Criterios de selección de bombas para la producción de ácido sulfúrico

Jun 13, 2023

El ácido sulfúrico es el producto químico más utilizado en el mundo. A veces denominado el "Rey de los productos químicos", el ácido sulfúrico se fabrica en todo el mundo. China es el mayor consumidor (seguido de Estados Unidos) y Canadá es el mayor exportador. Cada año se producen aproximadamente 265 millones de toneladas métricas (TM).

Se estima que el mercado de ácido sulfúrico superará los 300 millones de TM durante los próximos años, lo que representa una tasa de crecimiento anual compuesto (CAGR) de aproximadamente el 3%.

Este crecimiento está impulsado en gran medida por la demanda de agricultura, fabricación de productos químicos y automóviles, procesamiento de metales y refinación de petróleo. El ácido sulfúrico se usa ampliamente en la producción de fertilizantes, pesticidas, metales, detergentes, gasolina, pinturas, papel, plásticos y baterías. El ácido sulfúrico se produce a partir del azufre, a través de un proceso que consta de cinco pasos, que requieren una serie de aplicaciones.

El azufre, obtenido de yacimientos naturales o mediante la desulfuración del gas natural o del petróleo crudo, se calienta y se descompone térmicamente en un horno. Durante este proceso de calentamiento, el azufre (S) reacciona con el oxígeno (O2) del aire para formar dióxido de azufre (SO2). El azufre fundido se encuentra en forma líquida y se bombea al horno mediante una bomba de servicio químico.

El SO2 que sale del horno debe estar libre de impurezas (como cenizas u otros sólidos). Una torre de extinción enfría el gas de combustión y una neblina rociada con ácido elimina las partículas perdidas. A partir de ahí, un precipitador electrostático elimina las partículas de polvo no solubles restantes. Una vez que se eliminan las impurezas, la corriente de gas SO2 se seca en una torre de secado para eliminar el agua restante. Hay múltiples aplicaciones de bombeo en esta etapa, incluida una bomba de lavado de SO2, una bomba depuradora de SO2 y una bomba de secado de SO2 que deben ser capaces de soportar ácido sulfúrico concentrado (98 %).

A continuación, el gas SO2 se oxida y se convierte en trióxido de azufre (SO3) a través de un convertidor catalítico de etapas múltiples con intercambiadores de calor. Durante este paso, la corriente de gas que contiene SO2 y SO3 sale del convertidor y se envía a una torre de absorción primaria donde se recupera el SO3 de la corriente de gas. Los compresores se utilizan para mover las corrientes de gas en esta etapa.

El SO3 se recupera del convertidor, donde se absorbe en ácido sulfúrico concentrado. Esta reacción produce oleum, también conocido como ácido sulfúrico fumante (H2S2O7), que se recoge en un tanque. El SO3 restante ahora ha sido absorbido y es un gas limpio que puede enviarse a la chimenea para una dispersión segura en la atmósfera. Se utilizan bombas múltiples durante esta etapa para la absorción primaria y para la absorción final de ácido sulfúrico al 98%.

En el paso final, el oleum producido en el paso de absorción se bombea a un tanque donde se diluye con agua para producir ácido sulfúrico de concentraciones variables (por lo general, las aplicaciones comerciales usan ácido sulfúrico en concentraciones de 78 %, 93 % o 98 % ). Luego, cada concentración de ácido sulfúrico se bombea a tanques de almacenamiento.

El ácido sulfúrico es un químico peligroso y corrosivo, clasificado como carcinógeno humano por la Agencia Internacional para la Investigación del Cáncer (IARC). La exposición por inhalación, ingestión o contacto con la piel puede causar daño renal y pulmonar, y la exposición severa puede causar neumonitis química o edema pulmonar.

Lo que hace que el ácido sulfúrico sea tan peligroso es su reacción exotérmica con el agua. Cuando se introduce en agua o humedad, la solución reacciona para crear iones de hidronio. Esta reacción libera grandes cantidades de calor al medio ambiente tan fuerte que el ácido sulfúrico concentrado puede carbonizar el papel por sí mismo.

Las emisiones externas son uno de los mayores problemas relacionados con los equipos de bombeo utilizados en la producción de ácido sulfúrico. Más del 85 % de las fallas de las bombas involucran una falla del sello mecánico o fugas a través de los sellos estáticos.

Cuando se trata de bombear ácido sulfúrico, las fugas deben evitarse a toda costa. Una de las mejores formas de evitar fugas es usar bombas sin sello. Las bombas sin sello funcionan de manera muy similar a las bombas centrífugas convencionales, pero en lugar de prensaestopas o sellos empaquetados, cuentan con una carcasa de contención estática sin sello que forma un extremo de líquido completamente sellado o un límite de presión.

Las bombas sin sello de transmisión magnética están herméticamente selladas, lo que elimina cualquier posibilidad de fugas o emisiones.

Aunque las bombas sin sello ofrecen un entorno seguro y sin fugas, algunos procesos químicos exigen protección adicional. Muchas bombas sin sello ofrecen sensores y paquetes de instrumentación que alertan a los operadores sobre las condiciones de falla del sistema, como cavitación, sobrecalentamiento, flujo bajo, rumbo muerto o sin flujo. Para los servicios de bombas más peligrosos, las bombas sin sello también deben tener opciones de contención secundaria que puedan soportar la temperatura y la presión de diseño necesarias para la aplicación para brindar protección adicional en caso de una brecha en la contención primaria luego de una falla en el sistema.

Los materiales de construcción para las partes internas de una bomba se deben considerar cuidadosamente. La naturaleza dura del ácido sulfúrico puede causar estragos en el interior de una bomba. Muchos de los catalizadores químicos utilizados en el proceso agregan más demandas a los materiales de la bomba. Una amplia gama de materiales de construcción, tanto metálicos como no metálicos, debe estar disponible para las bombas utilizadas en la producción de ácido sulfúrico para garantizar la idoneidad con una variedad de concentraciones, incluidas las bombas revestidas con 316SS, aleaciones con alto contenido de níquel y etileno tetrafluoroetileno (ETFE).

El gran volumen de producción de ácido sulfúrico ilustra la necesidad de equipos confiables que minimicen el tiempo de inactividad de la planta, ya que muchas plantas funcionan las 24 horas del día. La capacidad de optimizar el mantenimiento (y planificar las actividades de mantenimiento predictivo) ayuda a los operadores a aumentar el tiempo de actividad de la planta. Las bombas sin sellos eliminan la necesidad de sellos y sistemas de soporte de sellos, y tienen menos componentes que se desgastan, lo que minimiza los costos de mantenimiento y aumenta el tiempo medio entre los intervalos de mantenimiento (MBTM).

La producción de ácido sulfúrico es un proceso intensivo en energía. La electricidad puede representar del 40% al 50% de los costos operativos. En muchos casos, la capacidad de gestionar este gasto determina la rentabilidad de la planta. Las plantas que producen ácido sulfúrico requieren bombas con una envolvente hidráulica eficiente y un sistema hidráulico de baja altura neta positiva de succión (NPSH). Siempre se prefieren los espacios reducidos, no solo para ahorrar espacio en el taller, sino también para facilitar el acceso simple para el mantenimiento.

Las características tales como una carcasa de contención no metálica con alta resistencia eléctrica pueden reforzar la eficiencia de las bombas de accionamiento magnético sin sello al eliminar las corrientes de Foucault y evitar las pérdidas por histéresis durante el funcionamiento, que ocurrirían con una carcasa de contención metálica convencional. Esta característica de diseño no solo reduce los costos de energía, sino que también elimina la generación de calor.

Al planificar una nueva instalación de bomba o una actualización de una instalación existente, el impacto financiero de los sistemas de soporte de sellos es considerable. Una vez que se instalan estos sistemas, se pueden incurrir en costos adicionales por la necesidad de cumplir con los requisitos ambientales locales, regionales o nacionales, que implican monitorear la efectividad de estos sistemas.

Al eliminar el sello y el sistema de soporte del sello asociado, las bombas sin sello agregan beneficios incrementales a cualquier unidad de procesamiento de ácido sulfúrico. Las diez ventajas que brindan las bombas de accionamiento magnético sin sello son:

Hannah Verrall es la gerente de línea de productos de las bombas sin sello HMD Kontro de Sundyne. Puede comunicarse con ella en [email protected]. Para obtener más información, visite sundyne.com.