Metodos DE Obtencion DEL Na OH POR Procesos Electroquimicos PDF

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UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRESFACULTAD DE INGENIERIAMETODOS DE OBTENCION DE NaOHELECTROQUIMICOS Y NO ELECTROQUIMICOS.ESTUDIANTE:GUTIERREZ CALDERON NATALY BELENDOCENTE:ING. RENE GABRIEL MEJÌA MARTINEZCARRERA:INGENIERIA QUIMICA20201 DE OBTENCION DEL NaOH PORPROCESOS ELECTROQUIMICOS.La electrolisis de...

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UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRES FACULTAD DE INGENIERIA

METODOS DE OBTENCION DE NaOH ELECTROQUIMICOS Y NO ELECTROQUIMICOS.

ESTUDIANTE: GUTIERREZ CALDERON NATALY BELEN DOCENTE: ING. RENE GABRIEL MEJÌA MARTINEZ CARRERA: INGENIERIA QUIMICA 2020

1. METODOS DE OBTENCION DEL NaOH POR PROCESOS ELECTROQUIMICOS. La electrolisis del NaCl o también conocidas como salmueras, es uno de los procesos más importantes en la industria. La materia prima para este proceso es el NaCl, que puede ser extraído del mar o de depósitos de origen natural, por esta razón es necesario que sea tratado con operaciones de extracción y purificación antes de realizar la electrolisis. Durante la electrolisis la formación de hidrogeno se da en el cátodo y la aparición de cloro en el ánodo: Cátodo: 2H2O + 2eÁnodo: 2Cl-(ac)

H2(g) + 2OH-(ac)

Cl2(g) + 2e-`

Por otro lado, el ion sodio no es participe en la reacción de electrolisis, esto debido a que es más sencillo llevar a cabo la reducción del agua, por lo que la reacción universal que se lleva a cabo es: 2Na+(ac) + 2Cl-(ac) + 2H2O(l)

electrolisis

H2(g) + Cl2(g) + 2Na+(ac) + 2OH-(ac)

Reacción por la cual finalmente obtenemos dos productos básicos de gran demanda a nivel industrial, cloro e hidróxido de sodio, sin olvidar el hidrogeno que también puede ser aprovechado. Para la descomposición es esta sal se pueden utilizar 3 tecnologías que serán explicadas a continuación:

a) Con cátodo de Mercurio Para este proceso se necesitan grandes cantidades de salmuera (NaCl). La celda de amalgama está constituida por un contenedor de acero alargado e inclinado por debajo del cual fluye una capa de mercurio que actúa de cátodo y absorbe el Na que se produce en la reacción: NaCl → Na + ½ Cl2 El cloro se produce en el ánodo que se puede ajustar en altura. La amalgama de Na que se obtiene se transfiere a un reactor donde se descompone, mediante hidrólisis con H 2O, en Hg, NaOH (50%) e H2. Na(Hg) + H2O → NaOH + H2 + Hg Durante la electrólisis se dan las siguientes reacciones: Reacción en el ánodo: Cl¯ → ½Cl2 +1e¯.............................Eº = 1.24 V Reacción en el cátodo: Hg + Na+ + 1e¯ → NaHg........... Reacciones colaterales: Cl2 + NaOH → NaOCl + NaCl + H2O (ánodo)

Eº = -1.66 V

Cl2 +2e¯ → 2Cl¯ (cátodo) ClO¯ + 2H+ + 2e¯ → H2O + Cl¯ (cátodo) NOTA. - El rendimiento del proceso es del 94-97%. Una planta a gran escala produce de 50 a 300x103 ton del Cl2/año y de 56 a 340x103 ton de NaOH/año. Esta técnica industrial requiere un tratamiento específico de aguas residuales debido a la alta toxicidad del Hg:

b) Con Diafragma En este proceso se emplean disoluciones acuosas de NaCl. Las celdas industriales de diafragma consisten en un depósito en el cual los ánodos se montan verticalmente y paralelos unos a otros. Los cátodos se sitúan entre los ánodos, son planos y de acero, recubiertos por fibras de asbesto impregnados con resinas flúor-orgánicas. La disolución salina entra en la celda, pasa a través del diafragma de asbesto y entra en la cámara catódica. El Cl2 que se produce en el ánodo sale por la parte superior mientras que el H2, NaOH y NaCl residual se producen en el cátodo y salen de la celda por el lateral. El diafragma de asbestos cumple dos funciones: a) Evitar la mezcla de H2 y Cl2.- La estructura tan fina del material permite el paso de líquidos a través del mismo, pero impide el paso de las burbujas de gas. Un 4% del cloro (disuelto en la disolución) sí pasa a través del diafragma y se pierde en reacciones colaterales, disminuyendo el rendimiento. b) Impedir la difusión de los iones OH¯ formados del cátodo al ánodo. La disolución que sale de la celda contiene un 12% de NaOH y un 15% de NaCl (en peso). La capacidad de una planta puede ser de hasta 360x103 ton de Cl2/año, y de hasta 410x103 ton de NaOH/año. Estas plantas consumen un 20% menos de energía que las plantas basadas en celdas de mercurio. Las reacciones catódicas que se llevan a cabo son:

2 H2O + 2 e-  H2 + 2 OH-

º = - 0.8 V

pH = 14

Cl2 + H2O  Cl- + ClO- + 2 H+

c) Con Membrana En este proceso el cátodo y el ánodo se encuentran separados por una membrana conductora iónica que es impermeable al agua, pero es permeable al paso de iones. La membrana permite el paso entre los compartimentos anódico y catódico de los cationes hidratados (Na+ y H3O+), pero restringe en gran medida el flujo de los iones Cl- y OH-. Los procesos que se producen en el cátodo o en el ánodo son los mismos que los que se dan en el proceso de diafragma. Para esto se emplean ánodos de Ti activado y cátodos de acero inoxidable o de Ni. En este proceso la sal debe ser más pura que en el proceso de diafragma.

La membrana solo deja pasar por ella los iones de sodio para así generarse la sosa con una concentración próxima al 35%. La disolución obtenida se debe concentrar hasta obtener concentraciones de sosa del 50%.

2. OBTENCION DE NaOH SIN PROCESOS ELECTROQUIMICOS a) Método de Le Blanc 1) Este método se realiza con cloruro de sodio y ácido sulfúrico, de esta reacción se obtiene sulfato de sodio y cloruro de hidrogeno:

2NaCl + H2SO4

Na2SO4 + 2HCl

2) El Sulfato de Sodio se reduce con coque y se calcina con caliza, así se obtiene Carbonato de Sodio, Sulfuro de Calcio y Dióxido de Carbono. Na2SO4 + CaCO3 + 2C Na2CO3 + CaS + 2CO2 3) Por extracción con agua pueden separarse el Carbonato de Sodio (soluble) y el Sulfuro de Calcio (insoluble). 4) El Carbonato de Sodio puede tratarse con cal apagada para obtener una solución de Hidróxido de Sodio. CaCO-3 + 2NaOH

Na2CO3 + Ca(OH)2

b) Método de Solvay Para este método se utiliza Dióxido de carbono y amoniaco, usando el siguiente procedimiento: 1) Haciendo pasar Amoníaco y Dióxido de Carbono (gaseosos) por una solución saturada de Coluro de Sodio se forma Carbonato ácido de Sodio y Cloruro de Amonio (ambos insolubles).

NaCl + NH3 + CO2 + H2O

NaHCO3 + NH4Cl

2) El Carbonato ácido de Sodio se separa de la solución por filtración y se transforma en Carbonato de Sodio por calcinación: 2NaHCO3

Na2CO3 + H2O + CO2

3) El Cloruro de Amonio obtenido se hace reaccionar con Hidróxido de Calcio y se recupera Amoníaco. 2 NH4Cl + Ca(OH)2 2NH3 + 2H2O + CaCl2 4) El Hidróxido de Calcio se produce en la misma fábrica por calcinación de Carbonato de Calcio (piedra caliza) y así se produce el Dióxido de Carbono necesario para tratar el Na2CO3. CaCO3

CaO + CO2

5) Se hace reaccionar: Na2CO3 + Ca (OH )2

CaCO3 ¯ + 2 NaOH

c) Caustificaciòn Inicialmente se cuenta con un reactor, en el cual se mezclan el óxido de calcio con el agua, posteriormente se mezcla con el carbonato de sodio que también entra al reactor, produciendo hidróxido de sodio al dieciocho por ciento, con trazas de carbonato de sodio y carbonato de calcio, esta mezcla se dirige a un extractor que divide la mezcla en dos partes, una sale en forma de producto final ( hidróxido de sodio al once por ciento ) y la otra parte se dirige a un segundo extractor que tiene una entrada de agua caliente para mantener soluble la mezcla de aquellos productos que son miscibles en esta. Parte

de esta solución regresa al reactor número uno para ser reutilizada durante el proceso, la otra parte del segundo extractor se dirige hacia un filtro rotatorio en el cual se separa el carbonato de calcio solido del resto de la solución, lo restante se dirige al reactor número dos para repetir el proceso, mientras que el sólido filtrado pasa a un horno que funciona con gases calientes los cuales son una mezcla de O 2 , H 2 y N acompañado de CO2 y vapor de agua con una temperatura alrededor de 1800˚ C en el cual se calcina el carbonato de calcio, produciendo oxido de calcio el cual retorna al proceso en el reactor, y liberando dióxido de Carbono , vapores de agua, nitrógeno en estado gaseoso y oxigeno gaseoso, de este modo obtenemos hidróxido de sodio al once por ciento en un proceso dinámico el cual reutiliza los subproductos de cada una de las etapas de proceso.

Las reacciones que se llevan a cabo son: 1) CaO + CaO 2) CaO + Na2CO3 Na2O + H2O 3) CaCO3

2CaO CaCO3 + Na2O 2NaOH CaO + CO2

VENTAJAS Y DESVENTAJAS Con métodos electroquímicos PROCESO Con cátodo de mercurio

VENTAJA -Produce NaOH puro con concentración elevada (50%). -Produce cloro gaseoso puro.

Con diafragma

-Usa salmuera menos pura. -Más bajo consumo eléctrico porque el proceso es más eficiente.

Con membrana

-El producto no está contaminado. -Más bajo consumo eléctrico. -No hay problemas de mercurio ni asbesto.

DESVENTAJA -Más alto consumo eléctrico. -Requiere salmuera más pura que el método del diafragma. -Problemas de concentración de mercurio. -Producto diluido y contaminado con cloruro. (NaOH 11%). -El cloro suele estar contaminado con oxígeno. -Riesgo del asbesto. -La máxima concentración de NaOH es del 35%. -El cloro suele estar contaminado con oxígeno. -Se requiere salmuera muy pura. -Costo elevado y corta vida útil de las membranas.

Sin métodos electroquímicos PROCESO Método de Le Blanc

Método de Solvay

Caustificaciòn

VENTAJA -En muchos aspectos este proceso definió el comienzo de la industria química, donde se llevó a cabo el primer proceso de producción a nivel industrial, es decir, a un mayor volumen de producción. -Este proceso fue siendo desarrollado cada vez más y más, lo que sirvió para desarrollar mejores técnicas y tecnologías en los procesos, esto con el fin de reducir en cada uno de ellos los productos contaminantes sucios que dañan el ambiente. -Bajo costo de producción. -Produce una cantidad reducida de residuos, ya que estos son reutilizados en el proceso. -El exceso de cloruro de calcio producido puede ser desechado en el océano sin producir daños sustanciales en el medio ambiente. -Puede utilizar el grado de salmuera de baja. -Menos de energía eléctrica. -Menos problemas de corrosión

DESVENTAJA -Obtención de dos residuos contaminantes ácido clorhídrico y sulfuro de calcio. -El gas de estas fábricas es de tal naturaleza nociva, como a todo deterioro dentro de su influencia, y es por igual funesta para la salud y la propiedad. -Gran consumo de energía en la etapa de fusión. -Proceso batch, que utiliza mucha mano de obra. Liberación de HCl a la atmósfera.

-Alto rendimiento. -Poca inversión de tiempo. -Menor gasto económico.

-Reacciones exotérmicas peligrosas, se recomienda precaución.

-Se consume una cantidad muy elevada de agua en el proceso. -Las sobras del amoniaco reciclado (es decir lo no reciclado) se liberan al medio ambiente. Y, a pesar de ser una cantidad reducida, este contamina.

BIBLIOGRAFIA  Pedraza Hernández; 2015; Procesos Industriales de obtención ; https://naohunal.wixsite.com/hidroxidodesodio/procesos-industriales-de-obtenci-n  Imanol Gaskue; 2012-18 de diciembre; Producción de sosa por electrolisis; https://www.ingenieriaquimica.net/articulos/309-produccion-de-sosa-por-electrolisis

 Moreno Paloma; Hidróxido de sodio; https://www.monografias.com/trabajos15/hidroxido-sodio/hidroxido-sodio.shtml  Introducción a los procesos químicos-Principios, análisis y síntesis. Autora: Regina M. Murphy; Editorial: Mc Graw Hill; Año de publicación: 2007  Canro Rubén; 13 de febrero 2012; Descripción del proceso de Caustificaciòn; https://es.scribd.com/doc/81516571/Descripcion-Del-Proceso-de-Caustificacion...