Industria del Litio
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Resumen Ejecutivo Los principales productos relacionados con el litio don carbonato de litio (Li 2CO3), cloruro de litio (LiCl) y litio metálico (Li). La producción de Li 2CO3 es de 25.000 toneladas al año y su precio es de 5.000 [USD/ton]. También se puede usar como materia prima para la producción de LiCl y Li. Los principales procesos de producción son reacciones químicas que ocurren en reactores batch. Otros procesos principales son el secado en pozas de salmuera, procesos químicos y filtrados para eliminar impurezas y secados de producto. A partir datos anteriores, a nteriores, la estructura de mercado y la estructura de costos costo s evalúan ev alúan si instalar una planta de producción de litio es económicamente factible. La planta tiene una capacidad de diseño de producir 25.000 toneladas al año de carbonato de litio, 17.210 toneladas al año de LiCl y 1.960 toneladas anuales de Li metálico. Para esto se consume gran cantidad de reactivos químicos, servicios de enfriamiento y calentamiento de las soluciones y agua de proceso. El agua es eliminada desde salmueras y en el secado final de productos. La proyección de demanda del litio y sus asociados sufrirá un fuerte incremento en los próximos 5 años, debido al diseño de nuevas baterías de litio. Los principales costos del proyecto son insumos, mano de obra y energía consumida. Los principales mercado del litio chileno cuentan con un arancel de ingreso de 0% para el producto. Los principales mercados son Asia (China, Japón), Europa y Estados Unidos. La normativa principal atingente al proyecto en Chile es el código de minería. Es necesario realizar una evaluación de impacto ambiental (EIA) por susceptibilidad a afectar a la población y la localización próxima a áreas protegidas. El mercado central de este proyecto corresponde a Asia y Europa, que fabrican autos a batería. El principal competidor en el mercado es Soquimich (SQM), que posee gran experiencia en esta industria.
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Índice de Contenido Resumen Ejecutivo ........................................................................................................ 2
INTRODUCCIÓN................................................................................................................ 6 Objetivos ............................................................................................... ......................... 8 Objetivo Principal ............................................................................................. ........... 8 Objetivos Secundarios ..................................................................................... ........... 8 Objetivos transversales .............................................................................................. 8 Antecedentes ...................................................................................... ........................... 9 Alcances ............................................................................................... ....................... 11 Marco Legal ................................................................................... ........................... 11 Normativa Chilena: ....................................................................................... ......... 11 Normativa Internacional: ........................................................................................ 13 Marco Teórico................................................................................ ........................... 14 1. Estudio de Mercado .............................................................................................. 15 1.1. Principales productores, exportadores exportador es e importadores del producto. .............. 15 1.2. Escenario Mundial del producto con respecto a la demanda. ......................... 17 1.3. Costos de las principales materias primas pri mas y energías. .................................... 19 1.4. Costo del producto, y sus mercados merca dos principales. ............................................ 20 20 1.5. Volumen de mercado y Mercado Objetivo. Obje tivo. ..................................................... 22 1.6. Sistema de Comercialización. ......................................................................... 23 1.7. Cadena de Mercado. ...................................................................................... 24 1.8. Potenciales países y empresas clientes. ......................................................... 24 2. Estudio técnico ...................................................................................................... 26 2.1. Descripción del producto y sus propiedades. .................................................. 26 2.1.1.
Usos. ............................................................................................... ......... 26
2.2. Explicación general del proceso productivo. produ ctivo. ................................................... 27 2.3. Explicación de operaciones unitarias. ............................................................. 28 2.3.1.
Producción de carbonato de litio.................. ¡Error! Marcador no definido.
2.3.2.
Precipitación carbonato de litio. ................................................................ 29
2.3.3.
Secado, compactación y envasado. envasad o. ......................................................... 29
2.3.4.
Producción de salmuera de cloruro de litio, litio metálico.......................... 30 3
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2.3.5.
Producción de cloruro anhidro .................................................................. 30
2.3.6.
Empaque. .......................................................................................... ....... 31
2.3.7.
Producción litio metálico. .......................................................................... 31
2.3.8. Ácido clorhídrico. ...................................................................................... 31 2.3.9.
Limpieza de gases.................................................................................... 31
2.4. Balance de masa y energía. .................... ....................................................... 32 2.4.1.
Balance de masa de LiCO 3. ...................................................................... 32
2.4.2.
Balance de energía de LiCO 3. .................................................................. 32
2.4.3.
Balance de masa de LiCl y Li metálico. .................................................... 33
2.4.4.
Balance de energía de LiCl y Li metálico. ................................................. 33
2.5. Diseño de equipos .......................................................................................... 33 2.5.1.
Secador S-1 de producción de LiCO 3 ....................................................... 33
3. Impacto ambiental ................................................................................................. 35 3.1. Marco legal nacional n acional de normativa nor mativa ambiental atingente al a l proyecto. ............... 35 3.2. Marco legal internacional internac ional de normativa nor mativa ambiental atingente al proyecto. ........ 36 3.3. Análisis de Pertinencia para ingreso al Sistema de Evaluación Ambiental (SEA). ................................................................................................ ....................... 37 4. Evaluación Económica .......................................................................................... 39 4.1. Proyección demanda de carbonato de litio ..................................................... 39 4.2. Proyección producción de carbonato de litio ................................................... 39 4.3. Participación del mercado ............................................................................... 42 4.4. Acuerdos internacionales ................................................................................ 42 4.5. Barreras arancelarias ...................................................................................... 43 4.6. Estrategia y logística de distribución ............................................................... 43 4.7. Estrategia y logística de adquisición ad quisición ............................................................... 43 4.8. Estructura de Costos ...................................................................................... 44 Conclusiones ............................................................................................................... 47 Recomendaciones ....................................................................................................... 48 Referencias.................................................................................................................. 49 Anexo .......................................................................................................................... 50
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Índice de Tablas
Tabla 1 Características del Salar de Atacama ............................................................... 9 Tabla 2 Normativa internacional................................................................................... 13 Tabla 3 Clasificación de aplicaciones según crecimiento ............................................. 18 Tabla 4 Distribución global de la producción de d e litio según fuente y país. .................... 23 Tabla 5 Participación del mercado mundial del Litio............ ......................................... 40 Tabla 6 Proyecciones de Producción Pro ducción Litio en Chile 2013-2019 2013- 2019 .................................... 40 Tabla 7 Estructura de costos. ...................................................................................... 44 Tabla 8 Costo de insumos. .......................................................................................... 44 Tabla 9 Estructura de costos variables ........................................................................ 45 Tabla 10 Estructuras de Costos Fijos........................................................................... 45 Índice de Figuras
Figura 1 Esquema Esq uema de producción prod ucción Litio ......................................................................... 14 Figura 2 Principales Países Productores de Litio ......................................................... 15 Figura 3 Principales productores de compuestos c ompuestos básicos de litio a partir de salmueras.
.................................................................................................................................... 15 Figura 4 Principales Países o Regiones Importadores de Litio. ................................... 16 Figura 5 Principales Exportadores de Carbonato de Litio en Año 2012 ....................... 16 Figura 6 Participación de las distintas aplicaciones en la demanda del litio (2012) ...... 18 Figura 7 Proyecciones de consumo consu mo de litio en relación a sus aplicaciones y el respectivo crecimiento ................................................................................................. 19 Figura 8 Costos de producción según país y tipo de materia prima ............................. 20 Figura 9 Proyección de precio de carbonato de Litio .................................................... 21 Figura 10 Precio de Baterías de Litio en los últimos años ............................................ 21 Figura 11 Producción de litio en toneladas de LCE por país ........................................ 22 Figura 12 Cadena de Mercado del Litio ....................................................................... 24
Figura 13 Proyección demanda de Litio al 2020. ......................................................... 39 Figura 14 Proyección de Producción de d e Litio. .............................................................. 40 Figura 15 Participación del mercado mundial del Litio. ..................................... ........... 42 Figura 16 Estructura Estructur a de Costos Totales ....................................................................... 46
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INTRODUCCIÓN La amplia disponibilidad del litio en suelo chileno representa de un 25% al 70% de las reservas mundiales de litio, según diferentes estimaciones que se han realizado, ya que es un dato muy difícil de precisar. Éste se encuentra en el Salar de Atacama y no sólo es abundante, sino que muy barato de explotar, ya que el costo de producción que se puede alcanzar en Chile es el más bajo a nivel planetario, pues el litio criollo se encuentra en forma de salmuera, es decir, altamente concentrado, por lo que el trabajo para extraerlo es menor y resulta más económico de producir. Además debido a alta radiación en el norte de Chile, es posible realizar la producción primaria y secundaria del litio, mediante evaporación solar, permitiendo reducir el consumo energético, al utilizar reducidamente otras formas de energía, como diésel, gas natural, energía eléctrica, etc. Éstos procesos productivos son desarrollados por las principales empresas productoras de Litio a partir de salares: SQM y RockWood. Las cuales producen carbonato de litio, hidróxido de litio y cloruro de litio, que son mayoritariamente exportados (casi un 100%). A finales de los años 70, se prohibió la extracción del litio por parte de las multinacionales. Para ello creó dos grupos de minerales, los concesionables y los no concesionables. El cobre y otras piedras fueron ubicados en el primer grupo. Mientras que los hidrocarburos y el litio fueron clasificados dentro de los no concesionables, por lo que no pueden ser explotados ni explorados. El litio no se concesionó porque fue considerado "material estratégico" por su uso en centrales nucleares de fusión y en la fabricación de ojivas nucleares. Desde entonces la Sociedad Chilena del Litio (SCL) y la Sociedad Química y Minera de Chile (Soquimich, SQM) tienen el permiso para extraer el litio. Los especialistas afirman que el litio debes ser explotado de manera estatal, ya que no implica en altos costos de inversión y de producción. Sin embargo, la postura del gobierno se centra en que la explotación de este recurso debe licitarse, con el fin de garantizar el liderazgo y la competitividad que Chile ha mantenido durante años en su producción. Actualmente el volumen de mercado del litio es muy inferior a otras industrias mineras como el cobre, oro y hierro, sin embargo se proyecta un incremento y dinamismo en el mercado, debido al actual desarrollo de baterías litio y vehículos eléctricos, que representaría un aumento en la demanda. Estos usos son sumamente necesarios y atractivos en la actualidad, principalmente porque impulsa un desarrollo tecnológico que reduce los niveles de contaminación, además incide directamente en el control de precio sobre el petróleo, y otras materias primas que representan una competencia para las baterías de litio. En la actualidad Chile produce el 41% del litio que se utiliza en el mundo. El Salar de Atacama, en el norte del país, forma junto con los salares de Uyuni, en Bolivia, y Hombre Muerto, en Argentina, lo que int ernacionalmente se conoce como “El Triángulo 6 IWQ-240
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del Litio”. Se calcula que entre los tres países andinos concentran cerca del 85% de las reservas mundiales conocidas. Con el objetivo de abarcar la industria del litio en su totalidad, de acuerdo al actual y futuro escenario, es que se presenta en este proyecto, el estudio de mercado del litio a nivel global, determinando futuras proyecciones en cuanto a su demanda y costos de materias primas, energía, productos principales y usos. Posteriormente, se presenta el estudio técnico, que analiza en detalle el proceso productivo de interés, que permita una real factibilidad al implementar el proyecto. Además, se revisará la normativa legal y ambiental correspondiente para determinar la necesidad de desarrollar una evaluación de impacto ambiental. Finalmente, en la evaluación económica, se analizará la tendencia de la demanda y consumo del litio, estrategias de cadena de valor y se presenta la estructura de costo referente al proyecto a presentar.
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Objetivos Objetivo Principal Estudiar la industria del litio, tanto a nivel internacional como nacional, para establecer la factibilidad de instalar una planta de obtención de carbonato de litio en Chile.
Objetivos Secundarios -
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Determinar el proceso de producción de las materias primas para la obtención del litio como el carbonato de litio o el cloruro de litio, a través de un estudio técnico. Analizar el mercado nacional e internacional, junto con los datos históricos de demanda y las proyecciones a futuro. Con esto saber si existe potencial en la industria del litio. Identificar las normas y leyes referentes al proyecto, para poder determinar si es necesario un estudio de impacto ambiental. Analizar la factibilidad económica del proyecto a partir de una estimación de costos tanto operacionales como de inversión, a través de una evaluación económica. Lo que determinará si el proyecto es atractivo.
Objetivos transversales -
Mejorar nuestras habilidades en trabajo en equipo, tanto en proyectos completos, como en decisiones de menor grado. Familiarizarse con la industria del litio y los acontecimientos que han tenido relación con en el los últimos años.
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Antecedentes En los últimos años ha habido un gran revuelo con respecto al litio, por la gran reserva que se encuentra en el norte, la cual abarca más del 85% de las reservas conocidas en el mundo. A esta zona se le llama el “triángulo del litio”. La parte chilena que comprende parte de este triángulo del litio es en el Salar de Atacama, punto que comparte frontera con Argentina y Bolivia. Esta reserva representa una fuente muy importante de posibles inversiones y futuros proyectos para el país, ya que el litio posee un gran poder energético y es un tipo de energía limpia. Además de ser un mineral de una relativa facilidad en extracción y poseer varios usos. Una de las razones de la polémica presente en el país en los últimos años esa que el país no tiene proyectos nacionales en la industria del litio, cuando varias empresas privadas están instaladas en el norte realizando exportaciones a diversos países como China, Rusia EE.UU. y otros. Estas concesiones privadas llevan más de 25 años realizando actividades en Chile aun cuando la “Ley Orgánica Constitucional de concesiones mineras” señala que el litio no puede entrar en concesión. Unas de las empresas extranjeras instaladas en el norte son Mitsubishi, LG y Toyota. Como se mostrará más adelante en más detalle, la propuesta de este proyecto es la implementación de una planta de producción de litio metálico por medio de la evaporación solar de salmuera. El motivo que vuelve tan importante al proyecto es la poca influencia que tenemos actualmente en este mercado, siendo que somos el país con una de las reservas más grandes del mundo. El lugar para implementar la planta es en el Salar de Atacama, que se encuentra en la segunda región. Las características del Salar de Atacama son las siguientes. Tabla 1 Características del Salar de Atacama
Superficie [km2] 3000 Altura [msnm] 2300 Concentración Litio [ppm] 1500 Concentración de Potasio [ppm] 18500 Relación Magnesio Litio 6,4 Evaporación [mm/año] 3700 Fuente: (SERNAGEOMIN, 2013)
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El proceso de evaporación no es el más rápido, demorando un promedio de 12 a 24 meses, pero es el de menor costo. La concentración de litio que se obtiene es de un 4%. Para la extracción de estas salmueras que están a más de 30 metros de profundidad se utilizan bombas hacia pozas de secado. De este proceso se obtiene litio con hasta un 6% y magnesio al 20% y boro al 0.7%. Lo siguiente es retirar las impurezas como el boro y el magnesio, para eso se acidifica el medio y se enfría con torres de enfriamiento para que precipiten estos elementos. Las impurezas remanentes se extraen por medio de reacciones específicas para que precipiten estas impurezas, luego se filtran. Para la producción de carbonato de litio se debe calentar la solución hasta los 60 [Cº] y ser enviados a un reactor. La salida del reactor se lleva a un filtro banda para obtener un queque de carbonato de litio que después será secado y embazado. A partir del carbonato de litio se puede producir el litio metálico y el cloruro de litio. Para producir el litio metálico, primero se transforma el carbonato de lito en cloruro de litio, ya que posee una menor punto de fusión. La capacidad de producción del carbonato de litio es de 25.000 toneladas al año
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Alcances En este proyecto presenta la propuesta de una instalación para la obtención del litio del norte de nuestro país, para poder competir con los productores internacionales que están ubicados en el salar de atacama. La recuperación del litio será principalmente como carbonato de litio o también como cloruro de litio. La importancia de poder abarcar terreno en este campo, es por las altas utilidades del litio, como son sus funciones energéticas limpias, sus usos como materia prima en la fabricación de vidrios, cerámicas y lubricantes, sus usos en la industria farmacéutica y en la industria del acero, etc. La lista anterior sigue y sigue. Además de las empresas extranjeras, chile tiene 2 grandes empresas que extraen el litio del norte, una de las cuales es la Sociedad Química y Minera de Chile (SQM), la cual en la actualidad cubre el 40% de la demanda nacional mundial y junto con la Sociedad Chilena de Litio cubren cerca del 60% de la demanda mundial. El motivo del porque estas 2 empresas puedan explotar el litio es porque iniciaron sus actividades antes de la constitución de 1980. A pesar de que la demanda que cubren es alta, solo existen 2 empresas chilenas en este rubro, por lo que con este proyecto se puede generar el ingreso de más empresas chilenas a la competencia del litio, logrando una posición más alta y firme para el país.
Marco Legal Normativa Chilena: Antes la explotación del litio estaba permitida para concesiones mineras, luego en el decreto de ley N° 2886 de 1979 se especificó que el litio sería reserva del estado. Esta nueva ley solo aplicaría a concesiones futuras, permitiendo que las concesiones ya establecidas puedan seguir con sus actividades, como es el caso de SQM. Finalmente en el año 1983 el decreto de ley pasó a ser la ley N°18097, donde se estableció que la reserva del litio sería del estado. A continuación se presenta un listado de las normas pertinentes a la explotación del litio y su industria en Chile: ● Código de Minería: En el artículo N° 7 de este código se establece que “No son susceptibles de concesión minera los hidrocarburos líquidos o gaseosos, el litio, los yacimientos de cualquier especie existentes en las aguas marítimas 11 IWQ-240
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sometidas a la jurisdicción nacional ni los yacimientos de cualquier especie situados, en todo o en parte, en zonas que conforme a la ley, se determinen como de importancia para la seguridad nacional con efectos mineros, sin perjuicio de las concesiones mineras válidamente constituidas con anterioridad a la correspondiente declaración de no concesibilidad o de importancia para la seguridad nacional”. ● Ley Orgánica Constitucional sobre Concesiones Mineras N° 18.097 : En esta ley se establece que el titular de una constitución minera posee el derecho a propiedad de la misma, para lo cual se debe realizar los trámites ante tribunales de justicia, lo que le permite explotar todas las sustancias mineras concesibles que se hallen dentro de los límites de su propiedad. Junto con esto, se establece que la concesión está obligada al pago de patentes, cuyo valor es independiente de las utilidades que pueda generar por la explotación de estos productos. Este valor puede variar, siendo el valor máximo a pagar 10 UTM por hectárea. Al igual que con otras entidades privadas, el no pago permite el remate de la concesión. Junto con lo anterior se debe pagar un royalty de un 6.8% además de los impuestas de cualquier sociedad que realice actividades económicas. ● Constitución Política de la República, artículo 19 N°24: En este punto del artículo se establece que “corresponde al Estado de Chile el derecho de propiedad, respecto al dominio, absoluto, exclusivo, inalienable e imprescriptible de todas las minas, exceptuando aquellos terrenos con existencia de estos recursos que pertenecen a persona naturales o jurídicas. Todas aquellas sustancias que no son susceptibles a concesión pueden explorarse y explotarse directamente por el Estado o sus empresas, o por medio de concesiones administrativas o contratos especiales de operación (en adelante CEOP), según los requisitos fijados por el Presidente de la República, por decreto supremo. A su vez, el Presidente de la República conserva la facultad de poner término, a las o CEOP ubicadas en zonas declaradas de importancia para la seguridad nacional”.1
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http://www.leychile.cl
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Normativa Internacional: En la siguiente tabla se muestran las políticas y normas de los principales países productores de litio.
Tabla 2 Normativa internacional
País
Propiedad
Legislación
EEUU
Impues Royal to a la ty renta No se requiere Dueño de un terreno es 15-35% -concesión dueño del subsuelo. Al explotar litio, extrae minerales de su propiedad.
Canadá
Concesible
Minerales son del Estado
16,5 %
12,5 % 5%
Australia Concesible
Minerales son del Estado. 30% El litio es tratado como cualquier otro producto mineral.
Argentin Concesible a
Considerado un recurso 35% estratégico en las provincias de Catamarca, Salta y Jujuy. En estos casos los proyectos son aprobados por un comité de expertos
3%
Bolivia
Por decreto, desde 6 de 25% diciembre de 2010 todas las concesiones mineras vigentes pasan a ser “transitorias”. Litio pertenece al Estado quien lo administra.
12,5%
No Concesible
Fuente: http://www.sernageomin.cl/
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Marco Teórico La forma de obtención del litio es a partir de sus materias primas que son el carbonato de litio y el cloruro de litio, compuestos los cuales se pueden encontrar en sales disueltas en salmueras y minerales de litio en rocas pegmatíticas respectivamente. Para el caso de los salares se debe extraer la salmuera por medio de evaporación solar. Para el caso de los minerales de litio en rocas, se debe procesar como un proceso de minería normal, por medio de un chancado, molienda y flotación, para obtener un concentrado con altos contenidos de litio. 2 Los procesos se detallan a grandes rasgos en la figura siguiente.
Figura 1 Esquema de producción Litio
REF
2
http://www.cochilco.cl/descargas/estudios/informes/litio/Mercado_Internacional_del_Litio.pdf
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1. Estudio de Mercado 1.1. Principales productores, exportadores e importadores del producto. La producción mundial de litio se concentra la mayor parte (94%) en cuatro países: Australia, Chile, Argentina y China. En la Figura 2, se muestra los principales países que producen litio a nivel mundial: 3
Figura 2 Principales Países Productores de Litio Fuente: Elaboración Propia
En cuanto a las principales empresas productoras de litio a partir de salmuera, Chile lidera este segmento del mercado a través de las operaciones en el Salar de Atacama, sumando el 67% de la producción en 2012. En la siguiente figura se percibe el dominio del mercado de cada país en la producción de litio a partir de salmueras:
Figura 3 Principales productores de compuestos básicos de litio a partir de salmueras. Fuente: COCHILCO en base a USGS, Secretaria de Minería Argentina, compañías productoras, Sernageomin, Roskill (2013), IGM y DNPM. 3
Subsecretaría de Minería, 2013. Compilación de informes sobre Mercado Internacional del Litio, pág 17.
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Para la producción de litio a partir de minerales la mayor empresa corresponde a Talison Tianqi, la cual concentra el 90% de la producción australiana, en la figura N°3 se observa la distribución porcentual de la producción de litio a partir de minerales.
Los principales demandantes de litio son China y la Unión Europea, que en su conjunto representa casi el 60% de las importaciones mundiales. A continuación se presentan los principales países o regiones, importadoras de litio:
Figura 4 Principales Países o Regiones Importadores de Litio. Fuente: Elaboración Propia
Con respecto a las exportaciones globales del carbonato de litio, ellos ascendieron a alrededor son Chile y Argentina los mayores exportadores, con una participación del 71% y 13% del total mundial, respectivamente. En la siguiente figura se muestra los principales exportadores de carbonato de litio para el año 2012:
Figura 5 Principales Exportadores de Carbonato de Litio en Año 2012 Fuente: Elaboración Propia
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Las exportaciones globales de carbonato de litio ascienden a las 80000 toneladas en el año 2012. En el siguiente gráfico se muestra la cantidad en toneladas de carbonato de litio exportados por los principales países desde año 2005 hasta el 2012. Por su parte, el hidróxido de litio se produce y exporta principalmente desde los siguientes países: EEUU (32% en 2012), Chile (25%), China (16%), Bélgica (11%) y Rusia (11%). Los destinos más relevantes son Japón (23% en 2012), Bélgica (13%) e India y EE.UU. (ambos 8.6%), donde se encuentran las plantas de los grandes productores de compuestos y sales especiales de litio, materiales de baterías, etc. En cuanto al cloruro de litio, el 96% tratado mundialmente se extrae de las salmueras de los salares de Atacama (por la SCL perteneciente a Rockwood) y Hombre Muerto (por FMC), y es enviado desde Chile y Argentina sobre todo a EE.UU. y China.
1.2. Escenario Mundial del producto con respecto a la demanda. El litio se ha convertido en un mineral de enorme interés a nivel mundial. Su uso extensivo de baterías recargables para un conjunto de aplicaciones ha permitido un rápido crecimiento de la demanda por carbonato de litio. Pero han sido las proyecciones de la demanda a futuro por vehículos eléctricos e híbridos eléctricos, lo que ha despertado el interés de los mercados internacionales en este mineral. Lo anterior, sumado al desarrollo propio que han tenido otras aplicaciones del litio (aire acondicionado, grasas lubricantes, vidrios, cerámicas, farmacéuticos), ha disparado la demanda mundial por este mineral, mostrando un crecimiento promedio anual entre 7% y 8% en los últimos 10 años, lo que ha llevado a que el precio del carbonato de litio aumente desde un promedio de US$1.760 por tonelada en 1999 a los US$ 6 mil en el 2008. En la actualidad, de la demanda mundial por litio y sus derivados, el 46% es por carbonato de litio, 21% por concentrado de litio, 13% por hidróxido de litio, 5% por butil litio, 4% por litio metálico, 3% por cloruro de Litio, y un 8% por otros derivad os del litio. El principal foco de consumo es el rubro de la baterías con el 29%, seguido por los vidrios con 20% y fritas con 15%, luego las grasas lubricantes con 9%, colada continua con 6%, aire acondicionado y polímeros con el 5% c/u, y la industria de aluminio con 1%. El 10% lo explican las múltiples aplicaciones menores restantes. En la siguiente figura se muestra la proporción de la demanda mundial, destinada a las distintas aplicaciones que tiene el litio:
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Figura 6 Participación de las distintas aplicaciones en la demanda del litio (2012) Fuente: Roskill 2013
Cada una de estas aplicaciones puede ser clasificada su uso, como convencional, emergente y futura, dependiendo de la proyección de la demanda. Los usos convencionales muestran un bajo crecimiento durante los próximos años, mientras los usos emergentes y futuros, tienen una tasa mayor o igual al 15%. En la siguiente tabla, se clasifica cada aplicación de acuerdo a su crecimiento: Tabla 3 Clasificación de aplicaciones según crecimiento
Tipo de Uso
Aplicaciones
Convencional
Fabricación de vidrios y cerámicas. Grasas lubricantes de alta temperatura. Continuous casting , aire acondicionado, polímeros, farmacéuticos, entre otros Baterías de alta densidad energética. Aleaciones de bajo peso en la industria aeroespacial. Refuerzo de hojas de turbinas. Baterías de gran escala para almacenamiento de energía eléctrica. Baterías recargables para vehículos eléctricos Reactores de fusión nuclear
Emergente
Futuro
Tasa de Crecimiento de la demanda Menor
Alta (15% anual)
Alta a partir de 2015/16 (≥15% anual)
Fuente: Talison 2012
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Mientras los usos convencionales mostrarán un bajo crecimiento durante los próximos años, las aplicaciones emergentes y futuras tendrán un alto crecimiento con una tasa mayor a 15% anual En el siguiente gráfico se puede apreciar con mayor claridad, el crecimiento en la demanda de cada aplicación respectivo a su tipo de uso:
Figura 7 Proyecciones de consumo de litio en relación a sus aplicaciones y el respectivo crecimiento Fuente: Talison (2012)
1.3. Costos de las principales materias primas y energías.
Los costos de materias primas dependen principalmente de la tecnología empleada para la extracción de litio. Actualmente, existen dos métodos que cuentas con experiencia comercial, estos son: a) Evaporación solar y concentración de salmueras extraídas de salares y la extracción posterior de carbonato o cloruro de litio. b) Explotación de minerales pegmatíticos de litio y su conversión a carbonato o hidróxido de litio. La evaporación solar no requiere mayores instalaciones de planta y utiliza en su mayoría energía solar, por lo tanto los únicos costos de producción son los usos de reactivos químicos como el Na2CO3
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En la siguiente tabla es posible comparar los costos de materia de prima de las tecnologías empleadas para la extracción de litio:
Tipo de Materia Prima
Método
Salmuera [salares]
Evaporación Solar
País de Yacimiento/Compañía Operación
Argentina Chile China Conversión de Método China Minerales Convencional China Brasil
Hombre Muerto/ FMC Atacama/ SQM y SCL Zabuye y Taijinaier Diversos Jiangsu/Galaxy CBL
Costo de Producción [US$/t LiCO3] 3000 2000-2300 3000-3300 3800-4500 5000 7800
Figura 8: Costos de producción según país y tipo de materia prima Fuente: COCHILCO en base a Roskill (2013)
Actualmente, SQM cuenta con más de 3000 hectáreas de pozas solares, las que permiten captar un total de energía solar que representa casi el 92% del total de energía consumida en nuestras operaciones; es decir, aproximadamente un 92% de la energía consumida es de fuente renovable. El principal costo de servicio para este proceso es a partir de energía eléctrica con un consumo energético total de 70 [MJ/kg] 4 y se considera el precio de la energía eléctrica de 0,15 [USD/Kwh] para el sector industrial. 5
1.4. Costo del producto, y sus mercados principales. Entre los años 1990 y 1996 el carbonato de litio fue producido desde yacimientos de minerales y salmueras en operaciones de Chemetall en SCL (Salar de Atacama) y Silver Peak (USA). El precio de mercado entonces rodeaba los 3.000 US$/ton. Con la entrada al mercado de SQM con una producción de 9.000 ton/año de carbonato de litio los precios cayeron bajo los 1.800 US$/ton. Entre 1999 y 2004 se mantuvieron estables entre 2.000 y 2.500 US$/ton aumentando la producción a 24.000 ton/año. Desde el año 2005, los precios del carbonato de litio han aumentado bruscamente a causa de la escasez en el mercado producida por factores como el fuerte incremento de la demanda en las aplicaciones de baterías (boom tecnológico), problemas de producción en el Salar de Atacama y la puesta en marcha de la planta de hidróxido de litio de SQM, y el propio impacto del ciclo económico mundial que elevó el precio de 4
Esta cifra es expuesta por el autor Pedro Pavlovic en el informe: “La Industria del Litio en Chile”, 19 92, actualizado a año 2010. 5 Fuente: http://www.latercera.com/noticia/negocios/2013/12/655 -555899-9-wef-chile-ocupa--lugar-13-entrepaises-con-mayor-precio-de-electricidad.shtml
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todos los minerales. Posterior al 2006, los precios del carbonato de litio han tendido a estabilizarse por sobre los 6.000 US$/ton. En el siguiente gráfico se muestra la proyección del precio de carbonato de litio:
Figura 9 Proyección de precio de carbonato de Litio Fuente: GEM (2011)
En cuanto al precio de las baterías de ión de litio, sus precios han ido a la baja, debido principalmente al aumento de la densidad energética de las baterías, permitiendo una mayor capacidad de almacenamiento de energía. Por otro lado, existe una necesidad de reducir los costos que inciden en la viabilidad de nuevas tecnologías, como los coches eléctricos, En la siguiente figura se muestra la tendencia en el precio de las baterías de litio:
Figura 10 Precio de Baterías de Litio en los últimos años Fuente: The Washington Post (2011)
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1.5. Volumen de mercado y Mercado Objetivo. El consumo de litio se ha duplicado en los últimos años, desde 70000 toneladas LCE en 2002 hasta más de 150000 toneladas en 2012. Es debido a esta importante alza, que las empresas productoras proyectan una necesidad de aumentar sus capacidades productivas. En la siguiente figura, se muestra el aumento en la producción de litio en los últimos años:
Figura 11 Producción de litio en toneladas de LCE por país Fuente: COCHILCO en base a USGS, Roskill, Sernageomin, Secretaria de Minería Argentina, compañías productores, IGM y DNMP.
La producción de litio se divide en dos grupos, dependiendo de su procedencia de extracción. Por un lado, se encuentran los concentrados de minerales pegmáticos, extraídos de rocas con métodos mineros convencionales, y por la otra parte están los extraídos desde salmuera de salares por evaporación solar. En la siguiente tabla se muestra la distribución de la producción del litio, de acuerdo al país de origen y tipo de fuente:
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Industria del Litio Tabla 4 Distribución global de la producción de litio según fuente y país.
Fuente: COCHILCO en base a USGS, Secretaria de Minería Argentina, compañías productores, Sernageomin, Roskill, IGM y DNMP.
1.6. Sistema de Comercialización. El litio se comercializa principalmente en la forma de carbonato de litio e hidróxido de litio a granel, el cual es transportado por vía tren y/o camión hacia el puerto, el cual debe contar con sistemas de almacenamiento, específicamente con canchas. Posteriormente se realiza el embarque o el despacho vía camión, si la comercialización es internacional o nacional, respectivamente. Una vez cargado el producto son derivados a las filiales de la empresa productora, donde finalmente son derivados a los clientes. Las empresas comercializadas cuentan con bodegas y plantas mezcladoras ubicadas estratégicamente en los cinco continentes, permitiendo llevar los productos con eficiencia y calidad. 6
6
http://www.tesis.uchile.cl/tesis/uchile/2010/cf-ureta_fm/pdfAmont/cf-ureta_fm.pdf
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1.7. Cadena de Mercado. La cadena de mercado comienza con la extracción de salmueras para la producción de carbonato de litio (producción primaria). Este producto puede ser utilizado como materia prima para otros productos intermediarios, como hidróxido de litio y cloruro de litio, o directamente para productos finales, como vidrio y cerá mica. La producción secundaria de litio corresponde a la producción de hidróxido de litio y cloruro de litio. El primero es materia prima de litio metálica, el cual es la principal materia prima para la elaboración de baterías y pilas. Mientras que el hidróxido de litio es materia prima para la fabricación de grasas y lubricantes.
Figura 12 Cadena de Mercado del Litio Fuente: Diario Económico La Razón
1.8. Potenciales países y empresas clientes. En la Figura se indica los principales usos del Litio, de acuerdo a su proporción porcentual. A partir de esta información, se identifica los principales países que requieren de la producción de dichas aplicaciones, y en su conjunto, las empresas clientes respectivas. Actualmente se ha incrementado la comercialización de litio con Japón, para la fabricación de baterías de litio, que en la actualidad ha desarrollado investigaciones para aumentar la duración de dicho producto. Estas empresas son Shin-Etsu, Panasonic, LG y Sony. También empresas automovilísticas que están experimentando con baterías ión-litio, como la Toyota. Existen varias empresas líderes en la fabricación de aceite lubricante, el cual utiliza hidróxido de litio como materia prima, ubicándose principalmente en la Unión Europea, como Motorex (Suiza), KTM (Austria) y Liqui Moly (Alemania). La empresa belga
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Umicore es un importante cliente de litio para la fabricación de cerámica, vidrio y batería. Las grandes empresas vidrieras se concentran en China y Estados Unidos y la Unión Europea, las cuales son Guangdong Float Glass (China), LuoYang Float Glass Group (China), Guardian Industries Corporation (E.E.U.U) y AGC Flat Glass Europe (Bélgica). 7 Con respecto a uso del litio para industria farmacéutica, el principal cliente es Bélgica, mediante la empresa Solvay.
7
http://www.vidrioperfil.com/categoria-america.php?id=400001&page=1
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2. Estudio técnico 2.1. Descripción del producto y sus propiedades. Ver PFD del proceso en el anexo 8 El litio encabeza la familia de los metales alcalinos en la tabla periódica. Es el metal sólido blanco plateado más liviano existente, es blando, su fusión es solo a los 180,5 [°C] y reactivo, pero la cantidad de calor requerida para fundir el metal es extremadamente alta. Sus propiedades destacadas son su baja densidad, baja viscosidad, alta conductividad térmica, alta conductividad eléctrica, presentar un alto calor específico, tiene un alto potencial reductor. Tiene una alta conductividad, por la alta tendencia a eyectar el único electrón de su orbital externo. Tiene 2 electrones en el orbital interno y uno en el externo. Al ser un buen agente reductor, reacciona con oxidantes poco potentes. Por ejemplo, como el nitrógeno a temperatura ambiente para formar nitruro Li 3N, el oxígeno para formar el óxido Li2O y el flúor genera una reacción violenta. Reacciona con gran cantidad de elementos, los que lo hace tener gran cantidad de propiedades que se traduce en una importante variedad de usos potenciales. 9
2.1.1. Usos. Sus principales usos son en base a compuestos derivados del litio. El hidróxido de litio (LiOH) es un agente espesante que se utiliza en grasas multipropósitos para lubricación industrial y de vehículos. Baterías recargables de iones y polímeros de litio son fuentes de energía de dispositivos portátiles como celulares, notebooks entre otros. Las baterías para autos eléctricos también se basan en el litio. Los iones de litio, que son parte de carbonato de litio (Li 2CO3) cristalizado, se usan en los cátodos de estas baterías. Vidrio cerámico: El carbonato de litio (Li 2CO3) es fundamental en la fabricación de vidrio cerámico, el cual se utiliza en encimeras de cocina haciéndolas resistentes a altas temperaturas. Aleaciones de aluminio y litio: Presentan una baja densidad y buena resistencia mecánica. El litio es un resumidero de calor, por lo cual se usa en la industria nuclear como transportador de calor en circuitos de reactores.
8
Lenntech. Consultado el14/11/2014. http://www.lenntech.es/periodica/elementos/li.htm
La industria del Litio en Chile. I. Garcés, Universidad de Antofagasta. 9
Soquimich. Aplicaciones del litio. http://www.sqmc.cl/aspx/es/Default.aspx Consultado el 14/11/2014.
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2.2. Explicación general del proceso productivo. El litio puede ser extraído desde salmueras y rocas pegmatíticas en la actualidad. Actualmente existen 2 procesos comercialmente factibles: 1) Evaporación solar y concentración de salmueras extraídas desde los salares. Posteriormente se extrae el cloruro o carbonato de litio. 2) Extracción desde las rocas pegmatíticas y su convención a hidróxido o carbonato de litio. 1) Salmueras: Se demora un tiempo entre 12 y 24 meses. Por esto se busca tecnología para acortar el proceso y aprovechar de mejor manera las salmueras. Evaporación: Las salmueras se extraen mediante bombas desde pozos profundos y luego se trasladan a pozas de evaporación, para en un tiempo entre 12 y 24 meses obtener una salmuera concentrada con más de 4% de litio. La salmuera concentrada se trata en una planta química. Acá se purifica y se obtiene el Li 2CO3. Este método es el de menor costo. Osmosis inversa: Se desarrolla una planta geotérmica que aprovecha el calor de la salmuera de las profundidades para generar vapor, que a su vez genera energía eléctrica. La salmuera es devuelta posteriormente al subsuelo. Sin embargo, contiene sólidos disueltos, entre los que se encuentra el litio. Antes de devolver la salmuera a las profundidades se puede filtrar las sales, para luego purificar el carbonato de litio. Extracción por solventes: Se lixivia las sales salmueras, para luego llevar la solución resultante a una planta de extracción por solventes como en la hidrometalurgia del cobre. Se extrae mediante un solvente orgánico. Se adiciona una solución ácida fuerte para separar el litio de la solución orgánica, produciendo cloruro de litio. La solución orgánica puede ser recirculada a la extracción por solvente.
2) Extracción desde las rocas pegmatíticas Pegmatitas: Se puede operar a tajo abierto, ya que yacimientos en su mayoría se encuentra cerca de la superficie. Los materiales pasan al proceso de conminución con chancadores, luego a molienda y por último a clasificación. Los minerales pueden ser separados por flotación o separación magnética. Depósitos de arcillas: Los depósitos de rocas sedimentarias también son fuentes de litio. Su proceso se basa en tostación piro metalúrgico. La arcilla es mezclada con anhidrita (CaSO4) y caliza. Luego esta mezcla es llevada a 1.050[°C] para liberar el litio de sulfatos y hacerlo soluble en agua. Se genera una salmuera de la que se puede extraer el Li 2CO3.
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El proceso elegido a implementar es la evaporación solar de salmuera, por el amplio uso en Chile, lo que hace que sea un proyecto más fácil de adaptar e incorporar a la industria actual.
2.3. Explicación de operaciones unitarias. La importancia del proceso radica en la facilidad de purificar el litio, sirve para la conversión a sales orgánicas e inorgánicas de litio y otros compuestos. Se puede producir carbonato de litio con pureza de 99%, con bajo contenido de boro y sulfatos. La extracción se realiza mediante bombas B-1 que succionan la salmuera desde una profundidad aproximada de 30 metros descargándola por medio de cañerías a pozas de secado excavadas en tierra, revestidas y recubiertas con membranas plásticas que evaporan el agua por medio de energía solar, donde el litio se concentra hasta un 6%, con un contenido de 20 % magnesio y 0,7 % boro. Durante la evaporación, precipitan las sales presentes en la salmuera de forma secuencial, siendo descartadas como impurezas. Se eliminan la halita (NaCl) en PS-1, silvinita (NaCl + KCl) PS-2, carnalita (KCl*MgCl2*6H2O) PS-3 y bischofita (MgCl 2*6H2O) PS-4. A continuación se elimina el boro de la solución. Se acidifica la solución con HCl, seguido de torres de enfriamiento T-1 para enfriar la solución, cuyo objetivo es cristalizar el boro a ácido bórico (H 3BO3). El ácido bórico es retirado cristalizado es retirado en filtros F-1. El boro remante se puede eliminar por extracción por solvente orgánico en unidades mezclador M-1-decantador D-1. Si el boro no se extrae y queda en una alta concentración, no es posible la fabricación de litio metal. En el mezclador M-1 ingresa agua al sistema para poder diluir lo suficiente las soluciones para eliminar el boro y el magnesio del sistema. Luego viene un tratamiento químico en 2 etapas que consiste en eliminar el magnesio remanente, como carbonato e hidróxido de magnesio respectivamente. La solución refinada es llevada a reactor R-1 mediante bombas B-2. En la primera etapa, la solución se hace reaccionar en reactores R-1, donde precipita el carbonato de magnesio. La pulpa resultante es separada de la solución en un filtro tambor F-2. La solución es enviada a un tanque de acumulación y el queque de carbonato de magnesio es repulpeado con el sangrado de licor madre producido la filtración de carbonato de magnesio. La pulpa es enviada a poza de descarte P-1, donde se produce evaporación y almacenamiento. Se puede producir carbonato de magnesio como subproducto. En la segunda etapa se elimina se precipita el hidróxido de magnesio (Mg (OH) 2) mediante un lechada de cal en reactor R-2. Se forma una pulpa compuesta por carbonato de calcio hidróxido de magnesio y salmuera remanente, que es enviada a un
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clarificador, donde es separada y filtrada en un filtro prensa F-3. En esta etapa, se elimina el remanente de ion magnesio y es enviado a pozas de descarte P-2. 10
2.3.1. Precipitación carbonato de litio. La salmuera purificada (1%Li) se calienta hasta 60[°C] y enviada a reactor R-3, donde se produce la reacción siguiente:
2 → 2
La descarga se alimenta a filtro banda F-4, donde se obtiene licor madre, que es recirculado a filtros F-2, F-3 y reactor R-1. En el filtro banda F-4 queda queque de carbonato de litio, con 35% de humedad. Este es descargado para ser llevado a la etapa de secado.
2.3.2. Secado, compactación y envasado. El queque con carbonato de litio es enviado a secador rotario S-1, donde se seca con gases calientes producto de la combustión de gas natural licuado (GNL). Los gases son enviados a colector de polvos C-1, donde se recuperan los sólidos finos. El producto se descarga a no más de 150[°C]. El producto seco se lleva a un compactador de rodillo C-1, lo que aumenta la densidad de polvo de carbonato de calcio. Si se requiere una granulometría diferente en el mercado, el carbonato de litio es alimentado a un granulador en vez de un compactador. Luego va a harnero H-1. Allí los gruesos son devueltos al compactador. Finos van a tolvas T-1, para luego ser almacenados en bodegas de productos.
10
La industria del Litio en Chile. I. Garcés, Universidad de Antofagasta. http://www.segemar.gov.ar/bibliotecaintemin/LITIO/litioChilePatentesdeinvencion.pdf
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2.3.3. Producción de salmuera de cloruro de litio, litio metálico . A partir del LiCO3 se puede producir sales de cloruro de litio (LiCl) en solución de 2 clases: de alta pureza o grado técnico, según su contenido de sodio. El LiCl tiene una temperatura de fusión menor que el LiCO 3, por lo cual es más fácil fundir el primero para llevarlo a la electrolisis para producir cloruro metálico. El cloruro de litio entra al disolvedor D-1, donde la materia prima (carbonato de litio (LiCO3) o hidróxido de litio (LiOH)) se disuelve, agregando ácido clorhídrico (HCl) que se almacena en tanques T-1 y es alimentado al proceso por bombas B-1.
→2 ∙→2
La reacción se realiza en recipientes batch R-1 de 50 m 3 cada uno, provisto de un serpentín de enfriamiento en caso de usar LiOH y conectados a un sistema de limpieza de gases. La preparación dentro de cada reactor batch dura 60 horas aproximadamente. Si los contenidos de calcio y sulfato son altos, es necesario agregar ácido oxálico (en solución) para eliminar impurezas. Las reacciones involucradas son:
− ∙ 2→ 2− 2 + → 2+
Una vez terminado el proceso batch, la solución resultante se filtra en filtro prensa F-1. El queque que contiene compuestos tóxicos, es transportado pozo de descarte P-1. Tiene como material de recubrimiento polietileno de alta densidad. La solución filtrada es llevada a reactores R-2 de ajuste de pH, donde se ajusta a un pH de entre 6,5-70, mediante HCL. Cada tanque es conectado a un lavador que capta posibles emanaciones de gas de HCl. 11
2.3.4. Producción de cloruro anhidro La solución es precalentada en un intercambiador de placas I-1 previo a entrar al tanque de solución de licor madre. Luego la solución es enviada mediante bombas centrífugas B-2 a tanque de licor madre T-2 para la alimentación al área de cristalización. El equipo tiene chaqueta de vapor para mantener temperatura de la solución. El LiCl se cristaliza en cristalizador C-1 a cloruro de litio anhidro, en forma de sal de alta fluidez. El cristalizador que opera al vacío (80 mm de Hg) y a 110[°C]. Posee 2 bombas centrífugas, una de recirculación (B-3) (pasándola al intercambiador de calor) y otra de alimentación de pulpa (B-4). Cuando los sólidos alcanzan un 55-57% de cloruro de litio en separar los cristales de cloruro de sodio de sus solución madre. Los sólidos se envían al secador Se-1 y el agua con exceso de 15% de sólidos), se inicia alimentación 11
Estudio de Impacto Ambiental Proyecto Planta de Cloruro de Litio. Sociedad Chilena del Litio Ltda. Santiago. Agosto, 1997
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continua a centrífuga Ce-1. El licor se retorna por gravedad al tanque de licor madre T2. Los vapores pasan a separador S-1 para minimizar partículas en suspensión. Este vapor es enviado a condensador de tubos y coraza I-2. El condensado se almacena en tanques de reutilización T-3. El exceso es enviado a planta de carbonato de litio. A continuación de la centrífuga Ce-1, el secador de sólidos Se-1 disminuye la humedad a menos que el 0,2%, es de tipo rotatorio y utiliza GNL como combustible. Los gases se hacen pasar por un lavador scrubber L.G.-1 para minimizar pérdidas de cloruro de litio a la atmósfera.
2.3.5. Empaque. El producto es enfriado a 35[°C] en enfriador I-3 antes de ser envasado. Luego se harnea en H-1 el producto para devolver al secador Se-1 el sobretamaño. El producto deseado es envasado en tambores de 300 libras provisto de 2 bolsas de polietileno en su interior. El sistema de gases de empaque está conectado al sistema de lavadores de gases del secador. El gas del sistema de lavadores es retornado a los reactores disolvedores R-1.
2.3.6. Producción litio metálico. Para producir litio metálico, el litio anhidro es enviado a una etapa de purificación final L-1, que utiliza como lavador agua a 98 [°C] y una posterior electrolisis en equipos E-1 donde se separa el litio del cloro con ayuda de KCl.
2.3.7. Ácido clorhídrico. Se almacena en tanques T-1 de acero al carbono recubiertos con goma. Para transferir el ácido al proceso, se utilizan bombas centrífugas. El sistema está conectado a limpieza de gases, por posibles emanaciones de HCl.
2.3.8. Limpieza de gases. Son lavadores de gases tipo scrubber L.G.-1, para captar emisiones de CO 2, carbonato e hidróxido de litio, vapores y arrastres de cloruro de litio (HCl), con el objetivo de minimizar emanaciones a la atmósfera. La absorción es una solución alcalina. La absorción produce solución de HCL, que es retornada a los reactores de ajuste R-1. El sistema es diseñado para una eficiencia de lavado de 99,7%.
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2.4. Balance de masa y energía. 2.4.1. Balance de masa de LiCO3. Capacidad de producción: 25.000 [toneladas/año] de Li 2CO3. Insumo: LiCl desde salmueras de profundidades. Se obtienen 47.000 toneladas año de salmuera concentrada al 6% Li o con 2.817 ton/año de litio. Además, contiene 0,8 % de boro ó 627 toneladas año de boro y 1,8% de magnesio ó 1.410 toneladas año. Todo el boro es removido en equipos F-1, M-1 y D-1. En los equipos comprendidos entre R-1 y F-4 se remueve todo el magnesio. Luego del secado, el carbonato de litio tiene una pureza de 99% o una producción de 15.000 toneladas año.
→ 2
Li2CO3: 25.000 toneladas al año producidas. Para esto es necesario 28.683 toneladas de LiCl que reaccionen. Esto implica un consumo mínimo de carbonato de sodio de 35.867 toneladas al año. Para asegurar una conversión del 100%, se agrega Na 2CO3 en exceso al 20% ó 43.033 toneladas de carbonato de sodio al año en forma de ceniza de soda. También se puede agregar parte del CO 3 necesario en forma de cal. Se producen también 39.543 toneladas al año de NaCl. Este es descartado en el filtro banda. El queque de carbonato de sodio final tiene un 35% de humedad, por lo cual en el secador S-1 e eliminan 13.462 toneladas de agua al año.
2.4.2. Balance de energía de LiCO3. Los principales procesos que demandan energía son la concentración de salmuera. Esta se realiza gracias a la acción de energía solar que llega a pozas de secado. Luego, viene el retiro de energía en torres de enfriamiento con agua. Esto se realiza para posibilitar la cristalización y posterior separación del ácido bórico. En cada reactor del proceso hay un balance energético por las reacciones involucradas y mantener las soluciones a la temperatura requerida para la reacción. En las pozas de descarte también hay balance de energía para el secado de residuos. Finalmente, hay un balance de energía en el secador de carbonato de litio. En este equipo se encesta energía para eliminar el agua y obtener un producto de alta pureza.
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2.4.3. Balance de masa de LiCl y Li metálico.
→2
Se utilizan 15.000 toneladas de Li 2CO3 al año para la producción de ambos productos. Para esto es necesario un suministro de 17.762 toneladas al año de HCl, si se piensa en un exceso del 20% de este reactivo. Se producen 17.210 toneladas al año de cloruro de litio, 3.657 toneladas de agua y 8.934 toneladas de CO 2. De estas 17.210 toneladas al año de LiCl, 7.210 toneladas se dejan como LiCl y 10.000 toneladas se llevan a electrolisis para producir 1.958 toneladas al año de litio metálico.
2.4.4. Balance de energía de LiCl y Li metálico. En el reactor R-1hay un serpentín de enfriamiento que permite retirar el calor producido por la reacción de síntesis del LiCl. Para el enfriamiento de agua de servicio, se utiliza una torre de enfriamiento. También hay balance de energía en el intercambiador de placas que precalienta la solución antes de entrar al tanque de almacenamiento de licor madre, que tiene una camisa de vapor para mantener la temperatura en su interior. Se requiere condensar gases producidos en el cristalizador para recuperar material que pueda ser reprocesado. Para secar el agua de la mezcla de producto se necesita calentar la solución sobre la temperatura de vaporización de agua. Esto se realiza con aire caliente a 175[°C], para llegar a un producto de humedad de menos que el 0,2%. Lo gases producidos son enfriados mezclándolos con aire ambiente. El producto debe ser enfriados a 35[°C] en un enfriador antes de ser envasados. Se requiere energía para producir la electrolisis de LiCl y producir litio metálico.
2.5. Diseño de equipos 2.5.1. Secador S-1 de producción de LiCO3 Se eliminan 13.462 toneladas de agua al año en el secador. El calor latente de vaporización del agua es de 2.257 [KJ/Kg], por lo que se necesitan 30,384 TJ al año. Para generar esta energía se utiliza propano como combustible, cuya energía de combustión es de 49.800 KJ/Kg y la reacción de combustión es:
5 →3 4
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Para producir la energía requerida en el año se requieren 610,115 toneladas al año de GNL, suponiendo eficiencia del 100%. Si se supone una eficiencia del 80%, se consumen 763 toneladas de GNL al año. El aire se alimenta en exceso estequiométrico. Tomando un coeficiente global de transferencia de calor (U) conservador de 1.000 [KJ/(K*h*m2) y una temperatura de operación de secado de 150[°C] y 300[°C] en los gases de combustión, se necesita un área de 25,6 m 2 para intercambiar el calor en los secadores.
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3. Impacto ambiental 3.1. Marco legal nacional de normativa ambiental atingente al proyecto. Ley 19.300 sobre las bases generales del medio ambiente. En el artículo 1 establece: “El derecho a vivir en un medio ambiente libre de contaminación, la protección del medio ambiente, la preservación de la naturaleza y la conservación del patrimonio ambiental se regularán por las disposiciones de esta ley, sin perjuicio de lo que otras normas legales establezcan sobre la materia“.
Decretos: D.S 148/2003. En el artículo 1 establece: “establece las condiciones sanitarias y de seguridad mínimas a que deberá ́ someterse la generación, tenencia, almacenamiento, transporte, tratamiento, reúso, reciclaje, disposición final y otras formas de eliminación de los residuos peligrosos”. El carbonato de litio (LI2CO3) y el cloruro de litio (LiCL) son altamente tóxicos. D.S 609/1998. En el artículo 1 establece: “Establécese la siguiente norma de emisión para la regulación de contaminantes asociados a las descargas de residuos industriales líquidos a sistemas de alcantarillado”. A pesar de que los RILes son tratados y se generan aguas servidas, están se descargan al alcantarillado y deben regirse por esta norma. D.S 20/2013. Establece: “Norma de Calidad Primaria para MP10 Respirable. Esto se traduce en la implementación de medidas de control de fuentes móviles (calendario de restricción vehicular, aplicación de medidas de gestión de tránsito, tales como vías exclusivas, reversibles y permanentes), y fuentes fijas y difusas (paralización de fuentes industriales, prohibición de quemas de todo tipo”. Este decreto deroga el D.S 59/1998. D.S 594/1999. Establece: “Condiciones sanitarias y ambientales básicas en los lugares de trabajo”. D.S 90/2000. Es una normativa que aún no se ha aprobado, pero que su aprobación podría estar en un par de años, por lo que se debe considerar para proyectos futuros. Establece: “La presente norma tiene como objetivo de protección ambiental prevenir la contaminación de las aguas marinas y continentales superficiales de la República, mediante el control de contaminantes asociados a los residuos líquidos que se descargan a estos cuerpos receptores”. 35 IWQ-240
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3.2. Marco legal internacional de normativa ambiental atingente al proyecto. Para poder certificar una empresa o proyecto a nivel internacional, se debe certificar con una ISO, en el caso de medidas ambientales, la ISO 14.000. Todas las normas son voluntarias, por lo que no pueden ser exigidas, pero a partir de estas se demuestra un nivel de responsabilidad con el medio ambiente. La ISO 14.000 no asegura unos niveles de contaminación bajo la normativa nacional, ya que fue diseñada para ser genérica y adaptable a una gran cantidad de países a lo largo del globo, solo asegura que se siguen protocolos predeterminados y estudiados. El nivel de contaminación en los efluentes, depende del sistema de control y de las características del proceso. La ISO 14.000 establece: “Una norma internacionalmente aceptada que expresa como establecer un Sistema de Gestión Ambiental efectivo. La norma está diseñada para conseguir un equilibrio entre el mantenimiento de la rentabilidad y la reducción de los impactos en el ambiente, y va enfocada a cualquier organización, de cualquier tamaño o sector, que esté buscando reducir los impactos en el ambiente y cumplir con la legislación en materia ambiental”. La ISO 14.000 es certificable solo en el punto 14.001, a continuación se presenta un listado con los principales segmentos de la ISO 14.000 ● Normas de evaluación de la organización. Sistema de Administración Ambiental ISO 14001: Sistemas de Gestión Ambiental - Especificaciones y guía de us o. ISO 14002: Sistemas de Gestión Ambiental - Pautas sobre aspectos especiales relacionados con pequeñas y medianas empresas. ISO 14004: Sistemas de Gestión Ambiental - Pautas generales sobre los principios, sistemas y técnicas de apoyo. Auditoría Ambiental ISO 14010: Pautas para Auditorías Ambientales - Principios generales de auditorías ambientales. ISO 14011: Pautas para Auditorías Ambientales - Procedimientos de auditoría, 1ª Parte: Auditoría de sistemas de gestión ambiental. ISO 14012: Pautas para Auditorías Ambientales - Criterios de calificación para auditores ambientales. ISO 14013/15: Pautas para Auditorías Ambientales - Programas de auditoría, revisiones y evaluaciones. 36 IWQ-240
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Evaluación del Desempeño Ambiental ISO 14031: Pautas para la evaluación del desempeño ambiental. ● Normas de Evaluación del Producto. Etiquetado Ambiental ISO 14020: Etiquetado Ambiental - Principios generales. ISO 14021: Etiquetado Ambiental - Auto declaración de demandas ambientales: Términos y definiciones. ISO 14023: Etiquetado Ambiental - Metodologías para la comprobación y verificación. ISO 14024: Etiquetado Ambiental - Principios guía, prácticas y procedimientos de certificación de programas. Evaluación del Ciclo de Vida ISO 14040: Evaluación del Ciclo de Vida - Principios y marco de trabajo. ISO 14041: Evaluación del Ciclo de Vida - Análisis de inventario y ciclo de vida. ISO 14042: Evaluación del Ciclo de Vida - Ev aluación de los impactos. ISO 14043: Evaluación del Ciclo de Vida - Ev aluación de mejoras. ● Aspectos Ambientales en la Norma de Productos. ISO 14050: Términos y Definiciones de la Gestión Ambiental. ISO 14060: Guía para Aspectos Ambientales para las Normas de Productos. Ref “http://cybertesis.unmsm.edu.pe/bitstream/cybertesis/1080/1/cabrera_mp.pdf”
3.3. Análisis de Pertinencia para ingreso al Sistema de Evaluación Ambiental (SEA). La ley que rige las bases generales del medio ambiente es la ley 19.300. En el titulo 2 “De los instrumentos de gestión ambiental”, se detalla el sistema de evaluación de impacto ambiental en el párrafo 2. El artículo 10 establece que proyectos deben someterse a un sistema de impacto ambiental y en el punto “k” se detalla: “Instalaciones fabriles, tales como metalúrgicas, 37 IWQ-240
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químicas, textiles, productoras de materiales para la construcción, de equipos y productos metálicos y curtiembres, de dimensiones industriales”. El artículo 11 establece: “Los proyectos o actividades enumerados en el artículo precedente requerirán la elaboración de un Estudio de Impacto Ambiental, si generan o presentan a lo menos uno de los siguientes efectos, características o circuns tancias”. a) Riesgo para la salud de la población, debido a la cantidad y calidad de efluentes, emisiones o residuos; b) Efectos adversos significativos sobre la cantidad y calidad de los recursos naturales renovables, incluidos el suelo, agua y aire; c) Reasentamiento de comunidades humanas, o alteración significativa de los sistemas de vida y costumbres de grupos humanos; d) Localización próxima a población, recursos y áreas protegidas susceptibles de ser afectados, así como el valor ambiental del territorio en que se pretende emplazar; e) Alteración significativa, en términos de magnitud o duración, del valor paisajístico o turístico de una zona, y f) Alteración de monumentos, sitios con valor antropológico, arqueológico, histórico y, en general, los pertenecientes al patrimonio cultural. Por las características del proyecto se cumplen los puntos a, b y d, por lo que se debe presentar un estudio de impacto ambiental. Para los estudios de impacto ambiental se consideran las siguientes materias detalladas en el artículo 12: a) Una descripción del proyecto o actividad; b) La línea de base; c) Una descripción pormenorizada de aquellos efectos, características o circunstancias del artículo 11 que dan origen a la necesidad de efectuar un Estudio de Impacto Ambiental; d) Una predicción y evaluación del impacto ambiental del proyecto o actividad, incluidas las eventuales situaciones de riesgo; e) Las medidas que se adoptarán para eliminar o minimizar los efectos adversos del proyecto o actividad y las acciones de reparación que se realizarán, cuando ello sea procedente; f) Un plan de seguimiento de las variables ambientales relevantes que dan origen al Estudio de Impacto Ambiental, y g) Un plan de cumplimiento de la legislación ambiental aplicable. 12
12
http://www.conaf.cl/wp-content/files_mf/1370463346Ley19300.pdf
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4. Evaluación Económica
13En
la actualidad, la demanda mundial por litio y sus derivados se constituye por: un 46% carbonato de litio, 21% concentrado d e litio, 13% hidróxido de litio, 5% butil litio, 4% tilio metálico, 3% cloruro de litio y un 8% en derivados del litio. Con esta composición del mercado, se considera como producto principal el carbonato de litio al corresponder casi 50% de la demanda.
4.1. Proyección demanda de carbonato de litio 14Debido
al alto progreso tecnológico de la época y al alto consumo de esta por la población, la producción de dispositivos eléctricos y baterías se ve en un constante incremento, lo cual afecta directamente la demanda de Litio para la producción de estos. La Figura 13 muestra una tendencia realizada por Roskill, donde muestran que la demanda de Litio para los próximos 8 años debería al menos duplicarse, la cual va directamente relacionada con la evolución de la industria automotriz, debido al diseño de nuevas baterías.
Figura 13 Proyección demanda de Litio al 2020.
4.2. Proyección producción de carbonato de litio 15COCHILCO
presenta un registro de los principales productores de litio en el mundo identificándose a Australia (actual número 1 en producción mundial), Chile, Argentina, China y EEUU. Para Chile y Argentina la fuente principal de Litio son los 13
Reporte de sustentabilidad SQM 2009 The lithium market: 2009 review and Outlook. www.roskill.com 15 Monitoreo de los minerales industriales, COCHILCO. 2013 14
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salares obteniendo el carbonato de litio. Estos registros se presentan en la siguiente tabla: Tabla 5 Participación del mercado mundial del Litio.
A partir de estos datos se realiza una proyección para los próximos 5 años, con la finalidad de determinar la tendencia que se espera en la industria del Litio.
Proyección Producción 90 80 o 70 ñ a / 60 n o T s 50 e l i m40
30 20 2004
2009
2014
2019
Figura 14 Proyección de Producción de Litio.
Tabla 6 Proyecciones de Producción Litio en Chile 2013-2019
Chile
2013 63,04
2014 56,50
2015 54,63
2016 61,35
2017 72,68
2018 80,40
2019 79,62
Esta tendencia muestra que la industria va a presentar un alto crecimiento en los próximos 5 años, llegando a aumentar la producción en un 50%.
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4.3. Participación del mercado 16Desde
los años Chile lidera el mercado mundial con una participación del 37% en la producción de carbonato de litio, y se encuentra representada por 2 empresas nacionales SQM (Soquimich) y SCL (Chemetall), principalmente SQM.
Participación del mercado mundial de Litio 1% 5% 9%
Australia 38%
10%
Chile Argentina
China EEUU
Otros 37%
Figura 15 Participación del mercado mundial del Litio.
4.4. Acuerdos internacionales 17La
comercialización del Litio con el mercado internacional se e ncuentra cubierto por los principales tratados del país, los cuales son los siguientes:
16 17
Acuerdo de asociación Económica Estratégica Chile-Japón
Acuerdo de Asociación Chile-Unión Europea
TLC Chile-Corea del Sur
TLC Chile-China
TLC Chile-Estados Unidos
Monitoreo de los minerales industriales, COCHILCO. 2013x www.aduana.cl
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4.5. Barreras arancelarias 18Ya
que la comercialización de Litio está destinada a las principales potencias del mundo, con estas existen tratados de libre comercio, p or lo que los aranceles aduanaros se ven reducidas a un 0% para la libre comercialización de estos.
4.6. Estrategia y logística de distribución Una vez terminado el proceso de recuperación de Litio en la planta, este es transportado al puerto de Tocopilla por medio de líneas ferroviarias, es en el puerto de Tocopilla donde se produce la principal exportación de Litio en Chile. El producto exportado luego es distribuido en barcos según las especificaciones demandadas por el cliente, estos cuentan con una oficina de atención al cliente, presentes en los principales países demandantes, como lo son China, Alemania, Japón y Estados Unidos
4.7. Estrategia y logística de adquisición 19La
extracción de las materias primas desde el Salar de Atacama está permitida por un acuerdo con CORFO que entrega el derecho de explotación de mineral, este acuerdo vence una vez producido 180.100 toneladas de litio equivalente o a más tardar el año 2030. La primera etapa del proceso corresponde a la extracción de la salmuera y s disposición en extensas pozas de evaporación solar para su concentración. Sucesivamente van cristalizando las sales de sodio, magnesio y potasio, hasta alcanzar en la poza final una solución de cloruro de litio al 6%. Esta solución es transportada a una planta de Antofagasta para co nvertirla en carbonato de litio. A su vez parte del carbonato producido es convertido en hidróxido de litio. Luego de sucesivas expansiones a la capacidad productiva en el Salar de Atacama y de las plantas química en Antofagasta, las industrias SQM y SCL logran pro ducir 48.000 [ton/año] y 28.000 [ton/año] de carbonato de litio respectivamente.
18 19
www.aduana.cl Monitoreo minerales industriales 2013. COCHILCO.
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Industria del Litio 4.8 Estructura de Costos
Para lograr obtener una aproximación de la estructura de costos para una empresa de esta envergadura, se debe utilizar un modelo que incluya un respaldo estadístico, para el cual COCHILCO propuso una base que se muestra en la siguiente tabla. Tabla 7 Estructura de costos. 20
Modelo incluyendo mano obra indirecta Mano de Obra directa 22.65% Mano de Obra indirecta 12.23% Energía 20.15% Insumos 30.11% Capital 14.88%
Luego para determinar el valor de los insumos utilizados en la industria, se recurre a los registros financieros de SQM presentes en www.sqm.com y sus reportes de sustentabilidad que muestran los costos y cantidad de materiales utilizados en el año. 21
Tabla 8 Costo de insumos.
Insumos Neumáticos Recubrimientos Cal Azufre Antiaglomerantes Colectores Kerosene Ceniza soda Explosivo
Unidad medida
2013
2012
2011
Unidades Miles Ton Ton Ton Ton
164 2337 9844 28716 133 477 6322 85633 11407
169 2797 11009 15597 91 665 6508 79417 12197
148 2020 10971 12179 313 486 5464 85839 10683
Ton Ton
22Con
los datos revelados por SQM en sus estados financieros del año 2014, se estima que los costos en insumos para una producción de 25.000 [ton/año] corresponden a 62.300 MUS$. Siguiendo el modelo de COCHILCO, se obtiene la estructura de costos con los siguientes valores:
20
Costos de la minería: ¿Cuánto impactan los insumos en la industria minera?. www.cochilco.com Reporte de sustentabilidad SQM 2013 22 Estados consolidados intermedios, ejercicio al 30 de septiembre de 2014, SQM, https://ir.sqm.com 21
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Tabla 9 Estructura de costos variables
Detalle Mano de Obra directa Mano de Obra indirecta Energía Insumos Capital
Estructura de costos variables Costo [MUS$] 14.110 7.619 12.553 18.758 9.270
Porcentaje 22.65% 12.23% 20.15% 30.11% 14.88%
Luego se plantea la estructura para Costos Fijos propuesta de la siguiente forma Tabla 10 Estructuras de Costos Fijos.
Detalle Adquisición de equipos Instalación de equipos Instrumentación y control Instalación de cañerías Instalaciones eléctricas Estructura de servicios Instalaciones de servicios Terreno
Estructura costos fijos Costo [MUS$] 2595 927 741 1297 927 1668 927 185
Porcentaje 28% 10% 8% 14% 10% 18% 10% 2%
Obteniéndose la siguiente figura para la estructura de c ostos, con unos costos totales de 71580 [MUS$]
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Estructura de Costos Totales 13%
Costos Fijos Costos Variables
87%
Figura 16 Estructura de Costos Totales
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Conclusiones La inversión del proyecto corresponde a una suma de 71.580[MUS$] para producir 25.000[ton/año] de Litio, lo cual corresponde al 14% de la producción mundial de Litio. Chile tiene un gran posicionamiento frente a la comercialización de Litio en el mundo, ya que durante años ha sido líder en producción de Litio, logrando llegar a grandes potencias con tratados libres de arancel. Chile cuenta con una de las reservas de Litio más importantes del mundo, convirtiendo así, la explotación de este en un recurso estratégico para el país, el cual espera mejorar su demanda con el venir de los años. La falta de legislación ambiental en el país, muestra la necesidad de un análisis de evaluación de impacto ambiental.
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Recomendaciones Para hacer un proyecto relacionado con el litio, se tiene que analizar cuál va a ser el producto fuerte. No centrar la producción en algunos, puede hacer que el proceso sea muy complicado y que el producto pierda calidad, además de perder rentabilidad en e l negocio. Se necesita gran cantidad de personal involucrado en este tipo de proyectos, por la gran cantidad de equipos que maneja, por lo complejo del proceso y por tener que manejarse en un mercado de escala mundial.
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Referencias SERNAGEOMIN. (2013). Compilación de Informes sobre: El Mercado Internacional del Litio y El Potencial del Litio en Salares del norte de Chile. Santiago. La industria del Litio en Chile. I. Garcés, Universidad de Antofagasta
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Anexo Memoria de cálculo equipos Las ecuaciones utilizadas para el secador fueron:
= ∗ = ∗ ∗ ° = ∗,
En todos los casos, los flujos de calor son iguales. Se toma como referencia un periodo e operación de 330 días al año.
] ∗13.462∗10 = 30,384 = 2.257 [ ñ ] = 1.000[ ] ∗ ∗ (300150)° = 25,6 30,384 [ñ ℎ ∗ ∗ ° ] = 49.800 KJ ∗ = 763 30,384 [ñ Kg ñ
Celda electrolítica de producción de litio metálico. Reacciones en celda electrolítica:
()+ − → ()
Cátodo
()− → () −
Ánodo
Reacción total:
ε=-3,05 [V] ε=1,36 [V]
()+ ()− → () ()
ε=-1,69 [V]
Reacción no es espontánea, requiere energía para suceder.
Producción de litio metálico anual: Moles anuales: Por mol producido: Voltaje utilizado anualmente: Energía necesaria anual: N° electrodo: Capacidad:
1.958 toneladas. 283 Mmoles. 1,69 V necesarios. 478,27 [MV]. 9,15[GW]. 26 ánodos y 25 cátodos. 1000-2000 litros 50
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