Universidad de Costa RicaEscuela de Ingeniería Química Procesos y Operaciones Integradas IQ-0526 Profesor Orlando Porras Síntesis de hipoclorito de sodio Trabajo Avance No.2 I-2013 1 Descripción del Proceso Para la síntesis de hipoclorito de sodio se va a proceder mediante el método químico, el cual consiste en poner en contacto una solución de hidróxido de sodio con cloro gaseoso para formar el hipoclorito. A continuación se procede a describir el proceso tomando en consideración todas las suposiciones al caso. Se introducen a una columna empacada una corriente de 1350,7 kmol/h de una solución al 1% de soda caustica y una mezcla de cloro y aire al 5% a un flujo molar de 120,6 kmol/h. La razón por la que se utiliza un mayor flujo de la solución básica respeto a la fase gaseosa, se debe a la baja solubilidad del cloro gaseoso en agua. Además la soda caustica se alimenta en exceso para maximizar la conversión del cloro y ayudar a disminuir el calentamiento de la disolución al incrementar la capacidad calórica de la misma por la alta presencia de agua. Ambas corrientes se alimentan a 30 o C. En esta torre se da la reacción y se obtiene como producto una solución de hipoclorito de sodio, soda caustica y cloruro de sodio, junto con cloro sin reaccionar y oxígeno que se absorbe en el agua. Esta solución sale a 32,7 o C y es enviada a un destilador flash, en donde se disminuye la presión a una atmósfera, lo que permite la separación de los gases incondensables de la solución. El tope del destilador flash debe ser evaluado para considerarlo como un reciclo a la torre con el fin de aprovechar todo el cloro. Los fondos son enviados a un tren de evaporación para concentrar la solución a 150 g/L de sodio, con lo que se busca la estabilidad de la solución al alcanzar un pH de 12. Dado que el hipoclorito es muy sensible al calor, descomponiéndose fácilmente, el tren de evaporación debe ser de flujo forzado y operar a presiones de vacío de modo que la temperatura no sea muy alta para evitar el exceso de descomposición del anión. Una vez que sale la disolución concentrada, se procede a enfriar de modo que se alcance nuevamente una temperatura de 30 o C para estabilizar la mezcla. En la Figura 1 se muestra el diagrama de flujo del proceso. Figura 1. Diagrama de flujo para la síntesis de hipoclorito de sodio. Una vez que se tiene la disolución final, es necesario eliminar cualquier resto de metales como hierro, niquel, cobalto y cobre. Lo anterior debido a que estos aceleran la descomposición del hipoclorito. Para ello se debe disminuir el pH de la solución a niveles 2 cercanos a 10,5 de modo que se logra su eliminación, pero debe ajustarse nuevamente a 12 que es el punto más estable del anión. Para ello se debe diseñar un clarificador que se harça más adelante. Especificaciones y Dimensionamiento. Torre de absorción La planta a diseñar utilizara el Método químico para la producción de hipoclorito de sodio en solución se prepara mediante la reacción entre una solución de soda cáustica diluida y cloro gaseoso, para esto una mezcla gaseosa aire-cloro es llevada a una torre de absorción empacada, donde se neutraliza. El cloro es un gas pesado, con densidad relativa al aire de 2.4, de color amarillo- verdoso, no inflamable que se licua fácilmente; se suministra como gas licuado en cilindros y grandes recipientes, el cloro es altamente corrosivo en presencia de humedad, por lo que a la hora de diseñar los equipos en contacto con este, es importante tener en cuenta dicho factor. Se debe disponer de un ventilador que impulse la mezcla cloro-aire a la torre de absorción, en donde simultáneamente a contracorriente se dosifica la solución neutralizante. La torre de absorción será cilíndrica de 54”, vertical fabricada en poliéster reforzado con fibra de vidrio o P.R.F.V., soportada en el tanque de solución. Los gases de cloro captados son transportados en forma ascendente, mientras la solución de soda cáustica escurre a través de las superficies del relleno. Se elige P.R.F.V. l material compuesto formado por una matriz (resina) y un refuerzo de ésta, dada por la incorporación de fibras, en este caso de vidrio, la resina como la fibra de vidrio le confieren a este material compuesto una serie de características que hacen de este una excelente alternativa ante los materiales tradicionales empleados en la industria. Entre sus principales ventajas se pueden enunciar: Elevada resistencia química: evita la corrosión, lo que elimina costos adicionales de tratamientos superficiales. Material termorígido: mantiene su estabilidad dimensional en el tiempo y en amplios rangos de temperatura. Bajo peso: menor costo de transporte, manipuleo y montaje. Bajo mantenimiento: no requiere limpieza frecuente debido a incrustaciones. Posibilidad de aplicación en ambientes inflamables. Componentes de la torre de absorción Flauta de riego de solución. 3 Relleno en PVC, cuya función es facilitar el contacto entre el gas y la solución de soda cáustica. Demister: elemento que condesa el rocío de la solución que pueda escapar por la chimenea de la torre. Manholes con tapa bridada para facilitar inspecciones de funcionamiento y estado interno de la torre. Chimenea con cuello de ganso para evitar entrada de aguas lluvia a la torre. Plataforma de acceso en perfilería galvanizada. Separador flash Tanque cilíndrico horizontal fabricado en PRFV, con capacidad para 1,5 m 3 . Evaporador de circulación forzada Los compuestos como el hidróxido de sodio y el hipoclorito de sodio deben ser considerados sustancias siruposas y por ende debe implementarse el uso de un evaporador de circulación forzada, esto debido a que las soluciones altamente viscosas reducen las tasas de transferencia de calor en evaporadores de circulación natural. Estos evaporadores no resultan ser tan económicos como sus análogos de circulación natural, pero son útiles cuando se involucran especies incrustantes o que tiendan al depósito de sales, ya que están equipados con una bomba de recirculación que evita esta clase de inconvenientes por las altas velocidades de flujo que proporciona. Además, las sustancias de hidróxido de sodio le causa fragilidad caústica a materiales como el acero, por ende estos evaporadores se diseñan con níquel sólido o con recubrimientos de éste. Especificaciones del evaporador: Sistema de doble efecto. Alimentación a contracorriente. Tubos de la calandria: 1 plg de DE, 16 BWG, níquel sólido, 7’0’’ de largo, arreglados en dos pasos. Superficie de calentamiento lo más pequeña posible. Velocidad de flujo: 8 pps (pulgadas por segundo). Se requieren 20 pies de carga dinámica total. 4 Cuadro I. Dimensionamiento del evaporador. Primer Efecto ∆t (ºF) U C Área (ft 2 ) Área transversal de flujo por paso, (ft 2 ) 25.4 700 670 0.87 25.0 700 680 0.88 Segundo Efecto ∆t (ºF) U C Área (ft 2 ) Área transversal de flujo por paso, (ft 2 ) 25.4 700 620 0.80 25.2 700 683 0.89 donde, ∆t : es la diferencia verdadera de temperatura de los fluidos. U C : coeficiente total de transferencia de calor, limpio. Btu/(h· ft 2 · ºF) Figura 2. Ilustración de un evaporador de circulación forzada. 5 Intercambiadores de calor Especificaciones del intercambiador: Se utiliza agua como medio de enfriamiento. El espaciado entre los tubos será de arreglo cuadrado de 1 plg. Se utilizaran deflectores segmentados (con 25 % de corte) acomodados “arriba y abajo”. Fluidos a contracorriente. Intercambiador 1-2 (un paso por la coraza y dos pasos por los tubos). Al utilizarse agua de enfriamiento, por su carácter corrosivo y por ser la sustancia menos viscosa, viajará por los tubos y no por la coraza. Los tubos serán de materiales no ferrosos como por ejemplo: el admiralty, el latón rojo y cobre, esto por que el agua es corrosiva al acero. Caída de presión permitida en tubo y coraza es de 10.0 lb/plg 2 . Cuadro II. Dimensionamiento de la coraza y los tubos. Coraza Tubos Diámetro Interno = 10.02 plg Número y longitud = 52, 16’0’’ Espacio entre deflectores = 2 plg Diámetro externo = ¾ plg, 16 BWG 1 Paso 2 Pasos Cuadro III. Dimensionamiento general de los intercambiadores. Coeficiente total (U C ) 303 Btu/h· pie 2 · ºF Superficie externa (a’’) 0.1963 pie Área (A) 163 pie 2 Coeficiente de diseño (U D ) 183 Btu/h· pie 2 · ºF Factor de obstrucción 0.00216 h· pie 2 · ºF/ Btu Caída de presión en la coraza 9.5 lb/plg 2 Caída de presión en los tubos 2.3 lb/plg 2