processo de obtenção - ácido sulfrico

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QUMICA INORGNICA INDUSTRIAL

PROCESSOS DE FABRICAO

DE CIDO SULFRICO

SUMRIO INTRODUO FUNDAMENTOS DO PROCESSO DE CONTATO PARA FABRICAO DO CIDO SULFRICO 1 Matrias Primas 2 Reaes Qumicas 3 Estgios Bsicos

INTRODUO O cido sulfrico pode ser obtido industrialmente por duas tecnologias distintas, conhecidas como processo de cmara de chumbo e processo de contato. O primeiro, muito utilizado no sculo passado, caiu em desuso, devido principalmente limitao de no permitir produzir cido com concentrao superior 78% em peso. A tecnologia de contato atualmente empregada na quase totalidade das instalaes industriais de produo de cido sulfrico. Basicamente, tal tecnologia envolve as seguintes etapas: - Obteno do dixido de enxofre (SO2); - Converso cataltica do dixido de enxofre a trixido de enxofre (SO3), e - Absoro do trixido de enxofre O processo de contato praticado segundo diversas variantes, que podem ser grupadas de acordo com a matria prima utilizada para obteno do dixido de enxofre. O SO2 pode ser obtido a partir de enxofre, sulfetos, notadamente o de ferro, tambm conhecido como pirita, sulfatos e resduos de tratamento diversos com cido sulfrico, usualmente denominados "acid sludges". A seleo da matria prima a ser processada depende da influncia de diversos fatores, tais como disponibilidade, aproveitamento de subprodutos e custos de secagem e de limpeza do gs.

FUNDAMENTOS DO PROCESSO DE CONTATO1 - MATRIAS PRIMAS Alm do enxofre natural, que ocorre em depsitos subterrneos dos quais extrado pelo processo "Frasch", esse elemento qumico pode ser obtido pela oxidao do gs sufdrico (H2S) existente nos efluentes gasosos de diversas instalaes industriais, notadamente refinarias de petrleo, e no gs natural cido, mediante aplicao do processo "Claus". No processo "Frasch", o enxofre obtido com pureza entre 99 e 99,9%, sem traos de arsnico, selnio ou telrio. As impurezas presentes so normalmente constitudas por pequenas quantidades de cinzas e cido sulfrico, e tambm de traos de leo ou material carbonoso, nos caso em que o depsito de enxofre est localizado perto de poos de petrleo. Quando a concentrao de leo ou material carbonoso no ultrapassa a contratao de 0,02%, o enxofre denominado tipo "Bright". Para maiores teores dessa impureza, cujo limite superior atinge 1%, o enxofre comercializado como tipo "Dark" denominao decorrente da colorao escura que o material adquire com tal ndice desses contaminados.

Processo Claus para Fornecimento de S via H2S

H2S(g) + 3/2 O2(g) 2H2S(g) + SO2(g)

SO2(g) H = -123,9 kcal

3S(l) +H2O(l) H = -34,2 kcal; catalisador de Fe2O3

1 Matrias-primas (Continuao)O enxofre produzido pelo processamento de gs natural ou de refinarias de petrleo tem contribudo, nos ltimos anos, com substancial parcela da oferta mundial dessa matria prima. O emprego do processo Claus aos efluentes gasosos anteriormente referidos permite produzir enxofre com grau de pureza superior ao material obtido pelo processo Frasch. IMPUREZAS E ESTADO FSICO PODE INFLUENCIAR PREO FINAL! As caractersticas e a concentrao de impurezas presentes no enxofre merecem especial ateno, face aos efeitos que determinam sobre o investimento e os custos de operao da instalao produtora de cido sulfrico. O enxofre tipo "Bright" usualmente fornecido sob a forma de gros amarelos, brilhantes e frgeis, com at 20 cm de comprimento. Durante o transporte para o local de consumo, o material sofre um ulterior degradao, permitindo que seu manuseio seja efetuado por ps carregadeiras, correias transportadoras ou ps manuais. Atualmente existe uma tendncia a transportar e armazenar o enxofre sob forma de escamas ou em estado lquido, a fim de minimizar perdas e reduzir os problemas de poluio atmosfrica

1 Matrias-primas (Continuao)

Para obteno do SO2, o enxofre sofre um processo de combusto, no qual so utilizados, como agentes comburentes, o oxignio ou, mais comumente ar previamente submetido a uma operao de secagem (evitar reao prvia do SO2 e do SO3 com a umidade do ar) com cido sulfrico. A utilizao de oxignio em lugar de ar seco, no processo de combusto do enxofre, proporciona as seguintes vantagens: - reduo considervel das dimenses dos equipamentos da instalao - diminuio substancial de gases residuais poluentes, com consequente aumento de eficincia global do processo. Em contrapartida a essas vantagens, a utilizao de enriquecimento de oxignio na combusto do enxofre exige o emprego de materiais especiais, e consequentemente mais caros, para a fabricao de equipamentos, que os exigidos quando utilizado ar seco na referida reao de combusto. A exigncia de materiais mais nobres, na alternativa de uso de oxignio devida aos nveis mais elevados de temperatura em que se processa a combusto do enxofre.

2 - REAES QUMICASConforme anteriormente referido, a produo de cido sulfrico pelo processo de contato envolve, como primeira etapa, a obteno de SO2, indicada esquematicamente pela seguinte equao. S + O2 SO2 + Calor Esta reao ocorre em uma cmara, onde o enxofre vaporizado pelo prprio calor da combusto. No estado gasoso, o enxofre reage com ar, elevando a temperatura do meio reacional a 1 000 oC, aproximadamente. A mistura gasosa efluente da cmara ou forno de combusto, contendo N2, O2, SO2 e pequenas quantidades de SO3, resfriada e alimentada ao conversor, onde em meio cataltico ocorre a reao de oxidao do SO2, representada pela seguinte equao: SO2 + 1/2 O2 SO3 + Calor Esta reao reversvel, sendo o seu equilbrio e velocidade, funo dos seguintes fatores: - Temperatura - Presso - Relao O2/SO2 - Concentrao de SO3

2 - REAES QUMICAS (Continuao) SO2 + O2 SO3

Equilbrio Qumico

Log KP = A + B/TPSO2 = [2 ySO2 (1-XSO2,EQ)] / [2- ySO2 .XSO2,EQ]

KP = (PSO2)/[(PSO3).(PO2)0,5]PSO3 = [2.ySO2XSO2,EQ)] / [2- ySO2 .XSO2,EQ] , onde XSO2,EQ = converso de equilbrio e ySO2 : frao volumtrica/molar

PO2 = [0,42 (2+ ySO2).XSO2,EQ] / [2- ySO2 .XSO2,EQ]

Velocidade/taxa da reao

r = k.CSO2a.CO2b

onde, k = k0.exp[- Ea/(R.T)]- Temperatura - Presso - Relao O2/SO2 - Concentrao de SO3

Variveis importantes que determinam procedimentos do processo

2 - REAES QUMICAS (Continuao)

A ltima reao do processo envolve a absoro do SO3 formado na reao de oxidao cataltica do SO2. Para absorver o SO3, a massa gasosa efluente do conversor borbulhada em uma ou mais torres recheadas, em contra-corrente com cido sulfrico. A gua de diluio presente no agente absorvente reage com SO3, como indicado pela seguinte equao:

SO3 + H2O H2SO4 + Calor

3 - ESTGIOS BSICOSA produo de cido sulfrico pelo processo de contato, utilizando as matrias primas anteriormente definidas, envolve os seguintes estgios bsicos: - Purificao e Combusto do Enxofre - Converso do SO2 - Absoro do SO3

Purificao e Combusto do EnxofreNeste estgio, so procedidas inicialmente as operaes de fuso, sedimentao e filtrao do enxofre, com a finalidade de remover as impurezas presentes no material. As impurezas afetam sensivelmente a eficincia do processo, e considervel ateno deve ser dispensada ao processo de sua remoo, que depender do tipo, teor e solubilidade dos contaminantes no enxofre. As impurezas solveis no enxofre so constitudas geralmente por leo, gases, arsnico, selnio e o telrio. O arsnico se apresenta sob a forma de sulfeto, enquanto o selnio e o telrio aparecem no estado elementar. Por ser a remoo destas impurezas uma operao difcil e onerosa, envolvendo inclusive a destilao do enxofre, a eliminao desses contaminantes no normalmente efetuada.

Purificao e Combusto do Enxofre (Continuao)As impurezas insolveis no enxofre, como umidade, cido e materiais slidos, so mais facilmente removveis. A umidade proveniente da chuva, quando presente nos gases de combusto, combina-se com o SO3 gerando no processo produzindo vapores de H2SO4 . Tais vapores so indesejveis, face ao corrosiva que exercem sobre os equipamentos e tubulaes da unidade, quando condensados. A remoo da umidade ocorre normalmente no tanque de fuso de enxofre, onde as condies de temperatura (em torno de 120oC) possibilitam a vaporizao da gua. As partculas slidas incorporadas ao enxofre pelo vento e pela chuva, se no removidas, so arrastadas atravs da instalao pelos gases efluentes do forno de combusto de enxofre. Estas cinzas, que o tempo so acumuladas tanto na cmara de combusto de enxofre. Estas cinzas, que com o tempo so acumuladas tanto na cmara de combusto como nos leitos do catalisador do conversor , reduzem a vida til do catalisador e aumentam a perda de carga no sistema. A separao das cinzas pode ser realizada por dois mtodos clssicos, denominados sedimentao e filtrao. Atualmente, adota-se na maioria o sistema de filtrao em combinao com a sedimentao, o que permite atingir um grau de remoo de cinzas, a nveis de 20 a 50 ppm que propicia longos perodos de operao do conversor em condies favorveis de eficincia.

Purificao e Combusto do Enxofre (Continuao)A remoo do cido presente no enxofre no representa um problema srio. Normalmente, o cido absorvido pela cinza, sendo removido com ela no processo de sedimentao ou filtrao. A adio de cal ao tanque de fuso neutraliza o cido, evitando assim os problema de corroso. Combusto do enxofre O enxofre queima facilmente acima de 250 oC em presena de excesso de ar, produzindo uma chama azul e desprendendo calor. esta reao desenvolvida em uma cmara isolada termicamente, denominada forno de enxofre. Os processos de contato requerem um gs com uma vazo e concentrao de SO2 constantes. O projeto do forno deve ser suficientemente flexvel para permitir a operao sob condies diversas. Normalmente, a escolha do tipo recai sobre um modelo de baixo custo e de fcil operao e manuteno. Antes do estgio de converso, pequenas quantidades de SO3 so formadas tanto na operao de combusto como ao longo das tubulaes, onde a presena de xido de ferro catalisa a ox

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