Concentración de HCl por encima del punto azeotrópico

Introducción

El sistema HCl/agua forma un azeótropo a una temperatura de unos 108°C a presión atmosférica con una concentración de HCl de 20,2 % masa.
Si la concentración de ácido es menor que la de la mezcla azeótropica, el ácido podrá ser concentrado solo hasta el punto azeotrópico a esta presión. Una mayor concentración requerirá procedimientos especiales.

Se ofrecen las siguientes opciones tecnológicas:

• Tecnología de rectificación extractiva (adición de un agente extractivo)
• Tecnología de doble presión (variación de la presión del sistema)
• Combinación de ambas tecnologías

Todas estas tecnologías también pueden ser utilizadas para la producción de cloruro de hidrógeno.

Tecnología de rectificación extractiva

La tecnología más frecuentemente utilizada para superar el punto azeotrópico es la rectificación extractiva, cuyo esquema se muestra a continuación. Esta tecnología suprime el punto azeotrópico y aumenta la volatilidad relativa del HCl. Esto se consigue mediante la adición de un tercer ingrediente, un agente extractivo con marcadas propiedades higroscópicas. En la columna, el agente de extracción captura el agua del alimento y posteriormente abandona la columna por la cola. En la cabeza de la columna de rectificación extractiva es posible producir ácido clorhídrico de alta concentración o incluso cloruro de hidrógeno. A continuación, el agente extractivo es deshidratado en un evaporador y reconducido finalmente al proceso de rectificación extractiva para su reutilización.

Tecnología de rectificación extractiva

Agente extractivo

Un agente extractivo apropiado debe poseer las siguientes propiedades físicas.
El agente

• debe aumentar la volatilidad relativa del HCl con respecto al agua
• debe poder solubilizarse con los componentes del ácido alimentado en todo el rango de concentración
• debe mostrar un elevado punto de ebullición en relación a los componentes del ácido alimentado, y
• debe, finalmente, hacer posible una separación eficiente con un bajo consumo energético

Por ejemplo, el ácido sulfúrico y las soluciones acuosas concentradas de cloruros metálicos tales como MgCl₂ y CaCl₂ son agentes de extracción apropiados para la concentración de ácido clorhídrico.

Preconcentración y purificación previas a la rectificación extractiva

Cuanto menor sea el contenido de agua en el alimento de la rectificación extractiva, tanto menor será la cantidad de agente extractivo que deberá añadirse y tanto menor será asimismo el consumo de energía y la inversión necesarios para el proceso de reciclaje del ácido sulfúrico.  Por tanto, puede ser conveniente efectuar un paso de preconcentración del alimento antes de llevar a cabo la rectificación extractiva. Otros pasos llevados a cabo frecuentemente junto con la concentración del HCl son la eliminación del flúor y componentes de alto punto de ebullición, así como procesos de desbromación. La siguiente ilustración muestra un proceso de preconcentración de HCl unido a la eliminación de componentes de alto punto de ebullición o sales precipitadas, seguido por la desbromación con cloro y la rectificación extractiva con ácido sulfúrico para producir ácido clorhídrico puro concentrado.

Rectificación extractiva combinada con preconcentración y purificación
 

Tecnología de doble presión

Una alternativa a la rectificación extractiva consiste en la tecnología de doble presión, la cual saca partido del hecho de que la composición de la mezcla azeótropica HCl/agua depende de la presión. Esto significa que hay más HCl en el azeótropo a una presión menor p1 que a una presión mayor p2: (azeó. HCl a p2) < (azeó. HCl a p1). Por tanto, es posible rebasar el punto azeotrópico combinando 2 pasos de rectificación a dos presiones distintas.  El principio de la tecnología de doble presión se ilustra en el esquema mostrado a continuación.

En primer lugar, la mezcla acuosa de HCl es tratada por rectificación a una presión menor a la atmosférica, produciéndose mezcla azeótropica (azeó. HCl a p1) como residuo y agua como destilado. El residuo es alimentado a una segunda columna operada a mayor presión que la atmosférica. En esta segunda columna también se produce mezcla azeótropica (azeó. HCl a p2) como residuo, pero el destilado es ácido clorhídrico de la concentración deseada (HCl > azeó. p2). Debido a la mayor presión del sistema, la salida de cola de la segunda columna proporciona un residuo con una concentración de HCl (azeó. HCl a p2) menor que la composición azeótropica del residuo de la primera columna. Por consiguiente, el residuo de la segunda columna puede reconducirse de nuevo a la primera columna.

El rango de presiones de 100 mbar a unos 3 bar es fácil de lograr técnicamente. Sin embargo, la composición del punto azeotrópico es marginal dentro de dicho rango de presiones, de modo que los 2 evaporadores requieren una gran cantidad de energía para una sola separación por destilación debido a las elevadas relaciones de reflujo necesarias en ambas columnas.

Tecnología de doble presión

Combinación de rectificación extractiva y tecnología de doble presión

El proceso de doble presión puede también combinarse con la rectificación extractiva. Esto puede ser conveniente si el agente extractivo (AE) no reduce la volatilidad del agua ni transforma el azeótropo de un modo similar a como lo hace una presión reducida. Un agente extractivo de este tipo es el cloruro amónico. A diferencia del proceso de rectificación extractiva mencionado anteriormente, en este proceso el agua no es capturada por el agente extractivo. En su lugar, por la salida de cola de la columna se obtiene una corriente de cloruro de hidrógeno junto con el agente extractivo. La fig. 4 muestra el diagrama de flujo de esta tecnología combinada para la concentración de ácido clorhídrico.

Descripción del proceso mejorado de doble presión

El ácido de alimentación es precalentado en W4, siendo a continuación mezclado con el agente extractivo y conducido al tanque de flasheo B1. El vapor y el líquido resultantes son entonces alimentados a la columna de vacío K1. La mezcla se rectifica en la columna de vacío K1, de modo que se obtiene agua como producto de cabeza y una mezcla ternaria de agente extractivo, agua y ácido clorhídrico abandona la cola de la columna K1.

A su vez, esta mezcla es bombeada por la bomba P1 a la columna presurizada K2. En la columna K2, el ácido clorhídrico se separa del agente extractivo, el cual abandona la columna K2 como residuo y es reconducido por la bomba P4 y remezclado con el alimento.  El ácido clorhídrico sobreazeotrópico abandona la columna K1 y se condensa en el intercambiador de calor W1, utilizado como calentador de la columna. K1

Ventaja

Este proceso combinado es interesante si, debido a la adición del agente extractivo, las condiciones de funcionamiento y las temperaturas en el intercambiador de calor W1 permiten el uso de éste como evaporador para la columna K1 y como condensador para K2, lo cual proporciona un gran ahorro de energía comparado con el proceso único de doble presión descrito anteriormente.