ES2313620T3 - Proceso para obtener conjuntamente un derivado clorado y cristales de carbonato de sodio. - Google Patents
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Abstract
Proceso integrado para la producción conjunta de carbonato de sodio y un derivado clorado de acuerdo con el cual una solución acuosa de cloruro de sodio se somete a electrólisis en una celda (1) con una membrana permoselectiva a los iones para producir, por una parte, cloro (16) que se convierte en una unidad de producción de un derivado clorado (6) y, por otra parte, una solución acuosa que comprende hidróxido de sodio (19), la solución acuosa que comprende hidróxido de sodio se carbonata, la solución acuosa carbonatada resultante (18) se evapora para producir cristales de carbonato de sodio (21), que se separan, y unas aguas madres, caracterizado porque la carbonatación (2) se lleva a cabo, al menos parcialmente, utilizando dióxido de carbono presente en un gas de chimenea (13) procedente de una unidad de cogeneración (5) que suministra al proceso integrado electricidad y/o vapor.
Description
Proceso para obtener conjuntamente un derivado
clorado y cristales de carbonato de sodio.
La invención se refiere a un proceso integrado
para obtener conjuntamente un derivado clorado y cristales de
carbonato de sodio. La misma se refiere más particularmente a un
proceso integrado para obtener conjuntamente un derivado clorado y
cristales de carbonato de sodio que está diseñado para reducir las
emisiones de dióxido de carbono al medio ambiente.
Los problemas asociados con la producción
excesiva de dióxido de carbono por la industria humana son
actualmente bien conocidos. Está reconocido comúnmente que el
desarrollo sostenible del planeta implica necesariamente el control
y de hecho la reducción de estas emisiones.
Adicionalmente, los carbonatos de metal alcalino
y el carbonato de sodio en particular son productos industriales
muy extendidos, con muchas aplicaciones. En la industria del vidrio,
el carbonato de sodio es un ingrediente esencial para el
procesamiento más fácil del vidrio. Las industrias de los
detergentes, textiles y las de pasta papelera y papel son también
ejemplos de industrias que consumen una gran cantidad de carbonato
de sodio.
El proceso Solvay o del amoníaco se utiliza
ampliamente para la producción industrial de carbonato de sodio.
Este conocido proceso industrial hace un uso considerable de vapor
de agua, cuya producción genera grandes cantidades de dióxido de
carbono, que se liberan usualmente a la atmósfera.
Se ha realizado también un intento para producir
carbonato de sodio por carbonatación de las soluciones acuosas de
hidróxido de sodio producidas en celdas de electrólisis. Sin
embargo, este proceso conocido es un gran consumidor de
electricidad, cuya producción en centrales térmicas genera también
grandes cantidades de dióxido de carbono. El documento
FR-A-2373614 describe un proceso
para la producción conjunta de cloro e hidróxido de sodio que se
hace reaccionar con dióxido de carbono a fin de preparar carbonato
de sodio. El gas de chimenea puede utilizarse como fuente de
dióxido de carbono. El documento US-A 4647351
sugiere un proceso para la producción de cloro e hidróxido de sodio
que es abastecido de energía por una pila de combustible.
El objeto de la invención es reducir las
emisiones de gases que contienen dióxido de carbono a la
atmósfera.
Un objeto más particular de la invención es
suministrar un nuevo proceso para producir carbonato de sodio, que
reduce las emisiones de dióxido de carbono a la atmósfera.
Otro objeto de la invención es proporcionar un
proceso integrado para la producción conjunta de carbonato de sodio
y un derivado clorado, con la ventaja particular de una emisión
reducida, de hecho prácticamente nula, de dióxido de carbono a la
atmósfera.
Como consecuencia, la invención se refiere a un
proceso integrado para la producción conjunta de carbonato de sodio
y un derivado clorado de acuerdo con el cual una solución acuosa de
cloruro de sodio se somete a electrólisis en una celda con una
membrana selectivamente permeable a los iones a fin de producir, por
una parte, cloro que se convierte en una unidad de producción de
derivado clorado y, por otra, una solución acuosa que comprende
hidróxido de sodio, después de lo cual la solución acuosa que
comprende hidróxido de sodio se carbonata, la solución acuosa
carbonatada resultante se evapora para producir cristales de
carbonato de sodio, que se separan, y unas aguas madres. De acuerdo
con la invención, el proceso se caracteriza porque la carbonatación
se lleva a cabo, al menos parcialmente, utilizando dióxido de
carbono presente en un gas de chimenea que procede de una unidad de
cogeneración que suministra al proceso integrado electricidad y/o
vapor de agua.
En el proceso de acuerdo con la invención, la
celda con una membrana permoselectiva a los iones es una celda
electrolítica que comprende al menos una cámara anódica y al menos
una cámara catódica separadas por al menos una membrana
sustancialmente impermeable a los líquidos (principalmente
soluciones acuosas), pero selectivamente permeable a los iones. Las
celdas electrolíticas de tipo membrana son bien conocidas en la
técnica anterior y se utilizan comúnmente para la producción de
soluciones acuosas de hidróxido de sodio por la electrólisis de
soluciones acuosas de cloruro de sodio.
En el proceso de acuerdo con la invención es
preferible que la membrana de la celda sea permoselectiva a los
cationes. Por definición, cuando una membrana se pone en contacto
con un electrólito entre un ánodo y un cátodo, la misma es
atravesada por los cationes del electrólito pero es sustancialmente
impermeable a la transferencia de los aniones.
En esta realización preferida de la invención,
la solución acuosa de cloruro de sodio se introduce en la cámara
anódica de la celda y la solución acuosa de hidróxido de sodio se
genera en la cámara catódica de la celda. Simultáneamente, se
produce cloro en la cámara anódica y se produce hidrógeno en la
cámara catódica.
En el proceso correspondiente a la invención, la
celda electrolítica de tipo membrana se conecta a una unidad para
producción de un derivado clorado, de tal modo que al menos parte
del cloro generado en la celda electrolítica se utiliza para
sintetizar el derivado clorado. El derivado clorado puede ser un
derivado orgánico o un derivado inorgánico.
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En el proceso de acuerdo con la invención, la
solución de hidróxido de sodio se carbonata y la solución acuosa
obtenida por esta carbonatación se somete a evaporación a fin de
cristalizar carbonato de sodio.
En la presente invención, la expresión
"carbonato de sodio" tiene una definición amplia que incluye
carbonato de sodio anhidro y carbonato de sodio hidratado. El
carbonato ácido o bicarbonato de sodio (NaHCO_{3}) se excluye de
la definición de la invención.
De acuerdo con la invención, la solución acuosa
de hidróxido de sodio se carbonata, al menos en parte, por contacto
directo con un gas de chimenea (que contiene dióxido de carbono),
procedente de una unidad de cogeneración de electricidad y vapor de
agua.
Las unidades de cogeneración de electricidad y
vapor de agua son bien conocidas en la técnica anterior y muy
utilizadas en la industria. Las mismas comprenden generalmente
generadores AC acoplados con máquinas térmicas (solamente turbinas
de gas) desde las cuales los gases quemados se envían a calderas
para producir vapor de agua, y se descargan luego. Los gases fríos
(o gases de chimenea) recogidos aguas abajo de las calderas
contienen grandes cantidades de dióxido de carbono. De acuerdo con
la invención, estos gases de chimenea se utilizan para carbonatar
la solución acuosa de hidróxido de sodio producida en la celda de
membrana.
Todos los medios apropiados pueden utilizarse
para el contacto directo de la solución acuosa de hidróxido de
sodio con el gas de chimenea. En una realización particular de la
invención, se recomienda especialmente hacer circular la solución
acuosa de hidróxido de sodio en flujo de contracorriente con el gas
de chimenea, en un reactor que comprende una torre constituida por
el apilamiento de al menos dos segmentos superpuestos, separados
por un tabique perforado con al menos dos aberturas, comprendiendo
los segmentos al menos una pared transversal para causar la
convección de la suspensión en dicho segmento. Un reactor de este
tipo facilita y acelera la reacción del gas con el líquido y, en
consecuencia, la cristalización del carbonato de sodio.
En una realización preferida del proceso de
acuerdo con la invención, la solución acuosa que contiene hidróxido
de sodio está esencialmente exenta de iones carbonato y/o
bicarbonato cuando se pone en contacto directamente con el gas de
chimenea. En esta realización de la invención, se evita
explícitamente por tanto someter dicha solución acuosa a
carbonatación o bicarbonatación parcial antes de ponerla
directamente en contacto con el gas de chimenea.
En el proceso de acuerdo con la invención, la
solución carbonatada es una solución que contiene iones carbonato
disueltos. La solución carbonatada puede contener opcionalmente
cristales de carbonato de sodio, aunque esto no es indispensable
para la realización del proceso.
En una realización particular de la invención,
es preferible que la solución carbonatada sea una suspensión espesa
de cristales de carbonato de sodio.
La evaporación de la solución carbonatada tiene
la función de causar o preferiblemente continuar la cristalización
del carbonato de sodio. La operación se lleva a cabo normalmente en
un evaporador-cristalizador. Se utiliza
ventajosamente un evaporador multietápico o un evaporador con
recompresión mecánica del vapor. Dependiendo de las condiciones
operativas empleadas para la evaporación, se cristaliza carbonato de
sodio anhidro o carbonato de sodio hidratado.
Una vez completada la evaporación, se recoge una
suspensión acuosa espesa de cristales de carbonato de sodio. Ésta
se somete normalmente a una separación apropiada, la cual puede
comprender, por ejemplo, decantación, secado centrífugo,
filtración, o una combinación de estos tres medios de separación
mecánicos.
Las aguas madres recogidas de la separación
mecánica están constituidas esencialmente por una solución acuosa
de carbonato de sodio. La misma puede utilizarse ventajosamente para
purificar la solución acuosa de cloruro de sodio arriba mencionada,
que alimenta a la célula electrolítica de tipo membrana.
En una realización ventajosa de la invención, la
electrólisis en la celda de tipo membrana se regula de tal manera
que la solución acuosa de hidróxido de sodio contiene 25 a 40
(preferiblemente 30 a 35)% en peso de hidróxido de sodio, y las
condiciones de carbonatación y evaporación se regulan para
cristalizar carbonato de sodio monohidratado
(Na_{2}CO_{3}.H_{2}O). En esta realización, la solución acuosa
de hidróxido de sodio se carbonata normalmente a una temperatura
superior a 35ºC e inferior a 107,5ºC a la presión atmosférica
normal. Se utilizan ventajosamente temperaturas superiores a 50
(preferiblemente superiores a 70)ºC e inferiores a 100
(preferiblemente 90)ºC. Se prefieren especialmente temperaturas de
75 a 85ºC. La cristalización del carbonato de sodio monohidratado
es una ventaja para la producción subsiguiente de sosa cáustica
concentrada.
En el proceso de acuerdo con la invención, la
carbonatación de la solución acuosa de hidróxido de sodio puede ser
llevada a cabo totalmente por el dióxido de carbono procedente del
gas de chimenea. Como variante, una parte de la carbonatación puede
efectuarse por otros medios, por ejemplo, otro gas que contenga
dióxido de carbono. En esta variante de la invención, el gas que
contiene dióxido de carbono puede obtenerse ventajosamente por
descomposición de caliza utilizando una solución acuosa de ácido
clorhídrico. Esta solución acuosa de ácido clorhídrico puede
obtenerse ventajosamente por disolución en agua de cloruro de
hidrógeno producido por reacción de cloro con hidrógeno producido
en la celda electrolítica de tipo membrana.
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Sin embargo, se recomienda que el gas de
chimenea procedente de la unidad de cogeneración suministre al menos
25% molar (preferiblemente 50% molar) del dióxido de carbono
necesario para carbonatar la totalidad del hidróxido de sodio en la
solución. Es preferible que la carbonatación total sea efectuada con
el dióxido de carbono contenido en el gas de chimenea.
En el proceso de acuerdo con la invención, parte
o la totalidad de la electricidad producida en la unidad de
cogeneración puede utilizarse para alimentar a la célula
electrolítica de tipo membrana.
En una realización particular del proceso de
acuerdo con la invención, al menos parte del vapor producido en la
unidad de cogeneración se utiliza para evaporar la solución acuosa
carbonatada. En esta realización particular de la invención, se
utiliza ventajosamente un evaporador multietápico o un evaporador de
recompresión mecánica de vapor, que es suministrado con el vapor
producido en la unidad de cogeneración.
En otra realización particular del proceso de
acuerdo con la invención, al menos parte del vapor producido en la
unidad de cogeneración se utiliza en la unidad para producir el
derivado clorado. Esta realización de la invención encuentra una
aplicación especialmente ventajosa para la producción de derivados
clorados seleccionados de cloruro de vinilo, cloruro de vinilideno,
poli(cloruro de vinilo) y poli(cloruro de
vinilideno).
En el proceso de acuerdo con la invención, se
recoge de la célula electrolítica de tipo membrana una salmuera
diluida de cloruro de sodio. Esta salmuera puede descargarse o
utilizarse en otra unidad de producción.
En una realización preferida de la invención, la
salmuera diluida recogida de la celda de tipo membrana se recicla a
la cámara anódica de la celda, después de haber sido purificada y
concentrada con cloruro de sodio. La purificación comprende
comúnmente y de manera convencional una descloración, una
descloratación y una desulfatación. Para concentrar la salmuera
diluida, puede añadirse a la misma cloruro de sodio sólido, por
ejemplo sal gema. Es preferible hacer circular la misma a través de
un depósito de sal gema.
Si se utiliza sal gema para concentrar la
salmuera diluida en la celda electrolítica, la salmuera concentrada
debe despojarse particularmente de iones calcio, iones magnesio e
iones sulfato. Para despojar la salmuera concentrada de iones
calcio, puede tratarse la misma ventajosamente con una parte de las
aguas madre procedentes de la cristalización del carbonato de
sodio. Para despojarla de iones magnesio, puede tratarse aquélla con
una parte de la solución acuosa de hidróxido de sodio producida en
la celda electrolítica.
El proceso de acuerdo con la invención presenta
una solución original para reducir las emisiones de dióxido de
carbono a la atmósfera. El mismo tiene la ventaja adicional de
reducir el coste de producción del carbonato de sodio y el derivado
clorado.
Características y detalles particulares de la
invención aparecerán a lo largo de la descripción siguiente de la
figura única del dibujo adjunto a esta memoria, que es un dibujo
esquemático de una instalación para implementar una realización
particular del proceso de acuerdo con la invención.
La instalación que se muestra esquemáticamente
en la figura comprende una celda electrolítica (1), una torre de
carbonatación (2) un evaporador-cristalizador (3),
una cámara de secado centrífugo (4), una unidad de cogeneración (5)
y una unidad de producción de cloruro de vinilo (6).
La celda electrolítica (1) es del tipo con
membranas permoselectivas a los cationes. La misma comprende cámaras
anódicas y cámaras catódicas que están separadas de las cámaras
anódicas por membranas permoselectivas a los cationes. La celda
puede ser del tipo monopolar o bipolar.
Celdas con membranas permoselectivas a los
cationes son bien conocidas en la técnica electrolítica y se
utilizan ampliamente para la producción industrial de soluciones
acuosas de hidróxido de sodio a partir de salmueras o soluciones
acuosas de cloruro de sodio.
La instalación de cogeneración comprende
convencionalmente una turbina de gas (7), suministrada con gas
natural (8), un generador AC (9) y una caldera (10) suministrada
con gases procedentes de la turbina de gas. El generador AC (9)
está acoplado a un rectificador (no representado) y el último está
conectado (11) a la celda electrolítica (1) para suministrar
energía eléctrica a la misma. Se recogen vapor recalentado (12)
procedente de la caldera y un gas de chimenea (13) rico en dióxido
de carbono.
Una solución acuosa (14) sustancialmente
saturada con cloruro de sodio se introduce en las cámaras anódicas
de la celda electrolítica (1) y agua (15) en las cámaras catódicas
de la celda. Durante la electrólisis, se genera cloro (16) en las
cámaras anódicas de la celda y se extrae de las mismas.
Simultáneamente, se producen hidrógeno (17) y una solución acuosa
de hidróxido de sodio (19) en las cámaras catódicas y se extraen de
ellas.
La solución acuosa de hidróxido de sodio (19) y
el gas de chimenea (13) se envían a la torre de carbonatación (2),
donde aquéllas se hacen circular en flujo de contracorriente y en
contacto una con otra. Para intensificar el contacto del gas de
chimenea con la solución acuosa y, en consecuencia, el rendimiento
de la reacción entre el dióxido de carbono en el gas de chimenea y
la solución, la columna está constituida por el apilamiento de
varios segmentos, separados por tabiques sustancialmente
horizontales o ligeramente inclinados. Cada tabique está perforado
con una abertura cerca de su periferia, para el flujo descendente de
la solución, y con una o una pluralidad de aberturas en su zona
central, para el flujo ascendente del gas de chimenea. Los segmentos
están compartimentalizados ulteriormente por tabiques verticales
que forman deflectores para la circulación de la solución.
En la torre de carbonatación (2) se produce una
temperatura de aproximadamente 80ºC a fin de cristalizar carbonato
de sodio monohidratado.
En la torre de carbonatación (2) se recoge una
suspensión acuosa espesa de cristales de carbonato de sodio
monohidratado (18), y se envía inmediatamente al
evaporador-cristalizador (3). El último es
ventajosamente un evaporador del tipo de recompresión mecánica de
vapores. El evaporador está suministrado con una fracción (20) del
vapor (12) procedente de la unidad de cogeneración (5).
En el evaporador-cristalizador
(3), la suspensión acuosa espesa (18) se somete a evaporación
controlada para cristalizar carbonato de sodio. La evaporación se
efectúa normalmente a baja presión, a una temperatura
correspondiente a la cristalización del carbonato de sodio en forma
monohidratada. La suspensión acuosa espesa (21) recogida del
evaporador-cristalizador (3) se envía a la cámara de
secado centrífugo (4) donde se separan los cristales de carbonato
de sodio monohidratado (22) y unas aguas madres (23). Los cristales
de carbonato de sodio monohidratado (22) se envían a una
instalación para producir sosa cáustica concentrada, no
representada.
La producción de poli(cloruro de vinilo)
(6) se alimenta con cloro (16), etileno (24) y otra fracción (25)
del vapor (12) generado en la unidad de cogeneración (5). En la
unidad (6) se produce cloruro de vinilo, que se polimeriza luego,
recogiéndose poli(cloruro de vinilo) (26).
Claims (10)
1. Proceso integrado para la producción conjunta
de carbonato de sodio y un derivado clorado de acuerdo con el cual
una solución acuosa de cloruro de sodio se somete a electrólisis en
una celda (1) con una membrana permoselectiva a los iones para
producir, por una parte, cloro (16) que se convierte en una unidad
de producción de un derivado clorado (6) y, por otra parte, una
solución acuosa que comprende hidróxido de sodio (19), la solución
acuosa que comprende hidróxido de sodio se carbonata, la solución
acuosa carbonatada resultante (18) se evapora para producir
cristales de carbonato de sodio (21), que se separan, y unas aguas
madres, caracterizado porque la carbonatación (2) se lleva a
cabo, al menos parcialmente, utilizando dióxido de carbono presente
en un gas de chimenea (13) procedente de una unidad de cogeneración
(5) que suministra al proceso integrado electricidad y/o vapor.
2. Proceso de acuerdo con la reivindicación 1,
caracterizado porque al menos parte (20) del vapor (12)
producido en la unidad de cogeneración (5) se utiliza para evaporar
(3) la solución acuosa carbonatada (18).
3. Proceso de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque la solución
acuosa de carbonato de sodio (18) se evapora en un
evaporador-cristalizador (3) seleccionado de
evaporadores multietápicos y evaporadores de recompresión mecánica
de vapores.
4. Proceso de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque al menos parte
(25) del vapor (12) producido en la unidad de congelación (5) se
utiliza en la unidad (6) para producir el derivado clorado (26).
5. Proceso de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque la carbonatación
(2) se lleva a cabo por contacto directo entre el gas de chimenea
(13) y la solución acuosa (9) que comprende hidróxido de sodio, en
condiciones que causan la conversión de la solución acuosa en una
suspensión acuosa espesa (16) de cristales de un carbonato de
sodio.
6. Proceso de acuerdo con la reivindicación 5,
caracterizado porque el contacto directo del gas de chimenea
(13) con la solución acuosa de hidróxido de sodio (19) se efectúa
por circulación de dicha solución en flujo de contracorriente con
el gas de chimenea en una torre (2) constituida por el apilamiento
de al menos dos segmentos superpuestos separados por un tabique
perforado con al menos dos aberturas, comprendiendo los segmentos
al menos una pared transversal para causar la convección de la
suspensión en dicho segmento.
7. Proceso de acuerdo con una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque la solución
acuosa (19) que comprende hidróxido de sodio está esencialmente
exenta de iones (bi)carbonato cuando se pone en contacto
directamente con el dióxido de carbono.
8. Proceso de acuerdo con una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque la electrólisis
(1) se regula de tal modo que la solución acuosa de hidróxido de
sodio (19) comprende aproximadamente 32% en peso de hidróxido de
sodio, y las condiciones operativas de la carbonatación (2) se
regulan de tal modo que la solución acuosa carbonatada (18)
contiene cristales de carbonato de sodio monohidratado.
9. Proceso de acuerdo con una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque las condiciones
operativas se regulan en el evaporador-cristalizador
(3) de tal modo que los cristales de carbonato de sodio resultantes
de la evaporación son cristales de carbonato de sodio
monohidratado.
10. Proceso de acuerdo con una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque el derivado
clorado (26) se selecciona de cloruro de vinilo, cloruro de
vinilideno, poli(cloruro de vinilo) y poli(cloruro de
vinilideno).
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