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Producción de ácido sulfúrico

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

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Producción de ácido sulfúrico

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  1. Producción deácido sulfúrico Química de los procesos industriales 2006 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

  3. 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 Ácido sulfúrico

  5. Usos 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. 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% Azufre 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. 2 H2S(g) + 3O2 (g) 2 SO2(g) + 2H2O (g) 6 S(g) + 4H2O (g) 4 H2S(g) + 2 SO2(g) 6 H2S(g) + 3O2 (g) 6 S(g) + 6H2O (g) Reacciones Ácido sulfúrico

  14. H2O (Vapor) O2 (Aire) H2O (Vapor) H2S S (Liq) Intercambiador Condensador Horno de Combustión 950-1250 ºC Reactor Catalítico 170-350 ºC S (Liq) Esquema de producción Reacción total: 3H2S + 3/2O2 3S + 3H2O Hº = -664 kJ Ácido sulfúrico

  15. Aprovechamiento de minerales piríticos Ácido sulfúrico

  16. 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. Producción de SO2 por tostación • 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

  18. Método de las cámaras de plomo Catálisis Homogénea por NO2 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 • SO42- + SO3 S2O72- • 2V5+ + O2- + SO2 SO3 + 2V4+ • 2V4+ + ½O2 2V5+ + O2- • SO2 + ½O2 SO3 Ácido sulfúrico

  24. Esquema del proceso Ácido sulfúrico

  25. 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

  26. Operación del convertidor (I) Enfriamiento entre etapas Catalizador V2O5 sobre zeolitas Ácido sulfúrico

  27. Operación del convertidor (II) SO2 410-430ºC % Conversión 60-65% T = 615-635 ºC 1 % Conversión 85-90% T = 520 ºC Int. 2 % Conversión 60-65% T =435-450 ºC Int. 3 (93%) 4 (99.5%) % Conversión 85-90% T = 435-455 ºC Ácido sulfúrico

  28. Doble contacto 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

  30. Absorbedores 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 Ácido sulfúrico

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