74659207 Acido Sulfurico Lunes

Diseño de una Planta Industrial de Acido Sul!urico

ESCUELA SUPERIOR POLITECNICA DE CHIMBORAZO

"ESPOCH"FACULTAD DE CIENCIAS

ESCUELA DE INGENIERiA QUiMICA

TRABAJO DE INGENIERiA DE PLANTAS

Tema: DI S E N O DE U N A P LANTA I ND U STRI A L

DE ACI D O S ULFURI C O

Nivel:

Fecha:

Ing, Aida Granja

Decimo Nivel

Riobamba, 13 de julio de 2011

TABLA DE CONTENIDO

TABLA DE CONTENIDO ............................................................................................... ....... 1

Ing. Quimica Ing. de Plantas Pagina 1

Diseño de una Planta Industrial de Acido Sul!

Ing. Ing. de Pagina 2

ANTECEDENTES.................................................................................................................... 3

JUSTIFICACION...................................................................................................................... 4

INTRODUCCION.................................................................................................................... 5

1 OBJETIVOS........................................................................................................................ 6

1.1 Objetivo General ............................................................................................... ........ 6

1.2 Objetivos Especificos ................................................................................................ 6

2 MARCO TEORICO ............................................................................................... ........... 7

2.1 Obtenci6n industrial de acido sulfurico ................................................................ 7

2.1.1 Proceso de contacto ........................................................................................... 7

2.1.2 Reacciones............................................................................................... ............ 9

2.1.3 Producci6n ............................................................................................... ......... 10

2.1.4 Materia prima............................................................................................... .... 10

2.1.5 Equipos.............................................................................................................. 10

2.1.6 Materiales............................................................................................... ........... 10



2.1.7 Balances de masa y energia ............................................................................ 11

2.1.7.1 Balance de masa ........................................................................................... 11

2.1.7.1.1 Calculos............................................................................................... ..... 12

2.1.7.2 Balance de energia ....................................................................................... 18

3 RESULTADOS ............................................................................................................... 20

4 DISENO FINAL Y ESPECIFICACIONES DE EQUIPOS ......................................... 21

5 CONCLUSIONES ............................................................................................... ........... 23

6 BIBLIOGRAFIA ............................................................................................... .............. 24



ANTECEDENTES

El acido sulfurico fue producido por primera vez aproximadamente en el

afio 1,000 de la era cristiana. Por 18 siglos, el acido sulfurico fue

preparado por el quemado de salitre con azufre. En el siglo XVIII y XIX,

este fue esencialmente producido por una camara procesadora en la cual

el 6xido de nitr6geno era usado como un catalizador homogeneo para la

oxidaci6n del 6xido de azufre. El producto hecho por este proceso

era de baja concentraci6n, no era lo suficientemente alto para los

muchos usos comerciales.

Durante la primera mitad del siglo XIX, la camara procesadora fue

gradualmente reemplazada por el proceso de contacto, y ahora el metodo

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 a la intoxicaci6n y de ser

relativamente abundante y barata comparado con el platino. Despues de

la segunda guerra mundial, el tamafio ttpico de las plantas que realizaban

el proceso de contacto se increment6 drasticamente alrededor del mundo

suministrando un rapido incremento de la demanda de la industria de

fertilizantes de fosfatos.

En el afio de 1963, se desarrolla el primer proceso de doble absorci6n en

gran escala. En este proceso, el gas S02que ha sido parcialmente

convertido en S03por medio del catalizador es refrigerado, pasa a traves

del acido sulfurico para remover S03recalentado, y luego es pasado a

traves de una o dos camaras catalizadores. Por este metodo, la conversi6n

total puede ser incrementada desde el 98% al 99.5-99.8%, por

consiguiente reduciendo la emisi6n del S02convertido a la atm6sfera.

El proceso de contacto ha sido mejorado en todo detalle y es ahora una de las

industrias de bajo costo, con un proceso automatico continuo. Todas

las nuevas plantas de acido sulfurico usan el proceso de contacto. Las



pocas plantas de pequefia capacidad emplean la camara de

procesamiento que representan el 5% de las plantas de acido sulfurico.



JUSTIFICACION

El presente trabajo investigativo tiene como finalidad poner en

practica, los conceptos te6ricos de la catedra de Ingenieria de Plantas

mediante la elaboraci6n de un disefio de una planta industrial como es el

caso de la obtenci6n de acido sulfurico.

Ante la necesidad de conocer la capacidad de los equipos de proceso que

conforman una planta industrial para determinar el rendimiento total de la

misma, se ha visto conveniente determinar algunos parametros para

lograr este objetivo. Ya que siempre es necesario conocer cuanto

volumen puede ser procesado en un determinado equipo y de esta forma

se controla el flujo de materia prima limitado en la entrada de las

operaciones basicas.

Por lo antes mencionado es importante aplicar el disefio e Ingenieria

de Plantas como factor importante en el area de producci6n de una

industria. Ademas de que es un determinante en cuanto a los costos

econ6micos involucrados para una 6ptima factibilidad de una planta antes

de ser puesta en marcha, y de esta forma evitar riesgos durante el

proceso productivo.



INTRODUCCION

El disefio, ingenieria e instalaci6n de planta esta en funci6n de la

inversi6n y del tipo de alimento que se desea elaborar.

En detalle involucra establecer el tamafio de planta, principios sanitarios,

caracteristicas del proceso (continuo 6 batch), nivel de tecnologia,

selecci6n de maquinaria y equipo y finalmente, la infraestructura de la

planta. El disefio de planta debe considerar en forma primordial que la

planta este apta para cumplir con las exigencias en la implementaci6n de

cualquier sistema de gesti6n inocuidad (HACCP, BPM, BPA, etc.).

En el disefio de nuestra planta el acido sulfurico es uno de los quimicos

industriales mas importantes. El acido sulfurico es importante en casi

todas las industrias, y es usada ampliamente en la manufactura de

fertilizantes superfosfatos, sales sulfatadas, celofan, ray6n, detergentes,

acido clorhidrico, acido nitrico, tintes, pigmentos, explosivos, refinaci6n de

petr6leo, en el almacenaje de baterias, en el tratamiento de agua

industrial, y en el blanqueado de minerales.



1 OBJETIVOS

1.1 Objetivo General

• Realizar el disefio de una planta de elaboraci6n de acido sulfurico

para una producci6n anual determinada.

1.2 Objetivos Especificos

• Determinar los quipos empleados en las diferentes operaciones de proceso.

• Determinar la importancia de las reacciones quimicas en los

calculos de balance de materia y energia.

• Determinar la capacidad de disefio de los equipos mas importantes.

• Establecer el disefio final con las especificaciones obtenidas en cada proceso.



2 MARCO TEORICO

2.1 Obtenci6n industrial de acido sulfurico

El acido sulfurico se encuentra disponible comercialmente en un gran

numero de concentraciones y grados de pureza. Existen dos procesos

principales para la producci6n de acido sulfurico, el metodo de

camaras de plomo y el proceso de contacto. El proceso de contacto

produce un acido mas puro y concentrado, pero requiere de materias

primas mas puras y el uso de catalizadores costosos. En ambos procesos

el di6xido de azufre (502) es oxidado y disuelto en agua. El di6xido de

azufre es obtenido mediante la incineraci6n azufre, tostando piritas

(Bisulfuro de Hierro), tostando otros sulfuros no ferrosos, o mediante la

combusti6n de sulfuro de hidrogeno (H25) gaseoso

2.1.1 Proceso de contacto

Es el metodo de uso mas generalizado en los paises desarrollados. El

fundamento del mismo reside en la oxidaci6n reversible del 502 a 503

sobre un catalizador s6lido, que en un principio fue platino y que

modernamente suele ser penta6xido de divanadio (V205) por razones de

economia, resistencia a los envenenadores (a los que el Pt es tan

vulnerable).


Ing. Ing. de Pagina

Figura N 1: Diagrama del proceso de contacto


Ing. Ing. de Pagina

• Obtenci6n del di6xido de azufre

El azufre es enviado dentro de una tolva medidora de azufre, luego sera

fundido por una bobina de vapor, el indice de fusi6n sera acelerado por

medio de un agitador.

El azufre fundido es derramado en los compartimentos de almacenaje de

azufre. Dos equipos tipo bombas, seran instalados en el compartimento de

almacenaje de azufre del medidor de azufre, uno sera operado y el otro

sera parado.

La bomba entregara azufre derretido a traves de una linea elevadora de

vapor al azufre quemado. Una presi6n de vapor de 5 KgjCm2 sera

usada para calentar la linea elevadora.

El azufre sera rociado en la parte superior de la camara de combusti6n de azufre. El

aire para la combusti6n sera proporcionado por una tolva conducida por

un motor electrico. El aire de la tolva pasara a traves de una torre de

secado para precalentar el aire y sobre el azufre quemado para

proporcionar el oxigeno necesario para producir el gas 502.

• Obtenci6n del acido sulfurico

En este proceso, una mezcla de gases secos que contiene del 7 al 10% de

502, segun la fuente de producci6n de 502 (el valor inferior corresponde a

plantas que tuestan piritas y el superior a las que queman azufre), y de

un 11 a 14% de 02, se precalienta y una vez depurada al maximo,

pasa a un convertidor de uno o mas lechos cataliticos, por regla

general de platino o pent6xido de vanadio, donde se forma el

503. 5e suelen emplear dos o mas convertidores.

Los rendimientos de conversi6n del 502 a 503 en una planta en

funcionamiento normal oscilan entre el 96 y 97%, pues la eficacia inicial

del 98% se reduce con el paso del tiempo. Este efecto de reducciones se

ve mas acusado en las plantas donde se utilizan piritas de partida con

un alto contenido de arsenico, que no se elimina totalmente y

acompafia a los gases que se someten a catalisis, provocando el

envenenamiento del catalizador. Por consiguiente, en ocasiones, el

rendimiento puede descender hasta alcanzar valores pr6ximos al 95%.


Ing. Ing. de Pagina

En el segundo convertidor, la temperatura varia entre 5000 y 6000C. Esta

se selecciona para obtener una constante 6ptima de equilibrio con una

conversi6n maxima a un


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coste minimo. El tiempo de residencia de los gases en el convertidor es

aproximadamente de 2-4 segundos.

Los gases procedentes de la catalisis se enfrian a unos 100°C aproximadamente y

atraviesan una torre de 6leum, para lograr la absorci6n parcial de 503. Los

gases residuales atraviesan una segunda torre, donde el 503 restante se

lava con acido sulfurico de 98%. Por ultimo, los gases no absorbidos se

descargan a la atm6sfera a traves de una chimenea.

Existe una marcada diferencia entre la fabricaci6n del 502 por combusti6n del azufre

y por tostaci6n de piritas, sobre todo si son arsenicales. El polvo producido

en el proceso de tostaci6n nunca puede eliminarse en su totalidad y, junto

con las impurezas, principalmente arsenico y antimonio, influye

sensiblemente sobre el rendimiento general de la planta.

La producci6n de acido sulfurico por combusti6n de azufre elemental presenta un

mejor balance energetico pues no tiene que ajustarse a los sistemas de

depuraci6n tan rigidos forzosamente necesarios en las plantas de

tostaci6n de piritas.

2.1.2 Reacciones

5e distinguen tres etapas:

Primera etapa:Obtenci6n del 5O2

La obtencion del S02 se realiza por la combustion de S o tostando sulfuros sobre todo pirita.

5egunda etapa: Oxidaci6n de 5O2 a 5O3

Tercera etapa: Obtenci6n del acido sulfurico


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2.1.3 Producci6n

Esta unidad de quemado de azufre puede producir 30 toneladas de acido

sulfurico (98%) por dia (capacidad minima). Conociendo previamente que

dicha planta tiene una producci6n anual de 8400 ton y que labora durante

280 dias al afio, realizando 4 ciclos por dia comprendiendo en cada ciclo 5

horas de reacci6n y 1 hora de carga, descarga y limpieza.

2.1.4 Materia prima

• Materia prima: Azufre

Calidad: Un proceso FRASCH

• Diluci6n del agua

Calidad: Agua potable (depende de la calidad de producto requerido)

2.1.5 Equipos

• Horno

• Convertidor (Reactor)

• Absorbedores

• Chimenea

2.1.6 Materiales

EQUIPOS MATERIALES CARACTERISTICAS

PRINCIPALES

Caldera,

intercambiadores, reactor

Acero inoxidable de tipo

302

Es basico, tipo austenitico para

prop6sito general, con buena

resistencia a la corrosi6n y

propiedades mecanicasHorno En el interior

material

refractario. Y

externamente acero

Para resistir altas temperaturas y

evitar la desintegraci6n

del material a fundirse.


Ing. Ing. de Pagina

2.1.7 Balances de masa y energia

2.1.7.1 Balance de masa

• Especificacion de variables de entrada y salida en cada equipo

02

N2

S liquido400 kg/h

P-41

H0RN0S0202

N2

P-48

P-49

P-50

E·28

S02

02

N2

P-42

REACT0R

S03

02

N2S02

P-51

E-27


Ing. Ing. de Pagina

S03

02

N2S02

P-46

H2S04 98% P-39

ABS0RBS02

P-36

ED0RES

98%

S03

02

N2

P-44

P-38

P-43

E-25

2.1.7.1.1 Calculos

C a n tid a d requ e rid a d e


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C a n tid a d requ e rid a d e a gu a

F lu jo d e a gu a r equ e rid a


Reacciona: o 0


Ing. Ing. de Pagina

No Reacciona:

o 0


Reacciona:

7 o 0

No Reacciona:

o 0

C a n tid a d requ e rid a d e S


Ing. Ing. de Pagina

C a p a cid a d d e la bo mba p a ra e l a zu fre


Reacciona:

19200 0 0

No Reacciona:

0 0

C a lcu lo d e la ca n t id a d d e ca ta li za d o r e mp l ea d o

Se emplea el 5% del volumen final del acido sulfurico para el catalizador.


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C a lcu lo d e la ca p a c id a d d e la bo mba d e l ca ta li za d o r

Dete rm in a c io n d e l f lu jo ma s ico d e co m bu stib le en e l h o rn o

o o o o

c

H

o

o oElemento Reactivos Productos

c 12 12

H 23 23

o 49,7 49,7

N 93,44 93,44o o J J


Ing. Ing. de Pagina

J J J J


Ing. Ing. de Pagina

C a lcu lo d e lo s u o lu men es

C a lcu lo d e la ca p a c id a d d e la C a ld era d e A zu fr e


Ing. Ing. de Pagina

C a lcu lo d e la ca p a c id a d d el r ea cto r

C a lcu lo d e la ca p a c id a d d el a bso rb ed o r

2.1.7.2 Balance de energia

C a lo r requ erid o p a r a la ca ld e ra


Ing. Ing. de Pagina

Ma sa d e flu jo d e a ir e p a ra la ca ld era

o 0


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3 RESULTADOS

HORNO

Masa del combustible

Flujo de disefio del combustible en la

bomba

CALDERA

Azufre

Oxigeno Reacciona:

No reacciona:

Di6xido de azufre Reacciona:

No reacciona:

Flujo de calor

Volumen

Flujo de aire

Flujo de disefio para la bomba de azufre

CONVERTIDOR

Di6xido de azufre Reacciona:

No reacciona:

Oxigeno No reacciona:

No reacciona:

Tri6xido de azufre

Volumen

Catalizador


Ing. Ing. de Pagina

Capacidad de la bomba del catalizador

ABSORBEDOR

Tri6xido de azufre

Agua Masa:

Flujo volumetrico:

Acido sulfurico

Volumen

4 DISENO FINAL Y ESPECIFICACIONES DE EQUIPOS

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V

Diseño de una Planta Industrial de Acido Sul!urico

Aire

E-8S solido

400 kg I h

P-8 S liquido400 kgIh

02

N2

P-13

S02

02

N2

P-17 S03

02

N2S02

P-19

H2S04 98% P-25

S02 P-29

S03

02

N2

P-28

P-30

P-27

P-11P-14 P-16

H0RN0 CALDERA REACT0RP-18

ABS0RBED0R

P-9

V-4

DIESELV-5 H20

V-2

V205

E-2

P-1

V·6

Diesel

E-1

P-7

TANQUE DE AGUA

P-23

V·1

H20

Bomba

P-24

P-34

Bomba

Tanque del Catalizador

V-3P-32

Ing. Ing. De Pagina

5 CONCLUSIONES

Al realizar el siguiente trabajo tuvimos las siguientes conclusiones:

• Los principales equipos utilizados en la producci6n de acido

sulfurico son: horno para la fundici6n del equipo, caldera para la

transformaci6n del estado liquido a gaseoso del azufre, reactor para

convertir el di6xido de azufre en tri6xido de azufre y finalmente este

ultimo reacciona con el agua para dar el acido sulfurico al 98%.

• La importancia de las reacciones quimicas en un proceso

industrial radica debido a que indican la proporci6n equimolar de

reactivos y productos, facilitando de esta manera los flujos de los

componentes a la entrada y salida del sistema de producci6n.

• Para determinar la capacidad de disefio de los equipos es

necesario realizar diferentes pasos de calculos como balances de

materia y energia basados en las reacciones estequiometrias

involucradas en el proceso.

Ing. Ing. de Pagina

6 BIBLIOGRAFIA

http://www.antartica.cl/antartica/servlet/LibroServlet?

action=fichaLibro&i d_libro=91244

http://turnkey.taiwantrade.com.tw/showpage.asp?

subid=122&fdname=CHE

M

ICAL+MATERIAL&pagename=Planta+de+produccion+de+acido+sulf

urico

http://html.rincondelvago.com/acido-sulfurico_3.html

http://www.indec.cl/man_asp.html#fabricacion

http://www.indec.cl/manualpa.html

http://html.rincondelvago.com/plantas-industriales.html

http://www.tipsparaempresas.com/diseno-de-plantas-industriales-2/

www.cosmos.com.mx/h/g1dz.htm

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