Diseo de una Planta Industrial de cido Sulfrico
ESCUELA SUPERIOR POLITCNICA DE CHIMBORAZO ESPOCHFACULTAD DE CIENCIAS ESCUELA DE INGENIERA QUMICA TRABAJO DE INGENIERA DE PLANTAS
Tema: DISEO DE UNA PLANTA INDUSTRIAL DE CIDO SULFRICO
Ing. Aida GranjaNivel: Dcimo Nivel Fecha: Riobamba, 13 de julio de 2011
TABLA DE CONTENIDOTABLA DE CONTENIDO ...................................................................................................... 1
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Diseo de una Planta Industrial de cido Sulfrico ANTECEDENTES .................................................................................................................... 3 JUSTIFICACIN...................................................................................................................... 4 INTRODUCCIN.................................................................................................................... 5 1 OBJETIVOS........................................................................................................................ 6 1.1 1.2 2 Objetivo General ....................................................................................................... 6 Objetivos Especficos ................................................................................................ 6
MARCO TEORICO .......................................................................................................... 7 2.1 Obtencin industrial de acido sulfrico ................................................................ 7 Proceso de contacto ........................................................................................... 7 Reacciones ........................................................................................................... 9 Produccin ........................................................................................................ 10 Materia prima ................................................................................................... 10 Equipos.............................................................................................................. 10 Materiales.......................................................................................................... 10 Balances de masa y energa ............................................................................ 11
2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.1.4 2.1.5 2.1.6 2.1.7
2.1.7.1 Balance de masa ........................................................................................... 11 2.1.7.1.1 Clculos .................................................................................................... 12 2.1.7.2 Balance de energa ....................................................................................... 18 3 4 5 6 RESULTADOS ............................................................................................................... 20 DISEO FINAL Y ESPECIFICACIONES DE EQUIPOS ......................................... 21 CONCLUSIONES .......................................................................................................... 23 BIBLIOGRAFA ............................................................................................................. 24
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ANTECEDENTESEl cido sulfrico fue producido por primera vez aproximadamente en el ao 1,000 de la era cristiana. Por 18 siglos, el cido sulfrico fue preparado por el quemado de salitre con azufre. En el siglo XVIII y XIX, este fue esencialmente producido por una cmara procesadora en la cual el xido de nitrgeno era usado como un catalizador homogneo para la oxidacin del xido de azufre. El producto hecho por este proceso era de baja concentracin, no era lo suficientemente alto para los muchos usos comerciales. Durante la primera mitad del siglo XIX, la cmara procesadora fue gradualmente reemplazada por el proceso de contacto, y ahora el mtodo 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 intoxicacin y de ser relativamente abundante y barata comparado con el platino. Despus de la segunda guerra mundial, el tamao tpico de las plantas que realizaban el proceso de contacto se increment drsticamente alrededor del mundo suministrando un rpido incremento de la demanda de la industria de fertilizantes de fosfatos.
En el ao de 1963, se desarrolla el primer proceso de doble absorcin en gran escala. En este proceso, el gas SO2que ha sido parcialmente convertido en SO3por medio del catalizador es refrigerado, pasa a travs del cido sulfrico para remover SO3recalentado, y luego es pasado a travs de una o dos cmaras catalizadores. Por este mtodo, la conversin total puede ser incrementada desde el 98% al 99.5-99.8%, por consiguiente reduciendo la emisin del SO2convertido a la atmsfera. El proceso de contacto ha sido mejorado en todo detalle y es ahora una de las industrias de bajo costo, con un proceso automtico continuo. Todas las nuevas plantas de cido sulfrico usan el proceso de contacto. Las pocas plantas de pequea capacidad emplean la cmara de procesamiento que representan el 5% de las plantas de cido sulfrico.
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JUSTIFICACIN
El presente trabajo investigativo tiene como finalidad poner en prctica, los conceptos tericos de la ctedra de Ingeniera de Plantas mediante la elaboracin de un diseo de una planta industrial como es el caso de la obtencin de cido sulfrico.
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 parmetros para lograr este objetivo. Ya que siempre es necesario conocer cunto 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 bsicas.
Por lo antes mencionado es importante aplicar el diseo e Ingeniera de Plantas como factor importante en el rea de produccin de una industria. Adems de que es un determinante en cuanto a los costos econmicos involucrados para una ptima factibilidad de una planta antes de ser puesta en marcha, y de esta forma evitar riesgos durante el proceso productivo.
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INTRODUCCINEl diseo, ingeniera e instalacin de planta est en funcin de la inversin y del tipo de alimento que se desea elaborar.
En detalle involucra establecer el tamao de planta, principios sanitarios, caractersticas del proceso (continuo batch), nivel de tecnologa, seleccin de maquinaria y equipo y finalmente, la infraestructura de la planta. El diseo de planta debe considerar en forma primordial que la planta est apta para cumplir con las exigencias en la implementacin de cualquier sistema de gestin inocuidad (HACCP, BPM, BPA, etc.).
En el diseo de nuestra planta el cido sulfrico es uno de los qumicos industriales ms importantes. El cido sulfrico es importante en casi todas las industrias, y es usada ampliamente en la manufactura de fertilizantes superfosfatos, sales sulfatadas, celofn, rayn, detergentes, cido clorhdrico, cido ntrico, tintes, pigmentos, explosivos, refinacin de petrleo, en el almacenaje de bateras, en el tratamiento de agua industrial, y en el blanqueado de minerales.
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OBJETIVOS
1.1 Objetivo General
Realizar el diseo de una planta de elaboracin de acido sulfrico para una produccin anual determinada.
1.2 Objetivos Especficos
Determinar los quipos empleados en las diferentes operaciones de proceso. Determinar la importancia de las reacciones qumicas en los clculos de balance de materia y energa.
Determinar la capacidad de diseo de los equipos ms importantes. Establecer el diseo final con las especificaciones obtenidas en cada proceso.
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MARCO TEORICO
2.1 Obtencin industrial de acido sulfricoEl cido sulfrico se encuentra disponible comercialmente en un gran nmero de concentraciones y grados de pureza. Existen dos procesos principales para la produccin de cido sulfrico, el mtodo de cmaras de plomo y el proceso de contacto. El proceso de contacto produce un cido ms puro y concentrado, pero requiere de materias primas ms puras y el uso de catalizadores costosos. En ambos procesos el dixido de azufre (SO2) es oxidado y disuelto en agua. El dixido de azufre es obtenido mediante la incineracin azufre, tostando piritas (Bisulfuro de Hierro), tostando otros sulfuros no ferrosos, o mediante la combustin de sulfuro de hidrogeno (H2S) gaseoso 2.1.1 Proceso de contacto Es el mtodo de uso ms generalizado en los pases desarrollados. El fundamento del mismo reside en la oxidacin reversible del SO2 a SO3 sobre un catalizador slido, que en un principio fue platino y que modernamente suele ser pentaxido de divanadio (V2O5) por razones de economa, resistencia a los envenenadores (a los que el Pt es tan vulnerable).
Figura N 1: Diagrama del proceso de contacto
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Diseo de una Planta Industrial de cido Sulfrico Obtencin del dixido de azufre
El azufre es enviado dentro de una tolva medidora de azufre, luego ser fundido por una bobina de vapor, el ndice de fusin ser acelerado por medio de un agitador. El azufre fundido es derramado en los compartimentos de almacenaje de azufre. Dos equipos tipo bombas, sern instalados en el compartimento de almacenaje de azufre del medidor de azufre, uno ser operado y el otro ser parado. La bomba entregar azufre derretido a travs de una lnea elevadora de vapor al azufre quemado. Una presin de vapor de 5 Kg/Cm2 ser usada para calentar la lnea elevadora. El azufre ser rociado en la parte superior de la cmara de combustin de azufre. El aire para la combustin ser proporcionado por una tolva conducida por un motor elctrico. El aire de la tolva pasar a travs de una torre de secado para precalentar el aire y sobre el azufre quemado para proporcionar el oxgeno necesario para producir el gas SO2. Obtencin del acido sulfrico
En este proceso, una mezcla de gases secos que contiene del 7 al 10% de SO2, segn la fuente de produccin de SO2 (el valor inferior corresponde a plantas que tuestan piritas y el superior a las que queman azufre), y de un 11 a 14% de O2, se precalienta y una vez depurada al mximo, pasa a un convertidor de uno o ms lechos catalticos, por regla general de platino o pentxido de vanadio, donde se forma el SO3. Se suelen emplear dos o ms convertidores. Los rendimientos de conversin del SO2 a SO3 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 ms acusado en las plantas donde se utilizan piritas de partida con un alto contenido de arsnico, que no se elimina totalmente y acompaa a los gases que se someten a catlisis, provocando el envenenamiento del catalizador. Por consiguiente, en ocasiones, el rendimiento puede descender hasta alcanzar valores prximos al 95%. En el segundo convertidor, la temperatura vara entre 500 y 600C. Esta se selecciona para obtener una constante ptima de equilibrio con una conversin mxima a un
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Diseo de una Planta Industrial de cido Sulfrico coste mnimo. El tiempo de residencia de los gases en el convertidor es aproximadamente de 2-4 segundos. Los gases procedentes de la catlisis se enfran a unos 100C aproximadamente y atraviesan una torre de leum, para lograr la absorcin parcial de SO3. Los gases residuales atraviesan una segunda torre, donde el SO3 restante se lava con cido sulfrico de 98%. Por ltimo, los gases no absorbidos se descargan a la atmsfera a travs de una chimenea. Existe una marcada diferencia entre la fabricacin del SO2 por combustin del azufre y por tostacin de piritas, sobre todo si son arsenicales. El polvo producido en el proceso de tostacin nunca puede eliminarse en su totalidad y, junto con las impurezas, principalmente arsnico y antimonio, influye sensiblemente sobre el rendimiento general de la planta. La produccin de cido sulfrico por combustin de azufre elemental presenta un mejor balance energtico pues no tiene que ajustarse a los sistemas de depuracin tan rgidos forzosamente necesarios en las plantas de tostacin de piritas.2.1.2
Reacciones
Se distinguen tres etapas: Primera etapa:Obtencin del SO2 La obtencin del SO2 se realiza por la combustin de S o tostando sulfuros sobre todo pirita. Segunda etapa: Oxidacin de SO2 a SO3
Tercera etapa: Obtencin del acido sulfrico
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Diseo de una Planta Industrial de cido Sulfrico 2.1.3 Produccin Esta unidad de quemado de azufre puede producir 30 toneladas de cido sulfrico (98%) por da (capacidad mnima). Conociendo previamente que dicha planta tiene una produccin anual de 8400 ton y que labora durante 280 das al ao, realizando 4 ciclos por da comprendiendo en cada ciclo 5 horas de reaccin y 1 hora de carga, descarga y limpieza. 2.1.4 Materia prima Materia prima: Azufre Calidad: Un proceso FRASCH Dilucin del agua Calidad: Agua potable (depende de la calidad de producto requerido) 2.1.5 Equipos Horno Convertidor (Reactor) Absorbedores Chimenea
2.1.6 MaterialesEQUIPOS Caldera, intercambiadores, reactor MATERIALES CARACTERSTICAS PRINCIPALES Acero inoxidable de tipo Es bsico, tipo austentico para 302 propsito resistencia general, a la con buena y
corrosin
propiedades mecnicas Horno En el interior material Para resistir altas temperaturas y la desintegracin del
refractario. Y externamente evitar acero inoxidable.
material a fundirse.
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Diseo de una Planta Industrial de cido Sulfrico 2.1.7 Balances de masa y energa 2.1.7.1 Balance de masa Especificacin de variables de entrada y salida en cada equipo
O2 N2
S liquido 400 kg/h
P-41
HORNO
SO2 O2 N2
P-48
P-49 P-50
E-28
SO2 O2 N2
P-42
REACTORSO3 O2 N2SO2P-51
E-27
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SO3 O2 N2SO2
P-46
H2SO4 98% ABSORB EDORES SO2SO3
P-39 P-36 P-44 P-38 P-43
98%
O2 N2
E-25
2.1.7.1.1 Clculos
Cantidad requerida de
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Cantidad requerida de agua
Flujo de agua requerida
Cantidad requerida de
Reacciona: ( )
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No Reacciona: ( )
Cantidad requerida de
Reacciona: 7 ( )
No Reacciona: ( )
Cantidad requerida de S
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Capacidad de la bomba para el azufre
Cantidad requerida de
Reacciona: 19200 ( )
No Reacciona: ( )
Calculo de la cantidad de catalizador empleado Se emplea el 5% del volumen final del acido sulfrico para el catalizador.
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Calculo de la capacidad de la bomba del catalizador
Determinacin del flujo msico de combustible en el horno ( C H ) ( )
O
(Elemento C H O N
)Reactivos 12 23 49,7 93,44 Productos 12 23 49,7 93,44
(
)
(
)
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)
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Calculo de los volmenes
Clculo de la capacidad de la Caldera de Azufre
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Clculo de la capacidad del reactor
Clculo de la capacidad del absorbedor
2.1.7.2 Balance de energa Calor requerido para la caldera
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Masa de flujo de aire para la caldera
(
)
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RESULTADOSHORNO Masa del combustible Flujo de diseo del combustible en la bomba
CALDERA Azufre Oxigeno Reacciona: No reacciona: Dixido de azufre Reacciona: No reacciona: Flujo de calor Volumen Flujo de aire Flujo de diseo para la bomba de azufre
CONVERTIDOR Dixido de azufre Reacciona: No reacciona: Oxigeno No reacciona: No reacciona: Trixido de azufre Volumen Catalizador
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Diseo de una Planta Industrial de cido SulfricoCapacidad de la bomba del catalizador
ABSORBEDOR Trixido de azufre Agua Masa: Flujo volumtrico: Acido sulfrico Volumen
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DISEO FINAL Y ESPECIFICACIONES DE EQUIPOS
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Aire O2 N2
S solidoE-8
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400 kg / h
S liquido 400 kg/h
P-13
SO2 O2 N2
P-17
SO3 O2 N2SO2
P-19
H2SO4 98% SO2SO3
P-25 P-29 P-28 P-30 P-27
O2 N2P-14 P-11 P-16
HORNO
CALDERA
REACTORP-18
ABSORBEDOR
P-9
V2O5V-4
V-5
H 2O
V-2
V2O5
DIESEL
P-7
Tanque del Catalizador TANQUE DE AGUA E-2P-1 P-24
BombaV-3 P-32 P-34
DieselV-6
P-23
H2OV-1
Bomba E-1
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CONCLUSIONES
Al realizar el siguiente trabajo tuvimos las siguientes conclusiones:
Los principales equipos utilizados en la produccin de acido sulfrico son: horno para la fundicin del equipo, caldera para la transformacin del estado liquido a gaseoso del azufre, reactor para convertir el dixido de azufre en trixido de azufre y finalmente este ultimo reacciona con el agua para dar el cido sulfrico al 98%.
La importancia de las reacciones qumicas en un proceso industrial radica debido a que indican la proporcin equimolar de reactivos y productos, facilitando de esta manera los flujos de los componentes a la entrada y salida del sistema de produccin.
Para determinar la capacidad de diseo de los equipos es necesario realizar diferentes pasos de clculos como balances de materia y energa basados en las reacciones estequiometrias involucradas en el proceso.
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BIBLIOGRAFA http://www.antartica.cl/antartica/servlet/LibroServlet?action=fichaLibro&i d_libro=91244 http://turnkey.taiwantrade.com.tw/showpage.asp?subid=122&fdname=CHE MICAL+MATERIAL&pagename=Planta+de+produccion+de+acido+sulfurico 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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