Ácido sulfúrico1 Producción de ácido sulfúrico Química de los procesos industriales 2006.

Presentación del tema: "Ácido sulfúrico1 Producción de ácido sulfúrico Química de los procesos industriales 2006."— Transcripción de la presentación:

1 Ácido sulfúrico1 Producción de ácido sulfúrico Química de los procesos industriales 2006

2 Ácido sulfúrico2 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

3 Ácido sulfúrico3 Propiedades

4 Ácido sulfúrico4 Propiedades químicas Ácido H 2 SO 4 (ac)  HSO 4 - (ac)  SO 4 2- (ac) Oxidante Cu + H 2 SO 4  CuSO 4 + SO 2 + H 2 O Deshidratante C 11 H 22 O 11 (s) + H 2 SO 4 (l)  C(s) + H 2 O + H 2 SO 4 (ac) Sulfonante CH 3 C 6 H 5 (l) + H 2 SO 4 (l)  CH 3 C 6 H 4 SO 3 H + H 2 O

5 Ácido sulfúrico5 Usos UsoPorcentaje Fertilizantes68 Refinación petróleo8 Metalurgia5 Compuestos inorgánicos5 Compuestos orgánicos5 Pulpa y papel3 Tratamiento de agua2 Otros4

6 Ácido sulfúrico6 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)

7 Ácido sulfúrico7 Esquema de fabricación Obtención de SO 2 (g), a partir de: Azufre Sulfuros de metalurgias no-ferrosas Ácido sulfhídrico (gas natural y petróleo) Reciclaje de ácido sulfúrico Oxidación SO 2 (g)  SO 3 (g) Método de las cámaras de plomo Método de contacto Absorción de SO 3 (g) por agua

8 Ácido sulfúrico8 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%

9 Ácido sulfúrico9 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)

10 Ácido sulfúrico10 Extracción por método Frasch En la actualidad, la extracción de azufre elemental representa sólo el 13% de la producción En 1973, representaba el 73%

11 Ácido sulfúrico11 Proceso Claus Materia prima H 2 S (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

12 Ácido sulfúrico12 Proceso en dos etapas Etapa térmica H 2 S es oxidado por aire (combustión) Horno a alta temperatura Se forma SO 2 como producto principal, quedando H 2 S sin reaccionar y produciéndose algo de azufre Etapa catalítica H 2 S reacciona con SO 2 para formar azufre Bajas temperaturas Catalizador: bauxita

13 Ácido sulfúrico13 Reacciones 2 H 2 S(g) + 3O 2 (g)2 SO 2 (g) + 2H 2 O (g) 4 H 2 S(g) + 2 SO 2 (g) 6 S(g) + 4H 2 O (g) 6 H 2 S(g) + 3O 2 (g)6 S(g) + 6H 2 O (g)

14 Ácido sulfúrico14 Esquema de producción H2SH2S O 2 (Aire) Horno de Combustión 950-1250 ºC Intercambiador S (Liq) H 2 O (Vapor) Reactor Catalítico 170-350 ºC H 2 O (Vapor) S (Liq) Condensador Reacción total: 3H 2 S + 3/2O 2  3S + 3H 2 O  Hº = -664 kJ

15 Ácido sulfúrico15 Aprovechamiento de minerales piríticos FeS2, MeS Flotación MeS Metales FeS Tostación SO2 Ceniza Tostación SO2 H2SO4 Fe2O3, MeO Fe2O3 Metales

16 Ácido sulfúrico16 Producción de SO 2 por tostación Minerales piríticos La pirita (FeS 2 ) pulverizada se quema en presencia de aire a temperaturas cercanas a 1000 ºC y se produce SO 2 y óxidos de hierro El SO 2 producido se encuentra contaminado con polvo, humedad. El gas debe ser sometido a varias etapas de purificación antes de alimentarlo a oxidación catalítica. FeS 2 Pirita ZnS Esfalerita o blenda CuFeS 2 Calcopirita FeS Pirrotita FeZnS 2 Esfalerita PbS Galena HgS Cinabrio Cu 2 S Calcosina CuS Covellita Cu 3 FeS 3 Bornita AsFeS Mispiquel

17 Ácido sulfúrico17 Hornos de tostación Reacciones 2FeS 2 + 11/2O 2  Fe 2 O 3 + 4SO 2 + 411.1 Kcal 3FeS 2 + 8O 2  Fe 3 O 4 + 6SO 2 + 585.8 Kcal Dos objetivos Obtener gas y cenizas Recuperar el calor generado

18 Ácido sulfúrico18 Método de las cámaras de plomo Catálisis Homogénea por NO 2

19 Ácido sulfúrico19 Proceso Cámaras Oxidación de H 2 SO 3 a H 2 SO 4 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

20 Ácido sulfúrico20 Reacciones químicas Cámaras SO 2 + H 2 O  H 2 SO 3 H 2 SO 3 + NO 2  H 2 SO 4 ·NO H 2 SO 4 ·NO  H 2 SO 4 + NO NO + ½ O 2  NO 2 SO 2 + ½ O 2 + H 2 O  H 2 SO 4 Torre de Glover NOHSO 4 + HNO 3  H 2 SO 4 + 2NO 2 2 NOHSO 4 + H 2 O  2H 2 SO 4 + NO + NO 2 Torre de Gay-Lussac (N 2 O 3, N 2 O 4 ) + H 2 SO 4  NOHSO 4 + HNO 3 + H 2 O

21 Ácido sulfúrico21 Método de contacto Es el utilizado actualmente Produce ácido 98-99% Oxidación de SO 2 a SO 3 en reacción catalítica heterogénea, con V 2 O 5 como catalizador Tres etapas Depuración de gases de entrada Reacción catalítica Absorción de SO 3

22 Ácido sulfúrico22 Depuración de gases Especialmente necesaria cuando el SO 2 proviene de tostación de piritas Impurezas a eliminar Polvo As 2 O 3 Haluros Agua Al entrar al convertidor, el SO 2 tiene concentración de 10-12% y temperatura 420ºC

23 Ácido sulfúrico23 Reacciones Reacciones químicas S + O 2  SO 2 SO 2 + ½O 2  SO 3 SO 3 + H 2 O  H 2 SO 4 S + 3/2O 2 + H 2 O  H 2 SO 4 Reacciones catalíticas SO 4 2- + SO 3  S 2 O 7 2- 2V 5+ + O 2- + SO 2  SO 3 + 2V 4+ 2V 4+ + ½O 2  2V 5+ + O 2- SO 2 + ½O 2  SO 3

24 Ácido sulfúrico24 Esquema del proceso

25 Ácido sulfúrico25 Convertidor Reacción: SO 2 (g) + ½O 2 (g)  SO 3 (g)  Hº = -95.5 kJ/mol Constante de equilibrio k P = p SO3 / p SO2 ·p O2 0.5 Conversión presión temperatura velocidad

26 Ácido sulfúrico26 Operación del convertidor (I) Enfriamiento entre etapas Catalizador V 2 O 5 sobre zeolitas

27 Ácido sulfúrico27 SO 2 410-430ºC 4 (99.5%) 3 (93%) 2 1 % 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. Operación del convertidor (II)

28 Ácido sulfúrico28 Doble contacto

29 Ácido sulfúrico29 Absorción de SO 3 Reacción: SO 3 (g)+ H 2 O(l)  H 2 SO 4 (l)  Hº = -89 kJ/mol La reacción directa no se utiliza, porque el fuerte desprendimiento de calor lleva a ebullición la solución El SO 3 se absorbe en ácido sulfúrico 98% En exceso de SO 3, puede formarse H 2 SO4·SO 3 (óleum 20%)

30 Ácido sulfúrico30 Absorbedores

31 Ácido sulfúrico31 Aspectos ambientales Las emisiones de SO 2 (g), SO 3 (g) y vapor de H 2 SO 4 representan los principales riesgos ambientales En todos los casos, pueden contribuir a la lluvia ácida Se toma como referencia de contaminación la cantidad de SO 2 /SO 3 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