DISEÑO Y FACTIBILIDAD ECONÓMICA DEL MONTAJE DE UNA PLANTA DE ÁCIDOSULFÚRICO EN SANTANDER, COLOMBIA MARÍA FERNANDA ORTIZ MENDOZA LAURA MARCELA BRAVO MEJÍA CRISTIAN GIOVANY GÓMEZ OLARTE JENNY ANDREA PINZÓN ARIAS JOHANNA ALEJANDRA PUENTES LIZARAZO JESSICA MAYERLY AGUILAR RODRÍGUEZ WENDY YERALDYN RUIZ TAMAYO WILLIAM DAVID HERNÁNDEZ CARRILLO PhD. RONALD MERCADO OJEDA Profesor Análisis de Procesos Químicos UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER FACULTAD DE INGENIERÍAS FISICOQUÍMICAS ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA BUCARAMANGA 2017 ANÁLISIS DE PROCESOS QUÍMICOS Escuela de Ing. Química Generalidades y Estudio de mercado de una planta de ácido sulfúrico en Colombia CONTENIDO 1. Introduccion ........................................................................................................................ 3 2. Objetivos............................................................................................................................. 4 3. Historia ............................................................................................................................... 5 4. Rutas de obtención .............................................................................................................. 7 5. Elección de ruta de obtención ........................................................................................... 15 6. Generalidades del proceso ................................................................................................ 16 7. Generalidades de reactivos y productos ............................................................................ 19 8. Estudio de mercado ........................................................... ¡Error! Marcador no definido. 9. Capacidad de la planta a instalar ........................................................................................ 25 10. Mercado futuro y competidores ..................................... ¡Error! Marcador no definido. Página | 2 Página | 3 . método de cámaras de plomo y el proceso de contacto en los cuales la obtención varía de acuerdo a las exigencias de cada proceso. INTRODUCCION El Ácido Sulfúrico es un producto industrial fundamental: sus aplicaciones son numerosas y su consumo es extraordinario. También se expondrá el estudio de mercado donde se tendrá en cuenta un análisis de oferta y demanda el cual será de gran utilidad para seleccionar el tipo mercado que se debe suplir. Antiguamente se denominaba aceite o espíritu de vitriolo. En este trabajo se indagará el método de contacto ya que la pureza y conversión de ácido sulfúrico es mucho mayor que en el método de cámaras de plomo. La producción de este compuesto es una de las más amplias en el mundo se realiza a escala laboratorio y a escala industrial donde existen dos procesos principales. Este estudio se expone para planificar la viabilidad de la creación de una planta productora de ácido sulfúrico. es un compuesto químico extremadamente corrosivo cuya fórmula es H2SO4.ANÁLISIS DE PROCESOS QUÍMICOS Escuela de Ing. Química Generalidades y Estudio de mercado de una planta de ácido sulfúrico en Colombia 1. Los usos del ácido sulfúrico son tan variados que el volumen de su producción proporciona un índice aproximado de la actividad general industrial. para esto se tuvieron en cuenta datos históricos de los precios de materias primas y producto. OBJETIVOS Objetivo General Analizar la viabilidad de instalar una planta para la producción de ácido sulfúrico mediante el desarrollo de un estudio de mercado que permita estudiar los diferentes factores económicos que intervienen en este.ANÁLISIS DE PROCESOS QUÍMICOS Escuela de Ing. demanda. Investigar diferentes fuentes bibliográficas. Realizar la proyección a diez años de la oferta. Página | 4 . como material de apoyo. costos de productos y costos de materias primas con el fin de evaluar la fluctuación de estos a futuro que permitan determinar la factibilidad de la ejecución del diseño del montaje de la planta. Recopilar y analizar datos estadísticos y económicos de importaciones de materia prima y exportaciones de los últimos años de productos involucrados en las plantas de ácido sulfúrico a nivel nacional e internacional. Objetivos específicos Evaluar los diferentes procesos para la producción de ácido sulfúrico y determinar cuál de estos es el más óptimo para el diseño de la planta de producción. para el estudio del proceso de la producción de ácido sulfúrico a partir de azufre elemental. Química Generalidades y Estudio de mercado de una planta de ácido sulfúrico en Colombia 2. Química Generalidades y Estudio de mercado de una planta de ácido sulfúrico en Colombia 3. Sin embargo. Posteriormente. Inglaterra. El modo de operación utilizado inicialmente para la fabricación de ácido sulfúrico en las cámaras de plomo fue intermitente. (citar) En 1774 se introdujo por primera vez vapor en las cámaras. A. 1 FRLIE R. Procesos de fabricación. En 1827. El ácido sulfúrico que se producía era tan solo del 35% al 40% de concentración. en 1250. el alemán Albertus Magnus hizo la traducción de tratados y libros de árabes y persas. Paracelsus describió el proceso de destilación del vitriolo verde y la obtención de un ácido débil a partir del destilado. Joshua Ward. La introducción de las cámaras de plomo se atribuye al Profesor Roebuck de Birmingham (Inglaterra). lograron aumentar la concentración de ácido sulfúrico hasta un 78% empleando una torre para la recuperación de óxidos de nitrógeno. quien vivió probablemente en la última mitad del siglo XV y habla de la preparación del ácido sulfúrico quemando azufre con salitre1. En 1740. quien en 1746 construyó una cámara de plomo de seis pies cuadrados de sección transversal para la fabricación del ácido. los cuales eran rodados dentro de las cámaras para la producción y condensación de los gases. Las piritas de hierro usualmente fueron la fuente del vitriolo verde. Scotland. lo cual permitió la industrialización de la producción de ácido sulfúrico que posteriormente junto con Garbett construyó una fábrica en Prestonpans. el químico alemán holandés Johann Glauber consiguió ácido sulfúrico quemando azufre con nitrato de potasio (KNO3). que significa cristal y se refiere a la apariencia de las sales de sulfato) verde. En el siglo XVII. HISTORIA Tal vez la referencia más temprana de ácido sulfúrico puede ser atribuida a Jabir Ibn Hayyan quien habló en el siglo octavo de destilar niter con vitriolo (del latin vitreus. La primera mención del ácido sulfúrico la hace Basilio Valentino.ANÁLISIS DE PROCESOS QUÍMICOS Escuela de Ing. el aire. el descubrimiento fue acreditado al alquimista persa Abu-Bekr-Ahhases. la mezcla de azufre y salitre se ubicaba en carros de hierro. farmacéutico londinense comenzó la fabricación de ácido a gran escala en Richmond. Reinhold Publishing Co. fue admitido en 1793 y el método intermitente de quemar el azufre fue reemplazado por un método continuo a comienzos del siglo XIX propuesto por Clement y Desormes. Página | 5 . Joseph Louis Gay Lussac y el británico John Glover. New York. en presencia de vapor. Casi al mismo tiempo. donde se empleaban dos masas de contacto. en 1875 Emil Jacob fabrico acido fumante a partir del ácido sulfúrico procido por el método de cámaras de plomo.ANÁLISIS DE PROCESOS QUÍMICOS Escuela de Ing. Magnus promovió la reacción de dos volúmenes de SO2 y uno de oxígeno para producir ácido sulfúrico con sponge de platino calentada. Knietsch dio soluciones a los problemas técnicos relacionado con el uso del gas quemador de piritas. Döbereiner hizo ácido sulfúrico fumante con platino negro como catalizador. Magnus y Döbereiner. En 1901. Además. Él propuso la oxidación del dióxido de azufre sobre un catalizador y la absorción del trióxido de azufre que se formaba utilizando agua como solvente. En el mismo año. Posteriormente. mostro la necesidad de enfriamiento en el proceso de contacto y pauto la manera para el desarrollo de una operación exitosa del mismo. descubrió que los oxidos de cromo y cobre catalizaban la conversión del dióxido de azufre a trióxido de azufre a una baja tasa de calor. Clements Winkler concluyo que el dióxido de azufre y el oxígeno deberían ser alimentados al proceso en proporciones estequiometricas y no diluidos. formó SO3 haciendo pasar una mezcla de SO2 y oxígeno a través de un tubo que contenía vidrio roto at a dull red heat. ahora conocido como el proceso de contacto. Actualmente. Química Generalidades y Estudio de mercado de una planta de ácido sulfúrico en Colombia Más adelante. En 1853. la mayor parte del suministro de ácido sulfúrico se obtiene mediante este método. Deacon se encargó del uso del sulfato de cobre como medio de contacto. Wöhler y Mahna en 1852. El vapor era condensado antes de que el gas fuese en contacto con el catalizador. Desarrollo del proceso de contacto Las características básicas de los procesos de contacto en la actualidad fueron descritas por Philips en una patente en 1831. demostrando que el cobre era inactivo a menos de aplicar un recubrimiento con oxido. Robb patento elo uso de cenizas de pirita como masa para el proceso de contacto. Página | 6 . en 1831. parte del dióxido de azufre era convertido gracias a la ayuda de un catalizador de óxido férrico. Peregrine Philips patentó un proceso de para conseguir trióxido de azufre y ácido sulfúrico concentrado mucho más económico. repitieron su trabajo. dos científicos alemanes. En la segunda etapa la mayor parte del dióxido el azufre remanente era oxidado gracias a platino como un catalizador. examino el comportamiento de varios catalizadores a diferentes condiciones. haciendo pasar el gas de la descomposición del ácido en la cámara por un catalizador. En 1888 y 1889 la Verein Chemischer Fabriken en Manheim patentaron el proceso Manheim. Hunt y otros probaron sílice como un catalizador del porceso. RUTAS DE OBTENCIÓN 4. Los gases quemadores son SO2. Página | 7 . y los gases se enfrían hasta 70 – 80°C. La torre de Glover es de ladrillos siendo resistente a los ácidos.1. El conjunto paralelo de cámaras de plomo está configurado de manera que las paredes y el techo están recubiertas con plomo. un ácido sulfúrico diluido. El trióxido de azufre se hace reaccionar con agua para producir ácido sulfúrico. PROCESO DE CÁMARAS DE PLOMO Este proceso está subdividido en dos grandes etapas: a) Oxidación del SO2 b) Hidratación del SO3 El proceso de la Cámara de plomo es uno de los métodos de producción de ácido sulfúrico que da sólo cerca del 50 a 60% de grado ácido. El ácido recogido en el fondo de la torre de Glover se pasa al enfriador de aire para llevarlo desde 130 – 150°C a una temperatura constante de 40°C. Las reacciones llevadas a cabo por los óxidos de nitrógeno en ollas de salitre (mezcla de nitrato de potasio (KNO3) y nitrato de sodio (NaNO3)) son: 2?????2 ?? + ?2 ? → 2?2 ??4 + ?? + ??2 ??2 + ??2 + ?2 ? → ?2 ??4 + ?? Los gases no absorbidos de la cámara de plomo están listos para entrar en la torre de Gay-Lussac donde la concentración diluida del HNO3 es utilizado para hacer reaccionar los gases provenientes del ácido nitrosil sulfúrico. las partículas sólidas se filtran dejando una mezcla de gases limpia. Las reacciones serían 2??2 + ?2 → 2??3 (Oxidación del SO2) ??3 + ?2 ? → ?2 ??4 (Hidratación del SO3) El azufre se quema con aire para producir dióxido de azufre gaseoso y debido al exceso de aire quemado. Mediante filtros. El vapor de baja presión y el agua filtrada se introducen en la parte superior de la cámara a través de boquillas de pulverización. O2.ANÁLISIS DE PROCESOS QUÍMICOS Escuela de Ing. El principio principal detrás del proceso es que el SO2 húmedo (dióxido de azufre) en presencia de óxidos nitrogenados (catalizador activo) se oxida a trióxido de azufre con el oxígeno presente en el aire. Química Generalidades y Estudio de mercado de una planta de ácido sulfúrico en Colombia 4. En contracorriente a estos gases el ácido sulfúrico diluido desciende. Ahora la mezcla de gas se pasa de las cámaras de combustión a la torre de Glover a través de macetas de nitrógeno donde NO2 y NO se mezclan. El ácido formado se condensa en la pared y se recoge como “ácido de cámara”. oxígeno y nitrógeno están presentes junto con el dióxido de azufre. que servirá para la alimentación de las cámaras de plomo. N2. NO2 y NO que se encuentran a 450 a 650 °C y se pasan al fondo de la torre Glover. Research and Industries. El proceso de cámara de plomo se explica por el siguiente diagrama: Figura 1. La escala de Twaddell es una de la escala famosa usada en el hidrómetro para encontrar la gravedad específica de los ácidos que está relacionada con el porcentaje del peso.ANÁLISIS DE PROCESOS QUÍMICOS Escuela de Ing. NO + NO2 + 2H2SO4 ↔ 2. Los óxidos de nitrógeno son absorbidos por el ácido Glover que forma ácido nitrosil sulfúrico.inclusive-science-engineering. Proceso de producción de ácido sulfúrico por cámaras de plomo Fuente: Inclusive Science and Engineering. Química Generalidades y Estudio de mercado de una planta de ácido sulfúrico en Colombia La reacción que tendrá lugar en la torre sería HNO 3 + NO.com/manufacture-of-h2so4-by-chamber-process/ La concentración de ácido sulfúrico se prueba a menudo desde la salida de la torre para asegurar la calidad y se realiza de forma continua mediante un método de medición indirecta denominado gravedad específica.NOHSO4 + H2O. Consulta en línea: http://www.HSO4 → 2NO2 + H2SO4. Science. Página | 8 . Se calcula cómo la relación entre la densidad del ácido sulfúrico y la densidad del agua medida a la misma temperatura. Engineering & Technology for Business. Gases con 1. que han sido cuidadosamente limpiados y secados. 2. Este tipo de proceso generalmente se utiliza con un contenido de SO 2 de los gases de entrada entre 6 – 10%. Absorción Enfriamiento ÁCIDO SO2 del gas catalítica de de SO3 del ácido SULFÚRICO SO2 a SO3 Fuente: Adaptado gracias a la información encontrada en Sulfur and Sulfuric acid (Cáp 25. N.1% mediante un buen diseño.. KIRAN. precedido si es necesario de absorbedores de óleum. Química Generalidades y Estudio de mercado de una planta de ácido sulfúrico en Colombia 4. Página | 9 . Oleums and Sulfonating Agents. se oxidan a trióxido de azufre en la presencia de catalizadores que contienen óxidos de álcali y vanadio. En los absorbedores.ANÁLISIS DE PROCESOS QUÍMICOS Escuela de Ing. Springer International Publishing Switzerland. p. 1176) 2 (ASHAR. 2013.2. en algunas plantas se puede alcanzar una eficiencia de conversión del 98. G. es difícil obtener una conversión mayor al 98%. PROCESO DE CONTACTO2 Existen dos tipos de proceso de contacto para la producción de ácido sulfúrico: Proceso de contacto sencillo (Absorción Sencilla) Los gases que contienen dióxido de azufre. Secado Conversión 3.5% con una carga grande de catalizador en el último paso y operando a una temperatura tan baja como sea posible (410 – 415ºC). El ácido absorbedor se mantiene a la concentración deseada de aproximadamente 99% p/p agregando agua o ácido sulfúrico diluido.Kent and Riegels handbook of Industrial Chemistry and Biotechnology.) A practical guide to the manufdacture of Sulfuric Acid. el SO3 es convertido a ácido sulfúrico por el agua existente en el ácido absorbedor.5% en promedio diariamente y se puede mejorar hasta el 99. la eficiencia de conversión está cercana al 98. Sin embargo. Este tipo de proceso se puede caracterizar en cuatro etapas principales como se muestra en el siguiente diagrama. En las plantas de absorción existentes que utilizan este proceso. El trióxido de azufre es posteriormente absorbido utilizando ácido sulfúrico concentrado en los absorbedores. 4. En las nuevas plantas. El absorbedor intermedio puede estar precedido por un absorbedor de óleum si es necesario. b) Enfriamiento del Dióxido de Azufre y limpieza del gas del proceso en los hornos de fundición Estos gases se pasan a través de una caldera de recuperación de calor residual donde se produce vapor de alta presión mientras los gases se enfrían a 390-410 ° C dependiendo del diseño de la planta y del diseño del conducto de gas. Óxidos de Hierro. causada por la formación de nieblas de Ácido Sulfúrico. El catalizador se empaca en diferentes capas de lecho. Cobre. Química Generalidades y Estudio de mercado de una planta de ácido sulfúrico en Colombia Proceso de contacto doble (absorción doble) En este proceso. El trióxido de azufre formado en la etapa secundaria es absorbido en el absorbedor final. las que por lo general son muy difíciles de retirar. se ilustra el proceso de contacto doble para la producción de ácido sulfúrico: a) Producción de Dióxido de Azufre a partir de la combustión de azufre elemental El azufre es convertido a SO2 mediante la combustión de azufre fundido con aire seco en un quemador para alcanzar una concentración de 10-12% de SO2 en la corriente gaseosa que abandona el horno a 1000-1200°C. Titanio y otros metales en torres empacadas conocidas como convertidores.5%. El secado de los gases ayuda a la protección del catalizador contra la formación de Ácido Sulfúrico en su superficie cuando la planta entra en periodos de receso para reparación o mantenimiento. donde se lleva a cabo la reacción de forma adiabática.5%. resultando en eficiencias de conversión global considerablemente altas cuando el gas residual se hace pasar a través de uno o dos lechos de contacto secundarios. y entre cada capa de lecho se ubica un intercambiador de calor para retirar excesos de calor perjudiciales para Página | 10 . el grado de conversión que se obtiene es cercano al 99. el trióxido de azufre ya formado es absorbido en el absorbedor intermedio haciendo uso de ácido sulfúrico con una concentración de 98. Cromo. Aquí el objetivo fundamental es secar los gases ricos en dióxido de Azufre que van a entrar a la oxidación catalítica para evitar la corrosión de los equipos más fríos en el proceso.5 – 99. Después de enfriar los gases a aproximadamente 160 – 190ºC en un intercambiador de calor. La absorción del trióxido de azufre trae consigo un desplazamiento considerable en el equilibrio de la reacción hacia la formación de SO 3.ANÁLISIS DE PROCESOS QUÍMICOS Escuela de Ing. A continuación. Platino. Manganeso. c) Oxidación catalítica del Dióxido de azufre La reacción se lleva a cabo sobre catalizadores de pentóxido de vanadio (V2O5). dependiendo del arreglo de los lechos de contacto y del tiempo de contacto que precede al absorbedor intermedio. ya que es una reacción exotérmica y por tanto favorecida en la termodinámica por las temperaturas bajas Página | 11 .ANÁLISIS DE PROCESOS QUÍMICOS Escuela de Ing. Química Generalidades y Estudio de mercado de una planta de ácido sulfúrico en Colombia los equipos y para la reacción en sí. a la sustancia anterior se le adiciona agua para producir el Ácido Sulfúrico final. La concentración del Ácido de absorción asegura que no exista formación de nieblas de Ácido Sulfúrico y que los gases de cola no posean trióxido de Azufre en concentraciones importantes. Química Generalidades y Estudio de mercado de una planta de ácido sulfúrico en Colombia Figura 2. causada por la formación de nieblas de Ácido Sulfúrico. En la mayoría de las plantas de producción. el dióxido de Azufre se pasa primero por todos los lechos catalíticos y luego se introduce a una absorción doble del trióxido de Azufre en torres de absorción consecutivas. donde se lleva a cabo la reacción de forma adiabática.ANÁLISIS DE PROCESOS QUÍMICOS Escuela de Ing. Aquí el objetivo fundamental es secar los gases ricos en dióxido de Azufre que van a entrar a la oxidación catalítica para evitar la corrosión de los equipos más fríos en el proceso. Titanio y otros metales en torres empacadas conocidas como convertidores. y entre cada capa de lecho se ubica un intercambiador de calor para retirar excesos de calor perjudiciales para los equipos y para la reacción en sí. Proceso de fabricación del ácido sulfúrico Fuente: Serie Guías Técnicas de aplicación de BREF´s en la Comunidad Autónoma del País Vasco d) Producción de Dióxido de Azufre a partir de la combustión de azufre elemental El azufre es convertido a SO2 mediante la combustión de azufre fundido con aire seco en un quemador para alcanzar una concentración de 10-12% de SO2 en la corriente gaseosa que abandona el horno a 1000-1200°C. Este se absorbe sobre Ácido Sulfúrico de concentración mínima de 98%. El catalizador se empaca en diferentes capas de lecho. Cromo. ya que es una reacción exotérmica y por tanto favorecida en la termodinámica por las temperaturas bajas g) Absorción del Trióxido de Azufre en ácido sulfúrico y obtención de óleum El gas de salida del convertidor es básicamente trióxido de Azufre. El secado de los gases ayuda a la protección del catalizador contra la formación de Ácido Sulfúrico en su superficie cuando la planta entra en periodos de receso para reparación o mantenimiento. Página | 12 . f) Oxidación catalítica del Dióxido de azufre La reacción se lleva a cabo sobre catalizadores de pentóxido de vanadio (V2O5). las que por lo general son muy difíciles de retirar. óxidos de Hierro. Manganeso. e) Enfriamiento del Dióxido de Azufre y limpieza del gas del proceso en los hornos de fundición Estos gases se pasan a través de una caldera de recuperación de calor residual donde se produce vapor de alta presión mientras los gases se enfrían a 390-410 ° C dependiendo del diseño de la planta y del diseño del conducto de gas. Cobre. Platino. 4. Página | 13 .ANÁLISIS DE PROCESOS QUÍMICOS Escuela de Ing. o. puede necesitarse un combustible adicional para calentar el gas del proceso a las temperaturas de conversión si la dureza del gas es baja (menos de 3.3. en casos excepcionales con aire. Una versión anterior de la tecnología WCP fue utilizada para tratar gases de sulfuro de hidrógeno escasos. por sus siglas en inglés) Este proceso no es sensible al balance de agua y ha sido utilizado para el tratamiento de Off- gas a partir de un fundidor de molibdeno. filtros de bolsa. Los gases limpiados (que contienen SO2) son llevados hasta la temperatura de conversión antes de ingresarlos al convertidor. Química Generalidades y Estudio de mercado de una planta de ácido sulfúrico en Colombia h) Enfriamiento del ácido Esta operación juega un papel importante en la determinación de la eficiencia y operación segura de toda la planta de producción de Ácido Sulfúrico. Un ventilador de tiro inducido es configurado en un punto adecuado para conducir los gases a través de la planta y para sobrellevar la caída de presión en el sistema de lavado. Los principales equipos de enfriamiento lo constituyen los intercambiadores de coraza y tubos y los intercambiadores de placas. etc. así como para ser instalado en dos plantas de desulfuración actualmente en construcción. precipitadores electrostáticos. Los gases tostados se limpian gracias a una combinación de ciclones. Para todos los componentes gaseosos. los componentes azufrosos en el gas se convierten a ácido sulfúrico sin la necesidad de secar primero el gas.5 – 4% de SO2) dado que la operación auto térmica es difícil a tales durezas. Además de los servicios industriales requeridos para una planta de ácido sulfúrico. Otros Procesos Proceso de contacto húmedo (WCP. El SO2 es convertido a SO3 por el catalizador y los gases calientes de la salida del convertidor se enfrían mediante intercambio de calor con el gas de alimentación que entra. El SO3 se combina con vapor de agua presente en los gases y el ácido sulfúrico formado es condensado sobre los condensadores que han sido diseñados especialmente para tal fin (donde se minimiza la formación de niebla ácida). ambos refrigerados con agua de proceso. El proceso fue desarrollado por el Dr. Matros en el Institute of Catalysis de la anterior USSR. Recientemente. Las reducciones de los volúmenes de gas pueden reducir tanto el tamaño del equipo como la cantidad de catalizador requeridos. Cuando la parte delantera se acerca al lado de salida del lecho. el proceso frío ha llegado a ser económicamente viable a alta presión. la mayoría de plantas de ácido sulfúrico se construyen para operar sólo un poco por arriba de la presión atmosférica. esto puede contrarrestar la ventaja que se había obtenido. La principal ventaja de este proceso es que la línea de operación para el primer lecho es casi vertical. Página | 14 . Básicamente. incrementando su temperatura. Por tanto. La desventaja principal del proceso de contacto por presión comparado con el proceso convencional de absorción doble es que consume más energía.5 – 3%) concentraciones de SO2 en el gas. pero el consumo mayor de energía del soplador contrarresta la ventaja obtenida. produciendo calor. el flujo a través del reactor se invierte. un gran lecho de catalizador se utiliza tanto como un intercambiador de calor regenerativo inverso. En este punto. es posible un ahorro de capital. Química Generalidades y Estudio de mercado de una planta de ácido sulfúrico en Colombia Proceso de presión La conversión de SO2 a SO3 incrementa a medida que la presión de operación aumenta dado que hay una reducción en el volumen durante la reacción: 2SO2 + O2 → 2SO3 El incremento se puede alcanzar manteniendo temperaturas óptimas en el lecho de catalizador. dando conversión del primer lecho de cerca de 80 – 90% a una temperatura de salida baja. PROCESOS NO VIABLES PARA PRODUCCIÓN A GRAN ESCALA Proceso de oxidación en estado no estacionario Este nuevo método de oxidación del SO2 se basa en una revocación periódica de la dirección del flujo de la mezcla de reacción sobre el lecho de catalizador. El calor es absorbido por el catalizador en el lecho. Incrementar la presión del gas de proceso puede reducir el tamaño del equipo que se requiere. Las inversiones de flujo se hacen cada 30 – 120 min. El SO2 frío en estado gaseoso se alimenta al lecho de catalizador y es calentado a la temperatura de ignición del catalizador por el calor almacenado en el lecho. Por consiguiente. así como reactor catalítico para la reacción de oxidación del SO2. El proceso es auto térmico a bajas (0. Como ya se había mencionado. la reacción de conversión sigue su curso. pero el soplador consume más potencia.ANÁLISIS DE PROCESOS QUÍMICOS Escuela de Ing. Química Generalidades y Estudio de mercado de una planta de ácido sulfúrico en Colombia El proceso está en operación en varias plantas en Rusia y países del oriente de Europa. Esto minimiza el escape de SO 2 de los gases de cola de la torre de absorción final. Proceso del peróxido de hidrógeno (H2O2) El uso de peróxido de hidrogeno puede oxidar el SO 2 a SO3 que luego se usa para producir ácido sulfúrico. Para efectos académicos trabajaremos con el Método de Doble Contacto (MDC) y con V 2O5 como catalizador.ANÁLISIS DE PROCESOS QUÍMICOS Escuela de Ing. De acuerdo a la información extraída de diversas fuentes bibliográficas fue posible establecer un paralelo de los porcentajes de pureza entre los dos métodos de la siguiente manera: MÉTODO DE CONTACTO MÉTODO DE CÁMARAS DE PLOMO Porcentaje de pureza Porcentaje de pureza 96-99% 60-70% Aunque el método más antiguo para la producción de ácido sulfúrico es el de cámaras de plomo. los cuales a su vez son más costosos. Página | 15 . El peróxido de hidrógeno se utiliza para oxidar las trazas remanentes de SO 2 (disuelto) en el ácido que está circulando en la planta. debido al alto costo del peróxido de hidrógeno este proceso no es viable económicamente. actualmente el más empleado es el método de contacto. aún así hay preferencia por el método de contacto debido a que el producto obtenido es de mayor pureza. Sin embargo. Esta forma de producción requiere de catalizadores con un grado de pureza mayor. 5. ELECCIÓN DE RUTA DE OBTENCIÓN Basados en los métodos expuestos anteriormente para la producción de ácido sulfúrico se define que el método más óptimo para el desarrollo de la planta teniendo en cuenta los porcentajes de pureza obtenidos es el método de contacto. El catalizador utilizado es el pentóxido de vanadio. y se puede maximizar su rendimiento teniendo en cuenta que: la eliminación del calor de reacción por medio de refrigeración favorece la formación de SO3. que reduzca la temperatura de trabajo es importante para el rendimiento.ANÁLISIS DE PROCESOS QUÍMICOS Escuela de Ing.8 con objeto de alcanzar un elevado grado de conversión.5%) en el líquido absorbente. el incremento de la cantidad de O2 hará que el equilibrio de la reacción se desplace produciendo mas SO3. Página | 16 . La eficiencia de este paso está relacionada con: • La concentración de H2SO4 (98. SO2 + ½ O2 ↔ SO3 Esta reacción es exotérmica. con la retirada del SO3 producido también conseguimos desplazar el equilibrio de la reacción (esto se produce en los procesos de doble absorción). Conversión del SO2 a SO3 La reacción de conversión de SO2 en SO3 está basada en la siguiente reacción de equilibro en presencia de catalizador. La relación SO2/O2 en los gases de entrada no suele ser superior al 0. un mayor tiempo de reacción favorece así mismo la conversión.1. la elección del catalizador. Absorción de SO3 El ácido sulfúrico se obtiene absorbiendo SO3 en agua en presencia de H2SO4 (con una concentración de al menos el 98%). GENERALIDADES DEL PROCESO Combustión del azufre La reacción que se produce en esta etapa es: S + O2 ➞ SO2 + calor El azufre. La unidad de combustión es un horno caldera consistente en una cámara de combustión y un refrigerador de gases.5-99. se oxida en una unidad de combustión a 900º . incrementando la presión también favorecemos la formación de SO3.800º C. Química Generalidades y Estudio de mercado de una planta de ácido sulfúrico en Colombia 6. Comercialización El ácido sulfúrico es producido en varias durezas. deben ser instaladas con control de fugas de emisiones.ANÁLISIS DE PROCESOS QUÍMICOS Escuela de Ing. Las instalaciones deben ser construidas con las mejores prácticas que la ingeniería permite.5 – 70. Las fuentes de alimentación líquida y gaseosa deben ser contenidas para prevenir las emisiones de gases o humos. Se debe tener cuidado de no sobrepresurizar el tanque de almacenamiento e incorporar medidas de diseño para minimizar el riesgo de aparición de sólidos. Originalmente el ácido sulfúrico fue comercializado en cuatro grados conocidos: Tabla 1. debido a que la presión de vapor del ácido sulfúrico es baja. Para el manejo del SO3 y el óleum se necesitan procesos de seguridad y gestión específicos para minimizar el riesgo de contaminación a la atmósfera. Química Generalidades y Estudio de mercado de una planta de ácido sulfúrico en Colombia • El rango de temperatura del líquido (normalmente entre 70ºC – 120ºC). Consideraciones generales: • La recepción. Formas comerciales del ácido sulfúrico Nombre comercial Concentración (%) Grados Baumé (°Be) Ácido de cámaras 62. Los venteos deben ir al tanque de ácido o a un sistema de lavado de gases. Su gravedad especifica se determina más fácil que su dureza. • La temperatura del gas de entrada. • La técnica de distribución del ácido. Página | 17 . en caso de emisiones accidentales. manejo y almacenamiento de las materias primas debe llevarse a cabo de forma que se minimice la emisión de polvo. • Que el flujo de gas sea en contracorriente o no. • Las operaciones del manejo del óleum y del SO3. • El tipo separador de gotas o filtros de nieblas.5 50 – 55 Ácido de Glover (ácido de torre) 78 60 Ácido sulfúrico concentrado 92 – 96 65 – 66 Ácido fumárico 98 – 100 Almacenamiento de productos intermedios y finales El almacenamiento y manejo del ácido sulfúrico está asociado a problemas no significativos de emisiones al aire a temperaturas normales. • El nivel de humedad del gas. en la fabricación de pigmentos metálicos. El almacenamiento se debe realizar en lugares ventilados. las industrias fotográficas y farmacéuticas se fabrican con ácido sulfúrico. Minerales de lixiviación. La producción de alcoholes sintéticos de importancia industrial también se basa en esta propiedad de ácido sulfúrico. La bodega de almacenamiento debe estar provista con piso de concreto resistente a la corrosión. El ácido sulfúrico forma sulfatos hidrolizables con muchos compuestos orgánicos. El almacenamiento se debe realizar en recipientes irrompibles y/o en contenedores de acero inoxidable. El almacenamiento debe estar retirado de áreas de trabajo. se debe procurar mantenerlos cerrados cuando no están en uso. 3. La eliminación virtualmente completa del vapor de agua de estos gases se consigue mediante una simple operación de lavado. El piso debe ser sellado para evitar la absorción. Evitar el deterioro de los contenedores. En el transporte de esta sustancia no se deben llevar comida o alimentos en el mismo vehículo. es más eficaz con el ácido sulfúrico porque se pueden usar altas temperaturas de lixiviación sin pérdida de ácido por volatilización. 1. No fumar en zonas de almacenamiento o manejo por causa del peligro de la presencia de Hidrógeno en tanques metálicos que contengan Acido. El ácido sulfúrico es un ácido activo con un punto de ebullición alto. No almacenar en contenedores metálicos. El ácido sulfúrico tiene una gran afinidad por el agua. Inspeccionar regularmente la bodega para detectar posibles fugas o corrosión. o en el medio acuoso receptor. frescos y secos. Almacenar las menores cantidades posibles. 2. Separar de materiales incompatibles. La fabricación de ácidos halogenados y el tratamiento del acero hacen uso de este punto de ebullición elevado. Otros ácidos presentan propiedades similares. Página | 18 . Lejos de fuentes de calor. Muchas operaciones de alquilación de las industrias petroleras y petroquímicas dependen de la capacidad de este ácido para reaccionar con hidrocarburos para formar compuestos intermedios.ANÁLISIS DE PROCESOS QUÍMICOS Escuela de Ing. ignición y de la acción directa de los rayos solares. Aplicaciones El ácido sulfúrico es extensamente usado en la industria por sus importantes propiedades químicas y físicas. Es ampliamente utilizado para el secado de gases que contienen humedad. Rotular los recipientes adecuadamente. Los contenedores vacíos se deben separar del resto. aunque el bajo costo de este acido lo hace ideal para varias operaciones químicas. Química Generalidades y Estudio de mercado de una planta de ácido sulfúrico en Colombia • Durante el manejo y almacenamiento del ácido sulfúrico se pueden producir goteos de sustancias peligrosas. que pueden generar un impacto en el suelo. Alquilaminas aromáticas importantes para el colorante. Estos materiales. Estas propiedades catalíticas explican su gran volumen de uso en la fabricación de gasolina de aviación. 5. El azufre se puede recibir en la planta de forma sólida o líquida. Otro uso principal es el del agente de neutralización en la producción de fibras sintéticas. sustancia a partir de la que se producirá el H2SO4. Página | 19 . son los mayores ingredientes utilizados e detergentes para el hogar. probablemente relacionadas con su afinidad por el agua. filtrado y posteriormente almacenamiento en estado líquido. El ácido sulfúrico puede ser transportando en tanques de acero y camiones cisterna o transportado en tambores de acero 7. usados en grandes cantidades.ANÁLISIS DE PROCESOS QUÍMICOS Escuela de Ing. Química Generalidades y Estudio de mercado de una planta de ácido sulfúrico en Colombia 4. Se utilizan grandes cantidades de ácido sulfúrico en procesos de coagulación ácida y en la regeneración de equipo de intercambio catiónico. que puede ser realizado satisfactoriamente por cualquier ácido. El azufre en estado sólido es tratado previamente en una instalación de fusión. Existe gran disponibilidad del ácido sulfúrico en el mercado. El ácido sulfúrico es ampliamente utilizado en procesos de acidulación y neutralización porque es con frecuencia el ácido más económico disponible para el trabajo. El uso generalizado de ácido sulfúrico para el control del pH. es un resultado directo del costo relativamente bajo de ácido sulfúrico y su disponibilidad. una ventaja adicional además de su bajo costo. El azufre sólido se recibe normalmente por barco o carretera. es necesaria su transformación a SO2. 7. El ácido sulfúrico en las concentraciones comunes de comercio (96- 99%) no reacciona apreciablemente con el acero en cambio se requieren de recipientes especiales para transportar las concentraciones comerciales comunes de los ácidos clorhídrico y nítrico. y el azufre líquido por carretera. 6. Una vez que el azufre está en forma líquida. El óleum es usado en la fabricación de sulfonatos orgánicos. GENERALIDADES DE REACTIVOS Y PRODUCTOS Azufre Es la materia prima en la fabricación del ácido sulfúrico y procede de la desulfuración del gas natural y del crudo de petróleo. El ácido sulfúrico tiene propiedades catalíticas especiales. S.36 K (115 °C) Punto de ebullición 717. 16 Serie química No metales Grupo. período. Química Generalidades y Estudio de mercado de una planta de ácido sulfúrico en Colombia Tabla 2. número Azufre.5 kJ/mol Entalpía de fusión 1. símbolo. p Masa atómica 32.ANÁLISIS DE PROCESOS QUÍMICOS Escuela de Ing. bloque 16.065(5) u Configuración electrónica [Ne] 3s2 3p4 Dureza Mohs 2 (Mohs) PROPIEDADES FÍSICAS Estado ordinario Sólido Densidad 1960 kg/m3 Punto de fusión 388. 3.7 MPa) 20700000 Pa Página | 20 .87 K (445 °C) Entalpía de vaporización 10.65 × 10-20 Pa a 388 K Punto crítico 1314 K (1041 °C) (20.7175 kJ/mol Presión de vapor 2. Información y propiedades físicas del azufre INFORMACIÓN GENERAL Nombre. 3. el Ácido Sulfúrico concentrado es entonces H2SO4 100%. sin color y sin olor. Al introducir trióxido de Azufre sobre Ácido Sulfúrico concentrado se genera óleum. Tabla 2. que por lo general se comercializa en soluciones de 10 a 70% de contenido de trióxido de Azufre y que se conocen también como Ácido Sulfúrico fumante.ANÁLISIS DE PROCESOS QUÍMICOS Escuela de Ing. Es muy corrosivo. Ácido Sulfúrico En su forma pura. fósforo y Azufre produciendo dióxido de Azufre (SO2). 11] El Ácido Sulfúrico concentrado y caliente es una sustancia altamente oxidante y ataca metales preciosos. el Ácido Sulfúrico es un líquido aceitoso. Las soluciones acuosas de Ácido Sulfúrico se nombran de acuerdo con el porcentaje en peso de Acido en la solución. El Ácido Sulfúrico puede formar soluciones con el agua en cualquier proporción. Química Generalidades y Estudio de mercado de una planta de ácido sulfúrico en Colombia Aire El aire antes de ser introducido en el proceso pasa por una torre de secado. 4. En este mismo estado reacciona con carbono. Propiedades fisicoquímicas del ácido sulfúrico [2. En su forma comercial está usualmente impuro y su coloración es pardusca. El Ácido Sulfúrico puede disolver cualquier cantidad de trióxido de Azufre (SO3). 5. Página | 21 . que se conoce como anhidro o como monohidrato de trióxido de Azufre. Olor: olor acre. el trihidrato (H2SO4*3H2O). el dihidrato (H2SO4*2H2O).1 (para 20. la descomposición de sulfitos a dióxido de Azufre y la descomposición de fosfatos de calcio naturales (Ca3(PO4)2) hasta Ácido fosfórico (H3PO4) y Sulfato de calcio (CaSO4). Sus características de higroscopicidad se deben a la formación de diferentes hidratos. Química Generalidades y Estudio de mercado de una planta de ácido sulfúrico en Colombia El Ácido Sulfúrico descompone las sales de muchos otros Ácidos. Ácido Disulfúrico.80 % de SO3).3%). pH : < 1. los cuales corresponden al monohidrato (H2SO4*H2O). Punto de ebullición: No disponible (339 ºC al 98. Tabla 3.ANÁLISIS DE PROCESOS QUÍMICOS Escuela de Ing. Densidad (a 40ºC) 100% ácido: 1840 Kg/m3 Página | 22 . Punto de congelación: -23. Óleum Designación o nombre comercial: Ácido sulfúrico.8 ºC (25. incoloro. lo cual representa una oportunidad industrial en diversos campos como en la producción de Sulfato de sodio (Na 2SO4) y cloruro de Hidrógeno (HCl) a partir del cloruro de sodio (NaCl).65 (para 22.8 %).6% de óleum). -1. Sinónimos comúnmente utilizados: Ácido Pyrosulfúrico. a 40ºC) 6.9º C (98 %). 6. Componentes del óleum Propiedades Físicas Aspecto: Líquido de incoloro a amarillo que desprende gases de SO3. el tetrahidrato (H2SO4*4H2O) y por último el hexahidrato (H2SO4*6H2O). Límites de explosividad: Ninguno Temperatura autoignición: No aplicables Tensión de vapor: ( SO3 en mm Hg. Fabricantes del catalizador ABSCO Allan Chemical Corporation NOAH Technologies Empresas chinas 3 CARL ROTH. Cada 8 años aproximadamente se repone completamente. Ficha de datos de seguridad.ANÁLISIS DE PROCESOS QUÍMICOS Escuela de Ing. Normalmente el 10% de esta cantidad se repone anualmente por pérdidas e inactividad.carlroth. Química Generalidades y Estudio de mercado de una planta de ácido sulfúrico en Colombia Catalizador Oxido de Vanadio V2O5 Tabla 4.pdf Página | 23 . la tonelada de catalizador puede estar alrededor de 50000 US/ton. en sitio. Consulta en línea: https://www. Propiedades físicas y químicas del catalizador3 Una planta pequeña puede requerir aproximadamente 5 toneladas de V2O5.com/downloads/sdb/es/5/SDB_5370_ES_ES. 878 Kg.3%.530.3 Según los datos reportados anteriormente se puede observar que China es el país con mayor % de evolución en las Exportaciones en un 104. Análisis de Mercado Futuro Los principales países importadores de ácido sulfúrico según el portal dedicado a la exportación SmartExport [1] son: Importe de las Evolución de las importaciones País importaciones (M USD) (%) Estados Unidos 52 100.ANÁLISIS DE PROCESOS QUÍMICOS Escuela de Ing. Los principales países Exportadores de ácido sulfúrico según el portal dedicado a la exportación SmartExport son: Monto de las exportaciones Evolución de las País (M USD) exportaciones (%) China 95 104.1 Italia 18 84. ESTUDIO DE MERCADO Los datos históricos de oferta y demanda del Azufre como materia prima y ácido sulfúrico como producto fueron obtenidos del DANE (departamento administrativo nacional de estadística) los cuales fueron útiles para calcular las proyecciones con rangos de valores existentes y empleados para deducir un valor futuro.100. Se estimó que la proyección en la demanda efectiva de ácido sulfúrico al 2026 tendrá un comportamiento de función pronóstico alcanzado aproximadamente 5. se estimó una oferta efectiva en la materia prima del proceso (Azufre) al 2026 con un pronóstico alcanzado aproximadamente de 6.4 Brasil 18 229.3 Alemania 29 0. Por otro lado. Química Generalidades y Estudio de mercado de una planta de ácido sulfúrico en Colombia 8.8%.574 Kg. Página | 24 .8 Reino Unido 20 40. Para pronosticar dicho valor se utiliza una herramienta de Excel una función comúnmente llamado regresión lineal con el fin de proyectar la vida de la planta a 10 años.3 Taiwán 40 75.8 Alemania 34 40.1 Según los datos reportados anteriormente se puede observar que Estados Unidos es el país con mayor % de evolución en las importaciones en un 100. Química Generalidades y Estudio de mercado de una planta de ácido sulfúrico en Colombia 9.11) se observa que. calculada de la diferencia entre la demanda y la oferta de nuestro producto de ácido sulfurico. En la gráfica adjunta en Excel (Hoja 1. Esta capacidad se define a partir de la máxima producción posible que se encuentre en la disponibilidad de compra del producto.703x + 1730.9994 Demanda insatisfecha vs Periodo 2500 2000 Demanda insatisfecha (ton/año) 1500 1000 500 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Periodo La capacidad de la planta depende directamente de la demanda insatisfecha. CAPACIDAD DE LA PLANTA A INSTALAR y = 34. (Ver Anexo Archivo Excel para el procedimiento detallado de los cálculos y de la capacidad a instalar de la planta.3 R² = 0.ANÁLISIS DE PROCESOS QUÍMICOS Escuela de Ing. así como de los análisis de las gráficas y las proyecciones) Página | 25 . con el paso de los años. esta demanda aumenta lo cual quiere decir que los bienes se consumen al transcurrir el tiempo. S. En Diseño de una torre de absorción para producir ácido sulfúrico y posible montaje de una planta en Neiva (Huila). Barcelona. U._cloruro_de_hidrogeno_acido_clor hidrico_acido_clorosulfurico_acido_sulfurico_oleum_acido_nitrico_acidos_sulfonitricos_acido_fo . 1989. Colombia: Tesis de pregrado UIS. Disponible en http://www. El portal dedicado a la exportación. Sulfuric Acid [en línea].epa.gov/oswer/ceppoehs.. [3] Environmental Protection Agency (EPA). htm [5] Occupational Safety & Health Administration (OSHA). Disponible en http://yosemite. International Chemical Safety Cards. Octubre de 1985.A. Fritz. industria química y sus productos.pdf [9] URRIAGO. [2] Editores: Elvers B. Enciclopedia de química industrial. Enero de 2001 [citado abril de 2003]. BOHÓRQUEZ. SIDS Initial Assessment Report for 11 SIAM. Sulfuric Acid [en línea]. El ácido sulfúrico. [En línea]. [8] United Nations Environmental Programme. revisado noviembre de 1987 [citado Abril 26 de 2003]. Hawkins S y otros. New York: Reinhold Publishing Corporation. Pág. Sulfuric Acid Chemical Profile and Emergency First Aid Treatment Guide [en línea]. [7] ULLMAN.chem.ch/irptc/sids/volume10/v10_2/ sidsv10_2_7664939. (1931). J. Ullman´s Encyclopedia of Industrial Chemistry.ANÁLISIS DE PROCESOS QUÍMICOS Escuela de Ing. Página | 26 . Quinta edición completamente revisada. Química Generalidades y Estudio de mercado de una planta de ácido sulfúrico en Colombia 10. Disponible en http://www. Disponible en http://www. The manufacture of sulfuric acid.cdc.org/public/english/protection/safework/cis/products/icsc/dtasht/_icsc03/icsc0362.smartexport.com/es/Acidos_inorganicos_(exc. (10-15). Cáp.ilo.pdf [6] SmartExport. 3. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] DUECKER. Octubre de 2000 [citado abril 26 de 2003]. J.: Volumen 2.html#pageProduitEchange_titre>[Citado 3 de abril 2016]. Occupational Safety and Health Guideline for Sulfuric Acid [en línea].281119. Volumen 24. W. (1974).gov/niosh/pdfs/0577. Disponible en internet: <http://www. New York.unep. Editorial VCH. Septiembre de 1978 [citado abril 26 de 2003].nsf/Alphabetical_Results?OpenView&Start=291 [4] Organización Mundial de la Salud (OMS). (1959).
Report "Estudio de Mercado Planta de Producción de Ácido Sulfúrico en Colombia"