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• Rebeca López

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TECNOLÓGICO DE ESTUDIOS SUPERIORES DE SAN FELIPE DEL PROGRESO

SINTESIS Y OPTIMIZACION DE PROCESOS

PROTÓCOLO

“PRODUCCIÓN DEL CARBONATO DE SODIO”

DOCENTE: I.Q.I Nallely Guerrero Vidal

INTEGRANTES:

Vianey García Esquivel Paola Bautista Urzúa

INGENIERÍA QUÍMICA 702

SAN FELIPE DEL PROGRESO ESTADO DE MÉXICO A 4 DE DICIEMBRE DE 2017

INDICE INTRODUCCIÓN .............................................................................................................................. 3 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ......................................................................................... 4 HIPOTESÍS ....................................................................................................................................... 4 JUSTIFICACIÓN .............................................................................................................................. 4 OBJETIVOS ...................................................................................................................................... 4 GENERAL ......................................................................................................................................... 4 ESPECIFICO..................................................................................................................................... 4 MARCO TEORICO .......................................................................................................................... 5 REFERENCIAS ................................................................................................................................ 8 MÉTODO ELECTRE ....................................................................................................................... 9 MATRIZ DE CONCORDANCIA ..................................................................................................... 9 MATRIZ DE DISCORDANCIA ..................................................................................................... 10 PRUEBA DE DOMINANCIA ........................................................................................................ 10 SINTESIS DE SECUENCIA DE SEPARADORES ................................................................... 11 REGLAS HEURÍSTICAS .............................................................................................................. 11 METODO DE NADGIR Y LIU ...................................................................................................... 12

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INTRODUCCIÓN Actualmente existen dos procesos para la obtención de Carbonato de sodio, el primero es el proceso de Leblanc, que se remonta al año 1783 en donde el médico y químico Nicolas Leblanc diseñó el método para su obtención de Na₂CO₃ a partir de cloruro de sodio, ácido sulfúrico, carbón y piedra caliza (CaCO₃). Este método resultó ser muy contaminante, por lo que fue modificado para hacerlo mucho más limpio, aunque no del todo. Fue el primer proceso para obtener artificialmente carbonato de sodio (sosa).Haciendo reaccionar sal común (NaCl) con ácido sulfúrico (H₂SO₄) para dar sulfato de sodio (Na₂SO₄) y ácido clorhídrico (HCl) ,y que esta expresado mediante la siguiente ecuación balanceada: 2NaCl + H₂SO₄→ Na₂SO₄ + 2HCl El segundo proceso es el Solvay descubierto por Ernest Solvay en 1865 quien comenzó con verdadero éxito la primera planta Couillet en Bélgica. En 1874, la primera planta de amoniaco-sosa éxito fue erigido en Inglaterra. El proceso de amoniaco-sosa es la tecnología dominante utiliza en todo el mundo, por lo tanto, este proceso se ha seleccionado para producción de carbonato sódico, esta expresado por la siguiente ecuación: NaCl + Ca CO3 ↔ Na2CO3+ CaCl2

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PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

La producción de carbonato de sodio tiene dos procesos diferentes por lo que a través de métodos vistos en la asignatura Síntesis y Optimización de Procesos se determinara cuál de estos dos procesos es el más viable, además de rediseñar su proceso aumentando su eficiencia. HIPOTESÍS

El proceso de obtención de Carbonato de Sodio mejorara su eficiencia al realizar los métodos Electre, CRS, Análisis Pinch e Integración Térmica. JUSTIFICACIÓN Los procesos para obtención del carbonato de sodio se presentan en dos diferentes formas de las cuales se seleccionara una para rediseñarla, mejorar su eficiencia y ahorrar energía. Mediante estos procesos se puede determinar el mecanismo que satisfaga los parámetros necesarios y permisibles para llevar a cabo una elección de manera eficaz. OBJETIVOS

GENERAL 

Determinar el mejor proceso para la obtención de Carbonato de Sodio comparando sus resultados con los métodos pertinentes

ESPECIFICO 

Determinar a través del método Electre la mejor ruta de reacción para el proceso de obtención de Carbonato de Sodio



Determinar el menor Costo Relativo de Separación, tomando en cuenta las Reglas Heurísticas y el Método de Nadgir y Liu para el proceso de obtención de Carbonato de Sodio

4



Rediseñar la red de intercambiadores de calor en el proceso de Obtención de Carbonato de Sodio mediante el Análisis Pinch e Integración Térmica

MARCO TEORICO

Para el primer proceso el sulfato de sodio posteriormente se quema en hornos con carbón (C) y piedra caliza (CaCO3) para producir una “ceniza negra”. El carbonato de sodio (Na₂CO₃) se separa de la ceniza negra con agua, y lo que resta es el sulfuro de calcio (CaS). (Álvarez, 2011) Estas reacciones se expresan de la siguiente manera: Na₂SO₄ + 2C → Na₂S + 2CO2 Na₂S + CaCO₃ → Na₂CO₃ + CaS

Figura 1: Diagrama de proceso para la obtención de Carbonato de Sodio (Leblanc). Fuente: Este proceso tiene varias desventajas: 

Se consume mucha energía en la etapa de fusión



Es un proceso en régimen batch por lo que se necesita mucha mano de obra



Da lugar a problemas ambientales, ya que se libera cloruro de hidrógeno a la atmósfera 5

Dentro del segundo proceso ocurre lo siguiente; la piedra caliza (CaCO3) se descompone en cal (CaO), y la cal reacciona con agua para formar “lechada de cal”, Ca(OH)2 haciendo pasar amoníaco y dióxido de carbono (en estado gaseoso los dos) por una solución saturada de cloruro de sodio se forma carbonato ácido de sodio y cloruro de amonio(ambos solubles en agua). (Gaskue, 2012) NaCl + NH3 + CO2 + H2O --> NaHCO3 + NH4Cl El carbonato ácido de sodio se separa de la solución por filtración y se transforma en carbonato de sodio por calcinación: 2 NaHCO3 --> Na2CO3 + H2O + CO2 El cloruro de amonio obtenido se hace reaccionar con hidróxido de calcio y se recupera amoníaco: 2 NH4Cl + Ca (OH)2 --> 2 NH3 + 2 H2O + CaCl2 El óxido de calcio se produce en la misma fábrica por calcinación de carbonato de calcio (piedra caliza) y así se produce el dióxido de carbono necesario en la primera reacción: CaCO3 --> CaO + CO2

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Figura 2: Diagrama de Proceso para la Obtención de Carbonato de Sodio (Solvay). Fuente:

El proceso Solvay se lleva a cabo por disoluciones y ello hace que las condiciones de proceso se han más sencillas y el coste sea menor. La instalación Solvay se forma por cuatro pilares: 1. Columna de saturación 2. Columna de carbonatación 3. Columna recuperadora de amoniaco 4. Hornos de calcinación

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REFERENCIAS



Álvarez M. (2011). Procesos Leblanc y Solvay. Universidad Industrial de Santander, Facultad de Ingeniería Físico-Químicas, Ingeniería Química. Recuperado

el

22

de

Noviembre

del

2017,

del

sitio

web:

http://www.files.mundored.webnode.es/200000136.../procesos%20leblanc% 20y%20solvay.docx, a las 5:48 p.m. 

Gaskue I. (2012). Producción de carbonato sódico: Proceso Solvay. Ingeniería Quimica.Net. Recuperado el 22 de Noviembre del 2017, del sitio web:

http://www.ingenieriaquimica.net/articulos/294-produccion-de-

carbonato-sodico-proceso-solvay, a las 6:52 p.m.

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MÉTODO ELECTRE

A1 Método Leblanc A2 Método Solvay C1: Cuidado al

C2: Económico

Medio Ambiente

C3: Condiciones de Operación

A1

2

5

1

A2

5

4

4

W

5

3

5

W

.3847

.2306

.3847

C1

C2

C3

A1

_____

.2306

A2

.7694

________

𝑤

5

𝑤 = ∑𝑚

𝑗=1 𝑤1

5

= 5+3+5 = 13 = .3847

𝑤=

3 = .2306 13

𝑤=

5 = .3847 13

MATRIZ DE CONCORDANCIA

𝐶ℎ, 𝑘 =

∑ 𝑤𝑗 𝐴ℎ ∗ 𝑆𝐴𝑘

C1,2= .3847(Si 2≥5)+.2306 (Si 5≥4)+.3847 (Si 1≥4) =.2306 C2,1= .3847(Si 5≥2)+.2306 (Si 4≥5)+.3847 (Si 4≥1) = .7694

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MATRIZ DE DISCORDANCIA C1

C2

C3

A1

_____

3

A2

1

________

𝑑𝑛,𝑥 = 𝑀𝑎𝑥 𝑃𝑜𝑠𝑖𝑡𝑖𝑣𝑜 |𝐶𝑎𝑙𝑓𝐴𝑘,𝑗 − 𝐶𝑎𝑙𝑓𝐴ℎ,𝑗 | d1, 2 = Max. Positivo |(5 − 2), (4 − 5), (4 − 1)| = 3, -1, 3 = 3 d2, 1 = Max. Positivo |(2 − 5), (5 − 4), (1 − 4)| = -3, 1, -3 = 1 PRUEBA DE DOMINANCIA

𝑝̅ =

∑ 𝐶𝑖, 𝑗 1 = = 0.5 𝑛 (𝑛 − 1) 2

𝑞̅ =

∑ 𝑑𝑖, 𝑗 4 = =2 𝑛 (𝑛 − 1) 2

𝐶𝑖,𝑗 > 𝑝 𝑑𝑖,𝑗 < 𝑞

Dominancia

Dominancia

F-C

Jerarquía

por fila

por Columna

A1

--------

A2

0-1 = -1

2 do Lugar

A2

A2

--------

1-0 =1

1 er Lugar

ANALISIS DE RESULTADOS El método Electre determino que el mejor proceso para la obtención del Carbonato de Sodio es el “SOLVAY”.

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SINTESIS DE SECUENCIA DE SEPARADORES Reglas Heurísticas

1.- Remover primero las especies corrosivas y peligrosas. 2.- Remover las especies más abundantes al principio. 3.- Dejar las separaciones difíciles para el final. 4.- Si no hay separaciones difíciles los componentes deben ser removidos de la mezcla en orden decreciente de la propiedad que facilita su separación. 5.- Separar en partes iguales. 6.- Si dos o más componentes con temperatura de ebullición adyacentes, sean de reciclar o extraer del proceso en una misma corriente, no deben de separarse. 7.- Remover inmediatamente del sistema cualquier agente de separación después de usarlo por ejemplo destilación extractiva. Volatilidad 𝛼=

𝐾𝐴 𝑃𝑣𝑎𝑝 = 𝐴𝑣𝑎𝑝 𝐾𝐵 𝑃𝐵

𝛼 = 𝐴⁄𝐵 = > 1.2 → 𝐷𝑒𝑠𝑡𝑖𝑙𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑆𝑖𝑚𝑝𝑙𝑒

A B C D E F

Componente

T eb (°C)

Amoniaco Salmuera Piedra Caliza Agua Cloruro de Calcio Carbonato de Sodio

-33.4 150* 1339 100 1935

Moles/ min 58 20 60 4 2

1600

4

11

T eb (°C)

∆T

2

1935

------

4

1600

335

60 20 4 58

1339 150* 100 -33.4

Componente Moles/min A

Cloruro de Calcio B Carbonato de Sodio C Piedra Caliza D Salmuera E Agua F Amoniaco

261 1189 50 133.4

Rombo de Seguridad

CLORURO DE CALCIO

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CARBONATO DE SODIO

PIEDRA CALIZA

SALMUERA

AGUA

13

AMONIACO

A A B B C B

C B

D D E F

E F

B C C

C

D E

D D E

F

E

A/B  Componente más peligroso E/F  Segundo componentes más peligroso C/D  Componente de fácil Separación B/C  D/E 

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𝑪𝑹𝑺 =

𝑭𝑨 + 𝑭𝑩 + 𝑭𝑪 + 𝑭𝑫 + 𝑭𝑬 + 𝑭𝑭 𝑭𝑩 + 𝑭𝑪 + 𝑭𝑫 + 𝑭𝑬 + 𝑭𝑭 + ∆𝑻𝒆𝒃𝑨/𝑩 ∆𝑻𝒆𝒃𝑬/𝑭 𝑭𝑩 + 𝑭𝑪 + 𝑭𝑫 + 𝑭𝑬 𝑭𝑩 + 𝑭𝑪 𝑭𝑫 + 𝑭𝑬 + + + ∆𝑻𝒆𝒃𝑪/𝑫 ∆𝑻𝒆𝒃𝑩/𝑪 ∆𝑻𝒆𝒃𝑫/𝑬

METODO DE NADGIR Y LIU

Coeficiente de Fácil Separación 𝐶𝐹𝑆 = 𝛿 ∗ ∆ Donde: 𝛿 = Relación de flujos molares de los componentes en el corte D/B O B/D dependiendo del que resulte menor o igual a la unidad, D corresponde a la suma de flujos de los componentes que salen por el domo y B a la suma de los que salen por el fondo. ∆ = Diferencia de temperaturas de ebullición de los cortes adyacentes o si se tienen datos de volatilidad relativa entonces se calcula: ∆ = (𝛼 − 1)𝑥 100

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