Producción de ácido sulfúrico - Departamento Estrella Campos Facultad de Química Universidad...
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Ácido sulfúrico 2
Importancia del ácido sulfúrico
Es el producto químico de mayor producción a escala mundial Producción anual mundial:
150 MTon Es una medida del potencial químico-industrial
de un país Ácido fuerte, fijo, de bajo precio Se utiliza principalmente en la industria
química como reactivo en diferentes procesos
Ácido sulfúrico 4
Propiedades químicas
Ácido H2SO4(ac) HSO4
-(ac) SO42-(ac)
Oxidante Cu + H2SO4 CuSO4 + SO2 + H2O
Deshidratante C11H22O11(s) + H2SO4(l) C(s) + H2O + H2SO4(ac)
Sulfonante CH3C6H5(l) + H2SO4(l) CH3C6H4SO3H + H2O
Ácido sulfúrico 5
Usos
Uso PorcentajeFertilizantes 68
Refinación petróleo 8
Metalurgia 5
Compuestos inorgánicos 5
Compuestos orgánicos 5
Pulpa y papel 3
Tratamiento de agua 2
Otros 4
Ácido sulfúrico 6
Productos comerciales
Concentración Ácido de baterías: 33.5% Ácido para fertilizantes: 62.2% Ácido de Glover: 77.7% Reactivo: 98%
Pureza Técnico (fertilizantes, metalurgia) Puro (baterías, productos orgánicos)
Ácido sulfúrico 7
Esquema de fabricación
Obtención de SO2(g), a partir de: Azufre Sulfuros de metalurgias no-ferrosas Ácido sulfhídrico (gas natural y petróleo) Reciclaje de ácido sulfúrico
Oxidación SO2(g) SO3(g) Método de las cámaras de plomo Método de contacto
Absorción de SO3(g) por agua
Ácido sulfúrico 8
Azufre
Estado natural Elemental (4%)
Depósitos sedimentarios y volcánicos
Combinado Sulfuros metálicos (4%) Combustibles fósiles (87%) Gas natural (5%) Sulfatos (yeso)
Propiedades Sólido amarillo pálido,
con varias formas alotrópicas
Temperatura de fusión: 112-114ºC
Viscosidad alta a temperaturas menores de 160ºC
Abundancia en corteza 0.05%
Ácido sulfúrico 9
Proceso Frasch (1900)
Se extrae azufre elemental de depósitos subterráneos
Profundidad: 50-80m Azufre mezclado con minerales
Tres tuberías concéntricas Inyección de agua sobrecalentada a 165ºC
(central) Inyección de aire comprimido caliente (externa) Ascensión de azufre líquido espumado
(intermedia)
Ácido sulfúrico 10
Extracción por método Frasch
En la actualidad, la extracción de azufre elemental representa sólo el 13% de la producción
En 1973, representaba el 73%
Ácido sulfúrico 11
Proceso Claus
Materia prima H2S (gas natural, depuración de gases
residuales de utilización o procesamiento de combustibles fósiles)
Alto rendimiento (96-98%) y elevada pureza del azufre obtenido
Por regulaciones ambientales, en la actualidad representa aproximadamente el 50% del azufre producido
Ácido sulfúrico 12
Proceso en dos etapas Etapa térmica
H2S es oxidado por aire (combustión) Horno a alta temperatura Se forma SO2 como producto principal,
quedando H2S sin reaccionar y produciéndose algo de azufre
Etapa catalítica H2S reacciona con SO2 para formar azufre Bajas temperaturas Catalizador: bauxita
Ácido sulfúrico 13
Reacciones
2 H2S(g) + 3O2 (g) 2 SO2(g) + 2H2O (g)
4 H2S(g) + 2 SO2(g) 6 S(g) + 4H2O (g)
6 H2S(g) + 3O2 (g) 6 S(g) + 6H2O (g)
Ácido sulfúrico 14
Esquema de producción
H2S
O2 (Aire)
Horno deCombustión950-1250 ºC
Intercambiador
S (Liq)
H2O (Vapor)
Reactor Catalítico
170-350 ºC
H2O (Vapor)
S (Liq)Condensador
Reacción total: 3H2S + 3/2O2 3S + 3H2O
Hº = -664 kJ
Ácido sulfúrico 15
Aprovechamiento de minerales piríticos
FeS2, MeS
Flotación Tostación
SO2 Fe2O3, MeOMeS FeS
TostaciónMetales H2SO4 Fe2O3
SO2 Metales
Ceniza
Ácido sulfúrico 16
Producción de SO2 por tostación Minerales piríticos
La pirita (FeS2) pulverizada se quema en presencia de aire a temperaturas cercanas a 1000 ºC y se produce SO2 y óxidos de hierro
El SO2 producido se encuentra contaminado con polvo, humedad. El gas debe ser sometido a varias etapas de purificación antes de alimentarlo a oxidación catalítica.
• FeS2 Pirita• ZnS Esfalerita o blenda• CuFeS2 Calcopirita• FeS Pirrotita• FeZnS2 Esfalerita• PbS Galena• HgS Cinabrio• Cu2S Calcosina• CuS Covellita• Cu3FeS3 Bornita• AsFeS Mispiquel
Ácido sulfúrico 17
Hornos de tostación Reacciones
2FeS2 + 11/2O2 Fe2O3 + 4SO2
+ 411.1 Kcal 3FeS2 + 8O2
Fe3O4 + 6SO2
+ 585.8 Kcal Dos objetivos
Obtener gas y cenizas Recuperar el calor
generado
Ácido sulfúrico 19
Proceso Cámaras
Oxidación de H2SO3 a H2SO4
Torre de Gay-Lussac Absorción de óxidos de nitrógeno
provenientes de las cámaras Torre de Glover
Enfriamiento de gases Concentración de ácido de cámaras Desnitración de ácido proveniente de torre
Gay-Lussac
Ácido sulfúrico 20
Reacciones químicas Cámaras
SO2 + H2O H2SO3
H2SO3 + NO2 H2SO4·NO H2SO4·NO H2SO4 + NO NO + ½ O2 NO2
SO2 + ½ O2 + H2O H2SO4
Torre de Glover NOHSO4 + HNO3 H2SO4 + 2NO2
2 NOHSO4 + H2O 2H2SO4 + NO + NO2
Torre de Gay-Lussac (N2O3, N2O4) + H2SO4 NOHSO4 + HNO3 + H2O
Ácido sulfúrico 21
Método de contacto
Es el utilizado actualmente Produce ácido 98-99% Oxidación de SO2 a SO3 en reacción
catalítica heterogénea, con V2O5 como catalizador
Tres etapas Depuración de gases de entrada Reacción catalítica Absorción de SO3
Ácido sulfúrico 22
Depuración de gases Especialmente necesaria cuando el SO2
proviene de tostación de piritas Impurezas a eliminar
Polvo As2O3 Haluros Agua
Al entrar al convertidor, el SO2 tiene concentración de 10-12% y temperatura 420ºC
Ácido sulfúrico 23
Reacciones Reacciones químicas
S + O2 SO2
SO2 + ½O2 SO3
SO3 + H2O H2SO4
S + 3/2O2 + H2O H2SO4
Reacciones catalíticas SO4
2- + SO3 S2O72-
2V5+ + O2- + SO2 SO3 + 2V4+
2V4+ + ½O2 2V5+ + O2-
SO2 + ½O2 SO3
Ácido sulfúrico 25
Convertidor Reacción:SO2(g) + ½O2(g) SO3(g)
Hº = -95.5 kJ/mol Constante de equilibriokP = pSO3/ pSO2·pO2
0.5
Conversión presión temperatura velocidad
Ácido sulfúrico 26
Operación del convertidor (I)
Enfriamientoentre etapas
CatalizadorV2O5
sobrezeolitas
Ácido sulfúrico 27
SO2 410-430ºC
4 (99.5%)3 (93%)
21
% Conversión 60-65% T = 615-635 ºC
% Conversión 60-65% T =435-450 ºC
% Conversión 85-90% T = 520 ºC
% Conversión 85-90% T = 435-455 ºC
Int.
Int.
Operación del convertidor (II)
Ácido sulfúrico 29
Absorción de SO3
Reacción: SO3(g)+ H2O(l) H2SO4(l)
Hº = -89 kJ/mol La reacción directa no se utiliza, porque el fuerte
desprendimiento de calor lleva a ebullición la solución
El SO3 se absorbe en ácido sulfúrico 98% En exceso de SO3, puede formarse
H2SO4·SO3 (óleum 20%)
Ácido sulfúrico 31
Aspectos ambientales
Las emisiones de SO2(g), SO3(g) y vapor de H2SO4 representan los principales riesgos ambientales
En todos los casos, pueden contribuir a la lluvia ácida Se toma como referencia de contaminación la
cantidad de SO2/SO3 liberado a la atmósfera, por unidad de producción de ácido sulfúrico
En escala global, las plantas de producción de ácido sulfúrico no representan la contribución principal a la lluvia ácida Las plantas de generación de energía eléctrica que
utilizan combustibles fósiles son la fuente principal