UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA Sección de Procesos y Tecnología
PROCESOS INDIUSTRIALES INORGÁNICOS I (PII-I)
PROCESO INDUSTRIA DE PRODUCCIÓN PRODUCCIÓN DE ÁCIDO SULFÚRICO A PARTIR DE LA PIRITA EQUIPO DE TRABAJO:
Nº 1 2 3 4
APELLIDOS Y NOMBRES LOPEZ ALVA WILLY ALVA DIAZ YANELA QUEZADA ANTICONA PEGGI VIERA CRUZ STALIN
CT CE
EVALUADO POR: Dr. PEDRO QUIÑONES PAREDES
20-04-2018
CR
NP
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA Sección de Procesos y Tecnología
20 /04/ 2018 Dr. Pedro Quiñones Paredes
PROCESOS INDIUSTRIALES INORGÁNICOS PII-I 1. RECURSOS NATURALES INORGÁNICOS (RR.NN.IS) POTENCIALES DE EXPLOTACIÓN Principales fuentes de obtención del ácido sulfúrico
PIRITA
El nombre de pirita deriva del Griego pyr " en fuego”. Es un mineral del grupo de los sulfuros cuya fórmula química es FeS2. Insoluble en agua, y magnética por calentamiento. Se presenta a menudo en forma de cubos, octaedros, pentágonos y dodecaedros. Es de color gris y amarillo latón con un brillo metálico intenso. Normalmente la pirita se encuentra asociada con otros sulfuros sulf uros o óxidos en grietas de cuarzo, roca sedimentaria, y rocas metamórficas. Su composición química es el 46.4% de Fe y el 53.6% de azufre. Se emplea para extraer azufre, para producción de ácido sulfúrico y sulfato ferroso.
PRINCIPALES YACIMIENTOS DE EXPLOTACIÓN DE PIRITA Local
Santiago de Chuco (Quiruvilca)
Nacional
Huánuco Ancash ( Huanzala) Huancavelica (Castrovirreyna) Pasco( Huarón) Lima
Mundial
Bolivia Perú Colombia México España(Ambas Aguas, Navajún Italia(Elba) EE.UU(Illinois) China(piritas) Australia Rumania Bulgaria
GAS NATURAL
Se encuentran pequeñas trazas de azufre.
Subproductos principales de la refinería de petróleo:
Subproductos de refinerías Coque Sulfonatos Ácido sulfúrico Azufre Hidrogeno
Estado natural Elemental (4%) Depósitos sedimentarios y volcánicos Combinado Sulfuros metálicos (4%) Combustibles fósiles (87%) Gas natural (5%) Sulfatos (yeso)
2. DEFINICIÓN OPERACIONAL DEL PII EN ESTUDIO Este proceso consiste en diferentes etapas. La primera etapa es la tostación que se lleva a cabo en hornos rotatorios donde la materia prima (FeS2) entra por la parte superior mientras que por la parte inferior aire en exceso, dando lugar a la combustión. Luego los gases producidos pasan por una etapa de enfriamiento para luego ser purificados en un electrofiltro, para eliminar el polvo y los venenos o contaminantes que pueden afectar al catalizador, seguidamente el gas de tostación purificado se oxida en un horno de contacto teniendo en cuenta un control térmico mediante un intercambiador de calor. Por último el SO3 es absorbido con H2SO4 concentrado formando óleum, este es recirculado para luego destilar y así obtener el H2SO4 al (98-99%)
3. PROPIEDADES FÍSICAS, QUÍMICAS, TERMODINÁMICAS Y AMBIENTALES DE LOS MATERIALES DEL PII, ELEGIDO. SO2
N° CAS (*) Punto de fusión Punto de ebullición Temperatura Temperatura crítica Presión crítica Calor estándar de formación Entropía estándar de formación
007746-09-5 -75,51 °C -10,06 °C 132,19 °C 78,7 bar -296,84 kJ/mol 248,21 JK-1mol -1
FeS2
N° CAS (*) Punto de fusión Entropía estándar de formación
1317-37-9 1194 °C -177,5 kJ/mol
Aire
N2 O2
Composición 79% 21% H2O
Punto de ebullición Punto de fusión Entropía estándar de formación Densidad
100 °C 0 °C -285,8 KJ/mol 997 kg/m³
4. DESCRIPCIÓN DE LOS DIFERENTES MÉTODOS O TECNOLOGÍAS RECIENTES DE INDUSTRIALIZACIÓN DEL RR NN INORGÁNICO ELEGIDO PARA EXPONER METODOS DE OBTENCION DE ACIDO SULFURICO:
Método de las cámaras de plomo
Método de contacto:
El método de contacto es un proceso catalítico de mayor rendimiento y menor tiempo. En la producción de ácido sulfúrico. Es el usado actualmente. Produce ácido sulfúrico 98-99%. UtilizaV2O5 como catalizador. 1. Proceso de contacto simple: -
En estos procesos, los gases que contienen SO2 se oxidan a trióxido de azufre en presencia de catalizadores conteniendo álcalis y óxidos de vanadio. En las plantas nuevas, el promedio diario de eficiencia de conversión es de alrededor del 98,5%. Las plantas que operan por contacto simple, el SO3 se absorbe en una sola etapa.
2. Proceso de contacto doble: -
La concentración del ácido sulfúrico absorbente. La concentración mínima que se emplea es del 98 %. Las plantas que operan por contacto doble, el SO3 se absorbe en dos etapas diferentes del proceso. Los procesos generan una menor emisión de gases contaminantes, lo que hace que estas plantas se adecuen a las disposiciones sobre contaminación ambiental que establecen las autoridades locales.
5. DIAGRAMA DE FLUJO FLUJO DEL PII E IDENTIFICAR LOS PRINCIPALES EQUIPOS.
6. ELABORAR EL DIAGRAMA DE BLOQUES CORRESPONDIENTE AL PII, ELEGIDO BALANCE DE MATERIA A) DIAGRAMA DE BLOQUES H P
G
H-R
G’
CO
R
A
A
S
B) BM / HORNO (H-R) 1. Base de cálculo: P = 3000 Kg. 2. Modelo químico :
Ideal:
4FeS2 + 11O2 ====== 4*[120] 11*[32]
Real:
3000 kg
2Fe2O3 2*[160]
X?
+
Y?
3. Bloque:
P
G
H-R
A 4. Kg de O2 teórico necesario para la reacción:
∗∗[] ∗[]
2200 2200 ..
5. Kg de aire teórico: Cálculo auxiliar: conversión % mol a % peso Componente kgmol % mol PM Kg N2, inerte 0.79 79 28 22.12 O2 0.21 21 32 6.72 Total 0.10 100 28.84 0.233 (At) = 3 000
At = 9442.1
% peso 76.7 23.3 100.0
8SO2 8*[64] Z?
6. Kg de aire usado, A: A = 1.5 (At) = 1.5 (9442.1) A = 14163,2 7. N2 que acompaña al aire: 0.767(14163,2) = 10863,2 Kg 8. O2 suministrado: 14163,2 - 10863,2=3300 Kg 9. O2 en exceso: 3300 – 2200=1100 2200=1100 Kg 10. Kg. de SO2 producido: SO
3000 3000 8 ∗ [64] [64] 4 ∗ [120]
3200 3200
11. Kg de Fe2O3 producido FeO
3000 ∗ 82 ∗ [160] 4 ∗ [120]
2000 2000
12. Composición de G de la reacción de combustión: Componente N2. Inerte SO2, formado O2, exceso Fe2O3 Total
Kg 10863.2 3200 1100 2000 17163.2
% peso 63.3 18.6 6.4 11.7 100
C) BM / CAMARA DE OXIDACIÓN (CO) 1. Base de cálculo: G = 0,80 (3200) = 2560 Kg 2. Modelo químico :
Ideal:
SO2 [64]
+
½ O2 0.5 [32]
Real: 0.80 (3200)
=====
SO3 [80]
X?
Y?
3. Bloque:
G
G´
CO
4. Kg de SO3 formado:
, () [] []
3200 3200
5. Kg de SO2 que no reacciona: 0.20 (3200)= 640 Kg. 6. Kg de O2 teóricamente requerido:
.( .( )). [] []
640
7. Kg de O2 resto en exceso = 1100 – 640 640 = 460 Kg 8. Kg y composición de los gasee que salen del CO y que ingresan al convertidor, A Componente N2, inerte SO3, formado SO2, NO reacciona O2, exceso Fe2O3 Total
Kg 10863.2 3200 640 460 2000 17163.2
% peso 63.3 18.6 3.7 2.7 11.7 100
D) BM / CONVERTIDOR (A) 1. Base de cálculo: 3200 Kg. de SO3 2. Modelo químico :
Ideal:
SO3 [80]
Real:
3200
+
H 2O [18]
=====
H2SO4 [98]
X?
Y?
Q R 3. Bloque:
G´
A
S 4. Kg de H2SO4 puro teórico producido:
[] []
3920 3920
5. Kg de H20 pura teóricamente necesario:
[] []
720
6. Kg de la corriente S que descarga la solución de H2SO4 al 25 %: 0.25 (S) = 3920 S = 15680 Kg
7. Kg y composición de los gasee que salen del CO y que ingresan al convertidor, A Kg de H2O requerida para la solución ácida al 25 %: 15680 – 3920 3920 = 11760 Kg 8. Agua requerida para la: Solución = 11760 Kg Reacción = 720 Kg Total = 12 480Kg 9. Kg( agua) del flujo Q, considerando que el 5% de agua se evapora: Q = 0.95 (12 480) Q =13104 Kg 10. Kg de agua que se evapora:0.05(12480)=624 Kg 11. Composición de los gases residuales R . Componente N2, inerte SO2, NO reacciona H2O evaporada O2, exceso Fe2O3 Total
Kg 10863.2 640 624 460 2000 14587.2
% peso 74.5 4.4 4.2 3.2 13.7 100 %
E) EVALUACIÓN MÁSICO DEL SISTEMA PII- Kg
13104
14587.2 R
H P 3000 A 14163.2
H-R
G 17163.2
CO
G´ 53 17163.2
A
S 15680
F) BALANCE SISTÉMICO TOTAL DE PLANTA
∑ (ENTRADAS)
∑ (SALIDAS)
SISTEMA
∑= ( ) ( ) ) ∑= )
P + A +
H =
3000 + 14163.2 + 13104 30267.2
R +
=
S
14587.2 + 15680
=
30267.2
G) MATRIZ SISTÉMICO DEL BALANCE MÁSICO-KG Corrte. Compte. S Aire O2 N2 SO2
M
A
G´
Q
S
R
3000 14163.2 3300 10863.2
Fe2O3 SO3 H2O H2SO4 Total
G
1100 10863.2 3200 2000
460 10863.2 640 2000 3200
460 10863.2 640 2000 13104
3000
14163.2
17163.2
17163.2
13104
11760 3920 15680
624 14587.2
BALANCE DE ENERGÍA. A) DIAGRAMA DE BLOQUES
H-R
4FeS2+11O2
CO
2Fe2O3+8SO2
=∑ ∆ ∆r = − ∑ ∆ =[2∆ Fe2O3+8∆ SO2]-[11∆ O2+4∆ ∆r =[2
FeS2]
=[2(-824.2)+8(-296.8)]-[11(0)+4(-177.5)] (-177.5)] ∆r =[2(-824.2)+8(-296.8)]-[11(0)+4 =-3312.8 Kj/mol ∆r =-3312.8
SO2+1/2O2
SO3
=∑ ∆ ∆r = − ∑ ∆ =∆f (so3)-(∆ f(SO2)+1/2∆f O2 ∆r = f O2 ) =-395.6-(-296.8+1/2 O 2) ∆r =-395.6-(-296.8+1/2 =-98.8KJ/mol ∆r =-98.8KJ/mol
SO3(g) + H2O(L)
H2SO4(I)
=∑ ∆ ∆r = − ∑ ∆ = [∆f (H2SO4)]-[∆ f(SO3)+∆H2O ] ∆r = [ -814.0]-[-395.6+285.8) .8) ∆r = [-814.0]-[-395.6+285 =-704.2 KJ/mol ∆r =-704.2
A
7. MODELOS Y/O REACCIONES REACCIONES QUÍMICAS QUE IDENTIFICAN AL PII ELEGIDO Las etapas fundamentales en la producción de ácido sulfúrico son tres:
a) Producción de dióxido de azufre (SO2) por tostación de una pirita. FeS() +
11
1 () ⇄ SO() + ( ) ; ∆°() −824.54 −824.54 / / 4 2
b) Conversión de SO2 en trióxido de azufre (SO3).
SO() + O() ⇄ ( ) ; ∆°() −98. −98.9 9 /mol
c)
Absorción del SO3. SO() + O() ⇄ ∆°() −89 / /
8. OTRAS REACCIONES QUÍMICAS DE INTERÉS INDUSTRIAL Obtención de carbonato de sodio:
Es utilizado en la fabricación de vidrios, ablandamiento de aguas de consumo, agente neutralizante de ácidos, fabricación de jabones, en la industria textil y del papel; como también se emplea como materia prima en la preparación de diversas d iversas sales sódicas, hidróxidos y otros carbonatos. Esta reacción es considerada como la desencadenante de la industria química en el mundo. Fue Leblanc, quién utilizando la disponibilidad del ácido sulfúrico, propuso obtener el carbonato de sodio (sosa).
2NaCl + H2SO4 + 4C + CaCO3
4HCl + 4CO + CaS + Na2CO3
CaS y HCl son subproductos que se utilizan, respectivamente para obtener azufre (empleado a su vez para producir ácido sulfúrico) y cloro.
Obtención del cloruro de hidrógeno.
Se reconocen alrededor de 50 procesos industriales que tienen como subproducto al ácido clorhídrico y alrededor de 110 que lo requieren como materia prima.
Las principales vías de producción mundial del HCl diluido son la cloración de hidrocarburos y la producción de cloro fluro carbonados, el proceso leblanc: es un proceso discontinuo en el cual se convierte sal en sosa, utilizando ácido sulfúrico, piedra caliza piedra caliza y carbón, liberando cloruro de hidrógeno como producto de desecho 2 NaCl + H2SO4
Na2SO4 + 2 HCl (g)
9. CONDICIONES DE PROCESO, CUANTIFICAR LAS VARIABLES DE DE T, P, S, H, RENDIMIENTOS, CONVERSIÓN, CALIDAD, ETC. Primera etapa: producción de dióxido de azufre.
Temperatura: T=450°C Presión: P=1 atmosferas Entalpia: ∆H= -178.20KJ/mol. Conversión:12% Calidad: el producto obtenido en esta reacción no es de buena calidad, ya que sale con retazos de ceniza y otros compuestos que serán tratados posteriormente antes de dar paso a la segunda etapa. Segunda etapa: producción de trióxido de azufre, SO2, a partir de SO3.
Temperatura: T=400-450°C Presión: P=1-2 atmosferas Entalpia: ∆H= -94.45Kcal/mol. Conversión=99% Calidad: el producto obtenido en esta reacción tiene una calidad intermedia, ya que sale con ciertas sustancias que arrastra desde la primera etapa y con partículas de catalizador.
Tercera etapa: conversión de SO3 en ácido sulfúrico.
Temperatura: T=70-120°C Entalpia: ∆H= -130.40Kcal/mol. Conversión=98.5-99.5% Calidad: el producto obtenido en esta última etapa tiene una mejor calidad a comparación de las anteriores. El producto ácido sulfúrico sale con una buena concentración de 99%
10. MECANISMOS DE DE REACCIÓN DEL PII PRINCIPAL FeS() +
11
1 () ⇄ SO() + () 4 2
2-
SO
2-
+ SO
4
3
5+
2V
S
O 2
4+
+ O + SO
SO + 2 3
4+
2V
7
2-
5+
+ ½O
2V
2V
Rx. Catalitica
2-
+ O
2
SO + ½O 2
2
SO 3
SO() + () ⇄ () () + O() ⇄ ( )
11. TECNOLOGÍA DE PURIFICACIÓN DEL PRODUCTO PRINCIPAL A OBTENER
Filtración antes del almacenamiento. A medida que la planta de ácido sulfúrico funciona, el producto final puede contaminarse y enturbiarse con sulfato o silicatos de hierro. Zeolitas se utiliza para purificar el ácido sulfúrico contaminado debido a su propiedad de adsorción e intercambio iónico. La electrodiálisis (ED) para eliminar los iones de hierro (II)
12. IMPACTO AMBIENTAL DE LOS MATERIALES Y PROPUESTA DE MITIGACIÓN. IMPACTO AMBIENTAL:
Las emisiones de anhídrido sulfuroso en la atmosfera humedad es convertido a H2SO4 generando daños en el ecosistema, por ejemplo aparece pequeñas manchas en las hojas de las plantas y muertes de algunas especies. Con lo que respecta a los daños materiales, se tiene que el SO2 acelera la oxidación de hierro, especialmente en atmósferas muy húmedas, y se manifiesta daños importantes en los objetos metálicos como en la empresa y alrededores. Las principales actividades en la construcción y operación en la producción industrial de H2SO4, que afectan a la flora, fauna, agua y suelo; son sistema de drenaje, desmonte, y excavación.
Entre dichas actividades la de mayor importancia se encuentra la de desmonte, por la erosión del suelo que puede producirse y el cambio en el uso de éste, que dependiendo del lugar donde se realice la construcción puede interferir con actividades recreativas, agrícolas o ganaderas. Además se producirá la pérdida de especies vegetales y animales, cuya importancia dependerá también de la zona. los principales factores ambientales afectados, por la producción del H2SO4, son el aire, la biotaterrestre y la salud y la seguridad del hombre; y en menor proporción la calidad del agua y la biota asociada a ella.
PROPUESTAD DE MITIGACIÓN:
En muchas plantas de contacto que genera S02, es posible reducir a 0.1% la emisión de S02 en el gas de salida, operando con un gas muy diluido, aunque como es lógico, esto incrementa los costos de la operación. Existen varios procedimientos para aumentar la conversión de S02, a continuación se describen estos así como su factibilidad. -
El primer procedimiento para aumentar la conversión consiste en el cambio periódico de las masas catalíticas a fin de incrementar el rendimiento en la catálisis; aunque es el procedimiento más viable para reducir la emisión de S02, solo en muy pocos casos se logra alcanzar el límite máximo de conversión.
-
Otro procedimiento consiste en la trasformación de una planta de catálisis simple en otra de doble catálisis, pero aun cuando el rendimiento mejoraría considerablemente esta operación es económicamente prohibitiva dados los cambios, transformación y ampliaciones de equipo a introducir en la planta; por lo tanto no es factible desde un punto de vista exclusivamente económica. -
También puede emplearse chimeneas altas. La altura media de las chimeneas de las plantas de H2S0 es de 12 a 30 m aunque también existen un cierto número de chimeneas de 120 m y más.
Las emisiones de S03 no absorbida, al entrar en contacto con la humedad de la atmósfera se hidrata a Ácido sulfúrico y forma una pluma blanca visible de niebla acida generando posteriormente las lluvias acidas, La formación de la pluma visible se debe a condiciones de funcionamiento deficientes de la planta, que pueden corregirse con un mantenimiento a la planta industrial. Se puede recuperar la niebla acida usando tres tipos diferentes de equipos: - Precipitadores electrostáticos. - Filtros de tela metálica. - Filtros de fibra y vidrio.
13. APLICACIÓN PRODUCTO INDUSTRIALIZADO Y TRATAMIENTO DE DESPERDICIOS
Obtención de productos químicos: el ácido sulfúrico se emplea como materia prima en la obtención de numerosos productos químicos, q uímicos, como, por ejemplo, los ácidos clorhídrico y nítrico.
Abonos: En la producción de sulfato de amonio y de superfosfatos.
Colorantes y drogas: el ácido sulfúrico es, asimismo, la sustancia de partida de la fabricación de muchos colorantes, algunos de cuyos pigmentos son sulfatos metálicos. asimismo tiene un amplio uso de la obtención de drogas, desinfectantes, etc.
Pinturas y pigmentos: Muchos de los pigmentos y óleos utilizados en pinturas son sulfatos.
Refinado de petróleo: en la industria petroquímica se emplea el ácido sulfúrico para eliminar diversas impurezas de muchas de d e las fracciones del destilado del petróleo, tales como gasolinas, disolventes y otros.
Siderurgia: en esta industria el ácido sulfúrico se emplea, fundamentalmente, en el decapado del acero (también se usa en este proceso el HCl) antes de someterlo a procesos finales, como son los diverso d iverso recubrimientos.
Otros usos de menor importancia que los anteriores son la fabricación de seda artificial, plásticos de diversa naturaleza, explosivos acumuladores,etc TRATAMIENTO DE DESPERDICIOS:
El residuo Fe2O3 se envasa en contenedores herméticamente cerrados, se neutraliza adicionando lentamente una solución de hidróxido de sodio o cal al material, que se disponen en un lugar aprobado por la reglamentación local.
14. CASOS PROBLEMÁTICOS DE INTERÉS INDUSTRIAL
Los derrames dentro de la industria y en el transporte de producto. Fugas por el mal funcionamiento de la columna de absorción. Explosiones en el almacenamiento del ácido sulfúrico. Localizado de las industrias en lugares con áreas verdes y cerca de lugares poblados porque generaría daños pulmonares pulmonar es o ingestas. La producción de ácido sulfúrico, implica serios riesgos, principalmente por explosiones, en su almacenamiento, o en el manejo y almacenamiento de óleum ; o por fugas masivas de SO2 a la atmósfera el cua3 es venenoso.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1) 2) 3) 4) 5)
MAYER L. 1987 “Métodos de la Industria Química”,pp 149 PERRY. 1994. “Manual del Ingeniero Químico”. Quinta Edición. Mc Graw -Mexico.pp 800
Online https://www.rocasyminerales.net/pirita/ https://www.rocasyminerales.net/pirita/ [Extraído el 19/04/2018] 19/04/2018] Online http://mineralesdelmundo.com/pirita/[Extraído http://mineralesdelmundo.com/pirita/[Extraído el 19/04/2018] Online http://www.minadepiedras.com/es/bibli http://www.minadepiedras.com/es/biblioteca-de-minerales/44-pirita.ht oteca-de-minerales/44-pirita.html ml [Extraído el 19/04/2018]