PREPARACIÓN DE SILICATO EN UN HORNO DE QUEMADORES SUMERGIDOS EN MEDIO REDUCTOR.

Procedimiento de preparación de silicato de un elemento elegido entre alcalinos,

alcalinotérreos o tierras raras, que comprende una reacción entre sílice y un sulfato de dicho elemento en un reactor dotado de al menos un quemador sumergido en una mesa en fusión, estando alimentado dicho quemador sumergido por un gas que comprende oxígeno, siendo introducido en el reactor un exceso de combustible reductor con respecto al oxígeno consumido eficazmente

Preparación de silicato en un horno de quemadores sumergidos en medio reductor.

La invención se refiere a un procedimiento de preparación de silicato, como silicato sódico, que se puede utilizar para fabricar vidrio o sílice en forma de partículas (sílice precipitada).

En el contexto de la presente invención, se entiende por "materias primas" todos los materiales, materiales vitrificables, minerales naturales o productos sintetizados, materiales resultantes del reciclaje de tipo de vidrio pulverizado, etc., que pueden entrar en la composición que llega a alimentar un horno de vidrio. Se entiende por "vidrio" cualquier material de matriz vítrea, vitrocerámica o cerámica, cuya sílice es el componente principal. El término "fabricación" comprende la etapa de fusión indispensable de las materias primas y eventualmente todas las etapas ulteriores/complementarias que tratan de afinar/acondicionar el vidrio en fusión con vistas a su puesta en forma definitiva, en particular en forma de vidrio plano (acristalamientos), vidrio cóncavo, (frascos, botellas), vidrio en forma de lana mineral (vidrio o roca) utilizada por sus propiedades de aislamiento térmico o fónico o incluso eventualmente vidrio en forma de hilos llamados textiles utilizados en refuerzo.

La invención se interesa muy en particular por las materias primas necesarias para fabricar los vidrios que tienen una proporción significativa de alcalinos, en particular de sodio, por ejemplo los vidrios de tipo silico-sodo-cálcico utilizados para fabricar vidrio plano. La materia prima utilizada actualmente con más frecuencia para aportar sodio o potasio es carbonato sódico Na₂CO₃ o carbonato potásico K₂CO₃, elección que no está desprovista de inconvenientes. En efecto, por una parte ese compuesto no aporta más que sodio como elemento constitutivo del vidrio, descomponiéndose toda la parte carbonada en forma de desprendimientos de CO₂ durante la fusión. Por otra parte, se trata de una materia prima onerosa en comparación con otras, porque es un producto de síntesis obtenido por el procedimiento Solvay a partir de cloruro sódico y caliza, procedimiento que impone un cierto número de etapas de fabricación y que consume mucha energía.

Esta es la razón por la cual se ha propuesto utilizar como fuente de sodio, no un carbonato, sino un silicato, eventualmente en forma de un silicato mixto de alcalinos (Na) y de alcalinotérreos (Ca) que se prepara previamente. La utilización de ese tipo de producto intermedio tiene la ventaja de aportar conjuntamente varios constituyentes del vidrio, suprimir la fase de descarbonatación, y reducir las emisiones de CO₂ del horno de fusión. Permite también acelerar la fusión de las materias primas en su conjunto y favorecer su homogeneización durante la fusión, como se indica, por ejemplo, en las patentes FR 1211098 y FR 1469109. Sin embargo, esta vía plantea el problema de la fabricación de ese silicato.

Un primer modo de síntesis se ha descrito en el documento WO 0046161: se trata de convertir un haluro, por ejemplo NaCl, y sílice en silicato a alta temperatura, siendo suministrada la aportación térmica mediante quemadores sumergidos. Se conocía ya la combustión por quemadores sumergidos, por ejemplo en los documentos US 3627504, US3260587 o US4539034, para garantizar la fusión de materiales vitrificables para fabricar vidrio. Utilizar esta tecnología en el contexto diferente de la síntesis de silicatos, por tanto antes que la fabricación propiamente dicha del vidrio, aporta en efecto muchas ventajas: ese modo de combustión provoca en el seno de los materiales durante la reacción fuertes turbulencias, fuertes movimientos de convección alrededor de las llamas o chorros de gas de los quemadores sumergidos, lo que favorece una mezcla muy eficaz de los reactivos. Además, los quemadores sumergidos aportan directamente el calor donde es necesario, en la masa de los productos en curso de reacción. Este es también un modo de combustión respetuoso del medio ambiente. La conversión directa de NaCl y de sílice realizada de esta manera es, por tanto, muy atractiva por varias razones. Sin embargo, resulta que esta conversión directa era difícil de utilizar a gran escala.

El documento WO 03031357 enseña la fabricación de silicato en dos etapas distintas, haciendo intervenir la reacción global un haluro (como NaCl) y sílice para producir un silicato, pasando esta reacción global por la fabricación de un sulfato. Ese documento enseña que el azufre o carbón puede servir como combustible sólido.

La invención tiene por objetivo en primer lugar la puesta a punto de un procedimiento de fabricación de silicato particularmente productivo y fácil de utilizar a escala industrial. Accesoriamente, ese nuevo tipo de fabricación puede también ser respetuoso con el medio ambiente en la medida en que todos los productos de reacción implicados pueden ser valorados o reciclados.

Se entiende por "quemadores sumergidos" quemadores configurados de manera que las "llamas" que generan o los gases de combustión salidos de esas llamas se desarrollan en el reactor donde se realiza la conversión, en el seno mismo de la masa de los materiales en curso de transformación (masa de reacción). Generalmente se encuentran dispuestos de manera que están a ras o sobrepasan ligeramente las paredes laterales o el fondo del reactor utilizado.

La invención tiene por objetivo en primer lugar un procedimiento de fabricación de compuestos a base de silicato(s) de alcalinos, tales como Na, K, y/o alcalinotérreos, tales como Ca, Mg, y/o tierras raras tales como Ce, eventualmente en forma de silicatos mixtos que asocian al menos dos de esos elementos. Ese procedimiento hace intervenir una reacción de conversión de dichos sulfatos con sílice en los correspondientes silicatos, siendo proporcionado el aporte térmico necesario para esta conversión, al menos en parte, por una reacción de combustión que utiliza uno o una pluralidad de quemador(es) sumergido(s). En el horno de quemadores sumergidos se proporciona energía térmica suficiente para formar el silicato y que éste permanezca líquido y de viscosidad suficientemente débil para fluir suficientemente rápido fuera del horno. El interés de los quemadores sumergidos es proporcionar las calorías necesarias directamente en la masa de reacción líquida, provocando además este aporte una mezcla eficaz de los diferentes materiales en el horno debido a turbulencias provocadas por los gases que los remueven. De acuerdo con la invención, es preferible aportar lo esencial de energía para los quemadores sumergidos, pero no se excluye tampoco aportar una parte de ella por otro medio tal como resistencias eléctricas, aunque la coexistencia de resistencias eléctricas y de quemadores sumergidos no se recomiende (corrosión de las resistencias). Generalmente conviene un aporte calórico comprendido entre 500 y 2500 KWh por tonelada de silicato producido.

La combustión por los quemadores sumergidos necesita un aporte de oxígeno, sea en forma de oxígeno puro o en forma de una mezcla de oxígeno y de al menos otro gas, como es el caso del aire. Este oxígeno se destina a reaccionar con el combustible para proporcionar el calor necesario. Según la naturaleza del combustible y la manera de introducirlo, el combustible puede reaccionar más o menos rápidamente con el oxígeno. Así, si el combustible es un gas (un hidrocarburo como metano, propano o butano o un gas sulfurado como H₂S) que alimenta directamente al quemador sumergido ya alimentado de oxígeno, la combustión es rápida y se considera que es completa (por supuesto conviene aquí que el combustible y el oxígeno lleguen al mismo punto del quemador sumergido, por ejemplo por una célula de premezcla). Eso significa que si el quemador sumergido está alimentado de oxígeno y de gas combustible de manera estequiométrica, todo el gas combustible y todo el oxígeno reaccionan a la vez. Si por el contrario el oxígeno está en exceso con respecto a esta estequiometría, se escapará oxígeno por los humos, lo que es mensurable. Si está en exceso gas combustible con respecto a esta estequiometría, ese combustible tendrá también tendencia a escaparse, pero habrá un riesgo de postcombustión más o menos explosiva y ese escenario no se recomienda.

También se puede introducir combustible sólido como por ejemplo azufre sólido o carbono sólido (carbón). En ese caso el combustible sólido se introduce generalmente en la cuba de reacción como material vitrificable, es decir, independientemente de los quemadores... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento de preparación de silicato de un elemento elegido entre alcalinos, alcalinotérreos o tierras raras, que comprende una reacción entre sílice y un sulfato de dicho elemento en un reactor dotado de al menos un quemador sumergido en una mesa en fusión, estando alimentado dicho quemador sumergido por un gas que comprende oxígeno, siendo introducido en el reactor un exceso de combustible reductor con respecto al oxígeno consumido eficazmente.

2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación precedente, caracterizado porque el exceso de combustible reductor es un sólido o líquido fuente de carbono.

3. Procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el exceso de combustible reductor es un sólido o líquido fuente de azufre.

4. Procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el exceso de combustible reductor es un gas fuente de azufre.

5. Procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la fase silicato en la masa de reacción presenta una viscosidad comprendida entre 50 y 3000 poises.

6. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación precedente, caracterizado porque la fase silicato en la masa de reacción presenta una viscosidad comprendida entre 100 y 1000 poises.

7. Procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la masa de reacción tiene una temperatura comprendida entre 1000 y 1500ºC.

8. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación precedente, caracterizado porque la masa de reacción tiene una temperatura comprendida entre 1200 y 1400ºC.

9. Procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el exceso de combustible es suficiente para que el silicato no contenga inclusión de sulfato.

10. Procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el exceso de combustible representa 0,1 a 2 moles de equivalente de carbono y/o azufre por mol de sulfato.

11. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación precedente, caracterizado porque el exceso de combustible representa 0,3 a 1 moles de equivalente de carbono y/o azufre por mol de sulfato.

12. Procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el reactor está seguido por una cuba de refinado del silicato que sale del reactor.

13. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación precedente, caracterizado porque la temperatura del silicato en la cuba de refinado está comprendida entre la misma temperatura que en el reactor y 150ºC por debajo de la temperatura en el reactor.

14. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación precedente, caracterizado porque la temperatura del silicato en la cuba de refinado está comprendida entre 50ºC por debajo de la temperatura en el reactor y 150ºC por debajo de la temperatura en el reactor.

15. Procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 12 a 14, caracterizado porque la cuba está dotada de al menos un quemador sumergido.

16. Procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 12 a 15, caracterizado porque el redox del hierro en el silicato que sale de la cuba es inferior a 0,5.

17. Procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el silicato es de fórmula M_xO_y.n(SiO₂) en la que M_xO_y es Na₂O o K₂O y n representa un número de moles comprendido entre 1 y 4.

18. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación precedente, caracterizado porque n está comprendido entre 1,3 y 4.

19. Procedimiento de preparación de sílice precipitada que comprende

- una etapa a) de preparación de un silicato de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, estando dotado el reactor de una chimenea, la cual está dotada de un sistema de recuperación de los óxidos de azufre conducentes a ácido sulfúrico.

- una etapa b) de ataque ácido del silicato producido en a) por ácido sulfúrico producido en a), que conduce a sílice precipitada por una parte y a sulfato de dicho elemento por otra parte, siendo este último reciclado en a).

20. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación precedente, caracterizado porque la sílice precipitada presenta un tamaño comprendido entre 0,5 y 300 nm.