Processo de produção

Dois processos, a câmara de chumbo e o processo de contacto, são usados para produção de ácido sulfúrico. Nas suas etapas iniciais, ambos processos precisam do uso de dióxido de enxofre.

4.3.4.1. O processo câmara de chumbo

Este processo emprega com os vasos de reacção, largos torres de tijolo de chumbo revestido. Nessas torres, o gás dióxido de enxofre, ar, vapor e óxidos de nitrogénio reagem para formas concentrações de ácido sulfúrico como finas gotas que caem no chão da câmara. Quase todos óxidos de nitrogénio são recuperados pela saída do fluxo de gás e são trazidos de volta a câmara para serem usados de novo. O ácido sulfúrico produzido deste modo é apenas cerca de 62 á 70 por cento

H2SO4. O resto é água. O processo de câmara tornou-se obsoleto e foi substituído pelo processo de contacto devido as seguintes razoes:

i. O aumento da demanda para forte, puro ácido e óleum.

ii. Plantas de processos de contacto são baratas e mais compactadas.

4.3.4.2. O processo de Contacto

O segundo método de produção de ácido sulfúrico, o processo de contacto, que veio para o uso comercial por volta de 1900, depende da oxidação de dióxido de enxofre para trióxido de enxofre, SO3, sob a influência aceleradora de um catalisador.

As primeiras plantas de contacto (antes 1920) foram construídas usando catalisador platina. A platina finamente dividida, o catalisador mais efectivo, tem duas desvantagens: é muito cara e é desactivada por certas impurezas no dióxido de enxofre ordinário. Eles incluem compostos de arsénio, antimónio e chumbo. No meio de 1920, catalisadores de vanádio começaram a ser usados e tem, desde lá ,substituído a platina. Desde de 1930, o processo de contacto pude competir com o processo de câmara e porque produzia acido altamente forte, quase substituiu o processo de câmara.

Porque a oxidação de enxofre e dióxido de enxofre libertas largas quantidades de energia, grandes mudanças no desenho das plantas de produção foram introduzidas para utilizar esta energia de aquecimento na produção de vapor para gerar energia eléctrica. Esta combinação de uma planta química e geração eléctrica é conhecida como co- geração.

O diagrama de fluxo de produção de ácido sulfúrico pelo processo de contacto é mostrado na Fig. 4.5.

Fig. 4.5. diagrama de bloco de produção de ácido sulfúrico pelo processo de contacto.

Os principais passos na planta de contacto são:  Produção de gás de dióxido de enxofre  Purificação e arrefecimento do gás

 A conversão de gás SO2 em trióxido de enxofre (SO3) por passagem por um convertor contendo o catalisador.

 Absorção de trióxido de enxofre em ácido sulfúrico 4.3.4.3. Produção de SO3

Enxofre é queimado no forno de enxofre para produzir dióxido de enxofre:

S(s) + O2(g) = SO2, ΔH=-298.3 kJ 25ºC

Antes da combustão, o enxofre, é primeiro fundido aquecendo-o até 135ºC. A combustão é feita entre 900 e 1800ºC. A unidade de combustão tem um processo de gás arrefecidos. O conteúdo de SO2 dos gases de combustão é geralmente cerca de 18% por volume e o conteúdo de O2 é baixo mas acima de 3%. Os gases são geralmente diluídos para 9-12% SO2 antes de entrar no processo de conversão. Page 89

Conversão de SO2 em SO3

O desenho e operação das plantas de ácido sulfúrico são focalizadas na seguinte reacção química da fase de gás na presença de um catalisador:

Pelas considerações termodinâmicas e estequiométricas, os seguintes métodos estão disponíveis para maximizar a formação de SO3 para o sistema O2/ SO2/ SO3

 Remoção de calor: a formação de SO3 é exotérmica, então o decréscimo de temperatura será favorável

 Aumento da concentração de oxigénio  Remoção de SO3

 Aumento de sistema de pressão

 Selecção de catalisador para reduzir a temperatura de trabalho  Longo tempo de reacção

Esta reacção é uma reacção reversível e as condições de uso são um compromisso entre o equilíbrio e as considerações das proporções. É necessário mudar a posição de equilíbrio o mais longe possível para a direita de forma a produzir a quantidade máxima possível de trióxido de enxofre na mistura do equilíbrio. Mesmo pensado que o excesso de O2 poderia mover a formação de SO2 para a direita, a mistura 1:1 dá a melhor possibilidade de rendimento geral de trióxido de enxofre. A reacção directa é exotérmica e é favorecida pela baixa temperatura. No entanto, baixa temperatura torna lenta a reacção. Para fazer os gases atingirem o equilíbrio em curto espaço de tempo, uma temperatura comprometida de 400-450ºC é usada. De acordo com o princípio de Le Chatelier, altas pressões favorecem a reacção directa. No entanto, mesmo em pressões relativamente baixas de 1 á 2 atmosfera, existe uma conversão de 99.5% de dióxido de enxofre em trióxido de enxofre. Na ausência de catalisador, a reacção é bem devagar e é então feita na presença de catalisador óxido de vanádio que tem longo vida porque não se envenena facilmente. Mais ainda, catalisador de vanádio tem alta eficiência de conversão. A sua única desvantagem é que ele precisa de baixa concentração de dióxido de enxofre o que faz o custo de capital da planta ser alto.

Em sumário, condições óptimas para a produção de ácido sulfúrico no processo de contacto são:

 Uma temperatura de cerca de 430ºC  Uma pressão de 2 atmosferas

 Catalisador pentóxido de vanádio

Um diagrama de conversão é mostrado na fig. 4.6. Page 90

Fig. 4.6. Convertor para SO2 em SO3 4.3.4.4. Absorção de SO3

Ácido sulfúrico é obtida da absorção de SO3 em ácido sulfúrico com concentração de no mínimo 98%, seguida de ajuste de forcas por adição de água controlada.

SO3 irá reagir com água para formar ácido sulfúrico. No entanto, converter trióxido de enxofre em ácido sulfúrico não pode ser feita pela simples adição de água no trióxido de enxofre. Mistura directa de trióxido de enxofre com água pela reacção seguinte é incontrolável. A natureza exotérmica da reacção significa que ela gera um nevoeiro ou névoa de ácido sulfúrico que é mais difícil de trabalhar que o liquido. SO3(g) + H2O (l) = H2SO4 (l), ΔH=-130.4 kJ á 25ºC

Invés, o trióxido de enxofre é primeiro dissolvido em ácido sulfúrico concentrado(98%) para formar um produto conhecido como fuming ácido sulfúrico ou óleum.

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Pode-se reagir o óleum com água com segurança para produzir ácido sulfúrico concentrado.

H2S2O7 (l)+ H2O (l) = 2H2SO4 (l) 4.3.4.5. Problemas Ambientais

O ácido sulfúrico é o constituinte da chuva ácida, formado pela oxidação atmosférica do dióxido de enxofre em presença de água. Dióxido de enxofre é libertado quando combustíveis contendo enxofre tais como óleos e carvão são queimados. O gás escapa da atmosfera formando ácido sulfúrico. Ácido sulfúrico é também formado naturalmente pela oxidação de ore sulfitos.

4.4. Produção de fertilizantes