título: evaluación del proceso de obtención de cloruro de
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Título: “Evaluación del proceso de obtención de cloruro de
calcio como propuesta de diversificación en la Electroquímica
de Sagua”
Autor: Celso Marcos Ferrão dos Santos
Tutora: Dr.C Marlen Morales Zamora
Curso 2017-2018
Este documento es Propiedad Patrimonial de la Universidad
Central “Marta Abreu” de Las Villas, y se encuentra depositado en los fondos de la Este
documento es Propiedad Patrimonial de la Universidad Central “Marta Abreu” de Las
Villas, y se encuentra depositado en los fondos de la Biblioteca Universitaria “Chiqui
Gómez Lubian” subordinada a la Dirección de Información Científico Técnica de la
mencionada casa de altos estudios.
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Pensamiento:
”No creo en la inmoralidad del individuo, y considero la ética una
preocupación exclusivamente humana sobre la que no hay ninguna
autoridad sobrehumana”
Albert Einstein
Dedicatoria: La constancia de mucho esfuerzo, se logra grandes cosas por lo que
dedico este trabajo a:
Mi mamá
Mismo estando lejos de mí, su esfuerzo, comprensión, apoyo, amor, y
tantas cosas que me brinda todos los días, porque sin ella no hubiera
tenido fuerzas para continuar y vencer.
A mi papá
Por nunca perder la esperanza en mí, por darme fuerzas para luchar
cuando más lo necesitaba y siempre ayudándome diciéndome que los
beneficios vendrán con el esfuerzo de uno.
A mis hermanas
Por ser mi fuente inspiración, a no dejar de luchar porque cuentan
conmigo para ayudarlas en todo.
A mis tíos
Por siempre recibir su apoyo incondicional y ser tan especiales como
padres para mí.
.
Agradecimientos:
Cuando se llega en la fase final de tu época de universitario, momentos como este,
únicos en la vida, siempre se reserva un instante para meditar y recordar lo largo,
difícil y lleno de momentos felices que ha sido el camino, pero lo corto y relativamente
fácil que ha parecido porque se ha contado con el apoyo incondicional y la compañía
de personas que en una sola hoja de este trabajo de diploma no se podrían
mencionar, por tanto y quiero agradecer de forma muy especial a todos:
A toda mi familia que siempre ha tenido sus brazos abiertos para ayudarme,
especialmente a mis padres, tíos, hermanas, primos y abuelos por todo el apoyo que
siempre me han dado, por tener absoluta credibilidad en mí.
A mi tutora Marlen por ayudarme con la búsqueda bibliográfica y su apoyo
incondicional.
A mi novia Sandra por levantarme el ánimo cuando las ganas estaban en el suelo.
A onnyl y Francisco , mis familiares, que a pesar de estar separados y no estudiar la
misma carrera, siempre han estado y estarán ahí…
A todos mis compañeros de aula por compartir tanto los buenos como malos
momentos en estos cinco años, nunca los olvidaré… en especial: Mario, Rafael y
David, por ser mis aliados y soportarme en cada momento, por siempre creer en mí
y ser incondicional, a tia Ydolkis y tio Yanoski por ayudarme y brindarme su casa en
momentos difíciles, a la Placa 6 mi grupo de amigos Angolanos residentes en cuba,
por sus apoyos en todo.
A mi abuela Mãezinha que siempre creyó en mi potencial para graduar.
A mi fallecida abuela Bucha que fue una de la personas que desd niño me decía
que ibba ser un ingeniero y hoy logre algo que ella creyo y yo es una victoria para
ella también espero que desde el cielo este celebrando con los angeles.
A mi tutora y amiga Marlén por su dedicación y comprensión en todo tiempo. Al
claustro de profesores del Departamento de Ingeniería Química.A todos muchas
gracias de coracion por la preocupación.
Resumen
El presente trabajo tiene como objetivo evaluar técnica y económicamente la
asimilación de las tecnologías de obtención de cloruro de calcio, dada la
necesidad impetuosa de la empresa Electroquímica de Sagua de buscarle un uso
y destino al cloro y el ácido clorhídrico sobrante y la diversificación de sus
producciones. Se hicieron tres ensayos a nivel de laboratorio y se seleccionaron
dos variantes tecnológicas a estudiar y se logró la simulación en Aspen Plus del
proceso de obtención de cloruro de calcio, para poder estudiar el comportamiento
del proceso y la manipulación de las principales variables del mismo. Los
modelos simulados responden satisfactoriamente al proceso y se realiza un análisis
de sensibilidad de los flujos de materias primas y productos finales a partir de los
rangos establecidos, según las posibilidades de asimilación y adaptación en la
empresa. Como conclusión, se obtienen resultados técnicos y económicos
favorables con la variante de Hidróxido de calcio y óxido de calcio.
Abstract
The present work aims to evaluate technically and economically the assimilation of
the technologies of obtaining calcium chloride, given the impetuous necessity of the
company Electrochemistry of Sagua to find a use and destination to chlorine and
hydrochloric acid leftover and the diversification of its Productions.Thre studied lab,
Two technological variants were selected to be studied and the simulation in Aspen
Plus of the process of obtaining calcium chloride was obtained, in order to be able
to study the behavior of the process and the manipulation of the main variables of
the same. The simulated models respond satisfactorily to the process and a
sensitivity analysis of the flows of raw materials and final products is carried out from
the established ranges, according to the possibilities of assimilation and adaptation
in the company. In conclusion, favorable technical and economic results are
obtained with calcium hydrox and calcium oxide.
Índice
Resumen
Abstract
Introducción………………………………………………………………………………1
Capítulo1…………………………………………………………………………………..1
Revisión Bibliográfica…………………………………………………........................1
1.1 Cloruro de Calcio. Generalidades………………………………………………......6
1.1.1 Características. Propiedades físicas y Químicas……………….…………7
1.1.2 Importancia y Principales usos………………………………………………8
1.2 Principales materias primas para la obtención de cloruro de calcio……...…….9
1.3 Tecnologías para la obtención del cloruro de calcio…………………………….16
1.4 Principales equipos tecnológicos para la obtención de cloruro de calcio….....17
1.4.1 Tratamiento de los sólidos…………………………………………………20
1.4.2 Transporte y dosificación…………………………………………………..21
1.4.3 Reactores…………………………………………………………………….22
1.4.4 Torres de Prilling o granuladores………………………………………….23
1.5 Asimilación y transferencia de tecnologías en la Industria Química…………..28
1.6 Importancia de la simulación de procesos en la Industria Quimica……………29
Capítulo 2. Materiales y métodos de análisis……………………………………..30
2.1 Estudio experimental del proceso de obtención de cloruro de calcio...............30
2.1.1 Materias primas utilizadas....................................................................31
2.1.2 Método experimental............................................................................31
2.1.3 Análisis de resultados...........................................................................36
2.2. Simulación de la etapa de reacción química mediante el Aspen Plus……....38
2.2.1 Consideraciones para la simulación.....................................................39
2.2.2 Validación de los modelos…………………………………………………40
2.3 Aplicación de los modelos………………………………………………………….41
2.3.1 Análisis de sensibilidad de los modelos…………………………………42
Capítulo 3. Evaluación económica de las alternativas………………………….46
3.1 Propuesta de alternativas tecnológicas para la producción de cloruro de
calcio……………………………………………………………………………………..46
3.2 Diseño de los equipos principales del proceso……………………………...47
3.2.1. Diseño de la tolva dosificadora………………………………………48
3.2.2. Diseño del reactor...........................................................................49
3.2.3 Diseño del sistema de evaporación………………………………….50
3.2.3 Diseño de la torre de perlado………………………………………….50
3.3. Evaluación económica del proceso de producción de CaCl2 según las
alternativas tecnológicas……………………………………………………………..54
Conclusiones……………………………………………………………………………58
Recomendaciones……………………………………………………………………..59
Bibliografia………………………………………………………………………………60
Anexos.
Introducción
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Introducción
La producción y el uso del cloro son fundamentales para la industria química, con un
elevado número de compuestos clorados en el mercado, y casi el 60% de las ventas
globales de productos químicos relacionado directa o indirectamente con el cloro. El
cloro e hidróxido de sodio, se venden enteramente en la industria para la producción
de detergentes, fibras, plásticos, vidrio, productos petroquímicos, fertilizantes,
explosivos, disolventes y se emplea principalmente en la purificación de agua para el
aseguramiento de la salud de la población.
El árbol del cloro es una buena representación de los numerosísimos derivados y
familias de productos, más de 15.000, tanto de uso final como de productos
intermedios, muchos de ellos sin cloro en su molécula pero que han necesitado el
cloro para su fabricación. el mayor uso con un 35% es para la fabricación de resinas
de PVC, tuberías, ventanas, suelos, aplicaciones médicas, un 24% para usos
agroquímicos, medicamentos y tratamiento de aguas, un 3% para producir hipoclorito
sódico para usos de blanqueo y desinfección, y el resto en temas como ácido
clorhídrico, oxido de propileno, fosgeno y otros derivados.
Cuba cuenta con una planta de producción de cloro e hidróxido de sodio, en la
Empresa Electroquímica de Sagua la Grande, provincia de Villa Clara, perteneciente
al Ministerio de la Industria Básica, lo cual resulta de vital importancia ya que es la
única instalación productiva de su tipo en el país y Centroamérica, dispone de 14
celdas electrolíticas con cátodo de mercurio para una producción máxima de 48
toneladas de cloro gas y 108 toneladas de hidróxido de sodio (sosa cáustica) por día.
Desde hace varios años, se está trabajando en el proyecto de investigación del
análisis factibilidad técnico-económica para el cambio de tecnología de celdas de
mercurio por celdas de membrana. Las celdas de membrana ofrecen ventajas
respecto a las de mercurio y diafragma ya que consumen menos energía, mayor
capacidad de agotamiento de la salmuera, mayor sencillez de operación por
Introducción
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eliminación del ajuste de los ánodos y tiene un impacto social porque se elimina la
contaminación del medio ambiente con mercurio.
El proceso inversionista que se está desarrollando en dicha empresa incrementará la
disponibilidad de cloro y ácido clorhídrico sin un destino productivo definido, por lo
que se hace necesario estudiar alternativas de utilización de cloro y sus derivados
como materia prima hacia otras producciones y productos que satisfagan
necesidades del mercado nacional e internacional.
Hasta el momento se analizado mediante proyectos de I+D algunos derivados del
cloro, como son el cloruro férrico, el policloruro de aluminio y el hipoclorito de calcio,
con posibilidades para la asimilación y transferencia de esas tecnologías. Resulta de
interés comenzar con el estudio de nuevos productos con posibilidades de
introducción en el mercado; en este caso el cloruro de calcio.
El cloruro cálcico o cloruro de calcio es un compuesto químico, inorgánico, mineral
utilizado como medicamento en enfermedades o afecciones ligadas al exceso o
deficiencia de calcio en el organismo. También es usado en la industria de la
alimentación y en la industria de la construcción al ser usado en mezclas de hormigón
para acelerar su tiempo de fraguado pero los iones de cloro son corrosivos para el
hierro por lo que no debe usarse el hormigón armado. La forma anhidra del cloruro
de calcio también puede usarse para este fin y puede servir para determinar la
cantidad de humedad en el hormigón. También se usa en el agua de las piscinas
como tampón del pH y para ajustar la dureza del agua. El cloruro de calcio también
se usa como aditivo en plásticos y en extintores, en depuración de aguas. Las
disoluciones exotérmicas de cloruro de calcio son usadas en latas de bebidas y
comidas que se autocalientan aprovechando el calor desprendido.
En la industria del petróleo, el cloruro de calcio se utiliza para aumentar la densidad
de salmueras libres de sólidos. También se utiliza para inhibir las arcillas expansivas
en los fluidos de perforación. El cloruro de calcio anhidro se usa también como
desecante debido a su higroscopia. En el tratamiento de firmes en vialidad invernal;
carreteras o aeropuertos, se muestra más efectivo que el cloruro sódico a
temperaturas más bajas.
Introducción
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Problema científico:
No existe un adecuado estudio de asimilación y transferencia de las tecnologías de
los derivados del cloro, ante la amenaza del excedente de cloro y ácido clorhídrico
con la nueva tecnología, que permitan a la empresa diversificar sus producciones y
consolidarse en el mercado con nuevos productos.
.Hipótesis:
Es posible el empleo del cloro y ácido clorhídrico remanente de la empresa
Electroquímica de Sagua si se analiza la asimilación técnica y económica de las
tecnologías de obtención de cloruro de calcio y sus posibilidades de introducción en
el proceso de diversificación del cloro.
Objetivo general:
Evaluar técnica y económicamente la asimilación de las tecnologías de obtención de
cloruro de calcio hacia la introducción de nuevos productos derivados del cloro en la
empresa Electroquímica de Sagua.
Objetivos específicos:
Evaluar las alternativas tecnológicas de producción de cloruro de calcio mediante la
simulación y rendimemiento de los procesos.
Evaluar económicamente preliminar el impacto de la asimilación de las alternativas
tecnológicas de producción de cloruro de calcio.
Capítulo 1: Revisión Bibliográfica.
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CAPÍTULO 1: REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA.
1.1 Cloruro de calcio. Generalidades.
El cloruro de calcio es un producto químico de gran versatilidad utilizado en una amplia
variedad de operaciones industriales. Su producción comercial se remonta a más de
100 años y se han registrado aplicaciones desde el siglo XIX, por ejemplo, como aditivo
para el hormigón.
Actualmente la utilización de cloruro de calcio se encuentra en crecimiento debido a
las ventajas técnicas y económicas que presenta frente a otros productos de
características y usos similares.
El Cloruro de Calcio o cloruro cálcico es un compuesto químico, inorgánico, mineral
utilizado como medicamento en enfermedades o afecciones ligadas al exceso o
deficiencia de calcio en el organismo. Es una solución incolora. Se presenta en forma
líquida en una concentración del 35% aproximadamente, o en escamas, en sacos de
polietileno de 25 kg en pallets de 50 bolsas completando 1.250 kg por pallet.
Entre las principales características del cloruro de calcio se encuentra la de ser un
compuesto higroscópico (absorbe humedad del aire y materiales), delicuescente (es
capaz de disolverse en la humedad que absorbe) y que forma soluciones con bajo
punto de congelamiento. Estas características permiten que sea utilizado en diversas
operaciones asociadas al control de humedad y como agente anticongelante. Además,
el cloruro de calcio tiene importantes aplicaciones químicas y biológicas relacionadas
principalmente con el aporte de calcio que puede hacer (Campbell, 2018).
1.1.1 Características. Propiedades físicas y químicas.
Cloruro de Calcio: es un cristal incoloro, altamente higroscópico, reacciona fuertemente
con el agua produciendo una reacción exotérmica. En la industria química es utilizado
como fuente de calcio para la producción de sales de calcio. Por sus cualidades
higroscópicas, es muy utilizado como des humificador para aire y gases. Se utiliza
también en la construcción, en la industria papelera, en la refrigeración, en la
desinfección de aguas.
Capítulo 1: Revisión Bibliográfica.
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El cloruro de calcio es una sal inorgánica que tiene por fórmula CaCl2, otros nombres
del compuesto son: dicloruro de calcio, cloruro cálcico. El cloruro de cálcico es un
compuesto de baja toxicidad y no es corrosivo.
Las soluciones del cloruro de calcio tienen un bajo punto de congelación, pueden
permanecer en estado líquido a muy bajas temperaturas. Este compuesto químico
puede presentarse en estado sólido, el cloruro de calcio anhidro, puede ser de color
blanco o incoloro, se encuentra disponible granular o escamas.
Una notable propiedad del cloruro de calcio es que es un compuesto químico muy
higroscópico, es decir, en un ambiente seco permanece sólido, pero al exponerse a la
humedad del medio ambiente comienza a atraer moléculas de agua, conforme pasa el
tiempo expuesto a la humedad se disuelve formando una solución saturada, a esto se
le conoce como delicuescencia.
Una de las principales características del cloruro de calcio es la de ser un compuesto
con una altísima capacidad de absorber humedad desde el ambiente, lo que se conoce
como higroscopia. Este comportamiento tiene su justificación en el equilibrio químico
que determina la existencia de las diferentes formas en que puede presentarse esta
sal.
La naturaleza del cloruro de calcio permite que este pueda encontrarse en un estado
anhidro (CaCl2), formando hidratos (CaCl2·H2O, CaCl2·2H2O, CaCl2·4H2O,
CaCl2·6H2O) o en solución(Peña, 2014).
El cloruro de calcio puede dar una fuente de iones de calcio en una solución, por
ejemplo por precipitación ya que tiene muchos compuestos con el calcio que son
insolubles, por esa razón se utiliza como coagulante en algunos tipos de tratamientos
de aguas residuales:
3 CaCl2 (aq) + 2 K3PO4 (aq) → Ca3(PO4)2 (s) + 6 KCl (aq)
El cloruro de calcio fundido puede ser electrolizado depositándose calcio metálico en
el cátodo y recogiéndose cloro gaseoso en el ánodo:
CaCl2(l) → Ca(s) + Cl2(g)
Capítulo 1: Revisión Bibliográfica.
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Tabla 1.1 Propiedades físicas y químicas.
Propiedades físicas
Apariencia sólido blanco o incoloro
Densidad 2150 kg/m3; 2,15 g/cm3
Masa molar 110,986 g/mol
Punto de fusión 1045,15 K (772 °C)
Punto de ebullición 2208,15 K (1935 °C)
Estructura cristalina octoédrico, rutilo deformada
Propiedades químicas
Solubilidad en agua 74,5 g/100 ml (20 °C)
Riesgos Ingestión
Quemaduras
Inhalación Irritación y quemaduras
Piel Irritación o quemaduras
Ojos Quemaduras
1.1.2 Importancia y principales usos
El cloruro de calcio presenta una gran importancia y una variedad de usos a nivel
industrial. A continuación, se listan los principales usos.
El cloruro de calcio se puede utilizar en el remplazo de sales en la alimentación. Su
presentación farmacológica es Presentación farmacológica es, Cloruro Cálcico al
10 %, ampolla 1g/10 ml=30 ml de Gluconato Cálcio al 10 %.
Como fuente de calcio para la producción de sales de calcio.
Por sus cualidades higroscópicas, es muy utilizado como deshumificador para aire y
gases y como agente mitigador de polvo en vías de afirmado.
En la industria papelera se utiliza para aumentar la fuerza de la red de los
medios corrugantes, otorgando dureza acuosa artificial que permite a la red drenar
mejor, a la vez que mejora la retención de la tintura.
En refrigeración, las soluciones salinas de cloruro de calcio presentan bajo punto de
congelamiento por lo que constituyen un elemento fundamental en múltiples
Capítulo 1: Revisión Bibliográfica.
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aplicaciones. Además, en solución con agua tiene importantes aplicaciones ya que
reúne características tales como: el efecto corrosivo en contacto con metales es
mínimo y no tiene cambios notables cuando se contamina con escapes de amoníaco.
En el tratamiento de aguas residuales, es un eficaz precipitante para la eliminación de
fluoruros a la vez que mejora la eliminación de silicatos por densificación del floc.
En el tratamiento de los desechos aceitosos, debido a su capacidad para romper las
emulsiones oleosas.
También se le utiliza en la elaboración de queso, ya que tiene como función darle
mayor firmeza mecánica a la cuajada. Esto es peculiarmente importante al tratar leche
pasteurizada ya que, durante la pasteurización, se produce descalcificación parcial de
las caseínas.
También se usa en el agua de las piscinas como tampón del pH y para ajustar la dureza
del agua.
El cloruro de calcio es uno de los agentes más utilizados por su eficiencia y bajo costo
en el tratamiento de bitter pit. Bitter pit o depresión amarga constituye el principal
problema fisiológico en el almacenaje de manzanas a nivel mundial. Las variedades
más susceptibles son Granny Smith, Braeburn, Delicious, Jonathan, Stayman,
Cleopatra, Cox's Orange Pippin, Starkrimson. Existe también el desorden, aunque con
menor frecuencia, en Gala, Fuji, Golden Delicious.
En la alimentación, el cloruro de calcio se puede utilizar en el remplazo de sales,
cuando la leche se pasteuriza pierde sales de calcio, así que estas sales se reponen
con cloruro de calcio.
Actualmente es un producto muy utilizado en las más prestigiosas cocinas del mundo.
Interviene junto con el alginato sódico y otras sustancias en un proceso conocido como
esterificación básica: creación de bolitas tipo caviar.
También se utiliza en la elaboración de queso. El cloruro de calcio tiene como función
darle mayor firmeza mecánica a la cuajada. La cantidad que se debe añadir es no más
del 0.02 % en peso, con respecto al peso de la leche.
En la minería durante el proceso de lavado de carbón mineral, para la separación de
materia mineral extraña por medio de humectación.
Capítulo 1: Revisión Bibliográfica.
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Probablemente el uso más conocido de cloruro de calcio está en conjunción con la
remoción de nieve. Cuando el cloruro de calcio se disuelve en agua, se genera calor,
que funde el hielo. Se utiliza en carreteras, los estacionamientos y las aceras. Los
productos tales como Peladow, que es un horno de fusión de nieve y hielo, y
Combotherm, que es una mezcla comercial de resistencia de descongelamiento,
contienen cloruro de calcio. También se utiliza en caminos sin pavimentar para ayudar
a controlar el polvo.
El cloruro de calcio se utiliza en la fabricación de plásticos y en la producción de sal de
calcio. La perforación de pozos de gas y el petróleo es más eficiente cuando los fluidos
de cloruro de calcio se utilizan, en la industria del petróleo, el cloruro de calcio se utiliza
para aumentar la densidad de salmueras libres de sólidos. También se utiliza para
inhibir las arcillas expansivas en los fluidos de perforación.
Las inyecciones de cloruro de calcio se utilizan como un tratamiento médico para una
serie de condiciones. Los ejemplos incluyen el tratamiento de la depresión causada
por una sobredosis de sulfato de magnesio, los síntomas críticos de cólico por plomo
(saturnismo crónico) y para picaduras de insectos (como el de la araña de viuda negra).
El cloruro de calcio puede ser utilizado en la reanimación cardíaca si la adrenalina no
funciona para corregir las contracciones del miocardio. Esto puede suceder después
de la cirugía a corazón abierto.
El cloruro de calcio puede también ser utilizado como un desecante hidrocarburo (un
agente de secado), y puede ser encontrado en productos tales como DampRid, que
absorbe la humedad del aire, reduciendo efectivamente la humedad. Este tipo de
producto se utiliza comúnmente en lugares como sótanos húmedos. El cloruro de
calcio se utiliza también como un agente de procesamiento de alimentos (como
conservante, potenciador del sabor, y en el helado congelado), un aditivo en bebidas
deportivas, y en la cerveza (como fuente de calcio), y como un balastro para neumático
(para añadir peso a los neumáticos de maquinaria agrícola para lograr estabilidad)
(Jimenez, 2011).
Uso en la Industria de la construcción:
En la construcción es utilizado como aditivo para el concreto, especialmente en
estaciones frías. Adicionalmente, proporciona condiciones favorables para la
Capítulo 1: Revisión Bibliográfica.
10
hidratación durante el período de fraguado y endurecimiento del concreto y permite un
mayor funcionamiento y densidad.
Cuando se trata de concretos prefabricados tales como bloques, tubos, losetas,
postes, dinteles, etc., la incorporación de cloruro de calcio en el concreto reduce el
tiempo de formas y moldes, a la vez que reduce notablemente la proporción de roturas,
rajaduras, etc.
El uso de este como aditivo proporciona condiciones favorables en la hidratación
durante el período de fraguado y endurecimiento del concreto.
La estabilización con cloruro de calcio produce una cementación en el afirmado con un
aspecto superficial parecido a un pavimento, pero en estado de saturación el cloruro
de calcio pierde su efecto cementante, el cual se recupera nuevamente cuando el
material seca, por esta razón se deben garantizar unas buenas condiciones de drenaje
de la vía, es recomendable en lo posible un bombeo mínimo del 3%.
El acelerante más usado mundialmente es el cloruro de calcio. Su mecanismo de
acción se da reaccionando con el Aluminato Tricálcico y actuando además como
catalizador del silicato tricálcico provocando la cristalización más rápida en la forma de
cristales fibrosos.
En la actualidad existen dos tipos de acelerantes, los basados en el cloruro de calcio
(CaCl2), y los acelerantes sin cloruros.
El cloruro de calcio actúa de una forma compleja con el agua y el cemento, el fenómeno
de reacción aún no está perfectamente claro, parece que el cloruro se involucra con
las reacciones del C3A, el yeso y el C4AF y actúa también como catalizador del C3S y
del C2S acelerando la formación del gel.
El cloruro de calcio se adiciona en porcentajes no mayores al 2 % por peso del
cemento, además de observarse una ganancia significativa de resistencia a edades
tempranas se presentan los siguientes efectos secundarios:
1. Aumenta un poco la trabajabilidad.
2. Combinado con un aditivo incluso de aire provoca un aumento del contenido
de aire.
3. Retiene la humedad en los agregados disminuyendo el sangrado.
Capítulo 1: Revisión Bibliográfica.
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4. Favorece la corrosión del concreto reforzado, no se debe usar en el concreto
pre esforzado.
5. Aumenta ligeramente la contracción por secado del concreto.
6. Disminuye la durabilidad a largo plazo.
7. Disminuye la resistencia a los sulfatos en el largo plazo.
8. Después de la ganancia rápida en resistencia hay una baja en la evolución de
la misma.
Los aditivos acelerantes sin cloruros presentan una gran ventaja puesto que no
provocan corrosión, el cloruro de calcio llega a corroer no solamente al concreto
reforzado, sino también cualquier superficie metálica con la que pueda tener contacto,
como por ejemplo el dispensario donde se almacena el propio aditivo. Dependiendo de
la marca, el acelerante sin cloruros se puede dosificar para usos normales de 6.5 a 52
ml por cada kilogramo de cemento.
Por otra parte, es utilizado es utilizado en carreteras, pedraplenes para realizar
mitigación de polvo al paso de los vehículos. Al compararlo con otros productos
alternativos se tiene que:
Cloruro de Magnesio, tiene una menor eficiencia que el cloruro de calcio, ya que se
requieren mayores cantidades para lograr la misma efectividad en el control de polvo,
resultando más caro, además de que es significativamente más tóxico.
Aceites y Emulsiones, si bien logran mantener el polvo en el camino, en condiciones
secas pierden resistencia y forman una corteza que puede fragmentarse por causa del
tráfico. No aumentan la estabilidad del camino a diferencia del cloruro de calcio que si
lo logra. En general son productos costosos.
Uso en la medicina.
El cloruro de calcio de grado farmacéutico se puede utilizar:
- para la deficiencia de calcio causada por tetania y cólicos intestinales, calambres
ureterales, entre otros.
- para un bajo nivel de calcio causado por urticaria, edema exudativo, picazón en la
enfermedad de la piel.
- para el rescate de la intoxicación por sal de magnesio.
Capítulo 1: Revisión Bibliográfica.
12
- para el raquitismo por deficiencia de vitamina D, cartílago, mujeres embarazadas y
mujeres lactantes, suplemento de calcio.
El cloruro de calcio de grado farmacéutico solo considera el cloruro de calcio de alta
pureza. Desde el punto de vista médico, el cloruro de calcio es un suplemento de calcio
comúnmente utilizado, pero también para la regulación del equilibrio de electrolitos del
cuerpo humano, siendo la forma de administración vía oral, por inyección y
hemodiálisis.
1.1 Principales materias primas para la obtención de cloruro de calcio.
Carbonato de calcio (CaCO3)
El carbonato cálcico o carbonato de calcio es el producto obtenido por molienda fina o
micronización de calizas puras.
La caliza es una roca sedimentaria porosa formada por carbonatos, principalmente
carbonato de calcio, magnesio y potasio. Cuando tiene alta proporción de carbonatos
de magnesio se le conoce como dolomita, la piedra caliza permite el paso del agua, es
decir, es una roca permeable. Cuando el agua penetra en la caliza se lleva a cabo el
proceso de disolución, mediante el cual se disuelve el carbonato de calcio. Contiene
silicatos y sílice en diversas proporciones; solubles en agua. Las calizas son las más
abundantes de las rocas no clásticas. Constituyen definitivamente la mayor existencia
del elemento carbono en la superficie terrestre, o cerca de ella
Las aplicaciones industriales del carbonato de calcio son varias, entre las que se puede
destacar la industria del papel, plásticos, en la industria química básica, en la de
pinturas y adhesivos, en la del vidrio, cerámica, para cosmética y en la industria
farmacéutica. En las industrias agropecuarias se utiliza para alimentación animal y para
el refino de azúcar.
Capítulo 1: Revisión Bibliográfica.
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Figura 1.1 Piedra caliza. Carbonato de calcio.
Cal viva y apagada.
La cal es el producto que se obtiene como resultado de la calcinación de las rocas
calizas o dolomías; calcinando la piedra caliza por debajo de la temperatura de
descomposición del óxido de calcio. En ese estado se denomina cal viva u óxido de
calcio y si se apaga sometiéndola al tratamiento de agua, se le llama cal apagada
(hidróxido de calcio).
La cal se ha usado desde la más remota antigüedad como conglomerante en la
construcción, también para pintar muros y fachadas de los edificios construidos con
adobes o tapial.
Las cales deben ser blancas y libres de materias extrañas; deben rebasar el 92% en
su contenido de óxido de calcio (CaO), con un porcentaje de menos de un 4 % de
anhídridos carbónico (AO2), cuando son producidas y no más del 7% cuando se
encuentra en su destino; la Sílice (SO2) en no más del 2 %, el Fe y el Al en su forma
de óxido (Fe2O3 y Al2O3), en el 1% máximo; la magnesia (MgO) en el 1.75% y el azufre
en (S) y el fósforo (P2O5) en 0.20 y 0.05% en su máxima cuantía.
Los hidróxidos de calcio o cales apagadas, además de reunir las condiciones
señaladas en las propiedades de los óxidos, deberán tener un mínimo de 68 a 70% de
óxido de calcio aprovechable, y más del 90% de hidróxido de calcio Ca(OH)2.
Capítulo 1: Revisión Bibliográfica.
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Figura 1.2 Cal viva. Óxido de calcio.
Cal apagada. Ca(OH)2
El hidróxido de calcio, dihidróxido de calcio o cal hidratada (otros sinónimos: hidrato de
cal, cal apagada, cal muerta, cal aérea apagada, cal de construcción, cal química, cal
fina, cal de albañilería, flor de cal, cal Viena) con fórmula Ca(OH)2, se obtiene por
hidratación del óxido de calcio (cal viva) en unos equipos denominados hidratadores.
Es un polvo fino y seco de color blanco, muy liviano con alto contenido de Ca(OH)2 que
actúa como una base fuerte.
Figura 1.3 Cal apagada. Hidróxido de calcio.
También se puede obtener, como subproducto procedente de residuos cálcicos de
procesos de fabricación de diversas sustancias, por precipitación de la mezcla de una
solución de cloruro de calcio con una de hidróxido de sodio o haciendo reaccionar
carburo de calcio con agua. En este último caso, durante el proceso se libera acetileno,
que se aprovecha para las lámparas o equipos de soldadura autógena, u oxicorte que
funcionan con este gas.
Si se calienta a 512 °C, el hidróxido de calcio se descompone en óxido de calcio y
agua. La solución de hidróxido de calcio en agua es una base fuerte que reacciona
Capítulo 1: Revisión Bibliográfica.
15
violentamente con ácidos y ataca varios metales. Se enturbia en presencia de dióxido
de carbono por la precipitación de carbonato de calcio.
Ácido clorhídrico. HCl.
El ácido clorhídrico es un compuesto químico de sustancia líquida incoloro; puede
presentar un tono amarillo por contener trazas de cloro, hierro o materia orgánica. El
ácido clorhídrico, presenta como características principales su alto poder corrosivo y
ácido, además se encuentra en estado líquido al ser una disolución acuosa con una
cierta tonalidad amarillenta muy leve.
Después del ácido sulfúrico, es el ácido de mayor importancia a escala industrial. Su
estudio proporciona el conocimiento adquirido por el hombre desde la que la química
se encontraba en manos de la alquimia en la edad media hasta nuestros días. (Ver
Anexo 1 tabla de propiedades del (HCl) (Guerra, 2016).
1.3 Tecnologías para la obtención de cloruro de calcio.
El cloruro de calcio con gran frecuencia para su comercio se necesita en estado
perfectamente pulverulento, que ofrezca un contenido elevado en cloro activo y que
sea, por otra parta, estable. Los métodos empleados hasta el momento, para la
preparación de cloruro de calcio de esta clase, rinden un producto que no presenta
tales características. Por lo que se hace necesario realizar revisión de nuevas patentes
que si lo consideren por ejemplo la patente ES-0149440_A1. (Papp, 1972)
A continuación, se describen las principales variantes encontradas:
Variante 1
El cloruro de calcio es producido industrialmente mediante un sistema tipo batch, que
consta de dos etapas fundamentales, tal y como se muestra en la figura 1.4.
La primera, es una etapa en que reaccionan ácido clorhídrico y carbonato de calcio
(piedra caliza). El producto de esta etapa es una mezcla heterogénea de solución con
un contenido aproximado de cloruro de calcio igual a 35% y una importante proporción
de sólidos contaminantes.
2𝐻𝐶𝑙 + 𝐶𝑎𝐶𝑂3 → 𝐶𝑎𝐶𝑙2(𝑎𝑞) + 𝐶𝑂2(𝑔) + 𝐻2𝑂(𝐿) (1)
Capítulo 1: Revisión Bibliográfica.
16
La segunda, es la etapa de tratamiento de cloruro de calcio. Esto incluye un ajuste de
pH del producto hasta un valor promedio de 7,5, y una refinación mecánica en la que
se eliminan las impurezas para lograr una solución cristalina.
Finalmente, el producto es almacenado en estanques y las borras producidas son
descartadas. Producido con un tratamiento de refinación menos riguroso, el cloruro de
calcio turbio tiene una concentración cercana al 35% y un grado de impurezas mayor,
lo que hace de este un producto más económico y útil para aplicaciones anti polvo
sobre superficies.
Figura 1.4 Proceso de obtención de CaCl2 a partir de CaCO3.
Variante 2
Esta nueva invención para la producción del cloruro de calcio tiene dos formas de
llevarse a cabo a continuación se describen las mismas:
Capítulo 1: Revisión Bibliográfica.
17
A partir de Óxido de Calcio
El cloruro de calcio se puede obtener en forma indirecta calcinando el carbonato de
calcio, para formar óxido de calcio, comúnmente llamado cal viva.
Se prepara el carbonato de calcio para llevarlo al horno eléctrico para la calcinación a
una temperatura de 1000 ºC por un tiempo aproximado de 3 horas para asegurar una
calcinación completa, pasado este tiempo se deja enfriar por una hora en el horno.
𝐶𝑎𝐶𝑂3(𝑠) → 𝐶𝑎𝑂(𝑠) + 𝐶𝑂2(𝑔) (2)
Una vez obtenido el óxido de calcio se agrega HCl para tener el producto deseado.
Cuando esté completamente frio pasa a la etapa de reacción de este con el ácido
clorhídrico, donde se libera de vapor de agua, por ser la reacción muy exotérmica y
con la correspondiente formación de un precipitado blanco. Se separa por filtración el
cloruro de calcio, luego el filtrado se seca y finalmente se pesa el cloruro de calcio
obtenido. (SALDARRIAGA GARCÍA, 1972)
𝐶𝑎𝑂(𝑠) + 2𝐻𝐶𝑙(𝑎𝑞) → 𝐶𝑎𝐶𝑙2(𝑎𝑞) + 𝐻2𝑂(𝐿) (3)
A partir de Carbonato de Calcio
Este método se da directamente por adición de ácido clorhídrico al carbonato de calcio
obtenido al moler finamente las maruchas, almejas y caracol.
Se hace reaccionar el Carbonato de Calcio y el ácido Clorhídrico de acuerdo a la
estequiometria de la reacción.
𝐶𝑎𝐶𝑂3(𝑠) + 2𝐻𝐶𝑙(𝑎𝑞) → 𝐶𝑎𝐶𝑙2(𝑎𝑞) + 𝐶𝑂2(𝑔) + 𝐻2𝑂(𝐿) (4)
Esta reacción es exotérmica. Se presenta en efervescencia al desprender CO2,
quedando así el CaCl2 y agua. Después se purifica la solución (filtración al vacío) y
finalmente se calienta la solución para evaporar el agua y así obtener el cloruro de
calcio. (SALDARRIAGA GARCÍA, 1972)
Capítulo 1: Revisión Bibliográfica.
18
Variante 3
En este método reacciona el HCl con la piedra caliza, el CaCO3 para obtener el cloruro
de calcio. En la figura 1.5, se muestra el diagrama del proceso. El producto de la
reacción obtenido pasa a concentrase en una etapa de evaporación y posteriormente
a granuladores de lecho fluido para la formación de los gránulos de cloruro de calcio.
Finalmente se pasa al embalaje del producto final.
Figura 1.5 Proceso de obtención de CaCl2 a partir de CaCO3.
Variante 4
En este método se mezclan entre sí cloruro de calcio y una solución de hipoclorito
alcalino, y para aumentar la estabilidad del producto, se añade a ésta mezcla
hidrosilicato. Estas sustancias se usan preferentemente en cantidad inferior al 1 %.
La mezcla de este modo obtenida puede ser sucesivamente tratada de modo conocido
en si con el fin de obtener cloruro de calcio en polvo, además de los hidrosilicatos, se
puede añadir un cromato, preferentemente un bicromato alcalino.
Capítulo 1: Revisión Bibliográfica.
19
Terminada la mezcla, se procede a la separación de los compuestos sólidos de los
líquidos, esta puede ser por filtración o por centrifugación, luego los compuestos
sólidos son sometidos a un secado por medio de una corriente gaseosa.
Para regular el contenido en álcali del cloruro de calcio y limitarlo a un valor deseado,
además de aumentar el contenido en cloro activo de producto, se puede efectuar la
cloración de la mezcla. Para este fin se puede clorar la mezcla cuando ésta aun
contiene líquido, aunque es preferible hacerlo cuando los elementos sólidos ya hayan
sido separados.
Por otra parte, se ha encontrado que dejar reposar la mezcla de cloruro de calcio y de
hipoclorito alcalino, por lo menos durante algunas horas antes de someterla a un
tratamiento, o sea, antes de la filtración o de la centrifugación, puede ser muy ventajoso
se recomienda que este proceso se haga preferentemente durante la noche.
Finalmente, el cloruro de calcio obtenido, según el procedimiento antes descrito se
moltura a un grado de finura deseada por medio de aparatos apropiados (Papp, 2017).
1.4 Principales equipos tecnológicos para la obtención de CaCl2.
1.4.1. Tratamiento de los sólidos.
Para el caso que el proceso parte de la piedra caliza, la misma previamente es
sometida a un proceso de trituración y molienda.
La trituración es un método de reducción para procesamiento de materiales incluido
entre los tamaños de entrada de un metro a un centímetro (0,01m), diferenciándose
en trituración primaria (de 1 m a 10 cm) y trituración secundaria (de 10 cm a 1 cm).
En el campo industrial se utilizan diferentes tipos de máquinas de trituración y suelen
clasificarse de acuerdo a la etapa a en que se utilizan y el tamaño de material tratado.
Se tienen dos tipos de máquinas: trituradoras de mandíbulas y trituradoras giratorias.
Las trituradoras de mandíbulas constan normalmente de dos placas muy fuertes,
llamadas mandíbulas. Una de ellas es vertical y va fija al armazón de la maquina; la
otra está articulada al aparato para que pueda experimentar un movimiento de vaivén
sobre el anterior (Brito, 2006).
Como segunda etapa, está la molienda. Es una operación unitaria que tiene como
objetivo disminuir el tamaño de la partícula, lo cual indica a menor tamaño mayor es el
desarrollo superficial del producto.
Capítulo 1: Revisión Bibliográfica.
20
El proceso inicia por la superficie, luego la velocidad de reacción será proporcional al
desarrollo de menciona superficie. Existen varios tipos de molinos según sus
respectivas aplicaciones: molino de muelas o bolas y molino de disco.
Las alimentaciones a los molinos de bolas pueden tener un tamaño de 2,5 a 3,5 cm
para materiales muy frágiles. El tamaño idóneo de las bolas más grandes debe ser de
13 cm de diámetro (Pfafflin, 2010).
1.4.2 Transporte y dosificación.
Las bandas transportadoras son los equipos de transporte más utilizado para el
desplazamiento de materias primas sólidas, material a granel a gran velocidad y para
el transporte cubriendo grandes distancias
Es vital la descarga limpia para la duración de la banda. En el desplazamiento de
regreso, el lado portador de la banda está en contacto con los rodillos de regreso y
cualquier material que se adhiere se acumulará en ella o se depositará en los rodillos.
Por lo tanto, si se tuviera material incrustado en la maquina se necesitará dispositivos
de limpieza como escobillas giratorias (Perry, 1986).
Para la dosificación, es muy útil la tolva dosificadora. La misma es un dispositivo similar
a un embudo de gran tamaño, destinado al depósito y canalización de materiales
granulares o pulverizados, entre otros. Generalmente es de forma cónica y siempre es
de paredes inclinadas como las de un gran cono, de tal forma que la carga se efectúa
por la parte superior y la descarga se realiza por una compuerta inferior.
Las tolvas dosificadoras son aplicadas cuando se quiere garantizar una alimentación
continua y controlada del producto almacenado.
El caudal de alimentación puede ser regulable mediante tajaderas. Además, el
transportador de banda, puede incorporar variador electrónico de frecuencia para
controlar la velocidad de la banda.
Capítulo 1: Revisión Bibliográfica.
21
Figura 1.6 Tolva dosificadora.
Las tolvas vibrantes para la dosificación de los materiales reciclados son la mejor
solución para garantizar una alimentación continua y estable de los materiales a la
línea de proceso. La alimentación del material es totalmente regulable
electrónicamente, consiguiendo un comportamiento sin trabas ni enganches de
prácticamente todos los materiales.
El equipo incorpora un vibrador mecánico de caja de engranajes accionado por un
motor eléctrico y eje cardan. Este sistema combinado con aislantes tipo AG de “carga
súbita”, permite una regulación mediante variador de frecuencia del 0 – 100% de su
capacidad.
No importa las densidades o granulometrías que se puedan manejar, el equipo siempre
mantiene su caudal de alimentación sea cual sea el producto, permitiendo adaptarse
a cada material que se quiera dosificar en cada momento (Perry, 1992).
1.4.3 Reactores.
El reactor Batch es un reactor donde no existe flujo de entrada ni de salida, es
simplemente un reactor con un agitador que homogeneiza la mezcla. Es
esencialmente un tanque en el que se ha permitido que ocurra una reacción.
Capítulo 1: Revisión Bibliográfica.
22
Figura 1.7 Reactor Batch.
Durante el manejo de este tipo de reactor se realizan las siguientes operaciones:
• Se agrega la carga de reactivos
• Se lleva el reactor a condiciones de operación
• Se mantiene a estas condiciones por un lapso de tiempo determinado, durante los
cuales se realiza la reacción
• Se lleva al reactor a las condiciones necesarias para descargar el producto
• Se lava el reactor
1.4.4 Torres de prilling o granuladores.
Esta es una de las tecnologías más utilizadas para la producción de fertilizantes, en la
formación de partículas esféricas (prills de 1 a 2 mm de diámetro).
En dichos equipos, el fertilizante fundido, prácticamente puro, es pulverizado en la
parte superior de la torre, en forma de gotas o prills líquidos, los cuales, en su descenso
libre, sufren un proceso de solidificación, por enfriamiento con un flujo de aire a
contracorriente.
Este proceso requiere tiempos de residencia del prill en la torre muy cortos (del orden
de 4 a 8 segundos, aproximadamente), pero está casi limitado a materiales con bajos
puntos de fusión, tales como la urea y el nitrato amoníaco
La tecnología de torres de prilling se ajusta muy bien a las características de estos
productos, ya que estos no pueden permanecer largo tiempo en estado fundido, al
sufrir procesos de degradación: la urea presenta una reacción de descomposición
parcial en biuret y amoníaco y el nitrato amónico puede iniciar dos tipos de reacciones
parciales de descomposición (formación de ácido nítrico y amoníaco, formación de
Capítulo 1: Revisión Bibliográfica.
23
óxido nitroso y agua), aparte de su carácter explosivo; para el caso del cloruro de calcio
granular también, por su carácter higroscópico se humedece con facilidad.
Se han desarrollado una diversidad de equipos de granulación, entre los que deben
destacarse, como más representativos, los granuladores de tambor y los granuladores
de disco. La tecnología de dichos equipos es totalmente diferente de la de las torres
de prilling, obteniendo el producto final, en forma de gránulos sólidos de 2 a 4 mm, o
incluso de mayor diámetro, 8mm.
La mayoría de procesos de producción de fertilizantes nitrogenados (urea, nitrato
amónico), y la obtención de cloruro de calcio granular, tienen en común la existencia
de la sección de prilling, como etapa final de dichos procesos.
La sección de prilling consiste básicamente en una torre hueca de sección rectangular
o circular, usualmente construida en hormigón armado, de altura comprendida entre
20 y 60 m., en la cual se desarrolla el proceso que se decribe a continuación.
A la salida de la sección de evaporación, el producto fundido (concentración acuosa
superior al 99,7%), a una temperatura ligeramente superior a su punto de fusión, es
bombeado a la parte superior de la torre, donde es pulverizado, en forma de lluvia de
gotas o prills, de diámetro comprendido entre 1 y 2 mm, en una unidad denominada
pulverizador.
En su descenso a través de la torre, las gotas o prills del producto sufren un proceso
de enfriamiento y solidificación, por transferencia de calor con un flujo de aire
ascendente, el cual es impulsado por los ventiladores de circulación, situados en la
parte superior de la torre. Los ventiladores colocados en la parte inferior de la torre
hacen circular el aire atmosférico a contracorriente con las gotitas que se forman por
solidificación.
Una vez alcanzan la base de la torre, los prills sólidos son expulsados de ésta,
mediante un brazo de arrastre giratorio o una cinta móvil, hacia una cinta
transportadora, que envía el producto a almacenamiento (Antuna, 2013).
Tipos básicos de pulverizadores.
Pulverizador estático
En el pulverizador estático, el producto fundido es impulsado, a través de una serie de
boquillas pulverizadoras, provocando la formación de gotas o prills líquidos, que se
Capítulo 1: Revisión Bibliográfica.
24
desprenden del pulverizador con una velocidad de salida (v), muy cercana a la
velocidad máxima o límite de caída del prill p), tal y como se muestra en la figura 1.8.
En este tipo de torres, el prill presenta una trayectoria vertical de caída, con una
velocidad prácticamente constante (vp) (Zamora, 2005).
Figura 1.8. Esquema torre prilling con pulverizador estático.
Pulverizador rotativo
El pulverizador rotativo está constituido básicamente por un tronco de cono hueco
invertido, abierto en su base superior y cerrado en su base inferior, presentando
adicionalmente una serie de orificios en su superficie lateral. Este pulverizador está
acoplado a un motor que le confiere un movimiento rotativo, según su eje vertical, tal y
como se muestra en la figura 1.9.
El producto fundido es introducido en el pulverizador por su parte superior y es
expulsado del mismo, en forma de prills, a través de los orificios laterales, con una
velocidad horizontal de salida (v), que es función de la velocidad de rotación del
pulverizador, diámetro y cota del orificio y propiedades del fluido a pulverizar.
En este tipo de torres, el prill presenta una trayectoria de parabólica con una velocidad
de caída variable.
Estas diferencias, en cuanto a la magnitud y dirección de la velocidad inicial del prill,
van a provocar que, para un mismo proceso de prilling (mismo producto, mismas
condiciones de operación), la trayectoria y la evolución de la velocidad del prill serán
diferentes, según se utilice uno u otro tipo de pulverizador.
Producto
fundido
Prill
liquido
Boquillas
pulverizadoras
Velocidad inicial del prill
Velocidad máxima o límite del prill
Capítulo 1: Revisión Bibliográfica.
25
Orificio Producto fundido
Velocidad del prill-variable
En consecuencia, la transmisión de calor prill-aire, el tiempo de residencia del prill y la
altura de la torre serán previsiblemente diferentes (Campbell, 2018).
Figura 1.9 Esquema torre prilling con pulverizador rotatorio
1.5 Asimilación y transferencia de tecnologías en la industria química.
Las etapas del proceso de asimilación y transferencia de tecnología son las siguientes:
1. La selección de la tecnología.
Consiste en la identificación de las necesidades tecnológicas de la empresa receptora,
a la búsqueda de información lo más completa posible sobre las tecnologías
disponibles y las condiciones que estipula el proveedor de la misma para cederla.
2. La negociación.
Vista como la etapa en la cual, una vez seleccionada la tecnología, las partes se ponen
en contacto con el fin de definir las condiciones y términos del acuerdo por medio del
cual se concederá la tecnología.
3. La absorción o asimilación.
Es la etapa en la cual ya se ha adquirido formalmente los conocimientos y equipos
traspasados, pero estos deben ser analizados y dominados a cabalidad por la entidad
receptora, si se desea lograr el éxito de la transferencia.
4. La adaptación.
Capítulo 1: Revisión Bibliográfica.
26
La empresa debe promover los cambios y adaptaciones necesarias para que la
tecnología cedida se pueda aplicar con la máxima efectividad.
5. La reproducción.
Es la etapa en la cual la entidad receptora ya ha pasado a aplicar industrialmente una
tecnología dada.
6. La difusión.
Difusión de la nueva tecnología hacia otras empresas, con lo cual la adquisición no
solo repercutirá no solo en beneficio de la empresa adquiriente sino para toda la
economía del país receptor.
7. Mejoras e innovaciones.
Conlleva a que el adquiriente de la tecnología llegue verdaderamente a dominarla, y lo
demuestre con la creación de mejoras e incluso innovaciones sobre lo cedido, que lo
llevan a la suficiencia tecnológica en esa rama (Heriberto, 2010).
La empresa Electroquímica de Sagua (ELQUIM) es una de las empresas de mayor
importancia en nuestro país. Es un objetivo económico estratégico por ser sus
producciones únicas en el país con alta incidencia en amplios sectores de la economía.
Constituye un objetivo con peligro químico por ser sus procesos corrosivos y manipular
sustancias altamente tóxicas. Transporta sus producciones a clientes en todo el país.
Forma parte del Grupo Empresarial Químico Farmacéutico del Ministerio de la Industria
Básica y se ha mantenido como productora de cloro líquido, ácido clorhídrico,
hipoclorito de sodio y sosa cáustica, los cuales son utilizados en amplios sectores de
la economía, tanto en la esfera productiva como institucional. Tiene como misión
satisfacer la demanda nacional de productos químicos de la industria y la sociedad
contribuyendo a su bienestar.
Su visión va encaminada a ser una empresa que satisfaga las expectativas de los
clientes con productos químicos de calidad y reconocido prestigio, líder en el centro y
occidente del país en la química ligera y un competidor establecido en Centro América
y el Caribe de la química pesada.
Para ello, consolidar la gestión total y la innovación tecnológica como recursos
fundamentales de la competitividad y el desarrollo sostenible. Sus perspectivas futuras
están dadas en el mejoramiento de la tecnología y la disminución del impacto
Capítulo 1: Revisión Bibliográfica.
27
ambiental, además de la elaboración de nuevos productos, así como la disminución de
las importaciones y el aumento de las exportaciones.
Por la elevada toxicidad y peligrosidad del producto, las instalaciones de este tipo
constituyen uno de los objetivos de peligro químico más importantes del país en que
se encuentren enclavadas, debiendo poner especial atención en los materiales de
construcción utilizados.
El proceso se caracteriza por ser sus producciones obtenidas de manera simultánea,
caso conocido como producción conjunta, lo que motiva que las posibilidades de
ventas de cada producto condicionan los niveles de producción del resto.
Para determinar la producción hay que tener en cuenta la tecnología actual, que sus
condiciones técnicas en los últimos años del proyecto no serán las mismas, debido a
los efectos corrosivos del proceso productivo unido a la obsolescencia de la planta, por
lo que el deterioro se debe incrementar.
Una vez planteadas las alternativas factibles desde el punto de vista tecnológico, se
requieren análisis complementarios de orden técnico-económico que aseguran en
efecto la calidad de la producción, requerimientos en las facilidades generales de la
planta, así como la estimación más correcta conforme a criterios económicos, haciendo
posible juzgar acerca de la conveniencia y oportunidad de la alternativa y llegar de esta
manera a un proyecto de inversión (Mendez, 2012).
1.6 Importancia de la simulación de procesos en la industria química.
La simulación es una herramienta básica en la ingeniería de procesos, la cual permite
interpretar los flujos, localizar los problemas de funcionamiento y predecir
comportamientos. El centro del análisis es el modelo matemático, partiendo de la
selección de las ecuaciones que relacionan las variables del proceso tales como la
temperatura, presión, flujos y composiciones, área superficial, configuraciones
geométricas entre otras condiciones (ESPINOSA, 2016).
La mayoría de los procesos involucran equipos convencionales como son,
intercambiadores de calor, bombas, columnas de destilación, absorbedores, entre
otros. Para estas unidades, las ecuaciones no difieren entre los procesos químicos.
Las propiedades físicas y termodinámicas y las constantes cinéticas químicas difieren,
pero no las ecuaciones (Ogawa, 2010).
Capítulo 1: Revisión Bibliográfica.
28
Los simuladores en estado estacionario, dinámico y batch son usados comúnmente y
se han extendido en la práctica industrial. A continuación se enuncian los más
utilizados en la industria: Aspen Plus, HYSYS, CHEMCAD, DINAPLUS, Batch Puls y
SUPERPRO DESIGNER (Chemcad, 2002; Aspen, 2001; Hysys, 2003). Estos permiten
acceder a muchas propiedades físicas, equipos, modelos de dimensionamiento y
operación y bases de datos de costos. Por su gran aplicación y fiabilidad muchas veces
estos simuladores sustituyen experimentos a escala piloto jugando un rol
complementario ahorrando recursos y tiempo(Armando et al., 2013).
El Aspen Plus es capaz de simular procesos con materiales sólidos no convencionales.
El usuario puede definir componentes en fase de equilibrio vapor-líquido y
componentes sólidos, los cuales son inertes con respecto a la fase de equilibrio La
simulación de los procesos objeto de estudio en el trabajo permitirá conocer y valorar
el comportamiento de las variables y los parámetros operacionales a partir de las
tecnologías a desarrollar, la cuantificación de los balances de masa y energía, la
sensibilidad de las variables, así como, ahorro de experimentos a nivel de laboratorio
y a escala piloto (Ecology, 1997).
Capítulo 2: Materiales y métodos de análisis.
29
CAPITULO 2.
Materiales y métodos de análisis.
2.1 Estudio experimental del proceso de obtención de cloruro de calcio.
El estudio experimental a nivel de laboratorio, parte de la consideración de las
diferentes alternativas de obtención de cloruro de calcio. Para ello se analiza la
etapa de reacción química de las diferentes materias primas con el ácido clorhídrico
y la etapa de evaporación para la obtención de los cristales de cloruro de calcio. En
los epígrafes que siguen se describen los materiales y métodos para la
determinación de las condiciones del proceso.
2.1.1 Materias primas utilizadas.
Los experimentos se desarrollan por separado, variando la materia prima a utilizar.
Se plantean tres ensayos experimentales, los cuales se toman como referencia en
todos los análisis que se van realizando en el desarrollo de los capítulos. A cada
ensayo se le realizan tres réplicas del experimento para tener representatividad en
los resultados obtenidos.
Ensayo 1 Obtención de cloruro de calcio (CaCl2) a partir de carbonato de calcio.
(CaCO3).
Ensayo 2 Obtención de cloruro de calcio (CaCl2) a partir de hidróxido de calcio.
(Ca(OH)2).
Ensayo 3 Obtención de cloruro de calcio (CaCl2) a partir de óxido de calcio. (CaO).
A continuación, en la tabla 2.1 y figura 2.1 se muestran las materias primas
empleadas en el estudio.
Tabla 2.1 Materias primas a utilizar.
Materia prima
Masa Molar
(g/mol)
Pureza
%
CaCO3 100 99
Ca(OH)2 74 97
CaO 56 97
HCl 36.5 30
Capítulo 2: Materiales y métodos de análisis.
30
a b c
Figura 2.1 Muestras de las materias primas empleadas.
a) CaCO3, b) Ca(OH)2, c) CaO
2.1.2 Método experimental.
- Para comenzar el experimento, se pesan las muestras de las materias primas y
se mide el volumen de la disolución de ácido clorhídrico al 30% a emplear. Para
ello, se realizan previamente los cálculos químicos para cada ensayo como se
describe a continuación:
Se fijan 100ml de HCl, con una adición de un 5% en exceso.
Calculo de la masa y la cantidad de sustancia de la disolución de ácido:
𝜌(𝐻𝑐𝑙) =𝑚𝑑(𝐻𝑐𝑙)
𝑉𝑑(𝐻𝐶𝑙)
𝜌(𝐻𝐶𝑙) = 1.149𝑔/𝑐𝑚³
Siendo:
md (HCl): masa de disolución de ácido clorhídrico (g)
𝜌(𝐻𝐶𝑙): densidad de ácido clorhídrico g/cm3
Vd(HCl): volumen de la disolución de ácido clorhídrico (ml)
md(HCl)= 𝜌HCl * Vd(HCl) = 1.149*100=114.9 (g)
ajustando en función de la pureza del ácido, queda:
m(HCl)/md(HCl)=0.30(g)
siendo, m(HCl): masa de ácido clorhídrico (g)
m(HCl) = 0.30*114.9 = 34.47g
Capítulo 2: Materiales y métodos de análisis.
31
n(HCl)=m(HCl)/MM(HCl)
siendo:
n(HCl): cantidad de sustancia de ácido clorhídrico (mol)
MM(HCl): masa molecular de ácido clorhídrico (g/mol)
n(HCl) = 34.47g/36.5g/mol = 0.944 mol
Ensayo 1
Reacción 1
Calculo de la masa de CaCO3 inicial:
RE = n(HCl)/n(CaCO3) = 2/1= 2(mol)
Siendo:
RE: relación estequiometria entre el HCl y el CaCO3
n(CaCO3): cantidad de sustancia de carbonato de calcio (mol)
n(CaCO3) = n(HCl)/2 = 0.944/2 = 0.472(mol)
m(CaCO3) = n(CaCO3) * MM(CaCO3)
siendo:
m(CaCO3): masa de carbonato de calcio (g)
MM(CaCo3): masa molecular de carbonato de calcio (g/mol)
m(CaCO3) = 0.472 * 100 = 47.2(g)
ajustando en función de la pureza del CaCO3, queda:
m(CaCO3) /md(CaCo3) = 0.99(g)
siendo, md (CaCO3): masa de disolución de carbonato de calcio (g)
md(CaCO3) = 47.2/0.99 = 47.67g
Ensayo 2
Reacción 2
Calculo de la masa de Ca(OH)2 inicial:
RE = n(HCl)/n(Ca(OH)2) = 2/1= 2(mol)
Siendo:
RE: relación estequiometria entre el HCl y el Ca(OH)2
n(Ca(OH)2): cantidad de sustancia de hidróxido de calcio (mol)
CaCO3 + 2HCl→CaCl2 + CO2(g) + H2O
Ca(OH)2 + 2HCl → CaCl2 + H2O
Capítulo 2: Materiales y métodos de análisis.
32
nCa(OH)2= n(HCl)/2 = 0.944/2 = 0.472(mol)
m(Ca(OH)2) = n(Ca(OH)2) * MM(Ca(OH)2)
siendo:
m(Ca(OH)2): masa de hidróxido de calcio (g)
MM(Ca(OH)2): masa molecular de hidróxido de calcio (g/mol)
m(Ca(OH)2) = 0.472 * 74 = 34.928 g
ajustando en función de la pureza del Ca(OH)2, queda:
m(Ca(OH)2) /md(Ca(OH)2) = 0.97(g)
siendo, md (Ca(OH)2): masa de disolución de hidróxido de calcio (g)
md(Ca(OH)2) = 47.2/0.97 = 36 g
Ensayo 3
Reacción 3
Calculo de la masa de CaO inicial:
RE = n(HCl)/n(CaO) = 2/1= 2(mol)
Siendo:
RE: relación estequiometria entre el HCl y el CaO
n(CaO): cantidad de sustancia de óxido de calcio (mol)
nCaO= n(HCl)/2 = 0.944/2 = 0.472(mol)
m(CaO) = n(CaO) * MM(CaO)
siendo:
m(CaO): masa de óxido de calcio (g)
MM(CaO): masa molecular de óxido de calcio (g/mol)
m(CaO) = 0.472 * 56 = 26.43 g
ajustando en función de la pureza del CaO, queda:
m(CaO) /md(CaO) = 0.97(g)
siendo, md (CaO): masa de disolución de óxido de calcio (g)
md(CaO) = 47.2/0.97 = 27.25 g
Una vez pesadas las muestras, se adiciona en el beacker de 300 ml la solución de
HCl al 30% y se comienza la agitación para comenzar la reacción. Para la agitación
CaO + 2HCl→ CaCl2 + H2O
Capítulo 2: Materiales y métodos de análisis.
33
se coloca el beaker en un agitador mecánico tipo Agitador MC-08, a razón de 3 rpm
(Oilgae, 2006).
Se añade de manera dosificada la muestra sólida en el beacker para poder controlar
el alto desprendimiento de espuma de los gases de la reacción, ya que la reacción
es exotérmica. Se debe tarar y mantener cerrado el beacker para evitar la salida de
los vapores de cloruro de hidrógeno y mantener cuidado con la inhalación de los
mismos.
El mezclado es homogéneo y la reacción termina cuando se logra que todo el sólido
se disuelva en la solución de ácido. Una vez adicionada toda la muestra sólida, se
mide el tiempo de la reacción. La reacción ocurre de manera casi instantánea. El
tiempo de reacción es de 1 min aproximadamente y el tiempo total es de 3 min.
Una vez terminada la reacción, se procede a la evaporación de la solución. Para
ello se deposita la muestra en un crisol y se coloca en la estufa a 110ºC hasta que
se logre la formación de los cristales.
Se mide la muestra sólida final obtenida para determinar el rendimiento del proceso.
El procedimiento se realiza de igual manera para los tres ensayos en estudio. A
continuación, en la tabla 2.2 se muestran las condiciones experimentales obtenidas
para cada ensayo, así como en la figura 2.2 los productos de la reacción final.
Tabla 2.2. Condiciones experimentales obtenidas.
Ensayo Materia prima t reacción(min) Tf(ºC)
1 Con CaCO3 1.12 50
2 Con Ca(OH)2 1.10 85
3 Con CaO 1.15 80
Capítulo 2: Materiales y métodos de análisis.
34
a b c
Figura 2.2 Producto final de la reacción para cada ensayo estudiado.
a) Con CaCO3, b) Con Ca(OH)2, c) Con CaO
Se puede observar como para los ensayos a) y b), el líquido obtenido es de color
amarillo claro, sin embargo, para el ensayo c) el líquido adquiere una coloración
amarilla oscura. Esto puede deberse al contenido de óxido de hierro en la materia
prima, CaO, que debe ser por encima del 1%, de ahí la importancia de la calidad
de la materia prima inicial, la cual afecta la calidad del producto final y el uso que
se le quiera dar al producto final, CaCl2.
A continuación, en la tabla 2.3 se muestran los resultados promedios obtenidos en
cada ensayo estudiado, siendo:
mpi: masa de materia prima inicial (g)
Vfinal: volumen final del producto líquido obtenido (ml)
mslnc: masa de solución concentrada del producto de la reacción en la etapa de
evaporación (g)
%Hdad: por ciento de humedad de la masa de la solución concentrada del producto
de la reacción en la etapa de evaporación
%peso CaCl2: por ciento peso de cloruro de calcio en la masa de la solución
concentrada del producto de la reacción en la etapa de evaporación.
mf: masa final del cloruro de calcio sólido obtenido (g)
Rel gcaCl2/gmpi: relación de gramos de cloruro de calcio obtenido por gramos de
materia prima inicial.
Capítulo 2: Materiales y métodos de análisis.
35
Tabla 2.3 Resultados experimentales obtenidos en cada ensayo.
Ensayos
mpi (g)
Vfinal (ml)
Evaporación mf (g)
Rel
gcaCl2/g mpi
mslnc (g)
% Hdad
% peso CaCl2
1 47.67 111 70.25 44.48 55.51 60.69 1.27
2 36 110 75.36 39.78 60.22 61.72 1.71
3 27.25 113 50.5 60.79 39.20 40.00 1.45
a b c
Figura 2.3 Cloruro de calcio sólido obtenido para cada ensayo estudiado.
a) Con CaCO3, b) Con Ca(OH)2, c) Con CaO
2.1.3 Análisis de resultados.
Como resultado final, se obtiene el cloruro de calcio sólido para cada ensayo
estudiado. Se puede observar, como para los ensayos a) y b) los cristales de CaCl2
sólido adquieren una coloración blanca, sin embargo, para el ensayo 3, los cristales
de CaCl2 se obtienen de color amarillo, en consecuencia, con el líquido obtenido y
al contenido de óxido de hierro en la materia prima, CaO.
Del estudio experimental se puede concluir que, es posible la obtención del cloruro
de calcio líquido y sólido a partir de diferentes materias primas como son, carbonato
de calcio, hidróxido de calcio (cal apagada) y óxido de calcio (cal viva).
Es importante en el estudio, velar por las condiciones de seguridad y protección ya
que se manipulan productos químicos agresivos y tóxicos. (Ver Anexos ficha de
seguridad de los productos).
Capítulo 2: Materiales y métodos de análisis.
36
2.2. Simulación de la etapa de reacción química mediante el Aspen Plus.
Para continuar con el estudio del proceso de obtención de cloruro de calcio, se
procede a la simulación de la etapa de reacción con ayuda del software Aspen Plus,
toda vez que permite el análisis del comportamiento del proceso y la determinación
de los balances de masa y energía.
2.2.1 Consideraciones para la simulación.
Para la simulación, se tienen en cuenta, todas las condiciones iniciales y resultados
obtenidos en el estudio experimental del proceso de obtención de CaCl2 para cada
ensayo o variante analizada.
Tabla 2.4 Modelo seleccionado para cada ensayo.
Se selecciona el modelo termodinámico Peng-Robinson, el cual se rige por la
siguiente ecuación:
𝑃 =𝑅𝑇
𝑉𝑚−𝑏−
𝑎𝛼
𝑉𝑚2 +2𝑏𝑉𝑚−𝑏2)
Donde ω es el factor acéntrico del compuesto.
R = constante de los gases (8,31451 J/mol·K)
𝑎 =0,45723553𝑅2𝑇𝑐
2
𝑃𝑐 𝑇𝑟 =
𝑇
𝑇𝑐
𝑏 =0,07779607𝑅𝑇𝑐
2
𝑃𝑐
𝛼 = (1 + (0,37464 + 1,54226𝜔 − 0,26992𝜔2)(1 − 𝑇𝑟0,5))2
Generalmente la ecuación de Peng-Robinson da unos resultados similares a la de
Soave, aunque es bastante mejor para predecir las densidades de muchos
compuestos en fase líquida, especialmente los apolares.
2.2.2 Validación de los modelos.
Una forma de validar los modelos obtenidos para cada ensayo es mediante la
comparación de la relación de CaCl2 sólido obtenido por materia prima inicial solida
Etapa Modelo Descripción
Reacción RSTOIC Simula las reacciones entre el ácido clorhídrico y las
materias primas sólidas.
Capítulo 2: Materiales y métodos de análisis.
37
alimentada, así como mediante la comparación de la entalpía y calor absorbido,
obtenida por los cálculos y el modelo.
Variante 1
Figura 2.4 Modelo de reactor para la variante 1.
Tabla 2.5 Validación del modelo para la variante 1
Variables Experimental Modelo Error
ΔHr (cal/s) -5461.23 -5151.71 -0.0566
Rel gcaCl2/g CaCO3 1.27 1.11 0.16
Los valores muestran poca diferencia al comparar los resultados experimentales
contra la simulación, lo cual corrobora la significación del modelo seleccionado.
Variante 2
Figura 2.5 Modelo de reactor para la variante 2.
Tabla 2.6 Validación del modelo para la variante 2
Variables Experimental Modelo Error
ΔHr (cal/s) -4708.044 -4615.906 -0.0196
Capítulo 2: Materiales y métodos de análisis.
38
Rel gcaCl2/g Ca(OH)2 1.71 1.495 0.215
Los valores muestran poca diferencia significativa, lo cual corrobora la significación
del modelo seleccionado.
Variante 3
Figura 2.6 Modelo de reactor para la variante 3.
Tabla 2.7 Validación del modelo para la variante 3
Variables Experimental Modelo Error
ΔHr (kcal/h -3340.569 -3389.728 -0.0145
Rel gcaCl2/g CaO 1.45 1.97 0.52
Los valores responden significativamente al compararlos, lo cual corrobora la
significación del modelo seleccionado.
2.3 Aplicación de los modelos.
A continuación, se muestran los resultados obtenidos del simulador de los balances
de masa y energía, totales y en cada corriente por componentes presentes en el
sistema para las tres variantes de estudio.
Balances de masa y energía. Variante 1
Tabla 2.8 Balances totales de masa y energía para la variante 1
Total Unidad Entrada Salida Rel. dif
Flujo molar kmol/hr 0.191038 0.191038 1.45E-16
Flujo másico kg/hr 10.6019 10.6019 -1.68E-16
Entalpía cal/sec -5461.23 -5151.71 -0.05668
Capítulo 2: Materiales y métodos de análisis.
39
Tabla 2.9 Balances de masa y energía por componentes para la variante1
CACO3 HCL PRODUCT
Flujo masa kg/hr
CACO3 2.8602 0 0
CACL2 0 0 3.171582
HCL 0 4.881497 2.79762
H2O 0 0 0.514824
CO2 0 0 1.257672
Fracción masa
CACO3 1 0 0
CACL2 0 0 0.409675
HCL 0 1 0.36137
H2O 0 0 0.0665
CO2 0 0 0.162454
Flujo total kmol/hr 0.028577 0.133884 0.162461
Flujo total kg/hr 2.8602 4.881497 7.741697
Flujo total l/min 0.017568 0.105 75.12595
Temperatura C 30 30 140
Presión bar 1.01325 1.01325 1.01325
Vapor Frac 0 0 0.818498
Liquid Frac 0 1 0.181502
Solid Frac 1 0 0
Entalpía cal/mol -288280 -23783.2 -63857.4
Entalpía cal/gm -2880.26 -652.298 -1340.06
Entalpía cal/sec -2288.37 -884.497 -2881.76
Entropía cal/mol-K -62.582 -10.555 0.382422
Entropía cal/gm-K -0.62528 -0.28949 0.008025
Corriente: $TOTAL
Flujo total kg/hr 5.7204 4.881497 10.6019
Entalpía cal/sec -
4576.74 -884.497 -
5151.71
Balances de masa y energía. Variante 2
Tabla 2.10 Balances totales de masa y energía para la variante 2
Total Unidad Entrada Salida Rel. diff
Flujo molar kmol/hr 0.19218938 0.19218938 0
Flujo másico kg/hr 9.2014973 9.2014973 0
Capítulo 2: Materiales y métodos de análisis.
40
Entalpía cal/sec 4708.04403 4615.90698 0.01957013
Tabla 2.11 Balances de masa y energía por componentes para la variante 2
CAOH2 HCL PRODUCTO
Flujo masa kg/hr
HCL 0 4.881497 2.755647
CACL2 0 0 3.235463
H2O 0 0 1.050387
CA(OH)2 2.16 0 0
Fracción masa
HCL 0 1 0.3913439
CACL2 0 0 0.4594851
H2O 0 0 0.149171
CA(OH)2 1 0 0
Flujo total kmol/hr 0.0291526 0.133884 0.1630367
Flujo total kg/hr 2.16 4.881497 7.041497
Flujo total l/min 0.0155424 0.105 74.52663
Temperatura C 30 30 140
Presión bar 1.01325 1.01325 1.01325
Vapor Frac 0 0 0.8098743
Liquid Frac 0 1 0.1901257
Solid Frac 1 0 0
Entalpía cal/mol -235420 -23783.19 -58153.16
Entalpía cal/gm -3177.324 -652.2976 -1346.461
Entalpía cal/sec -1906.395 -884.4969 -2633.639
Entropía cal/mol-K -69.88529 -10.55497 -2.383423
Entropía cal/gm-K -0.9432145 -0.2894893 -0.055185
Corriente: $TOTAL
Flujo total kg/hr 4.32 4.881497 9.201497
Entalpía cal/sec -3812.789 -884.4969 -4519.75
Balances de masa y energía. Variante 3
Tabla 2.12 Balances totales de masa y energía para la variante 3
Total Unidad Entrada Salida Rel. diff
Flujo molar kmol/hr 0.192196288 0.16304016 -0.02915613
Flujo másico kg/hr 8.1514973 8.1514973 -2.18E-16
Entalpía cal/sec -3340.56944 -3389.72857 0.01450238
Capítulo 2: Materiales y métodos de análisis.
41
Tabla 2.13 Balances de masa y energía por componentes para la variante 3
CAO HCL PRODUCTO
Flujo masa kg/hr
CAO 1.635 0 0
HCL 0 4.881497 2.755395
CACL2 0 0 3.235847
H2O 0 0 0.5252559
Fracción masa
CAO 1 0 0
HCL 0 1 0.4228337
CACL2 0 0 0.4965622
H2O 0 0 0.080604
Flujo total kmol/hr 0.0291561 0.133884 0.133884
Flujo total kg/hr 1.635 4.881497 6.516497
Flujo total l/min 0.00826351 0.105 58.52325
Temperatura C 30 30 140
Presión bar 1.01325 1.01325 1.01325
Vapor Frac 0 0 0.773343
Liquid Frac 0 1 0.226657
Solid Frac 1 0 0
Entalpía cal/mol -151630 -23783.19 -58409.67
Entalpía cal/gm -2703.933 -652.2976 -1200.05
Entalpía cal/sec -1228.036 -884.4969 -2172.256
Entropía cal/mol-K -25.12034 -10.55497 -1.534731
Entropía cal/gm-K -0.4479583 -0.2894893 -0.0315316
Corriente: $TOTAL
Flujo total kg/hr 3.27 4.881497 8.151497
Entalpía cal/sec -2456.072 -884.4969 -3389.729
2.3.1 Análisis de sensibilidad de los modelos.
Para poder realizar análisis posteriores en el escalado del proceso, se realiza un
análisis de sensibilidad considerando variaciones en los flujos de las materias
primas carbonato de calcio, hidróxido de calcio y óxido de calcio, las cuales
representan las sustancias limitantes en las reacciones para variante en específico,
y el flujo de entrada de ácido clorhídrico. Como variable de salida, se analiza el
comportamiento del flujo de cloruro de calcio solido obtenido [ro cada variante
estudiada. Las variaciones se muestran a continuación en la tabla 2.14.
Capítulo 2: Materiales y métodos de análisis.
42
Tabla 2.14 Variaciones en los flujos de entrada.
Variantes Variables Inferior Superior
Variante 1
F CaCO3 (kg/h) 20 50
FHCl (L/h) 41.93 104.83
Variante 2
F Ca(OH)2(kg/h) 20 50
FHCl (L/h) 41.09 138.80
Variante 3
F CaO (kg/h) 20 50
FHCl (L/h) 73.36 183.42
Variante 1
Tabla 2.15 Comportamiento del flujo de CaCl2 para la variante 1
Casos FCaCO3
KG/HR
Flujo HCl
L/H
FCACL2
KG/HR
1 20 41.93 22.177
2 27.5 57.655 30.493
3 35 73.38 38.810
4 42.5 89.105 47.126
5 50 104.83 55.443
Variante 2
Tabla 2.16 Comportamiento del flujo de CaCl2 para la variante 2
Casos FCa(OH)2
KG/HR
Flujo
HCl
L/HR
FCACL2
KG/HR
1 20 41.085 29.957
2 27.5 65.51375 41.192
3 35 89.9425 52.426
4 42.5 114.3713 63.660
5 50 138.8 74.894
Capítulo 2: Materiales y métodos de análisis.
43
Variante 3
Tabla 2.17 Comportamiento del flujo de CaCl2 para la variante 3
Casos FCaO
KG/HR
Flujo HCl
L/HR
FCACL2
KG/HR
1 20 73.36 39.582
2 27.5 100.875 54.425
3 35 128.39 69.268
4 42.5 155.905 84.112
5 50 183.42 98.955
A continuación, en la figura 2.7 se puede observar el comportamiento del flujo de
salida de CaCl2 contra el flujo de materia prima sólida alimentada, así como los
modelos de ajuste de cada curva de análisis. Se obtienen mayores flujos de CaCl2
cuando se utiliza como materia prima el CaO, luego en orden decreciente, el
Ca(OH)2 y el CaCO3, para igual flujo de entrada
Figura 2.7 Comportamiento del flujo de CaCl2 vs variantes analizadas.
y = 1,1089x + 7E-08R² = 1
y = 1,4979x - 3E-06R² = 1
y = 1,9791x - 1E-06R² = 1
0
20
40
60
80
100
120
10 20 30 40 50 60 70
FCaCL2kg/h
Fentradakg/h
con CaO
con Ca(OH)2
con CaCO3
Capítulo 2: Materiales y métodos de análisis.
44
Si bien los mejores resultados de rendimiento de la simulación se obtienen cuando
se utiliza el CaO (cal viva), es importante recordar que, para las condiciones
experimentales, el (ensayo 3) fue el del CaCl2 sólido de color amarillo a diferencia
de los otros ensayos que dieron coloración blanca.
Por supuesto, que esto depende mucho de la calidad de la materia prima y la
disponibilidad de la misma, siendo para estos análisis, más factible la cal viva (CaO)
y apagada (Ca(OH)2), por encima del carbonato de calcio, toda vez que viene de la
piedra caliza y se obtiene directamente de las canteras.
Sin embargo, se pueden valorar los rendimientos obtenidos cuando se utiliza el
Ca(OH)2 (cal apagada) los cuales responden a resultados satisfactorios de
rendimiento, por encima del CaCO3 y brinda los mejores resultados experimentales,
para una relación de 1.71 g de caCl2 obtenido/g de Ca(OH)2 inicial.
Capítulo3: Evaluación económica de las alternativas.
45
CAPITULO 3.
Evaluación económica de las alternativas
3.1 Propuesta de alternativas tecnológicas para la producción de cloruro de
calcio.
Partiendo de los resultados obtenidos en el capítulo anterior, se realiza la propuesta
de las alternativas tecnológicas para la obtención de cloruro de calcio a partir de
CaO (cal viva) y Ca(OH)2 apagada.
Las propuestas siguen el diagrama de flujo del proceso según el esquema mostrado
en la figura 3.1. Para el proceso se proponen como equipos tecnológicos, la
utilización de una tolva dosificadora, un reactor tanque agitado, un evaporador
simple efecto y una torre de perlado para la formación de los cristales de cloruro de
calcio.
Se considera utilizar el ácido clorhídrico disponible sin utilización en la empresa y
que se trabaje 8 horas al día.
Alternativa 1. Obtención de CaCl2 a partir de Ca(OH)2
Alternativa 2. Obtención de CaCl2 a partir de CaO
Figura 3.1 Esquema del proceso de producción de CaCl2 granular.
Capítulo3: Evaluación económica de las alternativas.
46
Leyenda de equipos: 1. tanque de HCl, 2. bomba de HCl, 3. tolva dosificadora, 4
Reactor, 5 evaporador, 6 torre de perlado, 7 banda de transportación.
Tabla 3.1 Capacidades de producción a considerar para cada alternativa
Flujos Alternativa 1 Alternativa 2
Consumo de materia prima inicial (kg/h) 50 50
Consumo de materia prima inicial (kg/d) 400 400
Consumo de HCl (L/h) 138,8 183,42
Consumo de HCl (L/d) 838,64 1110,4
Producción de CaCl2 (kg/h) 74,89 98,95
Producción de CaCl2 (kg/d) 599,12 791,6
3.2 Diseño de los equipos principales del proceso.
3.2.1. Diseño de la tolva dosificadora.
Suponiendo una capacidad de la tolva de 100 kg se tiene que:
Volumen de la tolva
Capacidad tolva= Vútil x Densidad mp
Vútil = Vtolva x 0,7
Siendo:
Vútil: volumen útil de la tolva (m3), Vtolva: volumen de la tolva (m3); Densidad mp:
densidad de la materia prima 3300 (kg/m3).
Vútil = 100 kg/3300 kg/m3 = 0,03 m3
Vtolva = 0,043 m3
3.2.2. Diseño del reactor.
El reactor seleccionado es un reactor tanque agitado. Para realizar el escalado del
reactor se emplea una combinación de criterios de escalado:
- similitud geométrica, (𝐻𝑅
𝐷𝑅)
𝑚𝑜𝑑𝑒𝑙𝑜= (
𝐻𝑅
𝐷𝑅)
𝑝𝑟𝑜𝑡𝑜𝑡𝑖𝑝𝑜 ,
- similitud química por tratarse de los mismos fluidos y materiales en las mismas
condiciones, siguiendo los criterios referidos por (Rodríguez, I., Blázquez, G.,
2010).
Capítulo3: Evaluación económica de las alternativas.
47
Las características del agitador se toman a partir de los criterios de (Rosabal, J.M.,
Valle, M., 2006) (Rosabal, J.M., Garcell, L., 2006).
Para el reactor, se selecciona como material de construcción, el acero inoxidable
AISI 304 por su alta resistencia a la corrosión. A continuación, se describen los
cálculos ingenieriles para el diseño del reactor. Figura 3.2.
Figura 3.2 Relación de datos del diseño del reactor
Criterio de similitud geométrica.
Datos del reactor de laboratorio:
Vreactor lab= 300 ml
H =11,7 cm
D = 9,3 cm
( H/D ) lab = 1,26
Considerando un Vreactor = 600 L
𝑽 𝒓𝒆𝒂𝒄𝒕𝒐𝒓 = 𝝅 𝒓𝟐𝒉
𝑽 𝒓𝒆𝒂𝒄𝒕𝒐𝒓 = 𝝅 𝒅𝟐
𝟒𝟏, 𝟐𝒅
Despejando el diámetro se tiene: Dt reactor = 0,86 m
Por tanto, para ( H/D ) ind = 1,26
H = 1,26 x 0,86 m
H reactor = 1,08 m
Capítulo3: Evaluación económica de las alternativas.
48
Criterios de selección del agitador (Kasatkin, A.G., 1981):
Se selecciona agitador de paleta, tipo 1, α =90º
d = (0,66-0,99) D
d = 0.825 x D
d = 0,71 m
3.2.2 Diseño del sistema de evaporación.
Se considera un evaporador de simple efecto. Para ello se determina mediante
balance de masa y energía, el flujo de vapor necesario para la etapa de
evaporación.
Para el cálculo se consideran los resultados obtenidos experimentalmente en
cuanto a las composiciones de la solución antes y después de la
evaporación(Treybal, 1977).
Figura 3.3 Esquema del sistema de evaporación.
Balance de energía
Qg + nQc = 0
Qg= M1 cp (T110ºc-Ti) + E ƛv1atm
Qc = Mv * ƛv1atm
siendo:
Qg- calor ganado por la solución
Qc- calor cedido por el vapor
n-eficiencia. Suponiendo un 90 %.
M1- masa de la solución producto de la reacción (kg);
M2-masa de solución concentrada (kg)
Capítulo3: Evaluación económica de las alternativas.
49
E-agua evaporada (kg)
Ti – Tfinal producto reacción
Datos: ƛv1atm = 2257,51 kJ/kg; CpCaCl2 tfinal = 0,34 kcal/kgC
Balance de masa.
Balance Total: M1 = E + M2
Balance Parcial: M1*X1 = M2 * X2
Siendo: X1CaCl2 inicio = 35%; X2 CaCl2 salida = 75%
Base de cálculo: 1 hora
Resultados
M1 174 kg
M2 81,2 kg
E 92,8 kg
Qg 6182,22 kJ
QC 6869,13 kJ
Mv 3,04 kg
3.2.3 Diseño de la torre de perlado.
Se utiliza una torre granuladora o torre de perlado para formar los gránulos de
cloruro de calcio concentrado. Al no tener criterios reales para el diseño la torre para
este tipo de proceso, se consideran datos operacionales de referencia de la
industria de fertilizantes, siendo uno de los equipos fundamentales a la salida del
proceso. Para ello se asumen los siguientes parámetros, tal y como se describen a
continuación en la tabla 3.2.
Tabla 3.2 Condiciones de trabajo
Cloruro de Calcio
Flujo (Kg/h) 81,2
Temperatura de ingreso (°C) 140,00
Presión (atm) 1
Densidad (kg/m3) 1254,71
Capítulo3: Evaluación económica de las alternativas.
50
Calor esp. del sólido (kJ/kg.°C) 1,78
Calor esp. del líquido(kJ/kg.°C) 2,58
Calor de Solidificación (kJ/kg) 73,22
Aire
Flujo (Kg/h) 670
Temperatura de ingreso(°C) 25,00
Presión (atm) 1
Densidad (kg/m3) 1,18
Calor específico (kJ/kg.°C) 1,01
Viscosidad dinámica (kg/m2.s) 1,85E-
05 Conductividad térmica
(W/m.°C)
0,0262
4
La velocidad de ascensión del aire normalmente está comprendida entre 0,6 m/s y
0,8 m/s, para evitar arrastre excesivo de partículas. Para este diseño se asume 0,8
m/s.
Cálculo del caudal de aire (m3/h)
Qv = Qm x Densidad aire
Qv = 670 kg/1,18 kg/m3
Qv = 565,2 m3/h
Cálculo de la sección transversal de la torre
S = Qv/ va
Siendo:
S: área de la sección transversal (m2)
Qv: caudal de aire volumétrico (m3/h)
va: velocidad de ascensión del aire (m/s)
S = 565,2 m3/h x 0,8 m/s = 0,196 m2
D = √4 𝑆/𝜋
D = 0,5 m
Determinación de la altura de la torre.
𝐻 = 𝑣𝑝 ∗ 𝑡
Capítulo3: Evaluación económica de las alternativas.
51
Donde:
H: Altura de la torre (m)
vp: Velocidad del prill (m/s)
t: tiempo de residencia (s)
Asumiendo una velocidad del prill de 3 m/s y 1,10 s de tiempo de residencia, se
obtiene una altura de 3,3 m. en este caso se considera adicionar 0.5 m para los
spray, por tanto la altura total es de 3,8 m.(Rosabal, 2006).
3.3. Evaluación económica del proceso de producción de CaCl2 según las
alternativas tecnológicas.
Para la evaluación económica preliminar se tuvo en cuenta, solo la planta piloto de
obtención de CaCl2 para las capacidades analizadas.
En la tabla 3.3 se toman como referencia las capacidades reales de producción y
los precios de los productos actuales en la empresa
Tabla 3.3 Capacidades de producción y precios.
Productos Producciones Producciones Precio $/t
NaOH 50% 80 t/día 26400 t/año 466,798
Cl2 (l) 21,3 t/día 7029 t/año 812,827
HCl( l) 32% 45 t/día 14850 t/año 275,23
NaClO 13% 80 t/día 26400 t/año 229,39
Al2(SO4)3 40 t/día 5000 t/año 482,188
Considerando que las producciones fijas destinadas para la Empresa de acueducto
son de:
Cloro para acueductos: 5000-5400 t/año =15,6 t/día
Hipoclorito de sodio: 18000-1900 t/año = 56 t/día,
Se puede obtener una disponibilidad de ácido clorhídrico al 32% de 5000 t/año, lo
que representa 15 t/día para otras futuras producciones.
Costo de los principales equipos
El estimado del costo total de la inversión de la planta propuesta se realizó sobre la
base del costo total del equipamiento. Para ello se estimaron los aspectos que
inciden en la Inversión fija y la inversión de trabajo. A continuación, en la tabla 3.4
y 3.5 se desglosan todos los costos totales.
Capítulo3: Evaluación económica de las alternativas.
52
Tabla 3.4 Costo de adquisición de los equipos.
Equipos Cantidad Costo($)
Tolva dosificadora 1 1068,101
Reactor 1 32287,123
Vaporizador 1 9686,137
Torre de perlado 1 10762,37
total 53803,735
Tabla 3.5 Elementos del Costo de Inversión.
Elementos del Costo de Inversión Costo ($)
Costos directos (CD)
Costo del Equipamiento 53803,735
Instalación del Equipamiento 20983,457
Instrumentación y Controles (Instalado) 13988,971
Tuberías (Instaladas) 16679,158
Sistemas Eléctricos (instalados) 5380,374
Costos totales directos 110835,695
Costos Indirectos (CI)
Ingeniería y Supervisión 17217,195
Costos totales indirectos
Inversión fija (If) = CD + CI 128052,890
Inversión de trabajo (Itrab) 40352,802
Costo total de inversión
168405,692
Capítulo3: Evaluación económica de las alternativas.
53
Considerando el costo de la cal viva y apagada en el orden de los 364 $/ ton, según
indicadores del grupo Azcuba, y un precio de venta del cloruro de calcio de 500 $/t,
se calculan los indicadores de prefactibilidad para las dos alternativas evaluadas.
Tabla 3.6: Indicadores de pre factibilidad económica para las alternativas.
Según la tabla 3.6 los resultados económicos preliminares no son favorables, lo cual
indica que no es rentable el proceso de obtención de cloruro de calcio para las dos
alternativas estudiadas al considerar las capacidades de producción estudiadas.
Cuando se analiza, el incremento de la capacidad de producción hasta los valores
máximos de capacidad que permite aceptar el diseño de los equipos, de manera
que no varíe el costo de inversión, se obtienen indicadores de costo negativo.
Por lo que un análisis futuro de factibilidad económica conlleva a un análisis de
capacidades de producción y costos inversiones que permitan incrementar la
rentabilidad del proceso.
Costos e Indicadores Alternativa 1 Alternativa 2
Ingreso por venta de CaCl2(CUC) 89820,00 118740,00
Costo total de producción (CUC) 303811,033 303811,033
Ganancia (CUC) -213991,033
-185071,033
Conclusiones
54
Conclusiones
1. La asimilación de las tecnologías de obtención de cloruro de calcio permite
aprovechar las capacidades productivas y la introducción de nuevos
productos derivados del cloro en la empresa Electroquímica de Sagua
2. De la evaluación experimental de las alternativas de obtención de cloruro de
calcio a partir de diferentes materias primas, como el CaCO3, Ca(OH)2 (cal
apagada) y CaO (cal viva), se obtiene que la calidad de la materia prima y la
disponibilidad de la misma, influye directamente en el producto final.
3. Los estudios experimentales brindan resultados favorables de rendimiento de
g de caCl2 obtenido/g mpi, siendo los mejores valores para cuando se utiliza
la cal apagada.
4. La simulación de las alternativas de obtención de cloruro de calcio permitió
un estudio de la etapa de reacción química, con la determinación de los
balances de masa y energía, así como la sensibilidad de las principales
materias primas.
5. Los modelos obtenidos mediante la simulación para cada variante estudiada,
fueron validados y responden significativamente el comportamiento del
sistema, por lo que pueden ser utilizados para estudios posteriores.
6. Los resultados económicos preliminares no son favorables, lo cual indica que
no es rentable el proceso de obtención de cloruro de calcio para las dos
alternativas estudiadas al considerar las capacidades de producción
estudiadas.
Recomendaciones:
55
Recomendaciones
1. Que se consideren los resultados del trabajo en los estudios de prospectiva
de diversificación de la industria del cloro en la región central.
2. Que se continúen los estudios y análisis de para la factibilidad económica del
proceso.
Bibliografía.
56
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Anexos.
Anexos
Anexo 1: Propiedades del ácido clorhídrico.
Conc. (m/m)
kg HCl/kg
Conc. (m/v)
kg
HCl/m3
Densid
ad
ρ: kg/L
Molarid
ad
M
pH
Viscosid
ad
η : mPa·s
Calor
específi
co
kJ/(kg·K)
Presi
ón de
vapor
PHCl :
Pa
Punto
de
ebullici
ón b.p.
Punt
o de
fusió
n
m.p. 10%
104,80
1,048 2,87 M -0,5
1,16 3,47
0,527 103 °C -18 °C
20%
219,60
1,098 6,02 M -0,8
1,37 2,99
27,3 108 °C -59 °C
30%
344,70
1,149 9,45 M -1,0
1,70 2,60
1.410 90 °C -52 °C
32%
370,88
1,159 10,17
M -1,0
1,80 2,55
3.130 84 °C -43 °C
34%
397,46
1,169 10,90
M -1,0
1,90 2,50
6.733 71 °C -36 °C
36%
424,44
1,179 11,64
M -1,1
1,99 2,46
14.100
61 °C -30 °C
38%
451,82
1,189 12,39
M -1,1
2,10 2,43
28.000
48 °C -26 °C
Anexos.
Anexo 2: Ficha de seguridad del cloruro de calcio líquido.
Anexos.
Anexo 3: Ficha de seguridad del cloruro de calcio en escamas.
Anexos.
Anexo 4: Costo de la columna.
Anexo 5: Costo de reactores.
Anexos.
Anexo 6: Costo de evaporadores.