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UNIVERSIDAD TÉCNICA FEDERICO SANTA MARÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA Y AMBIENTAL
TRANSFERENCIA DE CALOR 2012
Intercambiador de Calor previo a
Absorbedor en Planta de Ácido
Sulfúrico
23 de julio
2012 Entrega Final Entrega III
Profesor
Ayudante
Patricio Nuñez
Integrantes Felipe Cisternas
Juan Ogaz
María Ramos
Intercambiador de Calor Previo al Absorbedor
Planta de Ácido Sulfúrico
(Cisternas, Ogaz, Ramos)
Transferencia de Calor Página | 1
Tabla de contenido 4. Estudio de Mercado ............................................................................................................................... 7
4.1 Tecnología de la producción del Ácido Sulfúrico y materias primas ................................................. 7
4.1.1 Propiedades del Ácido Sulfúrico ................................................................................................ 7
4.1.2 Métodos de Producción del Ácido Sulfúrico .............................................................................. 8
4.1.3 Principales proveedores de materias primas y volumen de suministros ..................................... 10
4.2 Producción del Ácido Sulfúrico en el mercado objetivo .................................................................. 11
4.2.1 Calidad del Ácido Sulfúrico; Hoja de especificaciones ............................................................ 11
4.2.2 Volúmenes de producción de Ácido Sulfúrico en el Mercado Objetivo en los últimos cinco años
y principales productores ................................................................................................................... 11
4.2.3 Situación actual de los mayores productores de Ácido Sulfúrico .............................................. 11
4.3 Exportación e Importación de Ácido Sulfúrico ............................................................................... 15
4.3.1 Volúmenes de exportación e importación de Ácido Sulfúrico en el mercado objetivo en los
últimos cinco años ............................................................................................................................. 15
4.3.2 Principales flujos de exportación de los proveedores de Ácido Sulfúrico ................................ 17
4.3.3 Características y tendencias de exportación e importación de los proveedores de Ácido
Sulfúrico ............................................................................................................................................. 19
4.4 Estudio de los precios del Ácido Sulfúrico ...................................................................................... 21
4.4.1 Precios Nacionales e internacionales del Ácido Sulfúrico ........................................................ 21
4.4.2 Dinámica en los precios de exportación-importación ............................................................... 23
4.5 Consumo del Ácido Sulfúrico ......................................................................................................... 23
4.5.1 Principales usos del Ácido Sulfúrico ........................................................................................ 23
4.5.2 Principales empresas consumidoras .......................................................................................... 24
4.5.3 Patrón de consumo de Ácido Sulfúrico ..................................................................................... 25
4.6 Proyección del consumo y producción del Ácido Sulfúrico ............................................................. 26
5. Estudio Técnico………………………………………………………………………………27
5.1 Descripción general del proceso……………………………………………………………...27
5.1.1 Etapa de captación, manejo y limpieza seca de gases……………………………………28
5.1.2 Etapa de lavado y enfriamiento de gases…………………………………………………28
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Planta de Ácido Sulfúrico
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Transferencia de Calor Página | 2
5.1.3 Etapa de secado de gases…………………………………………………………………29
5.1.4 Etapa de conversión…………………………………………………………...………….30
5.1.5 Etapa de absorción………………………………………………………………..……..31
5.2 Balance de masa y energía…………………………………………………………………33
5.2.1 Balance de materia………………………………………………………………………34
5.2.2 Balance de energía………………………………………………………………………35
5.3 Listado de equipos…………………………………………………………………………35
5.3.1 Listado de equipos principales de la planta ………………………………………..……35
5.3.2 Listado de equipos relacionados directamente con los dos intercambiadores en serie previos
al absorbedor final………………………………………………………………..……………36
5.3.3 Listado de equipos de mayor importancia relacionados con el nuevo intercambiador de
calor. ……………………………………………………………………………………………36
5.4 Diseño equipo principal……………………………………………………………..………37
5.5 Especificaciones de otros equipos……………………………………………….…………40
5.6 Balance de masa y de energía de servicios…………………………………………………41
5.7 Especificación de servicios……………………………………………………………...…42
6. Evaluación de Costos…………………………………………………………………………43
6 Anexos memoria de cálculo………………………………………………………………...44
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Planta de Ácido Sulfúrico
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Transferencia de Calor Página | 3
Resumen ejecutivo
Chile es el principal mercado mundial donde se consume ácido sulfúrico con un fin
específico distinto a la producción de fertilizantes fosfatados (principal uso en el mundo), por su
aplicación en la hidrometalurgia del cobre.
Esta aplicación constituye el destino natural del ácido sulfúrico producido principalmente
por las fundiciones de cobre en Chile. Específicamente en las plantas de acido sulfúrico,
implementadas con el propósito de tratar el Dióxido de Azufre producto del proceso de
fundición.
El desarrollo de la producción hidrometalúrgica de cobre, surgida en Chile en la década
de los ’80, ha permitido ser el principal productor mundial de cátodos SxEw ( electro-obtenidos),
con una participación mayor al 50% en este segmento en el año 2010, por lo que el consumo de
ácido sulfúrico ha ido creciendo en paralelo a este desarrollo.
Por estas razones el ácido sulfúrico ha llegado a constituir un producto estratégico para la minería
Chilena. A continuación se detallarán las principales características del mercado de ácido
sulfúrico en nuestro país:
1) Características del mercado chileno del ácido sulfúrico
El cobre explica el 96% del consumo total de ácido sulfúrico, que el año 2010 alcanzó a
7,93 millones de toneladas. El resto es consumido por la minería no metálica como por
ejemplo la industria de la celulosa y otras industrias químicas.
El consumo se concentra en las regiones del Norte, particularmente en la región de
Antofagasta que explica el 72,6% del consumo total del país, más Arica, Tarapacá y
Atacama que participan con el 21,7%. El remanente se consume de Coquimbo al Sur.
Los consumidores se abastecen principalmente por la vía comercial y en menor medida de
fuentes propias (autoabastecimiento). En el año 2010, 5,67 millones de toneladas fueron
adquiridas de terceros (el principal exportador de ácido hacia Chile es Perú) y 2,25
millones de toneladas corresponden a autoabastecimiento.
Un elemento esencial es la tasa de consumo unitario de ácido sulfúrico en la minería del
cobre, que puede variar entre 1 a 12 toneladas de ácido por cada tonelada de cátodo SxEw
producido, lo que incide directamente en los costos de producción. Al respecto, se aprecia
un crecimiento sostenido de la tasa promedio debido al deterioro gradual de la calidad de
los minerales a lixiviar.
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Transferencia de Calor Página | 4
La tasa promedio de tonelada de ácido/ ton cát SxEw, ha ido subiendo desde al año 2004
(2,86 tasa promedio) hasta el 2010 (3,65 tasa promedio). Lo que demuestra la importancia
que tendrá la producción de ácido si es que se sostiene esta tasa de crecimiento.
Por su parte la producción está basada principalmente por el aporte de las fundiciones,
que el año 2010 explicaron el 96% de las 5,13 millones de toneladas producidas en Chile.
El resto corresponde a quemadores de azufre y a plantas de molibdeno. Próximamente se
notará el aporte de los nuevos quemadores de azufre recientemente instalados por
NORACID y CEMIN.
Aunque las regiones del Norte produjeron el 2011 el 60,63% del total (Antofagasta
42,67%), es del todo insuficiente para su demanda local. En forma inversa, las regiones
centrales produjeron resto, que excede las necesidades locales, debiendo ser transportadas
más de 1,8 millones de toneladas al Norte, preferentemente por vía marítima. Esto denota
la asimetría del mercado chileno y un desafío logístico relevante.
Los productores de ácido sulfúrico destinaron el 44% de su producción 2010 al
autoabastecimiento de operaciones consumidoras de su propiedad y el resto se coloca en
el mercado nacional, más una pequeña fracción que se exporta.
La consecuencia natural de una producción insuficiente para satisfacer la demanda
nacional, es la existencia de un déficit estructural que debe ser satisfecho vía
importaciones.
Las importaciones han tenido un fuerte incremento alcanzando 2,63 millones de toneladas
importadas el 2010. Perú se ha constituido en el principal origen del ácido importado,
sostenidamente desde el año 2007 (en donde se importaron 499 mil toneladas) hasta la
actualidad (949 mil toneladas el año 2011). También son abastecedores importantes los
países asiáticos, particularmente Japón, Corea del Sur y Filipinas.
La mayor parte del ácido importado se desembarca en los terminales existentes en la
bahía de Mejillones, al Norte de Antofagasta, desde donde se distribuye hacia las faenas
consumidoras.
Dada la condición deficitaria del mercado chileno, el precio interno está influenciado por
la paridad de importación puesto en Mejillones, principal centro de recepción de
importaciones en nuestro país. Por lo tanto el precio de importación recoge la situación
del mercado internacional, con cierta tardanza.
Cabe señalar que el precio del ácido sulfúrico en el mercado internacional está
relacionado directamente con el precio del azufre y éste, con el precio de los fertilizantes
fosfatados que es su principal mercado. Luego de la crisis de fines del 2008, la
recuperación del mercado de los fosfatos, tanto por la demanda de alimentos como la
creciente demanda de biocombustibles, ha generado un sostenido incremento en su precio
a lo que ha reaccionado ágilmente el precio del azufre y con algún retraso el del ácido
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sulfúrico, dado que la oferta de éste proviene principalmente de la producción no
voluntaria.
Las proyecciones del mercado del consumo y producción de ácido sulfúrico indican que
seguirá creciendo de manera acelerada hasta el 2014, posterior a esto la demanda irá
decreciendo hasta alcanzar niveles similares a los actuales (referencia año 2010).
2) Acerca del proyecto
El proyecto se emplazará en la planta de ácido sulfúrico de la fundición y refinería ventanas,
división de Codelco.
La planta de ácido de Codelco Ventanas está encargada de recepcionar los gases tóxicos
provenientes del proceso de fundición que ocurre en los convertidores Pierce Smith y Teniente.
La planta de ácido convierte el dióxido de azufre en trióxido de azufre para finalmente ser
absorbido por ácido sulfúrico obteniendo como producto este último.
En esta planta de ácido sulfúrico se pueden encontrar las siguientes secciones:
1. Sección de captación y limpieza seca de gases
2. Sección de lavado y enfriamiento de gases
3. Sección de secado de gases
4. Sección de conversión
5. Sección de absorción
En una primera etapa el gas que contiene abandona los convertidores Teniente y Pierce
Smith conteniendo Nitrógeno, Oxigeno, polvo, humo metálico, vapor de agua y algunas
impurezas del mineral, como Halógenos (Flúor, Cloro) Selenio y Arsénico. Este gas es captado
por la planta de ácido para su limpieza en una primera instancia.
La eliminación parcial o total de las impurezas gaseosas se efectúa en un tren de limpieza que
comprende las secciones desde la 1 a la 3, cuyos equipos más relevantes se enumeran a
continuación:
Precipitadores electroestáticos
Torres de enfriamiento
Venturi Scrubber
Ciclones
Torre de des humidificación
Precipitadores electroestáticos húmedos
Torre de secado
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Luego de pasar por estas etapas, se obtienen gases virtualmente limpios necesarios para qué los
procesos posteriores puedan ocurrir sin problemas, los gases ingresan a la sección de conversión,
sección relevante para el proyecto en cuestión.
La sección de conversión representa una variable determinante en el equipo propuesto, puesto
que es después del segundo convertidor catalítico que posee la sección de conversión, donde se
ubicara el equipo del proyecto.
El equipo permitirá disminuir la temperatura de los gases de procesos que contienen
(previamente convertido a partir de ) desde la temperatura de salida de los lechos catalíticos
del convertidor (438[°C]) hasta la temperatura óptima de absorción (210[°C]).
Es importante que los gases de procesos alcancen esta última temperatura, puesto que a esta
temperatura mejora la eficiencia del absorbedor, si se define la eficiencia en términos de la razón
entre el absorbido y el ácido utilizado con este propósito.
El equipo diseñado es un intercambiador de tubo y coraza de Acero al Carbono, con un arreglo
cuadrado. Esto último por razones de mantención.
El equipo utilizará aire atmosférico como flujo de servicio para disminuir la temperatura de los
gases procesados. Para hacer ingresar el aire atmosférico hacia el equipo se utilizará un soplador
centrífugo. El aire de servicio se recircula para que tenga una temperatura apropiada que evite la
condensación de gas de proceso.
El intercambiador está diseñado para procesar un flujo aproximado de 140.249[
] de gases que
contienen y un flujo de servicio aproximado de 176.878[
] de aire atmosférico.
Las dimensiones del intercambiador son las siguientes:
Diámetro interno coraza: 2,921[ Largo de tubos: 6 Número de tubos:3.203
Área de transferencia de calor:2337 Diámetro interno tubos:0,035
Las características del soplador centrífugo asociado al equipo son las siguientes:
Capacidad:156000 [
]
Presión de descarga: 14,77[PSI]
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El costo asociado al intercambiador de calor es:
4.1 Tecnología de la producción del Ácido Sulfúrico y materias primas
4.1.1 Propiedades del Ácido Sulfúrico
Formula:
El ácido sulfúrico es un líquido incoloro a temperatura ambiente y presión atmosférica, es
muy fuerte y corrosivo para la vida útil de los materiales estructurales, posee punto de ebullición
alto, es deshidratante, debido a que reacciona exotérmicamente con agua, en algunos casos tanto
que llega a carbonizar a los compuestos orgánicos con lo que entra en contacto.
El ácido sulfúrico es capaz de disolver grandes cantidades de trióxido de azufre, produciendo
varios grados de Óleum. Cuando estas soluciones (ácido sulfúrico-Óxido sulfúrico) se mezclan
con agua, el óxido se combina con agua formando más ácido sulfúrico.
Del punto de vista químico es un ácido fuerte, es decir, en disolución acuosa se disocia
fácilmente en iones hidrógeno (H+) e iones sulfato (SO4
-2) liberando una gran cantidad de calor,
por lo cual se considera un poderoso deshidratante.
Tabla 1. Propiedades Físicas y Químicas
Peso Molecular [g/mol] 98,08
Punto de Ebullición [ °C] a presión
atmosférica
290 para concentraciones al 100%
310-335 para concentraciones al 98%
Punto de fusión [ °C] 10,4-10,5 para concentraciones al 100%
3 para concentraciones al 98%
Presión de Vapor [mmHg] < 0,001; 20 ºC
1; 146 ºC
Gravedad específica 1,841 para concentraciones al 100%
pH 0.3 para solución 5% en p/p
1,2 para solución 0,5% en p/p
2,1 para solución 0,05% en p/p
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4.1.2 Métodos de Producción del Ácido Sulfúrico
Existen dos procesos principales para la producción de ácido sulfúrico:
Método de cámaras de plomo
Proceso de contacto
Sin embargo el estudio se centrará en el “método de contacto” puesto que con el método de
“cámaras de plomo” no se alcanza la concentración de ácido sulfúrico necesaria para que sea
comercializable, ya que la concentración comercial deseable es de 98% y con el método de
cámaras de plomo solo se alcanza una concentración de 62 a 68% de ácido sulfúrico.
Método por contacto: Su fundamento reside en la oxidación reversible del a sobre un
catalizador sólido, que en un principio fue Platino y que modernamente suele ser Pentoxido de
vanadio (V2O5) por razones de economía y velocidad de reacción.
Este proceso genera una concentración de ácido sulfúrico igual al 98% el cual es
utilizado en la industria termo metalúrgica.
Figura 1. Esquema general Método de contacto
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El proceso de contacto comprende 3 etapas:
1. Obtención de , depuración de los gases
2. Catálisis, conversión de a
3. Absorción de
1)
2)
3)
Reacciones que ocurren en el proceso
Combustión [
]
Conversión
[
]
Absorción [
]
Dilución de ácido y secado del aire [
]
En el proceso de contacto se utiliza un catalizador de Pentóxido de Vanadio, la reacción es
exotérmica, se utilizan múltiples etapas con enfriamientos intermedios y sistema de doble
columna de absorción.
Mecanismo de catálisis de la oxidación del SO2 en el lecho catalítico de Pentóxido de Vanadio
Debido al efecto de la temperatura sobre la reacción, son utilizados múltiples lechos de
catalizador con enfriamiento intermedio. Adicionalmente, como la presión parcial de
aumenta la reacción es limitada. Esto fue solucionado removiendo después de la tercera
etapa para llevar la reacción a su fin. Finalmente los gases no absorbidos son descargados a la
atmosfera, estos últimos virtualmente libres de
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4.1.3 Principales proveedores de materias primas y volumen de suministros
Los principales productores de ácido sulfúrico son las fundiciones mineras ubicadas en la
fundiciones mineras, cuya materia prima utilizada es el anhídrido sulfuroso SO2, uno de los
tantos subproductos derivados de la minería del cobre.
A continuación se especifican algunas cifras de producción de las principales operaciones
mineras, detallando datos de capacidad, emisiones de azufre y porcentaje de captura actualizados
al año 2008.
Tabla2. Capacidad de Fusión y captura de azufre al año 2008
Fundición Capacidad de
fundición [ton/año]
Emisión de Azufre
[ton/año]
Ventanas 410.880 10.664
Paipote 356.000 11.000
Chagres 535.548 5.754
Caletones 1.296.862 57.886
Potrerillos 702.300 18.101
Alto Norte 894.695 20.923
Chuquicamata 1.468.346 29.752
Se puede observar que todas las operaciones presentan altos porcentajes de captura de
anhídrido sulfuroso, con una media general que alcanza el 90,4%. Estos datos son en base a
estudios realizados por Codelco.
Al ser el SO2 un contaminante ambiental, las empresas apuntan a ampliar la capacidad de
absorción estableciendo como meta el 100% de captura en un plazo relativamente corto, puesto
que esta condición mejoraría la calidad de vida de los habitantes circundantes y a su vez
aumentar la producción de ácido sulfúrico ya sea para su autoabastecimiento y para su posterior
exportación.
Datos correspondientes al año 2008 establecían que Codelco División Ventanas tenía una
capacidad de tratamiento de gases de 125.000 Nm3/h. En 2010 se realizó una inversión cercana a
las 10 millones de dólares que permitió aumentar el porcentaje de captación de 91,3 a 94%
llegando a un volumen de 140.000 Nm3/h de gases procesados.
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4.2 Producción del Ácido Sulfúrico en el mercado objetivo
4.2.1 Calidad del Ácido Sulfúrico; Hoja de especificaciones
Existen variadas concentraciones en las que el ácido sulfúrico puede encontrarse en el
comercio, siendo el de mayor concentración el de una solución al 98, producida generalmente en
plantas de ácido pertenecientes a fundiciones de metales sulfurados. Al calentar ácido sulfúrico
entre 30 y 40 [°C] comienza a desprender vapores de anhídrido sulfúrico por lo que una adecuada
manipulación es clave al momento de trabajar con este compuesto.
Se adjunta en el anexo 1 la hoja de seguridad para el ácido sulfúrico.
4.2.2 Volúmenes de producción de Ácido Sulfúrico en el Mercado Objetivo y principales
productores
Los volúmenes de producción de Ácido Sulfúrico han experimentado un alza constante en
los últimos años, impulsado principalmente por el incremento en la producción de cobre y la
ampliación de la capacidad de absorción de las plantas de ácido ubicadas en las fundiciones. En
el año 2011 la producción de ácido alcanzó las 5,2769 millones de toneladas.
Tabla 3. Toneladas de ácido producidas en Chile por año
Producción de Ácido Sulfúrico en Chile
Producción
(miles
Toneladas)
2007 2008 2009 2010 2011
Producción 4.775 4.858,4 5.076,6 5.164,3 5.276,9
La producción de ácido sulfúrico presenta una asimetría al comparar la producción v/s el
consumo por regiones. Las regiones del norte en el año2010 produjeron el 60,8% del total de
ácido, generado principalmente por Alto norte (Xtrata Copper) y Chuquicamata (Codelco). Aun
así es insuficiente para la demanda sectorial. Por el contrario, en la zona central de nuestro país se
produjo un excedente, producido principalmente por Codelco División Ventanas y Fundición
Chagres propiedad de Anglo American, el que debió ser transportado hacia los sectores donde la
necesidad es mayor.
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Tabla4. Producción Chilena Ácido Sulfúrico por Regiones
(Miles de TM) / (KMT)
2007 2008 2009 2010 2011
Región de Tarapacá
Región de Antofagasta
Región de Atacama
115,0
2.062,0
740,0
104,0
2.021,7
727,0
62,0
2.257,0
749,0
108,0
2.203,3
843,0
116,0
2.252,9
831,0
Sub-total zona Norte
2.917,0 2.852,7 3.068,0 3.154,3 3.199,9
Región de Valparaíso
Región de Metropolitana
Región de O´Higgins
829,0
49,0
980,0
820,6
71,0
1.140,0
804,6
69,0
1.135,0
820,0
49,0
1.141,0
839,0
50,0
1.188,0
Sub-total zona central
1.858,0 2.005,6 2.008,6 2.010,0 2.077,0
Total País
4.775,0
4.858,4
5.076,6
5.164,3
5.276,9
La producción de ácido sulfúrico en nuestro país, se caracteriza principalmente por una gran
contribución por parte de las fundiciones, correspondientes al 96% de las toneladas generadas en
2010. El resto de la elaboración proviene de quemadores de azufre o plantas de molibdeno.
La tabla que prosigue muestra los principales productores de Ácido sulfúrico,
especificando ubicación, tipo de propiedad, destino del ácido sulfúrico producido y la condición
actual clasificándola en operación activa o eventual proyecto a concretarse.
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Tabla 5. Principales productores de Ácido Sulfúrico
4.2.3 Situación actual de los mayores productores de Ácido Sulfúrico
Tabla 6. Principales productores de ácido sulfúrico (año 2009)
Planta Producción
actual[ton/año]
Fundiciones
Xstrata - Altonorte 900.000
Codelco - Chuquicamata 1.400.000
Codelco - Ministro Hales 250.000
Codelco -Potrerillos 520.000
Enami - Hernan de Videla Lira
(Paipote) 290.000
Anglo América - Chagras 490.000
Codelco - Ventanas 330.000
Codelco - Caletones 1.100.000
Planta de Molibdeno Molynor Planta de Molibdeno -
Molynet Planta de Molibdeno 40.000
Quemadores de
Azufre
Haleman Sagasca 100.000
Noracid 600.000
Cemin - dos amigos 100.000
Región Productores/operación Propiedad Destino Condición
Fundiciones
Estatal Privada Auto
abastecimi
ento
Oferta a
otras
empresas
Operación Proyecto
II XSTRATA- Alto norte X X X Base
II
II
CODELCO-Chuquicamata
CODELCO-Ministro Hales
X
X
X X
X Base
III
III
CODELCO-Proterillos
ENAMI-Palpote
X
X
X
X
X
X Base
V ANGLO AMER-Chagres X X X Base
V CODELCO-Ventanas X X X Base
VI CODELCO-Caletonces X X X Base
Plantas de Molibdeno
II MOLYNOR-Planta
Mejillones
X X X Base Potencial
Metropolita
na
MOLYMET-Planta Nos X X X Base
Quemadores de Azufre
I
II
III
HALDEMAN-Sagasca
NORACID-mejillones
CEMIN-Dos amigos
X
X
X
X
X
X
X
Base
Base
Potencial
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Transferencia de Calor Página | 14
Figura 2. Porcentaje de producción por empresa
En la actualidad la principal empresa productora de ácido sulfúrico es Codelco (con un
23% de la producción total del País) con sus cuatro plantas, en las localidades de Potrerillos,
Caletones, ventanas y Chuquicamata. Codelco además destaca como consumidor, importador
y exportador de ácido sulfúrico. La capacidad de operación de Chuquicamata en la actualidad es
de 1.400000 toneladas de ácido sulfúrico.
Otra empresa importante productora de ácido sulfúrico es Alto norte, propiedad de
xstrata Esta planta está ubicada en Antofagasta, sector la negra. Esta planta antiguamente contaba
con una capacidad de ácido sulfúrico de 290.000 toneladas por año de ácido sulfúrico. Gracias a
un proyecto de expansión en el año 2003 que contemplo una nueva planta de ácido sulfúrico, la
capacidad de tratamiento se elevo a 900.000 toneladas por año.
También se destaca la producción en la fundición Chagres de la compañía Anglo
American Sur, (ubicada en la V región, en la comuna de Catemu, a 100 Kilómetros al Norte de
Santiago y a 400 metros sobre el nivel del mar), quienes ampliaron su capacidad de producción
gracias a la implementación de un horno flash en 1986. En el año 1995 se amplió la capacidad de
recuperación de azufre a 95% mediante la instalación de un sistema de doble absorción. Se
construyó una nueva planta de ácido sulfúrico con capacidad de entre 400.000 y 460.000
toneladas por año.
23%
15%
18% 10%
8%
26%
Porcentaje de produccion de Ton/año de ácido sulfurico por cada empresa
Codelco - Chuquicamata
Xstrata - Altonorte
Codelco - Caletones
Noracid
Codelco -Potrerillos
Otros
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La planta fue construida por la firma canadiense SNC Lavalin con nuevas tecnologías
reemplazando a la anterior que había en Charges esta tenía una capacidad de 100.000 toneladas
por año y fue vendida a Enami para ser instalada en la fundición Hernán Videla Lira.
Inicialmente la fundición Hernán Videla Lira, ubicada cerca de Copiapó, región de Atacama,
contaba con una planta de acido con una capacidad de 60.000 toneladas por año. Gracias a la
ampliación de la planta en el año 2008, amplio su capacidad llegando a las 290.000 toneladas por
año.
Otra empresa productora de ácido sulfúrico es la refinería de Molymet, al Sur de Santiago
quienes debieron construir una planta de acido sulfúrico para cumplir con las normas de emisión
de gases a la atmosfera
En la actualidad Ministro Hales (Codelco) se encuentra desarrollando un prestripping de la mina
y se tiene la totalidad de los contratos de construcción asignados con avances físicos en las
plantas de chancado, molienda y flotación, el complejo de tostación y las plantas de acido
sulfúrico y de abatimiento de arsénico.
4.3 Exportación e Importación de Ácido Sulfúrico
4.3.1 Volúmenes de exportación e importación de Ácido Sulfúrico en el mercado objetivo en
los últimos cinco años
A pesar de las grandes cantidades generadas en nuestro país, la demanda de ácido
sulfúrico es mayor, gatillada principalmente por la hidrometalurgia. Es por eso que para satisfacer
esta necesidad se ha recurrido a la importación de este vital producto para la minería del cobre.
Las importaciones han tenido un fuerte incremento alcanzando 2.634.674 de toneladas
importadas el 2010. Perú se ha constituido como el principal origen del ácido importado,
sostenidamente desde el año 2007 (749.000 toneladas el año 2010). También son abastecedores
importantes los países asiáticos, particularmente Japón, Corea del Sur y Filipinas.
Intercambiador de Calor Previo al Absorbedor
Planta de Ácido Sulfúrico
(Cisternas, Ogaz, Ramos)
Transferencia de Calor Página | 16
Tabla 7. Embarques físicos de importación de ácido sulfúrico según país de origen
2007 2008 2009 2010 2011
EUROPA 138.641 102.105 360.979 190.103 212.530
Alemania 45.305 - 121.150 37.014 40.886
Bulgaria 37.881 18.460 36.531 31.576 -
España 18.352 51.335 143.286 98.782 132.378
Finlandia - - 15.407 19.723 -
Italia - - 10.600 3.008 -
Polonia 20.028 13.637 34.006 - -
Suecia 17.075 18.673 - - 39.266
AMÉRICA 565.110 753.459 734.465 765.012 1.208.357
Brasil - - 47.334 - -
Canadá - 21.079 - 15.855 19.049
EE.UU. 14.425 - - - 451
México 51.405 48.877 51.334 - 239.837
Perú 499.280 683.503 635.798 749.158 949.020
ASIA 581.336 1.534.161 737.974 1.669.702 1.724.121
China - 210.482 - 111.733 148.387
Corea 223.178 391.376 189.645 669.413 648.723
Filipinas 203.571 203.202 153.599 177.067
India - 335.895 9.937 59.505 38.609
Indonesia - 22.517 - - -
Japón 286.694 370.320 335.189 675.451 711.335
OTROS 0 8.732 38.910 18.858 18.952
Argelia - - - - -
Australia - - 38.910 18.858 18.952
Egipto - 8.732 - - -
TOTAL 1.285.087 2.398.457 1.872.328 2.643.675 3.163.960
Contrariamente de la condición de déficit que presenta el mercado chileno, existen exportaciones
de ácido sulfúrico especialmente orientadas a países sudamericanos, gatilladas principalmente por
superávit de producción frente al autoabastecimiento por parte de las empresas productoras,
contratos asociados, problemas de capacidad de distribución o almacenamiento o por
complicaciones en la puesta del producto en el mercado local.
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Transferencia de Calor Página | 17
Tabla 8. Embarques físicos de exportación de Ácido Sulfúrico según país de destino
2007 2008 2009 2010 2011
EUROPA 0 0 0 0 0
AMÉRICA 124.153 83.913 13.459 13.384 62.551
Argentina 9.095 2.865 1.697 2.797
Bolivia 12.627 10.596 10.594 11.687 12.843
Brasil 37.514 8.149 - - 27.671
Costa - - - -
Cuba 20.036 17.812 - - 19.240
EE.UU. - - -
México - - - - -
Perú 42.028 5.000 - - -
ASIA 0 0 0 0 0
OTROS 0 0 0 0 0
TOTAL 124.153 83.913 13.459 13.384 62.551
4.3.2 Principales flujos de exportación de los proveedores de Ácido Sulfúrico
Las empresas que presentan los mayores indicadores de exportación de ácido se
caracterizan por su gran capacidad de procesamiento de mineral de cobre, en este caso Codelco o
por ser empresas transnacionales relacionadas con el rubro de la importación/exportación y
distribución de ácido sulfúrico, azufre y servicios logísticos (Interacid, Trans Sud y BCT
Chemtrade).
En el año 2010 Codelco se presentó como el principal comerciante con 13.134 toneladas
correspondiente al 98% aproximadamente del ácido exportado en ese año.
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Tabla 9. Exportaciones en Chile de Ácido sulfúrico según exportador
Tabla 10. Monto exportado el año 2011 por todas las empresas Chilenas, del producto
Ácido sulfúrico; óleum, hacía todos los países.
Empresa Monto exportado (US$) % participación
CODELCO
5.103.976
65,34%
BCT Chemtrade LTDA
2.705.400
34,63%
Comercial Sur Chile
LTDA
1.801
0 ,03%
TOTAL
7.811.177
100%
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4.3.3 Características y tendencias de exportación e importación de los proveedores de Ácido
Sulfúrico
Chile es el país que tiene el principal mercado a nivel mundial de ácido sulfúrico por su
aplicación en la hidrometalurgia del cobre, esta aplicación constituye el destino natural del ácido
producido obligadamente por las fundiciones de cobre en Chile por razones medio ambientales lo
que constituye un excepcional circulo viciosos, aun así, estas capacidades no son suficientes para
poder cubrir toda la demanda actual por lo que se requiere de un abastecimiento adicional a nivel
nacional.
Figura 3. Países que exportan ácido sulfúrico a Chile (Año 2011)
Figura 4. Países a los cuales se exporta parte de la producción ácido sulfúrico de Chile (Año 2011)
Series1; 41 0
20.000.00040.000.00060.000.00080.000.000
100.000.000120.000.000
US$
Tendencia de Importaciones
Series1; 1.801 0
500.000
1.000.000
1.500.000
2.000.000
2.500.000
3.000.000
3.500.000
BRASIL CUBA BOLIVIA ARGENTINA,REPUBLICA DE
COLOMBIA
US$
Tendencia de Exportaciones
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Perú es el principal exportador de ácido sulfúrico a Chile, esto se entiende debido a la cercanía
geográfica de la que se dispone.
La tendencia de exportación va disminuyendo a través de los años, obviamente esta tendencia
está justificada por la alta tasa de consumo del ácido en Chile.
Figura 5. Contraste de las tendencias de comercio del ácido sulfúrico de los últimos años.
0
50.000.000
100.000.000
150.000.000
200.000.000
250.000.000
300.000.000
350.000.000
400.000.000
450.000.000
500.000.000
2008 2009 2010 2011
US$
años
Tendencias de Importaciones y Exportaciones
Importaciones
Exportaciones
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Transferencia de Calor Página | 21
4.4 Estudio de los precios del Ácido Sulfúrico
4.4.1 Precios Nacionales e internacionales del Ácido Sulfúrico
Dada la condición deficitaria del mercado chileno, el precio interno está influenciado por
la consonancia de adquisición puesto en Mejillones, principal receptor de las importaciones de
ácido en nuestro país. Por lo tanto el precio de importación CIF1 Mejillones recoge la situación
del mercado internacional, con cierta tardanza y se constituye como elemento de referencia para la
valorización del ácido sulfúrico en el mercado nacional.
La Gráfica que prosigue muestra la evolución del precio promedio de importación del ácido
sulfúrico, con la indicación del rango del valor máximo y mínimo registrado trimestralmente desde el
año 2001.
Figura 6. Valor de Importación de Ácido Sulfúrico CIF Mejillones (US$/Ton)
(I Trimestre 2001 al I Trimestre 2011)
En el I Trimestre 2011, se importaron 746.700 toneladas, por MUS$ 73,5, dando un promedio
CIF de 98,5 US$/ton, en un rango de 20 a 250 US$/ton.
Cabe señalar que el valor unitario es CIF para la mayoría de las importaciones, excepto
las realizadas por CODELCO, que emplea la modalidad “CFR”, la cual no incluye el costo de los
seguros comprometidos en el transporte.
Las zonas más relevantes constituyen un mercado de referencia. Ellas son la costa del
Golfo de México (Sur Este de EE.UU./deficitaria), Norte de Europa (Báltico / excedentaria), Sur
1 Las siglas CIF (Coste, seguro y flete, puerto de destino convenido) se refieren a un término de comercio
internacional que se utiliza en las operaciones de compraventa, en que el transporte de la mercancía se realiza por
barco (mar o vías de navegación interior).
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de Europa (Mediterráneo / excedentaria), Sudeste Asiático (Japón y otros / excedentaria, China /
deficitaria), Sudamérica (deficitaria).
En la zona del Golfo de México (Tampa) radica la principal concentración de productores
de fertilizantes fosfatados de EE.UU., dada su disponibilidad de roca fosfórica y su posición
cercana a las grandes áreas agrícolas que los consumen.
Tabla 11. Comparación de precios del ácido sulfúrico con el azufre, Fosfatos y cobre
(Secuencia trimestral Junio 2006 – Junio 2011)
Fuente: Fuente: Elaborado en Cochilco en base a datos de SULPHUR (Ácido sulfúrico y azufre hasta 2009),
PENTASUL (DAP y Ácido sulfúrico y azufre desde 2010) y COCHILCO (Cobre)
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4.4.2 Dinámica en los precios de exportación-importación
La dinámica de los precios de importación- exportación está estrechamente relacionada
con el precio del ácido sulfúrico en el mundo, el que a su vez depende de una serie de factores:
Precios en mercados relacionados al ácido sulfúrico
Producción obligada
Mercados de referencia
Costo de los fletes marítimos
En Chile predomina como precio de referencia el valor del precio CIF Mejillones, puerto
por donde se recibe la mayor parte del ácido que satisface el déficit existente en la II Región.
Dicho valor está correlacionado con el de Tampa más un incremento (Por ejemplo: el efecto flete
hacia Chile).
Sin embargo, contratos vigentes de gran volumen suscritos antes del alza de precios, por
CODELCO con Japón y por otros operadores, han permitido que el valor unitario promedio de
las importaciones de los últimos años no reflejen enteramente los precios del mercado spot
internacional.
4.5 Consumo del Ácido Sulfúrico
4.5.1 Principales usos del Ácido Sulfúrico
Son muchas las aplicaciones industriales que posee este producto, destacando por
ejemplo:
Fabricación de Fertilizantes
Refinación del Petróleo
Producción de pigmentos
Manufactura de explosivos
Manufactura de detergentes, plásticos y fibras
Lixiviación, extracción por solventes y refinación del cobre.
Este último ítem representa el principal uso de ácido sulfúrico en nuestro país, debido a la
importancia que representa la hidrometalurgia en la producción de cátodos de cobre electro-
obtenidos.
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4.5.2 Principales empresas consumidoras
Como anteriormente se mencionó la utilización del ácido sulfúrico por parte de las
empresas mineras representa casi la totalidad del consumo en el mercado chileno.
A continuación se presenta una tabla con las principales empresas y operaciones
consumidoras de ácido sulfúrico, clasificadas por región tipo de propiedad, fuente de provisión y
condición de estado especificando operación activa o eventual proyecto a concretarse.
Tabla 12. Principales operaciones consumidoras de ácido sulfúrico en Chile
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4.5.3 Patrón de consumo de Ácido Sulfúrico
Al analizar patrones de consumo, se puede observar que gran parte del consumo se
produce en la segunda región de Antofagasta, impulsado principalmente por las operaciones
mineras instaladas en esas zonas destacándose las faenas de Chuquicamata y Altonorte.
Al fijarse en el tipo de abastecimiento, se puede apreciar que gran parte del consumo debe
subsanarse por medios externos, principalmente por empresas dedicadas a la importación. Por
otro lado el autoabastecimiento representa solo el 28,4%.
Tabla 13. Distribución de la producción y consumo de ácido sulfúrico en el año 2010
(Miles de toneladas)
Otra arista a considerar es la minería hidrometalúrgica, puesto que producir una tonelada
de cátodos electroobtenidos requiere entre 2,9 a 3 toneladas de ácido sulfúrico para su
manufactura. Es por esto que el consumo depende directamente del continuo aumento en la
capacidad de operación de las empresas dedicadas a este rubro.
En la gráfica siguiente se muestra la tasa de consumo de ácido sulfúrico en relación a las
toneladas de cátodos electroobtenidos.
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Figura 7. Distribución de la Producción Chilena de Cátodos SxEw en el año 2010
según su Tasa de Consumo de Acido Sulfúrico (Ton Ácido Sulf./ Ton Cát SxEw)
Al observar el comportamiento de la tasa de consumo en las principales operaciones
donde se muestra la distribución de la producción nacional de cobre ordenadas desde menor a
mayor tasa de consumo de ácido sulfúrico si se segmenta dicha producción en quintiles (418
Kton de Cu en el año 2010) se aprecia la gran diferencia de consumo entre cada uno de los
segmentos, donde el quinto quintil se caracteriza por reunir a operaciones de bajo volumen de
producción y alto consumo unitario.
4.6 Proyección del consumo y producción del Ácido Sulfúrico
Según un estudio realizado por COCHILCO en relación a la proyección del mercado
chileno del ácido sulfúrico al 2020 se pueden apreciar una serie de tendencias y comportamientos
asociados al consumo y producción de este elemento.
Comportamiento del consumo: se observa que el consumo seguirá creciendo de manera
acelerada hasta el 2014, llegando a un máximo de demanda el cual con el transcurrir de
los años presentará una visible declinación para ya el año 2018 llegar a niveles similares
al actual.
Producción de cátodos electro-obtenidos: se aprecia que la producción de este tipo de
cátodos se mantendrá sobre las 2.000.000 hasta 2014 para luego comenzar un descenso en
la producción ocasionada principalmente por el declive en la inversión y la formulación
de nuevos proyectos en el rubro de la hidrometalurgia del cobre.
Tasa de consumo unitario: la lixiviación del cobre ha experimentado un alza en la tasa de
consumo unitario (ton acido/ton cobre fino). Por tanto se espera que en los próximos años
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Transferencia de Calor Página | 27
se llegue a una tasa en torno al 4,4 y 4,6 relacionada directamente por el decrecimiento en
la calidad de los minerales y el consumo por parte de los nuevos proyectos en carpeta.
Comportamiento de Producción: debido a la puesta en marcha de la nueva planta
NORACID S.A en Mejillones, propiedad inversiones Belfi y Ultraterra (Ultramar Group),
se espera un salto sustancial en la producción base a partir de este año, realizando un
incremento cercano a 1.700.000 de toneladas adicionales al mercado.
Déficit en el mercado: como anteriormente observamos en este informe, el mercado
chileno presenta una demanda superior a la oferta produciendo un déficit el cual es
remediado vía importaciones. Se prevé que la situación continuará del mismo modo los
próximos años. A raíz de esto y debido a una asimetría en el consumo de nuestro país,
concentrado principalmente en el norte de Chile, es que Perú se consolidaría aún más
como principal país exportador de ácido hacia nuestro país.
5. Estudio técnico
5.1. Descripción del general del proceso.
El proceso de producción de ácido conlleva una serie de etapas las cuales serán detalladas
a continuación:
Fig 1. Bosquejo del proceso,
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Transferencia de Calor Página | 28
5.1.1 Etapa de captación, Manejo y limpieza seca de gases.
Los gases son captados, tras pasar por las torres de acondicionamiento que posee la
fundición tanto en cada uno de los convertidores: Teniente (CT) y Pierce Smith (CPS), estos
sistemas son independientes uno de otro, donde los gases salen a una temperatura entre 350 [°C]
y 400[°C] con un contenido de agua no mayor a 14% en peso y entre 7 y 12% en volumen.
Cada uno de los sistemas de gases consta de ventiladores tiro inducido que conducen los
gases a través de un ducto de alta velocidad hasta los precipitadores electroestáticos en los que se
retira el polvo contenido. En el sistema del CT hay 2 precipitadores electroestáticos FLAKT en
paralelo y en el sistema de los CPS hay un precipitador MILJO. Cada precipitador tiene 3 campos
eléctricos, válvulas de entrada y salida de gases, que permiten aislar cada unidad en caso de
mantención, sistemas de calefacción para evitar condensación de la humedad del gas, sistemas de
golpeteo para que el polvo que es atrapado caiga a las tolvas de recepción, sistemas de transporte
de cadena para descargar el polvo de contenedores e instrumentación necesaria para el control y
supervisión remota.
A la salida de los precipitadores, los gases pasan por los ventiladores de tiro inducido y
estos gases son descargados con contenido de polvo menores a 600[mg/Nm3] de gas los que
provienen del CT y menores a 400[mgNm3] de gas los que provienen de los CPS. Posteriormente
se unen los gases de ambos sistemas y se conducen hacia la etapa de lavado de gases. En caso de
existir una mayor cantidad de gases de lo que es posible tratar, estos pueden ser descargados a la
atmosfera, utilizando la chimenea principal mediante válvulas de distribución de gases instaladas
para este efecto.
5.1.2 Etapa de lavado y enfriamiento de gases
Esta sección recibe el flujo de gas de alimentación proveniente desde los precipitadores
secos de gases caliente a alrededor 350[°C] aproximadamente, el que es enfriado en la torre de
humidificación (lavado K1) mediante contacto directo con ácido débil que circula en
contracorriente, cuta concentración varia alrededor de 30-40% de ácido débil, de este modo el gas
que se enfría adiabáticamente por evaporación del agua que acompaña a la solución de riego, la
que logra retirar calor desde el gas, enfriándolo a 75[°C] aproximadamente. También se retira de
las partículas sólidas que pueda llevar el gas.
El gas saturado fluye entonces hacia unos lavadores Venturi de garganta fija que operan
en paralelo. La tubería intensa generada en la garganta de estos lavadores Venturi efectivamente
remueve la mayoría del material particulado de mayor tamaño presente en el gas.
El flujo de gas continua a través de tres ciclones para luego ingresar al sistema de
enfriamiento de gas, compuesto por dos torres rellenas operando en paralelo, en donde el gas
caliente se pone en contacto en contracorriente de ácido débil frio. Así, a medida que el gas pasa
a través del relleno es enfriado y al mismo tiempo la mayoría del contenido de agua se extrae por
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Transferencia de Calor Página | 29
condensación. El gas sale de estas torres de enfriamiento a alrededor de 380[°C], saturado con
vapor de agua en equilibrio con ácido sulfúrico diluido.
Hay una neblina fina de partículas de ácido sulfúrico presente en el gas, la que en
conjunto con otro material particulado fino, es removida en dos etapas de precipitadores
electroestáticos húmedos. El gas que sale de los precipitadores húmedos debe ser ópticamente
transparente cuando están operando correctamente.
Todo el transporte de gas a lo largo del tren de limpieza y enfriamiento de gases se
efectúa por la succión que ejerce el ventilador principal V-10.
Con el propósito de evitar una posible baja de presión excesiva en ductos y equipos, el
sistema de ductos incorpora a la salida de los precipitadores electroestáticos, un dispositivo
llamado “Sello de agua”, este sello está ajustado con una columna de 700 [mm de CA] en caso de
que la succión del soplador principal V-10 sea mayor a los 700 [mm de CA] el agua es arrastrada
hacia el ducto, permitiendo la entrada de aire al sistema.
5.1.3 Etapa de secado de gases
Torre de secado primario.
Esta torre ubicada inmediatamente después de los precipitadores electroestáticos húmedos
es utilizada para remover la mayor parte del contenido de agua del gas de proceso que se
encuentra saturado de agua en equilibrio con ácido sulfúrico. En esta torre, el gas entra en
contacto con un flujo circulante de ácido sulfúrico al 80%.
Es esencial remover el agua del flujo de gas para prevenir la condensación del vapor de
ácido sulfúrico contenido en el gas durante etapas subsecuentes del proceso. Se forma vapor de
ácido sulfúrico a partir de la reacción de con agua residual que queda en el gas. El ácido
sulfúrico que pudiera condensar sobre superficies metálicas frías como las superficies de los
conductos de has y de intercambiadores de calor, comenzara a corroer estas zonas.
El esquema de flujo para la circulación y enfriamiento de ácido sulfúrico al 80% en la
torre de secado primario consiste en que mediante una bomba se toma el ácido desde el fondo de
la torre, este ácido pasa por enfriadores de placas que permiten regular la temperatura del ácido
en 40 grados a la entrada de la torre y es distribuido por un tubo perforado sobre el relleno
ubicado en la parte superior de la torre de secado primario.
La concentración de ácido en la torre, se mide continuamente, y es controlada por un
controlador de conductividad que regula por medio de válvulas la entrada de ácido al 98,5 %
proveniente de la torre de absorción intermedia. El nivel de ácido al 80% en el fondo de la torre
de secado primario es mantenido por controlador de nivel, quien regula por medio de las válvulas
el flujo de ácido sulfúrico al 80% hacia un estanque pulmón mediante una bomba. Esta bomba
mantiene el nivel en dicha torre.
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Transferencia de Calor Página | 30
Torre de Secado Secundario.
Esta se encuentra ubicada inmediatamente después de la torre de secado primario es
utilizada para remover los últimos vestigios de agua aun presente en el gas y asegurar cero
humedad a las etapas siguientes del proceso.
Para precipitar y retener las gotas de ácido que son arrastradas por el gas tras su paso a
través de la torre de secado secundario y que puede dañar las instalaciones aguas abajo del
proceso, se ha instalado 5 filtros tipo vela en la parte superior de esta torre. La caída de presión a
través de estos filtros debe estar monitoreada periódicamente para poder detectar cualquier
anomalía en su operación. Las gotas de ácido sulfúrico al chocar con los alabes del soplador
principal V-10 causan erosión y corrosión de estos provocando una falla aceleradamente.
El esquema de flujo para la circulación de ácido sulfúrico al 93-95% en la torre de secado
secundario consiste en que mediante una bomba se toma el ácido desde el fondo de la torre y
mediante una canaleta de distribución ubicada sobre el relleno en la parte superior de la torre se
hace llegar a toda la sección de la torre.
A fin de mantener la concentración de ácido en este circuito, se agrega ácido 98,5% desde
el estanque de ácido producto y es controlado por el control de conductividad quien ajusta la
válvula de ácido para mantener la concentración de ácido entre 93-95% dentro de esta torre. El
nivel de ácido en el fondo de la torre de secado secundario es mantenido por un controlador de
nivel quien regula mediante válvulas el excedente de ácido sulfúrico de 93-95% de la torre de
secado secundario al estanque de ácido sulfúrico.
5.1.4 Etapa de Conversión
La sección de conversión de la planta de ácido sulfúrico está diseñada para convertir el 99,5% del
a del gas y remover el del gas mediante absorción por ácido sulfúrico al 98,5%.
Para ello el gas alimentado y precalentado pasa por un primer reactor donde la concentración de
sube al 95%, se absorbe en ácido sulfúrico en la torre de absorción intermedia K-6, el gas
pasa a un segundo catalizador donde su composición sube al 99,5% y se absorbe en la torre
de absorción final K-5.
A medida que el gas fluye a través del primer lecho catalizador, alrededor del 60-70% del
SO2 originalmente presente es oxidado para formar SO3. Paralelamente, la temperatura del gas
de salida de los gases depende principalmente de la cantidad de SO2 originalmente presente en el
gas. Para que la reacción prosiga, es necesario enfriar la mezcla de gas de vuelta a los 450 grados,
dirigiéndolo a través de la carcaza del intercambiador de calor caliente W-22.
El gas que sale de la carcaza del intercambiador caliente W-22, entra radialmente a la
parte superior del segundo lecho catalizador y fluye hacia abajo a través de donde se lleva a cabo
más conversión de SO2 a SO3, y la temperatura del gas aumenta a las salida de la segunda capa
entre los 500 y 540 grados debido al calor que produce la reacción. Al salir del segundo lecho
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Transferencia de Calor Página | 31
catalizador, alrededor del 90% del SO2 originalmente presente en el gas ha sido convertido a
SO3. Este gas caliente entra entonces a un ducto que pasa a través del segundo lecho catalizador
y sale por la carcaza del convertidor C-20. A fin de que la conversión de SO2 a SO3 continúe, es
necesario enfriar el gas a los 430 grados pasándolo a través del lado tubo del intercambiador
caliente W-6.
5.1.5 Etapa de Absorción
Torre de Absorción intermedia K-6.
Esta torre ubicada tras los lechos catalizadores primer, segundo y tercero (capa 1, capa 2,
capa3), es utilizada para remover el formado por la oxidación del a .
En esta torre el SO3 es absorbido por un flujo circulante de ácido sulfúrico al 98,5%. Una
vez absorbido por el ácido, el SO3 reacciona con el agua para formar H2SO4 adicional.
Las razones para absorber el del flujo de gas en esta torre son las siguientes:
Es conveniente remover el del flujo de gas, con el fin de facilitar la posterior
conversión del SO2 restante presente en el gas, a en el cuarto lecho catalizador.
Producir ácido sulfúrico a 98,5%.
El gas caliente que sale del tercer lecho catalizador contiene aproximadamente un 10% de
trióxido de azufre ( ). Es enfriado mediante el intercambiador frio W-23 y el enfriador de SO3
W-26 hasta alrededor de 210[°C] antes de entrar en la torre de absorción intermedia K.-6. El gas
entra por la parte inferior de esta torre y fluye hacia arriba a través de un lecho relleno cerámico
donde se pone en contacto con un flujo descendente de ácido sulfúrico al 98,5%. La alta
solubilidad del en lleva a la remoción de casi todo el SO3 del gas, siendo absorbido
por el ácido.
El gas que sale de la torre puede contener gotitas de ácido retenidas mecánicamente con
asimismo partículas pequeñas de neblina que algunas veces es formada durante el proceso de
absorción de SO3. Estas deben ser removidas para prevenir su arrastre hacia el manto de
intercambiador Frio W-23, donde podrían causar corrosión en la superficie de los tubos. Esto es
logrado pasando el gas a través de eliminadores de neblina eficientes tipo vela antes de abandonar
la torre.
El ácido sulfúrico al 98,5% entra por la parte superior de la sección con relleno de la torre
de absorción intermedia K-6 alrededor de 60[°C]. A medida que fluye a través del relleno,
aumenta la concentración hasta 99,0% con resultado de la absorción de y la temperatura
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Transferencia de Calor Página | 32
aumenta hasta alrededor de 87 [°C]. En el fondo de la torre de absorción intermedia K-6, un flujo
mezclado de ácido sulfúrico al 80% proveniente del estanque pulmón y agua es agregado para
diluir el ácido a una concentración de 98,5%. Los flujos de ácido sulfúrico al 80% y agua son
mezclados en el mezclador de ácido junto a un flujo de reciclado de ácido proveniente de la
salida de los enfriadores de ácido de la torre de absorción intermedia.
El ácido es bombeado desde el fondo de la torre de absorción intermedia K-6 por unas
bombas de ácido hacia los enfriadores de ácido tipo placa. Estos enfriadores enfrían el ácido de
vuelta a la torre con agua, hasta una temperatura entre 60 y 65 [°C] antes de devolverlo a la parte
superior de K-6.
Luego, un sistema distribuidor (tipo tubería), alimenta ácido en forma uniforme sobre la
parte superior del relleno de la torre. Es necesario mantener un flujo mínimo de ácido sobre la
torre para asegurar una buena absorción. El flujo debe ser mantenido constante aun si varía el
caudal de gas hacia la planta. Después se desvía un flujo de ácido hacia el sistema de secado que
permite controlar la concentración de ácido en la torre de secado primario.
Un segundo flujo de ácido, fluye hacia el mezclador de ácido y posteriormente hacia la torre de
absorción final K-5, es extraído en este punto para mantener contante el nivel de ácido en el
fondo de la torre K-6.
Torre de Absorción Final K-5.
La torre de absorción final está ubicada aguas abajo del cuarto lecho catalizador y es
utilizada para absorber el SO3 formado en este lecho. El SO3 es absorbido por el flujo circulante
de ácido al 98,5%.
Las razones para remover el SO3 del flujo de gas en esta torre son las siguientes:
Remover el SO3 de flujo de gas a un nivel tal que cumple con la legislación sobre el
medio ambiente.
Tener emisiones no visibles en chimenea.
Producir ácido sulfúrico al 98,5%.
El anhídrido sulfúrico (1-3% en vol.), aire en exceso y trazas de abandonan la masa
del cuarto catalizador y son enfriados por el intercambiador de W-27 y luego en serie con el
intercambiador de calor frio W-24, a una temperatura de alrededor de 210[°C] antes de entrar a la
torre de absorción final K-5.
El gas entra por la parte inferior de la torre y fluye hacia arriba a través de un lecho con
relleno cerámico donde entra en contacto con un flujo descendente de ácido sulfúrico al 98,5%.
Virtualmente todo el es removido del gas y absorbido por el acido
El ácido sulfúrico a 98,5% entra por la parte superior de la torre de absorción K-5 a
alrededor de 75[°C] y es alimentada uniformemente sobre la parte superior del relleno mediante
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Transferencia de Calor Página | 33
un distribuidor. A medida que el SO3 es absorbido por el ácido, su concentración aumenta a
alrededor del 98,6% y al mismo tiempo aumenta la temperatura alrededor de 88,2[°C].
En la parte inferior de la torre, un flujo de agua de proceso es agregado para diluir el ácido
de vuelta a una concentración de 98,5%. En la parte superior de la torre de absorción final K-5 se
mezcla un flujo de ácido proveniente desde la torre de absorción intermedia K-6 con un flujo
reciclado de ácido enfriado que sale desde la torre de absorción final K-5.
El nivel de ácido en el fondo de la torre de absorción final K-5 se mantiene mediante un
rebalse que descarga acido por gravedad hacia el estanque de ácido producto.
La operación del sistema de la torre de absorción final tiene un efecto pronunciado sobre la
pluma de descarga de la chimenea de salida de la planta de ácido. El factor más significativo de la
absorción es la concentración del ácido. Para la mejor absorción, la concentración del ácido debe
estar en el rango de 98-99,4%,; sin embargo, la concentración exacta a la cual se obtiene una
“descarga de chimenea” si emisiones visibles es en gran medida u tema de prueba y error y
depende de:
La concentración de SO3 (>98%).
La temperatura del gas entrando a la torre de absorción final K-5(210[°C]).
Flujo de ácido (entre 400 y 600 [m3/h].
Concentración acida (985%).
La temperatura del ácido entrando y abandonando la torre absorción final K-5 (entrada
75[°C] y salida 90[°C]).
Si filtros velas también esta rotos también hay pluma.
Sistema de irrigación en condiciones.
5.2. Balance de masa y energía.
Figura 8. Diagrama de flujo de proceso (PFD) esquemático del intercambiador con
soplador
W24
A torre K-5
4
3
Soplador
Aire
Atmosfera
2
1
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Nomenclatura:
Fi: Flujo de la corriente i
wi,j: Composición másica de la corriente gaseosa i, del componente j
Sea:
5.2.1 Balance de Materia
5.2.1.1 Global para producto:
Se considera un estado estacionario.
5.2.1.2 Por componente:
Datos:
[
]
[
]
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5.2.2 Balance de Energía
( )
Consideraciones: Al encontrarse el N2 en una concentración molar muy superior al resto de los
gases que componen la corriente, exactamente igual al 91,8% es que se ha considerado el cp de la
mezcla igual a la del N2.
Datos:
[
]
[
]
[
]
5.3. Listado de equipos.
5.3.1. Listado de equipos principales de la planta:
5.3.1.1. Etapa de captación, Manejo y limpieza seca de gases
- Precipitadores electroestáticos
5.3.1.2. Etapa lavado y enfriamiento de gases
- Torre de enfriamiento
- Bombas Torres de enfriamiento
- Estanque Sedimentador
- Venturi Scrubber
- Ciclones
- Estanque Intermedio
- Bombas Venturi
- Estanque Solución Silicato
- Torre de Deshumidificacion
- Bombas torre de Deshumidificación
- Enfriadores de Acido
- Precipitadores electroestáticos húmedos
5.3.1.3. Etapa de secado de gases
- Torre de secado Primario
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- Bomba Acido de Secado
- Enfriador de ácido de secado
- Torre de secado secundario
- Bombas de secado secundario
5.3.1.4. Etapa de Conversión
- Soplador Principal
- Intercambiador de calor
- Convertidor Catalítico
- Intercambiador caliente
- Enfriador de SO3
- Chimenea
- Sistema de precalentador
-
5.3.1.5. Etapa de Absorción
- Torre de absorción final
- Bomba acido torre de absorción final
- Enfriador acido de absorción
- Torre de absorción intermedia
- Bomba de ácido torre de absorción intermedia
- Enfriador de ácido producto
5.3.1. Listado de equipos relacionados directamente con los dos intercambiadores en serie
previo al absorbedor final (sección de interés):
- Intercambiador de calor (frio).
- Soplador.
- Torre de absorción final
- Convertidor catalítico
- Torre de absorción intermedia
5.3.1 Listado de equipos de mayor importancia relacionados con el nuevo intercambiador
de calor (frio):
- Soplador principal.
- Soplador para intercambiador.
- Torre de absorción final
- Convertidor catalítico
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Transferencia de Calor Página | 37
5.4. Diseño equipo principal.
Para este proyecto se ha realizado un diseño de intercambiador de tubos y coraza, acorde a
las necesidades, limitaciones y requerimientos de la planta de ácido.
Figura9. Esquema de Intercambiador de tubos y coraza (1 paso)
Se ha calculado el área requerida para llevar a cabo este proceso, equivalente a 2113 [m2].
Asumiendo la no existencia de limitantes espaciales se ha seleccionado un largo de tubos de 20
[ft] y un diámetro de tubos de 1,5 [in].
Todos los cálculos se encuentran anexados.
Realzando los cálculos obtenemos un Área disponible equivalente 2336 [m2] con una
cantidad de 3203 tubos.
Criterios de diseño:
El grado de corrosión que provoca la mezcla de gases (SO2, SO3, etc.), es por esto que se
ha optado por la circulación por tubos para esta mezcla.
Se ha determinado como flujo de servicio aire obtenido de la atmósfera.
Se ha optado por un arreglo cuadrado por un tema de mantenimiento del intercambiador
Las caídas de presión disponible dentro de la planta.
Las velocidades límites de los gases circulantes.
No existe cambio de fase de ninguna de las dos corrientes.
La temperatura de criterio es un poco más compleja de analizar ya que se encuentra ligado
con la eficiencia del proceso. Esta dependencia será explicada a continuación.
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Temperaturas de diseño
Etapa de conversión
Segundo reactor catalítico
Figura 10. Temperatura en relación al porcentaje de conversión de SO3
Fuente: Elaborado para la realización de este estudio
Esta es una gráfica de conversión de a versus la temperatura, donde se muestra el
avance de la reacción.
Las líneas azul (modificada) y roja (real) representan el equilibrio de la reacción, las cuales
fueron determinadas en la realización de este proyecto
La reacción tiene como temperatura de ignición aproximadamente los 430 [°C] y va aumentando
mientras transcurre la reacción producto de su naturaleza exotérmica.
Es importante destacar que la reacción no puede avanzar hasta llegar a alcanzar la temperatura
de equilibrio, puesto que a esta temperatura la reacción corre en ambos sentidos provocando un
estancamiento de la reacción, por lo que se hace necesario emplear más de un intercambiador de
calor. Estos se encontraran convenientemente entremedios de los lechos catalizadores
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Transferencia de Calor Página | 39
(representados por las líneas horizontales que se encuentra en naranjo), lo cual permitirá
disminuir la temperatura de los gases en reacción hasta llegar aproximadamente a la temperatura
de ignición de la reacción y así poder aprovechar al máximo la conversión.
Luego de atravesar los lechos el gas posee en mayor porcentaje el cual debe ser enfriado para
poder ingresar al absorbedor.
Por ello es interesante detallar esta reacción debido a que la temperatura de salida del último
lecho determinará la temperatura de entrada del intercambiador de calor del proyecto la cual
determínanos que es 438[°C]
Por otro lado, se encuentra el ingreso al absorbedor el cual también condicionara de cierta manera
la temperatura a la cual debemos enfriar el flujo de proceso.
Figura 11. Contenido de SO3 en relación a la Temperatura
Fuente: Estudio de simulación de sistema de absorción, realizado en
la Universidad de Carabobo, Venezuela.
Este gráfico representa los efectos de la temperatura de entrada al absorbedor sobre el contenido
de en la corriente de salida de la torre.
Donde se puede apreciar que para obtener un proceso ventajoso, la temperatura de entrada al
absorbedor debe estar entre los 210[°C] y los 220[°C].
Por lo tanto el gas de proceso proveniente del convertidor catalítico debe ser enfriado por el
intercambiador de calor, desde una temperatura de 430[°C] hasta la temperatura óptima de
entrada al absorbedor determinada a 210[°C].
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
180 185 190 195 200 205 210 215 220
Co
nte
nid
o d
e SO
3
[Kgm
ol/
h*1
0E5
]
Temperatura °C
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Transferencia de Calor Página | 40
5.5. Especificaciones de otros equipos.
5.5.1 Soplador principal
Con este equipo se transporta el gas desde la etapa de limpieza húmeda hasta la absorción,
es un soplador de centrifugo de una etapa, su carcaza es de hierro fundido, tiene velocidad fija y
posee un control de flujo mediante válvulas que regulan el acceso y la recirculación, el motor es
de inducción acoplada a una caja de engranajes, utiliza 12 [Kv]/3[Hp]/50[Hz]. Posee un sistema
de enfriamiento con intercambiador de calor de tubos y carcaza, lubricación forzada con aceite
accesorios compuestos por estanques enfriadores de aceite, doble filtro y bomba auxiliar de
aceite. Sus condiciones de operación son una composición de fluido de 10% SO2, 13,2%02 Y
76,8 N2, con una capacidad de 131000 [Nm3/hr], la presión de entrada y salida cerca de -70[bar]
y 340,9[mbar] respectivamente con una temperatura de entrada de los gases de 90[°C].
5.5.2 Torre de absorción final
Su funciones la absorción del anhídrido sulfúrico (SO3), producido en la etapa de
conversión, mediante ácido sulfúrico concentrado en flujo contracorriente a través de un relleno
cerámico. Equipo compuesto por cilindro de chapa de acero A42-27ES con un pozo para acido
integrado en la parte interior, el que sirve de recipiente para la absorción del SO3, la torre con
doble mampostería de ladrillos resistentes al acido. EL revestimiento se efectúa con masilla
especial resistente al ácido y silicato de potasio empleando una proyección adicional de Rhepanol
para toda la parte interior de la torre, el relleno de la torre es monturas Instalox de 2” y 3”, de
acción intensiva, de material cerámico. El soporte de este relleno es un boque de parrillas
antiácido autosoportante. Para la distribución del ácido se ha previsto una distribución por
canaleta especialmente diseñada de fundición de hierro, con los tubos de afluentes necesarios,
que garantiza tanto una distribución homogénea del ácido, así como del gas, también consta de
eliminadores de neblina acida tipo vela. Estos son 40 y están construidas en fibra especial de
vidrio y acero inoxidable. La eficiencia de estas es de un 99% con un tamaño de partículas de 3
micrones. Este equipo se caracteriza por estar compuesto de un cilindro horizontal cuya
construcción es de acero de carbono espesor de carcaza 10[mm].
Las condiciones de operación de estas torres mediante el flujo de gas después de los
filtros velas es de 106.609[Nm3/hr], la temperatura de entrada del gas es de 210[°C] y la de
salida es de 75[°C] el flujo de ácido concentrado es de 766[m3] con una temperatura de entrada
de 75[°C] y una temperatura de salida de 88,2[°C]
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Figura 3. Torres de absorción para convertir y agua en .
5.6. Balance de masa y energía de servicios.
Se utilizarán los mismos criterios de nomenclatura expuestos en la sección 5.2.
5.6.1 Balance de masa
Se establece un estado estacionario, por tanto para el servicio:
Por componentes:
Datos:
[
]
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5.6.2 Balance de Energía
Puesto que el servicio es el medio de enfriamiento para el gas de proceso:
Además se tiene para el servicio:
( )
[
]
Se establecieron las temperaturas de entrada y salida a fin de disminuir lo máximo posible el flujo
de servicio.
Es por esto que:
( )
( )
Se consideró un Cp mix para el aire equivalente a:
[
]
Se obtuvo un flujo de servicio:
[
]
5.7. Especificación de servicios.
Se establece como fluido de servicio aire atmosférico, con un flujo equivalente a [
],
con una temperatura de entrada de 90 [°C] de aire atmosférico y una temperatura de salida de
280[°C].
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6. Evaluación de costos.
Para la evaluación de costo asociado al intercambiador se utilizó la página matche.com la cual
entrega valores aproximados para equipos, referenciados al año 2007.
Para actualizar los costos se utiliza la siguiente relación:
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Transferencia de Calor Página | 44
7.1 Memoria de Cálculos
DISEÑO DE INTERCAMBIADORES DE CALOR
Unidades Coraza Tubos
Fluido Aire Gases
Calientes
Flujo Nm3/h 137.115 108.720
Flujo Kg/h 176.878 140.249
Lb/h 389.943 309.191
Flujo de Calor Kcal/h 8.259.216 8.259.216
Flujo de Calor BTU/h 32.774.669 32.774.669
T Entra C 90 438
T Sale C 280 210
DT Caliente C 170
DT Frio C 120
R 1,20
S 0,546
Nº de Pasos 1 1
Ft 1
LMTD C 143,6
DT T de Calor C 143,6
Coef. T. de Calor Kcal/h m2 C 102 63
Coef. De Ensuc. h m2 C/Kcal 0,00200 0,00900
U Kcal/h m2 C 27,23
Arequerida m2 2.113
Adisponible m2 2.337
% Sobredimensionamiento % 9,58%
Diferencia de Presión psi
f 0,002 0,00025
DP Flujo psi 0,069 0,001
DP pasos psi 0,000 0,10747
DP Total psi 0,069 0,108427
DP Disponible psi 0,3000 0,3000
% Sobredimensionamiento % 77% 64%
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PROPIEDADES
Transito Coraza Tubos
Fluido Y Nombre Aire Gas con SO3
Propiedad Unidades Entra Sale Entra promedio
Temperatura °C 90 280 438 210
Temperatura
promedio °C
185 324
Densidad Lb/pie
3 0,0622752 0,04007952 0,03078816 0,04258176
kg/m3 0,998 0,6423 0,4934 0,6824
Densidad Promedio Lb/pie
3 0,051 0,037
kg/m3 0,820 0,588
Cp KJ/kg°C 1,009 1,039 1,0969 1,0555
Kcal/Kg C 0,24216 0,24936 0,263256 0,25332
Cp Promedio KJ/kg°C 1,024 1,076
Kcal/Kg C 0,246 0,258
Viscosidad Lb/pie s 0,00003122 0,00004244 0,00004787 0,00003829 kg/ms 0,00002095 0,00002848 0,00003213 0,00002570
Viscosidad Promedio Lb/pie s 0,00003683 0,00004308
kg/ms 0,00002472 0,00002892
Cond. Térmica W/m°C 0,03 0,0436 0,05123 0,03984
kcal/hmC 0,02592 0,0376704 0,04426272 0,03442176
Cond. Térmica
Promedio
W/m°C 0,0368 0,045535
kcal/hmC 0,0317952 0,03934224
Nº Prandtl - 0,70 0,68 0,69 0,68
Nº Prandtl - 0,69 0,69
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DIMENSIONES
Unidades Coraza Tubos
Fluido
Nombre
D I Coraza pulg 115
Arreglo Cuadrado
Diam Tubo Interno pulg 1,4
Diam TuboExterno pulg 1,5
BWG 16
Separación Baffles Pulg 92
Nº de Tubos 3.203
Nº de Pasos 1
Pt pulg 1,75
C´ pulg 0,50
Dequivalente pulg 1,10
Área de Flujo pie 2 21 28
Velocidad pie/seg 100 82 m/seg 30 25
Nº de Cruces 2,6
Largo tubos pie 20
Área Disponible pie 2 25.156 2.337
Nº Reynolds 28.248 18.154
Transferencia de calor
Nusselt 89,3 60,9
Coef. T. de Calor Kcal/h m2 C 101,7 67,4 Coef. T. de Calor Corrg. Kcal/h m2 C 101,7 62,9
Coef. De Ensuc. h m2 C/Kcal 0,00200 0,00900
U Kcal/h m2 C 27,23
Diferencia de Presión
f 0,002 0,00025
Flujo Masico lb/ h pie 2 18.423,84 10.879,58
DP Flujo psi 0,07 0,0009557
DP pasos psi 0,10747
DP Total psi 0,07 0,11
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