6. Ingenieria del Proyecto 6.1. introduccion El proceso de produccin de SO2 como producto intermediario en la fabricacin de cido sulfrico o como producto final en la produccin de SO2, propiamente dicho, ha sido desarrollado atendiendo a las caractersticas de la materia prima. Las materias primas habitualmente usadas en la produccin de SO2 son todos los minerales que contienen azufre; tanto materiales naturales, como desechos industriales. En la naturaleza el azufre se encuentra principalmente en 3 formas: azufre nativo elemental, sulfuros metlicos y sulfatos. Los principales procesos de produccin del SO2 estn asociados a la tostacin de la pirita que tiene un contenido de 53.5% de azufre y 46.5% de Fe.Sin duda, la mejor materia prima para producir SO2 para uso como aditivo alimentario, es el azufre que se extrae por fusin a partir de las rocas naturales sulfuradas, as como el producto secundario en la fabricacin de Cu. Este ser el proceso que se utilizar en el presente trabajo, En el cual el azufre ser fundido e inyectado a un reactor donde se quemar en presencia de aire y posteriormente ser separada por absorcin con agua, en este proceso se obtiene una mezcla gaseosa.En el presente trabajo se disear una planta para producir SO2 de alta pureza y sin contenido de impurezas nocivas, puesto que el SO2 se utilizar en la produccin de alimentos y bebidas como antisptico, antioxidante y solubilizante de sustancias fenlicas, por tanto, las exigencias de calidad del producto, determinarn el uso de flor de azufre de alta pureza como materia prima, as como las caractersticas de cada una de las operaciones del proceso productivo.6.2. Descripcion del producto El producto que se pretende producir en nuestra planta, estar disponible al mercado en presentaciones de garrafas metlicas de una capacidad de 5 litros. En el interior de las garrafas el sulfurosos de encuentra en condiciones de 25*C y 7 atm de presion. 6.3. Proceso productivoEn el presente trabajo, despus de establecer que el proceso de produccin ser el de combustin de azufre, se estudiar la viabilidad tcnica de la produccin de anhdrido sulfuroso para uso alimentario, por tanto, de alta pureza, partiendo de flor de azufre que ser quemado en un reactor con exceso de aire, los humos provenientes del reactor sern enfriados y separados por absorcin en medio acuoso; la solucin de anhdrido sulfuroso en agua se desorber por calentamiento y el gas desprendido ser comprimido, secado utilizando cloruro de calcio como agente desecante, finalmente ser comprimido a una presin de 6 atm y envasado a temperatura ambiente. Este proceso productivo consta de las siguientes operaciones mostradas en las figura 6.1(diagram de proceso productivo)

6.3.1 Recepcin de materias primasEl azufre flor se transportar desde las minas hasta la planta en sacos de 50 Kg, donde ser recibido controlando o determinando la cantidad, la calidad o pureza y la granulometra. AlmacenamientoEl azufre en cantidad y calidad determinada en la operacin de recepcin ser almacenada en un galpn, donde permanecer apilado en sacos de 50 Kg hasta el momento de su utilizacin.Fusin del azufreLa fusin del azufre se realizar en un fusor cilindrico, dividido por la mitad mediante un disco perforado, que dejar pasar por gravedad al compartimiento siguiente al azufre en estado lquido. Este lquido se acumular en el segundo compartimiento, de donde se descargar, pasado por un filtro especial. Por medio de un tubo accionado por una bomba de desplazamiento positivo. Todo el fusor, el tubo de descarga, la bomba y la tubera de transporte estarn enchaquetadas con vapor de agua. El azufre se dosificar por la parte superior del primer compartimiento, desde las paredes laterales enchaquetadas del fusor se transfiere el calor necesario, para calentar hasta fundir, de forma que llegue hasta el reactor en estado lquido, sin riesgo de solidificacin, el calor sensible del lquido debe ser mayor al calor perdido en las tuberas que lo conducen hasta el reactor. El Azufre lquido se descarga del fusor, pasa por un filtro especial que retiene todas las partculas slidas y es bombeado hasta el reactor, mediante una bomba de desplazamiento positivo.Filtracin del aireEl aire atmosfrico cargado de partculas de polucin se pasa por un filtro especial, colocado antes del compresor, donde se retienen todas las partculas e impurezas del aire.Compresin y almacenamiento del aireConsiderando que la reaccin de combustin del azufre se realizar con 100% en exceso de aire, se un compresor con una potencia elevada, el aire transportadoy almacenado en un tanque pulmn provisto de una purga de lquidos, para eliminar el agua condensada, el aire se enfriar y dosificar desde este tanque pulmn hasta el secador con un flujo y presin constante.

Secado del aireDesde el tanque pulmn del compresor, el aire es transportado mediante una tubera hasta los tanques adsorbedores, empacados con cloruro de calcio, que funcionan en ciclos de adsorcin, reactivacin por calentamiento y enfriamiento para prepararlo para un nuevo ciclo, la adsorcin de la humedad del aire en los adsorbedores de cloruro de calcio se realizar en un rango de 30 a 40 C y la activacin o revivificacin se realizar con aire caliente a temperatura de 140 C.Reaccin de combustin en fase gaseosa homogneaLa reaccin de combustin del azufre en estado gaseoso con el oxgeno del aire se realiza en un reactor, recubierto internamente por una capa refractaria, soportada por una chapa metlica de acero inoxidable, las tapas superior e inferior tienen la misma conformacin, cabe recalcar que estn recubiertos de un material refractario y posteriormente de una chapa metlica.

La reaccin de combustin del azufre en estado gaseoso con el oxgeno es muy exotrmica, desprende 73.70 Kcal/mol de azufre y la temperatura se eleva a valores por encima de 1200 C, temperaturas muy altas, que exige el uso de materiales de alta resistencia, por tanto, para disminuir la temperatura de reaccin se ha aumentado la relacin de aire combustible. Un 100 % de exceso de aire hace que la temperatura disminuya, en el interior del reactor, hasta un valor de 727 C. Ademas deacuerdo con la bibliografia de Ullman Enciclopedia ing. Chemistry la reacccion de combustion de azufre con oxigeno, debe ser tratada como un proceso de combustion completa, esto debido a que la transferencia de materia gobierna el Sistema y no asi la cinetica.

Enfriamiento por conveccin y radiacin de los gases de combustinLos productos de combustin salen del reactor a una temperatura de 727 C temperatura muy alta para materiales metlicos, el sistema de enfriamiento de los productos gaseosos a alta temperatura se realizar por un sistema combinado de tubos radiantes e intercambiador de tubos y carcasa. Este sistema esta constituido de un tubo radiante recubierto internamente de material refractario, acoplado a otro tubo radiante de acero inoxidable sin recubrimiento, desde donde se alimenta a un intercambiador de tubo y carcasa. El primer tubo radiante enfra desde una temperatura de 727 C hasta una de 500 C, en el siguiente tubo radiante sin recubrimiento se logra enfriar desde 500C hasta 100C y finalmente el intercambiador de tubo y carcasa enfra los gases de 100C hasta 25C, temperatura a la que ingresa al absorbedor.El intercambiador de tubo y carcasa ha sido diseado para enfriar a los gases, desde 100 hasta 25 C, temperatura a la cual ser absorbido y separado el SO2 en la columna empacada, por los tubos internos del intercambiador circulan los productos gaseosos, y por la carcasa agua.

AbsorcinLa absorcin del SO2 desde la mezcla gaseosa se realiza en una columna empacada con anillos rasching de 1 pulgada, metlicos de acero inoxidable. La columna se ha diseado para lavar la mezcla que ingresa al absorbedor, est equipada con un distribuidor de gas en la parte inferior, otro distribuidor de lquido en la parte superior y por encima de este una malla entramada de madera, para retener el lquido arrastrado por el gas.Calentamiento de la solucin de sulfuroso La solucin de cido sulfuroso, producto de la absorcin, sale del absorbedor y ser precalentada antes de la desorcin hasta una temperatura de 60 C, el calentamiento se realizar mediante un intercambiador de tubo y coraza

6.3.12 Desorcin del SO2La desorcin del SO2 desde la solucin cida precalentada se realizar en una columna rellena de caractersticas similares a la utilizada en la absorcin del SO2. Esta columna est empacada con anillos rasching de 1 pulgada, metlicas de inox, equipada con un distribuidor de gas en la parte inferior, otro distribuidor de lquido en la parte superior y por encima de este una malla entramada de madera, para retener el lquido arrastrado por el gas. En esta columna la solucin lquida de cido sulfuroso ingresa por la parte superior a 60C, a medida que cae por el relleno se evapora el SO2. El SO2 hmedo sale por la parte superior; el agua con una pequea concentracin de SO2 sale por la parte inferior, est solucin ser reciclada despus de ser enfriada, en el absorbedor. Las caractersticas de diseo son exactamente iguales al de la columna de absorcin. El desorbedor llevar un intercambiador de tubos en la parte inferior, por cuyo interior circular vapor de agua que ser utilizada para garantizar una temperatura ptima de 50C para la desorcin.

6.3.13 Compresin y secado del SO2 El gas SO2 hmedo que sale del desorbedor, por la parte superior, con una temperatura de 60C, ser comprimido hasta 3 atm y enfriado por un intercambiador hasta 25C, el lquido condensado ser reciclado al desorbedor, el SO2 en estado gaseoso ser secado al pasar por un lecho de cloruro de calcio, posteriormente comprimido hasta 7 atm y condensado por enfriamiento hasta 25 C, condiciones en las que el SO2 se licua, est gas ser almacenado en un tanque pulmn, desde donde se envasar en garrafas de 25 Kg.

6.4. Balance de masa y energia 6.4.1 Requerimiento de materias Los requerimientos de materias primas, azufre y aire, se determinarn considerando: el programa de produccin anual (determinado en el anlisis de mercado, que es de 13000Kg/ao), la reaccin de transformacin global, las propiedades fsicas y qumicas de las materias primas disponibles, los rendimientos en el reactor y los porcentajes de recuperacin en el absorbedor que se detallan a continuacin:

S(s) + O2 (g) SO2 (g)

Pureza del azufre 99.96% en peso. Concentracin del O2 en el aire de Cochabamba 20.29 % en volumen. Ingreso al reactor del 100% de exeso de aire. Rendimiento o conversin del azufre en el reactor 100%. Recuperacin del SO2 en el absorbedor 96%.

entrada

ComponenteKg/h Kmol/h

S3.280.103

SO200

O26.560.103

N222.560.806

Salida

ComponenteKg/h Kmol/hXmasaXmol

S0000

SO26.560.1030.2020.107

O23.280.0510.1010.053

N222.560.8060.6970.84

6.4.2. Fusin de azufre y diseo del fusor

Como necesitamos calentar el azufre a 140C para que este se encuentre en estado liquido utilizaremos vapor de agua sobrecalentado a 150C que circulara por la chaqueta del fusor; la idea principal para el diseo de nuestro fusor era simularlo a un intercambiador de calor de doble tubo y de un solo paso.

Vapor

Azufre 82.5C

Tubos

Anulo

Cada de presin en el tubo

Cada de presin en el anulo

Las cadas de presin en el anulo y el tubo son despreciables, por lo que nuestro dimensionamiento del fusor es correcto tendr un tubo interno de 12 pulgadas y un tubo externo de 14pulgadas, adems una longitud de 6 pies.Diseo de la bomba del fusorLeq= Ltubo+4x Lcodo+L embocadura+ Ldescarga+Lval de asientoLeq= 5.5+ 4(2.2)+0.5+0.5+7=22.3m

La potencia de la bomba que requiere el proceso ser de 0.5Hp

6.4.3. Compresin de aire y diseo del compresor

Este compresor ser el encargado de desplazar 29.12Kg/h de aire e incrementar la presin de este de 1 atm a 8 atm, para posteriormente inyectarlo al reactor donde se producir el sulfuroso.La temperatura de descarga se la calcula con la ecuacin:

La potencia del compresor la determinaremos con la ecuacin:

El tamao del compresor ser de 3.5Hp6.4.4. reactor de combustin de azufreLa reccion que se llevara a cabo entre el azufre liquido y el oxigeno del aire, de la tratara como una reaccion de combustion completa, de acuerdo con la bibliografia Ullmanns Encyclopedia of industrial chemistry. Razon por la cual la cinetica de la razon no sera significativa y la conversion sera igual a uno.

S(s) + O2 (g) SO2 (g)

Pureza del azufre 99.96% en peso. Concentracin del O2 en el aire de Cochabamba 20.29 % en volumen. Ingreso al reactor del 100% de exeso de aire. Rendimiento o conversin del azufre en el reactor 100%. Recuperacin del SO2 en el absorbedor 96%.

entrada

ComponenteKg/h Kmol/h

S3.280.103

SO200

O26.560.103

N222.560.806

Salida

ComponenteKg/h Kmol/hXmasaXmol

S0000

SO26.560.1030.2020.107

O23.280.0510.1010.053

N222.560.8060.6970.84

Diseo del equipo

Balance general en el reactor a presin constante Entonces tenemos:

Capacidades calorficas en funcin de la T en Cal/mol Cp=a + bT+ cT2ProductoabcObservacin

S4.384.4 x10-3Monoclnico

O28.272.58 x10-4-187700c/T2

N26.501x10-3

SO27.705.3x10-3-8.3x10-7

Aire6.8598.49410-4-38092c/T2

Cp-4.956.42x10-48.3x10-7+d=187700/T2

CpPg6.8011.36x10-3-8.4x10-8+d=-19040.289/T2

Fuente: Perry y Col. (1996): Manual del Ing. Qumico

Entonces remplazando los valores en el balance de energa se obtiene que:Para calcular las dimensiones que nuestro reactor requiere se tomaron en cuenta las siguientes recomendaciones recabadas de la bibliografa. Espesor de refractario 0.15m Espesor de la chapa de acero inox 0.008m Dimetro interno del reactor 0.2m

Nuestro reactor estar construido con material refractario y estar soportado por una chapa de acero inox, deacuerdo con los dimetros recomendados para la construccion de nuestro reactor se calculo la longitud idnea para que el flujo de calor que se desprende sea considerable solo en la direccin radia. Las dimensiones de nuestro reactor sern las siguientes: Espesor de refractario 0.15m Espesor de la chapa de acero inox 0.008m Dimetro interno del reactor 0.2m Longitud del reactor es 2.87m

6.4.5. Diseo del tubo radiante con refractario Nuestro primer tubo radiante ser el encardo de enfriar los productos gaseosos del reactor desde una temperatura de 727 hasta 500, a estas temperaturas es necesario utilizar material refractario que soporte dicha temperatura.

6.4.6. Diseo de un tubo radiante sin refractario

Nuestro primer tubo radiante ser el encardo de enfriar los productos gaseosos del reactor desde una temperatura de 500 hasta 100, a estas temperaturas es necesario utilizar material refractario que soporte dicha temperatura.

6.4.7. Diseo del intercambiador de tubos y coraza E-132

El objetivo de este intercambiador ser enfriar los productos gaseosos provenientes de los tubos radiantes desde una temperatura de 100 hasta una temperatura de 25. Por la carcasa circulara agua de enfriamiento y por los tubos circula el producto gaseoso.

Arreglo cuadrado, 1plg ,tubos 3/4pulg

gases

Agua 34C

Tubos

Coraza arreglo cuadrado, 1plg ,tubos 3/4pulg

Nuestro intercambiador de tubo y coraza tendr 20 tubos y cuatro pasos, adems tendr una longitud de 3.62 pies y un arreglo cuadrado. La coraza tendr un dimetro de 8 pulgadas.Cada de presin en el intercambiadorCada de presin en los tubos

Cada de presin en la coraza

La cada de presin tanto en los tubos como en la coraza es menor a 10 por lo que nuestro diseo esta correcto.

6.4.8. Clculo y diseo de la columna de absorcin

Velocidad de operacin 50% de la velocidad de inundacin. Flujo de H2O de operacin 1.3 veces el mnimo. Recuperacin 96% en moles de SO2 que entra a la torre. Condiciones ambientales T= 25C P=562.233 mm Hg Flujo de mezcla gaseosa a separar: Gt=Vb=0.96 Kmol/h. Composicin de la mezcla en fraccin molar Yso2 =Yb =0.107. Densidad del lquido L=998 Kg /m3 Viscosidad del lquido L=1.0 x10-3 Kg/m s. Cf =115 para anillos rasching de 11 y 25 mm de altura y dimetro respectivamente y 0.8 mm de espesor. Datos de equilibrio: los datos de solubilidad de fraccin molar de SO2 en el lquido que est en equilibrio con la fraccin molar de SO2 en el gas, estn dados en Tabla: Datos de equilibrio del sistema SO2 y Agua x1.4 x10-31.96 x 10-32.79 x 10-34.2 x 10-36.98 x 10-3

y0.03420.05130.07750.1210.212

Estos datos han sido ajustados por regresin lineal a una recta cuya ecuacin est dada por:Y= 31.864 x 0.0112 (6.55) Con un coeficiente de correlacin R= 0.9999, por tanto, ser esta curva la que se utilice a efectos de clculo. Los coeficientes de transferencia de masa correspondientes a la absorcin del SO2 en agua a 25C, en torres rellenas con anillos rasching, de acuerdo con Perry J.F. y Vivian:Chem. Eng. Progress, 45, 322, estn dados por:

y

La curva de operacion es:

Para este valor de X, deacuerdo al diagram de EcKert corresponde Y=0.04

Calculo de la altura de la torre

Para resolver esta ecuacion utilizaremos el metodo de integracion grafica de Simpson

YXYif(y,yi)

4,50E-038,60673E-093,04E-036,92E+02

9,35E-030,0001238477,60E-035,83E+02

1,42E-020,0002488731,22E-025,07E+02

1,90E-020,0003751021,67E-024,53E+02

2,39E-020,0005025532,13E-024,12E+02

2,87E-020,0006312432,59E-023,80E+02

3,36E-020,0007611893,06E-023,55E+02

3,84E-020,0008924123,52E-023,34E+02

4,33E-020,0010249293,98E-023,18E+02

4,81E-020,001158764,45E-023,05E+02

5,30E-020,0012939254,92E-022,94E+02

5,78E-020,0014304435,39E-022,85E+02

6,27E-020,0015683355,86E-022,77E+02

6,75E-020,0017076236,33E-022,72E+02

7,24E-020,0018483266,80E-022,67E+02

7,72E-020,0019904677,28E-022,64E+02

8,21E-020,0021340677,75E-022,61E+02

8,69E-020,0022791518,23E-022,60E+02

9,17E-020,002425748,71E-022,60E+02

9,66E-020,0025738589,19E-022,60E+02

0,101440,002723539,67E-022,62E+02

Aplicando el metodo simpson obtenemos un valor para la integral de

Nuestra columna de absorcion tendra una altura de 3.45m y un diametro de 16cm

Diseo de la columna de desorcin

La columna de desorcion tendra el mismo dimencionamiento que la columna de absorsion por lo tanto la columna tendra un diametro de 16 cm y una altura de 3.45m, ademas tambien estara rellena con anillos rashing de 1 pulg.

Ademas en la columna ingresara la solucion rica en so2 por la parte superior y a una temperatura de 60 , el equilibrio y la desorcion se la realizara con aire los cuales seran separados y comprimidos posteriormente.

6.4.10. Intercambiador por calentamiento de la solucin E-141

La funcion que cumplira este equipo sera la de calentar la mezcla rica en so2 desde una temperatura de 25hasta una temperatura de 60 para lo cual se utilizara un intercambiador de tubo y coraza, por la coraza circulara vapor de agua a 150 y por los tubos circulara la solucion rica en so2.

Arreglo cuadrado, 1plg ,tubos 3/4pulg

vapor

solucion 42.5C

Tubos

Coraza arreglo cuadrado, 1plg ,tubos 3/4pulg

Nuestro intercambiador de tubo y coraza tendr 20 tubos y cuatro pasos, adems tendr una longitud de 2 pies y un arreglo cuadrado. La coraza tendr un dimetro de 8 pulgadas.Cada de presin en el intercambiadorCada de presin en los tubos

Cada de presin en la coraza

La cada de presin tanto en los tubos como en la coraza es menor a 10 por lo que nuestro diseo esta correcto.

6.4.11. Compresin, enfriamiento y envasadoDiseo del compresor del aireEste compresor ser el encargado de desplazar 45.24Kg/h de sulfuroso y aire e incrementar la presin de este de 3 atm a 7 atm, para posteriormente enfriar el sulfuroso hasta una temperatura de 25 para que este sea un liquido y se separe del aire.La temperatura de descarga se la calcula con la ecuacin:

La potencia del compresor la determinaremos con la ecuacin:

El tamao del compresor ser de 6Hp.Diseo del intercambiador de calor tubo y corasa E-160este intercambiador tendr la funsion de enfriar el sulfuroso desde una temperatura de 134 hasta una temperatura de 25, a estas condiciones de 7 atm y 25,nuestro sulfuroso ya es un liquido comprimido y esta listo para su embazado y su comercializacin.Por la carcasa circulara agua que ingresa a18 y saldr a 50 , por los tubos ingresara el sulfuroso a 134 y saldr a 25.Arreglo cuadrado, 1plg ,tubos 3/4pulg

sulfuroso

Agua 34C

Tubos

Coraza arreglo cuadrado, 1plg ,tubos 3/4pulg

Nuestro intercambiador de tubo y coraza tendr 20 tubos y cuatro pasos, adems tendr una longitud de 4.19 pies y un arreglo cuadrado. La coraza tendr un dimetro de 8 pulgadas.Cada de presin en el intercambiadorCada de presin en los tubos

Cada de presin en la coraza

La cada de presin tanto en los tubos como en la coraza es menor a 10 por lo que nuestro diseo esta correcto.

Recepcin de azufreAlmacenamiento de azufreFusin del azufreFiltracin del aireCompresin del aireSecado del aireReaccin de Combustin del Azufre en fase gaseosaEnfriamiento de gases de combustin Absorcin en torre empacadaCalentamiento de la solucinDesorcin en torre empacadaCompresin del SO2Enfriamiento del SO2Secado del SO2Almacenamiento del SO2 Liq.

Envasado del SO2.Almacenamiento en garrafas

Fig. (6.1)

DIAGRAMA DEL PROCESO PRODUCTIVO DEL SO2