Proceso de contacto

El proceso de contacto es un método para fabricar ácido sulfúrico ^{[ 1 ]} en las altas concentraciones necesarias para los procesos industriales. Originalmente se utilizaba platino como catalizador para esta reacción; sin embargo, debido a su susceptibilidad a reaccionar con impurezas de arsénico en la materia prima de azufre, desde entonces se ha preferido _el óxido de vanadio(V) ( _{V₂O₅ ).} ^{[ 2 ]}

Este proceso fue patentado en 1831 por el comerciante británico de vinagre Peregrine Phillips. ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]} Además de ser un proceso mucho más económico para producir ácido sulfúrico concentrado que el proceso anterior de cámara de plomo , el proceso de contacto también produce trióxido de azufre y óleum .

En 1890, John Brown Francis Herreshoff desarrolló una forma del proceso catalítico de contacto para la empresa de la que era socio. ^{[ 6 ]}

En 1901, Eugen de Haën patentó el proceso básico que implicaba la combinación de dióxido de azufre y oxígeno en presencia de óxidos de vanadio , produciendo trióxido de azufre que se absorbía fácilmente en agua, produciendo ácido sulfúrico . ^{[ 7 ]} Este proceso se mejoró notablemente al reducir el tamaño de partícula del catalizador (por ejemplo, ≤ 5000 micras), un proceso descubierto por dos químicos de BASF en 1914. ^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]}

El proceso se puede dividir en cuatro etapas:

1. Combinación de azufre y oxígeno (O₂ ₎ para formar dióxido de azufre , luego purificación del dióxido de azufre en una unidad de purificación.
2. Añadiendo un exceso de oxígeno al dióxido de azufre en presencia del catalizador pentóxido de vanadio a 450  °C y 1-2  atm
3. El trióxido de azufre formado se añade al ácido sulfúrico, lo que da lugar al óleum (ácido disulfúrico).
4. A continuación, se añade el óleum al agua para formar ácido sulfúrico muy concentrado. Dado que este proceso es una reacción exotérmica, la temperatura de reacción debe ser lo más baja posible.

Es necesaria la purificación del aire y del dióxido de azufre (SO₂ ₎ para evitar la intoxicación del catalizador (es decir, la eliminación de su actividad catalítica). A continuación, el gas se lava con agua y se seca con ácido sulfúrico.

Para conservar energía, la mezcla se calienta mediante los gases de escape del convertidor catalítico a través de intercambiadores de calor.

El dióxido de azufre y el dioxígeno reaccionan entonces de la siguiente manera:

2 SO _2(g) + O _2(g) ⇌ 2 SO _3(g)  : Δ H = -197  kJ·mol ⁻¹

Según el principio de Le Chatelier , las temperaturas bajas favorecen la formación de trióxido de azufre, pero si la temperatura es demasiado baja, la velocidad de reacción resulta antieconómica. En la práctica industrial, la oxidación se lleva a cabo, por lo tanto, entre 420 y 620  °C sobre catalizadores a base de óxido de vanadio(V) , generalmente alrededor de 450  °C, a presión casi atmosférica. ^{[ 11 ]} Por debajo de este rango, el catalizador se desactiva por la formación de compuestos de vanadio(IV), mientras que a temperaturas más altas comienza a descomponerse. ^{[ 11 ]}

La fase catalítica activa no es _{V₂O₅ sólido} puro , sino una sal fundida formada a partir de óxido de vanadio(V) y sulfatos de metales alcalinos añadidos . En esta fusión, se forma un complejo reactivo de composición [(VO) _₂O (SO₄ ₎ ₄ _] ⁴⁻ ^, que se considera la especie catalítica real. El oxígeno y el dióxido de azufre se coordinan con este complejo y reaccionan para formar trióxido de azufre sin que cambie el estado de oxidación del vanadio. ^{[ 11 ]} El trióxido de azufre caliente pasa a través del intercambiador de calor y se disuelve en H₂SO₄ _concentrado en _la torre de absorción para formar óleum.

H₂SO₄ + _SO₃ → _{H₂S₂O₇​}​_​​_​​_​

Cabe señalar que disolver directamente SO₃ _en agua no es práctico debido a la naturaleza altamente exotérmica de la reacción. En lugar de un líquido, se forman vapores o nieblas ácidas.

El óleum reacciona con agua para formar _{H₂SO₄ concentrado} .

H₂S₂O₇ + _{H₂O →} 2 _H₂SO₄​​_​​_​​

Esto incluye la torre de desempolvado, tuberías de enfriamiento, depuradores, torre de secado, purificador de arsénico y caja de prueba. El dióxido de azufre tiene muchas impurezas como vapores, partículas de polvo y óxido arsenioso . Por lo tanto, debe purificarse para evitar el envenenamiento del catalizador (es decir, la destrucción de la actividad catalítica y la pérdida de eficiencia). En este proceso, el gas se lava con agua y se seca con ácido sulfúrico. En la torre de desempolvado, el dióxido de azufre se expone a un vapor que elimina las partículas de polvo. Después de que el gas se enfría, el dióxido de azufre entra en la torre de lavado donde se rocía con agua para eliminar cualquier impureza soluble. En la torre de secado, se rocía ácido sulfúrico sobre el gas para eliminar la humedad. Finalmente, el óxido arsénico se elimina cuando el gas se expone a hidróxido férrico .

Una implementación moderna común del proceso de contacto es el doble contacto y doble absorción (DCDA). En este proceso, los gases producto (SO₂ _y SO₃ ₎ se hacen pasar dos veces por torres de absorción para lograr una mayor absorción y conversión de SO₂ _a SO₃ _, y así producir ácido sulfúrico de mayor pureza.

_{Los gases ricos en} SO₂ entran en el convertidor catalítico, generalmente una torre con múltiples lechos catalíticos, y se convierten en SO₃ _, completando así la primera etapa de conversión. Los gases de salida de esta etapa contienen tanto SO₂ _como SO₃ _, los cuales pasan por torres de absorción intermedias donde el ácido sulfúrico se filtra a través de columnas de relleno y el SO₃ _reacciona con el agua, aumentando la concentración de ácido sulfúrico. Si bien el SO₂ _también pasa por la torre, no reacciona y sale de la misma.

Esta corriente de gas que contiene SO ₂ , después del enfriamiento necesario, pasa nuevamente a través de la columna del lecho del convertidor catalítico logrando hasta un 99,8% de conversión de SO ₂ a SO ₃ y los gases pasan nuevamente a través de la columna de absorción final logrando así una alta eficiencia de conversión para SO ₂ .

La producción industrial de ácido sulfúrico requiere un control adecuado de las temperaturas y los caudales de los gases, ya que tanto la eficiencia de conversión como la absorción dependen de estos factores.

• Jim Clark (2002). "El proceso de contacto" . Chemguide .
• "El proceso de contacto" . City Collegiate . 2009. Archivado del original el 2 de marzo de 2015. Consultado el 1 de mayo de 2009 .
• "Torre de absorción" . Enciclopedia de minería .