Obtención Industrial de Ácido Sulfúrico

Hoy. [Música] No, no. [Música] [Música] I. [Música] Ah.

La verdad, en este video vamos a hablar de la obtención industrial del ácido sulfúrico y nombraremos algunas de sus propiedades y de las aplicaciones que tiene este ácido tan importante para la industria.

El ácido sulfúrico es un ácido fuerte que se conoce desde la antigüedad y ha recibido a lo largo de la historia el nombre de aceite de vidrio. Esto está directamente relacionado a su alta viscosidad y densidad que posee este ácido en estado concentrado. El ácido se disocia completamente en una primera disociación, mientras que la segunda disociación, ya que es un ácido diprótico, es algo leve.

Además de ser un ácido extremadamente fuerte, es un ácido muy corrosivo y además fuertemente deshidratante. Por ejemplo, observamos en la imagen cómo este ácido sulfúrico concentrado ataca el azúcar, un sólido sacarosa, deshidratándolo completamente y transformando las moléculas de este lúcido en carbón, liberando vapor de agua. Es un antioxidante, por lo tanto, oxida fácilmente a metales y no metales y lo hace reduciéndose a dióxido de azufre. En forma diluida, desplaza, o mejor dicho, los metales desplazan hidrógeno de su molécula.

El ácido sulfúrico tiene una gran importancia dentro de la industria química, ya que se produce en grandes volúmenes y se aplica en distintas industrias. Dentro de la industria química, como alimenticia. Dentro de las aplicaciones del ácido sulfúrico podemos nombrar la fabricación de fertilizantes, como la obtención de sulfato de amonio o fosfatos de amonio, ya que se utilizan también para la obtención de ácidos como ácido fosfórico, que luego se va a utilizar en la fabricación de fertilizantes. También hemos visto la importancia del ácido sulfúrico para la obtención de ácido nítrico, que se utiliza como agente decantante, es decir, desoxidante y desincrustante.

En la fabricación de explosivos, ya que junto con el ácido nítrico forma una mezcla sulfúrico-nítrico que se utiliza para nitrar grupos aromáticos y a partir de aquí la obtención tanto de explosivos, también de colorantes o derivados de colorantes. En el centro de industrias petroquímicas se obtiene, se utiliza para la purificación en general de las distintas fracciones del petróleo. Dentro de la industria minera, visto cómo se utiliza en el proceso de lixiviado, en el proceso de hidrometalurgia del cobre. Y otra aplicación muy importante sigue siendo en la fabricación de acumuladores de plomo, donde actúa como electrolito de las baterías.

El ácido sulfúrico se obtiene industrialmente por dos métodos: el método de las cámaras de plomo y el método de contacto. Aunque el primer método ha caído en desuso y prácticamente todo el ácido sulfúrico que se produce mundialmente se obtiene a partir del método de contacto.

Para la obtención de ácido, en cualquiera de los dos métodos, se utiliza como materia prima el dióxido de azufre gaseoso, que puede provenir de la quema directamente o la combustión directa del azufre o a partir de la tostación de sulfuros metálicos. Muchas veces este dióxido de azufre proveniente de la tostación es subproducto, en realidad, de la obtención de los metales dentro de la industria minera.

Si se parte de azufre para la obtención de ácido sulfúrico, se necesita de una materia prima de alta pureza. En Estados Unidos, principalmente, existen grandes yacimientos subterráneos de azufre de alta pureza, que se lo extrae básicamente por el método llamado de Frasch. Este método consiste en introducir a grandes profundidades, a grandes profundidades, tres tubos concéntricos donde se inyecta agua sobrecalentada, es decir, agua a alta presión, temperaturas superiores a 100 grados, hacia donde se encuentra el azufre y logra de esta agua sobrecalentada fundir el azufre. A través de un tubo central se insufla aire a presión, empuja al azufre fundido hacia la superficie y lo hace a través de un tubo que está entre el tubo que conduce agua sobrecalentada y aire. De esta manera se extrae azufre fundido que luego se solidifica y se separa del agua.

Otra fuente de azufre de alta pureza es parte de la industria petroquímica, ya que en los procesos de hidrorefinación y desulfuración de los compuestos sulfurados que contiene el petróleo, se elimina y se deposita en las torres grandes cantidades de azufre.

Para la obtención de dióxido de azufre a partir de sulfuros metálicos, se requieren de grandes hornos de tostación. En hornos antiguos que en su gran mayoría han quedado en desuso, pueden nombrarse los hornos de pisos y los hornos rotatorios. En el caso de los hornos de pisos, consta de un eje vertical que atraviesa todo el horno, que posee un sistema de giro. Esto está adosado a distintas paletas que va a permitir ir removiendo el material y dejando caer de un piso superior a otro inferior. La materia prima ingresa por la parte superior, que puede estar constituida por pirita, por ejemplo, de sulfuro ferroso o inclusive sulfuro de cobre, que se utilizan para la obtención luego de cobre por el proceso pirometalúrgico. Y por la parte inferior se hace ingresar aire caliente. El oxígeno contenido en el aire oxida a los sulfuros metálicos, liberando dióxido de azufre. El dióxido de azufre sale por la parte superior de la torre y por la parte inferior, a medida que los sulfuros metálicos van dejando el dióxido de azufre, salen por la parte inferior con el nombre de cenizas, pero en realidad lo que van a contener esas cenizas son óxidos metálicos que luego por reducción van a poder ser utilizados para la obtención del metal correspondiente.

En el caso de los hornos rotatorios, son hornos de gran volumen que giran lentamente. Dentro de las paredes del horno rotatorio, posee unas cuchillas que en su giro van removiendo continuamente, levantando y removiendo los sulfuros metálicos. Por un extremo ingresa aire caliente que oxida a los sulfuros metálicos, saliendo por el otro extremo el dióxido de azufre gaseoso.

En la actualidad, para la tostación de los sulfuros metálicos, se utilizan hornos del tipo flash y hornos de tostación fluidizada. En el caso del horno flash, consiste en una torre donde ingresa el aire caliente junto con el sulfuro metálico, mientras que por la parte superior, o también sea si ya está el aire, el aire caliente produce la tostación. Las cenizas producidas u óxidos producidos de dicha tostación salen por la parte inferior del horno, mientras que los gases salen por la parte superior. Básicamente, este horno y el horno de tostación fluidizada se utilizan para sulfuros que se han utilizado para su concentración por el proceso de flotación, donde se necesita de un tamaño de partícula muy pequeño.

En el caso de la tostación en un horno de lecho fluidizado, se inyecta aire caliente por la parte inferior, además el horno precalentado a través de una serpentina y las altas temperaturas y el aire que ingresa a alta presión produce una alta turbulencia dentro del horno. Por lo tanto, por la parte superior salen junto con ellas las cenizas. Las cenizas son separadas en un ciclón, mientras que el gas se lleva directamente al proceso de producción de ácido sulfúrico.

En el caso de la obtención de ácido sulfúrico por el método de las cámaras de plomo, el dióxido de azufre proveniente de la combustión del azufre o la tostación de los sulfuros metálicos ingresan por la parte inferior de una torre rellena denominada torre de Glover, que recibe desde la parte superior una mezcla de ácido sulfúrico al 78% cargada de óxidos de nitrógeno y el dióxido de azufre caliente que asciende por la torre de Glover y arrastra a los óxidos de nitrógeno y los lleva a unas sucesivas cámaras de plomo en el esquema 2, 3 y 4. Estas cámaras están rociadas por una lluvia de agua que ingresa por la parte superior y por la parte inferior va saliendo ácido sulfúrico. Básicamente, en estas torres de o cámaras de plomo, lo que ocurre es la oxidación del dióxido de azufre a trióxido por reacción con el dióxido de nitrógeno y posterior disolución del dióxido de azufre en agua, obteniéndose ácido sulfúrico que se recoge en un tanque con una concentración cercana al 60%.

En este método, como les decía, prácticamente ha caído en desuso porque no se puede obtener el ácido sulfúrico que supere el 70%. El gas que no ha sido absorbido en las cámaras de plomo, que está constituido principalmente por aire y óxidos de nitrógeno, salen y se dirigen hacia la torre de Glover, donde en la torre de Glover se inyecta ácido sulfúrico al 78% con ácido nítrico y aire. El óxido nítrico que ingresa, tanto res oxida a dióxido de nitrógeno y es disuelto en el ácido sulfúrico y se lleva o se dirige hacia la torre de Glover para que se ponga en contacto nuevamente con el dióxido de azufre caliente. Las cámaras de plomo tienen este nombre porque están revestidas internamente sus paredes con plomo, ya que es un metal que, si bien inicialmente se ataca, es atacado con ácido sulfúrico y forma una capa protectora que es pasiva de este metal de su fondo de plomo.

A continuación, veamos cuáles son las ecuaciones de las reacciones vistas de los procesos tanto de tostación como de formación de dióxido de azufre. Recordemos que el dióxido de azufre se puede obtener, decíamos, a partir de sulfuros metálicos. El azufre lo podríamos encontrar a grandes profundidades en yacimientos donde se puede extraer a partir del método de Frasch. También podemos obtener azufre elemental a partir de la purificación de las distintas fracciones del petróleo, directamente combinándolo con oxígeno, se obtiene dióxido de azufre.

Con respecto a la tostación de los sulfuros metálicos, recordemos que la tostación consiste en calentar un sulfuro metálico con presencia de oxígeno, donde se obtiene dióxido de azufre y el óxido metálico correspondiente. En la primera ecuación de tostación vemos a la pirita, donde como producto de oxidación se obtiene óxido ferroso. Puede formarse también óxido férrico de acuerdo al grado de tostación y el dióxido de azufre gaseoso producido. En la segunda ecuación se muestra como ejemplo un mineral que pueda contener sulfuro cúprico, que por tostación daría la mezcla de óxido cúprico y dióxido de azufre.

Y vamos a simplificar las reacciones que se llevan a cabo en las cámaras de plomo, porque en realidad son reacciones complejas y dentro de bibliografías van a encontrar ustedes que hay diversas posturas en cuanto a las reacciones que se llevan a cabo dentro de estas cámaras de plomo. Recordemos que en la cámara de Glover, el ácido sulfúrico junto con el ácido nítrico, ahí se produce la deshidratación del ácido nítrico y el ácido sulfúrico queda cargado con óxidos de nitrógeno. Ese óxido de nitrógeno llega a las torres de relleno del Glover, donde básicamente podemos sintetizar la oxidación del dióxido de azufre con dióxido de nitrógeno para formar trióxido de azufre y monóxido de nitrógeno. Es el trióxido de azufre que dentro de las cámaras de plomo, en contacto con el agua, se hidrata para dar ácido sulfúrico.

Con respecto a la obtención de ácido sulfúrico por el método de contacto, la materia prima es la misma: el dióxido de azufre gaseoso. En el esquema se puede observar el dióxido de azufre proveniente de la tostación de la pirita dentro de un horno rotatorio. Recordemos como habíamos escrito al principio, la tostación se puede llevar a cabo dentro de un horno vertical de pisos, un horno flash o de lecho fluidizado. Ese dióxido de azufre primero se enfría. Esto es necesario para antes de ingresar directamente al proceso de oxidación y al proceso, en realidad, de purificación que se lleva a cabo con distintos ciclones, desempolvadores o en filtros del tipo electroestático, ya que deben retenerse el polvo que pueda arrastrar el dióxido de azufre proveniente de los restos de la tostación.

El principal contaminante que puede arrastrar el dióxido de azufre es el sulfuro de arsénico, ya que envenena al catalizador que se utiliza dentro del método de contacto. El dióxido de azufre desempolvado se dirige a un intercambiador de calor, donde toma una temperatura que estará entre 400 y 550 grados para ser introducido luego a los hornos de contacto. Los hornos de contacto están constituidos por distintos pisos que contienen el catalizador, que puede estar constituido dicho catalizador por pentóxido de vanadio o anato de potasio, soportados sobre sílice. Dentro de esos hornos de contacto se produce la oxidación del dióxido de azufre junto con el oxígeno a trióxido de azufre. El trióxido formado entrega calor. En la parte que no ha sido oxidada, pasa por un segundo horno de contacto y se logra la oxidación completa en prácticamente el 100%. El dióxido de azufre es transformado en trióxido. La temperatura no debe superar, por eso se controla dentro de los intercambiadores de calor, ya que en temperaturas superiores a los 600 grados hace que el dióxido de azufre se descomponga nuevamente en dióxido de azufre y oxígeno.

El trióxido formado se lleva a unas torres de absorción, donde se pondrán en contacto con soluciones de ácido sulfúrico de distintas concentraciones. En la primera torre, el trióxido de azufre gaseoso ingresa por la parte inferior, es una torre de platos, y por la parte superior se hace llegar al 25% de oleum, un ácido en pureza mayor al 100% de ácido sulfúrico y se conoce también con el nombre de ácido pirosulfúrico. Ese oleum al 25% se pone en contacto con el trióxido que ingresa por la parte inferior y lo hidrata formando un oleum de mayor porcentaje de concentración, que se dirige directamente al almacenaje. El trióxido de azufre que no ha sido absorbido en la primera torre se dirige a una segunda torre, ingresa también por la parte inferior y en esta segunda torre se hace entrar por la parte superior un oleum de menor concentración, por ejemplo, 10%, de manera tal que por la parte inferior se obtiene el oleum del 25%, que será utilizado para ingresar a la primera torre por la parte superior. De esta manera, de izquierda a derecha, vemos cómo se va a ir concentrando el trióxido de azufre dentro de las distintas soluciones de oleum.

El trióxido de azufre que no ha sido absorbido tampoco dentro de la segunda torre se dirige a una tercera torre, donde se hace ingresar ácido sulfúrico al 98%. De esta manera se obtiene un oleum del 10%, que es el que justamente luego se bombea y se dirige hacia la segunda torre para su concentración. El trióxido de azufre que no ha sido absorbido dentro de esta tercer torre de absorción se dirige a una cuarta torre, ingresa por la parte inferior, por la parte superior se hace ingresar ácido sulfúrico al 90, al 80%, y se obtiene por la parte inferior entonces un ácido sulfúrico del 98%. 98% es la concentración que se utiliza normalmente comercial para un ácido sulfúrico de máxima concentración. Los gases que no son absorbidos se consideran residuales y son tratados luego y absorbidos en soluciones básicas.

El oleum del 25% puede llevarse a una posterior dilución y destilación, ya que para obtener ácido sulfúrico de menor concentración no se puede poner en contacto directo con agua porque la reacción es extremadamente exotérmica. Por lo tanto, un oleum del 25% se lleva a una columna de destilación, donde por la parte superior se obtiene trióxido de azufre, el que estaba justamente disuelto dentro del ácido sulfúrico para formar este oleum pirosulfúrico. Se lleva el trióxido de azufre a un refrigerante para obtener trióxido de azufre líquido. Las temperaturas de refrigeración aquí deben estar próximas a los 30 grados para obtener realmente el trióxido de azufre en estado líquido. Este trióxido de azufre en estado líquido puede ser utilizado luego en la industria orgánica como agente sulfonante.

Por la parte inferior de esa torre de destilación se obtiene ahora ácido sulfúrico al 98%. También en ese oleum del 25% puede ser mezclado con ácido sulfúrico diluido en un mezclador exterior para obtener un ácido sulfúrico menor al 98%, que es el que se va a utilizar para ingresar por la última torre por la parte superior de la última torre.

A continuación, veremos cuáles son las reacciones que se llevan a cabo dentro de este proceso de contacto. Dentro de los hornos de contacto, donde se encuentra el catalizador, el dióxido de azufre se oxida en presencia de oxígeno a trióxido. Es el dióxido de azufre cuando se hidrata puede generar ácido sulfúrico, pero en esas reacciones extremadamente exotérmica, por eso está señalada en rojo y no se hace en forma directa, ya que de forma una niebla el proceso de hidratación que impide que el ácido sulfúrico se pose fácilmente. Por eso la hidratación se hace directamente sobre soluciones de ácido sulfúrico de distintas concentraciones.

De esta manera, el trióxido de azufre se va hidratando con el agua proveniente o que está constituyendo a la solución de sulfúrico. En la tercer ecuación observamos la reacción entre el trióxido de azufre y una solución de ácido sulfúrico, dando ácido sulfúrico también conocido como bisulfúrico y comercialmente con el nombre de oleum. Cuando hablamos de oleum, hablamos de un ácido sulfúrico que ha absorbido trióxido de azufre y las distintas concentraciones que están expresadas en el esquema anterior indican la cantidad de trióxido de azufre absorbida en una solución concentrada de sulfúrico. Es el pirosulfúrico. Posteriormente, él puede hidratarse y por cada mol de pirosulfúrico se puede obtener dos moles de sulfúrico. Vemos ahí entonces en la cuarta ecuación la reacción de hidratación del pirosulfúrico.

Bien, esto es todo lo que tiene que ver con la obtención industrial de ácido sulfúrico. No. [Música] Canción. Pero no.