Contribuciones a las Ciencias Sociales
Noviembre 2011

DISEÑO DE UNA PLANTA PILOTO PARA EL TRATAMIENTO DEL RESIDUAL DE UNA SALINA



Mariana Estela Colombat Rodríguez (CV)
Amada Lissett Colombat Rodríguez (CV)
alcolombat@deco.uo.edu.cu
Universidad de Oriente



RESUMEN

En el proceso de extracción de cloruro de sodio a partir de agua de mar queda una salmuera residual rica en sales de sodio  y magnesio que al ser tratadas químicamente y al ser evaporada  permite  recuperar  aproximadamente el 75% del cloruro de sodio que queda en dicho residual, lo que puede reducir la contaminación ambiental del litoral y generar fuente de empleo.
Se diseñaron  los equipos necesarios, mediante la utilización de métodos cortos de diseño económico de procesos de ingeniería y de métodos de escalado, basados en la Teoría de los Modelos.

ABSTRACT
In the process of extraction of sodium` chloride starting from seawater remain a residual` brine rich in salts of sodium and magnesium that to the being tried chemically and to be evaporating, this can reduce the contamination` environmental of the coast, and to generate employment` source.
The necessary equipments were designed by means the use of short’ methods of economics` design of engineering’ processes and of methods of escalade, based on the Theory of the Models.

Palabras Claves: proceso de extracción, diseño de equipos, diseño económico de procesos de ingeniería, métodos de escalado.

Key Words: process  of extraction, design  of equipment, economics’ design of enginery’ process  , methods of escalade.



Para citar este artículo puede utilizar el siguiente formato:
Colombat Rodríguez, M.; Colombat Rodríguez, A.; Llanes Alverdis, H.: "Diseño de una planta piloto para el tratamiento del residual de una salina", en Contribuciones a las Ciencias Sociales, noviembre 2011, www.eumed.net/rev/cccss/15/

Introducción

En las salinas se realiza la evaporación solar del agua de mar hasta 28-30 grados Baumé aproximadamente y esto permite la cristalización y extracción del 65% del Cloruro de sodio (NaCl), mientras que se mantienen en solución las sales de  magnesio junto con el resto de NaCl.
Este licor se conoce  como salmuera residual y es práctica común en las salinas verterlas al mar. Por su alto contenido de sales solubles puede ser agresivo a la flora y a la fauna marina; alterándose de esta forma el ecosistema de la región aledaña a su recorrido y de la zona  marina donde se vierte. Además se desprecia su potencialidad como fuente de sales de sodio y de magnesio ya concentradas por la acción solar. 
Por la importancia que tiene el desarrollo sostenible de la industria salinera, investigadores del Departamento de Química de la Facultad de Ciencias Naturales, en la Universidad de Oriente, desarrollaron un procedimiento químico que permite el aprovechamiento mayoritario del contenido salino de la salmuera residual de la Salina Caimanera lo que proporcionaría:
a) Recuperar el 75 %, aproximadamente, del contenido de NaCl que actualmente se derrama al mar con el residual.
b) Generar  una nueva fuente de empleo en la región de Caimanera.
c) Disminuir la agresividad de los residuales de la Industria Salina.
d) Diversificar su producción con materiales de alto valor agregado.
Para estudiar la posibilidad de aplicar a nivel de planta el procedimiento químico desarrollado para el aprovechamiento de los componentes mayoritarios del residual de la salina, se definió diseñar una planta piloto con capacidad para tratar 1 m3 de residual salino.
El problema que generó este trabajo es el siguiente: ¿es posible realizar un diseño de planta piloto, para el tratamiento químico del residual de la Industria Salinera?
Planteándose como hipótesis: La caracterización de los fluidos involucrados en el proceso de tratamiento del residual de la salina,  permitirá seleccionar los equipos, tuberías y accesorios necesarios para realizar el  diseño de una Planta piloto.
Objetivo general:           
Realizar el diseño  de una planta piloto, para el aprovechamiento de los componentes mayoritarios del residual del proceso de extracción de cloruro de sodio, que se lleva a cabo en la salina de Caimanera,  a partir de los resultados obtenidos a escala de laboratorio.
Objetivos específicos:

  1. Caracterizar los flujos involucrados en este proceso.
  2. Seleccionar el material de construcción y el sistema de protección contra la corrosión a utilizar.
  3. Seleccionar los equipos adecuados.
  4. Diseñar los equipos necesarios apoyados en los métodos cortos de Diseño Económico de Procesos de Ingeniería (utilizando para ello tablas; gráficas; métodos analíticos, y computacionales) y en la Teoría de los Modelos.

Desarrollo

1.    Descripción del proceso

En la obtención de cloruro de sodio a partir de agua de mar, queda una salmuera residual rica en contenido de cloruro de sodio y de magnesio, a la que se denominó salmuera magnésica.  Al hacerla reaccionar en un reactor con agitación, con lechada de cal en exceso, se produjo hidróxido de magnesio, sulfato de calcio di- hidratado y cloruro de calcio di-hidratado.

2.  Balance de masas

Una vez caracterizado el residual y analizada la posibilidad de hacer aprovechable el mismo mediante tratamiento químico y procesos de separación, se determinó la composición y la cantidad de cada componente en todas las corrientes. 

3.  Características de los fluidos involucrados en este proceso.

Las soluciones salinas que intervienen en este proceso constituyen sistemas dispersos.
Se determinó el comportamiento reológico de estas suspensiones, obteniéndose para la mayoría de ellas, que tienen comportamiento Newtoniano. La suspensión que sale del primer Reactor, no cumple con la Ley de Newton de la viscosidad.


4.   Procesos de separación.
A partir de la acertada combinación de propiedades físicas y físico-químicas, del sistema de fuerzas que actúa en cada caso, y de la composición de la fase en cuestión, se realiza la separación de componentes.
4.1 Precipitación
Se  promueve una reacción entre la salmuera magnésica y la lechada de cal a fin de que se forme un sólido insoluble muy valioso.
4.2 Filtración
Se lleva a cabo la operación de filtración con el objetivo de separar un sólido rico en magnesio en el primer caso y en el segundo, recuperar la mayor cantidad posible de cloruro de sodio en la torta y una salmuera  con buenas cualidades refrigerantes, como filtrado.

4.3 Evaporación
Se someten las salmueras o soluciones salinas a procesos de evaporación con el objetivo de elevar la concentración  de las mismas.


5. Materiales de construcción y sistema de protección contra la corrosión seleccionados para ser utilizados en este proceso.

El medio y las soluciones a procesar son altamente corrosivos, ante esta característica, son resistentes el hierro fundido y los  aceros austeníticos.
El Hormigón o concreto, que consiste en una mezcla de arena, agua y cemento Portland, es un material satisfactorio para recipientes destinados a almacenar soluciones salinas y sales de sodio, calcio y magnesio.


6. Selección de equipos      
Basándonos en las leyes y fenómenos que rigen en cada operación unitaria o básica, procedemos a  seleccionar los equipos necesarios para llevar adelante la solución del problema.
6.1   Reactores.
Este sistema es líquido- sólido, en el que las reacciones químicas son irreversibles y heterogéneas; no se produce absorción ni desprendimiento de calor y se considera conveniente como etapa inicial de procesos nuevos el uso de reactores discontinuos  pues son muy flexibles y se adaptan fácilmente a las necesidades de plantas piloto y plantas comerciales que producen a pequeña escala. Como se requiere es que los sólidos no permanezcan en reposo en el fondo del recipiente, por lo que es necesario utilizar mecanismo de agitación. El impelente recomendado es la turbina de hojas rectas verticales con inclinación de 45º, para provocar un flujo radial, situada cerca del fondo para garantizar que se mantenga suspendido todo el sólido, pero considerando el menor consumo posible de potencia.
Para determinar el tamaño del reactor se requiere conocer, la velocidad de reacción, la conversión y el caudal de alimentación. En un reactor de mezcla completa la composición es uniforme en todo él, por lo que el balance de masas se aplica a todo  su volumen.  El cálculo de la ecuación de diseño se aconseja que se haga en forma analítica, no gráfica.
6.2  Filtros
El filtro prensa de placas y marcos, tiene un alto costo de mano de obra en labores de arme, desarme, limpieza y mantenimiento  pero si los sólidos poseen un valor elevado, el costo de mano de obra respecto al valor de la unidad de cantidad del producto, es relativamente baja.. Puede usarse donde no sea importante el lavado de la torta y sea bajo el contenido de sólidos en la suspensión.
El filtro de hojas permite elevadas capacidades de filtración y es aconsejable cuando la resistencia de la torta es grande.
La alimentación a ambos filtros debe efectuarse mediante bombas centrífugas. Al principio la filtración es a velocidad constante (regula el proceso la capacidad de la bomba), luego al aumentar la resistencia de la torta, (regula el proceso la presión desarrollada por la bomba, el proceso es a presión constante.

6.3    Evaporadores.
Las características de este proceso permiten y aconsejan utilizar evaporadores solares, los cuales pueden construirse aprovechando los declives naturales del terreno o excavaciones en el mismo revestidos de hormigón o concreto. Se recomienda la construcción de varios evaporadores es decir la capacidad de evaporación, a fin de aumentar la eficiencia térmica del proceso.
6.4     Tanques.
La construcción de tanques es de particular importancia; el material del cual está constituido el interior de los mismos no puede contaminar al producto, ni afectar física o químicamente su estabilidad. Debe tenerse en cuenta para su diseño, tamaño, modelo, capacidad de trabajo
El llenado de la tubería o canal al vaciar un tanque debe realizarse justo debajo del mismo a fin de evitar zonas muertas.
6.5    Manejo de Materiales.
El manejo y transporte de diferentes materiales, productos y subproductos, requiere el uso de equipos específicos.
6.5.1  Transportadores de sólidos.
En el transporte de la torta rica en magnesio que se obtiene en el primer filtro, se recomienda el uso de transportador de gusano sin fin. En el caso  particular del Filtro de Láminas permite la descarga mecánica de la torta sin necesidad de abrir el filtro.
El material que se obtiene en la segunda evaporación es una sal no abrasiva, higroscópica, contaminable, que debe elevarse hasta una altura considerable.  Para este fin se recomienda el uso de los transportadores de cangilones, también conocidos como elevadores de cubo.
6.5.2 Transportadores de líquidos
Para el transporte de líquidos de un lugar a otro, sea movimiento de impulsión o de elevación  los equipos que se utilizan se denominan bombas.
6.5.3   Sistema hidráulico
Para el proceso que nos ocupa nos interesan  las tuberías de fundición y las de acero.
El transporte de sustancias a través de tuberías y canales, se regula mediante accesorios, entre otros están: los codos, las T, las crucetas, las Y, los reducidos y los tapones.


7.   Escalado 
Con el objetivo de reducir el tiempo y el gasto al trasladar el proceso desde la idea hasta la construcción de la planta completa, se procedió a realizar el escalado a nivel de Planta Piloto hasta 1 m3  por día, sobre la base de la Teoría de los Modelos que se fundamenta en el Principio de Semejanza.
Para que haya semejanza química en sistemas en movimiento tiene que haber semejanza geométrica, dinámica, cinemática y térmica. En este proceso hay semejanza química.

8. Resultados.
El proceso consta de ocho corrientes de flujo.
Considerando las características físico- químicas de materias primas, productos intermedios y productos finales obtenidos; y de las condiciones ambientales existentes, los materiales de construcción seleccionados para prevenir la corrosión fueron: hierro fundido gris al níquel- cobre-cromo para la construcción de reactores, filtros y bombas donde se han de procesar soluciones salinas; hormigón o concreto para la construcción de evaporadores solares, tanques de proceso y de almacenamiento de salmueras y sales; acero aleado al carbono medio recubierto con pintura de cinc y cemento Portland para las edificaciones; acero al carbono bajo recubierto con pintura de cinc para tuberías aéreas.
Teniendo en cuenta las operaciones que se deben llevar a cabo para que se puedan recuperar las sales mayoritarias de la salmuera residual de la salina se seleccionaron los equipos necesarios.

Conclusiones

  1. Las velocidades de flujo calculadas a partir de los diámetros óptimos determinados, se corresponden con las recomendaciones para esos tipos de fluidos.
  2. Los flujos en cada corriente se adecuan a los establecidos para Planta Piloto.
  3. Los regímenes de flujo que se obtuvieron, garantizan que no haya sedimentación de partículas.
  4. En dependencia del volumen de salmuera residual a procesar, de lo limitante del proceso de evaporación, fundamentalmente; y de la razón de ser de cada operación, se seleccionaron los tipos de equipos necesarios para llevar a cabo el proceso.
  5. El diseño de los mismos satisface los requerimientos del proceso.
  6. Las características de los flujos involucrados en este proceso se corresponden con los recomendados por la Literatura.
  7. A partir de la carga residual a tratar, de las características físico-químicas de las materias primas, productos intermedios y finales que deben manipularse y obtenerse respectivamente y de las condiciones ambientales, se seleccionaron los materiales de construcción de tuberías, equipos e instalaciones; así como el sistema de protección contra la corrosión requerido.

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