INTRODUCCION

El hidrxido de sodio (NaOH) o hidrxido sdico, tambin conocido como soda custica o sosa caustica es un hidrxido custico usado en la industria (principalmente como una base qumica) en la fabricacin de papel, tejidos, y detergentes. Adems es usado en la Industria Petrolera en la elaboracin de Lodos de Perforacin base Agua.

El hidrxido de sodio, en su mayora, se obtiene una pequea parte por caustificacin de Carbonato de Sodio. Se calienta una solucin de Carbonato de Sodio con la cantidad correspondiente de cal apagada (Hidrxido de Calcio) as precipita el Carbonato de Calcio insoluble y en la solucin queda Hidrxido de Sodio.

De este mtodo se obtiene el nombre de sosa custica para el Hidrxido de Sodio.

Na2CO3 + Ca(OH)2 CaCO3 + 2 NaOH

Aunque modernamente se fabrica por electrlisis de una solucin acuosa de cloruro sdico o salmuera. Es un subproducto que resulta del proceso que se utiliza para producir cloro.

nodo: 2Cl- Cl2 (gas) + 2e-

Ctodo: 2H2O + 2e- H2 + 2OH-

I.RECURSOS NATURALES INORGNICOS POTENCIALES DE EXPLOTACIN

El cloruro de sodio proviene de la sal producida en los yacimientos de Huacho y Otuma que Quimpac tiene en el norte y sur del pas, respectivamente.

La energa utilizada en el proceso electroltico proviene del sistema interconectado nacional. Siendo la alimentacin de la energa elctrica a 60 kV, los transformadores de potencia la convierten en 10 kV. Un sistema de transformacin rectificacin permite obtener un suministro de corriente continua y un voltaje adecuado a los requerimientos de las celdas electrolticas.

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II.DEFINICION OPERACIONAL DEL PROCESO INDUSTRIAL INORGANICO EN ESTUDIO

MTODOS DE OBTENCIN:

Elhidrxido de sodiose produce, casi totalmente, por la electrlisis de soluciones acuosas de cloruros de metales alcalinos, o a partir de cloruros fundidos. La electrlisis de salmueras produce cloro en el nodo, e hidrgeno, junto con el hidrxido alcalino, en el ctodo. Si el cloro y el hidrxido alcalino son los productos finales, el diseo de la celda debe ser tal que impida que se mezclen. Se han inventado muchos diseos ingeniosos para celdas prcticas.

En la actualidad, tres tipos dominan la industria, las celdas de diafragma, la celda de membrana, y la celda de mercurio. Hay muchas variantes de cada tipo de las cuales el proceso de la clula de la membrana es econmicamente el ms viable.

Durante la electrolisis, el cloro es formado en el nodo, y los iones hidrgeno e hidrxido son formados en el ctodo.

Reaccin en el nodo:2 Cl------------>Cl2+ 2 e

Reaccin en el ctodo:2 H2O + 2 e------------>H2+ 2 OH

Debido a que elCl2formado en el nodo y el H2formado en el ctodo puede reaccionar explosivamente entre s, ellos deben mantenerse lejos uno del otro. Adems, los iones del hidrxidoformados en el ctodo pueden reaccionar con cualquier cloro permanezca disuelto en la salmuera. Para mantener los productos formados en los electrodos lejos uno del otro, se coloca un diafragma poroso entre los dos electrodos en el aparato de la electrlisis.

En la electrlisis de salmuera, el agua es reducida en el ctodo. Esto ocurre porque el agua es ms fcilmente reducida que los iones de sodio. Esto se refleja en sus potenciales de reduccin normales,2.71 voltios para Na+ contra0.83 voltio para el agua. En el nodo dnde la oxidacin ocurre, la situacin no est bastante clara. El potencial normal de oxidacin del agua es1.23 voltios, mientras que para los iones de cloro es1.36 voltios. Esto significa que el agua se oxida ms fcilmente que los iones del cloruro. A pesar de esto,los iones del cloruro se oxidan en el nodo, no el agua. La reaccin que ocurre no es la que podra ser predecida considerando slo los potenciales de oxidacin normales, porquelos potenciales normales del electrodo reflejan condiciones de equilibrio, cuando ninguna corriente est fluyendo.

Cuando la corriente empieza a fluir, la distribucin de iones alrededor de los electrodos cambia, y los potenciales de equilibrio del electrodo ya no se aplican con precisin. Predicciones de reacciones del electrodo basadas en los potenciales normales del electrodo sern usualmente correctas. Sin embargo, en la electrlisis de cloruro de sodio acuoso, el sobrevoltaje para la oxidacin de agua es bastante grande para hacerlo ms difcil de oxidar que los iones del cloruro. (El sobrevoltaje grande para la oxidacin de agua tambin permite recargar las bateras de almacenamiento. Si no fuera por este sobrevoltaje grande, la corriente de carga podra oxidar el agua a oxgeno gas en lugar de PbSO4a PbO2.)

Solucin comercial 50% (en peso) de hidrxido de sodio se obtiene concentrando la forma electroltica obtenida de los aparatos de electrlisis de salmuera. La solucin se concentra calentndolo para sacar el agua por ebullicin. Puede obtenerse el hidrxido de sodio slido de la solucin si toda el agua es removida.

Elcloro gas e hidrgeno gas son recogidos separadamente y conducidos por tuberas fuera del aparato de electrlisis. El cloro es seco, comprimido, y licuado para enviar y almacenamiento. Aunque el hidrgeno puede comprimirse y puede guardarse en los cilindros, el valor comercial del hidrgeno no es suficiente para garantizar esto. El hidrgeno normalmente se quema en la planta de electrlisis para proporcionar la energa trmica para evaporar el agua de la solucin de hidrxido de sodio.

TIPOS DE CELDAS

Hace apenas unos cuantos aos pareca que la celda de mercurio dominara pronto debido a su alta calidad y a la reducida evaporacin que se requiere, pero surgieron dificultades inesperadas. La descarga de mercurio en las aguas cercanas, aunque pequea en cantidad, result ser la fuente del metil mercurio, que causa una enfermedad que produce graves procesos degenerativos observados primero en algunos nios japoneses. Esta circunstancia llev a reducciones drsticas en las descargas permisibles de mercurio en el aire o en el agua, y ahora ha hecho que algunos pases prohban por completo la produccin con celdas de mercurio. Los diseos mejorados de las celdas de membrana y las tcnicas de purificacin ms modernas y ms baratas han reducido los costos y mejorado las eficiencias hasta el punto de que la celda de membrana con nodos de titanio que sean estables desde el punto de vista dimensional, es ahora la que parece estar a punto de predominar. En este negocio de crecimiento lento, los cambios llegarn tambin lentamente. En 1979, el 50% de la produccin mundial se obtena por celdas de mercurio, y el 49% por celdas de diafragma. En EE.UU., el 74.3% de las plantas empleaban celdas de diafragma y el 20.3% celdas de mercurio. En Japn, donde las celdas de mercurio debieron serreemplazadas en su totalidad para 1984, las celdas de membrana seran, con toda seguridad, la tcnica de preferencia.

Nada estimula tanto las mejoras en los procesos como una competencia tan severa que amenace la existencia, as que es probable que las celdas de mercurio y las de diafragma sean mejoradas rpidamente y persistan durante mucho tiempo.

celdas de diafragma

Las celdas de diafragma contienen un diafragma, generalmente hecho de fibras de asbesto, para separar el nododel ctodo. Esto permite que los iones pasena travs de l por migracin elctrica, pero reduce la difusin de los productos. Los nodos, por lo general, se han hecho de grafito, y los ctodos, de hierro fundido. Los diafragmas permiten la construccin de celdas compactas, de resistencia disminuida, porque los electrodos pueden colocarse juntos. Los diafragmas se obstruyen con el uso, lo que se manifiesta por una mayor cada de voltaje y por una presin hidrosttica ms alta en la alimentacin de salmuera, por lo que deben reemplazarse con regularidad. El diafragma permite un flujo de salmuera del nodo al ctodo, y reduce as en gran medida, o evita, las reacciones laterales (por ejemplo, la formacin de hipoclorito de sodio).

Las celdas con ctodos metlicos (titanio recubierto con xidos de tierras raras, platino o metales nobles u xidos) rara vez llegan a tener diafragmas obstruidos y operan de 12 a 14 meses sin requerir cambios de diafragma. Se espera que los diafragmas de plsticos resistentes a la corrosin aumentaran la vida til y evitarn las objeciones de los ambientalistas sobre cualquier proceso que pueda liberar fibras de asbesto en el medio.

Una gran ventaja de la celda de diafragma es que puede funcionar con salmuera diluida (20%), bastante impura. Estas salmueras diluidas producen hidrxido de sodio diluido (soluciones tpicas de 11% de NaOH con NaCl de 15%) contaminando con cloruro de sodio como un producto. Se requiere concentraciones de la fuerza usualde embarque, de 50%, y esto consume gran cantidad de energa aun cuando se empleen evaporadores de efecto mltiple. Se deben evaporar aproximadamente 2600 kg de agua para producir una tonelada de custico al 50%. Aunque la sal no es muy soluble en soluciones custicas concentradas, la pequea cantidad de ion cloruro que queda es muy objetable para algunas industrias (por ejemplo, la manufactura de rayn). El clorato de sodio es tambin objetable cuando el hidrxido va a utilizarse en la manufactura de la glicerina, pentaeritinol, sulfato de sodio, hidrosulfato de sodio, celofn y otros productos qumicos. Una reduccin cataltica con hidrgeno puede eliminar ste, sin recurrir a la extraccin con amoniaco.

celdas de membrana

Las Celdas de membrana tienen una membrana semipermeable para separar los compartimientos de nodo y el ctodo. En las celdas de diafragma, la migracin inversa de los iones se controla con el gasto del fluido a travs del diafragma, y esto se regula con un control cuidadoso de los niveles de lquido en los compartimentos. En las celdas de membrana se separan los compartimentos con hojas porosas de plstico qumicamente activas, que permiten el paso de los iones sodio, pero rechazan los iones oxidrilo.

Se han desarrollado varios polmeros para este servicio exigente.Du Pontha desarrollado un polmero de cido perfluorosulfnico (Nafion), mientras queAshaiemplea una membrana de capas mltiples de polmeros de cido perfluorosulfnico, recubierto por un lado con un polmero de cido perfluorocarboxlico. El propsito de esta membrana es excluir los iones OHy Clde la cmara del nodo, haciendo as un producto mucho ms bajo en sal que el obtenido en una celda de diafragma. Las celdas de membrana operan con una salmuera ms concentrada y dan un producto ms puro, y ms concentrado (NaOH al 28% que contiene 50 ppm de NaCl; se asegura haber obtenido un producto con NaOH al 40%). Este producto requiere slo la evaporacin de 715 kg de agua para producir una tonelada mtrica de custico al 50%; as, representa un ahorro considerable. Debido a las dificultades y gastos de la concentracin y la purificacin, slo las instalaciones con grandes celdas de diafragma son factibles.

Las celdas de membrana, que producen NaOH relativamente concentrado, ofrecen la posibilidad de operar segn se use el custico, ahorrando as fletes. Las unidades pequeas y eficientes pueden causar una revolucin en la distribucin de la industria de cloro-lcali, en particular si las eficiencias se mantienen altas en las unidades pequeas. No haba unidades de membrana de tamao comercial operando en Estado Unidos en 1982.

Se ha sugerido seriamente que una planta combinada en las que se emplee el producto de las celdas de membrana como alimentacin para las celdas de diafragma, podra dar como resultado la aplicacin ptima de ambas y presentar una considerable reduccin global de costo. Estas combinaciones se han realizado utilizando el producto de las celdas de mercurio como alimentacin para celdas de diafragma, as que parte del ahorro se pierde debido a la necesidad de pre-tratar la salmuera alimentada para eliminar el calcio y el magnesio antes de la electrlisis.

Ya se ofrece una celda de membranas 20 veces ms grande que las anteriores (1981). Esta unidad de celda puede producir 240 tn de cloro por ao, y el consumo de energa se reduce sustancialmente, quedando abajo del de las celdas de mercurio o de diafragma. Una unidad de celda bipolar es capaz de producir 20.000 t/ao con una densidad de corriente de 4 kA/m2.

2NaCl (aq) + 2 H2O (l) ---> H2(g) + Cl2(g) + 2 NaOH (aq)

Fig. Tpica celda de membrana cloro-lcali

celdas de mercurio

Las celdas de mercurio operan de forma muy diferente de cmo lo hacen las de otros tipos. Los nodos siguen siendo de grafito, o bien de titanio modificado, como antes, pero el ctodo es una pileta fluida de mercurio. La electrlisis produce una aleacin de mercurio y sodio (amalgama) que no es descompuesta por la salmuera presente. La amalgama se descompone en un recipiente separado, segn la reaccin:

2Na x Hg+2H2O ------------>2NaOH+H2+Hg

Cuandose emplea la cantidad exacta de agua correcta, el producto directo est constituido por NaOH 50% con un contenido muy bajo de sal (30 ppm.), sin que se requiera evaporacin. La pequea perdida de mercurio hacia el ambiente presenta grandes problemas.

Japn prohibi el empleo de celdas de mercurio despus de 1975 (plazo que se extendi posteriormente hasta 1984). Aunque se haban logrado reducciones importantes en el mercurio descargado, la fabricacin de celdas de mercurio en Estados Unidos se detuvo abruptamente. El control cuidadoso del proceso, combinado con el tratamiento de los efluentes del agua y del aire, haran posible que las plantas de mercurio cumplieran con las normas ambientales y sobrevivieron, pero la mayor parte de las compaas dudan si deben levantar nuevas unidades. Las celdas de diafragma y de membrana utilizan casi la misma cantidad de energa elctrica; las de mercurio un poco ms.

La relacin es de aproximadamente 3:4.

PROCESO DE PRODUCCIN INDUSTRIAL:

Purificacin de la salmuera

Todos los compuestos de calcio, hierro y magnesio tienden a obturarlos diafragmas. La precipitacin con carbonato de sodio y con sosa custica es una prctica comn. Se requiere tratamiento adicional con fosfatos y aun con otras sustancias todava no divulgadas para las celdas de membranas. Los sulfatos pueden ser eliminados con tratamientos con cloruro de bario. La salmuera se calienta a expensas de otras corrientes para reducir los requerimientos de energa

Electrolisis de la salmuera

Independientemente del tipo de celda que se emplee, se requieren entre 3 y 4,5 V por celda. Cuando las celdas se conectan en paralelo y se proporciona un voltaje bajo a cada una, se dice que la conexin es monopolar. Cuando las celdas se conectan en serie, lo que permite la generacin y el uso de energa a voltajes ms elevados, se dice que la celda es bipolar. Para los sistemas bipolares se requieren barras colectoras ms pequeas

III.PROPIEDADES FISICAS, QUIMICAS, TERMODINAMICAS Y AMBIENTALES DEL PROCESO

Propiedades Fsicas

Punto de ebullicin: 1 663 K (1 390 C)

Punto de fusin: 591 K (318 C)

Densidad: 2,1 g/cm3

Masa molar: 40 g/mol

Color: blanco

Estado: slido

Propiedades qumicas:

Solubilidad en agua: 1100g/l a 25 C

Composicin: se usa normalmente de forma slida o como una solucin de 50%.

Fusin Qumica: Hidrxido

Tipo de reaccin: corrosiva, exotrmica

La soda custica es una base fuerte altamente reactiva que ataca metales (zinc, aluminio, cobre,

plomo) y aleaciones (bronce, latn).

El hidrxido de sodio es un producto muy higroscpico que atrapa la humedad del aire.

Igualmente absorbe al bixido de carbono.

Es una base fuerte, en que las soluciones acuosas, muy alcalinas, reaccionan violentamente con

los cidos.

Es una sustancia muy reactiva, que puede reaccionar violentamente con numerosos compuestos

como: aldehdo actico, acrolena, acrilonitrilo, anhdrido maleico.

Con el 1,2-dicioroetileno y con tricloroetileno, se forman monocloroacetileno y dicloroacetileno,

compuestos que pueden explotar con facilidad.

En presencia de agua, el hidrxido de sodio, reacciona con las nitroparafinas, nitrometano y otros

nitro compuestos similares, formando sales, que una vez secas son explosivas (reaccionan a los

impactos).

Ciertos metales, como el zinc, aluminio, estao, cobre, plomo, bronce y latn, son atacados por

las soluciones acuosas de hidrxido de sodio, con desprendimiento de hidrgeno, altamente

inflamable.

Algunas clases de plsticos, cauchos y revestimientos, pueden ser atacados por el hidrxido de

sodio.

Reacciona violentamente con los cidos y con compuestos como el acrilonitrilo, acrolena,

anhidrido maleico.

Puede formar compuestos explosivos como el dicloroacetileno, por reaccin con cloroetilenos.

Propiedades termoqumicas:

Entalpia en fase gas: 197,76 KJ/mol

Entalpia en fase liquida: 416,88 KJ/mol

Entalpia en fase solida: 425,93 KJ/mol

Riesgos

Ingestin: Puede causar daos graves y permanentes al sistema gastrointestinal.

Inhalacin: Irritacin con pequeas exposiciones, puede ser daino o mortal en altas dosis.

Piel: Peligroso. Los sntomas van desde irritaciones leves hasta lceras graves.

Ojos: Peligroso. Puede causar quemaduras, daos a la crnea o conjuntiva.

FLOW SHEET (DIAGRAMA) DE BLOQUES

Salmuera

Calentador

Almacenamiento de salmuera

Purificador

Calentador

Ca y Mg H2

Bomba

Tanque de almacenamiento

Celda electroltica

Caustico dbil

H2O(V)

Evaporadores mltiples

Separador

Filtro

Sal a la salmuera

H2O(v)

Almacenamiento de caustico conc.

Cristalizador

Centrifuga

Evaporador

Sal de salida

Tanque de sedimentacin

Escamador

Tambores

Ventas de caustico liquido escama para ventas

FLOW SHEET (DIAGRAMA) DE EQUIPOS