Proceso de Producción de ácido sulfúrico

Transcripción

1 Proceso de Producción de ácido sulfúrico El ácido sulfúrico es uno de los químicos industriales más importantes. Es de gran significado, la observación que frecuentemente se hace, es que el per cápita consumido de ácido sulfúrico es un índice del desarrollo técnico de una nación. El ácido sulfúrico es importante en casi todas las industrias, y es usado ampliamente en la manufactura de fertilizantes superfosfatados, sales sulfatadas, celofán, rayón, detergentes, ácido clorhídrico, ácido nítrico, tintes, pigmentos, explosivos, refinación de petróleo, en baterías, en el tratamiento de agua industrial, y en el beneficio de minerales. El ácido sulfúrico fue producido por primera vez aproximadamente en el año 1,000 de la era cristiana. Por 18 siglos, el ácido sulfúrico fue preparado por el quemado de salitre con azufre. En el siglo XVIII y XIX, este fue esencialmente producido en una cámara procesadora en la cual el óxido de nitrógeno era usado como un catalizador homogéneo para la oxidación del óxido de azufre. El producto hecho por este proceso era de baja concentración, no era lo suficientemente alto para muchos usos comerciales. Durante la primera mitad del siglo XIX, la cámara procesadora fue gradualmente reemplazada por el proceso de contacto, y ahora el método anterior es considerado obsoleto. En 1915, un efectivo catalizador de vanadio fue desarrollado para el proceso de contacto. Este tipo de catalizador fue empleado en los Estados Unidos. El catalizador de vanadio tiene la ventaja de una resistencia superior al envenenamiento y de ser relativamente abundante y barato comparado con el platino. Después de la segunda guerra mundial, el tamaño típico de las plantas que realizaban el proceso de contacto se incrementó drásticamente alrededor del mundo impulsado por el rápido incremento de la demanda de la industria de fertilizantes fosfatados. En el año de 1963, se desarrolla el primer proceso de doble absorción en gran escala. En este proceso, el gas SO 2 que ha sido parcialmente convertido en SO 3 por medio del catalizador es enfriado, pasa a través de una solución concentrada de ácido sulfúrico para remover el SO 3. El gas pobre en SO3 es recalentado para ser introducido a una o dos cámaras catalíticas adicionales. Por este método, la conversión total puede ser incrementada desde el 98% hasta el %, por consiguiente reduciendo la emisión del SO 2 no convertido a la atmósfera. El proceso de contacto ha sido mejorado en todo detalle y es ahora una de las industrias de bajo costo, con un proceso automático continuo. Todas las nuevas plantas de ácido sulfúrico usan el proceso de contacto. Las pocas plantas de pequeña capacidad emplean la cámara procesadora que representan el 5% de las plantas de ácido sulfúrico a nivel mundial. En el Proceso de Contacto se utiliza un catalizador de pentóxido de vanadio, la reacción es exotérmica, se utilizan múltiples etapas catalíticas con enfriamiento intermedio y un sistema de doble columna de absorción. La integración de calor permite recuperar el calor producido en las reacciones exotérmicas para producir el vapor que demanda el proceso. 1

2 OBJETIVO: Construir un modelo que represente el comportamiento de una planta química con base en las ecuaciones de balance de materia y energía, utilizando también las relaciones adicionales, que permita estimar los flujos y la composición de las corrientes de proceso, así como los requerimientos de servicios auxiliares y los potenciales de recuperación energética, todo esto utilizando las técnicas del cálculo generalizado de propiedades. CONSIDERACIONES: 1. El quemador de azufre es adiabático y se quema todo el azufre a SO 2. La reacción que se lleva a cabo es la siguiente: S + O 2 à SO 2 2. El convertidor de SO 2 a SO 3 es adiabático. Después de las tres primeras camas catalíticas se alcanza una conversión global de SO 2 a SO 3 del 96%. La reacción que se lleva a cabo es la siguiente: SO 2 + ½ O 2 à SO 3 3. En la torre del interpaso se absorbe el 90% del SO 3 alimentado y ninguno de los otros gases. La corriente de gas de salida sale seca (sin H 2 O). La reacción que se lleva a cabo es la siguiente: SO 3 + H 2 O à H 2 SO 4 4. En la torre de absorción final se absorbe todo el SO 3 alimentado y ninguno de los otros gases. 5. Los gases de chimenea, corriente <19>, no deben contener más de 3.0 kg de SO 2 por tonelada de H 2 SO 4 al 100% producido, para cumplir con la Norma Oficial Mexicana NOM-CCAT ECOL/1993 del 22 de octubre de El flujo de ácido a las torres de absorción, corrientes <23> y <27>, debe ser tal que las corrientes de salida, <21> y <25>, respectivamente, no deben tener una temperatura mayor a 125 C, ni una concentración de ácido mayor al 98.5% peso. 7. Suponga comportamiento de gas ideal. 8. Ignore la torre de secado y considere que solo se produce H 2 SO 4 al 98% peso, corriente <36>. 2

3 Se cuenta además con las siguientes tablas de datos: NÚMERO DE TIPO DE FLUIDO T ( ) CORRIENTE 1 Azufre líquido Aire seco , 30, 34 Agua Solución de H2SO4 en agua 80 al 98% peso 27 Solución de H2SO4 en agua 80 al 98% peso 33 Solución de H2SO4 en agua 45 al 93% peso 35 PRODUCTO Solución de 25 H2SO4 en agua al 93% peso 36 PRODUCTO Solución de H2SO4 en agua al 98% peso 25 NÚMERO DE TIPO DE FLUIDO P (bar) CORRIENTE 4 Aire seco NÚMERO DE TIPO DE FRACCIÓN MOL CORRIENTE FLUIDO yo2 yn2 yso2 4 Aire seco

4 RESULTADOS DEL : 1. Establezca el diagrama de bloques del proceso donde se identifiquen solamente las corrientes de entrada y salida del proceso. Establezca la relación que existe entre la cantidad de SO 2 en los gases de chimenea, corriente <19>, como se especificó en la consideración 5, y la conversión total de SO 2 a SO 3. Construya una gráfica en el intervalo de cero a diez kg de SO 2 por tonelada de ácido sulfúrico producido. 2. Establezca la relación que existe entre la fracción mol del SO 2 en la corriente de salida del quemador de azufre, corriente <5>, y el aire alimentado al mismo quemador. Construya una gráfica en el intervalo de cero a 300% de exceso de aire total requerido para el proceso. 3. Tomando como base una producción de 1000 kg de H 2 SO 4 al 100% y los datos contenidos en las consideraciones, calcule: a) La cantidad, composición y temperatura de todas las corrientes del proceso. b) La carga térmica de todos los equipos de intercambio de calor. 4. Tomando los resultados del punto anterior calcule la cantidad de vapor a 100 bar y 410 C que se puede generar a partir de agua a 100 bar y 30 C, considerando el esquema de generación de vapor que se presenta en la siguiente página. Un economizador es un generador de vapor que utiliza la energía térmica de una corriente de proceso para evaporar agua a una presión dada. Además, calcule la temperatura de alimentación del agua al domo de la caldera después de haber sido calentada en los dos economizadores. INFORME FINAL DEL : Entregue un informe del proyecto que contenga lo siguiente: a) El diagrama de bloques del proceso, el procedimiento de cálculo y la gráfica que se pide en el punto 1 anterior. b) El procedimiento de cálculo y la gráfica correspondientes al punto 2 anterior. c) La memoria de cálculo del balance de materia y energía de la planta de producción de ácido sulfúrico. d) Una tabla que contenga la siguiente información para cada corriente: flujo molar de cada componente, flujo molar total, fracción mol de cada componente, temperatura y presión. e) Una tabla semejante a la que se establece en el inciso (d) pero en cantidades dadas en masa. f) La memoria de cálculo correspondiente a la generación de vapor del proceso del punto 4 anterior. g) Una discusión de los aspectos relevantes que observó durante el desarrollo del proyecto, así como las conclusiones del mismo. 4

5 Sobrecalentador-Economizador XO4 Domo 410 C 100 bar 100 bar 7 5 BO2 BO1 XO9 30 C 100 bar 8 Generadores de vapor Economizador Esquema de generación de vapor 5

6 DIAGRAMA DE FLUJO DE PROCESO 6