PERFIL DE FACTIBILIDAD PRELIMINAR PARA UNA INSTALACIÓN PARA PRODUCIR HIDRÓXIDO DE SODIO – Parte I

Objeto y contenido de este artículo

Este artículo presenta  la primera parte de la aproximación del perfil de factibilidad técnico-económico de una planta para producir hidróxido de sodio para abastecer abastecer un mercado limitado.

Esta primer parte de la aproximación se basa en la especificación del “reactor”, que en este caso es un “electrolizador” constituido por un conjunto de celdas electrolíticas conectadas en paralelo.

Para especificar el electrolizador se calculó una celda, mediante modelado matemático y simulación de diversas condiciones de operación, hasta obtener rendimientos similares a los comerciales.

El perfil es, en su totalidad, aproximado por varias razones: (1) No fue posible obtener una oferta firme y detallada para adquirir un electrolizador solamente. Por ésta razón para implementar la instalación sería necesario desarrollar una celda experimental con sus acoples, empaques, mangueras, etc.  (2) Por el momento no se ha realizado el diseño de detalle de la instalación completa, que incluye, además de la planta de electrolisis, entre otras, (a) La planta de purificación de salmuera; (b) La planta de compresión y envasado de gas de cloro; (c) La planta de declorinación de la salmuera que se recircula; (c) Tanques, bombas, tuberías, esquema de control, etc. La aproximación de estas plantas adicionales se reportará dentro del contexto de la segunda parte del artículo, todavía en preparación.

Producción de hidróxido de sodio para un mercado reducido

La capacidad de producción de una instalación industrial debe ajustarse a la demanda, que a su vez depende del tamaño del mercado.

Cuando el mercado es reducido, como en el  caso en países en desarrollo, no es viable instalar industrias de las capacidades de producción de los países desarrollados, por ser esas capacidades  son inmensamente mayores a las que un mercado limitado requiere.

Esto determina que los países pequeños tengan dos alternativas: O resignarse a seguir importando los productos industriales que requieren para si incipiente industria; o que sus ingenieros, empresarios, universidades y gobernantes se aboquen a la tarea de apoyar el diseño, financiamiento, e implantación de industrias localmente desarrolladas, concordantes con sus mercados.

En el caso particular de la industria de la producción de hidróxido de sodio, las capacidades típicas de plantas de producción de países desarrollados bordean las  200,000 toneladas por año (TPA), y son incompatibles con requerimientos alrededor de 25 veces menores, como veremos.

Ante esto, los ingenieros debemos romper aquello de: “¡No nos desarrollarnos porque nuestros mercados son pequeños, y porque nuestros mercados son pequeños, no nos desarrollarnos!“.

La alternativa de esperar a que nuestra demanda alcanzase las 200,000 TPA, es sí mismo, inaceptable, porque eso ocurriría aproximadamente alrededor del año 2839 (véase la regresión de la Figura 1).

A la vista de estas razones,  el camino a seguir es diseñar, construir y operar las instalaciones diseñadas a la medida para el tamaño de nuestros mercados, ya que la alternativa de seguir comprando -y dependiendo- de la tecnología desarrollada por otros, no es aceptable.

Importaciones y costos de hidróxido de sodio de 100% y 50% w/w

Los datos que se procesaron para obtener las gráficos de las figuras que siguen se obtuvieron de http://www.portal.bce.fin.ec/vto-bueno/seguridad/ComercioExteriorEst/jsp.

Cualquier propuesta para establecer la capacidad, y la factibilidad, de una industria debe basarse en la demanda del producto y en las expansiones que pudieran ser necesarias a lo largo del tiempo, reconociéndose que esto implica cierta incertidumbre que es manejable mediante la modularizando del diseño.

Los datos  de demanda, precios CIF y FOB y costo de transporte de hidróxido de sodio 100% w/w, y de las soluciones de 50%  w/w correspondientes al intervalo comprendido entre enero del año 2000 y diciembre del año 2013, se presentan a continuación.

 

Figura 1. Importaciones de hidróxido de sodio 100%

Figura 1. Importaciones de hidróxido de sodio 100%

Figura 2. Costos FOB y CIF de hidróxido de sodio 100% w/w

Figura 2. Costos FOB y CIF de hidróxido de sodio 100% w/w

Figura 3. Costo neto de transporte y seguros, hidróxido de sodio de 100% w/w

Figura 3. Costo neto de transporte y seguros, hidróxido de sodio de 100% w/w

 

 

Figura 4. Importaciones de hidróxido de sodio de 50% w/w

Figura 4. Importaciones, hidróxido de sodio de 50% w/w

Figura 5. Costos FOB y CIF, hidróxido de sodio 50% w/w

Figura 5. Costos FOB y CIF, hidróxido de sodio 50% w/w

 

Figura 5. Costo neto de transporte y seguros, hidróxido de sodio 50% w/w

Figura 6. Costo neto de transporte y seguros, hidróxido de sodio 50% w/w

 

 

De las figuras 1 a 6 se puede apreciarse lo que a continuación se indica para el período 2000-2013:

  1. Figura 1.:Puede estimarse que las importaciones de hidróxido de sodio 100% w/w crecieron a razón de 233.63 Ton/año, entre el año 2000 y el año 2013
  2. Figura 2.: Es posible estimar que durante el período bajo consideración los costos FOB y CIF  crecieron a razón de $ 29.17/Ton, y $ 29.39/Ton, respectivamente
  3. Figura 3.: Puede apreciarse que el costo neto de transporte y seguros del hidróxido de sodio 100% w/w presenta una tendencia a la inestabilidad (trazo azul), en razon de la envolvente divergente, que no se muestra
  4. Figura 4.: Es posible apreciar que las importaciones de hidróxido de sodio en solución acuosa de 50% w/w disminuyeron entre el año 2000 y el año 2005, y que a partir del año 2005 se estabilizaron en un valor equivalente a hidróxido de sodio de 100% w/w de alrededor de 7,000 ton/Año
  5. Figura 5.: Puede apreciarse que los costos FOB y CIF del hidróxido de sodio 50% w/w exhiben una variación polinómica inconsistente con los precios del hidróxido de sodio 100%  w/w. A pesar de esto es posible observar que la tendencia (trazo rojo) de la estimación por promedios móviles permite estimar un aumento de $ 220 CIF/Ton a $ 275 CIF/Ton entre los años 2005 y 2013, consistente con los datos de costo de la Figura 2, si éstos se reducen a costos equivalentes de hidróxido de sodio de 50% w/w, de $ 175 CIF/Ton en el año 2005, y $ 300 CIF/Ton en el año 2013
  6. Figura 6.: En el intervalo considerado puede estimarse (regresión lineal de bajo índice de correlación) que el costo neto de transporte y seguros aumenta de $ 39/Ton a $55/Ton, lo que se confirma por medio del ajuste por promedios móviles que se muestra en color rojo

Mercado de hidróxido de sodio

La especificación de la capacidad de producción de una instalación industrial debe fundamentarse en una estimación del mercado que la instalación debe abastecer.

Se ha considerado que la instalación industrial para producir hidróxido de sodio deba reemplaza las importaciones que se consignan en las figuras 1 y 4 y el incremento del consumo que se produzca hasta el año 2020.

Por estas razones se ha proyectado la capacidad de producción de la instalación extrapolando la demanda de hidróxido de sodio de 100% w/w hasta diciembre del año 2020. Sobre esta base es posible estimar la demanda como la suma de 8,538.6 Ton/Año de hidróxido de sodio 100% w/w y el valor equivalente de alrededor de 7,000 Ton/Año de hidróxido de sodio de 100% w/w, que reemplazaría, éste último, las importaciones de solución acuosa de hidróxido de sodio de 50% w/w, que se muestran en la Figura 4.

Sobre esta base se ha establecido la demanda combinada de hidróxido de  sodio de 100% w/w y de solución de 50% w/w en 14,538.6 Ton/Año, de hidróxido de sodio de 100% w/w.

Modelo matemático de la celda electrolítica

El modelo matemático de la celda electrolítica se basa en la ecuación de Nernst-Planck. Las ecuaciones principales del modelo se indican a continuación:

Figura . Modelo matemático de la celda electrolítica

Figura 7 . Modelo matemático de la celda electrolítica

 

Especificación preliminar de la celda electrolítica

La simulación de la celda electrolítica se implementó mediante dos programas sincronizados, que no se presentan, por el espacio que ocuparían. Los parámetros de simulación de la celda fueron los siguientes.

Configuración de la celda electrolítica

La configuración de la celda se indica en la siguiente figura.

Figura 8. Configuración de la celda electrolítica

Figura 8. Configuración de la celda electrolítica

En la figura anterior se muestra un esquema de la configuración de la celda electrolítica, compuesta por la hemicelda anódica, y  de la hemicelda catódica. A lo largo del artículo  estas hemiceldas se denominarán “celda anódica”, y “celda catódica”.

Una solución 3.4M de cloruro de sodio, purificado a las especificaciones del fabricante de la membrana (DuPont), ingresa a la celda anódica a un flujo volumétrico F1. Al ionizarse el cloruro de sodio en iones cloruro y iones sodio, los primeros  forman cloro gas sobre el ánodo, y los segundos pasan a la celda catódica a través de la membrana, por difusión,  y por movilidad (flujo F3).

El cloro gas debe recolectarse mediante tubería flexible hermética para comprimirse si se desea expender en cilindros, o para enviarse a la planta de ácido clorhídrico.

El flujo excedente de solución de cloruro de sodio F2 que sale de la celda anódica, contiene ácido hipocloroso y debe declorinarse antes de poder reciclarse, para cumplir las condiciones prescritas por el fabricante de la membrana, y garantizar su vida útil.

Los iones sodio que pasan a la celda catódica (flujo volumétrico F3 en la Figura 8) se convierten en hidróxido de sodio al combinarse con los iones hidroxilo producto de la ionización del agua. En la celda catódica los iones hidrógeno se transforman en hidrógeno gas sobre el cátodo. Éste gas debe enviarse a la planta de ácido clorhídrico, mediante tubería flexible estanca, o puede comprimirse para expendio en cilindros presurizados.

A la celda catódica ingresa el flujo F3, a través de la membrana. De ella egresa el flujo Fp,  se recicla el flujo FR, y se obtiene un flujo neto (Fp-FR) que transporta el hidróxido de sodio de aproximadamente 30 % w/w, que debe concentrarse hasta 50% w/w, o evaporarse a sequedad para obtener hidróxido de socio de 100% w/w.

Tanto la celda anódica como la catódica deben operarse a niveles constantes para mantener constante el área activa de la membrana Esto se simuló mediante un controlador PI, en el primer caso, y mediante un controlador SI/NO en el segundo. La forma real de control debe determinarse en el desarrollo experimental correspondiente, así como el material de las tuberías flexibles, así como los empaques para ensamblar la celda, y los empaques correspondientes a las tuberías.

Simulación de la celda electrolítica

Objeto, limitaciones, alcances y utilidad de la simulación

La simulación tiene por objeto establecer los parámetros de operación, tales como flujos, concentraciones, áreas de membrana, voltaje de operación, y tiempo de arranque de la celda, entre otros.

Es importante tener presente que la simulación es sólo una representación virtual del funcionamiento de la celda que nos ocupa.

No menos importante es tener presente los resultados de una simulación provienen de ecuaciones teóricas, parámetros experimentales determinados por investigadores, tal como la difusividad de los iones de sodio a través de la membrana; y de las magnitudes especificadas por el fabricante, tal como el espesor de la membrana.

También debe recalcarse que los resultados son muy sensibles a estos valores, y que el establecerlos a través de simulación es sólo una aproximación. Adicionalmente, debe recalcarse que  para poder validar los resultados de la simulación y diseñar los detalles de acoples, empaques, controladores, y otros aspectos puntuales de la construcción, es imprescindible realizar la investigación tecnológica respectiva.

Breve descripción de la simulación

La simulación de llevó a cabo mediante un programa que simula el arranque y de otro que, utilizando los resultados del primero, simula el reciclo. Para diferenciar a cada uno en la explicación que  sigue denominaremos “programa de arranque” al primero, y “programa de reciclo” al segundo.

Resultados del programa de arranque

Las condiciones de operación más importantes utilizadas en ésta simulación se indican a continuación.

Figura  . Condiciones de arranque de la celda

Figura 9 . Condiciones de arranque de la celda

Los resultados más significativos de éste programa se presentan a continuación.

Figura  . Concentraciones molares de iones de sodio en las celdas anódica y catódica

Figura 10 . Concentraciones molares de iones de sodio en las celdas anódica y catódica

La figura anterior es interesante porque permite apreciar la gradiente de concentración que constituye la fuerza motriz para la difusión de los iones de sodio a través de la membrana de la celda, así como el tiempo de arranque de la celda.

Las figuras siguientes se explican por si solas. Muestran dos tablas que resumen la simulación de la operación de la celda.

La primera figura muestra un compendio de la producción limitada por la termodinámica; la segunda muestra un compendio de los resultados de la simulación misma.

La idea de las dos tablas es que la producción no supere lo que estipula la Ley de Faraday.

De la observación de las dos tablas, es posible concluir que, para los parámetros de operación que se indican en la figura 9, la producción está más cerca de 460 kg/día de hidróxido de sodio, que de 450 kg/día.

Figura 11. Resultados de la simulación/1

Figura 11. Resultados de la simulación/1

Figura 12. Resultados de la simulación/2

Figura 12. Resultados de la simulación/2

Resultados del programa de reciclo

Los resultados del programa se presentan a continuación.

La figura siguiente muestra el flujo de reciclo FR y el flujo Fp que sale de la celda catódica. El flujo de producción corresponde a la diferencia entre el segundo y el primer flujo, diferencia que en la Figura 13 puede apreciarse como  la diferencia entre las ordenadas del trazo morado y el trazo rojo.

La indicación de los flujos mencionados puede apreciarse en la Figura 8.

Figura 13. Flujos de salida de celda catódica, y de reciclo

Figura 13. Flujos de salida de celda catódica, y flujo de reciclo

La figura siguiente muestra la evolución de la concentración de hidróxido de sodio en la celda catódica con el tiempo

Figura 14. Concentración de hidróxido de sodio en celda catódica

Figura 14. Concentración de hidróxido de sodio en celda catódica

La siguiente figura muestra la producción, el volumen y la concentración de hidróxido de sodio que se obtiene.

Figura 15. Parámetros del flujo de producción de la celda catódica

Figura 15. Parámetros del flujo de producción de la celda catódica

Conclusiones

  1. Mediante modelado y simulación se ha establecido las condiciones aproximadas de operación de una calda electrolítica, pudiéndose comprobar que es posible obtener las concentraciones, y las producciones reportadas en las publicaciones de los fabricantes de instalaciones industriales, y en otros publicaciones académicas reputadas.
  2. Las instalaciones para producir hidróxido de sodio las diseña, vende, e instala, en pallets o unidades a conectar in situ una sola firma muy bien establecida en el mundo; también pueden adquirirse versiones no modulares de otra fuente.
  3. El numeral anterior significa que si se quiere desagregar el paquete, como en este artículo se propone, y como a mi juicio debe hacerse, se debe llevar a cabo el trabajo de desarrollo de la celda misma, con sus empaque, acoples, y otros.
  4. Al margen del electrolizador, la instalación se compone de plantas de tecnología simple compuestas por columnas de filtración y de adsorción, tanques bombas, y demás equipo misceláneo que se fabrica en el país, que es suficientemente común.
  5. Por lo dicho antes se concluye que si se desarrolla la tecnología de fabricación de la celda electrolítica, el proyecto es tecnológicamente factible.

Queda pendiente la aproximación de las demás plantas, que se presentará en la parte, o partes, subsiguiente a este artículo

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Acerca de

Professor of modeling and simulation, and process design at Escuela Politécnica Nacional, in Quito, Ecuador. . In the past I was a P4, P5, and D1 at the Organization for the Prohibition of Chemical Weapons, located in the Kingdom pf the Netherlands

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