Teoria Del Acido Nitrico.docx

UNIVERSIDAD NACIONAL AUTONÒMA DE MÉXICO FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES CUAUTITLÁN. CAMPO 1. Balance de materia y energía

Proyecto de diseño. Producción industrial de ácido nítrico Profesor: Carlos Morales Alumnos: Carranza Herrera Eduardo García García Alejandro Martínez Aguilar Alejandro

INGENIERÌA QUÌMICA Grupo 1301

http://laboratorio2bach.blogspot.com/201 3/02/influencia-de-la-temperatura-enel.html

Fecha de entrega 21 de Noviembre de 2018

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Ciclo Escolar: 2019-I

INTRODUCCION ACIDO NITRICO El ácido nítrico se caracteriza por ser un ácido fuerte y tiene grandes propiedades como oxidante, este tipo de características son esenciales en la producción de muchos productos químicos como lo son los fármacos, los colorantes, las fibras sintéticas, los insecticidas o los fungicidas, sin embargo su uso más frecuente es en la producción de nitrato de amonio para ser empleado como fertilizante industrial. En la historia de su uso se puede encontrar que la producción de ácido nítrico aumento durante el siglo XIX para fines bélicos al crear explosivos. El ácido nítrico era conocido por los egipcios, sin embargo no conocían como producirlo, fue Antoine Lavoisier quien propuso y demostró que los compuestos de ácido nítrico contenían oxígeno en sus moléculas y Cavendish en 1784 determino su composición exacta, la cual fue establecida por el francés Gay Lussac a principios de 1800. A principios del siglo 20 el químico y profesor Wilhelm Ostwald desarrollo una forma óptima de producir ácido nítrico a partir de Amoniaco, este proceso se nombró como proceso Ostwald en su honor y consiste en oxidar el amoniaco con exceso de aire en presencia de un catalizador a presión atmosférica. Gracias a esta aportación Ostwald recibió el premio nobel de Química por ser el proceso más eficiente hasta el momento para producir ácido nítrico. El proceso de Ostwald implica el desarrollo de 3 reacciones, estas son la oxidación catalítica de amoniaco en aire, oxidación del monóxido de nitrógeno generado en el proceso anterior para producir dióxido de nitrógeno y finalmente la absorción del dióxido de nitrógeno para la producción del ácido nítrico. Este proceso tiene una gran complejidad y es muy importante a nivel industrial, por eso se necesita estudiarlo y los ingenieros implementan distintas formas de predecir o de adelantarse a los eventos de su producción para que obtengan un resultado satisfactorio. La forma más eficiente de llevarlo a cabo es el desarrollo de una simulación de cómo se llevaría a cabo el proceso, para esto se diseña un modelo matemático del sistema y al ejecutarlo se puede entender el comportamiento bajo ciertas condiciones. Este modelo debe ser capaz de representar con una gran exactitud el comportamiento del proceso real y para ello se pueden emplear varias herramientas que facilitan el proceso del cálculo. En este ámbito es necesario describir las características físicas y químicas que posee el ácido nítrico. Generalidades, ácido nítrico Características El ácido nítrico es un ácido de tipo inorgánico que también se conoce como aqua fortis que significa agua fuerte, este acido es altamente corrosivo y toxico por lo que al contacto directo con el ser humano provoca fuertes quemaduras. En estado puro el ácido nítrico es incoloro pero cuando se oxida adquiere una apariencia amarillenta debido a los óxidos

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de nitrógeno que se forman después de la oxidación, en la destilación el ácido nítrico puro se evapora a 86ºC y es sólido a la temperatura de -42ºC. El primer descubrimiento del ácido nítrico es atribuido al alquimista Jabir Ibn Hayvan quien escribió por primera vez la forma en que se lograba sintetizar este compuesto, él es de origen árabe y sus investigaciones también lo ayudaron a sintetizar el ácido sulfúrico, durante la edad media cuando los alquimistas tenían el objetivo de encontrar la piedra filosofal y encontrar la forma convertir cualquier metal en oro descubrieron que el ácido nítrico en solución acuosa podía disolver oro y platino. El ácido nítrico reacciona con elementos alcalinos, óxidos básicos y y carbonatos provenientes de algunas sales, este compuesto se puede sintetizar con la combinación de dióxido de nitrógeno y agua en contacto con aire, durante este proceso el aire oxida el ácido nitroso que es producido durante el proceso. Durante este proceso se generan sales que son conocidas como nitratos y son solubles en agua, además tienen una buena cristalización y se descomponen a altas temperaturas. Hoy en día es uno de los ácidos minerales más utilizados y tiene un gran rango de aplicación en la industria, asi como también a nivel de laboratorio, la industria de fertilizantes utiliza el HNO3 a gran escala y también es utilizado para la producción de explosivos. “Las aplicaciones del HNO3 en el laboratorio incluyen la espectrometría de Absorción atómica en llama debido a que este acido es capaz de disolver metales en soluciones para realizar análisis, así como también en la espectrometría de masa utilizando plasma de acoplamiento inductivo para realizar análisis de laboratorio. Usualmente la cristalería se limpia y se graba con ácido nítrico, también se puede usar para detectar la presencia de cloro en la producción de carbonato de sodio” (Instituto británico para el ácido nítrico). Debido a que el ácido nítrico tiene una clasificación corrosiva y toxica está legislado bajo estrictas normas concernientes a la manufactura y empaquetamiento, los derrames de este ácido nítrico están penados por la ley y cuando esto sucede se necesita que se neutralicen con algún material inerte y luego almacenarlo correctamente en espacios cerrados. Propiedades físicas y termodinámicas. El punto de ebullición del ácido nítrico es de 86 °C, en contraste a esto el punto de fusión en cambio es de -42 °C .La presión de vapor regularmente se puede encontrar a 51 mm de Hg cuando la temperatura es de 25 °C (fumante), en cambio es de 113 mm de Hg con una temperatura de 38 °C (95-98%); 6.8 mm de Hg a 20 °C (67 %) y 8-11 mm de Hg a 25 °C (40 %). Una de sus características importantes es que forma un azeótropo negativo con agua a 68.8 % en peso y cuyo punto de ebullición es de 122 °C, además se puede observar que es miscible en agua.

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Propiedades químicas y oxidantes. El ácido nítrico se descompone con cierta facilidad, generando óxidos de nitrógeno, además reacciona con álcalis, óxidos y sustancias básicas, generando sales. Es un oxidante fuerte dependiendo de su concentración. Es importante conocer que el ácido nítrico forma una reacción violenta con el Ácido y anhídrido acético, acetona, acetonitrilo y alcoholes, por lo que no se recomienda para limpiar material de laboratorio. Ataca a la mayoría de los metales, excepto platino y oro y, en el caso de aluminio y cromo presentando un ataque muy leve. Algunos son convertidos a óxidos, como en el caso de arsénico, antimonio y estaño, otros son convertidos a nitratos. Es capaz de oxidar a elementos en estado de bajo número de oxidación hasta su más alto valor, como en el caso de óxidos, sulfuros, entre otros. El ácido nítrico es un ácido mineral fuerte con potentes propiedades oxidantes. Provoca quemaduras en la piel y los ojos, además tiñe los tejidos de color amarillo a causa de una reacción xantogénica. La exposición a una baja concentración de ácido nítrico provoca irritación leve de los ojos y la garganta, una tos seca y tirantez torácica. Producción del ácido nítrico.

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La materia prima para la producción del Ácido Nítrico corresponde al amoniaco proveniente del proceso Haber-Bosch. Por lo tanto el proceso global implica el desarrollo de tres reacciones: oxidación catalítica de amoniaco en aire, oxidación del Monóxido de Nitrógeno del proceso anterior hasta Dióxido de Nitrógeno o tetraóxido de dinitrógeno y finalmente la absorción del Dióxido de Nitrógeno para generar el ácido. Las reacciones correspondientes son las que se presentan a continuación: 1 4𝑁𝐻3 + 5𝑂2 => 4𝑁𝑂 + 6𝐻2 𝑂 2 2𝑁𝑂 + 𝑂2 => 2𝑁𝑂2 <=> 𝑁2 𝑂 3 3𝑁𝑂2 + 𝐻2 𝑂 => 2𝐻𝑁𝑂3 + 𝑁𝑂 El esquema general para el proceso de producción de Ácido Nítrico recibe el nombre de su inventor, proceso Ostwald, las diferentes tecnologías existentes para la producción Ácido Nítrico varían en la forma en la que se llevan a cabo estas reacciones. Proceso de Ostwald. El proceso de Ostwald es un proceso químico para producir ácido nítrico, que fue desarrollado por Wilhelm Ostwald y patentado en 1902, este proceso es uno de los principales pilares de la industria química moderna. Para este caso se maneja el amoníaco producido de Haber Bosh y se convierte en ácido nítrico en dos etapas; primero es oxidado al calentarlo con oxígeno en presencia de un catalizador como es el platino con un 10% de rodio para formar óxido nítrico y agua, este paso es fuertemente exotérmico siendo una fuente de calor muy útil una vez iniciada con una entalpia de ΔH = -950 kJ/mol. 4 NH3 (g) + 5 O2 (g) → 4 NO(g) + 6 H2O (g) El segundo paso se realiza en presencia de agua en una torre de absorción, para ello el óxido nítrico se oxida otra vez para producir dióxido de nitrógeno (NO2): 2 NO (g) + O2 (g) → 2 NO2 (g) Este gas es absorbido fácilmente por el agua, rindiendo el producto deseado (ácido nítrico, no obstante en una forma diluida), mientras que reduce una porción de ella de nuevo a óxido nítrico: 3 NO2 (g) + H2O (l) → 2 HNO3 (l) + NO (g) El NO se recicla y el ácido se concentra por destilación. Esto es alternativo si el paso anterior se realiza en el aire: 4 NO2 (g) + O2 (g) + 2 H2O (l) → 4 HNO3 (aq)

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Las condiciones típicas para la primera etapa, que contribuyen a una producción total de cerca de 96%, son: presión entre 4 y 10 atmósferas (400-1010 KPa o 60-145 psig) y temperatura de 1173 K (aproximadamente 900 °C o 1652 °F). Proceso del ácido débil. El proceso para la obtención de ácido nítrico débil se compone de las siguientes etapas:   

Oxidación del amoniaco anhidro con aire a óxido nítrico. Oxidación del óxido nítrico para formar dióxido de nitrógeno. Absorción en agua del nitrógeno dióxido para dar una disolución de ácido nítrico.

A partir de un balance de las diferentes reacciones que se dan en el proceso, la producción de ácido nítrico se resume por la siguiente reacción global. NH3(g) + 2O2(g) → HNO3(aq) + H2O(l) En la práctica, estos tres pasos del proceso pueden llevarse a cabo de diferentes maneras, lo que resulta en varios procesos diferentes de producción. Las plantas modernas de ácido nítrico están diseñadas de acuerdo a procesos de mono-presión y presión dual. En primer lugar, el aire comprimido y el amoníaco que son insumos principales del proceso son alimentados a un reactor que emplea un catalizador para llevar a cabo la reacción exotérmica que sintetiza el óxido nítrico. En segundo lugar, el óxido nítrico producido en el reactor se enfría en un condensador para después reaccionar con oxígeno no catalíticamente formándose tanto el dióxido de nitrógeno como su dímero líquido, tetróxido de nitrógeno. En tercer lugar, el dióxido de nitrógeno y su dímero son enfriados e introducidos en la columna de absorción que junto con el agua, origina la reacción exotérmica que sintetiza el ácido nítrico débil (50%-65% en peso). Hay que tener en cuenta que la oxidación del óxido nítrico y la absorción del dióxido de nitrógeno son favorecidas a temperaturas más bajas y es por ello, por lo que deben enfriarse estos compuestos en la corriente de entrada, finalmente los gases residuales que salen de la columna de absorción (NOx) se dirigen a un reactor catalítico para proceder a su limpieza, reduciéndose a nitrógeno (N2). El proceso de producción del ácido nítrico débil lleva asociadas las siguientes fuentes de emisión:

 Reactor: La conversión de amoniaco a óxido nítrico puede originar otras reacciones debido a su selectividad, originando óxido nitroso (N2O). De forma menos significativa, puede emitirse amoníaco debido a las fugas producidas en la alimentación del proceso.

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 Torre de absorción: La reacción origina óxido nítrico y cabe destacar que la principal fuente de óxidos de nitrógeno (NO y NO2) son en la salida del gas de la torre de absorción. También, de forma menor, se genera una niebla de ácido nítrico.  Consumo auxiliar de combustibles: Lleva asociada la emisión de gases de efecto invernadero y contaminantes atmosféricos propios de la combustión en las unidades de generación de energía para el proceso (calderas, motores y turbinas). Proceso a una presión, y a presión dual. Los procesos de baja presión no se usan actualmente por su baja eficiencia. La oxidación del Amoniaco en estos procesos se llevaba a cabo a presión atmosférica y la absorción de los óxidos de Nitrógeno ocurre en torres a baja presión, los procesos de presión media operan por lo común a presiones en el orden de 550 kPa. Los de presiones altas operan en presiones alrededor de 1 MPa y finalmente los procesos de presión dual operan en el mismo intervalo de presiones que los de presiones medias en la sección de oxidación catalítica del amoniaco pero a presiones altas en la sección de absorción de Óxidos de Nitrógeno en el agua. A una Presión. Este proceso de una sola presión puede realizarse bien sea a presiones medias (3-6 atm) o a altas presiones (7-12 atm). El proceso a alta presión ha sido el diseño más frecuente. Las altas presiones de operación reducen el tamaño de los equipos utilizados y el costo del capital. Este costo es aproximadamente 10-14% menor que en el proceso a presión dual. Las altas temperaturas y las presiones de operación producen una mayor recuperación de la eficiencia de la energía del proceso, bien sea en forma de vapor o en gas de cola, proporcionando una mayor energía, que puede ser utilizada en la compresión del aire. Una licencia (Smith, 1990) ha encontrado una ventaja adicional en costos colocando los equipos en forma vertical, ganando de esta forma espacio, menor número de tuberías, y eliminando las bombas de ácido débil pues no son necesarias para este caso. A Presión Dual. Este tipo de proceso se caracteriza por poseer una presión media (3-6 atm) para la oxidación del amoniaco, y una alta presión de 11-15 atm para la absorción y etapas subsecuentes. Comparando con las plantas de una sola alta presión, una baja presión de oxidación mejora el rendimiento del amoniaco y del catalizador. Las pérdidas de platino son significativamente menores y las corridas se ven prolongadas debido a una más larga vida del catalizador.

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Las presiones reducidas también producen un ácido nítrico más débil condensado, el cual ayuda a mejorar el rendimiento de la torre de absorción. Debido a que las condiciones de operación son distintas, el proceso de presión dual requiere de un condensador adicional, el cual debe ser de acero inoxidable.

Aplicaciones. El ácido nítrico es utilizado en el área industrial, pero de la misma manera, en los sectores de química y salud, se incluye en diferentes procesos:

● En la producción de abono nitrogenado, por parte de la industria de fertilizantes. ● Como nitrocompuesto en la elaboración de colorantes artificiales para la industria fotográfica. ● Aprovechado para la fabricación de explosivos como el TNT, dinamita y algodón pólvora o nitrocelulosa. ● Es un componente químico empleado por la industria de productos de limpieza, para tuberías y sumideros. ● El sector joyero lo aplica en el grabado de metales y en la comprobación del oro y el platino. ● Forma parte del procedimiento de obtención de ácido adípico para la confección de fibras sintéticas especiales, nylon y autopartes plásticas. ● Se elaboran poliuretanos que sirven para producir espumas, pinturas y selladores de superficies. ● Junto con otros ácidos se emplea en la fase de neutralización durante el tratamiento de aguas residuales. ● Ampliamente usado en la preparación de la nitroglicerina, como medicamento para tratar enfermedades del hígado, anginas de pecho, infarto al miocardio e insuficiencias coronarias, debido a su poderosa acción vasodilatadora. ● Constituye un ingrediente en la elaboración de tópicos dermatológicos para el tratamiento de verrugas o papilomas. ● La medicina veterinaria ha aprovechado sus propiedades diuréticas y antisépticas en la cura de padecimientos de animales. Simulación del proceso o planteamiento del problema Para diseñar una simulación del proceso es necesario identificar que los balances de materia y energía son indispensables para la toma de decisiones de las condiciones necesarias con las que deben trabajar los equipos. Mediante un modelo se estudia el comportamiento del sistema si las condiciones iniciales o de borde varían, por lo que es necesario que el modelo permita estudiar el comportamiento del sistema cuando se cambian las condiciones de trabajo. Estos modelos constituyen un prerrequisito previo para fijar un objetivo cuantitativo económico del sistema, sin embargo es necesario que el modelo debe de ser exacto en

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todo momento incluyendo datos empíricos tales como la eficiencia o rendimiento de los equipos. Los balances de masa son empleados para obtener las características de todas las corrientes que están presentes en el diagrama de flujo del proceso, esta información es esencial para realizar los diseños y operar los equipos. Las características que se abordan son el lugar de donde proviene y hacia dónde se dirige la corriente que define la dirección y la orientación, la magnitud con la que circula la corriente expresada en masa por unidad de tiempo, la composición de la corriente que es generalmente expresada en fracción masa y si es necesario se agrega la temperatura y la presión en caso de realizar un balance de energía. Es necesario mencionar que cualquier propiedad física intensiva de la corriente como la densidad o la viscosidad representan una función de la temperatura, composición y de la presión. Con fases solidas o liquidas el efecto de la presión es despreciable. Una dependencia pronunciada de la entalpia y la presión puede encontrarse en corrientes con una composición cercana a dos fases, la composición de una corriente debe ser empleada para el balance de mas, la temperatura se emplea para los balances de energía y la presión de corriente no constituye el objetivo de los cálculos de balance pero si se necesita conocer su valor para saber en qué fase se encuentra la corriente. Ecuación de balance En cualquier propiedad extensiva el valor numérico es en donde los cambios de tamaño del sistema pueden ser estimados, en esta clase se encuentran la masa, el volumen, la energía interna, entre otras. Dentro de los límites del sistema estudiado y el tiempo en el que el balance es realizado la ecuación general de balance de materia es válida para cualquier propiedad extensiva. 𝐸𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 = 𝑆𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 + 𝐴𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛 La entrada es la propiedad extensiva estimada que pasa dentro del sistema a través de los límites en el tiempo en el que el balance es realizado, la salida es la propiedad extensiva estimada que sale del sistema y la acumulación es el cambio de propiedad extensiva dentro de los límites del sistema. La introducción de una fuente permite realizar el balance de todas las propiedades extensivas. La acumulación de un componente es el cambio en cantidad de la propiedad estimada, si un proceso opera en estado estacionario el cambio de sus propiedades y su composición con respecto al tiempo es nulo al igual que la tasa de acumulación. Usualmente la acumulación es aplicada en sistemas por lotes, si se selecciona un tiempo limitado de equilibrio excediendo por mucho un ciclo del proceso se puede aplicar que la tasa de acumulación es nula. Desarrollo de balances a resolver

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Con la finalidad de cumplir con la ley de la conservación de la materia y energía las ecuaciones deben de cumplir con los siguientes lineamientos:  El número de ecuaciones de balances de acuerdo al número de componentes presentes en la corriente, los cuales entran o salen de cada bloque  Las ecuaciones de sumatoria para cada una de las corrientes, refiriendo al total de las fracciones masa o moles de todos los componentes debe ser igual a 1  Otras ecuaciones seguidas por las leyes que determinan las relaciones entre la composición, temperatura y presión de cada una de las corrientes, conocidas también como leyes de la termodinámica y equilibrio de fases.  En el caso que se encuentren cambios con respecto a la temperatura se realizan balances de energía. Reacciones químicas Es necesario determinar que nodos funcionan como reactores químicos y observar que para cada reacción independiente se tiene una corriente que viene dado por el producto de la velocidad de reacción y el volumen de reacción, a esto se llamara corriente de fuente. La formación o desaparición de los componentes individuales en el reactor está dado por el producto de la corriente de fuente y el coeficiente estequiometrico respectivo, en el caso de las reacciones más independientes las propiedades calculadas deben de sumarse. Desarrollo al proceso propuesto Diagrama de flujo de proceso

Descripción de equipos A: Es un reactor de oxidacion en donde las reacciones se estan produciendo, los componentes que estan presentes en la salida del equipo son: 𝑁𝐻3 , 𝑂2 , 𝑁𝑂, 𝑁2 , 𝑦 𝐻2 𝑂 . La

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temperatura dentro del reactor es de aproximadamente 890º C y la presion rondara los 8 bar. B, C:Son intercambiadores de calor y su funcion es la de bajar las altas temperaturas de la corriente de salida del reactor de oxidacion. La temperatura de salida del sistema de intercambiadores es aproximadamente 462º C y la presion un poco mas baja en comparacion con la del reactor J:Esta es una tuberia en la que la reaccion, esta comenzando a ocurrir, la temperatura en esta etapa es de alrededor de 462ºC D:En este intercambiador la reaccion ocurre, tambien la temperatura disminuye considerablemente, y la corriente que se utiliza para enfriar, es en realidad la misma que sale del intercambiador G en la ultima etapa del proceso K:Este equipo de igual forma es una tuberia, en donde la reaccion esta ocurrinedo, la temperatura en esta etapa del proceso esta alrededor de los 290ºC y la temperatura permanece constante E:La funcion de este intercambiador es la de bajar la temperatura proveniente de la estapa anterior la cual disminuye desde 290ºC hasta 160 ºC, la corriente que es usada para lograr esta disminucion es la 12, la cual contiene agua a presion atmosferica y temperatura ambiente. L:Es una tuberia en la que ocurre la reaccion. La temperatura permanece practicamente constante 160ºC asi como tambien la presion. F:Este es un reactor en donde la reaccion toma parte, luego de ese reactor la concentracion de 𝑁2 𝑂4 incrementa, como concecuencia de esta reaccion, La temperatura de esta etapa disminuye considerablemente, desde 160ºC hasta 49ºC Ñ: Este esquipo es un separador flash, debido a la disminucion de la temperatura algunos de los componentes presentes condensan, y eneste momento la fase gaseosa es separada de la liquida, la corrinet gaseosa tiene el numero 33, mientras que la liquida pasa a ser listada como la 17, la cual va directo a la columna de absorcion. No hay cambio substancial de la temperatura 49ºC Mezclador alimentado por las corrientes 33 y 25 y la mezcla para obtener la corriente 32 como la salida del mismo, los componentes presentes en esta son: : 𝑁𝑂2 , 𝑂2 , 𝑁𝑂, 𝑁2 , 𝐻2 𝑂, 𝑦 𝑁2 𝑂4 la temperatura aumenta un poco y llega a los 75ºC M: En esta tuberia aun la reaccion sigue ocurriendo solo que en menor proporcion debido a que las concentraciones de los reactivos en esta etapa son bajas. La temperatura permanece igual 75ºC y tambien la presion N: Este equipo es un compresor y su funcion es la de aumentar la presion, para que la utima etapa del proceso (absorcion) se pueda realizar. Los componetes que se encuentran en esta corriente son: 𝑂2 , 𝑁𝑂, 𝑁2 , 𝐻2 𝑂, 𝑦 𝑁2 𝑂4 G, H, I: Esta serie de intercambiadores de calor tambien funciona como reactor en donde la reaccion ocurre, el rango de temperatura va desde 200ºC en la entrada hasta 59ºC

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O: La funcion de este equipo es la de separacion de ciertas composiciones P: Su funcion es separar el acido nitrico de otros productos que puedan contaminarla, para de esta forma hacerla mas pura. Esta es la ultima etapa antes de obtener el producto final Q: Este equipo es una columna de absorcion con reaccion quimica. Su funcion recae en la obtencion de un prducto final puro, con la minima cantidad de contamienantes. Cabe recalcar que los datos de las entalpias de fiormacion y las capacidades calorificas fueron obtenidas del libro Introduccion a la ingenieria quimica del autor Smith and Van Ness. Cálculos de los balances de materia y energía para los equipos Balance en Compresor Z 𝐻1 𝑚̇1 + 𝑤𝑐𝑜𝑚𝑝𝑜𝑛𝑒𝑛𝑡𝑒 = 𝐻2 𝑚̇2 Como: 𝑚̇1 = 𝑚̇2 Se tiene: 𝑤𝑐𝑜𝑚𝑝𝑜𝑛𝑒𝑛𝑡𝑒 = (𝐻2 − 𝐻1 ) ∗ 𝑚̇𝑟𝑒𝑓 Flujo de entrada de kmol a kg 1000 kmol 𝑁𝐻3 =17000 kg 𝑁𝐻3 Buscando entalpias en tablas e interpolando valores obtenemos: (1458.79 − 1398.98)𝑘𝑗 𝑤𝑐𝑜𝑚𝑝𝑜𝑛𝑒𝑛𝑡𝑒 = ∗ 17000 𝑘𝑔 𝑘𝑔 Al realizar operaciones se obtiene: 𝑘𝑗

59.81 𝑘𝑔 ∗ 17000 𝑘𝑔 = 1016770 𝑘𝑗 BALANCE EN EL REACTOR A

Reacción: 4𝑁𝐻3 + 5𝑂2 → 4𝑁𝑂 + 6𝐻2 𝑂 𝑁𝐻3 = 1000 𝐾𝑚𝑜𝑙/ℎ Masa molecular: 𝑁𝐻3 = 17.01 𝐾𝑔/𝐾𝑚𝑜𝑙

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𝑂2 = 6000 𝐾𝑚𝑜𝑙/ℎ 𝑁𝑂 = 30 𝐾𝑔/𝐾𝑚𝑜𝑙

𝑂2 = 32 𝐾𝑔/𝐾𝑚𝑜𝑙

𝐻2 𝑂 = 18 𝐾𝑔/𝐾𝑚𝑜𝑙

Si son 100% puros en términos de moles: 𝑚𝑜𝑙𝑁𝐻3 = 1000 𝐾𝑚𝑜𝑙/ℎ 𝑚𝑜𝑙𝑂2 = 6000 𝐾𝑚𝑜𝑙/ℎ Reactivo limitante y en exceso:

5𝑂2 6000 ∗ = 1.8817 4𝑁𝐻3 1000 Reactivo limitante = 𝑁𝐻3

Reactivo en exceso = 𝑂2

Simplificar proceso: 4𝐴 + 5𝐵 → 4𝐶 + 6𝐷 Balance por componente en función del grado de avance:

𝑛𝑖 = 𝑛𝑖0 + 𝛾𝑖 𝜀 𝑛𝐴,3 = 𝑛𝐴,2 − 4 𝜀 𝑛𝐵,3 = 𝑛𝐵,2 − 5 𝜀 𝑛𝐶,3 = 𝑛𝐶,1 + 4𝜀 𝑛𝐷,3 = 𝑛𝐷,1 + 6 𝜀 Conversión:

𝑋=

𝑛𝐴,2 −𝑛𝐴,3 𝑛𝑎,2

0.96 =

1000 𝐾𝑚𝑜𝑙−𝑛𝐴,3 1000 𝐾𝑚𝑜𝑙

𝑛𝐴,3 = 40 𝐾𝑚𝑜𝑙

𝑛𝐴,3 = 1000 𝐾𝑚𝑜𝑙 − 4 𝜀 𝑛𝐵,3 = 6000 𝐾𝑚𝑜𝑙 − 5 𝜀 𝑛𝐶,3 = 0 + 4𝜀 𝑛𝐷,3 = 0 + 6 𝜀 Para obtener ε: 40 𝐾𝑚𝑜𝑙 = 1000 𝐾𝑚𝑜𝑙 − 4𝜀 𝜀 = 240 𝐾𝑚𝑜𝑙/ℎ 𝑁𝐻3 = 40 𝐾𝑚𝑜𝑙 = 680.4 𝐾𝑔/ℎ 𝑂2 = 4800 𝐾𝑚𝑜𝑙 = 153 600 𝐾𝑔/ℎ 𝑁𝑂 = 960 𝐾𝑚𝑜𝑙 = 28 800 𝐾𝑔/ℎ 𝐻2 𝑂 = 1440 𝐾𝑚𝑜𝑙 = 25 920 𝐾𝑔/ℎ 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 7 240 𝐾𝑚𝑜𝑙 = 209 000 𝐾𝑔/ℎ En fracción peso: 𝑁𝐻3 = 3.2555𝑥10−3

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𝑂2 = 0.7349 𝑁𝑂 = 0.1377 𝐻2 𝑂 = 0.1239 -----------------𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 0.9992 Balance de Energía -- Estados de referencia 𝑁𝐻3 = 𝑔, 25 °𝐶, 1 𝑎𝑡𝑚 𝑂2 = 𝑔, 25 °𝐶, 1 𝑎𝑡𝑚 𝑁𝑂 = 𝑔, 25 °𝐶, 1 𝑎𝑡𝑚 𝑇

𝐻2 𝑂 = 𝑔, 25 °𝐶, 1 𝑎𝑡𝑚 -

𝐻𝑒𝑠𝑝 = (𝐻𝐴 )1𝑅𝐸𝐹 + ∫𝑇𝑟𝑒𝑓 𝑑𝑇

Para 𝑁𝐻3 𝛥𝐻𝑓𝑜𝑟𝑚 = −46.110 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙 𝑇𝑒𝑛𝑡

∫ 𝑇𝑟𝑒𝑓

1

𝑇𝑒𝑛𝑡 𝐶𝑝 𝑑𝑇 =∫ 1 (𝑎 + 𝑏𝑇 + 𝐶𝑇 2 + 𝐷𝑇 −2 ) 𝑑𝑇 𝑅 𝑇𝑟𝑒𝑓

2 3 3 2 𝑏(𝑇𝑒𝑛𝑡 − 𝑇𝑟𝑒𝑓 ) 𝑐(𝑇𝑒𝑛𝑡 − 𝑇𝑟𝑒𝑓 ) + 2 3 𝑎 = 3.578 𝑏 = 3.020𝑥10 −3 𝐶=0 R=8.314472 J/mol K 𝑇𝑒𝑛𝑡 = 25 °𝐶 = 298.15 𝐾 𝑇𝑠𝑎𝑙 = 890 °𝐶 = 1 163.15 𝐾 298.15 𝐶𝑝 𝑑𝑇 3.020𝑥10−3 (298.152 − 1163.152 ) ∫ 1 = 3.578(298.15 − 1163.15) + 𝑅 2 1163.15 𝛥𝐻 = (−3094.97 − 1908.3257)𝐾 𝑅 𝛥𝐻 = (−5003.2957 𝐾)(8.314472 𝐽/𝑚𝑜𝑙 𝐾) 𝛥𝐻 = −41 599.7623 𝐽/𝑚𝑜𝑙

= 𝑎(𝑇𝑒𝑛𝑡 − 𝑇𝑟𝑒𝑓 ) +

Para 𝛥𝐻 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑐í𝑓𝑖𝑐𝑜: 𝛥𝐻890°𝐶 = (−46.11 − 41.599) 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙 𝛥𝐻890°𝐶 = −87.709 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙 Para el Oxígeno: 𝛥𝐻𝑓 = 0 A la temperatura de 890 °C: 𝐴 = 3.639 𝐵 = 0.506𝑥10 −3 Se sigue el mismo procedimiento que para 𝑁𝐻3 para obtener el Cp.

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𝛥𝐻

= (−3147.735 − 639.5963)𝐾 𝑅 𝛥𝐻 = (−3787.331 𝐾)(8.314472 𝐽/𝑚𝑜𝑙 𝐾) 𝛥𝐻 = −31.484 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙 - Para 𝑁𝑂 𝛥𝐻𝑓𝑜𝑟𝑚 = −90.25 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙 A la temperatura de 890 °C 𝐴 = 3.387 𝐵 = 0.609𝑥10 −3 2 2 𝑏(𝑇𝑒𝑛𝑡 − 𝑇𝑟𝑒𝑓 ) 𝐶𝑝 𝑑𝑇 ∫ 1 = 𝑎(𝑇𝑒𝑛𝑡 − 𝑇𝑟𝑒𝑓 ) + 𝑅 2 𝑇𝑟𝑒𝑓 𝛥𝐻 = (−2929.555 − 397.535)𝐾 𝑅 𝛥𝐻 = (−3327.09 𝐾)(8.314472 𝐽/𝑚𝑜𝑙 𝐾) 𝛥𝐻 = −27.66276 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙 𝑇𝑒𝑛𝑡

𝛥𝐻890°𝐶 = (90.25 − 27.66276) 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙 𝛥𝐻890°𝐶 = 62.587 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙

- Para 𝐻2𝑂 𝛥𝐻𝑓𝑜𝑟𝑚 = −241.818 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙 A la temperatura de 890 °C 𝐴 = 3.470 𝐵 = 1.450𝑥10 −3 2 2 𝑏(𝑇𝑒𝑛𝑡 − 𝑇𝑟𝑒𝑓 ) 𝐶𝑝 𝑑𝑇 ∫ 1 = 𝑎(𝑇𝑒𝑛𝑡 − 𝑇𝑟𝑒𝑓 ) + 𝑅 2 𝑇𝑟𝑒𝑓 𝛥𝐻 = (−3002.0705 − 916.2296)𝐾 𝑅 𝛥𝐻 = (−3918.3 𝐾)(8.314472 𝐽/𝑚𝑜𝑙 𝐾) 𝛥𝐻 = −32.578 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙 𝑇𝑒𝑛𝑡

𝛥𝐻890°𝐶 = (−241.818 − 32.578) 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙 𝛥𝐻890°𝐶 = −274.396 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙

BALANCE DE ENERGÍA

𝛥𝐻(𝑄𝑇 ) = ∑ 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎

𝑄

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𝑛𝑖 𝐻𝑖 − ∑

𝑛𝑖 𝐻𝑖

𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎

= (40 𝐾𝑚𝑜𝑙/ℎ)(−87.709 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙) + (4800 𝐾𝑚𝑜𝑙/ℎ)(−31.489 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙) +(960 𝐾𝑚𝑜𝑙/ℎ)(−62.58 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙) + (1440 𝐾𝑚𝑜𝑙/ℎ)(−274.396 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙) − (1000 𝐾𝑚𝑜𝑙/ℎ)(−6917.56 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙) 𝑇

−(6000 𝐾𝑚𝑜𝑙/ℎ)(−5.578 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙) 𝑄𝑇 = −602 911 572 𝐾𝐽/ℎ -

Para 𝑁𝐻3 a 200 °C 2 2 𝑏(𝑇𝑒𝑛𝑡 − 𝑇𝑟𝑒𝑓 ) 𝐶𝑝 𝑑𝑇 ∫ 1 = 𝑎(𝑇𝑒𝑛𝑡 − 𝑇𝑟𝑒𝑓 ) + 𝑅 2 𝑇𝑟𝑒𝑓 𝛥𝐻 = −831.99 𝐾 𝑅 𝛥𝐻 = (−831.99 𝐾)(8.314472 𝐽/𝑚𝑜𝑙 𝐾) 𝛥𝐻 = −6 917.56 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙 𝑇𝑒𝑛𝑡

𝛥𝐻𝑒𝑠𝑝 = −6 917.56 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙

-

Para 𝑂2a 200 °C 𝛥𝐻

= −670.9743 𝐾 𝑅 𝛥𝐻 = (−670.9743 𝐾)(8.314472 𝐽/𝑚𝑜𝑙 𝐾) 𝛥𝐻 = −5578.792 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙 𝛥𝐻𝑒𝑠𝑝 = −5.5787 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙

BALANCE EN INTERCAMBIADORES B Y C

Obtener el Cp de la solución a la temperatura promedio: (890 + 462)°𝐶 𝑇𝑝𝑟𝑜𝑚 = = 676 °𝐶 2

𝐶𝑝𝐵,𝐶 = 𝐶𝑝𝑁𝐻3 (𝑤𝑁𝐻3 ) + 𝐶𝑝𝑁𝑂 (𝑤𝑁𝑂 ) + 𝐶𝑝𝑂2 (𝑤𝑂2 ) + 𝐶𝑝𝐻2𝑂 (𝑤𝐻2𝑂 )

pág. 16

𝐶𝑝𝐵,𝐶 = (1 𝐾𝑐𝑎𝑙/𝑘𝑔°𝐶)(0.015656) + (0.28 𝑘𝑐𝑎𝑙/𝑘𝑔°𝐶)(0.432588) + (0.27 𝑘𝑐𝑎𝑙/𝑘𝑔°𝐶)(0.1621) +(0.999 𝑘𝑐𝑎𝑙/𝑘𝑔°𝐶)(0.38932) 𝐶 𝑝𝐵,𝐶 = 0.569512 𝐾𝑐𝑎𝑙/𝐾𝑔 °𝐶 𝑄 = 𝑚𝐶𝑝𝛥𝑇 = (999.7 𝑘𝑔/ℎ)(0.569512 𝑘𝑐𝑎𝑙/𝑘𝑔°𝐶)(890 °𝐶 − 462 °𝐶) 𝑄𝑆𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖ó𝑛 = 243 690.198 𝐾𝑐𝑎𝑙/ℎ Para obtener la cantidad de agua de enfriamiento: Como se encuentran en el mismo sistema:

𝑄𝑆𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖ó𝑛 = 𝑄𝐴𝑔𝑢𝑎 𝑒𝑛𝑓 = 243 690.198 𝐾𝑐𝑎𝑙/ℎ 𝑚𝐴𝑔𝑢𝑎 =

𝑄

243 690.198 𝐾𝑐𝑎𝑙/ℎ 𝐶𝑝𝐴𝑔𝑢𝑎 𝛥𝑇 (1 𝐾𝑐𝑎𝑙/𝑘𝑔°𝐶)(462 °𝐶 − 890°𝐶) 𝑚𝐴𝑔𝑢𝑎 = 569.369 𝐾𝑔/ℎ =

BALANCE EN REACTOR DE TUBERÍA J

Balance por componentes

Conversión:

pág. 17

Obteniendo el valor de ɛ:

Sustituyendo el valor de ɛ:

BALANCE EN EL INTERCAMBIADOR D

𝑁𝑂 = 38.4 𝐾𝑚𝑜𝑙 = 1152 𝐾𝑔/ℎ = 5.51𝑥10−3 𝑤/𝑤 𝑂2 = 4339 𝐾𝑚𝑜𝑙 = 138 848 𝐾𝑔/ℎ = 0.664 𝑤/𝑤 𝑁𝑂2 = 921.6 𝐾𝑚𝑜𝑙 = 42 393 𝐾𝑔/ℎ = 0.202 𝑤/𝑤 𝑁𝐻3 = 40 𝐾𝑚𝑜𝑙 = 680 𝐾𝑔/ℎ = 3.25𝑥10−3 𝑤/𝑤 𝐻2 𝑂 = 1440 𝐾𝑚𝑜𝑙 = 25 920 𝐾𝑔/ℎ = 0.1240 𝑤/𝑤 Balance de Energía: 𝐹8 𝐶𝑝 𝛥𝑇 = 𝐹7 𝐶𝑝 𝛥𝑇

BALANCE EN REACTOR DE TUBERÍA K

pág. 18

Composición de entrada 𝑁𝑂 = 38.4 𝐾𝑚𝑜𝑙 𝑂2 = 4339 𝐾𝑚𝑜𝑙 𝑁𝑂2 = 921.6 𝐾𝑚𝑜𝑙 𝑁𝐻3 = 40 𝐾𝑚𝑜𝑙 𝐻2 𝑂 = 1440 𝐾𝑚𝑜𝑙 Reacción 90% 2𝑁𝑂2 → 𝑁2 𝑂4

2𝐴 → 𝐵

𝑛𝐴,3 = 𝑛𝐴,2 − 2𝜀 𝑛𝐵,3 = 𝑛𝐵,2 + 𝜀 Conversión:

𝑋=

𝑛𝐴,2 −𝑛𝐴,3 𝑛𝐴,2

0.9 =

921.6 𝐾𝑚𝑜𝑙−𝑛𝐴,3 921.6 𝐾𝑚𝑜𝑙

𝑛𝐴,3 = 92.16 𝐾𝑚𝑜𝑙

Para obtener ε: 92.16 𝐾𝑚𝑜𝑙 = 921.6 𝐾𝑚𝑜𝑙 − 2𝜀 𝜀 = 414.72 𝐾𝑚𝑜𝑙 𝑁𝑂 = 38.4 𝐾𝑚𝑜𝑙 = 6.0336𝑥10−3 𝑚𝑜𝑙/𝑚𝑜𝑙 𝑂2 = 4339 𝐾𝑚𝑜𝑙 = 0.681 𝑚𝑜𝑙/𝑚𝑜𝑙 𝑁𝑂2 = 92.16 𝐾𝑚𝑜𝑙 = 0.0144 𝑚𝑜𝑙/𝑚𝑜𝑙 𝑁𝐻3 = 40 𝐾𝑚𝑜𝑙 = 6.28𝑥10−3 𝑚𝑜𝑙/𝑚𝑜𝑙 𝐻2 𝑂 = 1440 𝐾𝑚𝑜𝑙 = 0.22626 𝑚𝑜𝑙/𝑚𝑜𝑙 𝑁2 𝑂4 = 414.72 𝐾𝑚𝑜𝑙 = 0.06516 𝑚𝑜𝑙/𝑚𝑜𝑙 Balance de energía en el reactor:

𝑄𝑇 = ∑ 1 𝑛𝑖 𝐻𝑖 − 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎

∑

𝑛𝑖 𝐻𝑖

𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎

𝛥𝐻º𝑓,𝑁𝑂 = 90.25 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙 𝛥𝐻°𝑂2 = 0 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙 𝛥𝐻°𝑁𝑂2 = 33.18 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙 𝛥𝐻°𝑁𝐻3 = −46.11 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙 𝛥𝐻°𝐻2𝑂 = −241.82 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙 pág. 19

𝛥𝐻°𝑁2𝑂4 = 9.16 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙

Temperaturas: 𝑇1 = 25°𝐶 = 298.15 𝐾 𝑇2 = 159°𝐶 = 432.15 𝐾 𝑇´1 = 25°𝐶 = 298.15 𝐾 𝑇´2 = 290°𝐶 = 563.15 𝐾 Entalpía de NO a la entrada y salida: 𝛥𝐻 = 𝐶𝑝𝑑𝑇 𝛥𝐻𝐸𝑛𝑡 = 𝛥𝐻°𝑁𝑂 + 𝐶𝑝𝑁𝑂 (𝑇1 − 𝑇2) 𝛥𝐻𝐸𝑛𝑡 = 90.25 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙 + 29.84 𝐽/𝑚𝑜𝑙 𝐾 (298.15𝐾 − 432.15𝐾) 𝛥𝐻𝐸𝑛𝑡 = 86.252 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙 𝛥𝐻𝑆𝑎𝑙 = 90.25 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙 + 29.84 𝐽/𝑚𝑜𝑙 𝐾 (298.15𝐾 − 563.15𝐾) 𝛥𝐻𝑆𝑎𝑙 = 82.343 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙

Entalpía de 𝑂2a la entrada y salida: 𝛥𝐻𝐸𝑛𝑡 = 29.35 𝐽/𝑚𝑜𝑙 (298.15𝐾 − 432.15𝐾) 𝛥𝐻𝐸𝑛𝑡 = −3.932 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙 𝛥𝐻𝑆𝑎𝑙 = 29.35 𝐽/𝑚𝑜𝑙 𝐾 (298.15𝐾 − 563.15𝐾) 𝛥𝐻𝑆𝑎𝑙 = −7.777 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙

Entalpía de 𝑁𝑂2 a la entrada y salida: 𝛥𝐻𝐸𝑛𝑡 = 33.18 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙 + 32.2 𝐽/𝑚𝑜𝑙 𝐾 (298.15𝐾 − 432.15𝐾) 𝛥𝐻𝐸𝑛𝑡 = 28.196 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙 𝛥𝐻𝑆𝑎𝑙 = 33.18 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙 𝐾 + 32.2 𝐽/𝑚𝑜𝑙 𝐾 (298.15𝐾 − 563.15𝐾) 𝛥𝐻𝑆𝑎𝑙 = 23.322 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙

Entalpía de 𝑁𝐻3 a la entrada y salida: 𝛥𝐻𝐸𝑛𝑡 = −46.11 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙 + 35.06 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙 𝐾 (298.15𝐾 − 432.15𝐾) 𝛥𝐻𝐸𝑛𝑡 = −50.808 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙 𝛥𝐻𝑆𝑎𝑙 = −46.11 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙 𝐾 + 35.06 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙 𝐾 (298.15𝐾 − 563.15𝐾) 𝛥𝐻𝑆𝑎𝑙 = −55.665 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙

Entalpía de 𝐻2 𝑂a la entrada y salida: 𝛥𝐻𝐸𝑛𝑡 = −241.82 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙 + 33.58 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙 𝐾 (298.15𝐾 − 432.15𝐾) 𝛥𝐻𝐸𝑛𝑡 = −246.319 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙 𝛥𝐻𝑆𝑎𝑙 = −241.82 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙 𝐾 + 33.58 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙 𝐾 (298.15𝐾 − 563.15𝐾) 𝛥𝐻𝑆𝑎𝑙 = −250.718 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙

pág. 20

Entalpía de 𝑁2 𝑂4a la entrada y salida: 𝛥𝐻𝑆𝑎𝑙 = 9.16 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙 𝐾 + 77.28 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙 𝐾 (298.15𝐾 − 563.15𝐾) 𝛥𝐻𝑆𝑎𝑙 = −11.319 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙 Balance de Energía:

𝑄𝑇 = ∑

𝑛𝑖 𝐻𝑖 −

𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎

∑

𝑛𝑖 𝐻𝑖

𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎

𝑄𝑇 = (38 400 𝑚𝑜𝑙/ℎ)(82.343 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙) + (4 339 000 𝑚𝑜𝑙/ℎ)(−7.777 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙) + (92160 𝑚𝑜𝑙/ℎ)(23.322𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙) +(40 000 𝑚𝑜𝑙/ℎ)(−55.665 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙) + (1 440 000 𝑚𝑜𝑙/ℎ)(−250.718 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙) + (414 700 𝑚𝑜𝑙/ℎ)(−11.319 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙) −(38 400 𝑚𝑜𝑙/ℎ)(86.252 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙) − (4 339 000 𝑚𝑜𝑙/ℎ)(−3.932 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙) − (921600 𝑚𝑜𝑙/ℎ)(28.196 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙) −(40 000 𝑚𝑜𝑙/ℎ)(−50.808 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙) − (1 440 000 𝑚𝑜𝑙/ℎ)(−246.319 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙)

𝑄𝑇 = −51 892 468 𝐾𝐽/ℎ --------- Calor que se debe retirar BALANCE EN EL INTERCAMBIADOR E

Para la mezcla de reacción: A la Entrada: 𝛥𝐻𝑁𝑂 = 82.343 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙 𝛥𝐻𝑂2 = −7.777 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙 𝛥𝐻𝑁𝑂2 = 23.322 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙 𝛥𝐻𝑁𝐻3 = −55.665 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙 𝛥𝐻𝐻2𝑂 = −250.718 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙 𝛥𝐻𝑁2𝑂4 = −11.319 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙

pág. 21

A la salida: 𝛥𝐻𝑁𝑂 = 90.28 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙 + 29.84𝐽/𝑚𝑜𝑙 𝐾 (298.15𝐾 − 433.15𝐾) 𝛥𝐻𝑁𝑂 = 86.2516 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙 𝛥𝐻𝑂2 = 29.35𝐽/𝑚𝑜𝑙 𝐾 (298.15𝐾 − 433.15𝐾) 𝛥𝐻𝑂2 = −3.962 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙 𝛥𝐻𝑁𝑂2 = 33.18 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙 + 32.8𝐽/𝑚𝑜𝑙 𝐾 (298.15𝐾 − 433.15𝐾) 𝛥𝐻𝑁𝑂2 = 28.752 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙 𝛥𝐻𝑁𝐻3 = −46.11 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙 + 35.06 𝐽/𝑚𝑜𝑙 𝐾 (298.15𝐾 − 433.15𝐾) 𝛥𝐻𝑁𝐻3 = −50.843 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙 𝛥𝐻𝐻2𝑂 = −241.82 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙 + 33.58 𝐽/𝑚𝑜𝑙 𝐾 (298.15𝐾 − 433.15𝐾) 𝛥𝐻𝐻2𝑂 = −246.353 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙 𝛥𝐻𝑁2𝑂4 = 9.16 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙 + 77.28𝐽/𝑚𝑜𝑙 𝐾 (298.15𝐾 − 433.15𝐾) 𝛥𝐻𝑁2𝑂4 = −1.273 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙

Balance de Energía: 𝑄𝑇 = ∑ 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎

𝑛𝑖 𝐻𝑖 −

∑

𝑛𝑖 𝐻𝑖

𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎

𝑄𝑇 = (38 400 𝑚𝑜𝑙/ℎ)(86.2516 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙) + (4 339 000 𝑚𝑜𝑙/ℎ)( −3.962 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙) + (92160 𝑚𝑜𝑙/ℎ)(28.752 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙) +(40 000 𝑚𝑜𝑙/ℎ)( −50.843 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙) + (1 440 000 𝑚𝑜𝑙/ℎ)(−246.353 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙) + (414 700 𝑚𝑜𝑙/ℎ)(−1.273 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙)

−(38 400 𝑚𝑜𝑙/ℎ)(82.343 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙) − (4 339 000 𝑚𝑜𝑙/ℎ)(−7.777 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙) − (92160 𝑚𝑜𝑙/ℎ)(23.322𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙) −(40 000 𝑚𝑜𝑙/ℎ)(−55.665 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙) − (1 440 000 𝑚𝑜𝑙/ℎ)(−250.718 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙) − (414 700 𝑚𝑜𝑙/ℎ)(−11.319 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙) 𝑄𝑇 = 27 848 360.3 𝐾𝐽/ℎ

BALANCE EN EL REACTOR L

pág. 22

𝑂2 + 2𝑁𝑂 → 2𝑁𝑂2

𝐴 + 2𝐵 → 2𝐶

Corrientes 𝑁𝑂 = 38.4 𝐾𝑚𝑜𝑙/ℎ 𝑂2 = 4339 𝐾𝑚𝑜𝑙/ℎ 𝑁𝑂2 = 92.16 𝐾𝑚𝑜𝑙/ℎ 𝑁𝐻3 = 40 𝐾𝑚𝑜𝑙/ℎ 𝐻2 𝑂 = 1440 𝐾𝑚𝑜𝑙/ℎ 𝑁2 𝑂4 = 414.72 𝐾𝑚𝑜𝑙/ℎ Para la reacción se convierte todo el NO 𝑛𝐴,3 = 𝑛𝐴,2 − 𝜀 𝑛𝐵,3 = 𝑛𝐵,2 − 2𝜀 𝑛𝐶,3 = 𝑛𝐶,2 + 2𝜀 Conversión al 100% Reactivo limitante: NO

1 = 38.4 𝐾𝑚𝑜𝑙/ℎ − 2𝜀

𝜀 = 19.2 𝐾𝑚𝑜𝑙/ℎ

𝑛𝐴,3 = 4329.8 𝐾𝑚𝑜𝑙/ℎ 𝑛𝐵,3 = 53.76 𝐾𝑚𝑜𝑙/ℎ 𝑛𝐶,3 = 110.56 𝐾𝑚𝑜𝑙/ℎ Flujos a la salida: 𝑂2 = 4329.8 𝐾𝑚𝑜𝑙/ℎ = 0.6834 𝑚𝑜𝑙/𝑚𝑜𝑙 𝑁𝑂2 = 110.56 𝐾𝑚𝑜𝑙/ℎ = 0.01745 𝑚𝑜𝑙/𝑚𝑜𝑙 𝑁𝐻3 = 40 𝐾𝑚𝑜𝑙/ℎ = 6.31𝑥10−3 𝑚𝑜𝑙/𝑚𝑜𝑙 𝐻2 𝑂 = 1440 𝐾𝑚𝑜𝑙/ℎ = 0.2273 𝑚𝑜𝑙/𝑚𝑜𝑙 𝑁2 𝑂4 = 414.72 𝐾𝑚𝑜𝑙/ℎ = 0.06546 𝑚𝑜𝑙/𝑚𝑜𝑙 Balance de Energía (Misma temperatura) Como se queda a la misma temperatura se puede afirmar que 𝑄 = 0 BALANCE EN EL REACTOR F

pág. 23

Flujos a la entrada: 𝑂2 = 4329.8 𝐾𝑚𝑜𝑙/ℎ 𝑁𝑂2 = 110.56 𝐾𝑚𝑜𝑙/ℎ 𝑁𝐻3 = 40 𝐾𝑚𝑜𝑙/ℎ 𝐻2 𝑂 = 1440 𝐾𝑚𝑜𝑙/ℎ 𝑁2 𝑂4 = 414.72 𝐾𝑚𝑜𝑙/ℎ Reacción: 2𝑁𝑂2 → 𝑁2 𝑂4

2𝐴 → 𝐵

𝑛𝐴,3 = 𝑛𝐴,2 − 2𝜀 𝑛𝐵,3 = 𝑛𝐵,2 + 𝜀 Conversión al 100% Reactivo limitante: NO2

0 = 110.56 𝐾𝑚𝑜𝑙/ℎ − 2𝜀

𝜀 = 55.28 𝐾𝑚𝑜𝑙/ℎ

Para 𝑁2 𝑂4 𝑛𝐴,3 = 0 𝐾𝑚𝑜𝑙/ℎ 𝑛𝐵,3 = 470 𝐾𝑚𝑜𝑙/ℎ Flujos a la salida del reactor: 𝑂2 = 4319.8 𝐾𝑚𝑜𝑙/ℎ 𝑁𝐻3 = 40 𝐾𝑚𝑜𝑙/ℎ 𝐻2 𝑂 = 1440 𝐾𝑚𝑜𝑙/ℎ 𝑁2 𝑂4 = 420 𝐾𝑚𝑜𝑙/ℎ Total = 6 269.8 Kmol/h

BALANCE EN EL SEPARADOR FLASH (EQUIPO Ñ)

pág. 24

Balance de materia 𝐹16 = 𝐹33 + 𝐹17 𝐹16 = 6269.8 𝐾𝑚𝑜𝑙/ℎ Balance de oxígeno: 𝑥𝑂2,16 𝐹16 = 𝑥𝑂2,33 𝐹33 + 𝑥𝑂2,17 𝐹17 Composición del oxígeno: 𝐸𝑛 16 = 0.688 𝐸𝑛 33 = 0.71 𝐸𝑛 17 = 0.3917 (0.688)(6269.8 𝐾𝑚𝑜𝑙/ℎ) = (0.71)𝐹33 + (0.3917)(𝐹16 − 𝐹33 ) 4319.8 𝐾𝑚𝑜𝑙/ℎ = (0.71)𝐹33 − 0.3917𝐹33 + 2455.88 1863.92 𝐾𝑚𝑜𝑙/ℎ = 0.3183 𝐹33 𝐹33 = 5855 𝐾𝑚𝑜𝑙/ℎ 𝐹17 = 𝐹16 − 𝐹33 = (6269.8 − 5855)𝐾𝑚𝑜𝑙/ℎ 𝐹17 = 414.8 𝐾𝑚𝑜𝑙/ℎ

BALANCE EN LA TUBERÍA DE MEZCLADO

Balance de materia 𝐹33 + 𝐹25 = 𝐹32 Balance de oxígeno: 𝑥𝑂2,33 𝐹33 + 𝑥𝑂2,25 𝐹25 = 𝑥𝑂2,32 𝐹32 pág. 25

Composición del oxígeno: 𝐸𝑛 33 = 0.71 𝐸𝑛 25 = 0.858 𝐸𝑛 32 = 0.7396 (0.71)(5855 𝐾𝑚𝑜𝑙/ℎ) + (0.858)𝐹25 = (0.7396)𝐹32 4157.05 𝐾𝑚𝑜𝑙/ℎ + 0.858𝐹25 = (0.7396)(𝐹33 + 𝐹25 ) 4157.05 𝐾𝑚𝑜𝑙/ℎ + 0.858𝐹25 = 4330.35 + 0.7396 𝐹25 0.1184 𝐹25 = 173.3 𝐹25 = 1463.6824 𝐾𝑚𝑜𝑙/ℎ 𝐹32 = 𝐹25 + 𝐹33 = (1463.68 − 5855)𝐾𝑚𝑜𝑙/ℎ 𝐹32 = 7318.68 𝐾𝑚𝑜𝑙/ℎ Balance de energía 𝑚̇𝐶𝑝 𝑑𝑇 + 𝑛̇ 𝐶𝑝 𝑑𝑇 = 𝑓̇ 𝐶𝑝 𝑑𝑇 𝐶𝑝𝑂2 = 29.35 𝐽/𝑚𝑜𝑙 𝐾 𝐶𝑝𝐻2𝑂 = 33.58 𝐽/𝑚𝑜𝑙 𝐾 𝐶𝑝𝑁2𝑂4 = 77.28 𝐽/𝑚𝑜𝑙 𝐾 𝛥𝐻°𝑂2 = 0 𝛥𝐻°𝐻2𝑂 = −241.82 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙 𝛥𝐻°𝑁2𝑂4 = 9.16 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙

Para el flujo 𝐹32 → 𝑓 𝛥𝐻𝑂2 = 1467.15 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙 𝛥𝐻𝐻2𝑂 = −243.49 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙 𝛥𝐻𝑁2𝑂4 = 5.296 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙

Para el flujo 𝐹33 → 𝑚 𝛥𝐻𝑂2 = −0.704 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙 𝛥𝐻𝐻2𝑂 = −242.625 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙 𝛥𝐻𝑁2𝑂4 = 7.306 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙

Por lo tanto el balance de energía tenemos que: Para las corrientes: 𝑚𝑂2 = 4157.05 𝐾𝑚𝑜𝑙/ℎ 𝑚𝐻2𝑂 = 1009.98 𝐾𝑚𝑜𝑙/ℎ 𝑚𝑁2𝑂4 = 687.96 𝐾𝑚𝑜𝑙/ℎ

pág. 26

𝑛𝑂2 = 1255.83 𝐾𝑚𝑜𝑙/ℎ 𝑛𝐻2𝑂 = 32.2 𝐾𝑚𝑜𝑙/ℎ 𝑛𝑁2𝑂4 = 175.05 𝐾𝑚𝑜𝑙/ℎ 𝑓𝑂2 = 5412.8957 𝐾𝑚𝑜𝑙/ℎ 𝑓𝐻2𝑂 = 786.758 𝐾𝑚𝑜𝑙/ℎ 𝑓𝑁2𝑂4 = 1117.562 𝐾𝑚𝑜𝑙/ℎ Retomando nuestro balance de energía: −2926528 𝐾𝐽/ℎ − 245046397.5 − 5026235.76 + 1.0989𝑥10 10 − 36858610.5 𝑇 − 7786604 +322382439.4 − 108127.6 𝑇 + 1603458 + 4033332652 − 1352786.4 𝑇 = 7941692.313 − 191567705.4 + 5918608.352 1.52677𝑥1010 𝐾𝐽/ℎ = 38319524 𝑇 𝐾𝐽/ℎ 𝐾 𝑇 = 398.4313 𝐾 = 105.281 °𝐶 BALANCE EN EL COMPRESOR (EQUIPO N)

Balance en Compresor N Componente 1 𝐻2 0 𝐻1 𝑚̇1 + 𝑤𝑐𝑜𝑚𝑝𝑜𝑛𝑒𝑛𝑡𝑒 = 𝐻2 𝑚̇2 Como: 𝑚̇1 = 𝑚̇2 = 786.75 Se tiene: 𝑤𝑐𝑜𝑚𝑝𝑜𝑛𝑒𝑛𝑡𝑒

𝑘𝑚𝑜𝑙 ℎ

= (𝐻2 − 𝐻1 ) ∗ 𝑚̇𝑟𝑒𝑓 𝑘𝑚𝑜𝑙 786.75 = 786750 𝑚𝑜𝑙/ℎ ℎ 𝑤𝑐𝑜𝑚𝑝𝑜𝑛𝑒𝑛𝑡𝑒 = −241.6 𝑘𝑗/𝑚𝑜𝑙(786750 −190078800

𝑚𝑜𝑙 )= ℎ

𝑘𝑗 ℎ

Componente 2 𝑁2 𝑂4 Como: 𝑚̇1 = 𝑚̇2 = 1117.5624

𝐻1 𝑚̇1 𝑘𝑚𝑜𝑙 ℎ

1117.5624

pág. 27

+ 𝑤𝑐𝑜𝑚𝑝𝑜𝑛𝑒𝑛𝑡𝑒 = 𝐻2 𝑚̇2 𝑘𝑚𝑜𝑙 = 1117562.43 𝑚𝑜𝑙/ℎ ℎ

𝑤𝑐𝑜𝑚𝑝𝑜𝑛𝑒𝑛𝑡𝑒 = 9.66 𝑘𝑗/𝑚𝑜𝑙(1117562.43 10795653.13

𝑚𝑜𝑙 )= ℎ

𝑘𝑗 ℎ

Componente 3 𝑂2 =0 𝑘𝑗 𝑘𝑗 + 10795653.13 = ℎ ℎ 𝑘𝑗 −179283146.9 ℎ

−190078800

Transformando a Kw −49800.87 𝐾𝑤 BALANCE EN LOS INTERCAMBIADORES G y H

Flujo no cambia 7318.68 𝐾𝑚𝑜𝑙/ℎ 𝑂2 = 0.7396 𝐻2 𝑂 = 0.1075 𝑁2 𝑂4 = 0.1527 𝐶𝑝𝑂2 = 29.35 𝐽/𝑚𝑜𝑙 𝐾 𝐶𝑝𝐻2𝑂 = 33.58 𝐽/𝑚𝑜𝑙 𝐾 𝐶𝑝𝑁2𝑂4 = 77.28 𝐽/𝑚𝑜𝑙 𝐾 𝐶𝑝𝑀𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎 = 33.1177 𝐽/𝑚𝑜𝑙 𝐾 𝛥𝐻°𝑂2 = 0 𝛥𝐻𝐻2𝑂 = −241.82 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙 𝛥𝐻𝑁2𝑂4 = 9.16 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙

pág. 28

𝛥𝐻𝑀𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎 = (0.1075)(−241.82 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙) + (0.1527)(9.16 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙) 𝛥𝐻𝑀𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎 = −24.59 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙

Balance de energía: 𝐹22 𝐶𝑝 𝑑𝑇 + 𝐹18 𝐶𝑝 𝑑𝑇 + 𝑄 = 𝐹23 𝐶𝑝 𝑑𝑇 + 𝐹29 𝐶𝑝 𝑑𝑇 𝐹22 (−26.07 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙) + 𝐹18 𝐶𝑝 (25°𝐶 − 25°𝐶) + 𝑄 = 𝐹23 (−24.6957) + 𝐹29 (−4.8962 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙) 𝐹22 = 𝐹23 = 7318.68 𝐾𝑚𝑜𝑙/ℎ (−190797987.6 + 180739925.7) = 𝐹29 (−4.8962 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙) 𝐹29 = 2054.258 𝐾𝑚𝑜𝑙/ℎ Balance de energía en el primer intercambiador para obtener T salida. 𝐹26 𝐶𝑝 𝑑𝑇 + 𝐹29 𝐶𝑝 𝑑𝑇 = 𝐹27 𝐶𝑝 𝑑𝑇 + 𝐹22 𝐶𝑝 𝑑𝑇 𝐹26 (−30.384 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙) + 𝐹29 (−4.8962𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙) = 𝐹 27 (1.883 𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙 ∗ 75.323 𝑇 + 𝐹

22 (−26.07

Despejando T: −154732.93 𝑇 = −45499017.3 𝑇 = 294.042 °𝐶 BALANCE EN EL INTERCAMBIADOR CON REACCIÓN (EQUIPO I)

Composición a la entrada 𝑂2 = 0.7396 𝐻2 𝑂 = 0.1075 𝑁2 𝑂 4 = 0.1527 Reacción: 𝑁2 𝑂4 + 𝐻2 𝑂 → 2𝐻𝑁𝑂3

Flujos de la corriente pág. 29

𝐴 + 𝐵 → 2𝐶

𝐾𝐽/𝑚𝑜𝑙)

𝑂2 = (7318.68 𝐾𝑚𝑜𝑙/ℎ)(0.7396) = 5412.595 𝐾𝑚𝑜𝑙/ℎ 𝐻2 𝑂 = 786.7581 𝐾𝑚𝑜𝑙/ℎ 𝑁2 𝑂4 = 1117.5624 𝐾𝑚𝑜𝑙/ℎ Balance con reacción Reactivo Limitante = H2O 𝑛𝐴,2 = 𝑛𝐴,1 − 𝜀 𝑛𝐵,2 = 𝑛𝐵,1 − 𝜀 𝑛𝐶,2 = 𝑛𝐶,1 + 2𝜀 Conversión al 94%

0.94 =

𝑛𝐵1 −𝑛𝐵2 𝑛𝐵1

𝑛𝐵,2 = 47.2054 𝐾𝑚𝑜𝑙/ℎ

42.2054 𝐾𝑚𝑜𝑙/ℎ = 786.7581 𝐾𝑚𝑜𝑙/ℎ − 𝜀

𝜀 = 734.5527 𝐾𝑚𝑜𝑙/ℎ

𝑛𝐴,2 = 378 𝐾𝑚𝑜𝑙/ℎ 𝑛𝐵,2 = 47.2054 𝐾𝑚𝑜𝑙/ℎ 𝑛𝐶,3 = 1479.1054 𝐾𝑚𝑜𝑙/ℎ Flujos a la salida: 𝑂2 = 5412.895 𝐾𝑚𝑜𝑙/ℎ = 0.7397 𝑚𝑜𝑙/𝑚𝑜𝑙 𝐻2 𝑂 = 47.2054 𝐾𝑚𝑜𝑙/ℎ = 0.0664 𝑚𝑜𝑙/𝑚𝑜𝑙 𝑁2 𝑂4 = 378 𝐾𝑚𝑜𝑙/ℎ = 0.0516 𝑚𝑜𝑙/𝑚𝑜𝑙 𝐻𝑁𝑂3 = 1479.1054 𝐾𝑚𝑜𝑙/ℎ = 0.20214 𝑚𝑜𝑙/𝑚𝑜𝑙 No se puede calcular el calor retirado a la temperatura dada, porque el diferencial de temperatura se hace cero.

BALANCE EN SEPARADOR FLASH (EQUIPO O)

Balance de materia pág. 30

𝐹23 = 𝐹24 + 𝐹21 Balance de Agua: 𝑥𝐻2𝑂 𝐹23 = 𝑥𝐻2𝑂 𝐹21 + 𝑥𝐻2𝑂 𝐹24 (0.0664)𝐹23 = (0.02484)𝐹21 + (0.19902)𝐹24 𝐹24 = 𝐹23 − 𝐹21 485.8624 = −0.17418 𝐹21 + 1456.1239 𝐹21 = 5570.45 𝐾𝑚𝑜𝑙/ℎ 𝐹24 = 𝐹23 − 𝐹21 = (7317.2058 − 5570.45)𝐾𝑚𝑜𝑙/ℎ 𝐹24 = 1746.7558 𝐾𝑚𝑜𝑙/ℎ Balance de materia en columna de blanqueo Balance general 𝐹24 + 𝐹20 + 𝐹34 = 𝐹25 + 𝐹28 - - - - - - - - - - (1) Balance de Agua 𝑋𝐻2 0(24) 𝐹24 + 𝑋𝐻2 0(20) 𝐹20 = 𝑋𝐻2 0(25) 𝐹25 + 𝑋𝐻2 0(28) 𝐹28 -- - - - - - - - - - (2) Balance de 𝐻𝑁𝑂3 𝑋𝐻𝑁𝑂3(24) 𝐹24 = 𝑋𝐻𝑁𝑂3(28) 𝐹28 - - - - - - - - (3) Balance de 𝑂2 𝑋𝑂2 (34) 𝐹34 = 𝑋𝑂2 (25) 𝐹25 - - - - - - - - - - - - (4) Por medio de la ecuación (3) obtener flujo 𝐹28 𝐹28

𝑋𝐻𝑁𝑂3 (24) 𝐹24 (0.080097) (1746.75 = = 𝑋𝐻𝑁𝑂3 (28) 0.6125

𝑘𝑚𝑜𝑙 ) 𝑘𝑚𝑜𝑙 ℎ = 2284.235 ℎ

Con (2) se obtiene 𝐹20 𝐹20 = (𝑋𝐻2 0(25) 𝐹25 ) + (𝑋𝐻2 0(28) 𝐹28 ) − (𝑋𝐻2 0(24) 𝐹24 )/𝑋𝐻2 0(20) =

𝐹20

0.19902 ∗ 1746.75 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑘𝑚𝑜𝑙 = (0.022 ∗ 1463.6824 ) + (0.3878 ∗ 2284.235 )− ℎ ℎ 0.7587 𝑘𝑚𝑜𝑙 = 750.895 ℎ

Con la ayuda de (4) se obtiene 𝐹34 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑋𝑂2 (25) 𝐹25 0.858 ∗ 1463.6824 ℎ 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐹34 = = = 1255.8394 𝑋𝑂2 (34) 1 ℎ Balance en la columna de absorción (equipo Q)

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𝑘𝑚𝑜𝑙 ℎ

Balance general de materia 𝐹21 + 𝐹19 = 𝐹18 + 𝐹20 + 𝐹31 Al remplazar valores se tiene que 𝐾𝑚𝑜𝑙 750.8951𝐾𝑚𝑜𝑙 𝐾𝑚𝑜𝑙 𝐹19 = 2054.258 + − 5570.45 + 𝐹31 ℎ ℎ ℎ 𝐾𝑚𝑜𝑙 𝐹19 = −2765.29 + 𝐹31 ℎ Balance de oxigeno 𝑋𝑂2 𝐹21 = 𝑋𝑂2 𝐹18 + 𝑋𝑂2 𝐹31 Al remplazar valores se tiene que 𝐾𝑚𝑜𝑙 𝐾𝑚𝑜𝑙 (0.9439)(5570.45 = (0.276)(2054.258 ) + 1𝐹31 ℎ ℎ 𝐾𝑚𝑜𝑙 𝐹31 = 4690.97 ℎ Para el flujo 19 𝐾𝑚𝑜𝑙 𝐹19 = −2765.29 + 𝐹31 ℎ 𝐾𝑚𝑜𝑙 𝐹19 = −2765.29 + 4690.97 ℎ 𝐾𝑚𝑜𝑙 𝐹19 = 1925.68 ℎ

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Resultados Gracias a los balances de materia y energía se evaluaron los flujos necesarios para producir una cierta cantidad de ácido nítrico diluido en agua para que este a su vez pase hacia otros procedimientos donde será evaluado, entonces el valor de cada flujo se encuentra representado por la siguiente tabla que con ayuda de los balances de materia se calculó cada flujo. CORRIENTE FLUJO MOLAR (KMOL/H) 0 6000 1 1000 2 7000 3 7240 4 31,6218 5 7240 6 31,6218 7 7240 8 6779 9 10 6779 11 6364,25 12 31,6218 13 6364,25 14 31,6218 15 6335,08 16 6269,8 17 414,8 18 2054,25 19 1925,68 20 750,895 21 5570,45 22 7318,68 23 7317,2 24 1746,75 25 1463,68 26 7318,68 27 2054,25 28 2284,235 29 2054,25 30 7318,68 31 4690,97 32 7318,68 33 5855 34 1255,83

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De igual forma se puede apreciar que los reactores llevan a cabo reacciones exotérmicas, por lo que es importante en estos flujos regular la temperatura del proceso y por ello se utiliza un serpentín en cada reactor para regular la temperatura con un refrigerante, este refrigerante puede ser cualquiera, en la tabla mostrada a continuación se muestra el calor que se debe controlar por reactor, este dato se calculó al realizar un balance de energía en cada reactor. Reactor Calor producido (KJ/h) A -602911572 K -51892468 L Misma T

Conclusión La producción de ácido nítrico resulta de suma importancia para muchos ámbitos de la industria, ya que éste es en muchas ocasiones indispensable para la fabricación de otros productos. Como ya se ha mostrado, el proceso de producción del ácido nítrico no es algo sencillo pues requiere de diversos equipos y reacciones para poder llevarse a cabo de manera eficaz y segura. Algunos de los usos del ácido nítrico que se han considerado más importantes respecto a la investigación que se ha llevado a cabo durante este proyecto se muestran a continuación: El ácido nítrico es precursor de muchos compuestos orgánicos e inorgánicos. Por ejemplo, el ácido nítrico se utiliza para la fabricación de explosivos como trinitrotolueno, nitroglicerina, algodón Gun, Ammonal, etc. Muchos fertilizantes como el nitrato de calcio y el nitrato de amonio también se fabrican con la ayuda del ácido nítrico. También es útil en la fabricación de otros nitratos como el nitrato de calcio, nitrato de plata, nitrato de amonio, etc. El ácido nítrico desempeña un papel importante en la preparación de colorantes, perfumes, medicamentos, etc. de los productos de alquitrán de hulla. También forma parte del proceso de cámara de plomo en la fabricación de ácido sulfúrico y se utiliza para la purificación de algunos metales Nobel como la plata, el oro, el platino, etc. HNO3 se utiliza en el grabado de diseños en metales y aleaciones como Cu, latón, bronce, etc. Este proyecto realizado para la asignatura de Balance de Materia y Energía ha resultado de mucha utilidad para el alumno, ya que gracias a éste, se ha adquirido el conocimiento

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necesario del curso, así como las aplicaciones e importancia de los balances de materia y energía en los diferentes procesos.

Fuentes de información - Felder/ Rosseau. Principios Básicos De Los Procesos Químicos. - Himmelblau D.M. Principios Y Cálculos Básicos De La Ingeniería Química. - Antonio Valiente-Rudi Primo Stivalet Problemas De Balance De Materia. - https://quimica.unam.mx/wp-content/uploads/2016/12/6nitrico.pdf http://www.insht.es/InshtWeb/Contenidos/Documentacion/TextosOnline/Valores_Limite/ Doc_Toxicologica/FicherosSerie2/DLEP%2022.pdf https://acidos.info/nitrico/ https://www.miteco.gob.es/es/calidad-y-evaluacion-ambiental/temas/sistemaespanol-de-inventario-sei-/040402-producc-no3h_tcm30-429856.pdf https://www.uab.cat/doc/DOC_RiscosLab13_DF_Guia_us_Acid_Nitric -

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https://quimica.unam.mx/wp-content/uploads/2016/12/6nitrico.pdf http://www.insht.es/InshtWeb/Contenidos/Documentacion/TextosOnline/Valores_ Limite/Doc_Toxicologica/FicherosSerie2/DLEP%2022.pdf https://acidos.info/nitrico/ https://www.miteco.gob.es/es/calidad-y-evaluacion-ambiental/temas/sistemaespanol-de-inventario-sei-/040402-producc-no3h_tcm30-429856.pdf https://www.uab.cat/doc/DOC_RiscosLab13_DF_Guia_us_Acid_Nitric