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Análisis de viabilidad de una planta de reciclado de baterías de Li-ion

I

viv Equation Chapter 1 Section 1

Trabajo Fin de Grado

Grado en Ingeniería Química

Análisis de viabilidad de una planta de reciclado de

baterías de Li-ion

Autor: Juan Murillo García

Tutor: Fátima Arroyo Torralvo

Dep. Ingeniería Química y Ambiental

Escuela Técnica Superior de Ingeniería

Universidad de Sevilla

Sevilla, 2016


I

Trabajo Fin de Grado

Grado en Ingeniería Química

Análisis de viabilidad de una planta de reciclado de

baterías de Li-ion

Autor:

Juan Murillo García

Tutor:

Fátima Arroyo Torralvo

Profesora Contratada Doctora

Dep. de Ingeniería Química y Ambiental

Escuela Técnica Superior de Ingeniería

Universidad de Sevilla

Sevilla, 2016


III

Proyecto Fin de Carrera: Análisis de viabilidad de una planta de reciclado de baterías de Li-ion

Autor: Juan Murillo García

Tutor: Fátima Arrollo Torralvo

El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros:

Presidente:

Vocales:

Secretario:

Acuerdan otorgarle la calificación de:

Sevilla, 2016

El Secretario del Tribunal

Resumen

En el presente documento se realiza un estudio de viabilidad técnico-económica del proceso de reciclado de

baterías de Li-ion gastadas.

Se estudian los diferentes métodos de reciclaje que hay desarrollados para este tipo de baterías, procedimiento

pirometalúrgico e hidrometalúrgico. El proceso que se escoge para el diseño es el hidrometalúrgico, ya que es

un método específico para baterías de Li-ion. Este proceso consiste en disolver mediante H2SO4 las baterías de

litio y mediante etapas de precipitación y extracción L-L con solventes orgánicos, habiéndose calculado los

balances de materia, se consigue extraer Cu, Co y Li para su posterior venta. Finalmente se realiza una

estimación del coste de la instalación y costes de producción para estimar la viabilidad del proyecto.


V

Índice

Resumen IV

Índice V

Índice de Tablas VII

Índice de Figuras IX

1 Objetivos 1

2 Justificación del estudio 2 2.1 Producción de baterías de litio 2 2.2 Empresas mundiales productoras de baterías 3 2.3 Empresas mundiales de reciclado de baterías 7 2.4 Empresas nacionales de reciclado de baterías 8 2.5 Procesos para reciclado de baterías 9 2.5.1 Proceso Pirometalúrgico. Proceso Umicore 9 2.5.2 Proceso Hidrometalúrgico. Proceso Toxco 10

3 GESTIÓN DE BATERÍAS FUERA DE USO 11 3.1 Revisión general de la normativa aplicable 11 3.2 Legislación sobre residuos 11 3.3 Legislación sobre transporte de baterías 11 3.4 Legislación sobre prevención de riesgos laborales 12 3.5 Definiciones 13

4 Tipos de Baterías Eléctricas 14 4.1 Baterías de plomo-ácido 14 4.2 Baterías de níquel-cadmio 15 4.3 Baterías de níquel-metal hidruro 15 4.4 Baterías de ión-litio 16

5 Descripción del proceso 17 5.1 Descripción del proceso 17 5.1.1 Recuperación de Cobalto por precipitación 18 5.1.2 Recuperación de Cu y Co mediante la extracción con solvente 18 5.1.3 Recuperación de Litio 21

6 Balances de materia y cronograma 23 6.1 Balance de materia global 23 6.2 Balance de materia por equipos 24 6.3 Cronograma del proceso 30

7 Dimensionamiento de equipos principales 31 7.1 Tanque de pretratamiento 31 7.2 Trituradora 33 7.3 Tanque de lixiviación 37 7.4 Tanques de Precipitación 39 7.5 Agitadores 42

7.6 Filtros Prensa 47 7.7 Mezclador – Sedimentador en cascada 48 7.8 Tanques auxiliares 55

8 Evaluación económica 57 8.1 Estimación de la inversión inicial 57 8.1.1 Costes fijos 57 8.1.2 Capital de trabajo 62 8.1.3 Capital de inversión total 62 8.2 Ingresos anuales 63 8.3 VAN y período de recuperación 63

Referencias 66

Índice de Conceptos ¡Error! Marcador no definido.

Glosario ¡Error! Marcador no definido.


VII

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 2-1: Matriculación de coches eléctricos 2010 - 2015 2

Tabla 2-2: Listado de principales empresas productoras de baterías para vehículos eléctricos e híbridos. 3

Tabla 2-3: Empresas mundiales que realizan procesos de reciclado de baterías. 7

Tabla 3-1: Clasificación de las baterías según su naturaleza. 11

Tabla 3-2: Normativa general sobre residuos para baterías fuera de uso. 11

Tabla 3-1-3: Normativa general sobre transporte de mercancías peligrosas. 12

Tabla 3-1-4: Normativa general sobre prevención de riesgos laborales. 12

Tabla 3-1-5: Normativa general de seguridad industrial. 13

Tabla 5-1: Elementos del lixiviado de baterías de litio. 17

Tabla 6-1: Balance de materia global. 23

Tabla 6-2: Balance de materia del tanque de pretratamiento. 24

Tabla 6-3: Balance de materia de la trituradora. 24

Tabla 6-4: Balance de materia del tanque de lixiviación. 25

Tabla 6-5: Balance de materia en la reja. 25

Tabla 6-6: Balance de materia en la primera precipitación. 26

Tabla 6-7: Balance de materia en el primer filtro. 26

Tabla 6-8: Balance de materia en la primera extracción L-L. 27

Tabla 6-9: Balance de materia en la primera re-extracción L-L. 27

Tabla 6-10: Balance de materia en la segunda extracción L-L. 28

Tabla 6-11: Balance de materia en la segunda re-extracción L-L. 28

Tabla 6-12: Balance de materia en la segunda precipitación. 29

Tabla 6-13: Balance de materia en el segundo filtro. 29

Tabla 7-1: Características y dimensiones del tanque de pretratamiento 32

Tabla 7-2: Descripción elementos que componen la trituradora de doble eje Forrec. 34

Tabla 7-3: Especificaciones técnicas de la trituradora Forrec TB500/5. 36

Tabla 7-4: Composición media de las baterías de Li-ion. 38

Tabla 7-5: Características y dimensiones del tanque de lixiviación. 39

Tabla 7-6: Características y dimensiones de los tanques de precipitación de CoC2O4. 40

Tabla 7-7: Características y dimensiones de los tanques de precipitación de Li2CO3. 41

Tabla 7-8: Características de los agitadores del tanque de lixiviación y pretratamiento. 44

Tabla 7-9: Cálculo de potencia para los agitadores de coagulación. 45

Tabla 7-10: Especificaciones técnicas del agitador para la primera etapa de floculación. 45

Tabla 7-11: Especificaciones técnicas del agitador para la primera etapa de floculación. 46

Tabla 7-12: Especificaciones de los tanques de agitación. 49

Tabla 7-13: Especificaciones de los agitadores para los tanques de agitación. 50

Tabla 7-14: Diseño del sedimentador de la primera extracción L-L. 51

Tabla 7-15: Diseño del sedimentador de la segunda extracción L-L. 52

Tabla 7-16: Dimensiones del tanque auxiliar 1. 55

Tabla 7-17: Dimensiones del tanque auxiliar 2. 56

Tabla 8-1: Precio de los tanques. 58

Tabla 8-2: Precio de los filtros. 59

Tabla 8-3: Precio de los sedimentadores. 60

Tabla 8-4: Precio total de los sedimentadores 60

Tabla 8-5: Desglose costes directos 61

Tabla 8-6: Desglose costes indirectos 62

Tabla 8-7: Capital de inversión total 62

Tabla 8-8: Ingresos anuales 63

Tabla 8-9: Costes de producción anuales 63

Tabla 8-10: Coste anual de la materia prima 64

Tabla 8-11: Cálculo del flujo de caja anual 64


IX

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 4-1: Funcionamiento de una batería de Li-ión. 16

Figura 5-1: Precipitación de cobalto con diferentes cantidades de oxalato de amonio (Junmin Nan,

et al, 2005). 18

Figura 5-2: Influencia de la concentración de Acorga M5640 en la extracción de Cu2+ (Junmin Nan,

et al, 2005ref). 19

Figura 5-3: Influencia de la relación O/A en la extracción de Cu2+ (Junmin Nan, et al, 2005). 19

Figura 5-4: Influencia del pH en la relación de extracción de Cu y Co (Junmin Nan, et al, 2005). 20

Figura 5-5: Influencia del pH en la extracción de Co (Junmin Nan, et al, 2005). 21

Figura 5-6: Esquema del proceso de reciclado de baterías de Li-ión. 22

Figura 6-1: Cronograma del proceso. 30

Figura 7-1: Distribución de la carga de sólidos en el interior del tanque. 31

Figura 7-2: Modelo en 3D del tanque de pretratamiento. 32

Figura 7-3: Trituradora doble eje Forrec Modelo TB500/5 33

Figura 7-4: Modelo en 3D del tanque vertical de lixiviación. 38

Figura 7-5: Modelo 3D de un tanque de precipitación. 40

Figura 7-6: Factores de forma para un agitador de turbina (Peters et al., 2003). 43

Figura 7-7: Número de potencia frente a NRe para turbinas de seis palas (Peters et al., 2003). 43

Figura 7-8: Esquema del agitador de turbina para la etapa de coagulación. 46

Figura 7-9: Esquema agitador NRE-3000 para la etapa de floculación. 46

Figura 7-10: Esquema de un filtro prensa de placas y marcos Draco. 47

Figura 7-11: Especificaciones filtro prensa Draco. 47

Figura 7-12: Especificaciones filtro prensa Draco. 48

Figura 7-13: Configuración de una extracción L-L con un mezclador + sedimentador. (Treybal,

Robert. E., 1988). 49

Figura 7-14: Esquema del sedimentador. 53

Figura 7-15: Mccabe-Thiele de la E. L-L 1. 53

Figura 7-16: Mccabe-Thiele de la R. L-L 1 54

Figura 7-17: Mccabe-Thiele de la E. L-L 2. 54

Figura 7-18: Mccabe-Thiele de la R. L-L 2. 55

Figura 8-1: Coste de tanques en función de su capacidad (Peters, et al, 2003). 58

Figura 8-2: Coste de filtros en función de su superficie filtrante (Peters, et al, 2003). 59


1

1 OBJETIVOS

El objetivo general del presente trabajo, es realizar el análisis de viabilidad técnico-económica de una planta

dedicada a la recuperación de Li y Co a partir de baterías de Litio-ion gastadas. Las baterías de litio son

fundamentales en la electrónica actual, incluso el sector automovilístico está desarrollando baterías de Li-ion de

gran capacidad y es fundamental estudiar un proceso que permita eliminar la gran cantidad baterías gastadas que

se generan al cabo del año. Además de eliminar estos residuos, el objetivo principal de este trabajo, es estudiar

si hay posibilidad de mercado al mismo tiempo que se eliminan estos residuos.

De una forma más clara, los objetivos de este documento son los siguientes:

Analizar las diferentes alternativas que existen actualmente para reciclar las baterías de Li-ion y las

empresas existentes a nivel mundial que realizan esta tarea.

Información conceptual de un proceso hidrometalúrgico para recuperar Litio y Cobalto a partir de

baterías gastadas para tratar 375 toneladas/año.

Estimación del coste de la instalación a partir del coste unitario de los equipos principales que la

componen.

Estudiar la viabilidad técnico-económica del proyecto a partir de los costes de instalación y los costes

de producción.

Justificación del estudio

2 JUSTIFICACIÓN DEL ESTUDIO

La motivación de la realización de este trabajo surge por la gran cantidad de aparatos electrónicos de uso

cotidiano que se utilizan hoy en día y la frecuencia con la que se cambian las baterías o se sustituye el dispositivo

como consecuencia del final de la vida útil de las baterías. Por otro lado, está el desarrollo y crecimiento de los

motores híbridos y eléctricos en el sector automovilístico como alternativa factible al motor de explosión o el de

combustión convencional.

Cada año se registran unos volúmenes mayores de residuos por este tipo de baterías gastadas que se traduce a

un problema medioambiental que hay que solventar. El reciclado de este tipo de baterías puede ser una

oportunidad de negocio además de una solución.

El crecimiento del uso de baterías en los sectores anteriormente mencionados, fundamenta la creencia de la

viabilidad del estudio presente en este documento.

2.1 Producción de baterías de litio

Las baterías se usan en infinidad de dispositivos electrónicos que cada vez son más demandados por los usuarios

como puedan ser los teléfonos móviles, cámaras digitales, dispositivos de audio, ordenadores portátiles, etc.

Todo dispositivo eléctrico que pueda ser usado sin estar conectado a la red eléctrica y que sea recargable, por lo

general usan una batería de iones de litio. Estas baterías ocupan un gran volumen de las baterías agotadas que

se recogen anualmente, pero se puede olvidar el otro gran sector, que es el sector automovilístico.

La producción de baterías para los vehículos eléctricos e híbridos se ha visto incrementada en los últimos años

debido a la gran demanda que tienen estos vehículos y que es previsible que siga creciendo en los próximos

años.

Tabla 2-1: Matriculación de coches eléctricos 2010 - 2015

País Unidades

Estados Unidos 259.949

Japón 95.153

China 77.205

Holanda 40.954

Francia 38.605

Noruega 37.824

Alemania 21.256

Reino Unido 17.456

Canadá 9.200

Suecia 6.771

Total 603.9332


3

2.2 Empresas mundiales productoras de baterías

En la tabla 2.2 se muestran las principales empresas que fabrican baterías de litio en el mundo. La mayoría esta ubicadas en EEUU, China y Japón.

Tabla 2-2: Listado de principales empresas productoras de baterías para vehículos eléctricos e híbridos.

Fabricante

de

Baterías

Tipo de

baterías Descripción de la empresa

Fabricante de

celda ó

ensamblador

País de

Ubicación Consorcio

A123

Systems Litio-ión

Fabricación de baterías de ión‐litio usando la nanotecnología y basándose en

las investigaciones anteriormente desarrolladas por el MIT (Massachusetts

Institute of Technology). Con esta tecnología se pretende conseguir un bajo

coste por Vatio, y un alto voltaje suministrado por cada celda. En concreto,

utilizan una tecnología de Nanofosfatos, con la que consiguen un ciclo de

vida prolongado. Esta empresa nos ofrece varios formatos de celdas, tanto

cilíndricas como prismáticas, entre ellas el que vemos en la figura de abajo,

con un voltaje nominal de 3,3V y 20Ah. Desde el año 2000, la empresa

A123 Systems tiene una filial, llamada Enerland, que se dedica al desarrollo

y fabricación de baterías recargables, basándose en polímeros de litio, y de

supercondensadores.

Fabricante de

celdas

EEUU y

China

Acuerdo con General

Motors (GM) y BMW

NEC Litio-ión

Produce baterías de ión litio en la empresa de Zama (Japón) con una

capacidad de 13.000 unidades al año, prevé aumentar progresivamente el

volumen de producción.

Fabricante de

celdas Japón

Ha formado

“Automotive Energy

Supply Corporation”

(AESC) con Nissan y

Renault

GS Yuasa

(Yuasa

Battery

Iberia)

Litio-ión

A partir de las celdas producidas por GS Yuasa, las compañías Blue Energy

y Lithium Energy Japan producen paquetes de baterías.

Estas nuevas baterías tienen una capacidad 10 veces superior que las

actuales utilizadas en vehículos eléctricos híbridos.

Fabricante de

celdas Japón

Ha formado Blue

Energy junto a Honda.

También ha formado

Lithium Energy Japan


junto a Mitsubishi

Motor.

Enerdel Litio-ión

Compañía norteamericana fabricante de celdas, packs y sistemas de

almacenamiento de energía que utiliza diferentes tecnologías y tamaños de

celdas.

Fabricante de

celdas

ensamblador

EEUU

Distribuidora de Think

(fabricante de coches

eléctricos)

Panasonic Litio-ión

NiMH

Fabrica baterías de iones litio en su sede de Osaka. También fabrica baterías

de NiMH para vehículos híbridos.

Fabricante de

celdas

ensamblador

Japón.

Fábrica en

EEUU

Ha formado Panasonic

EV Energy junto a

Toyota

Sanyo NiMH Sanyo (líder en tecnología doméstica) se encarga del desarrollo y fabricación

de las celdas y del “pack” de las baterías. Pertenece al grupo Panasonic

Fabricante de

Celdas Japón

Acuerdos con Seat y

Volkswagen.

Sanyo también

mantiene acuerdos

con Suzuki, Ford,

Honda y Toyota

Ficosa NiMH Ficosa realiza el ensamblado de las celdas y la fabricación de la propia

batería a partir de las celdas de Sanyo. Ensambladores

Fábrica en

Barcelona

(España)

Cegasa Litio-ión Ha desarrollado los primeros prototipos de baterías para coches eléctricos y

ha puesto en marcha una planta piloto en Vitoria.

Fabricante de

Celdas

Vitoria

(España)

Ha formado la

empresa Clean

Energy Euskadi junto al

Gobierno Vasco

Samsung Litio-ión

Ha invertido más de 350 millones de euros hasta 2015 en el desarrollo y

mejora de las baterías de ion-litio y de los sistemas de vehículos híbridos y

eléctricos.

Fabricante de

Celdas

Japón.

Empresas

en Corea,

Alemania y

EEUU

Han formado “SB

LiMotive” junto a

Bosch. Suministran a

BMW y Daimler.


5

Sony Litio-ión Desde finales de 2012, fabrica baterías de iones de litio para coches

eléctricos.

Fabricante de

Celdas Japón -

Compact

Power Litio-ión

Empresa subsidiaria de LG, dedicada en exclusiva al desarrollo de baterías

de litio para vehículos eléctricos. Ensamblador EEUU Distribuidor de Ford

LG Chem Litio-ión

Dispone de varios formatos de celdas de baterías de litio, con una tensión de

3,7 V y capacidades en torno a los 900 mAh de media. Además, dispone de

varias celdas desarrolladas específicamente para vehículos eléctricos.

Fabricación de

celdas EEUU

Distribuidor de

General Motors (GM)

Hitachi Litio-ión Hitachi es uno de los pocos proveedores de automóviles con capacidad para

desarrollar y producir sus propias baterías de litio para vehículos eléctricos.

Fabricante de

celdas y

ensamblaje

Empresa

Japonesa con

Fabricación

en EEUU

Acuerdo con General

Motors

Toshiba

Litio-ión

Óxido de

titanato

de litio

Toshiba fabrica baterías de litio-ion, llamadas SCiB para vehículos que

ofrecen seguridad, recarga rápida y una larga vida.

Fabricación de

Celdas Japón

Acuerdos con

Mitsubishi y Honda.

Saft Litio-ión

NiMH

Líder mundial en la fabricación de baterías para aplicaciones industriales en

los campos del transporte, servicios estacionarios e iluminación de

emergencia. Fabrica baterías de iones de litio para vehículos eléctricos en

Jacksonville.

Fabricación de

Celdas Francia -

Altairnano Litio-ión

Fabrica soluciones de almacenamiento de energía ayudándose de la

tecnología del ión-litio, pero que introduce un elemento en sustitución del

grafito usado normalmente, el titanato de litio. Esta empresa ofrece celdas en

dos formatos, de 11 Ah o 50 Ah, ambos con un voltaje de 2,3V.

Fabricación de

celdas EEUU -


Valence

Technology

Fosfato

de Litio

Baterías de litio (LiFeMgPo4) en un formato de tamaño igual a las baterías

de plomo habituales. Se ofrecen dos series de baterías, la RT, destinada para

aplicaciones de bajo voltaje (12,8V), y la serie XP (12,8V y 19,2V), para

aplicaciones que necesiten mayores requerimientos de voltaje y capacidad.

Además, ofrece baterías de 3,2V/celda y 1.400mAh.

Fabricación de

celdas EEUU -

Enertech

International Litio-ión

Empresa coreana dedicada al diseño, fabricación y ensamblaje de baterías de

litio. Ofrecen una amplia gama de celdas, y además tienen unas celdas

específicas para grandes requerimientos de potencia y energía, que varían en

voltaje (3,2 V ó 3,7 V) y en capacidad (4Ah‐150Ah), según los

requerimientos.

Fabricación de

celdas y

ensamblaje

EEUU -

Thunder Sky Fosfato

de Litio

Empresa china especializada en la fabricación de baterías de litio recargables

que tienen como fin último el transporte.

Fabricación de

celdas y

ensamblaje

China -

Kokam

America Litio-ión

Empresa que fabrica una amplia gama de celdas de polímero de litio (desde

5 Ah‐ 240 Ah para los formatos de mayores requerimientos). Existe una

gama especial, denominada Superior lithium polymer battery (SLPB), para

coches eléctricos e híbridos. Además, disponen de productos para conectar

varias baterías, e información sobre cómo hacerlo.

Fabricación de

celdas y

ensamblaje

EEUU -

Electrovaya Litio-ión Soluciones integrales basadas en celdas de litio. Disponen de varios

formatos que varían entre 2 y 200Ah

Fabricación de

celdas y

ensamblaje

EEUU y

Canadá -


7

2.3 Empresas mundiales de reciclado de baterías

Son varias las empresas existentes a nivel mundial que se dedican a reciclar baterías, en la siguiente tabla se recoge un listado de empresas con su capacidad anual y la

tecnología aplicada para reciclar.

Tabla 2-3: Empresas mundiales que realizan procesos de reciclado de baterías.

Compañía Localización Proceso Capacidad (Tm/año) Tecnología Específica Comentarios

XSTRATA NICKEL

CORP. Ontario (Canadá)

Pirólisis y fusión con

posterior

hidrometalurgia.

>5000 No

Se reciclan

conjuntamente con

minerales y otros

residuos Co/Ni

UMICORE S.A. Hoboken (Bélgica) Fusión y posterior

hidrometalurgia.

< 500

Anunciada > 5000 No

Fusión directa en horno

de cuba, reciclado

conjuntamente con otros

residuos Co/Ni

BATREC IND. AG Wimmis (Suiza)

Pretratamiento

mecánico: Granulación

y tamizado.

< 300 Si Planta piloto para

pretratamiento

RECUPYL, S.A. Grenoble (Francia)

Pretratamiento

mecánico: Granulación

y tamizado.

< 300 Si Planta piloto para

pretratamiento

ACCUREC Wiehagen (Alemania) Procesos de destilación a

alto vacío. <4000 Si

Nueva planta industrial

para el reciclado de

baterías de Litio-ión

TOXCO Trail (Canadá) Granulación y tamizado,

Neutralización. - Si -

BATTERY Detroit (EEUU) Trituración y posterior <1500 - -


SOLUTIONS

baño a pH elevado.

SNAM Viviez y Saint Quentin

Fallavier (Francia)

Específico para cada

tipo de batería - -

Especializada en

acumuladores Ni-Cd y

Ni-MH. Tratamiento

térmico y prensado para

las baterías de Litio-ión

desarrollado en planta

piloto

2.4 Empresas nacionales de reciclado de baterías

En España la única empresa que se encarga del reciclado de baterías es “Envirobat España” y se encuentra en Azuqueca de Henares que es una instalación de 2100 metros

cuadrados y con una capacidad de 1600 toneladas de pilas alcalinas anuales. Recicla todo tipo de baterías desclasificadas por los fabricantes.

El proceso consiste fundamentalmente en un triturado seguido de un proceso hidrometalúrgico.


9

2.5 Procesos para reciclado de baterías

Los procesos de reciclado de baterías son muy variados, pero todos están basados en un proceso pirometalúrgico,

un proceso hidrometalúrgico o una combinación de ambos procesos.

A continuación, se describe con más detalle ambos procesos.

2.5.1 Proceso Pirometalúrgico. Proceso Umicore

Según (Georgi-Maschlera, et al, 2012), el proceso pirometalúrgico que actualmente se emplea en mayor medida

fue patentado por una empresa de recuperación de metales (Umicore) como consecuencia del aumento en la

producción y ventas de baterías tanto de Ni-MH como de Li-ión. Además, se preveía un gran aumento en la

producción gracias al desarrollo de vehículos eléctricos e híbridos.

El principal objetivo del proceso desarrollado por Umicore es la recuperación de cobalto y litio en las baterías

de iones de litio, y la recuperación de níquel en las baterías de níquel-metal hidruro.

El proceso de reciclado consiste básicamente en cinco etapas o subprocesos:

Etapa 1: Fundido con valorización energética.

Etapa 2: Refinado.

Etapa 3: Purificado de metales.

Etapa 4: Oxidación de CoCl2 a Co2O3.

Etapa 5: Producción de óxido de litio metálico para nuevas baterías.

Etapa 1: Fundido con valorización energética

Consiste en introducir las baterías enteras en un horno con los siguientes objetivos:

- Evaporar el electrolito.

- Fundir todos los metales.

- Aprovechar la capacidad calorífica de los plásticos.

- Utilizar el grafito del cátodo como agente reductor para reducir los óxidos de metales a su

forma metálica.

Esta primera etapa requiere mucho control para evitar explosiones por la sobrepresión del electrolito al

calentarse, y para evitar fugas de compuestos orgánicos volátiles (Dioxinas, Furanos, ...). Por tanto, se debe de

tener un buen control sobre las emisiones de gases y tener una buena instalación de tratamiento de gases.

Etapa 2 y 3: Refinado y purificado

La etapa de refinado está certificada con las normas ISO 9001 y 14001 de gestión de calidad y gestión

medioambiental respectivamente. Se trata de un proceso hidrometalúrgico en el cual, la aleación obtenida en la

etapa 1 (cobalto, níquel, hierro y cobre) es lixiviada con ácido sulfúrico y posteriormente, tras ajustar el pH, se

pueden separar los metales principales obteniéndose una corriente de NiSO4 y otra de CoCl2. Estas corrientes

son purificadas posteriormente en una extracción del disolvente.

Etapa 4 y 5: Oxidación y producción de LiCoO2.

El CoCl2 se oxida en un horno bajo unas condiciones muy específicas desarrolladas por Umicore. De este horno

se obtiene un óxido de cobalto de gran calidad, que es requerido para obtener un compuesto que también contiene

litio. En la última etapa se produce LiCoO2 que es el compuesto que se utiliza para el ánodo de nuevas baterías

de Li-ión y Li-polímero.

Gestión de baterías fuera de uso

10

2.5.2 Proceso Hidrometalúrgico. Proceso Toxco

Según (Georgi-Maschlera, et al, 2012), el proceso hidrometalúrgico lo desarrolló Toxco que es una empresa de

origen canadiense con el objetivo de reciclar cualquier tipo de batería agotada. Surge por la obligación que tienen

las grandes marcas de automóviles de reciclar las baterías por motivos legales. En principio el objetivo de Toxco

no es como el caso de Umicore, sino que sus intereses son muy distintos, el objetivo del primero es simplemente

solventar un problema legal, mientras que en el caso del segundo es un motivo de rentabilidad económica. El

objetivo de este proceso es la recuperación del litio, y teniendo en cuenta el precio del litio en el mercado y los

altos costes de operación del proceso, hace que no sea un proceso de elevada rentabilidad sino un proceso para

solventar un problema.

En el proceso hidrometalúrgico de Toxco se hace una distinción entre el procesado de baterías de Ni-MH y las

de Li-ión ya que la naturaleza de ambas es muy distinta. En el primer caso los materiales de electrodo son

relativamente estables a la temperatura de trabajo, pero con las baterías de Li-ión no ocurre lo mismo ya que los

materiales que la componen tienen una gran reactividad pudiendo afectar a la seguridad del proceso.

El proceso cuenta fundamentalmente de cinco etapas.

• Etapa 1: Recolección de las baterías.

• Etapa 2: Criogenización.

• Etapa 3: Proceso mecánico.

• Etapa 4: Reacción.

• Etapa 5: Separación de sales.

Etapa 1: Recolección de baterías.

En la primera etapa se seleccionan las baterías que son aptas para este proceso (baterías únicamente de Li-ión).

Etapa 2: Criogenización.

Uno de los principales motivos por los que Toxco realiza de forma diferente el reciclado de las baterías de

distinta naturaleza es por la alta reactividad del litio. Esta reactividad disminuye drásticamente tras sumergir las

baterías de litio en un baño de nitrógeno líquido que se encuentra a -198 ºC. De esta forma ya es seguro someter

las baterías a un proceso mecánico de triturado.

Etapa 3: Proceso mecánico.

Las baterías se someten a un proceso de reducción de tamaño (molino de martillos) donde se obtienen

fragmentos de tamaño muy homogéneo y aproximadamente de una pulgada.

Etapa 4: Reacción.

Los fragmentos de las baterías se introducen en un tanque de reacción dónde se adiciona agua y LiOH para

mantener el pH alto (10 como mínimo). En el tanque se forman varias sales dependiendo de la naturaleza

química de las baterías, estas sales empiezan a precipitar a medida que la concentración va aumentando. Están

incluidas LiCl, LiCO3, LiSO3 entre otras.

Etapa 5: Separación de sales.

Las sales que precipitan se bombean periódicamente a un tanque de sedimentación, de ahí se hacen pasar por un

filtro de prensa y se obtiene un concentrado de sales con una humedad del 28%. Este concentrado se sitúa en un

electrolito que contiene ácido sulfúrico. Las sales se separan en Li+ y en diversos aniones y se hace pasar por

una membrana en la que los aniones son repelidos. Se forma LiOH en el lado básico y este se usa para ajustar el

pH en la etapa anterior o se convierte en LiCO3 haciendo pasar burbujas de CO2 a través de la disolución.


11

3 GESTIÓN DE BATERÍAS FUERA DE USO 3.1 Revisión general de la normativa aplicable

En función de la naturaleza de las baterías, estas se pueden considerar: residuo peligroso (RP), residuo no

peligroso (RnP) y/o mercancía peligrosa (ADR). En la siguiente tabla se muestran las clasificaciones de los

diferentes tipos de baterías:

Tabla 3-1: Clasificación de las baterías según su naturaleza.

Batería Pb NiCd NiMH Li-ión

Residuo no Peligroso (RnP) X X

Residuo Peligroso (RP) X X

Mercancía Peligrosa (ADR) X

3.2 Legislación sobre residuos

Según la bibliografía (Anexo 2 determinación de parámetros clave en el sistema de gestión de baterías de

vehículos eléctricos/híbridos al final de su vida útil, requerimientos de los actores implicados. Ametic, Indumetal

Recycling S.A. 2012), todos los residuos se deben gestionar bajo una normativa específica (registros de

producción, etiquetado, almacenamiento, gestores autorizados, …). Una vez que la batería alcanza el final de su

vida útil, esta se convierte en residuo y, por lo tanto, se aplica la legislación relativa a residuos.

Tabla 3-2: Normativa general sobre residuos para baterías fuera de uso.

Ley 22/2011, de 28 de julio, de residuos y suelos contaminados.

REAL DECRETO 106/2008, de 1 de febrero, sobre pilas y acumuladores y la gestión ambiental de sus

residuos.

REAL DECRETO 833/1988, de 20 de julio, por el que se aprueba el Reglamento para la ejecución de la Ley

20/1986, de 14 de mayo, Básica de Residuos Tóxicos y Peligrosos.

REAL DECRETO 952/1997, de 20 de junio, por el que se modifica el Reglamento para la ejecución de la

Ley 20/1986, de 14 de mayo

3.3 Legislación sobre transporte de baterías

Para el transporte de mercancías, los transportistas necesitan cumplir unos requisitos mínimos. Si además se

habla de una mercancía peligrosa, estos requisitos son mayores y también afectan al cargador y al descargador

(etiquetado, embalaje, formación mínima, declaraciones anuales, consejeros de seguridad, fichas de

seguridad…).

Durante el transporte de las baterías, hay que considerar la normativa recogida en la siguiente tabla, tanto desde

Gestión de baterías fuera de uso

12

el punto de vista de residuo como de producto.

Tabla 3-3: Normativa general sobre transporte de mercancías peligrosas.

Acuerdo Europeo sobre el transporte de mercancías peligrosas por carretera (ADR 2011).

REAL DECRETO 551/2006, de 5 de mayo, por el que se regulan las operaciones de transporte de mercancías

peligrosas por carretera en territorio español.

REAL DECRETO 1566/1999, de 8 de octubre, sobre los consejeros de seguridad para el transporte de

mercancías peligrosas por carretera, por ferrocarril o por vía navegable.

ORDEN FOM/605/2004, de 27 de febrero, sobre capacitación profesional de los consejeros de seguridad para

el transporte de mercancías peligrosas por carretera, por ferrocarril o por vía navegable.

ORDEN FOM/2924/2006, de 19 de septiembre, por la que se regula el contenido mínimo del informe anual

para el transporte de mercancías peligrosas por carretera, por ferrocarril o por vía navegable.

LEY 16/1987, de 30 de julio, de ordenación de los transportes terrestres modificada por la LEY 29/2003.

El REAL DECRETO 1211/1990 de 28 de septiembre por el que se aprueba el reglamento de la Ley de

ordenación de los transportes terrestres, modificado por el REAL DECRETO 1225/2006

3.4 Legislación sobre prevención de riesgos laborales

Para poder manipular y procesar las baterías, hay que cumplir una determinada legislación sobre prevención de

riesgos laborales como consecuencia de los factores de riesgo existentes en este proceso. Esta legislación a tener

en cuenta es, por ejemplo, la derivada de trabajar con tensiones cercanas a los 400 voltios y con materiales

(electrolitos) corrosivos y explosivos. Se trata de situaciones potenciales que podrían causar graves lesiones e

incluso la muerte si no se actuara debidamente.

Es por lo que la activad de tratamiento de estas baterías debe disponer de una evaluación de riesgos que

identifique los mismos y establezca las medidas preventivas. Las siguientes tablas recogen la legislación que

hay que considerar para ello.

Tabla 3-4: Normativa general sobre prevención de riesgos laborales.

LEY 31/1995, de 8 de noviembre, de Prevención de Riesgos Laborales.

Real Decreto 5/2000, de 4 de agosto, por el que se aprueba el texto refundido de la Ley sobre Infracciones y

Sanciones en el Orden Social.

Ley 54/2003 de 12 de diciembre, sobre reforma del Marco Normativo de la Prevención de Riesgos Laborales.

Real Decreto 485/1997, de 14 de abril, sobre disposiciones mínimas en materia de señalización de seguridad

y salud en el trabajo.

Real Decreto 486/1997, de 14 de abril, por el que se establecen las disposiciones mínimas de seguridad y

salud en los lugares de trabajo.

Real Decreto 1215/1997, de 18 de Julio, por el que se establecen las disposiciones mínimas de seguridad y


13

salud para la utilización por los trabajadores de los equipos de trabajo.

Real Decreto 2177/2004, de 12 de noviembre, por el que se modifica el Real Decreto 1215/1997 por el que

se establecen las Disposiciones Mínimas de Seguridad y Salud para la utilización por los trabajadores de los

equipos de trabajo, en materia de trabajos temporales en altura.

Real Decreto 374/2001, de 6 de abril, sobre la protección de la salud y seguridad de los trabajadores contra

los riesgos relacionados con los agentes químicos durante el trabajo.

Real Decreto 614/2001, de 8 de junio, sobre protección de la salud y seguridad de los trabajadores frente al

riesgo eléctrico.

Tabla 3-5: Normativa general de seguridad industrial.

Reglamento de seguridad contra incendios en los establecimientos industriales, año 2004.

Real decreto 1942/1993, de 5 de noviembre, por el que sea aprueba el reglamento de instalaciones de

protección contra incendios.

Real decreto 314/2006, de 17 de marzo, por el que sea aprueba el Código Técnico de la Edificación

(Documento Básico SI).

3.5 Definiciones

Atendiendo al REAL DECRETO 106/2008, de 1 de febrero, sobre pilas y acumuladores y la gestión ambiental

de sus residuos:

Pila o acumulador: fuente de energía eléctrica obtenida por transformación directa de energía química

y constituida por uno o varios elementos primarios (no recargables), o constituida por uno o varios

elementos secundarios (recargables).

Pila o acumulador de automoción: pila o acumulador utilizado para el arranque, encendido o alumbrado

de vehículos.

Pila o acumulador industrial: pila o acumulador diseñado exclusivamente para uso industrial o

profesional o utilizado en cualquier tipo de vehículo eléctrico.

Batería (pack de baterías): conjunto de pilas o acumuladores conectados entre sí, formando una unidad

integrada y cerrada dentro de una carcasa exterior no destinada a ser desmontada ni abierta por el usuario

final.

Tipos de Baterías Eléctricas

14

4 TIPOS DE BATERÍAS ELÉCTRICAS

Las baterías almacenan en su interior unos reactivos químicos que mediante reacciones redox, transforman la

energía química que poseen en energía eléctrica para suministrar un circuito eléctrico externo. Se construyen

conectando en serie varias células electrolíticas, compuesta por los siguientes elementos básicos: electrodos,

electrolito y separador. En el electrodo es donde se encuentran los reactivos y ahí es donde tienen lugar las

reacciones de oxidación y reducción. El electrodo negativo es el ánodo, en él se liberan los electrones (oxidación)

que circulan por el circuito eléctrico exterior hasta que llegan al cátodo (reducción). [Anexo 2 determinación de

parámetros clave en el sistema de gestión de baterías de vehículos eléctricos/híbridos al final de su vida útil,

requerimientos de los actores implicados. Ametic, Indumetal Recycling S.A. 2012]

El electrolito es el medio a través del cual se produce el intercambio de iones entre los electrodos. Puede ser una

disolución acuosa o un polímero (polielectrolito) que sea buen conductor y presente buena estabilidad térmica.

El separador tiene la misión de tener separados ambos electrodos para evitar el cortocircuito y la rápida descarga

de la batería. Debe de estar construido con un material que permita el intercambio de los iones y evitar el paso

de los electrones. Una de las principales causas de que una batería deje de funcionar es el fallo de este elemento,

ya que la batería se agotara muy rápidamente al estar cortocircuitada.

Las baterías se clasifican en dos tipos, primarias o de un solo uso y secundarias o recargables que son el objeto

de estudio de este documento. Dentro de las baterías recargables podemos distinguir varias configuraciones:

plomo–ácido, níquel–cadmio, níquel metal-hidruro y más recientemente de litio y de ion-litio.

Las principales características que tienen las baterías son las siguientes:

- Voltaje: Es la suma de todas las diferencias de potencial de todas las celdas que componen la batería.

Se mide en voltios (V).

- Capacidad total: Es la cantidad total de carga eléctrica que es capaz de almacenarse en la batería. Su

unidad es el amperio-hora (Ah). Si este valor se divide por el peso de la batería se obtiene la capacidad

total específica (Ah/kg) que es un valor más comparable al tener en cuenta la masa de la batería

- Energía total: Es la cantidad total de energía que es capaz de acumular la batería. Su unidad es el vatio-

hora (Wh). Puede obtenerse multiplicando la capacidad total por el voltaje de la batería. Exactamente

igual que en la capacidad, se suele dividir por el peso de la batería para obtener la energía específica.

- Ciclos de vida: Cantidad de ciclos de carga y descarga que se pueden llevar a cabo hasta que la

capacidad de la batería sea un 80% de su valor nominal.

- Profundidad de descarga: Indica el nivel máximo de descarga al que se puede ver sometido una

batería sin que tenga efectos perjudiciales para la vida de la batería.

- Rendimiento: Es la relación porcentual entre la energía que recibe la batería sobre el proceso de carga,

y la energía que esta entrega durante el proceso de descarga.

4.1 Baterías de plomo-ácido

Es el tipo de batería más usada en el sector automovilístico, debido a su alta disponibilidad, su bajo precio y que

poseen una tecnología muy madura.

Ventajas:

- Poseen un voltaje elevado.

- Capaces de suministrar una elevada intensidad de corriente y una elevada potencia.


15

- Es el tipo de batería más barato del mercado.

- Más del 95% de las baterías de este tipo se reciclan en España debido a que sus componentes son muy

reciclables.

Inconvenientes:

- Baja energía específica.

- No están preparadas para elevadas profundidades de descarga.

- Bajo número de ciclos de carga y descarga.

- Impacto ambiental muy negativo ya que cuentan con elementos muy contaminantes como arsénico (As)

y antimonio (Sb).

4.2 Baterías de níquel-cadmio

Este tipo de baterías es de uso industrial y doméstico. Su uso ya se ha visto sustituido por las baterías de níquel-

metal hidruro debido a su efecto memoria y al uso del cadmio que se restringió por su efecto novicio al medio

ambiente en a partir de febrero de 2008 al entrar en vigor el Real Decreto 106/2008 sobre pilas y acumuladores

y la gestión ambiental de sus residuos.

Ventajas:

- El número de ciclos de carga (entre 1000 y 1500 ciclos de carga) es superior al de las baterías de níquel-

metal hidruro.

- En condiciones estándar dan un voltaje elevado de 1,3 V.

- Elevado número de ciclos de carga y descarga.

Inconvenientes:

- La citada contaminación del cadmio.

- Efecto memoria, es decir, se reduce la capacidad de la batería como consecuencia de cargas

incompletas.

4.3 Baterías de níquel-metal hidruro

Son consideradas como la evolución de las baterías de níquel-cadmio, pero con la diferencia de que el cátodo de

cadmio se ha sustituido por uno de aleación de hidruro metálico. Son muy utilizadas en vehículos híbridos.

Ventajas:

- Posee mayor capacidad de carga específica que una batería de Ni-Cd.

- Densidad de energía específica elevada.

- Permiten cargas rápidas.

- No requieren mantenimiento.

Inconvenientes:

- Coste más elevado que en el caso de la batería plomo-ácido.

- Número de ciclos moderado (entre 300 y 600 ciclos).

- Efecto memoria moderado.

- Elevada tasa de autodescarga.

- Mal funcionamiento en climas fríos.

Tipos de Baterías Eléctricas

16

4.4 Baterías de ión-litio

Es el tipo de baterías más conocido y más demandado debido a su extendido uso en la electrónica de consumo.

En el desarrollo de nuevos vehículos eléctricos e híbridos, estas baterías tienen un papel importante debido a sus

elevadas prestaciones.

El ánodo es de carbono (grafito) que es un material capaz de intercalar y desintercalar iones de litio en su matriz.

Los materiales usados en el cátodo son óxidos de litio con un metal de transición. En este tipo de baterías

inicialmente el litio se encuentra en el cátodo mientras que el ánodo carece de este, por tanto, hay que cargarlas

para que puedan suministrar energía.

Figura 4-1: Funcionamiento de una batería de Li-ión.

Ventajas:

- Alta densidad de energía. Comparándola con una batería de Ni-Cd o Ni-MH con las mismas

características, su peso es la mitad y su volumen se ve reducido entre un 20-50%.

- Alto voltaje de la celda elemental, por tanto, se reduce el número de celdas que hay que asociar. El

voltaje es el triple que las celdas de las baterías de Ni-Cd y Ni-MH.

- No poseen efecto memoria.

- Eficacia del ciclado de un 98% frente al 70-85% de las baterías alcalinas y las ácidas.

- No contienen trazas de metales pesados como el Hg, Pb o Cd que son altamente contaminantes.

Inconvenientes:

- No pueden descargarse por debajo de un determinado valor mínimo ni tampoco cargarse por encima de

un determinado valor máximo, por tanto, necesitan de un circuito electrónico que limite la carga y la

descarga.

- Tienen un coste más elevado para una determinada potencia.

- No trabajan bien a bajas temperaturas. Tienen un rendimiento menor que las baterías de Ni-Cd o Ni-

MH disminuyendo su duración hasta en un 25%.

- El número de cargas es limitado e inferior al de una batería Ni-Cd.

- A altas temperaturas presentan riesgos de explosión.


17

5 DESCRIPCIÓN DEL PROCESO

En este capítulo se va a describir en primer lugar el proceso de reciclado de baterías de litio que se ha

desarrollado, el balance de materia global y por equipos, el diseño y dimensionamiento de los equipos principales

del proceso y finalmente un análisis de los costes de todos los equipos. De este modo se puede ver si el proceso

es viable económicamente y si hay posibilidades de negocio en este sector.

Como se ha visto en el apartado 2.5 del presente documento, existen dos tipos de procesos para el reciclado de

baterías de Li-ion.

5.1 Descripción del proceso

Las baterías almacenadas se sumergen en un baño de agua con hierro en polvo, mediante un agitador que se

encuentra separado de las baterías, se consigue mantener en suspensión el hierro y de este modo se descargan

completamente las baterías para evitar incidentes. Una vez se ha reducido esta reactividad con el fin de eliminar

el riesgo de explosión que presenta este tipo de baterías, se someten a un proceso de reducción de tamaño;

primero atravesando una trituradora de mandíbulas y seguidamente un molino de martillos. Las baterías

contienen fundamentalmente cobalto, litio y cobre. Una vez se ha reducido el tamaño de las baterías, se

introducen durante 1 h en un tanque con una disolución de H2SO4 (4 M) y una relación S/L = 1/10 a una

temperatura de 80 ºC. En teoría, el LiCoO2 (cobaltita de litio) es la única sustancia presente que es soluble por

el H2SO4 produciéndose la siguiente reacción:

4 LiCoO2 + 6 H2SO4 = 2 Li2SO4 + 4 CoSO4 + 6 H2O + O2↑ (eq. 5.1)

La corriente gaseosa (aire y con polvo) extraída del molino y de la trituradora pasa a través de un lavador de

gases, de esta forma, las partículas que se han separado son recirculadas al tanque con H2SO4 y se obtiene una

corriente de aire limpio. Bajo estas condiciones de operación, es posible extraer casi todo el cobalto y el litio a

través del lixiviado, que tiene una composición media de 17 g/l de cobalto y de 1,7 g/l de litio. La disolución se

hace pasar a través de un filtro prensa, obteniéndose un lixiviado (filtrado) que es lo que resulta de interés puesto

que los metales del cátodo se encuentran disueltos en este lixiviado. El rechazo que se obtiene de este filtro está

compuesto fundamentalmente por restos de plástico de la carcasa que no se han disuelto y trazas de carbono.

Tabla 5-1: Elementos del lixiviado de baterías de litio.

Elemento Concentración (g/L)

Al3+ 0.222

Co2+ 20.045

Li+ 2.034

Cu2+ 1.4172

Ni2+ 0.0375

Fe2+ 0.0067

Mn2+ 0.0024

Descripción del proceso

18

Mediante precipitación y extracción con solvente se puede recuperar todo el cobre, cobalto y litio que hay

disuelto en el lixiviado.

5.1.1 Recuperación de Cobalto por precipitación

Como se observa en la tabla 5-1, la concentración de Cu2+ es mucho menor que la de Co2+. Ambos pueden ser

depositados como oxalato lo cual disminuye notablemente los costes de operación en las etapas posteriores y

además no se necesitarán cantidades de solventes tan grandes para la extracción del cobalto, ya que se puede

recuperar como oxalato más del 90% del cobalto total de las baterías (Junmin Nan, et al,2005).

El lixiviado se hace pasar por un tanque precipitador al que se le adiciona oxalato de amonio, y se mantiene a

70 ºC y un pH= 2 aproximadamente. Si la cantidad de oxalato de amonio se triplica con respecto a la teórica, es

posible recuperar mediante esta técnica aproximadamente el 97% de todo el cobalto, pero también aparecería

un 1% de impurezas de cobre, hierro y litio, así que la cantidad de oxalato de amonio que se utiliza es el doble

de la teórica y es posible recuperar de esta forma el 90% del cobalto total con sólo un 0,5% de impurezas (Junmin

Nan, et al, 2005).

Figura 5-1: Precipitación de cobalto con diferentes cantidades de oxalato de amonio (Junmin Nan, et al, 2005).

5.1.2 Recuperación de Cu y Co mediante la extracción con solvente

El lixiviado una vez se le ha retirado el 90% del cobalto total, se pone en contacto con un solvente orgánico.

Primeramente, se retira el Cu2+ del lixiviado y para ello se ha seleccionado como solvente Acorga M5640, que

es selectivo para el cobre. Las reacciones de extracción de Cu2+ y el posterior proceso de stripping son las

siguientes:

Cu2+ (aq.) + nHR (org) = CuR2(HR)(n−2) (org) + 2 H+ (aq.) (eq. 5.2)

CuR2(HR)(n−2) (org) + H2SO4 (aq.) = CuSO4 (aq.) + nHR (org) (eq. 5.3)

De este modo, se obtiene como producto sulfato de cobre y un lixiviado al que se le ha eliminado el contenido

de Cu2+. El proceso de extracción de cobre con Acorga M5640 es una reacción exotérmica (∆𝐻 = −16,4 𝐾𝐽

𝑚𝑜𝑙)

y se realiza a Tª ambiente.


19

Figura 5-2: Influencia de la concentración de Acorga M5640 en la extracción de Cu2+ (Junmin Nan, et al,

2005ref).

En la figura 5-2 se puede ver que se alcanza una extracción del 95% con una concentración del 5% en peso de

Acorga M5640, pero según la bibliografía (J.M. Nan, et al,2004), se piensa que es más efectivo usar una

concentración del 10% en peso.

Figura 5-3: Influencia de la relación O/A en la extracción de Cu2+ (Junmin Nan, et al, 2005).

La extracción es mayor cuanto mayor es la relación O/A, pero por motivos económicos se usa una relación

O/A = 1:1.


20

Figura 5-4: Influencia del pH en la relación de extracción de Cu y Co (Junmin Nan, et al, 2005).

De la figura 5-4 se puede sacar la conclusión de que la relación de extracción más elevada se da cuando el pH

es igual a 1.

Teniendo en cuenta todos estos datos de los gráficos se utiliza una solución de Acorga M5640 del 10% en peso,

una relación O/A = 1:1, pH=1 y un tiempo de residencia de 10 minutos. El stripping se hace con H2SO4 2M, una

relación O/A = 1:1 y un tiempo de residencia de 1 minuto. Con esto se consigue recuperar el 98% del cobre

como CuSO4.

Después de haber extraído el cobre, se procede del mismo modo para recuperar el resto de cobalto. En este caso

se selecciona Cyanex 272 1M que es un solvente orgánico selectivo al cobalto. Las reacciones del proceso de

separación y stripping son las siguientes:

Co2+ (aq.) + 2 H2A2 (org) = CoA2H2A2(org) + 2 H+ (aq.) (eq. 5.4)

CoA2H2A2 (org) + H2SO4 (aq.) = CoSO4 (aq.) + 2 H2A2 (org) (eq. 5.5)

Con estos procesos se consigue recuperar el cobalto como sulfato de cobalto y una corriente de la que solo queda

que recuperar el litio.

Al igual que en la extracción de cobre, se estudian los diferentes parámetros y se escoge el óptimo para llevar a

la práctica el proceso.

Teniendo en cuenta todos estos datos de los gráficos se utiliza una solución de Cyanex 272 1M, una relación

O/A = 1:1, pH=5,5 y un tiempo de residencia de 1 minuto. El stripping se hace con H2SO4 2M, una relación

O/A = 1:1 y un tiempo de residencia de 1 minuto. Con esto se consigue recuperar el 96% del cobalto como

CuSO4 que sumado al cobalto que se recupera mediante precipitación, se consigue recuperar el 99% del cobalto

total presente en las baterías de iones de litio gastadas.


21

Figura 5-5: Influencia del pH en la extracción de Co (Junmin Nan, et al, 2005).

5.1.3 Recuperación de Litio

Una vez recuperado todo el cobalto, y el cobre, queda el refinado, que se introduce en un tanque agitado a 100

ºC donde se adiciona Na2CO3 y tiene lugar la siguiente reacción:

LiCl + Na2CO3 = Li2CO3 + NaCl (eq. 5.6)

De esta forma se consigue un precipitado de carbonato de litio que se encuentra en suspensión. A continuación,

esta solución se hace pasar por un filtro prensa del que se extrae una torta con todo el carbonato de litio que ha

precipitado. El carbonato de litio se lava con agua caliente con el objetivo de eliminar todos los restos del licor

madre residual y se seca en una estufa a 100 ºC. Se consigue recuperar más del 80% de litio como precipitado y

el contenido de cobalto y cobre residual es de 0.96 y 0.001% respectivamente.

El carbonato de litio y el sulfato de cobalto, se utilizarían como precursores para fabricar un nuevo material de

electrodo (LiCoO2) de baterías nuevas.


22

Figura 5-6: Esquema del proceso de reciclado de baterías de Li-ión.


23

6 BALANCES DE MATERIA Y CRONOGRAMA

6.1 Balance de materia global

La capacidad de la planta es de una tonelada diaria, esta se va a dividir en 5 cargas de 200 kg, por tanto, el cálculo

del balance de materia se realiza para una carga de 200 kg de baterías de litio agotadas.

Tabla 6-1: Balance de materia global.

Corriente Composición Cantidad (kg) Sólido (kg) Líquido (kg)

1 Baterías de Li-ion enteras 200,0 200,0 -

2 Agua + Fe (polvo) 320,0 53,3 266,7

3 Baterías de Li-ion descargadas 200,0 200,0 -

4 Baterías de Li-ion 200,0 200,0 -

5 H2SO4 (4M) 1640,0 - 1640,0

6 Lixiviado + Restos de carcasa, grafito 1840,0 100,0 1740,0

7 Rechazo rejas: Grafito, plásticos, aluminio + H2SO4 120,0 100,0 20,0

8 Filtrado: H2SO4 y metales (Li, Cu, Co principalmente) 1720,0 - 1720,0

9 Oxalato de amonio 152,2 152,2 -

10 Precipitado de cobalto + lixiviado 1872,2 81,1 1791,1

11 Torta de filtración: Oxalato de cobalto + restos lixiviado 89,2 81,1 8,1

12 Filtrado: Lixiviado con un 90% menos de Co 1783,0 - 1783,0

13 Acorga M5640 (10% peso) 1420,6 - 1420,6

14 Lixiviado y Acorga en contacto 3203,6 - 3203,6

15 Acorga M5640 + Cu 1455,0 - 1455,0

16 Lixiviado con un 90% menos de Co y exento de Cu 1777,1 - 1777,1

17 H2SO4 (2M) 332,6 - 332,6

18 Acorga con Cu y H2SO4 en contacto 1787,6 - 1787,6

19 Acorga M5640 regenerado (3% H2SO4) 1430,6 - 1430,6

20 CuSO4 + H2SO4 357,0 - 357,0

21 Cyanex272 (1M) 1329,2 - 1329,2

22 Lixiviado y Cyanex en contacto 3106,3 - 3106,3

23 Lixiviado exento de Co y de Cu 1773,6 - 1773,6

24 Solución saturada Na2CO3 138,1 43,2 94,9

25 Lixiviado residual con precipitados de Li2CO3 1911,7 23,8 1887,9

26 Filtrado residual 1883,1 - 1883,1

27 Torta de filtración: Li2CO3 28,6 23,8 4,8

28 Cyanex272 + Co 1332,7 - 1332,7

29 H2SO4 (2M) 324,5 - 324,5

30 Cyanex con Co y H2SO4 en contacto 1657,2 - 1657,2

31 Cyanex272 regenerado (0,5% H2SO4) 1330,9 - 1330,9

32 CoSO4*6H2O + H2SO4 326,3 - 326,3

Balances de materia y cronograma

24

6.2 Balance de materia por equipos

El balance de materia en los equipos principales queda recogido en las siguientes tablas, donde se dan más detalles sobre la composición de las corrientes que atraviesan los

diferentes equipos.

Tabla 6-2: Balance de materia del tanque de pretratamiento.

TANQUE DE PRETRATAMIENTO

Nº corriente Descripción Cantidad (kg) Baterías (kg) Agua (kg) Fe (kg)

1 Baterías de Li-ion enteras 200,0 200,0 - -

2 Agua + Fe (polvo) 320,0 - 266,7 53,3

3 Baterías de Li-ion descargadas 200,0 200,0 - -

Tabla 6-3: Balance de materia de la trituradora.

TRITURADORA

Nº Descripción Cantidad (kg) Baterías (kg) Agua (kg) Fe (kg)

3 Baterías de Li-ion descargadas 200,0 200,0 - -

4 Baterías de Li-ion 200,0 200,0 - -


25

Tabla 6-4: Balance de materia del tanque de lixiviación.

TANQUE DE LIXIVIACIÓN

Nº Descripción Cantidad (kg) Baterías (kg) H2SO4 4M (kg) Lixiviado (kg) Sólidos (kg)

4 Baterías de Li-ion 200,0 200,0 - - -

5 H2SO4 (4M) 1640,0 - 1640,0 - -

6 Lixiviado + Restos de carcasa, grafito 1840,0 - - 1740,0 100,0

Tabla 6-5: Balance de materia en la reja.

REJA

Nº Descripción Cantidad (kg) Lixiviado (kg) Sólidos (kg)

6 Lixiviado + Restos de carcasa, grafito 1840,0 1740,0 100,0

7 Rechazo rejas: Grafito, plásticos, aluminio + H2SO4 120,0 20,0 100,0

8 Filtrado: H2SO4 y metales (Li, Cu, Co principalmente) 1720,0 1720,0 -


26

Tabla 6-6: Balance de materia en la primera precipitación.

TANQUE PRECIPITADOR 1

Nº Descripción Cantidad (kg) Lixiviado (kg) Co2+ (kg) Oxalato amonio (kg) Oxalato cobalto (kg)

8 Filtrado: H2SO4 y metales (Li, Cu, Co principalmente) 1720,0 1683,9 36,1 - -

9 Oxalato de amonio 152,2 - - 152,2 -

10 Precipitado de cobalto + lixiviado 1872,2 1787,5 3,6 - 81,1

Tabla 6-7: Balance de materia en el primer filtro.

FILTRO PRENSA 1

Nº Descripción Cantidad (kg) Lixiviado (kg) Co2+ (kg) Cu2+ (kg) Li+ (kg) Oxalato cobalto (kg)

10 Precipitado de cobalto + lixiviado 1872,2 1776,8 3,6 6,0 4,7 81,1

11 Torta de filtración: Oxalato de cobalto + restos lixiviado 89,2 8,1 - - - 81,1

12 Filtrado: Lixiviado con un 90% menos de Co 1783,0 1768,7 3,6 6,0 4,7 -


27

Tabla 6-8: Balance de materia en la primera extracción L-L.

MEZCLADOR + SEDIMENTADOR E.L-L 1

Nº Descripción Cantidad (kg) Lixiviado (kg) Co2+ (kg) Cu2+ (kg) Li+ (kg) Acorga (kg)

12 Filtrado: Lixiviado con un 90% menos de Co 1783,0 1768,7 3,6 6,0 4,7 -

13 Acorga M5640 (10% peso) 1420,6 - - - - 1420,6

14 Lixiviado y Acorga en contacto 3203,6 1768,7 3,6 6,0 4,7 1420,6

15 Acorga M5640 + Cu 1455,0 - - 5,9 - 1420,6

16 Lixiviado con un 90% menos de Co y exento de Cu 1777,1 1768,7 3,6 0,1 4,7 -

Tabla 6-9: Balance de materia en la primera re-extracción L-L.

MEZCLADOR + SEDIMENTADOR R.L-L 1

Nº Descripción Cantidad (kg) Lixiviado (kg) Co2+ (kg) Cu2+ (kg) Li+ (kg) Acorga (kg) H2SO4 2M (kg) CuSO4 (kg)

15 Acorga M5640 + Cu 1455,0 - - 5,9 - 1420,6 - -

17 H2SO4 (2M) 332,6 - - - - - 332,6 -

18 Acorga con Cu y H2SO4 en contacto 1787,6 - - 5,9 - 1420,6 332,6 -

19 Acorga M5640 regenerado (3% H2SO4) 1430,6 - - - - 1420,6 10,0 -

20 CuSO4 + H2SO4 357,0 - - - - - 342,2 14,8


28

Tabla 6-10: Balance de materia en la segunda extracción L-L.

MEZCLADOR + SEDIMENTADOR E.L-L 2

Nº Descripción Cantidad (kg) Lixiviado (kg) Co2+ (kg) Cu2+ (kg) Li+ (kg) Cyanex (kg)

16 Lixiviado con un 90% menos de Co y exento de Cu 1777,1 1768,7 3,6 0,1 4,7 -

21 Cyanex272 (1M) 1329,2 - - - - 1329,2

22 Lixiviado y Cyanex en contacto 3106,3 1768,7 3,6 0,1 4,7 1329,2

23 Lixiviado exento de Co y de Cu 1773,6 1768,7 0,1 0,1 4,7 -

28 Cyanex272 + Co 1332,7 - 3,5 - - 1329,2

Tabla 6-11: Balance de materia en la segunda re-extracción L-L.

MEZCLADOR + SEDIMENTADOR R.L-L 2

Nº Descripción Cantidad (kg) Lixiviado (kg) Co2+ (kg) Cu2+ (kg) Li+ (kg) Cyanex (kg) H2SO4 2M (kg) CoSO4 (kg)

28 Cyanex272 + Co 1332,7 - 3,5 - - 1329,2 - -

29 H2SO4 (2M) 324,5 - - - - - 324,5 -

30 Cyanex con Co y H2SO4 en contacto 1657,2 - 3,5 - - 1307,9 325,7 -

31 Cyanex272 regenerado (0,5% H2SO4) 1330,9 - - - - 1329,2 1,7 -


29

32 CoSO4 + H2SO4 326,3 - 0,1 - - - 317,2 9,0

Tabla 6-12: Balance de materia en la segunda precipitación.

TANQUE PRECIPITADOR 2

Nº Descripción Cantidad (kg) Lixiviado (kg) Co2+ (kg) Cu2

+ (kg) Li+ (kg) Na2CO3 (kg) Agua (kg) Li2CO3 (kg)

23 Lixiviado exento de Co y de Cu 1773,6 1768,7 0,1 0,1 4,7 - - -

24 Solución saturada Na2CO3 138,1 - - - - 43,2 94,9 -

25 Lixiviado residual con precipitados de Li2CO3 1911,7 1768,7 0,1 0,1 0,2 23,8 94,9 23,8

Tabla 6-13: Balance de materia en el segundo filtro.

FILTRO PRENSA 2

Nº Descripción Cantidad (kg) Lixiviado (kg) Co2+ (kg) Cu2

+ (kg) Li+ (kg) Na2CO3 (kg) Agua (kg) Li2CO3 (kg)

25 Lixiviado residual con precipitados de Li2CO3 1857,0 1808,8 0,1 0,1 0,2 23,8 - 23,8

26 Filtrado residual 1828,4 1804,0 0,1 0,1 0,2 23,8 - -

27 Torta de filtración: Li2CO3 28,6 4,8 - - - - - 23,8


30

6.3 Cronograma del proceso

Para el diseño de los equipos principales se ha tenido en cuenta la duración de cada etapa del proceso, quedando los tiempos distribuidos de la siguiente manera:

Figura 6-1: Cronograma del proceso.

Procesos

Descarga de Baterías

Trituradora de Mandíbulas

Tanque de Lixiviación

Reja

Tanque de Precipitación 1

Filtro Prensa 1

Mezclador + sedimentador 1+2

Tanque de Precipitación 2

Filtro Prensa 2

Secadero

Turno 8h Turno 8h Turno 8h

1h1h 1h 1h 1h 1h 1h 1h 1h 1h 1h 1h 1h1h 1h 1h 1h 1h 1h 1h 1h 1h 1h 1h


31

7 DIMENSIONAMIENTO DE EQUIPOS PRINCIPALES

En este apartado se explica la selección y el dimensionamiento de los equipos principales necesarios para realizar

el reciclaje de baterías de litio gastadas. Los equipos principales que componen el proceso son tanques verticales

con diferentes características según la función que desempeñen (pretratamiento de las baterías gastadas, lixiviación,

precipitación, almacenamiento intermedio), agitadores, filtros prensa, mezclador-sedimentador en cascada.

7.1 Tanque de pretratamiento

El tanque de pretratamiento es un tanque vertical construido en acero inoxidable, con el diseño vertical se facilita la

operación de carga y descarga y se consigue una buena agitación. La peculiaridad de este tanque es que en el interior

cuenta con una cesta metálica dividida en 5 partes. En 4 de ellas se sitúan las baterías dejando libre la división

central para el agitador. El resto del volumen lo ocupa agua con partículas de hierro en polvo que se mantienen en

suspensión gracias a un agitador situado en el centro del tanque.

Agitador

Figura 7-1: Distribución de la carga de sólidos en el interior del tanque.

La densidad aparente de las baterías gastadas se ha obtenido haciendo una experiencia con elementos de tamaño y

densidad muy similar. Según el cronograma, se tienen 4 horas para procesar 200 kg de baterías gastadas, y el tiempo

necesario para la descarga de las baterías es de 1 hora (Junmin Nan, et al, 2005). Los 200 kg se van a tratar en tres

lotes de 70 kg y de este modo conseguimos que el tanque sea más pequeño y esté operando todo el tiempo. El

volumen ocupado por los 70 kg de baterías gastadas se ha estimado en unos 52 L aproximadamente.

Para diseñar el tanque se ha considerado un factor de llenado del 80% por lo que el volumen de diseño es de 64 L.

Dimensionamiento de equipos principales

32

Figura 7-2: Modelo en 3D del tanque de pretratamiento.

La relación H/D tiene que estar entre 1 y 3 según el manual del ingeniero químico (Perry & Green, 1999), así que

se ha seleccionado el valor medio H/D = 2; donde H es la altura del cilindro y D su diámetro.

De la misma referencia, se tiene que la altura del fondo es ¼ del valor del diámetro del tanque y que el diámetro de

la boca de descarga es 7 veces menor al tamaño del diámetro del tanque.

Se han utilizado las siguientes fórmulas para el cálculo del diámetro:

𝑉 =𝜋

4× (𝐷2 − 𝑑2) × 1.5 × 𝐷 (Ecuación 7-1)

d=0.2×D (Ecuación 7-2)

Donde:

V: Volumen del tanque

D: Diámetro del tanque

d: Diámetro de la parte central de la cesta

Una vez se obtiene el diámetro se calculan las demás dimensiones, ya que todas están relacionadas con ésta

magnitud.

Utilizando las ecuaciones 7-1 y 7-2, se obtienen las siguientes dimensiones: D= 0,35 m y d= 0,07 m.

Para diseñar el tanque se han tomado los siguientes valores: D= 0,40 m y d= 0,10 m.

Tabla 7-1: Características y dimensiones del tanque de pretratamiento

Parámetros Unidades Valor

Volumen real ocupado por las baterías L 51,28

Tiempo de reacción h 1,00

Relación H/D (altura/diámetro) - 2,00

D (Diámetro del tanque) m 0,40


33

d (Diámetro división central de la cesta) m 0,10

H (Altura de la parte cilíndrica) m 0,80

h (Altura de cabeza/fondo) m 0,10

d’ (Diámetro de la boca de descarga) m 0,05

V cilindro (Volumen parte cilíndrica) L 94,25

V fondo (Volumen del fondo) L 8,38

V total (Fondo + Cilindro) L 102,63

H total (Fondo + Cilindro) m 0,90

Factor de llenado % 49,97

7.2 Trituradora

Con el fin de conseguir una buena lixiviación de las baterías, una vez que se han descargado totalmente en el tanque

de pretratamiento, se someten a un proceso de reducción de tamaño. Para esta operación se va a utilizar una

trituradora de doble eje del fabricante Forrec. Ésta trituradora tiene un diseño innovador de la cámara de corte que

permite una rápida extracción y sustitución del eje con sus cuchillas, reduciendo así el tiempo de mantenimiento.

Las baterías cuando salen de la trituradora, tienen un tamaño máximo de 2 cm facilitando la lixiviación ácida de la

siguiente etapa.

Figura 7-3: Trituradora doble eje Forrec Modelo TB500/5


34

Tabla 7-2: Descripción elementos que componen la trituradora de doble eje Forrec.

Tolva de carga

Fabricada con acero de gran espesor.

Estructura de soporte

Fabricada con acero de gran espesor.

Cámara de corte

Fabricada en acero de gran espesor con un

mínimo número de soldaduras.

Ejes rápidamente extraíbles (completo con

cuchillas) con una reducción de tiempos y

costes de mantenimiento.


35

Cojinetes fuera de la zona de trituración con

cámara de seguridad para prevenir la

contaminación de los productos agresivos.

Cuchillas de acero especial forjado en caliente.

Distanciadores independientes con agujero

hexagonal no soldados a la cuchilla.

Bloqueo de las cuchillas con rosca trapezoidal

y anillos que garantizan la perfecta adherencia

en todas las condiciones de trabajo.

Motor y transmisión

Motor eléctrico trifásico con reductor de

engranajes planetarios lubricados en baño de

aceite.

Los datos técnicos de la trituradora son facilitados por el fabricante y se recogen en la siguiente tabla:


36

Tabla 7-3: Especificaciones técnicas de la trituradora Forrec TB500/5.

Triturador de doble eje TB500/5

Motor y transmisión

Tipo motor: Eléctrico

Potencia motriz: 1 x 5.5 kW

Velocidad rotación de los ejes: 8 – 16 rpm

Tipo de transmisión: Eléctrica

Especificaciones de la transmisión: Reductor epicicloidal

Cámara de corte

Dimensiones

Longitud: 500 mm

Anchura: 410 mm

Eje

Tipo: Hexagonal

Cantidad: 2

Cuchillas

Tipo: Standard

Espesor: 20 mm

Cantidad: 25

Espesores

Tipo: Con agujero hexagonal

Espesor: 20 mm

Cantidad: 25

Contra-cuchillas

Espesor: 20 mm

Cantidad: 25


37

Dimensiones Generales y peso cámara de corte

Longitud: 1500 mm

Anchura: 1000 mm

Altura: 1900 mm

Peso: 0.65 ton

Equipo estándar

Sistema de inversión en caso de sobrecarga: Gestionado por PLC

Lubricación de los cojinetes de los ejes: Manual

Interruptor general con bloqueo de la puerta

Contactores de arranque y parada, parada de emergencia, luces de advertencia

Contactores de ida y vuelta

Relés térmicos

PLC que controla todas las funciones de la máquina

Competo con cableado en la máquina de un máximo de 5 metros lineales de distancia

Voltaje: 400 V

Frecuencia: 50 Hz

Grado de protección: IP54

7.3 Tanque de lixiviación

El tanque donde tiene lugar la lixiviación es cerrado, y con una agitación continua.

La temperatura a la que opera este tanque es de 90 ºC, por tanto, en el fondo del tanque se coloca una resistencia en

forma de serpentín para mantener esta temperatura. El tanque cuenta con un aislamiento de lana mineral de roca

revestido con chapa de aluminio. Este aislamiento posee las siguientes ventajas:

- Excelente capacidad como aislante térmico en un amplio rango de temperaturas.

- Muy baja permeabilidad al aire, que favorece y mejora la capacidad del aislamiento térmico.

- Buena repelencia a la humedad.

- No corrosivo.

El mineral de lana de roca es el más empleado para mantener equipos industriales a altas temperaturas frente al

poliuretano o la fibra de vidrio que son usados para mantener equipos a baja temperatura y recubrimiento de

tuberías.

El tanque opera a presión atmosférica por tanto no es necesario un aumento en el espesor de las paredes como

consecuencia de la presión interior.

El diseño parte de una carga de 200 kg de baterías de Li-ion, las cuales tienen la siguiente composición media:


38

Tabla 7-4: Composición media de las baterías de Li-ion.

Componentes %

Aluminio 1

Cobre 3

Grafito 20

LiCoO2 30

LiPF6 5

Solventes 11

Bifenilo 0,3

PVDF 0,7

Plásticos 29

La densidad de las baterías gastadas y trituradas es 1,5 kg/L, por tanto, se obtiene un volumen de 133,33 L de

material sólido. Como la relación S:L es 1:10, a esta cantidad de sólido le corresponde 1333,33 L de ácido sulfúrico

4M siendo el volumen total aproximadamente 1466.67 L. El proceso es discontinuo y el tiempo de lixiviación es

de 4 horas

Para diseñar el tanque se ha utilizado un factor de llenado del 80% quedando el volumen de diseño de unos 1834

L. El tanque es un tanque de tipo vertical, por tanto, su volumen es igual al volumen de la parte cilíndrica más el

volumen de la cabeza y del fondo, todos ellos con el mismo diámetro interior D.

Figura 7-4: Modelo en 3D del tanque vertical de lixiviación.

La relación H/D, la altura de cabeza-fondo y el diámetro de la boca de descarga se han considerado de las mismas

proporciones que en el tanque anterior según el manual del ingeniero químico (Perry & Green, 1999)

Se utiliza la siguiente fórmula para el cálculo del diámetro:


39

𝑉 =𝜋

4× 𝐷2 × (

3

2× 𝐷) + 2 × (

𝜋

6× 𝐷2 ×

𝐷

4)

(Ecuación 7-3)

Utilizando la ecuación 7-3 se obtiene un diámetro de diseño de 1 m. Conociendo el diámetro se conocen todas las

dimensiones del tanque.

Tabla 7-5: Características y dimensiones del tanque de lixiviación.


Volumen real ocupado L 1466,67

Tiempo de reacción h 4







V cabeza-fondo (Volumen del fondo) L 130,90

V total L 1832,60

H total (Altura fondo + cilindro + cabeza) m 2,5

Factor de llenado real % 80,03

7.4 Tanques de Precipitación

Los tanques donde tiene lugar la precipitación, al igual que los anteriores, son tanques agitados, supuestos de mezcla

perfecta y cerrados. Operan a presion atmosférica, por tanto, no es necesario un aumento de espesor en sus paredes.

Son necesarios dos tanques para cada operación de separación. En el primero de ellos tiene lugar la coagulación

con un tiempo de residencia de 5 minutos y una fuerte agitación. En el segundo tanque, tiene lugar la floculación

con un tiempo de residencia de 20 minutos y una agitación lenta. La temperatura óptima para llevar a cabo el proceso

es de 70 ºC que se consiguen con una resistencia en el fondo del tanque.

Estos tanques son de tipo vertical para favorecer la agitación, su volumen es igual al volumen de la parte cilíndrica

más el volumen de la cabeza y del fondo, todos ellos con el mismo diámetro interior D.

El primer proceso de precipitación es discontinuo y el volumen de líquido que se debe procesar en estos tanques es

de 1500 L. Para diseñar los tanques se ha considerado un factor de llenado del 80 %.


40

Figura 7-5: Modelo 3D de un tanque de precipitación.

El volumen es igual a 1877 L. Teniendo en cuenta el factor de llenado, si se usa la ecuación 7-3 con dicho volumen,

se obtiene un diámetro de 1 m. Una vez se obtiene el diámetro se tienen todas las dimensiones. Las relaciones entre

el diámetro y todas las magnitudes del tanque, son las recomendadas por el manual del ingeniero químico (Perry &

Green, 1999).

Tabla 7-6: Características y dimensiones de los tanques de precipitación de CoC2O4.

T. Coagulación T. Floculación

Parámetros Unidades Valor Valor

Volumen real ocupado L 1501,19 1501,19

Tiempo de reacción h 0,083 0,33

Relación H/D (altura/diámetro) - 2,00 2,00

D (Diámetro del tanque) m 1,00 1,00

H (Altura de la parte cilíndrica) m 2,00 2,00

h (Altura de cabeza/fondo) m 0,25 0,25

d’ (Diámetro de la boca de descarga) m 0,13 0,13

V cilindro (Volumen parte cilíndrica) L 1570,80 1570,80

V cabeza-fondo (Volumen cabeza/fondo) L 130,90 130,90

Volumen total (Fondo + cilindro + cabeza) L 1832,60 1832,60

H total (Altura fondo + cilindro + cabeza) L 2,50 2,50

Factor de llenado real % 81,92 81,92


41

La segunda etapa de precipitación (precipitación de Li2CO3) se realiza en continuo, para el diseño de este tanque,

además de la ecuación 3, se necesita la siguiente ecuación:

𝑉 = 𝑡𝑟 × 𝑄 (Ecuación 7-4)

Donde:

tr es el tiempo de residencia (min)

Q es el caudal (L/min)

V es el volumen que ocuparía Q durante un determinado tr (L)

El valor de V que se obtiene de la ecuación 7-4 es de 31,5 L para el tanque de coagulación y de 126 L para el tanque

de floculación. A estos volúmenes se le aplica el factor de llenado del 80% quedando 39,4 L y 157,50 L

respectivamente. Usando la ecuación 5-3 con estos volúmenes, se obtienen unos diámetros de 0,26 m para el tanque

de coagulación y 0,41 m para el tanque de floculación. Los diámetros utilizados para el diseño son 0,3 m y 0,5 m

respectivamente.

Tabla 7-7: Características y dimensiones de los tanques de precipitación de Li2CO3.

T. Coagulación T. Floculación


Caudal L/min 6,30 6,30

tr (Tiempo de residencia) min 5,00 20,00

Volumen contenido L 31,50 126,00

Relación H/D (altura/diámetro) - 2,00 2,00

D (Diámetro del tanque) m 0,30 0,50

H (Altura de la parte cilíndrica) m 0,60 1,00

h (Altura de cabeza/fondo) m 0,08 0,13

d’ (Diámetro de la boca de descarga) m 0,04 0,06

V cilindro (Volumen parte cilíndrica) L 42,41 196,35

V cabeza-fondo (Volumen cabeza/fondo) L 3,53 16,36

Volumen total (Fondo + cilindro + cabeza) L 49,48 229,07

H total (Altura fondo + cilindro + cabeza) L 0,75 1,25

Factor de llenado real % 63,66 55,00


42

7.5 Agitadores

Los agitadores tienen una vital importancia dentro del proceso, ya que son los encargados de mezclar bien los

reactivos para que tengan lugar las diferentes reacciones tanto físicas como químicas y es muy importante que las

mezclas sean lo más homogéneas posibles para obtener buenos resultados.

Cálculo de potencia consumida por el agitador.

Lo primero que se debe de tener en cuenta a la hora de estimar la potencia del agitador Según Treybal (1994), es

que la potencia suministrada al fluido, P, representa solo el 30% de la potencia consumida, ya que el resto se pierde

por medio de vibraciones en el eje y en el sistema de engranajes.

Para su cálculo es necesario tener en cuenta los siguientes números adimensionales siguiendo el procedimiento del

libro de Peters-Timmerhaus (Peters, Timmerhaus, & West, 2003).

Número de Reynolds:

𝑁𝑅𝐸 =𝜌 × 𝑛 × 𝐷𝑎

2

µ

(Ecuación 7-5)

Número de Potencia:

𝑁𝑃 =𝑃

𝜌 × 𝑛3 × 𝐷𝑎5

(Ecuación 7-6)

Número de Froude:

𝑁𝐹𝑅 =𝑛 × 𝐷𝑎

𝑔

(Ecuación 7-7)

Donde:

- ρ es la densidad del fluido (kg/m3)

- n es la velocidad de giro (rps)

- Da es el diámetro de la pala (m)

- µ es la viscosidad dinámica (cP)

- P es la potencia suministrada al líquido (W)

- g es la aceleración de la gravedad (m/s2)

Cuando el Re es mayor de 300, el número de Froude se debe tener en cuenta como un factor más al calcular la

potencia, a través de la siguiente expresión:

𝑁𝑃

𝑁𝐹𝑟𝑚 = Ɵ

(Ecuación 7-8)

El exponente m está relacionado de manera empírica con el número de Reynolds y tiene la siguiente expresión:


43

𝑚 =𝑎 − log(𝑁𝑅𝐸)

𝑏

(Ecuación 7-9)

donde a y b tienen el valor de 1 y 40 respectivamente según los factores de forma de la figura.

Figura 7-6: Factores de forma para un agitador de turbina (Peters et al., 2003).

Figura 7-7: Número de potencia frente a NRe para turbinas de seis palas (Peters et al., 2003).

El cálculo se realiza para un tanque sin deflectores (Curva D), quedando finalmente la potencia suministrada al

fluido con la siguiente expresión:

𝑃 = Ɵ × 𝐹𝑟𝑚 × 𝑛3 × 𝐷𝑎5 × 𝜌 (Ecuación 7-10)


44

Los resultados del cálculo de la potencia de los agitadores para el pretratamiento y lixiviación quedan recogidos en

la siguiente tabla:

Tabla 7-8: Características de los agitadores del tanque de lixiviación y pretratamiento.

Tanque lixiviación Tanque pretratamiento


Volumen real m3 1,9 0,10

Viscosidad contenido Cp 0,9 0,9

Tipo de agitador - Turbina estándar Turbina estándar

Diámetro de pala m 0,4 0,15

Inclinación - Si Si

Velocidad de giro rpm 250 500

Potencia máxima KW 3,65 0,18

Densidad del fluido kg/m3 1186 1000

Reynolds 878519 208333

NFr 0,17 0,13

M -0,124 -0,108

Ɵ 1 1

Np 1,245 1,249

Para el cálculo de los agitadores de los tanques de coagulación y floculación en las etapas de precipitación, se ha

usado un proceso diferente.

El tanque de coagulación necesita un sistema rápido de mezclado para neutralizar las cargas eléctricas de los

coloides, mientras que el tanque de floculación necesita un sistema de mezcla muy lento para favorecer la formación

de flóculos de un tamaño más grande con el objetivo de que puedan ser separados fácilmente.

La intensidad de agitación (G) típica para el tanque de coagulación está comprendida entre 600 y 1000 s-1 mientras

que, en el tanque de floculación, la intensidad de agitación es < 50 s-1.

El cálculo de la potencia se realiza mediante la siguiente ecuación:

𝐺 = √𝑃

µ × 𝑉

(Ecuación 7-11)


45

Donde:

G: Intensidad de agitación (s-1)

P: Potencia (W)

µ: Viscosidad dinámica (Pa·s)

V: Volumen (m3)

Los cálculos se resumen en la siguiente tabla:

Tabla 7-9: Cálculo de potencia para los agitadores de coagulación.

Precipitación de CoC2O4 Precipitación Li2CO3

Tanque de coagulación Tanque de coagulación


Volumen real m3 1,9 0,05

Viscosidad contenido Pa·s 0,0011 0,0015

Tipo de agitador - Turbina estándar Turbina estándar

Diámetro palas m 0,4 0,1

Intensidad de

agitación 1/s 1000 1000

Potencia W 2090,00 74,22

La inclinación de los agitadores es variable, inclinando el eje del agitador levemente se consigue una mejor agitación

y se evita el uso de deflectores.

Para los tanques de floculación de ambas etapas se utiliza un agitador específico para el proceso de floculación, ya

que hay una gran variedad de agitadores que tienen un diseño que favorece la formación de flóculos. Este agitador

tiene las siguientes especificaciones:

Tabla 7-10: Especificaciones técnicas del agitador para la primera etapa de floculación.

Parámetro Unidades Valor

Diámetro palas m 0,25

Velocidad rpm 8 – 70

Potencia kW 0,37 – 1,1

Volumen tanque m3 1,9


46

Tabla 7-11: Especificaciones técnicas del agitador para la primera etapa de floculación.


Diámetro palas m 0,2

Velocidad rpm 8 – 70

Potencia kW 0,37 – 1,1

Volumen tanque m3 0,23

El esquema de un agitador de turbina para el proceso de coagulación se observa en la siguiente figura:

Figura 7-8: Esquema del agitador de turbina para la etapa de coagulación.

El agitador específico para las etapas de floculación son del fabricante Indostra y de la serie NRE-3000 que

proporcionan un flujo radial. El esquema de este agitador bipala es el siguiente:

Figura 7-9: Esquema agitador NRE-3000 para la etapa de floculación.


47

7.6 Filtros Prensa

Son necesarios dos filtros prensa en el proceso, uno para separar el oxalato de cobalto de la primera etapa de

precipitación, y otro, para la recuperación de carbonato de líquido resultante de la segunda etapa de precipitación.

Se ha optado por filtros prensa de placas y marcos y se ha seleccionado el fabricante Draco. Estos filtros prensa,

están construidos con acero AISI-304, tienen un acabado de pintura epoxi y son de accionamiento automático.

Figura 7-10: Esquema de un filtro prensa de placas y marcos Draco.

Para seleccionar el filtro adecuado, se debe conocer el caudal a tratar, y el volumen de torta de filtración (CoC2O4

y restos de lixiviado).

En la primera etapa de filtración, se ha fijado un tiempo de filtración de 3,5 horas y se deben filtrar 1872.16 kg de

lixiviado junto con el oxalato de cobalto que ha precipitado. El caudal a tratar es de 7 L/min, por tanto, el filtro debe

buscarse en la serie FPA 47. Con el lixiviado van aproximadamente 81 kg de CoC2O4 que tienen un volumen

aproximado de 30 L, es decir, el volumen de la torta de filtración es aproximadamente 30 L.

Figura 7-11: Especificaciones filtro prensa Draco.

Por tanto, el filtro necesario para el primer proceso de precipitación es el FPA 47/ de 10 placas.


48

El tiempo de filtración para la extracción de Li2CO3 se ha fijado en 3 horas y media, se tiene un volumen de lixiviado

de 1500 L aproximadamente, por lo tanto, el caudal a tratar es de unos 7 L/min. El lixiviado contiene 24 kg de

Li2CO3 que tiene una densidad de 2,11 kg/L por tanto el volumen de torta de filtración es aproximadamente 15 L.

Figura 7-12: Especificaciones filtro prensa Draco.

En la segunda precipitación como el volumen de torta de filtración es menor, el filtro que se usa es de un tamaño

menor, ya que solo son necesarias la mitad de placas. Por tanto, el filtro necesario para el segundo proceso de

precipitación es el FPA 47/ de 5 placas.

7.7 Mezclador – Sedimentador en cascada

Para las diferentes etapas de extracción líquido-líquido, se utilizan configuraciones de dos equipos; un tanque

agitado seguido de un recipiente donde se da el tiempo de remanso suficiente para que las distintas fases puedan

separarse. Éste proceso es continuo y con un tiempo de residencia de 5 minutos por etapa.

El proceso consta de 2 extracciones L-L y 2 re extracciones para regenerar las fases orgánicas:

• E. L-L 1: Extracción de Cu con Acorga M5640.

• R. L-L 1: Regeneración de Acorga con H2SO4 (2M).

• E. L-L 2: Extracción de Co con Cyanex 272.

• R. L-L 2: Regeneración de Cyanex con H2SO4 (2M).


49

Figura 7-13: Configuración de una extracción L-L con un mezclador + sedimentador. (Treybal, Robert. E., 1988).

Para diseñar los tanques se utilizan las ecuaciones 5-3 y 5-4. Los diámetros obtenidos para los tanques de las dos

etapas de extracción son 0,35 m para el primero de ellos y 0,34 m para el segundo. Para las dos etapas de re-

extracción el diámetro es de 0,29 m para ambos tanques. Para el diseño se eligen diámetros de 0,4 m para las etapas

de extracción y 0,3 para las etapas de re-extracción. Como en los tanques anteriores, todas las dimensiones se

determinan a partir del diámetro.

Tabla 7-12: Especificaciones de los tanques de agitación.

Tanque mezclador Unidades E. L-L 1 R. L-L 1 E. L-L 2 R. L-L 2

Caudal L/min 12,10 7,50 12,00 7,25

Volumen (V) L 60,50 37,50 60,00 36,25

Volumen del tanque (factor de

llenado de diseño) L 75,63 46,88 75,00 45,31

Tiempo de residencia min 5 5 5 5

Relación H/D (Altura/Diámetro) - 2 2 2 2

D (Diámetro del tanque) m 0,40 0,30 0,40 0,30

H (Altura de la parte cilíndrica) m 0,80 0,60 0,80 0,60

h (Altura de cabeza/fondo) m 0,10 0,08 0,10 0,08

d’ (Diámetro boca de descarga) m 0,05 0,05 0,05 0,05

V cilindro (Volumen parte

cilíndrica) L 100,53 42,41 100,53 42,41

V cabeza-fondo (Volumen

fondo = Volumen cabeza) L

8,38 3,53 8,38 3,53

V total L 117,29 49,48 117,29 49,48

Htot (Altura total) m 1,00 0,75 1,00 0,75


50

Factor de llenado real % 51,58 75,79 51,16 73,26

Los agitadores necesarios para las diferentes etapas de extracción L-L son los siguientes:

Tabla 7-13: Especificaciones de los agitadores para los tanques de agitación.

Agitador E. L-L 1 R. L-L 1 E. L-L 2 R. L-L 2

Parámetros Unidades Valor Valor Valor Valor

Volumen real m3 0,12 0,05 0,12 0,05

Viscosidad

contenido cP 100 150 100 150

Tipo de

agitador -

Turbina

estándar Turbina estándar Turbina estándar Turbina estándar

Diámetro de

pala m 0,15 0,12 0,15 0,12

Inclinación - Si Si Si Si

Velocidad de

giro rpm 250 250 250 250

Potencia KW 0,06 0,02 0,06 0,02

Densidad kg/m3 1100 1000 1100 1000

Reynolds 1031 400 1031 400

NFr 0,06 0,05 0,06 0,05

m -0,050 -0,040 -0,050 -0,040

Ɵ 2,5 3,5 2,5 3,5

Np 2,871 3,943 2,871 3,943

Finalmente se necesitan los sedimentadores, que son ortoedros construidos en acero inoxidable AISI 316. Para el

cálculo del sedimentador hay que estimar una longitud de sedimentador.

Uno de los parámetros de diseño más importantes para un sedimentador es el caudal específico, que se define como

el caudal por unidad de área horizontal o en planta.

𝑄′ =𝑄

𝐴

(Ecuación 7-5)

𝐴 = 𝑎 × 𝐿 (Ecuación 7-6)


51

Donde:

Q’ es el caudal específico (𝑚3

ℎ⁄

𝑚2 )

Q es el caudal que procesa el equipo (𝑚3

ℎ⁄ )

A es el área horizontal del sedimentador (m2)

a y L son las dos dimensiones de la base del sedimentador (m)

Este parámetro tiene normalmente un valor comprendido entre 3,6 – 6 𝑚3

ℎ⁄

𝑚2 .

No es aconsejable superar el caudal específico máximo, por lo que se tomará una relación Q/A de 4,8 𝑚3

ℎ⁄

𝑚2 .

Para el diseño de los sedimentadores de las dos etapas de extracción, se parte de una longitud de sedimentador de 1

m, que se estima que es la longitud necesaria para que el fluido remanse y se separen las diferentes fases según su

deferencia de densidades.

Por otro lado, estos sedimentadores operan con un caudal de 0,725 m3/h y junto con los valores de caudal específico

se recogen diferentes áreas de sedimentador y anchos de sedimentador en la siguiente tabla:

Tabla 7-14: Diseño del sedimentador de la primera extracción L-L.

Sedimentadores E. L-L 1 y E. L-L 2

Q/A (𝑚3

ℎ⁄

𝑚2 ) A (m2) a (m)

3,6 0,20 0,20

4 0,18 0,18

4,4 0,16 0,16

4,8 0,15 0,15

5,2 0,14 0,14

5,6 0,13 0,13

6 0,12 0,12


Q m3/h 0,725

L m 1

VFO m3 0,04

VFA m3 0,04

H m 0,5


52

Para el caso de los sedimentadores de los dos procesos de re-extracción, se tiene un caudal de 0,45 m3/h y se estima

que es necesario una longitud de sedimentador de 0,8 m para que se puedan separar las dos fases. Los datos del

diseño se recogen en la siguiente tabla:

Tabla 7-15: Diseño del sedimentador de la segunda extracción L-L.

Sedimentadores R. L-L 1 y R. L-L 2

Q/A (𝑚3

ℎ⁄

𝑚2 ) A (m2) a (m)

3,6 0,13 0,16

4 0,11 0,14

4,4 0,10 0,13

4,8 0,09 0,12

5,2 0,09 0,11

5,6 0,08 0,10

6 0,08 0,09


Q m3/h 0,45

L m 0,8

VFO m3 0,09

VFA m3 0,02

H m 0,4

De forma resumida, tenemos que los tamaños de los sedimentadores de las diferentes extracciones son:

Sedimentadores E. L-L 1 y E. L-L 2: L= 1 m a= 0,15 m H= 0,5 m

Sedimentadores R. L-L 1 y R. L-L 2: L= 0,8 m a= 0,12 m H= 0,4 m


53

Figura 7-14: Esquema del sedimentador.

El siguiente paso, es calcular el número de etapas necesarias:

Para el primer caso, se tiene una relación volumétrica FO/FA = 1:1 que es la pendiente de la recta del sistema. En

el eje x se representa la concentración en equilibrio de Cu en la fase acuosa (FA), y en el eje y, la concentración en

equilibrio de Cu en la fase orgánica (FO).

Figura 7-15: Mccabe-Thiele de la E. L-L 1.

Son necesarias 3 etapas de equilibrio para la extracción del Cu con Acorga.

Una vez se ha extraído el Cu con Acorga, el siguiente paso es regenerar la fase orgánica para seguir utilizándola y

extraer el Cu con H2SO4 para obtener sulfato de cobre.

La extracción correspondiente a dicho proceso se representa en la siguiente gráfica, donde la recta de equilibrio es

la relación FO/FA = 5:1. La concentración de Cu en la fase orgánica (FO) se representa en el eje x y la concentración

de Cu en la fase acuosa (FA) en el eje y.


54

Figura 7-16: Mccabe-Thiele de la R. L-L 1

Para éste proceso son necesarias 3 etapas de equilibrio.

El número de etapas de equilibrio para la extracción de Co con Cyanex se calculan con la siguiente gráfica:

Figura 7-17: Mccabe-Thiele de la E. L-L 2.

Son necesarias 3 etapas de equilibrio para extraer el Co del lixiviado.

Finalmente, queda recuperar el Co con ácido sulfúrico y dejar exento de Co la fase orgánica para poder reutilizarla.

Con la siguiente gráfica se obtienen las etapas necesarias para ello:


55

Figura 7-18: Mccabe-Thiele de la R. L-L 2.

Serían necesarias 3 etapas para recuperar el Co con ácido sulfúrico y regenerar la fase orgánica para seguir

utilizándola.

7.8 Tanques auxiliares

Debido a que el proceso tiene discontinuas con diferentes tiempos de residencia, y otras etapas continuas, son

necesarios tanques auxiliares.

Como el proceso de lixiviación tiene una duración de 4 horas (cuello de botella) y la etapa de pretratamiento anterior

(descarga de baterías y reducción de tamaño) tiene una duración de 1 hora por carga, los 200 kg se van a dividir en

4 cargas de 50 kg y se van a almacenar en un tanque para que posteriormente, los 200 kg se puedan introducir en el

reactor de lixiviación en una sola carga.

El volumen de este tanque auxiliar es de 150 L al que se le aplica un factor de llenado del 80%, el volumen de

diseño es de 187,8 L al que se le aplica la ecuación 5-3. Se obtiene un diámetro de 0,47 m con dicha ecuación, por

tanto, para el diseño se parte de un diámetro de 0,5 m. Las características del tanque se recogen en la tabla 5-30.

Tabla 7-16: Dimensiones del tanque auxiliar 1.


Volumen real ocupado L 150








56


V total L 229,07



Se necesita un segundo tanque auxiliar después de la precipitación de CoC2O4 ya que la extracción L-L y la

precipitación de Li2CO3 es en continuo.

El volumen que debe almacenar este tanque es de 1500 L, se aplica un factor de llenado del 80% y queda un volumen

de 1875 L. Usamos la ecuación 5-3 con el volumen de 1875 L y queda un diámetro de 1 m. Los datos del tanque se

recogen en la siguiente tabla

Tabla 7-17: Dimensiones del tanque auxiliar 2.


Volumen real ocupado L 1500








V total L 1832,60



El último tanque auxiliar se coloca después de la precipitación de Li2CO3, éste debe de almacenar un volumen de

1500 L, por tanto, el tanque auxiliar 3 tiene las mismas dimensiones que el tanque auxiliar 2.


57

8 EVALUACIÓN ECONÓMICA

El objetivo de este capítulo es estimar los costes de la inversión inicial y, por otro lado, los ingresos anuales que

genera la planta.

Se ha seguido la metodología propuesta en el libro “Plant design and economics for chemical engineers” (Peters,

Timmerhaus & West, 2003).

8.1 Estimación de la inversión inicial

La estimación de la inversión inicial tiene el objetivo de determinar de manera aproximada el capital necesario para

poner en marcha el proyecto, entendiéndose por capital necesario la cantidad de dinero destinado a adquirir bienes,

servicios, infraestructura o insumos necesarios para poder poner la planta en funcionamiento.

Con este cálculo orientativo se puede predecir si el proyecto es rentable y en cuanto tiempo se recupera la inversión.

Para calcular la inversión inicial, hay que hacer un sumatorio de costes fijos, los cuales están compuestos por costes

directos, indirectos y el capital de trabajo.

Como no se tienen datos precisos, se utilizan porcentajes establecidos en el libro de Peters y Timmerhaus en la

Tabla 6-17, para los costes de equipos y su instalación. La precisión del estudio es aproximadamente de ± 30 %,

como se dice en el libro “Plant design and economics for chemical engineers”

8.1.1 Costes fijos

Costes fijos quiere decir la suma de todos los activos de la planta, es decir, la cantidad de dinero necesaria para

construir de forma completa la planta, incluyendo los servicios auxiliares necesarios para poder operar.

8.1.1.1 Costes directos

Los costes directos se refieren a la instalación real de la planta, es decir, a los materiales, mano de obra, terreno,

compra de equipos (teniendo en cuenta el aislamiento y pintura), control, instrumentación, piping, electricidad, etc.

Además del libro de Peters y Timmerhaus, se utiliza el libro “Process equipment cost estimation” (H. P. Loh y

Jennifer Lyons, 2002).

Compra de los equipos

En este apartado se van a incluir los equipos principales de la planta, es decir, los diferentes tanques, filtros prensa,

trituradora y los sedimentadores de las etapas de extracción L-L.

Tanques

Para conocer el precio de los tanques, se ha mirado la figura 12-52 del libro de Peters y Timmerhaus (figura 8-1),

que muestra los precios en dólares estadounidenses para tanques verticales agitados en función de su capacidad.

Éstos precios son en dólares de 2002 y hay que actualizarlos al valor monetario actual. Para actualizar el valor

monetario se utiliza el indicador económico CEPCI (chemical engineering plant cost index) obtenido de la

publicación de mayo de 2015.

Evaluación económica

58

Figura 8-1: Coste de tanques en función de su capacidad (Peters, et al, 2003).

Los precios de los tanques quedan recogidos en la siguiente tabla

Tabla 8-1: Precio de los tanques.

EQUIPO PRECIO ($ 2002) UNIDADES PRECIO ($ 2002)

Tanque pretratamiento 2000 1 2000

Tanque lixiviación 9000 1 9000

Precipitación de Cobalto (Coagulación) 9000 1 9000

Precipitación de Cobalto (Floculación) 9000 1 9000

Precipitación de Litio (Coagulación) 1500 1 1500

Precipitación de Litio (Floculación) 3000 1 3000

Tanque de extracción L-L 2000 6 12000

Tanque de re-extracción L-L 1500 6 9000

Tanque auxiliar 1 3000 1 3000



TOTAL 75500

Una vez se tiene el coste de los tanques en $ del 2002, hay que actualizarlo a los precios actuales. Para obtener el

precio actual, se utiliza la siguiente fórmula:


59

𝐶𝑜𝑠𝑡𝑒 𝑎𝑐𝑡𝑢𝑎𝑙 = 𝐶𝑜𝑠𝑡𝑒 2002 ×𝐶𝐸𝑃𝐶𝐼 2015

𝐶𝐸𝑃𝐶𝐼 2002

(Ecuación 8-1)

El indicador económico de 2002 tiene un valor de 395,6 y el de 609,7, por tanto, el valor de todos los tanques es de

116360,84 $ que en euros es 104613 €.

Trituradora de mandíbulas

El coste de la trituradora es proporcionado directamente por el fabricante, se le han proporcionado todas las

especificaciones del material, el caudal que va a tratar y la finalidad del proceso de reducción de tamaño. El

fabricante (Forrec) ha recomendado la trituradora TB500/5 que tiene un coste de 12000 €.

Filtros prensa

Para conocer el precio de los filtros prensa, se ha mirado la figura 15-39 del libro de Peters y Timmerhaus

(figura 8-2), que muestra los precios en dólares estadounidenses para diferentes tipos de filtros continuos en

función de su área de filtración.

Figura 8-2: Coste de filtros en función de su superficie filtrante (Peters, et al, 2003).

El coste de los filtros se recoge en la siguiente tabla:

Tabla 8-2: Precio de los filtros.

EQUIPO SUPERFICIE FILTRANTE (m2) PRECIO ($ 2002)

Filtro prensa 1 3,2 4200

Filtro prensa 2 1,4 2800

TOTAL 7000


60

Lo siguiente es pasarlo al valor actual del dinero con la ecuación 8-1, quedando 10788,42 $. Finalmente se tiene

que el coste de los filtros es de 9700 €.

Sedimentadores

Para el cálculo del coste de los sedimentadores, se calcula el peso de los tanques teniendo en cuenta la superficie

total y el espesor de las paredes, de este modo, se obtiene la cantidad de acero al carbono necesario. Hay que aplicar

un factor de incremento del 15% al peso, debido a las patas y las boquillas (Peters, Timmerhaus & West, 2003).

Con el precio del acero al carbono, se tiene el precio del material de construcción. Al coste del material, se le aplica

un factor de incremento del 20% de gastos de construcción.

En la tabla 8-3 se recogen los precios unitarios para los sedimentadores:

Tabla 8-3: Precio de los sedimentadores.

Sedimentadores

Parámetros Unidades Sed. Ext. Sed. Re-ex.

Superficie Base m2 0,15 0,10

Superficie Lateral m2 1,15 0,74

Superficie Total m2 1,30 0,84

Espesor mm 3 3

Volumen m3 0,004 0,003

Densidad Material kg/m3 7800 7800

Peso kg 30,42 19,66

Peso + 15% Kg 34,98 22,60

Precio material €/kg 2,54 2,54

Coste cuerpo € 88,86 57,42

Mano de obra % 20,00 20,00

Coste con mano de obra € 106,63 68,90

Tabla 8-4: Precio total de los sedimentadores

Sedimentador Unidades Precio Unidad (€) Total (€)

Sed. Extracción 6 106,63 639,78

Sed. Re-Extracción 6 68,90 413,4

TOTAL - - 1053,18


61

Los siguientes costes directos asociados a la planta, se han calculado como un porcentaje del precio de los equipos

según indica el libro de Peters y Timmerhaus en la tabla 6-17.

Instalación

Los costes de instalación engloban a los costes de montaje por personal autorizado de todos los equipos de los que

se compone la planta.

Control e instrumentación

Se incluyen en este apartado todos los instrumentos y equipos auxiliares necesarios para el control de la planta.

Piping

Se incluyen los costes de todo el sistema de tuberías de la planta.

Electricidad

Los costes de electricidad se componen de mano de obra y materiales necesarios para suministrar a la planta la

potencia e iluminación requerida para su funcionamiento.

Construcción

Engloban los costes de construcción de todos los edificios asociados a la planta como puedan ser aseos, oficinas,

aparcamientos, comedor, etc.

En la tabla 8-5 se detallan todos los costes directos de la planta.

Tabla 8-5: Desglose costes directos

Costes directos Porcentaje del coste de equipos

(%)

Costes (€)

Coste de equipos - 127336

Instalación 30 38200

Control e instrumentación 15 19100

Piping 20 25467

Electricidad 15 19100

Construcción 20 25467

Total 254670

8.1.1.2 Costes indirectos

Los costes indirectos, son aquellos que no están asociados directamente con el material y los equipos de la planta.

Éstos costes suponen entre un 15 % y un 35% del capital fijo según el libro de Peters y Timmerhaus. Los costes

indirectos se pueden obtener directamente como un porcentaje de los costes.

Ingeniería y supervisión

Engloba los gastos en servicios técnicos y administrativos de ingeniería para poder generar los planos de

construcción y especificaciones necesarias, así como la supervisión de las obras en la fase de construcción. Supone

un 5% de los costes directos.

Gastos legales


62

Gastos asociados al área jurídica y de derecho. Supone un 1 % del capital fijo.

Gastos de construcción

Gastos destinados a pagar la construcción de la planta y a pagar los salarios de los obreros encargados de la

construcción y montaje del proyecto. Supone un 10 % del capital fijo.

Seguros

El coste destinado a los improvistos que puedan surgir. Supone un 5 % del capital fijo.

Tabla 8-6: Desglose costes indirectos

Costes indirectos Porcentaje C.F (%) Porcentaje C.D (%) Costes (€)

Ingeniería y supervisión - 5 12734

Gastos legales 1 - 3183

Gastos de construcción 10 - 31834

Seguros 5 - 15917

Total - - 63668

8.1.2 Capital de trabajo

El capital de trabajo o capital circulante, es el necesario para que la planta opere en régimen normal de operación

según lo previsto, y supone entre un 10-20 % del total del capital de inversión según el libro “Plant design and

economics for chemical engineers” (Peters, Timmerhaus & West, 2003). En este proyecto se supone un 15 % del

capital de inversión total.

8.1.3 Capital de inversión total

Es el sumatorio de la inversión en capital fijo y el capital circulante hallados anteriormente.

Tabla 8-7: Capital de inversión total

Costes (€)

Total de costes directos 254670

Total de costes indirectos 63668

Inversión capital fijo 318340

Capital de trabajo 112355

Total de capital de inversión 749033


63

8.2 Ingresos anuales

Los ingresos anuales se calculan con el balance de materia y conociendo el precio de mercado de los diferentes

productos. En este proyecto se obtienen cuatro productos fundamentalmente:

- Oxalato de cobalto (II) (CoC2O4),

- Sulfato de cobre (II) (CuSO4)

- Carbonato de litio (Li2CO3)

- Sulfato de cobalto (II) (CoSO4)

Tabla 8-8: Ingresos anuales

PRODUCTO CANTIDAD DIARIA (kg/día) CANTIDAD ANUAL (kg/año) PRECIO (€/kg) INGRESOS ANUALES

CoC2O4 405,5 135437 4,5 609466,5

CuSO4 74 24716 5,2 128523,2

Li2CO3 119 39746 7,3 290145,8

CoSO4 45 15030 7,2 108216

TOTAL

(€) - - - 1136351,5

TOTAL

(M€) - - - 1,14

8.3 VAN y período de recuperación

Para que un proyecto sea rentable, tiene que cumplirse que el VAN (valor actual neto) sea mayor que cero, por

tanto, es un indicador de la rentabilidad de un proyecto que tiene en cuenta el valor del dinero.

Es necesario conocer los flujos de caja anuales para poder calcularlo. Para ello, vamos a suponer que la planta va a

funcionar 10 años, con una amortización lineal de los equipos. Para el cálculo de los gastos de producción se tiene

en cuenta el libro “El pronóstico económico en química ambiental” (Vian Ortuño, 1979).

Tabla 8-9: Costes de producción anuales

Coste (€/año)

Mano de obra directa (6 trabajadores) 72000

Mano de obra indirecta (10% mano de obra directa) 7200

Suministros y repuestos (1% coste inversión) 7490

Mantenimiento (2% coste de la inversión) 14981

Mediante el balance de materia y el precio actual de la materia prima, se obtienen los gastos anuales en materia

prima.


64

Tabla 8-10: Coste anual de la materia prima

Producto Cantidad anual

(ton/año)

Cantidad anual

(m3/año) Precio (€/ton)

Precio

(€/m3)

Coste anual

(€)

Fe polvo 1 - 800 - 800

H2SO4 (98%) - 600 - 1250 750000

Oxalato amonio 253,8 - 1100 - 279224

Acorga - 68 - 890 60520

Cyanex - 68 - 900 61200

Na2CO3 72,1 - 400 28844,4

TOTAL - - - - 1180588,4

TOTAL (M€) - - - - 1,18

En este punto ya se puede observar que el proyecto no es rentable, puesto que es más cara la materia prima que el

producto que se va a vender.

En la siguiente tabla se muestra el cálculo del flujo de caja anual:

Tabla 8-11: Cálculo del flujo de caja anual

Ingresos anuales (€) 1136351,5

Mano de obra directa (€) (72000)

Mano de obra indirecta (€) (7200)

Coste materia prima (€) (1181017,1)

Coste suministros y repuestos (€) (7490)

Coste mantenimiento (€) (14981)

Amortización (€) (12734)

BAI (€) (273670,6)

Impuestos (30%) (€) 0

BN (€) (273670,6)

Amortización (€) 12734

CFOi (€) (146336,6)

CFOi (M€) (0,146)


65

𝑉𝐴𝑁 = −𝐴 + ∑𝐶𝑓𝑖

(1 + 𝑘)𝑖

𝑛

𝑖=1

Donde:

VAN, es el valor actual neto.

A, es el desembolso inicial.

Cfi, es el flujo de caja del año i.

k, es la tasa de descuento (se ha considerado 10%).

Se obtiene un VAN de -1,646 M€ confirmándose, como se suponía, que el proyecto no es rentable.

Referencias

66

REFERENCIAS

Pingwei Zhang, Toshiro Yokoyama, et al, 1997. Hydrometallurgical process for recovery of metal

values from spent lithium-ion secondary batteries.

Junmin Nan, Dongmei Han, et al, 2005. Recovery of metal values from spent lithium-ion batteries with

chemical deposition and solvent extraction.

Augusto Fuentes Majano, 2010. Análisis estratégico de reciclado de baterías para vehículos eléctricos.

Indumetal Recycling S.A. 2012. Anexo 2. Determinación de parámetros clave en el sistema de gestión de

baterías de vehículos eléctricos/híbridos al final de su vida útil, requerimientos de los factores implicados.

Bernardes, Espinosa, et al, 2003. Recycling of batteries: a review of current processes and technologies.

Jinqiu Xua, H.R. Thomasb, et al, 2008. A review of processes and technologies for the recycling of lithium-

ion secondary batteries.

Misuzu Asari, Shin-ichi Sakai, 2013. Li-ion battery recycling and cobalt flow analysis in Japan.

Peters, Timmerhaus, et al,2003. Plan design and economics for chemical engineers.

Vian Ortuño, 1979. El pronóstico económico en química ambiental.

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