UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA UNAD NOMENCLATURA INORGANICA Proyecto Final Fecha: 18/11/2015 Programa: Química
Proyecto Final
Proceso Frash
Andrés Buenaventura - Rosa Idalia Rúa -– Édison Guevara – Eylen Tatiana Duran – Olga Lucía Hernández. Universidad Nacional Abierta y a Distancia – UNAD Escuela de Ciencias Básicas Tecnología e Ingeniería Programa de Química
Diciembre de 2015
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA UNAD NOMENCLATURA INORGANICA Proyecto Final Fecha: 18/11/2015 Programa: Química
Azufre Las reservas de azufre elemental en evaporitas y depósitos volcánicas, y azufre asociado con gas natural, petróleo y sulfuros metálicos son de alrededor de 5.000 millones de toneladas. El azufre en yeso y anhidrita es prácticamente ilimitado. Se calcula en 600 millones de toneladas el azufre presente en carbones fósiles, esquistos bituminosos y en esquistos ricos en materia orgánica, pero los métodos para recuperar el azufre a partir de estos materiales son muchos más costosos que los que se emplean para otras fuentes. Debido a las regulaciones, cada vez más estrictas, sobre contaminación ambiental por SO 2, la recuperación del azufre del gas natural y petróleo se incrementa año a año (Katz, M. 2012).
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA UNAD NOMENCLATURA INORGANICA Proyecto Final Fecha: 18/11/2015 Programa: Química a. Objetivos, usos y alcances del proceso, incluyendo una amplia descripción sobre los países e industrias que hacen uso del mismo. Asimismo, se deben explicar los impactos económicos, sociales y ambientales que genera el proceso. Objetivo: Definir y Lograr la obtención de azufre en su estado elemental. En años recientes, una fuente importante de azufre elemental ha sido el H2S, que es un subproducto de la desulfuración del gas natural amargo (que contiene azufre) y del petróleo crudo amargo. Canadá, Francia y Estados Unidos son los mayores productores de azufre recuperado. En 1980, la producción mundial de azufre en todas sus formas alcanzó 54.6x108 t, de las cuales: 26.1 % se obtuvo mediante el proceso Frasch, 32.2% fue la recuperación, 5.5% de otras fuentes elementales y 36.2% se obtuvieron de fuentes no elementales, como piritas y gases de fundiciones. Entre otras fuentes que se espera tengan importancia a futuro están el petróleo de esquistos, la gasificación del carbón, los proyectos de combustible sintético y el yeso (o la anhidrita). Más del 90% del azufre utilizado se convierte en ácido sulfúrico, pero otras industrias lo emplean mucho. Entre estos usos están la producción de pulpa de madera, disulfuro de carbono, insecticidas, fungicidas, agentes blanqueadores, hule vulcanizado, detergentes, productos farmacéuticos y colorantes. Entre otros nuevos usos que están en estudio se encuentra: (a) (b) (e)
El de diluyente para asfalto de pavimentación. En concretos y morteros de azufre. En tratamiento de plantas y de suelos.
(d) (e)
En baterías metálicas de azufre-álcali. En aislantes de azufre como espumas.
Fotografía de azufre fundido
Fotografía de azufre ardiendo
El azufre es un elemento muy abundante en la corteza terrestre, se encuentra en grandes cantidades combinado en forma de sulfuros (pirita, galena) y de sulfatos (yeso). En forma nativa se encuentra en las cercanías de aguas termales, zonas volcánicas y en minas de cinabrio, galena, esfalerita y estibina, y en Luisiana (Estados Unidos, primer productor mundial) se extrae mediante el proceso Frasch consistente en inyectar vapor de agua sobrecalentado para fundir el azufre que posteriormente es bombeado al exterior utilizando aire comprimido. También se obtiene separándolo del gas natural, si bien su obtención anteriormente era a partir de depósitos de azufre puro impregnado en cenizas volcánicas (Italia, y más recientemente Argentina). También está presente, en pequeñas cantidades, en combustibles fósiles (carbón y petróleo) cuya combustión produce dióxido de azufre que combinado con agua produce la lluvia ácida; para evitarlo las legislaciones de los países industrializados exigen la reducción del contenido de azufre de los combustibles, constituyendo este azufre, posteriormente refinado, un porcentaje importante del total producido en el mundo. También se extrae del gas natural que contiene sulfuro de hidrógeno que una vez separado se quema para obtener azufre: 2 H2S + O2 → 2 S + 2 H2O El color distintivo de Ío, la luna volcánica de Júpiter, se debe a la presencia de diferentes formas de azufre en estado líquido, sólido y gaseoso. El azufre se encuentra, además, en varios tipos de meteoritos, y se cree que la mancha oscura que puede observarse cerca del cráter lunar Aristarco puede ser un depósito de azufre.
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA UNAD NOMENCLATURA INORGANICA Proyecto Final Fecha: 18/11/2015 Programa: Química b. Aspectos históricos, científico o industria que desarrolló el proceso. El azufre (del latín sulphur, sulfŭris, vinculado con el sánscrito śulbāri) es conocido desde la Antigüedad, y ya los egipcios lo utilizaban para purificar los templos. En el Génesis (19,24), los hebreos decían que Dios (Yahvé) hizo llover sobre Sodoma y Gomorra azufre y fuego desde el cielo. Homero recomendaba, en el siglo IX aec, evitar la pestilencia mediante la quema de azufre (zeio en griego, relacionado con zeos-Zeus). Y Odiseo entonces le habló a la nodriza Euriclea, diciendo: Trae azufre (zéeion), ¡oh anciana!, remedio del aire malsano, y trae fuego, pues quiero azufrar (zeeoso) el palacio. Homero, Odisea (22, 480-483). En el Apocalipsis (20, 10) se dice que el diablo será lanzado a un lago de fuego y azufre. Durante toda la Edad Media se vinculó a Satanás con los olores sulfurosos (relacionados con los volcanes, que se suponían eran entradas a los infiernos subterráneos). Dicho elemento es generado en estrellas masivas en las que predominan temperaturas que provocan la fusión entre un núcleo de silicio y otro de helio. Para obtener el Azufre, se utiliza el «proceso Frasch» fue inventado por el químico alemán Herman Frasch (nacionalizado estadounidense en 1868) en 1894. El proceso Frasch fue utilizado por primera vez en 1895 por la Union Sulphur Company en el domo de minas de azufre en Calcasieu, Louisiana, E.U.A. La mayor cantidad del azufre elemental del mundo se ha obtenido por el proceso de Frascha partir de las piedras calizas porosas que lo contienen. Herman Frasch desarrolló su ingenioso método, que consiste en fundir el azufre bajo tierra o el mar, y luego bombearlo hasta la superficie. Se utiliza equipo común de los pozos petroleros para hacer las perforaciones hasta el fondo de los estratos cargados de azufre, a una profundidad entre 150 y 750 m bajo tierra. (Camacho, J. 2013). En 1945 se encontró azufre en los primeros domos salinos en el Istmo pero no fue sino hasta 1952 cuando se comenzaron las instalaciones necesarias. En Junio de 1954 salió al mercado el primer azufre extraído en México por medio del proceso Frasch. Según las estadísticas el primer año de producción, 1954, produjo 86,000
toneladas de azufre, se extrajeron 516,000 toneladas en 1955 y 750,000 toneladas en 1956. (Camacho, J. 2013). c. Descripción de las fases y etapas del proceso, incluyendo las ecuaciones de las reacciones químicas involucradas. Se introduce un juego de tres tubos concéntricos, se pasa un tubo de 10 cm a través del de 20 cm, de modo que quede un espacio anular entre los dos, extendiéndolo casi hasta el fondo de la roca cargada de azufre, y se le apoya en un collar que sella el espacio anular entre los tubos de 20 y 10 cm. Un tubo para aire, de 3 cm de diámetro, dentro de los otros, llega hasta una profundidad ligeramente por encima del collar mencionado. El tubo de 20 cm se perfora en dos niveles diferentes, uno encima y otro debajo del collar anular. El conjunto superior de perforaciones permite que escape el agua caliente, y el azufre fundido entra al sistema a través de las perforaciones inferiores.
Se pasa agua caliente a más o menos 160°C (punto de fusión del azufre 115°C) hacia abajo del espacio anular, entre los tubos de 20 y 10 cm y se hace entrar aire comprimido hacia abajo del tubo de 3 cm para que el azufre líquido pueda subir a la superficie.
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d. Propiedades físicas de los compuestos implicados: peso molecular, densidad, estructura tridimensional, ángulos y longitud de enlace, puntos de fusión y ebullición, energía de disociación de enlace, entalpía de formación y carga parcial.
Propiedades Físicas del Azufre Estado de la Materia
Sólido
Punto de Fusión
388,36 K
Punto de Ebullición Entalpía de Vaporización Entalpía de Fusión Presión de Vapor Velocidad del Sonido
717,87 K 10.5 kJ/mol 1,7175 kJ/mol 2,65 x 10-20 Pa a 388 K 317,5 m/s a 293,15 K
e. Propiedades químicas de los compuestos implicados: estado de oxidación y configuración electrónica de los elementos que componen el compuesto. Reactividad frente a agua, ácidos fuertes y débiles, bases fuertes y débiles. Se deben incluir las ecuaciones debidamente balanceadas así como los valores de energía libre de reacción, energía libre de reacción estándar y entalpía de reacción.
Propiedades Químicas del Azufre Número Atómico 16 Grupo periódico Anfígenos Estado de Oxidación -2, +2, +4, +6 Electronegatividad 2,5 Radio Covalente (Å) 1,02 Radio Iónico (Å) 1,84
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA UNAD NOMENCLATURA INORGANICA Proyecto Final Fecha: 18/11/2015 Programa: Química Radio Atómico (Å) 1,27 Configuración Electrónica [Ne] 3s23p4 Primer Potencial de Ionización10,36 (eV) Masa Atómica (g/ml) 32,064 Compuestos: Muchos de los olores desagradables de la materia orgánica se deben a compuestos de la materia que contienen azufre como el sulfuro de hidrógeno. Disuelto en agua es ácido (pKa1 = 7,00, pKa2 = 12,92) y reacciona con los metales. Los sulfuros metálicos se encuentran en la naturaleza, sobre todo el de hierro (pirita) que puede presentar resistencia negativa y la galena, sulfuro de plomo que es un semiconductor natural que fue usado como rectificador. El nitruro de azufre polímero (SN)x, sintetizado en 1975 por Alan G. MacDiarmid y Alan J. Heeger, presenta propiedades metálicas, a pesar de estar constituido por no metales, e inusuales propiedades eléctricas y ópticas. Este trabajo sirvió de base para el posterior desarrollo, con Hideki Shirakawa, de plásticos conductores y semiconductores que motivó la concesión del Nobel de Química, en 2000, a los tres investigadores. Los óxidos más importantes son el dióxido de azufre, SO2 (formado por la combustión del azufre) que en agua forma una solución de ácido sulfuroso, y el trióxido de azufre, SO3, que en solución forma el ácido sulfúrico; siendo los sulfitos y sulfatos las sales respectivas. Isótopos: Se conocen 18 isótopos del azufre, de los cuales cuatro son estables: S-32 (95,02 %), S-33 (0,75 %), S-34 (4,21 %) y S-36 (0,025 %).
Aparte del S-35, formado al incidir la radiación cósmica sobre el argón-40 atmosférico y que tiene un periodo de semi-desintegración de 87 días, los demás isótopos radiactivos son de vida corta.
f. Aspectos de seguridad para la manipulación y disposición del compuesto, pictogramas, frases R y S e impactos medioambientales.
Efectos sobre la salud:
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA UNAD NOMENCLATURA INORGANICA Proyecto Final Fecha: 18/11/2015 Programa: Química El azufre puede encontrarse habitualmente en la naturaleza en forma de sulfuros. Entretanto varios procesos se añaden al medio ambiente de manera que se conecta el azufre perjudicial para los animales y los hombres. Estos enlaces de azufre dañinos del mismo modo se forman en la naturaleza durante diversas reacciones, sobre todo cuando se han agregado sustancias que no están presentes de forma natural. Los compuestos del azufre muestran un olor desapacible y a menudo son agudamente tóxicos. En general las sustancias sulfurosas pueden tener los consiguientes efectos en la salud humana: •Puede producir efectos neurológicos y cambios comportamentales. •Puede aturdir la circulación sanguínea. •Puede provocar daños cardiacos. •Puede producir efectos en los ojos y en la vista. •Puede originar fallos reproductores. •Puede causar daños en el sistema inmunitario. •Puede provocar desórdenes estomacales y gastrointestinales. •Puede originar daños en las funciones del hígado y los riñones. •Puede producir defectos en la audición. •Puede alterar el metabolismo hormonal. •Puede causar efectos dermatológicos. •Puede producir irritación de las vías respiratorias, bronquitis, asfixia, embolia pulmonar, asma. •Puede provocar ronquera y presión en el pecho. •Puede causar dolores de cabeza. •Puede provocar irritación en la boca, la faringe y los bronquios. Efectos ambientales: Los efectos dañinos del azufre en los animales son principalmente daños cerebrales, a través de un mal funcionamiento del hipotálamo, y perjudica el sistema nervioso. Existen experimentos de laboratorios con animales de prueba que han indicado que el azufre puede causar peligrosos daños vasculares en las venas del cerebro, corazón y riñones. También han indicado que ciertas formas del azufre pueden causar daños fetales y eféctos congénitos. Las madres pueden incluso transmitirles envenenamiento por azufre a sus hijos a través de la leche
materna. Por último, el azufre puede dañar los sistemas enzimáticos internos de los animales g. Comparación del proceso industrial con otros de objetivos análogos, con la descripción de las ventajas y desventajas de cada uno También se produce azufre elemental separando el ácido sulfhídrico del gas natural o de los gases de refinería con absorbentes como las mono y las dietanolaminas. El ácido sulfhídrico se convierte después en azufre elemental por el proceso de Claus.
Método de Calcaroni: Este método consiste en la extracción del azufre por fusión, muy usado en Italia, es usado con el fin de separar el azufre elemental que se encuentra combinado con diversos materiales, tales como: yeso, arcilla, etc., denominados generalmente ganga. Para proceder, se amontona el mineral sobre una superficie inclinada, a modo de horno, dejando respiraderos en la parte superior y unos agujeros de salida en la parte baja (inclinada).Este depósito, que recibe el nombre de Calcaroni, se cubre con tierra y se enciende con leña que se introduce por los respiradores o chimeneas. La combustión de una parte del azufre produce el calor necesario para fundir el resto que sale por la base inclinada del horno para solidificarse en moldes de manera húmedos. Este procedimiento aunque era de bajo rendimiento se utilizaba en Sicilia para ahorrar combustible, muy escasos allí. Obtención a partir de menas sulfurosas: La mena sulfurosa se calienta, así funde el azufre y se separa de la ganga. Al elevar la temperatura por encima del punto de fusión, la viscosidad del azufre líquido al principio disminuye, pero a 160º C el azufre comienza a solidificar ya los 250ºC adquiere de nuevo su fluidez. Por esta razón, la fundición del azufre se realiza a una temperatura aproximada de 150ºC. El método de calentamiento dependerá de la calidad del mineral ósea de su contenido de azufre, de la composición mineralógica de la roca, de cómo reacciona al calentamiento, ya que, algunos minerales conservan la forma primaria y otros se desmenuzan, también depende del grado de mojabilidad que ofrece la roca en cuanto al azufre fundido y al agua. Los minerales pobres y sueltos se hacen enriquecer por flotación obteniendo hasta un 90% de azufre. Si se usa el método de vapor de agua, el mineral o concentrado se calienta en autoclave con agua caliente a una temperatura de 150ºC y a una presión aproximada de 4 atm. El azufre fundido va a parar al fondo del aparato mientras que las partículas de las rocas forman con el agua una suspensión, se añaden al agua sustancias tensoactivas (almidón, kerosene, mazut, etc.).
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA UNAD NOMENCLATURA INORGANICA Proyecto Final Fecha: 18/11/2015 Programa: Química La autoclave trabaja periódicamente, se carga con mineral o con concentrado después se suministra el agua y el vapor de agua. Al finalizar la reacción se deja primeramente el azufre, después el agua y al final se extrae la roca. El azufre obtenido por fusión del mineral resulta bastante impuro y es menester refinarlo, esto conseguido por destilación o sublimación.
Desventajas: Contaminación por azufre: La reducción de la contaminación por azufre y por compuestos de azufre se ha estudiado mucho con la esperanza de recuperarlo finalmente para su reutilización. La desulfuración de los combustibles suele producir azufre en forma de ácido sulfhídrico. El dióxido de azufre de la fundición de metales no ferrosos o de combustiones se recupera en forma muy económica como ácido sulfúrico, y con mayor frecuencia como dióxido de azufre líquido, azufre o sales sulfato. El ácido sulfúrico se ha obtenido durante mucho tiempo a partir de los gases más ricos, en fundiciones con acceso a los mercados. Se recuperan grandes cantidades de azufre de las fracciones gaseosas y de los líquidos ligeros del petróleo. La mayor parte de las fuentes son demasiado pequeñas, demasiado diluidas o demasiado aisladas para lograr una recuperación económica. Sin embargo las nuevas reglamentaciones sobre contaminación del aire están obligando a los fundidores a recuperar hasta el 90% del azufre de entrada y están limitando mucho las emisiones de dióxido de azufre de los procesos de combustión. Las emisiones de las plantas nuevas de ácido sulfúrico están limitadas a 2 kg de dióxido de azufre y 75 g de niebla ácida por tonelada métrica de ácido fabricado Usos del Azufre: Principales Aplicaciones del Azufre elemental: El azufre se presenta en el comercio o bien en forma de polvo o bien en forma de cilindros gruesos (azufre en cañón), que se obtienen por solidificación del fundido en moldes de madera. Por condensación del vapor sobre cámaras de mucha superficie, cerradas, se forma un polvo muy fino llamado flor de azufre. También se presenta en forma de barras
finas, provistas de mecha de algodón para facilitar su combustión con producción de SO2, para la fumigación de recipientes destinados a la fabricación y conservación de vinos y cervezas. El 90% del S elemental se destina a la fabricación de SO2 que a su vez se destina mayoritariamente a la síntesis de ácido sulfúrico, materia prima en la elaboración de fertilizantes: SO2 → SO3→ H2SO4 → fertilizantes El resto (10%) del S elemental se destina a la síntesis de CS2, a la vulcanización del caucho, a la obtención de fungicidas, insecticidas, pólvora y productos farmacéuticos. Vulcanización del caucho: La vulcanización es el proceso con el que se conoce la adición de azufre al caucho. El caucho es un polímero blando y elástico. En el proceso de vulcanización, los átomos de azufre establecen enlaces entre las cadenas poliméricas. Esto dificulta su movimiento, con lo que se consigue un material más duro, resistente y que no se reblandece por efecto de la temperatura. Los neumáticos están construidos por capas de caucho vulcanizado, fibras textiles e hilos metálicos. Pólvora: La pólvora es una mezcla de S, carbón y nitrato potásico que fue inventada en China hace más de mil años. Es el primer explosivo obtenido y aún hoy se utiliza con profusión, por ejemplo, en la elaboración de material pirotécnico. REFERENCIAS BIBLIÓGRAFICAS: • http://agua-purificacion.blogspot.com.co/2010/09/tratamiento-de-agua-conozono.html • Camacho, J. 2013. Reporte Método Frasch. Disponible en: https://es.scribd.com/doc/163855610/REPORTE-METODO-FRASCH • Muñoz, A. El Azufre. Disponible en: http://webcache.googleusercontent.com/search? q=cache:PVIfVoG2u_sJ:https://www.upo.es/depa/webdex/quimfis/miembro s/Web_Sofia/TABLA/S.ppt+&cd=7&hl=es-419&ct=clnk&gl=co • URL1. Ficha de seguridad del Azufre. Disponible en: http://www.insht.es/InshtWeb/Contenidos/Documentacion/FichasTecnicas/F ISQ/Ficheros/1101a1200/nspn1166.pdf • Katz, M. 2012. Materiales y materia Primas. Disponible en: http://www.inet.edu.ar/wp-content/uploads/2012/11/azufre.pdf