Obtencin de Dixido de Azufre a Partir del Azufre, para la Produccin de cido Sulfrico en MONMEROS S.A.H. Gmez, Y. Mancera, M. Mozo, M. Negrette J. ValenciaUniversidad del Atlntico

Resumen

Palabras Clave: H. Gmez et al, Diseo de Reactores 2014-II

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1. IntroduccinLa obtencin de dixido de azufre es muy importante en la industria qumica mundial, ya que es la primera fase del proceso para producir cido sulfrico, materia prima fundamental en la elaboracin de fertilizantes, fosfatos, procesos metalrgicos, pigmentos y otros usos.Para la comprobacin de dicho proceso se realiz una visita industrial a la empresa MONOMEROS S.A, la cual involucr un reactor, en este caso un horno para llevar a cabo una reaccin de combustin, unidad primordial en el estudio de nuestro curso de Diseo de Reactores, y posteriormente aplicar los conocimientos adquiridos en esta asignatura, realizando comparaciones en los datos tericos de la empresa como tal, y los obtenidos por nosotros. Adems esta experiencia ser de gran enriquecimiento como ingenieros en formacin.La capacidad de produccin anual de cido sulfrico que tiene monmeros a nivel mundial es de 0,04% es decir 80000 toneladas aproximadamente.

2. Caractersticas del ReactorLa reaccin es bsicamente la combustin del azufre para lo cual el reactor utilizado para la produccin de dixido de azufre, es un horno metlico el cual es un tanque largo de forma cilndrica en posicin horizontal de material acero al carbn internamente recubierto de un material refractario que presenta las siguientes dimensiones:

El azufre que ingresa al reactor entra por unas boquillas atomizadoras de presin, teniendo como fluido que ayuda la atomizacin de este, el aire.

Figura 1. AtomizadoresEl azufre utilizado se encuentra previamente almacenado en pilas con sedimentadores, que buscan eliminar algunas impurezas. El azufre antes de ingresar al reactor cambia de estado en unos serpentines donde el material en estado slido transita a travs de estos para pasar a lquido usando vapor de baja presin como fluido caliente aprovechando su punto de fusin que se da a una temperatura de 121C; despus de ser inyectado mediante las boquillas pasa por el reactor que se encuentra a 1000 grados centgrados, el cual consta de tres bafles para mejorar la transferencia de calor en el mismo. Este proceso se muestra en el Diagrama 1. El reactor se encuentra cubierto por tres capas de ladrillos refractarios, buscando con esto bajar las prdidas de calor que puedan producirse y con esto mantener la conversin del azufre constante.

3. DESCRIPCION DEL PROCESOEl azufre es quemado para producir dixido de azufre () que a continuacin se somete a la conversin de trixido de azufre (). El azufre reacciona con el oxgeno de acuerdo a la siguiente reaccin:

La reaccin es altamente exotrmica resultando consigo en el incremento de temperatura. Una reaccin secundaria de dixido de azufre () con oxgeno se produce para producir trixido de azufre ():

La reaccin es una reaccin de equilibrio donde la cantidad de formado depender de la temperatura de operacin del horno, la cantidad de exceso de aire en presencia de catalizador.El aire con el cual reaccionar el azufre lquido, es sometido a un tratamiento previo para quitarle algunas impurezas que posea o humedad, ya que esta puede ocasionar que dicho azufre que ingresa al horno reaccione con el agua y produzca cido previamente ocasionando corrosin y otros daos en el equipo. El azufre es esencialmente un combustible y presenta caractersticas similares a las de los combustibles pesados. Una vez que el refractario del horno de azufre se ha calentado a color rojo opaco, la introduccin de aire y el azufre fundido en el horno en forma pulverizada (spray) resulta en la inmediata combustin para formar .El proceso general se muestra en el Diagrama 2.

4. JUSTIFICACIN DEL DISEOAunque existen formas diferentes de llevarse a cabo la reaccin de combustin para la obtencin , en la planta 20 de la empresa MONOMEROS S.A. se plantea la necesidad por parte de esta de hacer ms eficiente el proceso de combustin en la etapa 1 para la manufactura de cido sulfrico, utilizando un quemador de tipo pulverizador donde el azufre se vaporiza en forma de gotas que han sido formadas a partir de atomizador de pulverizacin. La atomizacin de sulfuros se logra mediante simples boquillas atomizadoras de presin y dos boquillas de atomizacin. Los ductos que contienen dichas boquillas son metlicos, por esta razn al presentar temperaturas tan altas dentro del horno se hace necesaria la refrigeracin para evitar que dichos ductos vayan a fundirse. Esta refrigeracin se realiza mediante vapor de agua de baja presin.En la mayora de las plantas de cido, en la combustin de azufre se utiliza aire atmosfrico para quemarlo. De all que la concentracin mxima terica de dixido de azufre en el gas sea del 21% vol. De . Las operaciones de combustin de azufre no necesitan ser analizadas para medir la concentracin de y en el gas de salida: hay una relacin definida entre temperatura de operacin y la concentracin de en el gas que permite que la concentracin de pueda ser controlada con la temperatura del horno solamente, como se puede apreciar en la figura 2. Figura 2. Relacin temperatura/concentracin de dixido de azufreCon esta grfica se puede controlar la concentracin que se requiera en los productos del dixido de azufre respecto a la temperatura de operacin del horno.Los hornos de azufre debern ser diseados para aproximadamente por da de produccin de cido basado en la mxima fuerza del gas de 12 % y una planta localizada al nivel del mar. En un horno tpico de azufre en una planta de cido sulfrico, el proceso de combustin es operado para dar una composicin del gas en un rango del 11 o 12% de y he aqu el porqu de este porcentaje referencia en cuanto al dimensionamiento de este. Este lmite se establece para tener aun suficiente oxigeno presente en el gas que conlleve a una conversin eficiente de que ms tarde se obtendr el convertidor. En 11% , la relacin de respecto al es de 0,9: 1 mientras que a 12 %, es de 0.74: 1. De este modo, para una produccin de cido de 2000 toneladas por da en una planta de cido sulfrico, el volumen requerido para el horno es un mnimo de 188 . Este criterio provee suficiente tiempo de residencia para la combustin completa de azufre a dixido de azufre dadas las propiedades internas diseadas para tal fin. Las plantas localizadas por encima del nivel del mar deben aumentar dicha capacidad debido al gran volumen de gas en una baja presin baromtrica con el fin de mantener el mismo tiempo de residencia en el horno, tomando esta misma consideracin para plantas que tengan composiciones mayores al 12%.El material en el que estn hechos los hornos es general mente acero al carbn y el grado de acero depender de las temperaturas de operaciones de la carcasa.La presencia de los tres bafles internos es con el fin de aumentar el coeficiente convectivo de trasferencia de calor del aire por turbulencia para as favorecer las condiciones de reaccin y que el contacto de este con el rea superficial de las partculas de azufre atomizado sea ms ptimo ya que estos ayudan tambin a que el tiempo de residencia sea mayor para as lograr una combustin completa. El horno esta generalmente acoplado a una caldera en la que gran parte del calor de la combustin de azufre se elimina (integracin energtica). El diseo de un horno de combustin de azufre debe lograr tanto una buena la mezcla como una combustin completa de azufre antes de salir del horno y la entrada a las gotas de la seccin de caldera .el azufre que impregna a las paredes deflectoras o corrector ser vaporizado inmediatamente y convertido en el dixido de azufre. El funcionamiento interno de un horno de azufre es importante para asegurar la combustin completa de azufre a , ya que el azufre que queda sin reaccionar corroer la superficie interna en las paredes del horno y ser evidente al momento de las inspecciones.Todo horno de azufre ser revestido de un material refractario dependiendo del enfoque utilizado si se desea aislar o no dicho horno. Si el exterior del recipiente no est aislado la temperatura de funcionamiento de la carcasa ser menos que si una delgada capa se aplica para aislamiento: la diferencia entre estos 2 enfoques est referida al diseo a una carcasa fra o caliente.5. USOS E IMPORTANCIAEl 70% de la produccin de cido sulfrico mundial se hace usando como materia prima el azufre mineral, es decir la reaccin objeto de estudio. La oxidacin de azufre constituye el primer paso en la produccin del cido sulfrico y por esta razn el estudio de este proceso es de vital trascendencia, as como su conocimiento y posible mejoramiento de cara al futuro. El proceso usado generalmente para llevar a cabo dicha reaccin implica un calentamiento hasta altas temperaturas y la inyeccin con rociadores o boquillas tanto del azufre derretido como del aire que servir como comburente de la reaccin.Entre los usos ms frecuentes del cido sulfrico tenemos los siguientes: Refinacin de petrleos. Fertilizantes Produccin de pigmentos Tratamiento del acero Extraccin de metales no ferrosos Manufactura de explosivos Detergentes PlsticosCabe destacar que en la mayora de las aplicaciones del cido sulfrico ste aparece como materia prima indirecta y pocas veces aparece como producto final.6. BIOGRAFA1. H. SCOTT FOGLER. Elementos de ingeniera de las reacciones qumicas. Cuarta Edicin. Seccin 8.5 Obtencin de dixido de azufre. 2. Outline of recent experiencies in Sulphur melting and burning. Sulphur, No. 136, Mayo-Junio 1978, pp. 54-573. Molten Sulphur filtration. Sparkler Filters, Technical bulletin T-178-006, Enero 1978. 4. Sater, M.A., Safer Sulphur handling and storage. Sulphur, No. 278, Eneo-Febrero 2002., pp. 31-39 5. Du Plessis, G., Improving the quality of Sulphur, No. 259, Noviembre-Diciembre 1998, pp. 38-43 6. Dowling, N.I., Clark, P.D. and Hyne, J.B., Understanding and mitigating corrosion during handling and transport of elemental Sulphur, Sulphur 96, Vancouver, Canada, October 20-23, 1996, pp. 147-159.

Diagrama 1. Fundicin de azufre

Diagrama General del proceso de obtencin de cido sulfrico

Diagrama 2. Proceso general obtencin dixido de azufre