Grupo El Carbonato de Sodio

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DISEÑO DE PROCESOS INDUSTRIALES I U.M.S.A EL CARBONATO DE SODIO 1 Dar a conocer la importancia del carbonato de sodio y todos los procesos existentes que intervienen en la obtención del mismo, la tecnología que implica, la demanda creciente en el mundo y sobre todo el futuro que tiene en Bolivia. Conocer los distintos tipos de proceso de obtención. Mostrar la aplicación y usos del carbonato de sodio Indicar los requerimientos de seguridad para su manipulación fuera y dentro de la industria. Poner en conocimiento el futuro que tiene el carbonato de sodio El carbonato de sodio es una sal blanca y translúcida de fórmula química: Na2CO3 Es conocido comúnmente como: sal de sodio de ácido carbónico, barrilla, natrón, soda Solvay, Ceniza de Soda y sosa (no confundir con la sosa cáustica). El carbonato de sodio es un sólido no muy pesado que se vende de acuerdo con su contenido de oxido de sodio ( Na2 O), que en general es casi de 58%.

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EL CARBONATO DE SODIO 1

Dar a conocer la importancia del carbonato de sodio y todos los procesos

existentes que intervienen en la obtención del mismo, la tecnología que

implica, la demanda creciente en el mundo y sobre todo el futuro que tiene en

Bolivia.

Conocer los distintos tipos de proceso de obtención.

Mostrar la aplicación y usos del carbonato de sodio

Indicar los requerimientos de seguridad para su manipulación fuera y

dentro de la industria.

Poner en conocimiento el futuro que tiene el carbonato de sodio

El carbonato de sodio es una sal blanca y translúcida de fórmula química:

Na2CO3

Es conocido comúnmente como: sal de sodio de ácido carbónico, barrilla, natrón, soda

Solvay, Ceniza de Soda y sosa (no confundir con la sosa cáustica).

El carbonato de sodio es un sólido no muy pesado que se vende de acuerdo con su

contenido de oxido de sodio ( Na2 O), que en general es casi de 58%.

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EL CARBONATO DE SODIO 2

Nombre Comercial : Carbonato de Sodio

Sinónimos: Carbonato sódico anhidro, sosa calcinada, soda ash.

Formula Química : (Na2CO3)

Estado de agregación: Sólido

Peso Molecular : 105.99 g/mol

Estado físico a 20°C :Polvo,

gránulos

Color :Blanco

Olor :Inodoro

Punto de fusión [°C] :851 °C

Punto de ebullición [°C] :

Descomposición.

Presión de vapor, 20°C :N. A.

Densidad relativa al agua 2,54 g/cm3

Solubilidad en agua [% en peso] : 71 g/l a 0 °C / 471 g/l a 32 °C

Límites de explosión - Inferior [%] : N.A.

Límites de explosión - Superior [%] : N.A.

El carbonato de sodio es un compuesto con muchos usos, estos son mas

industriales que domésticos y se lo indica a continuación:

En la industria:

En el teñido con colorantes reactivos con las fibras, carbonato de sodio se

utiliza para asegurar la unión química adecuada del colorante con fibras de

celulosa, normalmente antes de la tintura, mezcladas con el tinte, o después

de la coloración.

El carbonato de sodio es utilizado por la industria del ladrillo como un

agente humectante para reducir la cantidad de agua necesaria para la

extrusión de la arcilla.

El carbonato de sodio se utiliza en pastas de dientes, donde actúa como un

agente de formación de espuma y un abrasivo, y para aumentar

temporalmente la boca pH.

Siderurgia: El Carbonato de sodio es usado para tostar(calentar bajo una

ráfaga de aire) el cromo y otros extractos y disminuye el contenido de

azufre y fósforo de la fundición y del acero.

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EL CARBONATO DE SODIO 3

Reciclado: El Carbonato de sodio es usado para el reciclado de baterías

viejas.

Vidrio: El Carbonato de sodio y sus derivados se usan para bajar el punto de

fusión del silicio y poder trabajarlo mejor, también aporta el sólido

necesario para formar la red vítrea.

Detergentes: En la fabricación de detergentes, el carbonato sódico es

indispensable en las formulaciones al objeto de asegurar el correcto

funcionamiento del resto de sustancias que lo componen, enzimas,

tensioactivos,etc. durante las diferentes fases del lavado.

Regulador de Ph: carbonato sódico es muy útil para regular el pH de

diferentes soluciones, nos referimos al tratamiento de aguas de la industria,

así como en los procesos de flotación.

Otros usos industriales son: Cerámica, Jabones, limpiadores, Ablandador

de aguas duras, Refinación de petróleos, producción de aluminio, Textiles,

pulpa y papel. Procesamiento metalúrgico, Preparación de farmacéuticos,

Soda Cáustica, Bicarbonato de Sodio, Nitrato de Sodio y varios otros usos.

El uso doméstico

En el uso doméstico, se utiliza como un ablandador de agua en el lavado. Compite con los

iones de magnesio y calcio en agua dura, impidiendo unión entre ellos.

El carbonato de sodio puede ser utilizado para eliminar la grasa, el aceite y las manchas de

vino. Se vende como sosa o cristales de sal de sodio.

También se usa como un agente de descalcificación en calderas como las que se encuentran en

las ollas de café y máquina de café expreso.

Otras aplicaciones

El carbonato de sodio es un aditivo alimentario utilizado como regulador de la acidez, agente

antiaglomerante y estabilizador.

Carbonato de sodio también se usa en la producción de polvo de sorbete. El enfriamiento y la

efervescencia resultados sensación de la reacción endotérmica entre carbonato de sodio y un

ácido débil, ácido cítrico comúnmente, la liberación de gas dióxido de carbono, que se produce

cuando el sorbete se humedecen con saliva.

El carbonato de sodio, en una solución de sal común, se puede usar para limpieza de la plata.

El carbonato de sodio y el bicarbonato de sodio son dos de las sustancias

químicas muy importantes y muy usadas en el mundo entero. Ambas tienen

muchos usos en común y también se producen en todo el planeta. A pesar de la

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EL CARBONATO DE SODIO 4

similitud en sus nombres, estas dos sustancias no son idénticas y tienen

muchas características y usos que difieren en gran medida.

bicarbonato de sodio

Carbonato de sodio

Tipos

Desde el punto de vista químico, el carbonato de sodio y el bicarbonato de

sodio son muy similares. La fórmula del carbonato de sodio es Na2CO3 y la del

bicarbonato de sodio es NaHCO3. Ambos son compuestos iónicos que, cuando

se disuelven en agua, liberan un ion de sodio (Na) de carga positiva y un ion de

carbonato (CO3) de carga negativa. El bicarbonato de sodio también incluye un

ion de hidrógeno (H) de carga positiva.

Características

El bicarbonato de sodio es un polvo sólido blanco. Se disuelve de inmediato en

el agua y actúa como una base débil. El carbonato de sodio también es un polvo

blanco. Se lo usa en forma de polvo para fabricar y es un fuerte alcalino. Ambas

sustancias son inocuas cuando toman contacto con la piel, pero pueden causar

irritación en los ojos. En concentraciones bajas, ninguno de los dos es tóxico si

se los ingiere.

Identificación

Tanto el carbonato como el bicarbonato de sodio tienen varios nombres. Al

carbonato de sodio se lo llama a menudo ceniza de sodio. Otros nombres

pueden ser carbonato neutro de sodio, ácido carbónico, sal disódica y sosa

calcinada.

El bicarbonato de sodio aparece más comúnmente como polvo para hornear.

También se lo llama bicarbonato de soda, ácido carbónico sal de monosodio,

bicarbonato sódico y carbonato ácido de sodio.

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Beneficios

El bicarbonato de sodio, que se vende como polvo para hornear, tiene una gran

amplitud de usos en el hogar. Es esencial para cocinar y hornear, reduce los

malos olores, se lo puede usar para limpiar y es un buen extinguidor de

incendios. También, el bicarbonato de sodio es una sustancia que se usa mucho

en la medicina natural para reducir la acidez, especialmente la proveniente del

estómago.

El uso más común del carbonato de sodio se da en la fabricación de vidrio: casi

la mitad de todo el carbonato de sodio se usa para eso. Otros usos incluyen el

procesamiento químico y la fabricación de jabón.

Producción

El carbonato de sodio se puede formar naturalmente en la Tierra, o se lo puede

fabricar. Los depósitos de carbonato de sodio se encuentran en todo el mundo,

con grandes depósitos que se hallan en los Estados Unidos, Botswana, China,

Uganda, Kenia, Perú, México, India, Sudáfrica, Egipto y Turquía. Se lo fabrica

usando principalmente el proceso Solvay, en el que se mezcla cloruro de sodio

(sal) con amoníaco para crear el carbonato de sodio.

El bicarbonato de sodio también es una sustancia natural, producida al

bombear agua caliente en los lechos minerales. El bicarbonato de sodio se

disuelve en el agua y se cristaliza en la solución.

A nivel mundial la gran capacidad de producción alcanza los:

44 millones de toneladas / año (dato 2013)

Esta producción se realiza por diversos países en el mundo y se detalla a

continuación:

EMPRESA PAIS-LOCALIZACIÓN CAPACIDAD ( Tn / año)

Puesta en marcha de la planta

SOLVAY

Francia-Dombasle 700 1874

Alemania-Rheinberg 600 1903

Alemania-Bernburg 540 1883

España-Torrelavega 950 1908

Italia-Rosignano 1020 1917

Portugal-Povoa 230 1934

Austria-Ebensee 160 1885

SOLVAY-SISECAM Bulgaria-Devnya 1200 1954

BRUNNER MOND Inglaterra-Northwich 1000 1873

Holanda-Delfzijl 375 1958

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EL CARBONATO DE SODIO 6

NOVACARB Francia-La Madelein 600 1884

SODAWERK STASSFURT

Alemania-Stassfurt 450 1886

CIECH JANIKOSODA Polonia-Janikowo 550 1957

CIECH SODAMATWY

Polonia-Inowroclaw 550 1879

SODA SANAII Turquia-Mersin 800 1975

BEVA GOVORA Romania-Govora 400 1960

BEGA UPSOM Romania-Ocna

Mures 310 1894

SODASO Bosnia-Herzegovina 260 1893

BASF 65

A nivel sud américo la capacidad de producción alcanza los:

330000 toneladas / año (dato 2013)

Esta producción se detalla en la siguiente tabla:

REGIÓN EMPRESA PAIS-

LOCALIZACIÓN

CAPACIDAD DE PRODUCCIÓN

(Tn/año)

LATINOAMERICA

Mexico

LATINOAMERICA Y

SUD AMERICA

ALPAT ( ALCALIS DE LA PATAGONIA)

Argentina-Rio negro 330.000

La SOSA o CARBONATO SODICO (Na2CO3), es la sustancia alcalina más común, que se

conoce y utiliza desde la antigüedad. En un principio se obtuvo a partir de las cenizas

(barrillas),procedentes de la incineración de un determinado tipo de plantas, que crecen

en terrenos salados (vegetales de la familia de las quenopodiaces, ricos en oxalato de

sodio, que por acción del calor se convierte en carbonato).

A principios del siglo XVIII se habían logrado desarrollar gran numero de industrias

manufactureras, que precisaban disponer de productos químicos básicos en elevadas

cantidades, principalmente de ácidos y bases, entre ellas las SOSA, que no se encontraban

los mismos de manera libre en la naturaleza. Concretamente, era tal la demanda de SOSA

que hacían las industrias químicas francesas de la época, que la Academia de Ciencias

Francesa en 1775, ofreció un premio monetario, a quien descubriera un método para la

fabricación artificial de dicho producto. Fue Nicolas Leblanc (1742-1806) el que ideó en

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1787 el proceso de fabricación, logrando obtener sosa a escala industrial y alcanzar de

esa manera el premio ofertado. No obstante, el destino se cebó en la persona de este

quimico francés, que habiendo logrado poner a punto un proceso que, constituyo uno de

los pilares básicos, sobre el que se desarrollo la industria química pesada del siglo XIX fue

injustamente correspondido por los responsables del gobierno francés del momento. A

pesar de la importancia de su aportación, el gobierno de la revolución lo obligo a hacer

público su método, sin derecho a remuneración alguna, con lo que Leblanc quedo en la

ruina absoluta. Aunque en 1800 le devolvieron sus instalaciones, al no disponer de capital

para su puesta en marcha, acabó suicidándose en 1806.Este trágico final sumió a su

familia en la miseria, mientras que poco tiempo después, números industriales hicieron

grandes fortunas con el procedimiento de fabricación ideado.

A pesar del gran proceso desarrollado el mismo presentaba muchos problemas

económicos y de contaminación.

La solución a los problemas del método de Le Blanc, fue lograda brillantemente por el

químico belga Ernesto Solvay, nacido en 1838 y falleció en Bruselas en 1992. A diferencia

del malogrado químico francés, el belga pudo crear un emporio industrial y ejercer una

meritoria labor filantrópica en el campo de la educación. Preocupación esta última, quizá

debida a no haber podido seguir en su niñez estudios reglados y adquirir una educación

completa, a causa de su precaria salud.

Solvay patento su procedimiento en 1861, fundando en 1863 una Compañía `para la

fabricación de carbonato de sodio, y a lo largo del siglo XIX, la fabricación de carbonato

sódico por el método Le Blanc cuya ultima instalación se clausuro en 1915, fue poco a

poco desplazada por el método SOLVAY.

Para empezar la producción de carbonato de sodio requerimos de materia prima ya

que es la semilla vital de todo proceso, por lo que detallamos a continuación las

mismas, que son:

Piedra caliza o químicamente llamado Carbonato de calcio(solvay –le blanc)

Ácido sulfúrico (le blanc)

Carbón (le blanc )

Cloruro de sodio (solvay )

Amoniaco (solvay)

Sulfato de sodio (le blanc)

Piedra caliza o químicamente llamado Carbonato de calcio

Nombre común del carbonato calcio. Contiene alto porcentaje de calcita, de

materiales tríticos, como cuarzo o arcilla, lo que puede aportar un color más

oscuro que el de la caliza más pura.

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EL CARBONATO DE SODIO 8

Por su aspecto blanco son muy

distinguibles. Las calizas se forman en los

mares cálidos y poco profundos de las

regiones tropicales, en aquellas zonas en

las que los aportes detríticos son poco

importantes. Dos procesos, que

generalmente actúan conjuntamente,

contribuyen a la formación de las calizas.

Ácido sulfúrico

Es un compuesto químico extremadamente corrosivo cuya fórmula es H2SO4.

Es el compuesto químico que más se produce en el mundo, por eso se utiliza

como uno de los tantos medidores de la capacidad industrial de los países. Una

gran parte se emplea en la obtención de fertilizantes. También se usa para la

síntesis de otros ácidos y sulfatos y en la industria petroquímica.

Generalmente se obtiene a partir de dióxido

de azufre, por oxidación con óxidos de

nitrógeno en disolución acuosa.

Normalmente después se llevan a cabo

procesos para conseguir una mayor

concentración del ácido. Antiguamente se lo

denominaba aceite o espíritu de vitriolo,

porque se producía a partir de este mineral.

Carbón

Es un mineral, una roca sedimentaria de color

negro, muy rica en carbono y con cantidades

variables de otros elementos, principalmente

hidrógeno, azufre, oxígeno y nitrógeno,

utilizada como combustible fósil. La mayor

parte del carbón se formó durante el período

Carbonífero

El carbón se origina por la descomposición de vegetales terrestres que se

acumulan en zonas pantanosas, lagunares o marinas, de poca profundidad

Cloruro de sodio

Más conocido como sal de mesa, o en su forma mineral halita, es un compuesto

químico con la fórmula NaCl. El cloruro de sodio es una de las sales

responsable de la salinidad del océano y del fluido extracelular de muchos

organismos. También es el mayor componente de la sal comestible, es

comúnmente usada como condimento y conservante de comida

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EL CARBONATO DE SODIO 9

Amoniaco

El amoníaco, a temperatura ambiente, es un gas incoloro de olor muy

penetrante y nauseabundo. Se produce naturalmente por descomposición de

la materia orgánica y también se fabrica industrialmente. Es fácilmente soluble

y se evapora rápidamente.

Generalmente se vende en forma

líquida.

La cantidad de amoníaco producido

industrialmente cada año es casi

igual a la producida por la

naturaleza. El amoníaco es

producido naturalmente en el suelo

por bacterias, por plantas y

animales en descomposición y por

desechos animales. El amoníaco es

esencial para muchos procesos

biológicos.

Sulfato de sodio

El sulfato de sodio o sulfato sódico (Na2SO4)

es una sustancia incolora, cristalina con buena

solubilidad en el agua y mala solubilidad en la

mayoría de los disolventes orgánicos con

excepción de la glicerina.

El sulfato de sodio anhidro tiene propiedades

higroscópicas y por lo tanto es utilizado como

desecante en el laboratorio o la industria

química.

Se utiliza en la fabricación de la celulosa y como aditivo en la fabricación del

vidrio.

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EL CARBONATO DE SODIO 10

En este procedimiento se usan las materias primas que son:

Piedra caliza

Sulfato de sodio

Carbón

Ácido sulfúrico

Se utiliza sulfato de sodio calentándose con carbón y carbonato de calcio (piedra caliza) en un

horno, los procesos que ocurren son los siguientes:

Consta de las siguientes operaciones

1. Calcinación

Aquí se calienta el sulfato de sodio, con piedra caliza y carbón a 500 ºC, de este se obtienen el

dióxido de carbono, y el carbonato de sodio con sulfuro de calcio llevado a cabo en un horno.

2. Separación

Separación del sulfuro de calcio del carbonato de sodio, utilizando agua con una

concentración de aproximadamente de 30 % de sólidos.

3. Cristalización

Se procede a una cristalización por enfriamiento, la cual nos da cristales de carbonato de

sodio con sulfato de calcio.

4. Evaporación

Se procede a una evaporación en horno a 18-20 ºC, lo cual nos permitirá obtener cristales de

carbonato de sodio decahidratadas (soda crista).

5. Secado

Se busca eliminar es la cantidad de agua obstruida dentro de los cristales. Esta operación se la

efectúa aproximadamente a 150 ºC, en un horno, y nos permitirá obtener una concentración

del 97% aproximadamente de Na2CO3

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EL CARBONATO DE SODIO 11

DIAGRAMA DE FLUJO

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EL CARBONATO DE SODIO 12

PROCESO LEBLANC

Na 2 SO 4

Ca CO 3

C

500ºC CO 2

Na CO 3 Ca S

H 2 O 30 % SOLIDOS

EVAPORACION EN

HORNO 18-20 ºC

CRISTALES Ca S

CRISTALES DE

CARBONATO

DE SODIO

Na2CO3

HORNO DE SECADO

CRISTALES DE

CARBONATO

HIDRATADO

DE SODIO

Na2CO3 10H2O

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EL CARBONATO DE SODIO 13

El proceso químico de Le Blanc implica esencialmente la realización de dos grandes procesos:

I. REACCIÓN DE DOBLE DESCOMPOSICION ENTRE EL CLORURO DE SODIO Y EL ACIDO

SULFURICO, en la que se hace reaccionar al primero, con el acido concentrado, sometiéndolos

a fuerte calefacción, y en la que se origina sulfato sódico y cloruro de hidrogeno gaseoso.

De modo detallado ocurre una reacción química en la cual se produce el desplazamiento de

un acido volátil, el clorhídrico, por el calentamiento de una de sus sales (Na Cl) con un acido

no Volatil, el acido sulfúrico; la reacción debe llevarse a cabo en caliente, con el fin de liberar

el acido desplazado en forma gaseosa y que este pueda ser recogido en otro recipiente a

temperatura inferior. El acido liberado (HCl) es altamente toxico, muy contaminante, y su

eliminación plantea costosos problemas.

II. REDUCCIÓN DEL SULFATO CON COQUE Y RACCION DEL SULFURO PRODUCIDO CON

CALIZA.

Lo que globalmente se puede expresar en la forma:

Se trata de un proceso complejo, que se lleva a cabo sometiendo a la mezcla de partida,

previamente pulverizado, a temperatura de fusión en hornos rotatorios cerrados, que

impidiendo la combustión del carbono, permiten su actuación como agente reductor.

Del producto solido resultante se separa el carbonato de sodio por lixiviación o extracción con

agua alcalinizada (disolución diluida de la propia sosa, para evitar la hidrolisis del sulfuro

cálcico –en material contaminante), aprovechando la alta solubilidad en agua del carbonato de

sodio y la insolubilidad en ella del sulfuro cálcico. Esta operación permitía obtener una

“disolución bruta” de carbonato de sodio, a partir de la cual se podía, previa concentración y

cristalización, obtener el carbonato de sodio cristalizado o cristal de sosa. El solido

cristalizado obtenido contiene un elevado grado de impurezas, que era preciso eliminar,

dadas las exigencias de pureza que la utilización posterior de la sosa exigía. Para ello se

transforma el carbonato sódico en bicarbonato de sodio; haciendo burbujear dióxido de

carbono en caliente, por la “disolución bruta” obtenida; de la que precipitaba el bicarbonato

sódico, menos soluble en agua que el carbonato de procedencia:

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EL CARBONATO DE SODIO 14

Por lo tanto, en el proceso de purificación se aprovecha la diferencia de solubilidad entre el

carbonato de sodio y el bicarbonato de sodio, al ser este último mucho menos soluble en agua

caliente que el primero. Una vez separado y secado el bicarbonato precipitado, se transforma

en el producto que interesa, sometiéndolo a un proceso de calcinación, en el que se liberaba

agua y dióxido de carbono, que con el fin de rentabilizar el proceso, y mediante las

instalaciones oportunas es reciclado para atender las exigencias del proceso.

De esta manera es que se obtiene el carbonato de sodio por el método de Le Blanc.

Este método de obtención de carbonato de sodio tiene como factores negativos hacia el

medio ambiente los siguientes puntos:

Alta demanda energética de combustible

Liberación de HCL ácido clorhídrico , el cual es un compuesto difícil de eliminar y muy

toxico

Requerimiento de grandes cantidades de ácido sulfúrico

Difícil eliminación del sulfuro cálcico, el cual es toxico y de olor penetrante muy

apestoso, esto debido a que en contacto con el agua provoca la liberación de acido

sulfhídrico, especialmente en zonas lluviosas o con bastante lluvia.

Eliminación del compuesto sulfuro de calcio por combustión obteniendo azufre

En este procedimiento se usan las materias primas que son:

Piedra caliza o químicamente llamado Carbonato de calcio

Cloruro de sodio

Amoniaco

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EL CARBONATO DE SODIO 15

Consta de las siguientes operaciones:

1er fase: Obtención de CO2 a partir de piedra caliza (CaCO3)

1. Triturado

Consiste triturar los bloques de piedra caliza, con un triturador de impacto.

2. Molido

Operación que consiste en reducir a 0.5 mm el tamaño de la piedra caliza, esta operación se

realiza en un molino de choque, de cilindros o de bolas centrifugas.

3. Calcinación

Mediante la calcinación de carbonato de calcio (piedra caliza) a una temperatura entre 500 a

600ºC en un horno rotatorio, para producir el dióxido de carbono necesario en la primera

reacción:

CaCO3 --> CaO + CO2

4. Obtención de salmuera

Disolver la sal en agua, para lo cual se requerirá un tanque de disolución con su agitador.

2º fase: Descripción del proceso de obtención de carbonato de sodio

Se realizan las siguientes operaciones

1. Precipitación

Se separa de un fluido, en la operación se utiliza una torre de precipitación en la cual ocurre la

siguiente reacción química:

Na Cl + NH3 + CO2 + H2O Na H CO3 (sólido)+ Cl NH4 (líquido)

2. Filtrado

El precipitado entra a un filtro de tambor que esencialmente consiste en un tambor cilíndrico.

3. Calcinación:

En un horno rotatorio donde a más o menos 180 ºC se realiza la calcinación, como se muestra

en la siguiente reacción:

NaHCO3 Na CO3 + CO2 + H2O

El carbonato de sodio obtenido por este proceso puede alcanzar hasta una pureza del 99.99%.

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EL CARBONATO DE SODIO 16

DIAGRAMA DE FLUJO

El método de Solvay tiene por objetivo lograr la reacción entre el cloruro de sodio y el

carbonato de calcio (piedra caliza), materias primas abundantes y baratas, para obtener como

productos carbonato de sodio y cloruro de calcio:

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EL CARBONATO DE SODIO 17

Como este proceso no es posible llevarlo a cabo directamente en disolución , ya que la

insolubilidad del carbonato de calcio, desplaza el equilibrio en disolución, casi

completamente a la izquierda, fue necesario idear una serie de etapas intermedias:

I. PRECIPITACION DE BICARBONATO DE SODIO POR REACCION DEL CLORURO DE SODIO

CON DIOXIDO DE CARBONO, EN PRESENCIA DE AMONIACO, EN DISOLUCION ACUOSA:

II. DESCOMPOSICION TERMICA DEL BICARBONATO DE SODIO FORMADO:

El esquema de reacciones necesarias para que el proceso de fabricación se lleve a cabo,

constituye casi un ciclo cerrado, con las únicas entradas y salidas de los compuestos

indicados, pudiendo considerarse globalmente el proceso como el TRATAMIENTO DE UNA

DISOLUCION ACUOSA DE SALMUERA AMONIACAL CON DIOXIDO DE CARBONO.

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EL CARBONATO DE SODIO 18

Para un mejor entendimiento del proceso SOLVAY, vamos a considerar cinco grandes etapas:

1. PREPARACION DE LA SALMUERA AMONIACAL

2. CARBONATACION Y PRECIPITACION DEL BICARBONATO DE SODIO

3. CALCINACION

4. RECUPERACION DEL AMONIACO

5. PRODUCCION DEL GAS CARBONICO Y DE LA CAL APAGADA.

1. PREPARACION DE LA SAMUERA AMONIACAL

En principio bastaría con preparar una disolución acuosa saturada en frio de cloruro de sodio,

comúnmente denominada SALMUERA , en la que posteriormente se absorbería amoniaco. Sin

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EL CARBONATO DE SODIO 19

embargo, la normal presencia de impurezas tanto en el agua( principalmente sales solubles de

magnesio y calcio, sulfatos y carbonatos ácidos de magnesio y de calcio, y de cloruro cálcico),

como en la sal de partida, obliga a proceder previamente a su eliminación, pues de lo contrario

la alcalinización posterior de la salmuera, al disolver en ella el amoniaco, ocasionaría la

indeseable precipitación de hidróxidos y carbonatos de calcio y magnesio, que contaminarían

el producto final. Por ello, el primer paso en la realización industrial del proceso consiste en la

PURIFICACIÓN DE LA SALMUERA.

En general, la purificación de las materias primas es muy conveniente y a veces esencial en la

mayoría de los procesos industriales, para evitar las complicaciones que pueden ocasionar la

presencia de reacciones secundarias no deseables. En nuestro caso, la purificación de la

salmuera se hace por adicion a la misma, de hidróxido cálcico y carbonato sódico, para

eliminar los iones de magnesio y calcio contaminantes, que precipitan en forma de hidróxido

de magnesio, y carbonato cálcico, que se separan por decantación y posterior filtración. El

proceso de purificación es análogo al que se utiliza para el ablandamiento de aguas duras, por

el método de la cal sodada ( cal apagada o hidróxido cálcico, con sosa o carbonato sódico).

La salmuera purificada, una ves filtrada mediante un filtro prensa pasa a la TORRE DE

ABSORCION de amoniaco, torre cilíndrica alta, con material de relleno, para que la disolución

que se introduce por su parte superior, descienda lentamente y presente una gran superficie

de contacto con el amoniaco gaseoso, que se inyecta en contracorriente por la parte inferior.

De esta forma se consigue tener una solución saturada de cloruro de sodio y amoniaco, que se

conoce como SALMUERA AMONIACAL

2. CARBONATACION Y PRECIPITACION DEL BICARBONATO DE SODIO

Una ves obtenida la salmuera amoniacal, se traslada a la parte superior de una segunda torre

de absorción, llamada TORRE DE PRECIPITACION, en la que por su parte inferior se inyecta

una corriente de dióxido de carbono. En esta torre tiene lugar la precipitación del bicarbonato

de sodio, poco soluble en agua, según la reacción global:

3. CALCINACION

El bicarbonato sódico solido obtenido en el proceso anterior, ( en caso de ser necesario,

purifica por cristalización) se lava con poca agua para eliminar los posibles restos de cloruro

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EL CARBONATO DE SODIO 20

de amónico y se calcina en un horno rotatorio, a temperaturas próximas a los 180ºC, alas que

tiene lugar la siguiente reacción:

en este proceso no solo se obtiene el producto fianl buscando (Na2CO3), sino que además se

desprende dióxido de carbono, que se recicla devolviéndolo de nuevo a la torre de

precipitación. La sosa calcinada obtenida se vende como tal, o se disuleve en agua caliente y

depsues previa concentración y enfriamiento, se cristaliza como CRISTAL DE SOSA (Na2 CO3*

10 H2O). Este producto debe almacenarse en locales húmedos y bien tapado, pues expuesto al

aire seco pierde agua de cristalización (eflorece) y se transforma en un polvo blanco (Na2

CO3 H2O). Por el contrario, la sosa calcinada o ceniza de sosa debe conservarse en lugares

secos, ya que de lo contrario se transforma en el monohidrato por captación de humedad del

aire.

4. RECUPERACION DEL AMONIACO

Desde un punto de vista económico, la recuperación del amoniaco utilizado en la preparación

de la salmuera amoniacal, es parte muy importante del método SOLVAY , sobre todo si

tenemos en cuenta que en la etapa de puesta a punto del procedimiento de fabricación de la

sosa, el amoniaco era un producto escaso y caro, procedente en gran medida de la destilación

seca del carbón ( fabricación de gas de alumbrado)

El amoniaco gaseoso aportado al sistema en la torre de absorción, sale de la torre de

precipitación transformado en disolución acuosa de cloruro amónico, previa separación en un

filtro de tambor del bicarbonato sódico precipitado. Dicha disolución se lleva a una TORRE DE

DESPLAZAMIENTO o de recuperación en la que se introduce simultáneamente LECHADA DE

CAL O CAL PAGADA (suspensión y disolución acuosa de hidróxido de cálcico), que en caliente

desplaza fácilmente al amoniaco ( base mas débil y volátil) , según la siguiente reacción global:

El amoniaco desprendido se recicla, llevándolo de nuevo a la TORRE DE ABSORCION para

preparar la salmuera amoniacal. La disolución acuosa de cloruro cálcico es el único

subproducto del proceso global de fabricación de SOSA, y si la fábrica se sitúa junto al mar o a

algún rio, se puede eliminar sin problemas ni daño de ningún tipo al medio ambiente.

También puede obtenerse a partir de ella por evaporación, cloruro cálcico anhidro que se

utiliza principalmente como desecante, para preparar disoluciones refrigerantes, para retener

el polvo de carreteras sin pavimentar en el verano, derretir el hielo en carreteras y para la

obtención de calcio.

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DISEÑO DE PROCESOS INDUSTRIALES I U.M.S.A

EL CARBONATO DE SODIO 21

5. PRODUCCION DEL GAS CARBONICO Y DE LA CAL APAGADA.

El dióxido de carbono ( gas carbonico) necesario para el proceso de carbonatación, asi como el

hidróxido cálcico ( cal apagada) preciso para preparar la lechada de cal, que se utiliza en la

recuperación del amoniaco, se producen en la misma fabrica por calcinación entre 600 y

700ºC, de carbonato cálcico ( piedra caliza), en un horno de cal. El proceso de descomposición

que se produce es el siguiente:

El gas liberado después de lavado con agua, se lleva directamente a la TORRE DE

PRECIPITACION; mientras que el oxido de calcio ( cal viva) se trata con agua, con la que

reacciona enérgicamente para producir hidróxido cálcico:

La disolución y suspensión resultante ( lechada de cal ) una vez tamizada, para que la

suspensión sea de grano fino, se introduce en la TORRE DE DESPLAZAMIENTO para recuperar

el amoniaco.

Si examinamos globalmente el proceso SOLVAY podemos observar como mediante una serie

de ingeniosos procesos parciales, realmente sencillos desde el punto de vista químico, se

transforman las materias primas, cloruro sódico y carbonato cálcico, realizándose por etapas

la reacción global (9), imposible de llevar a cabo directamente. La descomposición de la caliza

(13) y la adición del amoniaco (10) son “habilidades técnicas”. Las materias primas se utilizan

casi cuantitativamente, y se precisa un consumo energético muy pequeño, sobre todo en

comparación con el que se requería en el método francés. Por ello, el método SOLVAY mucho

mas económico, desbanco en menos de cincuenta años al método le blanc, que ya contaba con

mas de cien años de experiencia.

El método SOLVAY es uno de los métodos de menor contaminación tanto energética como de

sustancias del proceso que es el cloruro cálcico.

Page 22: Grupo El Carbonato de Sodio

DISEÑO DE PROCESOS INDUSTRIALES I U.M.S.A

EL CARBONATO DE SODIO 22

Los peligros de usar cloruro de calcio como aditivo alimentario se asocian con los

trabajadores de las plantas que lo añaden en su forma pura y no a los consumidores que la

ingieren en bajas cantidades en los alimentos.

La trona es un mineral de la clase de los minerales

carbonatos y nitratos, y dentro de esta pertenece al

llamado “grupo de latermonatrita-natrón”. Es

conocido y usado por la humanidad desde tiempos

ancestrales.

Se emplea como fuente natural del carbonato de

sodio, de amplia aplicación en la industria.

Calcinando la trona en hornos se obtiene la "ceniza

de sosa", empleada en la producción de jabón, cristal y papel.

Es un complejo carbonato y bicarbonato hidratado de sodio

Sus características físicas son:

- Fórmula química: Na3(HCO3)(CO3)•2H2O

- Color: Incoloro, gris-blanco, amarillo brillante

- Lustre: Vítreo

- Transparencia: Transparente a translúcido

- Sistema cristalino: Monoclínico, prismático

- Hábito cristalino: Cristales largos o planos con caras estriadas paralelas.

- Densidad:2,11 - 2,17

- Solubilidad: Soluble en agua, efervese en ácidos

- Fluorescencia: Fluorescente y fosforescente, amarillo naranja con luz UV

Bolivia cuenta con una serie de riquezas naturales que todavía no han sido aprovechadas,

parte de esta riqueza se encuentra en forma de minerales en la zona del Altiplano. En el

Altiplano se tienen los salares que van desde el salas de Uyuni hasta salares más pequeños y

lagunas saladas donde se encuentran muchos minerales que pueden llegar a ser de gran

importancia para la economía del país pero que no lo es debido principalmente a que los

estudios existentes se refieren solo a algunos de estos minerales, dejando una gran cantidad

de los mismos como fuente para investigaciones que deben realizarse en un futuro inmediato

para poder solucionar algunos de los problemas sociales que se tienen. Muchos de estos

minerales son fuente de sustancias que sirven de insumo para varias industrias del país,

siendo necesario únicamente someterlos a procesos de purificación para su utilización.

Actualmente casi todas las industrias importan sustancias que se encuentran en Bolivia. Una

sustancia empleada en varios procesos industriales, es el carbonato de sodio que en Bolivia se

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EL CARBONATO DE SODIO 23

encuentra en la región de los salares o lagos salados. Como principales yacimientos se tienen:

Collpa Laguna.Hedionda Sur. Cachi Laguna. Khara Laguna. Honda Sur. Lago Poopó.

Se ha encontrado que el carbonato de sodio, forma los siguientes minerales en los yacimientos

naturales: Natrón Termonatrita Trona GayLusita Pirsonita Northupita Tychita Hanksita

Dawsonita Burqueita Shortita Na2CO3 • 10 H2O Na2CO3 •H2O Na2CO3 • 2 H2O • NaHCO3

Na2CO3 •CaCO3 • 5 H2O Na2CO3 •CaCO3 • 2 H2O Na2CO3 • NaCl •Na2CO2 2Na2CO3

•2MgCO3 • Na2SO4 2Na2CO3 • 9Na2SO4 • KCl Na3Al(CO)2 • 2Al (OH)3 Na2CO3 • Na2SO4

Na2CO3 • 2CaCO3

De todos los minerales mencionados, es importante referirse a la Trona, mineral que se

encuentra en mayor concentración en Collpa Laguna y otros lugares de Bolivia, este

mineral es una combinación de carbonato de sodio y carbonato ácido de sodio, se

presenta como un polvo blanco muy fino.

RECURSOS NATURALES DE CARBONATO DE SODIO (trona)EN BOLIVIA

DEPARTAMENTO LUGAR RESERVAS PROBABLES

(TM)

POTOSI

COLLPA LAGUNA 47000

CACHILAGUNA 18000

LAGUNA HEDIONDA

SUR

43000

LAGUNA KHARA 60000

LAGUNA CAÑAPA 100

LAGUNA HONDA SUR 120

FUENTE: Elaboración propia en base a datos de Geografía Recursos Naturales de Bolivia

(ISMAEL MONTES DE OCA)

Es un proceso alternativo al de refinación de la trona, que consta de las siguientes

operaciones:

Recepción de la trona (Na2CO3.HNaCO3.2H2O)

En la recepción de materia prima se requiere de un tanque de donde se pueda extraer.

Obtención de salmuera concentrada.- Disolver la trona en salmuera entre 200 y

250 gr. De trona por cada litro de disolución, para lo cual se requerirá un tanque de

disolución con su agitador.

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DISEÑO DE PROCESOS INDUSTRIALES I U.M.S.A

EL CARBONATO DE SODIO 24

Calentamiento.- Aumentar la concentración del carbonato de sodio, obteniéndose de

esta mezcla cristales y una solución acuosa baja, en un horno a 106ºC.

Enfriamiento.- Esta operación tiene dos propósitos, el de enfriar la mezcla que sale

del calentador y adecuar la concentración.

Cristalización.- Se procede a una cristalización por enfriamiento hasta la temperatura

ambiente, para obtener cristales de carbonato de sodio monohidratados Na2CO3H2O.

Centrifugación.- Esta disposición de las aguas madres está a cargo de la centrifuga

que permite obtener los cristales completamente secos, eliminando la cantidad de

aguas madres que puedan estar mojando a los cristales.

Secado.- Dentro de este lo que se busca eliminar es la cantidad de agua ocluida dentro

de los cristales, esto es obtener cristales de carbonato de sodio. Esta operación se la

efectúa aproximadamente a 150 ºC, en un horno rotatorio.

DIAGRAMA DE FLUJO (PROCESO WYOMING)

TRONA

Na2CO3 Na H CO3 2H2O

CONCENTRACION POR

EVAPORACION SOLAR

PLANTA DE Na2CO3

CARBONATO DE

SODIO CON 94 %

Pureza

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EL CARBONATO DE SODIO 25

Proceso de producción

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EL CARBONATO DE SODIO 26

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EL CARBONATO DE SODIO 27

El carbonato de sodio no tiene olor. Se considera un irritante de nada a suave para la piel y un

irritante moderado a severo para los ojos. El carbonato de sodio no es inflamable o

combustible. No es también un carcinógeno. El carbonato de sodio reacciona con ácidos

fuertes. También, puede convertirse en un gas de monóxido de carbono peligroso si entra en

contacto con alimentos que contienen azúcares reductores.

Inhalación

La inhalación de carbonato de sodio puede irritar los pulmones o empeorar enfermedades

como el asma aguda o crónica u otra enfermedad pulmonar crónica. La inhalación puede

irritar la nariz, la garganta o el tracto de las vías respiratorias. Si inhalas el carbonato de sodio,

obtén gran cantidad de aire fresco. Si estás con alguien que ha inhalado carbonato de sodio y

no respira, puede que sea necesario realizar respiración artificial..

Tragar

Si el carbonato de sodio es ingerido, sobre todo en una gran cantidad, hay que solicitar ayuda

médica inmediatamente. El carbonato de sodio puede quemar la boca, la garganta, el

estómago o en el esófago y pueden resultar vómitos, náuseas o diarrea. En caso de ingestión,

beber dos o más vasos de agua o leche. Si bien no se debe inducir el vómito, si ocurre, beber

abundante líquido después. No tomar bebidas carbonatadas o cualquier bebida ácida. Si

alguien se ha tragado carbonato de sodio y está inconsciente, no intente dar líquidos

Irritación de la piel y de los ojos

La piel podría irritarse después del contacto prolongado o repetido con carbonato de sodio,

causando enrojecimiento o hinchazón. Si se tiene una condición como lesiones en la piel, el

carbonato de sodio puede irritar aún más esto. Si la piel está húmeda, el carbonato de sodio

puede causar quemaduras químicas. Limpiar el carbonato de sodio con un paño seco y lavar el

área con agua y jabón. Enjuagar el carbonato de sodio de los ojos inmediatamente, con agua

durante unos 15 minutos, enjuagar bajo párpados superiores e inferiores también. El

contacto con los ojos puede causar quemaduras químicas. También, evitar que el carbonato de

sodio entre en contacto con la ropa. Quítarse la ropa y lavar la ropa antes de usarla

nuevamente.

Manejo

Usar gafas protectoras de seguridad al trabajar con carbonato de sodio. Limpiar los derrames

utilizando una pala, escoba o aspiradora, trata de evitar que el polvo se forme durante la

limpieza. Colocar el carbonato de sodio en contenedores para su eliminación o

almacenamiento. Almacenar en un lugar fresco, seco y bien ventilado, lejos de los alimentos.

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EL CARBONATO DE SODIO 28

DISTRIBUCIÓN DE CARBONATO DE SODIO EN BOLIVIA

CUADRO 1: YACIMIENTOS DE PIEDRA CALIZA EN BOLIVIA

Departamento Lugar

Reservas

Probables

(mm TM)

MILLONES DE

TONELADAS

METRICAS

La Paz

Puerto acosta 11

Cerro catavi -

Colquencha-collana -

Oruro

Pazña-huancane -

Cerro pahua 105

Cerro tusqui -

Potosí

Miraflores-tarapaya-el molino 180

Chita 200

Cochabamba Irpa irpa-sikimirani 27,7

Sayari 14

Tarija Chaupi Uni 70

Santa Cruz Yacuses 36000

FUENTE: Elaboración propia en base a datos de Geografía Recursos Naturales de Bolivia

(ISMAEL MONTES DE OCA)

CUADRO 2: YACIMIENTOS DE CLORURO DE SODIO EN BOLIVIA

Departamento Lugar

Potosí Salar de Uyuni

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EL CARBONATO DE SODIO 29

Salar de Coipasa

FUENTE: Elaboración propia en base a datos de Geografía Recursos Naturales de Bolivia

(ISMAEL MONTES DE OCA)

CUADRO 3: YACIMIENTOS DE SULFATO DE SODIO

Departamento Lugar Reservas

probables(TM)

POTOSI

Laguna

Hedionda Norte 19000

Salar de la

Laguna -

FUENTE: Elaboración propia en base a datos de Geografía Recursos Naturales de Bolivia

(ISMAEL MONTES DE OCA)

CUADRO 4: RECURSOS NATURALES DE CARBONATO DE SODIO (trona)EN BOLIVIA

DEPARTAMENTO LUGAR RESERVAS PROBABLES

(TM)

POTOSI

COLLPA LAGUNA 47000

CACHILAGUNA 18000

LAGUNA HEDIONDA

SUR

43000

LAGUNA KHARA 60000

LAGUNA CAÑAPA 100

LAGUNA HONDA SUR 120

FUENTE: Elaboración propia en base a datos de Geografía Recursos Naturales de Bolivia

(ISMAEL MONTES DE OCA)

BALANCE DE MATERIA (ALPAT)

El proceso seleccionado es por el método de SOLVAY.

Para la obtención del carbonato de sodio será a partir del carbonato de calcio (piedra caliza),

debido a que es nuestra materia prima para la generación de dióxido de carbono.

El balance másico para su mejor entendimiento se lo desglosa, operación por operación, con la

debida explicación de los cálculos realizados en cada caso.

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EL CARBONATO DE SODIO 30

Triturado y Molido.- para estas dos operaciones se trata la piedra caliza para disminuir el

tamaño de la materia prima.

Calcinación.- Mediante la calcinación de carbonato de calcio (piedra caliza) a una

temperatura entre 500 a 600ºC en un horno rotatorio, para producir el dióxido de carbono

necesario en la primera reacción:

CaCO3 --> CaO + CO2

Se trata de 1 tonelada de piedra caliza por hora, obteniéndose los siguientes resultados:

Cantidad (kg) Piedra caliza (CaCO3) 1000 CO2 440 CaO 560

Descripción del proceso de obtención de carbonato de sodio

Precipitación:

Na Cl + NH3 + CO2 + H2O Na H CO3 (sólido)+ Cl NH4 (líquido)

Se tienen las siguientes cantidades de los reactivos:

Cantidad (kg) CO2 440 Na Cl 585 NH3 170 H2O 180

Llegándose a obtener los siguientes productos:

Cantidad (kg) Na H CO3 (sólido) 840 Cl NH4 (líquido) 530

Filtrado: el precipitado ingresa a un filtro de tambor.

Calcinación: se realiza a 180ºC llegándose a obtener los siguientes resultados:

NaHCO3 Na CO3 + CO2 + H2O

Cantidad (kg)

NaHCO3 840

Na CO3 477

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EL CARBONATO DE SODIO 31

CO2 220

H2O 90

El carbonato de sodio obtenido por este proceso puede alcanzar hasta una pureza del 99.99%.

MANUAL DE PROCESOS QUIMICOS EN LA INDUSTRIA, tomo I “George T.

Austin”

QUIMICA GENERAL APLICADA “Luis Postigo”

MANUAL DEL INGENIERO QUÍMICO “Perry y chilton”

Tesis : PLANTA DE REFINACIÓN DE LA TRONA “Lopéz Bustillos José Luis”

Tesis : PROCESO DE PURIFICACIÓN DE LA TRONA “Numbela Tejada Ana

María”

http://www.solvaytorrelavega.com/visitasolvaytorrelavega/actividadindustri

al/procesosdeproduccion/carbonatosodico/0,,35188-10-0,00.htm

http://es.wikipedia.org/wiki/Proceso_de_Solvay

http://unaviaalprogreso.blogspot.com/2008/11/proceso-leblanc-para-

obtener-sosa.html

http://www.univalle.edu/publicaciones/brujula/brujula2/pag9.htm

http://www.kompass.com/instalaciones-equipos-produccion-productos-

quimicos-inorganicos/instalaciones-produccion-carbonato-sodio-

anhidro/clist/CH_GS_L_3_I_es_Z_WW_F_540199010202_C_4201037

http://es.wikipedia.org/wiki/Calcinaci%C3%B3n

http://www.machinery-china.es/ProductsDetail.aspx?id=343&s_id=27