PRODUCCION DE Na2CO3: PROCESO SOLVAY

El carbonato sódico es un producto que tiene una gran variedad de aplicaciones hoy en día, donde destacan por ejemplo su uso como pigmento, agente neutralizador o como parte de jabones y detergentes.

En un principio (1790) se sintetizaba mediante el proceso Leblanc que se muestra en este diagrama de bloques:

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Este proceso tiene varias desventajas:

  • Se consume mucha energía en la etapa de fusión
  • Es un proceso en régimen batch por lo que se necesita mucha mano de obra
  • Da lugar ha problemas ambientales, ya que se libera cloruro de hidrógeno a la atmósfera

En la actualidad este proceso ya no se aplica ya que fue substituido  (hacia el año 1865) por el proceso denominado Solvay. El proceso Solvay se lleva a cabo por disoluciones y ello hace que las condiciones de proceso se han más sencillas y el coste sea menor.

La instalación Solvay se forma por cuatro pilares:

  1. Columna de saturación
  2. Columna de carbonatación
  3. Columna recuperadora de amoniaco
  4. Hornos de calcinación

El proceso se realiza atendiendo al siguiente esquema donde se pueden visualizar los cuatro puntos anteriormente mencionados.

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1. COLUMNA DE SATURACION

En esta (1) columna el amoniaco se adsorbe en la disolución saturada de NaCl, para ello utilizando una columna de adsorción de platos. El NaCl entra por la parte de arriba y el amoniaco por la parte inferior. Esta columna está diseñada para obtener una composición de salmuera amoniacal a medida, es decir, esta diseñada para adsorber 1.1 moles de amoniaco por cada mol de NaCl.

A la salmuera amoniacal se le une el amoniaco diluido en agua obtenido en la (4) columna de recuperación. Al ocurrir esto la disolución de NaCl se diluye por lo que la disolución pasa por un (2) lecho de NaCl  con el objetivo de saturarse.

2. COLUMNA DE CARBONATACION

La (3) columna de carbonatación es una columna de adsorción con platos agujereados donde se da esta primera reacción:

NH4+ + CO2 + H2O → NH4HCO3

El bicarbonato de amonio reacciona a continuación con el cloruro sódico para dar lugar el bicarbonato sódico:

NH4HCO3 + NaCl → NaHCO3 + NH4Cl

En este momento la disolución se sobre satura y el bicarbonato de sodio empieza a precipitar, obteniéndolo por la parte de debajo de la columna. En la disolución aparece NH4Cl en una misma proporción al NaHCO3 precipitado, el NaCl que no ha reaccionado (dado que el rendimiento de la reacción es del 75%) y también aparecen pequeñas cantidades de NH4HCO3.

Por la parte superior de la columna se retira el CO2 que no ha sido adsorbido además de los gases de combustión.

Teniendo en cuenta que el balance global de las reacciones es exotérmico, la columna esta refrigerada a 20-30ºC para así favorecer la precipitación.

Esta columna tiene dos entradas de CO2: una concentrada que proviene de la descomposición del NaHCO3 (que entra por la parte inferior) y otra diluida que proviene de los gases de combustión (que entra por la mitad de la columna).

La suspensión obtenida por el fondo pasa por un (8) filtro donde se separa el solido de la disolución. El solido pasa a un horno mientras la disolución entra a la columna de recuperación de amoniaco.

Como se ha podido ver la disolución consta de cuatro iones diferentes: Cl-, HCO3-, Na+, NH4+. Para analizar la composición de la disolución se utiliza el diagrama de Jaenecke que se presente a continuación:

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3. COLUMNA RECUPERADORA DE AMONIACO

Esta columna es una (5) columna de desorción para la recuperación del amoniaco. Con el objetivo de liberar el amoniaco del bicarbonato la columna se calienta dando lugar a la siguiente reacción:

NH4HCO3 ↔ NH3 + CO2 + H2O

Para desorber el amoniaco que esta en forma de cloruro se utiliza una base que en este caso es el Ca(OH)2.

Por la parte de debajo de la columna se introduce vapor para de este modo arrastrar el amoniaco liberado. La corriente que sale por la parte superior (agua + amoniaco) se introduce a la columna de saturación. En un principio no hace falta introducir amoniaco dado que este no se consume pero siempre hay perdidas, por lo que en ese caso se debe introducir amoniaco fresco.

Por la parte inferior se obtiene NaCl (que no ha precipitado) y CaCl2 como subproductos.

4. HORNOS DE CALCINACION
  • Horno para la descomposición de NaHCO3 (6)

El NaHCO3 se descompone térmicamente (a 150ºC) para dar carbonato sódico siguiendo la siguiente reacción:

2NaHCO3 ↔  Na2CO3+ CO2 + H2O

El CO2 obtenido se introduce a la columna de carbonatación y el carbonato sódico se obtiene como producto.

  • Horno de descomposición de CaCO3  (7)

El carbonato cálcico se descompone a temperaturas de mas de 1000ºC, es por eso que se utilizan los gases de combustión obtenidos a partir de la quema de coque (o gas natural en su defecto) para obtener esta temperatura.

Una vez alcanzada esa temperatura en el horno se da la siguiente reacción:

CaCO3 → CaO + CO2 + gases de combustión

La cantidad de CO2 obtenida (mucho mayor a la obtenida en el proceso anterior) se introduce a la columna de carbonatación.

 

El cal viva se “apaga” con agua obteniendo Ca(OH)2, el cual se utiliza para la recuperación del amoniaco.

Al final las materias primas del proceso Solvay son el NaCl y CaCO3 y los productos obtenidos Na2CO3 y CaCl2. Por lo tanto, este proceso se puede definir de forma global de la siguiente manera:

NaCl + Ca CO3 ↔  Na2CO3+ CaCl2

Se puede decir a modo de estimación que 1.5 tn de NaCl, 1 tn de CaCO3 y 1 kg de NH3 dan lugar a 1 tn de Na2CO3.

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