Ácido Sulfúrico 2

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  • UNIVERSIDADE TECNOLGICA FEDERAL DO PARAN CURSO DE TECNOLOGIA EM PROCESSOS QUMICOS DISCIPLINA: OPERAES UNITRIAS II

    RAFAEL FRANZ

    RODRIGO MENTGES

    PROJETO DA INDSTRIA DE CIDO SULFURICO

    TOLEDO

    2011

  • RAFAEL FRANZ

    RODRIGO MENTGES

    PROJETO DA INDSTRIA DE CIDO SULFURICO

    Trabalho acadmico apresentado a

    disciplina de Operaes Unitrias II, do

    curso de Tecnologia em Processos

    Qumicos. Universidade Tecnolgica

    Federal do Paran - UTFPR, campus de

    Toledo.

    Prof: Dra. Gracinda Marina Castelo da

    Silva

    TOLEDO

    2011

  • 2

    SUMRIO

    RESUMO................................................................................................................... 05

    INTRODUO

    1 HISTRICO ........................................................................................................... 06

    2 OBJETIVO ............................................................................................................. 07

    2.1 OBJETIVO GERAL ............................................................................................. 07

    2.2 OBJETIVO ESPECIFICO .................................................................................... 07

    2.3 JUSTIFICATIVA .................................................................................................. 08

    PROCESSO DE PRODUO

    3 Matria Prima ........................................................................................................ 08

    3.1 Processo Frasch ................................................................................................. 09

    3.2 Processo Claus ................................................................................................... 10

    3.3 Processo Outokumpu .......................................................................................... 11

    3.4 Mercado .............................................................................................................. 12

    3.5 Formas Do cido Sulfrico .............................................................................. 13

    3.6 Aplicaes ........................................................................................................... 14

    4 CARACTERISTICAS E DESCRIO DO PROCESSO DE FABRICAO ......... 16

    4.1 PROPRIEDADES ................................................................................................ 16

    4.1.1 Propriedades Dos Estados ............................................................................ 16

    4.2 PROCESSO DE CMARA DE CHUMBO ........................................................... 18

    4.3 PROCESSO DE CONTATO ................................................................................ 21

    4.3.1 Fatores ocorrentes no forno ......................................................................... 35

    4.3.2 Conversor de quatro estgios (resfriamento externo) ............................... 37

    4.3.2.1 Gerao de Vapor D'gua ............................................................................. 38

    4.3.2.2 Resfriamento do cido .................................................................................. 39

    4.3.2.3 Regime Produtivo .......................................................................................... 39

    4.3.2.4 Tratamento e Descarga de Efluentes ............................................................ 40

    4.3.2.5 Controle Operacional ..................................................................................... 41

    4.3.3 Operao de Absoro- Influencia ............................................................... 41

  • 3

    4.3.4 Impurezas no processo ................................................................................. 43

    4.3.5 Efluentes Secundrios ................................................................................... 44

    BALANO DE MASSA E ENERGIA:

    5 BALANO DE MASSA ........................................................................................ 46

    5.1 TRITURADOR E PENEIRA ............................................................................... 46

    5.2 FORNALHA ......................................................................................................... 46

    5.3 TORRE DE SECAGEM ....................................................................................... 48

    5.4 CALDEIRA E FILTRO DE GS QUENTE ........................................................... 49

    5.5 CONVERSOR, CALDEIRA,TROCADORES DE CALOR INTERMEDIRIOS,

    ECONOMIZADORE TORRE DE ABSORO INTERMEDIRIA ............................ 50

    5.6 TORRE DE ABSORO FINAL, TANQUE INTERMEDIRIO E FINAL ............ 54

    6 BALANO DE ENERGIA .................................................................................... 55

    6.1 BALANO PARA O FORNO .............................................................................. 56

    6.2 BALANO PARA OS EQUIPAMENTOS CONECTADOS COM O CONVERSOR 57

    6.2.1 Balano para caldeira que segue o forno e antecede a 1 etapa do

    conversor ................................................................................................................ 57

    6.2.2 Balano para o trocador de calor quente ..................................................... 57

    6.2.3 Balano para o trocador de calor frio ........................................................... 58

    6.2.4 Economizador que antecede a torre intermediaria de absoro .............. 59

    6.2.5 Torre de Absoro Intermediaria ................................................................. 60

    6.3 CONVERSOR DE QUATRO ETAPAS ............................................................... 60

    6.3.1 Primeira etapa ................................................................................................. 60

    6.3.2 Segunda etapa ............................................................................................... 61

    6.3.3 Terceira etapa ................................................................................................. 61

    6.3.4 Quarta etapa ................................................................................................... 62

    6.4 ECONOMIZADOR ............................................................................................... 62

    6.5 TORRE DE ABSORO FINAL ........................................................................ 63

    REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ......................................................................... 63

  • 4

    LISTA DE FIGURAS

    FIGURA 01: Processo Frasch (09) .......................................................................... 09

    FIGURA 02: Processo Claus (09) ............................................................................ 11

    FIGURA 03: Produo Mundial de Enxofre............................................................... 12

    FIGURA 04: Produo Mundial de cido sulfrico .................................................... 15

    FIGURA 05: Composio do vitrolo nitroso ............................................................. 20

    FIGURA 06: Fluxograma da fabricao por cmaras de chumbo ............................. 21

    FIGURA 07: Pedras de Enxofre (17 e 18) ............................................................... 24

    FIGURA 08: Esquema da torre de Secagem ............................................................ 25

    FIGURA 09: Conversor de quatro etapas(25) .......................................................... 30

    FIGURA 10: Fluxograma de equipamentos .............................................................. 34

    FIGURA 11: Fluxograma de equipamentos .............................................................. 35

    FIGURA 12: Industria de cido sulfrico (processo de contato) (26) ....................... 45

    FIGURA 13: Industria de cido sulfrico (processo de contato) (27) ....................... 45

    FIGURA 14: Balano no triturador e peneira ............................................................ 46

    FIGURA 15: Balano no forno de enxofre ................................................................ 48

    FIGURA 16: Balano na torre de secagem ............................................................... 49

    FIGURA 17: Balano na caldeira e filtro quente ....................................................... 50

    FIGURA 18: Conversor e equipamentos entre os estagios ...................................... 50

    FIGURA 19: Balano no converor e equipamentos entre os estagios ...................... 53

    FIGURA 20: Correntes de entrada e sada com conversor ...................................... 53

    FIGURA 21: Balano nna torre final e e tanques ...................................................... 54

    FIGURA 22: Temperatura das correntes do trocador frio e torre de absoro

    intermediria .............................................................................................................. 58

    LISTA DE TABELAS

    TABELA 01: Aplicaes do cido sulfrico (07) ...................................................... 14

    TABELA 02: Balano no forno de enxofre ................................................................ 48

    TABELA 03: Quantidade de cada elemento nas correntes referentes ao conversor 52

    TABELA 04: Quantidade de cada elemento na torre final de absoro .................. 55

    TABELA 05: Quantidade de cada elemento nas correntes referentes a torre final de

    absoro e tanques ................................................................................................... 55

    TABELA 06: Valores das constantes da equao do calor especifico. ................... 56

  • 5

    RESUMO

    O cido sulfrico o produto qumico mais produzido no mundo e seu

    consumo, assim como a produo de ao e de energia eltrica, pode ser utilizado

    para indicar a prosperidade de uma nao. Dentre suas aplicaes, a que mais se

    destaca a produo de fertilizantes, sendo os fertilizantes fosfatados o de maior

    importncia uma vez que, dos nutrientes essenciais planta nitrognio, fsforo e

    potssio (NPK).

    O cido sulfrico utilizado como agente desidratante, acidificante,

    hidrolizante, neutralizante, secante, oxidante, absorvente, purificante, lixiviante,

    cataltico e como reagente ativo em indstrias petroqumicas.

    A matria-prima mais amplamente utilizada para a produo de cido sulfrico

    o enxofre. O enxofre pode ser encontrado na natureza na forma de elemento

    nativo e tambm nos depsitos vulcnicos, bacias de evaporitos e domos salinos.

    Este cido se encontra disponvel comercialmente em um grande nmero de

    concentrao e graus de pureza. Existem dois processos principais para a

    produo de cido sulfrico, o mtodo da cmara de chumbo e o processo de

    contato. O processo das cmaras de chumbo o mais antigo e utilizado para

    produzir grande parte do cido consumido na fabricao de fertilizantes. O processo

    de contato produz um cido mais puro e concentrado, mas requer matrias primas

    mais puras e o uso de catalisadores mais caros.

    Cabe salientar a importncia destes cidos ser extremamente corrosivo e

    danoso a sade humana. Durante toda a planta tem-se grande risco sade bem

    como vida. Dessa forma, a planta deve ser cuidadosamente elaborada como

    aplicando o estudo de Hazops em cada trecho para dessa forma buscar a garantia

    integridade fsica dos operadores.

    Este projeto tem como objetivo obter conhecimentos gerais e especficos para

    implantao de uma indstria qumica de produo de cido sulfrico, visando a

    analise dos aspectos tcnicos, econmico-financeiros e de sade e segurana.

  • 6

    INTRODUO

    1 HISTRICO

    Com o advento da Revoluo Industrial (a partir do sculo XVIII at o

    presente), que iniciou-se na Inglaterra, certos produtos qumicos tornaram-se de

    interesse comercial, necessrios em grande escala. O cido sulfrico foi o primeiros

    desses "produtos industriais". At j foi dito que se mede o grau de industrializao

    de um pas pela quantidade de cido sulfrico produzido por seu parque industrial.

    Deste modo, os industriais ingleses investiram larga quantidade de dinheiro, tempo e

    esforo na tarefa de melhorar o processo de produo de cido sulfrico. Pequenos

    ganhos na produo levou a enormes lucros, devido a grande quantidade

    consumida pelas indstrias (01).

    O processo de produo de cido sulfrico empregado desde 1749 era

    conhecido por "Mtodo da Cmara de Chumbo". Nesta tcnica, havia pouco

    entendimento do processo, que basicamente requeria ar, gua, dixido de enxofre,

    nitrato e um grande container de chumbo. Desses ingredientes, o nitrato era

    frequentemente o mais caro. Isto porque no estgio final do processo, nitrato (na

    forma de xido ntrico) era perdido para a atmosfera, necessitando de uma corrente

    de reposio de nitrato puro. Este nitrato adicional, na forma de nitrato de sdio,

    tinha que ser importado do Chile, tornando-o muito caro (01).

    Em 1859, John Glover ajudou na soluo deste problema pela introduo de

    uma torre de transferncia de massa para recuperar parte do nitrato perdido. Nesta

    torre, cido sulfrico (que ainda continha nitrato) era gotejado descendentemente

    contra uma corrente de gases ascendente. O gs ascendente absorvia parte do

    xido ntrico. Aps a torre, o gs flua de volta cmara de chumbo onde o xido

    ntrico era reutilizado (01).

    A Torre de Glover representou uma tendncia em muitas indstrias qumicas

    durante o final do sculo XIX. Presses econmicas estavam forando um rpido

    desenvolvimento e modernizao das plantas qumicas. Uma planta bem

    desenhada, com operaes qumicas novas, tais como a Torre de Glover,

    representava a diferena entre o sucesso e a falncia em um ramo de indstrias

    qumicas altamente competitivas (01).

  • 7

    Em 1831, o comerciante de vinagre britnico Peregrine Phillips patenteou um

    processo bem mais econmico para produzir trixido de enxofre e cido sulfrico

    concentrado, conhecido hoje como o processo de contato. Basicamente todo o

    fornecimento mundial de cido sulfrico atual feito por este mtodo. (02)

    2 OBJETIVO

    O cido sulfrico se encontra disponvel comercialmente em um grande

    nmero de concentrao e graus de pureza. Existem dois processos principais para

    a produo de cido sulfrico, o mtodo da cmara de chumbo e o processo de

    contato. O processo de contato produz um cido mais puro e concentrado, mas

    requer matrias primas mais puras e o uso de catalisadores mais caros. Em ambos

    os processos , o dixido de enxofre oxidado e dissolvido em gua. O dixido de

    enxofre pode ser obtido pela incinerao do enxofre, com a queima de piritas, de

    sulfetos no ferrosos ou via a combusto de sulfeto de hidrognio gasoso.

    A maioria das emisses de plantas de contato se devem ao gs de cola da

    torre de absoro. O gs contm principalmente nitrognio e oxignio, mas tambm

    SO2 sem reagir, SO3 no absorvido, neblina de cido sulfrico e spray de cido.

    Quando o gs penetra na atmosfera, o SO3 absorve vapor de gua para formar

    nuvem cida. Outras emisses menores de SO2 e SO3 saem dos tanques de

    armazenagem, concentradores de cido e equipamentos do processo.

    O cido sulfrico extremamente corrosivo e danoso a sade humana.

    Durante toda a planta temos grande risco sade bem como vida. Dessa forma, a

    planta deve ser cuidadosamente elaborada como aplicando o estudo de Hazops em

    cada trecho para dessa forma buscar a garantia integridade fsica dos operadores.

    2.1 OBJETIVO GERAL

    O objetivo deste trabalho o projeto de uma indstria qumica de produo de

    cido sulfrico a partir de enxofre mineral.

    2.2 OBJETIVO ESPECFICO

    O presente trabalho visa focar:

  • 8

    Conhecimentos gerais e especficos sobre cido sulfrico;

    Caractersticas do processo de produo;

    2.3 JUSTIFICATIVA

    Com base nas informaes econmicas a produo de cido sulfrico concentrado

    no Brasil e realizada em grande parte por processos antigos e com pouco rendimento.

    O processo destacado neste trabalho o de contato por ser mais sofisticado e atingir

    melhores resultados de fabricao. O investimento inicial de uma planta que utiliza o

    processo de contato pode ser inicialmente mais alto, porm este se compensa pela gerao

    de um produto de maior valor agregado e com mais aplicabilidades.

    Salientando-se o aumento exponencial anual do consumo do cido bem como, a

    existncia poucas empresas produtoras de cido sulfrico a 98% nos remete a um mercado

    amplamente atraente que deve ser explorado.

    PROCESSO DE PRODUO

    3 Matria Prima

    A matria-prima mais amplamente utilizada para a produo de cido

    sulfrico o enxofre. O enxofre (S) um elemento qumico no-metlico, insolvel

    na gua, de ponto de fuso em torno de 115, cor amarelo limo variando conforme

    o teor de impurezas, desde as tonalidades verde e cinza at o vermelho.

    O enxofre pode ser encontrado na natureza na forma de elemento nativo,

    apresentando-se cristalizado em prisma ortorrmbico ou bipiramidal, e na forma de

    massas reniformes macias, estalactticas, como incrustaes, terrosas. Pode ser

    encontrado nos depsitos vulcnicos, bacias de evaporitos e domos salinos.

    O enxofre, junto com o hidrognio e o oxignio, um dos poucos no-metais

    que pode ser encontrado livre na natureza. De grande aproveitamento industrial,

    est presente em compostos minerais e tambm em grandes depsitos de origem

    vulcnica, tanto no subsolo como a cu aberto. As principais jazidas de enxofre,

    esto situadas no Mxico, Japo, Finlndia, Espanha, Chile, Itlia e sul dos Estados

    Unidos (08).

    As principais formas de obteno do enxofre incluem o processo Frasch,

    processo Claus e Outokumpu.

  • 9

    3.1 Processo Frasch

    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 sulfdrico (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", Figura 01, 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 casos em que o depsito de

    enxofre est localizado perto de poos de petrleo.

    FIGURA 01: Processo Frasch (09)

  • 10

    3.2 Processo Claus

    A remoo do sulfeto de hidrognio na purificao do gs natural cido ou do

    gs de coqueira, e nas refinarias de petrleo, est sendo feita de forma crescente

    pela dissoluo em soluo de carbonato de potssio, ou em etanolamina, seguida

    pelo aquecimento. O sulfeto de hidrognio que assim se obtm queimado em

    fornos especiais, a fim de fornecer o dixido de enxofre para o cido sulfrico.

    Entretanto crescente a quantidade convertida em enxofre recuperado mediante

    diversas modificaes do Processo Claus original, cujas reaes so (09):

    H2S(g) + 3/2 O2(g) SO2(g) + H2O(g)

    SO2(g) + 2 H2S(g) 3 S(l) + 2 H2O(l)

    Os regulamentos contra a poluio da atmosfera exigem que as novas usinas

    atinjam converso superior a 98%; na Provncia de Alberta, Canad, a exigncia

    sobe a 99,5%. Diversos processos foram desenvolvidos para diminuir os teores do

    enxofre residual nos gases de descarga das usinas de recuperao, visando a

    satisfazer s novas regulamentaes relativas s emisses industriais. Outras fontes

    existentes ou potenciais de enxofre a partir de combustveis incluem os gases de

    coqueira e o leo sinttico cru de areias oleferas ou do xisto. H um projeto de uma

    usina de 1.000 barris por dia para a extrao do leo do xisto, no Brasil (09).

    A tecnologia de depurao do carvo cerca da metade da pirita presente no

    carvo bruto; o enxofre orgnico, entretanto, s pode ser removido pela

    gaseificao, ou liquefao ou hidrogenao. Diversos destes processos esto em

    vrios estgios de desenvolvimento. Quando se queimam combustveis contendo

    enxofre, os xidos de enxofre devem ser removidos mediante mtodos de

    depurao dos fumos da chamin, ou por meio de novas tcnicas de combusto

    destinadas a remover o enxofre durante a queima (09)

    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 (10).

  • 11

    FIGURA 02: Processo Claus (09)

    3.3 Processo Outokumpu

    As quantidades de enxofre extradas das piritas ferrosas atingiram a 5,01

    milhes de toneladas no mundo ocidental, em 1973, enquanto que os gases da

    metalurgia dos sulfetos no ferrosos contriburam com 4,93 milhes de toneladas de

    equivalente em enxofre (09).

    A metalurgia dos minrios no ferrosos e das piritas converte o enxofre a

    dixido de enxofre, que em geral, recuperado para converso a cido sulfrico ou,

    ocasionalmente, liquefeito. Nas fundies de cobre, a capacidade de recuperao de

    enxofre limitada, pois parte dos gases tem teor de dixido de enxofre muito baixo

    para que seja econmica a fabricao do cido sulfrico. Os fornos eltricos e a arco

    produzem dixido de enxofre mais concentrado, conveniente para a recuperao do

    enxofre elementar ou do cido sulfrico (09).

    Existem diversos processos industriais para a recuperao do enxofre

    elementar a partir de piritas, inclusive o Processo Outokumpu a arco, Orkla e o

    Noranda. Somente o Outokumpu usado industrialmente (09).

  • 12

    3.4 Mercado

    As maiores reservas de enxofre no mundo encontram-se no Iraque e no

    Canad, mas a maior produo mundial do elemento pertence a China e Estados

    Unidos.

    FIGURA 03: Produo Mundial de Enxofre

    Em comparao a outros pases o Brasil possui reservas de enxofre de

    mdia. Contudo cabe salientar que a produo relativamente pequena e ainda.

    Outro fator importante esta na qualidade do enxofre extrado no Brasil que inferior

    ao importado, por conter muitas impurezas conseqentes da natureza das minas de

    enxofre brasileiras.

    O enxofre utilizado na produo do cido sulfrico geralmente importado e,

    mesmo tendo um preo maior, pode compensar pela elevada pureza, descartando

    dessa forma a necessidade de construo de equipamentos de purificao como

    precipitadores eletrostticos, peneiras e processos caros de separao.

    O Custo da tonelada de enxofre bastante instvel, podendo ter variaes de

    200% em apenas seis meses, tornando assim indispensvel realizao de

    projees para de otimizar o lucro. Mesmo sendo bastante varivel, a cotao da

    tonelada de enxofre geralmente no ultrapassa os US$90 nem fica abaixo de

    US$20.

    Como o custo do enxofre relativamente baixo, h a necessidade de se

    incluir os custos relacionados ao seu transporte, que feito por navios cargueiros. A

    capacidade de carga de um navio comum de como os do tipo Liberty tem

    capacidade de transportar mais de dez mil toneladas e um custo entre US$ 100 mil a

    US$ 300mil por dia.

  • 13

    A maior parte da produo de enxofre brasileiro provm do petrleo. O

    petrleo brasileiro tem alto teor desta substncia que considerado um

    contaminante, uma vez que dificulta seu processamento, alm de gerar muitos

    poluentes durante o processo, como SO, SO2 e H2S.

    3.5 Formas Do cido Sulfrico

    Embora possa ser feito cido sulfrico concentrao de 100%, tal soluo

    perderia SO3 por evaporao, de maneira que restaria no final cido sulfrico a

    98,3%. A soluo a 98% mais estvel para a armazenagem e por isso a forma

    usual do cido sulfrico "concentrado". Outras concentraes do cido sulfrico so

    usadas para diferentes fins:

    33,5% : baterias cidas (usado em baterias de chumbo-cido)

    62,18%: cido de cmara ou cido fertilizante

    77,67%: cido de torre ou cido de Glover

    98% : concentrado

    O cido sulfrico tambm existe em diferentes purezas. O H2SO4 tcnico

    impuro e freqentemente colorido, mas apropriado para a fabricao de fertilizante.

    O cido sulfrico de grau farmacutico usado para produzir frmacos e pigmentos.

    Quando concentraes altas de SO3 (g) so adicionadas ao cido sulfrico, h

    formao de H2S2O7. O concentrado resultante chamado de cido sulfrico

    fumegante ou oleum ou, menos comumente, cido de Nordhausen. A concentrao

    do oleum expressa tanto em termos de %SO3 (chamado de %oleum) quanto em

    termos de %H2SO4 (a quantia que seria formada se fosse adicionada gua);

    concentraes comuns so 40% oleum (109% H2SO4) e 65% oleum (114,6%

    H2SO4). O H2S2O7 puro de fato um slido com ponto de fuso de 36 C (02).

  • 14

    3.6 Aplicaes

    TABELA 01: Aplicaes do cido sulfrico (07)

    Fertilizantes 78 %

    Fabricao de outros produtos qumicos 7%

    Metalrgicas 5 %

    Papel e celulose 3%

    Tratamento_de_gua 1 %

    Indstria do acar e do lcool 1 %

    Detergentes 1 %

    Outros 4 %

    UTILIZAO:

    Anlise de leite.

    Processo de Decapagem Qumica, a quente, de metais.

    Preparao de gazes industriais, como cido Sulfdrico, cido

    Ciandrico, Hidrognio e Anidrido Carbnico.

    Refinao de petrleo e seus derivados.

    Ativao na inciso de pinheiros na indstria de resinagem.

    Reativao de carvo animal usado como descorante em industrias,

    como na refinao de acar.

    Hidrlise da madeira p/ a produo de aucares e lcool etlico.

    Preparao de casena a partir de leite desnatado.

    Desdobramento do xantanto de celulose, na preparao da fibra de

    Rayon Viscose.

    Processo de Carbonizao, Tinturaria, Mercerizao e Proteo nas

    indstrias Txteis.

    Fabricao de Bixido de cloro p/ branqueamento de pasta de papel.

    Fabricao de Adubos: Superfosfato e Sulfato de Amnia.

    Reaes de sulfonao de leos.

    Fabricao de detergentes intervindo na operao da sulfonao de

    dodecilbenzeno.

    Fabricao de sulfatos de cobre, ferro, alumnio, potssio, amnia,

    cobalto, magnsio, niquel e sdio.

  • 15

    Fabricao de estearina, olena.

    Tinturaria de l e seda.

    Fabricao de corantes artificiais, ter sulfrico, steres.

    Agente de vulcanizao na indstria da borracha.

    Galvanoplastia.

    Gomas.

    O cido sulfrico um composto muito verstil quanto utilizao e

    utilizado na maioria das indstrias e laboratrios, atuando geralmente como

    catalisador de alguma reao.

    Dentre suas inmeras aplicaes, a mais relevante seu uso na indstria de

    fertilizantes. . tambm um agente de desidratao poderoso, capaz de remover

    gua de muitos compostos orgnicos. Quando diludo (abaixo de concentraes

    molares de 90%), a soluo assume carter de cido forte e no apresenta poder

    desidratante. Por outro lado, quando concentrado (acima de 90%), deixa de ter

    carter cido e acentua-se o seu poder desidratante. O cido sulfrico "destri" o

    papel, o tecido de algodo, a madeira, o acar e outros materiais devido sua

    enrgica ao desidratante.

    A seguir o grfico Relata a produo mundial de cido.

    FIGURA 04: Produo Mundial de cido sulfrico

    No Brasil, tanto a produo, quanto a venda de cido sulfrico vem

    aumentando de forma significativa anualmente.

  • 16

    A indstria de cido sulfrico no Brasil movimenta mais de seis bilhes de

    dlares por ano, sem considerar os grandes gastos com o seu transporte, reforando

    mais uma vez, a idia que o mercado de cido bastante atrativo.

    4 CARACTERISTICAS E DESCRIO DO PROCESSO DE FABRICAO

    Primeiramente, necessrio conhecer as propriedades fsicas e qumicas do

    produto de se deseja fabricar. Para tanto, a seguir fez-se a anlise das propriedades

    do cido sulfrico.

    4.1 PROPRIEDADES DO CIDO

    O cido sulfrico um composto qumico de frmula H2SO4, sendo classificado como

    um cido mineral forte, oxicido derivado do anidrido sulfrico, o principal dos cidos

    derivados de enxofre e considerado o produto qumico mais fabricado e utilizado no mundo.

    Pode ser chamado, por uma abordagem mais qumica, como sulfato de hidrognio ou mais

    exatamente como tetraoxossulfato (VI) de hidrognio (06).

    A temperatura ambiente apresenta-se quando puro, e tal como descrito concentrado,

    como um lquido incolor e lmpido e, at determinadas concentraes de gua, com

    viscosidade prxima de um leo vegetal como o leo de soja ou o azeite de olivas, sendo

    por isso, descrito normalmente como oleoso (06).

    A molcula apresenta uma estrutura piramidal, com o tomo de enxofre

    ocupando uma posio central entre os quatro tomos de oxignio. Os dois tomos

    de hidrognio esto unidos aos tomos de oxignio no unidos por ligao dupla ao

    tomo de enxofre (06).

    4.1.1 Propriedades Dos Estados

    Ponto de fuso: 283,5 K (10,31 C)

    Ponto de ebulio: 610 K (337 C); 270C

    Densidade: 1,8302 g/cm3 (soluo 98,3 %) (25 C e 1 atm); 1,8357

  • 17

    Solubilidade: totalmente miscvel em gua, ou seja, solvel na gua em

    qualquer concentrao; em lcool, quando acrescentado na forma de soluo

    concentrada em gua, como a 98,3 %, produz desidratao resultando em

    ter etlico.

    Viscosidade 26,7 cP a 20 C

    O cido sulfrico dito uma substncia muito polar, com uma constante

    dieltrica aproximadamente de 100. capaz de produzir sua prpria dissociao,

    sua prpria protonao, o que chamado autoprotlise, que comparativamente,

    ocorre numa escala dez bilhes maior que com a gua.

    Quimicamente:

    H2SO4 H3SO4+ + HSO4

    -

    Isto propicia que os prtons tenham uma grande mobilidade em seu meio.

    Tal propriedade lhe permite ser um excelente solvente para inmeras reaes

    qumicas, de grande utilidade, por exemplo, na qumica orgnica e seus processos

    industriais associados.

    As presses de vapor (mmHg) em funo da temperatura para diversas

    concentraes de cido sulfrico em gua pode ser analisadas abaixo:

  • 18

    O cido sulfrico se encontra disponvel comercialmente em um grande

    nmero de concentrao e graus de pureza. Existem dois processos principais para

    a produo de cido sulfrico, o mtodo da cmara de chumbo e o processo de

    contato.

    A obteno do enxofre pode ser de trs maneiras (processo Frasch, enxofre

    de gases combustveis e enxofre de sulfetos minerais), e sero elas que

    determinaro as caractersticas da matria prima. Os equipamentos de recepo e

    preparao da matria prima esto diretamente relacionados com as caractersticas

    da matria prima.

    A seguir ser detalhado o processo de cmara de chumbo por ser o primeiro

    mtodo utilizado na fabricao de cido sulfrico em grande escala e posteriormente

    o processo de contato por ser o mais utilizado nos dias de hoje.

    4.2 PROCESSO DE CMARA DE CHUMBO

    O processo das cmaras de chumbo considerado um processo obsoleto,

    embora na literatura encontrem-se discusses sobre sua tecnologia e sua complexa

    qumica.

    O esquema abaixo relaciona de forma simples o que entra e o que sai para a

    produo do cido sulfrico.

    Todo processo de transformao passa necessariamente por cinco etapas

    ordenadas, as quais so muito importantes discernir em um projeto. Quando se vai

    produzir algo, primeira necessidade que temos de matria prima, as quais

    geralmente no esto disponveis na forma como vo ser utilizadas no processo,

  • 19

    ento, essa matria prima passar por um processo, como a moagem do enxofre

    para a padronizao da granulometria, que neste caso ocorre antes da sua chegada

    a indstria. Aps isso acontece o processo de transformao em si e este, necessita

    de acabamentos, como o envase, por exemplo, para ento ser estocado e expedido.

    Estas cinco etapas esto exemplificadas no fluxograma abaixo.

    No caso do processo por cmaras de chumbo as cinco etapas so

    representadas nos seguintes equipamentos.

    No processo das cmaras de chumbo, dixido de enxofre (SO2) gasoso

    aquecido entra pela parte inferior de um reator chamado torre de Glover onde

    lavado com o que chamado de "vitrolo nitroso", Figura (05), e misturado com xido

    de nitrognio (NO) e dixido de nitrognio (NO2) gasosos (12).

  • 20

    FIGURA 05: Composio do vitrolo nitroso

    Parte do dixido de enxofre oxidado a trixido de enxofre (SO3) e

    dissolvido no banho cido para formar o cido de torre ou cido de Glover

    (aproximadamente 78% de H2SO4.

    SO2 + NO2 NO +SO3

    SO3 + H2O H2SO4

    Da torre de Glover uma mistura de gases (que inclui dixido e trixido de

    enxofre, xidos de nitrognio, nitrognio, oxignio e vapor) transferida a uma

    cmara recoberta por chumbo onde tratado com mais gua.

    A cmara pode ser grande espao em forma de caixa ou um recinto em forma

    de cone truncado. O cido sulfrico formado por uma srie complexa de reaes;

    condensa nas paredes e acumulado no piso da cmara. Podem existir de trs a

    seis cmaras em srie, onde os gases passam por cada uma das cmaras em

    sucesso.

    O cido produzido nas cmaras, geralmente chamado cido de cmara ou

    cido de fertilizante, contm de 62% a 68% de H2SO4 (12).

    NO + NO2 + H2O 2 HNO2

    HNO2 + H2SO3 H2SO4 + diversos subprodutos

    Logo que os gases passem pelas cmaras se os faz passar a um reator

    chamado torre de Gay-Lussac onde so lavados com cido concentrado esfriado

    (proveniente da torre de Glover). Os xidos de nitrognio e o dixido de enxofre que

    no haviam reagido se dissolvem em cido formando o vitrolo nitroso utilizado na

    torre de Glover. Os gases remanescentes so usualmente liberados na atmosfera

    (12). O fluxograma abaixo ilustra as etapas na fabricao por cmaras de chumbo.

  • 21

    FIGURA 06: Fluxograma da fabricao por cmaras de chumbo

    No livro Princpios de Processos Qumicos de Houghaen, Watson e Ragatz

    encontram-se balanos materiais e energticos de uma instalao de cido sulfrico,

    pelo processo das cmaras de chumbo.

    O processo das cmaras de chumbo tem uma recente instalao para

    processar gases diludos contendo SO2 gerados por calcinao de minrios de

    molibdnio.

    4.3 PROCESSO DE CONTATO

    O processo de contato um processo industrial qumico para a produo de

    cido sulfrico usando um catalisador fixo como, por exemplo, compostos de

    vandio.

    A tecnologia de contato para a produo de cido sulfrico tem sido

    largamente estudada nas ltimas dcadas, com vistas ao aprimoramento do

    processo, atravs da introduo de melhorias na concepo, dimensionamento,

  • 22

    condies de operao e disposio dos equipamentos. Diferentes modalidades

    tecnolgicas foram concebidas, apresentando caractersticas prprias de

    rendimento, custo e flexibilidade operacional (10).

    Os objetivos principais visados por qualquer modalidade de produo de

    cido sulfrico pelo processo de contato, atravs da combusto do enxofre, so os

    seguintes:

    Obter o mximo de converso de SO2 visando a melhoria do rendimento e

    diminuio do teor de gases sulfurosos lanados atmosfera;

    Absorver o SO3 atravs de um processo eficiente, evitando o lanamento de

    H2SO4 na atmosfera;

    Produzir a mxima quantidade de vapor d'gua, em condies apropriadas

    para consumo interno e externo unidade.

    Outros objetivos tambm importantes, procurados nas instalaes industriais

    de produo de cido sulfrico, compreendem:

    Produo contnua ao nvel da capacidade nominal da instalao, durante

    longos perodos de operao;

    Minimizao dos custos de operao e de manuteno, e

    Operao segura e higinica com o mnimo ndice de poluio atmosfrica.

    Na prtica, no possvel atingir o mximo de cada um dos objetivos

    isoladamente, seja por imposies do processo seja por limitaes do projeto. As

    modalidades de processo utilizadas em instalaes industriais de produo de cido

    sulfrico procuram atingir um grau de otimizao global, atravs do balanceamento

    adequado dos objetivos especficos visados (10).

    O fluxograma abaixo resume as entradas e sadas de forma anloga a

    cmara de chumbo.

  • 23

    O processo de transformao ocorrer nos seguintes equipamentos seguindo

    as cinco etapas:

    O fluxograma geral do processo pode ser analisado a seguir.

  • 24

    Nesse processo o enxofre chega a indstria em forma de pedras. Para poder ser

    utilizado ele triturado, (diminuio de granulao e uniformidade da matria prima) e

    peneirado (remoo materiais indesejveis) antes de ir para a fornalha.

    FIGURA 07: Pedras de Enxofre (17 e 18)

    A viscosidade do enxofre lquido sofre sensveis variaes com a temperatura.

    Aps a fuso, a viscosidade diminui medida que temperatura cresce, at 160 C. A

    partir desta temperatura, viscosidade aumenta bruscamente at atingir seu valor

    mximo a 188 C. Acima desta temperatura, at que seja atingido o ponto de

    ebulio do enxofre, a viscosidade diminui de forma contnua.

    A ocorrncia de tais variaes de viscosidade representa importante elemento

    de influncia na elaborao do projeto e na fixao das condies de operao do

    sistema de fuso. A temperatura das superfcies de contato com o enxofre deve

    oscilar entre 149 e 157 C, de modo a evitar os efeitos indesejveis do aumento de

    viscosidade do material fundido. Entre tais efeitos, pode ser citado o de aderncia do

    enxofre excessivamente viscoso s superfcies de aquecimento, ocorrncia que

    provoca sensvel reduo da taxa de transferncia de calor.

    A operao de remoo da umidade do ar atmosfrico, baseado no uso de

    cido sulfrico como agente desidratante largamente empregada pelas diversas

    modalidades da tecnologia de contato. Atravs de uma torre de recheio do projeto

    idntico ao da torre de absoro, o ar borbulhado em cido sulfrico concentrado.

    A concentrao do cido no topo da torre pode variar, entre as diversas

  • 25

    modalidades, dentro de uma faixa de 93-98%, sendo a ltima a mais comumente

    adotada pelos processos modernos (10).

    O ar utilizado para a combusto na fornalha tambm sofre preparao, pois

    logo depois de ser capturado da atmosfera este passa por um filtro para remoo

    dos particulados.

    Posteriormente esse ar passa por uma torre de secagem onde ser retirada

    toda a sua umidade utilizando-se uma das mais marcantes propriedades do prprio

    acido sulfrico produzido j concentrado: reter gua para si. A torre de secagem

    consiste basicamente de uma torre de absoro to tipo spray onde o ar entra na

    base da torre e cido entra no topo. Sendo a afinidade gua-cido muito maior que a

    afinidade gua-ar, a gua no ar migra para o cido, conforme as leis da

    termodinmica de equilbrio. A remoo da umidade do ar de grande importncia,

    pois caso houver gua na reao que ocorre na fornalha pode ocorrer formao de

    acido sulfrico antes do tempo que corroer tubulaes equipamentos, gerando

    perdas e tornando o processo mais perigoso.

    FIGURA 08: Esquema da torre de Secagem

    Na fornalha o enxofre queimado na presena do oxignio formando o dixido

    de enxofre pela seguinte reao endotrmica:

    S + O2 SO2

  • 26

    Na fornalha, o enxofre deve ser queimado com ar totalmente isento de gua, se

    houver gua nesta etapa, poder se formar cido sulfrico antes do tempo, que

    corroer tubulaes e equipamentos, podendo gerar acidentes e perdas. Uma

    curiosidade est no fato que o enxofre adquire cor azul nessa ao ser aquecido nessa

    etapa.

    Os tipos de fornos de combusto normalmente utilizados em unidades de

    produo de cido sulfrico so os seguintes: cascata e atomizador.

    Entre as vantagens do tipo cascata podem ser destacadas

    Maior flexibilidade de operao, podendo trabalhar entre 20 e 150% da sua

    capacidade nominal;

    Por no usar orifcios para provocar a vaporizao do enxofre, possibilita a

    utilizao de um enxofre de qualidade inferior.

    Devido sua conformao geomtrica, possui uma maior capacidade de

    armazenamento de calor, durante as paradas da unidade.

    O tipo atomizador apresenta as seguintes vantagens em relao ao modelo

    cascata:

    Melhor desempenho em operao e altas concentraes de SO2, e

    Maior capacidade de queima de enxofre, o que favorece seu uso em grandes

    unidades de cido sulfrico.

    Saindo do forno o gs com altas temperaturas passar por uma caldeira onde

    ser resfriado (420 C, temperatura mdia onde ocorre a converso do SO2 a SO3) e

    em seguida por um filtro quente para remoo de possveis impurezas pois como

    este gs est se encaminhando para um conversor que utiliza catalisador

    (normalmente pentxido de vandio) no pode-se correr o risco de contamin-lo.

    Com o intuito de um bom aproveitamento energtico, a energia que estava em

    excesso no simplesmente dissipada, sendo esse calor excedente utilizado para

    aquecer gua de necessria em outras partes do processo. As etapas a seguir,

    nos equipamentos de converso e torres de absoro so as principais para este

    processo.

    No desenvolvimento dos processos de contato, vrios materiais foram testados

    experimentalmente como catalisadores da reao de oxidao do SO2. Destes,

  • 27

    somente trs chegarem a ser utilizados comercialmente: platina, xido de ferro e

    pentxido de vandio.

    Os dois primeiros, notadamente a platina, foram usados at a Primeira Guerra

    Mundial, quando na Alemanha foi introduzido o uso de pentxido de vandio.

    A partir de 1920, praticamente todas as instalaes produtoras de cido

    sulfrico pelo processo de contato usavam este novo catalisador. Entre os fatores

    que provocaram esta mudana podem ser destacadas os seguintes:

    Extrema sensibilidade da platina a envenenamento por impurezas presente

    nos gases de combusto do enxofre, condio que exigia dispendiosas operaes

    de purificao da alimentao do conversor, e

    Alto custo da platina em relao ao pentxido de vandio.

    Embora a platina seja mais ativa e requeira uma menor temperatura para dar

    incio reao de converso durante as fases iniciais de operao, razes de

    natureza econmica conduzir utilizao exclusiva do pentxido de vandio como

    catalisador de reao de converso do SO2 a SO3.

    Estudos sistemticos realizados por Knietsch na empresa BASF sobe o

    equilbrio de reao da oxidao do SO2 sobre um catalisador de platina, publicados

    em 1901, formaram uma importante base para o entendimento de seus princpios

    termodinmicos.

    De acordo com o modelo de MARS e MAESSEN, a reao no catalisador se

    d por meio dos passos intermedirios:

    SO2 + 5 V5+ + O2- 2 V4+ + SO3

    1/2 O2 + 2 V4+ 5 V5+ + O2-

    Entre diversos catalisadores estudados, somente os compostos de vandio,

    a platina, o rdio, o xido de ferro, tem provados serem satisfatrios, mas apenas o

    pentxido de vandio atingiu uso mercadolgico.

    No projeto e operao de um sistema de oxidao cataltica de SO2,

    importantes aspectos devem ser considerados no que se refere s limitaes do

    catalisador e termodinmica da reao.

    A reao de oxidao de SO2 a SO3 libera uma considervel quantidade de

    calor, o que provoca, em consequncia, elevao da temperatura do meio reacional.

  • 28

    Tal elevao de temperatura, como anteriormente referido, atua desfavoravelmente

    no sentido de formao do SO3, ou seja, reduz a gerao do produto que se deseja

    maximizar. Por outro lado, como a atividade do catalisador aumenta com a

    temperatura, uma operao que vise maximizao da produo de SO3 requer um

    balano apropriado entre os efeitos opostos da velocidade de reao e do equilbrio

    qumico.

    Tal temperatura determinada pelo princpio de Le Chatelier, que indica que

    baixas temperaturas favoreceriam melhores rendimentos em SO3, mas sob estas

    condies a reao se processaria demasiado lenta e operando nesta temperatura

    obtem-se o mximo rendimento em produto a uma velocidade de reao vivel

    economicamente. A velocidade da reao, por sua vez, favorecida pela elevao

    de temperatura, como indicado pelas relaes seguintes:

    Onde: r = velocidade da reao

    k = constante de velocidade

    SO2 C = concentrao de SO2 (g/litro)

    C = concentrao de O2 (g/litro)

    a = ordem da reao em relao ao SO2

    b = ordem da reao em relao ao O2

    KO = fator de frequncia

    e = no. de Nepler

    Ea = energia de ativao

    R = constante universal dos gases

    O mesmo princpio determina que a presso seja realizado a altas presses,

    mas a presso atmosfrica recomendada pelos mesmo motivos econmicos.

    O efeito da presso sobre o equilbrio da reao de converso do SO2 a SO3

    pode ser constatado pela observao da relao volumtrica entre os produtos e os

    reagentes da reao. Como a referida relao volumtrica inferior unidade (1 vol

    de produto para 1,5 vol de reagentes), o que indica contrao de volume no

    processo reacional, o acrscimo de presso provoca um deslocamento do equilbrio

    no sentido de favorecimento de maior formao de SO3.

  • 29

    A elevao da presso do meio reacional proporciona tambm maior

    velocidade da reao de oxidao do SO2, na medida em que concorre para

    aumentar as concentraes do SO2 e do O2. Como tais concentraes, como

    indicado na equao representativa da velocidade da reao, so expressas em

    termos de peso dos reagentes (g) por volume total da massa gasosa (l), o aumento

    de presso, ocasionando reduo do volume global dos gases, acarreta, em

    contrapartida, elevao das concentraes dos referidos reagentes.

    A influncia da relao O2/SO2 exercida atravs de duas aes em oposio.

    O oxignio presente no meio reacional favorece a velocidade de reao e a desloca

    no sentido de formao do SO3. Por outro lado, a presena do nitrognio do ar

    usado na combusto do enxofre provoca diluio dos reagentes, ocorrncia que

    ocasiona efeito negativo tanto na velocidade de reao, como no equilbrio.

    A concentrao de SO3 no meio reacional atual como um freio velocidade da

    reao, que tende para zero quando a referida concentrao se aproxima daquela

    definida pelas condies de equilbrio da reao. Atingida tal condio, o

    prosseguimento da reao, mantidas constantes as demais variveis de processo,

    demanda a remoo do SO3 do meio reacional. Com a adoo de tal medida, o

    sistema tende a um novo equilbrio, atravs de nova formao de SO3.

    Na prtica, nos catalisadores convencionais a velocidade de reao

    praticamente nula abaixo de 400oC. Nesta temperatura, o V2O5 torna-se insolvel na

    massa fundida de pirossulfato alcalino presente no catalisador, ficando por este

    motivo desativado.

    Desde 1947 a indstria de catalisador vem estudando o uso de csio como

    promotor de catalisadores de V2O5. O csio evita a cristalizao do V2O5 a 400 C,

    permitindo que o catalisador fique ativo a temperatura de at 360 C.

    No conversor o dixido de enxofre convertido em trixido de enxofre

    conforme a reao reversvel e exotrmica a seguir:

    3222

    1SOOSO

    A maior converso que pode ser atingida para uma reao reversvel a

    converso de equilbrio, que varia com a temperatura de modo a ser melhor em

    temperaturas no to elevadas . No entanto, o aumento da temperatura afeta a

    cintica da reao de modo a aumentar a sua velocidade. Portanto, faz-se

    necessrio equilibrar a operao mxima com altas velocidades e converses

  • 30

    elevadas a menores temperaturas. O conversor operando em estgios, como um

    conjunto de reatores tubulares em srie, onde entre eles existe resfriamento

    possibilita relacionar os fatores de converso e velocidade da reao.

    O numero de estgios do conversor com resfriamento entre eles est

    diretamente relacionado otimizao do processo bem como a quantidade de

    catalisador presente em cada estagio. A presena de uma torre de absoro entre

    os estgios tambm auxilia no aumento de converso, pois ao retirar o SO3 formado

    libera os prximos estgios de converso. Todo o calor retirado nos resfriamentos

    recuperado e utilizado em caldeiras.

    O dimetro do conversor determinado pela perda de carga de gs atravs

    dos leitos catalticos. Normalmente esta queda de presso no deve ultrapassar

    mais de 800 mm de coluna de gua.

    FIGURA 09: Conversor de quatro etapas (25)

    A quantidade de calor dissipada pela reao atravs dos leitos catalticos eleva

    a temperatura do gs suficientemente para permitir que a converso nas unidades

    tpicas se aproxime do limite determinado pelo equilbrio termodinmico.

    O principal agente envenenador do pentxido de vandio a cinza

    proveniente do enxofre, que tende a depositar-se nos espaos vazios da superfcie

    do catalisador.

    Ocasionalmente, este fenmeno agravado pela presena de pequenas

    quantidades de sulfato frrico e cido sulfrico que bloqueiam a superfcie do

    catalisador com uma massa praticamente impermevel. O cido sulfrico livre pode

    depositar-se por condensao, ocorrncia provocada por um abaixamento de

  • 31

    temperatura dos gases durante o incio de operao ou parada da unidade. A

    presena de cloretos e fluoretos tambm prejudicam seriamente o catalisador ao

    reagirem com o V2O5 e com a slica usada como suporte.

    Altas concentraes de SO2 podem elevar a temperatura da massa cataltica

    acima de 650 C danificando-a irreversivelmente. Na prtica, so adotados os

    seguintes mtodos para controlar as temperaturas nos leitos de catalisador dos

    conversores;

    Resfriamento direto

    Resfriamento indireto

    No primeiro mtodo, a queda de temperatura provocada pela injeo no

    conversor de um gs frio, normalmente ar seco. Este sistema requer uma boa

    homogeneizao do gs aps a mistura, a fim de evitar a ocorrncia de pontos de

    superaquecimento no leito cataltico. O uso de ar nesta operao apresenta como

    vantagem a introduo de uma nova quantidade de oxignio, que proporciona

    aumento desejvel da relao O2/SO2. Devem-se considerar contudo, como fator

    limitante desta prtica, a quantidade de nitrognio introduzida no conversor que

    ocasionar diluio dos gases reagentes no meio reativo, ocorrncia indesejvel sob

    o ponto de vista de eficincia do processo, como anteriormente mencionado.

    No resfriamento indireto, o calor gerado na reao de converso, removido

    do meio reacional, atravs de trocadores de calor, que podem estar fisicamente

    localizados dentro ou fora do conversor. Como meio de resfriamento usada gua,

    vapor d'gua, ar ou gs de processo.

    gua e vapor d'gua so os agentes mais empregados, face ao interesse

    econmico de produzir o mximo de vapor d'gua superaquecido, tanto para uso

    como elemento de acionamento das turbinas da unidade como para a utilizao

    externa instalao de cido sulfrico.

    Outros processos utilizam de forma indireta o ar seco como meio de

    resfriamento das massas catalticas. A introduo de ar quente no forno de enxofre

    proporciona um aumento na temperatura de sada dos gases de cerca de 200C e,

    como conseqncia, um maior contedo de energia trmica para gerao de vapor

    d'gua, na mesma caldeira. Em contrapartida a essa vantagem, temperaturas mais

    altas de operao do forno exigem a utilizao de materiais de construo mais

    sofisticados.

  • 32

    Como anteriormente referido, a remoo de SO3 do meio reacional

    provocam dos deslocamentos da reao no sentido de formar novas quantidades de

    SO3. Com base neste conceito, os processos de obteno de cido sulfrico podem

    ser classificados nos seguintes tipos:

    Contato ou Absoro Simples, e

    Contato ou Absoro Dupla

    Na alternativa de simples contato, a alimentao do conversor atravessa os

    quatro leitos de catalisador sofrendo apenas resfriamento direto ou indireto. O

    equilbrio estabelecido nessas condies permite atingir um rendimento de

    converso de, no mximo, 98% havendo, portanto, uma perda de 2% de SO2 no

    convertido.

    At a dcada de 60, o processo de simples contato foi largamente

    empregado. Como as instalaes de produo de cido sulfrico existentes naquela

    poca tinham uma capacidade de produo relativamente pequena, a quantidade de

    SO2 lanado a atmosfera no representava um grande problema. Com o surgimento,

    contudo, de unidades de grande capacidade, a quantidade de SO2 no gs efluente

    do conversor passou a representar um importante fator de poluio do meio

    ambiente.

    A alternativa encontrada para solucionar tal problema foi a de aumentar a

    taxa de converso de 98 para cerca de 99,7%, atravs da introduo de uma etapa

    intermediria de absoro do SO3 produzido nos primeiros leitos catalticos do

    conversor. Tal alternativa denominada processo de contato duplo, ou mais

    propriamente de processo de dupla absoro.

    Simples Absoro

    Nesta modalidade, o dixido de enxofre oxidado atravs de uma srie de

    quatro leitos de catalisador, com resfriamento entre os estgios do conversor.

    Os gases efluentes do ltimo leito cataltico so transferidos para uma nica

    torre de absoro, onde ocorre a remoo do SO3 contido na massa gasosa.

    Dupla Absoro

    Uma das formas de obter aumento da taxa de formao de SO3, na reao

    de oxidao do SO2, consiste na remoo, do meio reacional, do SO3 gerado no

    processo. Embora esta prtica invivel em forma contnua, ela pode ser aplicada em

  • 33

    conversores multi-estgios, nos quais o gs removido, aps a passagem atravs

    de um ou mais estgios. O SO3 formado , ento, absorvido em cido sulfrico,

    enquanto o gs, com uma relao SO2/SO3 mais favorvel aos objetivos do

    processo retorna ao conversor, para a nova etapa de oxidao.

    Conquanto os princpios bsicos deste processo fossem conhecidos de

    longa data, somente nos ltimos anos, com o surgimento de instalaes de grande

    capacidade, e das regulamentaes de controle de poluio atmosfrica, passaram

    as indstrias de cido sulfrico a utilizar esta modalidade de processo, que requer

    maior investimento e apresenta custo de operao mais elevado.

    Basicamente, as diferenas entre as modalidades de simples e duplo

    contato residem na etapa de absoro intermediria, ou mais especificamente na

    incluso de outra torre de absoro, de outro sistema de circulao de cido, e dos

    necessrios resfriadores intermedirios para a troca de calor entre gases circulantes

    no sistema conversor - torre de absoro primria.

    O gs de trixido de enxofre proveniente do conversor, tanto na torre de

    absoro intermediaria como na final, borbulhado em contracorrente com cido

    sulfrico concentrado fumegante dos tanques de armazenamento, atravs de uma

    torre recheada. O SO3 presente nos gases reage com gua de diluio do cido,

    formando novas molculas de cido.

    Para a segunda torre, procede-se a absoro do SO3 em concentraes

    crescentes de H2SO4 em gua at que os gases residuais atravessam uma torre,

    onde o SO3 restante se lava com cido sulfrico a 98% de concentrao que

    absorve o SO3 para formar leum (H2S2O7), que ento diludo com gua, formando

    o cido sulfrico final desejado.

    Este oleum formado reage ento com gua, como citado, para formar H2SO4

    concentrado.

  • 34

    de se observar que a reao por dissoluo direta total do SO3 em gua no

    muito vivel como processo industrial devido a sua extrema exotermicidade.

    Formar-se-ia uma nvoa e no um lquido no processo.

    Os gases no absorvidos se descarregam atmosfera atravs de uma

    chamin, atualmente com tratamento por dispositivos para eliminar tanto poeiras

    quanto depurar os gases que afetem o ambiente.

    A seguir o fluxograma de equipamentos detalha todo o processo .

    FIGURA 10: Fluxograma de equipamentos

    Para o processo cuja matria-prima ser dixido de enxofre:

  • 35

    FIGURA 11: Fluxograma de equipamentos

    4.3.1 Fatores ocorrentes no forno

    O enxofre queima facilmente acima de 250 oC em presena de excesso de ar,

    produzindo uma chama azul e desprendendo calor. Nas unidades de cido sulfrico,

    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, de acordo com as

    necessidades de processamento da unidade. 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 oxidao do SO2. Este trixido de enxofre reage com as

    molculas de gua presentes no gs, originandas da combusto de hidrocarbonetos

    contaminantes do enxofre, produzindo cido sulfrico. De modo a evitar a

    condensao destes vapores, os fornos devem operar sob regime contnuo,

  • 36

    evitando assim que a temperatura caia a um nvel inferior do ponto de orvalho dos

    gases efluentes da combusto do enxofre.

    A operao de um forno em condies que conduzem a elevadas

    concentraes de SO2 no efluente gasoso bastante interessante, traz porm

    certos inconvenientes, dos quais o mais importante est relacionado com o fato de

    se desenvolverem elevadas temperaturas nos leitos do conversor. Estas

    temperaturas alm de afetarem a vida til do catalisador prejudicam o

    desenvolvimento da oxidao do SO2.

    Outra conseqncia desfavorvel da obteno de gases com alto teor de SO2

    reside na presena de enxofre sublimado na massa gasosa, causada por combusto

    incompleta do enxofre.

    No forno, a operao de combusto de enxofre processada em duas etapas.

    Primeiramente, o enxofre lquido vaporiza-se por absoro do calor contido na

    cmara, para depois reagir com o oxignio do ar formando SO2. De acordo com a

    forma de vaporizao do enxofre, os fornos podem ser classificados nos seguintes

    tipos:

    piscina

    cascata

    atomizador

    No primeiro tipo, o enxofre vaporizado pela ao do calor sobre o enxofre

    lquido contido em uma ou mais piscinas situadas no interior do forno. Como a

    alimentao realizada atravs de adio contnua de enxofre slido, torna-se

    extremamente difcil manter uma vazo de gs constante a uma concentrao

    definida. Por esta razo, este tipo de forno no se adapta ao processo de produo

    de cido sulfrico.

    No segundo tipo, o enxofre lquido flui em forma de cascata, vaporizando-se

    por absoro do calor nas paredes e partes internas do forno. Este tipo aplica-se

    especialmente s unidades de cido sulfrico de pequena capacidade, que operam

    com enxofre de baixo ndice de pureza.

    O terceiro tipo de forno caracteriza-se pela vaporizao do enxofre sob a forma

    de uma nuvem de minsculas gotculas suspensas na massa gasosa. Este tipo, o

    mais utilizado atualmente em unidades de cido sulfrico.

  • 37

    4.3.2 Conversor de quatro estgios (resfriamento externo)

    Especial ateno deve ser prestada ao dimensionamento dos bocais de

    entrada dos gases, com o objetivo de no permitir diferentes velocidades atravs do

    catalisador. As vazes de gs devem ser distribudas de modo a evitar pontos de

    superaquecimento, que ocasionam reduo da vida til do catalisador.

    O controle do progresso da reao efetuado pelo nvel de temperatura dos

    gases efluentes de cada estgio. Termopares so normalmente empregados para

    indicar e registrar as temperaturas dos gases que entram e saem dos leitos de

    catalisador.

    Antes de receber a carga de catalisador, o conversor sofre um processo de

    aluminizao interna, para a proteo da chapa metlica dos efeitos de corroso.

    Alguns conversores mais antigos dispem de sistemas de resfriamento interno por

    onde circula gua, ar ou vapor d'gua. Estes sistemas podem estar localizados

    dentro do prprio leito de catalisador ou entre os estgios do conversor. Este ltimo

    sistema, hoje muito pouco usado, apresenta as seguintes vantagens:

    economia do custo do casco do trocador de calor e das tubulaes;

    economia no arranjo da unidade;

    menor perda de carga, e

    menor volume do conversor

    Como desvantagens destacam-se:

    maior dificuldade para a manuteno dos tubos do trocador de calor;

    maior complexidade no projeto do conversor, e

    risco de vazamento de gua sobre o catalisador.

    As torres de absoro e secagem so normalmente de construo idntica.

    Com cerca de 3 metros de altura de recheio, estas torres dispem de um eficiente

    sistema de canaletas para a distribuio do cido sobre o material de recheio. O

    dimetro determinado pela perda de carga do gs atravs da torre. Os diversos

    tipos e tamanhos de recheio existentes permitem uma escolha flexvel.

    Para proteger a chapa de ao das torres, uma fina camada de teflon e um

    revestimento de tijolos anti-cidos so normalmente empregados:

  • 38

    Os filtros de nvoa de cido sulfrico so instalados normalmente no topo das

    torres de absoro, por economia de espao. Quando o processo requer um filtro de

    maiores dimenses sua instalao procedida separadamente da torre.

    As torres de absoro e secagem so usualmente colocadas no topo da casa

    de controle da unidade, de forma a permitir que o lquido escoe das torres para o

    tanque de acumulao de cido, no caso de uma perda de emergncia da

    instalao.

    Certas modalidades dos processos utilizam a prpria torre como tanque de

    acumulao de cido. Nesta concepo, a torre dispe de reservatrio lateral, para a

    instalao das bombas verticais de cido sulfrico.

    4.3.2.1 Gerao de Vapor D'gua

    Especial ateno deve ser prestada s diversas alternativas usadas nos

    processos de contato, para a gerao de vapor d'gua. Tal circunstncia resulta do

    fato de que o nvel trmico e a quantidade do vapor produzido so importantes

    fatores que devem ser adequadamente consideradas na avaliao tcnico-

    econmica de qualquer modalidade do processo de contato.

    No existe uma regra que indique uma configurao bsica. Dependendo das

    necessidades do produto, o vapor gerado na unidade permite que o processo seja

    auto-suficiente, e use o excedente para gerar energia eltrica ou para exportar a

    outras unidades industriais.

    No consumo interno da unidade, o vapor d'gua utilizado para fuso e

    aquecimento do enxofre e para o acionamento das turbinas acopladas,

    normalmente, ao soprador principal de ar e s bombas de alimentao de gua das

    caldeiras de recuperao de calor.

    A energia eltrica usada para a gerao do vapor d'gua provm das seguintes

    correntes de processo:

    Gs efluente do forno de combusto;

    Gs dos estgios intermedirios do conversor, e

    Gs efluente do conversor.

    Com estas energias esto disponveis a diferentes nveis de temperatura,

    obtm-se, atravs de uso de caldeiras, superaquecedores e dessuperaquecedores,

    uma grande flexibilidade na escolha do nvel de presso do vapor d'gua gerado e,

  • 39

    consequentemente, do esquema de gerao compatvel com os requisitos e a

    poltica de utilidades do usurio.

    4.3.2.2 Resfriamento do cido

    Como anteriormente descrito, o cido sulfrico circulante nas torres de

    absoro e secagem sofre um aumento de temperatura devido aos efeitos

    exotrmicos da formao e diluio do H2SO4.

    Os processos de contato retiram este calor do cido atravs de trocadores

    resfriados a ar ou gua. O uso de ar muito recente e depende basicamente das

    condies ambientes do local escolhido para a unidade. A gua tem sido largamente

    usada como meio resfriante, em sistemas abertos ou fechados, dependendo da

    disponibilidade de uma fonte abastecedora de gua fria. Na ausncia desta, uma

    torre de resfriamento de gua dever ser empregada. Nos processos mais antigos, a

    gua distribuda em forma de chuveiro sobre feixes de tubos de ferro fundido, por

    onde circula o cido quente, sendo recolhida num reservatrio, tipo piscina, e da

    bombeada para o topo da torre de resfriamento.

    Os tubos de ferro fundido podem ser do tipo normal "Schedule 80" ou ento do

    tipo "Crane" com aletas internas que aumentam a superfcie de contato do cido.

    As unidades mais modernas tm adotado o uso de trocadores do tipo casco e

    tubos, com proteo andica, ou trocadores de placas construdas em Hasteloy C

    com juntas de VITON. Estes trocadores encontraram grande aceitao por

    proporcionarem uma grande economia de espao, bem como, por dispensarem a

    bomba que transfere a gua quente ao topo da torre de resfriamento.

    4.3.2.3 Regime Produtivo

    As unidades de produo de cido sulfrico pelo processo de contato so

    normalmente projetadas para operar de forma contnua, durante 330 dias por ano, o

    que corresponde a um fator operacional da ordem de 92%.

  • 40

    4.3.2.4 Tratamento e Descarga de Efluentes

    Conforme anteriormente mencionado, so dois os efluentes secundrios

    gerados nas unidades de cido sulfrico, ou seja: resduo slido proveniente da

    purificao do enxofre e os gases sulfurosos lanados na atmosfera.

    O resduo da purificao do enxofre corresponde a uma mistura de enxofre,

    cinzas e terra diatomcea. Esta massa arenosa usualmente removida do filtro de

    enxofre a cada 12 horas de operao. Ocasionalmente, procedida a limpeza dos

    compartimentos de fuso e sedimentao. A remoo dos slidos depositados no

    fundo desses compartimentos realizada por adio de gua fria, de modo a que

    seja produzida uma pasta de enxofre semifundida e gua, que removida dos

    compartimentos por meio de um guindaste de caamba. A eliminao destes

    resduos slidos no acarreta dificuldades, face ao pequeno volume que

    produzido.

    Comercialmente, este resduo pode ser utilizado como carga na fabricao de

    fertilizantes fosfatados.

    Especial ateno deve ser prestada, no entanto, aos gases liberados aps a

    absoro, basicamente compostos de N2, O2, SO2, SO3 e gotculas de cido. O

    cido lquido normalmente removido por uma operao de filtrao, enquanto os

    gases so dispensados no ar atravs de uma chamin.

    A operao de filtrao normalmente realizada com um filtro do tipo vela

    (Brink de alta eficincia), que utiliza o efeito de movimento Browniano, de captao

    de pequenas gotculas. O gs forado a passar pelas pequenas aberturas do filtro

    a baixas velocidades provocando o agrupamento das gotculas de cido em gotas

    de tamanho maior, separveis do gs.

    Outros mtodos, no entanto, podem ser empregados, como por exemplo a

    lavagem dos gases com solues alcalinas. Na prtica, contudo, no so utilizados

    devido aos altos investimentos e custos operacionais envolvidos.

    A altura da chamin calculada de modo a que seja proporcionada uma

    disperso tal do gs que assegure uma concentrao de SO2, ao nvel do solo no

    superior ao valor estabelecido pelas normas vigentes para o controle de emisso de

    gases poluentes.

    Existem correlaes empricas que permitem calcular a altura mnima da

    chamin para que sejam satisfeitas tais normas, levando em considerao fatores

  • 41

    como concentrao de SO2 no gs, velocidade do gs e temperatura do ar e dos

    gases.

    4.3.2.5 Controle Operacional

    Para o eficiente desempenho da unidade, necessria a manuteno de um

    estrito controle operacional nas diversas etapas do processo de contato. As reas

    crticas de controle podem ser sumarizadas nos seguintes pontos:

    Temperatura do enxofre e do vapor de aquecimento, durante a etapa de fuso

    e filtrao do enxofre;

    Vazo de ar de enxofre na etapa de combusto;

    Temperatura dos gases na entrada e sada dos leitos catalticos do conversor,

    e:

    Temperatura, concentrao e vazo do cido distribudo nas torres de

    absoro e secagem.

    Os instrumentos a serem utilizados nas unidades de cido sulfrico exigem

    uma criteriosa seleo, devido ao carter de agressividade qumica das correntes do

    processo.

    4.3.3 Operao de Absoro- Influncias

    Diversos fatores influem na eficincia da operao de absoro, sendo os mais

    importantes a temperatura, a concentrao do cido usado, a umidade do gs a ser

    absorvido e a distribuio de cido no material de recheio da torre.

    As baixas temperaturas favorecem a absoro, e como a presso de vapor do

    cido sulfrico funo direta da temperatura, a quantidade de cido vaporizada no

    gs diminui - com conseqente aumento da eficincia da operao - medida em

    que a absoro do SO3 conduzida temperatura reduzida.

    A experincia demonstra que absoro mais eficiente, quando empregado

    cido sulfrico entre 98 e 99% de concentrao, como agente absorvente do SO3.

    cidos mais diludos ou ento a presena da umidade no gs provoca a formao

    de gotculas de cido sulfrico, que, arrastadas pela massa gasosa, representam um

    problema operacional de razovel gravidade, principalmente em unidade que

    utilizam o processo de duplo contato. As gotculas de cido, com dimetro em torno

  • 42

    de 1 mcron, caracterstica que torna a sua separao extremamente difcil, atuam

    com ncleos de condensao dos vapores de cido sulfrico. Tal mecanismo

    acentuado medida que os gases cedem calor ao longo das tubulaes, condio

    que proporciona crescimento das gotculas e conseqente ao corrosiva sobre os

    equipamentos.

    Para resolver este problema, so normalmente adotadas as seguintes

    solues: remoo das gotculas de cido por filtrao e aquecimento dos dutos de

    gs, para evitar condensao dos vapores de cido. Como a remoo total dessas

    gotculas extremamente difcil e onerosa, procede-se, na prtica, uma separao

    parcial, cujo grau basicamente definido por um balano econmico, nos casos de

    unidades que operam segundo o processo de duplo contato, entre os custos dos

    cascos dos trocadores de calor do sistema conversor-torre de absoro primria e

    dos diversos tipos de filtros comercialmente disponveis.

    Outro importante fator que controla a eficincia da operao de absoro a

    distribuio do fluxo de cido sulfrico sobre o recheio da torre. Este fator conhecido

    como "grau de molhamento", medido em volume de cido por unidade de rea da

    seo transversal da torre, e deve oscilar entre um mximo, que funo da perda

    de carga do gs, e um mnimo ditado pela prtica operacional.

    Grande ateno foi dedicada ao estudo dos tipos de recheio utilizados em

    torres de absoro, existindo uma srie de correlaes empricas que permitem

    calcular o dimetro, altura e perda de carga nos referidos equipamentos, dentro de

    uma faixa de razovel preciso. O dimetro da torre determinado em funo da

    perda de carga mxima econmica, que resulta do melhor balano econmico entre

    o alto investimento e baixo custo operacional associados a torres de baixa perda de

    carga, e o baixo investimento conjugado ao alto custo operacional em torres que

    operam com uma alta perda de carga.

    Os recheios mais comumente usados so Selas Intalox, de 2 a 3 polegadas de

    cermica e anis bipartidos de 4, 6 e 8 polegadas. Em uma torre idntica de

    absoro do SO3 procedida a secagem do ar atmosfrico empregado na operao

    de combusto do enxofre e, tambm, em alguns casos, como agente resfriador dos

    gases processados no conversor cataltico.

  • 43

    4.3.4 Impurezas no processo

    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.

    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 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.

    O primeiro normalmente procedido em reservatrio solidrio ao tanque de

    fuso, de onde o enxofre lquido flui por gravidade. As partculas slidas tendem a

    depositar-se no fundo dos reservatrios, enquanto o enxofre sobrenadante

    bombeado para processamento. O tempo de residncia do enxofre nestes

    reservatrios depende basicamente do teor de cinzas presente.

    Em 24 horas, a quantidade de cinzas no enxofre baixa em 90%, enquanto em

    48 horas o teor reduzido em 98%.

    O segundo mtodo de remoo de partculas do enxofre fundido envolve o uso

    de filtros sob presso. Tal mtodo foi inicialmente aplicado em instalaes nas quais

    as condies de recebimento e armazenagem do enxofre acarretavam a

  • 44

    contaminao do material com substanciais quantidades de impurezas firmamente

    divididas, no suscetveis de remoo nos tanques de sedimentao.

    Atualmente, a maioria das instalaes de produo de cido sulfrico adota 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. 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.

    4.3.5 Efluentes Secundrios

    As unidades de cido sulfrico que utilizam a tecnologia de contato, utilizando

    enxofre como matria prima, apresentam os seguintes efluentes secundrios:

    Gases sulfurosos

    Resduos slidos da purificao do enxofre

    Os gases sulfurosos, lanados atmosfera, contm SO2, SO3, N2, O2,vapor

    d'gua e gotculas de cido sulfrico.

    Os resduos da purificao do enxofre resultam da operao de filtrao, na

    qual utilizada terra diatomcea como meio filtrante, acrescidos das crostas

    removidas nas limpezas dos reservatrios de sedimentao e fuso do enxofre.

    A seguir pode-se observar duas imagens externas de industria de acido

    sulfrico com processo de contato.

  • 45

    FIGURA 12: Industria de cido sulfrico (processo de contato) (26)

    FIGURA 13: Indstria de cido sulfrico (processo de contato) (27)

  • 46

    BALANO DE MASSA E ENERGIA

    5 BALANO DE MASSA

    5.1 TRITURADOR E PENEIRA

    O enxofre que entra no triturador apenas diminuir de granulao, portanto no

    h perda de massa considervel. Destaca-se apenas que h um reciclo do material

    que ficou retido na peneira.

    Na peneira pode haver resduo slido, sendo este algum material que possa

    estar misturado com o enxofre e que no tenha sofrido fragmentao estando ento

    retido.

    Para clculos do processo considera-se uma corrente de entrada de 10 ton/h

    de enxofre:

    FIGURA 14: Balano no triturador e peneira

    Nota-se que o resduo slido muito pequeno comparado com a massa

    que sai da peneira. Portanto, para os prximos clculos a massa da sada da

    peneira ser 10 ton/h.

    5.2 FORNALHA

    Na fornalha o enxofre peneirado reage com o oxignio formando dixido de

    enxofre conforme a reao:

    S + O2 SO2

  • 47

    Sabe-se que o peso atmico do enxofre 32,006 g/mol. Portanto para a

    corrente de entrada de 10 ton/h temos 312,5 kmol de enxofre.

    Da estequiometria 1:1 nota-se que sero necessrio 312,5 kmol de oxignio

    para que a reao seja completa. Para tanto sendo o ar atmosfrico composto por

    21% de O2 utilizaremos 1488,1 kmol de ar/h.

    Como a matria-prima o enxofre e o custo para a secagem do ar no mudar

    mediante a proporo precisamos garantir que a reao seja completa. Para isso

    utiliza-se ar em excesso. Considerando que se utiliza o dobro de ar do necessrio

    para que ocorra a reao, logo na corrente de ar entrar 2976,2 kmol de ar/h. A

    massa molecular do ar (0,21*15,99*2 +0,79*14,00674*2)=0,02884 kg em 1 mol de

    ar, onde 15,99g a massa molecular do oxignio e 14,00674g do nitrognio. Pode-

    se ento calcular a massa de ar na corrente de entrada como demonstrado a seguir:

    J caracterizada as correntes de entrada pode-se estimar a corrente de sada.

    Admitindo que 99% foram convertidos em SO2 teremos na corrente de sada o

    dixido de enxofre, todo o nitrognio presente no ar, enxofre no reagido e o

    oxignio no reagido juntamente com seu excesso propositalmente adicionado.

    Visto que a estequiometria da reao novamente se faz 1:1, 100% de SO2

    equivalem a 312,5 kmol de dixido/h. Para 99% de converso tem-se 309,4 kmol /h

    de dixido de enxofre na corrente de sada.

    Para o enxofre a relao ser 312,5 kmol que entrou menos 309,4 kmol /h

    reagido, logo 3,1 kmol /h de enxofre na corrente de sada.

    Anteriormente destacou-se que para a reao completa necessrio 1448,1

    kmol de ar/h, como a reao teve 99% de converso por considerao apenas

    1443,62 kmol/h so utilizados restando ento na corrente de sada (2976,2-

    1433,62)= 1542,58 kmol de ar/h.

    Como o ar composto por 21% oxignio e 79% nitrognio tem-se

    1542,58*0,21=323,94 kmol/h de oxignio na sada e 2976,2*0,79=2351,198 kmol/h

    de nitrognio.

    A seguir a tabela demonstrar a partir da quantidade de kmols especificada

    acima para cada elemento na corrente de sada e a sua respectiva massa em kg.

  • 48

    TABELA 02: Balano no forno de enxofre

    Elemento N de kmols/h Massa molecular

    (kg/kmol)

    Massa (ton/h)

    SO2 309,4 63,98 19,80

    S 3,1 32 0,099

    O2 323,94 31,98 10,36

    N2 2351,198 28 65,83

    A seguir a esquema do formo com seu respectivo balano de massa:

    FIGURA 15: Balano no forno de enxofre

    5.3 TORRE DE SECAGEM

    Ar atmosfrico passa pela torre de secagem onde entrar em contato com

    acido sulfrico concentrado em contra corrente para a remoo da umidade presente

    nele.

    Supondo que o acido no tanque intermedirio que est circulando na torre de

    secagem possui 0,84 kmol de gua em cada 1 kmol de acido sulfrico (valor

    encontrado para o balano no tanque intermedirio para o sistema criado com base

    em todas as consideraes) e que so necessrias 500 kmol/h de cido sulfrico

    para a remoo da umidade da corrente de ar atmosfrico. Sendo a massa

    molecular do H2SO4= 97,96kg/kmol e da H2O = 17,99 kg/kmol teremos na corrente

    de entrada do cido na torre se secagem 500kmols/h*97,96 kg/kmol = 48,98 ton/h e

  • 49

    421kmol/h*17,99kg/kmol=7,57 ton/h. Alm disso, supe-se que este ar possui 0,10

    kg de H2O/ kg de ar.

    Para a combusto do enxofre vimos que necessita de 85,9 ton/h de ar.

    Baseando-se nessa informao e nas consideraes citadas, obtiveram-se os

    seguintes valores no balano:

    FIGURA 16: Balano na torre de secagem

    5.4 CALDEIRA E FILTRO DE GS QUENTE

    A caldeira no ter variao de massa, pois no processo de resfriamento o

    dixido de enxofre circula na parte interna dos tubos da caldeira e pela superfcie

    externa dos tubos escoa gua de arrefecimento, portanto no havendo contato entre

    os fluidos.

    Outro fator importante que a massa de gua utilizada para resfriar depender

    do tamanho do equipamento e no ser destacada, pois depende do

    dimensionamento da caldeira de acordo com o balano de energia. A massa de

    gua no afetara nas demais etapas do processo, no balano de massa.

  • 50

    No filtro de gs quente, a dixido de enxofre passar a fim de remover qualquer

    substncia que possa envenenar posteriormente o catalisador no conversor de

    quatro etapas. Contudo, pode-se dizer que a massa removida de impureza muito

    pequena em relao do gs. Considera-se que a massa se manteve constante

    conforme ilustrado na figura a seguir:

    FIGURA 17: Balano na caldeira e filtro quente

    5.5 CONVERSOR, CALDEIRA,TROCADORES DE CALOR INTERMEDIRIOS,

    ECONOMIZADOR E TORRE DE ABSORO INTERMEDIRIA

    FIGURA 18: Conversor e equipamentos entre os estagios

  • 51

    Para o balano de massa na caleira, salienta-se como na caldeira anterior que

    no haver contato direto, devido o gs circular pelo interior dos tubos e fluido

    refrigerante (gua) pela superfcie externa dos tubos. Dessa forma toda a massa de

    gs que entrar ir sair inalterada bem como a da gua que esta circulando

    externamente.

    Para os trocadores de calor tambm no ocorrer mudana na massa, pois

    anlogo a caldeira o fluido que est sendo resfriado no entra em contato com o que

    esta recebendo esse calor.

    O economizador est no conjunto de equipamentos em que a massa de

    entrada e sada no varia.

    Contudo todos estes equipamentos citados possuem corrente de entrada e

    sada dependente do conversor de quatro etapas. Este sim possui massa das

    substncias variando, pois nele que ocorre a converso do dixido de enxofre em

    trixido de enxofre na presena do catalisador pentxido de vandio, como

    demonstra e reao a seguir:

    3222

    1SOOSO

    O conversor possui uma dada converso para cada estgio, portanto suas

    correntes de entrada e sada para cada estgio possuem valores diferentes. A

    converso atingida na primeira etapa aproximadamente 63%. Na segunda 84%,

    terceira 93% e por fim na quarta etapa tem-se 99,5% do dixido convertido em

    trixido.

    Conhecendo a corrente de entrada, que vem do forno pode-se calcular as

    correntes intermedirias de acordo com as convenes atingidas ao longo das

    etapas em relao a massa de entrada. A tabela que segue trs a quantidade em

    kmols e em ton/h para cada estgio. Cabe salientar que antes de fazer o balano

    para a quarta etapa do conversor calculou-se as massas de circulao na torre de

    absoro intermediaria.

    A torre de absoro intermediaria est atrelada ao tanque intermedirio.

    Analogamente as consideraes feitas para a torre que secagem que tambm est

    utilizando este tanque, assume-se que em cada 1 kmols de acido sulfrico haver

    0,84 kmol de gua(valor encontrado no balano para o tanque intermedirio com

    base em todas as consideraes citadas). A reao nesse equipamento ser:

  • 52

    Supe-se tambm que 90% do trioxido de enxofre ser convertido em acido

    sulfrico na torre de absoro intermediria e que nessa etapa no h formao do

    leum. De acordo com todas as consideraes feitas pode-se calcular a massa de

    cada elemento das correntes.

    Nota-se que em todas as correntes dos processos citados nos equipamentos

    em destaque o nitrognio no variar de massa bem como o enxofre que no foi

    reagido. Portanto para estes elementos o valor do nitrognio ser 65,83 ton/h

    (2351,198 kmol) e do enxofre no reagido 0,099 ton/h (3,1 kmol).

    A massa molecular utilizada para os clculos SO2=63,98kg/kmol, SO3=79,97

    kg/kmol e O2= 31,98 kg/kmol.

    TABELA 03: Quantidade de cada elemento nas correntes referentes ao conversor

    Etapas do Conversor SO2 SO3 O2

    kmol/h ton/h kmol/h ton/h kmol/h ton/h

    1 Entrada 309,4 19,8 0 0 323,94 10,36

    Sada 114,5 7,32 194,9 15,59 226,48 7,24

    2 Entrada 114,5 7,32 194,9 15,59 226,48 7,24

    Sada 49,504 3,17 259,844 20,78 193,94 6,2

    3 Entrada 49,504 3,17 259,844 20,78 193,94 6,2

    Sada 21,98 1,41 287,42 22,98 180,069 5,7

    4 Entrada 21,98 1,41 28,73 2,3 180,069 5,7

    Sada 1,547 0,099 30,78 2,46 170,013 5,44

    Pode-se ento representar as massas respectivas de cada corrente para este

    conjunto de equipamentos:

  • 53

    FIGURA 19: Balano no converor e equipamentos entre os estagios

    Por fim, abaixo esto representadas as massas de cada elemento para todas

    as etapas, incluindo entradas e saidas do conversor

    FIGURA 20: Correntes de entrada e sada com conversor

  • 54

    5.6 TORRE DE ABSORO FINAL, TANQUE INTERMEDIRIO E FINAL

    A torre de absoro final est diretamente ligada com o tanque final.

    Geralmente nessa torre a formao de leum conforme a reao abaixo:

    Este leum formado reage ento com gua no tanque final para formar H2SO4

    concentrado.

    Contudo, para a o processo admitido nos clculos de balano de massa a

    corrente que entra na torre de absoro vinda do tanque possui grande quantidade

    de gua, e com isso no ocorrer formao do leum mais sim do cido sulfrico

    d