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BALANCES DE MATERIA Y ENERGA SEMESTRE 2015-2 Fecha de entrega: 22-mayo-2015

PROYECTO Planta de Produccin de cido Ntrico

El cido ntrico es un cido fuerte que no se encuentra libre en la naturaleza. La forma generalizada de produccin de este cido es mediante el proceso Ostwald que consiste en la combustin cataltica de amonaco con aire. El principal uso del cido ntrico es en la industria de los fertilizantes. El proceso industrial de produccin de cido ntrico consiste de los siguientes pasos:

Oxidacin cataltica del amonaco con oxgeno atmosfrico (aire) para producir monxido de nitrgeno (NO) en el denominado reactor de combustin.

Oxidacin del monxido de nitrgeno para producir dixido de nitrgeno (NO2) en el proceso de enfriamiento y en la torre de absorcin.

Absorcin del dixido de nitrgeno en agua para producir el cido ntrico (HNO3) en el enfriador-condensador y en la torre de absorcin.

Sistema de produccin de vapor para recuperar la energa liberada por las reacciones exotrmicas.

En este trabajo se busca obtener los balances de materia y energa en el proceso de alta presin presentado en el diagrama de flujo de la Figura 1.

En el reactor de oxidacin de amoniaco [i] se verifican las siguientes reacciones en presencia de una malla de platino-rodio que funciona como catalizador.

4 NH3 + 5 O2 4 NO + 6 H2O (1)

2 NH3 + 3/2 O2 N2 + 3 H2O (2)

2 NH3 + 2 O2 N2O+ 3 H2O (3)

La reaccin (1) es la reaccin principal y las reacciones (2) y (3) son indeseables. La reaccin (2) provoca una disminucin en la eficiencia global de la produccin de cido ntrico a partir de amoniaco. La produccin de N2O por la reaccin (3) provoca problemas ambientales ya que este xido no sufre ninguna transformacin a lo largo del proceso. El N2O es un gas de efecto invernadero que provoca el calentamiento de la atmsfera. Las nuevas tecnologas tratan de minimizar la produccin de N2O. Para garantizar la combustin completa del amoniaco se alimenta aire en exceso. Los gases producto de la combustin del amonaco estn a una temperatura muy elevada y se enfran en un recuperador de calor [j] en donde se produce vapor de agua y se sobrecalienta el mismo.

A temperaturas menores a 400C se favorece la oxidacin del NO a NO2, la cual se verifica en fase gas y no requiere la presencia de un catalizador.

NO + O2 NO2 (4)

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De este modo, cuando la corriente gaseosa que sale del reactor de combustin, despus del recuperador de calor, se somete a una serie de enfriamientos con intercambiadores de calor [k, l, m, n], se lleva a cabo la reaccin anterior de oxidacin del NO.

En el enfriador-condensador [o] se condensa el agua producto de la combustin del amoniaco, la cual absorbe el NO2 presente en la fase gas para formar cido ntrico. En la Figura 2 se muestra un esquema simplificado de las reacciones involucradas en este proceso. Para fines de los balances de materia y energa, este esquema puede ser representado de manera condensada por la siguiente reaccin.

3 NO2 + H2O 2 HNO3 + NO (5)

El NO producido en la fase lquida se libera a la fase gas, ya que su solubilidad en la solucin de cido ntrico es muy pequea. Del enfriador-condensador se obtiene una corriente lquida que es una solucin de cido ntrico y una corriente gaseosa con el resto de los componentes. Estas dos corrientes se alimentan a la torre de absorcin [p]- blanqueador [x]. En este problema se considerar al conjunto torre de absorcin- blanqueador como un solo sistema. Para terminar de oxidar el NO a NO2 se alimenta una corriente de aire secundario al blanqueador. Este aire cumple adems el objetivo de desorber los gases disueltos en la solucin de cido ntrico que se obtiene como producto. La cantidad de agua de proceso que es necesario alimentar a la torre absorbedora es la necesaria para dar la concentracin requerida del cido ntrico producto. Adems, esta corriente de agua sirve para absorber los xidos de nitrgeno que todava estn presentes en la fase gaseosa y que esta corriente al salir de la torre cumpla con las normas ambientales en cuanto a su concentracin de xidos de nitrgeno. Por consiguiente en el conjunto torre de absorcin- blanqueador se llevan a cabo las reacciones (4) y (5). Si se considera que todo el NO2 producido es absorbido por el agua y que reacciona completamente con el agua para formar cido ntrico, entonces la corriente gaseosa que abandona la torre no contiene este gas. En consecuencia, este conjunto puede ser analizado, para fines de balance de materia y energa, como si se llevara a cabo nicamente la siguiente reaccin global:

4 NO + 3 O2 + 2 H2O 4 HNO3 (6)

Las reacciones (4) a (6) son exotrmicas, razn por la cual es necesario que en la torre de absorcin se tenga un sistema de enfriamiento distribuido a lo largo de la misma.

Para mejorar la eficiencia energtica del proceso el gas que abandona la torre de absorcin se calienta en los intercambiadores [q, r y k] para aumentar su volumen y as poder recuperar una mayor cantidad de trabajo en la turbina de expansin [s]. El trabajo recuperado en la turbina se utiliza para mover el compresor de aire [g]. El trabajo adicional que requiere este ltimo compresor lo provee la turbina de vapor [v] que es accionada por el vapor obtenido en el recuperador de calor [j].

Figure 1. Simplified flow diagram of a high-pressure process for nitric acid production.a) Ammonia evaporator; b) Ammonia stripper; c) Ammonia preheater; d) Ammonia gas filter, e) Ammoniag) Air compressor, h) Interstage cooler, i) reactor; j) Wasten) Feedwater and warm-water preheaters; o) Coolers) Tail-gas turbine; t) Feedwater tank with deaereator; u

pressure process for nitric acid production. a) Ammonia evaporator; b) Ammonia stripper; c) Ammonia preheater; d) Ammonia gas filter, e) Ammonia

ooler, i) reactor; j) Waste-heat boiler; k)Tail-gas preheater; l) Economizer; m) Air preheater; water preheaters; o) Cooler-condenser; p) Absorption tower; q) Tail-gas preheater; r) Tail

rbine; t) Feedwater tank with deaereator; u) Steam drum; v) Steam turbine; w) Steam turbine condenser, x) Bleacher.

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a) Ammonia evaporator; b) Ammonia stripper; c) Ammonia preheater; d) Ammonia gas filter, e) Ammonia-air mixer; f) Air filter; gas preheater; l) Economizer; m) Air preheater;

gas preheater; r) Tail-gas preheater; Steam drum; v) Steam turbine; w) Steam turbine condenser, x) Bleacher.

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Figura 2. Esquema simplificado del sistema de reacciones que se tienen en el proceso de absorcin del NO2 en agua.

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ESPECIFICACIONES DE LAS CORRIENTES DE PROCESO Corriente T(C) P (bar) Caractersticas

1 20 11.5 Amoniaco (Lquido) ALIMENTACIN 2 11.5 Amoniaco (Vapor Saturado) 3 130 11.5 Amoniaco (Vapor sobrecalentado) 4 23 1.0 Aire: N2=77.5%vol; O2=20.5 %

vol; H2O=2.0 %vol ALIMENTACIN 5 159 3.2 Aire 6 30 3.2 Aire 7 165 10.5 Aire

7A 165 10.5 Aire Primario (80 % del Flujo) Para el reactor de oxidacin de amoniaco

7B 165 10.5 Aire Secundario (20 % del Flujo) Alimentacin a la Torre Absorbedora 8 200 9.0 Aire

9 9.0 Mezcla Aire-Amoniaco NH3= 10.7 % vol base seca Alimentacin al reactor

de Oxidacin de Amoniaco

10 9.0 N2, O2, NO, H2O (Gas) Efluente de la seccin de oxidacin cataltica 11 400 9.0 N2, O2, NO, H2O (Gas) 12 260 9.0 N2, O2, NO, NO2, H2O (Gas) 13 220 9.0 N2, O2, NO, NO2, H2O (Gas) 14 180 9.0 N2, O2, NO, NO2, H2O (Gas) 15 115 9.0 N2, O2, NO, NO2, H2O (Gas) Alimentacin al enfriador-condensador 16 50 9.0 N2, O2, NO, H2O (Gas) PH2O = 49.5 mmHg

Alimentacin a la Torre Absorbedora

17 50 9.0 Solucin de HNO3 en H2O al 45% en masa (Lquido)

19 23 9.0 Agua de proceso (Lquido) ALIMENTACIN a la Torre Absorbedora 23 50 9.0 Solucin de HNO3 en H2O

al 65% en masa (Lquido) PRODUCTO

24 30 9.0 N2, O2, NO, H2O (Gas) PH2O = 8.8 mmHg Efluente gaseoso de la

torre de absorcin 25 80 9.0 N2, O2, NO, H2O (Gas) 26 140 9.0 N2, O2, NO, H2O (Gas) 27 9.0 N2, O2, NO, H2O (Gas) 28 95 1.0 N2, O2, NO, H2O (Gas)

29 1.0 N2, O2, NO, H2O (Gas) EFLUENTE gaseoso del

proceso (gases de chimenea)

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ESPECIFICACIONES DE LAS CORRIENTES DE LA SECCIN DE VAPOR Corriente T(C) P (bar) Caractersticas

40 20 3.0 Agua (Lquido) ALIMENTACIN 41 3.0 Agua (Lquido) Retorno de condensado 42 3.0 Agua (Lquido) 43 120 3.0 Agua (Lquido) 44 200 5 Vapor de baja presin 45 3.0 Agua (Lquido saturado) 46 100 Agua (Lquido) 47 100 Agua (Lquido)

48 100 Agua (Lquido saturado)

49 100 40% masa Lquido y 60% masa Vapor

50 100 Vapor saturado

51 575 100 Vapor sobrecalentado

52 5 Vapor de baja presin 53 50 Vapor saturado 54 50 Agua (Lquido saturado)

ESPECIFICACIONES DE PROCESO

1. La planta debe producir 600,000 ton/ao (consideradas como cido ntrico al 100%) en una solucin al 65% en masa. Considere que la planta opera 8,300 horas al ao, el resto son para mantenimiento y reparaciones.

2. Considere que la combustin del amonaco y la absorcin del NO2 se llevan a cabo a la presin de 9 bar. Adems, ignore las cadas de presin en los equipos de proceso.

3. El aire requerido por el proceso se alimenta en exceso. Al reactor se alimenta una mezcla gaseosa de aire- amoniaco que contiene 10.7% volumen en base seca de amonaco.

4. La cmara de combustin del reactor de oxidacin [i] puede ser considerada adiabtica. La combustin del amonaco es completa y 95% se consume en la reaccin (1), el 5% adicional se consume en la reaccin (2) y considere que la reaccin (3) no se lleva a cabo.

5. La oxidacin del NO a NO2 de acuerdo a la reaccin (4), que ocurre durante el enfriamiento en los equipos [k, l, m y n], se lleva a cabo con las siguientes conversiones globales de NO, consideradas a partir del efluente del reactor de oxidacin.

Corriente 12 13 14 15 Conversin global

de NO (%) 11 18 25 43

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Por razones de simplicidad, considere que en el enfriamiento hasta la corriente 15 no se condensa agua.

6. En el enfriador-condensador [o] se llevan a cabo las reacciones (4) y (5). La corriente lquida (17) es una solucin de cido ntrico en agua al 45% en masa y, para fines de este problema, considere que la cantidad de gases disueltos es despreciable. La corriente gaseosa (16) contiene N2, O2, NO y H2O. La presin parcial del agua en esta corriente es de 49.5 mmHg y corresponde al equilibrio con la solucin de cido ntrico al 45% en masa a 50C. Para simplificar la solucin del problema, se ha considerado que todo el NO2 formado se convierte en cido ntrico.

7. Para fines de balance de materia y energa considere a la torre de absorcin [p] y blanqueador [x] como un solo sistema. Por consiguiente ignore las corrientes 20, 21 y 22. El cido ntrico producido (corriente 23) est al 65% en masa y no contiene gases disueltos. El aire secundario alimentado (7B) representa el 20% del total del aire alimentado al proceso. El efluente gaseoso de la torre (corriente 24) contiene N2, O2, NO y H2O. La presin parcial del agua en esta corriente es de 8.8 mmHg y corresponde al equilibrio con la solucin de cido ntrico al 65% en masa a 30C. La operacin de la torre debe ser tal que el contenido de NO en el efluente gaseoso cumpla con la siguiente Norma Ambiental:

1.5 kg de NOx (como NO2) por cada tonelada de HNO3 (al 100%) producido. Para ello se requiere que la conversin del NO sea de 99.7%.

8. El turbo- expansor [s], la turbina de vapor [v] y los dos pasos del compresor de aire [g] son adiabticos.

9. Por simplicidad, no tome en consideracin las bombas del proceso. 10. El circuito de vapor para recuperar la energa de la combustin del amonaco

produce vapor sobrecalentado a 100 bar y 575C. 11. El calor cedido al enfriarse la corriente (14) a (15) se utiliza para precalentar el agua

de calderas. En principio, el calor cedido en el intercambiador de calor [n] por el enfriamiento de la corriente (14) es ms grande que el requerido por el agua de calderas (corriente 42 a 43), el excedente se transfiere a agua de enfriamiento.

12. La turbina de vapor [v] tiene dos extracciones, las corrientes (52) y (53). Considere que el 75% del flujo de vapor alimentado se extrae por la corriente (53). Adems, para el segundo paso de expansin del vapor, este debe ser sobrecalentado a 550C.

Preguntas, Actividades y Resultados 1. Establezca una hoja de clculo que incluya todos los clculos que efectu para

resolver el problema. 2. Resuelva los balances de materia y energa de la planta de produccin de cido

ntrico. Proporcione para cada corriente el Flujo molar total (kgmol/h), las fracciones mol, los flujos molares por componente (kgmol/h) y las temperaturas de aquellas que no han sido especificadas. Para las corrientes de la seccin de vapor de agua calcule los resultados en masa.

3. Calcule las cargas trmicas de todos los equipos de intercambio de calor. 4. Calcule las potencias del turbo- expansor, turbina de vapor y compresor de aire.

Determine la proporcin del trabajo de compresin del aire que es suministrado por el turbo- expansor de los gases de chimenea.

5. Calcule la carga trmica total que es necesario retirar en la columna de absorcin. 6. Calcule la eficiencia global de conversin de amoniaco a cido ntrico.

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7. Calcule el exceso de aire alimentado al proceso tomando como base el aire requerido para la conversin total de amonaco a cido ntrico.

8. Construya un diagrama de bloques de todo el proceso indicando solamente las corrientes de alimentacin y salida del mismo, que incluya el balance de materia (flujos molares de cada componente en cada corriente). Explique este balance de materia con el menor nmero posible de reacciones.

9. Entregue un documento con los resultados del proyecto que deber estar impreso y engargolado y deber contener lo solicitado en los puntos anteriores y la memoria de clculo correspondiente. Incorpore un apartado de conclusiones generales.

10. Deber entregar un archivo electrnico con la hoja de clculo que utiliz para resolver el problema

Informacin de propiedades: Las propiedades de los componentes que necesita para resolver los balances de energa como son:

Capacidades calorficas Entalpas de formacin Calor latente las puede obtener de varias fuentes:

Smith y Van Ness Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics Poling, Prausnitz y OConnell The Properties of Gases and Liquids Sandler Chemical and Engineering Thermodynamics Himmelblau Basic Principles and Calculations in Chemical Engineering Felder y Rousseau Elementary Principles of Chemical Processes

Para la seccin de vapor utilice las tablas de vapor de agua. Para el amoniaco: Temperatura de ebullicin a 1 atm = -33.33 C Calor latente de vaporizacin a Teb a 1 atm = 23.3 kJ/mol Presin de vapor en bar con T en K: ( )55.25.1ln dcba

TT

PP

c

c

vap +++

=

donde

cTT

=1

a = -7.28322 d = -2.39312 b = 1.5716 Tc = 405.5 c = -1.85672 Pc = 113.53

Para soluciones de HNO3 en H2O Capacidades calorficas: Solucin al 45% masa = 0.663 cal/g C Solucin al 65% masa = 0.6268 cal/g C

Calor de solucin del cido ntrico en agua a 25C. mol de H2O / mol de HNO3 3.5 55.56 r Calor de solucin (kJ/mol de HNO3) -26.55 -34.14 -34.136 r / (1+r)