Diseño de una Planta de producción de alúmina

PROYECTO FIN DE CARRERA INGENIERO QUÍMICO
Guadalupe Becerra Luengo
Junio 2014

 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

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
 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

 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.

 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

APLICACIONES
 Materia prima para la construcción de
materiales refractarios y abrasivos.
 Industria farmacéutica

APLICACIONES
 Fundamentalmente para la obtención del
aluminio

 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-OH
Soluble 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 cáustica
Al2O3.2SiO2.2H2O (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 LICOR
Compuestos 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.

Bauxita Licor
Vapor Cal
Barro Rojo
NaOH
Hidrato Producto

 BAUXITA
2 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

 NaOH
Se 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.
 FLOCULANTES
Se 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

 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.

 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.

 PUNTO DE NIVELACIÓN
Punto de corte entre las rectas de costes y las de ganancias
580.000 tm/año
 CAPACIDAD DE LA PLANTA: 880.000 toneladas anuales.
Se asegura la rentabilidad de la planta y suficiente para satisfacer
la producción acordada.

 Posibilidad del acceso directo a Puerto
Alúmina
marítimo con cargueros de gran volumen de
trabajo
Bauxita
 Proximidad con el país suministrador de
Bauxita y con el país destinatario del producto.

 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
polígoSunpoerficie total 634.076 m2

ETAPA 1: MOLIENDA Y DESILICACIÓN
REACCIONES DE 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)
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

ETAPA 2: DIGESTIÓN Y ENFRIAMIENTO
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)
Licor pobre
Tª = 80ºC
P = 1 atm
A/C = 0,38
REACCIONES DE DESILICACIÓN
Formación de PDS consumiéndose el 100% del Na2SiO3
219 ºC 189 ºC 80 ºC
229 ºC
Tª = 275 ºC
P = 59,5 atm
Tª = 80 ºC
20% w
Tª = 240 ºC
P = 40 atm
30 minutos
Tª =108 ºC
P = 1 atm
A/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 NaOHNa2C5O7 (ac)+ 5H2O (l)
6Na2SiO3 (ac) + 8NaAl[OH]4 (ac)3Na2O.2SiO2.Al2O3.2H2O.2/3NaAl[OH]4 (s) + 12NaOH(ac)

ETAPA 3: CLARIFICACIÓN DE LICORES Y
ESPESAMIENTO DE LODOS
Tª = 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
Tª = 108 ºC
P = 1 atm REACCIÓN DE DILUCIÓN
Temperatura de lavado
90 – 110 ºC
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

ETAPA 4: ENFRIAMIENTO Y PRECIPITACIÓN
Tª = 80 ºC
P = 1 atm
Tª = 60 ºC
P = 1 atm
Tª entrada= 25 ºC
Tª = 60 ºC Tª salida = 55ºC
P = 1 atm
A/C = 0,42
Hidrato útil
52%w sólidos
99% de Al(OH)3
Hidrato intermedio
49,7% w sólidos
Hidrato fino
42,6% w sólidos
Licor pobre
0,38 % w sólidos
Tª = 60 ºC
P = 1 atm
Tª = 96 ºC
P = 1 atm
REACCIÓN DE PRECIPITACIÓN
NaAl(OH)4 (ac)  Al(OH)3 (s) + NaOH (ac)
Tiempo de residencia : 16 horas

 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.

 EQUIPOS DE MEZCLA
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
 REACTORES
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

 EQUIPOS DE SEPRACIÓN SÓLIDO-LÍQUIDO
D-01: Decantador Etapa 3 1
L: Lavador Etapa 3 3
CL. Clasificador de hidrato Etapa 4 3
 SEPARADORES DE FASES LÍQUIDO-VAPOR
FT- (01 a 17) Etapas 2 y 4 17
RFT- (01 a 13) Etapas 2 y 4 13
 INTERCAMBIADORES DE CALOR
IC Etapas 2 y 4 81

 Régimen continuo
 11 meses al año (334 días/año)
 1 mes para mantenimiento, reparaciones y
mejoras

DIRECTOR
GENERAL
INGENIEROS
OPERARIOS
TÉCNICOS
SEGURIDAD E
HIGIENE,
ADMINISTRACIÓN
PERSONAL
ADMINISTRATIVO
CONTABLES
QUÍMICOS
TÉCNICOS DE
LABORATORIO
217 Trabajadores en total

 CAPITAL INVERTIDO
Partida Coste (€)
Capital Inmovilizado (I) 172.918.014
Capital circulante (Pc) 36.132.661
Capital invertido (P) 209.050.676
 COSTES DE PRODUCCIÓN
Partida Coste (€)
Coste de fabricación (M) 96.024.530
Coste de gestión (G) 6.302.859
Coste de producción (C) 135.652.481

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%

El tiempo de recuperación de la inversión se
estima en 3 años desde el inicio de la
construcción de la planta

 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.

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