogaz, Ramos)

Transferencia de Calor Página | 1

Tabla de contenido 4. Estudio de Mercado ............................................................................................................................... 7

4.1 Tecnología de la producción del Ácido Sulfúrico y materias primas ................................................. 7

4.1.1 Propiedades del Ácido Sulfúrico ................................................................................................ 7

4.1.2 Métodos de Producción del Ácido Sulfúrico .............................................................................. 8

4.1.3 Principales proveedores de materias primas y volumen de suministros ..................................... 10

4.2 Producción del Ácido Sulfúrico en el mercado objetivo .................................................................. 11

4.2.1 Calidad del Ácido Sulfúrico; Hoja de especificaciones ............................................................ 11

4.2.2 Volúmenes de producción de Ácido Sulfúrico en el Mercado Objetivo en los últimos cinco años

y principales productores ................................................................................................................... 11

4.2.3 Situación actual de los mayores productores de Ácido Sulfúrico .............................................. 11

4.3 Exportación e Importación de Ácido Sulfúrico ............................................................................... 15

4.3.1 Volúmenes de exportación e importación de Ácido Sulfúrico en el mercado objetivo en los

últimos cinco años ............................................................................................................................. 15

4.3.2 Principales flujos de exportación de los proveedores de Ácido Sulfúrico ................................ 17

4.3.3 Características y tendencias de exportación e importación de los proveedores de Ácido

Sulfúrico ............................................................................................................................................. 19

4.4 Estudio de los precios del Ácido Sulfúrico ...................................................................................... 21

4.4.1 Precios Nacionales e internacionales del Ácido Sulfúrico ........................................................ 21

4.4.2 Dinámica en los precios de exportación-importación ............................................................... 23

4.5 Consumo del Ácido Sulfúrico ......................................................................................................... 23

4.5.1 Principales usos del Ácido Sulfúrico ........................................................................................ 23

4.5.2 Principales empresas consumidoras .......................................................................................... 24

4.5.3 Patrón de consumo de Ácido Sulfúrico ..................................................................................... 25

4.6 Proyección del consumo y producción del Ácido Sulfúrico ............................................................. 26

5. Estudio Técnico………………………………………………………………………………27

5.1 Descripción general del proceso……………………………………………………………...27

5.1.1 Etapa de captación, manejo y limpieza seca de gases……………………………………28

5.1.2 Etapa de lavado y enfriamiento de gases…………………………………………………28





5.1.3 Etapa de secado de gases…………………………………………………………………29

5.1.4 Etapa de conversión…………………………………………………………...………….30

5.1.5 Etapa de absorción………………………………………………………………..……..31

5.2 Balance de masa y energía…………………………………………………………………33

5.2.1 Balance de materia………………………………………………………………………34

5.2.2 Balance de energía………………………………………………………………………35

5.3 Listado de equipos…………………………………………………………………………35

5.3.1 Listado de equipos principales de la planta ………………………………………..……35

5.3.2 Listado de equipos relacionados directamente con los dos intercambiadores en serie previos

al absorbedor final………………………………………………………………..……………36

5.3.3 Listado de equipos de mayor importancia relacionados con el nuevo intercambiador de

calor. ……………………………………………………………………………………………36

5.4 Diseño equipo principal……………………………………………………………..………37

5.5 Especificaciones de otros equipos……………………………………………….…………40

5.6 Balance de masa y de energía de servicios…………………………………………………41

5.7 Especificación de servicios……………………………………………………………...…42

6. Evaluación de Costos…………………………………………………………………………43

6 Anexos memoria de cálculo………………………………………………………………...44





Resumen ejecutivo

Chile es el principal mercado mundial donde se consume ácido sulfúrico con un fin

específico distinto a la producción de fertilizantes fosfatados (principal uso en el mundo), por su

aplicación en la hidrometalurgia del cobre.

Esta aplicación constituye el destino natural del ácido sulfúrico producido principalmente

por las fundiciones de cobre en Chile. Específicamente en las plantas de acido sulfúrico,

implementadas con el propósito de tratar el Dióxido de Azufre producto del proceso de

fundición.

El desarrollo de la producción hidrometalúrgica de cobre, surgida en Chile en la década

de los ’80, ha permitido ser el principal productor mundial de cátodos SxEw ( electro-obtenidos),

con una participación mayor al 50% en este segmento en el año 2010, por lo que el consumo de

ácido sulfúrico ha ido creciendo en paralelo a este desarrollo.

Por estas razones el ácido sulfúrico ha llegado a constituir un producto estratégico para la minería

Chilena. A continuación se detallarán las principales características del mercado de ácido

sulfúrico en nuestro país:

1) Características del mercado chileno del ácido sulfúrico

El cobre explica el 96% del consumo total de ácido sulfúrico, que el año 2010 alcanzó a

7,93 millones de toneladas. El resto es consumido por la minería no metálica como por

ejemplo la industria de la celulosa y otras industrias químicas.

El consumo se concentra en las regiones del Norte, particularmente en la región de

Antofagasta que explica el 72,6% del consumo total del país, más Arica, Tarapacá y

Atacama que participan con el 21,7%. El remanente se consume de Coquimbo al Sur.

Los consumidores se abastecen principalmente por la vía comercial y en menor medida de

fuentes propias (autoabastecimiento). En el año 2010, 5,67 millones de toneladas fueron

adquiridas de terceros (el principal exportador de ácido hacia Chile es Perú) y 2,25

millones de toneladas corresponden a autoabastecimiento.

Un elemento esencial es la tasa de consumo unitario de ácido sulfúrico en la minería del

cobre, que puede variar entre 1 a 12 toneladas de ácido por cada tonelada de cátodo SxEw

producido, lo que incide directamente en los costos de producción. Al respecto, se aprecia

un crecimiento sostenido de la tasa promedio debido al deterioro gradual de la calidad de

los minerales a lixiviar.





La tasa promedio de tonelada de ácido/ ton cát SxEw, ha ido subiendo desde al año 2004

(2,86 tasa promedio) hasta el 2010 (3,65 tasa promedio). Lo que demuestra la importancia

que tendrá la producción de ácido si es que se sostiene esta tasa de crecimiento.

Por su parte la producción está basada principalmente por el aporte de las fundiciones,

que el año 2010 explicaron el 96% de las 5,13 millones de toneladas producidas en Chile.

El resto corresponde a quemadores de azufre y a plantas de molibdeno. Próximamente se

notará el aporte de los nuevos quemadores de azufre recientemente instalados por

NORACID y CEMIN.

Aunque las regiones del Norte produjeron el 2011 el 60,63% del total (Antofagasta

42,67%), es del todo insuficiente para su demanda local. En forma inversa, las regiones

centrales produjeron resto, que excede las necesidades locales, debiendo ser transportadas

más de 1,8 millones de toneladas al Norte, preferentemente por vía marítima. Esto denota

la asimetría del mercado chileno y un desafío logístico relevante.

Los productores de ácido sulfúrico destinaron el 44% de su producción 2010 al

autoabastecimiento de operaciones consumidoras de su propiedad y el resto se coloca en

el mercado nacional, más una pequeña fracción que se exporta.

La consecuencia natural de una producción insuficiente para satisfacer la demanda

nacional, es la existencia de un déficit estructural que debe ser satisfecho vía

importaciones.

Las importaciones han tenido un fuerte incremento alcanzando 2,63 millones de toneladas

importadas el 2010. Perú se ha constituido en el principal origen del ácido importado,

sostenidamente desde el año 2007 (en donde se importaron 499 mil toneladas) hasta la

actualidad (949 mil toneladas el año 2011). También son abastecedores importantes los

países asiáticos, particularmente Japón, Corea del Sur y Filipinas.

La mayor parte del ácido importado se desembarca en los terminales existentes en la

bahía de Mejillones, al Norte de Antofagasta, desde donde se distribuye hacia las faenas

consumidoras.

Dada la condición deficitaria del mercado chileno, el precio interno está influenciado por

la paridad de importación puesto en Mejillones, principal centro de recepción de

importaciones en nuestro país. Por lo tanto el precio de importación recoge la situación

del mercado internacional, con cierta tardanza.

Cabe señalar que el precio del ácido sulfúrico en el mercado internacional está

relacionado directamente con el precio del azufre y éste, con el precio de los fertilizantes

fosfatados que es su principal mercado. Luego de la crisis de fines del 2008, la

recuperación del mercado de los fosfatos, tanto por la demanda de alimentos como la

creciente demanda de biocombustibles, ha generado un sostenido incremento en su precio

a lo que ha reaccionado ágilmente el precio del azufre y con algún retraso el del ácido





sulfúrico, dado que la oferta de éste proviene principalmente de la producción no

voluntaria.

Las proyecciones del mercado del consumo y producción de ácido sulfúrico indican que

seguirá creciendo de manera acelerada hasta el 2014, posterior a esto la demanda irá

decreciendo hasta alcanzar niveles similares a los actuales (referencia año 2010).

2) Acerca del proyecto

El proyecto se emplazará en la planta de ácido sulfúrico de la fundición y refinería ventanas,

división de Codelco.

La planta de ácido de Codelco Ventanas está encargada de recepcionar los gases tóxicos

provenientes del proceso de fundición que ocurre en los convertidores Pierce Smith y Teniente.

La planta de ácido convierte el dióxido de azufre en trióxido de azufre para finalmente ser

absorbido por ácido sulfúrico obteniendo como producto este último.

En esta planta de ácido sulfúrico se pueden encontrar las siguientes secciones:

1. Sección de captación y limpieza seca de gases

2. Sección de lavado y enfriamiento de gases

3. Sección de secado de gases

4. Sección de conversión

5. Sección de absorción

En una primera etapa el gas que contiene abandona los convertidores Teniente y Pierce

Smith conteniendo Nitrógeno, Oxigeno, polvo, humo metálico, vapor de agua y algunas

impurezas del mineral, como Halógenos (Flúor, Cloro) Selenio y Arsénico. Este gas es captado

por la planta de ácido para su limpieza en una primera instancia.

La eliminación parcial o total de las impurezas gaseosas se efectúa en un tren de limpieza que

comprende las secciones desde la 1 a la 3, cuyos equipos más relevantes se enumeran a

continuación:

Precipitadores electroestáticos

Torres de enfriamiento

Venturi Scrubber

Ciclones

Torre de des humidificación

Precipitadores electroestáticos húmedos

Torre de secado





Luego de pasar por estas etapas, se obtienen gases virtualmente limpios necesarios para qué los

procesos posteriores puedan ocurrir sin problemas, los gases ingresan a la sección de conversión,

sección relevante para el proyecto en cuestión.

La sección de conversión representa una variable determinante en el equipo propuesto, puesto

que es después del segundo convertidor catalítico que posee la sección de conversión, donde se

ubicara el equipo del proyecto.

El equipo permitirá disminuir la temperatura de los gases de procesos que contienen

(previamente convertido a partir de ) desde la temperatura de salida de los lechos catalíticos

del convertidor (438[°C]) hasta la temperatura óptima de absorción (210[°C]).

Es importante que los gases de procesos alcancen esta última temperatura, puesto que a esta

temperatura mejora la eficiencia del absorbedor, si se define la eficiencia en términos de la razón

entre el absorbido y el ácido utilizado con este propósito.

El equipo diseñado es un intercambiador de tubo y coraza de Acero al Carbono, con un arreglo

cuadrado. Esto último por razones de mantención.

El equipo utilizará aire atmosférico como flujo de servicio para disminuir la temperatura de los

gases procesados. Para hacer ingresar el aire atmosférico hacia el equipo se utilizará un soplador

centrífugo. El aire de servicio se recircula para que tenga una temperatura apropiada que evite la

condensación de gas de proceso.

El intercambiador está diseñado para procesar un flujo aproximado de 140.249[

] de gases que

contienen y un flujo de servicio aproximado de 176.878[

] de aire atmosférico.

Las dimensiones del intercambiador son las siguientes:

Diámetro interno coraza: 2,921[ Largo de tubos: 6 Número de tubos:3.203

Área de transferencia de calor:2337 Diámetro interno tubos:0,035

Las características del soplador centrífugo asociado al equipo son las siguientes:

Capacidad:156000 [

]

Presión de descarga: 14,77[PSI]





El costo asociado al intercambiador de calor es:

4.1 Tecnología de la producción del Ácido Sulfúrico y materias primas

4.1.1 Propiedades del Ácido Sulfúrico

Formula:

El ácido sulfúrico es un líquido incoloro a temperatura ambiente y presión atmosférica, es

muy fuerte y corrosivo para la vida útil de los materiales estructurales, posee punto de ebullición

alto, es deshidratante, debido a que reacciona exotérmicamente con agua, en algunos casos tanto

que llega a carbonizar a los compuestos orgánicos con lo que entra en contacto.

El ácido sulfúrico es capaz de disolver grandes cantidades de trióxido de azufre, produciendo

varios grados de Óleum. Cuando estas soluciones (ácido sulfúrico-Óxido sulfúrico) se mezclan

con agua, el óxido se combina con agua formando más ácido sulfúrico.

Del punto de vista químico es un ácido fuerte, es decir, en disolución acuosa se disocia

fácilmente en iones hidrógeno (H+) e iones sulfato (SO4

-2) liberando una gran cantidad de calor,

por lo cual se considera un poderoso deshidratante.

Tabla 1. Propiedades Físicas y Químicas

Peso Molecular [g/mol] 98,08

Punto de Ebullición [ °C] a presión

atmosférica

290 para concentraciones al 100%

310-335 para concentraciones al 98%

Punto de fusión [ °C] 10,4-10,5 para concentraciones al 100%

3 para concentraciones al 98%

Presión de Vapor [mmHg] < 0,001; 20 ºC

1; 146 ºC

Gravedad específica 1,841 para concentraciones al 100%

pH 0.3 para solución 5% en p/p

1,2 para solución 0,5% en p/p

2,1 para solución 0,05% en p/p





4.1.2 Métodos de Producción del Ácido Sulfúrico

Existen dos procesos principales para la producción de ácido sulfúrico:

Método de cámaras de plomo

Proceso de contacto

Sin embargo el estudio se centrará en el “método de contacto” puesto que con el método de

“cámaras de plomo” no se alcanza la concentración de ácido sulfúrico necesaria para que sea

comercializable, ya que la concentración comercial deseable es de 98% y con el método de

cámaras de plomo solo se alcanza una concentración de 62 a 68% de ácido sulfúrico.

Método por contacto: Su fundamento reside en la oxidación reversible del a sobre un

catalizador sólido, que en un principio fue Platino y que modernamente suele ser Pentoxido de

vanadio (V2O5) por razones de economía y velocidad de reacción.

Este proceso genera una concentración de ácido sulfúrico igual al 98% el cual es

utilizado en la industria termo metalúrgica.

Figura 1. Esquema general Método de contacto





El proceso de contacto comprende 3 etapas:

1. Obtención de , depuración de los gases

2. Catálisis, conversión de a

3. Absorción de

1)

2)

3)

Reacciones que ocurren en el proceso

Combustión [

]

Conversión

[

]

Absorción [

]

Dilución de ácido y secado del aire [

]

En el proceso de contacto se utiliza un catalizador de Pentóxido de Vanadio, la reacción es

exotérmica, se utilizan múltiples etapas con enfriamientos intermedios y sistema de doble

columna de absorción.

Mecanismo de catálisis de la oxidación del SO2 en el lecho catalítico de Pentóxido de Vanadio

Debido al efecto de la temperatura sobre la reacción, son utilizados múltiples lechos de

catalizador con enfriamiento intermedio. Adicionalmente, como la presión parcial de

aumenta la reacción es limitada. Esto fue solucionado removiendo después de la tercera

etapa para llevar la reacción a su fin. Finalmente los gases no absorbidos son descargados a la

atmosfera, estos últimos virtualmente libres de





4.1.3 Principales proveedores de materias primas y volumen de suministros

Los principales productores de ácido sulfúrico son las fundiciones mineras ubicadas en la

fundiciones mineras, cuya materia prima utilizada es el anhídrido sulfuroso SO2, uno de los

tantos subproductos derivados de la minería del cobre.

A continuación se especifican algunas cifras de producción de las principales operaciones

mineras, detallando datos de capacidad, emisiones de azufre y porcentaje de captura actualizados

al año 2008.

Tabla2. Capacidad de Fusión y captura de azufre al año 2008

Fundición Capacidad de

fundición [ton/año]

Emisión de Azufre

[ton/año]

Ventanas 410.880 10.664

Paipote 356.000 11.000

Chagres 535.548 5.754

Caletones 1.296.862 57.886

Potrerillos 702.300 18.101

Alto Norte 894.695 20.923

Chuquicamata 1.468.346 29.752

Se puede observar que todas las operaciones presentan altos porcentajes de captura de

anhídrido sulfuroso, con una media general que alcanza el 90,4%. Estos datos son en base a

estudios realizados por Codelco.

Al ser el SO2 un contaminante ambiental, las empresas apuntan a ampliar la capacidad de

absorción estableciendo como meta el 100% de captura en un plazo relativamente corto, puesto

que esta condición mejoraría la calidad de vida de los habitantes circundantes y a su vez

aumentar la producción de ácido sulfúrico ya sea para su autoabastecimiento y para su posterior

exportación.

Datos correspondientes al año 2008 establecían que Codelco División Ventanas tenía una

capacidad de tratamiento de gases de 125.000 Nm3/h. En 2010 se realizó una inversión cercana a

las 10 millones de dólares que permitió aumentar el porcentaje de captación de 91,3 a 94%

llegando a un volumen de 140.000 Nm3/h de gases procesados.





4.2 Producción del Ácido Sulfúrico en el mercado objetivo

4.2.1 Calidad del Ácido Sulfúrico; Hoja de especificaciones

Existen variadas concentraciones en las que el ácido sulfúrico puede encontrarse en el

comercio, siendo el de mayor concentración el de una solución al 98, producida generalmente en

plantas de ácido pertenecientes a fundiciones de metales sulfurados. Al calentar ácido sulfúrico

entre 30 y 40 [°C] comienza a desprender vapores de anhídrido sulfúrico por lo que una adecuada

manipulación es clave al momento de trabajar con este compuesto.

Se adjunta en el anexo 1 la hoja de seguridad para el ácido sulfúrico.

4.2.2 Volúmenes de producción de Ácido Sulfúrico en el Mercado Objetivo y principales

productores

Los volúmenes de producción de Ácido Sulfúrico han experimentado un alza constante en

los últimos años, impulsado principalmente por el incremento en la producción de cobre y la

ampliación de la capacidad de absorción de las plantas de ácido ubicadas en las fundiciones. En

el año 2011 la producción de ácido alcanzó las 5,2769 millones de toneladas.

Tabla 3. Toneladas de ácido producidas en Chile por año

Producción de Ácido Sulfúrico en Chile

Producción

(miles

Toneladas)

2007 2008 2009 2010 2011

Producción 4.775 4.858,4 5.076,6 5.164,3 5.276,9

La producción de ácido sulfúrico presenta una asimetría al comparar la producción v/s el

consumo por regiones. Las regiones del norte en el año2010 produjeron el 60,8% del total de

ácido, generado principalmente por Alto norte (Xtrata Copper) y Chuquicamata (Codelco). Aun

así es insuficiente para la demanda sectorial. Por el contrario, en la zona central de nuestro país se

produjo un excedente, producido principalmente por Codelco División Ventanas y Fundición

Chagres propiedad de Anglo American, el que debió ser transportado hacia los sectores donde la

necesidad es mayor.





Tabla4. Producción Chilena Ácido Sulfúrico por Regiones

(Miles de TM) / (KMT)

2007 2008 2009 2010 2011

Región de Tarapacá

Región de Antofagasta

Región de Atacama

115,0

2.062,0

740,0

104,0

2.021,7

727,0

62,0

2.257,0

749,0

108,0

2.203,3

843,0

116,0

2.252,9

831,0

Sub-total zona Norte

2.917,0 2.852,7 3.068,0 3.154,3 3.199,9

Región de Valparaíso

Región de Metropolitana

Región de O´Higgins

829,0

49,0

980,0

820,6

71,0

1.140,0

804,6

69,0

1.135,0

820,0

49,0

1.141,0

839,0

50,0

1.188,0

Sub-total zona central

1.858,0 2.005,6 2.008,6 2.010,0 2.077,0

Total País

4.775,0

4.858,4

5.076,6

5.164,3

5.276,9

La producción de ácido sulfúrico en nuestro país, se caracteriza principalmente por una gran

contribución por parte de las fundiciones, correspondientes al 96% de las toneladas generadas en

2010. El resto de la elaboración proviene de quemadores de azufre o plantas de molibdeno.

La tabla que prosigue muestra los principales productores de Ácido sulfúrico,

especificando ubicación, tipo de propiedad, destino del ácido sulfúrico producido y la condición

actual clasificándola en operación activa o eventual proyecto a concretarse.





Tabla 5. Principales productores de Ácido Sulfúrico

4.2.3 Situación actual de los mayores productores de Ácido Sulfúrico

Tabla 6. Principales productores de ácido sulfúrico (año 2009)

Planta Producción

actual[ton/año]

Fundiciones

Xstrata - Altonorte 900.000

Codelco - Chuquicamata 1.400.000

Codelco - Ministro Hales 250.000

Codelco -Potrerillos 520.000

Enami - Hernan de Videla Lira

(Paipote) 290.000

Anglo América - Chagras 490.000

Codelco - Ventanas 330.000

Codelco - Caletones 1.100.000

Planta de Molibdeno Molynor Planta de Molibdeno -

Molynet Planta de Molibdeno 40.000

Quemadores de

Azufre

Haleman Sagasca 100.000

Noracid 600.000

Cemin - dos amigos 100.000

Región Productores/operación Propiedad Destino Condición

Fundiciones

Estatal Privada Auto

abastecimi

ento

Oferta a

otras

empresas

Operación Proyecto

II XSTRATA- Alto norte X X X Base

II

II

CODELCO-Chuquicamata

CODELCO-Ministro Hales

X

X

X X

X Base

III

III

CODELCO-Proterillos

ENAMI-Palpote

X

X

X

X

X

X Base

V ANGLO AMER-Chagres X X X Base

V CODELCO-Ventanas X X X Base

VI CODELCO-Caletonces X X X Base

Plantas de Molibdeno

II MOLYNOR-Planta

Mejillones

X X X Base Potencial

Metropolita

na

MOLYMET-Planta Nos X X X Base

Quemadores de Azufre

I

II

III

HALDEMAN-Sagasca

NORACID-mejillones

CEMIN-Dos amigos

X

X

X

X

X

X

X

Base

Base

Potencial





Figura 2. Porcentaje de producción por empresa

En la actualidad la principal empresa productora de ácido sulfúrico es Codelco (con un

23% de la producción total del País) con sus cuatro plantas, en las localidades de Potrerillos,

Caletones, ventanas y Chuquicamata. Codelco además destaca como consumidor, importador

y exportador de ácido sulfúrico. La capacidad de operación de Chuquicamata en la actualidad es

de 1.400000 toneladas de ácido sulfúrico.

Otra empresa importante productora de ácido sulfúrico es Alto norte, propiedad de

xstrata Esta planta está ubicada en Antofagasta, sector la negra. Esta planta antiguamente contaba

con una capacidad de ácido sulfúrico de 290.000 toneladas por año de ácido sulfúrico. Gracias a

un proyecto de expansión en el año 2003 que contemplo una nueva planta de ácido sulfúrico, la

capacidad de tratamiento se elevo a 900.000 toneladas por año.

También se destaca la producción en la fundición Chagres de la compañía Anglo

American Sur, (ubicada en la V región, en la comuna de Catemu, a 100 Kilómetros al Norte de

Santiago y a 400 metros sobre el nivel del mar), quienes ampliaron su capacidad de producción

gracias a la implementación de un horno flash en 1986. En el año 1995 se amplió la capacidad de

recuperación de azufre a 95% mediante la instalación de un sistema de doble absorción. Se

construyó una nueva planta de ácido sulfúrico con capacidad de entre 400.000 y 460.000

toneladas por año.

23%

15%

18% 10%

8%

26%

Porcentaje de produccion de Ton/año de ácido sulfurico por cada empresa

Codelco - Chuquicamata

Xstrata - Altonorte

Codelco - Caletones

Noracid

Codelco -Potrerillos

Otros





La planta fue construida por la firma canadiense SNC Lavalin con nuevas tecnologías

reemplazando a la anterior que había en Charges esta tenía una capacidad de 100.000 toneladas

por año y fue vendida a Enami para ser instalada en la fundición Hernán Videla Lira.

Inicialmente la fundición Hernán Videla Lira, ubicada cerca de Copiapó, región de Atacama,

contaba con una planta de acido con una capacidad de 60.000 toneladas por año. Gracias a la

ampliación de la planta en el año 2008, amplio su capacidad llegando a las 290.000 toneladas por

año.

Otra empresa productora de ácido sulfúrico es la refinería de Molymet, al Sur de Santiago

quienes debieron construir una planta de acido sulfúrico para cumplir con las normas de emisión

de gases a la atmosfera

En la actualidad Ministro Hales (Codelco) se encuentra desarrollando un prestripping de la mina

y se tiene la totalidad de los contratos de construcción asignados con avances físicos en las

plantas de chancado, molienda y flotación, el complejo de tostación y las plantas de acido

sulfúrico y de abatimiento de arsénico.

4.3 Exportación e Importación de Ácido Sulfúrico

4.3.1 Volúmenes de exportación e importación de Ácido Sulfúrico en el mercado objetivo en

los últimos cinco años

A pesar de las grandes cantidades generadas en nuestro país, la demanda de ácido

sulfúrico es mayor, gatillada principalmente por la hidrometalurgia. Es por eso que para satisfacer

esta necesidad se ha recurrido a la importación de este vital producto para la minería del cobre.

Las importaciones han tenido un fuerte incremento alcanzando 2.634.674 de toneladas

importadas el 2010. Perú se ha constituido como el principal origen del ácido importado,

sostenidamente desde el año 2007 (749.000 toneladas el año 2010). También son abastecedores

importantes los países asiáticos, particularmente Japón, Corea del Sur y Filipinas.





Tabla 7. Embarques físicos de importación de ácido sulfúrico según país de origen

2007 2008 2009 2010 2011

EUROPA 138.641 102.105 360.979 190.103 212.530

Alemania 45.305 - 121.150 37.014 40.886

Bulgaria 37.881 18.460 36.531 31.576 -

España 18.352 51.335 143.286 98.782 132.378

Finlandia - - 15.407 19.723 -

Italia - - 10.600 3.008 -

Polonia 20.028 13.637 34.006 - -

Suecia 17.075 18.673 - - 39.266

AMÉRICA 565.110 753.459 734.465 765.012 1.208.357

Brasil - - 47.334 - -

Canadá - 21.079 - 15.855 19.049

EE.UU. 14.425 - - - 451

México 51.405 48.877 51.334 - 239.837

Perú 499.280 683.503 635.798 749.158 949.020

ASIA 581.336 1.534.161 737.974 1.669.702 1.724.121

China - 210.482 - 111.733 148.387

Corea 223.178 391.376 189.645 669.413 648.723

Filipinas 203.571 203.202 153.599 177.067

India - 335.895 9.937 59.505 38.609

Indonesia - 22.517 - - -

Japón 286.694 370.320 335.189 675.451 711.335

OTROS 0 8.732 38.910 18.858 18.952

Argelia - - - - -

Australia - - 38.910 18.858 18.952

Egipto - 8.732 - - -

TOTAL 1.285.087 2.398.457 1.872.328 2.643.675 3.163.960

Contrariamente de la condición de déficit que presenta el mercado chileno, existen exportaciones

de ácido sulfúrico especialmente orientadas a países sudamericanos, gatilladas principalmente por

superávit de producción frente al autoabastecimiento por parte de las empresas productoras,

contratos asociados, problemas de capacidad de distribución o almacenamiento o por

complicaciones en la puesta del producto en el mercado local.





Tabla 8. Embarques físicos de exportación de Ácido Sulfúrico según país de destino

2007 2008 2009 2010 2011

EUROPA 0 0 0 0 0

AMÉRICA 124.153 83.913 13.459 13.384 62.551

Argentina 9.095 2.865 1.697 2.797

Bolivia 12.627 10.596 10.594 11.687 12.843

Brasil 37.514 8.149 - - 27.671

Costa - - - -

Cuba 20.036 17.812 - - 19.240

EE.UU. - - -

México - - - - -

Perú 42.028 5.000 - - -

ASIA 0 0 0 0 0

OTROS 0 0 0 0 0

TOTAL 124.153 83.913 13.459 13.384 62.551

4.3.2 Principales flujos de exportación de los proveedores de Ácido Sulfúrico

Las empresas que presentan los mayores indicadores de exportación de ácido se

caracterizan por su gran capacidad de procesamiento de mineral de cobre, en este caso Codelco o

por ser empresas transnacionales relacionadas con el rubro de la importación/exportación y

distribución de ácido sulfúrico, azufre y servicios logísticos (Interacid, Trans Sud y BCT

Chemtrade).

En el año 2010 Codelco se presentó como el principal comerciante con 13.134 toneladas

correspondiente al 98% aproximadamente del ácido exportado en ese año.





Tabla 9. Exportaciones en Chile de Ácido sulfúrico según exportador

Tabla 10. Monto exportado el año 2011 por todas las empresas Chilenas, del producto

Ácido sulfúrico; óleum, hacía todos los países.

Empresa Monto exportado (US$) % participación

CODELCO

5.103.976

65,34%

BCT Chemtrade LTDA

2.705.400

34,63%

Comercial Sur Chile

LTDA

1.801

0 ,03%

TOTAL

7.811.177

100%





4.3.3 Características y tendencias de exportación e importación de los proveedores de Ácido

Sulfúrico

Chile es el país que tiene el principal mercado a nivel mundial de ácido sulfúrico por su

aplicación en la hidrometalurgia del cobre, esta aplicación constituye el destino natural del ácido

producido obligadamente por las fundiciones de cobre en Chile por razones medio ambientales lo

que constituye un excepcional circulo viciosos, aun así, estas capacidades no son suficientes para

poder cubrir toda la demanda actual por lo que se requiere de un abastecimiento adicional a nivel

nacional.

Figura 3. Países que exportan ácido sulfúrico a Chile (Año 2011)

Figura 4. Países a los cuales se exporta parte de la producción ácido sulfúrico de Chile (Año 2011)

Series1; 41 0

20.000.00040.000.00060.000.00080.000.000

100.000.000120.000.000

US$

Tendencia de Importaciones

Series1; 1.801 0

500.000

1.000.000

1.500.000

2.000.000

2.500.000

3.000.000

3.500.000

BRASIL CUBA BOLIVIA ARGENTINA,REPUBLICA DE

COLOMBIA

US$

Tendencia de Exportaciones





Perú es el principal exportador de ácido sulfúrico a Chile, esto se entiende debido a la cercanía

geográfica de la que se dispone.

La tendencia de exportación va disminuyendo a través de los años, obviamente esta tendencia

está justificada por la alta tasa de consumo del ácido en Chile.

Figura 5. Contraste de las tendencias de comercio del ácido sulfúrico de los últimos años.

0

50.000.000

100.000.000

150.000.000

200.000.000

250.000.000

300.000.000

350.000.000

400.000.000

450.000.000

500.000.000

2008 2009 2010 2011

US$

años

Tendencias de Importaciones y Exportaciones

Importaciones

Exportaciones





4.4 Estudio de los precios del Ácido Sulfúrico

4.4.1 Precios Nacionales e internacionales del Ácido Sulfúrico

Dada la condición deficitaria del mercado chileno, el precio interno está influenciado por

la consonancia de adquisición puesto en Mejillones, principal receptor de las importaciones de

ácido en nuestro país. Por lo tanto el precio de importación CIF1 Mejillones recoge la situación

del mercado internacional, con cierta tardanza y se constituye como elemento de referencia para la

valorización del ácido sulfúrico en el mercado nacional.

La Gráfica que prosigue muestra la evolución del precio promedio de importación del ácido

sulfúrico, con la indicación del rango del valor máximo y mínimo registrado trimestralmente desde el

año 2001.

Figura 6. Valor de Importación de Ácido Sulfúrico CIF Mejillones (US$/Ton)

(I Trimestre 2001 al I Trimestre 2011)

En el I Trimestre 2011, se importaron 746.700 toneladas, por MUS$ 73,5, dando un promedio

CIF de 98,5 US$/ton, en un rango de 20 a 250 US$/ton.

Cabe señalar que el valor unitario es CIF para la mayoría de las importaciones, excepto

las realizadas por CODELCO, que emplea la modalidad “CFR”, la cual no incluye el costo de los

seguros comprometidos en el transporte.

Las zonas más relevantes constituyen un mercado de referencia. Ellas son la costa del

Golfo de México (Sur Este de EE.UU./deficitaria), Norte de Europa (Báltico / excedentaria), Sur

1 Las siglas CIF (Coste, seguro y flete, puerto de destino convenido) se refieren a un término de comercio

internacional que se utiliza en las operaciones de compraventa, en que el transporte de la mercancía se realiza por

barco (mar o vías de navegación interior).





de Europa (Mediterráneo / excedentaria), Sudeste Asiático (Japón y otros / excedentaria, China /

deficitaria), Sudamérica (deficitaria).

En la zona del Golfo de México (Tampa) radica la principal concentración de productores

de fertilizantes fosfatados de EE.UU., dada su disponibilidad de roca fosfórica y su posición

cercana a las grandes áreas agrícolas que los consumen.

Tabla 11. Comparación de precios del ácido sulfúrico con el azufre, Fosfatos y cobre

(Secuencia trimestral Junio 2006 – Junio 2011)

Fuente: Fuente: Elaborado en Cochilco en base a datos de SULPHUR (Ácido sulfúrico y azufre hasta 2009),

PENTASUL (DAP y Ácido sulfúrico y azufre desde 2010) y COCHILCO (Cobre)





4.4.2 Dinámica en los precios de exportación-importación

La dinámica de los precios de importación- exportación está estrechamente relacionada

con el precio del ácido sulfúrico en el mundo, el que a su vez depende de una serie de factores:

Precios en mercados relacionados al ácido sulfúrico

Producción obligada

Mercados de referencia

Costo de los fletes marítimos

En Chile predomina como precio de referencia el valor del precio CIF Mejillones, puerto

por donde se recibe la mayor parte del ácido que satisface el déficit existente en la II Región.

Dicho valor está correlacionado con el de Tampa más un incremento (Por ejemplo: el efecto flete

hacia Chile).

Sin embargo, contratos vigentes de gran volumen suscritos antes del alza de precios, por

CODELCO con Japón y por otros operadores, han permitido que el valor unitario promedio de

las importaciones de los últimos años no reflejen enteramente los precios del mercado spot

internacional.

4.5 Consumo del Ácido Sulfúrico

4.5.1 Principales usos del Ácido Sulfúrico

Son muchas las aplicaciones industriales que posee este producto, destacando por

ejemplo:

Fabricación de Fertilizantes

Refinación del Petróleo

Producción de pigmentos

Manufactura de explosivos

Manufactura de detergentes, plásticos y fibras

Lixiviación, extracción por solventes y refinación del cobre.

Este último ítem representa el principal uso de ácido sulfúrico en nuestro país, debido a la

importancia que representa la hidrometalurgia en la producción de cátodos de cobre electro-

obtenidos.





4.5.2 Principales empresas consumidoras

Como anteriormente se mencionó la utilización del ácido sulfúrico por parte de las

empresas mineras representa casi la totalidad del consumo en el mercado chileno.

A continuación se presenta una tabla con las principales empresas y operaciones

consumidoras de ácido sulfúrico, clasificadas por región tipo de propiedad, fuente de provisión y

condición de estado especificando operación activa o eventual proyecto a concretarse.

Tabla 12. Principales operaciones consumidoras de ácido sulfúrico en Chile





4.5.3 Patrón de consumo de Ácido Sulfúrico

Al analizar patrones de consumo, se puede observar que gran parte del consumo se

produce en la segunda región de Antofagasta, impulsado principalmente por las operaciones

mineras instaladas en esas zonas destacándose las faenas de Chuquicamata y Altonorte.

Al fijarse en el tipo de abastecimiento, se puede apreciar que gran parte del consumo debe

subsanarse por medios externos, principalmente por empresas dedicadas a la importación. Por

otro lado el autoabastecimiento representa solo el 28,4%.

Tabla 13. Distribución de la producción y consumo de ácido sulfúrico en el año 2010

(Miles de toneladas)

Otra arista a considerar es la minería hidrometalúrgica, puesto que producir una tonelada

de cátodos electroobtenidos requiere entre 2,9 a 3 toneladas de ácido sulfúrico para su

manufactura. Es por esto que el consumo depende directamente del continuo aumento en la

capacidad de operación de las empresas dedicadas a este rubro.

En la gráfica siguiente se muestra la tasa de consumo de ácido sulfúrico en relación a las

toneladas de cátodos electroobtenidos.





Figura 7. Distribución de la Producción Chilena de Cátodos SxEw en el año 2010

según su Tasa de Consumo de Acido Sulfúrico (Ton Ácido Sulf./ Ton Cát SxEw)

Al observar el comportamiento de la tasa de consumo en las principales operaciones

donde se muestra la distribución de la producción nacional de cobre ordenadas desde menor a

mayor tasa de consumo de ácido sulfúrico si se segmenta dicha producción en quintiles (418

Kton de Cu en el año 2010) se aprecia la gran diferencia de consumo entre cada uno de los

segmentos, donde el quinto quintil se caracteriza por reunir a operaciones de bajo volumen de

producción y alto consumo unitario.

4.6 Proyección del consumo y producción del Ácido Sulfúrico

Según un estudio realizado por COCHILCO en relación a la proyección del mercado

chileno del ácido sulfúrico al 2020 se pueden apreciar una serie de tendencias y comportamientos

asociados al consumo y producción de este elemento.

Comportamiento del consumo: se observa que el consumo seguirá creciendo de manera

acelerada hasta el 2014, llegando a un máximo de demanda el cual con el transcurrir de

los años presentará una visible declinación para ya el año 2018 llegar a niveles similares

al actual.

Producción de cátodos electro-obtenidos: se aprecia que la producción de este tipo de

cátodos se mantendrá sobre las 2.000.000 hasta 2014 para luego comenzar un descenso en

la producción ocasionada principalmente por el declive en la inversión y la formulación

de nuevos proyectos en el rubro de la hidrometalurgia del cobre.

Tasa de consumo unitario: la lixiviación del cobre ha experimentado un alza en la tasa de

consumo unitario (ton acido/ton cobre fino). Por tanto se espera que en los próximos años





se llegue a una tasa en torno al 4,4 y 4,6 relacionada directamente por el decrecimiento en

la calidad de los minerales y el consumo por parte de los nuevos proyectos en carpeta.

Comportamiento de Producción: debido a la puesta en marcha de la nueva planta

NORACID S.A en Mejillones, propiedad inversiones Belfi y Ultraterra (Ultramar Group),

se espera un salto sustancial en la producción base a partir de este año, realizando un

incremento cercano a 1.700.000 de toneladas adicionales al mercado.

Déficit en el mercado: como anteriormente observamos en este informe, el mercado

chileno presenta una demanda superior a la oferta produciendo un déficit el cual es

remediado vía importaciones. Se prevé que la situación continuará del mismo modo los

próximos años. A raíz de esto y debido a una asimetría en el consumo de nuestro país,

concentrado principalmente en el norte de Chile, es que Perú se consolidaría aún más

como principal país exportador de ácido hacia nuestro país.

5. Estudio técnico

5.1. Descripción del general del proceso.

El proceso de producción de ácido conlleva una serie de etapas las cuales serán detalladas

a continuación:

Fig 1. Bosquejo del proceso,





5.1.1 Etapa de captación, Manejo y limpieza seca de gases.

Los gases son captados, tras pasar por las torres de acondicionamiento que posee la

fundición tanto en cada uno de los convertidores: Teniente (CT) y Pierce Smith (CPS), estos

sistemas son independientes uno de otro, donde los gases salen a una temperatura entre 350 [°C]

y 400[°C] con un contenido de agua no mayor a 14% en peso y entre 7 y 12% en volumen.

Cada uno de los sistemas de gases consta de ventiladores tiro inducido que conducen los

gases a través de un ducto de alta velocidad hasta los precipitadores electroestáticos en los que se

retira el polvo contenido. En el sistema del CT hay 2 precipitadores electroestáticos FLAKT en

paralelo y en el sistema de los CPS hay un precipitador MILJO. Cada precipitador tiene 3 campos

eléctricos, válvulas de entrada y salida de gases, que permiten aislar cada unidad en caso de

mantención, sistemas de calefacción para evitar condensación de la humedad del gas, sistemas de

golpeteo para que el polvo que es atrapado caiga a las tolvas de recepción, sistemas de transporte

de cadena para descargar el polvo de contenedores e instrumentación necesaria para el control y

supervisión remota.

A la salida de los precipitadores, los gases pasan por los ventiladores de tiro inducido y

estos gases son descargados con contenido de polvo menores a 600[mg/Nm3] de gas los que

provienen del CT y menores a 400[mgNm3] de gas los que provienen de los CPS. Posteriormente

se unen los gases de ambos sistemas y se conducen hacia la etapa de lavado de gases. En caso de

existir una mayor cantidad de gases de lo que es posible tratar, estos pueden ser descargados a la

atmosfera, utilizando la chimenea principal mediante válvulas de distribución de gases instaladas

para este efecto.

5.1.2 Etapa de lavado y enfriamiento de gases

Esta sección recibe el flujo de gas de alimentación proveniente desde los precipitadores

secos de gases caliente a alrededor 350[°C] aproximadamente, el que es enfriado en la torre de

humidificación (lavado K1) mediante contacto directo con ácido débil que circula en

contracorriente, cuta concentración varia alrededor de 30-40% de ácido débil, de este modo el gas

que se enfría adiabáticamente por evaporación del agua que acompaña a la solución de riego, la

que logra retirar calor desde el gas, enfriándolo a 75[°C] aproximadamente. También se retira de

las partículas sólidas que pueda llevar el gas.

El gas saturado fluye entonces hacia unos lavadores Venturi de garganta fija que operan

en paralelo. La tubería intensa generada en la garganta de estos lavadores Venturi efectivamente

remueve la mayoría del material particulado de mayor tamaño presente en el gas.

El flujo de gas continua a través de tres ciclones para luego ingresar al sistema de

enfriamiento de gas, compuesto por dos torres rellenas operando en paralelo, en donde el gas

caliente se pone en contacto en contracorriente de ácido débil frio. Así, a medida que el gas pasa

a través del relleno es enfriado y al mismo tiempo la mayoría del contenido de agua se extrae por





condensación. El gas sale de estas torres de enfriamiento a alrededor de 380[°C], saturado con

vapor de agua en equilibrio con ácido sulfúrico diluido.

Hay una neblina fina de partículas de ácido sulfúrico presente en el gas, la que en

conjunto con otro material particulado fino, es removida en dos etapas de precipitadores

electroestáticos húmedos. El gas que sale de los precipitadores húmedos debe ser ópticamente

transparente cuando están operando correctamente.

Todo el transporte de gas a lo largo del tren de limpieza y enfriamiento de gases se

efectúa por la succión que ejerce el ventilador principal V-10.

Con el propósito de evitar una posible baja de presión excesiva en ductos y equipos, el

sistema de ductos incorpora a la salida de los precipitadores electroestáticos, un dispositivo

llamado “Sello de agua”, este sello está ajustado con una columna de 700 [mm de CA] en caso de

que la succión del soplador principal V-10 sea mayor a los 700 [mm de CA] el agua es arrastrada

hacia el ducto, permitiendo la entrada de aire al sistema.

5.1.3 Etapa de secado de gases

Torre de secado primario.

Esta torre ubicada inmediatamente después de los precipitadores electroestáticos húmedos

es utilizada para remover la mayor parte del contenido de agua del gas de proceso que se

encuentra saturado de agua en equilibrio con ácido sulfúrico. En esta torre, el gas entra en

contacto con un flujo circulante de ácido sulfúrico al 80%.

Es esencial remover el agua del flujo de gas para prevenir la condensación del vapor de

ácido sulfúrico contenido en el gas durante etapas subsecuentes del proceso. Se forma vapor de

ácido sulfúrico a partir de la reacción de con agua residual que queda en el gas. El ácido

sulfúrico que pudiera condensar sobre superficies metálicas frías como las superficies de los

conductos de has y de intercambiadores de calor, comenzara a corroer estas zonas.

El esquema de flujo para la circulación y enfriamiento de ácido sulfúrico al 80% en la

torre de secado primario consiste en que mediante una bomba se toma el ácido desde el fondo de

la torre, este ácido pasa por enfriadores de placas que permiten regular la temperatura del ácido

en 40 grados a la entrada de la torre y es distribuido por un tubo perforado sobre el relleno

ubicado en la parte superior de la torre de secado primario.

La concentración de ácido en la torre, se mide continuamente, y es controlada por un

controlador de conductividad que regula por medio de válvulas la entrada de ácido al 98,5 %

proveniente de la torre de absorción intermedia. El nivel de ácido al 80% en el fondo de la torre

de secado primario es mantenido por controlador de nivel, quien regula por medio de las válvulas

el flujo de ácido sulfúrico al 80% hacia un estanque pulmón mediante una bomba. Esta bomba

mantiene el nivel en dicha torre.





Torre de Secado Secundario.

Esta se encuentra ubicada inmediatamente después de la torre de secado primario es

utilizada para remover los últimos vestigios de agua aun presente en el gas y asegurar cero

humedad a las etapas siguientes del proceso.

Para precipitar y retener las gotas de ácido que son arrastradas por el gas tras su paso a

través de la torre de secado secundario y que puede dañar las instalaciones aguas abajo del

proceso, se ha instalado 5 filtros tipo vela en la parte superior de esta torre. La caída de presión a

través de estos filtros debe estar monitoreada periódicamente para poder detectar cualquier

anomalía en su operación. Las gotas de ácido sulfúrico al chocar con los alabes del soplador

principal V-10 causan erosión y corrosión de estos provocando una falla aceleradamente.

El esquema de flujo para la circulación de ácido sulfúrico al 93-95% en la torre de secado

secundario consiste en que mediante una bomba se toma el ácido desde el fondo de la torre y

mediante una canaleta de distribución ubicada sobre el relleno en la parte superior de la torre se

hace llegar a toda la sección de la torre.

A fin de mantener la concentración de ácido en este circuito, se agrega ácido 98,5% desde

el estanque de ácido producto y es controlado por el control de conductividad quien ajusta la

válvula de ácido para mantener la concentración de ácido entre 93-95% dentro de esta torre. El

nivel de ácido en el fondo de la torre de secado secundario es mantenido por un controlador de

nivel quien regula mediante válvulas el excedente de ácido sulfúrico de 93-95% de la torre de

secado secundario al estanque de ácido sulfúrico.

5.1.4 Etapa de Conversión

La sección de conversión de la planta de ácido sulfúrico está diseñada para convertir el 99,5% del

a del gas y remover el del gas mediante absorción por ácido sulfúrico al 98,5%.

Para ello el gas alimentado y precalentado pasa por un primer reactor donde la concentración de

sube al 95%, se absorbe en ácido sulfúrico en la torre de absorción intermedia K-6, el gas

pasa a un segundo catalizador donde su composición sube al 99,5% y se absorbe en la torre

de absorción final K-5.

A medida que el gas fluye a través del primer lecho catalizador, alrededor del 60-70% del

SO2 originalmente presente es oxidado para formar SO3. Paralelamente, la temperatura del gas

de salida de los gases depende principalmente de la cantidad de SO2 originalmente presente en el

gas. Para que la reacción prosiga, es necesario enfriar la mezcla de gas de vuelta a los 450 grados,

dirigiéndolo a través de la carcaza del intercambiador de calor caliente W-22.

El gas que sale de la carcaza del intercambiador caliente W-22, entra radialmente a la

parte superior del segundo lecho catalizador y fluye hacia abajo a través de donde se lleva a cabo

más conversión de SO2 a SO3, y la temperatura del gas aumenta a las salida de la segunda capa

entre los 500 y 540 grados debido al calor que produce la reacción. Al salir del segundo lecho





catalizador, alrededor del 90% del SO2 originalmente presente en el gas ha sido convertido a

SO3. Este gas caliente entra entonces a un ducto que pasa a través del segundo lecho catalizador

y sale por la carcaza del convertidor C-20. A fin de que la conversión de SO2 a SO3 continúe, es

necesario enfriar el gas a los 430 grados pasándolo a través del lado tubo del intercambiador

caliente W-6.

5.1.5 Etapa de Absorción

Torre de Absorción intermedia K-6.

Esta torre ubicada tras los lechos catalizadores primer, segundo y tercero (capa 1, capa 2,

capa3), es utilizada para remover el formado por la oxidación del a .

En esta torre el SO3 es absorbido por un flujo circulante de ácido sulfúrico al 98,5%. Una

vez absorbido por el ácido, el SO3 reacciona con el agua para formar H2SO4 adicional.

Las razones para absorber el del flujo de gas en esta torre son las siguientes:

Es conveniente remover el del flujo de gas, con el fin de facilitar la posterior

conversión del SO2 restante presente en el gas, a en el cuarto lecho catalizador.

Producir ácido sulfúrico a 98,5%.

El gas caliente que sale del tercer lecho catalizador contiene aproximadamente un 10% de

trióxido de azufre ( ). Es enfriado mediante el intercambiador frio W-23 y el enfriador de SO3

W-26 hasta alrededor de 210[°C] antes de entrar en la torre de absorción intermedia K.-6. El gas

entra por la parte inferior de esta torre y fluye hacia arriba a través de un lecho relleno cerámico

donde se pone en contacto con un flujo descendente de ácido sulfúrico al 98,5%. La alta

solubilidad del en lleva a la remoción de casi todo el SO3 del gas, siendo absorbido

por el ácido.

El gas que sale de la torre puede contener gotitas de ácido retenidas mecánicamente con

asimismo partículas pequeñas de neblina que algunas veces es formada durante el proceso de

absorción de SO3. Estas deben ser removidas para prevenir su arrastre hacia el manto de

intercambiador Frio W-23, donde podrían causar corrosión en la superficie de los tubos. Esto es

logrado pasando el gas a través de eliminadores de neblina eficientes tipo vela antes de abandonar

la torre.

El ácido sulfúrico al 98,5% entra por la parte superior de la sección con relleno de la torre

de absorción intermedia K-6 alrededor de 60[°C]. A medida que fluye a través del relleno,

aumenta la concentración hasta 99,0% con resultado de la absorción de y la temperatura





aumenta hasta alrededor de 87 [°C]. En el fondo de la torre de absorción intermedia K-6, un flujo

mezclado de ácido sulfúrico al 80% proveniente del estanque pulmón y agua es agregado para

diluir el ácido a una concentración de 98,5%. Los flujos de ácido sulfúrico al 80% y agua son

mezclados en el mezclador de ácido junto a un flujo de reciclado de ácido proveniente de la

salida de los enfriadores de ácido de la torre de absorción intermedia.

El ácido es bombeado desde el fondo de la torre de absorción intermedia K-6 por unas

bombas de ácido hacia los enfriadores de ácido tipo placa. Estos enfriadores enfrían el ácido de

vuelta a la torre con agua, hasta una temperatura entre 60 y 65 [°C] antes de devolverlo a la parte

superior de K-6.

Luego, un sistema distribuidor (tipo tubería), alimenta ácido en forma uniforme sobre la

parte superior del relleno de la torre. Es necesario mantener un flujo mínimo de ácido sobre la

torre para asegurar una buena absorción. El flujo debe ser mantenido constante aun si varía el

caudal de gas hacia la planta. Después se desvía un flujo de ácido hacia el sistema de secado que

permite controlar la concentración de ácido en la torre de secado primario.

Un segundo flujo de ácido, fluye hacia el mezclador de ácido y posteriormente hacia la torre de

absorción final K-5, es extraído en este punto para mantener contante el nivel de ácido en el

fondo de la torre K-6.

Torre de Absorción Final K-5.

La torre de absorción final está ubicada aguas abajo del cuarto lecho catalizador y es

utilizada para absorber el SO3 formado en este lecho. El SO3 es absorbido por el flujo circulante

de ácido al 98,5%.

Las razones para remover el SO3 del flujo de gas en esta torre son las siguientes:

Remover el SO3 de flujo de gas a un nivel tal que cumple con la legislación sobre el

medio ambiente.

Tener emisiones no visibles en chimenea.

Producir ácido sulfúrico al 98,5%.

El anhídrido sulfúrico (1-3% en vol.), aire en exceso y trazas de abandonan la masa

del cuarto catalizador y son enfriados por el intercambiador de W-27 y luego en serie con el

intercambiador de calor frio W-24, a una temperatura de alrededor de 210[°C] antes de entrar a la

torre de absorción final K-5.

El gas entra por la parte inferior de la torre y fluye hacia arriba a través de un lecho con

relleno cerámico donde entra en contacto con un flujo descendente de ácido sulfúrico al 98,5%.

Virtualmente todo el es removido del gas y absorbido por el acido

El ácido sulfúrico a 98,5% entra por la parte superior de la torre de absorción K-5 a

alrededor de 75[°C] y es alimentada uniformemente sobre la parte superior del relleno mediante





un distribuidor. A medida que el SO3 es absorbido por el ácido, su concentración aumenta a

alrededor del 98,6% y al mismo tiempo aumenta la temperatura alrededor de 88,2[°C].

En la parte inferior de la torre, un flujo de agua de proceso es agregado para diluir el ácido

de vuelta a una concentración de 98,5%. En la parte superior de la torre de absorción final K-5 se

mezcla un flujo de ácido proveniente desde la torre de absorción intermedia K-6 con un flujo

reciclado de ácido enfriado que sale desde la torre de absorción final K-5.

El nivel de ácido en el fondo de la torre de absorción final K-5 se mantiene mediante un

rebalse que descarga acido por gravedad hacia el estanque de ácido producto.

La operación del sistema de la torre de absorción final tiene un efecto pronunciado sobre la

pluma de descarga de la chimenea de salida de la planta de ácido. El factor más significativo de la

absorción es la concentración del ácido. Para la mejor absorción, la concentración del ácido debe

estar en el rango de 98-99,4%,; sin embargo, la concentración exacta a la cual se obtiene una

“descarga de chimenea” si emisiones visibles es en gran medida u tema de prueba y error y

depende de:

La concentración de SO3 (>98%).

La temperatura del gas entrando a la torre de absorción final K-5(210[°C]).

Flujo de ácido (entre 400 y 600 [m3/h].

Concentración acida (985%).

La temperatura del ácido entrando y abandonando la torre absorción final K-5 (entrada

75[°C] y salida 90[°C]).

Si filtros velas también esta rotos también hay pluma.

Sistema de irrigación en condiciones.

5.2. Balance de masa y energía.

Figura 8. Diagrama de flujo de proceso (PFD) esquemático del intercambiador con

soplador

W24

A torre K-5

4

3

Soplador

Aire

Atmosfera

2

1





Nomenclatura:

Fi: Flujo de la corriente i

wi,j: Composición másica de la corriente gaseosa i, del componente j

Sea:

5.2.1 Balance de Materia

5.2.1.1 Global para producto:

Se considera un estado estacionario.

5.2.1.2 Por componente:

Datos:

[

]

[

]





5.2.2 Balance de Energía

( )

Consideraciones: Al encontrarse el N2 en una concentración molar muy superior al resto de los

gases que componen la corriente, exactamente igual al 91,8% es que se ha considerado el cp de la

mezcla igual a la del N2.

Datos:

[

]

[

]

[

]

5.3. Listado de equipos.

5.3.1. Listado de equipos principales de la planta:

5.3.1.1. Etapa de captación, Manejo y limpieza seca de gases

- Precipitadores electroestáticos

5.3.1.2. Etapa lavado y enfriamiento de gases

- Torre de enfriamiento

- Bombas Torres de enfriamiento

- Estanque Sedimentador

- Venturi Scrubber

- Ciclones

- Estanque Intermedio

- Bombas Venturi

- Estanque Solución Silicato

- Torre de Deshumidificacion

- Bombas torre de Deshumidificación

- Enfriadores de Acido

- Precipitadores electroestáticos húmedos

5.3.1.3. Etapa de secado de gases

- Torre de secado Primario





- Bomba Acido de Secado

- Enfriador de ácido de secado

- Torre de secado secundario

- Bombas de secado secundario

5.3.1.4. Etapa de Conversión

- Soplador Principal

- Intercambiador de calor

- Convertidor Catalítico

- Intercambiador caliente

- Enfriador de SO3

- Chimenea

- Sistema de precalentador

-

5.3.1.5. Etapa de Absorción

- Torre de absorción final

- Bomba acido torre de absorción final

- Enfriador acido de absorción

- Torre de absorción intermedia

- Bomba de ácido torre de absorción intermedia

- Enfriador de ácido producto

5.3.1. Listado de equipos relacionados directamente con los dos intercambiadores en serie

previo al absorbedor final (sección de interés):

- Intercambiador de calor (frio).

- Soplador.


- Convertidor catalítico

- Torre de absorción intermedia

5.3.1 Listado de equipos de mayor importancia relacionados con el nuevo intercambiador

de calor (frio):

- Soplador principal.

- Soplador para intercambiador.


- Convertidor catalítico





5.4. Diseño equipo principal.

Para este proyecto se ha realizado un diseño de intercambiador de tubos y coraza, acorde a

las necesidades, limitaciones y requerimientos de la planta de ácido.

Figura9. Esquema de Intercambiador de tubos y coraza (1 paso)

Se ha calculado el área requerida para llevar a cabo este proceso, equivalente a 2113 [m2].

Asumiendo la no existencia de limitantes espaciales se ha seleccionado un largo de tubos de 20

[ft] y un diámetro de tubos de 1,5 [in].

Todos los cálculos se encuentran anexados.

Realzando los cálculos obtenemos un Área disponible equivalente 2336 [m2] con una

cantidad de 3203 tubos.

Criterios de diseño:

El grado de corrosión que provoca la mezcla de gases (SO2, SO3, etc.), es por esto que se

ha optado por la circulación por tubos para esta mezcla.

Se ha determinado como flujo de servicio aire obtenido de la atmósfera.

Se ha optado por un arreglo cuadrado por un tema de mantenimiento del intercambiador

Las caídas de presión disponible dentro de la planta.

Las velocidades límites de los gases circulantes.

No existe cambio de fase de ninguna de las dos corrientes.

La temperatura de criterio es un poco más compleja de analizar ya que se encuentra ligado

con la eficiencia del proceso. Esta dependencia será explicada a continuación.





Temperaturas de diseño

Etapa de conversión

Segundo reactor catalítico

Figura 10. Temperatura en relación al porcentaje de conversión de SO3

Fuente: Elaborado para la realización de este estudio

Esta es una gráfica de conversión de a versus la temperatura, donde se muestra el

avance de la reacción.

Las líneas azul (modificada) y roja (real) representan el equilibrio de la reacción, las cuales

fueron determinadas en la realización de este proyecto

La reacción tiene como temperatura de ignición aproximadamente los 430 [°C] y va aumentando

mientras transcurre la reacción producto de su naturaleza exotérmica.

Es importante destacar que la reacción no puede avanzar hasta llegar a alcanzar la temperatura

de equilibrio, puesto que a esta temperatura la reacción corre en ambos sentidos provocando un

estancamiento de la reacción, por lo que se hace necesario emplear más de un intercambiador de

calor. Estos se encontraran convenientemente entremedios de los lechos catalizadores





(representados por las líneas horizontales que se encuentra en naranjo), lo cual permitirá

disminuir la temperatura de los gases en reacción hasta llegar aproximadamente a la temperatura

de ignición de la reacción y así poder aprovechar al máximo la conversión.

Luego de atravesar los lechos el gas posee en mayor porcentaje el cual debe ser enfriado para

poder ingresar al absorbedor.

Por ello es interesante detallar esta reacción debido a que la temperatura de salida del último

lecho determinará la temperatura de entrada del intercambiador de calor del proyecto la cual

determínanos que es 438[°C]

Por otro lado, se encuentra el ingreso al absorbedor el cual también condicionara de cierta manera

la temperatura a la cual debemos enfriar el flujo de proceso.

Figura 11. Contenido de SO3 en relación a la Temperatura

Fuente: Estudio de simulación de sistema de absorción, realizado en

la Universidad de Carabobo, Venezuela.

Este gráfico representa los efectos de la temperatura de entrada al absorbedor sobre el contenido

de en la corriente de salida de la torre.

Donde se puede apreciar que para obtener un proceso ventajoso, la temperatura de entrada al

absorbedor debe estar entre los 210[°C] y los 220[°C].

Por lo tanto el gas de proceso proveniente del convertidor catalítico debe ser enfriado por el

intercambiador de calor, desde una temperatura de 430[°C] hasta la temperatura óptima de

entrada al absorbedor determinada a 210[°C].

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

180 185 190 195 200 205 210 215 220

Co

nte

nid

o d

e SO

3

[Kgm

ol/

h*1

0E5

]

Temperatura °C





5.5. Especificaciones de otros equipos.

5.5.1 Soplador principal

Con este equipo se transporta el gas desde la etapa de limpieza húmeda hasta la absorción,

es un soplador de centrifugo de una etapa, su carcaza es de hierro fundido, tiene velocidad fija y

posee un control de flujo mediante válvulas que regulan el acceso y la recirculación, el motor es

de inducción acoplada a una caja de engranajes, utiliza 12 [Kv]/3[Hp]/50[Hz]. Posee un sistema

de enfriamiento con intercambiador de calor de tubos y carcaza, lubricación forzada con aceite

accesorios compuestos por estanques enfriadores de aceite, doble filtro y bomba auxiliar de

aceite. Sus condiciones de operación son una composición de fluido de 10% SO2, 13,2%02 Y

76,8 N2, con una capacidad de 131000 [Nm3/hr], la presión de entrada y salida cerca de -70[bar]

y 340,9[mbar] respectivamente con una temperatura de entrada de los gases de 90[°C].

5.5.2 Torre de absorción final

Su funciones la absorción del anhídrido sulfúrico (SO3), producido en la etapa de

conversión, mediante ácido sulfúrico concentrado en flujo contracorriente a través de un relleno

cerámico. Equipo compuesto por cilindro de chapa de acero A42-27ES con un pozo para acido

integrado en la parte interior, el que sirve de recipiente para la absorción del SO3, la torre con

doble mampostería de ladrillos resistentes al acido. EL revestimiento se efectúa con masilla

especial resistente al ácido y silicato de potasio empleando una proyección adicional de Rhepanol

para toda la parte interior de la torre, el relleno de la torre es monturas Instalox de 2” y 3”, de

acción intensiva, de material cerámico. El soporte de este relleno es un boque de parrillas

antiácido autosoportante. Para la distribución del ácido se ha previsto una distribución por

canaleta especialmente diseñada de fundición de hierro, con los tubos de afluentes necesarios,

que garantiza tanto una distribución homogénea del ácido, así como del gas, también consta de

eliminadores de neblina acida tipo vela. Estos son 40 y están construidas en fibra especial de

vidrio y acero inoxidable. La eficiencia de estas es de un 99% con un tamaño de partículas de 3

micrones. Este equipo se caracteriza por estar compuesto de un cilindro horizontal cuya

construcción es de acero de carbono espesor de carcaza 10[mm].

Las condiciones de operación de estas torres mediante el flujo de gas después de los

filtros velas es de 106.609[Nm3/hr], la temperatura de entrada del gas es de 210[°C] y la de

salida es de 75[°C] el flujo de ácido concentrado es de 766[m3] con una temperatura de entrada

de 75[°C] y una temperatura de salida de 88,2[°C]





Figura 3. Torres de absorción para convertir y agua en .

5.6. Balance de masa y energía de servicios.

Se utilizarán los mismos criterios de nomenclatura expuestos en la sección 5.2.

5.6.1 Balance de masa

Se establece un estado estacionario, por tanto para el servicio:

Por componentes:

Datos:

[

]





5.6.2 Balance de Energía

Puesto que el servicio es el medio de enfriamiento para el gas de proceso:

Además se tiene para el servicio:

( )

[

]

Se establecieron las temperaturas de entrada y salida a fin de disminuir lo máximo posible el flujo

de servicio.

Es por esto que:

( )

( )

Se consideró un Cp mix para el aire equivalente a:

[

]

Se obtuvo un flujo de servicio:

[

]

5.7. Especificación de servicios.

Se establece como fluido de servicio aire atmosférico, con un flujo equivalente a [

],

con una temperatura de entrada de 90 [°C] de aire atmosférico y una temperatura de salida de

280[°C].





6. Evaluación de costos.

Para la evaluación de costo asociado al intercambiador se utilizó la página matche.com la cual

entrega valores aproximados para equipos, referenciados al año 2007.

Para actualizar los costos se utiliza la siguiente relación:





7.1 Memoria de Cálculos

DISEÑO DE INTERCAMBIADORES DE CALOR

Unidades Coraza Tubos

Fluido Aire Gases

Calientes

Flujo Nm3/h 137.115 108.720

Flujo Kg/h 176.878 140.249

Lb/h 389.943 309.191

Flujo de Calor Kcal/h 8.259.216 8.259.216

Flujo de Calor BTU/h 32.774.669 32.774.669

T Entra C 90 438

T Sale C 280 210

DT Caliente C 170

DT Frio C 120

R 1,20

S 0,546

Nº de Pasos 1 1

Ft 1

LMTD C 143,6

DT T de Calor C 143,6

Coef. T. de Calor Kcal/h m2 C 102 63

Coef. De Ensuc. h m2 C/Kcal 0,00200 0,00900

U Kcal/h m2 C 27,23

Arequerida m2 2.113

Adisponible m2 2.337

% Sobredimensionamiento % 9,58%

Diferencia de Presión psi

f 0,002 0,00025

DP Flujo psi 0,069 0,001

DP pasos psi 0,000 0,10747

DP Total psi 0,069 0,108427

DP Disponible psi 0,3000 0,3000

% Sobredimensionamiento % 77% 64%





PROPIEDADES

Transito Coraza Tubos

Fluido Y Nombre Aire Gas con SO3

Propiedad Unidades Entra Sale Entra promedio

Temperatura °C 90 280 438 210

Temperatura

promedio °C

185 324

Densidad Lb/pie

3 0,0622752 0,04007952 0,03078816 0,04258176

kg/m3 0,998 0,6423 0,4934 0,6824

Densidad Promedio Lb/pie

3 0,051 0,037

kg/m3 0,820 0,588

Cp KJ/kg°C 1,009 1,039 1,0969 1,0555

Kcal/Kg C 0,24216 0,24936 0,263256 0,25332

Cp Promedio KJ/kg°C 1,024 1,076

Kcal/Kg C 0,246 0,258

Viscosidad Lb/pie s 0,00003122 0,00004244 0,00004787 0,00003829 kg/ms 0,00002095 0,00002848 0,00003213 0,00002570

Viscosidad Promedio Lb/pie s 0,00003683 0,00004308

kg/ms 0,00002472 0,00002892

Cond. Térmica W/m°C 0,03 0,0436 0,05123 0,03984

kcal/hmC 0,02592 0,0376704 0,04426272 0,03442176

Cond. Térmica

Promedio

W/m°C 0,0368 0,045535

kcal/hmC 0,0317952 0,03934224

Nº Prandtl - 0,70 0,68 0,69 0,68

Nº Prandtl - 0,69 0,69





DIMENSIONES

Unidades Coraza Tubos

Fluido

Nombre

D I Coraza pulg 115

Arreglo Cuadrado

Diam Tubo Interno pulg 1,4

Diam TuboExterno pulg 1,5

BWG 16

Separación Baffles Pulg 92

Nº de Tubos 3.203

Nº de Pasos 1

Pt pulg 1,75

C´ pulg 0,50

Dequivalente pulg 1,10

Área de Flujo pie 2 21 28

Velocidad pie/seg 100 82 m/seg 30 25

Nº de Cruces 2,6

Largo tubos pie 20

Área Disponible pie 2 25.156 2.337

Nº Reynolds 28.248 18.154

Transferencia de calor

Nusselt 89,3 60,9

Coef. T. de Calor Kcal/h m2 C 101,7 67,4 Coef. T. de Calor Corrg. Kcal/h m2 C 101,7 62,9

Coef. De Ensuc. h m2 C/Kcal 0,00200 0,00900

U Kcal/h m2 C 27,23

Diferencia de Presión

f 0,002 0,00025

Flujo Masico lb/ h pie 2 18.423,84 10.879,58

DP Flujo psi 0,07 0,0009557

DP pasos psi 0,10747

DP Total psi 0,07 0,11

proyecto final intercambiador de calor previo a absorbedor en planta de acido sulfurico

Documents