Sulfato de Sodio

ÍNDICE

ÍNDICE..................................................................................................................1 INTRODUCCIÓN..................................................................................................2 CAPITULO I..........................................................................................................3 DEFINICIÓN.........................................................................................................3 1. SULFATO SULFATO DE SODIO........................................................................ SODIO................................................................................. ............3 ...3 2. ÁCIDO CLORHÍDRICO....................................................................... CLORHÍDRICO................................................................................. ..........44 CAPITULO II.........................................................................................................5 PRODUCCIÓN.....................................................................................................5 1. PRODUCCIÓN............................................................................................... PRODUCCIÓN...............................................................................................55 2. EXTRACCIÓN MINERA.................................................................... MINERA............................................................................. ............5 ...5 3. PROCESO PROCESO MANNHEIM..... MANNHEIM............ ............. ............ ............ ............ ............ ............ ................. ............................ .....................6 ....6 4. PROCESO HARGREAVES....................................................................... HARGREAVES...........................................................................7 ....7 5. PROCESO DE NEUTRALIACIÓN........................................................... NEUTRALIACIÓN..............................................................! ...! 6. SULFATO SULFATO DE SODIO SODIO COMO SU"PRODUCTO DE LA INDUSTRIA #UÍMICA..............................................................................................................! 7. P$%&'(()*+ &, -'/0% &, -%&)% ,&)0+, ($)-0)0()*+ $,0()0........1 CAPITULO III......................................................................................................11 IDENTIFICACIÓN DE RIESGOS.......................................................................11 CONCLUSIONES...............................................................................................14 RECOMENDACIONES......................................................................................15 "I"LIOGRAFÍA..................................................................................................16

1

INTRODUCCIÓN El sulfato (SO4) se encuentra en casi todas las aguas naturales. La mayor parte de los compuestos sulfatados se originan a partir de la oxidación de las menas de sulfato, la presencia de esquistos, y la existencia de residuos industriales. El sulfato es uno de los principales constituyentes disueltos de la lluia. !na alta concentración de sulfato en agua pota"le tiene un efecto laxatio cuando se com"ina con calcio y magnesio, los dos componentes m#s comunes de la dure$a del agua. Las "acterias, que atacan y reducen los sulfatos, %acen que se forme sulfuro de %idrógeno gas (& 'S). El niel m#ximo de sulfato sugerido por la organi$ación undial de la Salud (OS) en las irectrices para la *alidad del +gua ota"le, esta"lecidas en -noa, 1//0, es de 22 mg3l. Las directrices de la !nión Europea son m#s recientes, 1//, completas y estrictas que las de la OS, sugiriendo un m#ximo de '2 mg3l de sulfato en el agua destinada al consumo %umano.

'

CAPITULO I DEFINICIÓN 1. SULFATO DE SODIO El sulfato de sodio es una sal cristalina incolora, conocida como sal sódica de #cido sulf5rico o en su forma natural como tenardita (6a'SO4), altamente solu"le en agua e insolu"le en solentes org#nicos. El sulfato de sodio tiene una gran ariedad de aplicaciones en la industria qu7mica. Se utili$a como sustrato en muc%as formulaciones de detergentes, act5a como normali$ador en el te8ido de textiles, es una de las materias primas principales en el proceso de 9raft o despulpado del papel, es usado en la fa"ricación del idrio, se utili$a como agente secante de"ido a su propiedad %igroscópica y como materia prima para la o"tención de otros qu7micos (sulfuro de sodio, "icar"onato de sodio, car"onato de sodio, sulfato de potasio, etc.)(-arrett, '221). Las importaciones de sulfato de sodio en el a8o '21' superaron las ca. 111.222 toneladas, proenientes principalmente de *%ina, Estados !nidos, Espa8a, :usia, ;slas rancia y =rasil. Estas alcan$aron los !S 12?//2.222 (Scaage, '214). or su parte, la exportación de sulfato de sodio en el a8o '21' fue de aproximadamente 14 toneladas, con destino a rancia, Espa8a, Estados !nidos y er5. Estas alcan$aron los !S /./22 (BBB.scaage.com). or su parte, la exportación de #cido clor%7drico en el a8o '21' fue de .'22 toneladas, aproximadamente, con destino a *osta :ica, uerto :ico, &onduras, :ep5"lica ominicana, Ecuador, -uatemala, &ait7, anam#, El Salador y Crinidad y Co"ago. Estas ascendieron aproximadamente a !S 1?4D.222 (Scaage, '214). e acuerdo con estas cifras se puede inferir que el mercado de #cido clor%7drico en *olom"ia es muy competitio.

1 arrac%i S, ai"ac% &;. Sodium lauryl sulfateFinduced irritation in t%e %uman faceG regional and ageFrelated differences. Sin %armacol %ysiol.'22DH1/(0)G1@@F2. Epu" '22D ay 4 4

CAPITULO II PRODUCCIÓN 1. PRODUCCIÓN La producción de sulfato de sodio inolucra la reacción en fase l7quida entre el cloruro de sodio y el #cido sulf5rico. El o"Aetio de esta Cesis de aestr7a en ;ngenier7a Iu7mica es dise8ar un nueo proceso para la producción de sulfato de sodio el cual se caracterice con "aAos consumos energticos, "aAos costos de operación y "aAos impactos am"ientales. El proceso intensificado desarrollado incluye la producción simult#nea de sulfato de sodio y #cido clor%7drico mediante cristali$ación reactia. ara tal fin se utili$ó un agente antisolente que modifica la solu"ilidad de los reactantes %aciendo que, sinrgicamente, las operaciones de reacción y separación se lleen a ca"o en una sola etapa. El dise8o implica el modelamiento de los equili"rios de fases inolucrados en el proceso reactio as7 como la determinación de la cintica de la reacción. >inalmente, la ealuación económica del proceso islum"ra su ia"ilidad económica.

2. EXTRACCIÓN MINERA espus del cloruro de sodio, el sulfato de sodio es la forma natural m#s com5n de las sales de sodio. Sus formas minerales m#s comunes (tenardita, 6a'SO4H mira"ilita, 6a'SO4F 12&'OH glau"erita, 6a'SO4F *aSO4H astracanita, 6a'SO4FgSO4F4&'OH "urcaita, '6a'SO4F 6a'*O0) pueden ser encontradas en depósitos masios de sales solu"les, como uno de los componentes principales en la mayor7a de los lagos salinos y playas del mundo, en depósitos minerales salinos y 

suelos alcalinos. La fuente principal del sulfato de sodio es el lixiiado de yeso natural (-arrett, '221). En la industria mundial de qu7micos, la mayor parte del sulfato de sodio es o"tenido por la extracción minera de materiales ricos en sodio y sulfato como las sales naturales anteriormente mencionadas (-arrett, '221). Los materiales son extra7dos por remoción directa o por disolución en caliente y posterior extracción mec#nica. espus de un pretratamiento, las fuentes de sodio se purifican con ayuda de separaciones por graedad, laados continuos, eaporaciones y disolucionesFcristali$aciones (Lópe$, '211H -arrett, '221). En algunos casos, para la extracción de estas sales minerales se necesitan solentes agresios, los cuales son da8inos para el medio am"iente (-arrett, '221).

3. PROCESO MANNHEIM El proceso de ann%eim inolucra la reacción directa entre cloruro de sodio y #cido sulf5rico como se muestra en la ecuación

Esta reacción se llea a ca"o en un %orno rotario de dise8o espec7fico (>igura 1.1) a una temperatura de 42J*. En este proceso, el producto principal es el #cido clor%7drico (lo anterior de"ido a su facilidad de o"tención por este mtodo). El cloruro de %idrógeno gaseoso se enfr7a y a"sor"e en agua %asta formar una solución de #cido al 0'K m#sico. La torta o su"producto tiene un eleado porcentaAe de sulfato de sodio (/@F //.@K) y tra$as de #cido sulf5rico (9ent y :iegel, '22@H !llmanns Encyclopedia).' ' arrac%i S, ai"ac% &;. Sodium lauryl sulfateFinduced irritation in t%e %uman faceG regional and ageFrelated differences. Sin %armacol %ysiol.'22DH1/(0)G1@@F2. Epu" '22D ay 4 D

F)'$0 1.1 &ornoFreactor proceso ann%eim (adaptado de 9osinen, '222) Seg5n la enciclopedia de !llmann, en un %orno de D m de di#metro se pueden producir simult#neamente ' ton3d7a de sulfato de sodio (/@F //.@K m#sico) y 0@. ton3d7a de #cido clor%7drico (01K m#sico) por la adición de #cido sulf5rico (/0F/DK) a cloruro de sodio. +dem#s, por cada tonelada de sulfato se requiere 0.D x 12D M, 1.4 m0 de agua de proceso y 'D m0 de agua de enfriamiento.

4. PROCESO HARGREAVES El proceso de &argreaes, utili$a como reactios cloruro de sodio, dióxido de a$ufre, ox7geno y agua. !na me$cla de dióxido de a$ufre y aire (en presencia de agua) se %ace pasar so"re "riquetas (colocadas en forma de columna) de cloruro de sodio a muy altas temperaturas, produciendo sulfato de sodio y cloruro de %idrógeno (9ent y :iegel, '22@H Lenntec%, '214). Las etapas se calientan por fuera de la columna. En la >igura 1.' se muestra el esquema del proceso &argreaes y en la ecuación (1.') la reacción que se presenta.

@

>igura 1.' *olumnaFreactor proceso %argreaes (adaptado de :ig"y et al., '22') ara eitar reacciones secundarias entre el cloruro de %idrógeno y el ox7geno (para la formación de cloro) se utili$a un lee exceso de dióxido de a$ufre y apor de agua. El sulfato de sodio se extrae por el fondo de la columna. ientras que el cloruro de %idrogeno sale en forma gaseosa por la cima de columna (me$clado con nitrógeno). *omo la reacción es lenta (descomposición) los gases de"en mantenerse en contacto con la sal por un periodo de tiempo considera"le. ara 42 toneladas de material se requieren de 1 a '2 d7as en acción continua para garanti$ar conersión completa (Lenntec%, '214).



5. PROCESO DE NEUTRALIACIÓN !n mtodo regularmente aplicado en la preparación de sulfato de sodio a escala de la"oratorio, consiste en %acer reaccionar #cido sulf5rico acuoso con %idróxido de sodio acuoso para formar sulfato de sodio acuoso y agua (ecuación (1.0)).

El principal pro"lema, com5n a todos los mtodos industriales anteriormente descritos, es el eleado consumo energtico inolucrado en las operaciones de reacción y separación. +dicionalmente, como en el proceso de &argreaes, la elocidad de producción de sulfato de sodio es lenta y en la extracción minera se usan solentes agresios con el medio am"iente (en algunos casos).

6. SULFATO DE SODIO COMO SU"PRODUCTO DE LA INDUSTRIA #UÍMICA Soluciones de sulfato de sodio se producen en numerosas reacciones, compuestas por sodio y #cido sulf5rico o sodio, dióxido de a$ufre y ox7geno. El sulfato de sodio se o"tiene a partir de estas por cristali$ación y calcinación. Las cantidades de sulfato de sodio producido (como su"producto) a partir de diersas fuentes dependen en gran medida del estado del mercado de los productos principales y el estado de la tecnolog7a. Entre algunos de los eAemplos se tieneG =a8os de fi"ra iscosaG

roducción de dicromato de sodioG /

roducción de #cido ascór"ico, en una etapa intermedia del proceso :eic%stein-russner (!llmanns Encyclopedia). Entre otros. Estos procesos no tienen gran releancia en el desarrollo de este proyecto de"ido a que uno de los propósitos principales es determinar la ia"ilidad (económica y tcnica) que tiene la producción de sulfato de sodio como producto principal aplicando la tcnica de cristali$ación reactia y a partir de la reacción en fase l7quida entre el cloruro de sodio y el #cido sulf5rico.

7. P$%&'(()*+ &, -'/0% &, -%&)% ,&)0+, ($)-0)0()*+ $,0()0 :ecientemente, se %an estado desarrollando nueas tecnolog7as e implementando algunas modificaciones en los mtodos conencionales para optimi$ar su desempe8o mediante la filosof7a de la ;ntensificación de rocesos. Esta permite reducir los consumos energticos, aproec%ar  de meAor manera los recursos no renoa"les, que cada e$ son m#s escasos, y adem#s mitigar el impacto am"iental (>ontalo y -óme$, '212). En este proyecto, se %ace referencia al proceso de cristali$ación reactia. Este inolucra el uso de un agente antisolente que permite modificar la solu"ilidad de la sal o producto deseado, ocasionando que este precipite y sea muc%o m#s f#cil de separar de la solución reactia (fenómeno saltingFout). En consecuencia, se disminuye el consumo energtico, el tama8o y n5mero de los equipos y los costos de operación y de sericio. + niel micro, el antisolente altera la polaridad de la solución, reduce las interacciones ionFdipolo e incrementa los puentes de %idrógeno. Estas alteraciones modifican el punto de saturación iónica con el cual se llea a ca"o la precipitación del producto (sulfato de sodio).

12

CAPITULO III IDENTIFICACIÓN DE RIESGOS

Si el sulfato en el agua supera los '2 mg3l, un sa"or amargo o medicinal puede %acer que sea desagrada"le "e"er esa agua. Los altos nieles de sulfato pueden tam"in corroer tu"er7as, particularmente las de co"re. En #reas con altos nieles de sulfato, normalmente se utili$an materiales m#s resistentes a la corrosión para las tu"er7as, tales como tu"os de pl#stico. N*ómo se puede eliminar el sulfato del agua Cres tipos de sistemas de tratamiento pueden eliminar el sulfato del agua pota"leG ósmosis inersa, destilación, o intercam"io iónico. Los a"landadores del agua, los filtros de car"ón, y los filtros de sedimentación no eliminan el sulfato. Los a"landadores del agua simplemente cam"ian el sulfato de calcio o de magnesio por el sulfato de sodio, que es algo m#s laxante. La ósmosis inersa (:O) es un sistema de tratamiento de agua que elimina la mayor parte de las sustancias disueltas en el agua, tales como el sulfato, for$#ndola a tras de una %oAa de pl#stico parecida al celof#n conocida como Pmem"rana semipermea"le. P Esto puede quitar t7picamente entre el /0 y el // por ciento del sulfato en el agua pota"le seg5n el tipo de equipo de ósmosis. !n peque8o equipo de :O producir# aproximadamente 1' litros de agua por d7a. Los equipos ligeramente m#s grandes, que son por lo general instalados "aAo el fregadero, producen de 1/ a @,D litros de agua por d7a. C7picamente los equipos de :O producen sólo 0, litros de agua por cada 1 a 0 litros de agua tratada. El resto del agua es desec%ada. 11

inc%e aqu7 para m#s información acerca del proceso de ósmosis inersa y de los equipos que ofrecemos. La destilación es un sistema de tratamiento de agua que consiste en %erir el agua, y luego enfriar el apor %asta que condensa en un contenedor separado. Las sustancias disueltas, como el sulfato, permanecen en la olla de agua %iriendo. *on un funcionamiento adecuado, los equipos de destilación pueden eliminar casi el 122K del sulfato. Los equipos de destilación tardan aproximadamente cuatro %oras en producir 0, litros de agua, as7 que este tipo de tratamiento consume una cantidad considera"le de energ7a en su funcionamiento. inc%e aqu7 para m#s información acerca del agua destilada. El intercam"io iónico es el mtodo m#s usado para eliminar grandes cantidades de sulfato del agua para suministros comerciales, ganaderos y p5"licos, pero normalmente no se usa el tratamiento de agua en casas particulares. Es un proceso donde un elemento o producto qu7mico es sustituido por otro. uc%as personas est#n familiari$adas con el a"landamiento de agua, un tipo com5n de sistema de i ntercam"io iónico. El a"landamiento de agua se reali$a pasando agua dura Qagua con calcio y magnesioF a tras de un tanque relleno con una resina especial saturada con iones de sodio. Los minerales responsa"les de la dure$a se pegan a la resina, y el sodio es disuelto en el agua. Los sistemas de intercam"io iónico para el retiro del sulfato tra"aAan de manera similar, pero usan un tipo diferente de resina. Los iones sulfato en el agua se intercam"ian con otros iones, por lo general cloruro, que est# en la resina. *uando la resina est# llena de sulfato en toda su capacidad, de"e ser PregeneradaP con una solución salina. Los a"landadores del agua para la eliminación de la dure$a no eliminan el 1'

sulfato, y los sistemas de eliminación de sulfato no eliminan la dure$a, aunque algunos equipos comerciales contienen am"as resinas y pueden as7 eliminar tanto la dure$a como el sulfato. Si se usan tanto un a"landador del agua como un sistema de eliminación de sulfato, el a"landador del agua se coloca por lo general antes del sistema de eliminación de sulfato.

*ualquier sistema de tratamiento de agua requiere un m aneAo y mantenimiento adecuados para asegurar que contin5e funcionando correctamente. Es importante seguir las recomendaciones del fa"ricante para el mantenimiento del sistema de tratamiento de agua.

10

CONCLUSIONES La alta demanda interna de sulfato de sodio en nuestro pa7s y la dependencia de importaciones fueron unas las motiaciones para el desarrollo de este proyecto. La producción de sulfato de sodio mediante cristali$ación reactia podr7a suplir un gran sector de este mercado (12D2./1 ton3a8o de sulfato de sodio correspondiente al 12K de las importaciones nacionales totales) +dem#s, es posi"le o"tener simult#neamente un su"producto de alto alor agregado como el #cido clor%7drico, el cual tam"in tiene un "uen mercado . En el desarrollo de este tra"aAo se o"tuo información y %erramientas importantes que se pueden aplicar a niel acadmico e industrial, para casos similares de estudio. La descripción detallada de modelos termodin#micos y la formulación matem#tica de equili"rios de fases en sistemas con electrolitos se puede catalogar como una ellas. Estos permitieron definir las condiciones de operación del proceso de cristali$ación reactia para la producción de sulfato de sodio. or otro lado, se definió una metodolog7a experimental y matem#tica en la determinación cintica de la reacción entre cloruro de sodio y #cido sulf5rico en medio acuoso y en presencia de un agente antisolente (etanol). La producción de sulfato sodio a tras de la tcnica de cristali$ación reactia presentó un eleado rendimiento y econom7a renta"le, de"ido a que se o"tuo un margen de ganancias de aproximadamente D2 millones.

14

RECOMENDACIONES Lo que significa que es posi"le recuperar la inersión inicial en un lapso de 1. a ' a8os. +dicionalmente, no se o"tuieron desec%os nocios para el medio am"iente (los cuales implicar7an tratamiento y gastos), l os productos formados se pueden comerciali$ar y el antisolente usado se recuperó en su totali dad. El dise8o del proceso de producción de sulfato de sodio mediante cristali$ación reactia puede serir como prototipo para la extrapolación de procesos de producción de sulfatos u otro tipo de sales, en los cuales se presente un fenómeno similar al de saltingFout. R por supuesto, se encuentra a"ierto a modificaciones y creación de nueos procesos. Otra de las perspectias que se generan es el estudiar la integración energtica del proceso, especialmente en las operaciones que utili$an fluidos de sericio, con el fin de aproec%ar al m#ximo su potencial de energ7a y disminuir el consumo energtico.  +dem#s, a niel micro, se propone el estudio riguroso de caracter7sticas importantes de la cristali$ación como la nucleación, an#lisis po"lacional, tama8os y forma de part7cula, estudio de la estructura cristalina, etc., los cuales son temas muy amplios que pueden generar proyectos de inestigación similares a este.

1

"I"LIOGRAFÍA =ereley, E., 1/24. On some p%ysical constants of saturated solutions, %ilosop%ical Cransactions of C%e :oyal Society London +, '20, 1/F '1. =i$ard, +. >. ., Symons, . . >lec, 6. +., -rimBood, -. *., '210. esign guidelines for granular particles in a conical centrifugal filter, *%emical Engineering :esearc% and esign, /1, 04F 0D2. =randani, S., =randani, irst edition. 1D

1@