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2.Enxofre 2.1. Principais Aplicações a) Fabricação de H2SO4 b) Fabricação de inseticidas, alvejantes, corantes c) vulcanização da borracha – (látex + borracha): obtém material resistente, não sua extração ela não é tão resistente 2.2. Existência na Natureza a) Na forma livre: Em fontes térmicas e zonas vulcânicas (enxofre nativo) b) Combinado com minérios: sulfetos metálicos (sulfetos de cobre, zinco, chumbo, molibdênio e ferro) c) A partir do H2S 2.3. Processos de obtenção Até a década de 70: Obtido a partir do enxofre nativo pelo processo Frasch A partir da década de 70: obtido a partir do H2S (presente no petróleo) Atualmente, 85% do S obtido a partir do H2S e do SO2; 15% a partir do processo Frasch Produção mundial ~ 70milhões tonelada/ano No Brasil (ver slides) até 2006 a maioria do S consumidos no processo aqui é importado. 2.3.1. Processo Frasch Princípio básico: O enxofre é fundido no subsolo e o líquido é bombeado até a superfície. 3 tubos concêntricos, injeção de água superaquecida (acima da Tsaturação), recuperação do enxofre líquido com a adição de ar comprimido (a quente). Vazão ar = taxa de fusão do enxofre 2.3.2. Processo Claus Baseado no gás ácido com alto teor de H2S (60~75%) Proveniente da purificação do gás natural ou do gás de coque das refinarias Remoção do H2S do gás natural a) Absorção em solventes físicos (que não formam ligações químicas): regeneração do solvente é fácil, menor corrosão é baixa seletividade Ex.: Processo rectisol (metanol como solvente) e processo selexol b) Absorção em solventes químicos: Maior seletividade, maior corrosão e maior estabilidade da ligação com H2S (necessidade de maior energia para regeneração) b1) Extração com aminas : MEA, DEA e MDEA b2) Extração com carbonato a quente(K2CO3): menor custo operacional ( menor quantidade de energia para regeneração ) ; soluções de K2CO3 são muito corrosivas em aço carbono ( necessidade de uso de aço inoxidável e/ou adição de aditivos anticorrosivos) 2.3.2.2. Descrição do Processo Claus Principais Reações Etapa térmica (irreversível) : H2S + 3/2 O2 (g) SO2(g) + H2O(g) ΔH= -123,9Kcal ( exotérmica) Etapa catalítica(reversível) : SO2(g) + 2H2S(g) 3S(l) + 2H2O(l) ΔH= -34,2Kcal ( exotérmica) Etapa Térmica (oxidação parcial irreversível do H2S) i) Fornece o SO2 necessário para a etapa catalítica (reação Claus) ii) Deve-se oxidar 1/3 do H2S da carga: obtenção da razão H2S/SO2~2 para a reação de Claus Controle da razão H2S/SO2 : feito pelo controle da vazão de ar -> Se H2S/So2 aumenta, é preciso aumentar a vazão de ar ( queima de maior quantidade de H2S). iii) Cálculo da quantidade de O2 necessária deve levar em conta a possibilidade de oxidação de impurezas (CH4, C2H6, CO, NH3) e a concentração de H2S no gás ácido iv) Temperatura de operação: 1000 ~ 1400 °C Se T<925°C: taxa de reação é muito lenta Se T>1600°C: Produção de SO3 e NOx (corrosão do forno e desativação do catalisador na etapa seguinte) v) Pode ocorrer formação de CO e CO2 no forno, que reagem com H2S, produzindo sulfeto de carbonila (COS) e dissulfeto de carbono(CS2). COS e CS2 : Inertes a formação de S na etapa catalítica H2S + CO2 H2O + COS reação de formação de COS e CS2 H2S + COS H2O + CS2 Recuperação do S inertizado na forma de COS e CS2: hidrolise (em um reator tubular antes da etapa catalítica ou no 1° conversor de claus) Reação: COS ou CS2 H2S + CO2 Etapa Catalítica ( reação entre H2S e SO2) i) Favorecida em Tbaixas ( 200 ~300°C) ii) Uso de catalisadores (em geral Al2O) iii) Uso de 3 leitos catalíticos sucessivos: maiores taxas de reação (aumento da conversão) -> Fluxograma no slide iv) O gás residual é tratado para que não prejudique o meio ambiente liberando SO2 e SO3 que com a H2O(da atm ) gera H2S(chuva ácida). Apesar da conversão no processo de Claus ser alta ( 98%) é necessário tratar esse gás residual ( um processo com grandes quantidades vai gerar uma quantidade significativa de gás residual ) Catalisadores para o processo Claus i) Catalisador tradicional: Al2O3 (alta área superficial) ii) Adição de promotores (óxidos de ferro e metais alcalinos): aumento da atividade catalítica e redução da desativação iii) Presença de excesso de O2: formação de sulfato de alumina (alumina + O2 + SO2 ) -> Cataliticamente inativo Fe2O3 (Fe2O3 --- S --> FeS2 ----O2----> Fe2O3) : impede que o O2 chegue a alumina Na2O: aumenta a conversão de H2S e promove a hidrólise do CS2 Teor ótimo: 1500 a 2500ppm Se for maior que 2500ppm -> formação de sulfato de alumina Desativação está associada a: I) Temperatura + água : redução da área superficial II) Sulfatação da superfície III) Bloqueio dos poros do catalisador pelo enxofre líquido IV) Formação de coque (compostos com grande quantidade de C, começa a hidrolisar os hidrocarbonetos ) Slides H2S CS2 Conversão começa a cair ( o catalisador vai ficando inativo por formação de alumina ) Carbono amorfo (fuligem preta) Carbono filamentar (filamentos pretos) Para se livrar do coque no catalisador: oxidar o coque Catalisador Alternativo: TiO2 i) Não é afetado pela altas concentrações de O2 : alta resistência a Sulfatação ii) Promove a hidrólise total do COS e CS2 iii) Resistencia a temperatura até 800°C iv) Maior conversão (reduz a carga da unidade de tratamento de gás residual) 2.3.2.3.Modificações no Processo Claus Objetivo: Aumentar a recuperação de S Processo SuperClaus I) Substituição do último estágio pela oxidação seletiva do H2S a enxofre elementar ( e não SO2) -> por isso chamo de seletiva H2S + ½ O2 S + H2O II) Seletividade para enxofre depende do controle cinético H2S ---- k1 ---> S ---- k2 ----> SO2 Uso de catalisador adequado: razão k2/k1 , diminua ao máximo essa reação, levando k2 a diminuir, o que promove a produção do S. Catalisador: óxido de ferro e de cromo suportado em alumina Principais características deste catalisador: Fe e Cr evitam a Sulfatação da alumina i) Conversão de 80~90% do H2S a S ii) Evita a oxidação do S a SO2 (mesmo em excesso de O2) iii) Inversível a altas concentrações de vapor d’agua Para inibir a oxidação do S, deve-se minimizar o tempo de residência do vapor do S na partícula de catalisador, promove a produção do S líquido, aumenta a tensão superficial ( formação de menisco capilar ) é mais fácil evaporar esse S, nos macroporos é mais difícil acontecer. Suporte macroporoso : evita a condensação do S facilitando a sua remoção Microporos: alta área superficial Toperação = 200~300°C ( evita a condensação e a oxidação do S (SLIDE ) Processo SuperClaus não pode ser usado para tratar correntes com concentração H2S>5%, devido a problemas com o controle de temperatura. Processo Pro Claus ( Parsons redox Claus ) Após a etapa térmica, são adicionadas 3 etapas catalíticas : Etapa (1) : Reação Claus convencional Etapa (2): Redução seletiva do SO2 a S SO2 + 2H2 S + H2O São formados na etapa térmica SO2 + 2CO S + 2CO2 Toperação= 260~350°C Catalisador = CoMo/Al2O3(suporte de alumina) usado na hidrodessulforização das correntes de gás natural Rendimento S = 60~80% Etapa (3): Oxidação seletiva do H2S a S Toperação= 225°C Catalisador V/SiO2 (vanádiosobre sílica) : 95% rend. Sem agua e 86 % com agua Maior T e maior água: desativa alumina (aglomeração de partículas) Opera com quantidades estequiométricas de O2. Possibilidade de tratar corrente com H2S> 5% Efeito da razão O2/H2S ~0,5 ( SLIDE ) Maior O2/H2S , maior conversão e menor seletividade de S 3. Ácido Sulfúrico (H2SO4) Ácido inorgânico forte com propriedades oxidantes e desidratantes Comercializado em soluções aquosas ou soluções de SO3 em H2SO4 Produto mais importante da indústria química inorgânica 190 milhões de toneladas/ano 3.1. Principais Aplicações Fabricação de fertilizantes; explosivos; sabões e detergentes; No Brasil : 85% do H2SO4 é usado na fabricação de fertilizantes 3.2.Principais Processos de Obtenção Diferem entre si do proesso de geração de SO2 a) A partir da queima de S b) Como subproduto do tratamento metalúrgico de sulfeitos metálicos Redução de sulfatos ( CaSO4) No Brasil 84% do H2SO4 é obtido a partir da queima do enxofre e 16% a partir de gases metalúrgicos Independente da matéria-prima, o processo pode ser dividido em 3 etapas: (a) geração de SO2 (b) Conversão do SO2 a SO3 (c)Absorção do SO3 2.1. Processo de Contato: SO2 é obtido a partir da queima do enxofre. S(l) + O2(g) SO2(g) ΔH= -296,8KJ/mol ( exotérmica) Quando o S é recebido na planta no estado sólido, a 1° etapa do processo consiste na fusão do S, neutralização e filtração. Neutralização e Filtração A neutralização é necessária, devido a formação de bissulfato (HS-) durante a fusão HS- é muito corrosivo e é neutralizado usando-se cal virgem ( 10-40kg/ton S) Forma-se CaSO4, que é removido pela filtração ( para evitar entupimento da tubulação ) Queima do Enxofre O ar deve ser seco : evitar formação de H2SO4( antes do tempo, para não corroer a tubulação), reduzindo problemas de corrosão. Secagem do ar: feita em torres de absorção, usando H2SO4 concentrado ( 93~98%) como agente dessecante -> torres de aço revestidas com cerâmica, com recheios de anéis ( SLIDES ) Ar seco + S líquido vão para o forno queimador de enxofre Para ocorrer antes da queima, o enxofre deve ser atomizado(pulverizado), utilizando sistema centrifugo de atomização S é impulsionado pela pressão de ar e , com a rotação, são formadas gotículas de S ( maior eficiência no contato gás/lig ) Tqueima = 950 ~1200°C Conversão de SO2 a SO3 SO2 + ½ O2 SO3 ΔH= -99 KJ/mol ( exotérmica) Para favorecer o deslocamento do equilíbrio no sentido de formação de SO3, deve-se : i) Aumentar a concentração de O2 ( O2/SO2 ~ 1 ) -> SLIDES ii) Trabalhar com pressão de 5~8atm -> equilíbrio é favorecido iii) Controlar T Quando T é baixa : favorece o equilíbrio da reação ( reação exotérmica) e aumenta a velocidade da reação Totima : 420- 450°C ( equilíbrio é favorável e velocidade de reação é suficientemente ótima ) iv) Remoção do SO3 Catalisadores para a conversão de SO2 em SO3 Até 1920: catalisador de Pt suportada em SiO2 : Caro e muito suscetível ao envenenamento , principalmente quando era usado em plantas em que o SO2 é obtido a partir de sulfatos metálicos Após 1920: Catalisador a base de V2O5 suportado em SiO2 promovidos com sulfatos k,Na ou Cs - Fase ativa destes catalisadores: Liquido contido nos poros do catalisador -> mistura de sais fundidos de M2S2O7 ( M=Na,K ou Cs) e gases dissolvidos (SO2,O2,SO3 e N2). - Promotores: Na ou K (reduzem a Tfusao ( T de ignição ) do catalisador ) Cs : aumenta a T de sinterização e estabiliza mais a estrutura do catalisador Vida útil onga ( > 10anos ) -> bastante resistência no catalisador - Atua por um mecanismo de oxi-redução : SO2 + 2V+5 + O2- 2V+4 + SO3 ½ O2 + 2V+4 2V+5 + O-2 -Envenamento (substância que não é adsorvida, gruda no catalisador ) -Só funciona em fase fundida ( líquida ) : no estado sólido não possui espécies iônicas móveis. Tmin de operação = Tignição do catalisador ( ~380°C) Absorção de SO3 Torre de absorção semelhante a torre de secagem do ar Agente usado na absorção: soluções de H2SO4 (alta concentração – 98,3% ) Concentração H2SO4 < 98,3% -> pressão de vapor d’agua é alta Forma-se névoa ácida (reação entre fase vapor entre H2SO4,SO3 e agua ) Não se pode usar apenas agua na absorção: formação de névoa ácida, quando ocorre o contato direto entre água e SO3, o que dificulta a absorção. São utilizados duas torres de absorção (intermediário e principal) – SLIDES O H2SO4 baixa a Pv da H2O por isso utilizo ela, para manter a reação na fase líquida, evitando a formação de nevoa ácida. menor T porque está menos concentrada, como a reação é exotérmica vai liberar menos calor, gerando uma T menor. - Tempo de residência: tempo que o reagente permance no forno Concentração de H2SO4 recirculado: mantida através da adição de agua e H2SO4 diluído proveniente da torre de secagem. 3.2.2. A partir de sulfetos metálicos Geração de SO2: Feita por processos de ustulação: oxidação dos sulfetos metálicos, gerando óxidos metálicos e o SO2. Purificação dos gases provenientes do ustulador (contém impurezas, como cloro,flúor, arsênio, que envenenam o catalisador ) Para purificação são usados 2 equipamentos a) Lavador: Absorção em contra-corrente de gases ácidos, usando-se amônia ou soda caustica e outros hidróxidos b) Precipitador eletrostático: Coletor de material particulado, incuido nevoas e fumo ( SLIDES) 3.3.Tratamento do Gás Residual Composição do gás residual: nitrogênio,oxigênio, pequenas quantidades de SO2,SO3 e vapor de H2SO4 Quantidade de SO2 depende da: i) Conversão no conversor catalítico ii) Concentração de SO2 na entrada do conversor ( SLIDE ) iii) Quantidade de SO3 e vapor de H2SO4 dependem da : T do ácido no absorvedor final; concentração do acido no absorvedor final. Plantas com queima de enxofre: menor emissão de SO2 Facilidade no controle das condições de alimentação do conversor para atingir a conversão máxima possível. Plantas associadas à ustuladores: maior flutuações nas emissões de SO2, devido as variações na concentrações de SO2, devido as variações na concentrações de SO2 enviada ao conversor. 3.1. Lavagem com Amônia Processo Lurgi: Gás residual é lavado com uma solução de amônia em dois lavadores em série (remoção de até 95%) SO2 é absorvido formando sulfito de amônio ( NH4HSO3) SO3 e H2SO4 são transformados em sulfato de amônio ( (NH4)2SO4) e NH4HSO4) Os sulfitos são decompostos, usando-se H2SO4 concentrado: Produz-se SO2, uma solução de sulfato de amônio A economia de um processo de lavagem com amônia depende do destino do sulfato de amônio produzido. Quando as plantas de H2SO4 fazem parte de unidades de produção de fertilizantes, o sulfato de amônio é usado diretamente na obtenção de fertilizantes. 3.2. Processo Peracidox: Oxidação do SO2 com peróxido de hidrogênio, produzindo H2SO4, que é reciclado par a planta de H2SO4 desenvolvido pela lurgi e siidchemie) -> não gera nenhum subproduto e rejeitos. 4.Fertilizantes Função: repor ou adicionar substências no solo para crescimento de culturas Benefícios: (i) aumento de produção e eficiência ; (ii) redução de áreas; Elementos essências para crescimento: 3 nutrientes essenciais e 3 auxiliares. Nutrientes essências : 1. Macro constituintes primário: N,P e K 2. Macro constituintes secundário: Ca e Mg. 3. Microconstituintes: Fe,Mn,Zn,Mo e Cl 4.1.1.Classificação: úniconutriente ou multinutriente 4.1.2. Quanto a condição física: sólido (perolas ou granulado) ou líquido ( soluções ou suspensões) 4.1.3 Quanto ao modo de ação (i) ação rápida: solúveis em agua (ii) ação lenta: requerem transformação em forma solúvel ou libera nutrientes 4.2 Fertilizantes Nitrogenados Amoniacais: sulfato de amônio e bicarbonato de amônio Nítricos: Nitrato de cálcio e nitrato de sódio Nitricos – amoniacais: Nitrato de amônio e nitrato de cálcio Tipo amido: Úreia e ciamida cálcica Mais utilizados: Úreia, Nitrato de amônio e sulfato de amônio. *O Uso de nitrato de amônio está diminuindo, pelo risco de autocombustão e explosão (dificulta o armazenamento) 4.2.1.Úreia Até o inicio do século XX produzido pela hidrólise da ciamida de cálcio. CaCN + H2O CO(NH2)2 + CaOH2 Processo atual : A partir de NH3 e CO2. Vantagens: alto teor de N ( 46%), tecnologia de produção eficiente, segurança e facilidade de aplicação. Desvantagens: Perda de N por volatilização (principalmente em solos alcalinos) com liberação de amônia, prejudicando as sementes. CO(NH2)2 + H2O 2NH3 + CO2 Produção em duas Etapas (1) Formação do carbonato de amônio 2NH3 + CO2 2NH3 + CO2 ΔH = -117 KJ/mol ( exotérmica) (2) Desidratação do carbonato de amônio NH2CO2NH4 CO(NH2)2 + H2O ΔH = -15,5 KJ/mol ( exotérmica) Duas etapas realizadas em um único reator ( autoclave) P= 140 ~250atm e T=180~210°C A reação 1 é rápida e a reação 2 é lenta ( conversão de 50~80%) Se P<140atm: favorece a decomposição do carbonato T ( Slides) Usa-se excesso de até 50% NH3 ( NH3/CO2 ≈ 3 ) Carbonato não reagido passa por um sistema de decomposição, através da redução de pressão e aumento de T. Acabamento da úreia: evaporação da solução de úreia. Cristalização em forma de perolas ou grânulos Fluxograma ( Slide) 4.2 Nitrato de amônio (NH4NO3) Vantagens: elevado teor de N ( 34%), simplicidade e baixo custo de produção Desvantagens: risco de explosão e higroscopicidade Muito utilizado como explosivo 2NH4NO3 2N2 + O2 + 4H2O ΔH = -118,5 KJ/mol ( exotérmica) Detonação ocorre quando o nitrato é confinado aquecido na presença de matéria orgânica, KCl e enxofre. Produção : Neutralização do HNO3 diluido, usando-se amônia. NH3(g) + HNO3(aq) NH4NO3(aq) ΔH = -86 KJ/mol ( exotérmica) Produção : É feita a Patm com T~145°C ou P=3~5atm e T=175~190°C Após neutralização, a solução aquosa de NH4NO3(78~87%) passa por evaporadores Após a concentração é feita granulação ou perolação Grânulos ou perolas são revestidas anti-higroscopicos ( com argila); não se pode usar parafina, ceras ou óleos ( obs.:a matéria orgânica funciona como catalisador para detonação). Fluxograma (slides) 4.2 Produção de HNO3 Principal consumidor: indústria de fertilizantes ( ~75% ) Produção nacional: 60 milhões t/ano Reação global : NH3(g) + 2O2(g) HNO3(g) + H2O ΔH = -434 KJ/mol ( exotérmica) Produção :Ocorre em duas etapas: a) Oxidação da amônia com ar, formando NO, 4NH3(g) + 5O2 4NO + 6H2O ΔH = -226 KJ/mol ( exotérmica) Reação catalítica : catalisador: telas de Pt contendo 5~10% Rh ( maior resistência mecânica, maior atividade e maior custo) Uso de altas T : perda do catalisador por volatilização Reações paralelas: diminuem o rendimento de NO 4NH3 + 3O2 2N2 + 6H2O ΔH = -317 KJ/mol ( exotérmica) 4NH3 + 6NO 5N2 + 6H2O ΔH = -451 KJ/mol ( exotérmica) 2NH3 + 2O2 N2O + 3H2O ΔH = -275 KJ/mol ( exotérmica) Uso de baixo tempo de contato ( ~0,001s) : reduz reações paralelas Para uma mesma P : maior T , rendimento NO aumenta, porém perda de catalisador por volatilização Para uma mesma T: maior P e menor rendimento NO (desloca equilíbrio) Condições reacionais usadas, controlar T, através da vazão ar/NH3 =10% (limite de flamabilidade) b) Oxidação do NO e absorção em água b.1) Oxidações do NO 2NO + O2 2NO2 ΔH = -57 KJ/mol ( exotérmica) Reações favorecidas em baixas T e altas P Ocorre durante o resfriamento dos gases provenientes da etapa (a) e na torre absorvedora. b.2) absorção em água 2NO2(g) + H2O(l) 2HNO3(aq) + NO ΔH = -46 KJ/mol ( exotérmica) Tratamento gás residual ( slide) Fluxograma ( SLIDES) 4.2.3. Sulfato de Amônio Muito usado como fertilizante (quase exclusivamente) Vantagens: rápida absorção, baixa higroscopicidade e alta estabilidade química Desvantagens: baixo teor de N(altos custos de armazenamento e transporte ) Processo de Produção (a) Subproduto da produção de caprolactona (para produção de Nylon) (b) Reação de carbonato de amônio com sulfato de cálcio (processo Merselburg -> desenvolvido na Alemanha) Ocorre em tanques, aquecidos com vapor, com tempo de residência de 4 horas NH3 + H2O NH4OH 2NH4OH + CO2 (NH4)2CO3 + H2O (NH4)2CO3 (aq) + CASO4.2H2O(l) CaCO3(s) + 2H2O + (NH4)2SO4 Desvantagem: solução mista diluída (alto gasto de energia para evaporação) (c) Pelo processo combinado: reação → evaporação de amônia e H2SO4 2NH3(g) + H2SO4(aq) (NH4)2SO4(s) ΔH = -283 KJ/mol ( exotérmica) Muito usado em siderúrgica -> H2SO4 é usado para fixar NH3, que é liberada na coquefação do carvão a alta T e na ausência de O2 ( carvão contem 2~3% de N). Fluxograma ( SLIDE) 4.2.3. Superfosfatos 4.3.3.1 Superfosfato simples ( fosfato monocíclico – SSP) Principal reação: CaF2.3Ca3(PO4)2 + 7H2SO4 + 3H2O 3CaH4(PO4)2.H2O + 2HF + 7CaSO4 Ocorre em duas etapas: (1) H2SO4 reage com a rocha, formando H3PO4 e CaSO4 (2) H3PO4 ataca a rocha não reagida, formando SSP ( reação lenta ~10dias) Reação continua correndo no armazenamento Parâmetros que influenciam a velocidade e eficiência da reação: (a) Composição química da rocha( H2SO4 não pode ser consumido por impurezas como: CaCO3,Fe2O3, Al2O3 Ex.:CaCO3 + H2SO4 CaSO4 + CO2 + H2O (b) Área especifica ↑área ( moagem da rocha ) ↑Velocidade reação ↓tempo da cura (c) Concentração H2SO4 ( 60~75%) Concentração alta: T↑ -> evaporação da agua + precipitação do CaSO4 ( recobre a rocha e impede que H2SO4, ataque a rocha, resulta numa menor velocidade) ↓concentração ↓temperatura ↓velocidade reação (d) T do H2SO4(~55°C)-> mesmo efeitos observados para concentração 4.3.3.2 Superfosfato triplo ( TST) Reação direta do H3PO4 com a rocha Principal reação: CaF2.3Ca3(PO4)2 + 14H3PO4 + 10H2O 10Ca(H2PO4)2.H2O + 2HF Parâmetros que influenciam na velocidade da reação A) Concentração de acido B) Área especifica C) T da reação ( 70~80°C) TSP é mais vantajoso se há uma grande procura por ele, pois ele é mais caro que o SSP Processos de produção: podem ser em dois tipos Processo tipo pó: produção de SSP e TSP Processo tipo granulado: produção de TSP Diagramas de blocos ( SLIDE)
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