INTRODUCCION

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CAPITULO 1

INTRODUCCION 1.1 LA INDUSTRIA QUIMICA CHILENA

M ás de cien industrias entre grandes, medianas y pequeñas configuran el sector químico chileno y, en conjunto, ofrecen al mercado nacional e internacional, una variedad que supera los doscientos productos, dando empleo en forma directa a más de 7 mil personas altamente especializadas.

Las industrias químicas de nuestro país son administradas bajo modernos conceptos de gestión empresarial, aplicando tecnologías de producción desarrolladas tanto en Chile como en el exterior.

Las ventas del sector se estiman en mil millones de dólares anuales y cerca del 40% de éstas se efectúan en los mercados externos, principalmente Europa, Estados Unidos y América Latina.

En este sentido, cabe destacar que la modernización que viene experimentando el sector desde algunos años y la puesta en marcha de importantes proyectos, como es el caso de una planta de metanol en Punta Arenas, ha permitido aumentar significativamente las exportaciones químicas en los últimos años. Así es como en la actualidad éstas representan el 4% de las exportaciones del país y alrededor del 12% del total exportado por la industria nacional.

Por otra parte, debido a la exitosa implementación en nuestro país de un sistema de economía abierta al exterior, la actividad de la industria química chilena se desenvuelve en un mercado altamente competitivo, situación que ha constituido uno de los más importantes desafíos que ha debido enfrentar el sector.

Las importaciones totales de productos químicos alcanzaron en 1993 cerca de 700 millones de dólares, lo que obliga a las empresas químicas nacionales a tener un alto nivel de eficiencia productiva y de gestión a fin de mantener su posición en el mercado.

En conclusión se puede afirmar que Chile cuenta hoy en día con una sólida industria química de tamaño mediano, que ha experimentado importantes modernizaciones en los últimos años, lo que ha permitido ganar un firme sitial tanto en los mercados internos como en los de exportación.

Los industriales Químicos en Chile están asociados a través de la Asociación de Industriales Químicos, ASIQUIM. Esta asociación se ha empeñado en detectar y satisfacer las necesidades de sus asociados, esforzándose por responder adecuadamente a los desafíos crecientes de un sector, que se ha caracterizado por un constante crecimiento y modernización.

Para ello, se ha procurado mantener e intensificar los ideales y principios que establecieron los fundadores de la Asociación hace 37 años. Esto es, defender los intereses de la industria química, en beneficio del desarrollo económico y social del país.

Así es como en la actualidad, con el propósito de cumplir con los objetivos estratégicos de la Asociación, funcionan varias Comisiones de Trabajo en las cuales participan numerosos asociados.

La tabla 1.1 es un listado de las exportaciones chilenas de productos químicos. Las cantidades se expresan en toneladas métricas y en miles de dólares (FOB). La tabla 1.2 entrega los niveles de producción, en toneladas métricas, de los productos químicos

INTRODUCCION

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chilenos. Un análisis de estas tablas indican que entre los productos principales se encuentran el ácido bórico, metanol, carbonato de litio, nitratos y yodo. Tabla 1.1: Exportaciones de Productos Químicos.

PRODUCTO 1990 1995

Ton. Mtrs MUS$ Ton. Mtrs MUS$

Ac.Bórico Ac. Fórmico Agar Agar Alcohol Metilico (Metanol) Alginato de Sodio Anhídrido Ftálico (1) Bórax Refinado Carbonato de Litio Clorato de Sodio Cloruro Cuproso Compuestos PVC (Plastificados) Compuestos PVC ( Sin Plastificar) Esencias de Trementina Formiato de Sodio Fosfuro de Cobre Isopropil Etil Tionocarbamato Jabones Nitrato de Amonio Nitrato de Potasio Nitrato de Sodio (Salitre Sódico) Nitrato Sódico-Potásico (Salitre Potásico)

Pentaeritritol Perrenato de Amonio Pesticidas de Uso Agricola Polietileno

(Baja Densidad) Resinas Uréicas Selenio Metálico Sulfato Básico de Cromo

Sulfato de Cobre Sulfato de Níquel Sulfato de Sodio Tartrato de Calcio Tetranitropentaeritrita Trióxido de Arsénico Trióxido de Molibdeno Xantatos y Xantogenatos Yodatos de Potasio y Calcio Yodo Yoduro de Sodio y Potasio

23,449 181

1,486

801,480 211 448 212

8,228 161 826

53

210 544

3,731 18

195 739

1,201 111,207

358,152

137,724

9,487 5,798 526

7,354 832 37

922

753 270

14,728 1,283 164

5,831 1,078 219 71

3,981 100

12,639 149

31,659

67,324 1,172 319 87

13,606 98

1,996

71

243 277

1,209 70 695

1,178 390

28,914

40,471

20,796

10,006 5,091 2,900

6,597 1,028 433 833

740 204

1,862 1,762 575

2,000 6,036 292 932

57,625 1,420

30,084 173 2,226

720,187

479 1,834 253

13,089 -

2,753

551

976 0

4,212 68

382 1,371 1,541

206,260

314,843

147,294

7,456 5,964 1,678

5,408 1,474

49 1,205

776 142

14,765 270 200 2,977 2,666 1,838 207 6,401 407

13,372 150

40,354

160,771 2,993 2,277 100

38,094 -

7,533

917

1,649 0

1,455 252

1,353 2,927 540

52,753

45,015

24,876

15,955 2,727 7,265

5,354 1,726 391 980

860 120

1,945 366 914 984

32,752 2,027 1,775 60,791 4,108

Fuente: Guía Industria Química Chilena , Banco Central de Chile y Servicio Nacional de Aduanas.

INTRODUCCION

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Tabla 1.2: Producción de la Industria Química (Ton. Mtrs.).

P R O D U C T O S 1989 1990 1991

Aceites de Pescados Refinados Acetato de Polivinilo Acido Acético Acido Bórico Acido Clorhídrico Acido Esteárico Acido Fórmico Acido Fumárico Acido Nítrico Anhídrido Ftálico Anhídrido Sulfuroso Azufre Mojable Fungicida Azul de Ultramar Bicarbonato de Sodio Bórax Refinado Carbonato de Litio Clorato de Sodio Cloro Líquido Cloruro de Calcio Cloruro de Potasio

Cloruro de Sodio Cloruro Férrico Etileno Explosivos (1) Formaldehído 37% Formiato de Sodio Hipoclorito de Sodio Metanol Nitrato de Amonio Nitrato de Sodio y de Potasio (3) Polietileno Baja Densidad Resinas Alquídicas Resinas Poliester no Saturado Resinas Urea Formaldehído y Resinas Melamínicas Sales de Cobre (2) Silicatos (Sódico y Potásico) Soda Cáustica Sulfato de Aluminio Sulfatos Metálicos (Zn,Fe,Mg,Mn) Superfosfato (Normal y Magnésico) Yodo (3) Yoduros y Yodatos

1,840 IND 500 400 --- 304 1,200 ---

50,000 --- 480 IND 180

1,070 2,400 7,500

12,000 13,500 2,022 IND

IND 5,400

34,100 85,400 51,800 4,000 3,200

770,000 56,000 795,000 34,300 10,100 1,800

16,000 3,730

16,400 32,900 4,800 215

35,000 4,640 151

2,139 3,700 500

25,530 2,650 280

1,100 64

50,600 1,600 180 109 180

1,200 1,270 9,010 IND

14,200 2,100

45,135

1,700,000 IND

37,900 68,500 60,052 4,000 3,500

854,000 58,500 765,000 35,850 14,378 3,270

18,679 2,920 7,500

33,300 1,630

60 12,520 3,980 171

3,600 3,700 600

22,000 4,750 760

1 ,100 120

51,400 3,000 330 372 180 1,500 1,550 8,570 IND

17,000 2,167

58,020

1,500,000 6,000

41,000 72,700 59,753 4,100 4,000

593,000 59,000 730,000 40,700 14,984 3,080

20,100 3,350 7,100

31,900 2,000

85 27,410 5,440 266

IND: Información No Disponible. (1) Incluye Acuageles, APD, Dinamitas, Emulsiones, Nitrocarbonatos, PETN. (2) Incluye: Cloruro, Oxicloruro y Sulfato de Cobre. (3) Producción Estimada.

INTRODUCCION

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1.2 LA INDUSTRIA MINERO-METALURGICA CHILENA 1.2.1 LA INDUSTRIA MINERO-METALURGICA Y SU RELACION CON LA

INDUSTRIA QUIMICA

La industria minero-metalúrgica está relacionada con la industria química inorgánica. Productos de la industria química inorgánica son materias primas en la industria metalúrgica. Del mismo modo, productos y subproductos de la empresa metalúrgica son utilizados como materias primas de la industria química inorgánica. Por ejemplo, el ácido sulfúrico, una materia atribuida a la industria química, es usada en la lixiviación de minerales en la industria metalúrgica. Además, el ácido sulfúrico es generado como un subproducto en la industria del cobre.

Las operaciones unitarias utilizadas en ambas industrias están también relacionadas. Ejemplo de estas operaciones son la reducción de tamaño, lixiviación, flotación, separación sólido-líquido, etc.

La industria minero-metalúrgica chilena es una industria bien desarrollada, con importantes niveles de producción a nivel mundial. Si se compara ésto con la industria química se puede observar que esta última es menos desarrollada. Considerando además que un grupo importante de profesionales del área química operan en la industria minero-metalúrgica; se puede decir que la industria química chilena está fuertemente influenciada por la industria química inorgánica y metalúrgica. Esto es una excepción, si se compara con la industria química mundial, donde los productos derivados del petróleo o productos orgánicos dominan al sector.

Por las razones antes mencionadas, se considerará que la industria química chilena incluye a la industria minero-metalúrgica. Sin embargo, es necesario enfatizar que esta unión es sana sólo en el ámbito nacional. 1.2.2 LA INDUSTRIA MINERO-METALURGICA

Como se mencionó anteriormente, la industria minero-metalúrgica chilena es un sector bien desarrollado. El producto principal de esta industria es sin duda el cobre, cuya producción alcanzó a 2.219,9 miles de toneladas de cobre de mina durante 1994, lo cual corresponde al 23,25% de la producción mundial, quedando así como el principal productor mundial. Cabe destacar, además, que el cobre de fundición durante el año 1993 alcanzó a 1.389,1 miles de toneladas obteniendo así Chile el segundo lugar a nivel mundial con un 14,26%. Entre los productos de cobre generados en nuestro país, se encuentra el cobre electrolítico, Blister y concentrado de cobre. Un conjunto de emp resas, entre grandes, medianas y pequeñas dan vida al sector. En la segunda región destacan Codelco Chuquicamata, Escondida, Zaldívar, Michilla y Mantos Blancos, entre otros. Durante los últimos años esta industria ha tenido un fuerte desarrollo gracias a la inversión de privados.

Otros productos mineros producidos en Chile durante 1994 y 1995 se pueden ver en las tablas 1.3 y 1.4.

Los procesos minero -metalúrgicos se pueden dividir en procesos pirometalúrgicos e hidrometalúrgicos. Los primeros se caracterizan por ser procesos a altas temperaturas, mientras que los segundos están basados en el uso de agua y/u otros solventes.

INTRODUCCION

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Tabla 1.3: Principales estadísticas sobre producción del sector minero.

PRODUCCION [MILES DE TONELADAS METRICAS]

PRODUCTOS 1994 1995

Cobre (fino)

Mineral de Hierro

Mineral de Manganeso

Molibdeno (fino)

Oro (fino)

Plata (fina)

Zinc (fino)

Apatita

Arcillas

Caolín

Cuarzo

Puzolana

Ulexita

Yeso

2.233,9

8.340,5

62,8

16,0

38,7

983,0

31,0

9,9

37,5

73,0

542,9

451,6

85,9

55,1

2.509,6

8.431,6

70,4

17,8

44,5

1.041,0

35,4

12,1

28,7

73,0

597,0

465,7

211,3

464,0

Fuente: Direcmin. Tabla 1.4: Principales estadísticas sobre exportación del sector minero.

PRODUCTOS 1990 1995

Boratos naturales en bruto, Tmn.

Cobre:

Cátodos refinados, miles Tmfc.

Concentrado, miles Tmfc.

Hierro a granel y pelletizado, miles Tmn.

Oro metálico, Knfc.

Oxido de Molibdeno, Tmfc.

Plata metálica, Knfc.

7.700

1.035

249

6.910

8.298

14.624

439.539

17.642

1.250

784

6.161

9.130

19.192

640.119

Fuente: Banco Central de Chile.

1.3 TECNOLOGIA DE PROCESOS

La tecnología de procesos corresponde al conocimiento, relacionado a la ingeniería y ciencia, sobre la cual se basan los procesos productivos. Para describir y analizar cada proceso se utilizarán cuatro metodologías:

1. diagrama conceptual, 2. diagrama de localización de las especies, 3. diagrama de flujo, y 4. análisis funcional.

Para explicar estos conceptos analizaremos la producción de nitrato de potasio (KNO3) a partir de nitrato de sodio ( NaNO3) y cloruro d e potasio (KCl).

INTRODUCCION

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1.3.1 DIAGRAMA CONCEPTUAL

El proceso se basa en la siguiente reacción:

NaNO3 + KCl ⇔⇔ KNO3 + NaCl

Esta reacción se realiza en medio acuoso. La figura 1.1 muestra la solubilidad de los cloruros y nitratos que participan en la reacción.

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 20 40 60 80

Temperatura, [ºC]

Sol

ub

ilid

ad [

g / 1

00 g

de

agu

a]

NaNO3

KNO3

NaCl

KCl

Figura 1.1: Solubilidades de cloruros y nitratos de sodio y potasio.

Como se puede observar en la figura 1.1 a temperaturas bajo 20ºC el KNO3 tiene la menor solubilidad y por lo tanto será la primera sal en precipitar. Pero a temperaturas sobre 32 ºC el NaCl tiene la mínima solubilidad y por lo tanto será el primero en cristalizar. Este comportamiento de las solubilidades es utilizado para realizar la reacción entre soluciones de cloruro de potasio (silvita) y de nitrato de sodio. La reacción se realiza sobre 68ºC de modo de depositar el NaCl y removerlo por centrifugación. Luego, la solución es enfriada bajo 20ºC para cristalizar el KNO3.

El diagrama conceptual consiste en una representación básica del proceso. La idea es representar sólo los pasos fundamentales del proceso. La figura 1.2 muestra el diagrama conceptual para la producción de nitrato de potasio. El indica claramente que el proceso consiste en una transformación química de la materia prima para luego separar el producto de los desechos y los flujos de recirculación.

INTRODUCCION

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R E A C C I O NQ U I M I C A

S I S T E M A D ES E P A R A C I O N

M A T E R I A P R I M A

P R O D U C T O

D E S E C H O

R E C I C L O

Figura 1.2: Diagrama conceptual para la producción de KNO3. 1.3.2 DIAGRAMA DE LOCALIZACION DE LAS ESPECIES

La figura 1.3 es un diagrama al nivel de localización de las especies para nuestro ejemplo. La localización de las especies, es un diagrama que representa la ubicación de todos los químicos en el proceso, especialmente de las materias primas, productos, desechos y flujos de recirculación. Esto obliga a extender el diagrama conceptual e incluir los reciclos y otros detalles. Sin embargo, operaciones que generalmente van unidas no son detalladas. Así, la separación de NaCl incluye la evaporación y posterior filtrado, y la separación del KNO3 incluye el cristalizador por enfriamiento y posterior centrifugado. Además, no se incluye etapas de preparación de la materia prima y de terminación del producto.

REACCIONQUIMICA

SEPARACIONDE NaCl

SEPARACIONDE KNO3

NaNO3 KCl

Disolución

Disolución

KNO3

NaClDISOLUCIONDE RECICLO

Figura 1.3: Diagrama de localización de las especies para la producción de KNO3.

INTRODUCCION

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1.3.3 DIAGRAMA DE FLUJOS

El diagrama de flujos o flow-sheet es una representación gráfica del proceso. Este representa el arreglo de los equipos del proceso y como están interconectados a través de flujos. Estos diagramas presentan diferentes niveles de detalles. Así, algunas veces incluyen las velocidades de flujo, las composiciones y las condiciones de operación.

Figura 1.4: Diagrama de bloques para la producción de KNO3.

En la representación con bloques, cada bloque representa un equipo o una etapa

completa en el proceso. Los diagramas de bloques son útiles en representar en forma simplificada el diagrama de flujo, por esta razón son utilizados especialmente en libros. Sin embargo, esta forma de representar los procesos tiene un uso limitado en los documentos de ingeniería. La figura 1.4 es un diagrama de bloques para nuestro ejemplo de producción de KNO3.

En la representación con símbolos gráficos, se utilizan símbolos estándar para cada operación. Existen símbolos estándar en varios países, los más comunes son los publicados por American National Standards Institute (ANSI) y British Standard (BS 1553 (1977)). La tabla 1.5 muestra algunos símbolos y el apéndice entrega un listado más completo de éstos. Generalmente se incluyen letras para designar equipos, así, la tabla 1.5 es un listado de letras utilizadas. La tabla 1.6 muestra etiquetas utilizadas para representar condiciones de operación, por ejemplo, un círculo es usado para representar la presión, el valor dentro de cada etiqueta es el valor de la operación. Éste representa el valor de diseño, el valor deseado o el valor promedio obtenido durante algún período de tiempo. Algunos diagramas incluyen el balance de material del proceso. La Figura 1.5 es un diagrama con símbolos gráficos para nuestro ejemplo.

MEZCLADOR MEZCLADOR

NaNO3 KCl

REACTOR

EVAPORADOR

FILTRO

REDUCCION

DE PRESION

NaCl KNO3

AGUA

CRISTALIZADOR

CENTRIFUGA

SECADOR Vapor a

Mezcladores

INTRODUCCION

11

KCl NaNO3AGUA

M M

R

E

NaCl

P

CR

KNO3

C

S

FB

B

M: Mezcladores R: Reactor B: Bombas E: Evaporador F: Filtro S: Secador CR: Cristalizador C: Centrífuga P: Estanque reductor de presión

Figura 1.5: Diagrama con símbolos gráficos para la producción de KNO3. Tabla 1.5: Letras utilizadas para designar equipos.

EQUIPO EQUIPO EQUIPO

Agitador

Filtro de aire

Blower

Centrífuga

Compresor

M

FG

JB

FF

JC

Condensador

Cristalizador

Ciclón (aire)

Ciclón (líquido)

Decantador

E

K

FG

F

FL

Interc. de calor

Reactor

Refrigeración

Espesador

Torre

E

R

R

F

T

INTRODUCCION

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Tabla 1.6: Etiquetas usadas para indicar condiciones de operación.

1.3.4 ANALISIS FUNCIONAL

El análisis funcional es utilizado para comprender un proceso y su configuración. En un análisis funcional el objetivo general del proceso está claramente establecido, para luego ver como cada etapa se integra en el proceso para lograr el objetivo general. Esta herramienta es de gran valor especialmente para los estudiantes. La tabla 1.7 muestra el análisis funcional para la producción de nitrato de potasio a partir de nitrato de sodio y cloruro de potasio.

13.700

309

400

3.3

8.900

Velocidad de Flujo Másico, lbs/hr.

Velocidad de Flujo Molar, mol/hr.

Temperatura, ºF

Presión, psig.

Velocidad de Flujo Volumétrico, m3

INTRODUCCION

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Tabla 1.7 : Análisis funcional para el diagrama de flujo de las figuras 1.4 y 1.5.

ETAPA FUNCION RELACION CON EL OBJETIVO GENERAL

Mezclador de NaNO3

Disolver el NaNO3 Reducir costos usando el vapor desde el evaporador

Mezclador de KCl Disolver el KCl Reducir costos usando el vapor desde el evaporador

Reactor Convertir los reactivos en NaCl y KNO3

Producir el KNO 3 por descomposición doble

Evaporador Precipitar el NaCl desde soluciones calientes

Purificación del producto

Filtro Rotatorio Remover el NaCl desde la disolución Separar NaCl del producto principal

Estanque Reductor

de Presión

Producir vacío Producir vacío para permitir la operación de

cristalización

Cristalizador Cristalizar el KNO3 Producir cristales de KNO3

Centrífuga Remover el agua madre desde el producto del cristalizador

Reducir la cantidad de agua a ser removida en el secador. Reducir costos

Secador Remover humedad desde el producto centrifugado

Producir producto seco.