TALLER DE RECUPERACIN - PRIMER EXAMEN DE QUIMICA 11

El amoniaco, es uno de los productos intermedios ms importantes de la industria qumica. La mayor parte del amoniaco (80%) se destina a la fabricacin de fertilizantes, como: Nitrato amnico: NH4NO3 Sales amnicas: (NH4)2SO4, (NH4)3PO4 Urea: (NH2)2C=O Otros usos del amonaco incluyen: Fabricacin de HNO3. Explosivos. Caprolactama, nylon. Poliuretanos. Gas criognico por su elevado poder de vaporizacin. Productos de limpieza domsticos tales como limpiacristales. Por lo tanto su costo energtico influye de manera importante en los otros sectores de la industria qumica. Sntesis Industrial El NH3 se obtiene exclusivamente por el mtodo denominado Haber-Bosch (Fritz Haber y Carl Bosch). El proceso consiste en la reaccin directa entre el nitrgeno y el hidrgeno gaseosos

Es una reaccin exotrmica por lo que un excesivo aumento de temperatura no favorece la formacin de amonaco Sin embargo, la velocidad a la que se forma NH3 a temperatura ambiente es casi nula. Es una reaccin muy lenta, puesto que tiene una elevada energa de activacin, consecuencia de la estabilidad del N2. La solucin de Haber al problema fue utilizar un catalizador y aumentar la presin, ya que esto favorece la formacin del producto. Convertir el mtodo de Haber en un proceso de fabricacin fue trabajo realizado por Carl Bosch.PRODUCCIN DEL GAS DE SNTESIS POR REFORMADO CON VAPOR. Se parte del gas natural constituido por una mezcla de hidrocarburos siendo el 90% metano (CH4) para obtener el H2 necesario para la sntesis de NH3. Desulfuracin: El gas natural pasa primero a travs de un lecho absorbente, para remover las ltimas trazas de azufre que actan reduciendo la vida del catalizador.Reformado con Vapor: Una vez adecuado el gas natural se le somete a un reformado cataltico con vapor de agua (craqueo- rupturas de las molculas de CH4). El gas natural se mezcla con vapor de agua en la proporcin (1mol gas / 3,3 mol vapor) y se conduce al proceso de reformado, el cual se lleva a cabo en dos etapas.a. Reformador Primario: El gas junto con el vapor se hace pasar por el interior de los tubos del equipo donde tiene lugar las reacciones siguientes

La reaccin global es fuertemente endotrmica, y para conseguir un alto porcentaje de reformado hay que operar a temperaturas superiores a 700C. A fin de alcanzar estas temperaturas, la reaccin se verifica en un horno donde se quema combustible, circulando los reaccionantes dentro de unos tubos rellenos de catalizador (xido de Nquel (NiO)), as se favorece la formacin de H2. La conversin del metano en la reaccin 1 es del 90% aproximadamente (90 kg reaccionan por cada 100 kg suministrados). El otro 10% restante activa la reaccin 2 (la cual es indeseada, puesto que producir CO2), y que en esta reaccin se consume totalmente el metano que se suministra a esta segunda reaccin. Suponga que se alimentan 2 m3/hora, y que el reactor opera de forma estacionaria o estable (el proceso no se interrumpe). La densidad del metano es: Densidad del gas (1.013 bar en el punto de ebullicin -161.48 C) : 1.816 kg/m3 Densidad del gas (1.013 bar y 15 C (59 F)) : 0.6797 kg/m3

Suponga que el reactor en el cual se lleva a cabo esta reaccin opera a 100 atm.

Calcular:

1. Eficiencia del proceso para los siguientes casos, con cada una de las densidades del metano proporcionadas en el enunciado:

a. Si no se tiene en cuenta la reaccin 2, y teniendo en cuenta la conversin del metanob. Si se tienen en cuenta la reaccin 2, y teniendo en cuenta la conversin del metano.

Nota: la cantidad ideal producida se calcula asumiendo 100% de conversin del metano, y que no hay reacciones secundarias. Recuerde que el producto de inters en este caso es el H2

2. Si se define selectividad como:

Calcule la selectividad de cada producto de las reacciones, teniendo en cuenta el punto 1. Esto es, se debe calcular la selectividad para los casos: no teniendo en cuenta la reaccin 2 y tenindola en cuenta.3. Se propone disear un tanque cilndrico de acero inoxidable para almacenar el hidrgeno que se produce a diario, y que tenga un rea superficial mxima de 60m2. Calcule el radio del tanque, sabiendo que la longitud mxima que puede tener el mismo es de 5 m.Ayuda: Recuerde la frmula del estudiante

4. Calcule la composicin porcentual molar del gas de salida teniendo en cuenta el punto 1.

5. En una decisin administrativa, se decidi que el tanque debera ser en forma de bala. La presin que soportar el recipiente es de 50 atm. La temperatura de almacenamiento ser de -100C, y el cilindro que compone el tanque debe tener una longitud mxima de 4 m. Calcular el radio del tanque (teniendo en cuenta el punto 1), si el volumen del mismo se calcula con la ecuacin de:

a. Gas idealb. Ecuacin de Van der Waals

NOTA: La ecuacin de Van der Waals es

Dondea y b: parmetros propios de cada sustancia (explican la interaccin molecular)a= 0,2476 L2*bar/mol2; b= 0,02661 L/molV: volumen del tanque (L)R: constante de los gases (0,0830865 bar*L / mol*K )T: Temperatura (K)n: moles del gas (mol)

Ayuda:Luego de hacer una transformacin matemtica de la ecuacin, se llega a una ecuacin en funcin de V.

La anterior ecuacin es un polinomio de grado 3 (la variable es V). Se debe resolver la ecuacin anterior para la variable V, y el resultado ser el volumen del tanque en forma de bala. Ahora, este resultado se emplea para poder calcular el radio del tanque (luego de plantear la ecuacin del volumen del tanque).

6. El suelo sobre el cual estar soportado el tanque anterior tiene un rea de 15 m2 y resiste una presin de 195216 Pa. Si se define presin como

Determine si el suelo resiste la presin que ejerce cada tanque debido a la fuerza de gravedad. Tenga en cuenta que el tanque se elaborar en acero inoxidable de 1/2 (media pulgada de grosor), y tiene una densidad superficial de 99,695 kg/m2. Adems, debe hacer la determinacin segn el punto 1.Ayuda: Para determinar esto, debe calcular la masa del tanque empleando la densidad superficial y la masa del gas, en kg.