PRODUCCIÓN DE ÁCIDO SULFÚRICO

Producción de

Ácido Sulfúrico

Septiembre 2021

16

32,07

717,8388,36 2,07

-2,4,(6)

[Ne] 3s² 3p⁴

AZUFRE

CINÉTICA QUÍMICA

CAMINOS DE REACCIÓN

DIAGRAMA DE PROCESO

TERMODINÁMICA

Resumen

Abstract

El Acido sulfúrico es una de las sustancias ácidas más importantes en la industria gracias a su participación en diversos procesos; por esta razón se busca analizar la producción por el método de contacto, teniendo en cuenta la viabilidad económica, el impacto ambiental y las ventajas y desventajas del método como tal. Así pues, se realizaron cálculos termodinámicos y cinéticos cuyos resultados permitieron determinar las condiciones óptimas de operación para la producción del ácido sulfúrico tales como presión, temperatura, conversión y selectividad. De manera complementaria se exponen algunas curvas isocinéticas e isoconversas relacionadas a los análisis realizados sobre el proceso de sintesis del amoniaco. Finalmente, se presenta el diseño preliminar de bloques del proceso junto a los lineamientos industriales sugeridos para la formulación de la producción de ácido sulfúrico por el método de contacto.

Sulphuric acid is one of the most important acidic substances in industry thanks to its participation in various processes; for this reason, the production by the contact method is analysed, taking into account the economic viability, the environmental impact and the advantages and disadvantages of the method itself. Thus, thermodynamic and kinetic calculations were carried out, the results of which allowed the determination of the optimum operating conditions for the production of sulphuric acid, such as pressure, temperature, conversion and selectivity. In addition, some isokinetic and isoconverse curves related to the analyses carried out on the process are presented. Finally, the preliminary block design of the process is presented together with the industrial guidelines suggested for the formulation of the sulphuric acid production by the contact method.

Keywords

SelectivityConversion Efficiency Kinetics Heuristics Contact method Sulfuric acid Process engineering

Palabras Clave

Selectividad Conversión Eficiencia Cinética Heurística Método de contacto Acido sulfúrico Ingeniería de procesos

Índice de contenidos

Resumen/Abstract

Diseño preliminar

Un vistazo al tema

DISEÑO DE PROCESOS

Heurísticas y consideraciones

Introducción

Conclusiones

Importancia y contexto

Parciales

Ingeniería Química Fundación Universidad de América 2021-II

Caminos de reacción

Referencias

Fuentes de información

Alternativas de obtención

Análisis Termodinámico

Anexos

AUTORES

REVISIÓN

Cálculos

Información adicional

Análisis Cinético

Curvas y reacción

El ácido sulfúrico es una sustancia de alta demanda en la industria química debido a sus amplios usos para la fabricación de otros materiales y compuestos como fertilizantes, hierro, acero, entre otros. De hecho, la industria de producción es tan grande que abarca el mercado mundial y por esta razón existen diversos métodos de obtención que van desde los más rústicos y antiguos como el uso de cámaras de plomo hasta los más actuales como las variaciones de los métodos de contacto. Incluso, podría decirse que gracias a las políticas ambientales que han venido surgiendo en las últimas décadas para la protección del

Introducción

Title 1

planeta en el que vivimos, por la crisis climática que ha ido en aumento, así como la evolución de toda industria., se han generado nuevas opciones de producción al reutilizar algunos de los subproductos de compañías con procesos paralelos que incluyen el ácido sulfúrico, para su regeneración. Además, es posible contemplar la magnitud de la industria del ácido sulfúrico mediante un análisis de consumo y exportación. A grandes rasgos, según el Manual de Economía Química, gracias a la industria de los fertilizantes, el ácido sulfúrico tuvo un empleo de casi el 60% a nivel mundial para el año 2020, siendo Canadá su mayor exportador en el continente americano. Según lo anterior, se espera que la industria siga aumentando como lo ha hecho durante las últimas décadas, no obstante, dado que las poblaciones han decrecido con el mismo pasar el tiempo, también se estima que para el 2025, la producción de ácido sulfúrico disminuya como consecuencia de la baja demanda de productos en los que es participe en su elaboración. Ahora bien, para seguir manteniendo un equilibrio en el mercado, es necesario estudiar los métodos de obtención empleados en la actualidad y su viabilidad para seguir siendo competitivo, todo desde un aspecto termodinámico y cinético al

determinar los porcentajes de conversión y la selectividad asociada a los métodos. El más usado es el del método de contacto, como ya se mencionó, que emplea un catalizador para lograr la oxidación de dióxido de azufre a trióxido de azufre del que se obtiene ácido sulfúrico por hidratación.

Sobre el Ácido sulfúrico

Propiedades

Apariencia

Puede ser empleado como catalizador y es muy común usarlo en la industria petrolera.

Te invitamos a que revises el siguiente enlace:

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FORMAS DE OBTENCIÓN

Método de cámaras de plomo

Este método es menos utilizado que el de contacto, ya que sólo es capaz de producir un ácido sulfúrico con una concentración de entre el 62 y el 78%.se trata de un proceso de producción continuo (todos los elementos del sistema están en funcionamiento simultáneamente y de forma constante, con un aporte continuo de reactivos)(Quimitube, s.f.):

ETAPAS PRINCIPALES

1. Obtención del dióxido de azufre, SO22. Oxidación de SO2 producido a trióxido de azufre, SO3, 3. Combinación del trióxido de azufre con el agua para formar el ácido sulfúrico de cámara 4. Regeneración de la mezcla nitrosa en la torre de Gay-Lussac. (Quimitube, s.f.)

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FORMAS DE OBTENCIÓN

Metodo de Contacto

Etapas Principales:

Es un método que utiliza una catálisis heterogénea, es decir, el catalizador empleado está en una fase de agregación distinta. En concreto, suele utilizarse un catalizador sólido, el pentóxido de divanadio, V2O5. Este método permite obtener un ácido sulfúrico con una concentración en torno al 98% en peso (es decir, 98 gramos de ácido sulfúrico por cada 100 gramos de disolución; los dos gramos restantes son agua), que es el que suele utilizarse en el laboratorio, por ejemplo, para preparar posteriormente disoluciones menos concentradas. (Quimitube, s.f.)

1. Obtención del dióxido de azufre, SO22. Oxidación de SO2 producido a trióxido de azufre, SO3, 3. Conversión del SO3 en ácido sulfúrico. (Quimitube, s.f.)

+ Info

V2O5

3. Oxidación del dióxido de azufre en trióxido de azufre

CAMINOS DE REACCIÓN

Contacto por oxidación de azufre

4. formación de ácido sulfúrico por la hidratación de oleum

1. Tostación de pirita o quema se sulfuros:

2. Oxidación del dióxido de azufre en trióxido de azufre

Método que utiliza una catálisis heterogénea, es decir, el catalizador empleado está en una fase de agregación distinta. En concreto, suele utilizarse un catalizador sólido, el pentóxido de divanadio, V2O5. Este método permite obtener un ácido sulfúrico con una concentración en torno al 98% en peso (es decir, 98 gramos de ácido sulfúrico por cada 100 gramos de disolución; los dos gramos restantes son agua), que es el que suele utilizarse en el laboratorio, por ejemplo, para preparar posteriormente disoluciones menos concentradas.

Descripción

Diagrama de proceso

• Reacción del dióxido de azufre con dióxido de nitrógeno

Diagrama de procesos

Analisis económico

Anàlisis de los caminos de reacciòn

El análisis económico consituye uno de los 4 aspectos fundamentales para tener en consideración al momento de escoger un camino de reacción, ya que esto nos permite visualuzar de manera más precisa la viabilidad económica del proceso de producción, y así mismo proyecciones a futuro del plan de negocio. Dentro del análisis económico se tendrán aspectos como el potencial económico y costos de producción (Equipos, materia prima, condiciones de operación)

Paises importadores

Paises exportadores

Análisis económico

Para realizar el análisis enfocado al potencial económico, se tuvieron en cuenta los precios respectivos para los productos en el mercado y reactantes.

Para realizar el análisis enfocado al potencial económico, se tuvieron en cuenta los precios respectivos para los productos en el mercado y reactantes.

Fuente: Observatorio de Complejidad Económica (OEC)

Potencial económico

En el análisis no se incluyen los costos de los solventes, catalizadores ni productos secundarios, ya que corresponde a una aproximación.

Los datos anteriores fueron calculados a partir de la base de datos encontrada en el Observatorio de Complejidad Económica (OEC) , a continuación puede observar más a fondo las deducciones de los precios estimados

Se utiliza como base para el análisis, un rendimiendo del 100 %

Análisis económico

UMA

Calculando el potencial económico . . .

A continuación se procede a calcular el potencial económico para cada uno de los caminos de reacción, esto teniendo en consideración una base de calculo para la producción de 1 L (1,84 kg) de ácido sulfúrico. A partir de allí se utiliza la misma base de cálculo para obtener el potencial económico de la materia prima y producto deseado:

Potencial económico = precio del producto - precio de lamateria prima

Obtención de ácido sulfúrico por acción de dióxido de nitrógeno

Oxidación del dióxido de azufre:

UMA

UMA

Análisis económico

ANÁLISIS

Continuando con el cálculo . . .

2. Toda la materia prima empleada para producir 1 L de ácido sulfúrico no supera la inversión de $20.000 COP, esto debido a la sencilla adquisición de los reactivos.

Tal y como se evidencia en los calculos del potencial económico para cada uno de los reactivos en sus respectivos caminos de reacción, se resaltan los siguentes aspectos:

3. La producción de ácido sulfúrico en ausencia del dióxido de nitrógeno requiere de una inversión menor en $18,010 pesos, con respecto al segundo camino de reacción.

1. Ambos caminos de reacción reflejan buenas ganancias, ya que la materia prima empleada no genera gastos representativos

ACORDE A LOS APUNTES ANTERIORES, HASTA EL MOMENTO LA MEJOR ALTERNATIVA CORRESPONDE AL PRIMER CAMINO DE REACCIÓN

2-ethylanthraquinone

environmental analysis

Another aspect with greater relevance to be treated in the process of selecting the reaction route is environmental analysis. Industrial ecology is a branch of engineering that demands from organizations the implementation of production processes that ensure respect and protection of the environment and allows companies to optimize energy consumption and thus build more sustainable societies (Esan,2018).

FCOMPLETE DATA SHEET HERE

To develop an environmental analysis, it is necessary to know in detail the reagents involved in reaction pathways.

Anthraquinone autoxidation

Environmental analysis

Environmental analysis

Oxygen

Hydrogen

COMPLETE DATA SHEET HERE

COMPLETE DATA SHEET HERE

Environmental analysis

Oxidación de Alcoholes secundarios

Water

Para este segundo camino de reacción, se toman las especificaciones descritas para el primer camino de reacción, referentes al azufre e hidrógeno, ya que también son reactivos de este método.

Dióxido de nitrógeno

COMPLETE DATA SHEET HERE

FICHA TÉCNICA COMPLETA AQUÍ

ANÁLISIS AMBIENTAL

El dióxido de nitrógeno es un contaminante atmosférico y afecta significativamente la salubridad colectiva, esto en grandes cantidades de sustancia

RESOLUCIÓN 909 DEL MINISTERIO DE AMBIENTE, VIVIENDA Y DESARROLLO TERRITORIAL

Dióxido de nitrógeno

ANÁLISIS

Teniendo en consideración que ambas rutas de reacción integran casi los mismos reactivos, el punto diferencial lo genera el dióxido de nitrógeno, el cual representa una amenaza tanto para el medio ambiente como para sus habitantes, y por ende ofrece mayor favorabilidad ambiental el primer camino de reacción.

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seguridad en el trabajo

Es de vital importancia garantizar la seguridad con en manejo apropiado de los químicos, así mismo se debe contar con una señalización de seguridad y salud en el trabajo; con el fin de proporcionar una indicación o una obligación relativa a la seguridad o la salud en el trabajo mediante una señal en forma de panel, un color, una señal luminosa o acústica, una comunicación verbal o una señal gestual, según proceda

ANÁLISIS

Ventajas y desventajas

Acorde a la caracterización realizada en este capítulo y específicamente en este inciso, se puede concluir que la mejor alternativa para camino de reacción es el obtenido a partir de la oxidacón del dióxido de azufre, ya que pese a los elevados costos de catalizadores, involucra la utilización de una menor cantidad de reactivos. Adicionalmente por medio del primer camino de reacción es posible obtener concentraciones superiores al 99,5% con mínimas emisiones contaminantes al medio ambiente, en contraste, por la segunda ruta se generan emisiones de dióxido de nitrógeno, contribuyendo significativamente a la polución ambiental.

Factibilidad económica

Factibilidad ambiental

Método altamente eficiente

Factibilidad en seguridad

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ANÁLISIS TERMODINÁMICO

Conforme a los caminos de reacción para la producción de ácido sulfúrico por método de contacto reacciones involucradas en la producción de ácido sulfúrico por el método de contacto son las siguientes:

Rxn . 1

Rxn . 2

Naturaleza térmica de las reacciones

Ecuaciones de cálculo de Entalpía

La evaluación de la naturaleza térmica de una reacción química se puede hacer mediante el uso de la entalpía (o calor) de reacción. Una vez determinada la entalpía de la reacción se define su carácter endotérmico o exotérmico.

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ENERGÍA LIBRE DE GIBBS

Favorabilidad

Tabla de actividad para la ecuación de arriba

La evaluación de la favorabilidad de una reacción química se puede hacer mediante el uso de la energía libre de Gibbs como criterio de equilibrio, pues es una propiedad que está en función de dos propiedades sencillas de medir: presión y temperatura. Por otro lado, una vez definida la energía libre de Gibbs se puede utilizar la definición de la constante de equilibrio para determinarla y poder definir la favorabilidad de las reacciones y el carácter reversible de las mismas.

Fuente: Corinto, Química General

Fuente: Elaboración propia

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Constante de equilibrio

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ANÁLISIS CINÉTICO

Selección del reactor

PFR

El análisis cinético se realiza sobre el siguiente set de reacciones:

Fuente: Elaboración propia

Adicionalmente se tiene la reacción:

Teniendo en cuenta la ecuación de balance para todo tipo de reactores, que viene dada por: Entradas + Genera = Salidas + Acumula Se establece la expresión de diseño para el reactor seleccionado:

Tabla de cinética de las dos primeras reacciones

Normalmente, con esta expresión se obttiene el volumen del reactor PFR, no obstante, debido a la presencia de camas catalíticas en el interior, es necesario considerar esots espacios también dentro de los cálculos, como lo sugiere Kadlec.

Fuente: Cinética de producción de la pirita Rodríguez y Modelamiento y simulación de un reactor catalítico para la oxidación de SO2

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Amoniaco

ANÁLISIS COMPLEMENTARIO

En el proceso de producción del ácido sulfúrico, se analiza que las reacciones participes no son de tipo reversibles, por esta razón, y para efectos académicos y de aprendizaje, se realiza a manera de complemento, en esta sección, el estudio de la síntesis del amoniaco para así poder desarrollar las curvas isocinéticas e hizo conversas, así mismo, se muestra gráficamente el progreso óptimo de la reacción respecto a la temperatura.

Así pues, considerando que el catalizador es una esfera perfecta, se calculan los módulos, para obtener como resultado, el volumen del reator al igual que información sobre la carga del catalizador:

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Curvas Isocinéticas

Curvas Isoconversas

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DISEÑO PRELIMINAR DE BLOQUES

Heurísticas de Reciclos 1

Heurísticas de Reacción

Heurísticas de Catalizador

Heurísticas de Remoción

Heurísticas de Reciclos 2

PfD

Diagrama HYSYS

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CO N C L U S I O N E S

CO N C L U S I O N E S

En terminos termodinamicos, el proceso es viable ya que segun los resultados obtenidos, las reacciones que ocurren en el proceso son controlables, esto se traduce en que no habra problemas en los equipos.

Según los cálculos, fue posible determinar que el proceso seleccionado para la producción de ácido sulfúrico es eficiente con respecto a los empleados antiguamente así como también fue posible evaluar que lo parámetros de operación utilizados en la actualidad ayudan a minimizar el imacto medioambiental.

El analisis termodinamico nos permitio ver mas a fondo y con claridad las heuristicas mas importantes que se deben utilizar en el proceso, las cuales se definieron en cada seccion.

Se utilizan las reglas heurísticas para diseñar un proceso químico y se toma el mejor camino después de un análisis de costos, sea de equipos, maetrias primas o del proudcto en si.

Se pudo comprobar la eficiencia, selectividad, conversion , balances de materia, rendimiento, entre otros aspectos propios de la termodinámica y cinética involucrados en el proceso.

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Title 1

Documento completo del análisis termodinámico y cinético.

ANEXOS

Inforgrafía del ácido sulfúrico en Colombia y el mundo.

Cálculos-soportes análisis termodinámico y cinético.

Simulación en Hysys del proceso de método de contacto

Cálculo del potencial económico para los caminos de reacción

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¡gracias!

photografía: Thought Catalog