Este documento describe la historia, propiedades y procesos de producción del ácido sulfúrico (H2SO4). Explica que el ácido sulfúrico se ha producido desde aproximadamente el año 1000 y que actualmente se produce principalmente a través del proceso de contacto. También resume las propiedades químicas clave del ácido sulfúrico y sus usos industriales más importantes.

1. EL ÁCIDO SULFÚRICO (H 2 SO 4 ) Sara Lozano.

2. Historia del ácido sulfúrico El ácido sulfúrico fue producido por primera vez aproximadamente en el año 1,000. Por 8 siglos, el ácido sulfúrico fue preparado por el quemado de salitre con azufre. En el siglo XVIII y XIX, este fue esencialmente producido por una cámara procesadora en la cual el óxido de nitrógeno era usado como un catalizador para la oxidación del óxido de azufre. El producto hecho por este proceso era de baja concentración, no era lo suficientemente alto para los muchos usos comerciales. En el siglo XIX, dicha cámara fue gradualmente reemplazada por el proceso de contacto, y ahora el método de la cámara procesadora es considerado obsoleto.

3. Historia ácido sulfúrico En el año de 1963, se desarrolla el primer proceso de doble absorción en gran escala. En este proceso, el gas SO2 parcialmente convertido en SO3por medio de un catalizador es refrigerado, pasa a través del ácido sulfúrico para remover SO3recalentado, y luego es pasado a través de una o dos cámaras catalizadores. Por este método, la conversión total puede ser incrementada desde el 98% al 99.5-99.8%, por consiguiente reduciendo la emisión del SO2convertido a la atmósfera. El proceso de contacto ha sido mejorado en todo detalle y es ahora una de las industrias de bajo costo, con un proceso automático continuo. Todas las nuevas plantas de ácido sulfúrico usan el proceso de contacto. Las pocas plantas de pequeña capacidad emplean la cámara de procesamiento que representan el 5% de las plantas de ácido sulfúrico.

4. Propiedades del ácido sulfúrico El ácido sulfúrico al 100% es un líquido incoloro, inodoro, denso y viscoso. Esto se refiere al monohidrato, el cual puede ser considerado con una composición equimolecular de agua y trióxido de azufre. Este pierde trióxido de azufre en el calentamiento hasta que, aproximadamente a los 338ºC, resulta un ácido de 98.3 %. - Fórmula: H 2 SO 4 - Peso molecular: 98.08 - Sp. gr.: 1.834 18 C /4 - Punto de Fusión: 10.49 C - Punto de Ebullición: se descompone a 340 ºC

5. Propiedades ácido sulfúrico Es soluble en todas las proporciones en agua, produciendo una gran cantidad de calor. Una libra de ácido sulfúrico al 100 por ciento diluido a 90 por ciento libera 80 Btu y diluido a 20 por ciento libera 300 Btu. · Es muy fuerte y corrosivo para la vida de los materiales estructurales. · Posee punto de ebullición alto y se puede emplear para producir ácidos volátiles como HCl y HCN. · Es un agente oxidante suave. No se puede usar para preparar HBr o HI. · Concentrado y en caliente disuelve al Cu. · Es deshidratante.

6. Propiedades del ácido sulfúrico El ácido sulfúrico es capaz de disolver grandes cantidades de trióxido de azufre, produciendo varios grados de oleum. Cuando estas soluciones (ácido sulfúrico-óxido sulfúrico) es mezclado con agua, el oxido se combina con agua, formando mas ácido sulfúrico. La siguiente tabla muestra varios grados que son comercializados para satisfacer los requerimientos de las industrias. Nombre Porcentaje H 2 SO 4 Densidad Específica a 15.6 C Ácido de batería Ácido 50 Be 33.5 1.250 Ácido de fertilizante Ácido 60 Be 62.2 1.526 Ácido de torre Ácido 66 Be 77.67 1.706

7. Propiedades del ácido sulfúrico a) Propiedades ácidas: El ácido sulfúrico da todas las reacciones características de los ácidos: reacciona con los óxidos e hidróxidos de los metales formando la sal correspondiente, ataca a los metales que se encuentran por encima del hidrógeno en la serie de tensiones, etc. CaO + H 2 SO 4 ----- >CaSO 4 + H 2 O 2 NaOH + H 2 SO 4 -- >Na 2 SO 4 + 2 H 2 O Mg + H 2 SO 4 ------- >MgSO 4 + H 2 Es un ácido fuerte. Debido al elevado punto de ebullición del ácido sulfúrico, se utiliza este ácido para desplazar de sus sales a ácido que hierven a temperaturas más bajas

8. Propiedades del ácido sulfúrico b ) Acción deshidratante: el ácido sulfúrico no solamente elimina agua de los materiales sino que elimina los dos elementos que la forman ( hidrógeno y oxígeno), tiene una fuerte apetencia por el agua, dando lugar a una serie de hidratos. Como ocurre en muchos hidratos de carbono: C 12 H 22 O 11 (s) + 11 H 2 SO 4 (cc) ---- >11 HSO 4 - (ac) + 12 C(s) + 11 H 3 O + (ac) HCOOH(s) + H 2 SO 4 (cc) ---- > HSO 4 - (ac) + CO(g) + H 3 O + (ac) c) Acción oxidante: el ácido sulfúrico no tiene un poder oxidante notable. Este poder viene determinado por los valores de los diferentes potenciales redox: H 2 SO 3 + H 2 O ----> SO 4 2- + 4 H + + 2e - Eº=-0.20V H 2 SO 3 + 4OH - ----> SO 4 2- + 3 H 2 O + 2e - Eº=0.90V

9. Propiedades del ácido sulfúrico Sólo concentrado y en caliente el potencial es suficiente para oxidar metales como el cobre, a los que disuelve. Los productos de la reducción del H 2 SO 4 pueden ser el SO 2 , el S, el H 2 S, según las fuerzas relativas de oxidante-reductor. Cu + 2 H 2 SO 4 ----> CuSO 4 + 2 H 2 O + SO 2 C + 2 H 2 SO 4 ----> CO 2 + 2 SO 2 + 2 H 2 O d) Reacciones orgánicas: e l ácido sulfúrico interviene también en numerosas reacciones orgánicas, bien como reactivo, bien como catalizador. S ulfonación de hidrocarburos aromáticos: C 6 H 6 + H 2 SO 4 ---- C 6 H 5. SO 2. OH + H 2 O

10. Plantas de ácido sulfúrico La planta de ácido sulfúrico está diseñada para producir 98% de ácido sulfúrico desde el azufre de 99.5% de pureza con una producción máxima de presión de vapor 17 Kg/Cm2. - Capacidad de producción: una unidad de quemado de una serie simple de azufre puede producir 30 toneladas de ácido sulfúrico (98%) por día (capacidad mínima). - Mano de obra requerida: 7 personas - Materia prima: 3,300 Kg. de azufre por tonelada métrica de ácido sulfúrico (98%) producida. Y 186-190 Kg. de agua por tonelada métrica de ácido sulfúrico (98%) producido - Maquinaria y equipo: agitador de azufre derretido, soplador de aire, tolva de desechos calientes... - Instrumentos y aparatos de control: instrumentos de programación y indicadores de alarma de la planta.

11. Plantas de ácido sulfúrico -Localización de la planta: la planta de ácido sulfúrico podría ser ubicada cerca de un suministro de azufre, con una buena facilidad de transporte para el mercado y en una área aceptable para el desecho del afluente del gas. - Protección de la planta: · El soplador y las bombas de azufre están unidos, cuando el soplador pare, la bomba de azufre también parará. La bomba de azufre no puede ser reiniciada hasta que el soplador sea primero iniciado. · La condición de alarma de una caldera de un nivel extremadamente bajo, cerrará el soplador con fuerza hacia abajo, y la bomba de azufre se parará.

12. Producción de ácido sulfúrico El ácido sulfúrico se encuentra disponible comercialmente en un gran número de concentraciones. dos procesos principales para la producción de ácido sulfúrico, el método de cámaras de plomo y el proceso de contacto. El proceso de cámaras de plomo es el más antiguo y es utilizado para producir gran parte del ácido consumido en la fabricación de fertilizantes. El proceso de contacto produce un ácido más puro y concentrado. En ambos procesos el dióxido de azufre (SO 2 ) es oxidado y disuelto en agua. El dióxido de azufre es obtenido mediante la incineración azufre, tostando piritas (Bisulfuro de Hierro), tostando otros sulfuros no ferrosos, o mediante la combustión de sulfuro de hidrógeno (H 2 S) gaseoso.

13. Proceso de cámaras de plomo El dióxido de azufre (SO 2 ) gaseoso caliente entra por la parte inferior de un reactor llamado torre de Glover donde es lavado con vitriolo nitroso (ácido sulfúrico con oxido de nitrógeno (NO) y dióxido de nitrógeno (NO 2 ) disueltos en él), y mezclado con oxido de nitrógeno (NO) y dióxido de nitrógeno (NO 2 ) gaseosos. Parte de dióxido de azufre es oxidado a trióxido de azufre (SO 3 ) y disuelto en el baño ácido para formar el ácido de torre o ácido de Glover (aproximadamente 78% de H 2 SO 4 ). SO 2 + NO 2 -> NO + SO 3 SO 3 + H 2 O H 2 SO 4 -> (ácido de Glover)

14. Proceso de cámaras de plomo De la torre de Glover una mezcla de gases dióxido y tritóxido de azufre, óxidos de nitrógeno, nitrógeno, oxigeno y vapor) es transferida a una cámara recubierta de plomo donde es tratado con más agua. La cámara puede ser un gran espacio en forma de caja o un recinto con forma de cono truncado. El ácido sulfúrico es formado por una serie compleja de reacciones; condensa en las paredes y es acumulado en el piso del la cámara. Pueden existir de tres a seis cámaras en serie, donde los gases pasan por cada una de las cámaras en sucesión. El ácido producido en las cámaras, generalmente llamado ácido de cámara o ácido de fertilizante, contiene de 62% a 68% de H 2 SO 4 . NO + NO 2 + H 2 O -> 2 HNO 2 HNO 2 + H 2 SO 3 -> H 2 SO 4 (ácido de cámara)

15. Proceso de cámaras de plomo Luego de que los gases pasaron por las cámaras se los hace pasar a un reactor llamado torre de Gay-Lussac donde son lavados con ácido concentrado enfriado (proveniente de la torre de Glover). Los óxidos de nitrógeno y el dióxido de azufre que no haya reaccionado se disuelven en el ácido formando el vitriolo nitroso utilizado en la torre de Glover. Los gases remanentes son usualmente liberados en la atmósfera. En la siguiente diapositiva encontraremos un diagrama del proceso de cámaras de plomo.

16. Proceso de cámaras de plomo

17. Proceso de contacto Este proceso se basa en el empleo de un catalizador para convertir el SO 2 en SO 3 , del que se obtiene ácido sulfúrico por hidratación. 2 SO 2 + O 2 -> 2 SO 3 SO 3 + H 2 O -> H 2 SO 4 En este proceso, una mezcla de gases secos que contiene del 7 al 10% de SO 2 , según la fuente de producción de SO 2 (el valor inferior corresponde a plantas que tuestan piritas y el superior a las que queman azufre), y de un 11 a 14% de O 2 , se precalienta y una vez depurada al máximo, pasa a un convertidor de uno o más lechos catalíticos, por regla general de platino o pentaóxido de vanadio, donde se forma el SO 3 . Se suelen emplear dos o más convertidores.

18. Proceso de contacto Los rendimientos de conversión del SO 2 a SO 3 en una planta en funcionamiento normal oscilan entre el 96 y 97%, pues la eficacia inicial del 98% se reduce con el paso del tiempo. Este efecto de reducciones se ve más acusado en las plantas donde se utilizan piritas con un alto contenido de arsénico, que no se elimina totalmente y acompaña a los gases que se someten a catálisis, provocando el envenenamiento del catalizador. En ocasiones, el rendimiento puede descender hasta alcanzar valores próximos al 95%. En el segundo convertidor, la temperatura varia entre 500º y 600ºC. Se selecciona para obtener una constante óptima de equilibrio con una conversión máxima a un coste mínimo. El tiempo de residencia de los gases en el convertidor es aproximadamente de 2-4 segundos.

19. Proceso de contacto Los gases procedentes de la catálisis se enfrían a unos 100ºC aproximadamente y atraviesan una torre de óleum, para lograr la absorción parcial de SO 3 . Los gases residuales atraviesan una segunda torre, donde el SO 3 se lava con ácido sulfúrico de 98%. Por ultimo, los gases no absorbidos se descargan a la atmósfera a través de una chimenea. Existe una diferencia entre la fabricación del SO 2 por combustión del azufre y por tostación de piritas, sobre todo si son arsenicales. El polvo producido en el proceso de tostación nunca puede eliminarse en su totalidad y, junto con las impurezas, influye sensiblemente sobre el rendimiento general de la planta. La producción de ácido sulfúrico por combustión de azufre elemental presenta un mejor balance energético pues no tiene que ajustarse a los sistemas de depuración tan rígidos forzosamente necesarios en las plantas de tostación de piritas.

20. Proceso de contacto

21. Usos ácido sulfúrico El ácido sulfúrico tiene una gran importancia a nivel industrial, consecuencia del número tan elevado de procesos industriales y de laboratorio en que interviene, así como del volumen del ácido que entra en juego en muchos de ellos. Pero nos limitaremos a nombrar aquellos que implican un mayor consumo del producto: - Abonos. Una gran parte del ácido sulfúrico que se fabrica se destina a la obtención de diversos fertilizantes, como son el sulfato amónico y derivados y los superfosfatos: Ca 3 (PO 4 ) 2 + H 2 SO 4 ---- Ca(H 2 PO 4 ) 2 + 2 CaSO 4 - Obtención de productos químicos. El ácido sulfúrico se emplea como materia prima en la obtención de numerosos productos químicos, como, por ejemplo, los ácidos clorhídrico y nítrico.

22. Usos ácido sulfúrico - Colorantes y drogas. El ácido sulfúrico es, asimismo, la sustancia de partida de la fabricación de muchos colorantes, algunos de cuyos pigmentos son sulfatos metálicos. Asimismo tiene un amplio uso en la obtención de drogas, desinfectantes, etc. - Refinado del petróleo. En la industria petroquímica se emplea el ácido sulfúrico para eliminar diversas impurezas de muchas de las fracciones del destilado del petróleo, tales como gasolinas, disolventes y otros. - Siderurgia. En esta industria el ácido sulfúrico se emplea, fundamentalmente, en el decapado del acero(también se usa en este proceso el HCl) antes de someterlo a procesos finales, como son los diversos recubrimientos. - Otros usos. Como la fabricación de seda artificial, plásticos de diversa naturaleza, explosivos, acumuladores, etc.

23. FIN