IRMET S.A.I.C.
Producción
de
Sulfato de Sodio Informe
de
factibilidad
técnico
económica Lic. Cinthia del Río
Estudio de factibilidad técnico económica para la producción de Sulfato de Sodi Sodio o (Na (NaS! S!"# "# $rad $rado o indu indust stria riall a part partir ir de neut neutra rali% li%ac ació ión n de ac acid ido o sulf&rico ' P)* (recuperado del tratamiento de acumuladores plomo acido en desuso# + bases sódicas industriales, mediante cristali%ación por enfriamiento.
Producción de Sulfato de Sodio PR!-CCI!N -E S/0AT! -E S!-I! ME-IANTE NETRA/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
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 +
Producción de Sulfato de Sodio 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 Etracción 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, NaS!"B mirabilita, NaS!"='6!B $lauberita, NaS!"CaS!"B astracanita, NaS!"M$S!""6!B burcaita, Na S!"NaC!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 purican con a+uda de separaciones por $ra3edad, la3ados continuos, e3aporaciones + disolucionescristali%aciones.
Proceso de neutrali!ación n método re$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$ua. Con ;idró7ido de sodioF H 2 SO 4 + 2 NaOH → Na2 SO4 ↓ + 2 H 2 O
Con carbonato de sodioF H 2 SO 4 + Na2 CO 3 → Na2 SO4 ↓+ CO2 ↑+ H 2 O
D
Producción de Sulfato de Sodio
"#$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 anando + 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 ',=.
"
Producción de Sulfato de Sodio
Al$unas
de
las
<imas
Plantas
instaladas con
la
tecnolo$4a
de
transformación del electrolito en Sulfato de Sodio sonF RECPERATSIA S*2NTS G crania, '= ENERTEC MEHIC! S. -E R./. -E C.*.. Monterre+, Mé7ico, '=. SN/I6T REC2C/IN S.A. G Aticca, recia G '=". RENEJE- META/ TEC6N!/!IES PT2 /T- Marseld, Australia '=' KAS1 P/AS1TI< <0T Kas%berén+, 6un$ria '=
C(R(C$ER%S$%C(S $ECN%C(S
>
Producción de Sulfato de Sodio ENERA/I-A-ESF Solubilidad F
es una medida de la capacidad de disol3erse de una
determinada sustancia (soluto# en un determinado medio (disol3ente#. Impl4citamente se corresponde con la m:7ima cantidad de soluto 5ue se puede disol3er en una cantidad determinada de disol3ente, a determinadas condiciones de Temperatura. Si en una disolución no se puede disol3er m:s soluto decimos 5ue la disolución est: saturada. En al$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$a al menos moment:neamente m:s soluto 5ue el 3alor de saturación para las condiciones dadas de temperatura, presión + composición. /a sobresaturación puede producirse de tres manerasF =*ariando la temperatura de modo 5ue disminu+a la solubilidad. Eliminando el sol3ente por e3aporación. DCambiando la naturale%a de la solución por adicción de una sustancia 5ue sea miscible con el sol3ente para producir una solución en la cual es menos
Producción de Sulfato de Sodio soluble el soluto ori$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$uiente es5uemaF
−¿( solubledisociada ) +¿+ A ¿ ¿ MA ↓ ( precipitado )= MA ( soluble no disociada )= M
Se alcan%ara una situación de e5uilibrio din:mico entre el sólido, la parte soluble no disociada + los iones en solución. Como la acti3idad del sólido, ba8o determinadas condiciones, es constante, también deber:n ser constantes la acti3idad de la parte soluble no disociada + el producto de las acti3idades iónicasF
+¿¿
M
¿ −¿ A
¿
¿
[ MA ] =CONSTANTE; ¿ En forma lo$ar4tmica −¿= pK S +¿+ pA
¿
¿
pM
Relación entre S + < S
Producción de Sulfato de Sodio 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=
(
K S m m × nn
( )
)
1
n+ m
Condiciones de Precipitación + de disoluciónF Puesto 5ue < s ri$e el e5uilibrio 5ue se establece en una disolución suturada m si este e5uilibrio se rompe por disminución de las concentraciones iónicas de la parte disuelta se disol3er: m:s solido ;asta recuperar el e5uilibrio. Si
Producción de Sulfato de Sodio aumentan dic;as concentraciones iónicas precipitara la parte disuelta ;asta alcan%ar nue3amente el e5uilibrio < S O MQ.A
PRECIPITACIN
< S MQ.A
EUI/I?RI!SATRACI!N
< S V MQ.A
-IS!/CI!N
Cristali%ación del Sulfato de Sodio El sulfato de sodio an;idro presenta un fenómeno llamado solubilidad in3ertida, con una menor cantidad de sal disuelta a medida 5ue aumenta la temperatura. /a solubilidad de esta sal es ba8a a temperaturas entre los ' + ='WC, por encima de este <imo 3alor la solubilidad aumenta abruptamente ;asta el punto peritéctico.
Punto D.DDWC
Peritéctico, + D.'
-espués de sobrepasar el punto peritéctico, la solubilidad del sulfato de sodio disminu+e proporcionalmente a la ele3ación de la temperatura. El punto peritéctico es el estado en el cual las dos fases sólidas presentes se encuentran en e5uilibrio con su solución. Si la solución est: saturada, por deba8o de la temperatura peritéctica se obtiene un precipitado de sulfato de sodio deca;idratado. Por el contrario, por encima del punto peritéctico se obtiene un precipitado de sulfato de sodio. /as coordenadas del punto peritéctico son D.DDWC + D.' mol)X$. @
Producción de Sulfato de Sodio /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 -IARAMA -E 0ASE -E/ SISTEMA S/0AT! -E S!-I! EN AA 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. ='
Producción de Sulfato de Sodio
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 % otenido 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- NaS!" a 'WC
">,D $ sal an;idra ) ='' $r a$ua.
S!/?I/I-A- NaS!" a ='WC
@,' $ sal an;idra ) ='' $r a$ua.
Porcenta8e de NaS!", en los cristales de Na S!".='6!F NaS!" D7QDQ=7" =" $ NaS!".='6! D7QD7=Q=7"Q='7(=7Q=#D $
Na 2 SO 4 anidro =
142 ! 322
= 44,1
?alance del material en Na S!" Si 7<$ de Na S!".='6! formado sobre la base de ='' <$
==
Producción de Sulfato de Sodio 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 suciente de cristales de siembra en suspensión de manera tal 5ue ;a+a suciente :rea supercial 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 $radientes de temperatura o de sobresaturación tan ba8os como sea posible. Pro3eer un ambiente 5u4mico 5ue fa3ore%ca la forma + crecimiento de los cristales.
=
Producción de Sulfato de Sodio
Tipos de cristali%adores ClasiEcacion
Ieneracion de sobresaturacion
Suspencion del crecimiento de cristales
/os e5uipos cristali%adores se clasican se$&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 clasicación de acuerdo al método de crear la sobresaturación no es enteramente satisfactoria debido a 5ue diferentes medios de $enerar sobresaturación pueden utili%arse en el mismo e5uipo. /a clasicación de acuerdo al método de suspender los cristales en crecimiento est: aumentando, ba8o este es5uema de clasicación se pueden identicar cuatro tipos b:sicos de e5uipoF
=D
Producción de Sulfato de Sodio =.
Ma$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 clasicado con o sin destrucción de nos
="
Producción de Sulfato de Sodio
=>
Producción de Sulfato de Sodio $a,las:
ZSolubilidad del Sulfato de Sodio en a$uaF NaS!".='6' 0°C
10°C
"0°C
#0°C
$0°C
0°C
60°C
&0°C
'0°C
(0°C
100° C
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[
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NaS!".6' 0°C
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""
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=''W C ".>
'WC
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D'WC
NaS!" "'WC >'WC 'WC ".
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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 = " = = ' "
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Constantes de e5uilibrio para las reacciones de precipitaciónF
=
Producción de Sulfato de Sodio
=