Date post: | 05-Aug-2015 |
Category: |
Documents |
Upload: | jose-luis-ig |
View: | 883 times |
Download: | 4 times |
INDUSTRIA DEL ÀCIDO NÌTRICO Y AMONIACO
9.1 PROCESO DE OBTENCION DEL ACIDO NITRICO
Propiedades Físicas y Químicas
El ácido nítrico ha sido conocido y estimado desde hace mucho tiempo. La destilación del
salitre con ácido sulfúrico es el método antiguo usual para su preparación. Los relámpagos
forman cantidades considerables en la atmósfera.
El. HNO3 es un líquido incoloro que se descompone lentamente por la acción de la luz,
adoptando una coloración amarilla por el NO2 que se produce en la reacción. , su punto de
fusión es de –43 ºC y su punto de ebullición es de 83 ºC Es soluble en agua en cualquier
proporción y cantidad y Las fabricas generalmente producen un ácido fuerte de
concentración 98.5% y un ácido débil de 60-62%.
La densidad del producto varía según la concentración. La del ácido fuerte es de 1.513 gr/l
y la del débil 1.376 gr/l.
El Ácido Nítrico es uno de los más fuertes desde el punto de vista iónico. Pero lo que lo
caracteriza químicamente es su energía de acción oxidante. La misma se manifiesta sobre
casi todos los metales excepto por el Oro y el Platino, Este ácido es toxico, muy corrosivo,
mancha la piel de amarillo y destruye las mucosas.
Las fábricas generalmente producen un ácido fuerte de concentración 98.5% y un ácido
débil de 60-62%.
USOS DEL ÁCIDO NÍTRICO
El HNO3 es uno de los ácidos mas importantes desde el punto de vista de vida industrial,
pues se le consume en grandes cantidades en la industria .
El ácido nítrico Se emplea en los procesos de fabricación de fertilizantes, explosivos(TNT,
Nitrocelulosa, Nitroglicerina )colorantes, agua regia, derivados nitrados y como intermedio
en la producción de espumas rígidas y flexibles para mobiliario.
En menor cantidad se emplea en galvanoplastia y metalurgia.
El ácido fuerte se comercializa en camiones cisterna y contenedores de aluminio y el débil
en cisternas de acero inoxidable.
9.1.1 PROCESO DE FABRICACION DE ACIDO NITRICO
Para la obtención del ácido nítrico de forma industrial se utiliza el denominado proceso de
Ostwald. Consiste en la oxidación catalítica del amoniaco procedente de la síntesis de
Haber, a óxidos de nitrógeno que por acción del agua pasan a ácido nítrico. Podemos
dividir el proceso en tres fases:
Se puede quemar amoniaco en aire, en presencia de un catalizador de platino, y los óxidos
de nitrógeno así formados pueden oxidarse más y absorberse en agua para formar ácido
nítrico. El amoniaco barato ha hecho que este proceso resulte mucho menos caro que la
síntesis, más antigua, a partir del salitre de Chile.
El proceso Oswald es un proceso por tres etapas mediante el cual es manufacturado el
ácido nítrico, HNO3.
MATERIAS PRIMAS
Las materias primas utilizadas en el proceso de obtención del acido nítrico son los
siguientes:
Amoniaco, aire, agua de proceso y catalizador de platino
PROPIEDADES FISICAS DEL AMONIACO
Punto de ebullición -33.4ºC a 1.013 bar
Temperatura de ignición 651ºC
Concentración explosiva en el aire 16% - 28% Porcentaje de volumen
El Amoniaco es un combustible moderado,
9.1.2. DIAGRAMA DE BLOQUES DEL PROCESO DE ACIDO NITRICO
Fuente: Propia
DESCRIPCION DEL DIAGRAMA DE FLUJO DE BLOQUES
Una mezcla gaseosa de aire y amoníaco (11% molar en amoníaco; son introducidos en un
reactor de oxidación catalítica, identificado como “Sección I” . El reactor funciona a 1163
K y 700 kPa. El reactor tiene una malla de platino (con 10% de Rh) que es muy selectiva
para la reacción de oxidación del amoniaco para obtener monóxido de nitrógeno ,siguiendo
la reacción exotérmica:
Los productos del reactor son luego enfriados en un intercambiador de calor con una
corriente externa de agua fría quitando el calor en exceso. Los productos después del
enfriamiento entran en una segunda cámara (Sección II) que funciona acoplada a una
columna de absorción (Sección III). En la Sección II, el monóxido de nitrógeno es oxidado
totalmente a dióxido de nitrógeno en exceso de aire que entra en la cámara por la corriente
6, siguiendo la reacción .
2 NO(g) + O2(g) → 2 NO2(g)
Finalmente la columna de absorción, Sección III el dióxido de nitrógeno es absorbido
completamente en agua produciendo ácido nítrico según la reacción .
El ácido nítrico es obtenido por el fondo de la columna con una pureza de 60% en peso
(corriente 10) mientras que por el tope sale una corriente de gases residuales (corriente 9)
constituida por, oxígeno, monóxido de nitrógeno y todo el amoniaco que no reaccionó más
el nitrógeno. Por el tope entra agua de proceso (corriente 8) .
DIAGRAMA DE BLOQUES DEL PROCESO DE ACIDO NÍTRICO
Fuente: Propia
Fuente: http://www.diquima.upm.es/docencia/tqi/docs/ammonia.pdf
9.1.3 DESCRIPCIÒN DEL DIAGRMA DE FLUJO DE PROCESOS
PREPARACIÓN DE LA CARGA
Desde un tanque de almacenamiento , amoniaco liquido ingresa a un evaporador por la
corriente 1 que utiliza agua como fluido de evaporación , la corriente gaseosa ingresa a
un lecho de carbón activado para eliminar ciertos contaminantes gaseosos, el amoniaco
gaseoso ingresa por la corriente 2 al reactor catalítico.
Por la correinte 3 ingresa aire completamente limpio y seco para luego ingresar a 3
compresores instalados en serie y un intercambiador de calor, la mezcla de aire y amoniaco
ingresa al reactor catalítico.
REACTOR DE AMONIACO
El procedimiento consiste en hacer reaccionar en un reactor catalítico una mezcla de
amoniaco y aire enriquecido con oxigeno sobre un catalizador, de una malla de platino,
para obtener selectivamente oxido nítrico y agua a temperaturas entre 820-950 ºC y a
presiones de 1-12 bar.
;
Generalmente, se proporciona una cantidad en exceso de aire en relación con la cantidad
estequiometria con el fin de controlar la inflamabilidad de la mezcla de reacción, y para
proporcionar una cantidad adicional de oxigeno para subsiguientes reacciones de oxidación.
Simultáneamente se desarrollan otras reacciones no deseadas en el reactor
Las conversiones para estas reacciones están en promedio: conversión del amoníaco de 94
vol% a NO, conversión del amoníaco de 4.5 vol% al N2 conversión del amoníaco de 1.5 vol
% a N2O .
El % de monóxido de nitrógeno formado esta en función de la presión y de la temperatura
del sistema.
PRESION ( BAR) TEMPERATURA (°C) % DE NO
Menor a1,7 810 a 850 97
1,7 a 6,5 850 a 900 96
Mayor a 6,5 900 a 940 95
El flujo de gases que sale del reactor con una temperatura de 855 °C. y un flujo total de
123930 kg/h .
La composición promedio se da en la tabla siguiente.
RECUPERACION DE CALOR
Los gases efluentes procedentes del reactor se enfrían a continuación en una serie de
intercambiadores de calor para oxidar el oxido nítrico con oxigeno con la formación de
dióxido de nitrógeno y su dinero:
El Calor de la mezcla gaseosa que sale del reactor de la combustión del amoníaco se utiliza
para producir vapor de agua que se utiliza posteriormente en el procso. La temperatura del
gas de proceso se reduce a partir del °C el 855 al 220°C.
OXIDACION DE MONOXIDO DE NITROGENO
El gas que se obtiene de la primera reacción de oxidación catalítica y que contiene entre un
10-12% de NO, se enfría, El gas enfriado reacciona con oxígeno atmosférico para
producir las siguientes reacciones:
COLUMNA DE ABSORCION
Luego de un acondicionamiento de la corriente ( T,P) se alimenta a un a torre de absorción
donde ingresa agua en contracorriente , produciendo acido nítrico por el fondo cuya
concentración máxima es de 68%.por la parte superior una corriente de mezcla de gases por
lo general contiene hasta 200ppm de óxidos de nitrógeno
La eficiencia de generación de ácido y de aprovechamiento de la energía de los diferentes
tipos de procesos empleados se encuentra relacionada de una manera muy fuerte con la
presión a la que se lleve a cabo la combustión del Amoniaco con el aire y de la presión en
la que se efectúe el proceso de absorción de los óxidos de Nitrógeno en el agua. Las
presiones de operación empleadas en cada tipo de tecnología dividen los procesos de
producción de Acido Nítrico débil en procesos de presión baja, procesos de presión media,
procesos de alta presión y procesos de presión dual .
La reacción principal en la columna de la adsorción es
La corriente inferior de la columna de absorción ingresa a una torre de blanqueo para
eliminar los gases disueltos y obtener acido nítrico al 68%.
Los gases superiores que salen de la torre de absorción se blanquea con una corriente de
aire secundario, esta corriente ingresa al sistema de intercambiadores para disminuir la
temperatura de la corriente que sale del reactor catalítico.
9.1.4 EMISIONES DEL PROCESO
Emisiones desde manufactura de acido nítrico consiste de óxidos de nitrógeno (NO, NO2 y
trazas de amoniaco, y acido nítrico.
9.1.5 PROCESO DE TRATAMIENTO
El proceso está basado en la reducción de los NOx con NH3, en presencia de exceso de O2
y un catalizador apropiado, para transformarse en sustancias inocuas tales como agua y
nitrógeno de acuerdo a las siguientes reacciones.
2-10 Kg óxidos NOX/ T acido nítrico.
REACCIONES DE DESCOMPOSICION
PROCESO DE TRATAMIENTO DE EMISONES GASEOSAS DE LA INDUSTRIA
DE ACIDO NITRICO
PROBLEMA
PRODUCCION INDUSTRIAL DE ACIDO NITRICO
Una planta de producción de ácido nítrico diluido ( 60% en peso ) , es alimentada con 5T/h
de amoniaco gas.
La combustión del amoniaco es de 98% según la reacción(I) . el resto se convierte en
partes iguales según las reacciones competitivas (II) y (III).
El aire primario se introduce con un 5% de exceso mientras que el aire secundario se
introduce en forma estequiometria para la oxidación del oxido nítrico.
En el sistema de enfriamiento se empieza a producir la oxidación del NO, consumiéndose
un 50% del oxigeno sobrante en la reacción. Igualmente se produce algo de absorción del
Fuente: http://www.diquima.upm.es/docencia/tqi/docs/ammonia.pdf
NO2(g) en agua (g) formando ácido nítrico. , se absorbe el 80% del NO2 formado en esta
oxidación.
La temperatura media de trabajo en el enfriador es de 45°C. En caso de condensarse algún
producto en este equipo, este condensado es retirado del proceso.
La oxidación tiene un rendimiento del 100% en la formación de NO2
En la columna de absorción tiene un rendimiento del 98%.
Datos :
Reacciones de oxidación del amoniaco:
Reacción I 4NH3(g) + 5O2(g) 4NO + 6H2O
Reacción II 4NH3(g) + 3O2(g) 2N2 + 6H2O
Reacción III 4NH3(g) + 6NO 5 N2 + 6H2O
Reacción de oxidación del NO:
NO + 1/2O2 NO2
Reacción de absorción:
3NO2 + H2O 2HNO3 + NO
SOLUCION
1. Balance de materia en el horno de combustion
Reacciones de oxidación del amoniaco:
Reacción I 4NH3(g) + 5O2(g) 4NO + 6H2O
Reacción II 4NH3(g) + 3O2(g) 2N2 + 6H2O
Reacción III 4NH3(g) + 6NO 5 N2 + 6H2O
Moles de amoniaco
Moles de oxigeno en la reacción I
Exceso de oxigeno 5%:
Moles de Nitrógeno:
Flujo de aire:
Reacción 1 conversión del amoniaco 98% ;
Reacción 2 conversión del amoniaco 1% ;
Reacción 3 conversión del amoniaco 1% ;
SUSTANCIA ENTRADA SALIDA
294,11 5,76
386,03 25,691
1452,22 1452,32
NO - 288,47- 432,53
2. Balance de materia en el sistema de enfriamiento
Oxidación : NO + 1/2O2 NO2
Se consume el 50% de moles de oxigeno y por estequiometria:
Moles de NO consumido:
Moles de NO2 formado:
Acido nítrico producido (Absorción 80%)
3NO2 + H2O 2HNO3 + NO
Moles de monóxido de nitrógeno producido
SUSTANCIA ENTRADA SALIDANH3 5,76 5.763kmolO2 25,691 12.845kmol
N2 1452,32 1452.32kmol
NO 288,47 = 269,6kmol
NO2 - = 5.138kmol
CONDENSADO:
H2O 425.68kmol
HNO3 13.55288kmol
3. Balance de materia en el sistema de reacción
NO + 1/2O2 NO2
Aire secundario que ingresa
Moles de NO: 269,6kmol
Oxigeno: ; Nitrógeno:
Flujo de aire secundario: 18279.0996kg/h
SUSTANCIA ENTRADA SALIDANH3 5.76kmol 5.76kmol
O2 12.8455kmol 12.8455kmol
N2 1953.03kmol 1953.03kmol
NO 269,6kmol -NO2 5.138kmol 274,76kmol
4. Balance de materia en al columna de abosrcion ( 98%)
Reacción :
Flujo Molar de : NO2 = 274,76kmol/h
Produccion de acido nítrico al 60% en peso
Peso de agua 40%:
Agua de proceso que se necesita:
Flujo de agua: 91,58kmol/h
Moles de los gases que salen a la cabeza de la columna de absorción
SUSTANCIA ENTRADA SALIDANH3 5.763kmol 5.763kmolO2 12.845kmol 12.845kmol
N2 1953.03kmol 1953.03kmol
NO - 88.64kmolNO2 274,76kmol/h 5.138kmol
Producción del ácido nítrico :
HNO3 183,17kmol
H2O 425.68kmol
Cantidad de agua de lavado que entra al absorbedor :
+
Composición de los gases que salen a la cabeza de la columna de absorción :
Moles Composición
NO2 = 5.4268kmol 2.6271X10-3
NO = 88.645kmol 0.0429
N2 = 1953.03kmol 0.9454
NH3 = 5.76kmol 2.7884x10-3
O2 = 12.8455kmol 6.2184x10-3
Totales= 2065.7073kmol
PROBLEMA
1) El ácido nítrico es un ácido fuerte, importante en la producción de fertilizantes, en la
síntesis orgánica y explosivos, produciéndose 30 millones de toneladas por año a nivel
mundial. El proceso industrial mas frecuente para la producción del ácido nítrico está
basado en la oxidación catalítica del amoniaco, proceso patentado por vez primera por
el químico Wilhelm Ostwald, en 1902, galardonado con el premio Nóbel de química en
1909 por sus trabajos en catálisis, equilibrio químico y velocidades de reacción. En la
figura siguiente se muestra una unidad simplificada del proceso Ostwald:
Una mezcla gaseosa de aire y amoníaco (11% molar en amoníaco; para el aire considere
que es una mezcla de gases constituido por 79% de nitrógeno y 21% oxígeno en
fracciones molares) son introducidos en un reactor de oxidación catalítica, identificado
como “Sección I” en el diagrama . El reactor funciona a 1163 K y 700 kPa. El reactor
tiene una malla de platino (con 10% de Rh) que es muy selectiva para la reacción de
oxidación del amoniaco para obtener monóxido de nitrógeno (A), ( H = -950 kJ),
siguiendo la reacción exotérmica:
Pt/Rh
Amoníaco (g) + Oxígeno((g) A(g) + Agua (g)
Considere que ésta es la reacción principal y que son despreciables otras reacciones
secundarias. Del total de amoniaco que alimenta el reactor, son convertidos en producto
“A”, 96% de los moles que son alimentados. Los productos del reactor son luego
enfriados en un intercambiador de calor con una corriente externa de agua fría quitando
el calor en exceso. Los productos después del enfriamiento entran en una segunda
cámara (Sección II) que funciona acoplada a una columna de absorción (Sección III).
En la Sección II, el monóxido de nitrógeno (A) es oxidado totalmente a dióxido de
nitrógeno (B) en exceso de aire que entra en la cámara por la corriente 6, siguiendo la
reacción (?H = -90 kJ):
A(g) + Oxígeno(g) B(g)
Finalmente la columna de absorción, Sección III el dióxido de nitrógeno (B) es
absorbido completamente en agua produciendo ácido nítrico (C) según la reacción (H =
-140 kJ):
B(g) + Agua (l) C (aq) + A(g)
El ácido nítrico es obtenido por el fondo de la columna con una pureza de 60% en peso
(corriente 10) mientras que por el tope sale una corriente de gases residuales (corriente 9)
constituida por, oxígeno (3% molar), monóxido de nitrógeno (4,1% molar) y todo el
amoniaco que no reaccionó más el nitrógeno (92,9 %). El componente A que sale por el
tope es producido dentro de la columna; la corriente 7 no contiene nada del componente A.
También por el tope entra agua de proceso (corriente 8) necesaria para absorber el
componente B. Considere que el comportamiento de los gases es ideal. Si fuera necesario,
considere que las masas atómicas son: H=1, N=14, O=16.
Densidad del agua = 1000 kg/m3. R= 8,3144 Pa m3 / mol K
Calcular:
Calcular el número de moles totales de la mezcla de alimentación (corriente 1), que
se necesitan para producir 10000 kg de ácido nítrico con 60% en peso de pureza ,
en 1 hora, tal como se muestra en el diagrama del proceso.
Calcular la cantidad total de gases residuales producidos (en moles) en la corriente
9 por cada hora de proceso.
En la producción de ácido nítrico se llevan a cabo las reacciones:
NO (g) + ½ O2 (g) <==> NO2 (g)
3NO2 (g) + H2O (l) <==> 2NO3 H (l) + NO (g)
2) La primera reacción se lleva a cabo en un reactor tubular donde se convierte el 50 % de
NO y la segunda en una columna de absorción, tal como se observa en el esquema. La
composición de los gases de salida de la columna es:
7.08 % NO; 10.09 % O2 ; 82.83 % N2 (Porcentajes molares)
Calcular los caudales de las especies en las corrientes de entrada y salida de la unidad,
necesarios para producir 10 Tn/h de una solución de NO3 H al 62 % (p/p)
COMPONENTE ENTRADA
(KG/H)
SALIDA
(KG/H)
Para la columna NO 4428.4 5904.2
O2 8975.2 8975.2
N2 64468.6 64468.6
NO2 6790.3 --------
H2O 4685.7 3799.9
NO3N -------- 6199..8
Para el reactor NO 8856.9
O2 11337.0
N2 64468.6
NO2 -------
I
Reactor
II
Columna
de
absorción
NO
O2
N2
H2ONO
O2
N2
NO3H (62%)