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• Marcelo Alegria

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Universidad Antes Bello

UNIVERSIDAD NACIONAL DE JUJUY

FACULTAD DE INGENIERÍA

INTRODUCCIÓN

La industria de la química viene desarrollando procesos para transformar productos abundantes como el Cloruro de Sodio en productos de gran demanda industrial. Tal es así que a partir de una solución saturada de NaCl llamada salmuera se preparan tres intermediarios químicos, mediante un proceso electrolítico: Cl2, H2 y NaOH. .

OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL Aprender en que consiste el proceso Cloro-Soda. OBJETIVOS ESPECÍFICOS Conocer la materia prima requerida. Conocer que alternativas de proceso existen. Observar que factores intervienen en el proceso.

PROCESO CLORO SODA

El método industrial de producción que cubre los requerimientos de abastecer en cantidad, calidad y costos adecuados es el de electrólisis del Cloruro de Sodio. Por medio de este proceso se obtiene Hidróxido de Sodio, y paralelamente, Cloro e Hidrógeno.

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MATERIAS PRIMAS La materia prima base utilizada para este proceso son las siguientes: Salmuera Solución formada por altas concentraciones de Cloruro de Sodio (NaCl). Se la puede encontrar en condiciones naturales salares, lagos, ríos y mares donde la evaporación o congelación hace que aumente la concentración de esta sal, también es preparada para ser utilizada en la industria o la vida cotidiana, esto debido a que la diversidad de sus propiedades favorece su amplia aplicación. Utilizada como: 

Materia prima para procesos industriales como ser el Proceso Cloro-Soda.



La solución de salmuera sirvió de medio para desarrollar la pila voltaica.



En los sistemas de refrigeración, como medio de transmisión de calor, debido a su bajo punto de congelación, se utiliza como refrigerante secundario.



Para preservar y curar ciertos productos alimenticios, como elemento culinario, en la conservación de alimentos, siendo este un método práctico y económico, a la vez que aporta sabor, ejerce un efecto conservador e influye en la textura.

La salmuera debe pasar por un tratamiento previo para ser utilizada en el proceso. Agua EL agua desmineralizada, necesaria para el proceso de electrolisis de la salmuera.

PROCESO OBTENCIÓN DEL PRODUCTO En el proceso de electrolisis de la salmuera se obtiene como productos a el Cl2, H2 y NaOH. Para esto existen tres tecnologías.   

Electrolisis con celda de membrana. Electrolisis con celda de mercurio. Electrolisis con celda de diafragma.

Las reacciones involucradas, son las mismas independientemente del proceso y estas son: Disolución de la salmuera. NaCl → Na⁺ + Cl¯ Reacción en el ánodo. 2Cl¯(aq) → Cl₂(g) + 2e¯ Reacción en el cátodo. 2Na⁺(aq) + 2H₂O + 2e¯ → H₂(g) + 2Na⁺(aq) + 2 OH¯(aq) PROCESOS ELECTROQUÍMICOS

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Siendo esta la reacción global 2 Na⁺(aq) + 2Cl¯(aq) + 2 H₂O → 2Na⁺(aq) + 2 OH¯(aq)+ Cl₂(g) + H₂(g) ELECTRÓLISIS CON CELDA DE MEMBRANA La celda de membrana es una cámara que contiene electrodos y electrolitos con la particularidad de que estas celdas tienen una membrana semipermeable para separar los compartimentos de ánodo y el cátodo. Las reacciones que se producen son: Ánodo

2Cl¯→ Cl₂ + 2e¯

Cátodo

2H₂O + 2 e¯ → H₂ + 2OH¯ Na⁺ + Cl¯→ NaCl

FIGURA 1: CELDA DE MEMBRANA Fuente: 167657248-Cloro-Soda-Kelly

COMPONENTES DE LA CELDA Electrodo anódico: Titanio recubierto con un compuesto de Rutenio e Iridio, debido a su alta resistencia a la corrosión y larga vida útil. Electrodo catódico: Níquel recubierto con Ni activado. Membrana: Semipermeable tipo Nafion. PRODUCTOS Cloro El cloro producido deja las celdas junto con la salmuera agotada. Si se requiere cloro de gran pureza, debe agregarse ácido clorhídrico a la salmuera que alimenta a las celdas para reducir el contenido de Oxígeno en el Cloro.

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Hidróxido de Sodio El proceso también involucra un sistema de circulación de catolito. Una parte de la corriente de NaOH al 32% – 33% es reciclado e ingresa a las celdas. Antes de entrar, éste es diluido con agua desmineralizada hasta aproximadamente 30%, esta puede ser concentrada al 50% si es necesario. Hidrogeno El Hidrógeno puede ser enviado hacia consumo en plantas de ácido clorhídrico o de tratamiento de hidrógeno. FACTORES QUE INTERVIENEN EN EL PROCESO Salmuera (Anolito) Esta debe estar perfectamente purificada para evitar problemas en el ánodo por tanto en el proceso. pH El rango de operación permitido para el PH de la salmuera ultra pura que se alimenta a las celdas oscila entre 3 y 10, se debe controlar y monitorear continuamente el flujo de ácido clorhídrico, para mantener el PH del anolito mayor que 2. Durante la operación de un electrolizador, el PH del anolito normalmente se encuentra entre 3,5 y 4,8. Temperatura El rango óptimo de temperatura de anolito varía entre 85 - 92 ºC. Generalmente la temperatura del anolito será de 1 a 5 ºC más baja que la del catolito, ya que la temperatura de la salmuera que se alimenta a celdas es menor, si se compara con la temperatura de la soda cáustica que se recircula y entra a tos electrolizadores. Presión Para una eficiente operación de la membrana, la presión en el cabezal de hidrógeno debe ser mayor que la presión en el cabezal de cloro. Concentración de NaOH producto (Catolito) Es recomendable mantener los niveles de concentración de soda en un rango de 30 a 35 % o preferiblemente entre 30 y 32 % para obtener un menor consumo de energía.

Densidad de la corriente El límite permisible de densidad de corriente para la operación de los electrolizadores es 1.5 - 4.0 KA/m2. Voltaje El límite permisible de voltaje utilizado para la operación es de 2.7 a 3.3 V.

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Distancia La separación del electrodo es de 3 mm y entre la membrana y el electrodo de 1,5 mm. Pegados a los electrodos hay separadores que marcan estas distancias. PROCESO DE OPERACIÓN Saturación Es el primer paso de la operación, piletones en paralelo con rebalse, uno en carga, el otro en operación, salmuera agotada + sal + agua. Tanque sedimentador Se agrega Carbonato de Sodio e Hidróxido de Sodio para precipitar los iones Calcio y Magnesio. Purga, filtrado y disposición de barros. Filtros Para retención de sólidos. Son de carbón activado: elimina eventuales trazas de Cloro. Columnas de Intercambio iónico Elimina trazas de Calcio y magnesio. Reciclos Se recomienda que los electrolizadores de membrana sean operados con lazos de recirculación para la soda cáustica y la salmuera, con un intercambiador de calor. Esto permitirá optimizar la temperatura de las celdas y enfriar los electrolizadores en el caso que se detenga la planta y así evitar la producción de soda fuera de especificación. Operando con grandes volúmenes de soda, la planta se hace menos sensible a pequeñas perturbaciones, por ejemplo: variaciones en la alimentación de agua desmineralizada. Tanques elevados Para asegurar una alimentación de las celdas con un caudal y una presión constantes.

Decloración de la salmuera La salmuera agotada sale con Cloro disuelto, el cual debe ser eliminado, porque daña la resina de las torres de intercambio iónico. Tanques en serie, se acidifica, se inyecta aire y la mezcla de aire, Cloro y vapor de agua que sale se envía a la planta de tratamiento de Cloro. Luego se eliminan las trazas de cloro químicamente, con la inyección de Metabisulfito de Sodio en la línea de salmuera agotada.

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Purga Antes de llegar a los saturadores, para eliminar sulfatos impureza de la sal y cloratos se forman en la celda. lntercambio de calor Se intercambia calor entre la salmuera agotada (caliente) y la salmuera saturada que va a las torres de intercambio iónico (fría).

ELECTRÓLISIS CON CELDA DE MERCURIO Se emplea un cátodo de mercurio y un ánodo de titanio recubierto de platino u óxido de platino. El cátodo está depositado en el fondo de la celda de electrólisis y el ánodo sobre éste, a poca distancia. Las reacciones que se producen son: 2 Cl¯→ Cl₂ + 2e¯

Ánodo

Na⁺+ 1 e¯+ Hg →Na(Hg)

Cátodo

Descompondedor

H₂O + 1e¯ → 1/2 H₂+ OH¯

Na(Hg) - 1 e¯ → Na⁺+ Hg 2Na (Hg) + 2H₂O →2Hg + 2NaOH +H₂

FIGURA 2: CELDA DE MERCURIO Fuente: http://es.slideshare.net/shonEiter/new-proceso-de-obtencionde-cloro-gaseoso-e-hidroxido

La descomposición de la amalgama de sodio 0,5% en peso de sodio, formada para recuperar el mercurio. La base sobre la que está la amalgama está ligeramente inclinada y de esta forma va saliendo de la celda de electrólisis y se pasa a un descomponedor relleno con grafito en donde se añade agua a contracorriente. Al pasar por el descomponedor, se recupera el mercurio para su reutilización en el circuito.

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Regulando la cantidad de agua que alimenta el reactor es posible obtener directamente la soda a su concentración de comercialización, 50% en peso. ELECTRÓLISIS CON CELDA DE DIAFRAGMA Las celdas de diafragma contienen un diafragma, generalmente hecho de fibras de asbesto, para separar el ánodo del cátodo. Esto permite que los iones pasen a través de él por migración eléctrica, pero reduce la difusión de los productos. Las reacciones que se producen son: Ánodo

2Cl¯→ Cl₂ + 2e¯

Cátodo

2H₂O + 2 e¯ → H₂ + 2OH¯ Na⁺ + Cl¯→ NaCl

FIGURA 3: CELDA DE DIAFRAGMA Fuente: https://sites.google.com/site/quimicindust/

Los ánodos por lo general están hechos de grafito y los cátodos de hierro fundido y los diafragmas permiten la construcción de celdas compactas de resistencia disminuida, por lo que los electrodos tienen que colocarse juntos. Los diafragmas se obstruyen con el uso, lo que se manifiesta por una mayor caída de voltaje y por una presión hidrostática más alta en la alimentación de la salmuera, por lo que deben reemplazarse con seguridad. Una gran ventaja de la celda de diafragma es que puede funcionar con salmuera diluida en 20%, bastante impura.

COMPONENTES DE LA CELDAS DE:

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COMPONENTE Ánodo

MERCURIO RuO2 + TiO2 sobre sustrato de Ti

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Mercurio sobre acero

DIAFRAGMA RuO2 + TiO2 sobre sustrato de Ti Acero o acero recubierto con Ni activado

Diafragma

Ninguno

Asbesto, polyramix

Producto catódico Producto descompuesto Consumo

Amalgama de Sodio

10-12% NaOH, 1517% NaCl e H2 Ninguno

Cátodo

Voltaje de la celda [V] Densidad de corriente [Ka/m2]

50% NaOH, e H2

MEMBRANA RuO2 + TiO2 sobre sustrato de Ti Acero o recubrimiento catalítico a base de Ni sobre Ni. Membrana semipermeable 30-33% NaOH,