estudio de factibilidad técnico económica y anteproyecto de una planta de agua pesada por el métod

235 Pages·2008·2.08 MB·Spanish

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U N I V E R S I D AD DE CHILE
FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS Y MATEMÁTICAS
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA
"ESTUDIO DE FACTIBILIDAD TÉCNICO
ECONÓMICA Y ANTEPROYECTO DE UNA
PLANTA DE AGUA PESADA POR EL MÉTODO
DE DESTILACIÓN CRIOGÉNICA DE HIDROGENO"
PROFESOR GUIA: DR. HEINZ NEUBURG G.
MEMORIA PARA OPTAR AL TITULO DE
INGENIERO CIVIL QUÍMICO
F R A N C I S CO D Í AZ V A R G AS
SANTIAGO CHILE
1 983
U N I V E R S I D AD DE CHILE
FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS Y MATEMÁTICAS
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA
"ESTUDIO DE FACTIBILIDAD TÉCNICO
ECONÓMICA Y ANTEPROYECTO DE UNA
PLANTA DE AGUA PESADA POR EL MÉTODO
DE DESTILACIÓN CRIOGÉNICA DE HIDROGENO"
PROFESOR GUIA: DR. HEINZ NEUBURG G.
MEMORIA PARA OPTAR AL TITULO DE
INGENIERO CIVIL QUÍMICO
F R A N C I S CO D Í AZ V A R G AS
SANTIAGO CHILE
1 983
A mis padres, esposa
e hijo.
AGRADECIMIENTOS
Deseo agradecer en forma muy especial al
Dr. Heinz Neuburg G. el haber dedicado parte de su tiempo
en guiar esta memoria, ya que sin sus valiosas indicaciones,
producto de su experiencia y conocimiento del tema, no ha
bría sido posible terminar satisfactoriamente el presente
proyecto.
A la Comisión Chilena de Energía Nuclear,
quienes propusieron el tema y le dieron todo el apoyo que
les fué posible. En particular a la Ingeniero Azucena San -
hueza M. y al TCL. Luis Iracabal L. quienes siempre colabora_
ron para facilitar un buen desarrollo de este proyecto.
A la Secretaria Emilia Vergara H., por la
paciencia y gentileza que tuvo al mecanografiar esta memoria
A todos aquellos que aquí no nombro y que
me han ayudado en mi formación profesional y humana.
Í N D I CE
Pág.
SUMARIO
CAPITULO I Introducción 1
CAPITULO II Aspectos Generales 4
2.1. Panorama energético mundial y la energía 4
nuclear
2.2. Panorama energético nacional y la energía 11
nuclear
2.3. Tipos de reactores nucleares 14
2.4. Moderadores de reactores nucleares 18
2.5. Perspectivas de la energía nucleoeléctrica 21
en Chile
2.6. Capacidad de la Planta de Agua Pesada 22
CAPITULO III Generalidades sobre el Agua Pesada 24
3.1. Propiedades físicas del agua pesada 24
3.2. Propiedades nucleares del agua pesada 29
3.3. Mercado del agua pesada 31
3.4. Precio del agua pesada 36
3.5. Procesos de producción de agua pesada. 37
3.5.1. Destilación de agua 38
3.5.2. Electrólisis de agua 39
3.5.3. Destilación de hidrógeno 42
3.5.4. Intercambio isotópico sulfuro de hidrógeno- 44
Agua
3.5.5. Intercambio isotópico Amoníaco-Hidrógeno... 47
3.5.6. Intercambio isotópico Hidrógeno-Agua Líqui- 49
da
3.6. Justificación del proceso elegido 50
3.7. Localización de la planta de agua pesada... 53
Pág.
CAPITULO IV Ingeniería del Anteproyecto 55
4.1. Descripción de la planta 55
4.2. Balances de materia detallados para una pro- 61
ducción de 40 Toneladas/Año
4.3. Resumen de los balances de materia y energía '5
para producciones de 25 y 40 Ton/Año
4.4. Especificaciones técnicas de los equipos prir[ 84
ci pal es.
CAPITULO V Inversiones y costos de producción del Anteproyecto.. H4
5.1. Inversiones 114
5.2. Costos de producción 122
1 ? 7
5.2.1. Costos fijos anuales 1C
5.2.2. Costos variables anuales 125
5.2.3. Costos totales de producción anuales 126
5.2.4. Costos unitarios de producción 127
5.3. Punto de equilibrio 127
CAPITULO VI Evaluación Económica 131
6.1. Beneficio neto actualizado (BNA) 138
6.2. Tasa interna de retorno (TIR) 140
CAPITULO VII Discusión y Conclusiones 142
NOMENCLATURA 146
BIBLIOGRAFÍA 153
16?
ANEXO A Calculo de bal anees de masa y energía
ANEXO B Cálculo de los equipos principales 167
ANEXO C Figuras de apoyo técnico 218
FE DE ERRATAS 225
SUMARIO
Este estudio tiene como objetivo principal el realizar una evaluación
técnico económica de una planta de agua pesada en Chile utilizando el
método de destilación criogénica de hidrógeno, extrayendo previamente
deuterio desde el agua mediante una etapa catalítica de intercambio iso
tópico entre agua líquida e hidrógeno gas.
La instalación de una planta de agua pesada en Chile depende de una po -
lítica nuclear basada en el desarrollo de reactores nucleares que utili
cen uranio natural como combustible y agua pesada como moderador. El ob^
jetivo final de esta política nuclear sería el establecimiento de una ca_
pacidad electronuclear para satisfacer una demanda energética importante.
Se analizan capacidades de producción de 25 y 40 Ton/Año de agua pesada
que es suficiente para proveer 1/5 y 1/3 de la carga inicial de un reactor
nuclear de 600 MWe de potencia, respectivamente. Además estas plantas se_
rían capaces de suplir las pérdidas de agua pesada de dicho reactor.
Los resultados más importantes que se desprenden de la evaluación económi_
ca son los siguientes:
Capacidad planta (Ton/Año) 25 40
Inversión inicial (MUS$) 16.830 21.750
Costo de operación (US$/kg.) 308,20 245,56
BNA (MUSS)* 4.355 17.144
TIR (%)** 15,71 21,97
* Para una tasa de actualización del 12% y precio del agua pesada de
600 US$/kg.
** Para un precio de agua pesada de 600 US$/kg.
Las conclusiones más importantes son:
La planta de agua pesada es técnicamente factible en lo que se refi£
re a la tecnología de la destilación criogénica de hidrógeno. Sin
embargo, con respecto a la etapa de intercambio agua 1íquida-hidró -
geno gas, esta aún se encuentra en etapa de investigación pero se es_
pera un desarrollo acelerado y su implementacion a nivel industrial
en un futuro cercano.
Desde el punto de vista privado los indicadores económicos son posi
tivos para precios sobre 600 US$/kg. de agua pesada.
CAPITULO I
INTRODUCCIÓN
La Energía constituye uno de los elementos principales para el hombre
contemporáneo, siendo fuente de su desarrollo económico y uno de sus
parámetros de mayor validez para medir el progreso de las comunidades
y su nivel de vida. En el período comprendido entre los años 1950 y
1973, el crecimiento en la demanda energética alcanzó una tasa anual
de 5%, debido fundamentalmente a un gran incremento en el consumo de
petróleo.
Cl gran crecimiento industrial de los siglos XIX y XX fué posible, en
términos energéticos, gracias a dos grandes transiciones: la de la
madera al carbón y la del carbón al petróleo.
La abundancia, bajo precio y fácil manejo del petróleo hizo que este
combustible se transformara en la principal fuente de energía, llegando
a ser el combustible básico de la economía contemporánea.
El aumento del precio del petróleo de 2 US$/barril (antes de 1973) a
10 US$/barril (1978), debido a que los productores tomaron el control
de sus propias reservas, tuvo sólo un moderado impacto en la partici
pación del petróleo en el mercado de la energía. Sin embargo, si el
precio del petróleo se mueve en el rango de 30 a 35 US$/barril, como
ocurre en la actualidad, aumentará la sustitución y fuentes alterna
tivas como el gas natural, carbón,hidroeléctrica y nuclear crecerán más
rápidamente.
Los próximos veinte años serán cruciales, porque durante ese tiempo
deben delinearse las bases para una nueva transición energética
orientada en el sentido de sustituir el petróleo como combustible base
para la economía por otras fuentes alternativas de energías que permitan
- 2 -
satisfacer la demanda futura. El aumento de dicha demanda dependerá
de la disponibilidad de los combustibles primarios como el mismo pe
tróleo, carbón,gas natural y uranio.
A nivel mundial la tasa de crecimiento de la energía nuclear estimada
antes del accidente de la central nucleoeléctrica Norteamericana
"Three Mi 1 e Island", disminuirá después de que entren en servicio todas
las plantas actualmente planificadas. La cancelación de algunos pro
yectos existentes y la demora en la construcción de centrales podría
reducir el crecimiento nuclear por debajo de las proyecciones espera
das. Sin embargo, en el largo plazo, la energía nuclear tendrá un
papel importante en el abastecimiento energético mundial.
Un plan nuclear basado en centrales de potencia nucleoeléctrica debe
estar destinado a satisfacer una importante demanda energética, además
de constituir un sustituto de fuentes tradicionales de energía. Exis
ten dos opciones de plantas núcleo-eléctricas factibles en países con
economías en desarrollo como el caso de Chile: plantas que utilizan
uranio enriquecido como combustible, y plantas que utilizan uranio
natural como combustible, siendo las moderadas con agua pesada las más
comerciales. De justificarse la construcción de una planta nuclear
de uranio natural, es necesario considerar también la instalación de
una planta de agua pesada si se desea independencia respecto del abas
tecimiento de ese compuesto.
La Comisión Chilena de Energía Nuclear (CCHEN) debe contar con los
antecedentes necesarios para un estudio acabado de las diferentes al
ternativas de generación núcleo-eléctrica factibles en el país.
Como primer paso para cumplir dichos objetivos la CCHEN ha patrocinado
la elaboración de distintos proyectos de pre-factibilidad técnico-
económicos de plantas de agua pesada. Los procesos de especial inte-