ES2340213T3 - Dispositivo para separar mercurio de la sosa caustica en plantas de cloro-alcali. - Google Patents

Abstract

Dispositivo de separación de mercurio para plantas de cloro-álcali que comprende un recipiente subdividido por dos septos de conducción en un primer compartimiento de entrada de producto cáustico, un segundo compartimiento central y un tercer compartimiento de salida de producto cáustico, dispuestos con el fin de formar un recorrido de flujo tortuoso para dicho producto cáustico, estando conectados dichos primero y segundo compartimientos a través de una zona de separación de mercurio que tiene una sección de paso restringido.

Description

Dispositivo para separar mercurio de la sosa caustica en plantas de cloro-álcali.

Antecedentes de la invención

La producción de cloro mediante electrólisis de soluciones de cloruros alcalinos, con particular referencia a cloruro sódico y cloruro potásico (salmuera de aquí en adelante), se lleva a cabo normalmente de acuerdo con tres procedimientos diferentes, en concreto la membrana de intercambio iónico, el diafragma poroso y el cátodo de mercurio. Este último tipo, basado en una tecnología ya conocida desde hace tiempo, ha experimentado una mejora continua en la estructura de la cuba (Ullmann's Encyclopaedia of Industrial Chemistry, VCH, Vol. A6, pag. 416) dirigida esencialmente a disminuir el consumo de energía eléctrica y a prevenir la liberación de mercurio al medioambiente.

El problema de la reducción del consumo de energía fue emprendido con éxito sustituyendo los ánodos de grafito originales por ánodos de titanio activados con un revestimiento particularmente eficaz a base de óxidos de metales del grupo del platino. Los ánodos de titanio activados también se caracterizan por una larga vida de servicio, lo cual permitió reducir de manera sustancial la cantidad de interrupciones o paradas de la cuba, hecho muy frecuente en el caso de ánodos de grafito sujetos a corrosión: dado que las paradas de mantenimiento son críticas en lo que concierne a la liberación de mercurio al medioambiente, resultará evidente el beneficio obtenido bajo este punto de vista. Se consiguió otra reducción en las fugas de mercurio mediante el uso rutinario de sal recristalizada, lo cual permite reducir al mínimo la cantidad de lodos contaminados con mercurio purgados de la sección de purificación de salmuera, aunque ello implicaba un coste adicional. Como consecuencia de estas medidas, puede demostrarse hoy día que la liberación de mercurio de una planta bien diseñada y correctamente controlada no excede de 3 g por tonelada de cloro producto versus los 10 g de hace 10 años aproximadamente (Ullmann's Encyclopaedia of Industrial Chemistry, VCH, Vol. A6, pag. 424).

En las plantas actualmente en funcionamiento, el producto cáustico catódico, que normalmente consiste en sosa o potasa cáustica, que sale de los descomponedores de amalgama y que contiene cantidades importantes de mercurio, polvo de grafito e hidrógeno, se hace fluir a través de goteros consistentes en placas perforadas que causan su fraccionamiento en gotitas, con la finalidad de romper la continuidad eléctrica eliminando con ello o al menos reduciendo sustancialmente las corrientes parásitas, las cuales consisten en corriente eléctrica parásita que descarga a tierra parte del voltaje de la cuba. Las corrientes parásitas presentan un efecto negativo puesto que las mismas disminuyen la eficiencia eléctrica global del procedimiento y, de manera más importante, debido a que determinan ataques corrosivos que pueden ser muy severos. Puesto que el producto cáustico contiene cantidades importantes de mercurio arrastrado en forma de microgotitas, la sosa o potasa descartada de los goteros, antes de enviarse a su almacenamiento, se hace fluir a través de filtros que contienen carbón activo, capaces de absorber el mercurio allí presente reduciendo su concentración de salida a valores muy bajos, normalmente compatibles con las especificaciones del usuario. Dicho tratamiento, cuyos resultados en términos de calidad final de producto son ciertamente positivos, presenta el inconveniente de requerir una frecuente renovación del lecho de carbón activo, el cual se satura bastante rápidamente con mercurio: esta operación, que entraña inevitablemente una intervención manual, es peligrosa para la salud de los operarios y produce cantidades notables de carbón agotado que han de distribuirse con un alto
coste.

Un objeto de la presente invención consiste en solucionar los inconvenientes asociados con los métodos de tratamiento del producto cáustico catódico normalmente utilizado en las plantas de cloro-álcali en actual funciona-
miento.

Este y otros objetos se consiguen por medio de un dispositivo de acuerdo con las reivindicaciones adjuntas.

El dispositivo para separar mercurio de acuerdo con la invención comprende preferentemente un gotero del estado de la técnica integrado en un recipiente esencialmente vertical provisto de una sección inferior adecuada para llevar a cabo una primera separación mediante centrifugado del mercurio presente en el producto cáustico que sale del descomponedor de amalgama; el centrifugado se obtiene por medio de septos de conducción verticales cuyas porciones terminales forman una sección de paso restringido con variación repentina de la dirección de flujo. El recipiente está subdividido por los septos de conducción en tres compartimientos en comunicación dispuestos para formar un recorrido de flujo tortuoso, de los cuales aquel que se encuentra en el lado de salida del producto cáustico está equipado con una placa de goteo y cualquiera del compartimiento central o del compartimiento que se encuentra en el lado de entrada de producto cáustico está provisto opcionalmente de un filtro interno capaz de llevar a cabo una segunda separación de mercurio.

En una modalidad preferida, el filtro interno comprende un lecho de carbón activo o de fragmentos metálicos que consiste en un metal humectable por el mercurio, por ejemplo hierro, acero al carbono o níquel.

La porción inferior del compartimiento central o del compartimiento del lado de entrada de sosa cáustica del recipiente está provista preferentemente de un detector de la densidad del producto cáustico que comprende un sensor de presión.

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Para poderla entender mejor, la invención será descrita ahora haciendo uso de las figuras adjuntas, las cuales tienen un alcance ejemplificativo y de ningún modo limitativo:

- La figura 1 es un esquema de una sección longitudinal de una cuba de electrólisis con cátodo de mercurio equipada con el dispositivo de acuerdo con la invención.

- La figura 2 es una representación tri-dimensional de una modalidad preferida del dispositivo de acuerdo con la invención.

A continuación, se hará referencia, con el fin de simplificar, a una cuba de electrólisis de cloro-sosa cáustica, pero ha de entenderse que las características esenciales de la invención se pueden aplicar a una cuba genérica de cloro-álcali equipada con cátodo de mercurio. La figura 1 muestra la cuba de electrólisis (1) equipada con los componentes auxiliares requeridos. En particular, (2) identifica los ánodos planos conectados al polo positivo de un rectificador (no mostrado), constituidos de titanio y provistos con un revestimiento catalítico para el desprendimiento de cloro a base de óxidos de metales del grupo del platino, como es conocido en la técnica, (3) representa el nivel de salmuera alimentada en (4) y descargada en (5, 6) representa el punto de extracción del cloro producto, (7) representa la película de mercurio reciclado por la bomba (12), que fluye libremente sobre el fondo de la cuba conectado al polo negativo del rectificador, (8) representa el descomponedor de amalgama provisto de una entrada para agua (9) (requerida para descomponer la amalgama que proviene de la cuba sobre un lecho catalítico interno) y de salidas para los dos productos, respectivamente (10) para sosa cáustica y (11) para hidrógeno, (15) representa el dispositivo de la invención, (26) representa el filtro final para absorber el mercurio residual, (27) representa el flujo de sosa cáustica purificada para su almacenamiento por medio de la bomba (25).

El dispositivo (15) de la invención está también representado con detalle en la figura 2, la cual muestra una vista tri-dimensional de una modalidad del recipiente como un paralelepípedo seccionado por dos septos verticales (16) y (20) en tres compartimientos internos en comunicación y dispuestos para formar un recorrido de flujo tortuoso para la sosa cáustica producto: en el dibujo del recipiente se ha omitido una pared para mostrar mejor los detalles internos. En particular, la sosa cáustica (10) producida en el descomponedor de amalgama (8), que contiene habitualmente de 5 a 10 mg/kg (5-10 ppm) de mercurio, grafito en polvo e hidrógeno, se alimenta al primer compartimiento formado por el septo (16) a través de una boquilla instalada en la porción superior del dispositivo, como se indica en ambas figuras 1 y 2. De acuerdo con una modalidad alternativa (no ilustrada), la boquilla se instala en la porción inferior del primer compartimiento y, en este caso, está conectada con un segmento de tubo interno cuya otra utilidad está situada en correspondencia de la porción superior del compartimiento. Para ambas modalidades de boquilla de alimentación, la mayor parte del hidrógeno se separa en cualquier proporción en la cámara de gas correspondiente a la porción superior del compartimiento y la sosa cáustica fluye hacia abajo hasta que llega al borde superior del septo, cuya distancia desde el nivel de mercurio separado (18) se ajusta con el fin de debilitar una sección de paso restringido: esto produce un incremento de velocidad con variación repentina simultánea en la dirección de flujo (ejemplificada por las flechas) dado que la sosa cáustica es obligada a fluir desde el segundo septo (20) hacia la porción superior del segundo compartimiento. La yuxtaposición del incremento de velocidad y de la variación en la dirección de flujo asociada con la diferente densidad del mercurio, grafito y sosa cáustica, determina una primera separación importante de mercurio y de grafito en polvo. Por tanto, el dispositivo de la invención actúa en esta porción como un dispositivo de centrifugación estática. Los ensayos realizados por los inventores demostraron que, en virtud de unas dimensiones adecuadas del dispositivo de la invención, el polvo de grafito se separa prácticamente por completo, mientras que el contenido residual de mercurio se reduce a solo 0,5-1 ppm. Después de la separación, el mercurio y el polvo de grafito (18) se extraen entonces en (19) y se envían aguas abajo hacia la unidad de tratamiento. La sosa cáustica puede fluir con un movimiento ascendente de un lado a otro del segundo compartimiento (compartimiento central comprendido entre los septos verticales 16 y 20) a través de un filtro interno opcional (17) consistente en un lecho de carbón activo capaz de absorber mercurio, como es conocido en la técnica: en dicho lecho, el mercurio se reduce adicionalmente a 0,2-0,3 ppm aproximadamente.

Por tanto, la cantidad de mercurio que ha de ser reducida en el filtro externo final (26) instalado aguas abajo es mucho más baja que la habitual de 5-10 ppm de las plantas del estado de la técnica, con la consecuencia ventajosa de una duración sustancialmente acentuada acompañada de una reducción en la cantidad de carbón activo a eliminar.

No obstante, los ensayos han demostrado que el filtro interno (17) que contiene carbón activo se caracteriza por una importante caída de presión lo cual es una causa de que el nivel de presión de sosa cáustica suministrada al dispositivo sea un factor crítico: esta situación no surge de hecho en el circuito de descarga de sosa cáustica es porque el filtro externo (26) está instalado aguas abajo de la bomba de inyección (25).

Por tanto, el ensayo se amplió para investigar materiales adecuados que absorban mercurio en lechos de baja caída de presión como un sustituto del carbón activo; se comprobó que los lechos consistentes en fragmentos de metales humectables por mercurio resultan particularmente eficaces: ejemplos típicos son hierro, acero de bajo contenido en carbono y níquel, siendo el preferido el acero de bajo contenido en carbono por motivos de coste.

De acuerdo con una modalidad alternativa, el filtro interno se puede instalar en el primer compartimiento: en este caso, se obtiene una coalescencia eficaz de microgotitas de mercurio, con una consecuente separación más fácil por centrifugado en la posterior porción inferior del compartimiento, incluso aunque la saturación del filtro sea más rápida.

El incremento de velocidad en la sección de paso restringido formada por el septo (16) inicia también la coalescencia de las micro-burbujas de hidrógeno residual, las cuales, después de una acción de coalescencia adicional ejercida por el filtro (17), pueden ser liberadas en la cámara de gas correspondiente a la porción superior del compartimiento.

Después de cruzar el lecho de absorción, la sosa cáustica rebota en correspondencia del borde superior del septo (20) y cae a la porción inferior del tercer compartimiento (compartimiento en el lado de salida) fraccionada en gotitas (22) debido a la placa perforada o gotero (21): el fraccionamiento en gotitas es necesario, como se ha mencionado anteriormente, con el fin de romper la continuidad eléctrica de la corriente de sosa cáustica. Este circuito representa de hecho el recorrido posible de corrientes parásitas a la tierra, coincidiendo con la conexión a tierra (28) de los dispositivos no eléctricos de la planta.

La sosa cáustica (23) que sale por el fondo del tercer compartimiento es suministrada por la bomba (25) hacia el filtro de carbón activo (26), en donde la concentración de mercurio alcanza el valor final de 0,1 ppm aproximadamente, y luego hacia su almacenamiento como un producto comercial (27). El hidrógeno separado en las porciones superiores de los compartimientos se inyecta a través de los conductos de la figura 1 al colector para el flujo principal de hidrógeno (11) procedente del descomponedor de amalgama.

La figura 2 muestra la extracción del hidrógeno separado de acuerdo con una modalidad alternativa, en donde el primer septo (16) está provisto en su parte superior de un orificio compensador de la presión (29) puesto en comunicación con las partes superiores del primero y segundo compartimientos. De este modo, el hidrógeno (11) separado de la sosa cáustica puede ser suministrado al colector a través de un solo conducto.

Ensayos realizados en una planta han permitido establecer las dimensiones más adecuadas para las diferentes secciones del dispositivo. En particular, de acuerdo con una modalidad preferida se ha comprobado que, con el fin de favorecer una primera separación de mercurio, el primero y segundo compartimientos del dispositivo han de estar conectados a través de una zona de separación que tiene una sección de paso muy superior al 50%, siendo más preferentemente de 5 a 20%, de la sección de paso del primer compartimiento. A continuación se ofrecen algunas dimensiones habitualmente preferidas:

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capacidad de la cuba: 200 kA

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velocidad de flujo de la sosa cáustica al 50% en la entrada del dispositivo: 600 kg/h

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altura del dispositivo: 800 mm

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sección del dispositivo: 500 mm x 400 mm

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sección del primer compartimiento (compartimiento en el lado de entrada): 80 mm x 400 mm

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sección de paso restringido desde el primero al segundo compartimiento: 5 mm x 400 mm

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sección del segundo compartimiento (compartimiento central): 100 mm x 400 mm

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sección del tercer compartimiento (compartimiento en el lado de salida): 320 mm x 400 mm

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El dispositivo de la invención es fabricado empleando materiales aislantes de la electricidad, con preferencia materiales plásticos opcionalmente reforzados, seleccionados del grupo consistente en policiclopentadieno (comercializado por ejemplo por BF Goodrich con la marca registrada Telene®), cloruro de polivinilo clorado (PVCC), cloruro de polivinilo (PVC), polipropileno y metacrilato de metilo, estos tres últimos con la condición de que la sosa cáustica se enfríe antes de inyectarse en el dispositivo.

En la figura 2 el dispositivo de la invención se muestra como un paralelepípedo: no obstante, como será evidente para los expertos en la materia, se pueden emplear otras configuraciones: por ejemplo, el dispositivo puede consistir en un recipiente cilíndrico que contiene dos tubos internos que actúan como septos, estando dispuestos los dos tubos y el recipiente en una disposición coaxial. En este caso, la sosa cáustica se alimenta preferentemente al tubo interior y se descarga de la corona cilíndrica delimitada por las superficies del recipiente y del tubo exterior: la corona cilíndrica más interior comprendida entre las paredes de los dos tubos aloja el lecho de carbón activo o de segmentos metálicos.

En una modalidad particularmente preferida, la porción inferior del segundo compartimiento (compartimiento central) del dispositivo de la invención está equipada con un sensor de densidad (24 en las figuras 1 y 2) que comprende un tubo que tiene una parte terminal superior abierta en comunicación con el flujo de sosa cáustica y un sensor de presión, por ejemplo un sensor piezoeléctrico, que permite controlar de forma continua el peso de la carga hidráulica generada por el volumen de sosa cáustica presente en el compartimiento: una corrección adecuada de los valores medidos como una función de la temperatura y presión en la porción superior del compartimiento permite determinar con precisión la densidad de la sosa cáustica y, de este modo, la concentración relevante, e intervenir en la regulación adecuada de la velocidad de flujo de agua 9 alimentada al descomponedor de amalgama (8).

La descripción anterior no intenta de modo alguno limita la invención, la cual se puede poner en práctica de acuerdo con diferentes modalidades sin desviarse por ello del alcance de la misma y cuya extensión queda definida de forma unívoca por las reivindicaciones adjuntas.

En el conjunto de la descripción y reivindicaciones de la presente solicitud, el término "comprenden" y variaciones del mismo tales como "que comprenden" y "comprende" no intentan excluir la presencia de otros elementos o aditivos.

Claims (19)

1. Dispositivo de separación de mercurio para plantas de cloro-álcali que comprende un recipiente subdividido por dos septos de conducción en un primer compartimiento de entrada de producto cáustico, un segundo compartimiento central y un tercer compartimiento de salida de producto cáustico, dispuestos con el fin de formar un recorrido de flujo tortuoso para dicho producto cáustico, estando conectados dichos primero y segundo compartimientos a través de una zona de separación de mercurio que tiene una sección de paso restringido.

2. Dispositivo según la reivindicación 1, en donde dicha sección de paso restringido no excede del 50% de la sección de paso de dicho primer compartimiento.

3. Dispositivo según la reivindicación 1, en donde dicha sección de paso restringido es de 5 a 20% de la sección de paso de dicho primer compartimiento.

4. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde dicho recipiente es un paralelepípedo.

5. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde dicho recipiente es un cilindro y dichos dos septos son tubos, estando dicho cilindro y dichos tubos dispuestos coaxialmente.

6. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde dichos primero, segundo y tercero compartimientos están provistos de una porción superior que delimita una cámara de gas adecuada para la separación de hidrógeno.

7. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además al menos un filtro.

8. Dispositivo según la reivindicación 7, en donde dicho o dichos filtros están instalados en dicho segundo compartimiento.

9. Dispositivo según la reivindicación 7, en donde dicho o dichos filtros están instalados en dicho primer compartimiento.

10. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 9, en donde dicho o dichos filtros contienen carbón activo adecuado para la absorción de mercurio.

11. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 9, en donde dicho o dichos filtros contienen fragmentos de metal humectable por mercurio.

12. Dispositivo según la reivindicación 11, en donde dicho metal se elige del grupo consistente en hierro, acero de bajo contenido en carbono y níquel.

13. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además un detector de la densidad instalado en la porción interior de dicho primer compartimiento o de dicho segundo compartimiento.

14. Dispositivo según la reivindicación 13, en donde dicho detector de la densidad comprende un sensor de la presión para medir la carga hidráulica de dicho producto cáustico.

15. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde dicho tercer compartimiento comprende un gotero instalado en su interior.

16. Dispositivo según la reivindicación 15, en donde dicho gotero es una placa perforada.

17. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por estar fabricado con material aislante de la electricidad seleccionado del grupo consistente en policiclopentadieno, cloruro de polivinilo clorado, cloruro de polivinilo, polipropileno y metacrilato de metilo.

18. Planta para la electrólisis cloro-álcali con cátodo de mercurio, que comprende al menos un dispositivo de las reivindicaciones anteriores.

19. Procedimiento para la electrólisis cloro-álcali que comprende electrolizar una salmuera alcalina en la planta de la reivindicación 18 con obtención de un producto cáustico que comprende mercurio, grafito en polvo e hidrógeno, alimentar dicho producto cáustico a dicho primer compartimiento de dicho o dichos dispositivos, inyectar posteriormente dicho producto cáustico en dicho recorrido de flujo tortuoso, descargar dicho producto cáustico de dicho tercer compartimiento con separación de dicho hidrógeno en la porción superior de dichos compartimientos, separar al menos parcialmente dicho mercurio y dicho grafito en polvo por efecto centrífugo en dicha zona de separación de sección de paso restringido, separar además opcionalmente dicho mercurio y dicho grafito en polvo por filtración en el interior o exterior de dicho o dichos dispositivos.