Proceso de producción de ácido sulfúrico

1. PROCESO DE PRODUCCIÓN DE
ÁCIDO SULFÚRICO

2. PROPIEDADES DEL ÁCIDO SULFÚRICO
APARIENCIA Liquido, aceitoso, incoloro
FÓRMULA
DENSIDAD 1840 kg/m3; 1.84 g/cm3
MASA MOLAR 98,08 g/mol
PUNTO DE FUSIÓN 283oK (10 °C)
PUNTO DE EBULLICIÓN 610oK (337 °C)
SOLUBILIDAD EN AGUA MISCIBLE
OTROS NOMBRES Tetraoxosulfato (VI) de hidrógeno
Aceite de vitriolo
Licor de vitriolo
Espíritu de vitriolo

3. OBTENCIÓN DEL ÁCIDO SULFÚRICO
El método más antiguo a partir del que
obtenemos ácidos poco concentrados, por
lo que actualmente está entrando en fase
de desuso. Utiliza una catálisis
homogénea
Más moderno, se caracteriza por el
empleo de catalizadores heterogéneos
que permiten obtener ácidos muy
concentrados.
En ambos métodos, el reactivo de partida es el SO2, (dióxido de
azufre), que se obtiene a partir de la tostación de piritas.
CÁMARAS DE
PLOMO
PROCESO
DE
CONTACTO

4. CÁMARAS DE PLOMO
Es el proceso en que el SO2 gaseoso caliente entra por la parte inferior de un reactor llamado torre
de Glover donde es lavado con vitriolo nitroso, y mezclado con NO y NO2 gaseosos. Parte de SO2 es
oxidado a SO3 y disuelto en el baño ácido para formar el ácido de Glover, que contiene un 78% de
H2SO4:
SO2 + NO2 ----------> NO + SO3
SO3 + H2O ----------> H2SO4
De la torre de Glover una mezcla de gases (SO2, SO3, NO, N2, O2 y H2O(g)) es transferida a una
cámara recubierta de plomo donde es tratado con más agua. El ácido sulfúrico es formado por una
serie compleja de reacciones. 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 fertilizante, contiene de 62% a 68% de H2SO4.
NO + NO2 + H2O ------------> 2HNO2
HNO2 + H2SO3 -------------> H2SO4
Los gases que no hayan reaccionado son liberados a la atmósfera.

6. Las etapas principales de que consta la fabricación del ácido sulfúrico por el método de las cámaras de
plomo son:
1. Obtención del dióxido de azufre, SO2, generalmente a partir de la principal materia prima: el mineral conocido
como pirita, de fórmula FeS2. Este proceso se lleva a cabo en un horno de tostación de pirita. La tostación
de la pirita produce un gas que contiene el SO2 requerido en una proporción aproximada del 10%; el 90%
restante son otros gases.
2. Oxidación de SO2 producido a trióxido de azufre, SO3, por la acción del aire en presencia de un
catalizador. El gas procedente del horno de tostación de pirita, con un 10% de SO2, pasa a un segundo
elemento del sistema, la llamada Torre de Glover. Esta torre, de unos 16 metros de altura, está rellena con
anillos de porcelana. Por la parte superior de la torre entra una corriente de la llamada mezcla nitrosa. Dicha
mezcla contiene ácido sulfúrico y óxidos de nitrógeno, NO y NO2, principalmente, que son los que actúan como
catalizadores.

7. En esta Torre de Glover, tiene lugar, en parte, la reacción:
SO2 + O2 –> SO3
El SO2 que se oxida es el que está presente en la mezcla de gases procedente del horno de tostación de
pirita.
Asimismo, también cierta cantidad del SO3 que se va produciendo (en torno al 10% del SO2 inicial) pasa a ácido
sulfúrico según:
SO3 + H2O –> H2SO4
En realidad, la reacción es más compleja y parece ser que también hay intervención aquí, en la torre de
Glover (no solo en las cámaras de plomo posteriores) del óxido de nitrógeno:
SO2 + NO2 –> NO + SO3
SO3 + H2O –> H2SO4
Éste es el llamado ácido de torre o ácido de Glover, que tiene aproximadamente una concentración del 78%,
pero no es el producto final. El ácido considerado producto final es el que se produce en las cámaras de plomo
en la siguiente etapa.
En este proceso de producción de sulfúrico en la torre de Glover, los óxidos de nitrógeno son liberados sin
consumir (son catalizadores, no se consumen en el proceso) y quedan en disposición de seguir siendo
utilizados. Estos óxidos de nitrógeno, junto con otros gases, reciben el nombre de mezcla de gases de la torre
de Glover. Dicha corriente sale de la torre de Glover y es dirigida a las cámaras de plomo. La mezcla de
gases de la torre de Glover está formada esencialmente por: SO2, SO3, NO2, NO, N2O3, N2, O2 y vapor de
agua.

8. 3. Combinación del trióxido de azufre con el agua para formar el ácido sulfúrico de cámara, H2SO4. Aunque ya
hemos comentado que cerca del 10% del SO2 inicial se transforma en sulfúrico en la torre de Glover, el 90% restante lo
hace en las cámaras de plomo. A estas cámaras (que suelen ser de 12 metros de ancho, 18 de alto y de 30 a 60 de
largo) llega la mezcla de gases de la Torre de Glover formada, como dijimos, por: SO2, SO3, NO2, NO, N2O3, N2, O2 y
vapor de agua. Suelen ser de 3 a 6 cámaras colocadas en serie. Las cámaras desempeñan una triple
función: suministran el espacio necesario para que se mezclen los gases convenientemente y se puedan llevar a
cabo las diversas reacciones de producción del ácido, eliminar el calor producido en dichas reacciones (porque, al
tener una gran superficie por su gran tamaño, facilitan la disipación del calor) y proveer una superficie de
condensación para el ácido que se va formando (como en el caso del calor, a mayor superficie más eficaz será la
condensación).
El mecanismo de reacción postulado para la producción de sulfúrico en las cámaras de plomo es un proceso
complejo que se puede resumir del modo siguiente:
2SO2 + N2O3 + O2 + H2O –> 2SO2(OH)(ONO) (ácido nitrosilsulfúrico)
Este compuesto, en forma de niebla, se disocia al enfriarse, regenerando el catalizador N2O3:
2SO2(OH)(ONO) + H2O –> 2H2SO4 + N2O3
Otro mecanismo más sencillo propuesto para la reacción de formación del H2SO4 en las cámaras es el siguiente:
SO2 + H2O –> H2SO3
NO + NO2 + H2O –> 2HNO2
HNO2 + H2SO3 –> H2SO4

9. El ácido sulfúrico que condensa en las paredes de las cámaras se acumula en el fondo de las mismas y se
extrae. Éste es el producto final, y tiene una concentración en torno al 62 – 68%. No obstante, en el interior de
las cámaras de plomo quedan gases residuales. Dichos gases residuales, compuestos principalmente por
nitrógeno, oxígeno y trióxido de nitrógeno, N2O3, pasan a un nuevo elemento del sistema posterior a las cámaras:
la torre de Gay-Lussac. También puede haber en dichos gases SO2 y SO3 que han quedado sin reaccionar.
4. Regeneración de la mezcla nitrosa en la torre de Gay-Lussac. Cuando los gases residuales de las
cámaras entran en la torre de Gay-Lussac, se mezclan con el ácido sulfúrico de la torre de Glover.
Recordemos que en la torre de Glover se produce cierta cantidad de H2SO4, en torno al 10% del SO2 inicial, y que
tiene una concentración del 78% aproximadamente. Cuando en la torre de Gay-Lussac se mezcla la corriente de
gases residuales procedente de las cámaras con el sulfúrico, se regenera la llamada mezcla nitrosa, necesaria
par la catálisis de la reacción de producción de sulfúrico. Así, esta mezcla nitrosa producida se
recircula (se retorna nuevamente) a la torre de Glover, haciendo que se trate de un proceso cerrado y continuo.
Además, si queda SO2 o SO3 en el gas residual que sale de las cámaras, como es mezclado en la torre de Gay-
Lussac y recirculado de nuevo al principio del proceso, no se malgasta, sino que vuelve a entrar en el ciclo de
producción.
Si durante el proceso existen fugas o pérdidas de gases que hagan que se vayan perdiendo óxidos de nitrógeno,
es decir, que se vaya perdiendo catalizador, se compensa con la adición de ácido nítrico en la torre de Glover.

11. PROCESO DE CONTACTO
Primero debemos obtener el
Dióxido de Azufre mediante una
combustión representada con la
siguiente ecuación:
S + O2 SO2
Luego se adiciona un catalizador
para la conversión de SO2 en
SO3(1), para más tarde obtener el
ácido sulfúrico mediante una
hidratación (2).
(1) 2SO2 + 02 2SO3
(2) SO3 + H2O H2SO4

12. En una entrada anterior explicamos la fabricación de ácido sulfúrico mediante el método de las cámaras
de plomo. Sin embargo, es un método desfasado y poco utilizado, siendo el método que trataremos en esta
entrada, el de contacto, el más frecuente. No se trata de un método reciente: fue patentado en 1831 por un
comerciante de vinagre británico, Peregrine Phillips, y permite obtener un ácido sulfúrico de mayor pureza y
concentración.
El método de contacto para la producción de ácido sulfúrico es un método que utiliza una catálisis
heterogénea, es decir, el catalizador empleado está en una fase de agregación distinta. En concreto, suele
utilizarse un catalizador sólido, el pentóxido de divanadio, V2O5. Este método permite obtener un ácido
sulfúrico con una concentración en torno al 98% en peso (es decir, 98 gramos de ácido sulfúrico por cada 100
gramos de disolución; los dos gramos restantes son agua), que es el que suele utilizarse en el laboratorio, por
ejemplo, para preparar posteriormente disoluciones menos concentradas.
Igual que el método de las cámaras de plomo, el método de contacto parte del dióxido de azufre obtenido por
distintos métodos. Veamos cada etapa de forma individual.
Primera etapa: producción de dióxido de azufre, SO2
En general, la producción de SO2 se puede escribir como:
S(s) + O2(g) ⇒ SO2(g)
Sin embargo, esta reacción será válida únicamente si la producción del dióxido de azufre se lleva a cabo a
partir de azufre puro sólido. Aunque esta es la situación ideal, por la menor producción de subproductos o
presencia de impurezas y el mayor rendimiento, lo cierto es que hay muchas plantas de producción de
sulfúrico que emplean otras fuentes para la producción inicial de SO2. Una fuente usada muy habitualmente es
la pirita, mineral disulfuro de hierro, FeS2, que por tostación con exceso de aire produce óxido de hierro(III) y
dióxido de azufre en una reacción redox.
4FeS2(s) + 11O2(g) ⇒ 2Fe2O3(s) + 8SO2(g)

13. Trabajar con exceso de aire hará que el SO2 producido esté ya mezclado con oxígeno en la corriente de
salida hacia la siguiente etapa, lo cual será necesario para la obtención de SO3. Una vez obtenido el
dióxido de azufre y antes de entrar en el reactor, se debe purificar, ya que puede estar mezclado con
restos de otros compuestos. Para ello se pueden emplear diversos métodos, como hacerlo pasar por
separadores de polvo, mecánicos o electrostáticos, y el lavado con agua y ácido sulfúrico concentrado.
Ya purificado pasará al reactor para la producción de SO3.

14. Segunda etapa: producción de trióxido de azufre, SO3, a partir de SO2
La producción de trióxido de azufre a partir de la reacción del dióxido de azufre con el oxígeno es una
reacción exotérmica y reversible (no se produce de forma completa sino que alcanza un equilibrio químico, en el
que sigue habiendo presencia tanto de reactivos como de productos). Podemos escribir su ecuación
termoquímica como:
2SO2(g) + O2(g) ⇔ 2SO3(g) ΔH = -196kJ·mol-1
La reacción se lleva a cabo en presencia de un catalizador sólido, que puede ser platino o pentaóxido de
vanadio, V2O5, aunque este último es más habitual porque es menos susceptible de envenenamiento y desgaste
que el platino (especialmente en plantas en las que se obtiene el SO2 por tostación de pirita, ya que esta a
menudo contiene arsénico. El arsénico no se puede eliminar en su totalidad de la corriente de gases producidos
y envenena el platino en el convertidor). La actuación del catalizador es óptima entre 400 y 450ºC, y es por este
motivo que se emplean estas temperaturas, a pesar de que una disminución de la temperatura favorecería la
reacción termodinámicamente (por ser exotérmica) pero afectaría negativamente a la cinética de reacción, como
se explicará con mayor detenimiento en un apartado posterior. En cuanto a la presión, se mantiene a 1 o 2
atmósfera, pues si bien un aumento de la presión favorecería el desplazamiento de la reacción a la derecha
(principio de Le Châtelier) supondría un sobrecoste no asumible del proceso industrial. De hecho, esto ocurre
a menudo y es una limitación importante en la industria: las mejores condiciones para el proceso químico no
tienen porqué ser (y generalmente nunca son) las mejores condiciones para el bolsillo de la industria,
principalmente considerando los costes de la energía eléctrica.

15. Tercera etapa: Conversión del SO3 en ácido sulfúrico
La conversión del SO3 en ácido sulfúrico no se puede llevar a cabo por simple reacción del trióxido de azufre con agua.
¿Por qué? El motivo es que la reacción SO3 + H2O ⇒ H2SO4 es incontrolable y crea una niebla de ácido sulfúrico y de
trióxido de azufre que afecta negativamente al proceso. Por ello, en lugar de esto, lo que se hace primero es disolver el
trióxido de azufre en ácido sulfúrico concentrado, lo que produce ácido disulfúrico (Dihidrogeno(heptaoxidodisulfato)
para los amigos de la IUPAC desde 2005 y óleum para los químicos más anticuados, debido a su consistencia aceitosa y
color café oscuro):
H2SO4(l) + SO3(g) ⇒ H2S2O7(l)
A este ácido también se le denomina ácido sulfúrico fumante, por su tendencia a emitir vapores. El H2S2O7(l) sí que puede
reaccionar con agua de forma segura en una reacción favorable termodinámicamente, descomponiéndose para producir
ácido sulfúrico concentrado del 97 al 99%.
H2S2O7(l)(l) + H2O(l) ⇒ 2H2SO4(l)

16. Estudio detallado de las condiciones de reacción en el método de contacto
La mezcla de SO2 y de oxígeno se introduce en el reactor en las mismas proporciones en volumen, 1:1,
es decir, habrá 1 molécula de SO2 por cada molécula de O2 (la misma cantidad de gas en las mismas
condiciones contiene el mismo número de partículas, nos lo dice la Ley de Avogadro). Esto hace que el oxígeno
esté en exceso, ya que según las proporciones de la reacción, es necesaria solo 1 molécula de oxígeno por cada
2 moléculas de SO2 (o lo que es lo mismo, ½ molécula de O2 por cada molécula de SO2, y en realidad hay 1, el
doble). Este exceso de oxígeno favorecerá la producción de SO3 según el Principio de Le Châtelier, ya que es
un reactivo, y es una forma barata de favorecer la reacción. No se utiliza una proporción mayor porque esto
disminuiría la cantidad de SO2 en la corriente de entrada y al final, esta menor concentración del compuesto que
queremos transformar en SO3 sería contraproducente; la cantidad absoluta de SO3 producida por día disminuiría,
a pesar de aumentar el porcentaje de conversión en el reactor (es decir, mayor eficacia pero menor valor
absoluto de producto convertido).

17. Temperatura y presión
Aunque una disminución de la temperatura favorecerá el desplazamiento del equilibrio hacia la producción
de SO3, por ser la reacción exotérmica. Sin embargo, como se ha comentado previamente, las condiciones
empleadas en el reactor son de 400 a 450ºC, lo cual no parece una temperatura muy baja que digamos.
Entonces… ¿por qué se emplea una temperatura tan elevada, si sabemos que la menor temperatura favorecería
el desplazamiento del equilibrio? Hay dos motivos: uno es cinético (la temperatura muy baja hará que el equilibrio
esté más desplazado, pero que la reacción sea más lenta) y otro es por el rendimiento del catalizador. Así, la
temperatura empleada es una temperatura de compromiso: el catalizador funciona bien, se produce una
proporción suficientemente elevada de SO3 en la mezcla de equilibrio y a una velocidad también lo suficientemente
elevada. En cuanto a la presión, aunque la reacción se verá favorecida por un aumento de la misma (inicialmente
tenemos 3 moles, en los reactivos, y se producen 2 moles), lo cierto es que incluso a una presión poco mayor que
la atmosférica, entre 1 y 2 atmósferas, que son las condiciones utilizadas, ya se logran rendimientos muy
elevados de obtención de SO3, de modo que no compensa el gasto económico que supone aumentar aún más
la presión.
Uso de un catalizador
El catalizador no afectará a la posición del equilibrio, sino únicamente a la velocidad de reacción (en ambos
sentidos). En ausencia de catalizador la reacción es tan lenta que prácticamente no transcurre de forma
apreciable. Así, el catalizador logra que la reacción sea lo suficientemente rápida y que suceda con un buen
rendimiento a pesar de que los gases pasan poco tiempo en el reactor con este método.

18. Proceso de contacto simple/absorción simple
Descripción
Tras la purificación y el secado, el SO2 se
convierte en SO3 . Para ello, se utilizan cuatro
lechos de catalizador en serie que contienen
álcali y V2O5 . A continuación, el SO3 es
absorbido y en ácido sulfúrico concentrado.
Cuando el producto lo requiere, se instala un
absorbedor de óleum antes de estas etapas. El
SO3 reacciona con el agua que contiene el ácido
del absorbedor y produce H2SO4 . El ácido del
absorbedor se mantiene a una concentración
deseada de aproximadamente 99% peso
mediante la adición de agua o H2SO4 diluido

19. Proceso de contacto doble/absorción doble
Descripción
En los procesos de contacto doble, se alcanza una
conversión primaria del SO2 de un 85 – 95 % en la
primera etapa de catalizador del convertidor antes
de entrar en un absorbedor intermedio, dependiendo
de la disposición de los lechos del convertidor y el
tiempo de contacto. Después de refrigerar los gases
hasta una temperatura aproximada de 190ºC en un
intercambiador de calor, el SO3 que se haya formado
se absorbe en ácido sulfúrico a una concentración de
98,5 – 99,5 %. Cuando el producto lo requiere, se
instala un absorbedor de óleum antes del absorbedor
intermedio. La absorción de SO3 modifica
notablemente el equilibrio de reacción y favorece la
formación de más SO3 , con lo cual el porcentaje de
conversión aumenta considerablemente si el gas
residual atraviesa los lechos del convertidor siguiente
(normalmente uno o dos). El SO3 que se forma en la
segunda etapa de catalizador se absorbe en el
absorbedor final. La Figura muestra el ejemplo de una
planta de absorción doble y contacto doble 2+2. Las
cifras 2+2 indican el número de lechos de catalizador
antes y después de la absorción intermedia. Así, 3+1
representa la configuración alternativa con cuatro
lechos, y 3+2 es la configuración habitual, con cinco
lechos. Ejemplo de un proceso de absorción doble/contacto doble 2+2.

20. La Figura presenta una visión general de las principales materias primas, consumidores y ciclos de la economía del H2SO4.
El sector de los fertilizantes fosfatados representa, con diferencia, el usuario más importante de este producto. Asimismo, el
H2SO4 también se utiliza para otras aplicaciones, como el refino de petróleo, la producción de pigmentos, el decapaje de
acero, la extracción de metales no férreos y la fabricación de explosivos, detergentes (procesos de sulfonación orgánica),
plásticos y fibras artificiales. La industria química también emplea distintas cantidades de H2SO4 en aplicaciones de
producción especializada para tintes, productos farmacéuticos y productos químicos con flúor.

21. TECNOLOGIA DISPONIBLES

22. ASPECTOS AMBIENTALES

25. Los problemas ambientales más importantes a los que se enfrenta la industria de la
fabricación de ácido sulfúrico son las emisiones atmosféricas de SO2 y vapor de ácido
sulfúrico. La fuente principal de contaminantes provienen de la combustión de lodos de
ácido sulfúrico, que genera SO2.
CONTAMINANTES GENERADOS
En este proceso se generan neblinas de ácido, SO2 y SO3 que representan los
contaminantes principales emitidos a la atmósfera por las industrias de fabricación de ácido
sulfúrico.

26. CONTAMINACIÓN POR SOX
Este contaminante es el resultado de la combustión del azufre contenido en los combustibles
fósiles (petróleos combustibles, gasolina, petróleo diesel, carbón, etc.), de la fundición de
minerales que contienen azufre y de otros procesos industriales como la fabricación de ácido
sulfúrico, de papel, fertilizantes, etc.
El bióxido de azufre (SO2) es un gas incoloro, no flamable y no explosivo, con un olor sofocante
y es altamente soluble en el agua. Puede permanecer en la atmósfera entre 2 y 4 días.
Durante este tiempo puede ser transportado a miles de kilómetros y formar ácido sulfúrico, el
cual se precipita en alguna otra región lejos de su origen.
Durante su proceso de oxidación en la atmósfera, este gas forma sulfatos, es decir, sales que
pueden ser transportadas en el material particulado respirable (PM10) y que en presencia de
humedad forman ácidos.
Tanto la exposición a sulfatos como a los ácidos derivados del SO2, es de extremo riesgo para
la salud debido a que éstos ingresan directamente al sistema circulatorio humano a través de
las vías respiratorias.

27. El ácido sulfúrico se mezcla con el agua y causa problemas para el medio ambiente, ya
que elimina la vida vegetal. Si los organismos silvestres consumen estas aguas ácidas,
pueden sufrir enfermedades. En general, el ácido se mezcla con el agua debido al
desecho inadecuado de esta sustancia, pero también se transmite por el aire que
proviene de las fábricas. Este aire con ácido sulfúrico lo pueden inhalar los animales y
los seres humanos, y puede generar el desarrollo de lluvia ácida si lo absorben las
nubes de lluvia.
El ácido sulfúrico es un compuesto muy reactivo y corrosivo que daña a las plantas y a
los animales que entran en contacto con el.

28. EFECTOS EN LA SALUD.
El ácido sulfúrico, el bióxido de azufre y las sales de sulfato son irritantes de las membranas mucosas del
tracto respiratorio. Incluso llegan a ocasionar enfermedades crónicas del sistema respiratorio como
bronquitis y enfisema pulmonar.
•Opacamiento de la córnea (queratitis).
•Dificultad para respirar.
•Inflamación de las vías respiratorias.
•Irritación ocular por formación de ácido sulfuroso sobre las mucosas húmedas.
•Alteraciones psíquicas.
•Edema pulmonar.
•Paro cardíaco.
•Colapso circulatorio.
El dióxido de azufre (SO2) también se ha asociado a problemas de asma y bronquitis crónica,
aumentando la morbilidad y mortalidad en personas mayores y niños.
La incidencia de las enfermedades respiratorias aumenta de 2 a 3 veces más en zonas con mayor
concentración de SO2 que en zonas de contaminación baja
En una atmósfera con partículas suspendidas el efecto dañino de los óxidos de azufre se incrementa, ya
que el bióxido y el ácido sulfúrico paralizan los cilios del tracto respiratorio, las partículas de polvo
penetran en los pulmones arrastrando también los compuestos azufrados, originando entonces graves
daños, e incluso la muerte.

29. Efectos de una sobre exposición aguda: es corrosivo
para todos los tejidos del cuerpo.
Contacto con la piel: puede producir necrosis (gangrena)
grave de los tejidos, quemaduras profundas.
Inhalación: puede producir daño pulmonar grave.
Contacto con los ojos: puede resultar la perdida total
de la visión.
Exposición prolongada: Aumenta el riesgo de producir
cáncer.

30. Se debe transportar en camiones de material SS
Inoxidable.
El almacenamiento se realiza en tanques de material
poco oxidable (Alta resistencia a la corrosión). Se usa
polietileno para concentraciones bajas.
TRANSPORTE

31. El ácido sulfúrico se almacena en lugares
ventilados frescos y secos. lejos de
fuentes de calor, ignición y de la acción
directa de los rayos solares. separar de
materiales incompatibles.
Rotular los recipientes adecuadamente.
No almacenar en contenedores metálicos.
Mantener cerrados los frascos cuando no
usemos el ácido.
El piso debe ser sellado para evitar la
absorción. Los equipos eléctricos, de
iluminación y ventilación deben ser
resistentes a la corrosión.
ALMACENAJE