Modelling Of Non-Isothermal Plug Flow Reactor Adsorption Tower For Sulpur Trioxide Hydration Using Vanadium Catalyst

Modelling Of Non-Isothermal Plug Flow Reactor Adsorption Tower For Sulpur Trioxide Hydration Using Vanadium Catalyst

PRODUCCIÓN DE ACIDO SULFURICO (H2SO4)

Existen dos grandes procesos por los cuales se ha producido o se produce Ácido Sulfúrico industrialmente: el proceso de cámara y el proceso de doble contacto. El primero de estos dos fue el más importante en los primeros años del siglo XX.

1. Proceso de Cámara

En el proceso de cámara, el óxido de Azufre se oxida hasta trióxido de Azufre (SO3), que posteriormente se combina con agua para generar el H2SO4. Las reacciones involucradas en este proceso corresponden a:

2NO     +     O2          2NO2[pic 1]

2NO2     +     2SO2     +     H2O          H2SO4     +     2NO[pic 2]

En estas reacciones el dióxido de nitrógeno (NO2) actúa como el agente oxidante. Los productos finales de este proceso, como se observa, son el Ácido Sulfúrico y Óxidos de nitrógeno. Por este procedimiento se obtiene H2SO4 de concentración 78%, que es una de sus desventajas con respecto al proceso de contacto donde se logran concentraciones del producto de 98%. (2)

2. Proceso de doble Contacto

El proceso de contacto es un proceso catalítico de mayor rendimiento y menor tiempo de proceso para las materias primas. En la producción de H2SO4 por esta metodología se diferencian varias operaciones importantes:

• Oxidación de Azufre hasta dióxido de Azufre
• Secado de los gases
• Oxidación catalítica de dióxido de Azufre hasta trióxido de Azufre
• Absorción de trióxido de Azufre a Acido sulfúrico
• Enfriamiento del Acido

2.1. Descripción del proceso

Oxidación de Azufre hasta Dióxido de Azufre: El objetivo en este caso es la generación de una corriente de gases con alta concentración de dióxido de Azufre. La materia prima fundamental en el proceso lo constituye el Azufre contenido en diversos minerales y que se usa en gran medida en procesos donde se consume formando Óxidos de Azufre que luego se alimentan a la planta de producción de Ácido Sulfúrico. (2)

Secado de los Gases: Aquí el objetivo fundamental es secar los gases ricos en dióxido de Azufre que van a entrar a la oxidación catalítica para evitar la corrosión de los equipos más fríos en el proceso, causada por la formación de nieblas de Ácido Sulfúrico, las que por lo general son muy difíciles de retirar. El secado de los gases ayuda a la protección del catalizador contra la formación de Ácido Sulfúrico en su superficie cuando la planta entra en periodos de receso para reparación o mantenimiento. (2)

Oxidación Catalítica de Dióxido de Azufre Hasta Trióxido de Azufre: La reacción se lleva a cabo sobre catalizadores como pentóxido de vanadio (V2O5), Platino, entre otros metales en torres empacadas conocidas como convertidores. El catalizador se empaca en diferentes capas de lecho, donde se lleva a cabo la reacción de forma adiabática, y entre cada capa de lecho se ubica un intercambiador de calor para retirar excesos de calor perjudiciales para los equipos y para la reacción en sí, ya que es una reacción exotérmica y por tanto favorecida en la termodinámica por las temperaturas bajas. (2)

Absorción de Trióxido de Azufre: El gas de salida del convertidor es básicamente trióxido de Azufre. Este se absorbe sobre Ácido Sulfúrico de concentración mínima de 98%; a la sustancia anterior se le adiciona agua para producir el Ácido Sulfúrico final. La concentración del Ácido de absorción asegura que no exista formación de nieblas de Ácido Sulfúrico y que los gases de cola no posean trióxido de Azufre en concentraciones importantes. En la mayoría de las plantas de producción, el dióxido de Azufre se pasa primero por todos los lechos catalíticos y luego se introduce a una absorción doble del trióxido de Azufre en torres de absorción consecutivas. (2)

Enfriamiento del Ácido: Esta operación juega un papel importante en la determinación de la eficiencia y operación segura de toda la planta de producción de Ácido Sulfúrico. Los principales equipos de enfriamiento lo constituyen los intercambiadores de coraza y tubos y los intercambiadores de placas, ambos refrigerados con agua de proceso, o, en casos excepcionales con aire. (2)

PROCESO DE PRODUCCION ESTUDIADO EN EL ARTICULO

El proceso de producción de H2SO4 que presenta el artículo es el de doble contacto. Es un proceso en donde el SO3 precursor del H2SO4 se forma a partir de la oxidación del SO2 en un reactor catalítico de lecho empacado, utilizando V2O5 como catalizador.

Análisis termodinámico

Este proceso se da mediante las siguientes reacciones:

                        R1[pic 3]

                R2[pic 4]

                R3[pic 5]

En la reacción R1, el punto de fusión del azufre se encuentra entre 388 y 393 K. El azufre se atomiza en un horno caliente a 1400 K. La R2 puede ser una reacción reversible, muy difícil de darse sin un catalizador a cualquier temperatura. Sin un catalizador, la temperatura necesaria para una buena velocidad de reacción superaría los 600°C y la conversión seria baja. La reacción R3, que es la reacción global de este proceso, es más bien una absorción con H2SO4 concentrado.

Para este proceso se requiere seleccionar el mejor reactor con las mejores condiciones de funcionamiento que proporcione el mínimo capital y costo operacional para lograr el máximo rendimiento, por lo que inicialmente se debe analizar los diferentes aspectos termodinámicos de la reacción, observándose la influencia de la temperatura y la presión sobre dichas variables termodinámicas.

La termodinámica permite analizar qué tan lejos puede llegar la reacción de equilibrio, que tan factible es la reacción y cuanto calor requiere o genera la reacción, de acuerdo a las condiciones de operación, temperatura y presión, que se fijen.

...