REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA

UNIVERSIDAD RAFAEL URDANETA

FACULTAD DE INGENIERÍA

ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA

VENEZOLANA DE CLORO

VENCLORO C.A.

INGENIERÍA CONCEPTUAL DE UNA PLANTA DE CLORO-SODA PARA LA EMPRESA VENCLORO C.A.

Trabajo Especial de Grado presentado para optar al titulo de

Ingeniero Químico

Autores:

Br. Enner G. Herrera A.

CI. 15.726.012

Br. José C. Núñez V.

C.I. 14.278.207

Maracaibo, Diciembre 2004

DERECHOS RESERVADOS

REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA

ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA

UNIVERSIDAD RAFAEL URDANETA

FACULTAD DE INGENIERÍA

INGENIERÍA CONCEPTUAL DE UNA PLANTA DE CLORO-SODA PARA

Trabajo Especial de Grado presentado para optar al titulo de Ingeniero

Presentado por:

____________________ __________________

Maracaibo, Diciembre 2004

REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA

LA EMPRESA VENCLORO C.A.

Químico

Br. Enner G. Herrera A. Br José C. Núñez V.

CI. 15.726.012 C.I. 14.278.207

DERECHOS RESERVADOS

UNIVERSIDAD RAFAEL URDANETA

FACULTAD DE INGENIERÍA

ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA

INGENIERÍA CONCEPTUAL DE UNA PLANTA DE CLORO-SODA PARA

Trabajo Especial de Grado presentado para optar al titulo de Ingeniero

Tutor Académico:

Ing

Tutor Industrial:

Ing. Arnaldo Parra

Maracaibo, Diciembre 2004

LA EMPRESA VENCLORO C.A.

Químico

. Humberto Martínez

3.112.555

DERECHOS RESERVADOS

INGENIERÍA CONCEPTUAL DE UNA PLANTA DE CLORO-SODA PARA

LA EMPRESA VENCLORO C.A.

DERECHOS RESERVADOS

ESTE JURADO APRUEBA EL TRABAJO ESPECIAL DE GRADO

___________________

Tutor Académico:

_________________ __________________

Director de la Escuela de Ingeniería Química

___________________

Decano de la Facultad de Ingeniería

Maracaibo, Diciembre 2004

“INGENIERÍA CONCEPTUAL DE UNA PLANTA DE CLORO-SODA PARA LA EMPRESA VENCLORO C.A.” PRESENTADO POR LOS BACHILLERES:

HERRERA AGUIRRE, ENNER GANCELVIC Y NÚÑEZ VILLAVICENCIO,

JOSÉ CLEMENTE, PARA OPTAR AL TITULO DE INGENIERO QUÍMICO.

FACULTAD DE INGENIERÍA. ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA.

UNIVERSIDAD RAFAEL URDANETA

Ing. Humberto Martínez

C.I. 3.112.555

Ing. Oscar Urdaneta Ing. Herinarco Luzardo

C.I. 4.520.200 C.I. 10.448.127

JURADO JURADO

_____________________

Ing. Oscar Urdaneta

C.I. 4.520.200

Ing. José Bohórquez

3.379.454

DERECHOS RESERVADOS

DEDICATORIA

A Dios, en primer lugar porque sin el no es posible nada en este

mundo

A mis apoyos fundamentales mis padres: Anselmo, y Gledis ya que

A mis hermanos Victoria, Gamneris, Hengher, que han sido cañón de

A mi tía Almida y Meris, personas hermosas, gracias por quererme

Hoy día he querido dirigirle este triunfo a alguien muy especial, a una

A mi persona. Con fuerza de voluntad todo es posible, por no

detene

Enner G. Herrera A.

; por darme alegría, paz, fuerza y voluntad cuando la necesité para

salir adelante.

con su ayuda y los consejos arduos de ustedes he alcanzado todo en la vida

cuanto me propongo.

lucha incondicional junto conmigo en esta batalla ilustre que para ser

alguien en la vida.

tanto y apoyarme en las situaciones prosperas y adversas sus palabras y

consejo siempre han sido de gran ayuda.

persona que en vida me dio mucha felicidad, alegría apoyo incondicional y

sabiduría me dijo con carácter lo bueno y lo malo para ser una gran persona

de bien. Este triunfo es para mi abuela Marta Sabina que pase lo que pase

siempre la boy a llevar en mi corazón, que donde quiera que este esto es

para ella gracias abuela.

rme y seguir adelante

DERECHOS RESERVADOS

Dedicatoria

Ante todo, dedico este tra odo Poderoso, por darme vida,

A mi madre Jo Alice Villavicencio, quien siempre ha querido lo mejor

para m

mi abuelo Manuel Villavicencio, siempre por aconsejarme

oportu

mi abuela Lucy de Villavicencio, por cuidarme y siempre trabajar por

nosotr

mi hermano Manuel Núñez, por su ayuda en los momentos de

neces

todos mis familiares que en algún momento me dieron fuerzas para

llegar

José Clemente Núñez Villavicencio

bajo a Dios T

salud, fuerza, valor y entereza para cumplir con este sueño tan anhelado.

i, por trabajar y sacrificar tanto para darme educación para salir

adelante. Por aconsejarme y reprenderme cuando lo he merecido. Gracias

por cuidarme y demostrar tanto amor, esto es todo para ti.

A

namente para ser un hombre de bien, por su apoyo y ayuda cuando

los he necesitado. Esto también es para ti

A

os, dándonos ejemplo de lo que es una mujer fuerte y trabajadora.

A

idad, por su constancia y fraternidad.

A

hasta aquí.

DERECHOS RESERVADOS

Agradec

A Dios por ser mi guía mi luz y mi amigo incondicional para siempre en

Quiero agradecer a la universidad Rafael Urdaneta por la oportunidad

A mi tutor académico, Humberto Martínez ya que gracias a su apoyo se

Agradezco a mis padres, por apoyarme siempre por su consejo hacia

A mi familia, que siempre han estado conmigo, a mis hermanos, siempre

A mi compañero y amigo José Clemente, gracias con quien aprendí a

Finalmente, a todas las persona que de una manera u otra me

apoya

Enner G. Herrera A

imientos

todas mis luchas.

invaluable de alcanzar un objetivo anhelado en mi vida.

ha a podido consagrar este objetivo.

mi cuando me sentía vulnerable a las adversidades ellos siempre supieron

aconsejarme.

supimos salir adelante frente a toda situación adversa.

trabajar en equipo para sacar adelante un proyecto.

ron para ser realidad todo esto a lo largo de mi carrera.

DERECHOS RESERVADOS

Agradec

A la Universidad Rafae mi casa de estudio y centro

de for

A mi tutor académico profesor Humberto Martínez, quien sirvió de guía

A la empresa VENCLORO C.A., por confiar en nosotros aún sin

A mi padre José Clemente, por aconsejarme para bien, por él empecé

esta c

mi novia Maggie León, por darme fuerza y apoyo en los momentos

mas d

mis amigos y compañeros, Leonidas Athanasopoulos, Enrique

Viñas

A mi compañero en este trabajo Enner Herrera, con quien logré

Al profesor Ignacio Rodón, por ser fuente de inspiración profesional,

por su

inalmente, a todos los que contribuyeron de una forma u otra, dando

inform

RACIAS A TODOS USTEDES, HOY LO LOGRÉ!

imientos

l Urdaneta, por ser

mación profesional, por contar con profesores de alta calidad y

capacidad para transmitir sus conocimientos en la carrera.

y respondió a todas mis dudas con información valiosa y muy oportuna.

conocernos.

arrera que hoy estoy finiquitando.

A

uros de la carrera, por ser tan comprensiva y cariñosa, gracias.

A

y Nelson González, por su apoyo, sincera amistad y solidaridad.

engranar perfectamente para llevar a cabo este trabajo.

rectitud y por tratar de motivarnos a aprender cada día más.

F

ación, recomendaciones y ayuda para avanzar en esta labor.

G

DERECHOS RESERVADOS

HERRERA A., Enner G. y NÚÑEZ V., José C. “INGENIERÍA CONCEPTUAL

DE UNA PLANTA DE CLORO-SODA PARA LA EMPRESA VENCLORO

C.A.”, Maracaibo. Universidad Rafael Urdaneta, Facultad de IngenieríaEscuela de Ingeniería Química, 2.004

,

RESUMEN Este trabajo consiste en desarro iería Conceptual de una planta

ocedió calcular los requerimientos de materia prima e insumos

neces

alabras clave: salmuera saturada ultrapura, electrólisis, dureza, cloro

llar la Ingen

de cloro-soda para la empresa VENCLORO C.A., con la finalidad de

proporcionar a dicha empresa la capacidad para procesar materia prima, en

este caso cloruro de sodio para convertirla en cloro gas e hidróxido de sodio,

compuestos que luego serán incorporados a otro proceso ya existente en la

empresa para producir hipoclorito de sodio. Para ello se seleccionó el

proceso de producción más adecuado desde el punto de vista técnico-

económico. La implementación de la tecnología de celdas de membrana para

producción de cloro-soda es el proceso mas seguro, con menor impacto

ambiental, en este caso la empresa ELTECH es el proveedor de esta

tecnología.

Se pr

arios para el normal funcionamiento de la planta, se dimensionaron los

equipos que interviene en el proceso, se definió la ubicación física de cada

uno de los equipos dentro de los terrenos de la empresa y por ultimo se

realizó el cálculo del monto de inversión requerido para la planta. Como

resultado, se determinó que el monto de inversión requerido es de

Bs. 2.925. 500. 000, oo Pgas, soda cáustica, celdas electrolíticas.

DERECHOS RESERVADOS

ÍNDICE GENERAL

PORTADA I APROBACIÓN V DEDICATORIA VI AGRADECIMIENTOS VIII RESUMEN X ÍNDICE GENERAL XI ÍNDICE DE FIGURAS XVII INTRODUCCIÓN IX CAPITULO I: EL PROBLEMA 1.1 Planteamiento del Problema 22

1.2 Formulación del Problema 23

1.3 Justificación 23

1.4 Objetivos

Objetivo General 24

Objetivos Específicos 24

1.5 Delimitación

Espacial 25

Temporal 26 CAPITULO II: MARCO TEÓRICO 2.1 Antecedentes 27

2.2 Base teóricas 27

2.2.1 Producto de la electrolisis 28

2.2.1.1 El cloro 28

2.2.1.2 El hidróxido de sodio 28

2.2.1.3 El hidrógeno 28

DERECHOS RESERVADOS

2.2.2 Tecnologías para la obtención de cloro

y soda cáustica 29

2.2.2.1 Proceso de cloro soda en celda de

Mercurio 30

2.2.2.2 Proceso de cloro soda en celda de

Diafragma 33

2.2.2.3 Proceso de cloro soda en celda de

Membrana 35

2.2.3 Saturación de la salmuera y tratamiento primario 39

2.2.3.1 Adición de Químico 40

2.2.3.2 Clarificación de la salmuera 41

2.2.3.3 Filtración primaria de la salmuera 41

2.2.3.4 Filtración secundaria de la salmuera y

almacenamiento 42

2.2.3.4.1 Ciclo de Filtros 42

2.2.4 Tratamiento secundario de la salmuera 43

2.2.4.1 Intercambio Iónico 43

2.2.4.1.1 Resina de intercambio iónico 44

2.2.5 Área de celdas 45

2.2.5.1 Electrolisis 45

2.2.6 Procesamiento del cloro 48

2.2.7 Circulación de soda Cáustica 49

2.2.8 Manejo de la salmuera Agotada 49

2.2.8.1Declorinacion de la salmuera agotada 51

2.2.8.1.1 Declorinacion al vacío 51

2.2.8.2 Declorinacion Química 52

2.2.9 Hidráulica de Tuberías 52

2.2.9.1 Régimen de fluidos en tuberías 56

2.2.9.1.1 Numero de Reynolds 56

DERECHOS RESERVADOS

2.2.9.2 Principios de Cálculos de Caída de

presión 57

2.2.9.2.1 Tuberías Rectas Horizontales 58

2.2.9.2.2 Efectos de accesorios 59

2.2.9.2.3 Tuberías no-Horizontales 60

2.2.10 Intercambio de calor 60

2.2.10.1 Tipos de intercambiadores de calor 61

2.2.10.1.1 Intercambiadores de calor de

doble tubo 61

2.2.10.1.1.1 Flujo paralelo y flujo

contracorriente 61

2.2.10.1.2 Intercambiadores de calor de

carcaza y tubos 62

2.2.10.1.3 Flujo Cruzado 63

2.2.10.1.4 Intercambiadores compacto 64

2.2.10.2 Coeficiente global de transferencia

de calor 65

2.2.10.3 Factor de Encrustamiento 67

2.2.10.4 Análisis Térmico de un Intercambiador

de calor 68

2.2.10.4.1 Diferencia de temperatura media

logarítmica 69

2.2.10.4.1.1 Análisis térmicos en

intercambiadores de Carcasa

y tubo con flujo cruzado 74

2.2.11Bombas 78

2.2.11.1 Clasificación de las bombas 79

2.2.11.1.1 Bombas de émbolo alternativo 80

2.2.11.1.2 Bomba de émbolo Rotativo 80

2.2.11.1.3 Bombas Rotodinámicas 81

DERECHOS RESERVADOS

2.2.11.1.3.1 Bombas centrífugas 81

2.2.11.1.3.2 Bombas Múltiples 83

2.2.11.1.3.3.1 Bombas de columna 84

2.2.11.1.3.3 De flujo axial 85

2.2.12 Volumen de un cilindro 86

2.2.13 Ingeniería conceptual 86

2.2.13.1Documentos 87

2.3 Bases criterios y código de Diseños Aplicables 87

2.3.1 Base de Diseño 87

2.3.2 Criterios de Diseño 88

2.3.3 Código de Diseños 88

2.4 Definición de Términos Básicos 88

2.5 Mapa de variables 92 CAPITULO III: MARCO METODOLÓGICO 95 3.1 Tipo de Investigación 96

3.2 Diseño de Investigación 96

3.3 Técnicas de Recolección de Datos 96

3.3.1 Fase 1 Seleccionar el proceso de producción de

Cloro-Soda para desarrollar la ingeniería conceptual de una

planta de Cloro-Soda para la empresa VENCLORO C.A. 97

3.3.2 Fase 2 Determinar los requerimientos de materia prima e

insumos necesarios para el funcionamiento de una planta de

Cloro-Soda para la empresa VENCLORO C.A. 99

3.3.3 Fase 3 Dimensionar los equipos de producción de una

planta de Cloro-Soda para la empresa VENCLORO C.A. 100

DERECHOS RESERVADOS

3.3.4 Fase 4 Definir la ubicación física dentro de las

instalaciones actuales para una planta de Cloro-Soda para

la empresa VENCLORO C.A. 101

3.3.5 Fase 5 Calcular el monto de la inversión requerida

para la construcción de una planta de Cloro-Soda para la

empresa VENCLORO C.A. 102

CAPITULO IV: ANÁLISIS DE RESULTADOS 106 4.1 Fase 1 Seleccionar el proceso de producción para

desarrollar la ingeniería conceptual de una planta de Cloro-Soda

para la empresa VENCLORO C.A. 107

4.2 Fase 2 Determinar los requerimientos de materia prima e

insumos necesarios para el funcionamiento de una planta de

Cloro-Soda para la empresa VENCLORO C.A. 110

4.2.1 Descripción del proceso de la planta de Cloro-Soda 112

4.2.2 Ecuaciones químicas del tratamiento de la salmuera 115

4.2.3 Balance y condiciones de operación 118

4.3 Fase 3 Dimensionar los equipos de producción de una

planta de Cloro-Soda para la empresa VENCLORO C.A. 119

4.3.1 Nomenclatura de equipos y tuberías 120

4.3.2 Lista de equipos de proceso 121

4.3.3 Lista de bombas centrifugas 121

4.3.4 Sumario de líneas de proceso 122

4.3.5 Hoja de especificaciones técnicas de electrolizador 124

4.3.6 Hoja de especificaciones técnicas de tanques y recipientes 125

4.3.7 Hoja de especificaciones técnicas de bombas centrifugas 144

DERECHOS RESERVADOS

4.4 Fase 4 Definir la ubicación física dentro de las instalaciones

actuales para una planta de Cloro-Soda para la empresa

VENCLORO C.A. 152

4.5 Fase 5 Calcular el monto de la inversión requerida para la

construcción de una planta de Cloro-Soda para la empresa

VENCLORO C.A. 152 CONCLUSIONES 154

RECOMENDACIONES 156

BIBLIOGRAFÍA 157

ANEXOS

Anexo N° 1. Diagrama de disposición de equipos 160

Anexo N° 2 Requerimientos de la salmuera de alimentación

para los electrolizadores 163

Anexo N° 3 Hoja de especificaciones de resina de intercambio iónico 164

Anexo N° 4 Hoja especificación de seguridad de los materiales 166

Anexo N° 5 Lista de precios de bombas 171

Anexo N° 6 Precio de resina de intercambio iónico 172 Anexo N° 7 Precio de tubería PVDF 173

Anexo N° 8 Precio de tubería FRP 174

Anexo N° 9 Resistencia química de los materiales (Piping Class) 175

Anexo N° 10 Espaciamiento de equipos e instalaciones 178

Anexo N° 11Cotización de equipos de proceso 180

DERECHOS RESERVADOS

ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1. Características de los productos de la electrolisis 29

Figura 2. Diagrama de proceso de cloro-soda con celdas

de mercurio 30 Figura 3. Diagrama de proceso de cloro-soda con celdas

de diafragma 34 Figura 4. Diagrama de proceso de cloro-soda con celdas de

Membrana 38 Figura 5. Datos de la electrolisis en la salmuera 46 Figura 6. Tipos de electrolizadores 48 Figura 7. Factores de fricción en tuberías PVDF, FRP 55 Figura 8. Rugosidad relativa en tuberías PVDF, FRP 55 Figura 9. Intercambiadores de calor de doble tubo 62 Figura 10. Intercambiador de calor de carcasa y tubo 62 Figura 11. Intercambiador de calor de flujo cruzado 63 Figura 12. Intercambiador de calor compacto 64 Figura 13. Espectros del parámetro β en Intercambiador de calor

Compacto 65

Figura 14. Coeficiente global de transferencia de calor para un tubo 66 Figura 15. Valores típicos del coeficiente global de transferencia

de calor 67 Figura 16. Valores típicos del factor de encrustamiento 68 Figura 17. Distribución de temperatura en un intercambiador de calor

de doble tubo con flujo paralelo 70 Figura 18. Distribución de temperatura en un intercambiador de calor

de doble tubo con flujo contracorriente 73 Figura 19. Factor de corrección para un intercambiador de un

paso por carcasa y dos cuatro o cualquier múltiplo

de dos pasos por tubos 75

DERECHOS RESERVADOS

Figura 20. Factor de corrección para un intercambiador de dos

pasos por carcasa y cuatro, ocho o cualquier múltiplo

de cuatro pasos por tubos 76

Figura 21. Factor de corrección para un intercambiador de un solo

paso y flujo transversal, con ambos fluidos sin mezclar 77 Figura 22. Factor de corrección para un intercambiador de un solo

paso y flujo transversal, con un fluido mezclado y

otro sin mezclar 78 Figura 23. Bomba centrífuga 82

Figura 24. Curva Característica de una bomba centrífuga 83 Figura 25. Volumen de un cilindro 86 Figura 26. Matriz de evaluación llena de tecnologías de producción

de Cloro- soda 99 Figura 27. Matriz de evaluación llena de tecnologías de producción

de Cloro- soda 108 Figura 28. Plano de Simbología de la planta de Cloro-Soda 115

Figura 29. Diagrama de Flujo de Proceso (PFD) 116

DERECHOS RESERVADOS

INTRODUCCIÓN

El cloro y la soda cáustica se encuentran entre los diez químicos más

producidos en el ámbito mundial, estos compuestos son empleados en la

fabricación de una gran variedad de productos en todo el mundo, entre estos

se incluyen: detergentes, desodorantes, herbicidas, farmacéuticos,

pesticidas, refrigerantes, papel, plásticos, productos para el tratamiento de

aguas residuales y para consumo humano y muchos otros.

La empresa VENEZOLANA DE CLORO C.A. es una compañía que

tiene como meta principal la producción y comercialización del hipoclorito de

sodio obtenido a partir del cloro y el hidróxido de sodio. En estos momentos

la materia prima que utiliza VENCLORO proviene de PEQUIVEN.

La finalidad de esta investigación es eliminar la dependencia en una

sola empresa que tiene VENCLORO C.A. y de esta forma le permitirá

satisfacer su propia demanda de cloro puro y soda cáustica, para convertirse

de esta forma, en una empresa autosuficiente.

La electrólisis del cloruro de sodio en presencia de agua es el método

que se utiliza para la obtención de Cloro y Soda, la ruptura de la molécula de

sal se hace en electrolizadores los cuales deben recibir la salmuera

ultrapura, para esto es necesario someter la salmuera a un proceso riguroso

de purificación y eliminación de iones.

DERECHOS RESERVADOS

Este informe está estructurado de la siguiente manera:

Capitulo I: expone el planteamiento del problema y la formulación del mismo,

también incluye la justificación, importancia del trabajo, objetivos y

delimitaciones.

Capitulo II: contiene las bases teóricas en las cuales se apoya este trabajo.

Capitulo III: presenta la metodología empleada para la obtención de los datos

necesarios para el desarrollo de la investigación.

Capitulo IV: Se muestran los resultados finales del trabajo.

DERECHOS RESERVADOS

Capitulo I.

El Problema

22

DERECHOS RESERVADOS

CAPITULO I: El problema

1.1 Planteamiento del problema

Uno de los problemas que confrontan todos los países del mundo es la

descontaminación de los espacios en donde el hombre habita y el agua de uso

domestico, estos problemas se presentan con mayor frecuencia en zonas rurales

o de bajos recursos económicos en donde no se tiene conciencia de los peligros

que pueden acarrear el estar en contacto con agentes bacteriales y virales que

están presentes en el suelo y el agua.

Generalmente, el agua sin tratar contiene numerosos gérmenes, algunos de

los cuales pueden ser patógenos. Estos gérmenes patógenos suelen estar en el

suelo o en las aguas contaminadas con heces de personas o de animales. De este

modo, el agua se convierte en un vehículo de transmisión de enfermedades tales

como el cólera, tifoidea, paratifoidea, hepatitis, disentería amibiana y viral, entre

otras.

Actualmente, la mayor parte de las poblaciones rurales y marginales de los

países en vías de desarrollo se abastecen de agua no apta para el consumo

humano. Como consecuencia de ello, los índices de enfermedades relacionadas

con el agua son altos; sin embargo, estas enfermedades pueden ser evitadas

mediante la desinfección del agua.

La forma más común de potabilizar el agua de consumo humano es

mediante la adición de cloro y otros compuestos químicos. Ya que el cloro es el

agente principal que provoca la muerte de los organismos que están presentes en

el agua, se vuelve imprescindible para la vida humana.

La forma más común de utilizar cloro en el hogar es como hipoclorito de

sodio, este se utiliza como blanqueador de los textiles, para la descontaminación

23

DERECHOS RESERVADOS

del agua para consumo humano, el ajuste del pH de las piscinas y como materia

prima para otros productos de limpieza. (www.chlorineinstitute.com)

En el Occidente de Venezuela existe actualmente solo una planta que

produce cloro puro y pocas que producen hipoclorito de sodio, por esta razón se

solicita la elaboración de la ingeniería conceptual de una planta de Cloro-Soda

para satisfacer la demanda de este producto en Venezuela, demanda que se ha

estimado en 5 TMD.

1.2 Formulación del Problema

Por todo lo anteriormente planteado, la empresa VENCLORO C.A. desea

llevar a cabo la construcción de una planta que produzca cloro gas para su

posterior uso como materia prima en la planta de producción de hipoclorito de

sodio. Para realizar tal labor es necesario desarrollar la ingeniería conceptual para

una planta de Cloro-Soda para la empresa VENCLORO. Por lo que esta

investigación abarca los siguientes aspectos: seleccionar el proceso de producción

de la planta de Cloro-Soda, determinar los requerimientos de materia prima e

insumos necesarios, dimensionar los equipos de producción de la planta, definir la

ubicación física de la planta dentro de la empresa y por último, calcular el monto

de la inversión requerida de para la construcción de la planta.

1.3 Justificación del Problema

Hoy en día los problemas ambientales debido a la contaminación son de

suma importancia para la sociedad, por lo que constantemente se realizan

estudios para mejorar la calidad del agua que consumimos, además, el uso de

productos de limpieza en el hogar nos mantienen menos expuestos a

enfermedades que son causadas por los microorganismos que se encuentran

presentes en el agua potable, el ambiente y en el suelo.

24

DERECHOS RESERVADOS

La elaboración del diseño de una planta de producción de Cloro-Soda se

justifica debido a la necesidad que tiene la empresa VENCLORO C.A. para su

consumo interno en la producción de hipoclorito de sodio para su posterior

comercialización y eliminar la dependencia en una empresa en el suministro de

materia prima.

Con la realización de este trabajo se lograrán los siguientes aportes:

Desde el punto de vista práctico, con la ingeniería conceptual de la planta

de Cloro-Soda se soluciona el problema planteado por la empresa VENCLORO

C.A. la cual desea producir hipoclorito de sodio sin comprar la materia prima (en

este caso cloro gas) a proveedores externos. En el plano académico servirá para

poner en practica los conocimientos adquiridos y habilidades desarrolladas

durante la formación como Ingenieros Químicos para el diseño de una planta

industrial; en el ámbito científico se establecerá los criterios (técnicos y

económicos) para la selección de tecnologías y equipos para la producción de

Cloro-Soda; Como aporte social, mediante el desarrollo y posterior construcción

de la planta se dará una alternativa a la sociedad para adquirir un producto de

mucha importancia para la higiene y salud del hombre. Además será una fuente

de empleo directa e indirecta para la población local.

1.4 Objetivos 1.4.1 Objetivo General

Desarrollar la ingeniería conceptual de una planta de Cloro-Soda para la

empresa VENCLORO C.A.

25

DERECHOS RESERVADOS

1.4.2 Objetivos Específicos

1. Seleccionar el proceso de producción de Cloro-Soda para desarrollar la

ingeniería conceptual de una planta de Cloro-Soda para la empresa

VENCLORO C.A.

2. Determinar los requerimientos de materia prima e insumos necesarios para

el funcionamiento de una planta de Cloro-Soda para la empresa

VENCLORO C.A.

3. Dimensionar los equipos de producción de una planta de Cloro-Soda para

la empresa VENCLORO C.A.

4. Definir la ubicación física dentro de las instalaciones actuales para una

planta de Cloro-Soda para la empresa VENCLORO C.A.

5. Calcular el monto de la inversión requerida para la construcción de una

planta de Cloro-Soda para la empresa VENCLORO C.A.

1.5 Delimitación 1.5.1 Delimitación Espacial La ingeniería conceptual de la planta de cloro-soda para la empresa

VENCLORO C.A. se realizó como un trabajo de investigación en la Universidad

Rafael Urdaneta, con visitas a la empresa antes mencionada ubicada en la zona

industrial, segunda etapa, calle 148, municipio San Francisco, estado Zulia.

1.5.2 Delimitación Temporal La ingeniería conceptual de la planta de Cloro-Soda para la empresa

VENCLORO C.A como trabajo de investigación tuvo una duración de siete

meses, desde Febrero hasta Diciembre del año 2004.

26

DERECHOS RESERVADOS

27

DERECHOS RESERVADOS

Capitulo II.

Marco Teórico

28

DERECHOS RESERVADOS

CAPITULO II: MARCO TEÓRICO

2.1 Antecedentes

Los siguientes trabajos especiales de grado sirvieron como guía y

referencia para la presente investigación:

Ingeniería Conceptual de una Planta de Tratamiento de Agua de alta pureza para los laboratorios de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Rafael Urdaneta, 2003. Ortega, Jairo y Semprún, Marcos; quienes

desarrollaron esta investigación para proveer una solución a la demanda de agua

de alta pureza en la mencionada institución.

Los análisis y pruebas que se llevan a cabo en estos laboratorios requieren

de agua muy pura. Cualquier contaminante puede afectar los resultados de las

pruebas allí realizadas.

De este informe se tomó la parte teórica referente al intercambio iónico,

específicamente para eliminar cationes presentes en el agua.

Evaluación de la capacidad del flujo de alivio de las válvulas de seguridad de la planta de cloro soda, 2003. Pérez, Keila; de este trabajo de

investigación se utilizó información técnica relacionada con el el tratamiento

primario al que se debe someter la salmuera antes de llegar a los electrolizadores

en la planta de Cloro-Soda del complejo petroquímico El Tablazo de Pequiven, el

cual utiliza la tecnología de celdas de membrana.

2.2 Bases Teóricas

2.2.1 Productos de la electrólisis

La página web www.cl2.com indica que los productos que se obtienen del

proceso de electrólisis son el cloro gas, el hidróxido de sodio y el hidrógeno.

29

DERECHOS RESERVADOS

2.2.1.1 El Cloro El cloro es un elemento del grupo VII de la tabla periódica. No existe en la

naturaleza en forma elemental sino combinado con el sodio, potasio, magnesio.

Es un gas verde claro, de olor característico, irritante y venenoso. Es

moderadamente soluble en agua. Es un no metal muy activo. Se combina con los

no metales a excepción de Nitrógeno y con casi todos los metales.

www.msnencarta.com

2.2.1.2 El Hidróxido de Sodio El Hidróxido de sodio esta catalogado como uno de los compuestos

químicos con más alta demanda en el ámbito mundial, su utilidad es muy diversa,

sirve como materia prima de desinfectantes, para el tratamiento de aguas

servidas, productos para limpieza personal, etc. www.msnencarta.com

2.2.1.3 El Hidrógeno Es un gas incoloro, se encuentra situado en el grupo a de tabla periódica.

El hidrógeno posee la estructura mas simple de todos los átomos. Se halla en el

gas natural, en los gases orgánicos y en la atmósfera (al 0.01%), constituye el

11.2% de la masa total del agua y el 10 % del cuerpo humano. En estado libre es

escaso pero combinado es uno de los constituyentes más abundantes de los

compuestos químicos.

Se puede obtener por medio de la ruptura de la molécula de los

hidrocarburos, reducción del agua por el carbono y de otras formas. Se difunde a

través de ciertos metales (platino, paladio), su molécula es biatómica, es muy

estable y solo a altas temperaturas se disocia. www.msnencarta.com

A continuación se muestran las propiedades físicas de estos productos

30

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Figura 1: Propiedades de los productos de la electrólisis de la salmuera

Producto

Formula

Peso Molecular gr/grmol

Gravedad Específica

Punto de Fusión

(° C)

Punto de Ebullición

(° C)

Cloro Cl2 70.91 2.486 - 101.6 -34.6

Hidrógeno H2 2.016 0.0695 259.1 - 252.7

Hidróxido de sodio

NaOH 40 0.92 318.4 1390

Fuente: Perry, p 3-13, 3-17, 3-24 (1992) 2.2.2 Tecnologías para la obtención de Cloro y Soda Cáustica Según www.msnencarta.com existen tres procesos básicos para la

fabricación de cloro y soda cáustica a partir de la salmuera: la celda de mercurio,

la celda de diafragma, y la celda de membrana.

El proceso de celda de membrana es el más moderno, tiene algunas

ventajas económicas y ambientales. Los otros dos procesos generan desechos

riesgosos que contienen mercurio o asbesto, aunque últimamente se han

perfeccionado para producir un menor impacto ambiental y convertirse en

procesos más rentables, económicos y confiables. Cada proceso tiene sus

ventajas propias, tales como, consumo de energía, pureza de productos,

desechos industriales, alícuotas consumo de sal, de agua, de productos químicos

que intervienen en el proceso, etc. www.msnencarta.com

En cada uno de estos procesos es necesario tratar la materia prima

(Cloruro de Sodio) para no peder la eficiencia en la electrólisis, es imperativo

obtener salmuera ultrapurificada, libre de iones calcio, magnesio, hierro; la

31

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salmuera también debe ser libre de las impurezas propias de la sal cruda (lodos).

(www.cl2.com)

A continuación se describen los tres procesos antes mencionados para la

obtención de Cloro gas, Hidróxido de Sodio e Hidrógeno.

2.2.2.1 Proceso de Cloro-Soda en celdas de Mercurio

Siguiendo lo descrito en www.cl2.com la sal cruda llega al tanque saturador

en donde se mezcla con el reciclo que proviene de los electrolizadores, allí se

añade agua para mantener los niveles de los tanques y mantener la concentración

de la salmuera, la cual debe salir saturada a 305 gr/l.

Luego pasa al precipitador en donde se le agrega químicos que hacen que

los lodos y sólidos presentes en la salmuera lleguen al fondo de este

recipiente.

La corriente de proceso es pasada luego por filtros purificadores, los cuales

tienen la tarea de atrapar las impurezas más pequeñas que no pudieron precipitar

anteriormente.

Después, la salmuera ya saturada y purificada se hace pasar por un

intercambiador de calor en donde se hace aumentar la temperatura para poder

ingresar a los electrolizadores.

En los electrolizadores, la celda electrolítica tiene ánodos de titanio

localizados encima de un cátodo de mercurio, el cual fluye lentamente a lo largo

del fondo de la celda. Una alta densidad corriente es aplicada entre el cátodo de

mercurio y ánodos metálicos. El cloro gas (Cl2) se forma en el ánodo y una

amalgama de sodio se forma en el cátodo de mercurio.

La amalgama es llevada separada de la salmuera en un reactor luego entra

en la sección de descomposición. Bajo la acción de una corriente continua sobre

la salmuera, el cloro es liberado en el ánodo.

32

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La amalgama de Sodio pasa fuera de la celda electrolítica a un reactor

separador, lejos del cloro. Aquí, esta amalgama reacciona con agua

desmineralizada para dar hidrógeno y soda cáustica a una temperatura y presión

especificada solo a los usuarios de esta tecnología. De esta forma se regenera el

mercurio, que es entonces devuelto a la celda electrolítica. La sal nueva es

añadida a la salmuera agotada a la salida de la celda y la salmuera es recirculada

al principio pasando por la torre declorinadora.

La temperatura de la superficie de la celda es de 66 °C (150 °F)

aproximadamente, en la superficie del reactor separador de Mercurio es de 116

°C (240 °F) aproximadamente, estas celdas son típicas por su fácil instalación.

Aproximadamente 2.26 toneladas de soda cáustica al 50% en peso y 312

metros cúbicos de hidrógeno es la producción de una Tonelada de cloro. El

proceso de celdas de mercurio produce soda cáustica de alta calidad. La soda

cáustica del proceso de mercurio es producida en una concentración más alta que

la de procesos alternativos.

33

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Figura 2: Diagrama de proceso de obtención de Cloro-soda con celdas de Mercurio

Fuente: www.worldchlorine.com/publications/mfg/processes.

34

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2.2.2.2 Proceso de Cloro-Soda en celdas de Diafragma

Según www.cl2.com, la celda de diafragma es la tecnología electrolítica

dominante usada en los Estados Unidos y Canadá en las plantas de Cloro-Soda.

El diseño de celda es caracterizado por la separación del ánodo y el cátodo

por un diafragma que consiste en una capa de asbesto mezclado con un aditivo

como teflón (politetrafluoroetileno) u otra fibra que cubra el cátodo.

Cualquier asbesto utilizado está confinado totalmente en la celda. El

diafragma mantiene la soda cáustica (NaOH) y el hidrógeno separado del anolito

(salmuera agotada) y el cloro.

La saturación es el primer paso, aquí se debe obtener salmuera saturada a

300 gr de sal por cada litro de agua. Luego se pasa a los tanques precipitadores

en los cuales se extraen los sólidos disueltos en la corriente de proceso.

Después se pasa la salmuera a los filtros para remover las impurezas que

aún quedan en la corriente para luego llegar a u intercambiados de calor, del cual

saldrá la corriente a 70 ° C aproximadamente.

Luego en un tanque, se mezcla la corriente de proceso con una

recirculación proveniente de los electrolizadores de salmuera agotada.

Ahora, la corriente de salmuera ultrapurificada entra a un segundo

intercambiador de calor para salir a 90 ° C. Luego, la salmuera entra a los

electrolizadores.

La Soda Cáustica que se obtiene del proceso de diafragma es muy pobre

en comparación con procesos alternativos, de hecho, la concentración de este

producto está entre 12- 14% en peso www.worldchlorine.com

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Figura 3: Diagrama de proceso de obtención de Cloro-soda con celdas de Diafragma

Fuente: www.epa.gov/ttn/chief/ap42/ch08/final.pdf

36

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2.2.2.3 Proceso de Cloro-Soda en celdas de Membrana De acuerdo a www.cl2.com, la salmuera agotada (anolito), proveniente de

los electrolizadores es enviada al tanque saturador en donde se disuelve sal

(NaCl) en la misma, también se añade agua en este punto para que el inventario

de salmuera saturada se mantenga en el nivel adecuado, de esta forma todo el

sistema estará estable.

La salmuera saturada es bombea a dos tanques en serie agitados en donde

se añade hidróxido de sodio (NaOH) y carbonato de sodio (Na2CO3),

respectivamente. Estos compuestos actúan como floculantes y atrapan todos los

sólidos suspendidos, tales como: arena, piedras, impurezas.

Luego, la salmuera es llevada al tanque clarificador, en donde se separan

completamente los líquidos de los sólidos por precipitación de estos últimos. El

lodo que sale por el fondo del clarificador es enviado al área de efluentes, mientras

que la salmuera saturada, visiblemente pura, sigue su camino por el tope del

recipiente.

Posteriormente, la salmuera es bombeada al filtro que elimina los sólidos

solubles en la salmuera, después, la salmuera pasa a unas columnas de

intercambio iónico, las cuales quitan la dureza iónica (calcio, magnesio) a la

salmuera, hasta llevarla aproximadamente a 0.01 ppm de dureza, también se

realiza la remoción de algunos oros cationes presentes en la salmuera de

alimentación.

La salmuera ya ultra purificada, se pasa por un intercambiador de calor para

llevarla hasta 80 ° C, en este punto, la salmuera está casi lista para entrar a los

electrolizadores.

Ácido clorhídrico (HCl) debe agregarse a la salmuera ultrapura proveniente

de los intercambiadores iónicos para que esta tenga un pH aproximado entre 3.5 y

5, también puede ser requerido para mejorar la pureza del cloro gas producido

durante operación normal, al reaccionar con iones hidroxilo (OH -) los cuales, de

otra manera producirían oxigeno en reacciones secundarias.

37

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El ácido clorhídrico también puede reaccionar con Carbonato de Sodio

(Na2CO3), liberando fuera del tanque Dióxido de Carbono (CO2). Así mismo una

acidificación suficiente puede asegurar que el contenido del CO2 en el Cloro sea lo

más pequeño posible.

A diferencia de las celdas del diafragma, las celdas de membrana no

requieren que la salmera en la alimentación esté completamente saturada para

alcanzar las condiciones óptimas de operación en la celda. De hecho, solo es

necesario que esta encuentra entre 290 - 300 gr de NaCl por litro de agua.

Los electrolizadores convierten la sal (NaCl) y el agua, en cloro (Cl2),

Hidrógeno (H2) e Hidróxido de Sodio (NaOH). La salmuera agotada de Cloro y el

Cloro gas salen juntos por un lado del electrolizador, mientras que el Hidrógeno y

el Hidróxido de Sodio salen juntos por el otro.

La salmuera agotada (anolito) y el Cloro gas fluyen hacia una Té de

separación fuera del electrolizador. El Cloro gas es llevado hacia el área de

procesamiento del Cloro, mientras la salmuera agotada fluye por gravedad hacia

el tanque de salmuera agotada, en donde HCl es añadido para aumentar la

separación de la mayoría del cloro que pueda quedar en esta.

Uno de los productos secundarios producidos en el electrolizador son los

Cloratos, los cuales no son deseados. Para evitar el incremento de Cloratos en el

sistema de recirculación de la salmuera, una corriente de salmuera agotada es

enviada hacia un sistema destructor de Cloratos. Aquí, la salmuera agotada

(caliente) es calentada aun más y luego acidificada para descomponer los

Cloratos en sal, agua y Cloro. El Cloro gas es recuperado en este proceso o es

neutralizado.

La salmuera agotada se bombea hacia la torre declorinadora, en donde un

separador al vacío retira aun más Cloro para recuperarlo y enviarlo al tanque

principal de Cloro.

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Sulfato de Sodio (Na2SO3) o Peroxido de Hidrógeno (H2O2) e Hidróxido de

Sodio (NaOH) son añadidos a la salmuera para destruir el Cl2 remanente; este

paso es llamado la declorinacion química. Una parte de la salmuera declorinada

es enviada a un sistema concentrador/removedor de Sulfatos.

Similar a la acumulación de Cloratos, es necesario eliminar sulfatos para

mantener un equilibrio en el sistema de recirculación de salmuera. Los Sulfatos

provienen de la sal en la entrada, además de que algunos son generadores si es

usada una base química de Sulfuro para el proceso de declorinacion química.

Los sulfatos son concentrados en una corriente lateral, así un volumen

menor en la purga de salmuera del sistema es necesario, de esta forma se

minimizan las pérdidas en la materia prima (NaCl).

Desde aquí, la salmuera declorinada y agotada es enviada al saturador de

salmuera donde comienza el ciclo nuevamente.

El gas cloro desde las celdas, así como desde las otras unidades de

recuperación de cloro, se envía a un tanque de almacenamiento y luego a una

serie de procesos. Aquí, el Cl2 caliente y húmedo es enfriado es despojado de la

mayoría de la humedad. Eliminadores de neblina remueven cualquier resto de

gotas de agua y demás partículas (normalmente sal) que puedan estar presentes

en la corriente del sistema. Finalmente, el gas Cloro puede ser secado en lechos

empacados, en contracorriente con ácido sulfúrico concentrado.

Los otros productos del electrolizador, el H2 y el NaOH fluyen hacia una Té

de separación fuera del electrolizador. El H2 fluye por la contra presión hacia el

cabezal de presión donde es controlado por medio de una válvula de control y la

sobrepresión puede ser controlada por un sello auxiliar. El hidrógeno gas luego de

pasar por la válvula de control es enfriado, si este no es requerido para procesos

subsiguientes puede ser venteado por un sello de agua a la atmósfera.

El Hidróxido de Sodio fluye por gravedad desde el electrolizador hacia el

tanque de circulación de Soda; aproximadamente el 15 % de NaOH es llevado

hacia la unidad concentradora de Soda y el restante 85 % es diluido con agua y

39

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recirculado al electrolizador. El NaOH que es bombeado hacia la unidad

concentradora de Soda es evaporado hasta alcanzar un 30 % en peso.

Figura 4: Diagrama de proceso de obtención de Cloro-soda con celdas de Membrana

Fuente: www.worldchlorine.com/publications/mfg/processes.

40

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2.2.3 Saturación de la salmuera y tratamiento primario

Según www.cl2.com, la salmuera agotada también entra al saturador junto

con agua nueva para mantener el nivel normal del saturador, la entrada de agua y

salmuera agotada se encuentran cerca del fondo del tanque saturador. La

salmuera producida por el saturador debe exceder los 290 gr/l de NaCl; la

concentración de NaCl se determina a la temperatura de salida.

Los insolubles presentes en la salmuera son filtrados por la sal, la cual

actúa como un lecho empacado, los insolubles gradualmente descienden al fondo

del saturador y son removidos periódicamente mediante purgas. Cuando los

insolubles aumentan excesivamente, el saturador es parado y limpiado. La

salmuera saturada fluye desde el tope del saturador por gravedad hacia el tanque

de almacenamiento de la salmuera, luego es llevada hacia el tratamiento primario

(adición de químicos).

El agua añadida en la tubería de la salmuera agotada antes de que esta

corriente llegue a los saturadores, se emplea para disolver la sal y para

reemplazar el agua que se ha consumido en el proceso. El agua es añadida

continuamente y el flujo cambia solo cuando el caudal de producción de la celda

cambia significativamente (cuando la demanda de sal como materia prima

aumenta o decrece).

El flujo de agua es automáticamente controlado dependiendo del nivel del

tanque que se encuentra después del saturador (la adición de agua controla

automáticamente la cantidad total de salmuera en el sistema).

Un factor que puede influenciar la regulación del flujo de agua es la

acumulación de insolubles en el lecho de sal. Después de disolver la sal por un

tiempo considerable, la acumulación de insolubles y la sal fina en la zona del filtro,

aumentan la resistencia al flujo, hasta alterar el sistema.

La reducción del flujo puede ser compensada abriendo la válvula de control

manual a la entrada del saturador.

41

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El saturador de salmuera podría requerir limpieza en servicio normal luego

de seis meses o más de operación. Las impurezas presentes en la sal y los

insolubles forman una masa rígida que va aumentando con el tiempo, la limpieza

debe ser hecha cuando el flujo de salmuera se vuelva anormal o a intervalos de un

año, lo que ocurra primero.

2.2.3.1 Adición de Químicos Tomando las recomendaciones de www.eltech.com, la salmuera saturada

es llevada al tanque de tratamiento procedente del tanque de saturación, en donde

se le inyecta una solución de Carbonato de Sodio (Na2CO3) y NaOH en cantidades

controladas.

El Na2CO3 reacciona con el CaCl2 en el tanque de agitación media. El Na2CO3

puede ser añadido a una cantidad de 2.0 gr/l mayor a la requerida.

El hidróxido de sodio será añadido en exceso a una cantidad de 0.2 a 1.5

gr/l de lo requerido para que la reacción se complete.

El sucio en el fondo del tanque de tratamiento de la salmuera es removido

para asegurar que el precipitado no se colecte en el fondo del tanque.

Las adiciones de estos químicos causan la precipitación de los iones Ca++ y

Mg++ en la solución de acuerdo a las siguientes reacciones:

CaCl2 + Na2CO3 → CaCO3 (s) + 2 NaCl (ec. 1)

MgCl2 + 2 NaOH → Mg(OH)2 (s) + 2 NaCl (ec.2)

El Na2CO3 y el NaOH son enviados desde el área de preparación del

tratamiento de químico de la salmuera. El flujo de NaOH es monitoreado con un

medidor de flujo para mantener el control de NaOH y salmuera.

El NaOH también puede ser añadido corriente abajo del tanque de

tratamiento de salmuera, ya que con la debida agitación en este tanque, se puede

42

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romper los flóculos de Mg(OH)2, los cuales forman pequeñas partículas que

lentamente precipitan en el clarificador.

2.2.3.2 Clarificación de la salmuera

De acuerdo a Pury (p 4, 1983) a la salmuera tratada fluye por gravedad del

tanque de tratamiento al clarificador, cuya única función es remover la mayor parte

de los precipitados e insolubles, los cuales se depositan como lodos en el fondo.

Adicionalmente se puede agregar un floculante para promover la formación de

cristales grandes que precipiten con mayor facilidad.

El contenido de sólidos suspendidos en la salida del clarificador se espera

que sea entre 30 y 70 ppm, valor necesario para una larga y eficiente utilización

del filtro primario y del intercambiador iónico (tratamiento secundario).

2.2.3.3 Filtración primaria de la salmuera Siguiendo a Pury (p 45, 1983) La salmuera tratada es bombeada en forma

descendente a través de los filtros, los cuales pueden ser de arena o carbón de

antracita. El uso de antracita en lugar de filtros de arena reduce los niveles de

silicón (SiO2) en la salmuera, los cuales no son convenientes en la operación de

las celdas de membrana.

Estos filtros separan Calcio, Magnesio, Hierro y otro materiales no

deseados en la salmuera tratada, en la salida de los filtros primarios se espera

entre 3-10 ppm de sólidos suspendidos. Un filtro que opera correctamente

producirá salmuera clara y una capa de sucio que se depositará en los filtros.

Esta capa de sucio debe ser removida por retrolavado de los filtros, el ciclo

de lavado es hecho basándose en la caída de presión. La salmuera lavada es

usada para lavar los filtros, también se puede utilizar agua. La salmuera fluye

desde los filtros primarios hasta el tratamiento secundario. Un medidor de turbidez

en línea debe ser localizado para determinar el contenido de sólidos suspendidos,

de esta manera se pueden detectar cualquier problema con estos filtros.

43

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2.2.3.4 Filtración secundaria de la salmuera y almacenaje

La pagina web www.woldchorine.com explica esta sección detalladamente.

El sistema de filtración secundaria consiste en filtros tubulares tipo vertical.

El sistema debe remover insolubles y sólidos suspendidos desde un nivel máximo

de 10 ppm hasta un nivel de menos de 1 ppm. Normalmente, el contenido de

sólidos suspendidos está entre 1-5 ppm. Los insolubles removidos por los filtros

son principalmente compuestos de Calcio y Magnesio; sin embargo, ocurre una

remoción de Hierro y Níquel. Específicamente, cuando el contenido de sólidos

suspendidos en la salmuera del filtrado primario es bajo, los filtros de pulido

principalmente removerán las partículas sólidas muy finas, por ejemplo, el

hidróxido de magnesio.

Los filtros secundarios de salmuera están conformados por hojas verticales

de forma suspendida y una tubería de colección interna. Los elementos se cubren

con materia celulosa antes de comenzar el ciclo de servicio. La celulosa actúa

como una capa de filtro adicional, la cual protege contra el paso de pequeñas

partículas dentro del mismo elemento filtrante.

La salmuera entra por un lado de la carcaza del filtro y se distribuye

uniformemente; pasando a través de las paredes externas de las hojas,

recolectándose luego en una tubería interna, para fluir por el otro extremo del filtro.

A pesar de que el sistema de intercambio iónico corriente abajo está

diseñado para manejar hasta 5 ppm de dureza total, su función es remover solo

cationes solubles, no los insolubles. El sistema de intercambio iónico removerá

algo de insolubles, debido al pequeño tamaño de la resina, pero no puede ser

contado para remover insolubles hasta un nivel tan bajo. www.woldchorine.com

2.2.3.4.1 Ciclos de filtros A medida que el ciclo de filtración avanza, una capa de sólidos no

deseados se forma en el filtro. Cuando esta capa alcanza un máximo de grosor, la

44

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presión cae en el sistema de forma notable, luego los filtros deben ser puestos

fuera de servicio y deben ser limpiados. Este paso de limpieza es normalmente

llamado contra lavado. El tiempo entre cada lavado esta estimado que sea

entre12-24 horas. Pury, p53 (1983)

2.2.4 Tratamiento secundario de la salmuera 2.2.4.1 Intercambio iónico De acuerdo a www.eltech.com, el tratamiento secundario de la salmuera es

un intercambio iónico de cationes, en los cuales se eliminan los iones Ca++ y

Mg++ presentes en la salmuera que debe entrar a los electrolizadores, este

tratamiento se realiza con ciertas resinas.

Las resinas de intercambio iónico son sólidos insolubles ácidos o básicos,

los cuales tiene la propiedad de intercambiar iones de las soluciones. Durante la

reacción de intercambio iónico, estas resinas son convertidas en ácidos, bases o

sales insolubles.

Las resinas de intercambio cationico contienen cargas electronegativas

fijas, mientras que las aniónicas tiene cargas fijas electropositivas.

Una reacción básica de intercambio iónico se muestra a continuación:

R-Na2 + Ca+2 ↔ R-Ca2 + 2 Na+

Resina de Ión en Ion Ion en

Intercambio líquido Intercambiado líquido

Iónico

(ec. 3)

Como todo equilibrio químico está regido por la ley de acción de masas, la

reacción inversa corresponde a la regeneración de la resina del intercambiador

iónico.

45

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La mayoría de las unidades de intercambio son tanque que tiene un lecho

en donde se encuentra la resina por la cual se hace pasar el flujo a tratar de arriba

hacia abajo.

2.2.4.1.1 Resinas de intercambio iónico

De acuerdo a www.purolite.com, los intercambiadores de iones son

sustancias granulares insolubles que tienen en su estructura molecular radicales

ácidos o básicos capaces de permutar, si cambio aparente de su aspecto físico y

sin alteración alguna o solubilización, lo iones positivos o negativos, fijados

previamente a estos radicales por otros del mismo signo que se encuentran en

solución en el líquido en contacto con ellos. Mediante este intercambio de iones se

puede modificar la composición iónica del líquido objeto del tratamiento, sin alterar

el numero total de iones presentes en este líquido al momento de iniciarse el

intercambio.

Los primeros intercambiadores de iones utilizados fueron las tierras

naturales, después se obtuvieron compuestos sintéticos minerales y orgánicos,

siendo estos últimos los que en la actualidad se emplean casi exclusivamente bajo

el nombre de resinas.

Para determinar la capacidad de intercambio de la resina en operación del

sistema se utiliza la siguiente expresión:

E = Q•G__ (ec. 3.1) Fuente: Pury, V. p 61 (1983)

1000 • V

Donde,

E: Capacidad de Intercambio, Kg de CaCO3 por pie3 de resina

Q: Volumen de salmuera tratado

G: Concentración de Cationes en granos por galón exprsados como CaCO3

V: Volumen de resina en pie3

1000: Factor de conversión de granos a kilogranos

46

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2.2.5 Área de Celdas: 2.2.5.1 Electrólisis:

Según www.eltech.com, la electrólisis del Cloruro de Sodio y el agua

produce Cloro, Hidrógeno e Hidróxido del Sodio de acuerdo con la siguiente

reacción:

2 NaCl (ac) + 2 H2 O(l) 2 NaOH (ac) + Cl2 (g) + H2 (g) (ec. 4)

Estas reacciones pueden ser separadas en una serie de reacciones que

ocurren en el cátodo (ec. 5) y en el ánodo (ec. 6). Iones de Sodio libres se

mueven desde la cámara del ánodo hasta la del cátodo y reaccionan para producir

Soda Cáustica (ec. 7).

2 H2O + 2 e- H2 (g) + 2 OH - (ec. 5)

2 Cl- Cl2 (g) + 2 e- (ec. 6)

2 Na+ + 2 OH- 2 NaOH (ec. 7)

Las membranas de intercambio iónico previenen el paso de iones Cloro

hacia la cámara del cátodo y previene el paso de la mayoría de los iones

Hidroxilos hacia el ánodo. La producción teórica de productos puede ser

calculada como sigue:

I (Amperes) • Ne (Electrolizadores) • PM g • C kg • TM

W = Electrolizador mol 1000 g 1000 kg

N Equivalentes • 96493 (Amp – seg) • hora • dia

mol Equivalentes 3600seg 24 hora

(ec. 8) Fuente: Eltech System Corporation. Membrane Cell Technology p 20. 2001

47

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W = 8.95 (10-7) • I • Ne • PM • C (TM de producto/dia)

N

Donde:

I = Amperaje del circuito

Ne = Numero de electrolizadores en circuito

PM = Peso molecular

C = Coeficiente estequiométrico del producto

N = Número de electrones (Equivalentes) transferidos en la reacción

W = Producción teórica del producto

Los pesos moleculares, coeficientes estequiométricos y los electrones

transferidos son:

Figura 5: Datos de la Electrolisis de la Salmuera

Producto P.M C N

Cl2 70.9 g/ mol 1 2 electrones

NaOH 40.0 g/ mol 2 2 electrones

H2 2.0 g/ mol 1 2 electrones

Fuente: Perry, p 3-13, 3-17, 3-24 (1992)

El Hidróxido producido en el cátodo es asociado con los iones Sodio y el

agua para formar una solución de Hidróxido de Sodio al 28 – 32% en peso que

sale de las celdas del electrolizador como productos.

En la cámara del cátodo el Hidrógeno gas y la Soda Cáustica son

producidos y salen por el tope del electrolizador. En una Té fuera del

electrolizador la mezcla de dos fases es separada.

En el ánodo está envuelto el Cloro gas y su solubilidad está dada por la

siguiente ecuación:

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mg Cl2/litro = p [ (1.567 – 0.002822 N) 10 1000/T + 70906 ( 10 pH-A) ]

(ec. 9) Fuente: Eltech System Corporation. Membrane Cell Technology p 23. 2001

p = Presión parcial de Cloro gas (atm)

N = Concentración de NaCl (gpl )

T = Temperatura (K)

pH = pH de la solución

A= 6.01 + 0.001 (T-273.15) – 0.00044 N

Cl2 (ac) H2O → HOI (ac) + HOCl (ac) (ec. 10)

El Hidróxido puede reaccionar con el Cloro disuelto para formar una

variedad de subproductos como siguen:

Cl2 (ac) + NaOH → NaCl + HOCl (ec. 11)

2 Cl2 (ac) + 4 NaOH → O2 (g) + 4 NaCl + 2 H2O (ec. 12)

3 Cl2 (ac) + 6 NaOH_ → NaClO3 + 3 H2O + 5 NaCl (ec. 13)

Si el HCl producido reacciona con Soda Cáustica para producir sal y

agua, más Cloro, debe ser hidrolizada para restablecer el equilibrio.

Cl2 + H2O → HCl + HOCl

HCl + NaOH → NaCl + H2O

_____________________________________

Cl2 + NaOH → NaCl + HOCl (ec. 14)

49

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Figura 6: Tipos de electrolizadores

Fuente: www.eltech.com

2.2.6 Procesamiento del Cloro Según el texto Eltech System Corporation. Membrane Cell Technology p 33

(2001), el Cloro gas producido en los electrolizadores sale caliente y saturado con

vapor de agua. El equipo necesario para el manejo del Cloro depende del uso que

se le va a dar al Cloro. La sección típica de una planta de Cloro-Soda para el

manejo del Cloro consiste en los siguientes cuatro procesos: Enfriamiento,

Secado, Compresión y Evaporación.

Si el Cloro gas va a ser utilizado en la producción de ácido clorhídrico,

normalmente solo necesita ser enfriado y comprimido antes de ser usado en la

unidad de síntesis de HCl.

50

DERECHOS RESERVADOS

2.2.7 Circulación de Soda Cáustica :

Siguiendo con Eltech System Corporation. Membrane Cell Technology p 33

(2001), la Soda Cáustica entre 28-32% fluye por gravedad desde las celdas hacia

el tanque de Soda Cáustica localizado por debajo de las celdas. La Soda Cáustica

es luego bombeada y pasada por el calentador/enfriador de Soda y es devuelto a

los electrolizadores de celdas de membrana para controlar la temperatura dentro

de este. La Soda Cáustica bombeada desde el tanque de circulación de Soda es

diluida con agua desmineralizada antes de ser enfriada y retornada a los

electrolizadores.

2.2.8 Manejo de la salmuera agotada Eltech System Corporation. Membrane Cell Technology p 24 (2001) explica

esta sección, la salmuera agotada sale del electrolizador junto con Cloro gas. El

Cloro se separa de la salmuera en una te, fuera del electrolizador. La salmuera

agotada saturada con gas Cloro fluye desde la te hasta un tanque recolector.

Desde el área de electrolisis la salmuera agotada fluye por gravedad hasta

el recolector de salmuera agotada localizado por debajo del nivel de las celdas.

Para recobrar el Cloro presente en la salmuera (como ácido hipocloroso) en

el tanque de salmuera agotada, suficiente ácido clorhídrico debe ser añadido para

forzar que la siguiente reacción tienda hacia la derecha:

HCl + HOCl → Cl2 + H2O (ec. 15)

A un pH entre 1.8-2.0, la conversión de HOCl es completada

esencialmente. Además de la cantidad de ácido hipocloroso, la cantidad de

Sulfato de Sodio en la salmuera agotada tiene impacto en la cantidad de ácido

clorhídrico que debe ser añadido para alcanzar el pH específico. El Sulfato está

envuelto potencialmente en los siguientes equilibrios:

51

DERECHOS RESERVADOS

Na2SO4 + HCl → NaHSO4 + NaCl (ec. 16)

NaHSO4 + HCl → H2SO4 + NaCl (ec. 17)

De hecho, el equilibrio expresado en la última ecuación tiende tanto hacia

la izquierda que para las condiciones de operación su impacto es insignificante. A

pesar de ello a un pH de 1.8-2.0 el equilibrio expresado de la primera ecuación

tiene un efecto insignificante en la cantidad de ácido clorhídrico requerido.

El equilibrio puede ser expresado como:

(Na2SO4) = 10 (ph-1.92) (ec. 18)

Fuente: Eltech System Corporation. Menbrane Cell Technology p 25. (2001)

A un pH de la salmuera que sale del electrolizador alrededor de 3-4

esencialmente todo el Sulfato es Sulfato de Sodio. A un pH entre 1.8-1.9, sin

embargo, escasamente más de la mitad del Sulfato está en la forma de NaHSO4.

Entre el recibidor de la salmuera agotada y el declorinador, una pequeña

corriente de salmuera puede ser desviada hacia un reactor destruidor de cloratos.

En este caso la corriente es calentada desde 88° C hasta 100° C; luego ácido

clorhídrico es agregado para destruir los Cloratos. Los Cloratos son generados en

el electrolizador como parte de una de las ineficientes reacciones. El Sistema

para la destrucción de los Cloratos mantiene la concentración de ellos por debajo

de 10-20 gpl en la salmuera agotada. La salmuera altamente acidificada pasa por

la mezcladora-destructora y hacia el reactor destructor de Cloratos. La reacción

de destrucción es como sigue :

6 HCl + NaClO3 → 3Cl2 + NaCl + H2O (ec. 19)

52

DERECHOS RESERVADOS

El gas Cloro generado en la reacción anterior se separa en el reactor

destructor de Cloratos y es venteado hacia el tanque de almacenamiento de Cloro

y luego hacia el posterior procesamiento de Cloro.

El ácido clorhídrico es agregado en exceso de los requerimientos

estequiométrícos para forzar a que la reacción tienda hacia el lado derecho y para

minimizar la formación de Dióxido de Cloro. La salmuera extremadamente

acidificada que sale del reactor normalmente posee de 30 a 60 gr/l de HCl en

exceso, este exceso reacciona con el HClO en el tanque de salmuera agotada

para liberar Cloro gas.

Una importante reacción puede ocurrir entre el Clorato y el HCl para formar

Dióxido de Cloro:

NaClO3 + 2HCl → ClO2 + ½ ClO + NaCl + H2O (ec. 20)

La reacción anterior tiene serias implicaciones de seguridad, las cuales

deben ser consideradas y cuidadosamente tomadas en cuenta durante el diseño

y operación del sistema destructor de Cloratos. Dióxido de Cloro (ClO2) es

explosivo en presencia del Cloro, y por lo tanto su formación debe ser

minimizada. La formación de ClO2 ocurre aproximadamente a un pH de 3 y

puede detonar en rango de temperatura de 60 a 70° C. Por lo tanto es imperativo

que el reactor destructor de Clorato debe ser mantenido a un pH menor a 1 y una

temperatura mayor a 100° C.

2.2.8.1 Declorinación de la salmuera agotada: 2.2.8.1.1 Declorinación al vació: De acuerdo a Eltech System Corporation. Membrane Cell Technology p31.

(2001), la salmuera agotada es bombeada desde el tanque recibidor de salmuera

agotada hacia el tope de la columna empacada (declorinador) operando a una

presión de vacío de -0.58 kgf/cm2 o 430 mm Hg por debajo de la presión

53

DERECHOS RESERVADOS

atmosférica (0.457 kgf/cm2 o 330 mm Hg absoluta) El declorinador minimiza el

Cloro disuelto en la salmuera hasta niveles de 10 mg/l. La columna empacada es

usada para asegurar un área adecuada para que se produzca la separación

vapor-liquido. El vapor y el liquido fluye a co-corriente por la columna y son

separados en el fondo. El Cloro y el vapor de agua del declorinador pasan por un

condensador de carcaza y tubos en donde se condensa la mayoría del vapor de

agua. El Cloro gas obtenido es enviado a la sección de procesamiento de Cloro,

La salmuera declorinada es luego enviada al saturador de salmuera.

2.2.8.2 Declorinación quimica : Eltech System Corporation. Membrane Cell Technology p31. (2001) dice:

Sulfato de Sodio líquido, Peroxido de Hidrógeno o Dióxido de Azufre (en orden de

preferencia), y Soda Cáustica son inyectados en la salmuera declorinada para

completamente eliminar todo el Cloro en la salmuera, descomponer los Cloratos y

ajustar pH. Asumiendo que el Sulfato de Sodio fuese empleado, la siguiente

reacción ocurre:

Na2SO3 + 2 NaOH + Cl2 → Na2SO4 + 2 NaCl + H2O (ec. 21)

El Sulfato de Sodio es agregado al 10% en peso, en cantidades dos o tres

veces mayores al radio estequiométrico. El Sulfato de Sodio en exceso puede

descomponer algo de los Cloratos en la salmuera de acuerdo a la siguiente

reacción:

3 Na2SO3 + NaClO3 → 3 Na2SO4 + NaCl (ec. 22)

2.2.9 Hidráulica de tuberías En todos los sistemas que impliquen el movimiento de fluidos a través de

líneas es importante conocer el comportamiento de los mismos en el interior de las

tuberías, esto se realiza por medio de estudios hidráulicos.

54

DERECHOS RESERVADOS

Según R. Fox, 1989, el estudio hidráulico se basa en calcular las

velocidades y diferenciales de presión ocasionados por el movimiento de los

fluidos dentro de las tuberías y accesorios tale como codos, válvulas, etc.

El método más común para transportar fluidos de un punto a otro es

impulsarlo a través de un sistema de tuberías. Las tuberías de sección circular son

las mas frecuentes, ya que esta forma ofrece mayor resistencia estructural y

también mayor sección para el mismo perímetro exterior que cualquier otra forma.

El término velocidad, se refiere a la velocidad media o promedio de cierta

sección transversal dada por la ecuación de continuidad para flujo estacionario,

esto es:

V = q = m • 1 = m • v (ec. 23)

A A ρ A

Donde:

q =: Caudal en las condiciones de flujo (m3/s)

A = Área dela sección transversal de la tubería u orificio (m2)

m = flujo másico (kg/h)

ρ = densidad del fluido (kg/m3)

v = volumen especifico del fluido

V = Velocidad del fluido, m/s

No se puede estudiar el flujo de fluidos por tuberías sin tomar en cuenta las

pérdidas de energía que supone el rozamiento de las partículas del fluido con las

paredes de la tubería (fricción), este roce tiene como consecuencia la caída de

presión en el sentido del flujo.

Esta pérdida total de presión se puede considerar como la suma de las

pérdidas mayores debida a los rozamientos del flujo completamente desarrollado a

través de un conducto de área constante y las pérdidas menores debido a los

accesorios que tiene la tubería, tales como entradas, acoplamientos entre tubos,

cambios de área y de dirección.

55

DERECHOS RESERVADOS

La ecuación general de la pérdida de presión, conocida como la formula de

Darcy y que expresa en metros de fluido es:

hl = ƒ • L • V2 (ec. 24)

2 • D • g

Donde:

ƒ = Factor Darcy, adimensional

D = Diámetro de tubería, m

V = velocidad del fluido, m/s

g = aceleración de la gravedad

La ecuación de Darcy es válida tanto para flujo laminar como turbulento de

cualquier líquido en una tubería. Con la ecuación (2) se obtiene la caída de

presión por fricción, esta se aplica a tuberías de diámetro constante por la que

pasa un flujo cuya densidad permanece casi invariable a través de la línea recta,

ya sea horizontal, vertical o inclinada.

El factor de fricción (ƒ) es un término netamente empírico que se obtiene de

forma experimental. Se han desarrollado tablas, gráficos y algunas ecuaciones

para obtener el factor ƒ.

El factor de fricción para régimen laminar es solo una función del numero de

Reynolds; mientras que para el flujo turbulento es función de la rugosidad relativa,

propia del material de la tubería y el Reynolds.

56

DERECHOS RESERVADOS

Fig. 7. Factor de fricción en tuberías PVDF

Fuentehttp://www.asahi-america.com

Fig. 8. Rugosidad Relativa e tuberías PVDF

Fuente http: //www.asahi-america.com

57

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2.2.9.1 Regímenes de fluidos en tuberías Los flujos viscosos se pueden clasificar en laminares o turbulentos teniendo

en cuenta la estructura interna del flujo. En un régimen laminar la estructura del

flujo se caracteriza por el movimiento de láminas o capas; mientras que la

estructura del flujo turbulento se caracteriza por los movimientos tridimensionales,

aleatorios, de las partículas del fluido, superpuestos al movimiento promedio. Para

un régimen laminar, la velocidad del fluido es la máxima en el eje de la tubería y

disminuye rápidamente hasta anularse en la pared de la tubería.

La distribución de velocidades en el régimen turbulento es mas uniforme a

través del diámetro de la tubería que en el régimen laminar. En la práctica de

ingeniería son mas frecuentes las situaciones de flujo turbulento. (R. Fox, 1989)

2.2.9.1.1 Numero de Reynolds Es un parámetro empírico adimensional mediante el cual se puede

determinar el estado de un flujo, este número relaciona el flujo volumétrico, el

diámetro de la tubería, la densidad y la viscosidad del fluido. Dicho valor numérico

puede considerarse como “la relación de las fuerzas inerciales de la masa del

fluido respecto a las fuerzas viscosas” (R. Fox, 1989). El número de Reynolds se

define como:

Re = 4 • Q (ec. 25)

π •Di • v

Donde:

Q: Flujo volumétrico (m3/s)

Di: diámetro interno de la tubería (m)

v: Viscosidad cinemática (m2/s)

58

DERECHOS RESERVADOS

Si Re < 2000 el flujo se considera laminar, si Re > 4000 se considera

turbulento: cuando Re está entre estos dos valores se dice que el flujo está en

régimen de transición.

2.2.9.2 Principios de Cálculos de Caída de Presión

La ecuación básica para el cálculo de caída de presión para líquidos en

tuberías y accesorios es la ecuación de Bernoulli generalizada, la cual asume

densidad constante, la ecuación se muestra a continuación:

P1 + Z1 •g + v12 = P2 + Z2 •g + v2

2 + hL (ec. 26)

ρ gc 2gc ρ gc 2gc

Donde:

hL = Fricción o pérdida de cabezal, kJ/kg

g = Aceleración de la gravedad, m/s2

gc = constante dimensional, 1x103 kg•m/kN•s2

P = Presión, kPa

v = Velocidad de fluido, m/s

Z1, Z2 = Elevación, m

ρ = Densidad kg/m3

Para tuberías horizontales de diámetro constante, es importante solamente

el término fricción hL. Para tuberías verticales o inclinadas se debe incluir el

término de elevación y para cambios de sección transversal el término de energía

cinética. Para líquidos en general, se puede asumir viscosidad y densidad

constante. El flujo no isotérmico es una excepción, debido a intercambio de calor o

a producción o consumo de calor en el líquido por reacción química o a pérdida

por fricción.

59

DERECHOS RESERVADOS

En los casos en que el flujo se puede suponer isotérmico a través de la

sección transversal, pero no isotérmico a lo largo de la longitud de la tubería, la

caída de presión puede ser determinada dividiendo la tubería en tramos y

calculando la caída de presión entre cada una de las divisiones hechas

Cuando el flujo no se puede suponer isotérmico a través del tramo de la

tubería en cuestión, es necesario utilizar un método especia de cálculo, ya que la

densidad y viscosidad dependen casi exclusivamente de la temperatura del fluido.

(R. Fox, 1989)

2.2.9.2.1 Tuberías Rectas Horizontales

La caída de presión en tuberías rectas de diámetro constante es causada

mayormente por fricción y puede ser calculada mediante la ecuación de Fanning.

El factor experimental en esta ecuación, llamado factor Fanning ƒ, es una función

del numero de Reynolds y la rugosidad relativa de la pared de la tubería.

Para un determinado tipio de material, la rugosidad es relativamente

independiente del diámetro de la tubería; por lo tanto, el factor de fricción puede

ser expresado como una función del número de Reynolds y del diámetro interno

de la tubería. Para flujo laminar (Re < 2000), el factor de fricción es función solo

del número de Reynolds. La región de transición está limitada por valores del

número de Reynolds comprendidos entre 2000 y 4000. Aquí el flujo puede ser

tanto laminar como turbulento, dependiendo de factores tales como el cambio de

la sección transversal o la presencia de válvulas, accesorios u obstrucciones en

las tuberías. En este régimen, el factor de fricción es difícil de determinar y cae en

algún lugar entre los límites para flujo laminar y turbulento. Sin embargo para la

mayoría de las aplicaciones con tubería comercial el fluido tiende a ser turbulento

y debe usarse el valor mas alto de factor de fricción. (W. Streeter, Mecánica de

fluidos, 1994)

La precisión de la ecuación de fricción de Fanning es ± 15% para tubos

“tubing” (lisos) y ± 10% para tubería de acero comercial.

60

DERECHOS RESERVADOS

El ensuciamiento puede reducir el área de sección transversal o incrementar la

rugosidad de la tubería con el tiempo. Por esta razón, cuando se calculan las

caídas de presión de debe dar holgura para el ensuciamiento.

La mayoría de los estudios del efecto del ensuciamiento en las caídas de

presión han sido para tuberías con agua. Para tales tuberías en lugar de la

correlación de Fanning, la correlación empírica que se ha usado ampliamente es

la conocida como factor Hazen-Williams. La correlación contiene un coeficiente

conocido como factor H–W –“C”, el cual es usado para tomar en cuenta la

superficie y ensuciamiento. (R. Fox, 1989)

2.2.9.2.2 Efectos de Accesorios Los codos, conexiones “T”, válvulas, orificios y otras restricciones causa

caídas de presión adicional en la tubería. Los accesorios que tiene el mismo

diámetro nominal que la tubería, pueden ser tomados en cuenta en términos de

longitud equivalente de tubería. Esta longitud equivalente puede ser calculada a

partir de los coeficientes de los accesorios.

La longitud equivalente es entonces sumada a la longitud real de la tubería y la

suma es usada en la ecuación de Fanning para predecir la caída de presión total.

El uso de longitudes equivalentes o coeficientes de resistencia es, como se

ha publicado, esencialmente una correlación aproximada de un problema

complejo. Si la caída de presión es un factor crítico por seguridad, economía u

otras consideraciones.

Cuando no se dispone del detalle de la tubería se pueden usar las

siguientes guías para estimar longitudes equivalentes:

Líneas dentro de la Planta: La longitud real de tubería puede ser estimada a partir

del plano de distribución, alturas de torre, etc. La longitud equivalente de los

accesorios en las tuberías dentro de la planta suma entre 200% y 500% de la

longitud real. De acuerdo a esto un factor multiplicador entre 3.0 y 6.0 se puede

aplicar para estimar la longitud de tubería recta.

61

DERECHOS RESERVADOS

Líneas fuera de la Planta: Para líneas fuera de la planta, la longitud de tubería

recta aproximada puede ser estimada del plano de distribución. Debido a que los

accesorios en líneas fuera de la planta tienen una longitud equivalente

comprendida entre 20% y 80% de la longitud real, se puede aplicar un factor

multiplicador entre 1.2 y 1.8 para estimar longitudes de tubería rectas. (R. Fox,

1989)

2.2.9.2.3 Tuberías no-Horizontales En caso de tuberías no horizontales, el término de elevación debe sumarse

al cambio de presión calculado por las pérdidas por fricción y energía cinética

usando la siguiente expresión:

(ΔP)e = F ρ•g (Z2-Z1) (ec. 27)

gc

Donde:

(ΔP)e = Caída de presión debido al cambio de elevación, kPa

Z1,Z2 = Elevación al comienzo y final de la tubería, m

F = Factor que depende de las unidades utilizadas, el valor en el

sistema métrico es 9.81 x 10–3

2.2.10 Intercambio de Calor

El papel de los intercambiadores de calor es ahorrar energía y disponer de

equipos óptimos no sólo en función de su análisis térmico y del rendimiento

económico de la instalación, sino también en función de otros factores como el

aprovechamiento energético del sistema y la disponibilidad y cantidad de energía y

de materias primas necesarias para cumplir una determinada función.

Desde el momento en que un intercambiador de calor se instala y pone en

funcionamiento dentro de un proceso de transferencia térmica, se precisa un

determinado gradiente de temperatura para que se pueda efectuar la transmisión

62

DERECHOS RESERVADOS

del calor; la magnitud de este gradiente se puede reducir utilizando a medida que

aumenta el tamaño del intercambiador, pero esto a su vez implica un mayor costo,

tanto de tipo económico, como energético. www.heattransfer.com

2.2.10.1 Tipos de intercambiadores de calor. Según www.heattransfer.com, los intercambiadores de calor se clasifican en

4 tipos.

1. Doble Tubo

2. Carcaza y Tubo

3. Flujo Cruzado

4. Compacto

2.2.10.1.1 Intercambiadores De Doble Tubo Siguiendo con www.heattransfer.com, el intercambiador más sencillo, por

el tubo interno circula uno de los fluidos, mientras que el otro fluido circula por el

espacio anular. Dependiendo del sentido del flujo se clasifica en:

2.2.10.1.1.1 Flujo Paralelo y Flujo Contracorriente En este tipo de intercambiador, los dos fluidos se mueven bien sea en el

mismo sentido o en sentidos opuestos, tal y como se muestra en la figura

63

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Fig. 9 Intercambiador de doble tubo

Fuente: www.heattransfer.com

2.2.10.1.2 Intercambiadores de Carcasa y Tubo Es el intercambiador más ampliamente usado en la industria. En este

intercambiador un fluido fluye por el interior de los tubos, mientras el otro es

forzado a través de la carcaza y sobre el exterior de los tubos. Para asegurar que

el fluido por el lado de la carcaza fluya a través de los tubos e induzca una mayor

transferencia de calor, se colocan, deflectores ó placas verticales. Es corriente

encontrar intercambiadores de calor de 2,4,8,etc. pasos de tubos. De la misma

manera existe la posibilidad que exista varios pasos de carcaza. Perry, p11-3.

(1992)

Figura 10. Intercambiador de carcaza y tubo

Fuente: www.heattransfer.com

64

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2.2.10.1.3 Flujo Cruzado Alternativamente los fluidos pueden moverse en flujo cruzado

(perpendicular uno al otro), tal como se señala en la figura 11. Los

intercambiadores en flujo cruzado se utilizan comúnmente en procesos de

enfriamiento o calentamiento de aire o gas. En la Figura 11 se señala a dos tipos

de intercambiadores de calor de flujo cruzado. Las dos configuraciones difieren de

acuerdo si el fluido que se induce sobre los tubos esta mezclado o sin mezclar. Un

fluido se dice que esta sin mezclar debido a que las aletas previenen el

movimiento en la dirección (y) que es la dirección transversal a la dirección del

flujo principal (x). En este caso la temperatura del fluido

varia con x y con y.

Figura 11 Intercambiador de flujo cruzado

Fuente: www.heattransfer.com

En contraste para el haz de tubo sin aletear, el movimiento del fluido, se

dice que esta mezclado ya que la temperatura no cambia en la dirección

transversal, siendo función exclusiva de la dirección del flujo principal. Dado que el

flujo dentro de los tubos esta sin mezclar, ambos fluidos se dicen que están sin

mezclar en el intercambiador aleteado, mientras que un fluido esta mezclado y el

otro sin mezclar en el intercambiador no- aleteado. Es importante destacar que la

65

DERECHOS RESERVADOS

condición de mezclado y sin mezclar del intercambiador influencia

significativamente el funcionamiento del intercambiador de calor. Fuente:

www.heattransfer.com

Figura 12 Intercambiadores compactos

Fuente: www.heattransfer.com

2.2.10.1.4 Intercambiador Compacto Intercambiadores de calor con relación área superficial/volumen,

As /V = β mayores que 700 m m se denominan intercambiadores de calor

compacto, debido a su pequeño tamaño y peso, los intercambiadores de calor

compactos prevalecen en la industria automotriz, industria aéreo-espacial y en

sistemas marinos. Un espectro de intercambiadores de calor basado en el

parámetro β es mostrado en la Figura 13

66

DERECHOS RESERVADOS

Figura 13 Espectro del parámetro β ( / ) m m

Un intercambiador de carcaza y tubo típico con tubos de 25,4 mm de

diámetro, el cual es comúnmente utilizado en los condensadores de las plantas de

generación de potencia, poseen un valor de β = 130 mm . Por otra parte, los

radiadores de los nuevos automóviles con 5,5 aletas/cm (14 aletas/pulgada)

califican como intercambiadores de calor compacto dado que poseen β = 1001

mm equivalente a tubos de 3 mm de diámetro. Fuente: www.heattransfer.com

2.2.10.2 Coeficiente Global de Transferencia de Calor A diferencia de los procesos estudiados anteriormente, la temperatura

superficial o los flujos de calor no son especificados para los intercambiadores de

calor. Esta complicación es resuelta mediante la utilización del Coeficiente Global

de Transferencia de Calor. Este coeficiente es definido en términos de la

resistencia térmica total a la transferencia de calor entre dos fluidos. Cuando

consideramos fluidos de un intercambiador de calor fluyendo fuera y dentro de un

tubo, Figura 14

67

DERECHOS RESERVADOS

Figura 14 Coeficiente global de transferencia de calor para un tubo

Fuente: www.heattransfer.com

De manera que podemos escribir que:

(ec. 28)

Donde Uo, designa al coeficiente global de transferencia de calor, referido al

área externa, y de igual forma, Ui se refiere al coeficiente global de transferencia

de calor referido al área interna. Dicha distinción es necesaria, debido a que el

área disponible para transferencia de calor no es constante sino se crece cuando

se avanza radialmente.

En la tabla siguiente se muestra valores típicos del coeficiente global de

Transferencia de calor, U

68

DERECHOS RESERVADOS

Fig.15 Algunos valores típicos del Coeficiente Global de Transferencia de Calor, U

Fuente: www.heattransfer.com

2.2.10.3 Factor de Encrustamiento Las expresiones anteriores para el coeficiente global de transferencia de

calor, son válidas para tubos limpios. Como es bien conocido las superficies

interior de los tubos de un intercambiador de calor no permanecen limpias

después de varios meses de operación. Se forman escamas o depósitos en la

superficie interior. La acumulación de escamas o depósitos en el interior de los

tubos, pueden afectar severamente el valor del coeficiente global de transferencia

de calor, U.

El efecto global de los depósitos se cuantifica por el denominado Factor de

encrustamiento o Factor de suciedad, Rf el cual se determina

experimentalmente. Su efecto neto consiste en incrementar la resistencia al flujo

de calor, o que en otras palabras disminuir el coeficiente global de transferencia de

calor. Fuente: www.heattransfer.com

Factor de suciedad Rf, se relaciona con el coeficiente Global teórico,

mediante la siguiente expresión:

69

DERECHOS RESERVADOS

(ec 29) Fig.16 Valores típicos del factor de encrustamiento

Fuente: www.heattransfer.com

2.2.10.4 Análisis Térmico de un Intercambiador de Calor Según Perry, p10-24. (1992). El objetivo de un análisis térmico de un

intercambiador de calor es el de ser capaces de expresar la cantidad total de calor

transferido, q, del fluido caliente al fluido frío, en términos del coeficiente global de

transferencia de calor. El área de transferencia de calor A, y las temperaturas de

entrada y salida de los fluidos caliente y frío. Un balance de energía da como

resultado:

[ Energía perdida por el flujo caliente] = [Energía ganada por el flujo frío]

Las metodologías de análisis térmico de intercambiadores de Calor son:

1. Método F-LMTD

2. Método ε- NTU

70

DERECHOS RESERVADOS

A continuación presentaremos solo el análisis del método F-LMTD

o bien:

(ec. 30)

donde:

mh : Flujo másico del fluido caliente

ch : Calor específico del fluido caliente

Th,f :Temperatura de entrada del fluido caliente

Th,o :Temperatura de salida del fluido caliente

mc : Flujo másico del fluido frío

cc : Calor específico del fluido frío

Tc,i , : Temperatura de entrada del fluido frío

Tc,0 : Temperatura de salida del fluido frío

El producto ( c · m )aparece con frecuencia en el análisis de

intercambiadores de calor y es denominado, Capacidad calorífica, C ( c · m = C )

2.2.10.4.1 Diferencia de temperatura media logarítmica Considérese el intercambiador de calor de doble tubo mostrado en la Figura

17, el cual opera en flujo paralelo:

71

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Fig. 17 Distribución de temperaturas en un intercambiador de doble tubo en flujo paralelo

Fuente: www.heattransfer.com, Perry, p10-25. (1992)

Se propone calcular el flujo de calor mediante:

(ec. 31)

donde: q : Flujo de calor [ W] U : Coeficiente Global de transferencia de calor, ] / [W/m2 K A: Área de transferencia de calor consistente con U. Δ Τ m: Diferencia de temperatura media En la figura 17 se muestra la historia de las temperaturas de los fluidos fríos y calientes, de este modo un balance de energía nos da como resultado.

(ec. 32)

incorporando la capacidad calorífica, y reordenando, obtenemos:

72

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(ec. 33)

Restando ambas ecuaciones,

(ec. 34)

sustituyendo la expresión de calor expresada por:

(ec. 35)

Se obtiene la siguiente ecuación diferencial:

(ec. 36)

Integrando la ecuación anterior entre el punto 1 y el punto 2, se obtiene:

(ec. 37)

si,

(ec. 38)

De manera que sustituyendo las ecuaciones anteriores en la ecuación previamente integrada, obtenemos:

(ec. 39)

73

DERECHOS RESERVADOS

Rescribiendo la ecuación anterior:

(ec. 40)

que al despejar de la ecuación anterior, q , se tiene:

(ec. 41)

de la última ecuación se reconoce:

(ec. 42)

donde LMTD son las siglas en inglés de Logarithm Mean Temperature

Difference (Diferencia de temperatura logarítmica media).

En forma similar para un intercambiador de doble tubo, operando en

fijo en contracorriente, tal como el indicado en la Figura 18

74

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Fig. 18 Distribución de temperaturas en un intercambiador de doble tubo en contra flujo

Fuente: www.heattransfer.com, Perry, p10-25. (1992)

Se tiene que LMTD, viene dada por:

(ec. 43)

Por tanto se verifica que aplica la misma expresión para LMTD, tanto en

flujo paralelo, como en contracorriente.

Para el caso particular de operación en contracorriente, en el cual ambos

fluidos poseen la misma capacidad calorífica, Cc = Ch , se obtiene que ΔΤ1 = ΔΤ2 ,

75

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de manera que se presenta una indeterminación en el cálculo de ΔT m , que al

solventar aplicando la regla L’hopital se obtiene finalmente que ΔTm = ΔΤ1 = ΔΤ2 .

2.2.10.4.1.1 Análisis Térmico en Intercambiadores de Carcasa y Tubo con Flujo Cruzado.

Según Perry, p10-25. (1992). Si se usa un intercambiador calor diferente del

tipo de doble tubo, la transferencia de calor se calcula usando un factor de

corrección, F aplicado al valor LMDT, por tanto

(ec. 31)

(ec. 44)

(ec. 45)

Expresiones algebraicas para el factor de corrección, F, han sido

desarrolladas para diversos configuraciones de intercambiadores de carcaza y

tubo e intercambiadores tubo cruzado, ( TEMA 1978). Y los resultados pueden ser

presentados en forma gráfica, tales como los mostrados en la Figura 19 a 22 la

notación (T,t) es usada para especificar las temperaturas de los fluidos, con la

variante t siempre asignada al fluido que circula por los tubos. Con esta

convención no hay problema si es el fluido caliente o frío el que fluye por los tubos

o por la carcaza. Una importante implicación de las Figuras 19 a 22 es que, si el

cambio de temperatura del fluido es despreciable, P o R son cero y por tanto F=1.

Independientemente de la configuración del intercambiador. Esta situación se

presenta cuando uno de los fluidos presenta un cambio de fase.

76

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Fig.19 Factor de corrección para un intercambiador de un paso por carcaza y dos, cuatro o cualquier múltiplo de dos pasos por tubos

Fuente: Perry, p 10-27 (1992)

77

DERECHOS RESERVADOS

Fig.20 Factor de corrección para un intercambiador de carcaza y tubo con dos pasos de carcaza y cuatro, ocho o cualquier múltiplo de cuatro pasos por tubos

Fuente: Perry, p 10-27 (1992)

78

DERECHOS RESERVADOS

Fig.21 Factor de corrección para un intercambiador de un solo paso y flujo transversal, con ambos fluidos sin mezclar

Fuente: Perry, p 10-27 (192)

79

DERECHOS RESERVADOS

Fig.22 Factor de corrección para un intercambiador de un solo paso y flujo transversal, con un fluido mezclado y otro sin mezclar

Fuente: Perry, p 10-27 (192)

2.2.11 Bombas

Siempre que tratemos temas como procesos químicos, y de cualquier

circulación de fluidos estamos, de alguna manera entrando en el tema de bombas.

Según Perry, p6-4.(1992), el funcionamiento de la bomba será el de un

convertidor de energía, o sea, transformara la energía mecánica en energía

cinética, generando presión y velocidad en el fluido.

Existen muchos tipos de bombas para diferentes aplicaciones.

Los factores más importantes que permiten escoger un sistema de bombeo

adecuado son: presión última, presión de proceso, velocidad de bombeo, tipo de

fluido a bombear (la eficiencia de cada bomba varía según el tipo de fluido).

Le ecuación de Energía, también conocida como ecuación de Bernoulli (ec.

46) se utiliza para conocer la capacidad de la bomba:

80

DERECHOS RESERVADOS

THD= ΔP + ΔZ•g•ρ + ΔV2•ρ+ hL, (ec 46)

Estacionamiento

Donde:

TDH: Cabezal Dinámico Total

ΔP: Cabezal de presión

ΔZ: Cabezal de altura

ΔV: Cabezal de velocidad

ρ: Densidad del fluido

hL: Cabezal de pérdidas por fricción y accesorios

gc: Constante dimensional

2.2.11.1 Clasificación de las Bombas

Las bombas se clasifican en tres tipos principales:

• De émbolo alternativo.

• De émbolo rotativo.

• Rotodinámicas.

Los dos primeros operan sobre el principio de desplazamiento positivo, es

decir, que bombean una determinada cantidad de fluido (sin tener en cuenta las

fugas independientemente de la altura de bombeo).

81

DERECHOS RESERVADOS

2.2.11.1.1 Bombas de Embolo Alternativo

De acuerdo a Perry, 6-13. (1992), en su forma usual, la bomba de émbolo

alternativo consiste en un pistón que tiene un movimiento de vaivén dentro de un

cilindro.

Un adecuado juego de válvulas permite que el líquido sea aspirado en una

embolada y lanzado a la turbina de impulsión en la siguiente.

En consecuencia, el caudal será intermitente a menos que se instalen

recipientes de aire o un número suficiente de cilindros para uniformar el flujo.

Aunque las bombas de émbolo alternativo han sido separadas en la mayoría de

los campos de aplicación por las bombas rotodinámicas, mucho más adaptables,

todavía se emplean ventajosamente en muchas operaciones industriales

especiales.

2.2.11.1.2 Bombas de Embolo Rotativo

Siguiendo con Perry, p 6-16, (1992), las bombas de émbolo rotativo generan

presión por medio de engranajes o rotores muy ajustados que impulsan

periféricamente al líquido dentro de la carcaza cerrada.

El caudal es uniforme y no hay válvulas. Este tipo de bombas es

eminentemente adecuado para pequeños caudales (menores de 1 pie3/s y el

líquido viscoso). Las variables posibles son muy numerosas.

82

DERECHOS RESERVADOS

2.2.11.1.3 Bombas Rotodinámicas

Este tipo de bomba su nombre a un elemento rotativo, llamado rodete o

impulsor, que comunica velocidad al líquido y genera presión. La carcaza exterior,

el eje y el motor completan la unidad de bombeo.

Los diversos tipos se pueden agrupar en:

2.2.11.1.3.1 Bombas Centrífugas.

Son el tipo más corriente de bombas rotodinámicas, y se denomina así

porque la cota de presión que crean es ampliamente atribuible a la acción

centrífuga.

El rodete consiste en cierto número de álabes curvados en dirección

contraria al movimiento y colocados entre dos discos metálicos.

El fluido entra por el centro u ojo del rodete y es arrastrada por los álabes y

lanzada en dirección radial. Esta aceleración produce un apreciable aumento de

energía de presión y cinética. A la salida, el movimiento del fluido tiene

componentes radial y transversal. Para que no haya una pérdida notable de

energía, y por tanto de rendimiento, es esencial transformar en la mayor medida

posible la considerable cota cinemática a la salida del rodete en la más útil cota de

presión.

Normalmente, esto se consigue construyendo la carcaza en forma de

espiral, con lo que la sección del flujo en la periferia del rodete va aumentando

gradualmente. Para caudales grandes se usa el rodete de doble aspiración, que

es equivalente a dos impulsores de simple aspiración ensamblados dorso con

dorso; esta disposición permite doblar la capacidad sin aumentar el diámetro del

rodete. Es más cara de fabricar, pero tiene la ventaja adicional de solucionar el

problema del empuje axial.

83

DERECHOS RESERVADOS

En ambos casos, las superficies de guía están cuidadosamente

pulimentadas para minimizar las pérdidas por rozamiento.

El montaje es generalmente horizontal, ya que así se facilita el acceso para el

mantenimiento. Sin embargo, debido a la limitación del espacio, algunas unidades

de gran tamaño se montan verticalmente.

Las proporciones de los impulsores varían dentro de un campo muy amplio, lo que

permite hacer frente a una dilatada gama de condiciones de funcionamiento.

Perry, p 6-8 (1992)

Figura 23. Curva característica (Comportamiento) de una bomba centrífuga

Fuente: www.marchpumps.com

84

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Fig.24 Bomba Centrifuga

Fuente: www.marchpumps.com

2.2.11.1.3.2 Bombas Múltiples

Para alturas superiores a 200 pies (60.96 m) se emplean normalmente bombas

múltiples o bombas de turbina. Este tipo de bomba se rige exactamente por el

mismo principio de la centrífuga y las proporciones del rodete son muy

semejantes.

Consta de un cierto número de rodetes montados en serie, de modo que el

agua entra paralelamente al eje y sale en dirección radial.

La elevada energía cinética del agua a la salida del impulsor se convierte en

energía de presión por medio de una corona difusora formada por álabes

directores divergentes. Un conducto en forma de S conduce el agua en sentido

centrípeto hacia el ojo del rodete siguiente.

El proceso se repite en cada escalonamiento hasta llegar a la salida. Si se aplica

85

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un número suficiente de escalonamientos, puede llegarse a obtener una cota de

4.000 pies (1919.2 m). Perry, p 6-9 (1992)

2.2.11.1.3.2.1 Bombas de columna.

Son del tipo múltiple, con montaje vertical y diseñadas especialmente para la

elevación de agua en perforaciones angostas, pozos profundos o pozos de

drenaje.

Resultan adecuadas para perforaciones de un diámetro tan pequeño como 6

pulg. (15.24 cm) y con mayores diámetros son capaces de elevar cantidades de

agua superiores a un millón de galones por hora desde profundidades de hasta

1.000 pies (304.8 m).

Normalmente se diseñan los impulsores de forma que lancen el fluido en

dirección radial-axial, con objeto de reducir a un mínimo el diámetro de perforación

necesario para su empleo. La unidad de bombeo consiste en una tubería de

aspiración y una bomba situada bajo el nivel del agua y sostenida por la tubería de

impulsión y el árbol motor. Dicho árbol ocupa el centro de la tubería y está

conectado en la superficie al equipo motor.

Cuando la cantidad de agua que se ha de elevar es pequeña o moderada, a

veces es conveniente y económico colocar la unidad completa de bombeo bajo la

superficie del agua. Así se evita la gran longitud del árbol, pero en cambio se

tiene la desventaja de la relativa inaccesibilidad del motor a efectos de su

entretenimiento. www.hydraulics.com

86

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2.2.11.1.3.3 De flujo axial.

Este tipo de bomba es muy adecuado cuando hay que elevar un gran

caudal a pequeña altura. Por esto, sus principales campos de empleo son los

regadíos, el drenaje de terrenos y la manipulación de aguas residuales.

El rendimiento de esta bomba es comparable al de la centrífuga. Por su mayor

velocidad relativa permite que la unidad motriz y la de bombeo sean más

pequeñas y por tanto más baratas.

La altura máxima de funcionamiento oscila entre 30 y 40 pies. Sin embargo,

es posible conseguir mayores cotas mediante 2 ó 3 escalonamientos, pero este

procedimiento raramente resulta económico. Para grandes bombas se adopta

generalmente el montaje vertical, pasando el eje por el centro de la tubería de

salida El rodete es de tipo abierto, sin tapas, y su forma es análoga a la de una

hélice naval.

El agua entra axialmente y los álabes le imprimen una componente

rotacional, con lo que el camino por cada partícula es una hélice circular.

La cota se genera por la acción impulsora o de elevación de los álabes, sin que

intervenga el efecto centrífugo. La misión de los álabes fijos divergentes o álabes

directores es volver a dirigir el flujo en dirección axial y transformar la cota

cinemática en cota de presión.

Para evitar la creación de condiciones favorables al destructivo fenómeno de

cavitación, la bomba de flujo axial se ha de proyectar para poca altura de

aspiración. De hecho, es preferible adoptar en la que el rodete permanezca

siempre sumergido, ya que así la bomba estará siempre cebada y lista para

comenzar a funcionar. www.hydraulics.com

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2.2.12 Volumen de un Cilindro

El volumen de un sólido se define como el espacio que ocupa un cuerpo

tridimensional.

El volumen de un cilindro se calcula mediante la siguiente fórmula

V = π• r2• h (ec 47) Figura 25 Donde, V: Volumen r r: Radio h: Altura Π: (Pi) Constante, 3.141592 h

2.3 Ingeniería Conceptual

Es un paquete de información técnico-económica que contiene las

principales características de un proyecto de ingeniería, entre ellos: Descripción

del proceso productivo, características de los productos finales, materia prima

utilizada y requerimientos generales de área. La finalidad primordial es permitir a

la gerencia de la empresa Venezolana de Cloro C.A. conocer el alcance del

proyecto y un estimado de los costos que implica la construcción del proyecto en

cuestión. Perry, p 25-29

88

DERECHOS RESERVADOS

2.3.1 Documentos

- Descripción del proceso: Es una explicación paso a paso de la operación y

comportamiento de la planta de Cloro-Soda.

- Diagrama de flujo de proceso (DFP): Es un diagrama simplificado de la

descripción del proceso.

- Especificación de Equipos: Es la información técnica de diseño de los

principales equipos del proceso.

- Estándares de Tuberías (Piping Class): Es el estándar por el cual se

diseñaran las redes de tuberías (materiales, velocidades, caídas de presión, entre

otros).

- Consumo de Químicos: Es la especificación de las cantidades y

características de los químicos consumidos en el proceso.

- Estimación de Costos de Instalación: Son los costos de implantación del

proyecto.

2.3.2 Bases, Criterios y Códigos de Diseño Aplicables

2.3.1 Bases de Diseño Los cálculos de la ingeniería conceptual para la planta de cloro-soda se

realizaron partiendo de las necesidades de la empresa VENCLORO C.A., la cual

es de 5 TMD de cloro gas.

La planta estará ubicada en los terrenos de la empresa VENCLORO CA,

ubicada en la segunda etapa de la zona industrial, San Francisco, estado Zulia.

Todos los tanques y recipientes de proceso son atmosféricos.

La materia prima, es decir, la Sal cruda que se someterá a todos los

tratamientos será la proporcionada por la empresa PRODUSAL C.A., la cual

provee todos los análisis físico-químicos de su producto.

89

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2.3.2 Criterios de Diseño

Usuario: El usuario del producto será la empresa VENCLORO C.A., quines

destinaran el producto para su posterior uso en la planta de hipoclorito que se

encuentra dentro de las instalaciones de la mencionada compañía.

Operación: Será continua, ya que al detener el proceso se corre el riesgo

de dañar los electrolizadores.

Configuración del Sistema: Constará de una sección de tratamiento

primario de la materia prima, tratamiento secundario, 2 electrolizadores,

tratamiento de la salmuera agotada y almacenamiento de soda cáustica.

2.3.3 Códigos de Diseño

Materiales de tuberías y equipos: ASTM

Válvulas: API

Diseño de tuberías y accesorios: ASA

Bombas: ANSI, API

Cálculos: AICHE

2.4 Definición de Términos Básicos

Adsorción: unión o atracción de moléculas a una superficie

Agua desmineralizada: comúnmente llamada “agua blanda” o “suave”, es

el agua que después de aplicársele cierto tratamiento químico está exenta de

sales de calcio y magnesio

Amalgama: aleación de Mercurio con otro metal

Anión: ión cargado negativamente

Ánodo: electrodo en donde la oxidación ocurre en una celda

electroquímica. Es el electrodo positivo en una celda electrolítica, mientras que es

90

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el negativo en una celda galvánica. La corriente en el ánodo es considerada

positiva de acuerdo a convenciones internacionales, si embargo, en la química

electroanalítica la corriente es considerada negativa.

Anolito: También llamado salmuera agotada, es la corriente que se va a

recircular, proviene de los electrolizadores, es la porción de la materia prima

tratada que ya no puede ser sometida a la electrólisis.

Catión: ión cargado positivamente

Cátodo: electrodo en donde ocurre la reducción en la celda electroquímica.

Es el electrodo negativo en una celda galvánica. La corriente en el cátodo es

considerada negativa de acuerdo a convenciones internacionales, si embargo, en

la química electroanalítica la corriente es considerada positiva.

Celda de Membrana de Cloro-Soda: celda para la electrólisis del cloruro

de sodio acuoso en el cual los compartimientos del ánodo y el cátodo están

separados por una membrana plástica especial que solo permite a los cationes

pasar a través de ella.

Celda de Mercurio de Cloro-Soda: celda para le electrólisis del cloruro de

sodio acuoso en la cual el mercurio se emplea como cátodo.

Celda electrolítica: celda electroquímica en la cual una corriente dirige una

reacción que de otro modo no seria espontánea.

Densidad de corriente: corriente dividida entre el área del electrodo.

Dureza: Es la cantidad de Ca+2, Mg+2 que posee una corriente de proceso,

puede ser cálcica o magnésica o total, en cuyo caso sería la suma de las dos

durezas.

Electrólisis: proceso para producir un cambio químico en una celda

electrolítica mediante el rompimiento de la molécula de un compuesto.

Electrolito: Es el nombre dado al líquido a través del cual pasa la corriente

eléctrica para producir la electrólisis.

Electrodo Bipolar: Es un electrodo que es compartido por dos celdas

electroquímicas que se encuentran dispuestas en serie, de tal modo que, un lado

91

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del electrodo (que por lo general es plano) actúa como el ánodo en una celda y los

otros lados actúan como el cátodo en otra celda. Es un rasgo de diseño muy

eficiente el usar una sola estructura plana para electrodos en dos celdas vecinas

y también como interconexión eléctrica entre ellos.

Evaluación hidráulica: Cálculo de velocidades y caídas de presión

originadas por la pérdida de energía de los fluidos en movimiento en las tuberías

Intercambio iónico: proceso en el cual se hace pasar una corriente de

agua a través de una columna rellena con un material polimérico, se utiliza para

reemplazar iones de la misma carga.

Ión: partícula cargada eléctricamente obtenida de un átomo o un grupo de

átomos enlazados químicamente por adición o remoción de electrones.

Membrana de intercambio iónico: lamina de plástico formada por resinas

de intercambio iónico. Su función es dejar pasar solo iones positivos o negativos a

través de sí, dependiendo del proceso.

Membrana semipermeable: separador en el cual ciertas moléculas pueden

pasar, mientras que otras no.

Neutralización: todos los tratamientos destinados a llevar el agua a un pH

próximo a la neutralidad o de equilibrio, puesto que el agua puede ser ácida o

alcalina.

Precipitación: La adición de un reactivo soluble, el cual por permutación o

combinación con, los iones indeseables contenidos en el agua bruta provoca la

precipitación del producto de esta combinación.

Regeneración: Es el proceso de reemplazar los iones intercambiados de la

solución tratada durante la operación de servicio con aquellos inicialmente

presentes en el grupo funcional de la resina.

Resina de intercambio iónico: resina polimétrica que contiene fragmentos

cargados eléctricamente (iones fijos) que están unidos a la estructura del

polímero. El uso de estas resinas es en la remoción de iones no deseados en una

solución, remplazando estos iones con otros de igual carga.

92

DERECHOS RESERVADOS

93

Sal Bruta: También llamada “Cruda”, es la sal sin procesar, contiene lodo y

sólidos no deseados para el proceso. Salmuera: agua cargada de sal.

Soda Cáustica: Nombre dado al hidróxido de sodio (NaOH).

Solución saturada: solución que está en equilibrio con respecto a una

sustancia dada disuelta.

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2.5 Mapa de variables

Desarrollar la ingeniería conceptual de una planta de Cloro-Soda para la empresa VENCLORO C.A.

Objetivo Especifico Variable Definición de

Variable Indicadores de

Variable Técnicas de Recolección

Fase

1. Seleccionar el

proceso de

producción de una

planta de Cloro-Soda

para la empresa

VENCLORO C.A.

Proceso de

producción de Cloro-

Soda

Tecnología que se

empleará para la

electrólisis de la

salmuera.

Costo, consumo de

energía, impacto

ambiental.

Revisión bibliográfica

y entrevista no

estructurada

Fase 1

2. Determinar los

requerimientos de

materia prima e

insumos necesarios

para el

funcionamiento de

una planta de Cloro-

Soda para la

empresa VENCLORO

C.A.

Requerimientos de

Materia prima e

insumos

Es la cantidad de

materia prima e

insumos que se

utilizarán en la planta

en su normal

desempeño.

Presión,

Temperatura, Tiempo

de residencia,

Materiales,

concentración, pH,

Dureza, Flujos

volumétricos.

Revisión bibliográfica

y entrevista no

estructurada

Fase 2

94

DERECHOS RESERVADOS

95

3. Dimensionar los

equipos de

producción de una

planta de Cloro-Soda

para la empresa

VENCLORO C.A.

Equipos de

producción

Son los diferentes

equipos que

componen la planta

Alícuotas de

consumo, tiempo de

residencia

Observación directa

y entrevista no

estructurada

Fase 3

4. Definir la ubicación

física dentro de las

instalaciones actuales

para una planta de

Cloro-Soda para la

empresa VENCLORO

C.A.

Ubicación física

El lugar donde

estará ubicada la

planta dentro de las

instalaciones de la

empresa

Disponibilidad de

espacio físico en la

planta

Observación directa

Fase 4

5. Calcular el monto

de la inversión

requerida para la

construcción de una

planta de Cloro-Soda

para la empresa

VENCLORO C.A.

Monto de la inversión

Monto de dinero que

se debe pagar por

los equipos de la

planta

Inversión en U.S. $ y

Bolivares

Entrevistas no

estructuradas

Fase 5

DERECHOS RESERVADOS

Capitulo III.

Marco Metodológico 96

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CAPITULO III: Marco Metodológico 3.1 Tipo de Investigación

Tomando en cuenta el concepto de Tamayo y Tamayo, p 54 (1.997), esta

investigación se define como descriptiva, ya que ”comprende la descripción,

registro, análisis e interpretación de la naturaleza actual, y la composición o

procesos de los fenómenos. La investigación descriptiva trabaja sobre realidades

de hechos, y su característica fundamental es la presentar una interpretación

correcta”. En este caso se tomaron las características físico químicas de la materia

prima a ser tratada y se aplicaron conceptos de ingeniería, de esta manera se

llegó a los resultados aquí presentados.

3.2 Diseño de Investigación

De acuerdo a la estrategia empleada en esta investigación, se puede

considerar como de campo, ya que según Arias, p 50 (1.999), esta “consiste en la

recolección de datos directamente de la realidad donde ocurren los hechos, sin

manipular o controlar variable alguna”. El procedimiento metodológico de esta

investigación se aplica siguiendo un procedimiento por fases, donde se llevan a

cabo las actividades requeridas para el cumplimiento de cada uno de los objetivos

propuestos.

3.3 Técnicas de Recolección de Datos

La técnica de recolección de datos se realizó mediante revisión

bibliográfica, al evaluar los procesos de tratamiento de materia prima y de

producción de cloro-soda ya existentes, también se recogió información por medio

de entrevistas no estructuradas a ingenieros de proceso expertos en la en el

tratamiento de salmuera y electrólisis.

El dimensionamiento y características de los equipos, tales como: tanques,

bombas, filtros, intercambiador de calor e intercambio iónico se realizo mediante

observación directa de los equipos que se encuentran disponibles en el mercado,

97

DERECHOS RESERVADOS

también se realizaron entrevistas no estructuradas a ingenieros expertos en

materiales.

El estudio para la ubicación física de la planta se realizó por medio de

observación directa al evaluar los terrenos disponibles en la empresa VENCLORO

C.A y escoger el área que más se adapta a la disposición de los equipos.

El cálculo de monto de inversión se elaboro un estimado clase III según la

norma de P.D.V.S.A para la adquisición de los equipos que conforman la planta.

Además se realizaron entrevistas no estructuradas a los proveedores de los

equipos, y se utilizaron factores internacionales para dicha inversión 3.3.1 FASE 1: Seleccionar el proceso de producción de una planta de Cloro-Soda para la empresa VENCLORO C.A. En primer lugar, se hizo una investigación detallada de los diferentes

procesos que existen actualmente para la producción de Cloro- Soda a nivel

mundial, se analizaron aspectos ambientales, energéticos y económicos. De esta

manera se pudo conocer de las ventajas y desventajas que poseen las diferentes

tecnologías del proceso en cuestión.

Se definieron condiciones operacionales para el diseño de los componentes

de la planta, de acuerdo a las necesidades de la empresa y siguiendo algunos

criterios aplicados en plantas que funcionan en otras partes del mundo.

Las 3 tecnologías existentes para la producción de Cloro-Soda se encuentran

descritas en el punto 2.2.2, estas son:

1. Celdas de Mercurio.

2. Celdas Membrana.

3. Celdas de Diafragma.

Para la selección del proceso a utilizar, se realizó una matriz de evaluación,

donde se compararon las tecnologías por medio de las siguientes premisas:

98

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• Impacto ambiental: en el punto 2.2.2 se describe los diferentes

procesos de producción de Cloro-Soda, algunos de los cuales

pueden afectar el medio ambiente.

• Severidad del proceso: este factor depende de la descripción de

cada proceso, ya que cada una de las tecnologías tiene

requerimientos diferentes con respecto a la pureza de la materia

prima.

• Costo de inversión inicial: de acuerdo al tamaño, número de equipos

de proceso, la pureza de la materia prima, consumo de

regenerantes, varían los costos de la inversión.

• Alícuota de consumo, porque cada tecnología tiene una

concentración mínima de la materia prima que debe ser alimentada a

los electrolizadores.

• Consumo de energía eléctrica: este factor se incluye debido a que

cada tecnología tiene una alícuota diferente de consumo de energía

eléctrica.

99

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Figura 26 Matriz de evaluación de las tecnologías de producción de Cloro-Soda.

Factor de Evaluación Peso Mercurio Membrana Diafragma

Impacto ambiental

Severidad del proceso

Costo de inversión inicial

Alícuota de consumo de materia prima

Alícuota de consumo de energía eléctrica

Total

Fuente: Herrera; Núñez (2.004)

En la matriz, se asigna un valor (en un rango del 1 al 3) a cada proceso,

según se ajuste mejor al factor de evaluación correspondiente, siendo 3 la mejor

ajustada y 1 la más deficiente. El proceso o tecnología seleccionada será el que

sume la mayor cantidad de puntos.

3.3.2 FASE 2: Determinar los requerimientos de materia prima e insumos necesarios para el funcionamiento de una planta de Cloro-Soda para la empresa VENCLORO C.A.

En esta fase, se aplicaron relaciones estequiométricas y conceptos de

balance de materiales y energía para la determinación de la materia prima de la

planta, agua (lt/hr) y sal cruda (Kg/dia) requerida, así como también se aplicaron

algunos análisis de laboratorio para la determinación de ciertos insumos

(productos químicos) necesarios para el tratamiento primario de la salmuera.

También se determinó el consumo de energía eléctrica de los electrolizadores por

medio de los proveedores de los mismos.

3.3.3 FASE 3: Dimensionar los equipos de producción de una planta de Cloro-Soda para la empresa VENCLORO C.A.

100

DERECHOS RESERVADOS

Para esta fase, se realizaron cálculos y análisis para determinar las

necesidades del sistema, el cual proporcionó las velocidades y el caudal del fluido

en las tuberías, también se dimensionaron a bombas para impulsar estos fluido;

además, se dimensionaron los tanques de almacenamiento para garantizar la

operación continua de la planta cuando exista la falta de materia prima por

períodos cortos de tiempo.

3.3.3.1 Tanques Por medio de la ecuación 47 (p86), se determinó el volumen, altura y

diámetro de los recipientes que se encuentran en las diferentes etapas del

proceso, los espesores de pared se determinaron mediante tablas que

recomendaban dicho valor según la densidad y características del fluido. Este

formato es utilizado por los proveedores de estos equipos a nivel mundial.

3.3.3.2 Bombas La especificación de las bombas que interviene en el proceso, se realizó

mediante la ecuación numero 46 (p79), de acuerdo con las variables de cada

fluido a transportar. El formato de los datos técnicos se presenta al final de este

capitulo, este formato es utilizado por los proveedores de estos equipos a nivel

mundial.

3.3.3.3 Intercambiador de Calor Los cálculos para dimensionar el intercambiador de calor se realizaron

mediante el método LMDT de la ecuación 45, para el cálculo de calor

transferido se hizo a través de la ecuación 31 tanto para el fluido frío como

para el fluido caliente y todos los parámetros fueron tomados en cuenta al

momento del diseño. El formato de la hoja de datos técnicos se presenta al

final de este capitulo. Este formato es utilizado por los proveedores de estos

equipos a nivel mundial.

3.3.3.4 Intercambio Iónico

101

DERECHOS RESERVADOS

Los cálculos para la determinación del volumen de la capa de intercambio

iónico se realizaron mediante la ecuación número 3.1. La hoja de especificación

de este sistema fue proporcionada por la empresa Rohm & Haas.

3.3.3.5 Tuberías

Los cálculos para el dimensionamiento de las tuberías se realizaron

aplicando el criterio de velocidad 3 m/seg., el cual se estableció de acuerdo con

los ingenieros de la empresa VENCLORO C.A.

3.3.4 FASE 4: Definir la ubicación física dentro de las instalaciones actuales para una planta de Cloro-Soda para la empresa VENCLORO C.A. Para la ubicación física de la planta, se calculó el área que va a ocupar la

planta una vez erigida, tomando en cuenta el flujograma del proceso, el diámetro

de los tanques, longitud de las tuberías y demás equipos, también se tomó en

cuenta la dirección del viento y el patio de almacén de materia prima, luego se

realizó un análisis con el fin de buscar las diferentes opciones que existen en el

área de la empresa para la construcción de la planta de Cloro- Soda. Utilizando

criterios de espaciamiento proporcionados por los ingenieros de la empresa y

siguiendo los lineamientos de

La empresa PDVSA, con su MANUAL DE INGENIERÍA DE REISGO,

documentos IR–M–02 “Separación entre Equipos e Instalaciones” Las distancias

especificadas en el anexo N° 10 se tomaron como referencia para tal propósito.

3.3.5 FASE 5: Calcular el monto de la inversión requerida para la construcción de una planta de Cloro-Soda para la empresa VENCLORO C.A.

Para la ultima etapa de esta investigación se solicitaron cotizaciones de los

equipos necesarios para la construcción de la planta a suplidores reconocidos,

luego se realizó el cálculo de la inversión total requerido.

102

DERECHOS RESERVADOS

1

Capitulo IV.

Análisis de Resultados

2

Capitulo IV: Análisis de Resultados

Al realizar esta investigación, se obtuvieron los resultados para cada una

de las fases anteriormente planificadas.

4.1 FASE 1: Seleccionar el proceso de producción de una planta de Cloro-Soda para la empresa VENCLORO C.A.

Los procesos se evaluaron otorgando la mayor puntuación a la tecnología

que mejor se ajustaban a las premisas de: impacto ambiental, severidad del

proceso, costo de inversión inicial, alícuota de consumo de materia prima, en este

caso cloruro de sodio y alícuota de consumo de energía eléctrica. En este caso

todas las premisas tienen el mismo peso o importancia.

En proceso llevado a cabo en celdas de mercurio se produce una

amalgama de sodio, la cual debe procesarse en un reactor que debe tener una

temperatura mayor a la de la celda electrolítica, esto implica un mayor consumo de

energía. Este sub-proceso puede generar desechos que contienen mercurio, que

es un metal pesado que se debe eliminar de los efluentes de la planta.

Todo este proceso de recirculación de mercurio, hace que la operación de

la planta con esta tecnología tenga un nivel de complejidad muy elevado. La celda

de este tipo debe alimentarse con salmuera a 300 gr/lt. Además, según los

proveedores de tecnologías, este es el proceso que consume mayor cantidad de

energía eléctrica.

Las celdas de diafragma se caracterizan por los sub-productos que contiene

asbestos, estos se encuentran en la membrana que separa el cloro gas y el anolito

del hidrógeno y la soda cáustica.

3

Este asbesto es contaminante y deben eliminarse por completo de los

efluentes. Esta tecnología tiene la característica de contar con dos procesos de

intercambio de calor ya que la salmuera debe entrar a una temperatura de 90 °C a

los electrolizadores, esto incrementa el costo de inversión inicial y aumenta la

complejidad de operación.

La celdas de diafragma requiere la salmuera mas concentrada (305 gr/lt), lo

que se traduce en una alícuota de consumo mayor, es decir, mayor cantidad de

materia prima por cada tonelada de producto. Su consumo de energía eléctrica

está entre los rangos de consumo de los procesos alternativos, es decir, menos

que el de mercurio pero más que el proceso de membrana.

En la tecnología de celdas de membrana, el impacto ambiental es casi nulo,

ya que no se obtienen sub-productos con metales pesados ni asbestos. Estas

celdas deben recibir la salmuera saturada a 290 gr/lt.

Además requieren que la materia prima tenga mínimos contenidos de

calcio, magnesio y hierro, lo que amerita que el tratamiento de la salmuera se

realice de manera más completa; este es el proceso más riguroso.

Los costos de inversión inicial de las tecnologías de membrana y diafragma

son similares, pero el proceso de las celdas de mercurio es el menos costoso, ya

que se sabe que produce desechos contaminantes que contiene este metal.

Además, las celdas de mercurio están en desuso a nivel mundial por sus

productos contaminantes.

La tecnología de membrana es la que tiene el menor consumo de energía

eléctrica.

4

Figura 27. Matriz de evaluación de las tecnologías de producción de Cloro-Soda

Premisa Peso Mercurio Membrana Diafragma

Impacto ambiental 1 3 2

Severidad del proceso 2 1 2

Costo de inversión inicial 3 2 2

Alícuota de consumo de materia prima 2 3 1

Alícuota de consumo de energía eléctrica 1 3 2

Total: 9 12 9

Fuente: Herrera; Núñez

Después de discutir y analizar las tres tecnologías existentes en el proceso

de electrólisis, por medio de la matriz de evaluación presentada anteriormente se

determinó que la más adecuada es la tecnología de CELDAS DE MEMBRANA

para el desarrollo de la planta por los parámetros anteriormente establecidos, ya

que dicho proceso acumula la mayor cantidad de puntos según las premisas

establecidas.

5

4.2 FASE 2: Determinar los requerimientos de materia prima e insumos necesarios para el funcionamiento de una planta de Cloro-Soda para la empresa VENCLORO C.A.

Para esta fase, los requerimientos de materia prima e insumos fueron

establecidos luego de seleccionar la tecnología de celdas de membrana y de

establecer la capacidad de producción de cloro gas, la capacidad de la planta fue

definida por VENCLORO C.A. la cual se fijó en 5000 Kg. por día. La tecnología de

celdas de membrana establece ciertos parámetros en la alimentación de la

materia prima a los electrolizadores. Los flujos másicos y la composición de la

materia prima que debe entrar a los electrolizadores se encuentran en la tabla que

se muestra a continuación. Las características de pureza, dureza total,

temperatura están reseñada en el anexo N° 1.

Se le solicitó información a ELTECH uno de los suplidores mundiales de esta

tecnología. Luego, a través de balances de masa y cálculos estequiométricos se

llegó a los siguientes resultados:

• El consumo de cloruro de sodio (Sal) por día es de 8470 Kg. al 96% de

pureza, tal como lo ofrece la empresa suplidora de dicha materia prima.

• El consumo de Na2CO3 por día es 208.1 Kg.

• El consumo de Na2SO3 es 152 Kg. Por día.

• El consumo de HCl es 80.7 Kg. por día.

• El consumo de NaOH es de 66 Kg. por día.

• La cantidad de agua reposición requerida para el normal funcionamiento de

la planta es de 5672.064 Kg. por día.

• El consumo de energía eléctrica de los electrolizadores es de 15237.5

KW/h día.

• El consumo de agua desmineralizada es de 22030 Kg./día

(22.1 m3/día)

6

BALANCE DE MATERIALES EN EL ELECTROLIZADOR

Planta Cloro –Soda VENCLORO C.A.

Material (kg/hr) S. Alim. S. Agotada NaOH Cl2 H2 Agua Reposición

H2O 2025,37 1603 494,63 41,733 18,3 236,336 NaCl 684,37 345,634 0 0 0 0

NaOH 0,46 0 232,67 0 0 0 H2 0 0 0 0 6,1 0 Cl2 0 0,7 0 201,84 0 0 O2 0 0 0 1,267 0 0

CO2 0 0 0 0,4 0 0 NaClO3 1,1667 1,8 0 0 0 0 Na2CO3 0,934 0 0 0 0 0

Total 2711,8377 1951,734 727,4 245,24 24,4 236,336

Fuente: Herrera, Núñez. (2004)

7

4.2.1 Descripción del proceso de la planta de Cloro Soda para VENCLORO C.A.

La sal bruta se deposita en el tanque saturador SS-2001, en donde

se mezcla con agua municipal hasta alcanzar una concentración de 290 – 300

gr/lt. A este tanque atmosférico también llega la salmuera agotada (anolito),

proveniente de los electrolizadores. En este punto se agrega el agua para que el

inventario de salmuera saturada se mantenga en el nivel adecuado, de esta forma

todo el sistema estará estable, el pH aproximado de la salmuera en este punto es

de 5.5, su dureza total expresada en ppm de CaCO3 es de 564,6 y su temperatura

es de 70 °C.

La salmuera saturada es impulsada por la bomba PP-2001 a dos tanques

en serie agitados, en el primero PR-3001 se añade carbonato de sodio (Na2CO3) y

en el segundo, el PR-3002, se inyecta hidróxido de sodio (NaOH). Estos

compuestos actúan como floculantes y atrapan los sólidos suspendidos, tales

como: arena, piedras e impurezas. El fluido sale por rebose del primer tanque

Precipitador al segundo y de igual manera llega al clarificador. La salmuera sale

de estos tanques con pH aproximado de 8 y su dureza es de 250 ppm de CaCO3.

El carbonato de sodio (Na2CO3) se encuentra almacenado en el área de

servicios, en el tanque TQ-7001, el cual suministra este compuesto a la bomba

PP-7001 para llevar el fluido hasta el primer precipitador. De igual forma, el

hidróxido de sodio (NaOH) se encuentra almacenado en el TQ-7002 para ser

bombeado por la PP-7002 hasta el PR-3002.

El tanque clarificador CL-3001, es donde se separan completamente los

líquidos de los sólidos por precipitación de estos últimos. El lodo que sale por el

fondo del clarificador es enviado al área de efluentes, mientras que la salmuera

saturada, visiblemente pura, sigue su camino por el tope del recipiente hacia el

8

tanque de almacenamiento TQ-3001, en este punto la dureza total de la salmuera

debe ser de 50 ppm.

Posteriormente, la salmuera es transportada por la bomba PP-3001 al filtro

FA-3001, en donde se hace pasar la salmuera por tres medios filtrantes: carbón

antracita, arena y grava para eliminar los insolubles en la salmuera., la cual debe

salir con aproximadamente 4 ppm de dureza total, la salmuera sale con pH 9.

Una vez filtrada, la salmuera pasa a la columna de intercambio iónico

CI-4001, para eliminar la dureza iónica (calcio, magnesio y trazas de hierro) a la

salmuera, hasta llevarla aproximadamente a 0.02 ppm, también se realiza la

remoción de otros cationes presentes en la salmuera de alimentación, tales como:

Cadmio y Níquel.

Se agrega ácido clorhídrico (HCl) proveniente del área de servicio del

tanque TQ-7003 y tomado por la bomba PP-7003 para acidificación de a la

salmuera ultrapura proveniente del intercambio iónico para que esta tenga un pH

aproximado entre 3.5 y 4.5.

La salmuera ya ultra purificada y acidificada se almacena en el tanque

TQ-4001, de donde se bombea por PP-4001 y se pasa por un intercambiador de

calor HE- 4001 para eleva su temperatura hasta 72 ° C. Este intercambio se hace

con la salmuera agotada proveniente de la electrólisis, en este punto la salmuera

está lista para entrar a los electrolizadores.

Los electrolizadores convierten la sal (NaCl) y el agua, en Cloro gas (Cl2),

Hidrógeno (H2) e Hidróxido de Sodio (NaOH). El Cloro gas y el anolito salen juntos

por un lado del electrolizador hacia una Te, la salmuera agotada fluye por

gravedad hacia abajo hasta al tanque TQ-6002, donde el Cloro gas remanente en

la salmuera es enviado a la línea de proceso del Cloro saliente de los

9

electrolizadores, mientras que el gas fluye hacia arriba por la línea principal de

cloro gas producido listo para entrar al proceso de hipoclorito de sodio. Todos los

fluidos salientes del electrolizador salen a una temperatura de 85 °C.

Del otro lado de la celda electrolítica, el Hidrógeno y el Hidróxido de Sodio

salen juntos hasta llegar a una Te, en donde el Hidrógeno fluye hacia arriba y es

llevado a una tubería para ser venteado a la atmósfera. El Hidróxido de Sodio, es

llevado al tanque TQ- 6001.

Desde el tanque TQ-6001, el Hidróxido de Sodio es impulsado por la bomba

PP-6001 hacia una Te que divide en flujo, aproximadamente el 15 % de NaOH es

llevado hacia la unidad de almacenamiento de Soda y el restante 85 % es

recirculado al electrolizador.

La salmuera agotada se bombea por la bomba PP-6002 hacia el

intercambiador de calor HE-4001 de donde sale a 60 °C.

Sulfato de Sodio (Na2SO3) e Hidróxido de Sodio (NaOH) son añadidos en

una cantidad doble del radio estequiometrico y 1% peso a la salmuera para

destruir el cloro remanente y completar la declorinación química.

Desde aquí, la salmuera declorinada y agotada es regresada al saturador

de salmuera donde comienza el ciclo nuevamente.

10

4.2.2 Ecuaciones químicas que intervienen en el procesamiento de saluera

ELECTROLISIS DE LA SALMUERA

2 NaCl (ac) + 2 H2 O(l) 2 NaOH (ac) + Cl2 (g) + H2 (g)

TRATAMIENTO PRIMARIO

CaCl2 + Na2CO3 CaCO3 (s) + 2 NaCl

MgCl2 + 2 NaOH Mg(OH)2 (s) + 2 NaCl

TRATAMIENTO SECUNDARIO

R-Na2 + Ca+2 R-Ca2 + 2 Na+ Resina de Ión en Ion Ion en Intercambio líquido Intercambiado líquido

Iónico

ACIDIFICACIÓN DE LA SALMUERA ULTRA PURA

NaOH + HCl NaCl + H2O

DECLORINACIÓN QUÍMICA

Cl2 + Na2SO3 + 2 NaOH 2 NaCl + Na2SO4 + H2O

11

Figura28. Plano de Simbología de la Planta de Cloro- Soda VENCLORO C.A.

Equipos Líneas Tanque Saturador Bomba Centrífuga Principal de Proceso

Servicios Auxiliares

Tanque Precipitador Intercambiador de Calor Trazado de Calor

Pneumática

Clarificador

Electrolizador Hidráulica

Filtro Eléctrica

Dirección de Flujo Torre de Intercambio Iónico

Tanque de Almacenamiento

Asunto Fecha Revisado por Fecha Aprobado por Fecha

VENCLORO

12

PP-6002

Asunto Fecha Revisado por Fecha Aprobado por Fecha

17

22

20

15

PP-2001

TQ-6002

PP-6001

TQ-6001

EE-5001

HE-4001 PP-4001

TQ-4001

CI-4001 FA-3001

PP-3001

TQ-3001

CL-3001 PR-3002 PR-3001

Cl2 H2 (Vent)

VENEZOLANA DE CLORO

VENCLORO C.A.

Agua de Reposición

Na2CO3 NaOH

Na2SO3

Lodos Lodos Lodos

NaCl

NaOH

SS-2001

2

3

1

4

5

6

7

8

9

10

11

12 13

HCl

14

16 18

19

21

23

24

25

26

27

13

4.2.3 Balance de masa y Condiciones de Operación de la planta de Cloro-Soda VENCLORO C.A.

Corriente m (Kg/h) Q (m3/h) T

(°C)

P op (kPa) man Ph

Dureza total (ppm

CaCO3)

H2O

NaCl

NaOH

Cl2

H2

1 2712,3 2,4554 60 121.31 5,5 564,6 2025.37 684.37 0.46 - - 2 2712,3 2,4554 60 385,63 5,5 564,6 2025.37 684.37 0.46 - - 3 2712,3 2,4554 60 atm 5,5 250 2025.37 684.37 0.46 - - 4 2712,3 2,4554 60 atm 8 50 2025.37 684.37 0.46 - - 5 2712,3 2,4554 60 125,91 8 50 2025.37 684.37 0.46 - - 6 2712,3 2,4554 60 370,79 8 50 2025.37 684.37 0.46 - - 7 2712,3 2,4554 55 303,39 9 4 2025.37 684.37 0.46 - - 8 2712,3 2,4554 55 291,96 10 4 2025.37 684.37 0.46 - - 9 2712,3 2,4554 55 233,91 10 0.2 2025.37 684.37 0.46 - -

10 2712,3 2,4554 55 224,5 10 0.2 2025.37 684.37 0.46 - - 11 2712,3 2,4554 50 120,67 10 0.2 2025.37 684.37 0.46 - - 12 2712,3 2,4554 51 361,774 10 0.2 2025.37 684.37 0.46 -- - 13 2712,3 2,4554 75 260,53 4 0.2 2025.37 684.37 0.46 - - 14 243,57 39,6267 85 20,6 - - - - - 201.84 - 15 18,6674 19,85 85 22,065 - - - - - - 6.116 5819,2 0,5623 85 113,05 12 - 232.67 - 232.67 - - 17 5819,2 0,5623 85 119,67 12 - 232.67 - 232.67 - - 18 5819,2 0,5623 85 174,4 12 - 232.67 - 232.67 - - 19 727,4 0,554 85 165,2 12 - 232.67 - 232.67 - - 20 5091,8 3,8979 85 167,2 12 - 232.67 - 232.67 - - 21 1951,734 1,75413 85 113,05 3.5 - - 345.634 - 0.7 - 22 1951,734 1,75413 85 108,53 3,5 - - 345.634 - 0.7 - 23 1951,734 1,75413 85 253,61 3,5 0.2 - 345.634 - 0.7 - 24 1951,734 1,75413 85 209,3 3,5 0.2 - 345.634 - 0.7 - 25 1951,734 1,75413 60 169,2 3,5 0.2 - 345.634 - 0.7 - 26 3531.133 3.525 60 169.2 5 - - 345.634 - 0.7 -

14

4.3 FASE 3: Dimensionar los equipos de producción de una planta de Cloro-Soda para la empresa VENCLORO C.A.

El volumen de los tanques se calculó basándose en el tiempo de residencia

del fluido en dichos equipos, el cual es suficiente para obtener los resultados

deseados en el tratamiento de purificación de la materia prima, además de

garantizar un inventario que proporcione al menos 8 horas de alimentación a la

sala de electrólisis.

Para el dimensionamiento del filtro y columna de intercambio iónico se

utilizó la rata de flujo igual a 1 l/seg./m2, tomada de Puri Vijay K. “Pretreatment of

water for cooling water and steam generation systems”. Calgon Corporation. 1983.

la cual fue aprobada por los ingenieros de la empresa.

El sistema de tuberías se calculó al tomar como criterio la velocidad del

fluido igual a 3 m/seg

Las dimensiones, características y hoja de especificaciones técnicas de los

equipos, tales como: electrolizadores, tanques, bombas, tuberías, filtros,

intercambiador de calor e intercambio iónico, se presentan a continuación:

15

IDENTIFICACIÓN DE EQUIPOS DE PROCESO ÁREAS DE PROCESO

EE: Electrolizador CI: Columnas de intercambio Iónico FA: Filtro de Antracita, Arena y Grava HE: Intercambiador de calor PR: Precipitador CL: Clarificador PP: Bombas centrífugas SS: Saturador TQ: Tanque de almacenamiento

10 – Almacenamiento Materia Prima

20 – Saturación

30 – Tratamiento Primario

40 – Tratamiento Secundario

50 – Electrolisis

60 – Recirculación de Salmuera

70 – Servicios

80 – Planta de Hipoclorito

90 – Hipoclorito

100 – Efluentes

IDENTIFICACIÓN DE FLUÍDO LEYENDA

S = Salmuera SA = Salmuera Agotada SU = Salmuera ultra pura A = Aire QP = Químicos para Precipitación (Na2CO3) AC = Ácido clorhídrico CA = Soda Cáustica H = Hidrógeno V = Venteo o vaciado D = Drenaje a un hoyo Cl2 = Cloro gas DC =Destrucción Cloratos (Na2SO3 )

Para identificación de Equipos XX-AAYY Donde: XX: Equipo AA: área de la planta YY: Correlativo Para identificación de tuberías: DN-XX-Mat.–AAYY Donde: DN: Diámetro Nominal de tubería (pulg.) XX: Identificación del fluido manejado M: Material de Tubería AA: Área de planta YY: Correlativo

16

4.3.2 Lista de Equipos de Proceso Planta de Cloro-Soda VENCLORO C.A. Tanques y Recipientes

No Tipo de Equipo Cap. (m3) Presión Temperatura

(°C) Nombre Equipo Recubrimiento Op Dis Op Dis 1 Saturador 32 Atm atm 70 85 SS-2001 Epoxico 2 Precipitador 2,85 Atm Atm 65 80 PR-3001 Caucho Natural 3 Precipitador 2,85 Atm Atm 65 80 PR-3002 Caucho Natural 4 Clarificador 10,6 Atm Atm 60 80 CL-3001 Caucho Natural 5 Tanque 10,6 Atm Atm 55 80 TQ-3001 Caucho Natural 6 Filtro 1,363 362 kPa 400 kPa 50 80 FA-3001 Caucho Natural 7 Columna Rellena 1,169 292 kPa 320 kPa 50 80 CI-4001 Caucho Natural 8 Tanque SU 14 Atm Atm 50 80 TQ-4001 Caucho Natural 9 Tanque NaOH 4,8 Atm Atm 65 95 TQ-6001 Caucho Natural

10 Tanque SA 4,8 Atm Atm 85 95 TQ-6002 Caucho Natural

11 Tanque Na2CO3 4,8 Atm Atm 25 35 TQ-7001 Caucho Natural

12 Tanque HCl 4.8 Atm Atm 25 35 TQ-7002 Caucho Natural

13 Tanque Na2SO3 4.8 Atm Atm 25 35 TQ-7003 Caucho Natural

Fuente: Herrera, Núñez. (2004)

4.3.3 Lista de Bombas Centrífugas Planta de Cloro-Soda VENCLORO C.A. No Fluido Top (°C) Ps (kPa) Pd (kPa) TDH (ft) NPSHd (ft) Q(m3/h) Nombre Equipo 1 Salmuera 80 166,67 431,736 88,76 48 2,4531 PP-2001 2 Salmuera 75 125,91 360,79 78,66 34,72 2,4531 PP-3001 3 Na2CO3 1% 35 105.31 172.2 22.4 24.8 2.8 PP-7001 4 NaOH 1% 25 119.5 174.02 18.26 26.3 0.211 PP-7002 5 Salmuera 65 120,36 361,77 80,84 32,87 2,4531 PP-4001 6 HCl 1% 25 115.8 259.86 48.24 22 0.61386 PP-7003 7 Salmuera 85 108,53 253,61 48,58 28,9 1,7543 PP-6002 8 NaOH 30% 85 126,91 152,72 8,64 35,1 0,5623 PP-6001 9 Na2SO3 4% 35 103.2 239.26 45.63 18.5 1.52 PP-7004

Fuente: Herrera, Núñez. (2004)

17

4.3.4Sumario de Líneas de Proceso

Planta de Cloro- Soda VENCLORO C.A.

No Área Desde Hasta Dn T Op(°C) P Op (kPa) Material Caudal (m3/h) Nombre

1 20 SS-2001 PP-2001 1 1/2" 70 121,31 PVDF 2,4554 1½-S-PVDF-2001 2 20 PP-2001 PR-3001 1" 70 385,63 PVDF 2,4554 1-S-PVDF-2002 3 30 PR-3001 PR-3002 1 1/2" 65 101,325 PVDF 2,4554 1 ½-S-PVDF -3001 4 30 PR-3002 CL-3001 1 1/2" 65 101,325 PVDF 2,4554 1 ½-S-PVDF-3002 5 30 CL-3001 TQ-3001 1 1/2" 60 101,325 PVDF 2,4554 1 ½-S-PVDF -3003 6 30 TQ-3001 PP-3001 1 1/2" 60 125,91 PVDF 2,4554 1 ½-S-PVDF-3004 7 30 PP-3001 FA-3001 1" 60 360,99 PVDF 2,4554 1-S-PVDF-3005 8 40 FA-3001 CI-4001 1 1/2" 55 303,39 PVDF 2,4554 1 ½-S-PVDF-4001 9 40 CI-4001 TQ-4001 1 1/2" 55 233,91 PVDF 2,4554 1 ½-SU-PVDF-4002

10 40 TQ-4001 PP-4001 1 1/2" 55 223.36 PVDF 2,4554 1 ½-SU-PVDF-4003 11 40 PP-4001 HE-4001 1" 65 361,774 PVDF 2,4554 1-SU-PVDF-4004 12 40 HE-4001 EE-5001 2" 80 260,5314 FRP 2,4554 2-SU-FRP-4005 13 50 EE-5001

Proceso Hipoclorito 3" 85 113,05 FRP 39,6267 3-CL2-FRP-5001

14 50 EE-5001 TQ-6001 2" 85 113,05 FRP 0,5623 2-CA-FRP-5002 15 50 EE-5001 TQ-6002 2" 85 113,05 FRP 1,75436 2-SA-FRP-5003 16 50 EE-5001 Venteo 2" 85 113,05 FRP 19,85 2-H2-FRP-5004 17 50 TQ-6002 PP-6002 2" 85 108,53 FRP 1,75436 2-SA-FRP-6001 18 60 PP-6002 HE-4001 1 1/2" 85 253,61 FRP 1,75436 1.5-SA-FRP-6002 19 60 HE-4001 SS-2001 1 ½" 60 165,6 FRP 1,75436 1 ½-SA-FRP-6004

20 60 TQ-6002 Proceso

Hipoclorito 1 1/2" 85 113,06 FRP 0,1335 1 ½-Cl2-FRP-6005 21 60 TQ-6001 PP-6001 2 1/2" 80 126,91 FRP 0,5572 2 ½-CA-FRP-6007 22 60 PP-6001 EE-5001 1 1/2" 80 152,727 FRP 0,38999 1 ½-CA-FRP-6008

23 60

1 ½-CA-FRP-6009

Proceso SodaVENCLORO 1 1/2" 80 157,727 FRP 0,1553 1 ½-CA-FRP-6009

Fuente: Herrera, Núñez. 2004

18

Sumario de Líneas de Proceso (Continuación)

N°

Área

Desde

Hasta

Dn (in)

T Op (°C)

P Op (kPa)

Material

Q (m3/h)

Nombre

23 70 TQ-7001 PP-7001 1 ½ ” 35 105.31 PVDF 2.8 1 ½-QP-PVDF-7001

24 70 PP-7001 PR-3001 1 ” 172.2 PVDF 2.8 1-QP-PVDF-7002

25

70

Proceso Soda

VENCLORO

PP-7002

1 ½ ”

35 119.5 FRP

0.21

¾-CA – FRP-7003

26 70 PP-7002 PR-3002 1 ” 35 174.02 FRP 0.21 ½-CA-FRP-7004

27 70 TQ-7003 PP-7003 1 ½ ” 35 115.8 0.61 ¾-AC-PVDF-7005

28 70 PP-7003 2-SA-FRP-

6004 1 “ 35

259.86

PVDF

0.61

½-AC-PVDF-7006

29 70 TQ-7004 PP-7004 1 ½ ” 35 103.2 PVDF 1.52 ¾-DC-PVDF-7007

30

70

PP-7004

1 ½-SA-

FRP-6004

1 ”

35

239.26

PVDF

1.52

½-DC-PVDF-7008

19

HOJA DE ESPECIFICACIONES Número de Proyecto: Planta CSO Electrolizador Especificación

Trab. No. Tag No: EE-5001 Cantidad Requerida: 2

Datos de Operación

Temperatura de Operación, Normal / Máx. °C 85 / 90 Presión de Operación Cl2 / H2 Kg./cm2 man 0,21 / 0,225

Densidad de Corriente kAmp / m2 4 Voltaje de la celda Volt 2,99

Datos de las celda

Tipo de celda Exl ( bipolar) Área del ánodo por celda (m2) 1,5

Tipo de membrana Dupont N- 982TX Número de celdas por electrolizador 41

Material del ánodo Titanio Material del cátodo Níquel

VENEZOLANA DE CLORO VENCLORO

Fuente: Herrera, Núñez. 2004

Tanque Precipitador. PR-3001/ 3002

Orientación de las Boquillas N° Diam * Elev. (m) Servicio N1 1 ½” 1.3 Entrada Salmuera N2 1 ½” 2.7 Salida Salmuera

N3 24” 1.5 Boca de Visita N4 4” 0.8 Salida de Sedimentos N5 ½” 1.5 Indicador de Nivel N6 ½” 2.5 Indicador de Nivel

*Medida tomada desde el suelo

1.42 m

0.5 m

1.8 m

N1 180 °

N2 0°

N5 225 °

N3 270 °

Escalera 315 °

Asunto Fecha Revisado por Fecha Aprobado por Fecha

1.5 m

Tanque Clarificador. CL-3001

Orientación de las Boquillas N° Diam * Elev. (m) Servicio N1 1 ½” 1.3 Ent. Salmuera N2 1 ½” 2.7 Salida Salmuera

N3 24” 1.5 Boca de Visita N4 4” 0.8 Sal. Sedimentos N5 ½” 1.5Indicador de Nivel N6 ½” 2.5Indicador de Nivel

*Medida tomada desde el suelo

D.S. Precipitador Fecha Elaborado por Fecha Revisado por Fecha

Herrera, Núñez Humberto Martínez

2.74 m

0.5 m

1.8 m N1

180 ° N2 0°

N5 225 °

N3 270 °

Escalera 315 °

1.5 m

VENEZOLANA DE CLORO

VENCLORO

Tanque Salmuera Clarificada. TQ-3001

Orientación de las Boquillas

N° Diam * Elev. (m) Servicio N1 1 ½” 1.6 Entrada Salmuera N2 1 ½” 0.3 Salida Salmuera

N3 24” 0.25 Boca de Visita N4 ½” 1.65 Indicador de Nivel N5 ½” 0.35 Indicador de Nivel N6 1 ½ Techo Alivio

*Medida tomada desde el suelo

0.25 m

2.74 m

1.8 m

Asunto Fecha Elaborado por Fecha Revisado por Fecha D.S. Tanque Atmosférico Herrera, Núñez Humberto Martínez

N1 180 °

N2 0°

N5 225 °

N3 270 °

Escalera 315 °

0.2 m

VENEZOLANA DE CLORO

VENCLORO

Filtro. FA-3001

Orientación de Boquillas N° Diam *Elev. (m) Servicio N1 1 ½” Techo Entrada N2 1 ½” Fondo Salida N3 2” 2.45 Limpieza N4 2” 0.75 Limpieza N5 1” 2.45 Presión Diferencial

N6 1 “ 0.75 Presión Diferencial N7 0.5x0.5 1.3 Compuerta

Asunto Fecha Elaborado por Fecha Revisado por Fecha

D.S Filtro Herrera, Núñez Humberto Martínez

N5, N6 90 °

N1 180 °

N2 0°

N3, N4 225 °

N7 270 °

Escalera 315 °

0.9315 m

0.6 m

1.5 m

VENEZOLANA DE CLORO

VENCLORO

Torre Intercambio Iónico. CI-4001

Orientación de Boquillas N° Diam *Elev. (m) Servicio N1 1 ½” Techo Entrada N2 1 ½” Fondo Salida N3 2” 2.45 Limpieza N4 2” 0.75 Limpieza N5 1” 2.45 Presión Diferencial

N6 1 “ 0.75 Presión Diferencial N7 0.5x0.5 1.3 Compuerta

Asunto Fecha Elaborado por Fecha Revisado por Fecha

DS Torre Rellena Núñez, Herrera Humberto Martínez

N5, N6 90 °

N1 180 °

N2 0°

N3, N4 225 °

N3 270 °

Escalera 315 °

0.9315 m

0.6 m

1.5 m

VENEZOLANA DE CLORO

VENCLORO

Tanque Salmuera Ultrapura. TQ-4001

Orientación de las Boquillas

N° Diam * Elev. (m) Servicio N1 1 ½” 1.6 Entrada Salmuera N2 1 ½” 0.3 Salida Salmuera

N3 24” 0.25 Boca de Visita N4 ½” 1.65 Indicador de Nivel N5 ½” 0.35 Indicador de Nivel N6 1 ½ Techo Alivio

*Medida tomada desde el suelo

Asunto Fecha Elaborado por Fecha Aprobado por Fecha D.S Tanque Atmosférico Herrera, Núñez Humberto Martínez

N1 180 °

N2 0°

N4, N5 225 °

N3 270 °

Escalera 315 °

VENEZOLANA DE CLORO

VENCLORO

0.2 m

0.25 m

3.22 m

1.8 m

Tanque Soda Cáustica. TQ-6001

Orientación de las Boquillas

N° Diam * Elev. (m) Servicio N1 1 ½” 1.6 Entrada Salmuera N2 1 ½” 0.3 Salida Salmuera

N3 24” 0.25 Boca de Visita N4 1 ½” 0.25 Drenaje N5 ½” 1.65 Indicador de Nivel N6 ½” 0.35 Indicador de Nivel N7 1 ½ Techo Alivio

*Medida tomada desde el suelo

Asunto Fecha Elaborado por Fecha Revisado por Fecha

DS Tanque Atmosférico Núñez, Herrera Humberto Martínez

0.2 m

0.25 m

1.8 m

1.8 m

N1 180 °

N2 0°

N4 225 °

N3 270 °

Escalera 315 °

N5, N6 45 °

VENEZOLANA DE CLORO

VENCLORO

Tanque Salmuera Agotada. TQ-6002

Orientación de las Boquillas

N° Diam * Elev. (m) Servicio N1 1 ½” 1.6 Entrada Salmuera N2 1 ½” 0.3 Salida Salmuera

N3 24” 0.25 Boca de Visita N4 1 ½” 0.25 Drenaje N5 ½” 1.65 Indicador de Nivel N6 ½” 0.35 Indicador de Nivel N7 1 ½ Techo Alivio

*Medida tomada desde el suelo

Asunto Fecha Elaborado por Fecha Revisado por Fecha DS Tanque atmosférico Núñez, Herrera Humberto Martínez

0.2 m

0.25 m

1.8 m

1.8 m

N5, N6 45 °

N1 180 °

N2 0°

N4 225 °

N3 270 °

Escalera 315 °

VENEZOLANA DE CLORO

VENCLORO

Tanque Carbonato de Sodio. TQ-7001

Orientación de las Boquillas

N° Diam * Elev. (m) Servicio N1 1 ½” 1.6 Entrada Salmuera N2 1 ½” 0.3 Salida Salmuera

N3 24” 0.25 Boca de Visita N4 1 ½” 0.25 Drenaje N5 ½” 1.65 Indicador de Nivel N6 ½” 0.35 Indicador de Nivel N7 1 ½ Techo Alivio

*Medida tomada desde el suelo

Asunto Fecha Elaborado por Fecha revisado por Fecha DS Tanque atmosférico Núñez, Herrera Humberto Martínez

0.2 m

0.25 m

1.8 m

1.8 m

N1 180 °

N2 0°

N4 225 °

N3 270 °

Escalera 315 °

N5, N6 45 °

VENEZOLANA DE CLORO

VENCLORO

Tanque Ácido Clorhídrico. TQ-7002

Orientación de las Boquillas

N° Diam * Elev. (m) Servicio N1 1 ½” 1.6 Entrada Salmuera N2 1 ½” 0.3 Salida Salmuera

N3 24” 0.25 Boca de Visita N4 1 ½” 0.25 Drenaje N5 ½” 1.65 Indicador de Nivel N6 ½” 0.35 Indicador de Nivel N7 1 ½ Techo Alivio

*Medida tomada desde el suelo

Asunto Fecha Elaborado por Fecha revisado por Fecha DS Tanque atmosférico Núñez, Herrera Humberto Martínez

N5, N6 45 °

0.2 m

0.25 m

1.8 m

1.8 m

N1 180 °

N2 0°

N4 225 °

N3 270 °

Escalera 315 °

VENEZOLANA DE CLORO

VENCLORO

Tanque Ácido Clorhídrico. TQ-7003

Orientación de las Boquillas

N° Diam * Elev. (m) Servicio N1 1 ½” 1.6 Entrada Salmuera N2 1 ½” 0.3 Salida Salmuera

N3 24” 0.25 Boca de Visita N4 1 ½” 0.25 Drenaje N5 ½” 1.65 Indicador de Nivel N6 ½” 0.35 Indicador de Nivel N7 1 ½ Techo Alivio

*Medida tomada desde el suelo

0.2 m

0.25 m

1.8 m

1.8 m

N1 180 °

N2 0°

N4 225 °

N3 270 °

Escalera 315 °

Asunto Fecha Revisado por Fecha Aprobado por Fecha DS Tanque Atmosférico Núñez, Herrera Humberto Martínez

N5, N6 45 °

VENEZOLANA DE CLORO

VENCLORO

4.3.6. Hojas de especificación de bombas centrífugas

4.4 FASE 4: Definir la ubicación física dentro de las instalaciones actuales para una planta de Cloro-Soda para la empresa VENCLORO C.A.

Dado que la disposición de equipos e instalaciones representa un método

fundamental de protección para las personas, equipos y medio ambiente, esta

actividad debe estar dirigida a proveer un nivel de riesgo mínimo basado en los

criterios de tolerancia de riesgos.

Siguiendo los criterios establecidos por PDVSA, la empresa líder en

Venezuela en el cumplimiento de normas y estándares internacionales de calidad

y seguridad, la ubicación y disposición de los equipos se hizo mediante el

documento “Separación de Equipos e Instalaciones” norma IR-M-01 de dicha

compañía.

La ubicación física y disposición de los equipos de la planta se encuentran

en el anexo N° 1 al final de este capítulo.

4.5 FASE 5: Calcular el monto de la inversión requerida para la construcción de una planta de Cloro-Soda para la empresa VENCLORO C.A.

Mediante la elaboración de entrevista no estructurada a los proveedores se

llevó acabo la cotización de cada uno de los equipos que intervienen en el

proceso, después de esta búsqueda se calculo el monto de la inversión, este

estimado es de clase III según la empresa PDVSA el cual comprende:

Presupuesto tentativo para inversiones, adquisición de equipos a largo plazo de

entrega, requiere el 60% de Ingeniería Básica, cotizaciones y datos históricos de

proyecto, 1O % precisión y 60 % Confiabilidad

En el siguiente cuadro se muestra el valor de los equipos con su instalación.

Estimación de los costos de instalación de la planta de Cloro Soda para la

empresa VENCLORO C.A.

CÁLCULO DE LAS INVERSIONES DE LA PLANTA

# Renglón Rango Factor

% Equipo

($) Labor ($) Comentarios 1 Recipientes 5 115000 3450 CS 2 Columnas (Campo) 30-35 33 0 0 Fabricados en sitio 3 Columnas (Taller) 10-15 12,5 0 4 Intercambiadores 1 35000 3500 Titanio 5 Rotativos 8 40000 2000 Bombas Plásticas 6 Instrumentación 10-15 2 76000 1520 Mínima 7 Sumatoria 266000 10470 8 Equipos instalados 276470 Base de cálculo 9 Aislamiento 1-10 5 13823,5 10 Tuberías 10-50 10 65000 PVDF y FRP 11 Fundaciones 3-5 4 0 Áreas de proceso 12 Edificios 0 0 Sala de control 13 Estructuras 0 0 Concreto/Acero

14 Protección fuego 500-800 650 0

15 Electricidad 3-6 3 8294,1 16 Pintura y aseo 0,5-1 0,5 1382,35 17 Sumatoria 88499,95 18 Equipos/labor 88499,95 19 Equipos paquetes 941800 9418 Electrolizadores 20 Total equipos ($) 1039718 Base de cálculo 21 Escenario de montaje Adición 22 Total equipos 1039718 23 Overhead administrativo 51985,898 24 Ingeniería 17675,205 25 Servicios industriales 10397,18 26 Off-sites 0 27 Edificios 28 Contingencia 103971,8 29 Inversión total ($) 1500218 30 Inversión total (MBs) 2925,4252 31 Inversión estimada del proyecto (MBs) 2925,4252

El costo total estimado para la instalación de la planta de Cloro-Soda para

la empresa VENCLORO C.A. es de 2.925. 500. 000, oo

CONCLUSIONES

• El proceso o tecnología seleccionada para la de la planta de Cloro-Soda fue

el de membrana, ya que es el proceso que más se ajusta a las exigencias

ambientales y parámetros técnico-económicos.

• El consumo de materia prima e insumos es el siguiente:

- NaCl (cloruro de sodio) 8676.1 Kg. por día.

- Na2CO3 (carbonato de sodio) 208.1 Kg. por día.

- Na2SO3 es 152 Kg. Por día.

- Agua municipal 3170.13 Kg. por día (3.2021 m3/día)

- El consumo de agua desmineralizada es de 22028.23 Kg./día

(22.1 m3/día)

- El consumo de NaOH 1N para regeneración es de 2846.74

- El consumo de HCl 1N para regeneración es de 2846.74

- El consumo de energía eléctrica es de 15237.5 KW/h día.

• Las dimensiones de los equipos son las que más se ajustan a los balances

de masa y energía, siguiendo criterios previamente consultados con los

asesores técnicos de la empresa.

• La ubicación escogida de la planta de Cloro-Soda es la mas recomendada

ya que se tomó en cuenta la disponibilidad de espacio y dirección

predominante del viento.

• El costo de instalación estimado es de Bs. 2.925. 500. 000, oo

Recomendaciones

RECOMENDACIONES

• Se recomienda la instalación de la planta utilizando la tecnología de

membrana, ya que dicho proceso ofrece menor riesgo de contaminación

ambiental, menor costo de inversión inicial y es la tecnología de punta en el

proceso de producción de cloro-soda a nivel mundial.

• Se recomienda el riguroso monitoreo y mantenimiento de los filtros

dispuestos en el tratamiento primario y de las torres de intercambio iónico,

vigilando la caída de presión y la calidad del fluido saliente ya que de esto

depende la vida de los electrolizadores.

• Se propone la investigación de la falibilidad técnico-económica de una torre

declorinadora para recuperar el cloro remanente presente en la salmuera

agotada saliente del proceso de electrólisis.

• Se propone la instalación de un compresor a salida del cloro gas, para

impulsar este fluido al proceso de hipoclorito.

• Se recomienda la acidificación de la salmuera agotada para recuperar aún

mas cloro remanente en la misma.

BIBLIOGRAFÍA

• Perry, Robert H.”Manual del Ingeniero Químico”. Quinta Edición. McGraw-

Hill. 1992.

• Arias, Fidas G. “El proyecto de la investigación. Guía para su elaboración”.

Editorial Episteme.1.999.

• Ebbing, Darrell D. “Química General”. McGraw- Hill. 1997.

• Puri Vijay K. “Pretreatment of water for cooling water and steam generation

systems”. Calgon Corporation. 1983.

• Petroleos de Venezuela S.A. “Manual de Diseño de Procesos”. Febrero

1996.

• Ludwing, Ernest. “Applied Process Desing for Chemical and Petrochemical

Plants”. Volumen I. McGraw- Hill. 1970

• Eltech System Corporation. Membrane Cell Technology. (2001)

• (www.chlorineinstitute.com)

• (www.cl2.com).

• www.worldchlorine.com/publications/mfg/processes.

• www.epa.gov/ttn/chief/ap42/ch08/final.pdf

• www.heattransfer.com • www.hydraulics.com

Anexos

Anexo N° 1: Diagrama de disposición de Equipos

Ubicación de la planta de CSO

N

Área de Carga

Planta de hipoclorito

Oficinas

Planta de Cloro-Soda

Estacionamiento

Tanque Agua

Municipal Efluentes

Almacén

Entrada

PLANTA ALTA

PR-3001 PR-3002 CL-3001 TQ-3001

FA-3001

CI-4001HE-4001

TQ-4001

Anexo N° 2: Requerimiento de la salmuera de alimentación a los electrolizadores

Requerimientos en la Salmuera de Alimentación a los Electrolizadores Planta de Cloro-Soda VENCLORO C.A.

Componente o Valor Unidades Frecuencia de Análisis

Impureza Permitido Recomendada

NaCl

Concentración 300 gr./lit 1 cada 4 horas Temperatura 65 – 80 °C 4 cada 8 horas

pH 3,5 - 4,5 4 cada 8 horas

Calcio y Magnesio < 0,02 ppm 1 por cada 8 horas

Estroncio < 0,04 ppm 1 por cada 8 horas Bario <0,05 ppm 1 por cada 8 horas

Aluminio < 01 ppm 1 por semana Hierro <0,1 ppm 1 por semana Níquel < 0,003 ppm 1 por semana

Total de Metales

Pesados < 0,3 como ppm de Pb 1 por mes

Mercurio < 0,04 ppm 1 por mes Cromo < 1 ppm 1 por mes Fluor < 1 ppm 1 por mes Yodo < 0,2 ppm 1 por mes

Bromo < 30 ppm 1 por mes

Fuente: Eltech System. Membrane Cell Technology (2001)

Anexo N° 3: Hoja de especificaciones de resina de intercambio iónico

Anexo N° 4: Hoja de especificación de seguridad de los materiales

Material: Cloro gas

Datos Físicos Formula Molecular: Cl2 Apariencia: gas de color verde amarillento con olor irritante Punto Fusión: -101 °C Punto Ebullición: -34 °C Densidad: 2.98 g/l Presión de Vapor: 5.8 bar a 20 °C Gravedad específica: 1470 Kg./m3 a 0 °C

Estabilidad

Estable. Incompatible con agentes reductores, alcoholes.

Toxicología

Toxico al inhalar, ingestión y mediante el contacto con la piel. La Inhalación causa serios daño pulmonar y puede ser fatal. 1000ppm (0.1%) puede ser fatal luego de algunas inhalaciones y la mitad de esa concentración es fatal luego de unos minutos. Causa irritación y quemadura de la piel.

Información para el transporte y

almacenamiento

Se transporta en cilindros de 1TM. Los cilindros deben ser almacenados lejos de tubería de vapor y de forma vertical.

Información ambiental

Muy toxico para organismos acuáticos.

Protección personal

Lentes de seguridad, guantes y buena ventilación.

Material: Hidróxido de Sodio

Información General Sinónimo: Soda cáustica. Formula Molecular: NaOH Datos Físicos Apariencia: Sólido o liquido blanco, sin olor. Punto de Fusión: 318 °C Punto de Ebullición: 1390 °C Presión de Vapor: 1 mm Hg a 739 C Gravedad especifica: 2116.184 Kg./ m3 Solubilidad en Agua: Alta (Nota: Su disolución en agua es altamente exotérmica)

Estabilidad

Estable. Incompatible con una gran variedad de materiales, incluyendo algunos metales, compuestos de amoniaco, fenoles, combustibles orgánicos. Su calor de disolución es muy alto y puede provocar una solución caliente y peligrosa si son usadas pequeñas cantidades de agua

Toxicología

Muy corrosivo. Causa severas quemaduras. Puede causar daño permanente en los ojos. Muy peligroso al ingerir. Dañino al contacto con la piel y por inhalación del polvo

Protección Personal

Lentes de seguridad, ventilación adecuada, se recomienda utilizar guantes de Neopreno o de PVC.

Material: Hidrógeno

General Molecular formula: H2 Datos Físicos Apariencia: Gas sin color Punto de Fusión: -259 °C Punto de Ebullición: -253 °C Temperatura Critica: -240 C Densidad: 0.0837 Kg./m3 Gravedad Específica: 0.0695

Estabilidad

Estable. Altamente inflamable. Fácilmente forma mezclas explosivas con el aire. El limite máximo de composición para uso en laboratorio de la mezcla nitrógeno/hidrogeno es 5.7% (peso) de hidrógeno.

Toxicología

Generalmente considerado como seguro, apartando el riesgo físico que implican su inflamabilidad. [Nota de Seguridad: La inhalación de hidrógeno es una práctica peligrosa en vista de la posibilidad de reacción explosiva de la mezcla de aire con hidrógeno fuera o dentro del cuerpo, causado por la descarga de electricidad estática.

Protección Personal

Lentes de seguridad, buena ventilación todo el tiempo.

Material: Cloruro de Sodio

Información General

General Sinónimos: sal común, concentrada en agua se le llama salmuera. Formula Molecular: NaCl Datos Físicos Apariencia: Cristales sin color o polvo blanco. Punto de Fusión: 804 C Punto de Ebullición: 1413 °C Presión de vapor: 1 mm Hg a 865 °C Gravedad Especifica: 2.160 Kg./m3 Solubilidad en agua: 35.7 g/100g a 0 °C

Estabilidad Estable. Incompatible con agentes oxidantes fuertes.

Toxicología

Puede causar irritación de la piel y ojos.

Protección Personal

Se cree que no es significativamente peligroso para la salud.

Material: Carbonato de Sodio

Información general

Sinónimo: Soda Ash Formula Molecular: Na2CO3 Datos Físicos Apariencia: Polvo blanco, sin olor. Punto de fusión : 851 °C Densidad: 2530 Kg./m-3

Soluble en agua: si

Estabilidad

Estable. Incompatible con aluminio, compuestos nitro orgánicos, fluoruro, metales alcalinos, óxidos no metálicos, ácido sulfúrico concentrado, óxidos de fósforo.

Toxicología

Irritante ocular y respiratorio.

Información para el transporte y

almacenamiento

No es peligroso para transportar por el aire, agua o carretera.

Protección Personal

Minimizar la exposición al polvo.

Anexo N° 5: Lista de precios de Bombas Centrífugas

Giving response to your request, we have attached a list with the prices of the equipments that you have requested. For more information please contact our sales department. The orders will be delivered after 4-6 weeks after the cancellation of the 50 % of the price of the product.

Pumping Division Marc Pumps

Product Price US $ 5C-MD 1350

LC-5C-MD 1480 AC-5C-MD 1660 TE-5C-MD 1950 TE-5K-MD 2250

Product Price US $ TE-8C-MD 2100 TE-8K-MD 2650 TE-8S-MD 3000

For more information please contact our technical department http://e1.f534.mail.yahoo.com/ym/ShowFolder?YY=95901&inc=25&order=down&sort=date&pos=0&view=&head=&box=Inbox

Anexo N° 6: Precio de Resina de Intercambio Iónico

Name Product Price US$ * MD-RES-C467-CH Duolite C467, R&H density 785.045 kg/m3

$1150

* Only available in 7 cu ft pack DUOLITE is a trademark of Rohm and Haas Company, Philadelphia, U.S.A. Ion exchange resins and polymeric adsorbents, as produced, contain by-products resulting from the manufacturing process. The user must determine the extent to which organic by-products must be removed for any particular use and establish techniques to assure that the appropriate level of purity is achieved for that use. The user must ensure compliance with all prudent safety standards and regulatory requirements governing the application. Except where specifically otherwise stated, Rohm and Haas Company does not recommend its ion exchange resins or polymeric adsorbents, as supplied, as being suitable or appropriately pure for any particular use. Consult your Rohm and Haas technical representative for further information. Acidic and basic regenerant solutions are corrosive and should be handled in a manner that will prevent eye and skin contact. Nitric acid and other strong oxidising agents can cause explosive type reactions when mixed with Ion Exchange resins. Proper design of process equipment to prevent rapid buildup of pressure is necessary if use of an oxidising agent such as nitric acid is contemplated. Before using strong oxidising agents in contact with Ion Exchange Resins, consult sources knowledgeable in the handling of these materials.

Rohm and Haas/Ion Exchange Resins - Philadelphia, PA - Tel. (800) RH AMBER - Fax: (215) 537-4157 Rohm and Haas/Ion Exchange Resins - 75579 Paris Cedex 12 - Tel. (33) 1 40 02 50 00 - Fax : 1 43 45 28 19

WEB SITE: http:// www.rohmhaas.com/ ionexchange

Anexo N° 7: Precio de tubería PVDF (FABCO)

PVDF (Kynar®) (Polyvinylidene Floride) PVDF is a strong, tough, and abrasion resistant fluorocarbon material. It resists distortion and retains most of its strength to 280°F (137 °C). It is chemically resistant to most acids, bases and organic solvents and is ideally suited for handling wet or dry chlorine, bromine and other halogens. No other solid thermoplastic piping components can approach the combination of strength, chemical resistance and working temperatures of PVDF. PVDF is joined by the thermo-seal fusion process, threading or flanging. Applications: The great versatility of the material, with its unique combination of physical and chemical properties, as well as the simple installation process of pipe, fittings and valves, make it the piping system of choice for applications in industries like semiconductor, pharmaceutical, chemical processing, metal finishing, pulp and paper.

PIPE NOTES • Pipe is 20 feet long in plain ends. For other lengths and pipe ends, please consult our customer service department. • Red Kynar® pipe is pigmented to resist ultra-violet attack when handling high concentrations of halogens. The pipe is completely compatible to Fabco’s line of Kynar® fittings and valves. • Larger diameter pipe is available upon request. Please consult customer service. • These products are not recommended for compressed air or gas systems.

ALL TAXES EXTRA • PRICES SUBJECT TO CHANGE WITHOUT NOTICE • F.O.B. STOCKING POINT • MINIMUM BILLING $25.00 • CALL OR WRITE FABCO YOUR SOURCE FOR PLASTIC MATERIALS

Anexo N° 8: Precio de Tubería FRP

Valves, Fitting & Tubing Division

FRP piping Diameter • Price US $

1 ” 100 1 ¼ ” 160 1 ½ ” 220 2 ” 200

2 ½ ” 380 3 ” 450

3 ½ ” 510 4 ” 590 6 ” 720 8 ” 800

• Pipe is 20 feet long in plain ends. For other lengths and pipe ends, please consult our customer service department. The orders will be delivered after 4-6 weeks after the cancellation of the 50 % of the price of the product. For more information please contact our technical department http://e1.f534.mail.yahoo.com/ym/ShowFolder?YY=8945901&inc=42516&order=down&sort=date&pos=0&view=&head=&box=Inbox

Anexo N° 9: Resistencia química de los termoplásticos (Piping Class)

Material

Notas

Temp.

Max. Op (°C)

PVDF

Resistente a ácidos, soluciones salinas, halógenas, hidrocarburos aromáticos y alifáticos, hidrocarburos clorados y alcoholes. Condicionalmente usada para cetonas, esteres y bases orgánicas y soluciones alcalinas.

150

FRP

Resistente a ácidos, soluciones salinas, halógenas, hidrocarburos aromáticos y alifáticos, hidrocarburos clorados y alcoholes, cetonas, aminas, esteres y aldehídos

225 DLFA is grateful to the following companies for their permission to reproduce the information contained in this Chemical Resistance Guide: George Fischer, Inc. 2882 Dow Av, Tustin, CA 92680-7285 (Basic Guide Layout plus data for PVC, PE, PP and PVDF.) Symalit AG, CH-5600 Lenzburg, Switzerland -(Data on ECTFE, FEP and PFA.) B F Goodrich, 9911 Brecksville Road, Cleveland, Ohio 441413247 - (Data on CPVC) E. I.DuPont de Nemours, 1625 Newport Gap Pike, Wilmington DE, 19808 (Data on ETFE.) CLASSIFICATION The customary classifications: resistant, conditionally resistant and not recommended are depicted by the signs: +, O, and –, which allow simple presentation and application. These classifications are defined as: Resistant, +: Within the acceptable limits of pressure and temperature the material is unaffected or only insignificantly affected. Conditionally Resistant, O: The medium can attack the material or cause swelling. Restrictions must be made in regard to pressure and/or temperature, taking the expected service life into account. The service life of the installation can be noticeably shortened. Not recommended: – The material cannot be used with the medium at all, or only under special conditions.

Fuente: www.dlfathermoplastics.com

Anexo N° 10. Espacio entre Equipos e Instalaciones. Norma IR-M-01 PDVSA

Anexo N° 11 Cotización de Equipos de proceso: Tanques de almacenamiento,

Precipitadotes, Clarificador, Filtros, Recipientes de Intercambio Iónico,

Intercambiador de calor.