ING. JUAN MEDINA COLLANA PROCESO INDUSTRIAL DEL ACIDO SULFURICO
LEON MEJIA DIANA CAROLINA
064239 E
RIVEROS CONES JOHN DAVID
062781 G
Industria de los Proceso Químicos Inorgánicos – Proceso Industrial del Ácido Sulfúrico PROBLEMA Setenta toneladas de azufre a 20ºC, entran al fundidor, donde es fundido mediante serpentines de vapor 100 psig., saliendo el azufre líquido hacia el quemador a través del filtro, una temperatura de 137ºC. Al quemador se introduce, también, aire seco a 65ºC, siendo la razón oxígeno/azufre, igual a 2. Los gases quemados deben salir a 1000ºC. Los gases que salen del quemador pasan a través de la caldera 1, donde se les baja su temperatura a 420ºC, pasando de allí al convertidor, a través del filtro de gas. Se conocen las temperaturas de entrada y salida de cada lecho del convertidor y las conversiones con referencia a la entrada al convertidor: Lecho 1 2 3 4
Temp. entrada, ºK 693.0 718.0 713.0 698.0
Temp. salida, ºK 873.0 773.0 723.0 703.0
Conversión 58% 74% 76% 78%
Entre los pasos 1-2 los gases son enfriados en la caldera 2, y entre los pasos 2-3 y 3-4 por aire seco a 65ºC. Las calderas 1 y 2 producen vapor saturado de 230 psig. (y se las alimenta con de agua líquida a 20ºC). Los gases que salen del convertidor pasan a través del sobre-calentador y economizador, para entrar a la torre de absorción a 250ºC. El ácido, de 98.3% en peso, entra a la torre a 70ºC y sale a 94ºC, siendo la absorción del 99.9%. El flujo de ácido de la torre es 1120 galones/min. El ácido que sale de las torres de secado y absorción, va al estanque de recirculación, donde se le agrega agua de dilución, para alcanzar la concentración óptima de 98.3%, volviendo de allí a las torres a través de serpentines de enfriamiento. En estos serpentines se usa agua a 15ºC. El ácido a torre de secado debe ir a una temperatura de 65ºC, saliendo de ella a 80ºC, y con un flujo de 880 galones/min. El aire entra a la torre de secado a 20ºC y 80% de H R y sale "seco" (sólo trazas de H 2O). Los gases que salen del absorbedor son limpiados antes de ser expulsados a la atmósfera. Determine lo siguiente para el proceso:
2
Industria de los Proceso Químicos Inorgánicos – Proceso Industrial del Ácido Sulfúrico a) b) c) d)
Producción de ácido sulfúrico en toneladas / día El flujo de vapor en el fundidor de azufre La temperatura de salida de los gases del quemador La producción de vapor en las calderas 1 y 2
3
Industria de los Proceso Químicos Inorgánicos – Proceso Industrial del Ácido Sulfúrico SOLUCION 1) Analizamos el diagrama de flujo de proceso y comenzamos por el Fundidor: FUNDIDOR: Reacción:
S(s) → S(L)
Datos para el azufre: Cp = 710 J/K-Kg Datos para el agua: Pv = 230 psig Mediante el balance de energía: QPERDIDO (Vapor)= QGANADO (Azufre) 0
H v H f Cp m T 0
Cp m T=1.7175
KJ mol
70000Kg
1000 g 1Kg
1mol 32g
0.71
KJ K.Kg
70000Kg
137 20 K
0
Cp m T 9571931.25 KJ 0
Cp m T 4.184
KJ
0
Kg.ºC
m 10º C 9571931.25
KJ
0
m 228774.6475Kg
228.7746 TON
de
flujo
vapor
ENTRADA SALIDA S(S) S(L) m= 70000Kg m= 70000Kg n = 2187.5 moles n = 2187.5 moles T= 20°C T= 137°C
2) Por el filtro no hay ningún cambio químico, solo pasa el azufre ya líquido y nos enfocamos en el quemador: QUEMADOR:
4
Industria de los Proceso Químicos Inorgánicos – Proceso Industrial del Ácido Sulfúrico Reacción:
S(L) + O2 → SO2(g)
El problema dice que entra aire seco una razón de oxígeno / azufre de 2:
nO 2 nS
nO 2
2187.5
2 nO 2
4375moles
Al haber exceso de O 2 todo el S reacciona por tanto:
n RXN S n RX
NO2
2187.5moles
2187.5moles
nPRODUCEN SO2
2187.5moles
ENTRADA (Kmol) SALIDA (Kmol) nS 2187.5 nS 0 nO2 4375 nO2 2187.5 nSO2 0 nSO2 2187.5 nN2 16458.3 nN2 16458.3
La temperatura a la que debe salir del Quemador es a 1000 C. 3) De ahí van a la Caldera1 donde se le reduce la temperatura a 420°C: CALDERA 1: Datos para la mezcla: SUSTANCIAS X% Cp (J/mol.k) SO2 10.5 39.870 O2 10.5 29.355 N2 79 29.125 El Cp de la mezcla lo hallamos de la siguiente manera: Cpm
Cpm
30.2774
0.105 39.87 0.105 29.355 0.79 29.125 J K .mol
NTOTALES = 20833.333 Kmoles
5
Industria de los Proceso Químicos Inorgánicos – Proceso Industrial del Ácido Sulfúrico Datos para el agua: Pv = 230psig Hf = 374.22 BTU/lbm Hg = 1200.9 BTU/lbm Hacemos el balance de energía: QPERDIDO ( GASES )
QGANADO( AGUA) 0
Cp.n.T
30.2774
J K .mol
( Hg Hf ). mVAPOR
208333333moles (1000 420) K (1200.9 374.22) 0
mVAPOR
4194442.837lbm
BTU lbm
1055.1J 1BTU
0.454 Kg 1lbm
0
mVAPOR
1904277.048Kg 190.427
TON
4) De ahí al convertidor donde ocurre 4 reacciones: CONVERTIDOR: Reacción:
SO2(g) + ½ O2(g) → SO3(g)
1º Lecho: Conversión = 58% En la entrada: NSO2 = 2187.5 Kmoles NO2 = 2187.5 Kmoles NN2 = 16458.3 Kmoles En la salida: NSO3 = 0.58*2187.5 =1268.75 Kmoles que se producen NSO2 = 2187.5 Kmol (1-0.58) = 918.75 Kmoles que no reaccionan NO2 = 2187.5 -0.5*0.58*2187.5 = 1553.125 Kmoles que no reaccionan NN2 = 16458.3 Kmoles
6
0
mVAPOR
Industria de los Proceso Químicos Inorgánicos – Proceso Industrial del Ácido Sulfúrico Obtenemos la siguiente tabla a la salida del lecho: ENTRADA (Kmol) SALIDA (Kmol) nSO2 2187.5 nSO2 918.75 nO2 2187.5 n O2 1553.125 nSO3 nSO3 1268.75 0 16458.3 nN2 nN2 16458.3
2º Lecho: Conversión = 74% Reaccionan: NSO2 = 918.75 Kmol (0.74) = 679.875 Kmoles NO2 = 0.5*0.74*918.75 = 339.9375 Kmoles Obtenemos la siguiente tabla a la salida del lecho: ENTRADA (Kmol) SALIDA (Kmol) nSO2 918.75 n SO2 238.875 nO2 1553.125 n O2 1213.1875 nSO3 1268.75 n SO3 1948.625 nN2 16458.3 n N2 16458.3
3º Lecho: Conversión = 76% Reaccionan: NSO2 = 238.875 Kmol (0.76) = 181.545 Kmoles NO2 = 0.5*0.76*238.875 = 90.7725 Kmoles Obtenemos la siguiente tabla a la salida del lecho: ENTRADA (Kmol) SALIDA (Kmol) nSO2 238.875 nSO2 57.33 nO2 1213.1875 n O2 1122.415 nSO3 1948.625 nSO3 2130.17 nN2 16458.3 nN2 16458.3
4º Lecho: Conversión = 78% Reaccionan:
7
Industria de los Proceso Químicos Inorgánicos – Proceso Industrial del Ácido Sulfúrico NSO2 = 57.33 Kmol (0.78) = 44.7174 Kmoles NO2 = 0.5*0.78*57.33 = 22.3587 Kmol Obtenemos la siguiente tabla a la salida del lecho: ENTRADA (Kmol) SALIDA (Kmol) nSO2 57.33 nSO2 12.6126 nO2 1122.415 n O2 1100.0563 nSO3 2130.17 n SO3 2174.8874 nN2 16458.3 n N2 16458.3 Podemos decir que finalmente ocurrió una reacción del:
conversion total
2174.8874 2187.5
100% 99.4234%
5) Pero en el Convertido se instala una caldera para enfriar la mezcla en el lecho 1-2: CALDERA2:
Datos para la mezcla pero entre el Lecho1-2: SUSTANCIAS SO2 O2 SO3 N2
X% 4.5485 7.6891 6.2813 81.4811
T ENTRADA=873K Cp (J/mol.k) 39.870 29.355 50.670 29.125
El Cp de la mezcla lo hallamos de la siguiente manera:
Cpm
0.0454 39.87 0.0768 29.355 0.0628 50.67 0.8148 29.125
C pm
30.9777
J K .mol
NTOTALES = 20198.925 Kmoles
Datos para el agua:
Pv = 230psig Hf = 374.22 BTU/lbm
8
TSALIDA=718K
Industria de los Proceso Químicos Inorgánicos – Proceso Industrial del Ácido Sulfúrico Hg = 1200.9 BTU/lbm Hacemos el balance de energía: QPER DIDO(1 L ECHO)
QGANADO( AGUA) 0
Cp.n.T 30.9777
J K .mol
( Hg
Hf ). mVAPOR
20198925 moles (873 718) K (1200.9 374.22) 0
mVAPOR
111193.1595 lbm
BTU lbm
1055.1J 1BTU
0
mVAPOR
0.454Kg 1lbm
0
mVAPOR
50481.6944 Kg 50.481 TON
6) Además en el Convertidor también se transfiere AIRE SECO para mantener el sistema a las condiciones de la temperatura en los lechos de 2-3 y 3-4: Entre el Lecho 2 y 3: Datos para el Aire Seco: Cp = 29.1733 J/mol.K PM =28.84 Kg/Kmol T = 65ºC = 338K
Datos para la mezcla: T ENTRADA=773K
SUSTANCIAS SO2 O2 SO3 N2
X% 1.2029 6.1090 9.8123 82.8758
TSALIDA=713K Cp (J/mol.k) 39.870 29.355 50.670 29.125
El Cp de la mezcla será: 0.0120 39.87 0.061 29.355 0.0981 50.67 0.8287 29.12 5
Cpm
C pm
31.3824
J K .mol
NTOTALES = 19858.9875 Kmoles
9
Industria de los Proceso Químicos Inorgánicos – Proceso Industrial del Ácido Sulfúrico En el balance de energía: QPERDIDO(2 LECHO)
QGANADO( AIRE SECO)
0
n.Cp.T 19858987.5 moles 31.3824
J
m AIRE SECO .Cp.T 0
K .mol
(713 773) K m AS 29.1733
0
m AS
3418.0442 KmolesAS
J
(338 713) K mol.K
28.84 Kg 1KmolAS
0
m AS
98576.28
Kg
98.576
TON
Entre el Lecho 3 y 4: Datos para el Aire Seco: Cp = 29.1733 J/mol.K PM =28.84 Kg/Kmol T = 65ºC = 338K
Datos para la mezcla: T ENTRADA=723K
SUSTANCIAS SO2 O2 SO3 N2
X% 0.2900 5.6779 10.7757 83.2564
TSALIDA=698K Cp (J/mol.k) 39.870 29.355 50.670 29.125
El Cp de la mezcla será: Cpm
C pm
31.451
0.0029 39.87 0.0568 29.355 0.107 50.67 0.8325 29.125 J K .mol
NTOTALES = 19768.215 Kmoles En el balance de energía:
10
Industria de los Proceso Químicos Inorgánicos – Proceso Industrial del Ácido Sulfúrico QPERDIDO(3 LECHO)
QGANADO( AIRE SECO)
0
n.Cp.T 19768215moles 31.491
J
m AIRE SECO .Cp.T
K .mol
m AS 29.1733
0
1481.8555
mVAPOR
J
0
(698 723) K
KmolesAS
(338 698) mol.K
28.84Kg 1KmolAS
0
m AS
42736.71262 Kg
42.736 TON
7) Luego que la mezcla sale del Convertidor pasa a un Economizador para disminuir la temperatura para que entre a la Torre de Absorción donde se produce un 99.9% de absorción SO3(g) + H2O(l) →H2SO4(sol) Número de moles de ácido producido: N H2SO4
0.999 2184.8874 Kmol
2182.7
Kmoles
8) Se trabajo con aire seco proveniente de una torre de secado donde entraba aire húmedo: TORRE DE SECADO: Balance de materia: m ENTRADA AS
mSALIDA AS
m ENTRADA AS
mQUEMADOR AS
m ENTRADA AS
20833.333 3418.0401 1481.8482 Kmoles
m ENTRADA AS
mCONVERTIDOR AS
742146.1023 Kg
1TON 1000 Kg
742.146
TON
28.84 Kg 1Kmol
Como la humedad relativa del aire a la entrada de la torre es de 80% a 20°C: Y 0.0118
KgH2O KgAS
(Por cartas psicométricas)
11
Industria de los Proceso Químicos Inorgánicos – Proceso Industrial del Ácido Sulfúrico
m ENTRADA AGUA 742146.1023KgAS 0.0118
KgH2O KgAS
8757.324
Finalmente la cantidad total de AIRE HUMEDO que entra es: m AIRE HUMEDO
742146.1023 KgAS 8757.324 KgH 2 O
m AIRE HUMEDO
750903.4263 Kg
12
750.903 TON
KgH 2 O