Producción de Sulfato de Sodio

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Sulfato de Sodio

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Estudio de factibilidad técnico económica para la producción de Sulfato de Estudio de factibilidad técnico económica para la producción de Sulfato de So

Sodidio o (N(NaaS!S!"# "# $r$radado o ininduduststriarial l a a papartrtir ir de de neneututrarali%li%acacióión n de de acacididoo sulf&rico ' P)* (recuperado del tratamiento de acumuladores plomo sulf&rico ' P)* (recuperado del tratamiento de acumuladores plomo acido en desuso# + bases sódicas industriales, mediante cristali%ación por acido en desuso# + bases sódicas industriales, mediante cristali%ación por enfriamiento.

PR!-CCI!N -E S/0AT! -E S!-I! ME-IANTE NETRA/I1ACI!N 2 CRISTA/I1ACI!N P!R EN0RIAMIENT!.

RESUMEN

/a producción de sulfato de sodio in3olucra la reacción en fase l45uida entre el acido sulf&rico ' P)* (recuperado del proceso de reciclado de bater4as plomo acido en desuso# + bases sódicas industriales (Carbonato de Sodio o 6idró7ido de Sodio#.

El ob8eti3o del presente es dise9ar un nue3o proceso para dar salida a la creciente $eneración de acido sulf&rico '  P)* mediante la producción de sulfato de sodio, el cual se caracterice con ba8os consumos ener$éticos, ba8os costos de operación + ba8os impactos ambientales.

Sulfato de sodio. Generalidades:

El sulfato de sodio es una sal cristalina incolora, conocida como sal sódica de :cido sulf&rico o en su forma natural como tenardita (NaS!"#, altamente

soluble en a$ua e insoluble en sol3entes or$:nicos. El sulfato de sodio tiene una $ran 3ariedad de aplicaciones en la industria 5u4mica. Se utili%a como sustrato en muc;as formulaciones de deter$entes, act&a como normali%ador en el te9ido de te7tiles, es una de las materias primas principales en el proceso de <raft o despulpado del papel, es usado en la fabricación del 3idrio, se utili%a como a$ente secante debido a su propiedad ;i$roscópica + como materia prima para la obtención de otros 5u4micos (sulfuro de sodio, bicarbonato de sodio, carbonato de sodio, sulfato de potasio, etc.#

El mercado argentino

Actualmente en Ar$entina se consume m:s de =>'.''' toneladas de sulfato de sodio an;idro por a9o + unas cuatro 3eces m:s en ?rasil. ?:sicamente los consumidores de este producto en nuestro pa4s son las empresas productoras de 8abones en pol3o. Casi la totalidad del sulfato de sodio consumido en Ar$entina es importado, principalmente de Espa9a, C;ina + C;ile.

El mercado sudamericano:

Se da una importante producción de sulfato de sodio, tanto natural como sintético. Mé7ico es tercer productor de sulfato de sodio natural, con >>.''' ton)a9o, 5ue representan el @,> de la producción mundial. C;ile es el principal productor de sulfato de sodio sintético, con ".''' ton) a9o + 

Ar$entina produce =>.''' ton)a9o de compuesto natural. /a producción de la re$ión, considerando los restantes pa4ses productores, supera las ''.''' ton)a9o, 5ue representan m:s del == de la producción mundial.

Producción de sulfato de sodio

Etracción minera

-espués del cloruro de sodio, el sulfato de sodio es la forma natural m:s com&n de las sales de sodio. Sus formas minerales m:s comunes (tenardita, NaS!"B mirabilita, NaS!"='6!B $lauberita, NaS!"CaS!"B astracanita,

NaS!"M$S!""6!B burcaita, NaS!"NaC!D# pueden ser encontradas en

depósitos masi3os de sales solubles, como uno de los componentes principales en la ma+or4a de los la$os salinos + pla+as del mundo, en depósitos minerales salinos + suelos alcalinos. /a fuente principal del sulfato de sodio es el li7i3iado de +eso natural.

En la industria mundial de 5u4micos, la ma+or parte del sulfato de sodio es obtenido por la e7tracción minera de materiales ricos en sodio + sulfato como las sales naturales anteriormente mencionadas. /os materiales son e7tra4dos por remoción directa o por disolución en caliente + posterior e7tracción mec:nica. -espués de un pretratamiento, las fuentes de sodio se purican con a+uda de separaciones por $ra3edad, la3ados continuos, e3aporaciones + disolucionescristali%aciones.

Proceso de neutrali!ación

n método re$ularmente aplicado en la preparación de sulfato de sodio a ba8a escala, consiste en ;acer reaccionar :cido sulf&rico acuoso con ;idró7ido o carbonato de sodio acuoso para formar sulfato de sodio acuoso + a$ua.

Con ;idró7ido de sodioF

 H 2SO4+2 NaOH → Na2SO4↓+2 H 2O

Con carbonato de sodioF

 H 2SO4+ Na2CO3→ Na2SO4↓+CO2↑+ H 2O

"#$ENC%"N &E SUL'($" &E S"&%" ( P(R$%R &E

(CUMUL(&"RES PL"M" (C%&". (N$ECE&EN$ES

%N$ERN(C%"N(LES:

S%S$EM( %N$EGR(L C) * ENG%$EC $ECN"L"G%ES +

%$(L%(

Este proceso desarrollado por En$itec + se basa en la neutrali%ación la

solución del electrolito con Carbonato de Sodio, 5ue precipita los metales en forma de ;idró7idos 5ue lue$o deri3ados al proceso de fundición.

/a solución 5ue 5ueda, sulfato de sodio diluido en a$ua (NaS!"#, se si$ue

anando + se a4sla la sal, en $rados de $ran pure%a (;asta alcan%ar la calidad $ranulométrica de alimento# + es destinada a la fabricación de deter$entes. El porcenta8e de plomo presente en el Sulfato es menor a ppm. /a proporción de producción de sulfato con respecto a las bater4as plomo acido procesadas es de ',=.

Al$unas de las &ltimas Plantas instaladas con la tecnolo$4a de transformación del electrolito en Sulfato de Sodio sonF

RECPERATSIA S*2NTS G crania, '=

ENERTEC MEHIC! S. -E R./. -E C.*.. Monterre+, Mé7ico, '=. SN/I6T REC2C/IN S.A. G Aticca, recia G '=".

RENEJE- META/ TEC6N!/!IES PT2 /T-  Marseld, Australia  '='  KAS1 P/AS1TI< <0T  Kas%berén+, 6un$ria  '=

C(R(C$ER%S$%C(S $ECN%C(S

ENERA/I-A-ESF

Solubilidad F es una medida de la capacidad de disol3erse de una

determinada sustancia (soluto# en un determinado medio (disol3ente#. Impl4citamente se corresponde con la m:7ima cantidad de soluto 5ue se puede disol3er en una cantidad determinada de disol3ente, a determinadas condiciones de Temperatura.

Si en una disolución no se puede disol3er m:s soluto decimos 5ue la disolución est: saturada. En al$unas condiciones la solubilidad se puede sobrepasar de ese m:7imo + pasan a denominarse como soluciones LsobresaturadasL. Por el contrario si la disolución admite a&n m:s soluto decimos 5ue se encuentra insaturada.

Cristalización: Es la precipitación de una materia solida en un li5uido. Para

5ue ;a+a una cristali%ación es necesario 5ue ;a+a una sobresaturación, es decir, 5ue la solución conten$a al menos moment:neamente m:s soluto 5ue el 3alor de saturación para las condiciones dadas de temperatura, presión + composición.

/a sobresaturación puede producirse de tres manerasF

=*ariando la temperatura de modo 5ue disminu+a la solubilidad. Eliminando el sol3ente por e3aporación.

DCambiando la naturale%a de la solución por adicción de una sustancia 5ue sea miscible con el sol3ente para producir una solución en la cual es menos

soluble el soluto ori$inal, adem:s deben tener un ion en com&n con el soluto ori$inal. Este método se llama salinación.

Reacciones de PrecipitaciónF

Cuando se tiene un sólido en presencia de una disolución, en e5uilibrio con las especies disueltas, la cantidad o concentración del solido contenido en la disolución determina su solubilidad, e7pres:ndose esta normalmente en $r)l o mol)l.

Para una sal MA, 5ue se disuel3e + se disocia se$&n el si$uiente es5uemaF

−¿(solubledisociada)

+¿+ A¿

 MA ↓

(

)

(

)

Se alcan%ara una situación de e5uilibrio din:mico entre el sólido, la parte soluble no disociada + los iones en solución.

Como la acti3idad del sólido, ba8o determinadas condiciones, es constante, también deber:n ser constantes la acti3idad de la parte soluble no disociada + el producto de las acti3idades iónicasF

+¿  M ¿ ¿ −¿  A¿ ¿

[

]

Cuando la parte soluble no disociada es pe5ue9a + los iones no est:n sometidos a reacciones parasitarias la relación entre solubilidad + producto de solubilidad esF −¿ +¿+_nA¿  M _m A_n↓↔mM ¿ +¿  M ¿ ¿ −¿  A¿ ¿ ¿ ¿  K _S=¿ −¿ +¿+_nA¿  M _m A_n↓↔mM ¿ S ↔ mS₊nS Siendo s la solubilidad, +¿  M ¿ ¿ −¿  A¿ ¿ ¿ ¿  K _S=¿ S=

(

)

(

)

Condiciones de Precipitación + de disoluciónF

Puesto 5ue < s ri$e el e5uilibrio 5ue se establece en una disolución suturada

m si este e5uilibrio se rompe por disminución de las concentraciones iónicas de la parte disuelta se disol3er: m:s solido ;asta recuperar el e5uilibrio. Si

aumentan dic;as concentraciones iónicas precipitara la parte disuelta ;asta alcan%ar nue3amente el e5uilibrio

< S O MQ.A PRECIPITACIN

< S  MQ.A EUI/I?RI!SATRACI!N

< S V MQ.A -IS!/CI!N

Cristali%ación del Sulfato de Sodio

El sulfato de sodio an;idro presenta un fenómeno llamado solubilidad in3ertida, con una menor cantidad de sal disuelta a medida 5ue aumenta la temperatura.

/a solubilidad de esta sal es ba8a a temperaturas entre los ' + ='WC, por encima de este &ltimo 3alor la solubilidad aumenta abruptamente ;asta el punto peritéctico.

-espués de sobrepasar el punto peritéctico, la solubilidad del sulfato de sodio disminu+e proporcionalmente a la ele3ación de la temperatura. El punto peritéctico es el estado en el cual las dos fases sólidas presentes se encuentran en e5uilibrio con su solución. Si la solución est: saturada, por deba8o de la temperatura peritéctica se obtiene un precipitado de sulfato de sodio deca;idratado. Por el contrario, por encima del punto peritéctico se obtiene un precipitado de sulfato de sodio. /as coordenadas del punto peritéctico son D.DDWC + D.' mol)X$.

@

Punto Peritéctico, D.DDWC + D.'

/os cristales prism:ticos aparecen después de 5ue la solución saturada comien%a a enfriarse, después de ser ltrados, pierden su a$ua de ;idratación por eYorescenciaZ ;asta formar la sal an;idra NaS!".

-ia$rama de Cristali%ación del Sulfato de Sodio en disolución -IARAMA -E 0ASE -E/ SISTEMA S/0AT! -E S!-I! EN AA

ZEs la propiedad 5ue presentan al$unas sales + ó7idos ;idratados de perder su a$ua de ;idratación o a$ua de cristali%ación por e7posición al aire, para transformarse en un ;idrato inferior o en un sólido an;idro.

Determinación del Rendimiento:

Si puede suponerse 5ue los cristales de una solución dada est:n en e5uilibrio con la solución, puede calcularse el rendimiento de un proceso de cristali%ación partiendo de los 3alores de saturación.

/os datos de solubilidad pueden utili%arse para dos nesF

Predecir el rendimiento de los cristales producido por un cambio dado en las condiciones

-eterminar las condiciones necesarias para producir un determinado rendimiento.

E8emplosF

1-Una solución de Sulfato de Sodio en agua está saturada a una temperatura de 60°C. Se quiere calcular el peso de cristales y el rendimiento en % otenido enfriando 100 !g de esta solución a 10°C.

A la temperatura m:s alta la sal an;idra es la forma estable de la sal, pero a =' WC el deca;idrato est: en e5uilibrio con la solución acuosa

S!/?I/I-A- NaS!" a 'WC ">,D $ sal an;idra ) ='' $r a$ua.

S!/?I/I-A- NaS!" a ='WC @,' $ sal an;idra ) ='' $r a$ua.

Porcenta8e de NaS!", en los cristales de NaS!".='6!F

NaS!"  D7QDQ=7"  =" $

NaS!".='6!  D7QD7=Q=7"Q='7(=7Q=#D $

 Na₂SO₄anidro=142!

322 =44,1

?alance del material en NaS!"

Si 7<$ de NaS!".='6! formado sobre la base de ='' <$

Cristali%adores

Etapas producti3as b:sicas de la Cristali%ación

= Controlar el ni3el de sobresaturación correspondiente a ba8as 3elocidades de formación de n&cleos.

 Mantener un n&mero suciente de cristales de siembra en suspensión de manera tal 5ue ;a+a suciente :rea supercial de la suspensión para la deposición del soluto.

D Poner en contacto los cristales de siembra con la suspensión tan pronto como sea posible para e3itar pérdidas debido al decaimiento del tiempo. " Remo3er el e7ceso de n&cleos tan pronto como sea posible después de su formación.

> Minimi%ar la nucleación secundaria manteniendo la entrada de ener$4a mec:nica + el frotamiento de cristales tan ba8o como sea posible.

 Mantener una densidad del ma$ma tan alta como sea posible, en $eneral mientras ma+or es la densidad del ma$ma, ma+or es el tama9o promedio de los cristales.

 Minimi%ar la acumulación de sólidos por eliminación de $radientes locali%ados de transferencia de masa + calor (puntos calientes o fr4os#, e3itar restricciones innecesarias de Yu8o + operar a $radientes de temperatura o de sobresaturación tan ba8os como sea posible.

 Pro3eer un ambiente 5u4mico 5ue fa3ore%ca la forma + crecimiento de los cristales.

 Tipos de cristali%adores

ClasiEcacion

Ieneracion de sobresaturacion

Suspencion del crecimiento de

cristales

/os e5uipos cristali%adores se clasican se$&nF =. El método de $enerar la sobresaturación

. El método de suspender el crecimiento de los cristales.

6a+ cinco métodos b:sicos de crear sobresaturaciónF =. E3aporaciónF Por 3apori%ación del sol3ente

. EnfriamientoF Por enfriamiento de una solución a tra3és de un intercambio de calor indirecto.

D. Enfriamiento al 3ac4oF Sometiendo la alimentación a una e3aporación Yas; adiabaticamente para disminuir la temperatura e inducir la cristali%ación por enfriamiento + e3aporación simultanea del sol3ente

". ReacciónF Por reacción 5u4mica

>. Saltin$ !utF Por la adición de una tercera sustancia para cambiar las relaciones de solubilidad.

 También la clasicación de acuerdo al método de crear la sobresaturación no es enteramente satisfactoria debido a 5ue diferentes medios de $enerar sobresaturación pueden utili%arse en el mismo e5uipo.

/a clasicación de acuerdo al método de suspender los cristales en crecimiento est: aumentando, ba8o este es5uema de clasicación se pueden identicar cuatro tipos b:sicos de e5uipoF

=. Ma$ma circulanteF Todos los cristales en crecimiento est:n circulando a tra3és de la %ona del cristali%ador donde la sobresaturación es $enerada. Este puede ser acompa9ado por me%clado o remoción de producto clasicado con o sin destrucción de nos

$a,las:

ZSolubilidad del Sulfato de Sodio en a$uaF

NaS!".='6' 0°C 10°C "0°C #0°C $0°C 0°C 60°C &0°C '0°C (0°C 100° C >.' @.' =@." "'. [ [ [ [ [ [ [ NaS!".6' 0°C 10°C "0°C #0°C $0°C 0°C 60°C &0°C '0°C (0°C 100° C =@.> D' "" [ [ [ [ [ [ [ [ NaS!" 'WC ='WC 'WC D'WC "'WC >'WC 'WC 'WC 'WC @'WC =''W C ". ". ">.D [ "D. [ ".> Z Esta tabla muestra la cantidad de sustancia an;idra 5ue es soluble en ='' $ de a$ua a la temperatura en $rados cent4$rados indicada. /a fase solida da la forma ;idratada, en e5uilibrio con la solución saturada.

-ensidad del Sulfato de Sodio en a$uaF

 'WC 'WC D'WC "'WC 'WC 'WC =''WC = =,''@" =,''D =,''" =,''=' ',@@=@ ',@'> ',@=  =,'=@ =,'=" =,'=D> =,''@ =,''' ',@@ ',@> " =,'D= =,'D" =,'D=> =,' =,'=" =,'' ',@@D"  =,'D =,'" =,' =,'D@ =,'>"" =,'" =,'@ = =,==" =,=='@ =,=' =,='=> =,'@=> =,'@> =,'= = =,=>> =,=>' =,="> =,="' =,=@@ =,== =,='" ' =,'' =,=@=> =,=> =,==D =,=@ =,=>@  " =,""D =,DD =,@ =,D    Constantes de e5uilibrio para las reacciones de precipitaciónF