SIMILAR

MEMORIA DESCRIPTIVA

La presente solicitud de patente de invención se dirige a un sistema para la producción de hidróxido de litio (LiOH) directamente a partir de cloruro de litio (LiCI), sin necesidad de una producción intermedia de carbonato de litio o similar. Específicamente, la invención se dirige a un sistema que comprende los equipos necesarios para la producción directa de hidróxido de litio a partir de cloruro de litio. El sistema comprende sub-sistemas principales interconectados, un sub sistema de producción de U0H.H20 de alta pureza, el cual comprende unidades de conversión y cristalización, y un sub-sistema de producción de NaCI que comprende unidades de caustificación y cristalización de NaCI, todos los cuales permiten obtener hidróxido de litio monohidratado de alta pureza y cloruro de sodio como un subproducto del sistema.

ARTE PREVIO

La utilización de litio en sus múltiples formulaciones químicas ha tomado en los últimos años una importancia relevante en el mundo tecnológico en general. Dentro de las formulaciones se encuentra el hidróxido de litio, el cual se utiliza principalmente en la producción de grasas lubricantes capaces de funcionar en condiciones extremas de temperatura y carga. Aproximadamente el 70% de las grasas lubricantes producidas en el mundo contiene litio. El hidróxido de litio se utiliza también en baterías y colorantes.

De acuerdo a la publicación de la Comisión Chilena del Cobre “MERCADO INTERNACIONAL DEL LITIO Y SU POTENCIAL EN CHILE”, del año 2017, El litio es un metal con propiedades altamente valoradas en el presente, destacando una elevada conductividad eléctrica, baja viscosidad, muy liviano y bajo coeficiente de expansión térmica. Estas cualidades favorecen que tenga múltiples aplicaciones en el sector industrial y especialmente en el ámbito de las baterías, dada la tendencia tecnológica actual.

La electromovilidad impulsada por las campañas ambientales y por las regulaciones para disminuir la utilización de combustibles fósiles, sumado al desarrollo tecnológico de dispositivos electrónicos y sistemas de almacenamiento de energía son los factores que presionan al alza la demanda del litio futura. El significativo crecimiento que se proyecta para los automóviles eléctricos que utilizan baterías recargables como fuente de energía ha impulsado la demanda proyectada de litio, atendiendo la mayor densidad de carga de las baterías ion-litio y a que éstas han disminuido significativamente su valor.

A partir de fuentes de salmuera, usualmente, el litio es extraído bombeando la salmuera a la superficie para concentrarlo en pozas de evaporación en una serie de estanques solares (método convencional), produciendo finalmente una solución concentrada en cloruro de litio (LiCI). Esta solución rica en litio luego se procesa para producir carbonato de litio o hidróxido de litio.

En cuanto a productos, los principales compuestos de litio comercializados y producidos son el carbonato de litio (U2C03), hidróxido de litio monohidratado (U0H.H20) y cloruro de litio (LiCI), siendo el carbonato el que da cuenta de la mayor producción.

Unas de las ventajas de las operaciones de litio en salares es que el costo de bombear la salmuera, concentrarla en pozas de evaporación y procesarla en una planta para obtener carbonato o hidróxido de litio es menor que explotarlo de minerales. Este último tipo de explotación da cuenta de procesos similares al de una minería de roca que involucra perforación, tronadura, concentración de mineral y transporte.

En lo que respecta al hidróxido de litio (LiOH), es producido a partir de Carbonato de Litio o Sulfato de Litio, no existiendo alternativas comerciales de manufactura a partir de Cloruro de Litio (LiCI).

En general, en el arte previo los sistemas o plantas que se encuentran descritos corresponden a aquellos destinados a la producción de carbonato de litio y, a partir de este, obtener LiOH. Por lo tanto, no es posible encontrar un proceso que produzca LiOH a partir de LiCI evitando la producción de Carbonato de Litio. Así por ejemplo, La publicación de patente US10648090 describe un sistema integrado para generar una sal de litio a partir de un recurso líquido, que comprende:

(a) proporcionar una unidad de intercambio iónico, en el que dicha unidad de intercambio iónico comprende partículas de intercambio iónico que comprenden iones hidrógeno;

(b) poner en contacto dichas partículas de intercambio iónico en dicha unidad de intercambio iónico con dicho recurso líquido, en el que los iones de hidrógeno de dichas partículas de intercambio iónico se intercambian con iones de litio de dicho recurso líquido para producir partículas de intercambio iónico enriquecidas con litio en dicha unidad de intercambio iónico;

(c) tratar dichas partículas de intercambio iónico enriquecidas con litio con una solución ácida, en el que los iones de litio de dichas partículas de intercambio iónico enriquecidas con litio se intercambian con iones hidrógeno de dicha solución ácida para producir un eluato de litio;

(d) proporcionar opcionalmente un primer cristalizador para tratar dicho eluato de litio de la etapa (c) con un precipitante para precipitar dicha sal de litio y crear un eluato residual;

(e) proporcionar un sistema de electrólisis en comunicación fluida con dicha unidad de intercambio iónico o en comunicación fluida con dicho primer cristalizador, en el que dicho sistema de electrólisis comprende (A) uno o más electrodos reductores electroquímicamente, (B) uno o más electrodos oxidantes electroquímicamente, y (C) una o más membranas conductoras de iones;

(f) (i) pasar dicho eluato de litio del paso (c) a dicho sistema de electrólisis, o (ii) pasar dicho eluido residual de la etapa (d) a dicho sistema de electrólisis; (g)

(i) someter dicho eluato de litio del paso (c) en dicho sistema de electrólisis del paso (e) a una corriente eléctrica, en el que dicha corriente eléctrica provoca la electrólisis de dicho eluato de litio del paso (c) para producir una solución acidificada y una solución de sal de litio, o

(ii) someter dicho eluato residual del paso (d) a dicho sistema de electrólisis del paso (e) a una corriente eléctrica, en el que dicha corriente eléctrica provoca la electrólisis de dicho eluato residual para producir una solución acidificada y una solución basificada; y

(g) proporcionar opcionalmente un segundo cristalizador para cristalizar dicha solución de sal de litio de la etapa (i) para formar dicha sal de litio; donde dichas partículas de intercambio iónico comprenden partículas de intercambio iónico revestidas y dichas partículas de intercambio iónico revestidas comprenden un material de intercambio iónico y un material de revestimiento que comprende un cloro-polímero, un fluoro-polímero, un cloro-fluoro-polímero, un polímero hidrofílico, un polímero hidrofóbico, copolímeros de los mismos, mezclas de los mismos o combinaciones de los mismos.

Por su parte, la publicación RU2016103702 describe una Instalación para la obtención de hidróxido de litio monohidrato de alta pureza a partir de salmueras naturales que contienen litio, que incluye un dispositivo para la obtención de concentrado de litio primario, conectado por tuberías y accesorios con una fuente de salmuera natural, un receptor de salmuera madre, un recipiente para la recolección de concentrado de litio primario y una fuente de agua dulce; una unidad de electrólisis que contiene un electrolizador de membrana con una fuente de alimentación; tanques de católito y anolito; bombas de circulación de catolitos y anolitos; separadores de gas para hidrógeno catódico y cloro anódico; una unidad de evaporación para evaporar la solución de hidróxido de litio y separar los cristales de U0H.H20, que incluye un evaporador, un cristalizador, un condensador para vapor de condensado, una centrífuga para separar los cristales de LÍ0H-H20 de las aguas madres, una bomba para suministrar catolito para la evaporación; un evaporador para concentrar una solución de cloruro de litio purificada de impurezas, un recipiente para recoger una solución de cloruro de litio despojada con una bomba para transportarla, un absorbedor para utilizar el cloro del ánodo por absorción con una solución acuosa que contiene urea, con un tanque, una circulación bomba y una unidad de ventilación, un absorbedor para aprovechar el exceso de cloro anódico con una unidad de ventilación, un tanque para recoger el condensado, una fuente de vapor de calefacción, una fuente de agua de refrigeración, caracterizada porque la instalación para implementar el método contiene adicionalmente una osmosis inversa concentrador-desalador, un reactor con agitador para la purificación de reactivos de un concentrado de osmosis inversa, un filtro prensa para la separación de sedimentos y un recipiente para la recogida del concentrado de osmosis inversa purificado; concentrador de electrodiálisis para concentrar el concentrado de osmosis inversa purificado de impurezas, dos columnas de intercambio iónico para la purificación profunda del concentrado de electrodiálisis, un recipiente con solución de ácido clorhídrico, un recipiente con solución de hidróxido de litio, un evaporador para la evaporación profunda del concentrado de electrodiálisis, un recipiente refrigerado con un agitador para la cristalización de las sales de NaCI precipitadas de K y un filtro para su separación, un mezclador para preparar una solución de relleno en anolito para la conversión electroquímica de cloruro en hidróxido de litio; arandela de tornillo a contracorriente para cristales de U0H-H20; un secador de vacío y una máquina de llenado de hidróxido de litio monohidrato y un absorbedor para la absorción de cloruro de sodio.

A diferencia de los sistemas antes descritos del arte previo, el sistema de la invención no lleva a cabo procesos concentración como electrodiálisis, ni osmosis inversa, así como tampoco procesos electroquímicos, como electrólisis para conversión de LiCI en LiOH. Por lo tanto, se logra contar con un sistema que opera bajo principios de formación de LiOH y su conversión desde LiCI completamente distintos, fundamentado en el concepto de cristalización fraccionada.

De forma particular, la principal diferencia con la patente Rusa es la etapa de Conversión de LiCI a LiOH. En la presente invención la conversión ocurre por reacción química de LiCI con NaOH y su separación ocurre por cristalización fraccionada. En el documento RU2016103702 usan método electroquímico donde el proceso se efectúa por la aplicación de una corriente a un sistema electroquímico que utiliza una membrana separadora de cationes y aniones

B R EV E D E S C R I P C I O N D E LAS F I G U RAS Figura 1 : representa una vista isométrica del sistema general de la invención, en donde se muestran todos los equipos que componen el sistema para la producción directa de LiOH a partir de LiCI.

Figura 2: representa una vista isométrica de una modalidad preferida del sistema de la invención en el cual el sub-sistema de producción de LÍ0H.H20 de alta pureza está compuesto por al menos dos cristalizadores de LiOH crudo y al menos un cristalizador de LiOH de alta pureza.

Figura 3: corresponde a una vista isométrica y muestra el sub-sistema de producción de LiOH de alta pureza

Figura 4: representa una vista isométrica de una modalidad preferida del sistema de la invención en el cual se ilustra el sub-sistema de producción de NaCI que comprende un sistema de evaporación o de retiro de agua y al menos un cristalizador de NaCL.

Las figuras son meramente ilustrativas y cualquier extensión de componentes del sistema se entenderá incluido dentro del alcance de la protección.

Cada sub sistema puede incluir una purga en beneficio de la calidad del producto final. D E S C R I P C I O N D E LA I NV E N C I O N

El sistema para la producción de hidróxido de litio (LiOH) directamente a partir de cloruro de litio (LiCI), sin necesidad de una producción intermedia de carbonato de litio o similar, está conformado por dos sub-sistemas, un sub sistema de producción de LiOH de alta pureza y un sub-sistema de producción de NaCI.

El sistema comprende un estanque de salmuera LiCI (1) y un estanque de un licor madre proveniente del sub-sistema de NaCI (2), los cuales se encuentran conectados al sub-sistema de producción de LiOH de alta pureza, el que a su vez comprende un equipo de conversión (3) de LiCI a LiOH crudo. El equipo de conversión (3) es un equipo cristalizador que genera una corriente de LiOH crudo. El equipo de conversión (3) está conectado a un equipo de separación solido-líquido (4) desde el cual se generan dos corrientes: una solución líquida (LM1) que corresponde a un licor madre 1 que se alimenta desde el equipo de separación solido-líquido centrifugación (4) hasta un estanque de recepción (9) de licor madre 1 en la entrada del sub-sistema de producción de NaCI; y una segunda corriente que corresponde a cristales de LiOH crudo que se alimenta del mismo equipo de separación sólido-líquido (4)hasta un estanque de disolución (5) de LiOH crudo. Equipo (4) puede ser por ejemplo un equipo centrifugo. Este estanque de disolución (5) está conectado al menos a un equipo cristalizador (6) en donde se produce el LiOH de alta pureza. Del mismo modo, el estanque (A) proporciona el agua necesaria al estanque de disolución (5) para disolver LiOH crudo. El equipo cristalizador de U0H.H20 está conectado a un segundo equipo de separación sólido-liquido (7) que posee dos salidas desde la cual se generan dos productos: una salida con una corriente sólida de cristales de U0H.H20 de alta pureza que se envía a una unidad de secado de cristales (8); y otra salida con una corriente líquida con licor de LiOH puro que puede ser alimentada al estanque de disolución (5) de LiOH crudo, así como también al equipo de conversión (3).

El sub-sistema de producción de NaCI está conformado por dicho estanque de recepción (9) de licor madre 1 y un estanque de NaOH (16), en que ambos estanques a su vez están conectados a un equipo de caustificación (10), el cual está conectado a un sistema de evaporación o retiro de agua desde la solución alimentada, y una unidad cristalizadora de NaCI (17). Desde este último se generan dos salidas, una corresponde a licor de NaCI que se encuentra conectado a estanque de licor de NaCI (13), siendo este licor de NaCI el licor madre 2 (LM2) que es alimentado al estanque de LM2; y la otra salida corresponde a una pulpa de NaCI que se conecta a un tercer equipo de separación sólido-liquido (11) desde donde se produce la separación de cristales de NaCI que son almacenados en el unidad de cristales de NaCI (12). El estanque de licor NaCI o LM2 (13) está conectado al estanque inicial de licor de NaCI (2), quedando de esta forma ambos sub-sistemas , el de producción de LiOH de alta pureza y el de producción de NaCI, conectados por medio de los circuitos de licor madre 1 y licor madre 2, generando un sistema circular que permite la producción de UOH.H2O de alta pureza directamente a partir de salmueras de LiCI, sin co-precipitacion de NaCI. En una modalidad preferida de ejecución de la invención, el sub-sistema de producción de UOH.H2O de alta pureza comprende al menos dos equipos de cristalización de LiOH crudo (21 y 22). Los estanques de cristalización de LiOH pueden estar dispuestos en serie (como se ilustra en la figura 2). En el caso de la modalidad ilustrada, el equipo de cristalización (22) está conectado al equipo de centrifugación (4) desde el cual se conecta la salida de licor madre 1 (LM1 ) con el estanque (9) de recepción de dicho LM1 . En esta modalidad preferida de la invención, el sub-sistema de producción de LiOH de alta pureza comprende, además, al menos un equipo de cristalización de LiOH de alta pureza (23). El equipo de cristalización (23) está conectado a un equipo de separación sólido- liquido (7) desde el cual se generan dos salidas, una corresponde a la salida de licor de LiOH de alta pureza que se dirige a estanque (14), el cual está conectada al estanque de disolución (5) y al equipo de conversión (3); y la otra salida corresponde a los cristales de UOH.H2O de alta pureza, que está conectada a unidad de secado de cristales (8).

En otra modalidad preferida de la invención, el sub-sistema de producción de NaCI, comprende múltiples equipos evaporadores y un equipo cristalizador tal como se ilustra en la figura 4. En esta modalidad preferida de la invención, el sub-sistema de cristalización de NaCI comprende equipos evaporadores y cristalizadores (17), (18) y (19) conectados en serie, en donde el equipo de caustificación (10) - el que a su vez está conectado al estanque de recepción (9) del licor madre 1 (LM1 ) y al estanque de NaOH (16) que alimentan al equipo de caustificación (10) - está conectado al sistema de evaporación y cristalización de NaCI que inicia con unidad (17). Por otra parte, el último equipo del sistema de evaporación y cristalización de NaCI (19) se encuentra conectado a un equipo de separación sólido-liquido (21 ) desde el cual sale una corriente sólida que se dirige al equipo de almacenamiento de cristales de NaCI (12), puesto que la salida de licor de NaCI del equipo de separación sólido-liquido (21 ) puede estar conectada directamente al estanque de licor de NaCI (13) y desde ahí alimentar directamente el licor madre 2 (LM2) hasta el estanque de licor de NaCI (2) al inicio del sistema. De igual forma, para llevar a cabo la evaporación, la unidad de evaporación y cristalización (17) cuenta con una entrada desde un generador de vapor (V). El ciclo se cierra con la salida de vapor desde la unidad evaporadora cristalizadora (19) por medio de la salida (S).