Industria cloro-álcalis
Química de los procesos industriales 1
1
Industria Cloro-ÁlcalisQuímica de los
Procesos Industriales
2006
2
Materia Prima
NaCl
PRODUCTOS
NaOH(soda cáustica)
Na2CO3(cenizas de soda)
Cl2(g)
“Commodities”
NaCl: es el material más usado en lafabricación de
sustancias inorgánicas(185x106 ton/año))
3
Producción de “heavy chemicals”Producción mundial, en 106 Ton/año
12HCl1835Cl2915Cloruro de vinilo1739NaOH816Etanol1648Etileno720H3PO41560N2620Benceno1475NH4NO3521Metanol13100O2425HNO312110NH3326Propileno11128CaO232Na2CO310146H2SO41
ProductoProducto
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Producción de cloroValores en 106 Ton/año
0.5 (1.4%)España0.9 (2.6%)Italia0.9 (2.6%)Japón1.0 (3%)Reino Unido1.4 (4%)Francia1.4 (4%)Canadá3.5 (18%)Alemania8 (23%)Rusia
12.0 (34%)EEUU
35.3Producción mundial
5
Usos principales del cloro
26%31%Otros usosPolvo de blanquear, hipoclorito de Na
8%Materiales inorgánicos10%Clorometanos11%Blanqueado de pulpa de madera y papel5%8%Óxido de propileno
Cloruros de etileno22%14%Solventes clorados
16%Intermediarios orgánicos18%31%Cloruro de vinilo (monómero)
EEUUUE
6
Usos principales de lasoda cáustica
21%Otros usos
4%Rayón
4%Jabón
7%Óxido de aluminio
12%Neutralizaciones
14%Pulpa de madera y papel
17%Productos químicos orgánicos
21%Productos químicos inorgánicos
EEUU
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Usos principales delcarbonato de sodio
29%Otros usos
4%Pulpa de madera y papel
5%Limpiadores alcalinos
5%Silicato de sodio
11%Vidrio plano, fibra de vidrio
12%Fosfatos de sodio
34%Vidrio, botellas
EEUU
8
Uso de cenizas pesadas
Recipientes de vidrio
63%
Vidrio plano y fibra de
vidrio20%
Productos químicos
8%
Silicatos de sodio9%
9
Uso de cenizas livianas
Heavy chemicals
57%Aceites,
grasas, ceras, azúcares
16%
Química Fina3%
Colorantes3%
Alimentación3%
Misceláneos15%
Textiles3%
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SAL MARINA SAL MINERAL
Evaporación
Sal solar
Salmuera
Salmuera purificada
Sal de roca
Minado
Evaporación (P atm. o vacío)
Extracción acuosa
SAL REDISUELTASAL SÓLIDA
Proceso sal-ác. sulfúrico
Electrolisis de sal fundida
Electrolisis de salmuera
Proceso Solvay
Proceso caliza-soda
Na
NH4ClNaHCO3
Cl2 H2 NaOHNa2CO3
CaCl2
CaO
Na2SO4HCl
NH3CO2
CaCO3caliza
Agua
Caliza
CO2recicl.
Procesosquímicosrelacionadoscon NaCl
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Proceso Leblanc
Proceso SolvayNa2CO3, NaOH
Proceso Leblanc +Scheele
óDeacon
Cl2
Proceso electrolítico NaOH, Cl2
Obtención de Na2CO3, NaOH y Cl2
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Proceso Scheele (1774)
• 1774: Scheele descubre el Cl2 y sus propiedades blanqueadoras
Reacción:• 2Cl- → Cl2 + 2e-
• MnO2 + 4H+ + 2e- → Mn2+ + 2H2O
– MnO2 + 4HCl → Cl2 + MnCl2 + 2H2O
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Proceso Leblanc (I)
• 2NaCl + H2SO4 → Na2SO4 + 2HCl↑
• Na2SO4 + CaCO3 + 2C → Na2CO3 + CaS + 2CO2↑
Ambas reacciones se llevan a cabo por calentamiento
Reacción total:
CaCO3 + 2NaCl + H2SO4 + 2C →
2HCl↑ + Na2CO3 + CaS + 2CO2↑
Subproducto SubproductoProducto
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Proceso Leblanc (II)
Materias primasCaCO3
Se extrae de minasNaCl
Se extrae de minas o del mar (salmueras)H2SO4
Se produce por oxidación de S ó FeS2
CSe extrae de minas
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Proceso Leblanc (III)
Productos
HClUtilizado para fabricar Cl2, por reacción:
MnO2 + 4HCl → Cl2 + MnCl2 + 2H2O Na2CO3
Utilizado como tal o para fabricar NaOH, por reacción:
Na2CO3 + Ca(OH)2 → CaCO3 + 2NaOH
CaSSe puede utilizar para obtener S (de poco valor)
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Proceso Leblanc (IV)
• Desventajas– Gran consumo de energía en la etapa de fusión– Proceso batch, que utiliza mucha mano de obra– Problemas ambientales
• Liberación de HCl(g) a la atmósfera• Desechos sólidos: CaS + H2O → H2S↑ + Ca(OH)2
• Reemplazado a partir de 1880– Solvay (Na2CO3 y NaOH)– Procesos electrolíticos (Cl2, NaOH, Na)
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Proceso Deacon (1868)
• 4HCl + O2 → 2Cl2 + 2H2O– Temperatura: 400ºC– Catalizador: CuCl2– Endotérmica
• Modificación actual (1960):– Mejora del catalizador (mezcla de óxidos de
praseodimio y neodimio y CuCl2, en lecho fluido)
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Reacciones del Proceso Solvay• NaCl + NH3 + H2O + CO2 → NH4Cl + NaHCO3↓ (1)
salmuera amoniacal
• 2NaHCO3 → Na2CO3 + CO2↑ + H2O↑ (calentamiento, 150ºC) (2)cenizas livianas
• CaCO3 → CaO + CO2↑ (calentamiento, 1100ºC) (3)
• CaO + H2O → Ca(OH)2 (4)cal viva cal apagada
• 2NH4Cl + Ca(OH)2 → CaCl2 + 2 NH3↑ + 2 H2O (5)
• Na2CO3 + H2O → Na2CO3·H2O (6)cenizas livianas
• Na2CO3·H2O → Na2CO3 + H2O↑ (descomposición térmica) (7)cenizas pesadas
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Light ash
NaCl + NH3 + H2O + CO2 → NH4Cl + NaHCO3↓
1
2NaHCO3 → Na2CO3 + CO2↑ + H2O↑
2
CaCO3 → CaO + CO2↑
3
CaO + H2O → Ca(OH)2
4
2NH4Cl + Ca(OH)2 → CaCl2 + 2 NH3↑ + 2 H2O
5
Na2CO3(s) + H2O → Na2CO3·H2O
6
Na2CO3·H2O → Na2CO3 + H2O↑
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Proceso Solvay
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Torre Solvay
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Proceso Electrolítico (I)
– Reacciones anódicas• Principal: Cl- → ½ Cl2 + e-
• Secundaria: H2O → ½ O2 + 2 H+ + 2 e- (no deseable)
– Reacción catódica• H2O + e- → ½ H2 + OH-
≅ 0 V (cátodo de acero)Na+/Na = -2,7 V≅ 0,2 V (cátodo de acero)H+/H2 = 0 V≅ 0,65 V (ánodo de grafito)O2/H2O = +1,23 V≅ 0,0 V (ánodo de grafito)Cl2/Cl- = +1,36 V
SobrepotencialPot. estándar de reducción
Celda de diafragma
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Esquema Celda de diafragmaSale Cl2
Entrasalmuera
Nivel desalmuera
Remoción de hidrógeno de la celdapor salida en caja de cátodo
Nivel de líquido
Diafragmade amianto
Cátodo de mallade acero
Compartimientoanódico
Remoción de NaOH delcompartimiento anódico
Proceso Electrolítico (II)
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Celda de cátodo de mercurio– Reacciones anódicas
• Principal: Cl- → ½ Cl2 + e-
• Secundaria: H2O → ½ O2 + 2 H+ + 2 e- (no deseable)
– Reacción catódica• Na+ + e- → Na(amalgama)
(la sobretensión al desprendimiento de hidrógeno en un cátodo de Hg es muy elevada)
– Luego• Na(amalgama) + H2O → Na+ + OH- + ½ H2
Proceso Electrolítico (III)
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Esquema de Celda de Cátodo de Mercurio
Solución de NaOH
Agua
Proceso Electrolítico (IV)