DISEÑO DE UNA PLANTA INDUSTRIAL DE ACIDO SULFURICO Final [PDF]

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Universidad Nacional José Faustino Sánchez Carrión

UNIVERSIDAD NACIONAL JOSE FAUSTINO SANCHEZ CARRION FACULATAD DE INGENIERÍA QUÍMICA Y METALÚRGIA INGENIERÍA QUÍMICA

DISEÑO DE UNA PLANTA INDUSTRIAL DE ACIDO SULFURICO PRESENTA: OMAR MACALUPU BLAS JENNIFER HURTADO REMENTERÍA ORIENTADOR: ING. JOSÉ SAÚL ORBEGOSO LÓPEZ

Huacho, Lima, Perú, 2017

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TABLA DE CONTENIDO Introducción CAPITULO I: Ácido Sulfúrico Consideraciones generales Pirita Composición Proceso de producción del ácido sulfúrico CAPITULO II: Estudio de mercado Comportamiento de mercado Industrias consumidoras de ácido sulfúrico Demanda Producción de materia prima CAPITULO III: Estudio técnico Tamaño de planta Descripción del proceso de producción Operaciones unitarias principales Análisis técnico Diagrama BFD Diagrama PFD Plano de planta de proceso Especificación de equipo Balance de materia prima y materiales Maquinaria y equipos de proceso productivo

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ANTECEDENTES El ácido sulfúrico fue producido por primera vez aproximadamente en el año 1,000 de la era cristiana. Por 18 siglos, el ácido sulfúrico fue preparado por el quemado de salitre con azufre. En el siglo XVIII y XIX, este fue esencialmente producido por una cámara procesadora en la cual el óxido de nitrógeno era usado como un catalizador homogéneo para la oxidación del óxido de azufre. El producto hecho por este proceso era de baja concentración, no era lo suficientemente alto para los muchos usos comerciales. Durante la primera mitad del siglo XIX, la cámara procesadora fue gradualmente reemplazada por el proceso de contacto, y ahora el método 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 intoxicación y de ser relativamente abundante y barata comparado con el platino. Después de la segunda guerra mundial, el tamaño típico de las plantas que realizaban el proceso de contacto se incrementó drásticamente alrededor del mundo suministrando un rápido incremento de la demanda de la industria de fertilizantes de fosfatos.

En el año de 1963, se desarrolla el primer proceso de doble absorción en gran escala. En este proceso, el gas SO2que ha sido parcialmente convertido en SO3por medio del catalizador es refrigerado, pasa a través del ácido sulfúrico para remover SO3recalentado, y luego es pasado a través de una o dos cámaras catalizadores. Por este método, la conversión total puede ser incrementada desde el 98% al 99.5-99.8%, por consiguiente reduciendo la emisión del SO2convertido a la atmósfera. El proceso de contacto ha sido mejorado en todo detalle y es ahora una de las industrias de bajo costo, con un proceso automático continuo. Todas las nuevas plantas de ácido sulfúrico usan el proceso de contacto. Las pocas plantas de pequeña capacidad emplean la cámara de procesamiento que representan el 5% de las plantas de ácido sulfúrico.

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INTRODUCCION El presente proyecto tiene como objetivo el diseño de una planta para la producción y comercialización de ácido sulfúrico. El Ácido Sulfúrico es un producto industrial fundamental: sus aplicaciones son numerosas y su consumo es extraordinario. El ácido sulfúrico es un compuesto químico extremadamente corrosivo cuya fórmula es H2SO4. Los usos del ácido sulfúrico son tan variados que el volumen de su producción proporciona un índice aproximado de la actividad general industrial. Tan importante es el ácido sulfúrico que la industrialización y adelanto de un país se llegó a medir, entre otros parámetros, por su producción de ácido sulfúrico. Ahora sigue teniendo la misma importancia como materia prima, pero no la importancia estratégica que tuvo en su día. Nosotros vamos a ver con un poco más de detalle el proceso de fabricación de ácido sulfúrico por la vía más factible regida por los criterios de simplicidad, costos y calidad del producto.

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CAPITULO I PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 1.1 Descripción de la realidad problemática. El Ácido Sulfúrico es un producto industrial fundamental, sus aplicaciones son numerosas y su consumo es extraordinario. Los usos del ácido sulfúrico son tan variados que el volumen de su producción proporciona un índice aproximado de la actividad general industrial. Por ejemplo, a principios de la década de 1970, la producción anual de ácido sulfúrico en Estados Unidos, el mayor productor, sobrepasaba los 29 millones de toneladas, que correspondían a una producción diaria de 1/3 kg por persona al año. Este ácido es un producto que directa o indirectamente está presente en toda industria, y su consumo es el termómetro de la industria de un país. 1.2 Formulación del problema. 1.2.1 Problema general: 

¿De qué manera el diseño, construcción y puesta en marcha de una planta para la producción de ácido sulfúrico a partir de azufre constituirá un aporte para la actividad industrial?

1.2.2 Problemas específicos: 

¿Cómo determinar los equipos empleados en las diferentes operaciones del proceso?



¿Cómo establecer el diseño final con las especificaciones obtenidas en cada proceso?

1.3 Objetivos. 1.3.1 Objetivo General. 

Realizar el diseño de una planta de elaboración de ácido sulfúrico para una producción anual determinada.

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1.3.2 Objetivos específicos. 

Determinar los quipos empleados en las diferentes operaciones de proceso.



Establecer el diseño final con las especificaciones obtenidas en cada proceso.

1.4 Justificación. El presente trabajo investigativo tiene como finalidad poner en práctica, los conceptos teóricos de la cátedra de Ingeniería de Plantas mediante la elaboración de un diseño de una planta industrial como es el caso de la obtención de ácido sulfúrico. 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 parámetros para lograr este objetivo. Ya que siempre es necesario conocer cuánto 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 básicas. Por lo antes mencionado es importante aplicar el diseño e Ingeniería de Plantas como factor importante en el área de producción de una industria. Además de que es un determinante en cuanto a los costos económicos involucrados para una óptima factibilidad de una planta antes de ser puesta en marcha, y de esta forma evitar riesgos durante el proceso productivo.

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CAPITULO II MARCO TEORICO 2.1 Ácido Sulfúrico. En su forma pura, el ácido Sulfúrico es un líquido aceitoso, sin color y sin olor. Es muy corrosivo. En su forma comercial está usualmente impuro y su coloración es pardusca. El ácido Sulfúrico puede formar soluciones con el agua en cualquier proporción. Las soluciones acuosas de ácido Sulfúrico se nombran de acuerdo con el porcentaje en peso de Acido en la solución; el ácido Sulfúrico concentrado es entonces H2SO4 100%, que se conoce como anhidro o como monohidrato de trióxido de Azufre. 2.2 Consideraciones generales. Propiedades físicas: Entre sus propiedades físicas más importantes se encuentran las siguientes: a) La mayor concentración obtenida es la de 98,5% a una temperatura de 15,5°C b) Su punto de ebullición se ubica cerca de 338 °C ó 640 °F c) La densidad del ácido a 20 °C, es 1,84 g/cm3. d) El punto de fusión se encuentra cerca de -40 °C para una concentración de 65,13%. e) Es muy soluble en agua, pero reacciona violentamente al mezclarse con ella, generando calor, mientras que con otros solventes no se mezcla. f) La temperatura de descomposición gira en torno a los 340 °C. g) La presión de vapor a 20 °C, es menor a 0,001 bar En cuanto a los riegos que presenta el ácido, cabe destacar que en sí mismo no es inflamable, pero se le debe aislar de materiales orgánicos, nitratos, carburos, cloratos y polvos metálicos, ya que el contacto del ácido concentrado con estos materiales puede causar ignición. Otro riesgo que puede presentarse es cuando el ácido es almacenado en tambores, camiones cisterna u otros tanques de almacenamiento metálicos, porque desprende de Hidrógeno, el cual además de ser inflamable, en altas concentraciones, impide un adecuado suministro de oxígeno a los pulmones causando mareos, posibles náuseas y eventualmente pérdida de conocimiento.

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Propiedades químicas: Entre las propiedades químicas más relevantes del ácido sulfúrico, se cuentan: Reactividad.- Además de atacar muchos metales, el ácido sulfúrico concentrado es fuerte agente oxidante y puede dar lugar a la ignición (inicio de combustión que puede degenerar en explosión) al entrar en contacto con materia orgánica y compuestos tales como nitratos, carburos, cloratos, etc. También reacciona de forma exotérmica con el agua, tiene mayor desprendimiento de calor, alcanzando una temperatura de 158ºC (316ºF). Presenta una gran afinidad por el agua, de allí, que produce deshidratación de los compuestos orgánicos, a veces tan fuerte que llega a carbonizarlos. Corrosividad.- Es un líquido altamente corrosivo, particularmente en concentraciones altas, corroe los metales, con excepción del oro, iridio y rodio, dando lugar al desprendimiento de hidrógeno. El ácido Sulfúrico es un Acido mineral fuerte y un oxidante fuerte. Se disocia en agua de acuerdo con dos equilibrios: H2SO4 + H2O  H2O+HSO4 HSO4 + H2O  H3O + SO4-2 El primero de ellos a proporciones de agua bajas y el segundo a proporciones altas; por esta razón el ácido Sulfúrico diluido actúa como un ácido dibásico. Estas características ácidas hacen que reaccione con metales básicos como el aluminio provocando la generación de Hidrógeno y los correspondientes Sulfatos y bisulfatos metálicos. El ácido Sulfúrico concentrado y caliente es una sustancia altamente oxidante y ataca metales preciosos. En este mismo estado reacciona con carbono, fósforo y Azufre produciendo dióxido de Azufre (SO2). El ácido Sulfúrico descompone las sales de muchos otros ácidos, lo cual representa una oportunidad industrial en diversos campos como en la producción de Sulfato de sodio (Na2SO4) y cloruro de Hidrógeno (HCl) a partir del cloruro de sodio (NaCl), la descomposición de sulfitos a dióxido de Azufre y la descomposición de fosfatos de calcio naturales (Ca3(PO4)2) hasta ácido fosfórico (H3PO4) y Sulfato de calcio (CaSO4).

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Sus características de higroscopicidad se deben a la formación de diferentes hidratos, los cuales corresponden al monohidrato (H2SO4*H2O), el dihidrato (H2SO4*2H2O), el trihidrato (H2SO4*3H2O), el tetrahidrato (H2SO4*4H2O) y por último el hexahidrato (H2SO4*6H2O). Las reacciones del ácido Sulfúrico concentrado en el área de los compuestos orgánicos están muy influenciadas por las propiedades oxidantes e higroscópicas de éste; debido a estas características, reacciones de carbonización de carbohidratos y de condensación orgánica presentan mejor desempeño en su presencia. El ácido Sulfúrico no es un material combustible en sí mismo, pero por ser altamente reactivo es capaz de iniciar la ignición de sustancias combustibles cuando entra en contacto con ellas. Incompatibilidades: Por sus características de oxidante fuerte, reacciona violentamente con materiales reductores. Cuando entra en contacto con combustibles finamente particulados provoca su ignición. Reacciona violentamente con bases. Es corrosivo para muchos metales comunes generando humos de dióxido de Azufre e Hidrógeno gaseoso, el cual es altamente explosivo. Debido a que es un material muy higroscópico, puede producir deshidratación de otras sustancias. Cuando entra en contacto con agua libera grandes cantidades de calor. Al calentarlo se generan Óxidos de Azufre producto de su descomposición. El contacto de ácido Sulfúrico con materiales orgánicos como cloratos, carburos, fulminatos o picratos puede causar fuego y explosiones.

Pirita. La pirita es un mineral del grupo de los sulfuros cuya fórmula es FeS2, es macizo, granular fino, algunas veces subfibroso radiado. Insoluble en el agua y magnética por calentamiento. También es conocida como el oro falso, por su gran parecido. Composición: Azufre

53.48%

Hierro

46.52%

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2.3 Obtención industrial de ácido sulfúrico. El ácido sulfúrico se encuentra disponible comercialmente en un gran número de concentraciones y grados de pureza. Existen dos procesos principales para la producción de ácido sulfúrico, el método de cámaras de plomo y el proceso de contacto. El proceso de contacto produce un ácido más puro y concentrado, pero requiere de materias primas más puras y el uso de catalizadores costosos. En ambos procesos el dióxido de azufre (SO2) es oxidado y disuelto en agua. El dióxido de azufre es obtenido mediante la incineración azufre, tostando piritas (Bisulfuro de Hierro), tostando otros sulfuros no ferrosos, o mediante la combustión de sulfuro de hidrogeno (H2S) gaseoso

2.3.1 Proceso de contacto. Es el método de uso más generalizado en los países desarrollados. El fundamento del mismo reside en la oxidación reversible del SO2 a SO3 sobre un catalizador sólido, que en un principio fue platino y que modernamente suele ser pentaóxido de divanadio (V2O5) por razones de economía, resistencia a los envenenadores (a los que el Pt es tan vulnerable).

Figura N° 1: Diagrama del proceso de contacto



Obtención del dióxido de azufre

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La pirita es tostada para producir gases SO2, SO esta etapa es fuertemente exotérmica, ese calor se puede aprovechar para generar vapor y producir energía eléctrica. S2Fe + 11/4 O2 2 SO2 + ½ Fe2O3 + 1680 kcal/kg FeS2 La cantidad de azufre que queda retenida en las cenizas contenidas en las piritas depende de las impurezas que contiene. Luego los gases generados pasan a una torre de refrigeración para ser enfriados El aire de la tolva pasará a través de una torre de secado para precalentar el aire y sobre el azufre quemado para proporcionar el oxígeno necesario para producir el gas SO2. 

Obtención del ácido sulfúrico

En este proceso, una mezcla de gases secos que contiene del 7 al 10% de SO 2, según la fuente de producción 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 O 2, se precalienta y una vez depurada al máximo, pasa a un convertidor de uno o más lechos catalíticos, por regla general de platino o pentóxido de vanadio, donde se forma el SO 3. Se suelen emplear dos o más convertidores. Los rendimientos de conversión 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 más acusado en las plantas donde se utilizan piritas de partida con un alto contenido de arsénico, que no se elimina totalmente y acompaña a los gases que se someten a catálisis, provocando el envenenamiento del catalizador. Por consiguiente, en ocasiones, el rendimiento puede descender hasta alcanzar valores próximos al 95%. En el segundo convertidor, la temperatura varía entre 500º y 600ºC. Esta se selecciona para obtener una constante óptima de equilibrio con una conversión máxima a un coste mínimo. El tiempo de residencia de los gases en el convertidor es aproximadamente de 2-4 segundos. Los gases procedentes de la catálisis se enfrían a unos 100ºC aproximadamente y atraviesan una torre de óleum, para lograr la absorción parcial de SO 3. Los gases residuales atraviesan una segunda torre, donde el SO3 restante se lava con ácido

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sulfúrico de 98%. Por último, los gases no absorbidos se descargan a la atmósfera a través de una chimenea. Existe una marcada diferencia entre la fabricación del SO 2 por combustión del azufre y por tostación de piritas, sobre todo si son arsenicales. El polvo producido en el proceso de tostación nunca puede eliminarse en su totalidad y, junto con las impurezas, principalmente arsénico y antimonio, influye sensiblemente sobre el rendimiento general de la planta. La producción de ácido sulfúrico por combustión de azufre elemental presenta un mejor balance energético pues no tiene que ajustarse a los sistemas de depuración tan rígidos forzosamente necesarios en las plantas de tostación de piritas.

CAPITULO III

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ESTUDIO DE MERCADO 3.1 Identificación del producto El punto de partida de este estudio es conocer la demanda potencial que podría tener el ácido sulfúrico, así como de su producción y comercialización en el sector industrial de Perú. El presente estudio técnico económico tiene por alcance ser proveedores de ácido sulfúrico, para los diferentes sectores industriales donde se puede utilizar este producto como base para su producción. Como características del mercado meta se menciona las siguientes: Hábitos de compra: en el sector industrial los clientes tienden a comprar el ácido sulfúrico por grandes cantidades, de acuerdo a las necesidades de su producción. Necesidades: dentro de las necesidades está el poder atender a una creciente clientela con productos de alta calidad satisfaciendo así los requerimientos del consumidor final. Segmentación: existe segmentación para el tipo de mercado al que cada empresa atiende.

Producción y consumo nacional: Perú es el segundo productor mundial de cobre mina, después de chile, y ha logrado un fuerte aumento de la producción de ácido sulfúrico en los últimos diez años, pasando de producir 594mil TM el año 2000, a 1,49 millones de TM en el año 2010. Por el lado del consumo, el nivel alcanzado en el 2010 fue de 695,697 TM. Este volumen se distribuye entre las mismas productoras, para abastecer a las mineras y para usos en la industria química, industrial y de diferentes sectores productivos. Cuadro Nº 1: Consumo Nacional de ácido sulfúrico.

Cuadro Nº 1: Producción y consumo del ácido sulfúrico.

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Año

2004

2005

2006

2007

2008

2009

2010

2011

2012

2013

Producción TM

623,295

574,47

633,442

661,288

638,539

668,621

1,032,93

1,314,871

1,373,840

1,499,883

53

8 33

38

58

4,647

6,136

63,210

137,623

50,753

36,7

TM (-) Exportaciones TM

263,579

120,80

128,027

106,551

147,201

80,762

509,609

792,731

744,112

804,223

Consumo aparte TM

359,769

4 453,70

505,453

554,796

495,985

593,995

586,536

659,762

680,481

695,697

(+)

Importaciones

7

Fuente: SUNAT, NEI, estadística industrial, SPCC.

Producto Principal. El producto a elaborar es ácido sulfúrico, cuyo formula química es H2SO4 El ácido sulfúrico en base a ella presenta tres comportamientos químicos bien diferenciados:  Como ácido: El ácido sulfúrico es un ácido muy fuerte, estando completamente disociado en su base conjugada HSO4-, pero es un ácido semifuerte en su segunda disociación: H2SO4  HSO4- + H+

K1 muy grande, casi total

HSO4-  SO4-2 + H+

K2 = 10-2

y da lugar a reacciones típicas de los ácidos; por ejemplo: H2SO4 + 2 NaOH  Na2(SO4) + 2 H2O al poseer el ácido sulfúrico un elevado punto de ebullición, cuando éste se añade a una sal y se calienta, se suele desprender el ácido que dio lugar a la sal, que por lo general es más volátil que el sulfúrico, dando lugar a reacciones que se denominan de desplazamiento; por ejemplo: H2SO4 + NaCl  Na(HSO4) + HCl H2SO4 + CaCO3  CaSO4 + CO2 + H2O H2SO4 + Zn  ZnSO4 + H2

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 Como agente oxidante: El ácido sulfúrico ataca a todos los metales situados por encima del hidrógeno en la tabla de potenciales de reducción: H2SO4 + Zn  ZnSO4 + H2 el anión SO4-2 no interviene en la reacción redox sino que es el hidrógeno el que hace que el metal se oxide.  Como deshidratante: El ácido sulfúrico tiene una gran avidez por el agua, por eso se usa como agente desecante. Mezclas de ácido con poca cantidad de agua presentan la formación de hidratos: H2SO4 - H2O

o

H2SO4 - 2 H2O

DH = - 20'5 Kcal/mol

y éstas son reacciones muy favorecidas termodinámicamente. Este ácido es capaz de deshidratar completamente a la sacarosa según la reacción: C 12 H 22 O 11(S) H 2 SO4 12C (S) 12 H 2 O(L) →

de forma análoga deshidrata también sustancias orgánicas que contengan vestigios de agua o hidrógeno y oxígeno (papel, madera, tejidos, etc...).

Subproductos. El ácido sulfúrico se utiliza en grandes cantidades en muchas industrias para:  Abonos: En la producción de sulfato de amonio y de superfosfatos.  Refino de petróleo: En la eliminación de impurezas de productos varios del petróleo, tales como gasolinas, queroseno, disolventes, etc. Si no se hiciera así, las impurezas colorearían los productos, originarían depósitos céreos en los combustibles líquidos y lubricantes, y provocarían olores desagradables.  Fabricación de productos químicos: En la producción de otros ácidos como el clorhídrico y el nítrico, sulfatos metálicos, carbonato de sodio y éteres.  Fabricación de colorantes y drogas: Obtención de productos derivados del alquitrán de hulla como colorantes, drogas y desinfectantes.

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 Decapado de acero: La superficie del acero se limpia de herrumbre sumergiéndola en un baño de ácido sulfúrico antes de recubrirlo de esmalte, estaño o cinc.  Metalurgia: Ciertos metales se obtienen por electrólisis de disoluciones de sus sulfatos.  Pinturas y pigmentos: Muchos de los pigmentos y óleos utilizados en pinturas son sulfatos.  Aplicaciones diversas: El ácido sulfúrico también se utiliza en la fabricación de tejidos, plásticos, explosivos, acumuladores y otros productos. Es necesario que se complemente todas estas aplicaciones en la formulación de presente proyecto, pues daría un soporte fundamental en la factibilidad de la empresa.

Composición química. El Ácido Sulfúrico es un producto industrial fundamental, sus aplicaciones son numerosas y su consumo es extraordinario. Los usos del ácido sulfúrico son tan variados que el volumen de su producción proporciona un índice aproximado de la actividad general industrial. Este ácido es un producto que directa o indirectamente está presente en toda industria, y su consumo es el termómetro de la industria de un país.

Comportamiento del mercado. Dentro del estudio de mercado revisar los diferentes aspecto que lo integran ayuda a prever la evolución y el comportamiento del mismo, las más importantes y conocidas comparaciones cuantitativas son la oferta y la demanda. Así también conocer las relaciones entre el precio de un bien o servicio y la cantidad ofrecida del mismo en el mercado.

Demanda. En el sector industrial se basa en el espacio que hay en el mercado y, el volumen de ventas de un producto y que los consumidores estén dispuestos a comprar a diferentes precios en un momento determinado.

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Cuadro Nº 2: Producción de pirita sin tostar AÑO

PRODUCCIÓN TM

2000

4310

2001

4450

2002

5410

2003

6820

Fuente: El comercio exterior.

En este cuadro observamos la cantidad de ácido sulfúrico que se produce en el Perú tomando en cuenta los datos a partir del año 2000 al 2003.

Producción del mineral Pirita 10000 8000

TM

6000 4000 2000 0 2000

2001

2002

2003

Año

Gráfica N° 1: Producción de pirita.

De acuerdo a estos datos hacemos una proyección hasta el 2020 del mineral pirita que se producirá, para así asegurarnos de contar siempre con esta materia prima para poder producir ácido sulfúrico.

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Cuadro N°3 año 2000 2001 2002 2003 ∑

x 0 1 2 3 6

y 4310 4450 5410 6820 20990

Usando el método de los mínimos cuadrados: MC = (Ci – Ci*)2 Donde: Ci : consumo real Ci* : consumo estimado De la ecuación de la recta: Y = A + BX

o

C = Co +BX

Ecuación Base de cálculo: N

MC =

∑ (Y − A−BX)

2

i=1

ΣY =NA + BΣX

…………….. (1)

ΣXY =AΣX + BΣ X 2 ……………(2) (20990 = 4A + 6B) -1.5 (35730 = 6A + 14B) -31485 = -6A – 9B 35730 = 6A + 14B 4245 = 5B

B = 849 TM/año

20990 = 4A + 6(849)

A = 3974 TM/año

Determinación de la proyección lineal o futuro Diseño de Plantas Químicas

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X2 0 1 4 9 14

xy 0 4450 10820 20460 35730

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A = 3974 TM/año B = 849 TM/año

Proyección al 2020: Y 2020 =A + BX Y 2020 =3974+849 (19) Y 2020 =20105 TM /año

TM

Producción del mineral Pirita 22000 20000 18000 16000 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 2000

2001

2002

2003

2020

Año

Grafica N° 2: Proyección al año 2020

La grafica 2 representa la proyección de producción del mineral pirita al 2020, en la cual se observa que la línea tiende a subir; es decir la producción está aumentando.

Producción del ácido sulfúrico a partir de la tostación de la pirita.

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Cuadro N° 4. Producción de ácido sulfúrico. AÑO 2004

PRODUCCIÓN TM 623295

2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013

574478 633442 661288 638539 668621 1032935 1314871 1373840 1499883

Fuente: SUNAT, NEI, estadística industrial, SPCC.

Producción del ácido sulfúrico 1600000 1400000 1200000

TM

1000000 800000 600000 400000 200000 0 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014

Años

Grafica N° 3: Producción del ácido sulfúrico.

De acuerdo a estos datos hacemos una proyección hasta el 2020 de la cantidad de mineral que se producirá, para así asegurarnos del abastecimiento del producto.

Cuadro N° 5. Diseño de Plantas Químicas

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Año 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 Σ

x 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 55

y 623295 574478 633442 661288 638539 668621 1032935 1314871 1373840 1499883 9021192

Usando el método de los mínimos cuadrados: MC = (Ci – Ci*)2 Donde: Ci : consumo real Ci* : consumo estimado De la ecuación de la recta: Y = A + BX

o

C = Co +BX

Ecuación Base de cálculo: N

MC =

∑ (Y − A−BX)

2

i=1

ΣY =NA + BΣX

…………….. (1)

ΣXY =AΣX + BΣ X 2 ……………(2) (9021192 = 10A + 55B) -5.5 (58635053 = 55A + 385B) -49616556 = -55A – 302.5B 58635053 = 55A + 385B 9018497 = 82.5B

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x2 1 4 9 16 25 36 49 64 81 100 385

xy 623295 1148956 1900326 2645152 3192695 4011726 7230545 10518968 12364560 14998830 58635053

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B = 109315.11 TM/año

9021192 = 10A + 55(109315.11)

A = 300886.09 TM/año

Determinación de la proyección lineal o futuro A = 300886.09 TM/año B = 109315.11 TM/año

Proyección al 2020: Y 2020 =A + BX Y 2020 =300886.09+109315.11(19) Y 2020 =2377873.18TM /año

Producción de ácido sulfúrico 2500000 2000000

TM

1500000 1000000 500000 0 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 2016 2018 2020 2022

Años

Grafica N° 4: Proyección al año 2020

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CAPÍTULO IV ESTUDIO TÉCNICO 4.1 Tamaño de la planta. El tamaño óptimo responde a un análisis interrelacionado de una gran cantidad de variables de un proyecto como son: demanda, disponibilidad de insumos, localización y plan estratégico comercial de desarrollo futuro del negocio. Utilizando estos datos se obtendrá la relación de los diferentes factores que intervienen en un proyecto de inversión y cuantificar la cantidad de aceite que se podría producir por año, así también la selección de la maquinaria, mano de obra, insumos y materia prima necesarios en el proyecto.

4.1.2 Factores que determinan el tamaño de la planta. Los factores más importantes considerados en este estudio técnico – económico en lo que respecta a la selección del tamaño de la planta son los siguientes: Suministro de Materia Prima.- La cercanía con las provincias productoras de materia prima hace posible la provisión de la misma materia. Cercanía a los Mercados.- La ubicación de la planta deberá aportar positivamente al estudio, ya que con una adecuada estrategia de venta y planificación, es posible entregar los pedidos a tiempo. De manera que la cercanía con los mercados no representa un aumento de los costos de producción y producto final. Capacidad Instalada.- En este estudio se identificará si el proyecto es factible con relación a la demanda actual, estimada y poder implementarlo, para ello se analizará tres situaciones básicas del tamaño con respecto al mercado: • La cantidad demanda sea menor a la capacidad que se podrá instalar. • La cantidad demanda sea igual a la capacidad que se podrá instalar. • La cantidad demanda sea superior a la capacidad que se podrá instalar. Suministro de Energía Eléctrica y Combustible.- La energía eléctrica necesaria para el proyecto será suministrada por una entidad pública que ofrece el servicio de energía Diseño de Plantas Químicas

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permanente. La energía eléctrica requerida para el funcionamiento de los diferentes equipos es de 6.5 kWh por tonelada de producto. Los centros de abastecimientos de combustibles que cubrirán las necesidades del estudio deberán estar cerca del lugar donde se instalará la planta. Suministro de Agua.- en este proyecto el agua es vital para los diferentes procesos que se detallaran más adelante. El suministro de agua potable es permanente. Si bien será necesario tener una reserva de agua por alguna eventualidad que provoque un corte en el suministro normal. Talento Humano.- El personal requerido para el funcionamiento de la planta de producción de ácido sulfúrico será distribuido de acuerdo a las necesidades con que inicialmente se pretende dar la puesta en marcha, para el efecto en el desarrollo del estudio técnico se detallará los cargos y las funciones de cada una de las personas.

4.2 Descripción del proceso de producción. 4.2.1 Proceso de contacto: El método de contacto para la producción de ácido sulfúrico es un método que utiliza una catálisis heterogénea, es decir, el catalizador empleado está en una fase de agregación distinta. En concreto, suele utilizarse un catalizador sólido, el pentóxido de divanadio, 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 utilizarse en el laboratorio,

por

ejemplo,

para

preparar

posteriormente

disoluciones

menos

concentradas. Igual que el método de las cámaras de plomo, el método de contacto parte del dióxido de azufre obtenido por distintos métodos. Veamos cada etapa de forma individual

Primera etapa: producción de dióxido de azufre, SO2 En general, la producción de SO2 se puede escribir como: S+ N 2 +2 O2 → S O2 + N 2 +O2 Diseño de Plantas Químicas

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S+O2 → S O2 Sin embargo, esta reacción será válida únicamente si la producción del dióxido de azufre se lleva a cabo a partir 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 SO 2. Una fuente usada muy habitualmente es la pirita, mineral disulfuro de hierro, FeS 2, 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) Trabajar con exceso de aire hará que el SO 2 producido esté ya mezclado con oxígeno en la corriente de salida hacia la siguiente etapa, lo cual será necesario para la obtención de SO3. Una vez obtenido el dióxido de azufre y antes de entrar en el reactor, se debe purificar, 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 electrostáticos, y el lavado con agua y ácido sulfúrico concentrado. Ya purificado pasará al reactor para la producción de SO3.

Segunda etapa: producción de trióxido de azufre, SO3, a partir de SO2 La producción de trióxido de azufre a partir 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 reactivos como de productos). Podemos escribir su ecuación termoquímica como: 3 2 S O2 + O + N 2 → S O3+ S O2 +O2 + N 2 2 2 2 S O2 +O2 →2 S O3

ΔH = -196kJ·mol-1

La reacción se lleva a cabo en presencia de un catalizador sólido, que puede ser platino o pentaóxido de vanadio, V2O5, aunque este último es más habitual porque es menos susceptible de envenenamiento y desgaste que el platino (especialmente en plantas en las que se obtiene el SO2 por tostación de pirita, ya que esta a menudo contiene arsénico. El arsénico no se puede eliminar en su totalidad de la corriente de gases Diseño de Plantas Químicas

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producidos y envenena el platino en el convertidor). La actuación del catalizador es óptima entre 400 y 450ºC, y es por este motivo que se emplean estas temperaturas, a pesar de que una disminución de la temperatura favorecería la reacción termodinámicamente (por ser exotérmica) pero afectaría negativamente a la cinética de reacción, como se explicará con mayor detenimiento en un apartado posterior. En cuanto a la presión, se mantiene 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 tienen porqué ser (y generalmente nunca son) las mejores condiciones para el bolsillo de la industria, principalmente considerando los costes de la energía eléctrica.

Tercera etapa: Conversión 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 motivo es que la reacción SO 3 + H2O ⇒ H2SO4 es incontrolable y crea una niebla de ácido sulfúrico y de trióxido de azufre que afecta negativamente 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 anticuados, 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 emitir 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) + H2O(l) ⇒ 2H2SO4(l)

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4.3 Producción: Esta unidad de quemado de azufre puede producir 30 toneladas de ácido sulfúrico (98%) por día (capacidad mínima). Conociendo previamente que dicha planta tiene una producción anual de 8000 ton y que labora durante 280 días al año, realizando 4 ciclos por día comprendiendo en cada ciclo 5 horas de reacción y 1 hora de carga, descarga y limpieza. Materia prima: 

Materia prima: Mineral pirita



Catalizador



Agua potable (depende de la calidad de producto requerido)

Equipos: 

Horno



Convertidor (Reactor)



Absorbedores



Chimenea

Materiales EQUIPOS

MATERIALES

Caldera,

Acero

intercambiadores,

tipo 302

inoxidable

PRINCIPALES de Es básico, tipo austenítico para propósito general, con buena

reactor Horno

CARACTERÍSTICAS

resistencia a la corrosión y En el interior material

propiedades mecánicas Para resistir altas temperaturas

refractario. Y

y evitar la desintegración del

externamente acero

material a fundirse.

inoxidable.

Operaciones unitarias principales. Operación

Clasificación

Operación

Unitaria

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Código

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Mecánicas

Partículas Solido-liquido Fluidos Masa y Calor

Termo físicas

4.4 DIAGRAMA BFD

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Agua Aire mas impurezas

Recepción de la materia prima

Clasificación

Trituración

Horno quemador

Torre de Refrigeración

Caldera

Tk de Fe2O3 para la producción de Hierro

Intercambiador de calor I

Horno de contacto I

Chimenea

Tk de agua

Horno de contacto II

Torre de absorción 3

Torre de absorción 2

Torre de absorción 1

Tk de H2SO4 al 98%

Tk de Oleum al 10%

Tk de Oleum al 25%

Columna de destilación

Refrigeración

Tk de trioxido de azufre

Tk de Acido sulfurico al 98%

4.5 DIAGRAMA PFD

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Tk de Oleum al 25%

Intercambiador de calor II

Electrofiltración de gases

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7 Agua 9

K-201 8

K-202

Aire mas impurezas

L-201

F-201

11

H-101 5 2

1

3

CT-101

4

6

h

10

J-101 SG-101

B-101 F-101

K-101 L-101 F-101 F-301

12

13

14

15

E-101 R-101

E-102

R-102 17

18

16

30

R-201

32

R-202

F-303

R-203

F-301

F-302 20

26

23

25

27

19

29 28

E-201 D-101

K-501

24 F-501

21

F-403

22

F-404

Especificación técnica de equipos:

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F-402

F-401

L-501

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Identificación F-101 F-202 F-301 F-401 F-402 F-403 F-501 F-502 F-503 F-601 K-101 K-102 K-103 K-104 L-101 L-102 L-103 B-101 SG-101 CT-101 H-101 R-101 R-101 E-101 E-102 E-201 D-101

Denominación TK de almacén de materia prima TK de almacén de agua TK de almacén de agua TK de almacén de óleum al 25% TK de almacén de óleum al 10% TK de almacén de acido TK de almacén de óleum al 25% TK de almacén de trióxido de azufre TK de almacén de ácido al 98% TK de almacén de agua Valvula de control Valvula de control Valvula de control Valvula de control Bomba centrifuga Bomba centrifuga Bomba centrifuga Horno rotatorio Caldera Torre de enfriamiento Filtro electromecánico Reactor de contacto catalítico I Reactor de contacto catalítico II Intercambiador de calor Intercambiador de calor Intercambiador Destilador

Plano de la planta.

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4.6 Balances de masa y energía 4.6.1 Balance de masa 

Especificación de variables de entrada y salida en cada equipo

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O2 N2

FeS2S

P-41

liquido 400 kg/h

SO2 O2 N2

HORNO

P-48 P-49 P-50

E-28

SO2

P-42

O2 N2

REACTOR SO3 O2 N2 SO2

E-27

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P-51

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SO3

P-46

O2 N2 SO2

H2SO4 98% ABSORB EDORES 98%

P-39

SO2

P-36

SO3

P-44

O2

P-38

N2

P-43

E-25

Cálculos:

 Cantidad requerida de S O 3

29 400

Kg H 2 S O 4 1 Kgmol H 2 S O 4 1 KgmolS O 3 80 KgSO 3 KgS O 3 × × × =24 000 día 98 Kg H 2 S O 4 1 Kgmol H 2 S O 4 1 Kgmol S O 3 día

24 000

KgSO 3 1 dia KgS O 3 × =1000 día 24 h h

S O 3+ H 2 O → H 2 S O 4  Cantidad requerida de agua

29 400

5 400

Kg H 2 S O 4 1 Kgmol H 2 S O4 1 Kgmol H 2 O 18 Kg H 2 O Kg H 2 O × × × =5 400 día 98 Kg H 2 S O 4 1 Kgmol H 2 S O4 1 Kgmol H 2 O día

Kg H 2 O 1 dia Kg H 2 O × =225 día 24 h h

 Flujo de agua requerida

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5 400

Kg H 2 O 1 L L × =5 400 día 1 Kg dia

f nominal =5 400

L dia f diseño=f nominal ×1,05 f diseño=5 400 f diseño=5 670

L × 1,05 dia

L 1 dia L × =236,25 dia 24 h h

f diseño=236,25

L h

 Cantidad requerida de S O 2

24000 Kg S O3 ×

1 Kgmol S O3 1 Kgmol S O2 60 Kg S O2 Kg S O2 × × =19200 80 Kg S O3 1 Kgmol S O3 1 Kgmol S O2 dia

2 S O2 +O2 →2 S O3

 Reacciona: 19200 Kg S O 2 ( 0.97 )=18624

18624

Kg S O2 dia

Kg S O 2 1 dia Kg S O 2 × =776 dia 24 h h

 No Reacciona: 19200 Kg S O 2 ( 0.03 )=576

576

Kg S O 2 dia

Kg S O 2 1 dia Kg S O 2 × =24 dia 24 h h

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 Cantidad requerida de O2

24000

Kg S O 3 1 Kg−mol S O3 1,5 Kg−mol O 3 32 Kg O 3 Kg O 2 × × × =14400 dia 80 Kg S O 3 1 Kg−mol S O 3 1 Kg−mol O 3 dia

14400 Kg O 2 KgO 2 =7200 2 dia

 Reacciona: 7200 KgO 2 ( 0.75 )=5400

5400

KgO 2 dia

Kg O 2 1 dia KgO 2 × =225 dia 24 h h

 No Reacciona: 7200 KgO 2 ( 0.25 )=1800 1800

KgO2 dia

Kg O 2 1 dia KgO 2 × =75 dia 24 h h

 Cantidad requerida de S S+O2 → S O2

19200 Kg S O 2 ×

1 Kg−mol S O 3 1 Kg−mol S 32 Kg S Kg S × × =9600 64 Kg S O 2 1 Kg−mol S O2 1 Kg−mol S dia

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 Cantidad requerida de O2

19200 Kg S O 2 ×

1 Kg−mol S O 3 2 Kg−mol O 2 32 KgO 2 × × =19200 KgO 2 64 Kg S O 2 1 Kg−mol S O 2 1 Kg−mol O 2

 Reacciona: 19200

KgO 2 Kg O2 ( 0.60 )=11520 día día

11520

KgO 2 1 dia Kg O 2 × =480 día 24 h h

 No Reacciona: 19200 KgO2 ( 0. 40 )=7680 7680

KgO 2 día

Kg O 2 1 dia KgO 2 × =320 día 24 h h

 Calculo de la cantidad de catalizador empleado. Se emplea el 5% del volumen final del ácido sulfúrico para el catalizador. 30000

Kg × 0,05=f catalizador dia

f catalizador =1500

Kg 1 dia 5h 1 ciclo × × × dia 24 h 1 ciclo 10 min

f catalizador =31,25

Kg L × min 3.35 kg

 Calculo de la capacidad de la bomba del catalizador f Nominal =9,33

L min

f diseño Catalizador =9,33 f diseño Catalizador =9,8

L ×1.05 min

L min

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 Calculo de los volúmenes ρ=

m v

v=

m ρ

kg dia 1000 L L v s= × =4 640 3 Kg dia 1m 2070 3 m 9600

kg dia 1000 L L v0 = × =13435,96 3 Kg dia 1m 1429 3 m 19200

2

kg dia 1000 L L vS O = × =13300 3 Kg dia 1m 1400 3 m 18 624

2

kg dia 1000 L L v H O= × =5400 3 Kg dia 1m 1000 3 m 5400

2

kg dia 1000 L L vS O = × =12500 3 Kg dia 1m 1920 3 m 24000

3

 Cálculo de la capacidad de la Caldera

vCaldera de S=v S + v O vCaldera de S=4 640

2

L L +13435,96 dia dia

vCaldera de S=18075,97

L 100 L × =24101,29 dia 75 dia

vCaldera de S=24101,29

L 1dia × dia 24 h

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vCaldera de S=1004,22

L h

 Cálculo de la capacidad del reactor

v Reactor =v S O + v O + v S O 2

2

v Reactor =13300

3

L L L +13435,96 +12500 dia dia dia

v Reactor =39235,96

L 100 L × =52314,61 dia 75 dia

v Reactor =52314,61

L 1 dia × dia 24 h

v Reactor =2179,77

L h

 Cálculo de la capacidad del absorbedor

v absorbedor =v H O + v S O 2

v absorbedor =5400

3

L L +12500 dia dia

v absorbedor =17900

L 100 L × =23866,67 dia 75 dia

v absorbedor =23866,67 v absorbedor =994,44

L 1 dia × dia 24 h

L h

4.6.2 Balance de energía Calor requerido para la caldera

∆ H rs o =∆ H fs o −∆ H fs−∆ H f o 2

2

2

∆ H rs o =296,8−0−0 2

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∆ H rs o =296,8

KJ mol

∆ H rs o =296,8

KJ 1 mol × mol 1000 Kmol

2

2

∆ H rs o =296 800

KJ Kmol

∆ H rs o =296 800

KJ 1J 0,239 cal 1000 Kcal × × × Kmol 1000 KJ 1J 1 cal

2

2

∆ H rs o =70 935,20 2

Kcal Kmol

Q requerido =70 935,20

1 Kg−molS O 2 18 624 KgSO2 Kcal 1 dia 1 ciclo × × × × Kg−mol 64 Kg S O 2 dia 4 ciclos 5h

Q requerido =1032107,16

Kcal h

Masa de flujo de aire para la caldera

Q requerido =1032107,16

Kcal dia

T 2=1000 C=1273 K T 1=800 C=1073 K C p aire=1,005

KJ 1J 0,239 cal 1000 Kcal Kcal × × × =0,24 Kg K 1000 KJ 1J 1cal Kg K

Q=mCp ∆ T m=

Q Cp ∆ T 1.032.107,16

m= 0,24

Kcal h

Kcal ( 1273−1073 ) K Kg K

m aire =21.502,23

Kg h

Resultados: Diseño de Plantas Químicas

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Azufre

CALDERA Kg S 400 h

Oxigeno

KgO 2 h Kg O 2 No reacciona: 320 h Kg S O 2 Reacciona: 776 h Kg S O 2 No reacciona: 24 h Kcal 1032107,16 h L 1004,22 h Kg 21.502,23 h L 121,74 min Reacciona:

Dióxido de azufre

Flujo de calor Volumen Flujo de aire Flujo de diseño para la bomba de azufre

480

CONVERTIDOR Dióxido de azufre

Oxigeno

Trióxido de azufre Volumen Catalizador Capacidad de la bomba del catalizador

Trióxido de azufre Agua

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Kg S O 2 h Kg S O2 No reacciona: 24 h Kg S O2 No reacciona: 24 h Kg O2 No reacciona: 75 h KgS O 3 1000 h L 2179,77 h Kg 31,25 min L 9,8 min Reacciona: 776

ABSORBEDOR KgS O3 1000 h Kg H 2 O Masa:225 h

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Flujo volumétrico: 236,25

L h

Kg H 2 S O 4 h L 994,44 h

Ácido sulfúrico

1225

Volumen

Maquinarias y equipos del proceso productivo Para el siguiente estudio el tipo de tecnología a aplicar seria la electromecánica ya que las maquinarias son un conjuntos de partes mecánicas accionadas por energía eléctrica, y en algunas en combinación con energía calorífica e hidráulica, se tendrá que contratar de operadores con experiencia en este tipo de maquinarias, para que de esta forma se aprovechara al máximo en poder productivo de cada una de las maquinas que intervienen en la transformación de la materia prima. Proceso de contacto Comprende tres etapas: 1. Obtención de SO2, depuración de los gases 2. Catálisis, conversión de SO2 a SO3 3. Absorción de SO3 1) S + O2  SO2 2) SO2 + ½ O2  SO3 3) SO3 + H2O  H2SO4 Tabla: Calor de reacción en cada una de las etapas REACCION CONSIDERADA

−∆ H

Combustión S + O2  SO2 Conversión SO2 + ½ O2  SO3 Absorción SO3 + H2O  H2SO4 Dilatación del ácido y secado del aire

(en KJ por Kg H2SO4) 3026 1004 1390 251

a) Oxidación de azufre

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4FeS2 + 11O2

2Fe2O3 + 8SO2

El proceso está formado por un horno y se produce la reacción a una temperatura de 2000°F. La reacción es muy exotérmica por lo tanto los gases son enfriados en una caldera de recuperación de vapor, el vapor de alta presión generado es utilizado para impulsar los compresores y sopladores. La generación primaria de SO2 se obtiene a través de los siguientes procesos: un 79% Combustión de Azufre; el 9% de recuperación de procesos metalúrgicos y un 5% de regeneración de los ácidos gastados. b) Oxidación de dióxido de azufre

En el Proceso de Contacto se utiliza un catalizador de Pentóxido de vanadio, la reacción es exotérmica, se utilizan múltiples Etapas con enfriamiento intermedio y un sistema de doble columna de absorción. La integración de calor permite recuperar el calor producido en las reacciones exotérmicas. c) Oxidación de dióxido de azufre con absorción de SO3 interetapa

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Debido al efecto de la temperatura sobre la reacción, son utilizados múltiples lechos de catalizador con enfriamiento intermedio. Adicionalmente, como la presión parcial de SO3 aumenta la reacción es limitada. Esto fue solucionado removiendo SO3 después de la tercera etapa para llevar la reacción a completación. Efectos cinéticos en la reacción: 

La oxidación de dióxido de azufre es lenta y reversible



La reacción requiere un catalizador y temperaturas de 426.7°C



La reacción es exotérmica y sensible al calor excesivo

d) Absorción de trióxido de azufre

e) Termodinámica de la reacción SO2 + ½ O2  SO3

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Constante de equilibrio (El avance de la reacción es dependiente de la temperatura) log Kp=

4.956 −4.678 T

T = temp. absoluta in kelvin Kp = constante de equilibrio como una función de la presión parcial de los gases Kp=

(PSO 3) ( PSO 2) ( PO2 )0,5

f) Cinética de la reacción Etapas de Reacción S + O2  SO2 SO2 + 0,5 O2 V 2O→5 cat SO3 (etapa catalítica) SO3 + H2SO4  H2S2O7 H →2O 2H2SO4 Todas las etapas son exotérmicas Catalizador V2O5 soportado en aluminosilicatos ricos en portadores SiO2, tal como kieselguhr, y con promotor de potasio y conector de K2SiO3 Calcinado en una mezcla Aire/SO2/SO3, produciendo algo de K2SO4 El catalizador final contiene ~9%m V2O5 y 15%m del portador K2O/Na2O Usado en forma de pequeñas esferas, extrudado, o anillos

i.

Productos secundarios e integración de calor en la planta

Productos Secundarios •

57 a 64% de la producción de energía genera vapor

•

La energía del vapor de agua es utilizada para impulsar la turbina que suple poder al soplador principal

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•

El vapor de agua adicional restante es utilizado en otras operaciones dentro de la planta

•

SO2/SO3 es emitido en pequeñas cantidades debido a regulaciones ambientales.

Integración de Calor •

El vapor de agua es usado para precalentar y el vapor de las torres de absorción es utilizado paraenfriar

• ii.

Se minimiza el costo de manufactura para maximizar la ganancia. Consideraciones en la producción de H2SO4

Uno de los factores que afectan los costos y la producción de H2SO4 es la corrosión del metal. Se deben utilizar materiales que resistan las condiciones corrosivas en presencia de soluciones de ácido sulfúrico: •

Aleaciones especiales de metales deben ser usadas para prevenir la corrosión excesiva.

•

Niquel, cromo, molibdeno, cobre, an silice son los elementos más importantes que mejoran la resistencia a la corrosión de las aleaciones.

Variables importantes para la corrosión •

Concentración del ácido

•

Temperatura de servicio

•

Velocidad de flujo en tuberías y equipos

•

Reposición del elemento aleante

iii.

Mercados para H2SO4 •

La industria de fertilizantes es el usuario más grande y consume 50-65 por ciento del total producido.

•

En segundo lugar está la industria química orgánica. Un ejemplo es la producción de plásticos y fibras sintéticas.

•

La producción de TiO2 consume grandes cantidades de ácido sulfúrico. TiO2 es un pigmento blanco usado en pinturas y plásticos.

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•

En la industria del metal el ácido sulfúrico es usado para picar materiales ferrosos y no ferrosos y la recuperación de niquel, cobre y zinc de mineral de bajo grado.

•

Finalmente, en la industria del petróleo es utilizado como catalizador en varias reacciones, principalmente en alquilación.

Diseño de los equipos del proceso Horno rotatorio. Este horno consiste de un cilindro de acero, recubierto interno o externo por un material refractario. Los hornos rotatorios con recubrimiento interno se diseñan para soportar temperaturas cercanas y superiores a 1000 °C, por ejemplo para la reducción de ferroníquel. Por su parte, los hornos rotatorios con recubrimiento externo, se diseña para aplicaciones en los que la temperatura esta entre 1093°C.

Los hornos tienen que estar diseñados para: 

Obtener gases



Obtener cenizas



Recuperar el calor de tostación

El diseño de los hornos viene determinado por: Diseño de Plantas Químicas

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

Velocidad de reacción (tamaño de grano de la pirita)



Presencia de impurezas (As)

En el horno la reacción se da una temperatura de 2000°F. La reacción es muy exotérmica por lo tanto los gases son enfriados en una caldera de recuperación de vapor, el vapor de alta presión generado es utilizado para impulsar los compresores y sopladores. La generación primaria de SO2 se obtiene a través de los siguientes procesos: un 79% Combustión de Azufre; el 9% de recuperación de procesos metalúrgicos y un 5% de regeneración de los ácidos gastados.

Pendiente del horno. El horno no se encuentra completamente horizontal. Este posee un grado de inclinación. Las pendientes requieren velocidades más altas, esto ofrece la ventaja de favorecer la mezcla del material y origina un intermedio de calor más intenso. También si la inclinación es pequeña de alcanza un grado de llenado más alto. Grado de llenado. El material ocupa una fracción de la sección del horno rotatorio. A la relación del área de esta fracción y el área de la sección total del horno, expresada en porcentaje , se le llama grano de llenado del horno. Los grados de llenado fluctúan entre 5-17%. Sin

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embargo en la práctica sea demostrado q el grado de llenado no debe pasar 13% ya q superior a este no favorecen la transferencia de calor

Absorbedor Una unidad de torre empacada básica se compone de una envoltura de la columna, eliminadores de rocío, distribuidores de líquido, material de empaque, soporte del empaque y puede incluir un retenedor del empaque. La envoltura de la torre puede estar hecha de acero o de plástico o una combinación de estos materiales, dependiendo de la corrosividad de las corrientes del gas y del líquido y de las condiciones de operación del proceso. Puede utilizarse una aleación que sea resistente a las sustancias químicas y a la temperatura o múltiples capas de materiales diferentes menos caros. La reacción es fuertemente exotérmica. Si se lleva a cabo con agua, se produciría la evaporación del agua que reaccionaría con SO3 (g) formando nieblas de ácido muy Diseño de Plantas Químicas

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persistentes. Por ello, se efectúa con ácido concentrado para obtener SO3·H 2SO4 (oleum). Un absorbedor de gas diseñado apropiadamente, proporcionará contacto completo entre el gas y el solvente, para facilitar la difusión. Funcionará mejor que un absorbedor diseñado pobremente. La razón de la transferencia de masa entre las dos fases depende mayormente del área de superficie expuesta y del tiempo de contacto. Otros factores que gobiernan la razón de absorción, tales como la solubilidad del gas en el solvente particular y el grado de la reacción química, son características de los constituyentes involucrados y son relativamente independientes del equipo utilizado.

Fórmulas más utilizadas

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Diseño del intercambiador E-101

E-101

Especificaciones técnicas:

Tubos

Tipo Largo Diámetro externo Diámetro interno Numero de pasos Pitch Arreglo Numero de tubos Caída de presión Flujo de calor Q

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12BWG 12 pie 0,75 pulg 0,532 pulg 1 0,9375pulg Triangular 1960 1 psi 2’145.2536,3 Btu/h

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Coraza

45pulg 1

10 psi

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2.098,05 pie2

Área de transferencia A Coeficiente de diseño, UD Factor de Obstrucción

143,2 Btu/h*pie2*°F 0,0028 h*pie2*°F/Btu

Diseño de la bomba de agua.

L-101 Tabla de Especificaciones de la bomba

Flujo volumétrico

637953 [L/h]

Potencia

577 Kw

NPSH

21,1 [Kgf/Kg*m]

Reactor catalítico.

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R-101 Para el diseño del reactor catalítico la reacción se lleva acabo en presencia de un catalizador sólido como V2O5, la reacción es exotérmica de dióxido de azufre se asumió una velocidad espacial dentro de los rangos de operación de cada catalizador. Así, conociendo los flujos de gas alimentados al sistema, es posible determinar el volumen total de catalizador requerido para cada uno de los convertidores.

Las consideraciones que se tuvieron son las siguientes: Tabla de datos técnicos:     

Presión de entrada Temperatura de entrada [ºC] F volumétrico (Fvol) Catalizador: Capacidad del reactor catalítico

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38,02 [bar] 426.7 [ºC] 2179.77 [L/h] V2O5 2179.77 [L/h]

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RECOMENDACIONES 

En el presente documento se ha tomado como un caso de estudio la producción de ácido sulfúrico, pero estos principios fundamentales pueden ser aplicados a cualquier proceso industrial.



El objetivo de contribuir al desarrollo sostenible podrá ser más evidente, si es que el recurso a utilizar es renovable, se sugiere aplicar este análisis para la producción de pasta de celulosa a partir de recursos forestales o a la producción de aceite comestible a partir de semillas oleaginosas.

CONCLUSIONES: 

Los procesos industriales sostenibles también pueden ser aplicados para el reaprovechamiento de residuos con la finalidad de prevenir la contaminación ambiental. En el caso del SO2, producto de la tostación de sulfuros, si este no fuera aprovechado, la contaminación del aire se vería incrementada por la emisión de estos gases



La innovación también se da en forma incremental, el hecho de que los procesos de producción de ácido sulfúrico utilicen actualmente la doble absorción en lugar de una absorción simple, ha hecho más sostenible un proceso tradicional.

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BIBLIOGRAFÍA

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