Producción de cloro, Extracción de gas, Otros métodos, Producción industrial





Este artículo presenta las metodologías industriales y de laboratorio para preparar cloro elemental.

Extracción de gas

El cloro puede ser fabricado por electrólisis de una solución de cloruro de sodio. La producción de los resultados de cloro en el co-productos de sosa cáustica y gas hidrógeno. Estos dos productos, así como la propia cloro, son altamente reactivos. El cloro también puede ser producido por la electrólisis de una solución de cloruro de potasio, en cuyo caso los co-productos son hidrógeno y potasa cáustica. Hay tres métodos industriales para la extracción de cloro por electrólisis de soluciones de cloruro, todo procedimiento de acuerdo con las siguientes ecuaciones:

 Cátodo: 2 H 2 e-? H2 Ánodo: 2 Cl-? Cl2 2 e-

Proceso general: 2 NaCl 2 H2O? Cl2 H2 2 NaOH

Electrólisis celular Mercurio

Electrólisis células de mercurio, también conocido como el proceso de Castner-Kellner, fue el primer método utilizado al final del siglo XIX para producir cloro a escala industrial. Las células "rocking" utilizados han sido mejorados en los últimos años. Hoy en día, en la "célula primaria", ánodos de titanio se colocan en una solución de cloruro de sodio que fluye sobre un cátodo de mercurio líquido. Cuando se aplica una diferencia de potencial y los flujos de corriente, el cloro se libera en el ánodo de titanio y se disuelve sodio en la formación de una amalgama cátodo de mercurio. Esta fluye continuamente en un reactor aparte, donde por lo general se vuelve a convertir en mercurio por reacción con agua, produciendo hidrógeno y el hidróxido de sodio en una concentración de utilidad comercial. El mercurio se recicla luego a la célula primaria.

El proceso de mercurio es el menos eficiente energéticamente de las tres tecnologías principales y también hay preocupaciones sobre las emisiones de mercurio.

Se estima que hay todavía alrededor de 100 plantas de células de mercurio que operan en todo el mundo. En Japón, la producción de cloro-álcali a base de mercurio fue virtualmente eliminado en 1987. En los Estados Unidos, sólo habrá cinco plantas de mercurio que permanecen en funcionamiento a finales de 2008 - En Europa, las células de mercurio representaban el 43% de la capacidad en 2006 y los productores de Europa occidental se han comprometido a cerrar o convertir todas las plantas de mercurio cloro-álcali que quedan por 2020.

Electrólisis de membrana celular

En la electrólisis celda de diafragma, un diafragma de amianto separa un cátodo y un ánodo, la prevención de la formación de cloro en el ánodo de la re-mezcla con el hidróxido de sodio y el hidrógeno formado en el cátodo. Esta tecnología también se desarrolló a finales del siglo XIX. Hay varias variantes de este proceso: la célula de Le Sueur, la célula Hargreaves-Bird, la célula Gibbs, y la célula Townsend. Las células varían en la construcción y la colocación del diafragma, con un poco de tener el diafragma en contacto directo con el cátodo.

La solución de sal se alimenta continuamente al compartimiento anódico y fluye a través del diafragma al compartimiento de cátodo, donde se produce el álcali cáustico y la salmuera se agote parcialmente. Como resultado, los métodos de diafragma producen alcalino que es bastante diluidas y de pureza más baja que los métodos de hacer células de mercurio.

Células de diafragma no se cargan con el problema de la prevención de descarga de mercurio en el medio ambiente, sino que también operan a un voltaje más bajo, lo que resulta en un ahorro de energía sobre el método de la célula de mercurio, pero se requieren grandes cantidades de vapor si el cáustica tiene que ser evaporado al la concentración comercial de 50%.

Electrólisis de membrana celular

El desarrollo de esta tecnología se inició en la década de 1970. La célula de electrólisis se divide en dos "secciones" por una membrana permeable a los cationes que actúa como un intercambiador de iones. Solución saturada de cloruro sódico se hace pasar a través del compartimiento del ánodo, dejando a una concentración menor. Se hace circular una solución de hidróxido de sodio a través del compartimiento de cátodo, saliendo en una mayor concentración. Una porción de la solución de hidróxido de sodio concentrado dejando la célula se desvía como producto, mientras que el resto se diluye con agua desionizada y se pasó a través del aparato de electrólisis de nuevo.

Este método es más eficiente que la celda de diafragma y produce hidróxido de sodio muy puro en alrededor de concentración 32%, pero requiere salmuera muy pura.

Otros procesos electrolíticos

Aunque una escala de producción mucho menor está involucrado, las tecnologías de diafragma y de membrana electrolíticos se utilizan también en la industria para recuperar cloro a partir de soluciones de ácido clorhídrico, la producción de hidrógeno como un co-producto.

Además, la electrólisis de sales de cloruro fusionadas también permite cloro a producir, en este caso como un subproducto de la fabricación de sodio metálico o magnesio.

Otros métodos

Antes de que se utilizaron los métodos electrolíticas para la producción de cloro, la oxidación directa de cloruro de hidrógeno con oxígeno o aire se ejercía en el procedimiento de Deacon:

 4 HCl O2? 2 Cl2 2 H2O

Esta reacción se lleva a cabo con el uso de cloruro de cobre como catalizador y se lleva a cabo a alta temperatura. La cantidad de cloro extraído es aproximadamente 80%. Debido a la mezcla de reacción sumamente corrosivas, el uso industrial de este método es ensayos piloto y difíciles varios fracasaron en el pasado. Sin embargo, los acontecimientos recientes son prometedores. Recientemente Sumitomo patentado un catalizador para el procedimiento de Deacon usando óxido de rutenio.

Otro proceso anterior para producir cloro fue para calentar con salmuera ácida y dióxido de manganeso.

 2 NaCl 2H2SO4 MnO2? Na2SO4 MnSO4 2 H2O Cl2

El uso de este proceso, químico Carl Wilhelm Scheele fue el primero en aislar cloro en un laboratorio. El manganeso se puede recuperar mediante el proceso de Weldon.

Pequeñas cantidades de gas de cloro se pueden hacer en el laboratorio poniendo ácido clorhídrico concentrado en un matraz con un brazo lateral y el tubo de goma se adjunta. A continuación se añade dióxido de manganeso y el matraz tapado. La reacción no es muy exotérmica. Como el cloro es más denso que el aire, se pueden recoger fácilmente colocando el tubo en el interior de un matraz de donde se va desplazar el aire. Una vez lleno, el matraz colector se tapó.

Otro método para producir pequeñas cantidades de gas cloro en un laboratorio es al añadir ácido hidroclórico concentrado de solución de hipoclorito de sodio o clorato de sodio.

Producción industrial

La producción a gran escala de cloro implica varios pasos y muchas piezas de equipo. La descripción a continuación es típica de una planta de membrana. La planta también produce simultáneamente hidróxido de sodio y gas hidrógeno. Una planta típica consiste en la producción de salmuera/tratamiento, las operaciones con celdas, enfriamiento y secado de cloro, cloro de compresión y licuefacción, cloro líquido de almacenamiento y carga, manipulación cáustica, evaporación, almacenamiento y carga y manipulación de hidrógeno.

Salmuera

La clave para la producción de cloro es el funcionamiento del sistema de la saturación/tratamiento de salmuera. El mantenimiento de una solución saturada adecuadamente con la pureza correcta es esencial, sobre todo para las células de las membranas. Muchas plantas tienen una pila de sal la cual se rocía con salmuera reciclada. Otras tienen tanques de lodo en que se alimentan de sal cruda.

La salmuera prima se trata parcial o totalmente con hidróxido de sodio, carbonato sódico y de un floculante para reducir el calcio, magnesio y otras impurezas. La salmuera procede a una gran clarificador o un filtro en el que se retiran las impurezas. La salmuera total se filtra, además, antes de entrar en los intercambiadores de iones para eliminar más impurezas. En varios puntos de este proceso, la salmuera es la prueba de dureza y resistencia.

Después de los intercambiadores iónicos, la salmuera se considera puro, y se transfiere a los tanques de almacenamiento a ser inyectados en la sala de célula. Salmuera, se introdujo en la línea celular, se calienta a la temperatura correcta para controlar las temperaturas de salmuera de salida de acuerdo con la carga eléctrica. Salmuera que sale de la sala de la celda debe ser tratada para eliminar el cloro residual y los niveles de pH de control antes de ser devuelto a la etapa de saturación. Esto se puede lograr a través de las torres de decloración con ácido y de adición de bisulfito de sodio. Si no se retira el cloro puede provocar daños en las células. Salmuera debe ser vigilado por la acumulación de ambos aniones cloratos y aniones de sulfato, y, o bien tener un sistema de tratamiento en el lugar, o purga del circuito de salmuera para mantener los niveles de seguridad, ya que los aniones cloratos pueden difundirse a través de las membranas y contaminar el cáustica, mientras que los aniones de sulfato pueden dañar el revestimiento de la superficie de ánodo.

Sala de celular

El edificio que alberga las muchas células electrolíticas se suele llamar una sala de celular o casa móvil, aunque algunas plantas se construyen al aire libre. Esta construcción contiene las estructuras de apoyo para las células, las conexiones para el suministro de energía eléctrica a las células y tuberías para los fluidos. Seguimiento y control de las temperaturas de la alimentación cáustica y salmuera se realiza para controlar temperaturas de salida. También son monitoreados los voltajes de cada celda que varían con la carga eléctrica en la habitación de células que se utiliza para controlar la tasa de producción. Monitoreo y control de las presiones en las cabeceras de cloro y el hidrógeno también se realiza a través de válvulas de control de presión.

La corriente continua se suministra a través de una fuente de alimentación rectificada. Planta de carga se controla mediante la variación de la corriente a las células. A medida que aumenta la corriente, las tasas de flujo de salmuera cáustica y agua desionizada y se incrementan, mientras que la reducción de las temperaturas de alimentación.

Enfriamiento y secado

El gas de cloro que sale de la línea de células debe ser enfriado y secado ya que el gas de salida puede ser mayor de 80 º C y contiene humedad que permite que el gas de cloro es corrosivo para las tuberías de hierro. Enfriamiento del gas permite una gran cantidad de humedad de la salmuera para condensar fuera de la corriente de gas. El enfriamiento también mejora la eficiencia tanto de la compresión y la etapa de licuefacción a continuación. El cloro que sale es ideal, entre 18C y 25C. Después de enfriar la corriente de gas pasa a través de una serie de torres con ácido sulfúrico que fluye contador. Estas torres de eliminar progresivamente la humedad restante del gas cloro. Después de salir de las torres de secado el cloro se filtra para eliminar cualquier ácido sulfúrico restante.

La compresión y licuefacción

Existen varios métodos de compresión pueden ser utilizados: anillo líquido, alternativo o centrífuga. El cloro gaseoso se comprime en esta etapa y se puede enfriar aún más por post-enfriadores inter-e. Después de la compresión que fluye a los licuadores, donde se enfría lo suficiente para licuar. Los gases no condensables y de gases de cloro restante se ventilan fuera como parte del control de la presión de los sistemas de licuefacción. Estos gases son enviados a un depurador de gas, la producción de hipoclorito de sodio, o se utilizan en la producción del ácido clorhídrico o dicloruro de etileno.

Almacenamiento y carga

El cloro líquido es normalmente alimentados por gravedad de los tanques de almacenamiento. Puede ser cargado en tren o camiones cisterna mediante bombas o rellena con gas comprimido seco.

Manipulación cáustica, evaporación, almacenamiento y carga

Cáustico, alimentado a la sala de pilas fluye en un bucle que está simultáneamente purgado al almacenamiento, con una parte se diluye con agua desionizada y volvió a la línea de células para el fortalecimiento dentro de las células. La salida de línea de la célula cáustica debe ser supervisado por la fuerza, para mantener las concentraciones seguras. Demasiado fuerte o demasiado débil una solución podría dañar las membranas. Las cubas de membrana producen típicamente cáustica en el rango de 30% a 33% en peso. El flujo de alimentación cáustica se calienta a cargas eléctricas de baja para controlar su temperatura de salida. Carga más altas requieren el cáustica a ser enfriado, para mantener las temperaturas de salida correctas. La cáustica salir al almacenamiento se tira desde un tanque de almacenamiento y se puede diluir en venta a los clientes que requieren débil cáustica o para el uso en el sitio. Otra corriente puede ser bombeada a una evaporador de efecto múltiple configurar para producir comercial cáustico al 50%. Vagones y camiones cisterna se cargan en estaciones de carga a través de bombas.

Manipulación de hidrógeno

El hidrógeno producido puede ser ventilado sin procesar directamente a la atmósfera o se enfría, se comprime y se seca para su uso en otros procesos en las instalaciones o vendido a un cliente a través de tuberías, cilindros o camiones. Algunas aplicaciones posibles incluyen la fabricación de ácido clorhídrico o peróxido de hidrógeno así como la desulfuración de los aceites derivados del petróleo o el uso como un combustible en las calderas o pilas de combustible. Por ejemplo, en Porsgrunn el subproducto se utiliza para la estación de repostaje de hidrógeno en HyNor.

El consumo de energía

Producción de cloro es extremadamente intensivo de energía. El consumo de energía por unidad de peso de producto no es muy inferior a la de fabricación de hierro y acero y mayor que para la producción de vidrio o cemento.

Puesto que la electricidad es una materia prima indispensable para la producción de cloro, el consumo de energía correspondiente a la reacción electroquímica no puede ser reducido. Ahorro de energía se deben principalmente a través de la aplicación de tecnologías más eficientes y reducir el uso de energía auxiliar.