APARATO PARA LA SEPARACIÓN DEL MERCURIO DE LA SOSA CÁUSTICA EN PLANTAS CLORO-ÁLCALI CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere a la separación de mercurio en un aparato de electrólisis cloro-álcali de cátodo de mercurio.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN La producción de cloro por electrólisis de soluciones de cloruros alcalinos, en particular de cloruro de sodio y cloruro de potasio (a continuación salmuera) es actualmente efectuada con tres diferentes procesos, respectivamente de membrana de intercambio iónico, de diafragma poroso y de cátodo de mercurio. Este último tipo, basado sobre una tecnología conocida desde hace tiempo, ha sido objeto de mejoras constantes en la estructura de las celdas (Ullmann's Encyclopaedia of Industrial Chemistry, VCH, Vol . A6 , pág. 416) esencialmente dirigidas a la disminución del consumo de energía eléctrica y a la reducción de las emisiones de mercurio al medio ambiente. El problema de la disminución del consumo de energía fue enfrentado con éxito gracias a la sustitución de los ánodos originales de grafito con ánodos de titanio provistos de un revestimiento catalítico, particularmente
eficaz para la evolución de cloro, a base de óxidos de metales del grupo del platino. Los ánodos de titanio activado están también caracterizados por una larga vida operativa que ha permitido disminuir sustancialmente el número de paradas de las celdas, bastante frecuentes en el caso de los ánodos de grafito sujetos a corrosión: ya que la parada para mantenimiento representa un momento crítico para lo que concierne la liberación de mercurio al medio ambiente, es evidente el beneficio obtenido bajo este punto de vista. Una reducción ulterior en la pérdida de mercurio fue además permitida por el empleo rutinario de sal recristalizada la cual, aunque a un costo superior, permite maximizar la cantidad de fangos contaminados expurgados de la sección de purificación de la salmuera. Como consecuencia de estas medidas, se puede hoy demostrar que la emisión de mercurio desde una planta bien diseñada y correctamente gestionada no excede los 3 gramos por tonelada de cloro producido, comparado con los 10 gramos de hace cerca de diez años (Ullmann' s Encyclopaedia of Industrial Chemistry, VCH, Vol . A6 , Pág. 424). En las plantas en marcha hoy en día el producto cáustico catódico a la salida de los descomponedores de amalgama, normalmente constituido por sosa o potasa cáustica y que contiene cantidades significativas de
mercurio, polvo de grafito e hidrógeno, es circulado a través de goteros constituidos por platos perforados que causan el fraccionamiento del flujo en gotas con el propósito de interrumpir la continuidad eléctrica del circuito y de anular o por lo menos reducir sustancialmente las corrientes desviadas, constituidas por la corriente eléctrica que fluye hacia tierra desde el circuito de alta tensión de las celdas electrolíticas. Las corrientes desviadas tienen un efecto negativo porque disminuyen la eficiencia global del proceso y sobre todo porque determinan ataques corrosivos que pueden resultar muy molestos. Ya que el producto cáustico contiene cantidades significativas de mercurio arrastradas en forma de microgotas, la sosa o potasa descargada de los goteros, antes de ser almacenada, es circulada a través de filtros que contienen carbón activo, capaces de absorber el mercurio presente reduciendo su concentración a la salida hasta valores muy bajos, normalmente compatibles con las especificaciones de usuario. Este tratamiento, cuyos resultados en términos de calidad del producto son seguramente positivos, tiene el inconveniente de necesitar un cambio frecuente del lecho de carbón activo, que se satura bastante rápidamente de mercurio: la operación, que inevitablemente comporta una intervención manual, es
peligrosa desde el punto de vista de la salud de los operadores y produce cantidades relevantes de carbonos gastados que deben ser desechados con costos elevados .
SUMARIO DE LA INVENCIÓN Es un objetivo de la presente invención superar los inconvenientes asociados a los métodos de tratamiento del producto cáustico catódico corrientemente empleados en las plantas cloro-álcali actualmente en marcha. Esto y otros objetivos son alcanzados por medio de un aparato de acuerdo con las reivindicaciones anexas . El aparato de separación del mercurio según la invención comprende un gotero de acuerdo con la técnica anterior integrado en un recipiente de geometría sustancialmente vertical provisto de una sección inferior apta para efectuar por centrifugación una primera separación del mercurio presente en el producto cáustico a la salida del descomponedor de amalgama; la centrifugación es obtenida por medio de tabiques repartidores verticales cuyas porciones terminales forman una sección de pasaje reducida con variación abrupta de la dirección de flujo. El recipiente está dividido por los tabiques repartidores en tres compartimientos en comunicación recíproca dispuestos para formar un pasaje tortuoso, entre los cuales el que
está al lado de salida del producto cáustico está equipado con un plato gotero y el central o el que está al lado de entrada del producto cáustico están opcionalmente provistos de un filtro interno apto para efectuar una segunda separación de mercurio. En una modalidad de realización preferida, el filtro interno comprende un lecho de carbón activo o de fragmentos metálicos opcionalmente constituidos por un metal humedecible en mercurio, por ejemplo hierro, acero al carbono o níquel. La parte inferior del compartimiento central o del compartimiento al lado de entrada de sosa cáustica del recipiente está preferiblemente provista por un medidor de densidad del producto cáustico que comprende un sensor de presión.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS Para una mejor comprensión, la invención será descrita más en detalle con el auxilio de las figuras adjuntas, con un propósito ej emplificador y no limitativo: - Figura 1, esquema de una sección longitudinal de celda de electrólisis cloro-sosa de cátodo de mercurio provista del aparato según la invención Figura 2, representación tridimensional de una
modalidad de realización preferida del aparato según la invención.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN A continuación se hará referencia por simplicidad a una celda de electrólisis cloro-sosa, pero debe entenderse que las características esenciales de la invención se aplican a una genérica celda de electrólisis cloro-álcali de cátodo de mercurio. La figura 1 muestra la celda de electrólisis 1 provista de los necesarios componentes auxiliares. En particular, 2 identifica los ánodos planos conectados al polo positivo de un rectificador (no mostrado) , hechos de titanio provisto de un revestimiento catalítico para evolución de cloro a base de óxidos de metales del grupo del platino según la técnica anterior, 3 el nivel de salmuera alimentada en 4 y descargada en 5 , 6 el punto de extracción del cloro producido, 7 la película de mercurio reciclado por la bomba 12 que fluye libremente sobre el fondo de celda, conectado al polo negativo del rectificador, 8 el descomponedor de amalgama provisto de la alimentación 9 de agua (necesaria para descomponer sobre un lecho interno de catalizador la amalgama que procede de la celda) y de las salidas para los dos productos, respectivamente 10 para la sosa cáustica y 11 para el
hidrógeno, 15 el aparato según la invención, 26 el filtro final para la absorción del mercurio residual, el 27 flujo de sosa cáustica depurada enviada al almacenamiento por medio de la bomba 25. El aparato según la invención 15 está también representado en detalle en la figura 2 que muestra una vista tridimensional de una modalidad de realización del recipiente como paralelepípedo seccionado por dos tabiques verticales 16 y 20 en tres compartimientos internos en comunicación recíproca, dispuestos para formar un pasaje tortuoso para la sosa cáustica producida: una pared del recipiente está idealmente omisa para una mejor comprensión del diseño interno. En particular, la sosa cáustica 10 producida en el descomponedor de amalgama 8, que contiene mercurio en concentración normalmente comprendida entre 5 y 10 mg/kg (5-10 ppm) , polvo de grafito e hidrógeno, es alimentada en el primer compartimiento formado por el tabique 16 a través de una boquilla instalada en la porción superior del aparato, como indicado en ambas figuras 1 y 2. En una modalidad de realización alternativa (no mostrada) la boquilla está instalada en la porción inferior del primer compartimiento y en este caso está conectada con un segmento de tubo interno cuya otra extremidad está
posicionada en correspondencia de la parte superior del compartimiento . Con ambas formas de realización de la boquilla de alimentación, de todas maneras, la mayor parte del hidrógeno se separa en el volumen de gas correspondiente a la parte superior del compartimiento y la sosa cáustica fluye hacia abajo hasta alcanzar el margen inferior del tabique cuya distancia del nivel de mercurio separado 18 está regulada de manera de crear una sección de pasaje reducida: de esto sigue un aumento de la velocidad con una simultánea variación abrupta de la dirección del flujo (indicada por las flechas) porque la sosa cáustica es obligada a fluir desde el segundo tabique 20 hacia la parte superior del segundo compartimiento. La combinación de los efectos de aumento de velocidad y de variación de la dirección del flujo acoplada a las diferencias de densidad que existen entre mercurio, grafito y sosa cáustica determina una primera importante separación del mercurio y del polvo de grafito. El aparato de la invención funciona por lo tanto en esta porción como dispositivo estático de centrif gación. La experimentación efectuada por los inventores ha demostrado que con un oportuno dimensionamiento del aparato según la invención el polvo de grafito en la práctica es totalmente separado, en tanto que
el contenido residual de mercurio es reducido a no más de 0.5-1 ppm. Después de la separación, el mercurio y el polvo de grafito 18 son entonces extraídos en 19 y enviados corriente abajo a la unidad de tratamiento. La sosa cáustica en su movimiento ascensional a través del segundo compartimiento (compartimiento central comprendido entre los tabiques verticales 16 y 20) puede fluir a través de un filtro interno 17 opcional que consiste en un lecho de carbón activo apto para absorber el mercurio según la técnica anterior: en este lecho, el mercurio es ulteriormente reducido hasta cerca de 0.2 - 0.3 ppm. Por lo tanto la cantidad de mercurio que debe ser eliminada en el filtro externo final 26 instalado corriente abajo resulta fuertemente disminuida con respecto a los valores de 5-10 ppm normalmente alimentados a las plantas existentes, con la ventajosa consecuencia de una sustancial prolongación del tiempo de vida operativo junto con la reducción de la cantidad de carbón activo que debe ser desechado . Sin embargo la experimentación ha demostrado que el filtro interno 17 que contiene carbón activo está caracterizado por una significativa caída de presión que vuelve crítico el nivel de presurización de la sosa cáustica alimentada al aparato: esta situación no existe en
el circuito de descarga de la sosa cáustica porque el filtro externo 26 está instalado corriente abajo de la bomba de alimentación 25. La experimentación fue por lo tanto extendida a la búsqueda de materiales para sustituir el carbón activo, aptos para absorber el mercurio y formar lechos con baja caída de presión: se ha observado que los lechos constituidos por fragmentos de metales humedecibles en mercurio son particularmente eficaces: ejemplos típicos son el hierro, el acero de bajo carbono, el níquel, entre los cuales se prefiere, por razones de costo, el acero de bajo carbono . En una modalidad de realización alternativa el filtro interno puede ser instalado en el primer compartimiento: en este caso, junto con un alcance más rápido de las condiciones de saturación, se obtiene una coalescencia eficaz de las microgotas de mercurio con una consecuente más fácil separación por centrifugación en la sucesiva parte inferior del compartimiento. El aumento de velocidad en la sección de pasaje restringida formada por el tabique 16 además provoca la coalescencia de las microburbuj as residuales de hidrógeno las cuales, después de la acción ulterior de coalescencia ejecutada por el filtro 17 pueden de esta manera ser
liberadas en el volumen de gas presente en correspondencia de la parte superior del compartimiento. La sosa cáustica, después de atravesar el lecho de absorción, desborda en correspondencia del margen superior del tabique 20 y cae hacia la parte inferior del tercer compartimiento (compartimiento al lado de salida) fraccionada en gotas 22 gracias al plato perforado o gotero 21: el fraccionamiento en gotas es necesario, como se ha dicho antes, para interrumpir la continuidad eléctrica del circuito de la sosa cáustica. En efecto este circuito representa el posible camino de las corrientes desviadas por los altos voltajes de las celdas hacia la tierra representada por las conexiones a tierra 28 de las instalaciones no eléctricas de la planta. La sosa cáustica 23 que sale del fondo del tercer compartimiento es enviada por la bomba 25 al filtro 26 de carbón activo, en donde la concentración del mercurio alcanza el valor final de cerca de 0.1 ppm, y luego al almacenamiento como producto comercial 27. El hidrógeno separado en las partes superiores de los compartimientos es introducido por medio de los dos conductos de la figura 1 en el colector atravesado por el flujo principal de hidrógeno 11 que procede del descomponedor de amalgama.
La figura 2 representa una modalidad de realización alternativa de la extracción del hidrógeno separado: en esta realización el primer tabique 16 está provisto en la parte superior de un agujero equilibrador de la presión 29 que pone en comunicación las secciones superiores del primer y del segundo compartimiento. Por lo tanto el hidrógeno 11 separado de la sosa cáustica puede ser enviado al colector a través de un único conducto. Los ensayos efectuados en la planta han permitido determinar las dimensiones más idóneas para las diferentes secciones del aparato. En particular, una modalidad de realización preferida prevé que para favorecer una primera separación del mercurio, el primer y el segundo compartimiento del aparato estén conectados a través de una zona de separación no superior al 50%, más preferiblemente comprendida entre 5 y 20%, de la sección de pasaje del primer compartimiento. Algunas dimensiones típicas de una modalidad de realización preferida están reportadas a continuación :
- capacidad de la celda : 200 kA - caudal de la sosa cáustica al 50% a la entrada del aparato: 600 kg/h - altura del aparato: 800 mm
- sección del aparato: 500 mm x 400 mm - sección del primer compartimiento (compartimiento al lado de entrada) : 80 mm x 400 mm - sección de pasaje inferior reducida desde el primer compartimiento al segundo: 5 mm x 400 mm - sección del segundo compartimiento (compartimiento central) : 100 mm x 400 mm - sección del tercer compartimiento (compartimiento al lado de salida) : 320 mm x 400 mm
El aparato según la invención está construido con materiales eléctricamente no conductores, típicamente materiales plásticos opcionalmente reforzados seleccionados del grupo que consiste en policiclopentadieno (por ejemplo comercializado por BF Goodrich bajo la marca Telene*) , cloruro de polivinilo clorado (PVCC) , cloruro de polivinilo (PVC) , polipropileno y metilmetacrilatos , los últimos tres a condición de que la sosa cáustica sea enfriada antes de la inmisión en el aparato. En la figura 2, el aparato de la invención está mostrado como paralelepípedo: sin embargo, como resultará evidente para los expertos en la materia, otras formas pueden ser utilizadas, por ejemplo el aparato puede estar constituido por un recipiente cilindrico que contiene al
interior dos tubos coaxiales recíprocamente y con el mismo recipiente, que actúan como tabiques. En este caso la sosa cáustica es preferiblemente alimentada en el tubo más interno y descargada desde la corona cilindrica delimitada por las superficies del recipiente y del tubo más externo.
En la corona cilindrica más interna comprendida entre las paredes de los dos tubos está además alojado el lecho de carbón activo o de fragmentos metálicos. En una modalidad de realización particularmente preferida la porción inferior del segundo compartimiento (compartimiento central) del aparato según la invención está equipada con un sensor de densidad (24 en las figuras 1 y 2) que comprende un tubo que tiene la parte terminal superior abierta en libre comunicación con la sosa cáustica y un sensor de presión, por ejemplo un sensor piezoeléctrico, que permite medir con continuidad el peso de la carga hidráulica generada por el volumen de sosa cáustica presente en el compartimiento: una oportuna corrección de los valores detectados en base a la temperatura y a la presión mantenida en la porción superior del compartimiento permite determinar con precisión la densidad de la sosa cáustica y por lo tanto la relativa concentración y de intervenir adecuadamente sobre la regulación del caudal de 9 agua alimentada al descomponedor
de amalgama 8. La descripción anterior no se entenderá como limitativa de la invención, que puede ser practicada según diferentes formas de realización sin alejarse de sus objetivos, y cuyo alcance está unívocamente definido por las reivindicaciones anexas. En la descripción y en las reivindicaciones de la presente solicitud, la palabra "comprender" y sus variaciones tal como "comprende" y "comprendido" no tienen el objetivo de excluir la presencia de otros elementos o componentes accesorios .