Características del Ácido Sulfúrico (H₂SO₄)

• Estado físico: Líquido a temperatura ambiente, incoloro, viscoso y corrosivo.
• Solubilidad: Altamente soluble en agua.
• Usos principales:
  • Producción de fertilizantes (aproximadamente 60% del uso total).
  • Lavado de rocas fosfóricas y minerales.
  • Fabricación de detergentes y explosivos.
  • Catalizador en diversas reacciones químicas.
  • Decapado de metales.
  • Baterías.
  • Industria papelera, farmacéutica y alimentaria.
  • Agente secante.
  • Producción de fibras.
  • Tratamiento de aguas.
• Acidez: Ácido fuerte.
• Densidad relativa: Varía con la concentración, siendo 1.84 para el ácido comercial (95.5% a 98.7%).
• Punto de fusión (Tf): Variable según la concentración:
  • -38 °C para la composición azeotrópica (98% en peso).
  • 10 °C para el ácido anhidro (obtenido en laboratorio por solidificación).
• Punto de ebullición (Te): Aumenta con la concentración:
  • Máximo de 336 °C, cercano a la composición azeotrópica (317 °C). Se descompone a partir de 300 °C.
  • 290 °C para el ácido anhidro.

Proceso de Producción del Ácido Sulfúrico

Formas de Obtención de SO₂

• Fusión y tostado de minerales que contienen azufre (aproximadamente 30% del proceso).
• Regeneración de ácido sulfúrico gastado proveniente de procesos donde se utilizó como catalizador, lavado de rocas fosfóricas o minerales, etc. (aproximadamente 10% del proceso).
• Combustión de azufre (aproximadamente 60% del proceso).

Proceso a Partir de la Combustión de Azufre

El proceso consta de tres etapas principales:

1. Combustión de azufre líquido (quemador): Reacción muy exotérmica.
2. Conversión catalítica (reactor): Oxidación parcial de SO₂ a SO₃.
3. Absorción: Conversión de SO₃ a ácido sulfúrico. Esta reacción también es exotérmica. Se utiliza una corriente de H₂SO₄ al 98% como absorbente para minimizar los efectos térmicos y separar el SO₃.

El proceso genera una gran cantidad de energía (subproducto), parte de la cual se utiliza internamente y el resto se vende a la red eléctrica. La planta debe estar diseñada para minimizar las emisiones de SO₂, SO₃ (nieblas) y NOx, cumpliendo con la legislación vigente.

Productos obtenidos: H₂SO₄, Oleum y electricidad.

Quemador y Recuperación de Energía

• Origen del azufre/SO₂:
  • Azufre sólido/líquido: Principalmente de procesos de desulfuración del petróleo o del gas natural.
  • Tostación de pirita (FeS₂) u otros sulfuros.
  • Fusión de sulfatos (CaSO₄) o combustión de sulfuro de hidrógeno.
• Combustión del azufre (S + O₂ → SO₂):
  • Temperatura de entrada: 120-140 °C.
  • Temperatura de salida:
    • 970 °C: [SO₂] ≈ 10%.
    • 1130 °C: [SO₂] ≈ 12%.
  • Debido a las altas temperaturas, se puede formar NOx.
• El aire que entra al horno debe estar seco. Se utiliza una corriente de H₂SO₄ del propio proceso para secarlo y evitar problemas de corrosión.
• La reacción es muy exotérmica.
• El gas caliente de combustión (SO₂) se enfría en una caldera de vapor a la temperatura adecuada para su introducción al sistema convertidor. Es crucial controlar la temperatura para evitar la formación de NOx a partir del N₂ del aire.
• Se usa aire seco para prevenir la formación de H₂SO₄ en el horno, ya que es altamente corrosivo.

Convertidor Catalítico

• Objetivo: Producir SO₃ a partir de SO₂.
• Reacción exotérmica.
• Se controla la temperatura de entrada mediante refrigeración.
• Mayor concentración de O₂ favorece la formación de SO₃, pero se limita a O₂/SO₂ ≤ 0.8 por razones económicas y para evitar la dilución excesiva de SO₂ con N₂.
• Se elimina el SO₃ por absorción.
• Aunque un aumento de presión favorece la producción de SO₃, se utiliza una sobrepresión de 200-300 mbar (limitada por la capacidad de la soplante).
• Se optimiza el catalizador en cada lecho.
• Se utiliza una baja velocidad espacial.

Temperatura de Entrada al Lecho

• La temperatura de entrada (Te) es una variable crítica, con un óptimo alrededor de 450 °C.
• Define la velocidad de reacción y la conversión máxima de equilibrio (Kp).
• La reacción genera calor.
• Se realiza un enfriamiento de los gases en etapas intermedias para evitar aumentos excesivos de temperatura.

Eliminación del SO₃

• Se elimina el SO₃ del reactor mediante una absorción intermedia.
• Primero, se dirige a una torre de óleum donde se absorbe parte del SO₃.
• Luego, se dirige a una torre de absorción con H₂SO₄.

Conversión del SO₂

Conversión del SO₃ y Uso del Catalizador

• El catalizador con Cs es más activo pero más caro. Se utiliza en las etapas de menor temperatura para lograr una mayor conversión a temperaturas más bajas y velocidades de reacción más altas.
• La corriente de salida del primer lecho se utiliza para recalentar vapor del proceso, que se puede emplear en el proceso o en la generación eléctrica.
• La corriente enfriada se alimenta al segundo lecho. La salida de este se enfría y se lleva al absorbedor para absorber el SO₃ formado. El gas con el SO₂ sin reaccionar se recircula al convertidor a la etapa (3), utilizando dos etapas con sus correspondientes enfriamientos para maximizar la conversión.

Producción de H₂SO₄: Absorción

Según el número de etapas de absorción, existen:

• Proceso de contacto simple: Una torre de absorción.
• Proceso de contacto doble: Dos torres de absorción (más una opcional de óleum).

Las instalaciones modernas, o las antiguas renovadas, suelen ser de contacto doble, ya que son más eficientes y permiten mayores conversiones de SO₂.

El SO₃ se absorbe en H₂SO₄ (≈ 98%) para producir H₂SO₄ (> 99%). Es una absorción con reacción química:

SO₃(g) + H₂O(l) → H₂SO₄(l)

Esta reacción es exotérmica. El absorbedor suele ser adiabático. Un aumento de temperatura sería perjudicial para la absorción y podría volatilizar parte de la disolución (pérdida de rendimiento). Para limitar el aumento de temperatura, se utiliza un gran caudal de líquido, y para limitar la evaporación, se emplea H₂SO₄ al 98%, cuya presión de vapor es la más baja de la mezcla.

Factores que Afectan el Rendimiento de la Absorción

• Concentración de H₂SO₄ en el líquido absorbente (≈ 98%).
• Rango de temperatura del líquido (70-120 °C).
• Técnica de distribución del ácido: contacto entre el gas y el líquido.
• Temperatura del gas de entrada.
• Humedad de los gases (normalmente «secos»).
• Separación líquido-gas (filtros de niebla, separadores de gotas, etc.).
• Sentido del flujo (equicorriente, contracorriente).

Producción de Óleum

• El óleum, o ácido sulfúrico fumante, es una disolución de SO₃ en ácido sulfúrico puro (100%). Su concentración se expresa como % de SO₃ «libre».
• Parte del SO₃ reacciona con el ácido sulfúrico para formar ácido disulfúrico: H₂SO₄ + SO₃ → H₂S₂O₇
• En la torre de absorción, el líquido absorbente es una disolución de óleum al 22-35%. La temperatura de entrada del líquido se fija en 40-50 °C y la del gas en 200 °C para limitar la evaporación del óleum y favorecer la absorción. De la torre sale un óleum más concentrado a 60-80 °C.
• La concentración final de óleum deseada se ajusta mezclando la corriente que sale del absorbedor con H₂SO₄ puro.
• Dado que la absorción de SO₃ en óleum es menos eficiente que en una disolución acuosa de H₂SO₄, la torre de óleum se coloca *antes* que la de sulfúrico.

Razones para usar H₂SO₄ al 98% en la absorción

• Es el más pesado (menos volátil), lo que resulta en la presión de vapor más baja.
• El 2% de H₂O favorece la reacción: SO₃(g) + H₂O(l) → H₂SO₄(l), aumentando la producción de ácido sulfúrico.
• Se utiliza un alto flujo de H₂SO₄ para mantener el proceso isotérmico.

Razones para usar una torre de Óleum primero

• La reacción H₂SO₄ + SO₃ ⇌ H₂S₂O₇ está más desplazada hacia los reactivos.
• Por lo tanto, la torre de óleum, donde la presión parcial de SO₃ es mayor, se coloca primero, seguida de la torre de sulfúrico, donde la presión parcial de SO₃ es menor.