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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
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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
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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
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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
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pocas plantas de pequefia capacidad emplean la camara de
procesamiento que representan el 5% de las plantas de acido sulfurico.
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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.
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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.
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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.
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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).
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Figura N 1: Diagrama del proceso de contacto
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• 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%.
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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.
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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
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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
C a n tid a d requ e rid a d e
Reacciona: o 0
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No Reacciona:
o 0
C a n tid a d requ e rid a d e
Reacciona:
7 o 0
No Reacciona:
o 0
C a n tid a d requ e rid a d e S
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C a p a cid a d d e la bo mba p a ra e l a zu fre
C a n tid a d requ e rid a d e
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
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J J J J
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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
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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
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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
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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
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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
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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