ip2008 clase cloro soda

INDUSTRIA DE PROCESOS – 76.291 º CUAT 2008

CLORO – SODA

1) INTRODUCCION

La soda cáustica es una de las materias primas consideradas como “productos químicos básicos”; clasificación que comparte con la Soda Solvay (carbonato de sodio) y el Acido Sulfúrico. Esta denominación se debe a que casi no existe ningún producto químico que no requiera de uno o más de estos tres productos químicos básicos para su producción. El método industrial de producción que cubre los requerimientos de abastecer en cantidad, calidad y costos adecuados es el de la electrólisis del Cloruro de Sodio. Por medio de este proceso se obtiene Hidróxido de Sodio, y paralelamente, Cloro e Hidrógeno.

- Importancia de la soda cáustica y el cloro en la economía.

La instalación de una planta de cloro-soda tiene un gran impacto económico desde el punto de vista de sus materias primas e insumos y de la distribución de los productos terminados.

La gran cantidad de sal que debe manejarse para la producción de soda cáustica a escala industrial, hace necesaria la cercanía de las fábricas a los yacimientos naturales de cloruro de sodio o, al menos, una muy eficiente logística de transporte, ya que el costo de dicha materia prima está básicamente constituido por el valor de flete de la misma.

También es importante mencionar que la energía eléctrica representa, aproximadamente, el 70% del costo de la Unidad de Costo Electrolítico (ECU). Se llama ECU al costo de fabricar una tonelada de Cloro más 1,1267 toneladas de Soda Cáustica. Por lo tanto, esto significa que esta es una industria electrointensiva que tiene una alta dependencia de la disponibilidad y el costo de la electricidad y, paralelamente, implica un impacto muy grande en la economía local de la generación de tal insumo.

Por último, debe aclararse que los volúmenes de manejo de materias primas (básicamente cloruro de sodio) y productos terminados (soda cáustica, cloro y/o productos fabricados con el cloro) representan un gran aporte económico al sector de servicios, principalmente los relacionados con transporte y demás componentes de la logística de distribución y almacenaje.

LA INDUSTRIA NACIONAL DE CLORO SODA

a) Antecedentes

La industria de la soda cáustica tiene su primer manifestación en el país hacia el año 1929, fecha a partir de la cual se ponen en marcha las instalaciones que en Capitán Bermúdez (Pcia. de Santa Fé), construyera la firma Celulosa Argentina S.A. En 1938 se constituyó el grupo Celulosa – Electroclor, correspondiendo a esta última empresa la utilización del gas cloro, producido por la primera de las firmas nombradas.

En 1940, Compañía Química S.A. inicia la producción de éste álcali en las instalaciones de su planta de productos químicos ubicada en Dock Sud, Avellaneda (Pcia. de Buenos Aires).

Posteriormente, como consecuencia de las restricciones al crecimiento industrial provocado por la IIº Guerra Mundial, se manifiesta en el país una importante corriente orientada al desarrollo de esta actividad. Tal es así, que en el año 1950, dos nuevos establecimientos comienzan a producir soda cáustica y algunos derivados clorados. Ellos son: Atanor S.A. en Río Tercero (Pcia. de Córdoba) y Cosmoclor S.A. en Aldo Bonzi, La Matanza (Pcia. de Buenos Aires).

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Al año siguiente, Indupa S.A., se procura el abastecimiento de energía hidroeléctrica de bajo costo y pone en marcha la planta de producción de soda y de algunos derivados clorado- orgánicos e inorgánicos en Cinco Saltos (Pcia. de Río Negro).

En 1952 Papelera Río Paraná S.A. procede a integrar su establecimiento de Campana (Pcia. de Buenos Aires), orientado básicamente a la producción de celulosa y papel, con la incorporación de una planta electrolítica para la producción de soda cáustica.

Por último, en 1958 se construyen dos nuevas plantas: Monsanto Andes S.A. que se radica en Chacras de Coria (Pcia de Mendoza) y Cloratlántica S.A. en Zárate (Pcia. de Buenos Aires). La primera de las nombradas, ha orientado su producción para cubrir los requerimientos de cloro que origina la elaboración de polímeros y copolímeros de cloruro de vinilo (PVC).

b) Actualidad

En la actualidad, diez establecimientos producen cloro – soda en la Argentina.

La capacidad instalada está evaluada en ton/año al 31/12/2002

Las toneladas de soda cáustica están medidas en base seca.

PRODUCTOR LOCALIZACION

CAPACIDAD INSTALADA (t/año)

CLOROSODA

CAUSTICAAtanor S.A Clorox ArgentinaS.AKeghart S.ALedesma SAAIPamcor S.A.PapeleraTucumánSAPetroq Bermúdez S.APetroq RíoTerceroSASolvay Indupa SAICTransclor SA

RíoTercero(Córdoba)Pilar (Bs As)ChacrasdeCoria(Mz)Ledesma (Jujuy)RíoTercero(Córdoba)L a Reducción (Tuc)CapBermúdez(StaFe)RíoTercero(Córdoba)Bahia Blanca (Bs As)Pilar (Bs As)

1368014400

7500687585007200

3200029500

16300038500

1764016200

8400770096008000

3700031900

18400043200

Atanor S.A está realizando un proyecto de reemplazo de su tecnología actual por una de membranas de última generación (Mitsui Co) que le permitirá incrementar un 70% su capacidad instalada. La inversión total es de 18 millones de dólares y se prevé su puesta en marcha en 2005.

Transclor S.A. prevé ampliar la capacidad instalada a 45000 ton Cloro/año durante 2003.

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2) USOS DE LA SODA CAUSTICA Y EL CLORO

Soda cáustica:

- Neutralización de ácidos- Productos químicos para la agricultura- Industria del aluminio- Productos químicos:

Beta naftolNaftolResorcinolGlutamato de SodioHipoclorito de SodioFosfato trisódicoSulfuro de SodioAluminato de Sodio

- Subproductos de coquerías- Explosivos- Alimentos- Pelado de frutas y vegetales- Insecticidas- Removedores de pinturas- Refinación de petróleo- Productos farmacéuticos- Plásticos- Celulosa y papel- Rayón- Jabones y detergentes- Refinación de aceites vegetales- Desincrustantes- Tratamiento de fangos- Blanqueo, teñido y mercerizado textil- Reacondicionamiento de Caucho- Fabricación de colorantes.

La soda cáustica se presenta de dos formas: líquida, que se despacha a granel en camiones-tanque, vagones-tanque y buques-tanque, y en perlas envasadas en bolsas de 25 Kg y en grandes bolsones de una tonelada, que se transportan en camiones, vagones y buques porta-contenedores.La soda cáustica es un insumo utilizado en distintos rubros. La demanda de este producto está ligada al crecimiento de la industria, puesto que casi no existe planta industrial que no la utilice. Entre las industrias que requieren soda cáustica podemos mencionar a la papelera, automotriz, construcción, alimentación, agricultura, sanidad, tratamientos de agua, etc.Industria papelera: Se utiliza en el proceso de fabricación y blanqueo de la pasta de papel debido a que no altera las fibras de esta pasta.Industria alimenticia: Es necesaria para el lavado y limpieza de botellas, pelado de frutas y verduras en proceso químico, modificación del almidón, preparación de sales sódicas, etc.Industria química: Se requiere para el proceso de transformación de productos químicos. Así, por ejemplo, la industria del policarbonato utiliza grandes cantidades de este material para su fabricación. Otros usos comunes incluyen la fabricación del papel celofán, la regeneración del caucho, etc.Tratamiento de agua: Permite neutralizar efluentes, disminuir el grado de dureza de las aguas y regular el pH. La soda cáustica también se utiliza para regenerar las resinas de intercambio de los cationes y eliminar los iones de los metales pesados por precipitación.

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Jabones y detergentes: Se utiliza para la fabricación de detergentes, jabones en polvo y jabones para baño.

Jabones y detergentes 10 %Papel y celulosa 17 %Bebidas y alimentos 6 %Química 23 %Aluminio 23 %Minería 1 %Textil 5 %Otros 15 %

Cloro:

El Cloro, que en los comienzos de la industria de cloro-soda aparecía como un subproducto, desempeña hoy en día un papel predominante en:

- Potabilización de agua de red: aún no se ha descubierto un producto competidor con iguales y simultáneas características de desinfección, poder residual y economía

- Industria química y farmacéutica.

- Fabricación de materias primas plásticas: principalmente PVC.

- Hipoclorito de Sodio y Acido Clorhídrico: derivados del proceso de producción de soda cáustica y cloro.

- Fabricación de solventes, pesticidas y refrigerantes

- Blanqueo de pastas celulósicas

Usos de los otros productos obtenidosÁcido clorhídricoEs utilizado en la industria metalúrgica como decapante, en otras industrias para mejorar la acidez, en la industria alimenticia, y en varios procesos químicos y petroquímicos.

Hipoclorito de sodio

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Más conocido como agua lavandina, se utiliza en muchas industrias como blanqueador, como agente de limpieza y desinfección y en el tratamiento de efluentes por su poder bactericida.

3) FORMAS DE COMERCIALIZACION DE LA SODA CAUSTICA

Para ser técnicamente correcto, sólo la soda cáustica fundida debería ser llamada “líquida”, pero el término “Soda Cáustica líquida” ha sido usado históricamente para describir a las soluciones de soda cáustica.

Es una solución acuosa de hidróxido de sodio al 50% aproximadamente.

Se obtiene, junto con el Cloro y el Hidrógeno, por electrólisis de Cloruro de Sodio.

Cumple las especificaciones de la Norma IRAM 41129-1, tipo III.

Es un líquido claro e incoloro, soluble en agua, metanol, etanol e insoluble en éter y acetona.Al igual que el cloro licuado, es uno de los químicos industriales de mayor uso, siendo un ingrediente necesario en gran parte de los procesos fabriles.

La soda cáustica líquida al 50% se encuentra disponible en 4 grados:

- Diafragma- Rayón- Membrana- Diafragma purificada

La soda cáustica anhidra es comercializada en forma de

- Perlas- Escamas- Compactada

Estas 3 formas tienen la misma composición química y difieren únicamente en la forma y el tamaño de la partícula.

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- TransporteLa soda cáustica líquida puede transportarse en camiones, vagones – tanque y buques.

4) PROCESO DE PRODUCCIÓN

a) Celdas de DiafragmaEn éstas celdas, el ánodo y el cátodo están separados por un diafragma que permite la circulación de la salmuera, pero impide la mezcla del Cloro desprendido en el ánodo con la soda y el hidrógeno formados en el cátodo.

La salmuera (solución saturada de Cloruro de Sodio) se alimenta en la cámara anódica, en la cual el nivel sube con relación a la cámara catódica, determinando el sentido de la circulación, que junto con el diafragma, evita la mezcla del Cloro con el Hidróxido de Sodio y el Hidrógeno. El primero con el Cloro forma Hipoclorito de Sodio y el segundo, mezclas explosivas con formación de Cloruro de Hidrógeno.

Los ánodos pueden ser de grafito o bien metálicos. Los ánodos metálicos constituyen un adelanto tecnológico en las celdas de producción de Cloro – Soda, no solamente en las de diafragma, sino también en las de Mercurio. En ambos casos, el ánodo de grafito se consume durante la electrólisis, perdiendo espesor, lo cual significa que aumenta la distancia que lo separa del cátodo y esto hace aumentar la caída de potencial por aumento de la resistencia ohmica.

Este inconveniente se solucionó con la aparición de los ánodos metálicos que son dimensionalmente estables (DSA). Estos se construyen de un tejido de titanio revestidos con óxidos de rutenio y titanio, que

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lo hacen inalterable a la corrosión. Pero requieren, después de un cierto tiempo (4 – 5 años) ser tratados para reponer el recubrimiento.

Las celdas de diafragma más utilizadas son las de Diamond Shamrock y las de Hooker.

La instalación de estas celdas requiere a su vez de los equipos de preparación y purificación de la salmuera que entra a las celdas con una concentración de 325 g/lt, esta concentración se reduce durante la electrólisis y la salmuera que sale de la celda contiene entre 135 y 165 g/lt (aproximadamente 12%) de soda cáustica y un 15% de NaCl.Por lo tanto, esta solución deberá ser concentrada en evaporadores para aumentar el contenido de soda, a la vez que el Cloruro de Sodio precipita y es eliminado por filtración.Se obtiene así una solución de Soda al 50% con menos del 1% de NaCl.

El Cloruro de Sodio precipitado y filtrado es lavado para eliminar principalmente el Sulfato de Sodio, con lo cual se obtiene un NaCl muy puro, que puede reciclarse en el proceso o enviarse a una planta de celdas con cátodo de Mercurio que requieren de una sal más pura.

El Cloro que sale de las celdas es conducido a una torre de secado con ácido sulfúrico, luego es comprimido y enfriado para ser licuado y envasado

b) Celdas de Cátodo de Mercurio

La celda de mercurio es alimentada por la salmuera concentrada y depurada. Una vez allí se le hace pasar una corriente eléctrica de muy bajo voltaje, pero alto amperaje. Esta corriente eléctrica provoca la separación del cloro (Cl2) y el sodio (Na). El cloro (Cl2) sale como gas atraído por el ánodo, mientras que en el cátodo (mercurio circulando por el piso de la celda) se obtiene una amalgama de sodio (Na) y mercurio (Hg). La distancia entre ánodo y cátodo afecta a la corriente de la electrólisis, y para poder mantener una corriente estable y controlada en cada celda, la posición de los cátodos es regulada por 120 motores por celda (3600 en total) que se posicionan en forma independiente para mantener una corriente estable y pareja entre todas las celdas. La amalgama que sale de la celda va hacia la pila de descomposición, donde se trata con agua. La reacción produce hidrógeno (H) por un lado y soda cáustica por el otro. A la soda cáustica se le hace un posterior filtrado con carbón activado para disminuir la concentración de mercurio(Hg). El mercurio (Hg) recuperado se vuelve a introducir en la celda electrolítica mediante una bomba. Debe recircular sin producirse consumo (idealmente). Toda reposición de mercurio a planta se hace con procedimientos de control ambientales.

c) Celdas de Membrana

El conocimiento y la licencia de Uhdenora para el proceso de membrana abarca todos los procesos unitarios como también downstreams y unidades de suministro de servicios.

Una planta moderna de cloro es equipada con un sistema de circulación de salmuera el cual es especialmente diseñado para la tecnología de las celdas de membrana.

El gran empobrecimiento de la salmuera que se logra en las celdas de membrana significa que el reciclo y el equipamiento son significativamente menores que en una planta con celdas de mercurio para la misma capacidad.

Las plantas tienen un proceso adicional de acondicionamiento de la salmuera, el cual utiliza filtros y columnas de intercambio iónico para asegurar que una salmuera de alta calidad llegue a las celdas de membrana.

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El cloro producido deja las celdas junto con la salmuera empobrecida. Si se requiere un cloro de gran pureza, debe agregarse ácido clorhídrico a la salmuera que alimenta a las celdas para reducir el contenido de Oxígeno en el Cloro.

Una vez que el Cloro húmedo es enfriado y filtrado, éste puede enviarse directamente al consumo (planta de ácido clorhídrico). En otros casos, éste es secado y comprimido antes de ser enviado al consumo (planta de VCM). También puede ser licuado y almacenado en tanques adecuados.

El proceso de membrana también involucra un sistema de circulación de catolito. Una parte de la corriente de NaOH al 32% – 33% es reciclado e ingresa a las celdas. Antes de entrar, éste es diluido con agua desmineralizada hasta aproximadamente 30%.

La soda cáustica producida puede ser concentrada al 50% y luego convertirla en escamas o perlas (si fuera necesario).

El Hidrógeno es un subproducto y puede ser enviado hacia consumo (plantas de ácido clorhídrico o de tratamiento de hidrógeno).

Funcionamiento de las celdas

Los elementos se componen de la siguiente manera:

- Cámara anódica: Titanio

- Cámara catódica: Níquel

- Electrodo anódico: Titanio recubierto con un compuesto de Rutenio e Iridio, debido a su alta resistencia a la corrosión y larga vida útil.

- Electrodo catódico: es de Níquel recubierto con Ni activado.

- Membrana: semipermeable tipo Nafion NX 90209 fabricadas por Dupont. - Contactos entre elementos: lado anódico es de titanio y lado del cátodo de níquel.

La composición química de las membranas (de flúor-carbono) define los límites de variación de concentración de Hidróxido de Sodio, pudiendo llegar a un máximo de concentración de 40%.

Las reacciones que se producen en las celdas son:

2 Cl- - 2e Cl2 ánodo 1.184 Volts

2 H+ + 2e H2 cátodo 0.978 Volts 2.162 Volts

.Es decir que debemos tener dicho voltaje para que la reacción se cumpla.

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Los voltajes que trabajan con elementos es aproximadamente 3,2/3,3 Volts, esto se debe a que al voltaje teórico de reacción, debemos sumarle los sobrevoltajes necesarios para desprender los gases en los electrodos (sobrevoltaje de Cl2 en compuesto de Ru e Ir y sobrevoltaje de desprendimiento de H2 en Ni activado). Además debemos sumar la resistencia debida a la separación entre ánodo y cátodo (3 mm), resistencia al pasaje de Na+ a través de la membrana, resistencia del ánodo, y resistencia del cátodo.

La separación del electrodo es de 3 mm y entre la membrana y el electrodo de 1,5 mm. Pegados a los electrodos hay separadores que marcan estas distancias.

La membrana es atravesada por un ión Na+ y aproximadamente 4 moléculas de H2O en dirección de ánodo a cátodo.

La temperatura de trabajo de las celdas es de 85-90 °C, dicha temperatura se regula con las temperaturas de alimentación de catolito y de salmuera.

La presión en las cámaras anódicas es de 150-200 mb.La presión en las cámaras catódicas es de 170-220 mb.

La diferencia de presión entre las cámaras catódicas y anódicas debe ser mayor a 15 mb y menor a 30 mb. El valor dado debe ser constante con una variación máxima de 1 mb. La diferencia de presión es fundamental para la vida útil de las membranas, puesto que en caso contrario se producen pinchaduras en las membranas y además desactivan zonas del cátodo.

Descripción del funcionamiento de las celdas:

La salmuera ultrapura entra del lado del ánodo desde un tubo externo y es distribuida en los elementos mediante un tubo interno de alimentación.

Un “downcomer” usa el efecto ascendente del gas para crear un gradiente interno de circulación de salmuera que asegura la distribución ideal con densidad y temperatura uniforme.

Un plato baffle es arreglado en la sección superior del compartimiento anódico y cumple las siguientes funciones:- La salmuera y el cloro producido se dirigen hacia la parte superior del compartimiento anódico

asegurando que esta sección esté completamente abastecida de salmuera para un correcto funcionamiento de la membrana.

- El Cloro es separado de la salmuera detrás del baffle en una especie de “zona de separación”, por lo tanto, el Cloro gaseoso y la salmuera pueden dejar el elemento en un flujo previamente separado en fase líquida y gaseosa.

- El ascenso del gas también provoca circulaciones alrededor del baffle asegurando una distribución uniforme allí también.

Un esquema similar es utilizado para distribuir la soda cáustica en el compartimiento catódico. Los productos: hidrógeno y soda cáustica también dejan la celda a través de un tubo de descarga. Debido a que hay una pequeña diferencia de concentración en la soda entre la entrada y la salida, y a que el hidrógeno y la soda son fácilmente separados, el compartimiento catódico no tiene “downcomer” ni baffle. (ver esquemas adjuntos)

Las celdas (elementos simples) son suspendidas en un armazón y son ajustadas una contra otra por un dispositivo de sujeción para formar un conjunto. Una leve compresión por los tornillos de ajuste, es ejercida sobre los marcos para asegurar el óptimo contacto entre los elementos.Los elementos son todos sellados individualmente con antelación, lo cual conduce a incrementar la confiabilidad operacional.Todos los elementos están conectados a los colectores y tubos de alimentación en arreglos por debajo de los electrolizadores, mediante tubos transparentes y flexibles de teflon.

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Los tubos de menor sección transversal (lisos) aseguran que una corriente constante de electrolito sea suministrado a las celdas, mientras que los tubos de mayor sección (corrugados) transportan el Cloro gaseoso junto al anolito y el Hidrógeno gaseoso junto al catolito hacia los colectores principales.Usar este sistema de conexión puede ser conveniente para chequear el correcto funcionamiento de cada celda individualmente mediante la observación del color y el flujo de los productos en dichos tubos.Los colectores principales actúan como separadores por gravedad para los flujos bifásicos salmuera/cloro y soda cáustica/hidrógeno.

Los elementos simples son arreglados en serie para formar un electrolizador.Una conexión en paralelo es usada para la circulación de electrolitos y productos, mientras que la configuración en serie es usada para la corriente.La corriente de electrólisis (directa) es alimentada a través de los contactos desde el compartimiento catódico al anódico del elemento adyacente del electrolizador.Conductores internos aseguran una distribución uniforme de la corriente entre ánodo y cátodo.

Características del proceso con Celdas de Membrana

- Proceso de Superpurificación: - Saturación: es el primer paso de la operación (2 piletones en paralelo con rebalse, uno en

carga, el otro en operación). Salmuera agotada + sal + agua- Tanque sedimentador: Se agrega Carbonato de Sodio e Hidróxido de Sodio para precipitar los

iones Calcio y Magnesio. Purga, filtrado y disposición de barros- Filtros: de Antracita: para retención de sólidos – de Carbón activado: elimina eventuales trazas

de Cloro.- Columnas de Intercambio iónico: elimina trazas de Calcio y magnesio (menor a 6 ppm)- Reciclos: Uhdenora recomienda que los electrolizadores de membrana sean operados con

lazos de recirculación para la soda cáustica y la salmuera, con un intercambiador de calor. Esto permitirá optimizar la temperatura de las celdas y enfriar los electrolizadores en el caso que se detenga la planta y así evitar la producción de soda fuera de especificación. Operando con grandes volúmenes de soda, la planta se hace menos sensible a pequeñas perturbaciones, por ejemplo: variaciones en la alimentación de agua desmineralizada.

- Tanques elevados: Para asegurar una alimentación de las celdas con un caudal y una presión constantes

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

- Purga: antes de llegar a los saturadores, para eliminar sulfatos (impureza de la sal) y cloratos (se forman en la celda)

- Economía en el intercambio de calor: se intercambia calor entre la salmuera agotada (caliente) y la salmuera saturada que va a las torres de intercambio iónico (fría)

5) EFECTOS SOBRE EL MEDIOAMBIENTE

Desde 1972 la importancia de las celdas de mercurio ha decrecido. El aumento de la preocupación sobre el efecto del mercurio sobre el medioambiente ha impulsado una mayor regulación de los procesos basados en este tipo de celdas.

A partir de casos de envenenamiento con mercurio ocurridos en Japón, donde el mercurio que llegó al mar fue procesado biológicamente por los peces y almacenado como metilmercurio, que al ser ingeridos por los seres

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humanos les causaba la muerte; el proceso ha sido legalmente proscripto desde 1972. No obstante, la conversión a procesos alternativos fue retrasada debido a la demanda de un hidróxido de sodio muy puro, característico de las celdas a mercurio, ya que aún estaban en desarrollo las tecnologías de celdas a membrana. La última instalación con celdas de mercurio fue cerrada en 1986.

En Estados Unidos aún existen plantas con celdas de mercurio en operación, pero las regulaciones oficiales y la incertidumbre sobre posibles restricciones adicionales han impedido su expansión.

En Europa y Estados Unidos se hicieron grandes esfuerzos para desarrollar métodos de protección del medioambiente. Estas medidas han reducido notablemente las emisiones de mercurio a la atmósfera y al agua. Por lo tanto, el futuro de las celdas de mercurio dependerá de los costos de energía locales, progreso industrial de los países desarrollados y de la política y legislación de cada país.

El proceso electrolítico que utiliza celdas a membrana era teóricamente posible aún antes del desarrollo de una membrana apropiada. El proceso comenzó a implementarse a principio de la década de los setenta con el desarrollo de una membrana perfluorosulfonada denominada “Nafion” (DuPont).

Especialmente en Japón, donde la abolición de las celdas de mercurio ha sido promovida por el gobierno, el desarrollo de las membranas y de distintos modelos de celdas ha progresado rápidamente.

Una membrana altamente selectiva y un eficiente ánodo de metal son indispensables para el desarrollo de las celdas de membrana.

Las ventajas del proceso basado en celdas de membrana son su alta eficiencia de corriente y la obtención de un Hidróxido de Sodio de alta pureza sin efectos nocivos sobre el medioambiente.

Los productores de cloro-soda de todo el mundo tienden a adoptar procesos de membrana al momento de decidir una ampliación de planta y, por lo tanto, se espera que en el futuro el proceso a membrana sea el dominante en la industria del cloro-álcali.

6) COMPARACIÓN DE PROCESOS:

Los aspectos principales que deben ser tenidos en cuenta al momento de decidir la instalación de una nueva planta son:

Calidad de productos

Costo de instalación

Costo operativo

1) Calidad de productos:

El Cloro producido en la celda de mercurio es muy puro y puede ser usado en algunos casos directamente, sin una purificación adicional. El Cloro producido en las celdas de membrana o diafragma contiene aproximadamente 2% de Oxígeno (dependiendo del pH del anolito) el cual deberá ser removido.

La soda cáustica obtenida en las celdas de mercurio es la más pura, seguida en pureza por la soda obtenida en las celdas de membrana. La principal desventaja de la soda cáustica obtenida en celdas de diafragma es la alta concentración de Cloruros y Cloratos de Sodio, lo que la hace inutilizable para algunas aplicaciones.

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2) Costo de instalación

La inversión de capital es diferente para los tres procesos.

a) Celdas: Las celdas de mercurio son más complejas y más caras que las celdas de membrana y diafragma. No obstante, esta desventaja es compensada por la alta densidad de corriente que utilizan: 8 a 10 KA/m2 que, comparados con los 3 – 6 KA/m2 necesarios para el proceso a membrana o los 2 – 2,5 KA/m2 para los procesos a diafragma. Por lo tanto, la superficie de la celda de mercurio necesita ser del tamaño de 1/3 a 1/4 que los otros procesos para una misma producción.

b) Salmuera: En los procesos a diafragma, el circuito de la salmuera es el más simple de los 3 pues no requiere precipitación de sulfatos o decloración. El sistema para purificación de salmuera para las celdas de membrana es el más complejo pues es necesaria una ultrapurificación mediante una columna de intercambio iónico.

c) Concentración del Hidróxido: Las celdas de diafragma requieren evaporadores multietapas para la concentración del Hidróxido y la separación del Cloruro de Sodio. El material de estos equipos debe ser especial debido a la alta corrosividad de la solución de Hidróxido de Sodio que contiene también Cloruros y Cloratos de Sodio. El evaporador que se utiliza en los procesos a membrana puede ser construido con acero inoxidable y son mucho más pequeños debido a que el Hidróxido ingresa más concentrado que en las celdas de diafragma. El proceso con celdas de mercurio produce solución de Hidróxido al 50% directamente, por lo que no requiere de un evaporador.

d) Manipulación de la materia prima (Cloruro de Sodio): Las plantas con celdas de mercurio o membrana requieren de un sistema para el almacenamiento y la manipulación de la sal.

e) Mercurio: El mercurio es un elemento caro y, por otra parte, el equipamiento que se requiere para prevenir la emisión de mercurio al medioambiente y removerlo de los productos, también tiene un alto costo.

Si se considera como el 100% el capital necesario para la instalación de una planta con celdas de diafragma, el capital necesario para una planta con celdas de mercurio será del 90 –95 % y de aproximadamente 80% para una planta con celdas de membrana, lo cual puede observarse en el siguiente gráfico.

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3) Costos operativos

Los costos fijos de operación, personal, impuestos, seguros, reparaciones y mantenimiento son similares en los tres proceso.En cuanto a los costos variables, la diferencia entre los tres procesos radica en el consumo de energía (electricidad y vapor). Si 1 Ton de vapor se convierte a su equivalente de energía eléctrica: 1 Ton vapor = 400kWhr puede hacerse la siguiente comparación.

PROCESO

DIAFRAGMA MERCURIO MEMBRANA

Electricidad para electrólisis (kWh)

2800 - 3000 3200 – 3600 2600 – 2800

Equivalente de vapor (kWh)

800 - 1000 0 100 - 200

Total (kWh)3600 - 4000

3200 – 36002700 – 3000

Costo relativo de energía (%)

100 92 75

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Las ventajas y desventajas de cada uno de los tres procesos pueden ser resumidas en la siguiente tabla:

PROCESO VENTAJAS DESVENTAJAS

DIAFRAGMA

No requiere gran purificación de la salmueraBajo consumo de electricidad

Uso de asbestos (diafragma).Alto consumo de vapor y costosos evaporadores multietapas para la concentración.Baja pureza de productos.

MERCURIO

Se obtiene el Hidróxido al 50% directamente.Alta pureza de productos.Tratamiento de purificación simple para la salmuera.No consume vapor.

Uso de mercurio.Alto costo de operación de las celdas. Alto costo de protección del medioambiente.

MEMBRANA

Bajo consumo de energía.Baja inversión de capital.Alta pureza del hidróxido.

Alta purificación de la salmuera (requiere columna de intercambio iónico).Alto contenido de Oxígeno en la corriente de Cloro (2%).Alto costo de las membranas.

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MEMBRANAS

La tecnología de proceso, usando las membranas perfluorinadas Nafion de Du Pont, se ha convertido en el método preferido para la producción de Cloro y Soda Cáustica. Este método tiene ventajas significativas de costo de operación cuando se le compara con las tecnologías de mercurio y diafragma.

La compañía Du Pont introdujo comercialmente la primera membrana perfluorinada de intercambio iónico en 1969, culminación de un esfuerzo de investigación y desarrollo de 10 años.

Las membranas Nafion fueron usadas por primera vez en una planta de comercial de Cloro – álcali en 1975.

La fábrica de Du Pont para la fabricación de membranas Nafion ubicada en Faytteville (Carolina del Norte, USA) comenzó su producción en 1980 y tiene capacidad para cubrir los requerimientos mundiales de membranas.

Ventajas en el uso de Membranas Nafion

Consumo de energía más bajo:

Típicamente se requiere un 20 – 30 % menos de energía que para los procesos de diafragma y de mercurio.

Calidad excepcional de producto:

La soda cáustica contiene niveles extremadamente bajos de sal (menos de 50 ppm) a una concentración del 50%. El Cloro producido contiene 0.5% de Oxígeno. Por lo tanto, la soda cáustica y el Cloro pueden ser usados a menudo en otros procesos sin purificación.

Operación flexible:

Las condiciones de producción pueden ser ampliamente modificadas para minimizar los costos de operación; por ejemplo, la densidad de corriente puede ser ciclada para tomar ventaja de los precios bajos de energía durante los períodos de consumo bajo.

Seguras para el ambiente:

Eliminan el potencial de contaminación con mercurio, así como el manejo de asbesto.

Mantenimiento mínimo:

Las membranas Nafion tienen una vida útil de cuatro años, comparadas con menos un año para los diafragmas.

El proceso Cloro – álcali usando membranas Nafion.

Nafion es una membrana perfluorinada de intercambio catiónico que permite la migración de iones de Sodio o Potasio desde el compartimiento anódico al catódico.

Esta membrana tiene la habilidad de bloquear la migración de los iones cloruro e hidroxilo.

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El Cloro se forma en el lado anódico de la membrana y el Hidrógeno y la soda cáustica en el lado catódico. Se añade agua al catolito para optimizar la concentración cáustica y así tener un consumo mínimo de energía.

La velocidad de producción y la calidad del producto dependen de las condiciones de operación.

Rendimiento de las membranas Nafion

Du Pont ha desarrollado las membranas Nafion que tienen un consumo de energía reducido en la producción de cloro – álcali.

Estas membranas de alto rendimiento cuando son usadas con las celdas electrolíticas más avanzadas, llegan muy cerca del límite mínimo de consumo de energía.

Además de la ventaja del bajo consumo de energía, las membranas Nafion tiene una vida útil larga con alto rendimiento. Estas membranas han probado ser durables en escala comercial, con excelente resistencia a variaciones de temperatura, paros o arranques, y cambio en las concentraciones de soda o salmuera.

CONCLUSIONES:Para la instalación de una nueva planta, el proceso de membrana es la primera elección debido a los bajos costos de instalación y de operación. Esta ventaja se incrementa en las zonas donde el costo de energía es alto.Aún hay un gran número de plantas con celdas de mercurio y de diafragma a lo largo del mundo. Que estas plantas continúen con la producción es conveniente económicamente en circunstancias especiales. Para celdas de mercurio, es el caso donde el costo de energía es bajo o cuando la planta es vieja y está completamente desvalorizada. Para las celdas de diafragma, resultan ventajosas cuando se dispone de salmuera de manera económica o cuando la provisión de vapor es de muy bajo costo.

BIBLIOGRAFIA

- Primary Brine treatment operations, 1999, Donald Elliott. - Ullman Enciclopedy Vol A6 Chlor alcali Process. - Catálogo UHDE-NORA. - Modern chlor-alkali technology Chichester. GB. Ellis Horwood. 1980. v.1:289p. - Oxichem – Caustic Soda Handbook

- Sitios web - www.procesosvirtuales.com - www.solvay.com

- Información brindada por personal de las plantas productoras de Hidróxido de Sodio: Clorox y Solvay

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http://www.solvay.com/

http://www.procesosvirtuales.com/

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