TPD sulphur burner

Anuncio
Manual de Operación
Planta de Acido Sulfúrico
Noracid PAM
2.2
Propiedades
2.2.1 Ácido Sulfúrico
Propiedades Físicas
El ácido sulfúrico puro, H2SO4, M.W. = 98,08, es un líquido incoloro, blanco-agua, ligeramente viscoso, con un punto de fusión de 10ºC, un punto de ebullición de 280ºC, y
una gravedad específica de 1,8356 kg/m³ @ 15°C. Puede ser mezclado con agua en
cualquier proporción. Las soluciones acuosas de ácido sulfúrico se definen por su contenido de H2SO4 en porcentaje en peso (wt.-%). El ácido sulfúrico anhídrico (100%) es
hasta hoy aludido en ocasiones como “monohidrato”, lo que sencillamente significa el
monohidrato de trióxido de azufre. El ácido sulfúrico disolverá cualquier cantidad de
SO3, formando óleum (“ácido sulfúrico humeante”). La concentración de óleum se expresa en porcentaje en peso (wt.-%) de SO3 disuelto (“SO3 libre”) H2SO4 100%.
Las propiedades físicas del ácido sulfúrico y el óleum son dependientes de las concentraciones de H2SO4 y SO3, la temperatura y la presión. La Figura 1 muestra las densidades de ácido sulfúrico y óleum en función de la temperatura y concentración. A temperatura constante, la densidad del ácido sulfúrico aumenta abruptamente con una mayor concentración de H2SO4, alcanzando un máximo a alrededor de 98%. Desde allí
hasta una concentración de 100%, la densidad disminuye levemente, pero vuelve a subir en el rango del óleum hasta una concentración de alrededor de 60% de SO3 libre. La
medición de la densidad es un método rápido para determinar la concentración hasta alrededor de H2SO4 95%, dada la clara relación entre densidad y concentración a temperaturas definidas en el rango de concentración más bajo. Los aerómetros utilizados para
estos efectos a menudo solían calibrarse en grados Baume (ºBe), y por este motivo la
concentración de ácido sulfúrico era expresada, y a veces aún lo es, en ºBe. La densidad en g / cm³, está dada por la expresión:
= 144,3/(144,3-°Be)
(Europa)
La conductancia eléctrica del ácido sulfúrico a 20ºC en función de la concentración se
muestra en la Figura 2. La forma peculiar de la curva se debe a los diversos estados de
disociación iónica existentes en el sistema H2O/ H2SO4/SO3 a diversas concentraciones. La medición de la conductividad es, por ende, también utilizada como método para
determinar la concentración del ácido sulfúrico.
La Figura 3 muestra la viscosidad dinámica del ácido sulfúrico en función de la concentración a diversas temperaturas.
Los diversos máximos y mínimos observados en la curva de punto de congelamiento del
ácido sulfúrico y el óleum, mostrados en la Figura 4, se deben a la existencia de distintos hidratos de ácido sulfúrico a diferentes temperaturas. Si bien el ácido de 98,0 –
98,5% utilizado para la absorción de trióxido de azufre en la producción de ácido sulfúrico se solidifica a alrededor de -2 a 2ºC, el ácido sulfúrico comercial de 96% (66 ºBe) se
solidifica a alrededor de -15ºC. El H2SO4 93 wt.-% tiene un punto de congelación de
alrededor de -29ºC. Este comportamiento es evidentemente importante si el ácido sulfúrico es almacenado o transportado bajo condiciones muy frías.
Proyecto:
Proyecto No.
Noracid PAM
1099-I1
EDP-Ident-No.: S:\1099\1099-I1\03_OT_Engineering\01_Process\03_Manuals\Manual
Documento No.
Pagina:
Rev.
00022
4 of 29
0
de Operacion_Rev0\Capitulo_2.doc , Printed: 18.08.2010
Noracid PAM
Manual de Operación
Planta de Acido Sulfúrico
Figura 1: Densidad del ácido sulfúrico
Proyecto:
Proyecto No.
Noracid PAM
1099-I1
EDP-Ident-No.: S:\1099\1099-I1\03_OT_Engineering\01_Process\03_Manuals\Manual
Documento No.
Pagina:
Rev.
00022
5 of 29
0
de Operacion_Rev0\Capitulo_2.doc , Printed: 18.08.2010
Noracid PAM
Manual de Operación
Planta de Acido Sulfúrico
Figura 2: Conductividad eléctrica del ácido sulfúrico
Proyecto:
Proyecto No.
Noracid PAM
1099-I1
EDP-Ident-No.: S:\1099\1099-I1\03_OT_Engineering\01_Process\03_Manuals\Manual
Documento No.
Pagina:
Rev.
00022
6 of 29
0
de Operacion_Rev0\Capitulo_2.doc , Printed: 18.08.2010
Noracid PAM
Manual de Operación
Planta de Acido Sulfúrico
Figura 3: Viscosidad dinámica del ácido sulfúrico
Proyecto:
Proyecto No.
Noracid PAM
1099-I1
EDP-Ident-No.: S:\1099\1099-I1\03_OT_Engineering\01_Process\03_Manuals\Manual
Documento No.
Pagina:
Rev.
00022
7 of 29
0
de Operacion_Rev0\Capitulo_2.doc , Printed: 18.08.2010
Noracid PAM
Manual de Operación
Planta de Acido Sulfúrico
Figura 4: Puntos de fusión del ácido sulfúrico
Proyecto:
Proyecto No.
Noracid PAM
1099-I1
EDP-Ident-No.: S:\1099\1099-I1\03_OT_Engineering\01_Process\03_Manuals\Manual
Documento No.
Pagina:
Rev.
00022
8 of 29
0
de Operacion_Rev0\Capitulo_2.doc , Printed: 18.08.2010
Noracid PAM
Manual de Operación
Planta de Acido Sulfúrico
Figura 5: Puntos de ebullición del ácido sulfúrico
Proyecto:
Proyecto No.
Noracid PAM
1099-I1
EDP-Ident-No.: S:\1099\1099-I1\03_OT_Engineering\01_Process\03_Manuals\Manual
Documento No.
Pagina:
Rev.
00022
9 of 29
0
de Operacion_Rev0\Capitulo_2.doc , Printed: 18.08.2010
Noracid PAM
Manual de Operación
Planta de Acido Sulfúrico
La Figura 5 es un diagrama de fases para soluciones acuosas de ácido sulfúrico en base a mediciones de punto de ebullición por Haase y Rehse. La curva inferior muestra la
relación entre el punto de ebullición del ácido sulfúrico y su concentración, mientras que
la curva superior muestra la concentración del ácido sulfúrico en el vapor que se desprende del ácido en ebullición a esa temperatura. Al hacer ebullir una solución acuosa
de ácido sulfúrico, el vapor contiene más agua que el ácido en ebullición, de manera
que la concentración del ácido aumenta y su punto de ebullición se eleva. Esto continúa
hasta que el punto de ebullición alcanza un valor máximo de alrededor de 339ºC a una
concentración de ácido sulfúrico H2SO4 98,3 wt.-%. En este punto, las fases líquida y
de vapor son idénticas en cuanto a su composición. Por lo tanto, la concentración del
ácido en ebullición no puede aumentar más allá de este valor. Esta mezcla en ebullición
constante de ácido sulfúrico y agua es conocida como un azeotropo. Como puede verse
del ejemplo indicado en la Figura 5, si el vapor de equilibrio con el ácido sulfúrico de
85% de fuerza, en ebullición a unos 228ºC, se condensa completamente, contendrá alrededor de H2SO4 7 wt.-%. A concentraciones de menos de H2SO4 75 wt.-%, prácticamente se evaporará sólo agua. La conducta de ebullición del ácido sulfúrico es obviamente importante en los procesos industriales para la concentración térmica del ácido
disuelto. Como se mencionara anteriormente, la concentración azeotrópica (H2SO4
98,3 wt.-%) representa el límite último de la concentración que puede alcanzarse mediante este método. El vapor sobre ácido sulfúrico concentrado de más de H2SO4 98,3
wt.-% contiene no solamente una mayor proporción de H2SO4 que el líquido, sino
además considerables cantidades de SO3. Sobre el óleum, el vapor consiste casi completamente de SO3. La Figura 6 muestra las presiones de vapor de equilibrio de H2O,
H2SO4 y SO3 sobre el ácido sulfúrico a 60ºC en el rango de concentración de H2SO4
85 wt.-% hasta óleum SO3 15%, en base a mediciones efectuadas por Lucinskij. Estas
curvas de presión de vapor son importantísimas en el secado del gas y la absorción de
SO3, que son procedimientos esenciales en la producción de ácido sulfúrico concentrado mediante el proceso de contacto.
Fuera del campo de la fabricación de ácido sulfúrico, el sistema H2O/SO3/H2SO4 es de
enorme importancia en relación con la combustión de combustibles sulfurosos. Es fundamental asegurarse de que la temperatura del gas de combustión no caiga por debajo
del punto de rocío antes de ser descargado, de lo contrario existe el peligro de corrosión
por ácido sulfúrico en condensación. Diversas fórmulas han sido desarrolladas para calcular el punto de rocío en forma teórica en función de la presión de gas total como asimismo las presiones parciales de los gases de H2O/SO3 y H2SO4.
Lamentablemente, esto se complica adicionalmente por la posible formación de diversos
tipos de moléculas hidratadas y asociadas en la fase gaseosa.
El calor específico del ácido sulfúrico cae a medida que la concentración aumenta. La
Figura 7 muestra cómo ello depende de la concentración y la temperatura. La entalpía
estándar de formación de H2SO4 líquido puro es -8,305 kJ/kg y el calor latente de evaporación al punto de ebullición es de alrededor de 605 kJ/kg. La Figura 8 muestra las
entalpías del ácido sulfúrico liquido y el óleum en todo el rango de concentración entre
0ºC y el punto de ebullición, suponiendo un valor arbitrario de 0 kJ/kg como la entalpía
del agua pura a 0ºC. Este diagrama provee un método sencillo para determinar la cantidad de calor que se libera cuando el ácido sulfúrico o el óleum son diluidos de una concentración a otra mediante la adición de agua.
Proyecto:
Proyecto No.
Noracid PAM
1099-I1
EDP-Ident-No.: S:\1099\1099-I1\03_OT_Engineering\01_Process\03_Manuals\Manual
Documento No.
Pagina:
Rev.
00022
10 of 29
0
de Operacion_Rev0\Capitulo_2.doc , Printed: 18.08.2010
Noracid PAM
Manual de Operación
Planta de Acido Sulfúrico
Puesto que la cantidad de calor producida al diluir ácido sulfúrico concentrado con agua
es considerable, es importante asegurarse de evitar el sobrecalentamiento local y la
ebullición mezclando rápidamente. Al concentrar ácido diluido, una cantidad correspondiente de calor, el tal llamado calor de deshidratación, debe ser suministrada además
del calor requerido para evaporar el agua.
Figura 6: Presiones de vapor de equilibrio de H2O, H2SO4 y SO3
Proyecto:
Proyecto No.
Noracid PAM
1099-I1
EDP-Ident-No.: S:\1099\1099-I1\03_OT_Engineering\01_Process\03_Manuals\Manual
Documento No.
Pagina:
Rev.
00022
11 of 29
0
de Operacion_Rev0\Capitulo_2.doc , Printed: 18.08.2010
Noracid PAM
Manual de Operación
Planta de Acido Sulfúrico
Figura 7: Calor específico del ácido sulfúrico
Proyecto:
Proyecto No.
Noracid PAM
1099-I1
EDP-Ident-No.: S:\1099\1099-I1\03_OT_Engineering\01_Process\03_Manuals\Manual
Documento No.
Pagina:
Rev.
00022
12 of 29
0
de Operacion_Rev0\Capitulo_2.doc , Printed: 18.08.2010
Noracid PAM
Manual de Operación
Planta de Acido Sulfúrico
Figura 8: Entalpías del ácido sulfúrico
Proyecto:
Proyecto No.
Noracid PAM
1099-I1
EDP-Ident-No.: S:\1099\1099-I1\03_OT_Engineering\01_Process\03_Manuals\Manual
Documento No.
Pagina:
Rev.
00022
13 of 29
0
de Operacion_Rev0\Capitulo_2.doc , Printed: 18.08.2010
Noracid PAM
Manual de Operación
Planta de Acido Sulfúrico
Propiedades Químicas
El ácido sulfúrico es un ácido fuerte, con propiedades hidroscópicas y oxidantes características. El ácido sulfúrico, o más bien el ion sulfato, es química y térmicamente muy
estable. El efecto deshidratante del ácido sulfúrico concentrado se debe a la formación
de hidratos. Varios hidratos han sido identificados en el estado sólido: ellos explican la
variación irregular con la concentración de algunas de las propiedades físicas del ácido
sulfúrico, como por ejemplo sus temperaturas de congelación (ver Figura 4). Los hidratos conocidos son H2SO4 x H2O (correspondiente a H2SO4 84.5 wt.-%); H2SO4 x
2H2O (H2SO4 71.3 wt.-%); y H2SO4 x 6H2O (H2SO4 47.6 wt.-%).
El ácido sulfúrico puro es disociado solamente en pequeña medida de acuerdo con las
ecuaciones (19 y (2).
2 H2SO4 = H3SO4+ + HSO4-
(1)
2 H2SO4 = H3O+ + HS2O7-
(2)
Es por esto que la conductividad eléctrica tiene su valor más bajo a alrededor de 100%
H2SO4 (ver Figura 2). Al diluir ácido sulfúrico puro con agua, se producirá una mayor disociación debido al mecanismo indicado en la ecuación (3).
H2SO4 + H2O = H3O+ + HSO4-
(3)
La conductividad aumenta de manera correspondiente. Entre H2SO4 x H2O 92.0 wt-% y
84.5 wt.-%, predomina en equilibrio con las especies iónicas, y por ende, la conductividad disminuye ligeramente. A concentraciones más bajas de H2SO4, el grado de disociación aumenta y por lo tanto también la conductividad.
A altos contenidos de agua, la segunda etapa de disociación pasa a ser de mayor importancia (ecuación 4).
HSO4- + H2O = H3O+ + SO4-
(4)
La conductividad alcanza un máximo a alrededor de H2SO4 30 wt.-% (el valor exacto
depende de la temperatura) y disminuye abruptamente a H2SO4 0 wt.-% debido a la
menor concentración total de ácido sulfúrico.
El ácido sulfúrico diluido es el electrolito preferido para las plantas industriales de electro-obtención y galvanoplastía de metales, por su alta conductancia y la estabilidad química del ion sulfato. Para aprovechar su máxima conductancia eléctrica, en los acumuladores de plomo se utiliza ácido sulfúrico de una concentración del orden de 33%.
Por ser un ácido dibásico fuerte, el ácido sulfúrico diluido disolverá todos los metales
base.
Durante esta reacción, se libera hidrógeno y se forman los respectivos sulfatos de metales y bisulfatos (sulfatos de hidrógeno). El bario y plomo son excepciones, no porque no
reaccionen de primeras, sino porque se recubren con una capa de sulfato indisoluble
que los protege de mayores ataques por parte del ácido. El ácido sulfúrico caliente concentrado tiene un efecto oxidante, reaccionando con los metales preciosos y con el carbono, fósforo y azufre, durante lo cual es reducido a anhídrido sulfuroso.
Proyecto:
Proyecto No.
Noracid PAM
1099-I1
EDP-Ident-No.: S:\1099\1099-I1\03_OT_Engineering\01_Process\03_Manuals\Manual
Documento No.
Pagina:
Rev.
00022
14 of 29
0
de Operacion_Rev0\Capitulo_2.doc , Printed: 18.08.2010
Manual de Operación
Planta de Acido Sulfúrico
Noracid PAM
Una propiedad muy importante del ácido sulfúrico es su capacidad de descomponer las
sales de la mayoría de los demás ácidos. Los siguientes ejemplos tienen importancia para la industria.
Producción de sulfato de sodio y cloruro de hidrógeno a partir de cloruro de sodio.
Descomposición de sulfitos en anhídrido sulfuroso.
Descomposición de la roca fosfórica o fosforita (fosfatos de calcio naturales) en
ácido fosfórico y sulfato de calcio.
En las reacciones del ácido sulfúrico concentrado con los compuestos orgánicos a menudo predominan sus propiedades oxidantes e higroscópicas. Los carbohidratos, por
ejemplo, se descomponen hasta el punto de la carbonización. El ácido sulfúrico promueve reacciones de condensación orgánica en las cuales se elimina agua, porque remueve efectivamente el agua tan pronto se forma. Por ende, en la industria frecuentemente se usa ácido sulfúrico con este fin. También ejerce un efecto catalítico en ciertas
reacciones que involucran compuestos orgánicos.
El ácido sulfúrico es extremadamente estable en términos térmicos. Sólo a temperaturas muy altas se descompone parcialmente en su anhídrido, trióxido de azufre y vapor
de agua (ecuación 5).
H2SO4
SO3 + H2O
(5)
El inverso de esta reacción es la ruta general por la cual se forma el ácido sulfúrico en la
sección de absorción de una planta de ácido sulfúrico de contacto. Sin embargo, en la
práctica es imposible producir ácido sulfúrico absorbiendo trióxido de azufre en agua,
porque el trióxido de azufre reacciona con el vapor de agua en equilibrio con el vapor
líquido de ácido sulfúrico que se forma inicialmente. Esto rápidamente se condensa
como neblina de gotitas muy finas (submicrones), que son prácticamente imposibles de
hacer precipitar.
Sin embargo, el ácido sulfúrico en sí reacciona con el trióxido de azufre para formar ácido disulfúrico (ecuación 6), que se convierte nuevamente en ácido sulfúrico al reaccionar
con el agua.
H2SO4 + SO3
H2S2O7 + H2O
H2S2O7
(6)
2 H2SO4
(7)
Por lo tanto es posible absorber trióxido de azufre en ácido sulfúrico de 98% o mayor
concentración, sobre el cual la presión parcial del vapor de agua es muy baja y, por ende, se evita el problema de formación de neblina. Sin embargo, dado que la presión del
vapor del H2SO4 y SO3 aumenta drásticamente a concentraciones sobre el H2SO4
99%, la eficiencia óptima de absorción del trióxido de azufre está en el rango de concentración del ácido de 98-99%.
Cuando el trióxido de azufre se forma en un flujo de gas que ya contiene humedad, progresivamente se forma ácido sulfúrico gaseoso mediante la reacción (5), cuyo equilibrio
termodinámico se desplaza hacia el H2SO4 con las temperaturas decrecientes.
Entonces, es posible condensar el ácido sulfúrico en forma controlada sin producción
significativa de neblina. Esta ruta para obtener ácido sulfúrico también es explotada en
la industria.
Proyecto:
Proyecto No.
Noracid PAM
1099-I1
EDP-Ident-No.: S:\1099\1099-I1\03_OT_Engineering\01_Process\03_Manuals\Manual
Documento No.
Pagina:
Rev.
00022
15 of 29
0
de Operacion_Rev0\Capitulo_2.doc , Printed: 18.08.2010
Manual de Operación
Planta de Acido Sulfúrico
Noracid PAM
La presión del vapor de trióxido de azufre sobre el óleum o ácido disulfúrico es apreciable. De modo que, cuando se expone el óleum al aire ambiental, que siempre contiene
humedad, se forman neblinas de ácido sulfúrico. Es esta propiedad la que da al óleum
su nombre coloquial de “ácido sulfúrico humeante”.
El ácido disulfúrico puro, H2S2O7, que corresponde teóricamente al óleum con 44,9 wt.% libre de SO3, se cristaliza a alrededor de los 35°C, máxima de la curva de puntos de
congelación en el rango del óleum (ver Figura 4). Se disocia parcialmente en una solución de ácido sulfúrico (ecuación 8).
H2S2O7+ H2SO4
H3SO4+ + HS2O7-
(8)
Esa es la razón de que la conductividad eléctrica del óleum suba levemente a medida
que se aumenta su concentración de SO3 de 0 a alrededor de 10 wt.-% libre.
El ácido sulfúrico es oxidado mediante peróxido de hidrógeno o anódicamente en ácido
peroxidisulfúrico, H2S2O8 y el inestable ácido peroximonosulfúrico (Ácido de Caro),
H2SO5 (ecuación 9).
H2O2 + H2SO4
H2SO5 + H2O
H2SO5 + H2O + SO2
(9)
2H2SO4
(10)
Siendo un fuerte oxidante, el ácido de Caro puede oxidar el anhídrido sulfuroso convirtiéndolo en ácido sulfúrico, propiedad que ha sido explotada en el control de la polución
en plantas de ácido sulfúrico.
Proyecto:
Proyecto No.
Noracid PAM
1099-I1
EDP-Ident-No.: S:\1099\1099-I1\03_OT_Engineering\01_Process\03_Manuals\Manual
Documento No.
Pagina:
Rev.
00022
16 of 29
0
de Operacion_Rev0\Capitulo_2.doc , Printed: 18.08.2010
Noracid PAM
Manual de Operación
Planta de Acido Sulfúrico
2.2.2 Anhídrido sulfuroso
Propiedades físicas
El anhídrido sulfuroso, SO2, es un gas tóxico incoloro, no inflamable, con un olor acre y
sabor ácido característicos. Sus propiedades físicas más importantes se resumen en la
siguiente tabla.
Propiedades físicas del anhídrido sulfuroso
Propiedad
Valor
Peso molecular:
64,06
Punto de fusión (101,3 kPa):
-75,5°C
Calor de fusión (punto de fusión):
115,6 J/g
Viscosidad dinámica (0°C):
368 Pas
Densidad (–10°C):
1.46 g/cm3
Densidad crítica:
0,525 g/cm3
Presión crítica:
78,8 bar
Temperatura crítica:
157,5°C
Punto de ebullición (101,3 kPa):
-10,0°C
Calor de vaporización (punto de ebullición):
Densidad estándar (0°C ,101,3 kPa):
402 J/g
2,3 kg/m3
Densidad relativa al aire (0°C, 101,3 kPa):
2,263
Volumen molar (0°C, 101,3 kPa):
21,9 l/mol
Entalpía de formación estándar:
-4636 J/g
Calor específico, Cp (101,3 kPa):
( 0 °C)
586 J/(kg K)
(100 °C)
662 J/(kg K)
(300 °C)
754 J/(kg K)
(500 °C)
816 J/(kg K)
Cp/Cv:
1,29
Proyecto:
Proyecto No.
Noracid PAM
1099-I1
EDP-Ident-No.: S:\1099\1099-I1\03_OT_Engineering\01_Process\03_Manuals\Manual
Documento No.
Pagina:
Rev.
00022
17 of 29
0
de Operacion_Rev0\Capitulo_2.doc , Printed: 18.08.2010
Noracid PAM
Manual de Operación
Planta de Acido Sulfúrico
La Figura 9 a continuación muestra algunas propiedades del anhídrido sulfuroso líquido
en función de la temperatura. La solubilidad del anhídrido sulfuroso en agua se eleva en
proporción a la presión parcial del SO2, muy de acuerdo con la ley de Henry, y aumenta
al bajar la temperatura. En la solución, el anhídrido sulfuroso está presente principalmente como moléculas de SO2, pero la espectroscopía de Raman confirma la presencia, en menores proporciones, de las especies HSO3-, S2O52- y H2SO3. La última de
estas, el ácido sulfuroso (cuyo anhídrido es el anhídrido sulfuroso), existe sólo en solución acuosa. Las soluciones acuosas de compuestos alcalinos absorberán mucho más
anhídrido sulfuroso que el agua pura, por la formación de sulfito de hidrógeno (bisulfito)
y de iones sulfito.
La solubilidad del anhídrido sulfuroso en ácido sulfúrico tiene importancia para la industria. Primero baja al elevarse la concentración de ácido sulfúrico, alcanzando un mínimo
a una concentración del H2SO4 de alrededor de 85%; a mayores concentraciones, este
mínimo vuelve a aumentar.
El anhídrido sulfuroso líquido es miscible en todas las proporciones con el trióxido de
azufre líquido. El anhídrido sulfuroso también se disuelve fácilmente en la mayoría de
los líquidos orgánicos (por ejemplo, el metanol), benceno, acetona o tetracloruro de carbono). Es completamente miscible, ya sea en bisulfuro de carbono, cloroformo o glicol,
aun a bajas temperaturas.
Proyecto:
Proyecto No.
Noracid PAM
1099-I1
EDP-Ident-No.: S:\1099\1099-I1\03_OT_Engineering\01_Process\03_Manuals\Manual
Documento No.
Pagina:
Rev.
00022
18 of 29
0
de Operacion_Rev0\Capitulo_2.doc , Printed: 18.08.2010
Noracid PAM
Manual de Operación
Planta de Acido Sulfúrico
Figura 9: Fase líquida y de vapor del anhídrido sulfuroso
Proyecto:
Proyecto No.
Noracid PAM
1099-I1
EDP-Ident-No.: S:\1099\1099-I1\03_OT_Engineering\01_Process\03_Manuals\Manual
Documento No.
Pagina:
Rev.
00022
19 of 29
0
de Operacion_Rev0\Capitulo_2.doc , Printed: 18.08.2010
Manual de Operación
Planta de Acido Sulfúrico
Noracid PAM
Propiedades Químicas
El anhídrido sulfuroso es muy estable; la disociación térmica se vuelve significativa sólo
sobre los 2000°C. Es posible descomponerlo mediante ondas de choque, irradiación con
rayos ultravioleta o rayos X o mediante descargas eléctricas.
La reacción del anhídrido sulfuroso con el oxígeno para formar trióxido de azufre es la
más significativa de todas para la industria, por su importancia en la producción de ácido
sulfúrico. En la fase gaseosa, solo ocurrirá a temperaturas elevadas y, para lograr una
producción satisfactoria de trióxido de azufre, se requiere la presencia de un catalizador.
En solución acuosa, el anhídrido sulfuroso es oxidado a ácido sulfúrico a bajas temperaturas, mediante aire en presencia de gases de coque o nitrosos activados o mediante
agentes oxidantes como el peróxido de hidrógeno.
La reducción del anhídrido sulfuroso con hidrógeno, carbono o compuestos de carbono,
tales como el metano o el monóxido de carbono, también reviste interés industrial. Estas reacciones exigen altas temperaturas o catalizadores o ambos. Como resultado se
obtiene mezclas de azufre elemental con sulfuro de hidrógeno. Si se ha empleado carbono o un compuesto de carbono como agente reductor, también se formarán especies
que contienen carbono, tales como el anhídrido carbónico, sulfuro de carbonilo y disulfuro de carbono.
El anhídrido sulfuroso reacciona con el sulfuro de hidrógeno de acuerdo a la reacción de
Claus (1). Esta es la base del método principal mediante el cual se recupera azufre elemental a partir del sulfuro de hidrógeno en la industria.
SO2 + 2H2S
3S + 2H2O
(1)
El anhídrido sulfuroso normalmente oxida los metales a temperaturas elevadas, formando simultáneamente sulfuros metálicos y óxidos.
El anhídrido sulfuroso líquido es un solvente relativamente eficiente con ciertas propiedades semejantes a las del agua (tipo agua). Los compuestos inorgánicos polares habitualmente son insolubles o sólo moderadamente solubles en anhídrido sulfuroso líquido,
mientras que los compuestos inorgánicos covalentes e inorgánicos a menudo se disuelven formando mayormente solvatos estables. El hecho de que los hidrocarburos aromáticos se disuelvan en anhídrido sulfuroso más fácilmente que los alifáticos es explotado
a escala industrial para la extracción de hidrocarburos aromáticos del petróleo crudo
conforme al proceso Edeleanu.
Proyecto:
Proyecto No.
Noracid PAM
1099-I1
EDP-Ident-No.: S:\1099\1099-I1\03_OT_Engineering\01_Process\03_Manuals\Manual
Documento No.
Pagina:
Rev.
00022
20 of 29
0
de Operacion_Rev0\Capitulo_2.doc , Printed: 18.08.2010
Noracid PAM
Manual de Operación
Planta de Acido Sulfúrico
2.2.3 Trióxido de azufre
Propiedades físicas
El trióxido de azufre, SO3, M.W. = 80,06, es el anhídrido del ácido sulfúrico. Se conoce
en los tres estados de la materia. En las fases gaseosa y líquida, existe un equilibrio entre el SO3, y el trímero anular, S3O9.
Este equilibrio monómero se desplaza hacia el S3O9 a temperaturas más bajas. En
presencia de leves vestigios de humedad (aproximadamente 100 ppm H2O), el trióxido
de azufre líquido (bajo 28°C) y trióxido de azufre sólido se transforman en polímeros
sólidos, que forman agujas de cristal intercrecidas tipo asbesto. Estas consisten de SO3 y -SO3 que, de acuerdo al conocimiento actual, corresponden a largas cadenas
de SO3 con saturación de agua en los extremos de las cadenas – los así llamados ácidos polisulfúricos, HO(SO2O)H.
La información sobre las propiedades físicas del trióxido de azufre ha sido tabulada en
diversos trabajos. Los datos disponibles se originan en distintas mediciones realizadas
durante los últimos 60 años y no cuentan en todos los casos. Una de las razones de esto es que es extremadamente difícil preparar trióxido de azufre puro, absolutamente
anhídrido.
La Tabla I muestra una selección de datos físicos importantes, el trióxido de azufre puro, sólido, mencionado como - SO3, forma cristales sedosos ortorrómbicos (tipo hielo).
Los puntos de fusión de las formas poliméricas -SO3 y -SO3 que se cita indican las
temperaturas a las cuales estas formas sólidas se despolimerizan para formar trióxido
de azufre líquido. Desde el punto de vista del manejo industrial, es importante que el
trióxido de azufre líquido que se origina del -SO3 y -SO3 posea ya una presión sustancial de vapor:
La dependencia de la temperatura que tienen las propiedades físicas del trióxido de azufre ha sido representada gráficamente.
Se ha elaborado formulas a partir de las cuales es posible calcular valores aproximados
de varias de estas propiedades, incluyendo el de la presión de vapor, del calor específico y de la densidad, a cualquier temperatura.
Proyecto:
Proyecto No.
Noracid PAM
1099-I1
EDP-Ident-No.: S:\1099\1099-I1\03_OT_Engineering\01_Process\03_Manuals\Manual
Documento No.
Pagina:
Rev.
00022
21 of 29
0
de Operacion_Rev0\Capitulo_2.doc , Printed: 18.08.2010
Manual de Operación
Planta de Acido Sulfúrico
Noracid PAM
Propiedades físicas del Trióxido de azufre
Propiedad
Valor
SO3 Gaseoso
Densidad nominal, (0°C, 101,3 kPa):
3,57 g/l
Calor específico, Cp:
(100°C) 2,543 kJ/Nm³K
(500°C) 3,191 kJ/Nm³K
SO3 líquido
Densidad (25°C):
1.9 g/cm³
Punto de ebullición (101,3 kPa):
44,8°C
Calor de vaporización (punto de ebullición):
538 J/g
Presión de vapor:
(20°C)
0,26 bar
(30°C)
0,47 bar
(50°C)
1,32 bar
(100°C)
8 bar
Temperatura crítica:
217,7°C
Presión crítica:
81,9 bar
SO3 sólido
-SO3
Punto de fusión:
16,86°C
Calor de fusión:
119 J/g
-SO3
"Punto de fusión”:
32,5°C
-SO3
"Punto de fusión":
62,2°C
Proyecto:
Proyecto No.
Noracid PAM
1099-I1
EDP-Ident-No.: S:\1099\1099-I1\03_OT_Engineering\01_Process\03_Manuals\Manual
Documento No.
Pagina:
Rev.
00022
22 of 29
0
de Operacion_Rev0\Capitulo_2.doc , Printed: 18.08.2010
Noracid PAM
Manual de Operación
Planta de Acido Sulfúrico
Propiedades Químicas
Dada su gran importancia industrial como intermediarias en la producción de ácido sulfúrico, se ha estudiado extensamente la termodinámica y cinética de la generación de
trióxido de azufre por medio de la oxidación del anhídrido sulfuroso y la disociación inversa del trióxido de azufre.
El trióxido de azufre puro es extremadamente resistente a la descomposición térmica,
porque esta se ve cinéticamente inhibida, incluso a temperaturas elevadas, a pesar del
hecho de que el equilibrio termodinámico se desplaza bastante hacia SO2 + O2. Ciertas
sustancias catalíticamente activas son, sin embargo, capaces de aumentar sustancialmente la tasa de equilibrio. En presencia de metales tales como platino u óxidos y sulfatos de metales (por ejemplo, hierro, cobre y, por cierto, el vanadio) la descomposición se
acerca al equilibrio a temperaturas sobre los 700°C.
En el trióxido de azufre, el azufre se encuentra presente en su máximo (hexavalente) estado de oxidación. El trióxido de azufre es un fuerte agente oxidante.
Con azufre elemental, el trióxido de azufre reacciona hasta convertirse en anhídrido sulfuroso a temperaturas desde 50°C hasta más o menos 150°C. En la industria, esta reacción se usa para la producción de anhídrido sulfuroso puro. El carbón coque o pulverizado a temperaturas elevadas reduce el trióxido de azufre convirtiéndolo en anhídrido
sulfuroso. El paso de regeneración del proceso Bergbau-Forschung para lograr la desulfuración del gas de combustión se basa en esta reacción.
Con el agua, el trióxido de azufre sufre una reacción extremadamente violenta para formar H2SO4 o ácidos sulfúricos más altos. En contacto con gases húmedos, el gas de
trióxido de azufre formará instantáneamente neblinas de ácido sulfúrico que son extremadamente difíciles de precipitar.
Como regla general, el trióxido de azufre reacciona muy vigorosa y rápidamente con todos los compuestos orgánicos. En la reacción, el compuesto orgánico puede ser sulfonado, oxidado (descompuesto) liberando agua, o deshidratado.
Proyecto:
Proyecto No.
Noracid PAM
1099-I1
EDP-Ident-No.: S:\1099\1099-I1\03_OT_Engineering\01_Process\03_Manuals\Manual
Documento No.
Pagina:
Rev.
00022
23 of 29
0
de Operacion_Rev0\Capitulo_2.doc , Printed: 18.08.2010
Descargar