Proceso Industrial de Producción de Ácido Sulfúrico (H2SO4)

Obtención de SO2

La obtención de SO2 se realiza principalmente mediante:

• Fusión y tostado
• Regeneración del ácido sulfúrico
• Combustión de azufre

Combustión de Azufre

1. Combustión de S líquido (Quemador): S + O2 -> SO2
2. Convertidor o reactor catalítico: SO2 + 1/2 O2 <-> SO3
3. Absorción: Reacción exotérmica, por ello se emplea como absorbente una corriente de H2SO4 para minimizar los efectos térmicos.

Proceso General

Se produce gran cantidad de energía; parte se emplea en el propio proceso y otra se vende a la red eléctrica.

Capacidad de producción: 750 t/día de H2SO4 al 98%, necesitando 247 t/día de S.

Pureza del H2SO4 final: 98,5%.

Oleum (ácido sulfúrico fumante): Concentración de 104% H2SO4. Es clave para minimizar emisiones y cumplir con la legislación vigente.

Quemador

Reacción principal: S + O2 -> SO2

Obtención de S: Azufre sólido, Tostación de pirita. Debido a las altas temperaturas (T) se pueden formar NOx. El aire debe entrar seco; se seca con una corriente de H2SO4 del proceso para evitar problemas de corrosión. El SO2 se enfría en una caldera para su introducción al sistema convertidor.

Convertidor Catalítico

Reacción principal: SO2 + 1/2 O2 <-> SO3

Reacción exotérmica. Cuanto más O2, más SO3 se produce, pero el máximo ratio O2/SO2 es 0.8 (por ahorro constructivo). El SO3 se elimina por absorción.

A presiones altas, más SO3 se produce, pero se utiliza sobrepresión de 200 a 300 mbar.

Velocidad espacial baja.

Temperatura del Lecho

Óptimo: 450°C. Define la velocidad de la reacción y la conversión máxima de equilibrio. Es necesario enfriar los gases para evitar el aumento de temperatura.

Eliminación de SO3

Mediante absorción intermedia: primero en el óleum, donde se absorbe parte, y luego en una torre de absorción intermedia.

Recuperación de Energía

Se utilizan sistemas como sobrecalentadores (super heater) y economizadores.

Conversión de SO2 por Etapa

• Lecho 1 (L1): 65%
• Lecho 2 (L2): 87%
• Lecho 3 (L3): 94%
• Lecho 4 (L4): 99,7%
• Lecho 5 (L5): 99,93%

En las etapas de menor temperatura, se utilizan catalizadores con Cs para lograr mayor conversión a bajas temperaturas y velocidades mayores. En el primer lecho se aprovecha el calor generado (para electricidad). La corriente de salida del lecho 2 va al absorbedor para quitar SO3 y luego el SO2 restante se lleva a la tercera etapa. Con dos torres de absorción se logra mayor conversión de SO2.

Absorción

Reacciones principales:

H2SO4 + SO3 <-> H2S2O7

H2S2O7 + H2O <-> 2H2SO4

SO3 + H2O <-> H2SO4

La absorción de SO3 en H2SO4 se realiza para producir H2SO4 con pureza > 99%.

La reacción es exotérmica, por lo que se utiliza un absorbedor adiabático.

Temperaturas altas son perjudiciales para el proceso y podrían volatilizar parte del ácido. Para evitar altas temperaturas, se utiliza un gran caudal de líquido. Para limitar la evaporación, se usa H2SO4 al 98%, cuya presión de vapor es la más baja de toda la mezcla.

Factores que Afectan el Rendimiento

• Concentración de H2SO4 del líquido que absorbe
• Temperatura del líquido (70-120°C)
• Distribución: contacto gas y líquido
• Temperatura, humedad y composición del gas de entrada
• Sentido del flujo

Sistemas Complementarios

• Compresores
• Tratamiento de residuos
• Circuito de agua
• Calderas
• Almacenes

Oleum

Es una disolución de SO3 en ácido sulfúrico puro (100%), expresada como % de SO3 “libre”.

Una parte del SO3 reacciona para producir H2S2O7.

En la torre de absorción, el absorbente es óleum al 22-35%. La temperatura del líquido es de 40-50°C y la temperatura del gas es de 200°C para limitar la evaporación del óleum y favorecer la absorción. El óleum concentrado sale a 60-80°C.

La concentración de óleum se ajusta mezclando la salida con H2SO4 puro.

La absorción de SO3 en óleum es menos eficiente que la de SO2 en H2SO4, por eso la etapa de óleum se encuentra antes en el proceso de absorción de SO3.

Control de Emisiones

• SO2: Se emite si la conversión no es completa. Para limitarlo, se optimiza el diseño del lecho catalítico.
• SO3: Se controla optimizando el diseño de la torre de absorción.
• H2SO4: Las emisiones se deben al diseño de la torre, la presión de vapor y la formación de nieblas. Se optimiza el proceso de absorción.
• NOx: Se forman en el horno quemador. Para limitarlos, se minimiza la temperatura, se controla la cantidad de oxígeno y se optimiza el diseño del quemador.
• Líquidos: Requieren tratamiento de residuo líquido.