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INTRODUCCIÓN
En el diseño de instalaciones químicas en la actualidad, en la economía mundial ocurre una globalización de los mercados, caracterizada por una competencia creciente, que presiona hacia la búsqueda de tecnologías basadas en conocimientos científicos, cuya incorporación al sistema productivo permiten reducir costos, mejorar la calidad, ahorrar energía y materias primas escasas, a la par de aumentar la productividad de la fuerza de trabajo. En estas condiciones es un problema socio-económico y científico la no implementación de una metodología científicamente fundamentada que permita evaluar el camino más apropiado para el desarrollo de la industria química en Cuba.
En el desarrollo de la Industria Química se ha trabajado con especial fuerza en la intensificación de procesos químicos con varios trabajos, en resumidos por González y col., (2020), en los que resalta su aplicación la Gestión Tecnológica integrada al Análisis de Procesos (Guzmán y col., 2019), que ha dado lugar a una profundización fenomenológica en procesos de la industria nacional (Martí y col., 2020) y las mejoras operacionales en grandes instalaciones industriales (Cortés y col., 2021), se ha trabajado también en el desarrollo de nuevos procesos tecnológicos en la agroindustria alimentaria (Pérez y col., 2020), y desarrollo de nuevas producciones de la industria de la caña de azúcar en el concepto de biorrefinería (González y Castro, 2012), (de Armas y col., 2018), así como en producciones específicas (Cerda-Mejía y col., 2020), (Cerda-Mejía y col., 2021), y en acciones de transferencia de tecnología (García y col., 2019), sin embargo todos estos trabajos son insuficientes para enfrentar la tarea que hoy se plantea sobre el desarrollo de la industria química y fermentativa.
Por lo que el objetivo general del presente trabajo es aplicar una estrategia elaborada para la evaluación de las posibilidades de modificación de una planta de ácido sulfúrico sobre bases científicamente fundamentadas.
MATERIALES Y MÉTODOS
De acuerdo con el objetivo trazado se propone una metodología que sea aplicable a la solución al problema planteado en el país (Figura 1).
El análisis de la primera etapa del proceso, el estudio del mercado, teniendo en cuenta los siguientes pasos:
2.1. Paso 1
El primer paso es determinar el problema que es la falta de productos químicos en el país para darle una solución óptima a este y para ello es necesario conocer la cantidad que se requiere o se necesita de este producto para poder darle solución a las necesidades del pueblo y cumplir con lo que exigen estos y así incrementar la economía del país.
2.1.1. Paso 2
El segundo paso es definir la malla de productos químicos para saber si existe ese producto en el mercado, si hay disponibilidad de los insumos necesarios, si existen otros productos derivados y materia prima disponible. Esto genera una nueva malla química necesaria para garantizar las producciones prospectivamente.
2.1.3. Paso 3
El tercer paso: si existe o no la fábrica las variantes que son posibles analizar:
Si no existe una instalación se debe realizar una inversión destinada a ella y satisfacer la demanda reduciendo significativamente a cero la importación del producto.
Si existe una instalación se debe evaluar
Si se satisface la demanda actual y prospectiva intensificando la instalación.
Si es necesario alguna modificación y aplicar el método de reconversión.
Una actividad obligatoria aquí es saber si existe la tecnología, para ello se pueden plantear dos variantes:
Si existe la tecnología disponible en el mercado se realiza la inversión.
Si no existe desarrollarla y realizar la inversión.
En todo caso deben utilizarse los métodos de análisis de inversiones utilizados en la industria de procesos químicos (Peters y Timmerhaus, 1991).
2.1.4. Paso 4
Cuarto paso: Estudio técnico económico.
Seguido del estudio tecnológico se realiza un estudio técnico económico que lleva consigo la continuación de los pasos a seguir para concluir la metodología planteada en el objetivo general de este proyecto de investigación.
En dicho estudio se calculan los márgenes de utilidad, siempre reduciendo los costos y teniendo en cuenta la evaluación ambiental, y luego se evalúa si es rentable la planta siendo este el primer filtrado.
En el segundo filtrado es necesario detallar el proceso de producción, materias primas, flujo de fondo), presentación de cartas de producción, perfil descriptivo del producto. Análisis de entrada al negocio (Estrategias de entrada). Si cumple las estrategias aplicar la solución y evaluar, en este sentido se ha realizado una propuesta para la evaluación de oportunidades de negocios en la agroindustria cubana (Rabassa, 2016).
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Aplicando la metodología se detecta la necesidad de incremento de las producciones de ácido sulfúrico para lo cual se cuenta con una planta en la provincia de Matanzas, Cuba (Carmona, 2019). La misma no se explota a toda su capacidad debido a deficiencias técnicas, por lo que se propone un proyecto de reconversión. Los resultados alcanzados fueron:
3.1 Estudio de mercado (Serrano, 2018).
Principales clientes de la Planta de Ácido Sulfúrico son: Termoeléctricas, Centrales Azucareros, Industria de fertilizantes, Industria Textil, Industria Alimenticia, Refinerías de Petróleo, Industria Electroquímica, Industria Metalúrgica, Comercio Minorista, etc (Serrano, 2018).
La modernización de la Planta de Ácido Sulfúrico de la Unidad Empresarial de Base Rayonitro, permitirá no solo el aseguramiento del consumo nacional actual de este producto sino, la sustitución de importaciones de sulfato de magnesio, sulfato de zinc, sulfato ferroso y sulfato de manganeso. El precio promedio del ácido es (200-250 USD).
3.1.1. Balance entre la demanda y la capacidad
La planta ya existente en Matanzas cuenta con una capacidad de 70 t/d para una demanda de 14 t/d, lo que demuestra que la capacidad instalada de producción es mucho mayor que la demanda actual (Serrano, 2018).
3.2 Proyecto tecnológico.
La fabricación de ácido sulfúrico involucra tres operaciones o fases distintas:
Obtención de gases conteniendo anhídrido sulfuroso (SO2) y preparación de estos gases para ser destinados a la fabricación. Generalmente, la corriente gaseosa de SO2 debe someterse a un proceso de purificación en el que se eliminen componentes que pueden interferir en etapas posteriores.
Oxidación del SO2 para convertirlo en anhídrido sulfúrico (SO3) con la ayuda de los óxidos de nitrógeno, en los aparatos de contacto.
Absorción del anhídrido sulfúrico (SO3) en una solución de agua para formar el ácido sulfúrico (H2SO4), (Serrano, 2018), (Carmona, 2019).
De acuerdo con lo planteado anteriormente se presenta el siguiente esquema tecnológico (Figura 2):
El método utilizado, es el de simple contacto (Serrano, 2018) que es un proceso catalítico de mayor rendimiento y menor tiempo de proceso para las materias primas. En la producción de ácido sulfúrico por este método se diferencian varias operaciones importantes:
3.3. Balance de masa del ácido sulfúrico.
De acuerdo con la estequiometría de la reacción de oxidación catalítica de SO2 a SO3 en presencia de aire es (Ecuación 1 y Ecuación 2):
() 1
La posterior absorción de SO3:
() 2
Los resultados del balance de materiales en cada convertidor se expresan en la Tabla 1:
3.4. Balance de energía.
Se utiliza la metodología propuesta en la literatura científica (Hougen y Watson, 1959) en cada uno de los intercambiadores del proceso, de acuerdo con el procedimiento siguiente para cada intercambiador (Figura 3):
Figura 3 Procedimiento para determinar la temperatura de salida de la mezcla de gases de cada intercambiador
Los resultados de cada intercambiador se muestran en la Tabla 2:
3.5. Optimización de los intercambiadores de calor a través del método de Lagrange Tabla 3
Para el diseño óptimo económico se consideró como función objetivo el costo total, por lo que se determinaron las condiciones donde el costo total es un mínimo, por consiguiente el problema de optimización es: minimizar la suma del costo variable anual para la operación del intercambiador.
Caso General:
El diseño de muchos intercambiadores de calor incluye condiciones iniciales en el cual las siguientes variables son conocidas:
Razón de flujo del fluido del proceso
Cambio en la temperatura del fluido del proceso
Temperatura de entrada del fluido útil (para enfriamiento o calentamiento)
Con esta información, el ingeniero puede preparar un diseño óptimo de intercambiador que cumpla con los requerimientos del proceso, los resultados siguientes deben ser determinados:
Área de transferencia de calor
Temperatura de salida y razón de flujo de fluido útil
Cantidad, longitud, diámetro, y arreglo de los tubos
Caída de presión en el lado de los tubos y en el lado de la concha
El costo total anual, utilizado como función objetivo para la optimización, puede ser representado por la ecuación 3:
() 3
Donde:
A0: Área de transferencia de calor, el subíndice 0 designa el lado exterior de los tubos (m2).
Kf: Cargos fijos anuales, incluyen mantenimiento, expresado como una fracción del costo inicial para la unidad completamente instalada (USD/año).
CA: Costo de instalación del intercambiador de calor por unidad de superficie de transferencia de calor exterior de los tubos (USD/m2).
Wu: Razón de flujo de fluido útil (t/hora).
Hy: Horas de operación por año (h).
Cu: Costo del fluido útil (USD/t).
Ei: Pérdida de potencia en el lado interior de los tubos por unidad de área exterior de los tubos (Watt/ m2).
Ci: Costo de suministro de un Watt para bombear el fluido a través de los tubos (USD/ Watt).
Ei: Pérdida de potencia por unidad de área interior de los tubos (Watt/ m2).
Ci: Costo para suministrar un Watt para bombear el fluido a través de los tubos (USD/ Watt).
E0: Pérdidas de potencia por unidad de área exterior de los tubos (Watt/ m2).
C0: Costo para suministrar un Watt para bombear el fluido a través de la carcasa (USD/ Watt).
Siendo las restricciones los valores reales de las variables de diseño.
Un diseño óptimo puede desarrollarse desde los resultados del sistema de ecuaciones de derivadas parciales de la ecuación 3 en los que se utiliza el método de Lagrange por un procedimiento laborioso de ensayo y error, considerando todas las variantes posibles (Peters y Timmerhaus, 1991), (González y col., 2020). El procedimiento propuesto se puede resumir en el diagrama de la Figura 4.
De su aplicación a los tres intercambiadores necesarios a la salida del convertidor 1, 2 y 4, respectivamente, mostraron los siguientes resultados:
Se conocen las condiciones de:
La razón de flujo y el cambio necesario de temperatura del fluido del proceso es conocido.
La temperatura del fluido útil es conocido.
Se conocen las características de flujo si es turbulento tanto del lado de los tubos como de la carcasa.
No hay cambios parciales de fases.
Los necesarios factores de seguridad son conocidos.
3.6. Diseño óptimo de la torre de enfriamiento.
Para garantizar las temperaturas del agua utilizada para el enfriamiento de los gases en cada convertidor se invierte en una torre de enfriamiento, que asegure toda el agua fría necesaria, que es la siguiente: 187 289,31 kg/h.
La metodología para calcular las torres de enfriamiento acopladas a intercambiadores de calor y fermentadores, se muestra en la Figura 5, (Jiménez y col., 2015):
Los resultados del diseño óptimo de la torre fueron los siguientes (Tabla 4):
3.7. Análisis dinámico de las inversiones realizadas.
Para analizar los indicadores dinámicos de la inversión es necesario considerar las variaciones en el flujo de caja, para ello se debe incluir el ahorro por disminución de los consumos energéticos y los valores inversionistas. Los resultados del análisis dinámico fueron:
El ahorro anual de electricidad es de 292 103,57 USD/año.
Costo de inversión: 137 974,36 USD.
Luego entonces los indicadores dinámicos son:
VAN: 343 719 USD
TIR: 46%
PRD: 3,5 años
CONCLUSIONES
El proceso del estudio de la planta de ácido sulfúrico de Matanzas es un caso típico en el cual, se requiere, una modernización de la instalación, siendo aplicable la metodología propuesta para evaluar alternativas de desarrollo de la industria química.
Es factible sustituir el enfriamiento de los gases productos de la reacción en cada intercambiador por agua, diseñando de forma óptima los intercambiadores.
El agua de enfriamiento requerida para el sistema de intercambio puede lograrse a través de una torre de enfriamiento, diseñada óptimamente con apoyo del método del Segmento Áureo, de relativamente bajo costo y de condiciones óptimas de 1,5 de la relación mínima L/G.
Los indicadores económicos de este estudio, aunque pueden calcularse con mayor precisión mediante solicitudes de oferta a suministradores y determinación exactas de los consumos energéticos, fueron: VAN: 343 719 USD, una TIR: 46%, y PRD de 3,5 años, lo que hace recomendable a la instalación de producción de Ácido Sulfúrico.
