DISEÑO DE PROCESOS INDUSTRIALES I
DISEÑO DE UNA FABRICA DE CLORO E HIDROXIDO DE SODIO
INTRODUCCIÓN
El método más usado en la actualidad para la producción de cloro e hidróxido de
sodio es la electrólisis del cloruro de sodio o sal común con producción
simultánea de hidróxido de sodio, cloro, pudiéndose además producir ácido
clorhídrico, esto hace que exista una relación directa en la producción de
estos tres compuestos químicos. La característica común de estos tres productos
corresponde a la materia prima siendo esta la sal común.
Bolivia posee las reservas de sal mas grandes del mundo con reservas superiores
a 64,000*106 TM de sal solo en el Salar de Uyuni, El salar de Uyuni es una de
las reservas más importantes de salmueras a nivel mundial y representa una base
para el desarrollo de proyectos químico - industriales, en un área de la
geografía boliviana de escasa presencia humana y mínimos recursos agrícolas y
ganaderos. El principal centro poblado es la localidad de Uyuni, nudo
ferroviario venido a menos y centro de abastecimiento del
resto de los escasísimos centros habitados del área.
El salar más explotado en Bolivia
es el salar de Coipasa con reservas aproximadas de 15,000*106 TM ya que posee
un área de la cuarta parte del
salar de Uyuni.
De difícil accesibilidad y las dificultades técnicas en la explotación
intensiva los salares nacionales son explotados por los comunitarios para luego
cargar la sal en camiones con destino a las ciudades de La Paz, Oruro y Cochabamba donde es procesada
para su consumo.
1. IDENTIFICACIÓN DEL PRODUCTO
1.1 CLORO (Cl2)
El cloro es el undécimo elemento más común de la corteza terrestre(el 0,045% de
ésta es cloro) y está ampliamente extendido en la naturaleza. Los científicos
han detectado más de 2400 compuestos basados en el cloro. Éstos se producen de
forma natural como resultado de la reacción del cloro con los
compuestos orgánicos existentes en el medio ambiente.
Algunos de ellos poseen propiedades antibacterianas y anticancerígenos. Las
principales fuentes naturales de los compuestos organoclorados son los océanos
(casi un 3% de los mismos es cloro), los incendios forestales y la actividad
nicótica
La misma vida animal depende del
cloro y de sus cualidades para reaccionar con otros elementos. En los seres
humanos, la sangre, la piel y los dientes contienen cloro, incluso los
leucocitos o los glóbulos blancos de la sangre necesitan este producto para
combatir las infecciones.
1.2 HIDROXIDO DE SODIO (NaOH)
El hidróxido de sodio o sosa cáustica es una base fuerte en estado sólido es
presentado en forma de trozos, escamas, hojuelas, granos o barras. Es una
sustancia blancuzca, altamente higroscópica, y se disuelve en agua siendo esta
reacción exotérmica. Su uso comercial más importante es en la fabricación de
jabones, rayón y celofán. También se emplea para procesar pasta de papel, en
las refinerías de petróleo, y para obtener otros productos químicos.
Lejía de sosa o licor cáustico, es el término que se ha utilizado para llamar a
la disolución acuosa, es un líquido incoloro. En cualquier forma el NaOH ataca
a elementos orgánicos, siendo un material de gran cuidado.
2. CARACTERISTICAS
2.1 CLORO
2.1.1 CARACTERISTICAS FISICAS
El cloro en su forma natural es un gas amarillo
verdoso que puede licuarse fácilmentea una presión de 6,8 atmósferas y
20 sC. Este gas es irritante y muy concentrado es venenoso. Es 2.5 veces
más denso que el aire, más o menos soluble en agua y fácilmente licuable
2.1.2 CARACTERISTICAS QUIMICAS
El cloro es gran oxidante, reacciona fuertemente con los metales alcalinos en
reacciones exotérmicas. El cloro es un elemento activo, que reacciona con agua,
con compuestos orgánicos y con varios metales. Se han obtenido cuatro óxidos:
Cl2O, ClO2, Cl2O6 y Cl2O7.
El cloro no es inflamable pero refuerza la combustión; por ejemplo en una vela
ordinaria el cloro reacciona exclusivamente en presencia de luz.
2.1.3 CARACTERISTICAS FISICOQUIMICAS
Las características fisicoquímicas pueden describirse en la siguiente tabla.
CUADRO 2-1 CARACTERISTICAS FISICOQUIMICAS DEL CLORO
CARACTERÍSTICA
VALOR
Símbolo:
Cl2
Clasificación:
Elementos Halógenos
Grupo:
17 No Metal
Número Atómico:
17
Masa Atómica:
35,4527
Valencia:
+1, +5, +7, -1
Estado y color general:
Gas verdoso-amarillo
Entalpía de fusión (kJ.mol-1):
3,205
Entalpía de vaporización (kJ.mol-1):
10,202
Punto de Fusión (sC):
-101,5
Punto de Ebullición (sC):
-34,04
Densidad (kg/m3):
3,214; (0 sC)
FUENTE: Elaboración propia
2.2 HIDROXIDO DE SODIO
2.2.1 CARACTERISTICAS FISICAS
El hidróxido de sodio es una base fuerte presente en forma sólida en forma
sólida de escamas, hojuelas o granos. Al contacto con el agua produce una
reacción exotérmica. El NaOH convierte algunos materiales de origen vegetal o
animal en materiales solubles por acción química. Por esta propiedad NaOH es
cáustico, destruye la piel, el cabello y la lana ytodo material orgánico.
2.2.2 CARACTERISTICAS QUIMICAS
El NaOH reacciona con las grasas en el proceso de saponificación para dar
jabón y glicerina, también es utilizado para neutralizar ácidos, por sus
propiedades básicas. Se vende en el comercio con el nombre de lejía o de sosa
cáustica
2.2.3 CARACTERISTICAS FISICOQUIMICAS
Las características fisicoquímicas pueden resumirse en la siguiente tabla:
CUADRO 2-2 CARACTERISTICAS FISICOQUIMICAS
DEL HIDROXIDO DE SODIO
CARACTERÍSTICA
VALOR
Fórmula Química:
NaOH
Peso Molecular:
40.00
Punto de Fusión (sólido):
318 sC
Punto de Ebullición:
1390 sC
Peso Específico:
2,13 g/cm3
Solubilidad en agua (20sC):
109 g / 100 g agua
Estado y color general:
Escamas Blancas
Punto de fusión (líquido):
12 – 15 sC
Punto de Ebullición:
142 - 148 sC
Densidad:
1,52 g / cm3
Solubilidad en agua:
Completa
FUENTE: Elaboración propia
3. APLICACIONES
3.1 CLORO
El cloro, utilizado solo o en forma de hipoclorito sódico, actúa como un potente
desinfectante. Añadido al agua destruye rápidamente las bacterias y otros
microbios que ésta pueda contener, lo que garantiza su potabilidad y ayuda a
eliminar sabores y olores. La mayor parte del suministro de agua potable en Europa
occidental depende de la cloración.
En las piscinas el uso de hipoclorito sódico es imprescindible para evitar la
proliferación de algas u hongos, eliminar los organismos patógenos y asegurar
unas condiciones higiénicas óptimas.
En el ámbito de la sanidad el cloro está presente en la fabricación del 80% de
los medicamentos, de muchos de los instrumentos y utensilios médicos y en los
productos delimpieza y desinfección de los hospitales.
En la industria del automóvil se usa para
producir el nylon de los cinturones de seguridad y de los air bags, los
parachoques, alfombrillas, salpicaderos, y anticongelantes. Su aplicación en la
obtención de materias plásticas ha servido para reducir el peso de los principales
medios de transporte (automóvil, barco y avión) lo que ha redundado en un
ahorro del
consumo energético.
En el sector de la construcción se emplea el plástico PVC, que contiene un 57%
de cloro, para marcos de ventana, tuberías y cables. Se emplea cloro en la
fabricación de otros plásticos, de fibra de vidrio para aislamiento, de
adhesivos de silicona, de pintura, entre otros muchos materiales.
El cloro también es requerido en una gran diversidad de sectores industriales:
interviene en la elaboración de productos cosméticos, de juguetes, aparatos de
televisión o CD's. También es un componente básico para la fabricación de
equipos de comunicación de radio, de teléfonos, microprocesadores y equipos
informáticos.
El uso de compuestos clorados en la producción de fitosanitarios mantiene sanos
los cultivos y asegura la calidad y cantidad de las cosechas.
En el sector de la construcción se emplea el plástico PVC, que contiene un 57%
de cloro, para marcos de ventana, tuberías y cables. Se emplea cloro en la
fabricación de otros plásticos, de fibra de vidrio para aislamiento, de
adhesivos de silicona, de pintura, entre otros muchos materiales.
El cloro también es requerido en una gran diversidad de sectores industriales:
interviene en la elaboración de productos cosméticos, de juguetes, aparatos de
televisión o CD's. También esun componente básico para la fabricación de
equipos de comunicación de radio, de teléfonos, microprocesadores y equipos
informáticos.
El uso de compuestos clorados en la producción de fitosanitarios mantiene sanos
los cultivos y asegura la calidad y cantidad de las cosechas.
El cloro realiza una doble función para mantener la calidad de vida de las
personas: por un lado, es el elemento imprescindible para el tratamiento y la
potabilización del agua y para la prevención y el combate de enfermedades
infecciosas; y, por el otro, es la materia básica para la fabricación de buena
parte de los productos que
En la medicina más del 80 % de todos los medicamentos y vitaminas sintéticas,
se elaboran con cloro y en un 30 % de los mismos, el cloro forma parte
indispensable de ellos.
El cloro se utiliza para fabricar catalizadores para la obtención de cadenas de
polietileno (HDPE, LLDPE) y polipropileno (PP) de alta y baja densidad.
Como un decolorador, el cloro se emplea, o se
empleaba en la industria papelera y del
algodón, para el blanqueo de la pasta.
En la agricultura proporciona el 97 % de nuestros alimentos y la abundancia de
los mismos depende de nuestra capacidad para garantizar el éxito de las
cosechas. Hoy día, más de una tercera parte de las mismas es destruida por las
enfermedades y depredadores, mientras la mitad de la población de nuestro
planeta sufre malnutrición.
Se calcula que el 10 % de las cosechas de cereales es víctima de las malas
hierbas, entre el 5 % y el 15%, de enfermedades y casi el 30 % es destruido por
los insectos. Una nube de langostas, por ejemplo, es capaz de devorar en un
sólo día hasta 100 000 toneladas devegetales.
El cloro es la base de numerosos productos fitosanitarios que permiten evitar
la destrucción de las cosechas por las enfermedades criptogámicas, roedores y
la invasión de malas hierbas. Es uno de los constituyentes de la nueva
generación de protectores de cosechas que tienen las ventajas de ser selectivos,
más fácilmente degradables y se utilizan en menores dosis. El 50 % de los
productos fitosanitarios registrados contienen cloro (el 96 % en U.S.A.).
Gracias al cloro se pueden desinfectar los suelos utilizando fumigantes y
nematocidas, luchar contra las enfermedades criptogámicas mediante fungicidas,
proteger el crecimiento de las plantas mediante herbicidas selectivos y
eliminar ciertos depredadores utilizando insecticidas.
3.2 HIDRÓXIDO DE SODIO
El hidróxido de sodio tiene muchas aplicaciones entre las cuales podemos
mencionar:
En la neutralización de la acidez de los alimentos pueden utilizarse hidróxidos
de sodio como
de magnesio, calcio, potasio.
En la fabricación de detergentes (sintético) estos se obtienen tratando un
compuesto aromático, derivado del
benceno, con ácido sulfúrico, neutralizándolo posteriormente con hidróxido de
sodio para transformarlo en su sal de sodio. Los productos detergentes
obtenidos mediante estas reacciones fueron muy utilizados a finales de los años
cuarenta y principios de los cincuenta, y resultaron bastante efectivos en agua
dura y en agua fría, condiciones en las que el jabón era a menudo ineficaz.
Pero estos detergentes resultaron ser perjudiciales, ya que, a diferencia de
los jabones, no eran solubles ni biodegradables; una vez en agua tendían a
permanecer en ella, y no setransformaban en sustancias más solubles y menos
complejas. Solían formar espuma en desagües y en las plantas de aguas
residuales, e incluso aparecían en aguas superficiales y subterráneas.
En la fabricación de jabones en base a grasas, las grasas y aceites utilizados
son compuestos de glicerina y un ácido graso, como el ácido palmítico o el
ácido esteárico. Cuando estos compuestos se tratan con una solución acuosa de
un álcali, como
el hidróxido de sodio, en un proceso denominado saponificación, se descomponen
formando la glicerina y la sal de sodio de los ácidos grasos. La palmitina, por
ejemplo, que es el éster de la glicerina y el ácido palmítico, produce tras la
saponificación palmitato de sodio (jabón) y glicerina.
En la producción de papel el proceso químico más antiguo fue introducido en
1851, y emplea una disolución de sosa cáustica (hidróxido de sodio) como disolvente. La madera se cuece o digiere
en esta solución en una caldera a presión. Las fibras producidas con este
proceso no son muy resistentes, pero se utilizan mezcladas con otras fibras de madera. Un proceso
empleado con frecuencia en la actualidad utiliza como disolvente sulfato de sodio o de
magnesio.
En la fabricación de Rayon, este puede obtenerse de dos modos: por el proceso
viscosa y por el cuproamónico. En el primero se trata celulosa purificada con
hidróxido de sodio, y posteriormente con disulfuro de carbono, formándose un
líquido viscoso amarillo
llamado viscosa. En el segundo proceso, la celulosa purificada es tratada con
cuproamonio (solución amoniacal de óxido de cobre (II)), y luego con hidróxido
de sodio para formar viscosa.
El rayon es un tejido artificial, compuestode celulosa extraída de la pulpa de
algunos árboles como
los abetos. Desde su obtención, alrededor de 1900, se ha utilizado en numerosos
productos textiles. Al principio fue denominado seda artificial por su parecido
con la seda en su forma filamentosa, pero la composición química del rayón y la seda es
totalmente diferente.
En la extracción del Uranio. En el procedimiento clásico para extraer uranio se
separa la pechblenda y se mezcla con ácido sulfúrico y ácido nítrico. El uranio
se disuelve así formando sulfato de uranilo (UO2SO4); el radio y los demás
metales que se encuentran en la mena de pechblenda se precipitan como sulfatos. Al añadir
hidróxido de sodio, el uranio precipita como
diuranato de sodio (Na2U2O7·6H2O), conocido también como
óxido amarillo
de uranio. Para obtener uranio de la
carnotita.
4. COMERCIALIZACION
4.1 CLORO
4.1.1 SECTORES CONSUMIDORES
La principal aplicación del
cloro es el tratamiento de aguas para consumo humano, y en menor cantidad en
las fundiciones para el procesado de lodos.
CUADRO 4 - 1 SECTORES INDUSTRIALES QUE UTILIZAN
CLORO
CIIU
SECTOR
4100
Captación, depuración y distribución de agua.
2423
Fabricación de productos farmacéuticos y medicamentos para uso médico y
veterinario. (Apósitos, vendajes, cementos dentales, productos botánicos).
2421
Fabricación de plaguicidas y otros productos químicos de uso agropecuario.
(Insecticidas, raticidas, fungicidas, reguladores del crecimiento de las plantas, herbicidas,
desinfectantes, etc.).
FUENTE: Elaboración propia con base en datos del INE
CUADRO 4 - 1 SECTORES INDUSTRIALES QUE UTILIZAN
CLORO (continuación)
CIIU
SECTOR
1712
Acabado deproductos textiles (blanqueo, teñido, etc., cuando no se produce en
la misma unidad en que se hace el tejido o el hilado).
2413
Fabricación de plásticos en formas primarias, caucho sintético, resinas sintéticas
y fibras artificiales.
División 21
Fabricación de papel y de productos de papel.
FUENTE: Elaboración propia con base en datos del INE
4.1.2 FORMA DE PRESENTACION
Cloro en polvo disolución rápida, al 60%, indicada para piscinas pintadas y
para tratamiento de shock.
Cloro en polvo disolución lenta, al 90%, indicada para piscinas revestidas.
Cloro en pastillas de disolución lenta de 50 gr., para usar en boyas
dosificadoras de cloro.
Cloro en pastillas de disolución lenta de 200 gr., para usar en boyas
dosificadoras de cloro.
Presentación: envases de 1Kg., 5 Kg., 10 Kg., 20 Kg., tambor de 136 Kg.
CLORO EN BOTELLONES
CLORO EN ENVASES PLASTICOS
4.2 HIDROXIDO DE SODIO
4.2.1 SECTORES CONSUMIDORES
Los principales consumidores de sosa cáustica son las industrias de jabones,
papel, algodón, cristales, en las cuales son utilizadas como blanqueadores o
decolorantes, mientras que en las industrias de alimentos y bebidas se utiliza
como producto de limpieza y desinfectante de áreas de trabajo y mínimamente en
la regulación del PH de los alimentos. Se aplica también en el tratamiento de
resinas iónicas para su regeneración.
De acuerdo a la información proporcionada por el INE, los sectores consumidores
de NaOH son:
CUADRO 4 - 2 SECTORES INDUSTRIALES QUE UTILIZAN
HIDROXIDO DE SODIO
CIIU
SECTOR
1514
Elaboración de aceites y grasas de origen vegetal y animal.
1542
Elaboración de azúcar de caña y deremolacha. Elaboración de sacarosa.
1553
Cervecerías y fabricación de maltas.
1554
Fabricación de bebidas sin alcohol y aguas de mesa minerales o no.
2424
Fabricación de jabones, artículos de limpieza, artículos de tocador y
preparados para pulir y limpiar (bruñidores, pomada para calzado, polvos
abrasivos, ceras, glicerina, etc.).
División 21
Fabricación de papel y de productos de papel.
FUENTE: Elaboración propia con base en datos del INE
4.2.2 FORMAS DE PRESENTACIÓN
Se conoce como
sosa cáustica al hidróxido de sodio en estado sólido en forma de trozos,
escamas, hojuelas, granos o barras.
5. INDUSTRIAS EN BOLIVIA
Las fábricas productoras de sal, hidróxido de sodio e hidrógeno son
respectivamente:
La Paz
Águila Real
Illampu
San Juanito Ltda. 'Imperial'
Prodisal Ltda 'Perla Andina'
Productos Nuevo Amanecer
Insalpri 'Primordial'
La Vicuña
Simpo Ltda 'Princesa Real' (Viacha)
Oruro
Amadito
Improsal 'Yayita'
Productos Paulita
El Doradito (Eucaliptus Prov» Tomás Barran)
Margarita
Productos Lainal 'Sarita'
Ind. Molinera Oriente
Insalyo
Molinos Gerli.
Molinos San Pedro 'Doña Nancy'
Molinos Oriental 'La Cruceña'
Molinos Altiplano 'Marlenita'
Molinos Copacabana 'Blanquita' 'Delicia Tropical'
Molinos Santa Maria 'Guadalupe'
Cochabamba
Productos Inca
Productos San Joaquín
Nuestra Sra. de Lourdes
Productos Maguita
Productos Nectar (con registro regional)
Pisabol 'Salórito'
CUADRO 4 - 3 EMPRESAS EN BOLIVIA
EMPRESAS
PRODUCCIÓN
QUIMVAR
Química Industrial Vargas
SAMCO
Ácido Cloridrico
Hipoclorito de Sodio
Ácido Muriático
Electrolito
Ácido Clorhidrico
Ácido Sulfúrico
Soda Caústica
Hipoclorito deSodio
FUENTE: Dirección de sustancias químicas controladas
6. IMPORTACIONES
6.1 CANTIDAD IMPORTADA Y PRECIO
CUADRO 6 - 1
IMPORTACIÓN DE SODA CÁUSTICA - CLORO (1991 - 2001)
GESTION
SODA CÁUSTICA (TM)
CLORO (TM)
1991
1992
1993
1994
1995
1996
1997
1998
1999
2000
2001
1992.7
1876.7
2211.3
2183.3
1995.8
1651.9
1783.7
1403.7
1053.0
1127.0
1687.1
10.0
38.0
10.6
41.7
45.4
22.0
65.0
73.0
44.1
26.7
102.6
FUENTE: Instituto Nacional de Estadística INE
CUADRO 6 – 2
PRECIOS REGISTRADOS EN EL PERÍODO 1999
Producto
Precio ($us/Ton)
Fuente
Soda Caústica
Cloro
250
1600
Inti Raymi
Aguas del Illimani
FUENTE: Elaboración propia
7. LOCALIZACION
La planta química estará ubicada en el departamento de Oruro, en las afueras de la ciudad.
La localización industrial corresponde a las facilidades básicas que ofrece la
ubicación mencionada.
La sal se extraerá del salar de Coipasa
(departamento de Oruro).
Su elección se basa en la cercanía del
yacimiento y que actualmente existen grupos familiares que se dedican a la
explotación de sal y trona para el consumo interno (tanto para consumo en el
ámbito familiar o a nivel industrial).
8. MATERIAS PRIMAS
8.1 SALARES
El altiplano y la cordillera occidental tienen muchas salinas y lagos alcalinos, tanto como
los salares mas grandes del
mundo, muchos minerales industriales se asocian con estos ambientes. Las sales
explotadas de los salares pueden incluir muchos minerales, algunos de los
cuales son halita, yeso, trona, natron, mirabilita, ulexita, colemanita y
bórax. Hay más de 200 lagos salinos alcalinos y
salares en el altiplano cuyo rango detamaño va de menos de un km2 a más de
10000 km2 y representan uno de los recursos más grandes de Bolivia.
CUADRO 8-1
SALARES DE BOLIVIA
N°
Salar
Extensión (km2)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Salar de Uyuni
Salar de Coipasa
Salar de Empexa
Salar de La Laguna
Salar de Laguáni
Salar de Chiguana
Salar de Ollague
Salar Chiar Kkota
Salar Ramaditas
Salar Chulluncani
Salar de Pastos Grandes
Salar Capina
10582
2218
191
33
71
254
2
3
4
1
100
40
FUENTE: “Geografía Económica”: Motes de Oca
8.1.1 SALAR DE UYUNI
El salar de Uyuni es el más grande, con una extensión de aproximadamente 9.000
km2, abarca en latitud desde 19s 30’ hasta 20s 35’ Sur y en longitud desde 67s
hasta 68s 20’ Oeste. Tiene una longitud máxima de 140 kilómetros. El salar de
Uyuni, según Risacher, es la costra de sal más gran del mundo es la costra de
sal más grande del mundo que aunque en época de estiaje, tiene la apariencia de
ser una costra muy compacta, dura y seca; pero es lo contrario y se define el
salar como un lago subterráneo de salmuera dentro de una capa de cloruro
sódico. El espesor máximo de la primera costra de sal es de por lo menos 10 m.
perforaciones que alcanzaron los 121 m encontraron 11 estratos de sal, de
espesores diferentes desde 2 hasta 20 m, y se supone que a mayor profundidad
pueden seguir existiendo otras capas de sal intercaladas con sedimentos
lacustres. Estos sedimentos que pueden tener hasta 13 m de espesor, son
arcillas impermeables con una porosidad media de 50% también rellenadas con una
salmuera intersticial. Investigacionesen los primeros 10 m mostraron que la
naturaleza de la sal es la halita (NaCl) en su gran mayoría es costras
estratificadas con una porosidad global de 35%. También se encontró algo de
silvita (KCl) y yeso (CaSO4H2O) que rellenan los intersticios de la halita.
El nivel freático de la salmuera, dentro la costra, sube y baja según la
estación.
Ballivián Risacher calculan un volumen de sal cristalizada (halita) de 32 km3 y
un volumen de la salmuera de 13 km3. Tomando en cuenta una densidad de 2 para
la halita se llega atener una reserva de 64 000 millones de toneladas de NaCl
en la costra del salar.
8.1.2 SALAR DE COIPASA
El salar de Coipasa es el siguiente en extensión, abarca en latitud desde 19s
05’ hasta 19s 30’ Sur y en longitud desde 67s 55’ hasta 68s 30’ Oeste. Es el
segundo salar de Bolivia, en orden de magnitud, la costra de la depositada es
similar a la del salar de Uyuni y por analogía con este, suponiendo una misma
pendiente para el fondo de las cuencas se obtendría una profundidad máxima
entre 4 y 5 m. Análisis de tres muestras de salmueras superficiales del sur del
salar a 5 Km. de distancia una de otra dieron: 580, 210, 240 ppm Li y 20000,
7700, 8500 ppm K respectivamente.
El salar de Coipasa ha producido pequeñas cantidades de sal y boratos. Las
salmueras del salar de Coipasa están enriquecidas en aluminio, boro, calcio,
cobalto, potasio, litio, magnesio y estroncio.
8.1.3 SALAR DE CAPINA
Es un salar con un gran espesor de sedimentos que de abajo arriba presenta: Un
nivel arcilloso limoso antiguo; una costra carbonatada fracturada por el hielo
(pingos); un nivel de material arcillo-arenoso, encima de la
costra,frecuentemente erodado; un relleno reciente en las depresiones del nivel
anterior; este nivel tiene mayos importancia hacia el centro del salar; la
ulexita esta presente en la mayor parte del salar y su deposición esta
relacionada con la ascensión de la napa subterránea. Se estima una reserva de
900 000 ton de ulexita pura, que corresponden a 120000 ton de boro.
8.1.4 SALAR DE EMPEXA
El salar de Empexa cuyo centro tiene las siguientes coordenadas 20s 15’ Sur y
68s 35’ Oeste, se encuentra en el departamento de Potosí. A pesar de su
ubicación vecina al salar de Uyuni no es un apéndice de este. Por su altura de
3117 m se encuentra a 64 m por encima de aquel.
Es un salar con un gran espesor de sedimentos salinos y una napa subterránea
subaflorante. Existen varias secuencias de arcillas/calcita/yeso/halita,
correspondientes a otras lacustre. Análisis químicos de las salmueras dieron
320 ppm de Li y 10000 ppm de K.
Foto 1: Salar de Uyuni
8.2 TRANSPORTE
Para el transporte de la materia prima se pueden utilizar las siguientes vías
de comunicación:
Ferroviario.- El tramo férreo de la Red Andina, que unen La Paz, Oruro, Río
Mulato, Uyuni, Villazón. Este medio de comunicación pasa próximo a los sales de
Coipasa y Uyuni.
Caminero.- La carretera La Paz, Oruro, Potosí que pasa cerca de los centro de
abastecimiento de materia prima.
9. INSUMOS
9.1 CARBONATO DE CALCIO E HIDRÓXIDO DE SODIO
Se utilizan para la purificación de la salmuera, la adición de estos compuestos
químicos hacen que se precipiten compuestos de calcio, hierro y magnesio que
tienden a obturar las celdas.
9.2 ACIDO SULFURICO
El medio para secar los gaseses el ácido sulfúrico, por su capacidad absorbente
de agua. La concentración de entrada del ácido será de 98% y tomaremos la
concentración de salida de 85%.
10. SERVICIOS
10.1 AGUA
El agua es un insumo necesario para el proceso de producción. Por esto se
requiere un abastecimiento continuo.
El parque industrial de Oruro no cuenta con un sistema de distribución de agua
por lo que es necesario la perforación de pozos de aproximadamente 10 metros de
profundidad, en caso de que la planta se encuentre en la zona industrial de la
ciudad de El Alto la proveedora de agua potable podría ser Aguas del Illimani o
bien construir un pozo donde se almacene el agua de los deshielos.
10.2 ENERGIA ELECTRICA
La energía eléctrica es de vital importancia para el funcionamiento de la
planta, especialmente para el funcionamiento de las celdas electrolíticas.La
instalación eléctrica consta de dos tipos de corriente la monofásica para las
oficinas de la planta y otras dependencias y la trifásica de 380 V para la
planta (motores).
10.3 COMBUSTIBLE
El gas natural resulta ser el mejor combustible para el secado de la sal, el
costo aproximado es de 12,000 $us de instalación de un sistema de gas natural
para 377 Kw a 300 mbar tanto externo como interno.
11. PROCESO DE FABRICACION
11.1 PROCESOS ALTERNATIVOS DE FABRICACIÓN DE CLORO
La primera materia para la obtención industrial del cloro era antes solamente
el ácido clorhídrico que se formaba, como subproducto en la primera fase del
proceso de fabricación de la sosa LEBLANC (en la preparación del sulfato
sódico). Substituido gradualmente el proceso LEBLANC por el de la sosa al
amoniaco, fue precisoemplear para la obtención del cloro el cloruro cálcico
contenido en las lejías de desecho, o el cloruro amónico contenido en las aguas
madres, previa recuperación del amoníaco. Lo relativamente fácil de descomponer
que es el cloruro de magnesio, que existe en enormes cantidades en las lejías
de desecho de la industria potásica de Stassfurt, y la posibilidad de convertir
el cloruro de calcio en cloruro de magnesio, condujo a establecer procesos que
tenían por objeto la obtención de cloro (o de ácido clorhídrico) partiendo de
tales subproductos. Modernamente han adquirido una importancia cada vez mayor
los métodos electrolíticos de obtención del cloro (partiendo de los cloruros, y
en especial de los alcalinos), de suerte que hoy la mayor parte del cloro se
obtiene por esta vía, y los antiguos métodos han perdido casi toda su
importancia.
Aunque los esfuerzos realizados para aumentar las posibilidades de empleo del cloro
electrolítico han conducido, entre otros, a enfocar e! problema de la obtención
del ácido clorhídrico partiendo del cloro, no ha sido con todo completamente
eliminada la obtención del cloro partiendo del ácido clorhídrico, hasta el
punto de que modernamente el antiguo método DEACON ha sido nuevamente
introducido en algunas fábricas. Esto en parte a que el sulfato sódico (a pesar
de la decadencia del método LEBLANC para la obtención de la sosa) cada vez se
fabrica y aplica en mayor cantidad, principalmente para la industria del
vidrio. El ácido clorhídrico entonces producido halla fácil colocación cuando
la fábrica no está situada lejos de las industrias que lo consumen y que no se
lo preparan. En otros casos hay que pensar endeshacerse del ácido clorhídrico,
pues el almacenaje de grandes cantidades del mismo tiene dificultades por los
depósitos que requiere; así se llega a la conveniencia de destinarlo a la
producción de cloro o de productos clorados. Esto y la circunstancia de que por
las nuevas posibilidades de consumo del cloro, la sobreproducción tan
perceptible antes de 1914 ha experimentado cierta compensación, hacen posible
en algunos casos, hoy y quizás más en adelante, el empleo, con capacidad de
competencia, de los antiguos métodos de obtención del cloro, y especialmente
del de DEACON, siempre, naturalmente, contando con ácido clorhídrico barato.
Empleando ácido clorhídrico como primera materia en la producción del cloro,
puede conseguirse esta producción ya por oxidación del ácido clorhídrico acuoso
mediante oxígeno combinado (manganesa, lodo de WELDON, etc.), ya por oxidación
del clorhídrico gaseoso mediante el oxígeno del aire en presencia de ciertos
catalizadores (métodos catalíticos y neumáticos)
11.1.1 OBTENCIÓN INDUSTRIAL DEL CLORO MEDÍANTE ÁCIDO CLORHÍDRICO Y MANGANESA
Este modo de obtención del cloro, que había sido el único usado, ha perdido
toda importancia para la obtención industrial de grandes cantidades de cloro, y
sólo se aplica cuando se trata de producir pequeñas cantidades de cloro para el
propio consumo, caso en que los demás procedimientos, hasta por los grandes
costes de la instalación, han de resultar inconvenientes. Elaborando las lejías
de manganeso de desecho según el método de WELDON.
La manganesa consiste generalmente en una mezcla de diversos minerales de
manganeso, como pirolusita (MnO2), polianita (MnO2 de otra formacristalina, muy
dura), braunita (Mn2O3),Mn2O3 • H2O, etc.
En el empleo del ácido clorhídrico en la obtención del cloro (en general) hay
que atender a su concentración y a su grado de pureza. De todas las impurezas
(H2SO4, As, Fe) es principalmente el ácido sulfúrico, en algunos métodos de
obtención del cloro (WELDON, DEACON) de nociva influencia. En la producción del
cloro con empleo de manganesa, la existencia de ácido sulfúrico en el ácido
clorhídrico (aun 2 y 3 °/o) carece de importancia, y sólo hay que atender a la
concentración, pues la manganesa se descompone más fácilmente con ácido
clorhídrico concentrado, con lo que el exceso necesario, que luego se encuentra
en el residuo, resulta menor.
Por la acción del ácido clorhídrico sobre la manganesa, cuando el proceso,
realizado con MnO4 puro, ocurre según la ecuación:
MnO2 + 4 HC1 = Cl2Mn + Cl2 + H2O
Se convierten en cloro 50 °/o de ácido clorhídrico. Pero en la práctica, al
disminuir el contenido en HC1 del líquido restante, aun elevando la
temperatura, resulta tan retardada la reacción, que hasta empleando ácido
clorhídrico concentrado queda en el residuo al menos 1/6 del ácido inutilizado,
y con ácido diluido mucho más.. Hay que tener en cuenta también que el ácido se
diluye por el vapor de agua condensado y que la manganesa contiene las
impurezas antes mencionadas, por todo lo cual en la práctica, y llevando a cabo
bien el proceso, se tiene cuando más una utilización de 30 a 33 % del cloro del
ácido clorhídrico. Para el desprendimiento de cloro no se empleaba
primitivamente ácido clorhídrico, sino una mezcla de sal común y ácido
sulfúrico. Para evitar elevadas temperaturas se trabajabacon un exceso de ácido
sulfúrico, de suerte que en el residuo además de MnSO4 se hallaba sulfato
sódico.
FIGURA 1: Aparato de producción de cloro, según LUNGE
Los aparatos para la producción del cloro se construyen de arenisca, gres o
chamotay se disponen de diversos modos. A continuación se describe, según los
datos de LUNGE, un aparato productor de cloro, en uso desde hace mucho tiempo
en Inglaterra (Fig. 1).
Los recipientes se construyen generalmente en Inglaterra de placas de arenisca
b previamente hervidas con alquitrán; .su unión se realiza con cintas de
caucho, con encajes machihembrados empleando un lodo de alquitrán y arcilla. El
cimiento, muy robusto (los hundimientos producirían fugas), se construye con
mortero de arena y alquitrán. El grueso del fondo se eleva a 30 cm y el de las
paredes a 15 18 cm. Para cargar la pirolusita sirve un emparrillado a de
arenisca que permite el paso del ácido por los intersticios. En un punto el
emparrillado está perforado para dar paso a un tubo cuadrangular c de piedra o
gres (con 15 mm de ancho de abertura) enlazado por arriba con un tubo de plomo
d que por encima de la espita e continúa con un tubo de hierro en comunicación
con la tubería de vapor. Una vuelta que da el tubo de plomo se llena de agua
condensada cuando se cierra el vapor, quedando así la espita algo preservada de
la acción del cloro.
El ácido clorhídrico cae del tubo principal mediante un grifo de barro g a
través de un tubo de barro h en un puchero de barro que forma un cierre
hidráulico e impide la salida del cloro. El ras producido se desprende por un
tubo de barro k que arranca de la tapa y va enlazado aun tubo en Y abierto por
abajo y situado en una marmita de barro l, y cuya segunda rama está unida al
tubo principal o. Vertiendo agua en la marmita hasta por encima del punto de
enlace i de las dos ramas se puede separar de la tubería principal el gasógeno,
con objeto de limpiarlo, y volver a establecer luego la comunicación quitando
agua.
11.1.2 MÉTODOS CATALÍTICOS Y NEUMÁTICOS PARA LA OBTENCIÓN DEL CLORO
Con estos métodos, o se oxida el ácido clorhídrico gaseoso con el oxígeno del
aire en presencia de catalizadores, o se descomponen en corriente de aire, con
separación de cloro, cloruros fácilmente descomponibles.
Un método lo descubierto por vogel según el cual, calentando cloruro de cobre
hasta el rojo incipiente se desprende cloro según la ecuación:
2CuCl2 = 2 CuCl + Cl2
El CuCl resultante, mezclado con ácido clorhídrico, vuelve a convertirse en
cloruro cúprico, sí se hace atravesar por una corriente de aire (pasando por un
oxícloruro).
Primero DEACON empleó como material de contacto trozos de ladrillos impregnados
de sulfato de cobre, por los cuales hacia pasar la mezcla gaseosa de ácido
clorhídrico y aire entre determinados límites de temperatura. Más tarde pasó al
empleo del cloruro de cobre como catalizador.
El éxito real y de importancia permanente para la realización del proceso
DEACON fue debido a R. HASENCLEVER, cuyo método consiste en hacer pasar la
mezcla del HC1 con H2SO4 en determinada proporción, por una serie de
recipientes de gres. Donde el H2SO4, concentrado absorbe el agua de disolución
del ácido clorhídrico, y así se desprende el ácido clorhídrico gaseoso.
Insuflando aire se acelera el desprendimiento de ácidoclorhídricode los
recipientes, y por conveniente regulación de la cantidad de aire puede
obtenerse al mismo tiempo una mezcla gaseosa de la composición necesaria para
para ser directamente sometida al proceso deacon. Esa mezcla debe corresponder
a tal proporción de HC1; aire, que al menos contenga todo el oxígeno necesario
para verificar la reacción:
4 HCl + O2 = 2 Cl2 + 2 H2O
FIGURA 2: Aparato para producir cloro partiendo de ácido clorhídrico por el
método
DEACON-HURTER a tubos de refrigeración; b torre de desecación; c recalentador;
d aparato de descomposición; e tubos de refrigeración; f g torres regadas con
agua o con ácido sulfúrico
Según C. hensgen por la acción del ácido clorhídrico y del aire ocurren las
siguientes reacciones:
1. 6 CuCl2 = 2(CuCl2+Cu2Cl2)+2 Cl2
2. 2 (CuCl2 + Cu2Cl2) = 3Cu2CI2 + Cl2
3. Cu2Cl2 + O = CuO • CuCl2
1. CuO • CuCl2 + 2 HC1 = 2 CuCl2 + H2O.
11.2 PROCESOS ALTERNATIVOS DE FABRICACIÓN DE HIDROXIDO DE SODIO
11.2.1 SOSA CÁUSTICA EN ESCAMAS, EN MEDIANA ESCALA INDUSTRIAL.
Con el procedimiento que se describe, se obtiene sosa cáustica cristalizada en
estado de escamas para fabricar Jabón.
El procedimientos seguir es el generalmente empleado hoy por las grandes
fabricas productoras de sosa, basado en la caustificación del carbonato sádico
anhidro con el hidróxido de calcio, según la siguiente reacción química:
Es decir, solo se emplea como materia prima el carbonato sádico anhidro, o sea
sosa solvay en polvo y cal viva. La sosa solvay debe contener el 95% de riqueza
en anhidro. También la cal ha de ser muy blanca y estar bien cocida.
La fabricación de dicha sosa cáustica enestado de escamas, propia para fabricar
jabones y de aplicación en muchas otras ramas de la industria, se consigue muy
fácilmente y con equipo de poco coste, tal como se vera al leer el proceso. En cambio,
aun cuando la fabricación de sosa cáustica pura al alcohol para usos de
laboratorio exige ampliar el equipo con un alambique de cobre y efectuar
algunas operaciones, por creer pueda interesar en algunos casos al fabricante
obtener el producto en las dos formas indicadas, describiremos el siguiente
proceso completo.
Desde luego resulta mas ventajoso fabricar sosa cáustica cristalizada en estado
de escamas, no solo por su gran consumo en la industria jabonera y en otras
muchas, sino también porque la instalación resulta mas sencilla y barata la
producción.
La sosa cáustica en estado de escamas suele obtenerse con 1.5% de impurezas
(cloruro sódico y carbonato de sosa). Dichas impurezas carecen de importancia
para su uso en jabonería y en otras ramas industriales.
11.2.1.1 PRIMERA FASE DEL PROCESO
Se empieza por poner en cualquier envase limpio, de suficiente capacidad, cal
viva CaO, (oxido de cal) muy blanca, bien cocida y exenta de otras materias
extrañas. Sobre dicha cal se riega agua corriente, lo que dará lugar a que se
abra, generándose calor. A este fenómeno se le suele llamar apagado de cal. Se
revuelve un poco con pala de madera. Así obtendremos una solución de hidróxido
calcico, Ca(OH). Todo esto se debe hacer una media hora antes de proceder a la
carga de la caldera para la iniciación de la fabricación. Ya dispuesta la cal,
se dejáis en el mismo deposito para su uso, como se diría.
11.2.1.2 CARGADO DE LA CALDERA DE REACCION.
Enla caldera de reacción, representada en el plano de la instalación, dotada de
agitador mecánico y dispositivo de calefacción por serpentín a vapor, se ponen:
Sosa solvay en polvo ( carbonato sódico anhidro) …………………..115kg.
Agua corriente ………………………………………………………..700l.
También se añade la cal que ha sido apagada con el agua corriente, que se
tendrán preparados en la forma expuesta.
Mientras se van incorporando los productos en la caldera se tendrá en
movimiento el agitador y, sin dejar e mover, se da paso a la entrada de vapor
al serpentina de la caldera continuando así la agitación y calentando hasta que
su contenido hierva en forma bien pronunciada. Estableciendo el hervor a plena
ebullición, se continua agitando, pero sin que en ningún momento deje de
hervir, durante 45 min. a contar desde que se haya iniciado dicho hervor.
Se procurara también dar entrada al vapor que debe hacer hervir el agua
contenida en el tercer deposito cuya agua hirviendo servirá para ir reponiendo
la evaporada en la caldera de reacción, a medida que hierva durante los citados
45 min. Para lo cual se marcara un punto imborrable que indique el nivel exacto
del agua antes que empiece a evaporarse. Es decir, lo que debe hacerse es
reponer con el agua hirviendo del depósito superior la que se vaya evaporando
en la caldera por efecto de su constante hervor durante los citados 45 min que
se dejan hincados.
11.2.1.3 SEGUNDA FASE
Transcurridos los 45 min. de ebullición del producto, tal como queda expuesto,
se cierra la entrada del vapor al serpentín de la caldera de reacción, y
poniendo el agitador en marcha, se abre el grifo de descarga, haciendo así que
pase ladisolución al deposito decantador.
De esta manera Irá a parar a dicho deposito el liquido, que llevara en
disolución sosa cáustica, cloruro sódico, carbonato sodio sin reaccionar y
carbonato de cal en suspensión.
11.2.1.4 TERCERA FASE
En el depósito de decantación se deja que repose el líquido, sin moverlo para
nada, durante un día. Así sedimentara todo el carbonato de cal, quedando la
parte liquida clara.
11.2.1.5 CUARTA FASE
Conseguido lo expuesto, se abre uno de los grifos laterales del deposito
decantador (el que corresponda segunda altura del nivel que tenga la capa
sedimentada del carbonato de cal) de forma que solamente salga el liquido
claro. Dicha disolución sepas manualmente mediante recipientes adecuados, o
bien por cualquier otro medio mecánico, que podría ser intercalando una bomba
centrifuga antiácida con motor de 2 HP al deposito de concentración, también
dotado de dispositivo de agitación mecánica y calefacción, con serpentín de
vapor.
En el fondo del recipiente de decantación habrán quedado unos Kg. de carbonato
de cal que aun contiene cierta cantidad de sosa cáustica, y para aprovecharla
se incorpora agua hirviendo.
Se deja si en reposo, tal como en el caso anterior, y al quedar la parte liquida
prácticamente clara por haberse depositado en el fondo el carbonato de cal , se
saca por cualquiera de los grifos, incorporándola a la de la partida anterior,
trasegada al deposito de concentración. En estos últimos litros de agua se
habrá disuelto toda la sosa cáustica que aun pudiera retener el sedimento
tratado.
11.2.1.6 QUINTA FASE, PROCEDIMIENTO PARA LA OBTENCIÓN DE LEGIA LIQUIDA DE
HIDROXIDO DE SODIO
Al llegarconduciendo la caldera hasta la quinta fase, se procederá de la
siguiente manera:
Hecho todo lo expuesto, se pone en marcha el agitador del depósito de
concentración, dando también paso al vapor hasta que el contenido de la caldera
entre en bien pronunciada ebullición. Se conseguirá calentando y agitando sin
cesar hasta haber conseguido evaporar suficiente agua para que colocado dentro
de ella una pesa lejías de la escala baumé nos marque la concentración que sea
necesaria.
De todas maneras, la graduación buscada se conseguirá después de unas 5 o 6
horas de constante ebullición. Como es lógico, no se puede fijar exactamente el
tiempo, ya que este siempre podrá variar en mas o en menos, según el grado de
ebullición en que se haya mantenido el producto durante el proceso de
evaporación.
Así tendremos lejía liquida de sosa cáustica a la cal. Esta siempre será algo
impura, puesto que podrá contener entre 1 y 1.5% de cloruro y carbonato sódico;
pero, como ya se ha indicado, es el tipo de lejía de sosa cáustica generalmente
empleado en jabonería y en otras muchas ramas de la industria.
Este tipo de lejía, en estado liquido, siempre resulta mas económico que la
sosa cáustica en escamas, por lo que puede ser la base de un negocio serio el
producirla, ofreciéndola a los industriales, fabricantes de jabones, en bidones
de chapa de hierro, de 200 l o mas de capacidad, cargando el importe de los
envases, que se compensa al volver a llenarlos. Este puede ser un buen renglón
del negocio si se sabe organizar, ya que el proceso de producción de lejía de
sosa cáustica liquida resulta de mucho menos trabajoso que el de la sosa en
escamas.
Ahora, cuandose desee la fabricación de la sosa cáustica en escamas, basta
seguir el proceso completo correspondiente.
11.2.1.7 TRANSFORMACIÓN DEL PRODUCTO “PASTOSO” EN ESTADO DE SOSA CAUSTICA EN
ESCAMAS.
La sosa cáustica obtenida por el proceso que queda expuesto se halla aun en
estado pastoso, por contener exceso de agua. Para transformarla al estado de
escamas sueltas, que es como se suele presentar para su venta en el comercio,
se debe proceder ahora al proceso de desecación.
11.2.1.8 DESCRIPCIÓN DE LA INSTALACION
La instalación se compone de una torre depósito, construida a base de hormigón
armado, bien resistente y herméticamente cerrada a excepción de la tolva de
carga. Consta de dos partes.
En el piso superior existe una cámara, en donde se pone extendida la sosa
cáustica húmeda que ha de desecarse. Dicha sosa cáustica se introduce en la
tolva de carga.
En la citada tolva de carga hay un obturador deslizable, de cierre hermético,
que se abre en el momento de la carga y se vuelve a cerrar cuando la cámara se
halla cargada. La descarga de la sosa cáustica ya seca se efectúa por una
puerta de descarga lateral, de cierre hermético, al que se dotara de juntas de
goma. Dicha sosa cáustica descargada cae por la rampa hacia el depósito torre,
desde el cual, abriendo y cerrando a voluntad del obturador que ha de llevar en
la parte inferior, se irán envasando en bidones de chapa de hierro, que
descansan sobre la báscula empotrada; operaciones que se irán sincronizando
para facilitar el trabajo.
En la parte inferior de la torre deposito de obra se debe disponer una segunda
cámara, separada de la superior por un fuerte piso de cemento yarmazón de
hierro , al cual se le dotara de agujeros transversales de 2 cm de diámetro ,
separados entre si unos cinco centímetros.
A la segunda cámara, o sea la inferior, se la dotara de una puerta lateral de
carga y descarga del oxido de cal. Dicha cal en piedra se introducirá en la
cámara, entendiéndola lo, mejor posible en capa uniforme con ayuda de una larga
pala. Una vez se haya hidratado dicha cal, por efecto del agua absorbida,
procedente de la sosa cáustica humead, volverá a sacarse en estado de polvo,
por cualquier medio. Dicha cal en polvo puede ir almacenándose para venderla a
los agricultores, por constituir un buen producto para el encalado de las
tierras. Es decir, se vende como cal apagada.
Finalmente, la instalación esta provista de un elevador de canjilones,
destinado a subir la sosa cáustica húmeda , desde la cual pasara a la boca de
la tolva de la cámara superior, titulada Cámara donde se deposita la sosa
cáustica a la cal aun en estado húmedo.
FIGURA 3: Secado químico de la sosa cáustica
11.2.1.9 SECADO
Mediante vagonetas se transporta la sosa cáustica húmeda, obtenida, obtenida en
el proceso de fabricación primeramente expuesto, al pie del elevador. Se va
acumulando en dicha base del elevador un total que se aproxime a la tercera
parte de la cámara superior.
A medida que se vaya descargando la sosa, ira también elevándola el elevador
hasta ir depositándola en la tolva de la chamarra, procurando que el obturador
este abierto. De allí caerá dentro de la cámara superior. Entonces desde una
puerta o ventana lateral de dicha puerta de cámara de cierre hermético, un
obrero manipulara con adecuadorastrillo de hierro y mango largo, a fin de
extender l a sosa que cae de la tolva en capa uniforme sobre la base del piso
separador.
Hecha la correspondiente carga de cal, siempre en proporción a la cantidad de
sosa cáustica húmeda que se desee desecar, se cierra herméticamente la puerta
de carga y descarga de la cal viva, dejando así la cámara herméticamente
cerrada durante dos días y dos noches.
Durante este periodo la cal viva, muy ávida de humedad, absorberá toda el agua
que exista a su alrededor, pasando la que contenga en exceso la sosa húmeda a
través de los agujeros del piso, en virtud de la reacción química:
Es decir, el oxido de cal absorberá el exceso de agua retenida por la sosa
cáustica formándose CaOH (hidróxido calcico), que es cal apagada, quedando al
final NaOH (sosa cáustica prácticamente seca). La cal viva (oxido de cal) se
habrá transformado en una piedra que era, en masas polvorientas.
11.3 PROCESO ELEGIDO
El cloro y el hidróxido de sodio se producen casi totalmente por la
electrólisis de soluciones acuosas de cloruros de metales alcalinos, o a partir
de cloruros fundidos. La electrólisis de salmueras produce cloro en el ánodo, e
hidrógeno junto con el hidróxido alcalino, en el cátodo. Si el cloro y el
hidróxido alcalino son los productos finales, el diseño de la celda debe ser
tal que impida que se mezclen. Se ha inventado muchos diseños ingeniosos para
celdas prácticas. En la actualidad, tres tipos dominan la industria, la celda
de diafragma, la celda de membrana y la celda de mercurio. Hay muchas variantes
en cada tipo.
El proceso es el siguiente:
La sal es transferida al módulo de procesamiento ypurificación. El proceso
parte del saturador del cual se obtiene salmuera impura que debe ser tratada
con reactivos para su purificación y posteriormente decantada y filtrada.
La salmuera purificada es transferida a las celdas electrolíticas y su pureza
es controlada constantemente y analíticamente. El pH debe encontrarse alrededor
de 2.5, la acidez se dosifica con ácido clorhídrico.
La salmuera preparada es transportada al módulo de electrólisis, en las celdas
recibe la acción de la corriente eléctrica que a partir de iones cloruro e
iones sodio, produce Cl2 e H2 gaseoso, ambos abandonan la celda en forma de
gas, mientras que el sodio pasa a formar con el agua hidróxido de sodio.
El cloro gaseoso e húmedo es enviado a la torre de lavado con agua para
eliminar los arrastres salinos y enfriarlo. Luego pasa a un gasógeno para su
almacenamiento y por último es secado con ácido sulfúrico en una torre para el
efecto.
La solución acuosa que contiene un 50% de hidróxido de sodio es evaporada hasta
llegar a un 98% para luego ser escamada y posteriormente embolsada.
11.3.1 INSTALACIONES CON CÉLULAS DE MERCURIO
Estas células se fundamentan en la propiedad del sodio de formar con el
mercurio (cátodo) una amalgama líquida, que se descompone con el agua en NaOH
(disolución al 50%), H2 y Hg. El cloro se desprende en el ánodo.
Desde el punto de vista ecológico, las electrólisis con cátodos de mercurio han
estado acusadas de contribuir a la contaminación atmosférica y acuífera.
Actualmente la técnica moderna ha puesto a punto ánodos dimensionalmente
estables construidos de titanio, recubiertos de metales nobles, que
proporcionan una economía en elconsumo energético y permiten obtener un cloro
más puro, sin contaminación de CO2 y otras materias orgánicas cloradas. Los
efluentes (líquidos y gaseosos) son desmercurizados. Es muy importante mantener
las emisiones de mercurio lo más bajas posibles, pues es un material tóxico a
bajas concentraciones.
Las celdas de mercurio operan en forma muy diferente a como lo hacen las de
otros tipos.
Los ánodos siguen siendo de grafito, o bien de titanio modificado, como antes,
pero el cátodo es una pileta fluida de mercurio. La electrólisis produce una
aleación de mercurio y sodio (amalgama) que no es descompuesta por la salmuera
presente. La amalgama se descompone en un recipiente separado, según la
reacción:
2Na*Hg + 2H2O 2NaOH + H2 + 2Hg
Cuando se emplea la cantidad exacta de agua correcta, el producto directo está
constituido por NaOH al 50% con un contenido muy bajo de sal (30 ppm), sin que
se requiera evaporación. La pequeña pérdida de mercurio hacia el ambiente
presenta grandes problemas.
Japón prohibió el empleo de celdas de mercurio después de 1975 (plazo que se extendió
posteriormente hasta 1984). Aunque se habían logrado reducciones importantes en
el mercurio descargado, la fabricación de celdas de mercurio en Estados Unidos
se detuvo abruptamente.
El control cuidadoso del proceso, combinado con el tratamiento de los
efluentes del agua y del aire, harían posible que las plantas de mercurio cumplieran
con las normas ambientales y sobrevivieran, pero la mayor parte de las compañías
dudan sobre si deben levantar nuevas unidades. Las celdas de diafragma y las de
membrana utilizan más o menos la misma cantidad de energíaeléctrica; las de
mercurio un poco más. La relación es de aproximadamente 3:4.
11.3.2 Instalaciones con células de diafragma
En este tipo de célula, los compartimentos anódico y catódico están separados
por una lámina porosa, denominada diafragma. El cloro se desprende en el ánodo,
mientras que el hidrógeno y la solución alcalina de NaOH (10 al 12 %) se
generan en el cátodo. Aunque dichas células consumen menos energía que las de
mercurio, para obtener una solución de hidróxido sódico comercial (al
50 %) es necesario evaporar el agua y precipitar la sal residual, proceso
muy costoso. Además, tienen el inconveniente ecológico-sanitario de utilizar
amianto para la construcción de los diafragmas y de que la sosa cáustica
obtenida no alcanza el grado de pureza necesaria para determinadas
aplicaciones.
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.
Los ánodos, por lo general, se han hecho de grafito, y los cátodos, de hierro
fundido. Los diafragmas permiten la construcción de celdas compactas, de
resistencia disminuida, porque los electrodos pueden 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 salmuera,
por lo que deben reemplazarse con regularidad. El diafragma permite un flujo
de salmuera del ánodo al cátodo, y reduce así en gran medida, o evita, las
reacciones laterales (por ejemplo, la formación de hipoclorito de sodio).
Lasceldas con cátodos metálicos (titanio recubierto con óxidos de tierras
raras, platino o metales nobles u óxidos) rara vez llegan a tener diafragmas
obstruidos y operan de 12 a 14 meses sin requerir cambios de diafragma. Se
espera que los diafragmas de plásticos resistentes a la corrosión aumentaran
la vida útil y evitarán las objeciones de los ambientalistas sobre cualquier
proceso que pueda liberar fibras de asbesto en el medio.
Una gran ventaja de la celda de diafragma es que puede funcionar con salmuera
diluida (20%), bastante impura. Estas salmueras diluidas producen hidróxido de
sodio diluido (soluciones típicas de 11% de NaOH con NaCl de 15%) contaminado
con cloruro de sodio como un producto. Se requieren concentraciones de la
fuerza usual de embarque, de 50%. y esto consume gran cantidad de energía aun
cuando se empleen evaporadores de efecto múltiple. Se deben evaporar
aproximadamente 2600 kg de agua para producir una tonelada de cáustico al 50%.
Aunque la sal no es muy soluble en soluciones cáusticas concentradas, la pequeña
cantidad de ión cloruro que queda es muy objetable para algunas industrias (por
ejemplo, la manufactura del rayón). El clorato de sodio es también objetable
cuando el hidróxido va a utilizarse en la manufactura de la glicerina,
pentaeritrol, sulfato de sodio, hidrosulfato de sodio, celofán y otros productos
químicos. Una reducción catalítica con hidrógeno puede eliminar éste, sin recurrir
a la extracción con amoniaco.
11.3.3 Instalaciones con célula de membrana
La membrana está fabricada a base de polímeros perfluorosulfónicos y es
permeable sólo a los cationes (Na+, H+), impidiendo el paso a los aniones(Cl-,
OH-). Se pueden obtener disoluciones de hidróxido sódico de concentración
superior al 30 %. Dichas disoluciones son de elevada pureza y requiere un
consumo de energía para evaporar el agua al objeto de alcanzar la concentración
de 50 % en NaOH (calidad comercial).
Las celdas de membrana tienen una membrana semipermeable para separar los compartimientos
de ánodo y el cátodo. En las celdas de diafragma, la migración inversa de los
iones se controla con el gasto del fluido a través del diafragma, y esto se
regula con un control cuidadoso de los niveles de líquido en los
compartimientos.
En las celdas de membrana se separan los compartimientos con hojas porosas de
plástico químicamente activas, que permiten el paso de los iones sodio, pero
rechazan los iones oxhidrilo. Se han desarrollado varios polímeros para este
servicio exigente. Du Pont ha desarrollado un polímero de ácido
perfluorosulfónico (Nafion), mientras que Ashai emplea una membrana de capas
múltiples de polímero de ácido perfluorosulfónico, recubierto por un lado con
un polímero de ácido perfluorocarboxílico. El propósito de esta membrana es
excluir los iones OH- y Cl- de la cámara del ánodo, haciendo así un producto
mucho más bajo en sal que el obtenido en una celda de diafragma. Las celdas de
membrana operan con una salmuera más concentrada y dan un producto más puro, y
más concentrado (NaOH al 28% que contiene 50 ppm de NaCl; se asegura haber
obtenido un producto con NaOH al 40%). Este producto requiere sólo la
evaporación de 715 kg de agua para producir una tonelada métrica de cáustico al
50%; así, representa un ahorro considerable, debido a las dificultades y
gastosde la concentración y la purificación, sólo las instalaciones con
grandes celdas de diafragma son factibles. Las celdas de membrana, que producen
NaOH relativamente concentrado, ofrecen la posibilidad de operar según se use
el cáustico, ahorrando así fletes.
Las células de membrana tienen la ventaja sobre las de mercurio y diafragma de
que no utiliza ningún material contaminante para la separación de los productos
electrolíticos, siendo su consumo energético similar al de las de diafragma.
Sin embargo, el coste que supondría el reemplazamiento de las células
existentes de mercurio por las de membrana, no justificaría el cambio de
tecnología, habida cuenta que los enormes progresos conseguidos en las de
mercurio, hacen que las ventajas medioambientales de dicho cambio sean mínimos.
Por esto la tecnología elegida corresponde a las celdas de mercurio.
11.4 PROCESO DETALLADO
11.4.1 Almacenamiento
La sal a procesar provendrá del salar de Coipasa la cual será transportada en
camiones para luego ser almacenada en silo de sal.
11.4.2 TANQUE DE DISOLUCIÓN
Se realiza una disolución en salmueras de tal forma que se obtiene una
concentración de NaCl de aproximadamente 95%, para este efecto se combina sal
impura gema, agua caliente. La temperatura en el tanque de disolución es de
aproximadamente 40 sC.
11.4.3 TANQUE DE PURIFICACIÓN
La sal gema solamente presenta un 95 % de NaCl puro siendo el resto impurezas
solubles e insolubles en los siguientes porcentajes
CUADRO 11-1 COMPOSICIÓN DE LA IMPUREZAS
DE LA SAL GEMA
COMPUESTO
PORCENTAJE
CaCl2
1%
MgCl2
1%
FeCl2
0.5%
Otras impurezas
2.5%
Fuente: Elaboración con base en Amonzabel(1996)
Para tal efecto utilizamos una serie de reacciones para que los iones Ca. y Mg.
formen sales y se precipiten.
Al tanque de purificación se introduce Na2CO3 e NaOH.
11.4.4 FILTRADO
Esta operación se realiza en un filtro de placas, el cual retendrá las
impurezas que no se pudieron extraer en la decantación del tanque de
purificación.
11.4.5 Electrólisis
Esta operación se realiza en una celda de mercurio tipo pletina la cual
requiere entre 3.0 y 4.5 voltios y 40000 amperios. La celda consta de dos
componentes, el primero denominado electrizador donde se produce la
electrólisis de los iones cloro y sodio en una conexión
El segundo componente es el desamalgamador, el cual gracias a la introducción
de agua en contracorriente separa la amalgama que el sodio y el mercurio
formaron convirtiendo al sodio en hidróxido de sodio al 50%.
Cuando la celda esta conectada en paralelo se dice que se tiene una conexión
monopolar y cuando están conectadas en paralelo la conexión es bipolar.
En la celda se obtiene tres productos que son: el cloro gaseoso, el hidróxido
de sodio y la disolución agotada que retorna al tanque de disolución.
La energía consumida en la electrólisis de la salmuera es el producto de la
corriente que fluye y del potencial de la celda. El voltaje teórico, o mínimo,
que se requiere para el proceso, puede derivarse de la ecuación de
Gibbs-Helmholz, en la que se expresa la relación entre la energía eléctrica y
el calor de reacción de un sistema.
donde: = voltaje teórico de descomposición A
H = cambio de entalpia de la reacción
J = equivalente eléctrico del calor
T = temperatura absoluta
F = constante de Faraday
n=número de equivalentes que intervienen
El calor de reacción para la electrólisis de la sal puede encontrarse a partir
de los calores de formación de los componentes de la reacción global, que es:
NaCl(aq) + H2O(l) NaOH(aq) + ½ H2(g) + ½ Cl2(g)
Esto se puede desglosar en las siguientes reacciones de formación:
Na(s) + ½ Cl2(g) NaCl(aq) H=407 KJ
H2(g) + ½ O2(g) H2O(l) H=286 KJ
Na(s) + ½ O2(g) + ½ H2(g) NaOH(aq) H=469 KJ
La H neta para la reacción global resulta de:
407 + 286 - 469 = 224 KJ
Cuando este valor de ï„H se sustituye en la ecuación de Gibbs-Helmholz y se
desprecia el cambio del voltaje con la temperatura, se halla que el valor de E
es 2.31 V. La omisión de T dE/dT introduce un error de menos de 10% para la
mayor parte de las celdas.
La relación entre este voltaje teórico y el que se emplea realmente es la
eficiencia de voltaje de la celda. Las eficiencias de voltaje varían entre 60 y
75%. De acuerdo con la ley de Faraday, 96 500 C de electricidad que pasan a
través de la celda, producen 1 gramo-equivalente de reacción química en cada
electrodo. Debido a las reacciones laterales, las celdas requieren por lo
general más de esta cantidad. La relación entre la corriente teórica consumida
y la real se define como eficiencia de la corriente. Las eficiencias de la
corriente van de 95 a 97% y, a menos que se especifique otra cosa, se entiende
que son eficiencias de corriente en el cátodo. La corriente, dividida entre el
área sobre la cual actúa, se conoce como densidad de la corriente. Es deseable
un valor elevado. El producto de la eficiencia del voltaje por la eficiencia de
lacorriente es la eficiencia de energía de la celda. Otra consideración es la
eficiencia de descomposición, que es la relación de los equivalentes producidos
en la celda entre los equivalentes cargados. En la celda comercial común, la
eficiencia de descomposición es alrededor de 60 a 659o. Se dice que algunas
celdas de membrana, más nuevas y más grandes, tienen eficiencias hasta de 75 a
80%. Las celdas de diafragma, que se operan para obtener eficiencias de
descomposición muy altas, encuentran dificultades con la migración de los iones
oxidrilo que regresan al ánodo, lo que da como resultado la formación del ion
hipoclorito. Los iones oxidrilo se descomponen en el ánodo según la reacción:
2OH- H2O + ½ O2 +2e
El oxígeno formado reacciona con el grafito de los ánodos y causa una
disminución en la vida del ánodo. En las celdas con ánodos metálicos, el
oxígeno no reacciona.
11.4.6 Lavado y enfriamiento.
El proceso previo al secado del cloro gaseoso desprendido en la electrólisis es
el lavado del gas con agua, lo que ayuda a eliminar impurezas arrastradas tales
como partículas sólidas, cloruro de sodio, etc. Además que logra enfriarlo.
11.4.7 Secado
El medio para secar al cloro es el ácido sulfúrico debido a su capacidad
absorbente de agua. La concentración de entrada del ácido es de un 98 % y la
concentración de salida del mismo luego del secado es de un 85% es decir existe
un 13 % debido a la absorción del agua.
Las torres de secado con ácido sulfúrico corresponden al tipo Glover o Gay
Lussac las cuales consisten en edificaciones de material antiácido por la
presencia del ácido sulfúrico.
11.4.8 COMPRESIÓN
Para la compresiónse puede usar ya sea el tipo de compresor giratorio seco o
con inyectores de ácidos teniendo estos un 90% de rendimiento para ambos tipos.
El compresor deberá lograr comprimir el cloro hasta una presión de 12
atmósferas.
11.4.9 Embotellado
Este se realiza en botellones de 50 Kg gracias a la previa compresión
realizada.
11.4.10 Evaporacion
La solución sódica que sale de la celda electrolítica tiene un 50 % de
hidróxido de sodio, es necesaria su concentración hasta un 98 % y para esto
debemos evaporar el agua que contiene la solución inicial, para tal efecto se
usara un evaporador, que consiste en tubos verticales de acero inoxidable ya
que si fueran hechos de hierro podría existir contaminación de este metal.
11.4.11 Proceso de escamado
Esta operación es enteramente mecánica y se realiza inmediatamente de que la
solución concentrada al 98% sale de los evaporadores.
El escamado consiste en solidificar la sosa cáustica en forma de copos o
escamas de fino espesor, que se obtiene recibiendo la solución concentrada en
un cilindro rotativo en el cual se va enfriando y luego separando por medio de
una cuchilla fija colocado en el cilindro, este método ahorra espacio y tiempo
a la vez que elimina la necesidad de triturar el producto terminado antes de su
embalaje
El escamado es un proceso continuo que reemplaza económicamente a la producción
de sólidos a granel y permite obtener productos de alta pureza. El cilindro
giratorio es enfriado con agua a temperatura ambiente- la cuchilla va apoyada
firmemente contra el cilindro y separa el producto en forma de escamas sólidas
el tambor es de acero inoxidable con revestimiento de níquel.11.4.12 ENVASADO
Este se hará directamente en tambores o barriles de 100 kg de peso que deberán
estar pintados con pintura anticorrosiva, el manejo se hará con mucha
precaución y con guantes gruesos de goma por el efecto cáustico que tiene el
hidróxido de sodio.
11.5 DIAGRAMA ESTRUCTURAL
Ver Anexo A
11.6 diagrama de bloques
Ver Anexo B
12. BALANCE DE MATERIALES
12.1 SAL UTILIZADA PARA LA REACCION
La sal proveniente del salar de Coipasa contiene las siguientes impurezas.
Orgánicas
Inorgánicas
La reacción general del proceso es:
2NaCl(aq) + 2H2O(l) ï‚® 2 NaOH(aq) + Cl2(g) + H2(g)
(117) (36) (80) (71) (2)
Para celdas de mercurio la materia prima debe tener una concentración de 300 –
315 (g NaCl / l salmuera). Mediante la relación estequiométrica se calcula las
proporciones de los componentes como se detalla a continuación
Para:
Dado que las importaciones de cloro de los últimos años varía en un promedio de
100 000 (kg Cl2/año), la fabrica destinara la producción a cubrir ese mercado
además de posibilidades de exportación. De esta forma la producción de cloro
será de 4110 (kg Cl2/día)
Para tal producción la cantidad de salmuera necesaria será de:
12.2 BALANCE EN EL TANQUE DE ALMACENAMIENTO DE SAL
Además se debe considerar perdidas igual al 10%
12.3 BALANCE EN EL TANQUE DE DILUCION
En este tanque se mezcla la sal impura con agua caliente para conseguir una
mejor dilución. Como la salmuera utilizada contiene 300 [g NaCl/l salmuera], se
forma las siguientes relaciones expresadas en el cuadro 12 – 1:
CUADRO 12 – 1 DENSIDAD Y VOLUMEN DELA SALMUERA
Masa
Densidad
Volumen
NaCl
300 [g NaCl]
1.35 [g/cm3]
222.2 [cm3 NaCl]
H2O
777.8 [g H2O]
1.00 [g/cm3]
777.8 [cm3 H2O]
Salmuera (Total)
1077.8 [g salmuera]
1000 [cm3 salmuera]
FUENTE: Elaboración propia
Por lo tanto la cantidad de agua caliente necesaria para la salmuera es:
Se debe calcular también una cantidad de agua compensadora considerando una
pérdida de 60 [g H2O] en el proceso y 20 [g H2O] por evaporación por litro de
salmuera se tiene:
12.4 BALANCE EN EL TANQUE DE AGUA CALIENTE
La cantidad de agua total que debe contener el tanque es:
El cual debe encontrarse a una temperatura de 40°C.
12.5 Balance en el tanque de precipitados
Considerando que la sal proveniente del salar de Coipasa tiene un 5% de
impurezas, solubles, como se detalla en el cuadro 11 – 1.
Cantidad de impurezas presentes en la sal es:
Total impurezas presentes 3733.5 kg/día. Las impurezas solubles pueden
precipitarce mediante la adición de carbonato de sodio, como se detalla en las
siguientes reacciones químicas:
CaCl2 + Na2CO3  CaCO3 + 2NaCl
(111) (106) (100) (117)
MgCl2 + Na2CO3  MgCO3 + 2NaCl
(95) (106) (84) (117)
Mediante estas relaciones estequiometricas se calcula la cantidad necesaria de
carbonato de sodio para precipitar las sales de calcio y magnesio.
La cantidad total de carbonato de calcio necesario es:
Además del carbonato de sodio se adiciona hidróxido de sodio, el cual permite
precipitar los iones hierro utilizando la siguiente reaccione:
FeCl3+ 3NaOH  Fe(OH)3 + 3NaCl
(162.x5) (120) (107) (175.5)
De la misma manera se calcula la cantidad necesaria de hidróxido de sodio para
precipitar los iones de magnesio y hierro.
12.6 Balance masico en el electrolizador
Las reacciones que ocurren en este compartimiento son:
2NaCl 2Na+ + 2Cl -
En el electrolizador ingresan 26629.75 , que esta formada por ClNa puro, agua,
e impurezas inertes en las siguientes cantidades:
7076.50
19367 .00
186.25
Para obtener el caudal de mercurio, conviene conocer la cantidad de sodio que
se deposita, para la amalgamación. Como se tiene 7076.50 y sabemos que el 15%
de esta cantidad, no se deposita, podemos en un principio relacionar cantidades
estequiometricas; y luego multiplicar por el porcentaje que se amalgama, de la
siguiente manera:
También se tiene que la cantidad de cloro formado es de:
Ahora bien la concentración de la amalgama de acuerdo a catálogos varía de 10 a
20 % de Na, en relación al mercurio, calculando este valor se tiene:
12.7 RECIRCULACION DE SALMUERA AGOTADA
La cantidad de salmuera débil que abandona en electrolizador es:
La recuperación de Na, por concepto de esta recirculación es de:
En cuanto a la recuperación de Cl2 en la salmuera débil es:
12.8 BALANCE MASICO EN EL DESAMALGAMADOR
Las reacciones que ocurren en este compartimiento son las siguientes:
2NaHg + 2H2O 2NaOH + H2 + 2Hg
En total la cantidad de Na amalgamado es de:
De esta manera se determina la cantidad de NaOH producido, para lo cual se
considera un 93 % como rendimiento de la celdaelectrolítica.
La cantidad de agua necesaria para esta operación es de:
Ahora la cantidad de NaOH es al 100% sólido, de modo que la solución es de
8942.04
12.9 Proceso de obtencion de sosa caustica
12.9.1 Balance en el filtro.
En el proceso de electrolisis del cloro y sodio, se debe tener en cuenta que el
hidróxido de sodio formado no esta solo, tal es el caso de que existe presencia
de cloruro de sodio, esa cantidad puede variar en pequeñas proporciones; para
los cálculos se considera un 15% la cual recircula posteriormente, además están
presentes las impurezas insolubles que no reaccionaron en las celdas:
Cloruro de sodio que recircula:
Impurezas inertes:
12.9.2 Balance en el evaporador
Para esta operación se utiliza el evaporador de doble efecto, mediante esta
operación se obtiene una concentración mayor al 50% obtenido en las celda de
mercurio; la concentración que se requiere es del 98% (requerimiento
comercial).
Por lo tanto la cantidad de H2O a evaporarse es:
8942.04 - 4562.26= 4379.44
12.8.2.1 Balance energético
Se calcula la cantidad de energía necesaria para vaporar 4379.44 , esta
operación de evaporación se realiza en una etapa, como se detalla a
continuación:
El balance energético es el siguiente:
Qe1 = mNaOH CNaOH (TEb1 - TEnt) + maguaï¬v1
Donde:
C (NaOH 50%) = 0.783 Kcal / KgsC
Qe1 = Calor necesario en el primer evaporador
mNaOH = Masa de NaOH al 50%
magua 1 = Masa de agua evaporada en el primer efecto
ï¬v1 = Calor latente de vaporización en las condiciones del primer efecto.
TEnt = Temperatura de entrada de la disolución que es de 40°C.
TEb1 = Temperatura deebullición igual a 117°C.
magua1CNaOH (TEb1 - TEnt) = Calor necesario para llevar la masa de NaOH al 50%
hasta la temperatura de ebullición.
magua 1ï¬v1 = Calor necesario para evaporar agua del evaporador.
Qe1 = 539124.53 + magua 1x535.3 (1)
Reemplazando datos se tiene:
magua1 = 4379.44
Qe1 = 2883438.77
12.8.2.2 Cantidad de vapor necesario
Qe1 = Mv ï¬v (2)
Despejando la masa de vapor necesario se tiene:
ï¬v =
12.10 Proceso de obtencion del cloro
12.10.1 Balance en el lavado de gases
Dado que se producen 3650.14, el volumen que ocupa el gas en condiciones de
Oruro, temperatura igual a 20°C y una presión de 490 (mmHg), se tiene:
Las condiciones a la que se encuentra el vapor de agua son:
PvH2O(20sC) = 17.5 [mmHg]
Ptot = 490 [mmHg] (Oruro)
Aplicando la ley de presiones parciales, hallamos la cantidad de vapor de agua
que arrastra el gas que debe ser eliminada:
VH2O = Vtot * XH2O, donde XH2O = PH2O / Ptot
12.10.2 Balance en el tanque de agua para el lavado del gas
Para determinar la cantidad de agua necesaria para enfriar el gas y eliminar
las impurezas se realiza el balance energético:
El calor a intercambiar proveniente del gas cloro es de:
Q(Cl2) = mCp ï„T
El calor a intercambiar proveniente del vapor de agua, suponiendo su
condensación total es de:Q(H2O)v = m ï„Hv
El agua necesaria para el lavado es:
Q(H2O)l = Q(H2O)v + Q(Cl2) = m Cp ï„T
12.10.3 Balance en el secadero (cloro)
Para secar los gases se utiliza el ácido sulfúrico, por su capacidad absorbente
de agua. La concentración de entrada de ácido será del 98% y asumiremos una
concentración de salida de 87%, lo que significa que el 11% de diferencia son
los 71.49 [kg de H2O]. Por lo tanto.
71.49  11%
x  100%
x = 649.91 [kg de H2SO4] al 87%
Restando los 13% tenemos: 649.91 – 71.49 = 578.92 [kg de H2SO4] al 98%,
cantidad de ácido sulfúrico que se requieren. Además se debe considerar
pérdidas que se deben reponer en unos 4%, por lo cual se debe adicionar 23.14
kg más.
CUADRO 12 – 2 RESUMEN DEL BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA
ENTRA, IN
SALE, OUT
Tanque de almacenamiento
NaCl + impurezas = 7450
NaCl + impurezas = 7450
Tanque de dilución
Salmuera = 26817
1. NaCl + impurezas = 7450
2. Agua caliente = 17540
3. Agua compensadora = 1827
Total entrada = 26817
Salmuera = 24990
1. NaCl + impurezas = 7450
2. Agua caliente = 17540
3. Sale agua compensadora = 1827
Total salida = 24990
Tanque de precipitados
Salmuera = 24990
1. NaCl + impurezas = 7450
2. Agua caliente = 17540
Sales = 247
1. Na2CO3 = 156
2. NaOH = 91
Total entrada = 25237
Salmuera = 24803
1. NaCl puro =7077
2. Agua caliente = 17540
3. Impurezas insolubles = 186
Sales que precipitan = 187
1. CaCl2 = 75
2. MgCl2 = 75
3. FeCl3 = 37
Total salida = 24616
FUENTE: Elaboración propia
CUADRO 12 – 2 RESUMEN DEL BALANCE DE MATERIA (Kg/dia) (Continuación)
ENTRA, IN
SALE, OUT
Filtro
Salmuera = 24803
1. NaCl puro = 7077
2. Agua caliente = 17540
3. Ipurezas insolubles = 186
Total entrada = 24803
Salmuera = 24803
1. NaCl puro = 7077
2. Agua caliente = 17540
3. Salen Impurezas insolubles
= 186
Total salida = 24617
Celdas electrolíticas
Salmuera = 24803
1. NaCl puro = 7077
2. Agua caliente = 17540
Recirculación de mercurio = 374
Total entrada = 25177
1. Cl2 húmedo = 2210
2. H2 = 62
3. NaHg = 1090
Desamalgamador
1. NaHg = 1090
2. H2O = 561
1. NaOH 50% = 2490
2. H2 = 32
3. Hg = 374
4. NaCl que recircula = 19635
FUENTE: Elaboración propia
CUADRO 12 – 3 RESUMEN DEL BALANCE DE MATERIA
SOSA CAUSTICA (kg/día)
ENTRA, IN
SALE, OUT
Filtro
1.NaOH 50% = 2490
2. Impurezas = 1
Total entrada = 2491
1. NaOH 50% = 2490
Total salida = 2490
Evaporador
1. NaOH 50% = 2490
Total entrada = 2490
1. NaOH 98% = 1270
2. H2O a eliminar = 1220
Total salida = 1270
Escamado
1. NaOH 98% = 1270
1. NaOH 98% = 1270
2. Pérdidas 3% = 38
FUENTE: Elaboración propia
CUADRO 12 – 4 RESUMEN DEL BALANCE DE MATERIA
DEL GAS CLORO (kg/día)
ENTRA, IN
SALE, OUT
Lavado de gases
Cl2 húmedo ( 80°C) = 2210
1. Cloro = 2167
2. H2O = 43,30
Agua para el lavado (15°C) = 2753
Impurezas = 2
Total entrada = 4965
Cl2 húmedo ( 20°C) = 2210
Agua a eliminar (30°C) + impurezas
= 2755
Total salida = 4965
Gasógeno
Cl2 húmedo = 2210
Cl2 húmedo = 2210
Secado de cloro gaseoso
1. Cl2 = 2210
2. H2 SO4 = 394
Total entrada = 2604
1. Cl2 seco = 2167
2. H2 SO4 + adición = 408
Total salida = 2167
Compresión del gas cloro
Cl2 seco = 2167
Cl2 seco = 2167
FUENTE: Elaboración propia
13. capacidad instalada
CUADRO 13-1 RESUMEN CAPACIDAD INSTALADA
PRODUCTO
CAPACIDADSOSA CAUSTICA (NaOH 98%)
CLORO (Cl2) =
(kg/día)
2167 ( m3/día)
FUENTE: Elaboración propia
14. procediemiento de celdas
El funcionamiento de los distintos tipos de celdas, de mercurio se fundamenta
en el empleo de un cátodo movible de mercurio que circula a través de dos
compartimientos denominados: el electrizador o pila electrolítica propiamente
dicha y el desamalgamador o pila secundaria; la salmuera proveniente de los
tanques de disolución previamente filtradas, se introduce en forma continua,
esta se descompone en forma parcial en e electrolizador por donde se va
circulando un flujo de corriente eléctrica a través de un circuito formado por
un ánodo colgante de grafito y el cátodo movible de mercurio. Es, en este
compartimiento donde se forma el gas cloro en el ánodo y la amalgama NaHg en el
cátodo. Esta amalgama fluye en forma intermitente constante y uniforme hacia el
siguiente compartimiento sea al desamalgamador o celda secundaria, donde actúa
como ánodo con respecto a un cátodo de hierro o grafito en corto circuito en un
a solución electrolítica de NaOH, que se va formando. En la fila secundaria se
introduce agua purificada en contracorriente con la amalgama de sodio formada en
el electrolizador, de tal suerte que por efecto de la energía eléctrica, vaya
aumentando el contenido de NaOH en el electrolito a la ves que se desprende gas
hidrogeno. La solución sódica formada tiene un contenido de 53% de NaOH, al
abandonar las celdas. La salmuera agotada que sale de las celdas; será
previamente declorada, purificada y llevada a los tanques dealimentación a
celdas para luego seguir el ciclo con la nueva carga.
La formación de la amalgama de sodio en el electrolizador, se efectúa por la gran
sobre tensión del hidrógeno sobre el mercurio, cuya consecuencia es que el
potencial de descarga del hidrogeno es mayor que el del sodio.
El mercurio se amalgama con el sodio en la proporción de 1:0.2 en peso; para
luego pasar a la celda secundaria. La salmuera débil o agotada sale con un 15%
de cloruro de sodio.
Las celdas modernas se construyen de acero, que forman la conexión del cátodo,
y las partes que no hacen contador con el mercurio están recubiertas de caucho,
los ánodos son placas horizontales de grafito que cuelgan de varillas que
atraviesan la cubierta de la celda, estas varillas están aisladas de la
cubierta y el resto de la celda por material aislante.
Estos ánodos son paralelos y próximos a la superficie de separación del
mercurio de la salmuera; están perforados o acanalados para facilitas la
liberación del cloro.
La cubierta esta provista de un orificio de salida del cloro.
El desamalgamador es de hierro. Si se usa un cátodo de hierro, esta sostenido
inmediatamente por encima de la amalgama para evitar que el mercurio amalgame a
la superficie y destruya su actividad. Es preferible que el cátodo sea de
grafito, porque se pone directamente en la amalgama ya que el grafito, no se
une al mercurio. En este compartimiento es donde se produce el hidróxido de
sodio, por la reacción del agua con el sodio de la amalgama, desprendiéndose el
hidrógeno, a la vez que se libera el mercurio l cual es enviado mediante una
bomba, nuevamente al electrolizador completándole así elciclo.
En cuanto al transporte de la amalgama, esta se realiza por medio de bombas
centrífuga, con lo cual circula continuamente entre las dos partes de la celda.
La amalgama al salir del electrolizador contiene 0.2 en peso de sodio, las
celdas de mercurio tienen un rendimiento del 93%.
15. calculo del NÚMERO de celdas
La intensidad total se calcula en base a la capacidad de producción diaria
real, es decir 4562.26 considerada al 100% sólida, por tanto se tiene:
Ahora bien, de acuerdo a la ley de Faraday, la formación de un mol de NaOH
exige un Faraday mientras que la de un mol de Cl2 precisa 2 faradays, por lo
cual se tiene:
De acuerdo a la tabla 11 tenemos intensidad característica por celda de 40000
(Amp): siendo su rendimiento del 95%, entonces se tiene:
El numero de celdas de calcula dividiendo la intensidad total requerido, sobre
la intensidad de requerido por una celda:
BIBLIOGRAFIA.
Enciclopedia Informática Microsoft Encarta 2001. Copyright © 1983 –2001.
Microsoft Corporation, 2001.
PERRY, Formoso. “Procedimientos industriales al alcance de todos”.13a. ed.
España, Industriales Formos. 2000.
PERRY, Jhon. “Manual del ingeniero químico”. Uthema, México ,1992.
AUSTIN, George. “Manual de procesos químicos en la industria”. 5S, ed. México
D.F., 1988
AMONZABEL G. “Estudio de factibilidad y prediseño de una planta de ácido
clorhídrico, soda cáustica – cloro e hipoclorito de sodio”. La Paz. Proyecto de
Grado. 1996
Anexo A.
INDICE
1. IDENTIFICACIÓN DEL PRODUCTO 1
1.1 CLORO (Cl2) 1
1.2 HIDROXIDO DE SODIO (NaOH) 2
2. CARACTERISTICAS 2
2.1 CLORO 22.1.1 CARACTERISTICAS FISICAS 2
2.1.2 CARACTERISTICAS QUIMICAS 2
2.1.3 CARACTERISTICAS FISICOQUIMICAS 3
2.2 HIDROXIDO DE SODIO 3
2.2.1 CARACTERISTICAS FISICAS 3
2.2.2 CARACTERISTICAS QUIMICAS 3
2.2.3 CARACTERISTICAS FISICOQUIMICAS 3
3. APLICACIONES 4
3.1 CLORO 4
3.2 HIDRÓXIDO DE SODIO 6
4. COMERCIALIZACION 8
4.1 CLORO 8
4.1.1 SECTORES CONSUMIDORES 8
4.1.2 FORMA DE PRESENTACION 8
4.2 HIDROXIDO DE SODIO 10
4.2.1 SECTORES CONSUMIDORES 10
4.2.2 FORMAS DE PRESENTACIÓN 11
5. INDUSTRIAS EN BOLIVIA 11
6. IMPORTACIONES 12
6.1 CANTIDAD IMPORTADA Y PRECIO 12
7. LOCALIZACION 13
8. MATERIAS PRIMAS 13
8.1 SALARES 13
8.1.1 SALAR DE UYUNI 14
8.1.2 SALAR DE COIPASA 15
8.1.3 SALAR DE CAPINA 15
8.1.4 SALAR DE EMPEXA 15
8.2 TRANSPORTE 16
9. INSUMOS 16
9.1 CARBONATO DE CALCIO E HIDRÓXIDO DE SODIO 16
9.2 ACIDO SULFURICO 16
10. SERVICIOS 17
10.1 AGUA 17
10.2 ENERGIA ELECTRICA 17
10.3 COMBUSTIBLE 17
11. PROCESO DE FABRICACION 17
11.1 PROCESOS ALTERNATIVOS DE FABRICACIÓN DE CLORO 17
11.1.1 OBTENCIÓN INDUSTRIAL DEL CLORO MEDÍANTE ÁCIDO CLORHÍDRICO Y MANGANESA 18
11.1.2 MÉTODOS CATALÍTICOS Y NEUMÁTICOS PARA LA OBTENCIÓN DEL CLORO 21
11.2 PROCESOS ALTERNATIVOS DE FABRICACIÓN DE HIDROXIDO DE SODIO 22
11.2.1 SOSA CÁUSTICA EN ESCAMAS, EN MEDIANA ESCALA INDUSTRIAL. 22
11.2.1.1 PRIMERA FASE DEL PROCESO 23
11.2.1.2 CARGADO DE LA CALDERA DE REACCION. 23
11.2.1.3 SEGUNDA FASE 24
11.2.1.4 TERCERA FASE 24
11.2.1.5 CUARTA FASE 24
11.2.1.6 QUINTA FASE, PROCEDIMIENTO PARA LA OBTENCIÓN DE LEGIA LIQUIDA DE
HIDROXIDO DE SODIO 25
11.2.1.7 TRANSFORMACIÓN DEL PRODUCTO “PASTOSO” EN ESTADO DE SOSA CAUSTICA EN
ESCAMAS.26
11.2.1.8 DESCRIPCIÓN DE LA INSTALACION 26
11.2.1.9 SECADO 27
11.3 PROCESO ELEGIDO 28
11.3.1 INSTALACIONES CON CÉLULAS DE MERCURIO 29
11.3.2 Instalaciones con células de diafragma 30
11.3.3 Instalaciones con célula de membrana 31
11.4 PROCESO DETALLADO 32
11.4.1 Almacenamiento 32
11.4.2 TANQUE DE DISOLUCIÓN 32
11.4.3 TANQUE DE PURIFICACIÓN 32
11.4.4 FILTRADO 33
11.4.5 Electrólisis 33
11.4.6 Lavado y enfriamiento. 35
11.4.7 Secado 35
11.4.8 COMPRESIÓN 36
11.4.9 Embotellado 36
11.4.10 Evaporacion 36
11.4.11 Proceso de escamado 36
11.4.12 ENVASADO 36
11.5 DIAGRAMA ESTRUCTURAL 37
11.6 diagrama de bloques 37
12. BALANCE DE MATERIALES 37
12.1 SAL UTILIZADA PARA LA REACCION 37
12.2 BALANCE EN EL TANQUE DE ALMACENAMIENTO DE SAL 38
12.3 BALANCE EN EL TANQUE DE DILUCION 38
12.4 BALANCE EN EL TANQUE DE AGUA CALIENTE 39
12.5 Balance en el tanque de precipitados 39
12.6 Balance masico en el electrolizador 40
12.7 RECIRCULACION DE SALMUERA AGOTADA 41
12.8 BALANCE MASICO EN EL DESAMALGAMADOR 42
12.9 Proceso de obtencion de sosa caustica 43
12.9.1 Balance en el filtro. 43
12.9.2 Balance en el evaporador 43
12.8.2.1 Balance energético 43
12.8.2.2 Cantidad de vapor necesario 44
12.10 Proceso de obtencion del cloro 45
12.10.1 Balance en el lavado de gases 45
12.10.2 Balance en el tanque de agua para el lavado del gas 45
12.10.3 Balance en el secadero (cloro) 46
13. capacidad instalada 50
14. procediemiento de celdas 51
15. calculo del NÚMERO de celdas 52
ANEXO B 57
ANEXO B
DIAGRAMA DE BLOQUES
