BALANCES DE MASA Y ENERGIA Para la producción de una tonelada de ácido sulfúrico al 100% en la actividad industrial de la producción de ácido sulfúrico, se registran las siguientes entradas y salidas. Los datos presentados son calculados por el Grupo de Investigación del Convenio UIS-IDEAM, a partir de la información bibliográfica y de campo. BALANCE DE MASA: Se toma en un comienzo la cantidad de azufre puro en kilogramos, sin tener en cuenta si se alimenta al proceso ácidos gastado y sulfhídrico, ya que para estos últimos no se tienen alimentaciones exactas al horno, sino que están dependiendo de la cantidad que se tiene disponibles para el momento de la operación. El balance de masa está referido a la obtención de 1 tonelada de ácido sulfúrico al 100%, además, los balances se remitirán a las etapas del proceso en las cuales se lleva a cabo intercambio de masa, y en la chimenea, ya que en esta parte es donde ocurren las emisiones a la atmósfera de las sustancias nocivas. Balance de masa para el Horno: Para realizar el balance de masa en el horno, hay que tener en cuenta:
Peso molecular del azufre....................... (S) 32 Peso molecular del oxígeno......................(O 2) 32
Composición del aire.................................79% Nitrógeno - 21% Oxígeno
Porcentaje de oxígeno en exceso...............40 - 41%
En el horno se hace reaccionar el azufre con el oxígeno tomado de la atmósfera, para obtener dióxido de azufre así: S + O2 SO2 Como se puede observar, en la reacción la relación azufre-oxígeno es de 1 :1, además de que los pesos moleculares son los mismos. Todo el azufre que entra al horno ha de reaccionar. Alimentación:
Azufre 329 Kg Aire (exceso).
Oxígeno 553.5 Kg - Nitrógeno 2082 Kg
Consumo:
Azufre 329 Kg Oxígeno 329 Kg
Nitrógeno 0 Kg
Salida:
Azufre 0 Kg Oxígeno 224.5 Kg
Nitrógeno 2082 Kg
Balance de masa para el Convertidor: En esta parte se debe tener en cuenta que el convertidor posee cuatro etapas o pasos, y que cada uno de ellos posee una eficiencia de conversión diferente. Al convertidor entran los productos del horno, y el SO 2 reacciona con parte del oxígeno que lo acompaña en la corriente que viene del horno. La reacción que se lleva a cabo en el convertidor es: SO2 + 0.5 O2 SO3 TABLA . Balance de masa en el convertidor [ Kg] . PASO 1
PASO 2
PASO 3
PASO 4
75 %
18.4 %
4.3 %
1.5 %
Eficienc. COMP. SO2
ENTRA SALE ENTRA SALE ENTRA SALE ENTRA SALE 164.5 164.5
43.5
43.5
15.4
15.4
O2
224.5 101.1 101.1
70.8
70.8
63.7
63.7
60
N2
2082
2082
2082
2082
2082
2082
2082
2082
0
617
617
769
769
804.4 804.4
817
SO3
658
5.5
Balance de masa para Absorbedores: Los balances en esta parte del proceso, serán remitidos para los dos absorbedores, como una sola etapa: Alimentación:
SO3 817 Kg SO2 5.5 Kg
Oxígeno 60 Kg
Nitrógeno 2082 Kg
Agua 183.8 Kg
Consumo:
SO3 817 Kg SO2 0 Kg
Oxígeno 0 Kg
Nitrógeno 0 Kg
Agua 183.8 Kg
Salida:
SO3 0.051 Kg SO2 5.5 Kg
Oxígeno 60 Kg
Nitrógeno 2082 Kg
Agua 0 Kg
Acido Sulfúrico 1000.8 Kg
Balance de masa para la chimenea: Es importante hacer referencia a esta parte del proceso, ya que aquí es de donde se arrojan las sustancias nocivas a la atmósfera, como es el caso del SO 2 y del SO3. Se presenta a continuación, la cantidad de materia que sale a la atmósfera a través de la chimenea de una planta productora de ácido sulfúrico, en una tabla resumen de balance de materia para toda la planta en general, haciendo referencia a las etapas del proceso antes mencionadas. TABLA . Balance de masa para de ácido sulfúrico. Comp.
HORNO
CONVERTID.
ABSORBED.
ENTRA SALE ENTRA SALE ENTRA Azufre
SALE
CHIMENEA ENTRA
SALE
329
0
0
0
0
0
0
0
Oxígeno
553.5
224.5
224.5
60
60
60
60
60
Nitróg.
2082
2082
2082
2082
2082
2082
2082
2082
SO2
0
658
658
5.5
5.5
5.5
5.5
5.5
SO3
0
0
0
817
817
0.051
0.051
0.051
Agua
0
0
0
0
183.8
0
0
0
0
0
0
0
0
1000.8
0
0
Acido Totales
2964.5 2964.5 2964.5 2964.5 3148.3 3148.351 2147.551 2147.551
Base de cálculo: 1 tonelada de ácido sulfúrico al 100%. Diagrama de flujo para el balance de energía.
BALANCES DE ENERGÍA: Se presentan los balances de energía para una planta de producción ácido sulfúrico, en la que se quema azufre elemental. Se reportan los datos en la tabla que se presenta a continuación. El balance se realizó con base en una tonelada de ácido sulfúrico al 100% producido. TABLA . Balances de energía. Calor por reacción
Calor intercambiado Flujo de intercambio (Kj/ton) (Kj/ton)
EQUIPO
Flujo
HORNO
Gases de 2.743*106 SO2(1)
_
_
CALDERA (como vapor)
Gases de SO2(1)
_
Agua
1.899*106
FUNDIDOR DE AZUFRE
Azufre
_
Vapor
6.647*105
_
_
Gases de SO2(1)
_
Gases de SO2(1)
_
Gases de SO2(1)
_
Gases de SO2(1)
_
Gases de SO2(1)
8.440*105
_
_
Agua de enfriamiento
1.918*106
_
_
CONVERTIDOR
Gases de SO3 8.862*105 (2)
Primer paso
Gases de SO3 8.862*105 (2)
Segundo paso
Gases de SO3 1.684*105 (2)
Tercer paso
Gases de SO3 3.988*104 (2)
Cuarto paso
Gases de SO3 1.328*104 (2)
Gases INTERCAMBIADORES de SO3 DE CALOR (2) TORRES DE ABSORCION ENFRIADORES DE ACIDO TANQUES DE DILUSION
_
H2SO4 9.865*105 H2SO4
_
H2SO4 2.901*105
FUENTE: The Manufacture of Sulfuric Acid. (1)Gases que salen de la caldera, y entran a intercambiadores como flujo enfriante ( gases de SO 2 antes de entrar a reaccionar en el convertidor. (2)Gases que salen de cada uno de los pasos del convertidor (pasan a través de los intercambiadores, con el fin de bajar su temperatura y llegar a la temperatura adecuada de reacción en el próximo paso del convertidor).
El 30% del calor que lleva al vapor al salir de la caldera es utilizado en el fusor de azufre; La suma de los calores que posee el gas en cada una de las salidas del converidor, es el total del calor producido en la reacción. Los balances de energía se reportan igualmente en la figura que se presenta. Esto con el fin de analizar de manera práctica los consumos energéticos de la planta.
