UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO FACULT FA CULTA AD DE DE INGENI I NGENIERIA ERIA QUIMICA QUIMI CA
INDUSTRIA CLORO SODA
Ing. Juan Medina
INTRODUCCION La industria de los cloroálcalis es la que produce cloro Cl!" # álcalis $%idr&'ido de sodioNaO(" por electr&lisis de una soluci&n salina. Las principales tecnolog)as que se aplican en la producci&n de cloro álcalis son la electr&lisis en pilas de *ercurio+ pilas de dia,rag*a # pilas de *e*-rana+ utiliando principal*ente cloruro de sodio NaCl" co*o *aterial de ali*entaci&n .
INDUSTRIA DE CLORO – SODA
/s una planta industrial donde+ por *edio de di0ersas operaciones # procesos+ se producen. 1 cloro 1 %idr&geno 1 soda cáustica. 1 Acido clor%)drico 1 tricloruro de %ierro 1 sal de *ea
La electrolisis de cloruro de sodio
T/CNOLO8IAS /l proceso de la pila de dia,rag*a 2334" # el proceso de la pila de *ercurio 235!" /l proceso de la pila de *e*-rana es *uc%o *ás reciente 2567".
6
Produccion de hidroxido de sodio Hg
hidroxido de sodio
47-50%
Remosion de Hg
diafragma
Memrana
9-12%
30-33% hidroxido de sodio
hidroxido de sodio
Evaporacion
amacenamien!o
DIAGRAMA DE BLOQUES
:ROC/SO D/ C/LDAS D/ M/RCURIO. /ste proceso es responsa-le de producir casi el !79 del total de la producci&n *undial de cloro. /s el *as agresi0o de-ido a la e*isi&n de *ercurio en el *edio a*-iente.
:ROC/SO D/ C/LDA D/ DIA;RA8MA. :roceso es responsa-le de producir cerca del !79 de la producci&n *undial de cloro. /s su*a*ente agresi0o con el *edio a*-iente+ de-ido a que los dia,rag*as están %ec%os de as-estos+ otro ,uerte conta*inante.
:ROC/SO D/ C/LDA D/ M/M
/ste proceso cu-re cerca del =79 del total *undial de cloro. La industria argu*enta que es *enos agresi0o con el *edio a*-iente.
MAT/RIA :RIMA La *ateria pri*a en la producci&n de la soda cáustica es el cloruro de sodio+ e'tra)da de las salinas de (uac%o+ se pre,iere esta ona de-ida a su cercan)a geográ,ica # por su alto grado de purea. 1
1 NaCl > 53.65 9 1 MgCl! > 7.?3 1 CaSO?
>
7.@5
1 Mg SO?
>
7.25
DIA8RAMA D/
PROCESO DE CELDA DE MERCURIO
/l -loque 2 corresponde a la preparaci&n de sal*uera. Ingresa en esta etapa agua de proceso+ NaCl # sal*uera recuperada del proceso. /sta *ecla se %o*ogenia. La etapa ! corresponde a la puri,icaci&n # acondiciona*iento de la sal*uera para su en0)o a las celdas electrol)ticas. /sta etapa puede co*prender> eli*inaci&n de cationes di,erentes a Na B + separaci&n de s&lidos insolu-les en la *ecla # otros trata*ientos co*o adecuaci&n del p( # te*peratura de la sal*uera
/n la poa de (o*ogeniaci&n se trata de o-tener una concentraci&n opti*a de @27 gl de Cloruro de Sodio+ para ello se adiciona agua de proceso o sal*uera declorada+ la cual pro0iene de las celdas electrol)ticas.
1 La sal*uera saturada es so*etida a un trata*iento
qu)*ico para la eli*inaci&n de las i*pureas tales co*o calcio # *agnesio+ el trata*iento qu)*ico se lle0a a ca-o en tres reactores tipo tanque con aplicaci&n instaladas en serie a los cuales se agrega reacti0os qu)*icos para precipitar lociones+ calcio # *agnesio. 1 /n el pri*er reactor se adiciona Car-onato de Sodio al 279 con un e'ceso de !77 pp* para asegurar la precipitaci&n de Iones de Calcio.
1 /n el segundo reactor ingresa la sal*uera por re-ose del
pri*er reactor en el que se agrega NaO( de 249 que 0a a reaccionar con los iones *agnesio para ,or*ar MgO("! igual*ente se adiciona un e'ceso de !47 pp* de N!O( para asegurar la precipitaci&n de iones Mg B! # traas de ;e+ Al. 1 /n el tercer reactor ingresa la sal*uera por re-ose la sal*uera del segundo reactor en el cual se adiciona un ,roculante con una concentraci&n de 49 que per*ite aglutinar a los iones Ca B! # MgB! que %an quedado per*anentes en la sal*uera+ %acindolas precipitar
1
SEDIMENTACIÓN
1 La sal*uera que sale por re-ose del tercer reactor se
transporta por una canaleta al sedi*entador con rastrillos giratorios+ en donde las part)culas suspendidas de Car-onato de Calcio # Mg O("! # otros se precipita por gra0edad ,or*andose en el ,ondo una capa espesa Lodos" que se descarga cada 24 *inutos. La sal*uera se ali*enta por el centro para i*pedir que la tur-ulencia a,ecte la sedi*entaci&n
1
FILTRACIÓN
1 La sal*uera casi e'enta de i*pureas que re-osa por la
parte superior del tanque es conducido por una canaleta un tanque de pre,iltro desde el cual se regula el ,luEo de sal*uera que atra0esará los ,iltros # el ni0el en los tanques de sal*uera depurada el. 1 /l tanque pre F ,iltro conduce la sal*uera por acci&n de -o*-as centr),ugas %acia una -ater)a de ,iltros instaladas en paralelo+ para atrapar los lodos no seg*entados en el sedi*entador.
1
SALMUERA DEPURADA
1 La sal*uera ,iltrada+ pasa a los tanques de
al*acena*iento donde se adiciona ácido clor%)drico concentrado para regular el p( a un rango de @+4 F ?+4 # la sal*uera esta casi disponi-le para ser -o*-eada a los celdas electrol)ticas. /n este punto ta*-in se in#ecta sal*uera declorada+ con la ,inalidad de o-tener con todas las condiciones requeridas para su ingreso a las celdas. 1
SECCIÓN DE CELDAS ELECTROLÍTICAS /sta ,or*ado por un cátodo *&0il de (g # los ánodos *&0iles en solu-les de titanio en la planta qui*pac se dispone de @! celdas instaladas en serie con respecto a la corriente elctrica # en paralelo con respecto a la ali*entaci&n de la sal*uera. 1 La sal*uera concentrada u# puri,icada con un p( regulado se adiciona a las celdas electrol)ticas # por acci&n de la corriente eletrica continua la soluci&n de cloruro de sodio se desco*pone generando las siguiente reacciones> 1
1 /n la celda del *ercurio+ el ánodo es de Ti # la reacci&n
principal que ocurre en l es la siguiente> !ClGsol" Cl! g" B !eG /l cátodo consiste en un dep&sito de *ercurio. La reacci&n en el cátodo es> NaB sol" B eG Na(g a*alga*a" /n lugar de li-erar %idr&geno en el cátodo+ el sodio se li-era para ,or*ar una a*alga*a con el *ercurio.
ESUEMAS DE LAS CELDAS ELECTROLITICAS
* S"%&uer" (resc"
C%oro S"%&uer" "!o'"d" #idr$!eno
)
A!u"
Mercurio
N"O#
G
Anodo> ! Cl H Cl! g" B ! eG B
Cátodo> Na B eG H Na(g
/l -loque @ corresponde a la etapa de trata*iento de la sal*uera agotada pro0eniente de la celda electrol)tica. /ste trata*iento puede consiste en> agota*iento de cloro en la soluci&n # diluci&n de la sal*uera recuperada. /sta soluci&n se recircula a la etapa 2 del proceso.
/l -loque ? corresponde a la puri,icaci&n del gas cloro saliente de las celdas que contiene cantidades aprecia-les de %u*edad. /ste paso puede consistir en> la0ado con agua ,r)a para eli*inar %u*edad # cualquier residuo de (Cl. 1 /l -loque 4 corresponde a una etapa de secado del gas cloro con ácido sul,rico concentrado. 1 La etapa 5 es de co*presi&n+ re,rigeraci&n # al*acena*iento del gas cloro para su 0enta.
/l -loque =
corresponde a una etapa de separaci&n. La a*alga*a de sodio que se ,or*a en el cátodo de-e eli*inarse continua*ente+ o de otra ,or*a el %idr&geno e*peará a li-erarse cuando la concentraci&n se %aga e'cesi0a. /n general el separador consiste en un tanque de soluci&n de sosa cáustica diluido +que contiene e*paque o enreEado de gra,ito. La co*-inaci&n de *ercurio liquido+ gra,ito # soluci&n cáustica generan un ,luEo de corriente del gra,ito al *ercurio lo que origina una rápida interacci&n entre el sodio # la soluci&n. /l sodio se %ace reaccionar con el agua de recuerdo a la siguiente reacci&n> Na(g B ( !O l"
NaO(
B (!g" B (gl"
sol"
Se produce %idr&geno # una soluci&n concentrada.
La principal 0entaEa de la celda de *ercurio es que su diseKo es *ás si*ple # produce sosa cáustica concentrada de alta purea. La principal des0entaEa son sus costo de potencia. La reacci&n glo-al en el proceso 1 !NaCl aq"B !(!O l" !NaO(ac B Cl! g"B(! g"
PROCESO MEDIANTE CELDAS DE MEM+RANA DE INTERCAM+IO CATIÓNICO,
/n un proceso para la electr&lisis de cloruro de sodio en una celda electrol)tica di0idida en la cá*ara del ánodo # la cá*ara del cátodo por una *e*-rana de interca*-io cati&nico+ la sal*uera se usa co*o el *aterial de arranque para la electr&lisis # la soluci&n diluida del cloruro de sodio acuoso ,or*ado co*o el resultado de la electr&lisis+ se suEeta a la concentraci&n para reG use co*o *aterial de arranque
PROCESO DE CELDA ELECTROLITICA DE MEMBRANA
1 /n este proceso+ el anolito # el catolito están separados por una
*e*-rana de interca*-io de cationes que per*ite el paso selecti0a*ente de iones sodio # e0ita que los grupos %idro'ilo ,or*ados en el catolito *igren al anolito. Las principales 0entaEas son su e,iciencia energtica # la capacidad de producir sosa cáustica de gran calidad 1 /l proceso se desarroll& a co*ieno de los aKos 67 cuando Du:ont consigui& la *e*-rana Na,ion de per,luorosul,onato. /l *a#or i*pulso a este proceso se produEo en Jap&n cuando se a-oli& el *todo con *ercurio por *oti0os *edioa*-ientales 1 Las *e*-ranas %a-ituales per*iten concentraciones del @7 al @49 en peso de %idr&'ido de sodio que+ posterior*ente+ se concentra en un e0aporador. 1 /l trata*iento en los -loques 2+ !+ @+ ? + 4 # 5 es el *is*o al realiado en el proceso para la o-tenci&n de cloro # sosa usando celdas electrol)ticas de *ercurio.
Co*o se o-ser0a se produce cloro+ %idrogeno # sosa en la *is*a celda (! g" B O(G En e% c-'odo ./01 ! ( !O B !eG /n el co*parti*ento cat&dico se produce %idr&geno que deEa grupos %idro'ilo que+ Eunto a los iones sodio que llegan a tra0s de la *e*-rana+ constitu#en la sosa cáustica.
En e% -nodo .*01 !ClG
Cl! g" B !eG
1 /n la celda electrol)tica sucede la siguiente reacci&n glo-all>
! Nacl AC" B !(!Ol"
(!g" B Cl! g" B ! NaO( ac"
1 Co*o resultado+ en la parte del cátodo+ la ,or*aci&n de
sosa cáustica que sale de la celda # se di0ide en dos l)neas. 1 Una de ellas se recircula a la celda+ despus de %a-er sido diluida con agua de proceso+ so-re el catolito+ # la otra l)nea 0a %acia otra etapa.
1 /l -loque 6 corresponde a una etapa de concentraci&n de
la sosa castica que 0iene de la celda. /ste trata*iento se realia en un e0aporador as)+ ,inal*ente o-tene*os sosa castica concentrada. 1 1 Las ,ases l)quidas # gaseosas de anolito Cl!" # catolito
(!" están separadas en todo *o*ento. /l anolito saturado en cloro se trata en una unidad de decloraci&n para recuperar todo el cloro producido. 1
Celdas de Me*-rana Las celdas de membrana diseñadas reemplazan a las celdas de membrana ue utilizan una membrana de intercambio ionico! Ellos son especiales para problemas asociados al medio ambiente con este metodo!"ue#as $lantas usan el proceso de membrana e%clusi#amente!&erca de '( ) de toda la producci*n es acti#ada usando tecnolo+,a de Membrana A+ua Soluci*n c0ustica
Sal Saturaci*n de Salmuera $recipitacion
Decloracion 1cido &lor2,drico Destrucci*n de &loratos Analito
.iltraci*n
Precipitante
Residuos
$uri-icaci*n de Salmuera Salmuera puri-icada
A+ua
Electrolisis
/idro+eno En-riamiento
En-riamiento
En-riamiento
Secado
&oncentraci*n
&ompresi*n
En-riamiento
Licue-acci*n
Almacenamiento
E#aporaci*n &loro /idro+eno
Soluci*n c0ustica
ESUEMAS DE LAS CELDAS ELECTROLITICAS CON MEM+RANA *
C%4 S"%&uer"
C%4
"!o'"d"
/
# 4
#4
N"O#
* N" N"* S"%&uer" 3ur"
C% /
O#/
# O 4
&e&2r"n" Anodo>
G
! Cl H Cl! g" B ! eG
Cátodo> (!O B 2 eG H (! B O(G
B
=2?4 A @.3= P cell
Cl! 3.2 T(
!=.!9 @7 C T 272
?6.4 T(
(!O 7.@! T( =7 C (! 7.!@ T( (!O 7.!@ T(
R 272 T 27? T 272 / 272 @6.4 C 27.4 T(
2=.59 43.6 C !!6.2 T(
@!9 @7 C 2.54 T(
=6 C =.? T( ?7 C P 272
T 27!
67 C P 27!
P 27? P 27@
@7 C 2=.4 T6
T 27@
!2.49 36 C @5.5 T(
PROCESO DE CELDA DE MEM+RANA
PROCESO DE CELDA DE DIAFRAGMA /n stas celdas+ el ánodo # el cátodo están separados por un dia,rag*a que per*ite la circulaci&n de la sal*uera+ pero i*pide la *ecla del Cloro desprendido en el ánodo+ en el catados e ,or*an soda # %idr&geno Las celdas de dia,rag*a contienen un dia,rag*a+ general*ente %ec%o de ,i-ras de as-esto+ para separar el ánodo del cátodo. /sto per*ite que los iones pasen a tra0s de l por *igraci&n elctrica+ pero reduce la di,usi&n de los productos. Los ánodos+ por lo general+ se %an %ec%o de gra,ito+ # los cátodos+ de %ierro ,undido
1 Los dia,rag*as se o-stru#en con el uso+ lo que se
*ani,iesta por una *a#or ca)da de 0oltaEe # por una presi&n %idrostática *ás alta en la ali*entaci&n de sal*uera+ por lo que de-en ree*plaarse con regularidad.
Celda de Diafragma C%4 S"%&uer" 3ur"
*
/ #4
C%4 * N"
#4 L56uido de ce%d"
N"* C%/ C%/
/ O# di"(r"!&" de "s2es'o
Las reacciones electr&dicas 7nodo > !ClG G !eG → Cl! 1 C-'odo > !(!O B !eG → (! B !O(G 1
1 ! Nacl
AC"
B !(!Ol"
(!g" B Cl! g" B ! NaO( AC"
A+ua
Celdas de Diaframa
Sal 4Salmuera5 Saturaci*n de Salmuera
Sal
Salmuera &ruda
La &eldas de Dia-ra+ma es la tecnolo+,a dominante usada en Estados Unidos 6 &anad0! Las celdas diseñadas son caracterizadas por anodos 6 catodos separados por un consistente Dia-ra+ma de una capa depositada de .ibra Mezclada de Asbesto como un aditi#o tal como te-l*n 4$olitetra-luoruro de Etileno5 o otra -ibra ue cubre cada c0todo! "in+7n Asbesto usado es totalmente con-inado en la celda! El Dia-ra+ma +uarda la soda c0ustica e 2idro+eno separado a partir del analito 6 produce control de el -lu8o del electrolito en el c0todo
Precipitación
Filtración
&lor o
Sal
Salmuera $uri-icada Intercambio de Calor
$recipitaci*n
Residuo
&loro Gas
Enfriamiento
Saturaci*n de Salmuera
Intercambio de Calor
/idro+eno
Secado
/idro+eno Compresión
Electrolisis
Sal
Concentración
Enfriamiento
Almacenamiento
O%i+eno Retirado
Licuefacción
Evaporación
:ROC/SO
P/NTAJAS
D/SP/NTAJAS
No requiere gran puri,icaci&n de la sal*uera
Uso de as-estos dia,rag*a". Alto consu*o de 0apor # costosos e0aporadores *ultietapas para la concentraci&n.
Se o-tiene el (idr&'ido al 479 directa*ente. Alta purea de productos. Trata*iento de puri,icaci&n si*ple para la sal*uera. No consu*e 0apor.
Uso de *ercurio. Alto costo de operaci&n de las celdas. Alto costo de protecci&n del *edioa*-iente.
Alta puri,icaci&n de la sal*uera requiere colu*na de interca*-io i&nico". Alto contenido de O')geno en la corriente de Cloro !9". Alto costo de las *e*-ranas.
DIA;RA8MA
M/RCURIO
M/M
Mercur# Trans,or*ation :rocesses in Aquatic S#ste*s
PROCESO PARA LA OBTENCIÓN DE CLORURO Y HIDROGENO 1 /l proceso sinttico genera cloruro de %idr&geno
que*ando cloro en %idr&geno+ segn la reacci&n> (! g" B cl! g" !(Cl g" (!53 Q G ??2!= cal. 1 La purea del ácido o-tenido depende de la purea del
%idr&geno # del cloro. No o-stante+ co*o estos dos gases se pueden adquirir en un estado *u# puro+ este *todo sinttico produce el cloruro de %idr&geno *ás puro que por ningn otro proceso. 1
1 /l cloro que 0iene *eclado con 0apor de agua pasa por
un trata*iento de secado en tres a-sor-edores+ donde se usa co*o liquido a-sor-ente ácido sul,rico el cual se re,rigera constante*ente". A*-os gases son lle0ados al que*ador. 1 La reacci&n es ,uerte*ente e'otr*ica
1 Los gases del %orno se a-sor-en en agua usando
un a-sor-edor de tantalio de-ido a que el ácido clor%)drico es e'tre*ada*ente corrosi0o para la *a#or parte de los *etales corrientes. 1 La a-sorci&n de (CL li-era unas @35 cal por g De (Cl a-sor-ido. /ste calor de-e eli*inarse sie*pre en el a-sor-edor+ pues en caso contrario la e,icacia de lo operaci&n será pequeKa 1 /l ácido clor%)drico aca-ado se saca por el ,ondo del a-sor-edor # el gas sin a-sor-er+ que pueda desprenderse por la parte superior del a-sor-edor+ se la0a con agua en una torre rellena.
DIA8RAMA DE +LOUES DE PRODUCCION DE ACIDO CLOR#IDRICO
APLICACIONES1 1 /l Cloro+ que en los co*ienos de la industria de cloroG
1
1 1 1 1 1
soda aparec)a co*o un su-producto+ dese*peKa %o# en d)a un papel predo*inante en> :ota-iliaci&n de agua de red> an no se %a descu-ierto un producto co*petidor con iguales # si*ultáneas caracter)sticas de desin,ecci&n+ poder residual # econo*)a Industria qu)*ica # ,ar*acutica. ;a-ricaci&n de *aterias pri*as plásticas> principal*ente :PC. (ipoclorito de Sodio # Acido Clor%)drico> deri0ados del proceso de producci&n de soda cáustica # cloro. ;a-ricaci&n de sol0entes+ pesticidas # re,rigerantes
/J/M:LOS /n los procesos de electrolisis del NaCl en ,ase acuosa seKálese cual de las raones siguientes constitu#e una 0entaEa co*parati0a del *todo de a*alga*a de (g respecto al de *e*-rana> 1 el consu*o elctrico 1 la purea # concentraci&n de la sosa producida 1 el i*pacto a*-iental de las aguas residuales
Indique las sustancias de entrada # salida en las corrientes del proceso
Indique las sustancias de entrada # salida en las corrientes del proceso de *e*-rana
2. Una instalaci&n de cátodo de *ercurio produce 2! td
de NaO( al =79. /l electroliador tiene 24 * de largo # contiene @77 g de *ercurio por t Cl!d producida. La tensi&n de tra-aEo es de 4+! P # el rendi*iento elctrico alcana el 379. A la salida del electroliador+ la sal*uera se reconcentra %acindola pasar a tra0s de un lec%o de NaCl. Deter*inar> 1. 0elocidad de circulaci&n del *ercurio en el electroliador *Ls" 1. intensidad de tra-aEo A" 1. coste energtico de la producci&n del Cl ! coste energ)a Q 7+74? dolares%" por dia 1.