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REPBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
UNIVERSIDAD DEL ZULIA
FACULTAD DE INGENIERA
ESCUELA DE QUMICA
CTEDRA: QUMICA INDUSTRIAL
CLORO SODACLORO SODA
Elaborado por:
Pascal Daniela. CI: 20.084.016
Maracaibo, Septiembre de 2011
CLORO SODACLORO SODA
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remover grasas, germicidas, solventes para lavado seco, explosivos,
fungicidas e insecticidas.
Hidrxido de sodio (NaOH)
El hidrxido de sodio es una sustancia incolora e higroscpica que se
vende en forma de trozos, escamas, hojuelas, granos o barras. Se disuelve en
agua con fuerte desprendimiento de calor y la disolucin acuosa se denomina
leja de soda. Tanto la soda custica como la leja atacan la piel. Es de color
blanco cristalino en estado slido y ligeramente turbio en soluciones, no es
inflamable y no tiene poder explosivo. No corroe ni ataca las gomas, ni las
resinas sintticas a temperatura ambiente. Ataca fuertemente el aluminio,
estao, plomo y sus compuestos. Destruye tejidos vegetales, animales y
orgnicos en general. Reacciona fuertemente con los cidos y con diversas
sustancias slidas, lquidas y gaseosas. Tiene alto poder de dilucin, por lo cual
al disolverse es posible que alcance el punto de ebullicin; esto se evita
realizando la operacin en forma lenta.
Es un lcali fuerte, y como tal es peligrosa cuando se manipula sin las
atenciones y debidas precauciones.
Propiedades.
Peso molecular de 40.1 g/mol.
Punto de ebullicin de 1390C.
Punto de fusin 318.4C.
Densidad a 20C de 2.13 Kg/l.
Calor de fusin de 40 cal/g.
Usos.
Industria de la pulpa y el papel: Son los mayores consumidores de lasoda custica a nivel mundial. Las aplicaciones incluyen el
tratamiento del papel usado y de aguas residuales, y adicionalmente
se emplea como materia prima en los procedimientos que reducen a
pulpa y blanqueadores.
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Industria textil: La soda custica se utiliza en el proceso qumico de
produccin de algodn y de fibras sintticas como nylon y polisteres.
Industrias de jabones y detergentes : Es el hidrxido principal usado en
la saponificacin o conversin de las grasas o aceites provenientes de
vegetales o minerales para el proceso de manufactura de jabones. En
el caso de los detergentes es frecuentemente usada para la
produccin de surfactantes inicos.
Industria de manufactura de blanqueadores : Es empleada en la
produccin de agentes blanqueadores como hipoclorito de sodio o de
calcio.
Industria petrolera : Se usa en los procesos de exploracin produccin
y procesamiento de petrleo y gas natural. Tambin se emplea en la
remocin de materiales cidos como el H2S y mercaptanos generados
en los procesos.
Industria del aluminio : Es usada para disolver bauxita en la primera
etapa para la produccin de aluminio.
Industria de los procesos qumicos : La soda custica es la materia
prima para una amplia gama de productos, porque se utiliza como
intermedio y como reactivo en los procesos que producen solventes,
los plsticos, las telas sintticas, los pegamentos, las capas, los
herbicidas, los tintes, los productos farmacuticos, y muchos ms
productos industriales. Tambin se utiliza para la neutralizacin de
corrientes intiles cidas y para componentes cidos de gases de
escape.
Entre otras aplicaciones .
Hidrogeno (H2).
El hidrogeno es en condiciones normales un gas incoloro, inodoro einspido, compuesto de molculas diatmicas, H2. Es la sustancia ms
inflamable de todas las que se conocen, es un poco ms solubles en
disolventes orgnicos que en el agua, a temperatura ordinaria el hidrogeno es
una sustancia poco reactiva a menos que se haya activado de alguna manera;
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por ejemplo, por un catalizador adecuado. A temperaturas elevadas es muy
reactivo.
Propiedades.
Peso molecular de 1.00797 g/mol.
Punto de ebullicin de -252.7C.
Punto de fusin -259.2C.
Densidad de 0.071 g/ml.
Usos.
Sntesis del amoniaco.
Rompimiento por hidrogeno (hydrocracking), y en el tratamiento con
hidrogeno para eliminar azufre.
La hidrogenacin se utiliza en la manufactura de productos qumicos
orgnicos.
Como combustible de cohetes, en combinacin con oxigeno y flor, y
como un propulsor de cohetes impulsado por energa nuclear.
cido Clorhdrico (HCl).
El cido clorhdrico es una solucin de cloruro de hidrogeno en agua,presenta aspecto cristalino cuando esta puro, presenta color amarillento
debido a la presencia de hierro, cloro o sustancias orgnicas. Ataca a todos los
metales comunes, reacciona con metales e hidrxidos formando xidos
metlicos y cloruros respectivamente. Causa irritacin al tener contacto con la
piel y las membranas mucosas.
Propiedades.
Peso molecular de 36.46 g/mol. Punto de ebullicin de -84.9C.
Punto de fusin 114.8C.
Gravedad especifica de 1.00045 g/l.
Usos.
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Lavado de metales.
Refinacin de caa de azcar.
Produccin de goma sinttica.
Produccin de glucosa y azcar de maz.
Almidn.
Activacin de pozos petroleros.
Hipoclorito de Sodio (NaClO).
El hipoclorito de sodio es una solucin clara, sin sedimentos de un color
amarillo verdoso ligero. De olor penetrante e irritante. Es una solucin
fuertemente oxidante. Muy eficaz en el control bacteriolgico y microbiolgico.
Propiedades.
Peso molecular de 74.44 g/mol.
Punto de ebullicin de 100.85C.
Punto de fusin 17.85C.
Densidad de 1.11 g/cm3.
Usos.
Se emplea como desinfectante y desodorante en lecheras, creceras,
abastecimiento de aguas negras y para propsitos caseros.
Obtencin de hidrxido frrico Fe(OH)3, bixido de manganeso, de
nitratos, sulfatos y cianatos (por reaccin con los cianuros).
2.- MATERIA PRIMA.
La sal comn es la materia prima de la planta de cloro soda ubicada en
el tablazo. La sal comn se importa desde Bonaire o se trae por va martima
desde las salinas de Araya (Edo. Sucre) hasta el muelle de manejo de sal o
tambin proviene de la empresa Produsal del Sector Los Olivitos y mediante
una correa transportadora, se enva hasta un patio de almacenamiento el cual
est diseado para contener 17000 m3 (19600 TM) de sal, lo cual equivale a un
inventario para 30 das de operacin de la planta a mxima capacidad.
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Este proceso tiene como reaccin global la siguiente:
(Reaccin imposible de forma directa)
La reaccin global en sentido inverso es inmediata y constituye una
experiencia elemental de ejemplo de una reaccin qumica de precipitacin.En el sentido que nos interesa, no es posible llevarlo a cabo
directamente en disolucin, ya que la insolubilidad del carbonato clcico hace
que el equilibrio correspondiente est prcticamente desplazado hacia la
izquierda.
i. Haciendo pasar Amoniaco y Dixido de Carbono (gaseosos) por
una solucin saturada de Cloruro de Sodio se forma Carbonato cido de sodio y
Cloruro de Amonio (ambos insolubles).
ii. El Carbonato cido de Sodio se separa de la solucin por filtracin
y se transforma en Carbonato de Sodio por calcinacin.
iii. El Cloruro de amonio obtenido se hace reaccionar con Hidrxido
de Calcio y se recupera Amonaco.
iv. El Hidrxido de Calcio se produce en la misma fbrica por
calcinacin de Carbonato de calcio (piedra caliza) y as se produce el Dixido
de Carbono necesario en la ecuacin 1.
4.- REACCIONES QUMICAS INVOLUCRADAS.
Tratamiento qumico de la salmuera.
Intercambio Inico de la resina.
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i. Reaccin de purificacin de la salmuera.
ii. Reaccin de Regeneracin de la Resina.
iii. Reaccin de conversin de la Resina.
Electroqumica del proceso cloro soda.
i. Reaccin en el nodo.
ii. Reaccin en el ctodo.
iii. Reaccin Global.
iv. Subproductos.
Destruccin de cloratos.
Declorinacin de la salmuera agotada.
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Cloro Lquido.
Componente ComposicinCloro 99.72%peso
Dixido de Carbono TrazasOxgeno 0.25%
Nitrgeno 0.03%Hidrgeno Trazas
cido Clorhdrico.
Componente Composicincido Clorhdrico 32% peso
Cloro Mximo 2 ppmAgua Balance
Hidrogeno Gaseoso (99.90%).
Soda Custica.
Componente ComposicinSoda Custica 50% peso
Cloruro de Sodio Mximo 50 ppmClorato de Sodio Mximo 15 ppm
Hierro Mximo 1 ppmNquel Mximo 0.05 ppm
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DESCRIPCIN GENERAL DEL PROCESO
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5.1.- Saturacin y tratamiento primario de salmuera.
Saturacin.
La sal empleada actualmente se trae desde el sector de los Olivitos
(Maracaibo, Edo. Zulia) y Bonaire, y se lleva hasta el patio de almacenamiento
(capacidad de 17000 m3 de sal, equivalente a treinta das de operacin a
mxima capacidad), la sal est compuesta principalmente por NaCl, H2O,
Na2SO4, NaClO3, CaCl2, MgCl2, Fe, entre otros.
La sal se lleva por medio de 2 camiones cargadores (shovels) hasta una
tolva provista de un alimentador vibratorio y una cinta transportadora que las
transfiera a un elevador de canjilones, el cual descarga a un silo de sal que
suple a 4 saturadores verticales.
Una vez en los saturadores se inicia el proceso de separacin de la
salmuera, agregando una cantidad necesaria de agua desmineralizada para
disolver la sal, esta salmuera se combina con salmuera agotada para
concentrarla hasta un valor medio de 300 g/l y pH de 8.7. Esta salmuera recibe
el nombre de Salmuera Inicial o Salmuera Bruta.
Tratamiento Qumico.
La salmuera saturada sale por el tope del saturador, por gravedad, al
tanque de almacenamiento de salmuera cruda y luego, se bombea a los
tanques qumicos primarios. El objetivo de esta etapa es la remocin de
compuestos como calcio, sulfato de sodio y magnesio, los cuales tienden a
producir obstrucciones en las membranas de los electrolizadores.
En el primer tanque se inyecta una solucin de BaCl2 al 15% que
contribuye a reducir el residuo de Na2SO4 a un intervalo de 3-5 g/l segn la
siguiente reaccin:
Luego, la salmuera saturada pasa al segundo tanque
De tratamiento en donde se adiciona Na2CO3 al 15% en exceso a un nivel de
0.2-0.6 g/l respectivamente, esto permitir una disminucin de los niveles de
Ca+2 y Mg+2 provenientes de la sal fresca, segn las siguientes reacciones:
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En caso de ser necesario se aade CaCl2 para mantener la relacin entre
el calcio y el magnesio proveniente de la sal fresca, en la sal muera tratada
superior a 2.
Se debe realizar la remocin de calcio y magnesio ya que estos pueden
formar sulfatos de los mismos y en el caso del sulfato de calcio, que es ms
soluble en la roca que en el agua de rociado, con una composicin mxima de
12% NaCl a 25C y una solubilidad mxima en salmuera saturada a 62C. Bajo
estas condiciones el equilibrio de solubilidad se da lentamente, pero la
salmuera est en contacto continuo con antracita por encima de 62C y
eventualmente se pueden dar los depsitos de CaSO4 en cualquier zona del
sistema cuando la temperatura baje o suba de este punto de saturacin.
Debido a la gran diferencia entre el grado de solubilizacin del NaCl vs CaSO 4,
se utiliza un reciclo de sal agotada.
5.2.- Tratamiento secundario de la salmuera.
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Seccin de Clarificacin de la Salmuera.
La salmuera fluye por gravedad y rebose externo del tanque de
tratamiento hacia el clarificador en donde se eliminara la mayor parte de los
precipitados de la salmuera y otros insolubles. A partir de este punto se define
como Salmuera Secundaria. En la entrada del clarificador se agrega un
agente floculante, para originar el crecimiento de cristales grandes en el
centro. Los precipitados se sedimentan como lodos en el fondo y son
bombeados al pozo de sedimentacin del rea de salmuera.
Seccin de Filtracin Primaria y Secundaria.
Esta etapa tiene como objetivo la remocin de partculas de gran
dimetro presentes en la salmuera, a partir de este punto la solucin recibe el
nombre de Salmuera Terciaria.
La salmuera clarificada fluye por gravedad hacia el sistema de filtracin
primario, primero llega a un tanque y se bombea hacia el filtro donde se utiliza
antracita y a la salida se recicla una porcin hacia el tanque y el resto se lleva
al sistema de filtracin secundario. Esta seccin permite asegurar la remocin
de la mayora de los slidos de la salmuera, de manera que separan el calcio,
magnesio, hierro y otros materiales indeseables hasta un nivel mximo entre
3-10 ppm.
Luego fluye a los tanques de alimentacin y se bombea a los filtros
pulidores o sistemas secundarios de filtracin a base de celulosa vegetal,
diseados para eliminar los insolubles y slidos en suspensin desde un nivel
mximo de 10 ppm hasta un nivel menor de 1 ppm. La presin mxima a la
salida de este es 3.2 Kg/cm2. Los insolubles son principalmente de calcio y
magnesio, sin embargo elimina significativamente hierro y nquel.
Seccin de Intercambio Inico.
El intercambio de iones se utiliza para eliminar iones de tipo metlico
presentes en la solucin y que no pudiesen ser removidos en las etapas
previas, tales como el calcio, el magnesio, el estroncio y el bario. El contenido
de calcio y magnesio de la sal muera que pasa por el intercambio de iones
disminuye de 1 ppm a menos de 25 ppb la salmuera del sistema de
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intercambio de iones, el contenido de Bario est por debajo de 400 ppb, y el
contenido de estroncio menor de 500 ppb, por lo tanto se denomina salmuera
ultra pura. Debe resaltarse que en esta seccin la salmuera no debe contener
cloro libre, ya que oxida la resina e imposibilita la capacidad para intercambiar
iones. Antes de entras a las 3 columnas de intercambio inico, se calienta lacorriente de salida del segundo tanque de filtrado que se encuentra a 48C,
aprovechando el calor de la corriente de salmuera declorinada que se va a
mezclar con la alimentacin inicial, esta corriente llega a 81.2C y sale
alrededor de 60C. La corriente de entrada al sistema de intercambio inico no
posee cloro libre, tiene un pH de 9-11 y una temperatura de 64.9C. La cada
de presin mxima en estas columnas es de 1.4 Kg/cm 2.
La corriente de salida del sistema se mezcla con HCl al 32% y se pasa
por un mezclador para eliminar el exceso de carbonatos y el exceso de NaOHen la salmuera mediante las siguientes reacciones:
El pH de la corriente de salida del mezclador oscila entre 5 y 6. Esta se
almacena en un tanque de salmuera ultra pura y se bombea hasta la seccin
de electrolisis.
A la salida de la etapa de intercambio inico se dispone de una solucin
altamente pura la cual recibe el nombre de Salmuera Ultra Pura. La solucin
de salmuera es calentada con vapor de proceso con la finalidad de disminuir
los requerimientos energticos de los procesos de electrolisis, se almacena en
unos tanques de alimentacin, los cuales suministran la solucin al rea de
electrolizadores.
Reacciones de Intercambio Inico.
Reaccin de purificacin de la salmuera.
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Reaccin de Regeneracin de la Resina.
Reaccin de conversin de la Resina.
5.3.- Electrolisis de la Salmuera.
La Salmuera ultra pura se calienta hasta 80C y se enva a la sala de
celdas, la cual consiste de dos circuitos de 36 electrolizadores, de 30 celdas
cada uno y cada celda posee una membrana. Estos electrolizadores se
alimentan por el fondo, con salmuera en el lado andico y con soda custica al
31% en el lado catdico y por efecto de la intensidad de corriente
(aproximadamente 179000 A y 37.5 KV) por cada electrolizador, ocurren las
siguientes reacciones electrolticas:
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Por el lado del nodo se genera cloro gaseoso mezclado con salmuera
agotada, y en el lado del ctodo se produce soda custica al 32% unida al
hidrogeno. La salmuera agotada y el cloro fluyen dentro de una T de
separacin que esta fuera de cada electrolizador. El cloro tiene apreciables
cantidades de humedad y se encuentra a una temperatura de 80C y 90C,
condiciones en las que se fomenta la corrosin del cloro gaseoso por lo que
debe utilizarse materiales cermicos, plsticos, o equipos recubiertos con hule.
Este cloro se separa de la salmuera agotad y se pasa por una cmara de sello
de cloro y luego se enva hacia el rea de procesamiento en donde se somete a
enfriamiento, secado y filtrado a objeto de eliminar la niebla salina y redujo al
mximo el contenido de agua (menos de 10 ppm), posteriormente, para los
sistemas de compresin que alcanzan entre 22-60 psig y licuacin mediante un
equipo de refrigeracin convencional, desde donde se distribuye a los
diferentes sitios de consumo.
Por otra parte, la salmuera agotada de las dos corrientes fluye por
gravedad a un tanque receptor donde se le agrega cido clorhdrico (HCl) para
lograr la separacin del Cl2 que ha quedado remanente y se bombea a la zona
de declorinacin. El resto de los productos, hidrogeno y soda custica, fluyen
por otra T de separacin. El hidrogeno extrado de ambas celdas se separa de
la soda custica y pasa por una cmara de sello de hidrogeno hasta llegar al
sistema de enfriamiento, lavado y compresin, en donde se distribuye una
parte hacia la unidad de sntesis de cido clorhdrico y el resto a la planta de
olefinas y vinilos.
La soda fluye por gravedad al tanque de circulacin y el 8% se destina a
concentracin de 32% a 50% y luego a los tanques de despacho. El resto,
cerca del 90% se bombea, diluye hasta un 31% con agua ultra pura, se calienta
en intercambiadores y se recircula a las celdas, la otra parte se almacena en
los tanques de soda al 32% desde donde se enva a otros usos.
Las membranas operan en un amplio rango de temperatura entre 70C y
95C. El voltaje decrece de 0.05 a 0.1 V por cada incremento de 10C en la
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temperatura sin embargo no se evidencian cambios en la eficiencia de
corriente (rendimiento).
A temperaturas menores de 70C ocurre un aumento en la resistencia al
paso de la corriente, aumentando el voltaje de la membrana. A temperaturas
mayores de 95C se producen ampolladuras, ocurriendo una separacin entrelas capas sulfnicas y carboxlicas de las membranas.
Es importante reducir el contenido de impurezas al mnimo, estas
pueden provenir del agua de reposicin del catolito (agua desionizada), de la
salmuera, de la corrosin de los electrodos y de los equipos del proceso
(tanques, tuberas, vlvulas). Estas impurezas pueden afectar el proceso
mediante tres posibles maneras, algunas pueden afectar el desempeo de la
membrana (Fe, Si, Ni), algunas pueden afectar la pureza de la soda custica
(Cl-, ClO3-, SO4-), y otras pueden afectar el desempeo del ctodo (Fe y Hg).
5.4.- Declorinacin de la salmuera agotada.
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Declorinacin por vaco.
Se bombea salmuera agotada desde el depsito de salmuera agotada
hasta la parte superior de una columna empacada (declorinador), operando
bajo vaco de menos (-) 0.58 Kg/cm2.
El declorinador disminuye el nivel de cloro disuelto en la salmuera hasta
un nivel cercano a 10-30 mg/l. De esta forma se crea suficiente vaco en el
declorinador de modo que la presin del sistema se acerque al punto de
ebullicin de la salmuera. Con la reduccin de la presin total del sistema, se
reduce la presin parcial del cloro., extrayendo cloro molecular acuoso de la
salmuera, con el fin de obtener bajos niveles de cloro disuelto.
En este caso, la columna empacada se utiliza para asegurar una
adecuada rea de superficie para la separacin vapor lquido. El vapor y el
lquido fluyen hacia la parte baja de la columna y se separan en el fondo. El
cloro y el vapor de agua del declorinador pasan a travs de un condensador,
entonces la mayor parte del vapor de agua condensado fluye por gravedad de
regreso hasta la parte superior de la torre y el gas de cloro se comprime y se
enva al procesamiento normal del gas de cloro hmedo.
La temperatura de la salmuera en la parte superior de la torre se vigila
continuamente, ya que una disminucin en la temperatura traera como
consecuencia un incremento en la cantidad de cloro disuelto remanente en la
salmuera.
La salmuera declorada se bombea desde el fondo del declorinador hacia
la declorinacin qumica antes de la transferencia a los saturadores de
salmuera.
Declorinacin Qumica.
Se inyecta sulfito de sodio (Na2SO3) lquido y soda custica (NaOH) en la
salmuera declorinada por vaco, hasta declorinar completamente la salmuera,
descomponer algunos cloratos y ajustar el pH. Se produce la siguiente reaccin
completa.
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El exceso de sulfito puede descomponer algunos de los cloratos en la
salmuera segn la siguiente reaccin:
Si se desea se puede agregar sulfito de sodio adicional para
descomponer los cloratos adicionales. Sin embargo, esto no es necesario ya
que el sistema separado de descomposicin de cloratos, ya discutido,
mantiene bajo el nivel de cloratos.
Desde los puntos de adicin de reactivos qumicos, la salmuera
declorinada pasa a travs de un mezclador esttico, hasta mezclar
completamente la custica y el sulfito de sodio con la salmuera.
Se ajusta el pH entre 7-8 aproximadamente, por medio del uso de un
analizador/controlador de pH el cual regula la adicin de NaOH al 12% desde el
almacenamiento. Se realizan adiciones finales de NaOH para lograr un pH tan
neutro como sea posible en la corriente de salmuera.
Posteriormente, la salmuera declorinada pasa a travs del
intercambiador de salmuera declorinada/salmuera filtrada, se intercambia as
el calor entre la salmuera declorinada caliente con la salmuera secundaria de
filtracin, permitiendo el retorno de la salmuera ms fra (rango deseado entre
30C-60C), hacia los saturadores de salmuera reduciendo as prdidas
innecesarias de calor.
Adicionalmente se incluyen un depurador de agua en la lnea de venteo
atmosfrico, desde el tanque igualador de salmuera declorinada (se usa como
lugar de almacenamiento para la salmuera declorinada, durante una
interrupcin de energa en la planta), para eliminar los vapores de cloro,
cuando se bombea salmuera clorinada dentro del tanque.
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5.5.- Enfriamiento y Secado del Cloro.
El cloro proveniente de los circuitos 1 y 2 se enfra en un intercambiador
de 90C a 40C donde se separa del agua en una T y el cloro pasa por otro
enfriamiento hasta 15C donde se separa aun ms agua. La temperatura en
este enfriador no puede bajar a ms de 12C puesto que se pueden formar
hidratos que tamponan las tuberas e incluso pueden causar explosiones. Los
enfriadores estn hechos de titanio, debido a las condiciones altamente
corrosivas. El cloro pasa por un filtro en el que se eliminan partculas como el
NaCl. El agua de las anteriores extracciones y del filtro se lleva a un tanque y
se bombea hasta la torre declorinizadora. El cloro a la salida del filtro entra a la
zona de secado, el que se realiza en tres torres con H 2SO4 que fluye en
contracorriente. En esta operacin se alimenta el cido a 98% y este se va
diluyendo a medida que pasa por las torres, hasta que al final se bombea hasta
un tanque de cido diluido. Al final de esta operacin el cloro tiene menos de
10 ppm de humedad y una temperatura de 47C. Este calentamiento se debe a
que el secado en donde se pone en contacto el cido sulfrico y el cloro es una
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operacin exotrmica debido principalmente a los calores de dilucin del cloro
en el cido.
5.6.- Compresin y Licuacin del Cloro.
El cloro seco a 41C se mezcla con el cloro seco a alta presin (8Kg/cm2)
y entra a la torre de licuacin en el distribuidor de gas caliente, ese pasa por la
torre en donde se enfra y se elimina NVM hasta alcanzar el tope a -38C. Por el
fondo sale el cloro lquido que entra al tambor de la torre en el que se
introduce CCl4 para mantener la NVM en solucin y evitar explosiones causadas
por la cristalizacin de NCl3. El exceso de CCl4 se elimina por el fondo del
tambor.
El cloro que sale por el tope pasa por 3 etapas de compresin con
enfriamiento intermedio con agua y un enfriamiento similar a la salida, en este
punto existe un bypass hacia la alimentacin de cloro seco para controlar la
presin de succin y el resto de la corriente entra a un licuador que trabaja con
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fren y un % de recuperacin de 96, en el que hay una pequea cada de
presin debido al gas que se licu. Luego la mezcla entra a un tambor de
separacin en los que se saca el gas y el lquido. El gas se almacena para su
distribucin y el lquido se alimenta a la unidad de cido clorhdrico.
5.7.- rea de Procesamiento de Hidrgeno.
El hidrogeno de la sala de celdas se enfra y se comprime en tres
separadores de equipo. Despus de la compresin de los 2 trenes se combinan
y el hidrogeno se enva a los usuarios y el hidrogeno en exceso se ventea a la
atmsfera.
El hidrogeno del colector principal de la sal de celdas, as como tambin
el hidrogeno que viene del tanque de circulacin de soda custica, tiene una
tubera de U en el colector el cual se puede llenar con agua para evitar el pasode hidrogeno. Se incluyen conexiones de purga de nitrgeno a ambos lados del
tubo en U para la purga manual del equipo aguas arriba y aguas abajo en los
arranques o durante las paradas de mantenimiento. Se incluye una conexin
de aguas de proceso en el lado del sello para el llenado. Finalmente se incluye
un medidor de nivel en el tubo en U para que el operador pueda determinar si
la vlvula de drenaje necesita ser abierta durante la operacin normal algunos
condensadores pueden cumularse gradualmente en esta tubera en U lo cual
puede causar fluctuaciones en la presin.Directamente despus del tubo en U en el colector el hidrogeno entra
por el fondo del depurador de hidrogeno y se enfra por contacto directo con el
roci del agua dirigido hacia abajo. El hidrogeno fro sale por el tope del
depurador. El agua utilizada para enfriar el hidrogeno circula en un sistema de
circuito cerrado, las bombas del depurador de hidrogeno hacen circular el agua
a travs del intercambiador de calor donde el agua de la torre de enfriamiento
se utiliza para bajar la temperatura del agua circulante.
El hidrogeno producido en todos los procesos electrolticos contiene
pequeas cantidades de vapor de agua, hidrxido sdico y sal que se eliminan
a travs del enfriamiento. El hidrogeno producido durante el proceso de la cuba
de mercurio tambin contiene pequeas cantidades de mercurio que deben ser
eliminadas mediante el enfriamiento del gas de hidrgeno para condensar el
mercurio y tratar con carbn activado.
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5.8.- Concentracin de la soda Custica.
Se recibe soda custica al 30-35% (normalmente cerca del 32%) desde
el tanque de circulacin de custica directamente al sistema de evaporacin de
custica. Sin embrago, se puede agregar soda al 30-35% adicional desde los
tanques de almacenamiento de NaOH se es necesario. Como se explico
anteriormente en la descripcin del proceso de electrlisis, el control de nivel
del producto custico en el tanque de circulacin de custica se enva de forma
directa a los evaporadores de custica. Siempre que el sistema de evaporacin
no pueda aceptar toda la custica, sta se enva el enfriador del producto
custico al 32% y a los tanques de almacenamiento de custica al 32%.
La custica al 30-35% que se enva directamente al almacenaje desde el
tanque de circulacin de custica debe enfriarse a 40C (140F) ya que el
material de los tanques de almacenamiento de corroe rpidamente si se
exponen a la custica caliente a esta concentracin. La custica se dirige
manualmente a uno de los dos tanques de almacenamiento de custica al 32%
segn la capacidad disponible; cada tanque tiene un transmisor de nivel y un
medidor de nivel/presin. Estos tanques de almacenamiento tambin
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suministran una fuente de custica al 30-35% para el arranque inicial, adems
de un complemento de custica al tanque de circulacin de castica durante
las paradas largas (simultneas) de ambos circuitos.
De estos tanques de almacenamiento de custica al 32% se bombea la
custica a neutralizacin de emergencia de cloro, al rea de preparacin decarbonato de sodio, a la salmuera ultra-pura, a la salmera pobre y al tanque de
regeneracin de NaOH en el rea de la salmuera. Un conjunto separado de
bombas suministra custica al Complejo Zulia segn un controlador de flujo
automtico.
El sistema de operacin de custica es una unidad de triple efecto el
cual concentra la custica al 30-35% a 50% por peso de NaOH. El vapor a baja
presin es la fuente de calor, mientras que el vaco se suministra con un
condensador de vapor indirecto por medio de agua de la torre de enfriamientoy una bomba de vaco. El sistema de evaporacin de la custica se compra
como una unidad completa as que el vendedor/proveedor de esta unidad tiene
una descripcin ms exacta de la misma.
Los condensadores primarios y secundarios del sistema de evaporacin
se envan respectivamente a los tanques de almacenamiento en el rea de
servicios para suministrar el agua necesaria a otras reas de procesamiento de
la planta; las especificaciones relacionadas con el manejo de los
condensadores se determinan en ingeniera en detalle.El producto custico a 50% se enfra a 50%C (120F) y, luego, se enva a
uno de los tanques de almacenamiento. Al igual que la custica al 30-35%, la
custica al 50% debe enfriarse para evitar corrosin severa y permitir el uso de
materiales de construccin menos costosos. El agua de la torre de enfriamiento
se usa para el enfriador del producto de custica al 50% y este intercambiador
de calor viene incluido en la unidad completa del sistema de evaporacin de
custica.
El almacenamiento de la custica al 50% se realiza en cuatro tanques.
Dos juegos de bombas envan el producto fuera. Un par de bombas se utiliza
para transferir la custica a los camiones cisterna mientras que le otro par de
bombas se utiliza para cargar barcos. Cada tanque tiene dos salidas a ambos
pares de bombas para permitir la carga simultnea de cambios o barcos.
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5.9.- Unidad de cido clorhdrico.
El cloro se quema con hidrgeno para producir cido clorhdrico. El cloro
en el gas de cola de licuacin se combina con el cloro de alta pureza de loscompresores segn sea necesario para mantener la presin de alimentacin de
cloro. La rata de flujo total de cloro de ambas corrientes se mide y se utiliza
para promediar la rata de flujo de hidrgeno comprimido al quemador de HCI.
Un exceso de hidrgeno se mantiene en el quemador. Los gases que entran al
quemador de HCI son hidrgeno y cloro cada uno cerca de 0.07 kg/cm2 (1psig)
por encima de la presin atmosfrica con el hidrgeno a unos 54C y el cloro a
unos 20C. La temperatura del cloro vara con el promedio del gas de cola al
cloro de alta pureza. No se necesita almacenamiento intermedio o compresin
ya que la rata de flujo de los gases automticamente se controla desde las
fuentes de suministro fijas. El exceso de hidrgeno se mantiene, por lo general,
entre 4% y 10% de volumen y se basa en el promedio de hidrgeno a cloro con
oxgeno en el cloro incluido.
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Un visor para mirar la llama se coloca en la seccin del quemador de
HCI. Una llama blanca significa que la unidad est en operacin normal, con
hidrgeno en exceso. Si la llama es amarilla, entonces, por lo general, existe
un exceso no deseado de cloro y la rata de flujo de hidrgeno relativa a la rata
de flujo de cloro debe aumentarse en el controlador de promedio de flujo.La temperatura de la llama dentro del quemador de HCI es, por lo
general, cerca de 2500C (>95% por volumen). El oxgeno presente en el cloro
(a una concentracin normal del 1.5% por volumen en base a agua libre) se
combina con el hidrgeno en una reaccin altamente exotrmica, la cual da
una temperatura de llama suficiente para mantener la reaccin de sntesis de
HCI. Sin embargo, cuando los gases contiene aire en exceso (oxgeno), la rata
de flujo de hidrgeno a cloro debe aumentarse para compensar por la reaccin
adicional de cloro (promedio total de estequiometria es: H2 = C12 +202). Estees el caso donde O2 en C12 puede estar en un rango de 7-8% por volumen.
Por otra parte, cuando los gases contienen inertes, la temperatura de
la llama disminuye; si la concentracin de los gases inertes es demasiado alta,
entonces la temperatura de la llama puede bajar realmente por debajo de los
1500C y se debe agregar aire (oxgeno) para mantener la sntesis de HCI. Es
poco posible una alta concentracin de inertes en esta planta. Aunque no se
incluye ningn dispositivo de medidas para la temperatura de la llama, esta no
afecta la cantidad de enfriamiento externo que se necesita para mantener latemperatura adecuada del absolvedor/producto de HCI.
El quemador de HCI normalmente se enciende de manera automtica
para el arranque, pero puede hacerse en forma manual con una lanza porttil
de H2. Esta lanza se enciende fuera del quemador de HCI con un flujo pequeo
de H2. Luego, se inserta a travs del visor abierto y se enva un flujo pequeo
de H2 al quemador de HCI para encender la llama. Se utiliza un soplador de
arranque para crear la corriente necesaria dentro de la seccin del quemador
de HCI.
Esta unidad de sntesis de HCI est equipada con diferentes dispositivos
de control de seguridad. Si la llama dentro del quemador se apaga, un
dispositivo sensor de llama lo detecta enva una seal hasta un rel de control.
Este rel activa una alarma y cierra de forma automtica una vlvula de
bloqueo en ambas lneas de suministro de H2y C12. El rel de control tambin
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abre una vlvula en la lnea de suministro de N2 para comenzar la purga del
sistema. El dispositivo sensor de llama se disea para activar el rel de control
slo si la llama se apaga por cerca de un segundo ya que una reaccin ms
rpida podra causar el paro por una simple fluctuacin en la llama.
El rel de control de paro automtico tambin se activa por el interruptorde baja presin en cualquiera de las lneas de suministro de H2 o de Cl2 si la
presin en cualquiera de las tuberas disminuye por debajo de unos 0.035
Kg/cm2 (0.5psig). De hecho, las vlvulas en las lneas de suministro de H 2 y Cl2
pueden utilizarse para mantener la contrapresin a la unidad de HCI a unos
0.07 Kg/cm2 (1psig). Como se describe despus, el interruptor de bajo flujo en
la tubera de suministro de agua de enfriamiento tambin se interconecta con
el sistema de paro automtico.
Se incluyen detenedores de llama en ambas lneas de suministro de H 2 yCl2 para evitar que la llama se dirija al equipo aguas arriba y cree una situacin
de peligro de explosin. Por lo general, los detenedores de llama tienen
empaques de anillo rasching y funcionan tambin como demisters. Por lo tanto,
se deben colocar drenajes para eliminar condensados.
La concentracin del producto se ajusta al 32% de cido clorhdrico con
un flujo regulado d agua demonizada como lquido absorbente segn la
densidad del producto de HCL. El lquido absorbente entra por el tope del
depurador de gas de cola de HCI a travs de tuberas rociadotas y sirve paraun par de propsitos. Enfriar y absorber el cloro que no ha reaccionado en el
depurador de gas de cola de HCI (una columna de empaques con flujo
contracorriente) con exceso de hidrgeno que fluye hacia arriba y hacia afuera
del depurador de gas de cola de HCI. Luego, el lquido absorbente fluye al
absorbedor donde la mayor parte de HCI se absorbe contracorriente. Un
controlador de flujo con alarma de flujo se incluye en la tubera de suministro
de agua D.I.
Adems del efecto enfriador de agua D.I., se requiere un enfriamiento
adicional de la unidad de HCI; por lo tanto, una chaqueta de agua de
enfriamiento rodea la unidad completa de HCI. El agua de enfriamiento rodea
la unidad completa de HCI. El agua de enfriamiento primero fluye al fondo de la
seccin de absorbedor hacia un enfriador interno de cido. De esta manera, el
producto cido hace contacto por ltimo con el agua de HCI. Por medio de una
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tubera externa, el agua de enfriamiento fluye hasta el fondo de la unidad de
HCI. De nuevo, el agua de enfriamiento sale de la unidad de HCI y se dirige al
sistema de retorno de agua de enfriamiento.
La tubera de suministro de agua de enfriamiento est equipada con un
medidor de flujo y una alarma de bajo flujo. El interruptor de bajo flujo estdiseado para entrelazarse con el sistema de control de paro de suministro. Se
incluye una conexin de muestra para asegurar que no haya fugas de HCI a
travs de los sellos internos.
El producto de HCI al 32% deseado fluye hacia abajo a travs del
absorbedor, cae y se recoge alrededor del enfriador interno de cido. El
enfriador de cido rodea la cmara central a travs de la cual el HCI fluye hacia
arriba y dentro del absorbedor. Sin embargo, la cmara central se extiende
hasta arriba, hasta el tope de la torre de HCI donde existe un disco de ruptura.Este disco de ruptura protege la unidad de HCI de algn dao fsico en caso de
explosin menor durante el arranque o de una explosin ms violenta por una
operacin incorrecta.
El producto de HCI al 32% fluye hacia fuera de la bandeja de recoleccin
a travs de una plataforma externa y, por gravedad, el rea de
almacenamiento de HCI.
El producto de HCI se recoge en un tanque pequeo y se bombea a
tanques de almacenamiento ms grandes. El uso de los tanques pequeospermite la purga del material diluido fuera de las especificaciones en el
arranque y tambin en los paros.
El HCI para los usuarios en el proceso interno se enva fuera de los
tanques de almacenamiento de HCI al 32% por las bombas de transferencia de
HCI al 32%. Estas mismas bombas se utilizan para enviar el producto de HCI a
las instalaciones da carga de camiones. Se incluye un depurador de agua en el
rea de almacenamiento para eliminar los vapores de cido desde los venteos
de los tanques de almacenamiento grandes.
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6.- REACTOR.
Celdas de Membrana.
Las celdas de membrana son las utilizadas en el Complejo Qumico Ana
Mara Campos debido a las siguientes caractersticas:
Las celdas de membranas tienen una membrana semipermeable para
separar los compartimientos de nodo y ctodo. En las celdas de membrana se
separan los compartimientos con hojas porosas de plstico qumicamente
activas, que permiten el paso de los iones sodio, pero rechazan los iones
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oxhidrilo. Se han desarrollado varios polmeros para este servicio exigente. El
propsito de esta membrana es excluir los iones OH- y Cl- de la cmara del
nodo, haciendo as un producto mucho ms bajo en sal que el obtenido en
una celda de diafragma. Las celdas de diafragma operan con una salmuera
ms concentrada y dan un producto ms puro, y ms concentrado (NaOH al28% que contiene 50 ppm de NaCl; se asegura haber obtenido un producto con
NaOH al 40%). Este producto requiere solo la evaporacin de 715 Kg de agua
para producir una tonelada mtrica de custico al 50%; as representa un
ahorro considerable.
En la industria se le ha designado a estas celdas como celdas de
membrana de intercambio inico. Estas celdas idealmente:
Tienen alta conductancia electroltica.
Son inertes al ambiente de trabajo.
Tienen buenas propiedades mecnicas.
Selectivamente transfieren los iones Na +, rechazando otros
aniones o cationes.
Tienen alta resistencia al fluido de fluidos.
Problemas primarios
Selectividad o eficiencia de la membrana hacia los iones oxhidrilos que
son transferidos a travs de la membrana.
Problemas secundarios
Voltaje ms alto que el deseado.
Algunos cloruros difunden a travs de la membrana.
La vida y eficiencia de la membrana por iones multivalentes como Ca+2 y
Mg+2
.
Componentes.
Para la reaccin electroqumica de una solucin de cloruro de sodio, la
celda tendr los siguientes componentes.
Un electrodo cargado positivamente (+) nodo.
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Un electrolito en el compartimiento del nodo formado por salmuera,
denominado anolito.
Un electrodo cargado negativamente (-) ctodo.
Un electrolito en la cmara del ctodo formado por una solucin de soda
custica denominado catolito.
Membrana, para separar el anolito del catolito.
La membrana, Polmero de fluorocarbn que contiene grupos cidos o
sales de carboxilatos y sulfonatos y que esta reforzada con una malla de
fluorocarbn o tefln. El espesor del polmero sulfonado en el lado nodo
suministra una alta conductividad y absorbe suficiente agua para mantener
flexible la membrana y resistente a las condiciones de operacin. La capa
carboxilada de menor espesor en el lado ctodo, tiene excelente rechazo a los
cationes y alta eficiencia de la corriente.
Separacin de los iones.
Los grupos cidos de la membrana neutralizados por cationes. Estos
cationes son mviles y se desplazan libremente bajo la influencia de
diferencias de concentracin, temperatura, etc. Los aniones son rechazados
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debido a su carga neta fija. Razn fundamental de que la membrana puede
transportar cationes y ofrecer una barrera para los aniones.
Caractersticas de las Membranas.
Alta eficiencia de la corriente (evitar la migracin del in hidroxilo).
Baja resistencia elctrica.
Excelente resistencia qumica al cloro y la soda custica.
Buena resistencia al calor.
Buena estabilidad dimensional.
Baja permeabilidad a la sal y al agua.
Larga duracin operacional.
Problemas Operacionales.
Insolubilidad de las especies que entran a la membrana, en su paso
desde un anolito relativamente acido hasta un catolito fuertemente bsico.
Presencia de impurezas dainas que incluyen los cationes alcalino
trreos (magnesio, calcio, bario, estroncio, etc.)
Niveles mximos de impurezas en la salmuera: de 10 a 100ppb
Condiciones de Operacin.
El principal propsito de las condiciones de operacin es mantener el
flujo de masa (iones sodio + agua) dentro de los lmites de la capacidad de
transporte de la membrana. La composicin de los polmeros influye en dicha
capacidad de transporte, as como tambin la temperatura y el contenido de
agua. Las condiciones de operacin las selecciona el fabricante de las
membranas, con el objetivo de obtener un mejor rendimiento y tiempo de vida
en todos los electrolizadores.
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La medida del deterioro de las membranas viene dada por incrementos
en el consumo de energa, lo cual significa aumentos en el voltaje, disminucin
de la eficiencia o ambas.
Temperatura de la celda.La membrana es una solucin de electrolitos y al igual que stos, su
conductividad aumenta con el incremento de la temperatura. El rango de
operacin recomendado oscila entre 80C y 95C.
A temperaturas mayores de 95C, el contenido de agua en la membrana
aumenta, por lo que sta absorbe agua originando expansin, arrugas y
abombamiento. Por otra parte, una temperatura demasiado alta puede
ocasionar falla de las partes plsticas del electrolizador. Normalmente, una alta
temperatura en el electrolizador se detecta frecuentemente chequeando la
temperatura del catolito.
El rango ptimo de temperatura del anolito vara ente 85 92C.
Generalmente la temperatura del anolito ser 1 5C ms baja que la del
catolito.
Es importante mantener la temperatura del anolito/salmuera de
alimentacin, constante, para ayudar a asegurar una operacin del
electrolizador en estado estable. La temperatura del anolito afecta la cantidad
de agua que se evapora dentro del gas cloro y la cantidad de agua que
transporta a travs de la membrana, lo cual afecta la concentracin de NaCl en
el anolito.
pH del anolito.
El pH de salmuera ultra pura permitido es de 3 10.
El flujo de HCl se debe controlar para mantener pH del anolito > 2.
El pH del anolito normalmente se encuentra entre 3.5 4.5.
Cuando el pH anolito < 2 se transporta una fraccin de corriente
ms alta. Capa carboxlica no conductiva. Dao irreversible a la
membrana.
El pH anolito > 11 puede deberse a la existencia de orificios en la
membrana. Puede deteriorar el revestimiento andico.
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El pH de la salmuera que se alimenta a celdas afecta
marcadamente el pH del anolito.
Concentracin de NaOH producto (catolito).
Los niveles de concentracin de soda se deben encontrar en un rango de
30-35% o 30-32%, para menor consumo de energa. Valores superiores
ocasionan una disminucin de eficiencia de corriente y aumento de voltaje. La
disminucin de la eficiencia puede ser permanente si la desviacin es mayor a
37%. Para valores inferiores, si es menor a 25% hay mayor cantidad de agua
produciendo abombamientos, pliegues y problemas mecnicos.
La concentracin de NaOH se controla con la regulacin del agua que se
recircula y empleando una relacin de reciclo grande.
Calidad de salmuera de alimentacin.
A excepcin del cloruro, sodio y agua el resto de las especias se
considera impurezas. Su efecto sobre la membrana es:
Pueden pasar a travs de la membrana
Reducir sitios activos disponibles para transporte de sodio
Precipitan y rompen la membrana: disminucin de eficiencia de
corriente y mayor voltaje. Ca, Ba, sulfatos.Algunos ejemplos de contaminantes es el hierro que contiene la
salmuera de alimentacin, los sulfatos, carbono orgnico total (TOC).
Independientemente del tipo de membrana se requiere un grado
intermedio de pureza, lo cual asegura que la cantidad de impureza que logre
atravesar la membrana sea mnima y el producto se vea vagamente afectado.
Concentracin de NaCl en el anolito.
Para un electrolizador el rango normal de operacin en cuanto a laconcentracin de NaCl en el anolito es de 190 230 g/l.
Se define el lmite inferior cuando baja la concentracin del anolito, por
debajo de este valor pasa ms agua hacia la membrana. En la operacin se
desea evitar que se exceda la capacidad de la membrana.
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El valor mnimo de 190 g/l incluye un factor de seguridad debido a un
mezclado imperfecto. A concentraciones
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El rendimiento del proceso es del 94-97%. Una planta a gran escala
produce de 50 a 300x103 ton del Cl2/ao y de 56 a 340x103 ton de NaOH/ao.
Ventajas :
Alta concentracin de NaOH.
Alta pureza de Cl2 e H2.
Purificacin simple de la salmuera.
No necesita evaporar para concentrar el NaOH.
Desventajas:
Se producen prdidas de mercurio en el proceso generando
problemas medioambientales.
Alto costo de operacin y proteccin ambiental.
Grandes superficies ocupadas.
Mucho consumo de energa.
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Celdas de Diafragma.
Las celdas de diafragma contienen un diafragma, generalmente hecho
de fibras de asbesto, para separar el nodo del ctodo. Esto permite que los
iones pasen a travs de l por migracin elctrica, pero reduce la difusin de
los productos. Los nodos por lo general, se han hecho de grafito, y los
ctodos, de hierro fundido.
En este tipo de celda, los compartimientos andicos y catdicos estn
separados por una lmina porosa llamada diafragma. El Cl se desprende en el
nodo, mientras que el H2 y la solucin alcalina de NaOH (10-12%) se generan
en el ctodo.
Al ctodo se le adhiere un diafragma poroso de fibras de asbesto y
mezclado con otras fibras (por ejemplo con politetrafluoroetileno). Este
diafragma separa al nodo del ctodo evitando la recombinacin de los gases
generados en estos.
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Se alimenta el sistema continuamente con salmuera que circula desde el
nodo hasta el ctodo. En la disolucin queda una mezcla de NaOH y NaCl. El
NaCl se reutiliza y el NaOH tiene inters comercial.
Este mtodo tiene la ventaja de consumir menos energa que el que
emplea amalgama de mercurio, pero por contra el NaOH obtenido es de menorpureza por lo que generalmente se concentra. Tambin existe un riesgo
asociado al uso de asbestos.
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