balances de masa y energia acido nitrico

BALANCES DE MASA Y ENERGIA.Para la produccin de una tonelada de cido ntrico en la actividad de la Fabricacin de Acido Ntrico, se registran entradas y salidas. Los datos presentados son calculados por el Grupo de Investigacin del ConvenioUIS - IDEAM, a partir de informacin bibliogrfica y de campo. BALANCE DE MASA BALANCE DE ENERGIABALANCE DE MASAGrfico Balance de MasaEntradas Msicas al ProcesoCORRIENTESMASA TOTAL(Kg / Ton de HNO3)

Amoniaco (F2)150.96

Aire (F3)2314.52

Agua de Absorcin (F14)425.76

Agua para Vapor (F16)64

Agua de enfriamiento (F15)14.000

Fuente: Clculos Convenio UIS-IDEAMSalidas Msicas del ProcesoCORRIENTESMASA TOTAL(Kg / Ton de HNO3)

Gases de cola (F7)1981.44

HNO3(53 - 54% en peso) (F13)1000

Vapor (F16)64

Agua de enfriamiento(F15)14.000

Fuente: Clculos Convenio UIS-IDEAMResumen Balance Msico del ProcesoCORRIENTEMASA TOTAL (Kg/h)MASA POR COMPONENTE (Kg/h)

NH3O2N2H2ONONO2HNO3

F195.036.2922.1966.55

F26.136.29------

F396.48

F495.03-6.4868.269.7310.40--

F588.74-22.1966.55----

F67.74-1.805.94----

F782.56-2.9474.205.10.32-

F813.1-1.805.94-5.36--

F9107.97-8.2874.209.7315.76--

F10108.1--74.209.73-24.17-

F1247.02---19.165.36-22.50

F1341.66---19.16--22.50

F1417.74---17.74---

Fuente: Clculos Convenio UIS-IDEAMNota: De la diferencia entre F10 y F9, se concluye que se requiere algo ms de aire adicional.Los clculos relacionados con los datos que se reportan en la tablas anteriores se muestran enBalance.(GRAFICO)BALANCE DE ENERGIAGrfico Balance de EnergaEl balance de energa que se presenta a continuacin, busca principalmente mostrar el aprovechamiento energtico que se realiza en el proceso de elaboracin del cido ntrico, en los intercambiadores que conforman la denominada zona de "Economizacin", dnde se utiliza el calor liberado en el reactor y contenido naturalmente por los gases de reaccin, para precalentar otras corrientes de proceso, generacin de electricidad y para la generacin de vapor como servicio industrial, usado por el proceso mismo, en la vaporizacin del amoniaco.La cuantificacin de este tem, cualifica y califica desde el punto de vista ambiental la posible contaminacin directa o indirecta, que un proceso causa por consumo de energa no autosuministrada.El calor de reaccin intercambiado en la absorcin y en la oxidacin, se supone cercano al liberado en estos equipos por reaccin, ya que el objetivo es mantener las temperaturas de operacin deseadas.Balance de Energa sobre Equipos MedularesEQUIPOFLUIDO DE PROCESOGENERACION DE CALOR POR REACCION (Julios/Ton HNO3)FLUIDO DE INTERCAMBIOCALOR INTERCAMBIADO(Julios/Ton HNO3)

VAPORIZADOR DE NH3(F-7)Amoniaco-vapor1.22 * 108

REACTOR (A-1)Gases de reaccin2 * 109--

CALDERA DE RECUPERACION (H-1)Gases de reaccin-agua (produccin de vapor)1.50 * 109

PRECALENT. DE LOS GASES DE COLA (F-2)Gases de reaccin-gases de cola1.84 * 107

ECONOMIZADOR(F-1)Gases de reaccin-agua1.04 * 108

ENFRIADOR DE RAPIDO EFECTO (F-3)Gases de reaccin-agua de enfriamiento2.30 * 108

T. DE OXIDACION(CR-1, CR-2 y CR-3)Gases de reaccin2.16 * 107agua de enfriamiento1.76 * 107

CILINDROS DE ABSORCIONGases de reaccin3.68 * 107agua de enfriamiento3.20 * 107

TOTAL2.08 * 1092.03 * 109

Fuente: Clculos Convenio UIS-IDEAMREQUERIMIENTOS ENERGETICOS ELECTRICOSConsumo de Energa Elctrica 6.24 Kw / Ton de HNO3Dos Turbogeneradores de 346 Kw cada uno TERMICOSVaporizacin en F-7 del Amoniaco 1.22 * 108Julios / Ton de HNO3Produccin de Vapor en la caldera en H-1 1.50 * 109Julios / Ton de HNO3Precalentamiento en F1 Agua Desmineralizada 1.04 * 108Julios / Ton de HNO3Precalentamiento en F-2 de los Gases de Cola 1.84 * 107Julios / Ton de HNO3Enfriamiento en F-3 de los Gases Nitrosos 2.30 * 108Julios / Ton de HNO3Enfriamiento en la Torre de Oxidacin 1.76 * 107Julios / Ton de HNO3Enfriamiento en los Cilindros de Absorcin 3.20 * 107Julios / Ton de HNO3BALANCEEl balance de masa que se presenta a continuacin, est hecho solo sobre aquellos equipos o bloques en los cuales ocurre transformacin qumica y/o variaciones en las concentraciones de las corrientes de entrada y/o salidaCapacidad de la planta:1 Ton/da = 41.66 Kg/hora de HNO3del 54% en pesoBase de clculo:1 horaa. Corriente F13 (producto):Masa total = 41.66 KgH2OF13= 41.66*0.46 = 19.16 Kg H2OHNO3F13= 41.66*0.54 = 22.50 Kg HNO3b. Corriente F2:Consumo de Amoniaco = 0.151 Ton de NH3/Ton HNO30.151*41.66 = 6.29 Kg NH3(0.36 Kmol)c. Corriente F1 (Aire al mezclador):En la corriente F1 el amoniaco se encuentra mximo en una proporcin de 10.5% volumtrica o molar (son equivalentes en gases), porque por encima de este porcentaje la mezcla resulta ser explosiva.Calculando el aire presente en F1 (carga alimentada al reactor):0.36 Kmol NH3----------10.5%? ----------------100%? = 3.42 Kmol Totales.F1 (Aire) = 3.42 - 0.36 = 3.06 Kmol de aireResumen de Corrientes Calculadas a partir de F1CORRIENTEMASA TOTAL (Kg)MASA POR COMPONENTE (Kg)

NH3O2N2

F194.876.1322.1966.55

F588.74-22.1966.55

Fuente: Clculos Convenio UIS-IDEAMd. Clculo de la corriente F4:En trminos msicos F4 = F1 = 94.8727 Kg. Se conoce la composicin molar y por ende la msica de la corriente F4Caracterizacin de la corriente F4CORRIENTEMASA TOTAL (Kg)MASA POR COMPONENTE (Kg)

N2O2NOH2O

F494.8768.266.4810.409.73

PORCENTAJE MASICO (%)71.956.8210.9610.27

PORCENTAJE MOLAR (%)69.15.739.8215.35

Fuente: Clculos Convenio UIS-IDEAMe. Corriente F7 (gases de cola):Flujo volumtrico de los gases de cola = 75.05 m3/horaDensidad gases de cola (similar a la del aire acondiciones ambiente) = 1.1 Kg/m3Flujo msico gases de cola = 75.05 * 1.1 = 82.56 Kg/horaSe conoce la composicin molar y por lo tanto la msica, por lo cual se puede determinar completamente la corriente:Caracterizacin de la Corriente F7CORRIENTEMASA TOTAL (Kg)MASA POR COMPONENTE (Kg)

N2NO2O2H2O

F782.5674.200.322.945.1



Fuente: Clculos Convenio UIS-IDEAMf. Corriente F6 (Aire adicional).Hacemos un balance para el N2que se encuentra en F7y que proviene de F4 y F6:N2(en F6)= N2(en F7 )- N2(en F4 )= 74.20 - 68.26 = 5.94 Kg (0.21 Kmol)La cantidad correspondiente de oxgeno, para dicho nitrgeno es:O2(en F6)= 1.80 Kg (0.06 Kmol)F6 = 1.80 + 5.94 = 7.74 Kg de aire adicional a la torre de desnitracin.g. Balance sobre el sistema de oxidacin y el de absorcin:Es claro que el HNO3y el agua de la corriente F13, son los mismos que los de la corriente F12, esta ltima arrastra el NO que se libera en el sistema de absorcin por la reaccin:3NO2+ H2O2HNO3+ NOConsumos por la anterior reaccin en la seccin de absorcin(2*63) Kg HNO3---------- (3*46) Kg de NO222.50 Kg HNO3---------------- ?? = 24.64 Kg NO2requeridos para reaccin (provienen directamente de F9)(2*63) Kg HNO3---------- 18 Kg de H2O22.50 Kg HNO3---------------- ?? = 3.21 Kg H2Orequeridos estequiomtricamente para reaccin (parte del alimento a la seccin de absorcin como F14).(2*63) Kg HNO3---------- (30) Kg de NO22.50 Kg HNO3---------------- ?? = 5.36 Kg NO liberados por reaccin.El NO es arrastrado por F12 y al contacto con F6 en la seccin de desnitracin va a la corriente F9, donde por la reaccin:forma el NO2restante para completar el NO2que se necesita estequiomtricamente en la seccin de absorcin:30 Kg NO----------46 Kg de NO25.36 ------------- ?? = 8.22 Kg de NO2Igualmente el NO que viene en la corriente F4, tambin pasa totalmente a NO2:30 Kg NO----------46 Kg de NO210.40 ------------- ?? = 15.95 Kg de NO2N2(en F10)= 15.95 + 8.22 = 24.17Valor muy cercano a lo requerido estequiomtricamente.En este clculo, se desprecia el eventual contenido de NO que arrastra el cido producto (nitrosidad), ya que este no sobrepasa el 0.0008% en ningn caso. Tambin se estima que todo el NOXpresente en los gases de cola, se encuentra como NO2. Tambin, se hace responsable de toda formacin de cido ntrico por reaccin con agua a la seccin de absorcin, lo que para efectos de balance global es vlido.h. Balance global de H2OH2Oentra- H2Osale+ H2Ogenera- H2Oproduce= 0H2O(en F4 )+ H2O(en F14 )- H2O(en F13 )- H2O(en F7 )- H2Oconsume= 0H2O(en F14)= H2O(F13)+ H2O(F7)+ H2Oconsume- H2O(F4)H2O(en F14)= 19.16 + 5.1 + 3.21 - 9.73 = 17.74 Kg de H2Oi. Balance msico global para comprobacin:F4 + F6 + F14 = F15 + F794.87 + 7.74 + 17.96 = 120.5 Kg entran82.56 +41.66 = 124.22 Kg salenA pesar de utilizar estimativos tales como una composicin tpica (mas no exacta) de gases de cola, para plantas de cido ntrico, as como una densidad no exacta para dichos gases, el balance cuadra bastante bien y permite establecer un anlisis en consumo de materia prima y emisin de NO2a la atmsfera.Tampoco se ha tenido en cuenta la realidad cintica en las diversas etapas, lo cual puede entre otras variaciones, causar una demanda mayor o menor de aire adicional.BALANCE DE ENERGIAGrfico Balance de EnergaEl balance de energa que se presenta a continuacin, busca principalmente mostrar el aprovechamiento energtico que se realiza en el proceso de elaboracin del cido ntrico, en los intercambiadores que conforman la denominada zona de "Economizacin", dnde se utiliza el calor liberado en el reactor y contenido naturalmente por los gases de reaccin, para precalentar otras corrientes de proceso, generacin de electricidad y para la generacin de vapor como servicio industrial, usado por el proceso mismo, en la vaporizacin del amoniaco.La cuantificacin de este tem, cualifica y califica desde el punto de vista ambiental la posible contaminacin directa o indirecta, que un proceso causa por consumo de energa no autosuministrada.El calor de reaccin intercambiado en la absorcin y en la oxidacin, se supone cercano al liberado en estos equipos por reaccin, ya que el objetivo es mantener las temperaturas de operacin deseadas.Balance de Energa sobre Equipos MedularesEQUIPOFLUIDO DE PROCESOGENERACION DE CALOR POR REACCION (Julios/Ton HNO3)FLUIDO DE INTERCAMBIOCALOR INTERCAMBIADO(Julios/Ton HNO3)

VAPORIZADOR DE NH3(F-7)Amoniaco-vapor1.22 * 108

REACTOR (A-1)Gases de reaccin2 * 109--

CALDERA DE RECUPERACION (H-1)Gases de reaccin-agua (produccin de vapor)1.50 * 109

PRECALENT. DE LOS GASES DE COLA (F-2)Gases de reaccin-gases de cola1.84 * 107

ECONOMIZADOR(F-1)Gases de reaccin-agua1.04 * 108

ENFRIADOR DE RAPIDO EFECTO (F-3)Gases de reaccin-agua de enfriamiento2.30 * 108

T. DE OXIDACION(CR-1, CR-2 y CR-3)Gases de reaccin2.16 * 107agua de enfriamiento1.76 * 107

CILINDROS DE ABSORCIONGases de reaccin3.68 * 107agua de enfriamiento3.20 * 107

TOTAL2.08 * 1092.03 * 109

Fuente: Clculos Convenio UIS-IDEAMREQUERIMIENTOS ENERGETICOS ELECTRICOSConsumo de Energa Elctrica 6.24 Kw / Ton de HNO3Dos Turbogeneradores de 346 Kw cada uno TERMICOSVaporizacin en F-7 del Amoniaco 1.22 * 108Julios / Ton de HNO3Produccin de Vapor en la caldera en H-1 1.50 * 109Julios / Ton de HNO3Precalentamiento en F1 Agua Desmineralizada 1.04 * 108Julios / Ton de HNO3Precalentamiento en F-2 de los Gases de Cola 1.84 * 107Julios / Ton de HNO3Enfriamiento en F-3 de los Gases Nitrosos 2.30 * 108Julios / Ton de HNO3Enfriamiento en la Torre de Oxidacin 1.76 * 107Julios / Ton de HNO3Enfriamiento en los Cilindros de Absorcin 3.20 * 107Julios / Ton de HNO3BALANCEEl balance de masa que se presenta a continuacin, est hecho solo sobre aquellos equipos o bloques en los cuales ocurre transformacin qumica y/o variaciones en las concentraciones de las corrientes de entrada y/o salidaCapacidad de la planta:1 Ton/da = 41.66 Kg/hora de HNO3del 54% en pesoBase de clculo:1 horaa. Corriente F13 (producto):Masa total = 41.66 KgH2OF13= 41.66*0.46 = 19.16 Kg H2OHNO3F13= 41.66*0.54 = 22.50 Kg HNO3b. Corriente F2:Consumo de Amoniaco = 0.151 Ton de NH3/Ton HNO30.151*41.66 = 6.29 Kg NH3(0.36 Kmol)c. Corriente F1 (Aire al mezclador):En la corriente F1 el amoniaco se encuentra mximo en una proporcin de 10.5% volumtrica o molar (son equivalentes en gases), porque por encima de este porcentaje la mezcla resulta ser explosiva.Calculando el aire presente en F1 (carga alimentada al reactor):0.36 Kmol NH3----------10.5%? ----------------100%? = 3.42 Kmol Totales.F1 (Aire) = 3.42 - 0.36 = 3.06 Kmol de aireResumen de Corrientes Calculadas a partir de F1CORRIENTEMASA TOTAL (Kg)MASA POR COMPONENTE (Kg)

NH3O2N2

F194.876.1322.1966.55

F588.74-22.1966.55

Fuente: Clculos Convenio UIS-IDEAMd. Clculo de la corriente F4:En trminos msicos F4 = F1 = 94.8727 Kg. Se conoce la composicin molar y por ende la msica de la corriente F4Caracterizacin de la corriente F4CORRIENTEMASA TOTAL (Kg)MASA POR COMPONENTE (Kg)

N2O2NOH2O

F494.8768.266.4810.409.73



Fuente: Clculos Convenio UIS-IDEAMe. Corriente F7 (gases de cola):Flujo volumtrico de los gases de cola = 75.05 m3/horaDensidad gases de cola (similar a la del aire acondiciones ambiente) = 1.1 Kg/m3Flujo msico gases de cola = 75.05 * 1.1 = 82.56 Kg/horaSe conoce la composicin molar y por lo tanto la msica, por lo cual se puede determinar completamente la corriente:Caracterizacin de la Corriente F7CORRIENTEMASA TOTAL (Kg)MASA POR COMPONENTE (Kg)

N2NO2O2H2O

F782.5674.200.322.945.1



Fuente: Clculos Convenio UIS-IDEAMf. Corriente F6 (Aire adicional).Hacemos un balance para el N2que se encuentra en F7y que proviene de F4 y F6:N2(en F6)= N2(en F7 )- N2(en F4 )= 74.20 - 68.26 = 5.94 Kg (0.21 Kmol)La cantidad correspondiente de oxgeno, para dicho nitrgeno es:O2(en F6)= 1.80 Kg (0.06 Kmol)F6 = 1.80 + 5.94 = 7.74 Kg de aire adicional a la torre de desnitracin.g. Balance sobre el sistema de oxidacin y el de absorcin:Es claro que el HNO3y el agua de la corriente F13, son los mismos que los de la corriente F12, esta ltima arrastra el NO que se libera en el sistema de absorcin por la reaccin:3NO2+ H2O2HNO3+ NOConsumos por la anterior reaccin en la seccin de absorcin(2*63) Kg HNO3---------- (3*46) Kg de NO222.50 Kg HNO3---------------- ?? = 24.64 Kg NO2requeridos para reaccin (provienen directamente de F9)(2*63) Kg HNO3---------- 18 Kg de H2O22.50 Kg HNO3---------------- ?? = 3.21 Kg H2Orequeridos estequiomtricamente para reaccin (parte del alimento a la seccin de absorcin como F14).(2*63) Kg HNO3---------- (30) Kg de NO22.50 Kg HNO3---------------- ?? = 5.36 Kg NO liberados por reaccin.El NO es arrastrado por F12 y al contacto con F6 en la seccin de desnitracin va a la corriente F9, donde por la reaccin:forma el NO2restante para completar el NO2que se necesita estequiomtricamente en la seccin de absorcin:30 Kg NO----------46 Kg de NO25.36 ------------- ?? = 8.22 Kg de NO2Igualmente el NO que viene en la corriente F4, tambin pasa totalmente a NO2:30 Kg NO----------46 Kg de NO210.40 ------------- ?? = 15.95 Kg de NO2N2(en F10)= 15.95 + 8.22 = 24.17Valor muy cercano a lo requerido estequiomtricamente.En este clculo, se desprecia el eventual contenido de NO que arrastra el cido producto (nitrosidad), ya que este no sobrepasa el 0.0008% en ningn caso. Tambin se estima que todo el NOXpresente en los gases de cola, se encuentra como NO2. Tambin, se hace responsable de toda formacin de cido ntrico por reaccin con agua a la seccin de absorcin, lo que para efectos de balance global es vlido.h. Balance global de H2OH2Oentra- H2Osale+ H2Ogenera- H2Oproduce= 0H2O(en F4 )+ H2O(en F14 )- H2O(en F13 )- H2O(en F7 )- H2Oconsume= 0H2O(en F14)= H2O(F13)+ H2O(F7)+ H2Oconsume- H2O(F4)H2O(en F14)= 19.16 + 5.1 + 3.21 - 9.73 = 17.74 Kg de H2Oi. Balance msico global para comprobacin:F4 + F6 + F14 = F15 + F794.87 + 7.74 + 17.96 = 120.5 Kg entran82.56 +41.66 = 124.22 Kg salenA pesar de utilizar estimativos tales como una composicin tpica (mas no exacta) de gases de cola, para plantas de cido ntrico, as como una densidad no exacta para dichos gases, el balance cuadra bastante bien y permite establecer un anlisis en consumo de materia prima y emisin de NO2a la atmsfera.Tampoco se ha tenido en cuenta la realidad cintica en las diversas etapas, lo cual puede entre otras variaciones, causar una demanda mayor o menor de aire adicional.Regresar a Procesos de Produccin

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