Descripcion Industrial Del Metodo Del Contacto para Obtener Del Acido Sulfurico

 

DESC SCRI RIPC PCIO ION N INDU INDUST STRI RIAL AL DE DEL L METO METODO DO DE DEL L DE CONTACTO PARA OBTENER DEL ACIDO SULFURICO El mét método odo de con contac tacto to para para la produc producció ción n de áci ácido do sul sulfúr fúrico ico es un méto método do qu que e u uli liza za una catálisis heterogénea, es decir, el catalizador empleado está en una fase de agregación disnta. En concreto, suele ulizarse un catalizador sólido, el pentóxido de dvanadio, V2O5. Este método permite obtener un ácido sulfúrico con una concentración en torno al 98% en peso (es decir, 98 gramos de ácido sulfúrico por cada 100 gramos de disolución; los dos gramos restantes son agua), que es el que suele ulizarse en el laboratorio, por ejemplo, para preparar posteriormente disoluciones menos concentradas.

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1.

Prim Pr imer era a eta etapa pa:: pro produ ducc cció ión n de de dió dióxi xido do de az azuf ufre re,, SO SO2

En general, la producción de SO2 se puede escribir como: S(s) + O2(g) ⇒ SO2(g) Sin embargo, esta reacción será válida únicamente si la producción del dióxido de azufre  se lleva a cabo a parr de azufre puro sólido. Aunque esta es la situación ideal, por la menor producción de subproductos o presencia de impurezas y el mayor rendimiento, lo cierto es que hay muchas plantas de producción de sulfúrico que emplean otras fuentes para la producción inicial de SO2. Una fuente usada muy habitualmente es la pirita, mineral disulfuro de hierro, FeS2, que por tostación con exceso de aire produce óxido de hierro (III) y dióxido de azufre en una reacción redox. 4FeS2(s) + 11O2(g) ⇒ 2Fe2O3(s) + 8SO2(g)

Codelco / Planta de tostación / Fotografía tomada en septiembre de 2013 / Licencia by-nc-nd Codelco /

Trabajar con exceso de aire hará que el SO2  producido esté ya mezclado con oxígeno en la corriente de salida hacia la siguiente etapa, lo cual será necesario para la obtención de SO 3. Una vez obtenido el dióxido de azufre y antes de entrar en el reactor, se debe puricar, ya que puede estar mezclado con restos de otros compuestos. Para ello se pueden emplear diversos métodos, como hacerlo pasar por separadores de polvo, mecánicos o electrostácos, y el lavado con agua lavado agua y áci ácido do sul sulfúr fúrico ico concen concentra trado. do. Ya puric puricado ado pasará pasará al reacto reactorr par para a la producción de SO3.

2.

Segu Se gund ndaa eta etapa pa:: pro produ ducc cció ión n de de tri trióx óxid ido o de de azu azufr fre, e, SO3, a partir de SO2

La producción de trióxido de azufre  a parr de la reacción del dióxido de azufre con el oxígeno es una reacción exotérmica y reversible (no se produce de forma completa sino que alcanza un

 

equilibrio químico, en el que sigue habiendo presencia tanto de reacvos como de productos). Podemos escribir su ecuación termoquímica como: 2SO2(g) + O2(g) ⇔ 2SO3(g) ΔH = -196kJ·mol-1 La reacción se lleva a cabo en presencia de un catalizador sólido , que puede ser plano o pentaóxido de vanadio, V2O5, aunque este úlmo es más habitual porque es menos suscepble de envenenamiento y desgaste que el plano (especialmente en plantas en las que se obene el SO2 por tostación de pirita, ya que esta a menudo conene arsénico. El arsénico no se puede eliminar en su totalidad de la corriente de gases producidos y envenena el plano en el converdor). La actuación del catalizador es ópma entre 400 y 450ºC, y es por este movo que se emplea emplean n estas estas temper temperatu aturas ras,, a pesar pesar de que una dismin disminuci ución ón de la temper temperatu atura ra favorecería la reacción termodinámicamente (por ser exotérmica) pero afectaría negavamente a la cinéca de reacción, como se explicará con mayor detenimiento en un apartado posterior. En cuanto a la presión, se manene a 1 o 2 atmósfera, pues si bien un aumento de la presión favorecería el desplazamiento de la reacción a la derecha ( principio de Le Châtelier) supondría un sobrecoste no asumible del proceso industrial. De hecho, esto ocurre a menudo y es una limitación importante en la industria: las mejores condiciones para el proceso químico no enen porqué ser (y generalmente nunca son) las mejores condiciones para el bolsillo de la industria, principalmente considerando los costes de la energía eléctrica.  

3.

Tercera etapa: Convers rsiión del SO3 en ácido sulfúrico

La conversión del SO3 en ácido sulfúrico  no se puede llevar a cabo por simple reacción del trióxido de azufre con agua. ¿Por qué? El movo es que la reacción SO 3 + H2O ⇒ H2SO4 es incontrolable y crea una niebla de ácido sulfúrico y de trióxido de azufre que afecta negavamente al proceso. Por ello, en lugar de esto, lo que se hace primero es disolver el trióxido de azufre en ácido sulfúrico concentrado , lo que produce ácido disulfúrico (Dihidrogeno(heptaoxidodisulfato) para los amigos de la IUPAC desde 2005 y óleum

para los químicos más ancuados, debido a su consistencia aceitosa y color café oscuro): H2SO4(l) + SO3(g) ⇒ H2S2O7(l) A este ácido también se le denomina ácido sulfúrico fumante, por su tendencia a emir vapores. El H2S2O7(l) sí que puede reaccionar con agua de forma segura en una reacción favorable termodinámicamente, descomponiéndose para producir ácido sulfúrico concentrado del 97 al 99% .

H2S2O7(l)(l) + H2O(l) ⇒ 2H2SO4(l)

  Codelco / Tanques de sulfúrico / Fotografía tomada en septiembre de 2013 / Licencia by-nc-nd  

 

Estu Es tudi dio o det detal alla lado do de la lass con condi dici cion ones es de rea reacc cció ión n en en el el mét métod odo o de de 4. contacto La mezcla de SO2 y de oxígeno se introduce en el reactor en las mismas proporciones en volumen, 1:1, es decir, habrá 1 molécula de SO 2 por cada molécula de O2 (la misma candad

de gas en las mismas condiciones conene el mismo número de parculas, nos lo dice la Ley de Avogadro). Esto hace que el oxígeno esté en exceso, ya que según las proporciones de la reacción, es necesaria solo 1 molécula de oxígeno por cada 2 moléculas de SO 2 (o lo que es lo mismo, ½ molécula de O2 por cada molécula de SO2, y en realidad hay 1, el doble). Este exceso de oxígeno favorecerá la producción de SO 3 según el Principio de Le Châtelier , ya que es un reacvo, y es una forma barata de favorecer la reacción. No se uliza una proporción mayor porque esto disminuiría la candad de SO2  en la corriente de entrada y al nal, esta menor concentración del compuesto que queremos transformar en SO 3  sería contraproducente; la candad absoluta de SO3 producida por día disminuiría, a pesar de aumentar el porcentaje de conversión en el reactor (es decir, mayor ecacia pero menor valor absoluto de producto converdo).

Temperatura y presión Aunque una disminución de la temperatura favorecerá el desplazamiento del equilibrio hacia la producción de SO 3, por ser la reacción exotérmica. Sin embargo, como se ha comentado

previamente, las condiciones empleadas en el reactor son de 400 a 450ºC, lo cual no parece una temperatura muy baja que digamos. Entonces… ¿por qué se emplea una temperatura tan elevada, si sabemos que la menor temperatura favorecería el desplazamiento del equilibrio? Hay dos movos: uno es cinéco (la temperatura muy baja hará que el equilibrio esté más desplazado, pero que la reacción sea más lenta) y otro es por el rendimiento del catalizador. Así, la temperatura empleada es una temperatura de compromiso: el catalizador funciona bien, se produce una proporción sucientemente elevada de SO 3 en la mezcla de equilibrio y a una velocidad también lo sucientemente elevada. En cuanto a la presión, aunque la reacción se verá fav favore orecida cida por un aum aument ento o de la mis misma ma (in (inici icialm alment ente e ten tenemo emoss 3 mol moles, es, en los reacvos, y se producen 2 moles), lo cierto es que incluso a una presión poco mayor que la atmosférica, entre 1 y 2 atmósferas, que son las condiciones ulizadas, ya se logran rendimientos muy elevados de obtención de SO 3, de modo que no compensa el gasto económico que supone aumentar aún más la presión.

Uso de un catalizador El catalizador no afectará a la posición del equilibrio , sino únicamente a la velocidad de

reacció rea cción n (en ambos sen sendo dos). s). En aus ausenc encia ia de cat catali alizad zador or la rea reacci cción ón es tan le lenta nta que práccamente no transcurre de forma apreciable. Así, el catalizador logra que la reacción sea lo sucientemente rápida y que suceda con un buen rendimiento a pesar de que los gases pasan poco empo en el reactor con este método.