Ácido Sulfúrico

El ácido sulfúrico es un ácido inorgánico fuerte y barato, esencial en la industria química inorgánica. En Chile, en la década de 1980, surgió la preocupación por las emisiones de SO2 y material particulado, lo que llevó a la búsqueda de nuevas tecnologías limpias y de control en la industria del cobre, lo que dio lugar a la creación de la planta de H2SO4 (con un atractivo económico adicional). Hoy en día, el 95% del H2SO4 se genera como subproducto de las fundiciones de cobre. Existen 10 plantas en el país, 5 de Codelco.

Azeótropo: No se puede obtener ácido más puro (98,6%) por destilación.

Propiedades: Ácido dibásico de gran reactividad química, agente oxidante, agente deshidratante (nitración, esterificación y sulfonación), utilizado como reactivo, solvente, absorbente y catalizador, altamente corrosivo. En el comercio, el porcentaje principal es del 93-98%, ácido fumante (SO3 disuelto en H2SO4, la hidratación genera calor (reacción exotérmica)).

Producción: Se produce por hidratación y oxidación, en 3 direcciones: catálisis homogénea (método de cámaras de plomo, muy caro y produce ácido de baja concentración), catálisis heterogénea (métodos de contacto: depuración de gases, absorción), reciclado (alto nivel de impurezas, precio elevado).

Reacciones Químicas

• Calcinación de S: S (l) + O2 (g) → SO2 (g)
• Oxidación en convertidores: SO2 (g) + ½ O2 (g) → SO3 (g)

Efecto de la temperatura: Conversión (ideal a 400 ºC) vs. velocidad de reacción (favorable a mayor temperatura).

• Absorción de SO3 en ácido concentrado (absorbedor): SO3 (g) + H2O (l) → H2SO4 (l)

Proceso y Condiciones de Operación

Etapas de fundición del cobre: limpieza de gases, conversión de SO2 a SO3, secado de gas y absorción de SO3.

Niveles de Producción y Usos

• Se producen 150 millones de toneladas/año a nivel mundial.
• El 60% se utiliza para la industria de fertilizantes.
• El 35% para la industria química (refinado de petróleo, producción de detergentes y explosivos, textiles, síntesis orgánica).
• El 2,8% para la minería (lixiviación).

En Chile se producen 3,2 millones de toneladas métricas/año. En 2001 se produjeron 3,8 millones.

Impacto Ambiental

• Las plantas de H2SO4 son la principal tecnología para el control de las emisiones gaseosas procedentes de la fundición de cobre.
• Actualmente se ha desarrollado una nueva tecnología para procesar gases de bajo contenido de SO2. Existen 12 operando en el mundo y en Chile hay una en Molymet en Nos.
• Se recupera mucho ácido sulfúrico usado para ser reciclado.
• En la industria del acero, el H2SO4 se reemplaza por HCl, ya que se recupera ácido del licor gastado y se evita la contaminación de los ríos.

Azufre y Sulfuros Metálicos

El azufre es una materia prima principal en la industria química. Se encuentra en la naturaleza como elemental (depósitos sedimentarios o volcánicos) y como no elemental (sulfatos (yesos), sulfuros metálicos (minerales como), combustibles fósiles como petróleo, gas natural, carbón). Elemento abundante (15% de la Tierra) y muy reactivo, sólido de color amarillo y varias formas alotrópicas, funde a 112-114 ºC, y en líquido tiene alta viscosidad a temperaturas superiores a 158 ºC. Se aplica en un 85-90% para la fabricación de H2SO4, vulcanización (caucho), como agente blanqueador, aplicaciones agroquímicas. Debe transportarse fundido y en bloques evitando la formación de polvos.

Vulcanización: Proceso en el que el caucho crudo se calienta en presencia de azufre, lo que hace que las moléculas elásticas del caucho se unan entre sí en mayor o menor medida, formando un caucho más estable, duro, mucho más duradero, más resistente al ataque químico y sin perder su elasticidad natural; este proceso es de curado irreversible.

Aprovechamiento del Azufre Elemental

• Proceso Frasch: Se obtiene el azufre elemental a partir de las piedras calizas porosas que lo contienen. El proceso consiste en fundir el azufre bajo tierra mediante un juego de tres tubos concéntricos: uno inyecta agua sobrecalentada, otro aire comprimido y otro que extrae el azufre fundido espumado. Se puede producir azufre hasta 300 Tm/día con un 99,5% de pureza.

• Aprovechamiento del Azufre de Gases:

  • H2S (gas natural y petróleo): Lavado con etanolamina, que es corrosivo para los metales, tóxico y envenena los catalizadores.
  • Proceso Claus: Combustión, enfriamiento, reacción catalítica, proceso realizado para recuperar el azufre elemental a partir de H2S, se extrae azufre muy puro.

• Dulcificación: Proceso utilizado para retirar H2S y CO2 de un flujo de gas. En un proceso de dulcificación, se pueden utilizar diferentes tipos de etanolamina. Al calentarla, se separan el H2S, el CO2 y el vapor.

Aprovechamiento de Sulfuros Metálicos

• Por yacimientos grandes (pirita, pirrotita, blenda, galena, cinabrio, calcosina, covellita, calcopirita, bornita, mispiquel).
• Por tostación: Proceso metalúrgico que implica una reacción sólido-gas a temperaturas muy elevadas con el fin de purificar el componente metálico. En la tostación, el concentrado de mineral se trata con aire muy caliente. Este proceso se aplica generalmente a los minerales de sulfuro. Durante la tostación, el sulfuro se convierte en un óxido y el azufre se libera como SO2. Los hornos de tostación tienen dos objetivos: obtener gases y cenizas, recuperar el calor generado.

Cloro-Soda

• Soda: Materia prima: sal NaCl y energía eléctrica. Estas materias primas se someten a un proceso electrolítico: dilución de la salmuera de forma saturada (300 g/l), tratamiento de eliminación de impurezas: precipitación con cenizas de soda, filtración a través de filtros de arena y de precapa, purificación mediante columnas de intercambio iónico (elimina Al, Ca, Mg).

Obtención de Productos

• Cl2: Secado con ácido sulfúrico en un scrubber, compresión y licuefacción, almacenamiento.
• H2: Llevado a caldera para ser utilizado como combustible.
• NaOH: Almacenada y luego distribuida (la electrólisis de salmuera produce NaOH).

Tipos de Celdas

• De diafragma: Además de separar los productos, permite la difusión de los iones.
• De Hg: En el ánodo se forma Cl y en el cátodo se forma una amalgama de Na y Hg.
• De membrana: Deja permear a través de ella solo los iones de Na+.

Obtención de Subproductos

: NaOCl: se obtiene una solución de aprox. 16% de conc. a través de la sgte rx: Cl2 + 2NaOH = NaCl  + H2O + NaOCl; HCl: obtenido a una conc de 35% mediante Cl2 y H2 a alta tº: H2 + Cl2 = HCl; CaCl2: obtenido en conc de 35% por rx de caliza y HCl; FeCl3: obtenido a una conc de 40% por rx de oxidos de Fe, Cl y HCl. Usos: soda: industria procesadora de alimentos, manufactura de fibras sinteticas y producción de Al, procesamiento de petróleo, pulpaje de madera, producción de jabones y detergentes; cloro: producción de medicamentos, cloración del agua, solventes clorados refrigerantes y extracción de minerales, pvc; H2: combustible para producir vapor, síntesis de HCl, hidrogenación de aceites y grasas en la producción de margarinas y mantequillas;

NaOCl: tratamiento de agua, agente de blanqueo y desinfección; HCl: industria petroqca, metal-mecanica, perforación pozos petróleo, minería Cu y Li, decapado de metales, producción de fungicidas; CaCl2: agente para eliminar polvo, acelerante de fraguado, agroindustria, salmueras refrigerantes; FeCl3: agente de floculación en plantas de agua potable, plantas de tratamiento de aguas e industrias en gral.

Cloro y soda productos altamente peligrosos de alto impacto ambiental, producción mundial decrece por cambio hacia productos mas amigables, oxy chile s.a. es el principal productor.

Fosfatos: fuente de toa la industria del P, se encuentra como apatito y fosforita (amorfa), composición qca: mezclas isomorfas de ortofosfato cálcico, unido a CaF2 (fluoapatitos) CaCl2 (cloroapatitos); tiene aplicaciones en 90% en fertilizantes, P y derivados. Fertilizantes: macronutrientes necesarios: N,P,K en forma qcas solubles en agua, solubilizables por el jugo de las raíces o la qca del suelo; N: ion nitrato, ion amonio, dilución acuosa de NH3; P: ion fosfato acido, acidos fosfóricos en el agua de riego; K: ion (KCl, K2SO4 y KNO3); fertilizantes dobles: mas de un nutriente; abonos ternarios (NPK): productos de forma triple y concentrada, mejores resultados. Fosfato amónico: aplicaciones: fertilzante binario, componentes abonos NPK, solido o disuelto en fertilizantes liquidos; se prepara con acido fosfórico + NH3.

Petróleo: los procesos de operaciones de refino de petróleo se clasifican en: separación (el petróleo crudo se separa por fraccionamiento en torres de destilación atm y de vacio), conversión (descomposición, unificación, alteración, tratamiento), tratamiento, formulación y mezcla (mezclar y combinar fracciones de hidrocarburos aditivos y otros componentes para obtener productos terminados con propiedades especificas), operaciones auxiliares (otras operaciones que dan soporte al procesado de los hidrocarburos con la recuperación de residuos ligeros), y fuera de servicio; principales productos del refino del petróleo: hidrocarburos gaseosos: gases licuados, materia prima para la industria qca (productos de goma), negro de humo (tintas de imprenta);

destilados ligeros: naftas ligeras intermedias y pesadas, gasóleo; destilados pesados: lubricantes técnicos, aceites lubricados, cera de parafina; residuos: petrolato, fuel residual, asfaltos; subproductos de refinerías: coque, sulfonatos, ac. Sulfúrico, S, H. Desalinización: proceso en el cual se eliminan sales inorgánicas, agua, solidos en suspensión del crudo con el fin de reducir la corrosión, el tamponamieto, y formación de inscrustaciones en el equipo (tres tipos: qca, separación electrostática y filtrado. Craqueo: proceso por el cual se descompone o se rompe las fracciones de petróleo pesadas de alto punto de ebullición y los convierte en productos mas valiosos.

Saponificación: es la hidrólisis de las uniones éster de las grasas y aceites producida por una base. Producto de la saponificación está el jabón. Como resultado de la hidrólisis se obtiene una sal de sodio o potasio de un ácido graso, dependiendo de la base utilizada. El grupo carboxilato, que tiene carga negativa, es hidrofílico, mientras que la cadena de hidrocarburo es lipofílica e hidrofóbica. Los átomos de oxigeno del grupo carboxilato comparten la carga negativa y pueden formar enlaces de hidrógeno con las moléculas de agua. En solución acuosa, el jabón, forma una dispersión de micelas. Estas micelas son asociaciones de moléculas, que orientas los grupos carboxilatos, hacia la superficie del agregado molecular y sus colas hidrofóbicas hacia adentro. La micela es energéticamente estable, ya que los grupos hidrofílicos están unidos mediante enlaces hidrógeno, mientras que los grupos hidrofóbicos se encuentran enlazados con otros enlaces hidrofóbicos, o con partes de moléculas de grasa. Lo anterior explica el poder desengrasante del jabón.

Siderurgia: La producción de acero en Chile se limita a dos industrias, siendo la principal la Compañía de Acero del Pacífico (CAP) con su planta Huachipato. La planta de Huachipato consiste en una planta productora de acero a partir del mineral de hierro, carbón y caliza, mientras que la otra planta es una planta de remanufactura, esto es, recicla el acero de deshecho, lo funde y refina hasta producir acero de uso comercial. Procesos productivo mediante convertidor CONOX: materia prima: La recepción de la materia prima se lleva a cabo en los muelles de Huachipato, permitiendo descarga desde los buques del mineral de hierro traído desde las plantas de Huasco y Los Colorados (en forma de pellets). En el muelle se reciben además el Carbón mineral, el cual debe ser importado desde Australia, Canadá y Estados Unidos; y la piedra Calizaextraída desde el yacimiento de CAP ubicado en la isla Guarello. En la actualidad no es posible procesar con carbón nacional debido a la gran cantidad de azufre que éste contiene, además del bajo contenido neto de Carbón. Planta de coque y subproductos: La mezcla de carbones importados almacenados en los patios de acopio son sometidas a un proceso de pirolisis, que lo transforma en carbón coque metalúrgico. Este proceso es realizado en la planta de Coque que opera mediante dos baterías de 29 hornos cada una, intercalados entre sí, de este modo se logra una operación semibatch de la planta. Cada horno opera 12 horas a altas temperaturas de manera de producir el cracking catalítico de la mezcla de carbones, liberando gas de alto poder calorífico, utilizado como combustible en otras unidades de la industria. Alto horno: En esta unidad se carga desde la parte superior la mezcla de coque metalúrgico más la caliza y los minerales de hierro, en forma estratificada.

Una vez cargado, se inyecta aire precalentado a 1000ºC, lo que facilita la combustión del coque y generando temperaturas cada vez mayores, además de los gases reductores que actúan sobre la caliza y el mineral de hierro transformando la mezcla en arrabio líquido, más un residuo denominado escoria de alto horno. Una vez finalizada esta etapa, para descargar el horno es necesario perforar el fondo del crisol mediante una lanza neumática, la cual abre un pequeño orificio que permite el escurrimiento de la colada (o arrabio líquido) hacia los carros torpedo para ser transportada hacia Acería, donde finalmente se produce el acero. Una vez que ha salido toda la colada del horno, comienza a salir la escoria (debido a su menor densidad), la cual es recibida en un foso donde es enfriada mediante un chorro de agua fría. Aceria CONOX: En esta unidad se recibe el arrabio del alto horno más la chatarra de acero proveniente de las líneas de producción en uno de los dos convertidores de 100 toneladas cada uno. Si se requiere de algún elemento especial tales como Cromo, Mg, Ni u otro elemento, es en esta unidad donde se le da la composición química deseada al acero. Colada continua de planchones: El acero líquido de la cuchara proveniente de Acería es vaciado en una artesa que por el fondo está provista de un orificio a través de cual escurre el acero líquido hacia el molde enfriado por agua, lo que produce la solidificación del acero en la forma de un planchón continuo de 156 mm de espesor, un ancho de 800 a 1050 mm, y que va siendo trozado de acuerdo a los requerimientos del cliente. Laminador desbastador: Los lingotes provenientes de Acería son laminados en hornos de foso para producir productos semiterminados como tochos, palanquillas y planchones, los cuales son vendidos a talleres, fundiciones y maestranzas

. Laminador de barras: En esta unidad se procesan las palanquillas, siendo sometidas primero a recalentamiento en un horno de modo de volver la estructura más fácil de laminar en pasos sucesivos a través de rodillos, para ser transformadas en barras redondas lisas o con resaltes para hormigón, barras cuadradas, etc… productos característicos de la construcción. Laminador de planos en caliente: Los planchones de Colada Continua son sometidos a laminación en caliente de modo de reducir el espesor y aumentar la longitud de la plancha. Parte de esta producción de planchas es destinada a la venta en su forma de rollos o planchas, mientras que otra parte es destinada a Laminado en Frío. Laminador en frio: Los rollos laminados en caliente son recibidos en esta unidad para realizar el último tratamiento de decapado, que consiste en remover una capa superficial muy delgada con el objetivo de remover los óxidos y luego a laminación en frío para disminuir el espesor final. Parte de esta producción es destinada a la fabricación de Zinc-Alum, que consiste en un rollo de acero recubierto por una delgada capa de una aleación de Zinc y Aluminio, lo que reduce notablemente la corrosión de la plancha de acero.

Celulosa: deslignificacion: eliminación parcial de la lignina en la pared celular lo que produce perdida de la resistencia mecánica. Mayor rendimiento proceso mecanico, menor rendimiento proceso químico. Proceso de pulpaje kraft: proceso qco que trata a la madera con una mezcla alcalina de NaOH y sulfuro de sodio Na2S (licor blanco) con el fin de romper las uniones de lignina y liberar las fibras de celulosa. 1 preparacion de la madera: acopio de la madera y se descorteza y se corta en forma de astillas. 2 coccion: las astillas se impregnan vapor de agua para eliminar el aire, se pre-impregna licor blanco, luego se van a un digestor donde se cocen con licor blanco (Na2S+NaOH) finalmente la pasta de celulosa decanta y con ello se genera el licor negro (licor blanco + lignina y otras sustancias.

3 blanqueo: la celulosa formada en el digestor es de color café ya que proviene con una gran cantidad de lignina por lo cual es tratada con con ClO2, H2O2 para su blanqueamiento, final% la pasta es lavada para la remover las sustancias organicas solubles. 4 secado y embalado: la pasta es secada mediante un proceso accionado por varios rodillos que sacan el agua de la pasta por gravedad y bombas de vacío, dándole la forma de una lámina. Luego es llevada a otros procesos de secado donde final% se obtiene una lamina seca que  pasa por la unidad cortadora, que la deja en forma de pliegos, los que se apilan, se prensan y se embalan.