MX2012011411A - Horno para la produccion de vidrio formulado con sal comun (cloruro de sodio) que incluye un proceso para purificacion de las arenas de silice (sio2) y dicho proceso. - Google Patents

Abstract

La presente invención describe un sistema novedoso de producción de vidrio, especialmente favorable por su menor costo y por el menor impacto ambiental La finalidad de este proceso es producir con ventajas económicas, ambientales y de disponibilidad de los recursos, el producto vidrio común. La viabilidad económica se da por utilizar el cloruro de sodio de forma directa, sin la costosa necesidad de convertirla en carbonato de sodio. La viabilidad ambiental al evitar la emisión de millones de toneladas de dióxido de carbono que en la actualidad emiten las fábricas convencionales de vidrio. La viabilidad en la disposición de materias primas al poder utilizar el sub producto de la nueva forma de fabricación de vidrio, (el cloruro de hidrogeno) en la purificación de las arenas feldespáticas común mente contaminadas con componentes férricos. 2NaCl + 6SiO2 + Ca(OH)2 = (6SiO2, Na2O, CaO)(S) + 2HCl(G) Formula económica de vidrio común producido en un horno cerrado de grafito Propósito de la presente invención. un esquema de un horno de grafito (2), hecho con ese material para evitar la corrosión por los gases emitidos al fabricar vidrio común (3) con sal común (9). La lista de los materiales y componentes de las figuras 1 y 2: (1) Formula del vidrio con sal común [2NaCl + 6SiO2 + Ca(OH)2](S) (2) Reacción en el interior del horno [6SiO2, Na2O, CaO](L) + 2HCl(G) (3) Flujo de Vidrio [6SiO2, Na2O, CaO](S) (4) Cloruro de Hidrogeno [HCl] (5) Arenas feldespáticas contaminadas con componentes férricos [SiO2, Fe2O3] (6) Purificación de las arenas [6SiO2 + Fe2O3 + 6HCl = 6SiO2 + 2FeCl3+ 3H2O] (7) Arenas de sílice purificadas [SiO2] (8) Tricloruro férrico mas agua [2FeCl3+ 3H2O] (9) Cloruro de Sodio [NaCl] (10) Cal Hidratada [Ca (OH)2] (11) Grafito [C] (12) Electrodos eléctricos [C} (13) Resistencias eléctricas (14) Estaño fundido [Sn] (15) Diferencia de potencial eléctrico. [V] (16) Formado, Enfriado [-Q] (17) Calor [+Q] (18) Aislante térmico.

Description

HORNOS PARA LA PRODUCCION DE VIDRIO FORMULADO CON SAL COMUN (CLORURO DE SODIO) QUE INCLUYE UN PROCESO PARA LA PURIFICACION DE LAS ARENAS DE SILICE (Si02) Y DICHO PROCESO CAMPO TECNICO La presente invención se relaciona con los sistemas de producción de vidrio común de manera química, mecánica y eléctrica, ya que se emplea un novedoso horno de grafito o recubierto interior de ese material. Con la formulación usando sal común se generan gases clorados tóxicos y corrosivos que no atacan las paredes por ser estas de grafito, el cloruro de hidrogeno resultante de la reacción se diluye en agua formando acido clorhídrico y se emplea en el mismo proceso para acondicionar purificando las arenas de sílice las cuales se encuentran normalmente contaminadas con compuestos férricos, y a través de algunas reacciones químicas permite convenientemente utilizar el cloruro de sodio y arenas impuras para la fabricación de vidrio común. También gracias a las propiedades del grafito con el cual se construye el horno, por medio del cual se puede generar calor por inducción magnética, por arco eléctrico, por resistencia eléctrica o combinaciones de las anteriores directamente sobre las paredes interiores o exteriores del compartimiento cerrado, por lo anterior, el campo de la invención es químico, mecánico y eléctrico.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN El vidrio es un material inorgánico duro, frágil, transparente y amorfo que se usa para hacer ventanas, lentes, botellas y una gran variedad de productos. El vidrio es- un tipo de material cerámico amorfo.

Los primeros objetos de vidrio que se fabricaron fueron cuentas de collar. Es probable que fueran artesanos asiáticos los que establecieron la manufactura del vidrio en Egipto, de donde proceden las primeras vasijas. La fabricación del vidrio floreció en Egipto y Mesopotámia hasta el 1200 a. C. y posteriormente cesó casi por completo durante varios siglos. Egipto produjo un vidrio claro, que contenía sílice pura; lo coloreaban de azul y verde. Durante la época helenística Egipto se convirtió en el principal proveedor de objetos de vidrio de las cortes reales. Sin embargo, fue en las costas fenicias donde se desarrolló el importante descubrimiento del vidrio soplado en el siglo I a.C. Durante la época romana la manufactura del vidrio se extendió por el Imperio, desde Roma hasta Alemania. El vidrio en la actualidad se obtiene por fusión a unos 1.500 °C de arena de sílice (Si02), carbonato de sodio(Na2C03) y caliza (CaCOs) y el principal gas que se emite a la atmósfera en el proceso es el C02.

El carbonato de sodio y sus derivados se usan para bajar el punto de fusión del silicio y poder trabajarlo mejor, también aporta el sodio necesario para formar la red. El carbonato sódico es una sal blanca y translúcida de fórmula química Na2CO3. Es conocido comúnmente como barrilla, natrón, soda Solvay, ceniza de soda. Puede hallarse en la naturaleza u obtenerse artificialmente, gracias a un proceso ideado y patentado en 1791 por el médico y químico francés Nicolás Leblanc. (6 de diciembre de 1742 - 16 de enero de 1806). Desarrolló el método de preparación del carbonato de sodio que lleva su nombre. En 1786 se hizo famoso gracias a sus trabajos sobre la cristalización. Tres años después descubrió un procedimiento de preparación del carbonato de sodio (sosa comercial) a partir de la sal común(cloruro de sodio), lo que permitió el desarrollo de la industria química mineral. En 1791 abrió una fábrica que empleaba el nuevo procedimiento.

El método implicaba las siguientes reacciones químicas: 1. Reacción de la sal común con el ácido sulfúrico: 2 NaCI + H2S0 -> Na2S04 + 2 HCI 2. Reacción de calcinación del Na2S04 con caliza y carbón: Na2S04 + CaCC-3 + 2 C --> Na2C03 + CaS + 2 C02 Más adelante este método fue sustituido por el ideado por el químico belga Ernest Solvay Arruinando a Nicolás Lablanc que por tal motivo se suicidó en 1806, en 1915 se cerró la última fábrica de sosa Leblan Solvay fundó en 1863 la compañía Solvay donde utilizó profusamente su método que conseguía abaratar aún más el proceso y eliminar algunos de los problemas que presentaba el método Leblanc. Éste método utiliza como materias primas el cloruro sódico (sal común), el amoníaco y el carbonato cálcico (piedra caliza).

Ernest Solvay fue un químico industrial belga. Nacido el 16 de abril de 1838 muerto el 26 de mayo de 922.

Una enfermedad le impidió ir a la universidad por lo que comenzó a trabajar en la industria química en la fábrica de su tío a la edad de 21 años. Ideó varios métodos de purificación de gases, pero se le conoce principalmente por el desarrollo de un método para la producción de carbonato sódico que mejoraba el existente método Leblanc y por la invención de la Torre Solvay de carbonatado (en la cual una solución de sal de amoníaco podía ser mezclada con dióxido de carbono). Adquirió su primera patente para la producción de sosa en 1861. En 1863 construyó su primera fábrica en Couillet, donde terminó de perfeccionar su método en 1872. En 1890 ya había fundado empresas en diversos países extranjeros y en 1900, el 95% de la crecida producción mundial de sosa provenía del proceso Solvay. Hoy en día siguen operativas cerca de 70 fábricas que lo emplean. La sosa es un componente esencial en numerosas aplicaciones industriales, como, la fabricación del vidrio. Este éxito le reportó a Solvay una riqueza considerable.

Silicato sódico Las sales más comunes de sodio tienen puntos de fusión por debajo de los 900 °C. Cuando se calienta una mezcla íntima de cuarzo finamente dividido con una sal de estos metales alcalinos, por ejemplo Na2C03, a una temperatura superior a los 800 °C se obtiene inicialmente una fusión de la sal alcalina, cuyo líquido rodea a los granos de cuarzo, produciéndose una serie de reacciones que pueden englobarse en la resultante siguiente: Si02 (s) + Na2C03 (s)? Na2Si03 (s) + C02 (g) ?? = -5.12 kcal/mol Esta reacción, levemente exotérmica, desprende anhídrido carbónico gaseoso -que burbujea entre la masa en fusión- y conduce a un primer silicato sódico, de punto de fusión 1.087 °C.

De acuerdo con la termodinámica, la mezcla de dos sustancias de puntos de fusión diferentes presenta un "Punto de Liquides que se sitúa entre los de las dos sustancias en contacto. De esta forma la mezcla de la sílice y el silicato sódico formado da lugar a un producto de S1O2 y silicatos, ya en estado líquido a temperaturas que no sobrepasan los 1.200 °C, lejos de los más de 2.000 °C necesarios para preparar el vidrio de cuarzo.

Al producto así obtenido se le da corrientemente el nombre genérico de silicato sódico, si bien con esta denominación se identifica a un conjunto de productos derivados de la fusión del cuarzo con sales sódicas (generalmente carbonatos por la conveniente emisión de dióxido de carbono, pero con nuestro invento se aran de cloruros por la conveniente emisión de cloruro de hidrogeno) en diferentes proporciones de uno y otro componente. Industrialmente se preparan silicatos sódicos con proporciones molares de cada componente situadas entre: 3,90 moles de Si02 / 1 mol de Na20 y 1 ,69 moles de Si02 / 1 mol de Na20 NOTA: la proporción estequiométrica de un metasilicato sódico puro sería de 1 mol de S¡02 / 1 mol de Na20 Estos silicatos sódicos presentan un aspecto vitreo, transparente y muy quebradizo. Para alcanzar una viscosidad del orden de los 1.000 poises (necesaria para su moldeado) se precisan temperaturas que, en función de su composición, oscilan entre los 1.220 °C para el silicato más rico en Si02, y los 900 °C para el más pobre. Son muy solubles en agua: entre un 35% y un 50% en peso de silicato, según el contenido en S¡02. Su falta de rigidez mecánica y su solubilidad en agua les hacen inútiles como sustitutos del vidrio de cuarzo en ninguna de sus aplicaciones.

Raramente se presentan en la industria en forma sólida, sino bajo la forma de disolución acuosa. Su solución en agua se utiliza como pegamento cerámico muy eficaz o como materia prima para la producción mediante hidrólisis de gel de sílice, sustancia usada como absorbente de la humedad (torres de secado de gases, etc.) o como componente de ciertos productos tales como neumáticos para vehículos y otras aplicaciones en la industria química.

Su producción se realiza en hornos continuos de balsa calentados mediante la combustión de derivados del petróleo y frecuentemente también con energía eléctrica, a temperaturas lo más elevadas posibles (dentro de una cierta rentabilidad) con el fin de aumentar la productividad del horno. Estas temperaturas suelen situarse entre los 1.400 °C y los 1.500 °C.

Vidrios de silicato sódico Con el fin de obtener un producto con propiedades similares a las del vidrio de cuarzo a temperaturas alcanzables por medios técnicamente rentables, se produce un vidrio de silicato sódico al que se le añaden otros componentes que le hagan más resistente mecánicamente, inerte a los agentes químicos a temperatura ambiente -muy particularmente al agua- y que guarden su transparencia a la luz, al menos en el espectro visible.

Estos componentes son metales alcalinotérreos, en particular magnesio, calcio o bario, además de aluminio y otros elementos en menores cantidades, algunos de los cuales aparecen aportados como impurezas por las materias primas (caso del hierro, el azufre u otros). Las materias primas que se utilizan para la elaboración de vidrios de este tipo se escogen entre aquellas que presenten un menor costo: • Para el cuarzo: ¦ Arenas feldespáticas, de pureza en S1O2 superior al 95% y con el menor contenido en componentes férricos posible (entre un 0,15% y 0,01 % en términos de Fe203) ¦ Cuarcitas molidas ¦ Para el sodio: • Carbonatas sódicos naturales (yacimientos de EUA. y África).

¦ Carbonato sódico sintético, el más utilizado en Europa.

- Sulfato sódico sintético, subproducto de la industria química. « Nitrato sódico natural (nitrato de Chile).

¦ Cloruro sódico o sal común.

¦ Estos tres últimos, utilizados en pequeñas proporciones, debido al desprendimiento de gases contaminantes durante la elaboración del vidrio: SOx, ???, Cl2.

¦ Para el Calcio: ¦ Calizas naturales.

« Para el Magnesio: ¦ Dolomitas naturales.

¦ Para el Bario: ¦ Sulfato bárico natural (baritina).

¦ Para el Aluminio: ¦ Feldespatos naturales (caolines).

La producción industrial de este tipo de vidrios se realiza, al igual que en el caso de los silicatos sódicos, en hornos para vidrio, generalmente de balsa, calentados mediante la combustión de derivados del petróleo con apoyo, en muchos casos, de energía eléctrica a temperaturas que oscilan entre los 1.450 °C y los 1.600 °C. En estos hornos se introduce una mezcla en polvo ligeramente humedecida (~5% de. agua) y previamente dosificada de las materias primas ya citadas. Esta mezcla de materias minerales reacciona (a velocidades apreciables y, evidentemente, cuanto mayores mejor) para formar el conjunto de silicatos que, combinados y mezclados, darán lugar a esa sustancia a la que se denomina vidrio común.

El objetivo de la presente es el de economizar en la fabricación de vidrio que en la actualidad se obtiene por fusión a unos 1.500 °C de arena de sílice (S1O2), carbonato de sodio(Na2C03) y caliza (CaC03). Y sustituirla por fusión a los mismos 1.500°C de arena feldespática (Si02), cal hidratada (Ca(OH)2) y cloruro sódico o sal común (NaCI) en sustitución del mas costoso carbonato de sodio (Na2C03) como fuente de sodio en la formulación del vidrio.

En el primer método el gas carbónico es el que se desprende en el proceso y en el segundo proceso sustituto del actual, el gas que se desprende es un compuesto toxico de Cloro, mayormente cloruro de hidrogeno (HCI) En el proceso de fabricación actual los gases desprendidos del proceso son libremente emitidos a la atmósfera y contribuyen al calentamiento global de la Tierra por el efecto invernadero, lo que convierte a las emisiones del proceso en un impacto ambiental negativo.

En el proceso de la presente invención no hay emisiones a la atmósfera, pero el procedimiento debe hacerse cerrado, primeramente por la toxicidad de los gases, y para poder capturarlos y aprovecharlos por su valor comercial.

El cloruro de hidrogeno o el acido clorhídrico además de tóxicos son sumamente corrosivos por tal motivo se invento el horno de grafito de la presente invención.

La diferencia de precio entre los dos diferentes componentes y el costo ambiental del proceso de fabricación actual, le dan a nuestro nuevo proceso la posibilidad de explotarse comercialmente y convertirse en una innovación que tenga impactos positivos en la sociedad mundial.

Otro motivo que favorece la fabricación de vidrio con sal común es la disponibilidad de las materias primas: La arena Feldespática con pureza superior al 95% no corresponde a la gran mayoría de minas en el mundo las cuales tienen como común contaminante componentes férricos con porcentajes muy superiores al 0.01 % deseado.

Una forma común de purificación de las arenas contaminadas con componentes férricos es el tratamiento con acido clorhídrico, lo que hace al nuevo procedimiento una cadena ideal, el subproducto del nuevo procedimiento de fabricación se convierte en el insumo necesario para la purificación del principal componente del primero. Los procesos de esa forma acomodados hacen a la fabricación de vidrio con sal común un proceso factible gracias a las viabilidades económicas, ambientales y de aprovechamiento de los recursos naturales. Y al ser este un procedimiento nuevo y factible de llevarse a la práctica lo protegemos intelectual mente por medio de la presente solicitud de patente.

DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCION Los detalles característicos de este novedoso HORNO PARA LA PRODUCCION DE VIDRIO FORMULADO CON SAL COMUN (CLORURO DE SODIO) QUE INCLUYE UN PROCESO PARA LA PURIFICACION DE LAS ARENAS DE SILICE (S¡O2) Y DICHO PROCESO se muestran claramente en la siguiente descripción y en las figuras que se acompañan, así como una ilustración de aquella y siguiendo los mismos signos de referencia para indicar las partes y figuras mostradas. Las cuales son un ejemplo, por lo que no debe considerarse como una limitante a la presente invención.

Breve descripción de las figuras: Figura 1 Es una vista esquemática en planta convencional del Horno para la producción de vidrio plano formulado con sal común.

Figura 2 Es un diagrama de flujo del proceso que se emplea en el Horno para la producción de vidrio formulado con sal común.

OBSERVACION: La presente invención se describirá parte por parte para facilitar su comprensión.

El horno principal Con referencia a las figuras 1 y 2 Siguiendo el flujo del material, el horno principal que comprende una Tolva que recibe la mezcla de la formula del vidrio con sal común (1 ) donde combinados íntimamente los componentes de la formulación del vidrio (10), (9) y (7) se introducen al interior de la cámara (2) la cual esta construida de grafito o tiene en sus paredes internas una cubierta de grafito (11) la cual impide que los gases del interior corroan la cámara (2) hacia el exterior existe una cubierta aislante (18) que evita la pérdida de calor de la cámara (2), ésta puede ser calentada por la combustión de carburantes o por la combinación con resistencias eléctricas(13), inducción eléctrica o por electrodos para arco eléctrico (12) en una cámara de calentamiento directamente en el interior de la cámara (2); una vez calentada la cámara con su carga a la temperatura en que fluye el vidrio por densidad, se emplea la salida inferior del horno(3) que se puede conectar con la modalidad específica para el trabajo del vidrio obtenido, los gases clorados (4) se direccionan de manera natural a través de la salida superior y se direccionan a un contenedor (6) con agua donde se diluyen para formar el ácido clorhídrico (HCI); en dicho contenedor (6) por la parte superior existe una segunda tolva por donde se introducen las arenas feldespáticas contaminadas con óxido de' hierro (5) las cuales son purificadas (7) en el contenedor(6) con agua y se extraen para ser utilizadas en la formula del vidrio(1) El sistema cerrado permite la captura de los gases de cloruro de hidrogeno y/o cloro(4) del proceso de la presente invención y que consiste en el compartimiento cerrado calentador reactor para la producción de vidrio(2), las paredes interiores del horno manufacturadas en grafito (1 1), los electrodos pudiendo también ser de grafito (12) que gracias a un potencial eléctrico(15) se forma un arco entre ellos o entre ellos y el cuerpo o recubrimiento de grafito ( 1 ) que calienta el sistema, la formula del vidrio (1) reacciona en el interior (2) del horno produciendo un fluido de vidrio (3) que arrastrado por su peso y por la fluidez que le proporciona las altas temperaturas sale en la parte inferior del horno(3) y un gas de cloruro de hidrogeno (4) que por su menor densidad sale por la parte superior, y es conducido e introducido al purificador diluyéndose en el agua en la tina purificadora (6) de la arena feldespática contaminada con componentes férricos (5) reaccionando (6) produciendo residuos de tricloruro férrico mas agua (8) y arenas feldespáticas purificadas (7) que junto con el cloruro de sodio (9) y la cal hidra (10) forman finamente mezclados la formula del vidrio (1) común con sal común.

De esta manera obtenemos un sistema que eficientemente produce el producto vidrio común y utiliza el sub producto cloruro de hidrogeno en la purificación de la principal materia prima para la fabricación del mismo vidrio.

Claims (10)

REINVINDICACIONES Demostrado esta por la descripción de la invención que la aplicación industrial de la novedad es inminente y que por tal motivo reclamo de mi propiedad las siguientes:

1. -Reclamo de mi propiedad todo horno para la fabricación de vidrio o silicatos sódicos que este fabricado o recubierto en su interior con grafito.

2. -Reclamo de mi propiedad todo el silicato sódico fabricado que en la formulación de su producción se haya utilizado cloruro de sodio como fuente de sodio.

3. -Reclamo de mi propiedad todo el vidrio fabricado que en la formulación de su producción se haya utilizado cloruro de sodio conocida como sal común como fuente de sodio.

4. -Reclamo de mi propiedad toda las arenas feldespáticas purificadas con acido Clorhídrico obtenido del proceso de fabricación de vidrio.

5. -Reclamo de mi propiedad todo el cloruro de hidrogeno en forma de gas o disuelto como acido clorhídrico que se produzca en la fabricación de vidrio o silicatos sódicos

6. -Reclamo de mi propiedad todo horno de fabricación de vidrio que utilice electrodos eléctricos para su calentamiento.

7. -Reclamo de mi propiedad todos los silicatos sódicos que fueron producidos con la formula de sal común en hornos recubiertos de grafito

8. -Reclamo de mi propiedad todos los vidrios que fueron producidos con la formula de sal común en hornos recubiertos de grafito.

9. -Reclamo de mi propiedad todos los vidrios producidos con la formula básica 2NaCI+6Si02+Ca(OH)2

10. -Reclamo de mi propiedad todos los vidrios producidos con la formula básica 2NaCI+6Si02+CaO+H20 RESUMEN La presente invención describe un sistema novedoso de producción de vidrio, especialmente favorable por su menor costo y por el menor impacto ambiental La finalidad de este proceso es producir con ventajas económicas, ambientales y de disponibilidad de los recursos, el producto vidrio común. La viabilidad económica se da por utilizar el cloruro de sodio de forma directa, sin la costosa necesidad de convertirla en carbonato de sodio. La viabilidad ambiental al evitar la emisión de millones de toneladas de dióxido de carbono que en la actualidad emiten las fábricas convencionales de vidrio. La viabilidad en la disposición de materias primas al poder utilizar el sub producto de la nueva forma de fabricación de vidrio, (el cloruro de hidrogeno) en la purificación de las arenas feldespáticas común mente contaminadas con componentes férricos. 2NaCI + 6Si02 + Ca (OH)2 = (6SÍ02, Na20, CaO) (S) + 2HCI (G) Formula económica de vidrio común producido en un horno cerrado de grafito Propósito de la presente invención. un esquema de un horno de grafito (2), hecho con ese material para evitar la corrosión por los gases emitidos al fabricar vidrio común (3) con sal común (9). La lista de los materiales y componentes de las figuras 1 y 2: (1) Formula del vidrio con sal común [2NaCI + 6Si02 + Ca (OH)2 ](S) (2) Reacción en el interior del horno [6Si02, Na20, CaO](L) + 2HCI(G) (3) Flujo de Vidrio [6Si02, Na20, CaO](S) (4) Cloruro de Hidrogeno [HCI] (5) Arenas feldespáticas contaminadas con componentes férricos [Si02, Fe2C>3] (6) Purificación de las arenas [6S¡02 + Fe203 + 6HCI = 6S¡02 + 2FeCI3+ 3H20] (7) Arenas de sílice purificadas [Si02] (8) Tricloruro férrico mas agua [2FeC + 3H20] (9) Cloruro de Sodio [NaCI] (10) Cal Hidratada [Ca (OH)2] (11 ) Grafito [C] (12) Electrodos eléctricos [C} (13) Resistencias eléctricas (14) Estaño fundido [Sn] (15) Diferencia de potencial eléctrico. [V] (16) Formado, Enfriado [-Q] (17) Calor [+Q] (18) Aislante térmico