Date post: | 14-Apr-2016 |
Category: |
Documents |
Upload: | danielruiz |
View: | 25 times |
Download: | 6 times |
1
UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOIMA DE MÉXICO
FACULTAD DE QUÍMICA
ASIGNATURA:
BALANCES DE MATERIA Y ENERGÍA.
PROYECTO: PROCESO DE PRODUCCIÓN DE H2SO4.
INTEGRANTES:
1.-MEDINA PRECIADO JUAN.
2.-OSTOA MRTÍNEZ ADRIÁN.
3.- VALENCIA REYES FATIMA BETSABE.
GRUPO 3.
PROFESOR:
JOSÉ FERNANDO BARRAGÁN AROCHE.
FECHA DE ENTREGA: 23 DE NOVIEMBRE DEL 2012.
2
1.- INDICE:
1.- ÍNDICE…………………………………………………………………………………………………………...2
2.- OBJETIVO……………………………………………………………………………………………………….3
3.- INTRODUCCIÓN……………………………………………………………………………………………….3
4.- NORMATIVIDAD……………………………………………………………………………………………….4
5.- DIAGRAMA DE TODO EL PROCESO Y GENERADOR DE VAPOR………...………………………….8
6.- CONSIDERACIONES DEL PROCESO…………………………………………………………………….10
7.- DIAGRAMA SIMPLIFICADO…....……….………..………………………………………………………...10
8.- TABLA DE GRADOS DE LIBERTAD…...………………………………………………………………..…11
9.- GRÁFICOS………………………………………………………………………………………………….....12
10.- TABLAS INICIALES…………………………………………………………………………………………15
11.- REACCIONES…………………..…………………………………………………………………………...16
12.- ECUACIONES DE BALANCE...……………………………………………………………………………16
13.- RELACIONES ADICIONALES……………………………………………………………………………..18
14.- SECUANCIA DE CÁLCULO………………………………………………………………………………..19
15.- TABLAS FINALES…………………………………………………………………………………………...21
16.- CARGAS TÉRMICAS……………………………………………………………………………………….35
17.- GENERACIÓN DE VAPOR………………………………………………………………………………...37
18.- DISCUCIÓN DE ASPECTOS REELEVANTES…………………………………………………………..37
19.- CONCLUSIÓN……………………………………………………………………………………………….39
20.- BIBLIOGRAFÍA………………………………………………………………………………………………40
3
“PROYECTO: PROCESO DE PRODUCCIÓN DE H2SO4.”
2.- OBJETIVO:
Construir un modelo que permita representar el comportamiento de una planta química con base en las ecuaciones de balance de materia y energía, utilizando también las relaciones adicionales que permitan estimar los flujos y la composición de las corrientes de proceso, así como los requerimientos de servicios auxiliares y los potenciales de recuperación energética, todo esto utilizando las técnicas del cálculo generalizado de propiedades.
3.- INTRODUCCIÓN:
El ácido sulfúrico es uno de los químicos industriales más importantes. Es de gran significado, la observación que frecuentemente se hace, es que el per cápita usado de ácido sulfúrico es un índice del desarrollo técnico de una nación. El acido sulfúrico es importante en casi todas las industrias, y es usada ampliamente en la manufactura de fertilizantes superfosfatos, sales sulfatadas, celofán, rayón, detergentes, ácido clorhídrico, ácido nítrico, tintes, pigmentos, explosivos, refinación de petróleo, en el almacenaje de baterías, en el tratamiento del agua industrial y en el blanqueado de minerales.
El ácido sulfúrico fue producido por primera vez aproximadamente en el año 1000 de la era cristiana. Por 18 siglos, el ácido sulfúrico fue preparado por el quemado de salitre con azufre. En el siglo XVIII y XIX, este fue esencialmente producido por una cámara procesadora en la cual en la cual el óxido de nitrógeno era usado como un catalizador homogéneo para la oxidación del óxido de azufre. El producto de este proceso era de baja concentración, no era lo suficientemente alto para los muchos usos comerciales.
Durante la primera mitad del siglo XIX, la cámara procesadora fue gradualmente reemplazada por el proceso de contacto, y ahora el método anterior es considerado obsoleto. En 1915, un efectivo catalizador de vanadio fue desarrollado para el proceso de contacto. Este tipo de catalizador fue empleado en los Estados unidos. El catalizador de vanadio fue la ventaja de una resistencia superior a la intoxicación y de ser relativamente abundante y barata comparado con el platino. Después de la segunda guerra mundial, el tamaño típico de las plantas que realizaban el proceso de contacto se incrementó drásticamente alrededor del mundo suministrando un rápido incremento de la demanda de la industria de los fertilizantes de fosfatos.
En el año de 1963, se desarrolla el primer proceso de doble absorción en gran escala. En este proceso, el gas SO2 que ha sido parcialmente convertido en SO3 recalentado, y luego es pasado a través de una o dos cámaras catalizadoras. Por este método, la conversión total puede ser incrementada desde el 98% al 99.5-99.8%, por consiguiente reduciendo la emisión del SO2 convertido a la atmósfera.
El proceso de contacto ha sido mejorado en todo detalle y es ahora una de las industrias de bajo costo, con un proceso automático continuo. Todas las nuevas plantas de ácido sulfúrico usan el proceso de contacto. Las pocas plantas de pequeña capacidad emplean la cámara de procesamiento que representa el 5% de las plantas de ácido sulfúrico.
4
En el proceso de contacto se utiliza un catalizador de pentóxido de vanadio, la reacción es exotérmica, se utilizan múltiples etapas con enfriamiento intermedio y un sistema de doble columna de absroción.la integración de calor permite recuperar el calor producido en las reacciones exotérmicas.
4.- NORMATIVIDAD:
NORMA Oficial Mexicana NOM-CCAT-001-ECOL/1993, que establece los niveles máximos permisibles de emisión a la atmósfera de bióxido y trióxido de azufre y neblinas de ácido sulfúrico, en plantas productoras de ácido sulfúrico.
Al margen un sello con el Escudo Nacional, que dice: Estados Unidos Mexicanos.- Secretaría de Desarrollo Social.
SERGIO REYES LUJAN, Presidente del Instituto Nacional de Ecología con fundamento en los artículos 32 fracción XXV de la Ley Orgánica de la Administración Pública Federal; 5o. fracción VIII, 8o. fracciones II y VII, 36, 37, 43, 110, 111 fracciones I y IV, 113, 160 y 171 de la Ley General del Equilibrio Ecológico y la Protección al Ambiente; 7o. fracciones II y IV, y 16 del Reglamento de la Ley General del Equilibrio Ecológico y la Protección al Ambiente en materia de Prevención y Control de la Contaminación de la Atmósfera; 38 fracción II, 40 fracción X, 41, 43, 46, 47, 52, 62, 63 y 64 de la Ley Federal sobre Metrología y Normalización; Primero y Segundo del Acuerdo por el que se delega en el Subsecretario de Vivienda y Bienes Inmuebles y en el Presidente del Instituto Nacional de Ecología, la facultad de expedir las normas oficiales mexicanas en materia de vivienda y ecología, respectivamente, y CONSIDERANDO
Que las plantas productoras de ácido sulfúrico generan emisiones a la atmósfera de bióxido y trióxido de azufre y neblinas de ácido sulfúrico que deterioran la calidad del aire, por lo que es necesario su control a través del establecimiento de niveles máximos permisibles de emisión que aseguren la preservación del equilibrio ecológico y la protección al ambiente.
Que habiéndose cumplido el procedimiento establecido en la Ley Federal sobre Metrología y Normalización para la elaboración de proyectos de normas oficiales mexicanas, el C. Presidente del Comité Consultivo Nacional de Normalización para la Protección Ambiental ordenó la publicación del proyecto de norma oficial mexicana NOM-PA-CCAT-001/93, que establece los niveles máximos permisibles de emisión a la atmósfera de bióxido y trióxido de azufre y neblinas de ácido sulfúrico, en plantas productoras de ácido sulfúrico, publicado en el Diario Oficial de la Federación el día 23 de junio de 1993 con el objeto de que los interesados presentaran sus comentarios al citado Comité Consultivo.
Que la Comisión Nacional de Normalización determinó en sesión de fecha 1 de julio de 1993, la sustitución de la clave NOM-PA-CCAT-001/93, con que fue publicado el proyecto de la presente norma oficial mexicana, por la clave NOM-CCAT-001-ECOL/1993, que en lo subsecuente la identificará.
Que durante el plazo de noventa días naturales contados a partir de la fecha de publicación de dicho proyecto de norma oficial mexicana, los análisis a los que se refiere el artículo 45 del citado ordenamiento jurídico, estuvieron a disposición del público para su consulta.
5
Que dentro del mismo plazo, los interesados presentaron sus comentarios al proyecto de norma, los cuales fueron analizados en el citado Comité Consultivo Nacional de Normalización, realizándose las modificaciones procedentes. La Secretaría de Desarrollo Social, por conducto del Instituto Nacional de Ecología, publicó las respuestas a los comentarios recibidos en la Gaceta Ecológica, Volumen V, número especial de octubre de 1993.
Que mediante oficio de fecha 7 de octubre de 1993, la Secretaría de Salud expresó su conformidad con el contenido y expedición de la presente norma oficial mexicana.
Que previa aprobación del Comité Consultivo Nacional de Normalización para la Protección Ambiental, en sesión de fecha 23 de septiembre de 1993, he tenido a bien expedir la siguiente
NORMA OFICIAL MEXICANA NOM-CCAT-001-ECOL/1993, QUE ESTABLECE LOS NIVELES MAXIMOS PERMISIBLES DE EMISION A LA ATMOSFERA DE BIOXIDO Y TRIOXIDO DE AZUFRE Y NEBLINAS DE ACIDO SULFURICO, EN PLANTAS PRODUCTORAS DE ACIDO SULFURICO.
1. OBJETO: Esta norma oficial mexicana establece los niveles máximos permisibles de emisión a la atmósfera de bióxido y trióxido de azufre y neblinas de ácido sulfúrico en plantas productoras de ácido sulfúrico.
2. CAMPO DE APLICACIÓN: Esta norma oficial mexicana es de observancia obligatoria en plantas productoras de ácido sulfúrico.
3. REFERENCIAS:
NMX-AA-09 Determinación del flujo de gases en un conducto por medio del tubo pitot.
NMX-AA-10 Determinación de la emisión de partículas sólidas contenidas en los gases que se descargan por un conducto.
NMX-AA-23 Terminología.
NMX-AA-54 Determinación del contenido de humedad en los gases que fluyen por un conducto.
NMX-AA-55 Determinación de bióxido de azufre en gases que fluyen por un conducto.
NMX-AA-56 Determinación de bióxido de azufre, trióxido de azufre y neblinas de ácido sulfúrico en los gases que fluyen por un conducto.
4. DEFINICIONES
4.1 Altura efectiva de chimenea, La altura resultante de sumar a la altura física de la chimenea, la sobreelevación causada por la velocidad y temperatura de los gases a la salida de la chimenea.
6
4.2 Eficiencia de conversión. La cantidad de bióxido de azufre que se convierte en trióxido, expresada en por ciento
4.3 Estabilidad atmosférica. La condición meteorológica directamente influida por la velocidad del viento y de los movimientos convectivos y que da idea de los movimientos convectivos y advectivos del aire.
4.4 Neblinas de ácido sulfúrico. Las partículas líquidas finas de ácido sulfúrico que salen mezcladas con los gases residuales provenientes de los procesos de elaboración de ácido sulfúrico.
4.5 Planta de ácido sulfúrico. La unidad en donde se produce ácido sulfúrico por proceso de contacto a partir de la combustión de azufre elemental, ácido sulfhídrico, sulfuros orgánicos, mercaptanos o corrientes ácidas, pero no incluye instalaciones en donde para la conversión de ácido sulfúrico se utilice dióxido de azufre como materia prima para prevenir emisiones a la atmósfera.
4.6 Planta nueva: La que instale por vez primera en procesos de conversión.
4.7 Zona Fronteriza Norte: La franja de 100 kilómetros de ancho comprendida en el territorio nacional, medida a partir de la línea divisoria terrestre entre los Estados Unidos Mexicanos y los Estados Unidos de América.
4.8 Zona Metropolitana de la Ciudad de Guadalajara: El área integrada por los siguientes municipios del Estado de Jalisco: Guadalajara, Ixtlahuacán del Río, Tlaquepaque, Tonalá, Zapotlanejo y Zapopan.
4.9 Zona Metropolitana de la Ciudad de México: El área integrada por las 16 Delegaciones Políticas del Distrito Federal y los siguientes 17 municipios del Estado de México: Atizapán de Zaragoza, Coacalco, Cuautitlán de Romero Rubio, Cuautitlán Izcalli, Chalco de Covarrubias, Chimalhuacán, Ecatepec, Huixquilucan, Ixtapaluca, La Paz, Naucalpan de Juárez, Nezahualcóyotl, San Vicente Chicoloapan, Nicolás Romero, Tecámac, Tlalnepantla y Tultitlán.
4.10 Zona Metropolitana de la Ciudad de Monterrey: El área integrada por los siguientes municipios del Estado de Nuevo León: Monterrey, Apodaca, General Escobedo, Guadalupe, San Nicolás de los Garza, San Pedro Garza García, Santa Catarina y Juárez.
5. ESPECIFICACIONES
5.1 Para efectos de esta norma se consideran zonas críticas por las altas concentraciones de contaminantes de la atmósfera que registran, las siguientes:
5.1.1 Las Zonas Metropolitanas de la Ciudad de México, Monterrey y Guadalajara, los centros de población de Coatzacoalcos-Minatitlán, Estado de Veracruz; Irapuato-Celaya-Salamanca, Estado de Guanajuato; TulaVito-Apasco, Estados de Hidalgo y de México; Corredor Industrial de Tampico-Madero-Altamira, Estado de Tamaulipas y la zona fronteriza norte.
5.2 Los niveles máximos permisibles de emisión de bióxido y trióxido de azufre a la atmósfera, provenientes de las plantas productoras de ácido sulfúrico existentes son las establecidas en las tablas 1 y 2 de esta norma.
7
Tabla 1
Niveles máximos permisibles para plantas productoras de ácido sulfúrico existentes ubicadas en zonas críticas
Capacidad de la planta (ton/día) Niveles máximos permisibles (kg de SO2/ton de H2SO4 al 100%)
1 - 500 17.5501 - 700 13701 - 1000 9
>1000 4
Tabla 2
Niveles máximos permisibles para plantas productoras de ácido sulfúrico existentes ubicadas en el resto del país.
Capacidad de la planta (ton/día) Niveles máximos permisibles (kg de SO2/ton de H2SO4 al 100%)
1 - 500 28501 - 700 20
701 - 1000 14>1000 7
5.2.1 Los niveles máximos permisibles de emisión a la atmósfera dentro del límite del predio deben ser inferiores a 0.234 ppm de SO2 para las zonas críticas y 0.3 ppm de SO2 para el resto del país, ambas concentraciones referidas en promedio horario y aplicables para cualquier época del año. Las mediciones para determinar su concentración deben realizarse a partir del límite exterior del predio ocupado por la planta, de conformidad con el método aplicable.
5.3 Los niveles máximos permisibles de emisión de bióxido de azufre provenientes de plantas nuevas elaboradoras de ácido sulfúrico, son los establecidos en la tabla 3.
Tabla 3
Niveles máximos permisibles para plantas nuevas elaboradoras de ácido sulfúrico
Capacidad de la planta (ton/día) Niveles máximos permisibles (kg de SO2/ton de H2SO4 al 100%)
1 - 500 13>500 3
5.4 El nivel máximo permisible de neblinas de trióxido de azufre y ácido sulfúrico, expresada como ácido sulfúrico al 100% en plantas productoras de ácido sulfúrico, será siempre inferior al uno por mil sobre el volumen de producción.
B01
CONVERTIDOR
B02
X09
X04
TORRE DE ABSORCION DE INTERPASOTORRE DE ABSORCION FINAL
BOMBA I BOMBA II
QUEMADOR DE AZUFRE
A
D
N
EF G
H
I
J O
NK
L
P
M
Q
RS
α
δ
W
U
T H
Y
π Acido sulfúrico 98.5% masa
8
5.- DIAGRAMA DE TODO EL PROCESO Y GENERADOR DE VAPOR:
Figura 1. DIAGRAMA DE PRODUCCIÓN DE ÁCIDO SULFÚRICO:
X04
Sobrecalentador –Economizador
Q
410° C100 bar
30° C100 bar
LM
100 bar
Domo
G
X09
E
H F
BO2 BO1
Generadores de vapor
Economizador
R
9
Figura 2. DIAGRAMA DE GENERADOR DE VAPOR:
PROCESO
A
D
T+δ
S
π
10
6.- CONSIDERACIONES DEL PROCESO:
1.- El quemador de azufre es adiabático y se quema todo el azufre a SO2.
2.- El convertidor de SO2 y SO3 es adiabático. Después de las primeras camas catalíticas se alcanza una conversión global de SO2 a SO3 del 96%.
3.- En la torre de interpaso, se absorbe el 90% del SO3 alimentado y ninguno de los otros gases. La corriente de gas de salida sale seca.
4.- En la torre de absorción final se absorbe todo el SO3 alimentado y ninguno de los otros gases.
5.- Los gases de chimenea, en nuestro caso la corriente S, no deben contener más de 3 kg de SO2 por tonelada de H2SO4 al 100% producido, para cumplir con la Norma Oficial Mexicana NOM-CCAT-001.ECOL/1993 del 22 Octubre de 1993.
6.- El flujo de ácido a las corrientes de absorción W y α, debe ser tal que las corrientes de salida, U y Y, respectivamente, no deben tener una temperatura mayor a 125°C, ni una concentración de ácido mayor de 98.5% peso.
7.- Suponer comportamiento de gas ideal.
8.- Ignorar la torre de secado y considere que solo se produce H2SO4 al 98% peso, corriente π.
9.- Para el azufre líquido se debe considerar el azufre monoclínico y el azufre rómbico.
10.- Si en dado caso el balance de materia no se resuelve por completo, considerar resolver de manera simultánea con el balance de energía.
7.- DIAGRAMA SIMPLIFICADO:
Figura 3. DIAGRAMA DEL PROCESO:
11
8.- TABLAS DE GRADOS DE LIBERTAD:
Para el balance de materia:
Análisis de Grados de Libertad para el balance de materia
EquipoQuemad
or Conv. 1 Torre interTorre final Tanque Global Conv. 1 Conv. 2 Conv. 3 Conv. 4 Proceso
I ε1 II ε2 III ε3 IV ε4 V II-1 ε2A
II-2 ε2B
II-3 ε2C
II-3 ε2D
Entradas A, D E, N K, W Q, αT+δ, U,
YTODAS
LAS E G I NA, D, T+δ
Salidas E K, Q N, U S, Y W, α, πCORRIEN
TES G I K Q S, πEc.
Balance 4 4 6 6 2 22 4 4 4 4 6Rel. Adic. 1 1 1 1 2 4 0 0 0 0 0Incógnitas 1 9 8 8 6 26 5 9 5 9 6G. de Lib 0 4 1 1 2 0 1 5 1 5 0
!! X X X X !! X X X X !!
Para el balance de energía no se estableció un diagrama de grados de libertad, ya que estos se resuelven de una diferente forma, que es postulando una trayectoria que se observará más adelante.
12
9.- GRÁFICOS:
Inciso 1.
SO2 [kg] SO2 [mol] H2SO4 [mol] H2SO4 [kg] H2SO4 [ton] 0 0.000 0.000 0.000 0.000
0.5 7.813 1700.680 166.667 0.167 1 15.625 3401.361 333.333 0.333
1.5 23.438 5102.041 500.000 0.500 2 31.250 6802.721 666.667 0.667
2.5 39.063 8503.401 833.333 0.833 3 46.875 10204.082 1000.000 1.000
3.5 54.688 11904.762 1166.667 1.167 4 62.500 13605.442 1333.333 1.333
4.5 70.313 15306.122 1500.000 1.500 5 78.125 17006.803 1666.667 1.667
5.5 85.938 18707.483 1833.333 1.833 6 93.750 20408.163 2000.000 2.000
6.5 101.563 22108.844 2166.667 2.167 7 109.375 23809.524 2333.333 2.333
7.5 117.188 25510.204 2500.000 2.500 8 125.000 27210.884 2666.667 2.667
8.5 132.813 28911.565 2833.333 2.833 9 140.625 30612.245 3000.000 3.000
9.5 148.438 32312.925 3166.667 3.167 10 156.250 34013.605 3333.333 3.333
Tomando en cuenta estos datos:
PMH2SO4 = 98 kg/kgmol, PMS02 = 64 kg/mol, el S, H2SO4 y SO2 estequiométrico, tomando de referencia la Norma, se llego a esta información (se pueden observar mejor en la hoja de cálculo de Excel).
0.000 50.000 100.000 150.000 200.0000.000
5000.00010000.00015000.00020000.00025000.00030000.00035000.00040000.000
f(x) = 217.687074829932 xR² = 1
H2SO4 prod [ton] vs SO2 [mol]
SO2 [mol]
H2SO
4 [m
ol]
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 110.0000.5001.0001.5002.0002.5003.0003.500
f(x) = 0.333333333333333 xR² = 1
H2SO4 prod [ton] vs SO2 [kg]
SO2 [kg]
H2SO
4 [t
on]
13
Inciso 2. por estequiometría, se necesita 1 mol de
O2 por cada 1 mol de S
Azufre [mol]
O2 entrada
[mol]
O2 salida [mol] SO2 N2
frac SO2
Aire s [mol]
O2 % exc
Aire s % exc.
1 1.000 0.000 1 3.762 0.210 4.762 0.000 0 1 1.042 0.042 1 3.920 0.202 4.962 4.200 20 1 1.084 0.084 1 4.078 0.194 5.162 8.400 40 1 1.126 0.126 1 4.236 0.187 5.362 12.600 60 1 1.168 0.168 1 4.394 0.180 5.562 16.800 80 1 1.210 0.210 1 4.552 0.174 5.762 21.000 100 1 1.252 0.252 1 4.710 0.168 5.962 25.200 120 1 1.294 0.294 1 4.868 0.162 6.162 29.400 140 1 1.336 0.336 1 5.026 0.157 6.362 33.600 160 1 1.378 0.378 1 5.184 0.152 6.562 37.800 180 1 1.420 0.420 1 5.342 0.148 6.762 42.000 200 1 1.462 0.462 1 5.500 0.144 6.962 46.200 220 1 1.504 0.504 1 5.658 0.140 7.162 50.400 240 1 1.546 0.546 1 5.816 0.136 7.362 54.600 260 1 1.588 0.588 1 5.974 0.132 7.562 58.800 280 1 1.630 0.630 1 6.132 0.129 7.762 63.000 300
Con estos datos: PMH2SO4 = 98 kg/kgmol, PMS02 = 64 kg/mol, el S, O2, aire y SO2 estequiométrico, asi como exceso de O2 se llego a esta segunda tabla (los cálculos se pueden apreciar mejor en la hoja de cálculo del Excel).
0 50 100 150 200 250 300 3500.000
0.050
0.100
0.150
0.200
0.250
f(x) = − 0.000265405413046924 x + 0.203109280871782R² = 0.982301627531749
XSO2 vs % exceso aire
% exceso
XSO
2
14
Corriente W y α BC=100kg Corriente 33 y 35 BC=100kg corriente π
compuesto
flujo Mas
a
PM [kg/kgmol
] flujo molar frac. Molcompu
esto
flujo
Masa
PM [kg/kgmol
]flujo
molarfrac. Mol
compuesto
frac. Mas
aflujo
Masa
PM [kg/kgm
ol]flujo
molarfrac. Mol
H2SO4 98.5 981.00510204
10.92343
75 H2SO4 93 98 0.949 0.709 H2SO4 0.981000.00
0 9810.20
4 0.9
H2O 1.5 180.08333333
30.07656
25 H2O 7 18 0.389 0.291 H2O 0.02 20.408 18 1.134 0.1
Σ 100 1.08843537
4 Σ 100 1.338 Σ 11020.40
8 11.33
8
Esta tabla es un anexo, de cómo se cambio de fracción masa a fracción mol, ya que para empezar a resolver, se estipuló, aparte de que es más fácil, trabajar en fracción mol y flujo molar.
Con esta información, con ayuda del solver, se obtuvo la siguiente información:
Flujo de O2 A
%exceso 952.382 componente Corriente [mol] mol de S
%O2 exceso 200.000 SO2 S 46.875 46.875O2 entrada 30752.891 H2SO4 π 10204.082 10204.082O2 salida 20501.934 10250.957N2 115689.446 SO2 salida 10250.957 fracc. SO2 0.070 A.S. [mol] (D) 146442.337
15
10.- TABLAS INICIALES:
Para el balance de materia:
Fracción mol y flujo molar
Componente 1 [A] 4 [D] 5 [E] 11 [K] 14 [N] 17 [Q] 19 [S] 20* [T+δ] 21 [U] 23 [W] 25 [Y] 27 [α] 36 [π]
S 1 SO2 0.07 SO3 O2 0.21 N2 0.79
H2O 1 0.077 0.077 0.077H2SO4 0.923 0.923 0.923
Flujo [mol/h] 11.338suma compo 1 1 0.07 0 0 0 0 1 0 1 0 1 1
incognitas 1 1 2 4 4 4 3 1 2 1 2 1 0
Para el balance de energía:
componente A D E F G H I J K L M N O P Q R S T U W Y α δ
33
34
35 π
S 1
SO2 0.0
7 0.07 1 SO3 O2 0.21 N2 0.79 H2O 1 1 1 0.1H2SO4 1 1 0.9Flujo [mol/h] 10412.3282suma compo 1 1
0.07 0.07 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1
16
incognitas 1 1 1 1 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 1 1 1 2 1 2 1 0
11.- REACCIONES:
Avance Reacción Equipo
ε1 --- S+O2 → SO2 Quemador S
ε2 --- SO2+[1/2]O2 → SO3 Convertidor
ε3 --- SO3+H2O → H2SO4Torre de interpaso
ε4 --- SO3+H2O → H2SO4 Torre final
ε5 --- S+[3/2]O2+H2O → H2SO4 Proceso
NOTA: El nitrógeno es inerte durante todo el proceso, y el catalizador que se emplea, es el pentóxido de vanadio que tiene una temperatura de fusión de 425 °C, que es la temperatura mínima de los equipos en donde se efectúan estas reacciones, sin mencionar que sólo cuando el pentóxido de vanadio es líquido puede actuar como tal (catalizador).
12.- ECUACIONES DE BALANCE:
A continuación se muestra el número que se le asignó a cada componente:
Componentes
S SO2 SO3 O2 N2 H2O H2SO4
Número 1 2 3 4 5 6 7
17
18
Para el balance de materia:
QUEMADOR: 1 S: 0 = A + ε1
2 SO2: 0.07E = ε1
3 O2: X 4E E = 0.21D - ε1
4 N 2: X5E E = 0.79D5 TOTAL: E = A + D – ε1
CONVERTIDOR 6 SO2: X2KK+X2QQ= X2EE+X2NN-ɛ 27 SO3: X3KK+X3QQ= 0+X3LL+ɛ 2
8 O2: X4KK+X 4QQ= X 4E E+X 4NN -12 ɛ2
9 N2 :X5KK+X5QQ= X5E E+X5NN
10 TOTAL: K + Q= E + N - 12 ɛ2
TORRE DE ABSORCIÓN I:11 SO2: X2NN= X2KK12 SO3: X3NN= X3KK -ɛ 313 O2: X4NN= X3KK14 N2 :X5NN= X5KK15 H 2O: X6UU= 0.1W -ɛ 316 H 2SO4: X7UU= 0.9W+ɛ 317 TOTAL: N + K = K + W -ɛ 3
TORRE DE ABSORCIÓN II:18 SO2: X2SS= X2QQ19 SO3: 0 = X3QQ -ɛ 420 O2: X 4SS= X 4QQ21 N2: X5SS= X5QQ22 H 2O: X6YY= 0.1α-ɛ 423 H 2SO4: X7YY= 0.9α+ɛ 424 TOTAL: S + Y = Q + α -ɛ 4
BOMBA:
19
25 TOTAL: (T+δ) + U + Y = W + α + π26 H 2O: (T+δ) + X6UU + X6YY = 0.1W+0.1α+0.1π
27 H 2SO4: X7UU + X7YY = 0.9W+0.9α+0.9π
PROCESO:28 TOTAL: π + S = A + D + (T+δ)29 S: 0 = A – ε5
30 SO2: X2SS = 46.875 mol31 O2: X 4SS = 0.21D – 3/2 ε5
32 N2: X5SS = 0.79D33 H 2O: 0.1π = (T+δ) - ε5
34 H 2SO4: 0.9π = 0 + ε5
13.- RELACIONES ADICIONALES:
35 0.96 = ɛ2X2EE
36 0.90= ɛ3X3KK
37 4.59x10^(-3)=X2SSX7π π
38 0.985= 0.9W +ɛ30.1W
39 0.985= 0.9α+ɛ30.1α
Para el balance de energía:
Para este balance, se propusieron trayectorias, en donde la temperatura, presión, composición, cambio de fase, eran alteradas, hasta llegar a las condiciones deseadas, lo cual se aprecia mejor en la hoja de cálculo de Excel. Sin embargo se mencionará la secuencia de cómo se llevo a cabo el cálculo. Para ello se cuenta con la siguiente información:
20
Corriente Tipo de fluidoTemp (°C) P(bar)
A Azufre liquido 135 D Aire seco 50 2.2F 425 2G 560 H 425 1.8I 471.5 J 425 1.6M 100 N 80 P 425 1.4R 150S 80
T,δ,34 Agua 25W Sol. H2SO4 98% 80α Sol. H2SO4 98% 8033 Sol. H2SO4 93% 45
35Producto sol H2SO4
93% 25
ΠProducto sol H2SO4
98% 25
14.- SECUENCIA DE CÁLCULO:
En este proceso lo que se debe hacer es lo siguiente:
Ya que se obtienen los gráficos, se obtiene información para terminar de plantear la tabla de grados de libertad, teniendo así el flujo del oxígeno que entra, el que sale, el flujo del aire seco, el flujo de azufre que entra. Así ya se observó que al ver la tabla de grados de libertad, el proceso era lo primero que se tenía que resolver.
Ya que se obtenga la información que involucre sólo al proceso, se prosigue a resolver el quemador de azufre.
Se prosigue con las primeras tres camas catalíticas, la cuarta cama, carece de información, por lo que se resolverá primero la torre final.
Ya resuelta la torre, se resolverá la cuarta cama catalítica, prosiguiendo con la torre de interpaso.
21
Por último se pasará a resolver el primer tanque y el segundo tanque respectivamente.
En cada equipo se obtienen las corrientes correspondientes o que se involucren a cada equipo, así como la composición de los componentes en fracción mol y flujo molar.
Ya teniendo la tabla completa, se calculan las cargas térmicas y se resuelve el generador de vapor.
En la cuarta cama cabe mencionar, que se necesita resolver de manera simultánea el balance de materia y energía, así como en la torre de interpaso.
Estos cálculos se pueden apreciar mejor en la hoja de cálculo de Excel, en donde se muestran como se enlazaron las celdas, para obtener cada valor. Cabe mencionar que se necesitó del solver y de muchas iteraciones para poder llegar a la solución del problema.
Una vez completada la tabla principal que contiene las fracciones molares de cada componente se procedió a vaciar los flujos molares por componente así como los flujos totales de cada corriente como se especifica en la parte de resultados del proyecto, también se elaboró una nueva tabla en la que se reportan los mismos resultados pero expresados en fracciones másicas y flujo másico por componente así como el flujo másico total de cada corriente. Incluyendo también la presión de cada corriente.
15:- TABLAS FINALES:
22
TABLAS: Cambio de fracción masa, a fracción mol.
Corriente W y Y BC=100kgCompuesto flujo Masa PM [kg/kgmol] flujo molar frac. Mol
H2SO4 98.5 98 1.005 0.923H2O 1.5 18 0.083 0.077
Σ 100 1.088
Corriente 33 y 35 BC=100kgCompuesto flujo Masa PM [kg/kgmol] flujo molar frac. Mol
H2SO4 93 98 0.949 0.709H2O 7 18 0.389 0.291
Σ 100 1.338
corriente πcompuesto frac. Masa flujo Masa [kg] PM [kg/kgmol] flujo molar [kgmol] frac. Mol
H2SO4 0.98 1000.000 98 10.204 0.9H2O 0.02 20.408 18 1.134 0.1
Σ 1 1020.408 11.338
23
TABLA. Obtención de la flama adiabática del quemador.
ITERACIÓN PARA LA FLAMA ADIABÁTICA DEL QUEMADOR Cp
[J/h] Componente A b C d efrac. [A]
frac. [D] frac. [E]
ΔH1 -1401386590.08 S (monoclinico) 1.83E-02 1.84E-05
ΔH2 -12608676.66 S (rómbico) 1.52E-02 2.68E-05
ΔH3 -4904370.594 S (líquido) -4.54E+03 26065.6 -55520.7 42012.2 54.5886 1
ΔH4 -3895363.52 N2 2.90E-020.00000219
9 5.723E-09 -2.871E-12 0.79 0.79
ΔH5 -12133652.9 O2 2.91E-02 1.16E-05 -6.076E-09 1.311E-12 0.21 0.14
ΔH6 -106836837.2 SO2 3.89E-02 3.90E-05 -3.104E-08 8.606E-12 0.07ΔH7 -3042791457 mezcla [D] 2.90E-02 4.17E-06 3.24521E-09 -1.99278E-12
ΔH8 4584556948 mezcla [E] 2.97E-02 6.09E-06 1.49773E-09 -1.48213E-12
F(T) 0.00 T2[°C] T1 [°C]
para ΔH1 392.15 408.15 Δhsolidif [J/mol] -1230 para ΔH3 95.4 119 Δhtrans m-r [J/mol] -380 para ΔH5 25 95.4 Δhf SO2 -296830 para ΔH6 25 50 para ΔH8 976.76 25
24
ITERACIÓN PARA LA TEMPERATURA DE LA CORRIENTE 11 [K]ITERACIÓN PARA LA PRIMER CAMA CATALÍTICA
Fracción en F a B c d faseΔh°f
[kcal/mol] Δh°f [J/mol] Flujo en G Fracción en GSO2
0.07 3.89E-02 3.90E-05 -3.10E-08 8.61E-12 gas -70.94 -296812.96 3465.948 0.024O2
0.14 2.91E-02 1.16E-05 -6.08E-09 1.31E-12 gas 0.00 0 17109.409 0.120N2
0.79 2.90E-02 2.20E-06 5.72E-09 -2.87E-12 gas 0.00 0115689.36
8 0.809Mezcla ΔH1
2.97E-02 6.09E-06 1.50E-09 -1.48E-12 gas SO3
4.85E-02 9.19E-05 -8.54E-08 3.24E-11 gas -94.39 -394927.76 6785.009 0.047Mezcla ΔH3
3.02E-02 8.47E-06 -9.01E-10 -4.20E-13 gas
146442.2376 ΔH1 ΔH2 ΔH3 avance F(T) Para ΔH1143049.73
3 1
-1824306694 -665709753.7249001644
8 6785.008517 0 t1 425 Δh°r t2 25 -98114.8 Para ΔH3 t1 25 t2 560
25
ITERACIÓN PARA LA SEGUNDA CAMA CATALÍTICA
Fracción en F a B c d fase Δh°f [kcal/mol] Δh°f [J/mol] Flujo en I Fracción en I
SO20.070 3.89E-02 3.90E-05 -3.10E-08 8.61E-12 gas -70.94 -296812.96 7953.028 0.055
O20.140 2.91E-02 1.16E-05 -6.08E-09 1.31E-12 gas 0.00 0 19352.949 0.133
N20.790 2.90E-02 2.20E-06 5.72E-09 -2.87E-12 gas 0.00 0 115689.368 0.796
Mezcla ΔH1
2.97E-02 6.09E-06 1.50E-09 -1.48E-12 gas SO3
4.85E-02 9.19E-05 -8.54E-08 3.24E-11 gas -94.39 -394927.76 2297.929 0.016Mezcla
ΔH3 2.99E-02 6.88E-06 6.98E-10 -1.13E-12 gas
146442.2376 ΔH1 ΔH2 ΔH3 avance F(T) Para ΔH1 145293.273 1
-
1824306694 -225460837.7 20497675322297.92893
3 0 t1 425
Δh°r t2 25
-98114.8 Para ΔH3
t1 25
t2 471.5
26
ITERACIÓN PARA LA TERCERA CAMA CATALÍTICA
Sabiendo que el avance total para las primeras 3 camas catalíticas es de 9840.9183, el avance para la última cama debe ser de 757.9809
Fracción en F a B c D fase Δh°f [kcal/mol] Δh°f [J/mol] Flujo en K Fracción en K
SO20.070 3.89E-02 3.90E-05 -3.10E-08 8.61E-12 gas -70.94 -296812.96 410.038 0.003
O20.140 2.91E-02 1.16E-05 -6.08E-09 1.31E-12 gas 0.00 0 15581.454 0.110
N20.790 2.90E-02 2.20E-06 5.72E-09 -2.87E-12 gas 0.00 0 115689.367 0.817
Mezcla ΔH1
2.97E-02 6.09E-06 1.50E-09 -1.48E-12 gas SO3
4.85E-02 9.19E-05 -8.54E-08 3.24E-11 gas -94.39 -394927.76 9840.918 0.070Mezcla
ΔH3 3.04E-02 9.57E-06 -2.02E-09 7.53E-14 gas
146442.2376 ΔH1 ΔH2 ΔH3 avance F(T) Para ΔH1 141521.778 1
-
1824306694 -74369139.5 1898675834757.9808
5 0 t1 425
Δh°r t2 25
-98114.8 Para ΔH3
t1 25
t2 438.09
27
ITERACIÓN PARA LA TORRE DE INETRPASO ΔH1 0 Cp
ΔH2 -329016115.3
fracción 13 [M] fracción 23
fracción 14 [N] a b c d
ΔH3 0 SO2 0.003 0.0032 3.89E-02 3.90E-05
-3.104E-08 8.606E-12
ΔH4 -2986952759 O2 0.11 0.0075 2.91E-02 1.16E-05
-6.076E-09 1.311E-12
ΔH5 0 N2 0.817 0.1174 2.90E-02
0.000002199 5.723E-09 -2.871E-12
ΔH6 2139436766 SO3 0.07 0.8719 4.85E-02 9.19E-05 -8.54E-08 3.24E-11
ΔH7 -1155775186 H2O 0.1 7.54E-02
ΔH8 0 H2SO4 0.9 1.39E-01 1.56E-04
ΔH9 452512890.4 mezcla 13 3.04E-02 9.62E-06 -2.06E-09 9.24E-14
ΔH10
0 mezcla 23 1.33E-01 1.40E-04
ΔH11 365019738.8
mezcla 14 4.60E-02 8.06E-05 -7.39E-08 2.80E-11
ΔH12 -1949617825
13 [M] 23 [W] ΔH1
33464392491 Flujo
molar 141521.778387649.364
6 Balance de 14 [N]
F(T) 0 ΔH11 ΔH2 ΔH4 ΔH6 14 [N]
T2 80 25 25 ΔH mezclado 6132.222 13 [M] flujofraccio
n Avance
T1 25 100 80 r0.11111111
1 SO2 0.003 424.565334 0.00328915.87201
4 ΔH12 ΔH7 ΔH9 SO3 0.07 990.652446 0.0075
28
ΔH mezclad
o -5448.899 ΔHf SO3 -394927.76 ΔH mezclado 50753.632 O2 0.1115567.3955
8 0.1174
r 0.0834 ΔHf H2O -285840 R 3.3479 N2 0.817115623.292
6 0.8719
ΔHf H2SO4 -810398.96 H2SO4
H2O
ΔH13 141521.77
8 132605.906 1 Cp Flujo Fracciones a B H2O 29849.06 0.077 1.34E-01 1.44E-04
H2SO4357800.30
2 0.923 T2 T1
387649.36
2 87.80 25
29
ITERACIÓN PARA LA CUARTA CAMA CATALÍTICA
Fracción en 16 [P] A b c d
fase
Δh°f [kcal/mol]
Δh°f [J/mol]
Flujo en 17 [Q]
Fracción en 17 [Q]
SO2 0.0032 3.89E-02 3.90E-05 -3.10E-08 8.61E-12 gas -70.94
-296812.9
6 47.201 0.0004 O2 0.1174 2.91E-02 1.16E-05 -6.08E-09 1.31E-12 gas 0.00 0 15379.364 0.1161 N2 0.8719 2.90E-02 2.20E-06 5.72E-09 -2.87E-12 gas 0.00 0 115689.975 0.8732
SO3 0.0075 4.85E-02 9.19E-05 -8.54E-08 3.24E-11 gas -94.39
-394927.7
6 1371.682 0.0104
Mezcla
ΔH1 2.92E-02 4.09E-06 3.54E-09 -2.08E-12 gas
Mezcla
ΔH3 2.92E-02 4.23E-06 3.40E-09 -2.02E-12 gas
132605.9 ΔH1 ΔH2 ΔH3 avanceF(T
) Para ΔH1 132488.222 1
-1606862834
-37002839.0
7164386567
3 377.1382 0 t1425
Δh°r t2 25 -98114.8 Para ΔH3 t1 25
ENTRADA SALE Fracc Mol (SALE) t2 433.56
flujo 27Flujo
H2SO4 Flujo H2OFLUJO H2SO4
FLUJO H2O H2SO4 H2O
59638.05244
53674.2472 5963.805244 55045.9294
4592.123044
0.923000117
0.076999883
30
ITERACIÓN PARA LA TORRE FINAL ΔH1 0 Cp
ΔH2 -490465010.8 fracción 18
[R]fracción 27
[α]fracción 19
[S] a b c d
ΔH3 0 SO2 3.56E-04 0.0004 3.89E-023.90E-
05-3.104E-
08 8.606E-12
ΔH4 -459528794.7 O2 0.1161 0.1173 2.91E-021.16E-
05-6.076E-
09 1.311E-12
ΔH5 0 N2 0.8732 0.8824 2.90E-022.20E-
06 5.723E-09 -2.871E-12
ΔH6 329142399.5 SO3 0.01035 4.85E-029.19E-
05 -8.54E-08 3.24E-11 ΔH7 -177812809.6 H2O 0.1 7.54E-02
ΔH8 0 H2SO4 0.9 1.39E-011.56E-
04
ΔH9 69617488.33 mezcla 18 2.92E-024.23E-
06 3.40E-09 -2.02E-12 ΔH1
0 0 mezcla 27 1.33E-011.40E-
04 ΔH1
1 210584122 mezcla 19 2.90E-023.31E-
06 4.33E-09 -2.38E-12
ΔH12
-299939305.79
8 18 [R] 27 [α] ΔH1
3 818401911.2 Flujo
molar 132488.222 59638.05244 Balance de 19F(T) 0 ΔH11 ΔH2 ΔH4 ΔH6 19
T2 80 25 25 ΔH mezclado 6132.222 flujofraccio
n Avance
T1 25 150 80 r0.11111111
1 SO2 47.2006 0.00041371.682
2 ΔH12 ΔH7 ΔH9 SO3 0 0.0000
ΔH
mezclado -5448.891 ΔHf SO3 -394927.76 ΔH mezclado 50753.366 O2 15376.906 0.1173 r 0.0834 ΔHf H2O -285840 r 3.3478 N2 115689.975 0.8824 ΔHf H2SO4 -810398.96 H2SO4 H2O ΔH13 131114.081 1
31
6 Cp Flujo Fracciones a b H2O 4592.123 0.077 1.34E-01 1.44E-04
H2SO455045.932
2 0.923 T2 T1 59638.052 119.89 25
ITERACIÓN PARA EL FLUJO T SALE
flujo T Flujo de AGUA FLUJO De H2SO4 Frac H2SO4 Fracc H2O9911.6673 39755.6173 357800.36 0.90 0.10
ITERACIÓN PARA EL TANQUE 1
ΔH1 -3303614099 a bFRACCIÓN
ΔH1FRACCIÓN
ΔH4 T2 T1
ΔH2 127847.4571 H2O7.54E-
02 0.007 0.011
ΔH3 -219164.467 H2SO41.39E-
01 1.56E-04 0.923 0.989
ΔH4 3202830624 mezcla ΔH11.29E-
01 1.44E-04 25 87.21
Q-
100874792.1 mezcla ΔH41.38E-
01 1.54E-04 80 25
r Δhm ΔH2 0.0076 3.5771723 ΔH3 0.1111 -6.1322225
ITERACIÓN PARA EL FLUJO δ SALE
flujo δ Flujo de AGUA FLUJO De H2SO4 Frac H2SO4 Fracc H2O
32
1553.0747 6119.1131 55072.01364 0.90 0.10
33
ITERACION PARA HOT INTERPASS EXCHANGER Cp Cp
corriente
Icorrient
e J a b c d corriente
Ocorriente
P a b c dSO2 0.055 0.055 3.89E-02 3.90E-05 -3.10E-08 8.61E-12 SO2 0.0032 0.0032 3.89E-02 3.90E-05 -3.10E-08 8.61E-12SO3 0.016 0.016 4.85E-02 9.19E-05 -8.54E-08 3.24E-11 SO3 0.0075 0.0075 4.85E-02 9.19E-05 -8.54E-08 3.24E-11O2 0.133 0.133 2.91E-02 1.16E-05 -6.08E-09 1.31E-12 O2 0.1174 0.1174 2.91E-02 1.16E-05 -6.08E-09 1.31E-12N2 0.796 0.796 2.90E-02 2.20E-06 5.72E-09 -2.87E-12 N2 0.8719 0.8719 2.90E-02 2.20E-06 5.72E-09 -2.87E-12
T [°C] 471.5 425 T [°C] 375.91 425 Mezcla
I-J 2.99E-02 6.91E-06 6.74E-10 -1.12E-12 Mezcla
O-P 2.92E-02 4.09E-06 3.54E-09 -2.08E-12
Flujo molar I
145293.273
Flujo molar
O145293.2
73
Q
-2229607
27.4 Q2229607
27.4
ITERACIÓN PARA EL COLD INTERPASS EXCHANGER Cp Cp
corriente
Ncorriente
O a b C d corriente
Kcorriente
L a b c dSO2 0.0032 0.0032 3.89E-02 3.90E-05 -3.10E-08 8.61E-12 SO2 0.0030 0.0030 3.89E-02 3.90E-05 -3.10E-08 8.61E-12SO3 0.0075 0.0075 4.85E-02 9.19E-05 -8.54E-08 3.24E-11 SO3 0.0700 0.0700 4.85E-02 9.19E-05 -8.54E-08 3.24E-11O2 0.1174 0.1174 2.91E-02 1.16E-05 -6.08E-09 1.31E-12 O2 0.1100 0.1100 2.91E-02 1.16E-05 -6.08E-09 1.31E-12N2 0.8719 0.8719 2.90E-02 2.20E-06 5.72E-09 -2.87E-12 N2 0.8170 0.8170 2.90E-02 2.20E-06 5.72E-09 -2.87E-12
T [°C] 80 375.91 T [°C] 438.09 692.84 Mezcla
N-O 2.92E-02 4.09E-06 3.54E-09 -2.08E-12 Mezcla
K-L 3.04E-02 9.62E-06 -2.06E-09 9.24E-14
Flujo molar N
145293.273
Flujo molar K
145293.273
Q1302573278.0734 Q
1302572462.5
34
Con todos estos cálculos, se logró llenar toda la tabla con la información que se requería:Fracción molar
Componente 1 [A] 4 [D] 5 [E] 6 [F] 7 [G] 8 [H] 9 [I]
10 [J]
11 [K]
12 [L]
13 [M]
14 [N]
15 [O]
16 [P]
17 [Q]
18 [R]
19 [S]
20 [T]
20* [T+δ
]21 [U]
23 [W]
25 [Y]
27 [α]
30 [δ]
36 [π]
S 1
SO2 0.07 0.070.02
40.02
40.05
50.05
50.00
30.00
30.00
30.0032
0.0032
0.0032
0.0004
0.0004
0.00036
SO3 0.04
70.04
70.01
60.01
6 0.07 0.07 0.070.0075
0.0075
0.0075
0.0104
0.0104
O2 0.21 0.14 0.14 0.12 0.120.13
30.13
3 0.11 0.11 0.110.1174
0.1174
0.1174
0.1161
0.1161
0.11728
N2 0.79 0.79 0.790.80
90.80
90.79
60.79
60.81
70.81
70.81
70.8719
0.8719
0.8719
0.8732
0.8732
0.88237
H2O 1 10.07
7 0.10.07
7 0.1 1 0.1
H2SO4 0.92
3 0.90.92
3 0.9 0.9Flujo molar por componente y flujo molar
Componente 1 [A] 4 [D] 5 [E] 6 [F] 7 [G] 8 [H] 9 [I]
10 [J]
11 [K]
12 [L]
13 [M]
14 [N]
15 [O]
16 [P]
17 [Q]
18 [R]
19 [S]
20 [T]
20* [T+δ
]21 [U]
23 [W]
25 [Y]
27 [α]
30 [δ]
36 [π]
S
10250.957
SO2
10250.95
7
10250.95
73433.194
3433.194
7991.130
7991.130
424.565
424.565
424.565
424.339
424.339
424.339
52.995
52.995
47.201
SO3 6723.337
6723.337
2324.692
2324.692
9906.524
9906.524
9906.524
994.544
994.544
994.544
1377.878
1377.878
O2
30752.89
1
20501.91
3
20501.91
3
17165.96
8
17165.96
8
19324.00
5
19324.00
5
15567.39
6
15567.39
6
15567.39
6
15567.93
3
15567.93
3
15567.93
3
15381.88
3
15381.88
3
15376.90
6
N2
115689.446
115689.368
115689.368
115727.234
115727.234
115653.445
115653.445
115623.293
115623.293
115623.293
115619.089
115619.089
115619.089
115688.715
115688.715
115689.981
H2O
9911.667
11384.743
29849.00
1
38764.93
6
4592.13
0
5963.80
5
1553.075
1133.78
7
H2SO4
357800.359
348884.424
55045.922
53674.247
10204.081
Flujo [mol/h]
10250.957
146442.337
146442.238
146442.238
143049.733
143049.733
145293.273
145293.273
141521.778
141521.778
141521.778
132605.906
132605.906
132605.906
132488.222
132488.222
131112.777
9911.667
11384.743
387649.360
387649.360
59638.052
59638.052
1553.075
11337.868
Temperatura [°C] 135 50
976.76 425 560 425
471.5 425
438.09
189.31 100 80
375.91 425
433.56 150 80 25 87.8 80
119.89 80 25 25
35
Fracción masa
Componente 1 [A] 4 [D] 5 [E] 6 [F] 7 [G] 8 [H] 9 [I]
10 [J]
11 [K]
12 [L]
13 [M]
14 [N]
15 [O]
16 [P]
17 [Q]
18 [R]
19 [S]
20 [T]
20* [T+δ
]21 [U]
23 [W]
25 [Y]
27 [α]
30 [δ]
36 [π]
S1.00
0
SO2 0.14
40.14
40.04
80.04
80.11
20.11
20.00
60.00
60.00
60.00
70.00
70.00
70.00
10.00
10.00
1
SO3 0.11
80.11
80.04
10.04
10.17
40.17
40.17
40.02
10.02
10.02
10.02
90.02
9
O2 0.23
30.14
40.14
40.12
10.12
10.13
60.13
60.10
90.10
90.10
90.13
00.13
00.13
00.12
80.12
80.13
2
N2 0.76
70.71
20.71
20.71
30.71
30.71
10.71
10.71
10.71
10.71
10.84
30.84
30.84
30.84
20.84
20.86
7
H2O 1.00
0 0.015 0.0200.01
50.02
01.000
0.020
H2SO4 0.985 0.9800.98
50.98
0 0.98
0Flujo másico por componente y flujo másico
Componente 1 [A] 4 [D] 5 [E] 6 [F] 7 [G] 8 [H] 9 [I]
10 [J]
11 [K]
12 [L]
13 [M]
14 [N]
15 [O]
16 [P]
17 [Q]
18 [R]
19 [S]
20 [T]
20* [T+δ
]21 [U]
23 [W]
25 [Y]
27 [α]
30 [δ]
36 [π]
S1004.594
SO2 656.061
656.061
219.724
219.724
511.432
511.432
27.172
27.172
27.172
27.158
27.158
27.158
3.392
3.392
3.021
SO3 537.867
537.867
185.975
185.975
792.522
792.522
792.522
79.564
79.564
79.564
110.230
110.230
O2 984.093
656.061
656.061
549.311
549.311
618.368
618.368
498.157
498.157
498.157
498.174
498.174
498.174
492.220
492.220
492.061
N2 3239.304
3239.304
3239.304
3239.304
3239.304
3239.304
3239.304
3239.304
3239.304
3239.304
3239.304
3239.304
3239.304
3239.304
3239.304
3239.304
H2O 178.410
204.925
537.282
697.769
82.658
107.348
27.955
20.408
H2SO4 35064.435
34190.674
5394.500
5260.076
1000.000
Flujo [kg/h]
1004.594
4223.397
4551.427
4551.427
4546.207
4546.207
4555.080
4555.080
4557.155
4557.155
4557.155
3844.200
3844.200
3844.200
3845.147
3845.147
3734.386
178.410
204.925
35601.717
34888.442
5477.159
5367.425
27.955
1020.408
Temperatura [°C] 135 50
976.76 425 560 425
471.5 425
438.09
189.31 100 80
375.91 425
433.56 150 80 25 87.8 80
119.89 80 25 25
36
Fracción mol y
flujo molar
Componente
1 [A] 4 [D] 5 [E] 6 [F] 7 [G] 8 [H] 9 [I] 10
[J]11 [K]
12 [L]
13 [M]
14 [N]
15 [O]
16 [P]
17 [Q]
18 [R]
19 [S]
20 [T]
20* [T+δ]
21 [U]
23 [W]
25 [Y]
27 [α]
30 [δ]
36 [π]
S 1
SO2 0.07 0.07 0.024
0.024
0.055
0.055
0.003
0.003
0.003
0.0032
0.0032
0.0032
0.0004
0.0004
0.00036
SO3 0.047
0.047
0.016
0.016
0.070
0.070
0.070
0.0075
0.0075
0.0075
0.0104
0.0104
O2 0.21 0.14 0.14 0.120
0.120
0.133
0.133
0.110
0.110
0.110
0.1174
0.1174
0.1174
0.1161
0.1161
0.11728
N2 0.79 0.79 0.79 0.809
0.809
0.796
0.796
0.817
0.817
0.817
0.8719
0.8719
0.8719
0.8732
0.8732
0.88237
H2O 1 1 0.077
0.100
0.077
0.100 1 0.1
00H2SO
4 0.923
0.900
0.923
0.900 0.9
00
Flujo [mol/h]
10250.957
146442.337
146442.2376
146442.2376
143049.733
143049.733
145293.273
145293.273
141521.778
141521.778
141521.778
132605.906
132605.906
132605.906
132488.222
132488.222
131112.777
9911.6673
11384.743
387649.36
387649.36
59638.052
59638.052
1553.0747
11337.868
Temperatura [°C] 135 50
976.76 425 560 425
471.5 425
438.09
189.31 100 80
375.91 425
433.56 150 80 25
87.80 80
119.89 80 25 25
Presión [bar] 2.2 3.58 2 2.39 2 2.13 2 2.04 2.71 1.07 1.01 1.85 2 2.02 1.21 1.01
0.85
0.78 1.03
1.01
1.13
1.01
0.85
0.85
suma compo 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
incognitas 0 0 0 4 4 0 4 4 0 0 2 1 2 1 0
En esta tabla, lo único que se anexo, fueron las presiones.
37
16.- CARGA TÉRMICA:
Carga térmica B01 Composicion 5 a(A) 0.0297077 O2 0.14 b(A) 6.09121E-06 N2 0.79 c(A) 1.49773E-09 T5[°C]= 976.76
SO2 0.07 d(A) -1.48213E-12 T6[°C]= 425
Cp M[mol/h]=146442.23
8 E
componente a x 10^3 b x 10^5 c x 10^8 d x 10^12 M[mol/h]=146442.23
8 F O2 29.1 1.158 -0.6076 1.311 N2 29 0.2199 0.5723 -2.871 ΔH5[BTU/lb]= 1959.3181
SO2 38.91 3.904 -3.104 8.606 ΔH6[BTU/lb]= 1364.626
ΔHB01=QB01= [MMBTUH] -2.616
MH2O= [Ton/h] 4.741601588
Carga térmica de B02 Composicion G a(A) 0.03016634 O2 0.12 b(A) 8.42391E-06 N2 0.809 c(A) -8.57973E-10
SO2 0.024 d(A) -4.35975E-13 TG[°C]= 560 SO3 0.047 TH[°C]= 425
Cp M[mol/h]=143049.73
3 E
componente a x 10^3 b x 10^5 c x 10^8 d x 10^12 M[mol/h]=143049.73
3 F O2 29.1 1.158 -0.6076 1.311 N2 29 0.2199 0.5723 -2.871 ΔHG[BTU/lb]= 1517224
SO2 38.91 3.904 -3.104 8.606 ΔHH[BTU/lb]= 1364.592 SO3 48.5 9.188 -8.54 32.4
ΔHB02=QB02= [MMBTUH] -0.623
38
MH2O= [Ton/h] 4.617027078
Carga térmica de X04 Composicion Q a(A) 0.02922127 O2 0.1161 b(A) 4.2358E-06 N2 0.8732 c(A) 3.3913E-09
SO2 0.0004 d(A)-2.0143E-
12 TQ[°C]= 433.56 SO3 0.0104 TR[°C]= 150
Cp M[mol/h]=132488.22
2 E
componente a x 10^3 b x 10^5 c x 10^8 d x 10^12 M[mol/h]=132488.22
2 F O2 29.1 1.158 -0.6076 1.311
N2 29 0.2199 0.5723 -2.871 ΔHQ[BTU/lb]= 1517224
SO2 38.91 3.904 -3.104 8.606 ΔHR[BTU/lb]= 1364.592 SO3 48.5 9.188 -8.54 32.4
ΔHX04=QX04= [MMBTUH] -1.093
MH2O= [Ton/h] 3.8559914
Carga térmica de X09 Composicion 7 a(A) 0.03040573 O2 0.11 b(A) 9.6191E-06
N2 0.817 c(A)-2.0638E-
09 SO2 0.003 d(A) 9.2421E-14 T12[°C]= 189.31 SO3 0.07 T13[°C]= 100
Cp M[mol/h]=141521.77
8 E
componente a x 10^3 b x 10^5 c x 10^8 d x 10^12 M[mol/h]=141521.77
8 F O2 29.1 1.158 -0.6076 1.311 N2 29 0.2199 0.5723 -2.871 ΔH12[BTU/lb]= 1657.53
SO2 38.91 3.904 -3.104 8.606 ΔH13[BTU/lb]= 183.51
39
SO3 48.5 9.188 -8.54 32.4
ΔHX09=QX09
= [MMBTUH] -0.380
MH2O= [Ton/h]4.2592348
8
17.- GENERACIÓN DE VAPOR:
Qtot(kJ/h) 4972817.9 100 bar 100bar 100 bar
MH2O[mol/h]=173559.18
9 30 °C 410 °C 410 °C
MH2O[Ton/h]=3.1240654
1 líquido líquido vapor MH2O MH2O MH2O
CpH2Oliq= 0.0754 [kJ/mol°C]PMH2O= 18 [g/mol] ΔH1=Qtot= 4972817.897 [kJ/h]
ΔH2= 0 [kJ/h]
Empleando Qganado=-Qcedido
Q=Cp(Tf-Ti)MH2O
Despejando la masa se llegó a la información de esta tabla.
18.- DISCUCIÓN DE ASPECTOS REELEVANTES:
Miércoles 7, Jueves 8 y Viernes 9 de Noviembre del 2012:
Para empezar a resolver el proyecto fue de suma importancia, procesar bien que era lo que se efectuaba en cada equipo, previamente observando que corrientes nos eran útiles y que corrientes no. Así como identificar que corrientes debían estar fría o en dado caso, que corrientes debían estar a una elevada temperatura.
40
Sábado 10 y Domingo 11 de Noviembre del 2012:
Ahora bien, ya analizado el proceso, se comenzó a plantear un diagrama simplificado con el cual se iba a trabajar durante la resolución de este. Se identificaron corrientes y los componentes que se localizaban en cada una. Se plantearon las ecuaciones de balance y se obtuvieron las relaciones adicionales. En este caso fue importante ver en que unidades se iba a trabajar y se determinó que se trabajaría en flujo molar y fracción mol, por lo que los datos que nos proporcionaba el problema, estaban en peso, por lo que se cambio de fracción masa a fracción mol. Se planteó en esos días, las gráficas en donde se trabajaba con el exceso de oxígeno, y nos disponíamos a continuar el lunes ya con ese planteamiento.
Lunes 12 y Martes 13 de Noviembre del 2012:
Ese día estando en la clase de Balance de Materia y Energía, en base a las dudas que teníamos, descubrimos que el planteamiento de los dos primeros gráficos no fue el adecuado, nos quedamos ese día en la biblioteca y comenzamos a replantearlo, y por más que tratábamos de plantear una relación en la cual encontraramos el valor de oxígeno estequiométrico que necesitaba el proceso, pero no sabíamos como verlo con las reacciones, cuando en realidad era un cálculo muy sencillo, y eso fue muy demostrado, cuando se fue a preguntarle a profesor Barragán a su oficina y de nuevo en la reacción el las junto, algo que no se nos había ocurrido, aunque bueno, también por separado hubiese salido, pero nos complicamos en estar graficando. Al día siguiente ya se plantearon bien esos gráficos, se usó el solver para saber cuanto exceso de oxígeno se necesitaba en el porceso. Y así al observar la tabla de grados de libertad, nos llevo a que lo primero que se tenía que resolver era el proceso y se comenzó a resolverlo.
Miércoles 14 de Noviembre del 2012:
En este día lo que se prosiguió a hacer fue el quemador, en esta parte fue importante calcular la temperatura de flama adiabática, para el cual fue importante conocer los Cp de forma polinomial de los componentes por lo que se ideó una trayectoria para poder resolverlo.
Jueves 15, Viernes 16 y Sábado 17 de Noviembre del 2012:
Estos días se logró el mayor avance resolviendo las 4 camas catalíticas, la torre de interpaso y la torre final usando como herramienta principal “solver”, de Excel. Se verificó la consistencia de los datos con lo especificado por el problema y coherencia física, por ejemplo, que las temperaturas de salida en cada cama fueran menores que en la salida de la cama anterior, condición fijada por la curva de equilibrio en
41
la que se observa claramente que tanto el avance como la temperatura deben disminuir de una cama a la siguiente. También que los cp fueran los correctos, ya que se debía usar el mono cíclico y el rómbico.
Domingo 18 de Noviembre del 2012:
Se resolvieron los equipos intercambiadores de calor usando como base los flujos calculados los días anteriores obteniendo las cargas térmicas para cada uno de estos equipos.
Lunes 19 de Noviembre del 2012:
Se resolvió el primer tanque y se volvió a verificar la consistencia de los nuevos datos con el resto del proceso.
Martes 20 y Miercoles 21 de Noviembre del 2012:
En estos dos días se resolvió el último tanque, que era lo único que faltaba para el balance de materia y energía, en este caso, fue de suma importancia hacer bien la iteración con los valores para que nos diera la temperatura que cumpliera con las condiciones del proceso.
Jueves 22 de Noviembre del 2012:
Este día se dedicó a ajustar detalles en el archivo pdf, pasar las gráficas, y los datos relevantes referentes al proyecto, se resolvió el generador de vapor, utilizando las tablas de vapor, también observando las presiones correspondientes y haciendo interpolaciones en dado caso de que fuera necesario. Y listo, el proyecto quedó y se llegaron a las conclusiones.
19.- CONCLUSIONES:
En este proyecto se llegaron a los resultados de manera satisfactoria, en donde fue necesario tener una buena idea del proceso, y una buena visión de cómo poder plantearlo para poder resolverlo.
Fue importante usar de mucha información, pero información confiable, como los Cp en forma polinomial a las concentraciones que se manejaban, ya que esta información se encuentra a ciertas condiciones.
El siempre observar las unidades, es algo que también es muy importante que no se debe dejar pasar, ya que si no se fijan bien las unidades, los datos no serán congruentes con respecto a cada dato y simplemente no se llegaría a lo que se llegó.
42
Fue muy importante inventar trayectorias, rápidas y lógicas con respecto al cálculo, para que con el cual se llegará a la información que deseábamos buscar para así hacer pequeñas iteraciones.
La estructura a la que se encuentra un componente es importante, ya que con ello también era posible ver que trayectoria se tenía que emplear, y saber de igual forma si era posible que con dicha estructura se podía efectuar la reacción o simplemente se tenía que llevar a otra estructura para que pudiera ser factible, tal es el caso del azufre, que de la estructura monoclínica, empleando modelos con cajitas, se paso al azufre rómbico para que así pudiera existir la reacción.
El solver fue una gran herramienta en el proyecto para facilitar el cálculo de la mayoría de los valores, también por que el tiempo era lo que menos podíamos perder y teniendo esa herramienta, era necesario aprovecharla, usándola de la manera mas adecuada y lo mas importante, que se sepa manejar.
El hacer este tipo de proyectos a estas alturas tempranas de la carrera, ayudan al alumno a tener una mejor capacidad de observación, entendimiento, comprensión, rapidez mental, para poder resolverlo. Así como el ir adentrándose a la carrera de la Ingeniería Química que para el alumno que se encuentra cursándola, sepa desempeñarse día a día mejor en esta rama de la ciencia.
20.- BIBLIOGRAFÍA:
Para realizar los cálculos se requirieron ciertos datos, talas como: Calores específicos, Entalpias de formación, entalpias de vaporización, entalpias de mezclado, presiones de vapor, etc. Los cuales fueron obtenidos de libros y páginas de internet, que a continuación serán citados.
Smith.J.M., Van Ness.H.C., Abbott.M.M., Introducción a la termodinámica en Ingeniería Química, Ed. Mac Graw Hill, Séptima Edición.
Perry. Robert. H., Green. Don W., Maloney. James., Perry Manual del Ingeniero Químico, Ed. Mc Graw Hill, Sexta Edición (Tercera edición en español), 1992.
http://www.nist.gov/mml/acmd/fluids_properties/standard-reference-fluid-measurements.cfm .
http://200.77.231.100/work/normas/noms/1993/039ecol.pdf Normas
http://turnkey.taiwantrade.com.tw/showpage.asp? subid=122&fdname=CHEMICAL+MATERIAL&pagename=Planta+de+produccion+de+acido+sulfurico Introducción.
También cabe mencionar que fueron utilizados datos e información que fueron proporcionados por el profesor durante las clases.