PLANTA DE PRODUCCIÓN DE
ALÚMINA
Guadalupe Becerra LuengoJunio 2014
PROYECTO FIN DE CARRERA INGENIERO QUÍMICO
CONTENIDO Objetivo del proyecto Características y propiedades del producto Método de producción Materias Primas Estudio de Mercado Capacidad de la planta Localización de la planta Ingeniería de Proceso Balances de materia y energía Diseño de equipos principales Régimen de funcionamiento Evaluación Económica Conclusiones
1- OBJETIVO DEL PROYECTO
Diseño de una planta de producción de alúmina por
digestión de Bauxita con sosa cáustica. La producción de la
planta será de 880.000 toneladas anuales con una pureza del
98,9%.
OBJETIVO DEL PROYECTO
CONTENIDO
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2. ALÚMINA
Óxido de aluminio
Su estructura tiene forma de octaedro, cuyos vértices son átomos de oxigeno unidos por un átomo de aluminio que se coloca en el centro de la red.
Estos octaedros se unen entre sí formando láminas de alúmina.
2. ALÚMINA
Según el grado de calcinación tipo α tipo γ La alúmina de uso industrial está
constituida por una mezcla de estos dos tipos.
• Pureza• Densidad • Relación alúmina α/alúmina γ
2. ALÚMINAAPLICACIONES Materia prima para la construcción de
materiales refractarios y abrasivos.
Industria farmacéutica
2. ALÚMINA
APLICACIONES Fundamentalmente para la obtención del
aluminio
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3. MÉTODO DE PRODUCCIÓN
La producción de alúmina se basa en la digestión de Bauxita con sosa cáustica
La Bauxita es un mineral rico en hidróxido de aluminio que se presenta en la naturaleza.
3. MÉTODO DE PRODUCCIÓN
MINERAL DE ALÚMINA: BAUXITA Mezcla de sustancias minerales que se
encuentran presentes en composición variable cuyas especies principales son:
- Hidróxidos de aluminio (al menos un 30%)- Compuestos de hierro (5 - 30%)- Compuestos de silicio ( 7% SiO2)
- Óxidos de titanio, calcio y compuestos orgánicos.- Cantidades menores de fósforo, galio, vanadio, arsénico, manganeso, etc.
3. MÉTODO DE PRODUCCIÓN
Característica de la Bauxita : Contenido de Hidróxido de aluminio
Monohidrato (Boehmita) AlO-OHSoluble a 240ºC
Trihidrato (Gibbsita) Al(OH)3
Soluble a 140ºC
3. MÉTODO DE PRODUCCIÓN
RESEÑA HISTÓRICA
Periodo de 1860-1890 se utilizó el método de Sainte-Claire Deville.
En 1887, Karl Joseph Bayer patentó los principios generales del proceso Bayer .
3. MÉTODO DE PRODUCCIÓN
BASES DEL PROCESO Basado en la reacción química reversible
entre la Gibbsita con la sosa cáustica
Al(OH)3 (s)+ NaOH (l) NaAl(OH)4 (ac)
Si contiene Boehmita , debe emplearse mayor temperatura de digestión para conseguir su disolución
AlO(OH)(s) + NaOH + H2O NaAl(OH)4 (ac)
3. MÉTODO DE PRODUCCIÓN
Reacción de la sílice con la sosa cáusticaAl2O3.2SiO2.2H2O (s) + 6NaOH (ac) 2NaAl(OH)4 (ac) +2Na2SiO3 (ac) + H2O(l)
La arcilla disuelta precipitará posteriormente en un compuesto insoluble denominado “Sodalita Bayer” o “PDS”
6NaAl(OH)4(ac)+ 6Na2SiO3(ac)+ Na2X(ac)
3(Na2O.Al2O3.2SiO2.2H2O).Na2X(s) +12NaOH(ac)
Este proceso de Desilicación juega un papel
extremadamente importante en el diseño de una planta.
3. MÉTODO DE PRODUCCIÓN
IMPUREZAS EN EL LICORCompuestos secundarios que juegan un papel extremadamente importante en el proceso- Carbonato sódico (Na2CO3) , por la pérdida de cáustico que conlleva. - Oxalato sódico (Na2C2O4) y otras sales complejas de sodio que pueden precipitar con el producto. Será necesario controlarlos a lo largo de todo el proceso.
3. MÉTODO DE PRODUCCIÓN
El procedimiento industrial, consiste en una serie de procesos y operaciones comunes en todas las plantas. Son las condiciones de trabajo y diseño las que varían en función del tipo de Bauxita que se trate.
DIGESTIÓN
LAVADO DEL RESIDUO SÓLIDO
CALENTAMIENTO DE LICOR
ENFRIAMIENTO DEL LICOR RICO
PRECIPITACIÓN DE HIDRATO
CLASIFICACIÓN DE HIDRATO
CALENTAMIENTO DE LICOR
MOLIENDA Y DESILICACIÓN
Bauxita
Licor
CalVapor
Barro Rojo
NaOH
Hidrato Producto
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4. MATERIAS PRIMAS
BAUXITA2 toneladas de bauxita 1 tonelada de alúmina
• Su elección es muy importante para la economía del proceso
• Proviene de Guinea Conakry por tres razones: su calidad, su ubicación y su cantidad.
El 99% de la Bauxita importada por España proviene de Guinea
4. MATERIAS PRIMAS
NaOHSe importa desde Europa en forma de solución al 50% en peso. CAL Se añade al proceso en forma de lechada de cal (Ca(OH)2) al 20% en peso. FLOCULANTESSe utiliza harina de maíz y una mezcla de floculantes sintéticos (Cytec HX3000®, Nalco 9779® y Nalco 85710®) al 0,1 % en peso mezclado con condensado caliente
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5. ESTUDIO DE MERCADO El consumo de alúmina está ligado al
consumo del aluminio. Los principales consumidores a escala
mundial son China, Europa y EEUU. En España la alúmina es producida en su
totalidad por Alcoa en San Ciprián (Lugo). - Capacidad de producción 1.550.000 t/año - Abastece a las fundiciones de aluminio de Avilés y La Coruña.
5. ESTUDIO DE MERCADO
El estudio de la demanda futura en España ha determinado que no existirá una demanda insatisfecha de alúmina, por lo que será necesario recurrir a la exportación .
El objetivo inmediato de dicha planta será cumplir el acuerdo comercial establecido con empresas argelinas.
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6. CAPACIDAD DE LA PLANTA
PUNTO DE NIVELACIÓN Punto de corte entre las rectas de costes y las de ganancias
CAPACIDAD DE LA PLANTA: 880.000 toneladas anuales. Se asegura la rentabilidad de la planta y suficiente para satisfacer la producción acordada.
580.000 tm/año
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7. LOCALIZACIÓN
Posibilidad del acceso directo a Puerto marítimo con cargueros de gran volumen de trabajo
Proximidad con el país suministrador de Bauxita y con el país destinatario del producto.
Bauxita
Alúmina
7. LOCALIZACIÓN
Polígono Industrial Nuevo Puerto, término municipal de Palos de la Frontera (Huelva)
Suministro de servicios plenamente garantizado.
Superficie total de 634.076 m2 situadas en la manzana 74783 y la manzana 71843 del polígono
Superficie total 634.076 m2
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8. INGNIERÍA DE PROCESO
ETAPA 1: MOLIENDA Y
DESILICACIÓN
ETAPA 2: DIGESTIÓN
ETAPA 3: CLARIFICACIÓN DE LICORES Y ESPESAMIENTO
DE LODOS
ETAPA 4: ENFRIAMIENTO Y PRECIPITACIÓN
8. INGNIERÍA DE PROCESOETAPA 1: MOLIENDA Y DESILICACIÓN
Tª 25ºC
Monohidrato Alúmina,
MHA
2,40 %
Trihidrato Alúmina, THA 49,40
%
Sílice Total (arcillas +
cuarzo)
1,57 %
Sílice Reactiva (arcillas) 1,09 %
Hematita ( Fe2O3) 13,85
%
Carbón Orgánico (C) 0,12 %
Humedad 1,20 % Tª =
80ºC
P = 1
atm
A/C =
0,38
Tª = 275ºC
P = 59,5
atm
Tª = 95ºC
P = 1 atm
44,8% w sólidos (750 g/l)
REACCIONES DE DESILICACIÓN
Disolución de Caolinita (100%)
Al2O3.2SiO2.2H2O(s) + 6NaOH(ac)2NaAl(OH)4(ac)+2Na2SiO3(ac)+H2O(l)
Formación de PDS consumiéndose el 100% del Na2SiO3
6Na2SiO3 (ac) + 6NaAl[OH]4(ac)+Na2CO3(ac) 3Na2O.2SiO2.Al2O3.2H2O.1/3Na2CO3(s) +
12NaOH (ac)
6Na2SiO3 (ac) + 6NaAl[OH]4(ac)+2NaCl (ac)3Na2O.2SiO2.Al2O3.2H2O.2/3NaCl(s) + 12NaOH
(ac)
6Na2SiO3 (ac) + 6NaAl[OH]4(ac)+Na2SO4 (ac)3Na2O.2SiO2.Al2O3.2H2O.1/3Na2SO4(s)
+12NaOH (ac)
6Na2SiO3 (ac) + 8NaAl[OH]4 (ac)3Na2O.2SiO2.Al2O3.2H2O.2/3NaAl[OH]4 (s) + 12NaOH(ac)
Disolución de Gibbsita (5%) Al(OH)3(s) + NaOH (ac) NaAl(OH)4 (ac)
TIEMPO DE REACCIÓN 150 MINUTOS
8. INGNIERÍA DE PROCESOETAPA 2: DIGESTIÓN Y ENFRIAMIENTO
Licor pobreTª = 80ºCP = 1 atmA/C = 0,38
189 ºC 80 ºC
219 ºC
229 ºC
Tª = 275 ºCP = 59,5 atm
Tª = 80 ºC20% w
Tª = 240 ºCP = 40 atm30 minutos
Tª =108 ºCP = 1 atmA/C = 0,76
REACCIONES DE DIGESTIÓN
Disolución del 100% de Gibbsita
Al(OH)3 (s) + NaOH (ac) NaAl (OH)4 (ac)
Disolución del 80% de Boehmita
AlO(OH) (s) + NaOH (ac) + H2O (l) NaAl(OH)4 (ac)
Formación de impurezas consumiéndose el 61% del C(s)
• C(s) + O2 (g) + NaOH (ac) Na2CO3 (ac)+ H2O (l)
• 2C(s)+3/2O2 (g) + 2NaOH (ac)Na2C2O4 (ac)+H2O (l)
• 25C(s) + 15 O2(g) + 10 NaOHNa2C5O7 (ac)+ 5H2O (l)
REACCIONES DE DESILICACIÓN
Formación de PDS consumiéndose el 100% del Na2SiO3
6Na2SiO3 (ac) + 6NaAl[OH]4(ac)+Na2CO3(ac) 3Na2O.2SiO2.Al2O3.2H2O.1/3Na2CO3(s) +
12NaOH (ac)
6Na2SiO3 (ac) + 6NaAl[OH]4(ac)+2NaCl (ac)3Na2O.2SiO2.Al2O3.2H2O.2/3NaCl(s) + 12NaOH
(ac)
6Na2SiO3 (ac) + 6NaAl[OH]4(ac)+Na2SO4 (ac)3Na2O.2SiO2.Al2O3.2H2O.1/3Na2SO4(s)
+12NaOH (ac)
6Na2SiO3 (ac) + 8NaAl[OH]4 (ac)3Na2O.2SiO2.Al2O3.2H2O.2/3NaAl[OH]4 (s) + 12NaOH(ac)
8. INGNIERÍA DE PROCESOETAPA 3: CLARIFICACIÓN DE LICORES Y
ESPESAMIENTO DE LODOSTª = 108 ºC
P = 1 atm
Tª = 108 ºC
P = 1 atm
90 minutos
40% w sólidos
47% w sólidos
55 % w sólidos
35% w sólidos
Tª = 90 ºC
Temperatura de lavado
90 – 110 ºC
Tª = 108 ºC
P = 1 atm
REACCIÓN DE DILUCIÓN
3Ca(OH)2(s) + 2NaAl(OH)4(ac) 3CaO·Al2O3·6H2O(s) + 2NaOH(ac)
Se consume el 100% de Ca(OH)2 añadido al proceso
8. INGNIERÍA DE PROCESOETAPA 4: ENFRIAMIENTO Y PRECIPITACIÓN
Tª = 80 ºCP = 1 atm
Tª = 60 ºCP = 1 atm
Tª entrada= 25 ºCTª salida = 55ºC
Tª = 60 ºCP = 1 atmA/C = 0,42
Hidrato útil52%w sólidos 99% de Al(OH)3
Hidrato intermedio49,7% w sólidos
Hidrato fino42,6% w sólidos
Licor pobre0,38 % w sólidos
Tª = 60 ºCP = 1 atm
Tª = 96 ºCP = 1 atm
REACCIÓN DE PRECIPITACIÓN
NaAl(OH)4 (ac) Al(OH)3 (s) + NaOH (ac)
Tiempo de residencia : 16 horas
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9. BALANCES DE MATERIA Y ENERGÍA
Alúmina (libre de humedad): 109,8 tm/h, 880.000 tm/año
Mineral de Bauxita: 2.004.000 toneladas anuales
Sosa cáustica 50%w: 83.687 toneladas anuales
Cal: 52.585 toneladas anuales
Floculantes: 200 g por kilogramo de barro (seco) extraído.
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10. DISEÑO DE EQUIPOS PRINCIPALES
EQUIPOS DE MEZCLA
REACTORES
Equipo Situación Nº u.
M-01: Molino de Bolas Etapa 1 3
M-02: Mezclador de pulpa Etapa 2 1
M-03: Mezclador de condensado Etapa 4 1
ICD: calentador directo Etapa 2 1
Equipo Situación Nº u.
R-01: reactor Desilicación Etapa 1 4
R-02: Reactor Digestión Etapa 2 3
R-03: Reactor Dilución Etapa 3 3
RP-01 aRP-10: Reactor Precipitación Etapa 4 30
10. DISEÑO DE EQUIPOS PRINCIPALES EQUIPOS DE SEPRACIÓN SÓLIDO-LÍQUIDO
SEPARADORES DE FASES LÍQUIDO-VAPOR
INTERCAMBIADORES DE CALOR
Equipo Situació
n
Nº
u.
D-01: Decantador Etapa 3 1
L: Lavador Etapa 3 3
CL. Clasificador de
hidrato
Etapa 4 3
Equipo Situación Nº u. FT- (01 a 17) Etapas 2 y 4 17RFT- (01 a 13) Etapas 2 y 4 13
Equipo Situación Nº u.
IC Etapas 2 y
4
81
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11. RÉGIMEN DE FUNCIONAMIENTO
Régimen continuo
11 meses al año (334 días/año)
1 mes para mantenimiento, reparaciones y mejoras
11. RÉGIMEN DE FUNCIONAMIENTO
DIRECTOR GENERAL
INGENIEROS
OPERARIOS
TÉCNICOS
SEGURIDAD E HIGIENE, ADMINISTRACIÓN
PERSONAL ADMINISTRATIVO
CONTABLES
QUÍMICOS
TÉCNICOS DE LABORATORIO
217 Trabajadores en total
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12. EVALUCIÓN ECONÓMICA CAPITAL INVERTIDO
COSTES DE PRODUCCIÓN
Partida Coste (€)
Capital Inmovilizado (I) 172.918.01
4
Capital circulante (Pc) 36.132.661
Capital invertido (P) 209.050.67
6 Partida Coste (€)
Coste de fabricación (M) 96.024.530
Coste de gestión (G) 6.302.859
Coste de producción (C) 135.652.481
12. EVALUCIÓN ECONÓMICA
INGRESOS POR VENTAS: 221.799.514 €/año
Beneficio bruto de 86.147.032 €/año Beneficio neto de 60.302.923 €/año.
Beneficio neto porcentual 28,8%
12. EVALUCIÓN ECONÓMICA
El tiempo de recuperación de la inversión se estima en 3 años desde el inicio de la
construcción de la planta
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13. CONCLUSIONES La documentación presentada se recoge la información
necesaria para el Diseño de una Planta de producción de alúmina que cumple con las características comerciales requeridas .
A medio-largo plazo no existirá una demanda insatisfecha en el territorio nacional, por lo que habrá que recurrir a la exportación para dar salida a la producción.
La planta tendrá una capacidad de producción de 880.000 toneladas anuales.
La digestión de la Bauxita se llevará a cabo mediante el Proceso Bayer a alta temperatura y alta presión.
Se ubica en el término municipal de Palos de la Frontera, provincia de Huelva, en el Polígono Industrial Nuevo Puerto.
Se opera en régimen continuo 334 días al año y necesitará 217 trabajadores directos empleados en la panta.
Se requiere una inversión inicial de 209.050.676 €. El beneficio neto anual es de 60,3 millones de euros y el beneficio neto porcentual del 28,85%.
Deberá remitirse a los documentos adjuntos para tener en cuenta las disposiciones vinculantes a éstos.
Muchas gracias por su atención