Ácido Sulfúrico – Processo de Concentração

A recuperação e concentração do ácido sulfúrico de efluentes

Neste artigo, apresentaremos processos de recuperação e concentração de efluentes contendo ácido sulfúrico, incluindo parâmetros físicos e detalhes de construção das instalações.

Unidade de concentração de ácido sulfúrico.

Artigo principal: Ácido sulfúrico

O mais útil dos produtos químicos

Aplicação

O ácido sulfúrico, sendo um importante produto na indústria química, é descartado após o uso em diversos processos. É usado em muitos processos orgânicos como um agente catalítico em processos de síntese ou para secar gases e vapores, tais como o cloro, o bromo ou o clorometano. Também na indústria de fertilizantes, ácido sulfúrico é um ingrediente básico para o produto final. Ácido sulfúrico concentrado é também aplicado na desidratação de ácido clorídrico/cloreto de hidrogênio, ácido nítrico ou ácido acético. No caso do ácido clorídrico/cloreto de hidrogênio, também é utilizado para a remoção de dióxido de enxofre.

É de destacar a concentração, recuperação e reciclagem de ácido sulfúrico utilizado nos processos de nitração de compostos orgânicos, onde entra como um agente desidratante, apoiando a ação do ácido nítrico. Nesta aplicação, sobressai o ácido sulfúrico utilizado na produção de dinitrotolueno (DNT), intermediário de larga aplicação.

Nitração do benzeno, mais básica das nitrações de compostos aromáticos,

mostrando a molécula de água resultante.

Nitração do tolueno e os três isômeros de posição de dinitrotoluneo resultantes.

O ácido sulfúrico resultante dos processos normalmente se apresenta diluído com água, e é frequentemente contaminado com substâncias orgânicas. A reciclagem é possível e viável com a re-concentração do ácido à composição inicial e se consegue-se remover as contaminações orgânicas.

Devido a questões de balanço de energia e massa, a concentração de soluções de ácido sulfúrico é realizada em mais de uma etapa, com vista a obter duas correntes características, a pré-concentração até 70% e a concentração de alto nível até 96%.

O sistema ácido sulfúrico água

O sistema ácido sulfúrico/água apresenta um azeótropo máximo na concentração de 93.3 % em massa de ácido sulfúrico e a temperatura de 338°C em condições de pressão ambiente. Um amplo faor de separação existe como pode ser visto na lustração 1. Além disso, quase nenhum ácido sulfúrico está contido no vapor até uma concentração de aproximadamente 70 % em massa. A concentração no vapor do ácido sulfúrico cresce muito fortemente de uma fase fluida a partir de concentração de aproximadamente 85 % em massa.

Ilustração 1: Diagrama de equilíbrio, fator de separação.[1]

Bases do processo de concentração

Atualmente, os processos de concentração são predominantemente realizados sob vácuo de maneira a reduzir a temperatura de ebulição, especialmente para baixas concentrações. O comportamento sob pressão devido à temperatura de ebulição é mostrada na ilustração 2 para melhor entendimento. Além disso, os limites da faixa para a água de resfriamento a 20°C e a temperatura de 200°C (15 bar) de vapor saturado são apresentadas. Por exemplo, pode-se extrair desta ilustração que um diferencial suficiente de temperatura existe em uma concentração de produto de 80 % (em massa) e a uma pressão de 150 mbar considerando o agente de aquecimento e rsfriamento. Contrariamente, se deseja-se adquirir uma concentração final de 92 % (em massa), por exemplo, pode-se derivar-se que uma diferença da temperatura de 25°C é obtida no lado do vapor de aquecimento em uma pressão de aproximadamente 50 mbar. Ao mesmo tempo, os vapores de exaustão (de maneira a simplificar, é suposta água pura a uma concentração de ácido sulfúrico a 0%) pode ser condensada por água de esfriamento a 20°C. [1]

Ilustração 2: Diagrama de equilíbrio, contingente de pressão.[1]

As seguintes observações para a concentração de áciodo sulfúrico podem ser derivadas dos dados de equilíbrio e curvas de pressão de vapor:

• • Não pode-se obter concentração de 100% pela remoção de água devido ao azeótropo e a uma tendência do ácido sulfúrico, a 100%, produzir SO₃ , baixando sua concentração para valores menores. Então, torna-se mais econômico realizar a concentração somente até uma máxima concentração máxima de ácido sulfúrico em 96 % em massa e devido a possibilidade de aumentar-se a concentração pelo acréscimo de SO₃.

  • Operações em um evapoirador de estágio único permite a concentração final de aproximadamente 70 % em massa, devido à baixa pressão parcial de ácido sulfúrico na fase vapor.

  • Na assim chamada faixa de alta concentração (ou, como aqui tratamos, ‘alto nível’) apresentam-se concentrações mais altas que 70 % em massa, medidas suplementares são necessárias de maneira a reduzir a proporção de ácido sulfúrico no destilado.

Ilustração 3: Diagrama de temperatura de ebulição para

3 diferentes pressões sobre toda a faixa de concentração.[1]

Sistema de concentração de ácido sulfúrico

Propósito

Através de desenvolvimento em engenharia de longo prazo, em empresas como a QVF (durante mais de 50 anos), baseado na experiência de recuperação de soluções de ácido sulfúrico de baixa concentração (aproximadamente de 10 a 15 % em massa), usadas no processo de produção Viscous-Rayon, estabeleceram uma tecnologia para recuperar uma solução de alta concentração de ácido sulfúrico (no máximo, aproximadamente a 95 % em massa). Solução de ácido sulfúrico altamente concentrado de alta pureza pode ser recuperado de vários tipos de soluções efluentes de ácido sulfúrico, assim como produtos de contidos nas soluções efluentes.[1]

Performance

Referências de uma empresa petroquímica[2]:

Ácido sulfúrico recuperado: 75 % em massa

Água evaporada: 8.750 kg/h

Vapor de aquecimento requerido: 8.300 kg/h (aprox.)

Princípios e características

Quase todos os tipos de sistemas de concentração de ácido sulfúrico são do tipo batelada, o qual possui diversas desvantagens, tais como baixa eficiência térmica, taxa insatisfatória de operação e alto custo de manutenção causado pela corrosão. De maneira a evitar estas desvantagens, este sistema é mantido sob alto vácuo, o qual conduz à baixa temperatura e concentração por evaporação, e também permite o uso de materiais baratos e comuns para a construção da planta.

Além disso, os sistemas contínuos equipados com evaporadores multi-efeito são contruídos com as seguintes características:

1) Planta de baixo custo

Materiais de contrução regulares são aptos a serem usados para a planta com resultados num baixo custo inicial e ais baixo custo de manutenção.

2) Baixo custo de utilidades

Evaporadores multi-efeito contínuos do tipo economizadores de energia resultam em mais baixo custo de utilidades.

3) Baixa temperatura de operação sob alto vácuo

Temperaturas de evaporação na faixa de 100 a 200ºC obtida por manter a planta cob alto vácuo permitem ter-se uma vida operacional longa e alta segurança de operação.

4) Operação contínua durante longo tempo possível

A operação por longo tempo em regime contínuo é possível nestes equipamentos, graças a menor escala pela velocidade de fluxo mais elevada do ácido através do sistema de circulação forçada pela seleção de bombas especiais que têm eficiência elevada.

5) Mínimas perdas de ácido

O aperfeiçoamento das condições de operação, assim como de captadores de neblina de alta eficiência, resultam em perdas de ácido menores que 0,5 % em massa.

6) Menor requerimento de espaço

Devido ao sistema de concentração contínuo, o sistema é capaz de ser menor, e o espaço requerido, igualmente menor.

7) Menor custo para o controle de operação

Sistemas de controle automático, possíveis e aliados da operação estável, proveem preciso controle da conentração do ácico, o que resulta em redução de custo da operação de controle.

Fluxograma

Fluxograma de uma planta de concentração de ácido sulfúrico efluente de planta Viscous-Rayon.[2]

Pré-concentração até 70%

Os evaporadores de circulação multi-estágio que empregam reciclo do calor provaram-se na prática eficientes no que diz respeito à concentração inicial de ácido sulfúrico partindo de uma concentração começando de 20 % em massa até uma concentração final de 70 % em massa. Devido à grande evaporação da água, o calor da condensação do vapor de exaustão é empregado quase inteiramente no aquecimento a fim conservar energia.

Fluxograma de evaporador multi-estágio para a concentração de ácido sulfúrico até 70% em massa.[1]

O fluxograma acima apresenta uma planta de três estágios que é operada a 100 mbar, 300 mbar e a pressão ambiente. Outras combinações de aquecimento por vapor e economia de energia são possíveis, e são relacionados às pressões disponíveis de vapor e à concentração da solução ácida efluente em tratamento.

O comportamento e características da solução ácida em evaporação devem também ser considerados, e.g. para gases dissolvidos, espuma ou a cristalização ou precipitação de componentes dissolvidos ou em suspensão.

Em muitos casos, pode ser tecnica ou economicamente vantajoso usar-se evaporadores de circulação forçada ou evaporadores horizontais em vez dos evaporadores padrão.

Evaporador de circulação força: A – Produto, B – Vapor, C – Concentrado, D – Sistema de Aquecimento,

E – Condensado, 1 – Trocador de Calor, 2 -Vaso de Flash (Separador), 3 – Bomba de Circulação,

4 – Bomba de Concentrado.[3]

Concentração de alto nível até 96%

O projeto da planta deve ser adaptada às condições dísicas que alteram-se para processos de alta concentração de ácido sulfúrico na faixa de 92 a 96 % em massa, especialmente as seguintes:

• • A redução da pressão de operação e aumento da temperatura de operação contingentens ao diagrama de pressão de vapor de ácido sulfúrico.

  • Instalação de uma coluna de absorção, lavagem, para reduzir o conteúdo de ácido na água evaporada.

As combinações dos materiais de construção tm importância especial para a escolha da configuração da instalação de evaporação. Somente poucos materiais ainda resistem à corrosão para temperaturas de vapor de no máximo 219°C, ou temperaturas da fase líquida de até 290°C em uma concentração de ácido sulfúrico de 96 % em massa. São usadas combinações de vidro borossilicato, revestimento de vidro, tântalo e carbeto de silício (SiC).

Normalmente, evaporadores de circulação forçada e ebulidores horizontais são usados, devido aos parâmetros operacionais e à composição do efluente ácido em tratamento (a empresa QVF, por exemplo projeta plantas de concentração e recuperação de ácido normalmente baseado em testes).

A empresa QVF apresenta duas opções básicas de projeto destes equipamentos, comevaporador de circulação forçada e com ebulidor horizontal.

Evaporador de circulação forçada

Vantagens:

• • Não há evaporação na superfície de aquecimento, então não ocorre ou reduz-se significativamente a contaminaçõa ou incrustação nas superfícies de aquecimento.

  • Elevada transferência térmica devido à elevada velocidade de fluido dentro do aquecedor, assim um consequente pequeno aquecimento nas superfícies, mesmo para uma relativamente baixa diferença de temperatura e temperatura de ebulição do ácido.

  • Evaporação elevada e estável devido a evaporação facilitada.

  • O conteúdos relativamente pequenos de funcionamento asseguram uma operação muito segura e uma adaptação rápida à mudanças no desempenho exigidas à planta que variam de 0 a 100%; a instalação pode rapidamente ter suas operações iniciadas ou sofrer paradas programadas.

O projeto de evaporador de circulação natural que inclui o apoio de fase gasosa (presença de um gás inerte) representa uma modificação do evaporador de circulação forçada, por meio do que a proporção do gás inerte carrega a condensação, assim o desempenho necessário da bomba de vácuo deve ser aumentado.

Esquerda: Montagem de um ebulidor horizontal com aquecedor em tântalo e casco revestido de vidro.

Direita: Evaporador de circulação forçada. - Centro: Ebulidor horizontal com casco de vidro.

Ebulidor horizontal

Para o ebulidor horizontal, o ácido a ser concentrado flui através das chicanas que separam o corpo do ebulidor horizontal, não segue o perfil de temperadura devido à concentração no evaporador, o qual diminui a diferença de temperatura existente entre a vapor e o ácido (ver a ilustração do perfil de temperatura, abaixo).

Vantagens:

• • Um melhor uso das superfícies de aquecimento de tântalo devido ao perfil de concentração ao longo do comprimento do evaporador. Devido a isto, o gradiente de temperatura do meio apresenta-se diminuindo e a superfície de aquecimento necessária é reduzida.

  • Alto coeficiente de troca térmica para o meio, chegando a até 4.000 W/m²K

  • Baixa pressão de fluido sobre as superfícies de aquecimento, com consequentes baixos diferenciais de pressão no evaporador.

  • Um suficientemente dimensionado corpo do evaporador minimiza o arraste.

  • Perdas de ácido nos vapores de exaustão devido a razões de pressões parciais são mantidas muito baixas pela implementação de um perfil de concentrações ao longo do evaporador horizontal.

  • Baixo volume de ácido no evaporador para operação segura e flexível, assim como adaptado para alterações de capacidades variando de 25% a 100% sem perda de performance.

  • Ausência de partes mecanicamente móvei dentro da circulação de ácido, sem bomba de circulação.

  • Baixo peso do evaporador.

Perfil de temperatura de um ebulidor horizontal.[1]

Processos similares

Processos similares são utilizados para a separação de misturas de ácido sulfúrico e nítrico, muito comuns nas nitrações de compostos orgânicos, assim como na concentração de correntes de ácido clorídrico, oriundas, entre outros, dos processos de cloração de compostos orgânicos.

Referências

Obs: Ao ser realizada a transferência dos artigos do Google Knol para o Anottum, houve a perda das referências deste artigo. Assim que possível, sua referenciação será recuperada e aprimorada. Contando com sua compreensão, grato.

Ver também

Artigo principal: Ácido sulfúrico

O mais útil dos produtos químicos

Concentração de ácido nítrico com ácido sulfúrico

Notas sobre processos de concentração de efluentes desta natureza