Produção Cloro-álcalis, Manuais, Projetos, Pesquisas de Engenharia Química

Baixe Produção Cloro-álcalis e outras Manuais, Projetos, Pesquisas em PDF para Engenharia Química, somente na Docsity!

Industria

Cloro - Álcalis

Enio Zavattaro Fernandes Johnny Luis Marquesim Rafael José Severino da Silva

Faculdade Pitágoras Engenharia Química 6º semestre Professora Melissa 2016

Sumário Introdução....................................................................................................................

Barrilha.........................................................................................................................

Bicarbonato de sódio...................................................................................................

Cloro e Soda Cáustica.................................................................................................

Resíduos....................................................................................................................

Balanço de massas....................................................................................................

Conclusão................................................................................................................... 8

Bibliografia...................................................................................................................

Barrilha:

O primeiro processo de produção de Barrilha era denominado LeBlanc, tinha como base a calcinação do sulfato de sódio com carvão e calcário num forno rotatório, seguido pela lixiviação do produto pela água, com isso, ocorria a hidrolise dos sulfetos, que eram convertidos a carbonato pelo tratamento com dióxido de carbono dos fornos de calcinação. O produto da reação era CINZA NEGRA, a lixiviação se fazia e possibilitava uma certa hidrolise dos sulfetos, estes convertidos a carbono mediante o tratamento com dióxido de carbono dos gases provenientes do forno de calcinação a solução resultante era acrescentada para a cristalização do carbonato de sódio. Solido leve, moderadamente solúvel em água, contendo em geral, cerca de 99% de Na 2 CO 3. O processo Solvay substituiu completamente o processo LeBlanc por volta de 1915. Utilizou como matérias primas, o cloreto de sódio (sal comum), o amoníaco e o carbonato de cálcio (pedra calcária), conseguindo tornar mais barata a obtenção do sal e eliminar alguns dos problemas que apresentava o método Leblanc. Trona é um mineral composto de carbonato e bicarbonato de sódio hidratado (Na 3 HCO 3 CO 3 .2H 2 O). É extraído como fonte primária para a obtenção do carbonato de sódio nos Estados Unidos, substituindo Processo Solvay usado no resto do mundo para a produção do carbonato de sódio. Matérias primas:

• Sal: usado na forma de salmoura natural ou artificial, saturada.
• Calcário: deve ter pequena quantidade de impurezas, principalmente sílica, britado a um tamanho entre 10 e 20 cm.
• Coque: calcina o calcário e fornece CO 2.
• Amônia: reagente cíclico no processo – participa das reações e é recuperada, perdendo-se pouca quantidade da substância.

Reações no processo Solvay:

CaCO 3 = CaO + CO (^2) C(amorfo) = CO (^2) CaO + H 2 O = Ca(OH) 2 NH 3 + H 2 O = NH 4 OH 2NH 4 OH + CO 2 = (NH 4 )2CO 3 + H 2 O (NH 4 )2CO 3 + CO 2 + H 2 O = 2NH 4 HCO 3

NH 4 HCO 3 + NaCl = NH 4 Cl + NaHCO (^3) 2NaHCO 3 = Na 2 CO 3 + CO 2 + H 2 O 2NH 4 Cl + Ca(OH) 2 = 2NH 3 + CaCl 2 + 2H 2 O Reação Global: CaCO 3 + NaCl = Na 2 CO 3 + CaCl (^2)

Este processo não pode ocorrer diretamente, mas é realizado numa sequencia de etapas representadas pelas equações acima. As reações são industrializadas por meio da seguinte série de operações unitárias e de conversões químicas, conforme o fluxograma:

• Preparação e purificação da salmoura
• Mineração e solubilização do sal ou bombeamento da salmoura

Bicarbonato de sódio:

Bicarbonato de sódio (NaHCO 3 ) ou carbonato ácido de sódio ou carbonato de hidrogênio e sódio, não se obtém a partir do bicarbonato de sódio separado nos filtros do processo Solvay porque:

• Difícil de secar
• Perda da amônia presente
• (^) Odor devido a traços de amônia
• Outras impurezas

O bicarbonato é extraído da barrilha, usa –se uma solução saturada de barrilha, que é introduzida no topo de uma coluna semelhante à torre de carbonatação da fabricação da barrilha. Na base da torre injeta-se CO 2 comprimido e a temperatura é mantida em torno de 40ºC. A suspensão de bicarbonato que se forma é removida pela base da torre, filtrada e lavada num filtro a tambor rotativo. Depois da centrifugação, o material é seco numa esteira transportadora contínua, a 70ºC. O bicarbonato obtido por esse processo tem uma pureza de 99,9%. O bicarbonato tem ampla utilização na manufatura de levedura em pó, na fabricação de água carbonatada, artigos de couro, extintores de incêndio. Fabricam-se cerca de 110.000 toneladas deste sal nos Estados Unidos anualmente.

Cloro e Soda Caustica:

As soluções de soda caustica são utilizadas desde meados do século XVIII. Seu desenvolvimento provém dos fabricantes de soda LeBlanc (1853), que o obtinham por uma caustificação pela cal, que dependia de o carbonato de cálcio se quase insolúvel em água: Na 2 CO 3 + Ca(OH) 2 = 2NaOH + CaCO (^3) A produção eletrolítica da soda cáustica já era conhecida no século XVIII, mas somente em 1890 ele passou a ser produzida de forma industrial. A primeira patente associada ao uso industrial do cloro data de 1799 e destinava-se ao alvejamento. Com isto levou-se ao desenvolvimento dos processos Weldon e Deacon. No processo Weldon, a oxidação era realizada pelo dióxido de manganês, enquanto no processo Deacon usava-se o ar com cloreto de cobre funcionando como catalisador. O desenvolvimento de equipamento gerador de corrente contínua, de grande capacidade, na altura do final do século XIX, tornou-se obsoleto o processo de calificação e, nos meados do século atual, 99% da produção mundial de cloro são obtidos por processos eletrolíticos. O cloro e a soda caustica são preparados por métodos eletrolíticos, usando-se cloretos fundidos ou soluções aquosas de cloretos de metais alcalinos. Na eletrólise das salmouras, o cloro é produzido no anodo e o hidrogênio, juntamente com o hidróxido de sódio ou de potássio, no catodo. Diversos modelos de cubas eletrolíticas foram idealizados, mas são variações de dois tipos:

• Cubas de mercúrio: elas produzem um NaOH mais puro, porém a pequena perda de mercúrio para o ambiente provoca graves problemas, tanto na vida marinha quanto as pessoas que se utilizam dela.

a difusão dos produtos. Elas podem ser compactas (colocando os eletrodos bem juntos) e com o tempo de uso é preciso realizar a substituição do diafragma por ele vai se entupindo. Ela ocupa a segunda posição em antiguidade, eficiência energética e restrição ambiental. Emprega diafragma poroso à base de amianto. As matérias-primas precisam ser de alta pureza pois os produtos da células são impuros. O amianto é um material agressivo a saúde e deve ser corretamente manipulado. No sistema de eletrólise de uma solução de cloreto de sódio por células de diafragma, há formação de cloro no ânodo e de soda cáustica e hidrogênio no cátodo. A tecnologia de diafragma foi se desenvolvendo ao longo do tempo, principalmente quanto ao material de construção, que inicialmente era feito de madeira, depois passou para concreto, aço, polímeros e finalmente titânio. Os ânodos passaram de carbono para grafite, e mais tarde para titânio revestido. Os cátodos tiveram poucas modificações em termos de material, mantendo-se em aço, mas evoluíram no aspecto energético.

Os diafragmas podem ser feitos a partir de fibras de amianto e de fibras sintéticas com nomes comerciais tais como Poliramixe Tephram (Lopes,2003).

O processo de diafragma, é o mais utilizado no mundo 46%, seguido pelo processo de membrana 32% e de mercúrio 2%. No Brasil a tecnologia mais utilizada é o diafragma 71%, mercúrio com 25% e membrana com apenas 4%.

Dentro da cuba a Diafragma acontece a seguinte reação:

NaCl + H 2 O = NaOH + ½H 2 + ½Cl (^2)

Onde: E = tensão de decomposição teórica Δ H = variação de entalpia na reação, cal

J = equivalente mecânico da caloria, 4,182J/ cal T = temperatura de Faraday, 96,500 C/eq.g N = número de equivalentes envolvidos

O calor da reação da eletrólise do cloreto de sódio pode ser determinado a partir dos calores de formação dos componentes da reação completa. A reação global é:

NACl (^) (aq) + H 2 O = NaOH (^) (aq) + ½H2(g) + ½Cl 2

Esta reação pode ser desmembrada, nas seguintes reações de formação:

Na (^) (s) + ½Cl (^) 2(g) = NaCl (^) (aq) Δ H = -97,1 cal

H (^) 2(g) + ½O 2 = H 2 O (^) (l) Δ H = -68,4 cal

Na (^) (s) + ½O (^) 2(g) + ½H (^) 2(g) = NaOH(aq) Δ H = -112,1 cal

A variação de entalpia ΔH da reação global é dada por:

+97,1+ 68,4 – 112,1 = + celulase 53,4 cal

Eletrolise da salmoura: as células típicas foram descritas acima. Cada célula usa de 3.0 a 4,5 V, e por isto são ligados em série, para aumentar a voltagem de cada grupo (cq). Evaporação e separação do sal: por conta da eficiência de decomposição das cubas eletrolíticas estar na faixa de apenas 50%, cerca da metade do NaCl inicial está em solução diluída da soda caustica; recupera-se esta fração devido à sua pequena solubilidade nas soluções de soda caustica depois da concentração. Por isto a solução diluída a cerca de 10-12% em NaOH ela dissolvera 1% do NaCl e de outros sais de sódio, depois do resfriamento; este líquido pode ser vendido, após uma completa decantação, como soda caustica líquida em carros tanques.

Resíduos:

O processo Solvay é um método pouco poluidor, não apresentando grandes riscos Resíduos sólidos Resíduos são gerados na sua maioria durante a purificação secundária da salmoura: Materiais e revestimentos de celulose (filtros para lama/ redução da dureza da salmoura).

ser emitido mercúrio do processo através do ar, da água, dos resíduos e dos produtos finais. A emissão total de mercúrio para o ar, a água e os produtos finais de fábricas de cloro e álcalis na Europa Ocidental foi de 9,5 t em 1998, variando, em cada fábrica, de 0,2 a 3,0 g Hg/t de cloro produzido.

Balanço de massas:

A saída de uma unidade produtora de soda caustica, analisa-se uma certa quantidade de gás cloro, constatando-se que o mesmo está misturado com 1,6 % (molar) de O 2. Em certo ponto da linha que transporta o gás cloro, injeta-se 10 g de O 2 durante 5 min e 33 seg. Qual a produção da unidade se a saída da linha, nova análise mostra que, após a injeção de oxigênio, a porcentagem molar deste gás atingiu 3,6 %.

1,6% de O3,6% de O 10 g de O 2 22 em 5 min e 33 seg..

Resposta: MO 2 = 32 g MCl 2 = 70 g Entrada: Saída: O 2 = 1,6% - 0,016 mol 3,6% - 0,036 mol Cl 2 = 98,4% - 0,4% mol 96,4% - 0,964 mol Entrada: X0 2 = nO 2 = 0,016 mol = 1,016 mol nO 2 + nCl 2 0,016 mol + 0,984 mol XCl 2 = nCl 2 = 0,984 mol = 62,5 mol nO 2 + nCl 2 0,016 mol + 0,984 mol nO 2 = mO 2 => 0,016 mol = m => 0,512 g/mol MMO 2 32 g

nCl 2 = mCl 2 => 0,984 mol = m => 68,88 g/mol

MMCl 2 70 g

XO 2 + XCl 2 = 1,016 mol + 62,5 mol = 2,89 g = Mw mO 2 mCl 2 0,512 g/mol 68,88 g/mol

sódio, o sulfato de sódio, o ácido clorídrico, os fosfatos de sódio, o clorato e o clorito de sódio. Praticamente a totalidade do cloro produzido na indústria atual é produzido a partir do cloreto de sódio, essa indústria é responsável pelo consumo de 45% do sal nos Estados Unidos, sendo apenas 1% utilizado na indústria alimentícia. Nos principais países produtores as reservas de sal são enormes, porém não se conhece o respectivo grau de pureza desse sal. O sal pode ser obtido de três maneiras diferentes:

• Pela evaporação solar da água do mar na costa do pacífico, ou nas salmouras dos lagos ocidentais, tendo uma pureza entre 98 e 9%.
• (^) Pela mineração do sal gema, que tem composição amplamente variável dependendo assim do seu local de origem, certos tipos podem chegar a uma pureza de 9,5%. Essa mineração utiliza métodos análogos à mineração do carvão.
• A partir das salmouras dos poços, se obtém essa salmoura com a injeção de água em depósitos de sal, possui cerca de 98% de pureza. Essa pureza vai depender em grande parte da pureza da água utilizada para dissolver o leito do sal gema. O método mais utilizado para a extração do sal dessa salmoura é a evaporação a vácuo de múltiplo efeito. Os processos de evaporação solar e das minas muitas vezes fornecem um sal com pureza suficiente para o emprego direto, entretanto uma grande parte deve ser purificada para remover matérias como cloreto. No Brasil apenas as plantas da TRIKEM em Maceió(AL) e da Dowem Aratu(BA) são abastecidas por minas de sal gema. A soda cáustica e o cloro são produzidos simultaneamente, pela eletrólise de sal, numa proporção molar de 2:1.

Reações:

Anodo: Na++ e

Na

Catodo: 2Na + 2 H2O 2NaOH + H

Fatores e custos de produção os mais relevantes, e em ordem decrescente de importância no custo total são:

• Energia elétrica as plantas de cloro soda são eletro-intensivas e por este motivo a energia elétrica é o item mais importante de custo. Consideram-se como referência os seguintes valores de consumo energético associado à produção de cloro gás e soda cáustica a 50%: a) Inferior a 3000 KWh(CA) / Tonde Cloro produzido se a liquefação for excluída. b) Inferior a 3200 KWh(CA) / Tonde Cloro produzido se for incluído a liquefação e vaporização.
• Custos de capital: as plantas de cloro e soda são também capital-intensivas; a economia de escala é significativa até uma determinada capacidade;
• E o sal é o terceiro item de custo em importância.

Bibliografia:

http://www.scielosp.org/pdf/csp/v11n4/v11n4a http://www.ppe.ufrj.br/ppe/production/tesis/ddelgadojjs.pdf https://web.bndes.gov.br/bib/jspui/bitstream/1408/2682/1/BS%2029_O%20setor% 20de%20soda-cloro%20no%20Brasil_P.pdf https://www.google.com.br/search?q=cloro +alcalis&biw=1138&bih=748&source=lnms&tbm=isch&sa=X&ved=0ahUKEwiCiOjUtI PRAhXMhpAKHUCBA7oQ_AUIBigB#tbm=isch&q=celula+eletrol%C3%ADtica+de +soda&imgrc=5mhjkIFQaAVtrM%3A