Diseño propuesta para la optimización del proceso de sulfato de cobre

Abstract

El objeto del presente trabajo es diseñar un sistema de automatización para el proceso de sulfato de cobre de la compañía Productos Químicos Panamericanos S.A. planta Girardota, que permita controlar el consumo energético necesario para la producción, este diseño busca la disminución de los costos y tiempos para la obtención del producto final. Para su desarrollo se siguió la siguiente metodología: 1. Estudiar y entender el proceso de fabricación del Sulfato de Cobre. 2. Caracterizar las variables a medir dentro del proceso a mejorar, que inciden en consumos energéticos y tiempos. 3. Cuantificar el consumo de energía en los equipos que intervienen en el proceso. 4. Modelar una posible solución a partir de teorías o métodos utilizados para realizar los cálculos requeridos, y comparar los resultados obtenidos contra datos medidos en el sistema actual, y por último. 5. Elaborar memorias de diseño a raíz de los resultados finales arrojados por el proceso. Del estudio y caracterización del proceso se identificaron las ineficiencias con las que convive como son: 1. La sub-utilización de la caldera. 2. La cantidad y calidad de aire comprimido. 3. El no aprovechamiento del calor exotérmico de la reacción: en el caso de la caldera se comprueba que está trabajando por debajo de su capacidad nominal para generar vapor y que no está siendo operada de manera adecuada, se verifica en ella una carga del 20% de su capacidad equivalente 1200 lbm/h de vapor contra 6600 lbm/h, con una eficiencia térmica del 42%. De igual forma se verifica que el aire comprimido que está ingresando a la reacción están muy por encima de las condiciones necesarias para la oxidación de la mezcla, se ingresan 250CFM @ 100 psig cuando la reacción se basta con 110CFM @ 70psig. Adicionalmente, tampoco se está teniendo en cuenta la energía que libera en forma de calor el ácido sulfúrico al entrar en contacto con el agua en el medio de reacción, que resulta ser de 16000W, suficiente para limitar el aporte de calor del vapor proveniente de la caldera de manera representativa. El modelamiento del sistema se llevó a cabo con la herramienta Matlab R2014b® gracias a su módulo SimuLINK® que permitió el ingreso del sistema de 10 ecuaciones constitutivas para la primera etapa del proceso y 22 ecuaciones para la segunda etapa, permitiendo la iteración de diferentes parámetros de funcionamiento del proceso, y llevando a los siguientes resultados: gráficas de temperatura, concentración de ácido, concentración de sulfato de cobre y concentración de cobre contra el tiempo durante cuatro horas. Finalmente se propone un sistema de control de temperatura y adición de ácido, diseñado con el software Simatic STEP7®, que puede representar un ahorro en energía térmica de 7.344.000 $, en energía eléctrica de 3.638.320 $ y en los costos de mano de obra por reacción de 862.500 $. Estos valores son de gran impacto para la compañía. También se justifica la necesidad de sustituir o destinar solo para este proceso otro tipo de compresor que suministre aire comprimido a menor costo y con las especificaciones requeridas.