BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA

PRESENTADO POR:

HAROLD AMADOR DÍAZMEDARDO ARELLANO ARELLANOHECTOR BERDUGO BARRIOSMARÍA ELVIRA PÁJARO BAÑOS

PRESENTADO A:

MIGUEL ÁNGEL MUESES, PhD.

ASIGNATURA:ESTEQUIOMETRÍA

SEMESTRE:III

FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERÍA

PROGRAMA INGENIERÍA QUÍMICA

UNIVERSIDAD DE CARTAGENACARTAGENA DE INDIAS 2014

Balance de materia y energía

El proceso Haber – Bosch es un método que permite la síntesis industrial de amoniaco a gran escala, utilizando como reactivos nitrógeno e hidrógeno en presencia de un catalizador heterogéneo a base de Hierro. Históricamente el mayor problema en relación a la síntesis del amoniaco es la dificultad en romper el triple enlace que mantiene unidos los dos átomos de nitrógeno para formar la molécula N2. Las temperaturas elevadas que serían necesarias para hacer posible tal división, no favorecen termodinámicamente a la reacción de síntesis. El descubrimiento y el posterior perfeccionamiento del sistema catalítico utilizado por Fritz Haber y Carl Bosch han permitido poder utilizar las temperaturas de ejercicio muy inferiores.

El amoniaco, además de ser una materia prima importante, tiene muchas aplicaciones también en la síntesis de otros productos, como por ejemplo el ácido nítrico y fertilizantes. Otros compuestos importantes que se pueden obtener a partir de amoniaco son: sales de amonio, aminas, amidas, hidracinas, cianuros. Originalmente el proceso fue patentado por Fritz Haber. En el 1910 Carl Bosch, que en ese periodo trabajaba para BASF, distribuyo comercialmente de manera exitosa el proceso y se aseguró las patentes posteriores. El proceso Haber-Bosch fue utilizado por primera vez a nivel industrial en Alemania, durante la primera guerra mundial: el nitrato de sodio era necesario para construir municiones bélicas; el amoniaco producido se hacía oxidar para la producción de ácido nítrico y más tarde el ácido producido era utilizado para fabricar diferentes nitrocompuestos explosivos usados en las municiones.

Balance de materia y energía de un proceso industrial

En la siguiente industria se tomó como base el proceso de Haber-Bosch para la síntesis del amoniaco a partir de coque, vapor de agua y aire. Para el inicio del proceso se cuenta con una corriente de alimentación de aire el cual contiene un 30% de humedad relativa, este aire ingresa al proceso con una temperatura de 55 °C, esta corriente se hace pasar por un separador, del cual se obtienen dos corrientes. La primera corriente es de Aire seco (T= 200 °C) y este se mezcla con coque (T=25 °C) en un generador (Generador 1) el cual es adiabático, en este generador se produce la siguiente reacción:

 O2   +   2C   →   2CO  

Simultáneo a esto, en otro generador (Generador 2, no adiabático) se mezcla vapor de agua (T= 300 °C) y coque (T=25 °C), produciéndose así la siguiente reacción:

H2O   +   C     →     CO     +    H2 

Balance de materia y energía

Figura 1. Diagrama donde se observa el proceso completo de la producción de los gases reaccionantes.

Posterior a esto los gases se someten a un lavado en el cual ocurre un fenómeno de transferencia de calor, en donde por especificaciones del proceso se conoce que la temperatura a la salida del lavado: el gas generador es de 200 °C y el gas de agua 300 °C. Luego los gases se mezclan en un tanque de mezclado y estarán listos para la siguiente fase.

El monóxido de carbono contenido en el gas generador y en el gas de síntesis debe ser eliminado. Pero el CO no es la única impureza que debe tratarse ya que también acompañan gases sulfurados (H2S). Así, en primer lugar la mezcla de gas generador y gas de agua, también llamada gas bruto, pasa a una torre de absorción donde son tratados en frío con disoluciones de ácidos orgánicos en hidróxido sódico o potásico que absorben el ácido sulfhídrico:

R-COOK + H2S → R-COOH + KHS

El gas bruto entra por la parte inferior de la torre de absorción de azufre, saliendo por la superior el gas purificado. El residuo de esta torre, una disolución que contiene ácido libre y sulfuro ácido de potasio, se extrae por debajo de la torre y se lleva a un calentador donde se desprende H2S, regenerándose la disolución.

Balance de materia y energía

El gas purificado de azufre debe ser ahora calentado para proceder a la conversión del CO en CO2. Esta conversión es una reacción que desprende calor que se aprovecha en los cambiadores de calor para calentar el gas purificado de azufre, en los cambiadores de calor los flujos 16,17 y 20 tienen temperaturas calculadas experimentalmente en este proceso las cuales son de 200, 500 y 200 °C respectivamente. Se tiene pues el gas purificado en las condiciones óptimas para que el CO que contiene reaccione con vapor de agua en un contacto de óxido de hierro que contiene algo de óxido de cromo, formándose dióxido de carbono e hidrógeno:

  

Figura 2. Diagrama que muestra el proceso completo de la conversión del monóxido de carbono.

La eliminación del CO2 se basa en su solubilidad en agua que aumenta mucho al crecer la presión. Esta circunstancia no concurre con los otros gases (H2, N2 y CO) que forman el gas de contacto por lo que se puede separar aquél de éstos. Para ello, el gas de contacto procedente de la fase anterior, almacenado en el gasómetro, se lava con agua en la torre de absorción de CO2. El agua con el CO2 disuelto sale por la parte inferior de la torre, mientras que los demás gases salen por la parte superior de la misma. En esta parte de la operación industrial las temperaturas en los flujos que van de manera horizontal son iguales. A partir de esto se obtiene un gas de síntesis que al entrar en un horno de contacto producirá NH3.

En los cálculos que se desarrollaran a continuación, se harán uso varias constantes y variables de operación obtenidas de cálculos experimentales y enunciadas desde la página web de donde se extrajo este material

Balance de materia y energía

BALANCES DE MATERIA Y ENERGÍA

BALANCE DE MATERIA

T= 55°C

Base de cálculo:

1000 Kg en F2

F2= 1000 Kg As

F3= 30 Kg H 2O

F1= 1030 Kg

Balance de materia y energía

S.I

G.1

G.2

F1F2

F3

F4

F5

F6

F7

C 0.9H 2S 0.1

300°C

300°CC 0.9

H 2S 0.1

25°C

244.54°C

244.54°C

A.s: Aire seco

F2= 1000 Kg As

F3= 30 Kg H 2O

F3= 30 Kg H 2O *( 18KmolH 2O

1KgH 2O ) = 540 Kmol H 2O, luego F3=540 Kmol H 2O

H 2O + C H 2 + CO

1) C: 0.9F5= 540 Kmol C

F5= 600 Kmol

2) H 2S : 60 Kmol H 2S F1

F7= 1140 Kmol

3) CO: 540 Kmol CO

4) H 2 : 540 Kmol H 2

CO= 0.474

H 2=¿ 0.474

H 2=¿ 0.0526

F2= 1000 Kg A.s * ( 28.59Kmol A . s1Kg As ) = 28890 Kmol A.s, luego

F2= 28890 Kmol

2C + O2 2CO

1) C: 0.9F2= 12133.8 Kmol C, luego F2= 13482 Kmol

2) H 2S : 1348.2 Kmol H 2S

F6= 36305.1 Kmol

3) CO: 12133.8 Kmol CO

Balance de materia y energía

540 540 540 540

12133.8 12133.86.0699

4) N2: 22823.1 Kmol N2

CO= 0.3342

N2= 0.6286

H 2S=0.0372

.

F6= F12

12133.8 Kmol CO

22823.1 Kmol N2

1348.2 Kmol H 2S

F7=F13

540 Kmol CO

540 Kmol H 2

60 Kmol H 2S

F14= 37445.1 Kmol

CO: 12673.8 Kmol

H 2 : 540 Kmol

N2 : 22823.1 Kmol

H 2S : 1408.2 Kmol

Balance de materia y energía

Lavado

Lavado

Mezcla

F6

F7

F8

F9F10

F11

F12

F13

F14

400°C

200°C244.54 °C

F16= F7 (BALANCE DE MATERIA EN INTERCAMBIADOR DE CALOR)

BALANCE EN EL HORNO DE CONTACTO

CO + H 2O CO2 + H 2

BALANCE POR COMPONENTE DE H 2O

E - S + P - ( 1Kmol H 2O

1KmolCO ) * 12673.8 Kmol CO= 0

E = 12673.8 Kmol H 2O

BALANCE POR COMPONENTE DE CO2

0 - S + ( 1KmolCO2

1KmolCO )* 12673.8 Kmol CO - 0= 0

S = 12673.8 Kmol CO2

Entonces de H 2 y N2 E=S:

F19= 540+ 22823.1+ 12673.8

F19= 36036.9

F19=F20

CO2+2NaOH→Na2CO 3+H 2O

Ingresan 3/5 de agua por cada Kmol de CO2 y se absorbe la misma cantidad de este.

Balance de materia y energía

0,6 (12673,8KmolCO2 )=7604,28KmoCO 2 ( Absorbido )=F 21

F23=entradade N 2+entradade H 2+salidadeCO2

F23=22823,1+540+0,4 (12673,8 )=28432,62k mol

BALANCE GLOBAL EN ABSORBEDOR:

F20+F 21=F22+F 23

36036,9+7604,28=F22+28432,62

F22=15208,56Kmol

Balance por componente del CO2:

E−S+P−G=0

5069,52−0+0− 1KmolCO22KmolNaOH

(F24 )=0

F24=10139,04 kmol

F26=entrada N 2+entradaH 2=22823,1+540=23363.1kmol

Balance en la torre de absorción de H2O por componente

E−S+P−G=0

S=0,5(F24 )=5069,52Kmol H 2O

Balance en la torre de absorción por componente de Na2CO3

E−S+P−G=0

S=5069,52Kmol Na2CO3

F25=salida Na2CO 3+salida H 2O=5069,52+5069,52=10139,04

Balance de materia y energía

En el horno se requieren 3 moles de Hidrogeno por mol de nitrógeno, entonces se alimenta una corriente de Nitrogeno puro para llevarla hasta la concentración requerida. Sabemos que la cantidad de Hidrogeno presente en el flujo 26 es de 540 Kmol, entonces

F27=540/3=180Kmol N 2

F28=23363,1+180=23543,1Kmol

Balance de energía

BALANCE DE ENERGÍA EN EL SEPARADOR

Q= nF3 H + nF2 H - nF1 H

1030 Kg* ( 137KjKg ) = nF1 H = 14110 Kj

nF2 H=∫0

200

(28.94+0.4147 x10−2T+0.3191 x 10−5T2−1.965 x 10−9T3 )dt

nF2 H = 28890 Kmol A.s *( 1000mol1Kmol )* 5878,663 J

mol *( 1Kj1000 j )

nF2 H = 169834583.70 Kj

Balance de materia y energía

nF3 H = 30 Kg* ( 2975KjKg ) = 89250 Kj

Q= 169782723.7 Kj

(G.2) BALANCE EN EL GENERADOR 2:

n H n ^H

C 540 Kmol 0 0

_

H 2O¿) 540 Kmol ∫25

300

Cp ( v )−241.83Kj /mol0 _

H 2S 60 Kmol 0 60 Kmol ∫25

T

Cp H 2S

CO 0 _ 540 Kmol ∫25

T

CpCO−110.52Kj /mol

H 2 0 _ 540 Kmol ∫25

T

CpH 2

nH 2SHH 2S =

6000 mol ¿∫25

Tf

(33.51+1.547 x10−2T +0.3012 x10−5T 2−3.292 x10−9T 3 )dt

nCO HCO =

Balance de materia y energía

540000 mol * [∫25

Tf

(28.95+0.411 x 10−2T +0.3548 x10−5T 2−2.22 x10−9T 3 )dt−110520 J /mol ]

nH 2H H 2

=

540000 mol* ∫25

Tf

(28.84+0.00765 x10−2T +0.3288 x10−5T 2−0.8698 x 10−9T3 )dt

nH 2OH H 2O

=540000mol ¿

Q=∑i=1

n

ni H i salida−∑i=1

n

ni H i entrada

Q=−148685855,836447KJ

Reemplazando en la ecuación 1 las entalpias de salida y entrada nos queda que la temperatura es igual a 400 ° C

Balance de Energía en el generador 1

Compuesto ENTRADA SALIDAn(mol) H (J /mol ) n(mol) H (J /mol )

O2 6066900 8470 0 -N2 22823100 8120 22823100

∫25

T

Cp (N2 )dT

CO 0 - 12133800∫25

T

Cp (CO )dT

C 12133800 0 0 -H 2S 1348200 0 1348200

∫25

T

Cp (H 2S )dT

Q=∑i=1

n

ni H i salida−∑i=1

n

ni H i entrada(2)

Cp(J /mol°C)N2 (29+0,2199 x 10−2T+0,5723 x 10−5T2−2,871 x10−9T3)dTCO (28,95+0,411 x10−2T+0,3548x 10−5T2−2,22x 10−9T3)dTH 2S (33,51+1,547 x10−2T +0,3012 x10−5T 2−3,29 x10−9T 3)dT

Reemplazando los valores tabulados en la función 2, nos queda:

Balance de materia y energía

∑i=1

n

ni H i salida=22823100mol∫25

T

(29+0,2199 x10−2T+0,5723x 10−5T 2−2,871x 10−9T3 )dT +12133800mol∫25

T

(28,95+0,411 x 10−2T +0,3548 x10−5T 2−2,22 x10−9T 3)dT +1348200mol∫25

T

(33,51+1,547 x10−2T+0,3012x 10−5T2−3,29x 10−9T3)dT

∑i=1

n

ni H i entrada= (6066900 ) (8470 )+(22823100)(8120)

Q=∑i=1

n

ni H i salida−∑i=1

n

ni H i entrada

Al reemplazar, nos queda una ecuación de cuarto orden en función de la temperatura, resolviendo dicha ecuación tenemos que la temperatura final aproximadamente 244,54 ° C

∫244,54

200

(33,51+1,547 x 10−2T+0,3012 x10−5T 2¿−3,292 x10−9T 3)dT ¿

¿1650,71062 Jmol

Interpolamos de la siguiente tabla para calcular las capacidades caloríficas del N2 yCO a usando como referencias 1atm y25 ° C

Temperatura ° C N2(J /mol ) CO (J /mol)200 5130 5160244,54 6461,746 6500,654300 8120 8170

H N2=5130−6461,746=−1331,746 J /mol

H CO=5160−6500,654=−1340,654 J /mol

mH2O (∆ H vap )+12133800 mol (−1340,654 ) Jmol

+2283100mol(−1331,746 Jmol )+ 1348200mol (−1650,71062 ) Jmol

=0

mH 2O ¿

mH 2O=15439,56234 Kg

BALANCE DE ENERGÍA EN LAVADO 2

T ref = 25°C y Pref = 1 atm

540000 ¿ + 540000 ¿ + 60000 ∫400

300

CpH 2 Sdt + m H 2O (2256900 J/Kg) = 0

Balance de materia y energía

540000 (8170-11250) + 540000 (7960- 10890) + 60000 ∫400

300

CpH 2 Sdt + m H 2O (2256900 J/Kg) = 0

ΔH H 2S = ∫400

300

(33.51+1.547 x10−2T +0.3012 x10−5T 2−3.292 x10−9T 3 )dt

ΔH H 2S = -3915.1955 J/mol

m H 2O (2256900 J/Kg)= 3.483691173x1010 J

m H 2O= 15435.73562 Kg

BALANCE EN EL TANQUE DE MEZCLADO

n (mol) H

F12

CO 12133800 0

N2 22823100 0

H 2S 1348200 0

F13 CO 540000 ∫200

300

CpCOdt

Balance de materia y energía

H 2 540000 ∫200

300

CpH 2dt

H 2S 60000 ∫200

300

CpH 2Sdt

F14

CO 12673800 ∫200

Tf

CpCOdt

H 2 540000 ∫200

Tf

CpH 2dt

N2 22823100 ∫200

Tf

CpN 2dt

H 2S 1408200 ∫200

Tf

CpH 2Sdt

Cp

CO 28.45+0.4110 x10−2T+0.3548 x10−5T 2−2.2x 10−9T 3

H 2 28.84+0.00765 x10−2T+0.3288x 10−5T 2−0.8698 x10−9T 3

N2 29+0.2199 x 10−2T +0.5723 x10−5T 2−2.871 x10−9T 3

H 2S 33.51+1.547 x10−2T +0.3012 x10−5T 2−3.292x 10−9T 3

∑i=1

n

H i salidani salida−∑i=1

n

H i entradan ientrada= 0

Reemplazando los datos tabulados en la ecuación anterior, obtendremos una ecuación en función de la temperatura, y al resolverla nos queda:

T F 14 ≈ 200°C y la T F 14= T F 16

Balance de materia y energía

BALANCE DE ENERGÍA EN EL INTERCAMBIADOR DE CALOR

ENTRADA SALIDA

F16

n (mol) H n (mol) H

H 2 540000 0 0 _

N2 22823100 0 0 _

CO 12673800 0 0 _

F19

CO2 12673800 ∫200

T

CpCO2dt 0 _

H 2 540000 ∫200

T

CpH 2dt 0 _

N2 22823100 ∫200

T

CpN 2dt 0 _

ENTRADA SALIDA

F17

n (mol) H n (mol) H

H 2 0 _ 540000 ∫200

500

CpH 2dt

N2 0 _ 22823100 ∫200

500

CpN 2dt

CO 0 _ 12673800 ∫200

500

CpCOdt

F20

CO2 0 _ 12673800 0

H 2 0 −¿ 540000 0

Balance de materia y energía

N2 0 ¿ 22823100 0

Cp

CO2 36.11+4.233 x10−2T+2.887 x10−5T 2−7.464 x10−9T 3

CO 28.45+0.4110 x10−2T+0.3548 x10−5T 2−2.2x 10−9T 3

N2 29+0.2199 x 10−2T +0.5723 x10−5T 2−2.871 x10−9T 3

H 2 28.84+0.00765 x10−2T+0.3288x 10−5T 2−0.8698 x10−9T 3

Según lo dicho en el enunciado, el calor transferido es Q= 3.022358x1019 J, por tanto la ecuación de balance quedaría escrita de la siguiente manera:

Q= ∑i=1

n

H ini salida−∑i=1

n

H ini entrada

Reemplazando los datos tabulados, nos quedará una ecuación, que despejando, podemos hallar la temperatura con la cual entra el flujo 19 al intercambiador de calor, y obtenemos lo siguiente: T F 19 ≈ 800°C.

Balance de materia y energía