REACTOR CATALÍTICO EN EL PROCESO DE ÁCIDO SÚLFURICO PDF

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UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICAINGENIERÍA DE LAS REACCIONESIntegrantes:Aga Vera Steven Rodrigo.Cajas Flores RuthKelly.FigueroaTumbaco Kevin Fernando.Moran SevillanoKevin Joel.Ramos CastroGissley De Los Ángeles.Vera Reyes JeffersonGabriel.Docente ...

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UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA

I NGENI ERÍ ADELASREACCI ONES

I nt e gr ant e s : Aga Vera Steven Rodrigo. Cajas Flores Ruth Kelly. Figueroa Tumbaco Kevin Fernando. Moran Sevillano Kevin Joel. Ramos Castro Gissley De Los Ángeles. Vera Reyes Jefferson Gabriel. Doc e nt e : Ing. Stefanie Bonilla Bermeo, Msc. Cur s o: IQI-S-CO-6-3 Componente del Proyecto Especificaciones generales Cálculos Balance de materia Conclusiones Maqueta Exposición individual

Puntaje /20 /3 /5 /3 /2 /5 /2

Pe r í odoLe c t i vo 2018 – 2019 CII

REACT OR CATALÍ TICO EN EL PROCE SO DE ÁCIDO SÚLFU RICO ( H 2 SO4 ¿

Índice. 2. INTRODUCCIÓN............................................................1

3. DIAGRAMA DE BLOQUE DEL PROCESO DEL ÁCIDO SÚLFURICO ( H 2 SO 4 ¿ ....................2 4. CARACTERISTICAS PRINCIPALES DEL PROCESO.......................................................................3 4.1 Características de materia prima:.......................................................................................3 4.2 Características del producto final:......................................................................................3 4.3 Reacción Química del proceso............................................................................................3 4.4 Ecuación de velocidad de la reacción.................................................................................4 4.5 Resumen de las características principales.........................................................................4 5. PRINCIPALES OPERACIONES DEL PROCESO DEL H 2 SO 4 ................................................5 5.1 Operaciones de Acondicionamiento de la Materia Prima..................................................5 5.2 Operaciones de Transformación.........................................................................................6 5.3 Operación de transporte....................................................................................................7 5.4 Operación de Almacenamiento..........................................................................................7 5.5 Resumen de las principales operaciones del proceso de H2SO4..........................................8 6. IDENTIFICACION DEL TIPO DE REACTOR..................................................................................9 6.1 Tipo de Reactor...................................................................................................................9 6.2 Características principales del reactor..............................................................................10 6.3 Aplicación en el campo industrial.....................................................................................10 6.4 Ecuación de diseño del reactor.........................................................................................11 6.5 Resumen del tipo de reactor.............................................................................................11 7. DIBUJO DEL REACTOR INDICANDO SUS ENTRADAS (MATERIA PRIMA, COMBUSTIBLES, AGUA, AIRE) Y SALIDAS (PRODUCTOS Y SUBPRODUCTOS) DE ACUERDO CON LA REACCIÓN QUÍMICA....................................................................................................................................12 8. CÁLCULOS: DE ACUERDO CON EL PROCESO DESARROLLADO...............................................13 9. CONCLUSIONES......................................................................................................................15 10. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS...........................................................................................15

2. INTRODUCCIÓN. El presente proyecto tiene como propósito el diseño de un reactor. Un reactor químico es un equipo en que se produce sustancias nuevas por reacción química a partir de materias primas. En muchas reacciones, la presencia de ciertas sustancias, denominadas catalizadores, hace que la reacción tenga lugar a mayor velocidad y selectividad hacia los productos deseados. Los procesos catalíticos ofrecen nuevos diseños de reactores para fabricar productos de mejor calidad, más eficientes y menos consumo de energía, menor impacto ambiental. El ácido sulfúrico es uno de los productos químicos con mayor importancia en la industria química debido a su gran número de concentración, grados de pureza, alto nivel de producción y demanda. Existen dos procesos para la producción de ácido sulfúrico los cuales son: método de cámaras de plomo, es el más antiguo de los procesos y es utilizado hoy en la actualidad para producir gran parte del ácido consumido en la fabricación de fertilizantes, método que produce un ácido relativamente diluido (62% - 78%) de ácido sulfúrico y método de contacto, método que se utiliza una catálisis heterogénea, es decir, el catalizador empleado está en fase de agregación distinta. En concreto, suele utilizarse un catalizador sólido, el pentóxido de divanadio, el cual produce un ácido más puro y concentrado entre el (98% -99%), en ambos procesos de dióxido de azufre, es oxidado y disuelto en agua, el dióxido de azufre es obtenido mediante la incineración de azufre, tostando piritas (bisulfuro de hierro), tostando otros sulfuros no ferrosos, o mediante la combustión de sulfuro de hidrogeno gaseoso. Algunas de las industrias económicamente importantes a nivel nacional que usan ácido sulfúrico dentro de sus procesos son: las refinerías de petróleo, las industrias de fertilizantes, hierro, acero, pinturas, pigmentos, procesamiento de minerales, explosivos, pesticidas, pulpa y papel, textiles, tratamiento de agua y productos farmacéuticos.

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3. DIAGRAMA DE BLOQUE DEL PROCESO DEL ÁCIDO SÚLFURICO ( H 2 SO 4 ¿ .

Figura 1. Diagrama de bloque del proceso del H 2 SO 4 Imagen obtenida de: https://es.slideshare.net/shonEiter/produccin-de-cido-sulfrico

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Figura 2. Diagrama del proceso del H 2 SO 4 por el método de contacto Imagen obtenida de: https://es.slideshare.net/EmilioOvando/produccion-acido-sulfurico

4. CARACTERISTICAS PRINCIPALES DEL PROCESO. 4.1 Características de materia prima: 

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AZUFRE: Es la principal materia prima del Ácido Sulfúrico, que procede de la desulfuración del gas natural y del crudo del petróleo. Hay que tener en cuenta que el azufre se puede encontrar de forma líquida o sólida, el azufre que está en estado sólido normalmente se recibe en barco o carretera, y el azufre liquido por carretera. El azufre en estado sólido es tratado en una instalación de fusión, filtrado y posteriormente es almacenado en estado líquido. AIRE: El aire antes de ser introducido en el proceso por una torre de secado.

4.2 Características del producto final: Ácido Sulfúrico ( H 2 SO 4 ¿ : Obtención del ácido sulfúrico al 98-99%.

4.3 Reacción Química del proceso. Método de contacto: 2 SO2 +O 2−→ 2 SO3 SO3 +H 2 O−→ H 2 SO4 SO3 + H 2 SO 4−→ H 2 S2 O 7 3

4.4 Ecuación de velocidad de la reacción. −¿ ¿ ¿ El orden de la reacción es 2, dado a que la velocidad de reacción es proporcional al producto de dos concentraciones de diferentes reactivos, previamente elevadas a la primera potencia.

4.5 Resumen de las características principales.

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5. PRINCIPALES OPERACIONES DEL PROCESO DEL

H 2 SO4 .

5.1 Operaciones de Acondicionamiento de la Materia Prima. 

Azufre y su combustión.

El azufre se clarifica en el fundidor de azufre, donde ocurre sedimentación y flotación de las partículas extrañas que trae el azufre consigo, posteriormente el azufre clarificado se bombea a un quemador tipo horno donde se quema con aire suministrado por un turbo soplador para formar dióxido de azufre. Antes de entrar al quemador, el aire pasa a la torre de secado donde se lava con sulfúrico proveniente del tanque de dilución ((donde se almacena el "acido terminado, a una concentración de 98,5 %), para retirarle el vapor de agua que contiene. Al quemar el azufre se genera una gran cantidad de calor, el cual eleva la temperatura del gas en el quemador. 

Conversión de SO2 A SO3.

En el segundo paso del proceso, el SO2 que se encuentra en el gas se combina con el oxígeno remanente para formar SO3 en el convertidor, que consta de cuatro etapas de catalizador de pentóxido de divanadio V2O5. Para este paso el gas debe estar a una temperatura menor que la del quemador de azufre dado que la reacción de oxidación es exotérmica, la corriente de gases de salida de cada paso debe ser llevada a un intercambiador de calor para acondicionar la temperatura de entrada a cada paso (400460°C). Es necesario, por lo tanto, enfriar el gas de salida del quemador y dicho enfriamiento se consigue mediante una caldera de recuperación de calor. Tal caldera genera vapor a una presión de 250 psig. Después del primer paso, el gas pasa por otra caldera de recuperación de calor a una presión de 250 psig. Luego del segundo paso, el gas pasa por el intercambiador caliente de paso intermedio (Inter caliente), el cual enfría el gas y sirve además para precalentar parte del gas que retorna de la torre de absorción intermedia hacia el cuarto paso de catalizador. Después del tercer paso, el gas es conducido al intercambiador de calor frio (interfrio), a la torre barredora y posteriormente a la torre de absorción intermedia (TAI), donde el SO3 que contiene el gas es absorbido en ácido sulfúrico del 98%. El intercambiador frío de paso intermedio también sirve para calentar el gas que retorna de la torre de absorción intermedia, para lograr la temperatura correcta de entrada al cuarto pasó. El SO2 que queda en el gas se supone convertido a SO3 en el cuarto paso. El gas que sale del convertidor pasa a través del economizador supe calentador, donde es enfriado antes de 5

pasar a la torre de absorción final, donde el SO3 remanente es absorbido en ácido sulfúrico de 98%.  Absorción de Selenio y producción de óleum La corriente de gas SO3 proveniente del tercer paso, contiene selenio que viene con el azufre volcánico alimentado al quemador. El óleum se hace circular por la torre lavadora con el fin de rebajar la mayor parte del selenio sin disminuir el contenido de SO3 del gas. El selenio debe retirarse del azufre, debido a que este compuesto contamina el producto final. La corriente de óleum circula a través de un enfriador antes de retornar a la torre de lavado, para remover el calor que absorbió de la corriente de gas SO3. 

Absorción del gas SO3 y producción del ácido sulfúrico

El gas SO3 proveniente del convertidor se combina directamente mediante absorción, con el agua del ácido sulfúrico de 98-99%. Esta operación se efectúa en las torres de absorción en dos etapas. El ácido que recircula por la torre desecado se debilita con el vapor de agua que le quita el aire, mientras que en las torres de absorción el ácido se refuerza mediante la absorción del gas SO3. El ácido más debil que sale de la torre de secado se combina con ácido reforzado proveniente de las torres de absorción antes de ingresar a los enfriadores de ácido.

5.2 Operaciones de Transformación. Método de contacto Es el método de uso más generalizado en los países desarrollados. El fundamento del mismo reside en la oxidación reversible del SO2 a SO3 sobre un catalizador sólido, que en un principio fue platino y que modernamente suele ser pentóxido de divanadio (V2O5), por razones de economía, resistencia a los envenenadores ( a los que el Pt es tan vulnerable), y velocidad de reacción: 2 SO2 +O 2−→ 2 SO3 Obtención de SO2, que se suele hacer por tostación de piritas o quemando azufre. Purificación a fondo del SO2. Esta purificación es de extraordinaria importancia, de manera que se eliminan los posibles venenos del catalizador, como los óxidos de arsénico en el caso del platino, etc. Para ello se le hace pasar a través de unas ‘’cámara de polvo’’ precipitadores electrostáticos, torres de lavado y torres desecado posterior, mediante el uso de contracorrientes de ácido sulfúrico concentrado. Oxidación del SO2 en una torre donde se encuentra el catalizador finamente dividido sobre un soporte adecuado, con el fin de ofrecer una superficie eficaz máxima. Previamente la mezcla de SO2 y aire, ha debido pasar por un cambiador de calor, donde alcanza una temperatura óptima para un mayor rendimiento de la reacción reversible. En el caso de que el catalizador sea V2O5 esta temperatura es de unos 400°C.

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El SO3 pasa a otra torre, donde se absorbe en ácido sulfúrico concentrado, en el que se disuelve muy bien, formando ´´oleum´´ o ácido sulfúrico fumante, que posteriormente es diluido a ácido sulfúrico de 99-100%. SO3 +H 2 O−→ H 2 SO4 SO3 +H 2 SO 4−→ H 2 S2 O 7 H 2 0+ H 2 S2 O 7−→ 2 H 2 SO 4 El SO3 no se absorbe sobre agua, porque se origina una niebla compuesta de gotitas de ácido sulfúrico que no es absorbida, mientras que sobre ácido sulfúrico concentrado esta absorción tiene lugar rápidamente.

5.3 Operación de transporte. El diseño de los tanques de capacidad nominal 4 metros cúbicos debe cumplir con lo especificado. Se debe considerar la inclusión de al menos, un rompeolas en la sección transversal del interior del cuerpo. Un vehículo tanque de carretera se deben llenar con ácido de acuerdo a las siguientes disposiciones:   

El ácido debe ocupar solo un máximo del 98% de la capacidad nominal del tanque o de sus compartimientos interiores, a la temperatura de 55 ℃ . El espesor mínimo de la plancha de acero al carbono en un tanque portátil empleado en su construcción debe ser mayor o igual a 8mm. Los tanques deben contar con una tapa de escotilla convexa o plana, con elementos de fijación roscado y debidamente protegida.

VALVULAS DE DESCARGA El sistema de descarga del ácido debe estar dotado de al menos dos válvulas. Las más cercanas al tanque debe ser del tipo fondo de seguridad con un sistema de bloqueo montada adecuadamente de manera tal que impida cualquier abertura accidental por efectos de un choque del vehículo o por acción de terceros

5.4 Operación de Almacenamiento. La zona de descarga y el almacén con bidones que contengan ácido sulfúrico estarán ubicados en sectores que permitan controlar el acceso de personas ajenas a la operación. Además, se evitará que queden expuestas a accidentes con vehículos y/o maquinarias. La zona de almacenamiento contará con carteles de dimensiones no menores de 20 cm x 80 cm con las leyendas “PELIGRO, ÁCIDOSULFÚRICO”. El encargado llevará un control de la existencia de los bidones de ácido, para evitar tener una cantidad mayor a la necesaria para el proceso y/o mayor a lo adecuado en la habitación de almacenaje. 7

Contrastará con la empresa proveedora para controlar la facturación y reposición del producto. En la zona de proceso se colocará carteles de 60 x 100 cm. Con las leyendas "PRECAUCIÓN, SOLUCIONES ÁCIDAS", "NO FUMAR", "NOTRABAJAR CON ELEMENTOS CON LLAMA ABIERTA", y cualquier otro aviso de seguridad necesario. El encargado de seguridad visitará periódicamente la habitación para comprobar el correcto procedimiento de almacenamiento, así como detectar posibles fugas o bidones en mal estado para ordenar su retirada y/o la adquisición de nuevos bidones

5.5 Resumen de las principales operaciones del proceso de H2SO4  Operaciones de acondicionamiento de materia prima

Operaciones de transformación

Operaciones de transporte

Operaciones de almacenamiento

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Azufre y su combustión Conversion de SO2 A SO3

 Absorción de Selenio y producción de óleum  Absorción del gas SO3 y producción del ácido sulfúrico.  Combustión de azufre (s) para generar dióxido de azufre (SO2).  Combinación de dióxido de azufre con oxigeno (O2), para formar trióxido de azufre (SO3).  Combinación de trióxido de azufre con agua (H2O) para formar acido sulfúrico (H2SO4) al 98-99%.  El ácido debe ocupar solo un máximo del 98% de la capacidad nominal del tanque o de sus compartimientos interiores, a la temperatura de 55 ℃ .  El espesor mínimo de la plancha de acero al carbono en un tanque portátil empleado en su construcción debe ser mayor o igual a 8mm.  Los tanques deben contar con una tapa de escotilla convexa o plana, con elementos de fijación roscado y debidamente protegida. La zona de descarga y el almacén con bidones que contengan ácido sulfúrico estarán ubicados en sectores que permitan controlar el acceso de personas ajenas a la operación. Además, se evitará que queden expuestas a accidentes con vehículos y/o maquinarias. La zona de almacenamiento contará con carteles de dimensiones no menores de 20 cm x 80 cm con las leyendas “PELIGRO, ÁCIDOSULFÚRICO”.

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6. IDENTIFICACION DEL TIPO DE REACTOR. 6.1 Tipo de Reactor. Los reactores catalíticos de lecho fijo son columnas cilíndricas empacadas con partículas de catalizador. Estas partículas están inmovilizadas, y por tanto en contacto unas con otras. Los reactores de lecho fijo son el tipo de reactor más utilizado en la industria de procesos, principalmente como reactores catalíticos, con catalizadores sólidos granulares convencionales. Se da el nombre de fluidización al proceso de contacto que ocurre entre un sólido y un fluido (gas o líquido) en el cual el lecho formado por partículas sólidas finamente divididas se levanta y se agita por medio de una corriente ascendente de fluido. Ahora bien, Mc Cabe y Smith señalan que se habla de fluidización particulada cuando existe una expansión grande pero uniforme del lecho a velocidades elevadas, la cual generalmente se manifiesta en sistemas líquido-sólido, para partículas muy finas y un rango limitado de velocidad. Dicen que también se habla de fluidización agregativa cuando los lechos de sólidos se encuentran fluidizados con gases, como el aire, donde la mayor parte del gas pasa a través del lecho en forma de burbujas o huecos que están casi exentos de sólidos, y solamente una pequeña fracción del gas fluyen por los canales existentes entre las partículas, las cuales se mueven de forma errática. A medida que se incrementa la velocidad del fluido, con lo cual también se aumenta el caudal (si el área se mantiene constante). 

Lecho Fijo: las partículas permiten el paso tortuoso del fluido sin separarse una de otras, esto hace que la altura del lecho se mantenga constante y por tanto la fracción de vacío en el lecho (porosidad) se mantiene constante. En esta etapa el fluido experimenta la mayor caída de presión del proceso.

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Fig 2. Reactor Catalítico de lecho fijo

Funcionamiento El fluido se mueve a través de los espacios que hay entre las partículas. Las partículas permiten el paso tortuoso del fluido sin separarse una de otras. Finalmente salen los productos formados o transformados por el efecto catalítico. Ventajas Su operación es continua Su comportamiento es similar al reactor de flujo pistón Más eficiente que el reactor de cama fluidificada Bajo costo de operación Altas conversiones

Desventajas El catalizador se puede desactivar envenenar con el tiempo Es difícil controlar la temperatura y por lo tanto se pueden formar zonas calientes que pueden perjudicar al catalizador e incluso desactivarlo. No se puede emplear catalizadores de un tamaño muy pequeño ya que se formarían tapones y habría grandes pérdidas de presión. Existe dificultades en la limpieza del equipo

6.2 Características principales del reactor. La característica distintiva de un reactor de lecho fijo es que el lecho de sólidos o partículas catalíticas está soportado por un flujo de gas. Este reactor facilita la carga y la extracción del catalizador, lo cual es una ventaja cuando el lecho de sólidos debe ser eliminado y remplazado con frecuencia. Una alta conversión con un gran flujo es posible con este estilo de reactor. Estos reactores tienen una excelente transferencia de calor y las características de mezclado. Los lechos fluidos han sido muy usados en los procesos químicos, en los que los parámetros como la difusión o transferenci...