Estudio del diseño del proceso de producción de ácido sulfúrico mediante el modelado

Abstract

El ácido sulfúrico, de fórmula H2SO4, es uno de los productos químicos más producidos del mundo. Se genera a partir de trióxido de azufre (SO3), que se obtiene a su vez en un horno en el que se quema azufre elemental (S) para obtener dióxido de azufre (SO2). Este dióxido de azufre se introduce en un reactor catalítico de 5 lechos, en cuyo interior se oxida a trióxido de azufre. Las etapas de este reactor se han modelado rigurosamente, mediante la introducción de la cinética de la reacción en un modelo integrado de la planta en ASPEN Plus, que considera la pérdida de carga en los lechos, la cantidad de catalizador y el tamaño de la etapa en sí. Debido a que el proceso de producción más usado es el de doble contacto, se ha tenido también en cuenta el efecto de una absorción intermedia, entre la cuarta y la quinta etapa de reacción. Adicionalmente, como el proceso genera una gran cantidad de energía que se aprovecha parcialmente dentro del mismo proceso, es necesario considerar la integración energética entre corrientes también. El objetivo principal de este trabajo es emplear una herramienta de simulación de procesos, como es ASPEN Plus, para simular el proceso de producción del ácido sulfúrico, un proceso de producción muy importante en la industria, e intentar explicar mediante el estudio detallado del proceso y la simulación de este las condiciones de operación empleadas cuando se lleva a cabo industrialmente. Para conseguir este objetivo se llevarán a cabo las siguientes tareas: - Explicar el proceso de producción que se va a considerar en el modelado - Obtener el diagrama de equilibrio conversión-temperatura de la reacción para o las condiciones de entrada del reactor o las condiciones tras la absorción intermedia - Desarrollar un modelo mediante ASPEN Plus que incluya: o El tamaño del reactor multilecho o La cinética de la reacción o La forma y tamaño de las partículas de catalizador o El efecto de los absorbedores Para finalizar, se determina la relación entre la cantidad de catalizador y la conversión para diferentes modelos cinéticos de la oxidación del SO2, y se compara la cantidad necesaria de catalizador para obtener la conversión deseada en la primera etapa, calculada teóricamente, con la cantidad real usada en plantas industriales.

Sulfuric acid, whose formula is H2SO4, is one of the most produced chemicals in the world. It is generated from sulfur trioxide (SO3), that is obtained in a furnace in which elemental sulfur (S) is burned to obtain sulfur dioxide (SO2). This sulfur dioxide is fed into a 5-bed catalytic reactor, where it is oxidized to sulfur trioxide. The stages of this reactor have been rigorously modeled by incorporating detailed reaction kinetics in an integrated model of the plant in ASPEN Plus, which considers the pressure drop in the beds, the amount of catalyst and the size of each stage. Because the most common production process is the double contact process, the effect of an intermediate absorption, between the fourth and fifth reactor stage, has also been taken into account. In addition, as the process generates a large amount of energy which is partially used within the process itself, it is necessary to consider the energy integration between streams as well. The main objective of this work is to use a process simulation tool, such as ASPEN Plus, to simulate the sulfuric acid production process, a very important production process in the industry, and to try to explain, by means of a detailed study of the process and its simulation, the operating conditions used when it is carried out industrially. To achieve this goal, the following tasks will be conducted: - To explain the production process to be considered in the modeling. - To obtain the conversion-temperature equilibrium diagram of the reaction for: o the reactor inlet conditions o the conditions after intermediate absorption - To develop a model using ASPEN Plus that includes: o The size of the multi-tube reactor o Reaction kinetics o Catalyst particle shape and size o The effect of the absorbers Finally, the relationship between the amount of catalyst and conversion for different kinetic models of SO2 oxidation is determined, and the calculated amount of catalyst needed to obtain the desired conversion in the first stage is compared with the actual amount used in industrial plants.