Ácido sulfúrico 1

Producción deácido sulfúrico

Química de los procesos industriales2006

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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

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Propiedades

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

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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

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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)

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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

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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%

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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)

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Extracción por método Frasch

En la actualidad, la extracción de azufre elemental representa sólo el 13% de la producción

En 1973, representaba el 73%

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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

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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

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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)

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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

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Aprovechamiento de minerales piríticos

FeS2, MeS

Flotación Tostación

SO2 Fe2O3, MeOMeS FeS

TostaciónMetales H2SO4 Fe2O3

SO2 Metales

Ceniza

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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

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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

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Método de las cámaras de plomo

CatálisisHomogéneapor NO2

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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

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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

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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

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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

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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

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Esquema del proceso

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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

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Operación del convertidor (I)

Enfriamientoentre etapas

CatalizadorV2O5

sobrezeolitas

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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)

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Doble contacto

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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%)

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Absorbedores

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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