Diseño de una Planta de producción de alúmina

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

Objetivo del proyecto Características y propiedades del producto 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

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

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

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.


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.


Característica de la Bauxita : Contenido de Hidróxido de aluminio

Monohidrato (Boehmita) AlO-OHSoluble a 240ºC

Trihidrato (Gibbsita) Al(OH)3

Soluble a 140ºC


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 .


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)


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.


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.


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

CONTENIDO


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

CONTENIDO


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.

CONTENIDO


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

CONTENIDO


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

CONTENIDO


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 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



REACCIÓN DE PRECIPITACIÓN

NaAl(OH)4 (ac) Al(OH)3 (s) + NaOH (ac)

Tiempo de residencia : 16 horas

CONTENIDO


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.

CONTENIDO


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


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


IC Etapas 2 y

4

81

CONTENIDO


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

CONTENIDO


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

CONTENIDO


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

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Diseño de una Planta de producción de alúmina