CARACTERÍSTICAS DEL ÁCIDO SULFÚRICO
El ácido sulfúrico es un líquido viscoso, de densidad 1,83 g/ml, transparente e incoloro cuando se encuentra en estado puro, y de color marrón cuando contiene impurezas. Es un ácido fuerte que, cuando se calienta por encima de 30ºC desprende vapores y por encima de 200ºC emite trióxido de azufre. En frío reacciona con todos los metales y en caliente su reactividad se intensifica. Tiene gran afinidad por el agua y es por esta razón que extrae el agua de las materias orgánicas, carbonizándolas.
Por la acción corrosiva sobre los metales, el ácido sulfúrico genera hidrógeno molecular, gas altamente inflamable y explosivo.
Propiedades:
Nombre químico
Acido Sulfúrico
Fórmula
H2SO4
Estado Físico
Líquido
Color
Claro, de incoloro a turbio
Punto de inflamación
No tiene
Corrosión
Altamente corrosivo a casi todos los metales con desprendimiento de hidrógeno.
Reactividad
Además de atacar a muchos metales, es un agente fuertemente oxidante y puede causar inflamación en contacto con materiales orgánicos y productos como nitratos y cloratos.
Reacciona
Exotérmicamente con el agua.
Temperatura de ebullición
160 a 332ºC dependiendo de su concentración.
Higroscopocidad
Sí.
PROCESOS POSIBLES
PROCESOPROCESOEL azufre puede provenir de diferentes materias primas, y dependiendo de su origen, una vez llevado a planta, será necesario acondicionarlo o almacenarlo de diferente manera. Las posibles fuentes son:
PROCESO
PROCESO
Azufre líquido. Procedente de la desulfuración del crudo y/o gas natural.
Pirita.
Minerales no férreos con azufre.
Gases procedentes de diferentes fuentes que contengan azufre.
Sales de sulfato.
Después de su recepción y almacenamiento, se preparan las materias primas para obtener el SO2, según el tipo de materia prima con la que trabajemos obtendremos SO2, de una manera u otra:
Combustión del Azufre. Se oxida en una o dos etapas entre los 900°-1800°. Esta combustión se realiza en la caldera poniendo en contacto el azufre líquido con el aire seco.
Tueste de la pirita. El equipo más utilizado es el lecho fluidizado, además del azufre se obtienen como subproductos óxidos de hierro y energía, los gases de azufre de salida deben ser tratados en varios ciclones filtros y depuradoras de alta eficacia.
Tueste y fusión de metales con azufre. Se puede obtener SO2 a partir de procesos de producción de cobre, de zinc y de plomo.
Regeneración del ácido sulfúrico. Es la descomposición térmica de ácido sulfúrico agotado, que ha podido ser utilizado como catalizador o para limpieza.
Tueste de otros metales de azufre.
Combustión del H2S y otros gases que contengan azufre.
En la oxidación catalítica el SO2 pasa a SO3 y luego en la torre de absorción se pasa de SO3 a H2SO4.
Existen siete procesos posibles en la fabricación del ácido sulfúrico, en función del contenido en % de SO2 a la entrada del horno de oxidación. Si es > 3% Vol. Los procesos posibles son:
Proceso de contacto simple. Los gases de SO2 secos y limpios se oxidan a SO3 y pasan a una torre de absorción, la concentración obtenida es aproximadamente del 99%, dependiendo del catalizador y del diseño.
Proceso de doble contacto. Se puede alcanzar una conversión del 98,5-99,5%. El ácido pasa por dos torres de absorción, la torre intermedia desplaza la reacción y se forma más cantidad de SO3, el SO3 producido es absorbido en la torre de absorción final.
Proceso de contacto húmedo. Este proceso se utiliza para tratar los gases que salen de la fusión del molibdeno.
Contenido de SO2 a la entrada de la caldera < 3% Vol.
Proceso modificado de cámara de plomo. Para gases con mezcla de SO2 y NOx. Este proceso es el desarrollo de otro por el cual los óxidos de nitrógeno se usan para promover la producción de ácido sulfúrico a partir directamente del SO2 produciendo un producto intermedio de ácido nitro sulfurado.
Proceso H2O2. Se utiliza el agua oxigenada en la etapa de la conversión de SO2 a SO3 El coste del agua oxigenada hace que sea una técnica muy cara.
Proceso de presión. En las reacciones de formación del H2SO4 son muchos parámetros los que pueden influenciar la eficacia de la conversión, y la presión es uno de ellos, desplazando la reacción hacia los productos Proceso en el cual la oxidación y la absorción son afectadas por la alta presión. Las ventajas: mayor conversión con menos catalizador, y volúmenes de gas más pequeños, los inconvenientes: mayor consumo de energía, y menor producción de vapor.
Unsteady state oxidation process. La corriente de SO2 fría entra en un lecho catalizador, y es calentado por el calor almacenado, en ese momento se produce una conversión en la reacción generándose calor. Cuando la parte delantera se cierra, el flujo del reactor cambia. El proceso es autotérmico con una concentración de SO2 de 0,5-3%.
Dilución. La concentración del ácido producido varía entre 95,5-99,5 % y es diluido a las concentraciones comerciales de 78 %.
Limpiado del SO2. Se sopla aire a través del ácido caliente para reducir el SO2. Este aire con SO2, se devuelve al proceso.
Purificación. Se puede filtrar el producto para eliminar impurezas que provienen de los equipos.
Desnitrificación. Hay varios métodos para eliminar los óxidos de nitrógeno.
Decoloración. El ácido producido puede tener hidocarburos o residuos carbonosos que se absorben en el ácido y provocan un color negro. Cuando esto ocurre, suele decolorarse el producto final.
PROCESOS EXISTENTES EN LA COMUNIDAD AUTÓNOMA DEL PAÍS VASCO
Como se ha mencionado anteriormente en la Comunidad Autónoma del País Vasco hay una única planta de producción de ácido sulfúrico, por lo que sólo se da un proceso de fabricación, el cual se describe a continuación.
El residuo procedente de la desulfuración del crudo es suministrado de forma sólida, constituyéndose así en la única materia prima de este proceso. Se trata primero en una instalación de fusión, se filtra y se almacena de forma líquida.
El proceso productivo consiste en la combustión del azufre líquido (cinco etapas de contacto sobre catalizador de pentóxido de vanadio) donde el SO2 pasa a SO3 y se realiza una doble absorción de este gas para obtener ácido sulfúrico y oleum.
Las distintas etapas de este proceso son altamente exotérmicas por lo que se realiza un aprovechamiento de la energía calorífica, parte utilizada en la fusión del azufre, y el resto para la producción de energía eléctrica (que se utiliza para autoconsumo y para exportar a la red).
Origen de las materias primas Azufre
Es la materia prima en la fabricación del ácido sulfúrico y procede de la desulfuración del gas natural y del crudo de petróleo.
El azufre se puede recibir en la planta de forma sólida o líquida. El azufre sólido se recibe normalmente por barco o carretera, y el azufre líquido por carretera.
El azufre en estado sólido es tratado previamente en una instalación de fusión, filtrado y posteriormente almacenamiento en estado líquido.
Una vez que el azufre está en forma líquida, es necesaria su transformación a SO2, sustancia a partir de la que se producirá el H2SO4.
Aire
El aire antes de ser introducido en el proceso pasa por una torre de secado.
Combustión del azufre
La reacción que se produce en esta etapa es:
S+O2 SO2+cal
El azufre, se oxida en una unidad de combustión a 900° - 1.800° C. La unidad de combustión es un horno caldera consistente en una cámara de combustión y un refrigerador de gases.
La relación SO2/O2 en los gases de entrada no suele ser superior al 0,8 con objeto de alcanzar un elevado grado de conversión.
Conversión del SO2 a SO3
La reacción de conversión de SO2 en SO3 esta basada en la siguiente reacción de equilibro en presencia de catalizador.
El catalizador utilizado es el pentóxido de vanadio.
SO2+12O2 SO3
Esta reacción es exotérmica, y se puede maximizar su rendimiento teniendo en cuenta:
Que la eliminación del calor de reacción por medio de refrigeración favorece la formación de SO3.
Que el incremento de la cantidad de O2 hará que el equilibrio de la reacción se desplace produciendo mas
SO3.
Que con la retirada del SO3 producido también conseguimos desplazar el equilibrio de la reacción (esto se produce en los procesos de doble absorción).
Que incrementando la presión también favorecemos la formación de SO3.
Que la elección del catalizador, que reduzca la temperatura de trabajo es importante para el rendimiento.
Que un mayor tiempo de reacción favorece así mismo la conversión.
Absorción de SO3
El ácido sulfúrico se obtiene absorbiendo SO3 en agua en presencia de H2SO4 (con una concentración de al menos el 98%).
La eficiencia de este paso está relacionada con:
La concentración de H2SO4 (98,5-99,5%) en el líquido absorbente.
El rango de temperatura del líquido (normalmente entre 70°C - 120°C).
La técnica de distribución del ácido.
El nivel de humedad del gas.
El tipo separador de gotas o filtros de nieblas.
La temperatura del gas de entrada.
Que el flujo de gas sea en contracorriente o no.
Las emisiones de SO3 dependen de:
La temperatura del gas que abandona la absorción.
La construcción y el modo de operar de la torre de absorción final.
El equipamiento para separar las nieblas de H2SO4
Las nieblas de ácidos formadas antes de la torre de absorción por la presencia de vapor de agua.
Procesos de Doble Contacto
En procesos de doble contacto la eficacia de la primera conversión es de 80 - 93 %, dependiendo de la disposición de los lechos y del tiempo de contacto. Después de la refrigeración de los gases hasta los 190° C, el SO3 formado se pasa a una torre de absorción intermedia con ácido sulfúrico en una concentración de 98,5 - 99,5 %.
La torre de absorción intermedia es precedida en el proceso de doble contacto por otra torre de absorción de oleum. Esta torre de oleum sólo entra en funcionamiento para obtener oleum. La absorción intermedia de este SO3 formado en las primeras etapas, desplaza la reacción hacia la formación de más SO3 en las siguientes etapas de conversión. El SO3 producido en la etapa secundaria es absorbido en la torre de absorción final.
Con este tipo de proceso se alcanzan en condiciones normales, niveles de conversión del 99,6%.
UTILIZACIÓN DEL ÁCIDO SULFÚRICO EN LA INDUSTRIA
En variados procesos industriales, es utilizado como agente tratante; es el caso específico de la minería en que es empleado como agente lixiviador, para extraer en forma selectiva algunos elementos como Cu, Ni, Fe. En la industria de la refinación electroquímica del Cu es utilizado como electrólito conductor en las celdas.
Otros procesos industriales lo incluyen en la refinación de petróleo y la manufactura de químicos orgánicos.
PLANTAS DE ACIDO: UN CONCEPTO ECOLÓGICO
En el proceso de fundición de minerales sulfurados de cobre, se produce una gran cantidad de dióxido de azufre (SO2), compuesto altamente contaminante que se emite a la atmósfera.
Mediante la planta de ácido es posible retirar de los gases este compuesto tóxico, y convertirlo en ácido sulfúrico, utilizando una serie de procesos físicos y químicos.
Además el proceso de producción de ácido elimina de los gases algunas impurezas que son contaminantes atmosféricos, como el arsénico, mercurio, selenio y otros metales; lo que permite descartar gases por la chimenea sin SO2 y limpio de estas impurezas contaminantes.
CARACTERÍSTICAS DEL ÁCIDO FOSFÓRICO
De fórmula química H3PO4, ácido que constituye la fuente de compuestos de importancia industrial llamados fosfatos. A temperatura ambiente, el ácido fosfórico es una sustancia cristalina con una densidad relativa de 1,83. Tiene un punto de fusión de 42,35 °C. Normalmente, el ácido fosfórico se almacena y distribuye en disolución. Se obtiene mediante el tratamiento de rocas de fosfato de calcio con ácido sulfúrico, filtrando posteriormente el líquido resultante para extraer el sulfato de calcio. Otro modo de obtención consiste en quemar vapores de fósforo y tratar el óxido resultante con vapor de agua. El ácido es muy útil en el laboratorio debido a su resistencia a la oxidación, a la reducción y a la evaporación. Entre otras aplicaciones, el ácido fosfórico se emplea como ingrediente de bebidas no alcóholicas, como pegamento de prótesis dentales, como catalizador, en metales inoxidables y para fosfatos que se utilizan, como ablandadores de agua, fertilizantes y detergentes.
TECNOLOGÍA PARA LA OBTENCIÓN DEL ÁCIDO FOSFÓRICO
El ácido fosfórico, se pueden obtener por dos métodos.
Via Seca: Formación del ácido a partir de fósforo elemental. Este consta de los siguientes pasos:
1. Combustión del Fósforo
2P+5O2 2PO5
2. Hidratación del P2O5 resultante:
P2O5+3H2O 2H3PO4
3. Recogida de los humos. Precipitador electroestático
Cámara de combustiónCámara de hidrataciónPrecipitadorCámara de combustiónCámara de hidrataciónPrecipitador
Cámara de
combustión
Cámara de
hidratación
Precipitador
Cámara de
combustión
Cámara de
hidratación
Precipitador
Vía Húmeda: Existen a nivel mundial varias tecnologías para esta variante de obtención de H3PO4.
Rhone Poulene: consta de 1 reactor con agitador central y con baffles, existe una adición de H2SO4 en diversos puntos a través de dispersión. No posee sistema de recirculación.
Prayon: consta de un único reactor dividido en tres diferentes secciones. Consta con varios agitadores en cada sección y la adición de H2SO4 normalmente se realiza en las 2 primera secciones.
Siape: se recomienda para rocas de alto contenido de carbonatos donde se utiliza la emisión de CO2 como medio de agitación y conducción de fluido. Consiste en un reactor con un cilindro interno donde se adiciona el H2SO4, acido de reciclo y la roca
Molienda: Su función es el de disminuir el tamaño de los cristales de roca fosfática. En donde se debe tener un control del tamaño de la partícula. Más gruesos: quedaría roca sin atacar por efectos del tiempo de residencia en los reactores y la formación de capas de yeso sobre la superficie de la roca que impedirían la reacción completa. Más finos: alterarían el equilibrio por formación de cristales irregulares a focalizarse zonas de alta acidez libre y otras bajas.
Reacción: En los 3 reactores colocados en conjunto, ocurre la reacción en donde se transforma la roca fosfática en ácido fosfórico al reaccionar con el ácido sulfúrico y agua. En donde la reacción principal es:
Ca3(PO4)2+3H2SO4+6H2O 3CaSO4.2H2O+2H3PO4
Esta reacción se realiza en 2 etapas
1. Fosfato Monocálcico
Ca3(PO4)2+4H3PO4 3Ca(H2PO4)2
2. Lodo de Reacción
3Ca(H2PO4)2+3H2SO4+6H2 3CaSO4.2H2O+6H3PO4
Los gases generados en la reacción están formados principalmente por tetrafluoruro de sílice el cual reacciona con agua para formar ácido fluorsilicico en solución y oxido de sílice.
Los gases generados en la reacción están formados principalmente por tetrafluoruro de sílice el cual reacciona con agua para formar ácido fluorsilicico en solución y oxido de sílice.
El agua rociada dentro del sistema del venturi (lavado de los gases y extracción a la atmósfera), reacciona con los compuestos fluorados, reduciendo la emisión a la atmósfera.
Filtración: Consiste en separar el lodo proveniente de reacción, en yeso dihidratado y ácido fosfórico del 28% de P2O4
Tratamiento Químico: Se efectúa un tratamiento químico al ácido fosfórico a fin de hacerlo apto para el consumo de la planta de polifosfatos.
Decantación: Se pasa a un decantador para poder separar el ácido fosfórico de los demás componentes presente en la corriente.
Evaporización: Se evapora la solución para aumentar la concentración de ácido fosfórico producido de 28% P2O5 hasta una concentración deseada de 54% P2O5.
Almacenamiento: Por último se almacena el fluido en los tanques correspondientes
UNIVERSIDAD DE CARABOBO
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA
CATEDRA DE PROCESOS QUIMICOS
PROCESO DE OBTENCIÓN DEL ÁCIDO SULFÚRICO Y FOSFÓRICO
Profesor: Diana Acosta
Sección: 63
Integrantes:
Barrera Taylor
Valencia, 21 de Octubre de 2013
