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Producción de ácido sulfúrico
Química de los procesos industriales Producción de ácido sulfúrico Química de los procesos industriales 2006 Ácido sulfúrico Ácido sulfúrico
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Importancia del ácido sulfúrico
Química de los procesos industriales 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 Ácido sulfúrico
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Propiedades Ácido sulfúrico
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Propiedades químicas Ácido Oxidante Deshidratante Sulfonante
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
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Química de los procesos industriales
Usos Uso Porcentaje Fertilizantes 68 Refinación petróleo 8 Metalurgia 5 Compuestos inorgánicos Compuestos orgánicos Pulpa y papel 3 Tratamiento de agua 2 Otros 4 Ácido sulfúrico Ácido sulfúrico
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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) Ácido sulfúrico
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Esquema de fabricación
Química de los procesos industriales 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 Ácido sulfúrico
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Azufre Estado natural Propiedades Abundancia en corteza 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: ºC Viscosidad alta a temperaturas menores de 160ºC Abundancia en corteza 0.05% Ácido sulfúrico
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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) Ácido sulfúrico
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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% Ácido sulfúrico
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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 Ácido sulfúrico
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Proceso en dos etapas Etapa térmica Etapa catalítica
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
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Química de los procesos industriales
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) Relación molar H2S:O2 2:1 El H2S es absorbido antes en solución acuosa de etanolamina, para purificarlo (envenenamiento de catalizador). Al calentar la solución, se desprende el ácido purificado. Ácido sulfúrico Ácido sulfúrico
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Reacción total: 3H2S + 3/2O2 3S + 3H2O
Esquema de producción H2S O2 (Aire) Horno de Combustión ºC Intercambiador S (Liq) H2O (Vapor) Reactor Catalítico ºC Condensador Reacción total: 3H2S + 3/2O2 3S + 3H2O Hº = -664 kJ Ácido sulfúrico
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Aprovechamiento de minerales piríticos
Ácido sulfúrico
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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 Ácido sulfúrico
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Hornos de tostación Reacciones Dos objetivos
2FeS2 + 11/2O2 Fe2O3 + 4SO2 Kcal 3FeS2 + 8O2 Fe3O4 + 6SO2 Kcal Dos objetivos Obtener gas y cenizas Recuperar el calor generado Ácido sulfúrico
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Método de las cámaras de plomo
Química de los procesos industriales Método de las cámaras de plomo Catálisis Homogénea por NO2 Ácido sulfúrico Ácido sulfúrico
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Química de los procesos industriales
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 Ácido sulfúrico
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Reacciones químicas Cámaras Torre de Glover Torre de Gay-Lussac
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
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Química de los procesos industriales
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 Ácido sulfúrico
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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 Ácido sulfúrico
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Reacciones Reacciones químicas Reacciones catalíticas
S + O2 SO2 SO2 + ½O2 SO3 SO3 + H2O H2SO4 S + 3/2O2 + H2O H2SO4 Reacciones catalíticas SO42- + SO3 S2O72- 2V5+ + O2- + SO2 SO3 + 2V4+ 2V4+ + ½O2 2V5+ + O2- Ácido sulfúrico
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Esquema del proceso Ácido sulfúrico
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Convertidor Reacción: SO2(g) + ½O2(g) SO3(g) Hº = -95.5 kJ/mol
Constante de equilibrio kP = pSO3/ pSO2·pO20.5 Conversión presión temperatura velocidad Ácido sulfúrico
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Operación del convertidor (I)
Enfriamiento entre etapas Catalizador V2O5 sobre zeolitas Ácido sulfúrico
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Operación del convertidor (II)
SO ºC % Conversión 60-65% T = ºC 1 % Conversión 85-90% T = 520 ºC Int. 2 % Conversión 60-65% T = ºC 3 (93%) Int. 4 (99.5%) % Conversión 85-90% T = ºC Ácido sulfúrico
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Doble contacto Ácido sulfúrico
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Absorción de SO3 Reacción: El SO3 se absorbe en ácido sulfúrico 98%
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
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Absorbedores Ácido sulfúrico
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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 Ácido sulfúrico
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