BALANCES DE MATERIA Y ENERGIA PARA LA PRODUCCION DE ACIDO NITRICO A PARTIR DE LA OXIDACION DEL AMONIACO

JESUS ESTEBAN GUERRERO FAJARDOMARIA MERCEDES MORALES ROSALES

UNIVERSIDAD MARIANAFACULTAD DE INGENIERIAPROGRAMA DE INGENIERIA DE PROCESOS2013INTRODUCCION

Una de las aplicaciones ms notables de los balances de materia y energa se encuentra en la metodologa conocida como Anlisis de Ciclo de Vida (ACV), usada para evaluar la sostenibilidad de procesos productivos y de los impactos medioambientales, con el fin de optimizar los recursos y producir mejoras ambientales aplicables a sistemas productivos. En este proyecto se utiliza la teora de balances de materia y de energa para analizar el proceso de produccin del cido ntrico, que involucra desde la obtencin de la materia prima, su transformacin, hasta el producto terminado. Debido a lo anterior, tambin se ampliar la informacin sobre la produccin mundial, la optimizacin del proceso productivo en cuanto a recursos naturales y econmicos.

Palabras clave: conservacin de masa y energa, velocidad de reaccin, calor especfico, calor de reaccin.

1. PROCESO DE PRODUCCION

Uno de los mtodos ms conocidos es llevado a cabo por medio de la Oxidacin de Amoniaco (Imagen 1). El proceso consiste en oxidar el amoniaco con aire en presencia de un catalizador que generalmente es de platino, la sustancia pasa unas torres de absorcin con el fin de hidratar los xidos de nitrgeno y convertirlos en cido ntrico.El aire es presurizado por medio de un compresor impulsado por una turbina de gas y vapor, adems es purificado. Se precalienta por medio de un intercambio de calor con los gases del producto. El amoniaco proporcionado como materia prima lquida se evapora y precalienta a la misma temperatura por medio de vapor. Despus se mezclan las dos corrientes y se alimentan a un reactor adiabtico donde el aire oxida el amoniaco, a NO (monxido de nitrgeno), que forman gases nitrosos con el aire en exceso; dentro del reactor se encuentra una malla o tela de platino que se usa como catalizador. La relacin de alimentacin es de 10% de amoniaco y 90 % de oxgeno, por eso se cree que es ms barato y cmodo transportar el amoniaco que el cido ntrico.Los gases desprendidos en esta parte del proceso se usan en una caldera para la produccin de vapor, el precalentador de aire y un calentador de gas residual, antes de hacerlos pasar por un condensador enfriador, del cual sale a 40C aproximadamente. De all pasan a un proceso de absorcin, que se puede realizar en una torre que se alimenta con agua o en un sistema de varias torres en las cuales se bombea cido cada vez ms diluido de la torre anterior, hasta agua, intercalando un refrigerante, en contracorriente con los xidos de nitrgeno que salen del reactor. En la torre se hace circular agua en contracorriente con los xidos que salen del reactor, esta debe tener un sistema de refrigeracin, como por ejemplo, chaquetas de enfriamiento. En el proceso se llega al equilibrio, y entonces el cido ya producido se descompone y se vuelve a producir NO, por lo cual no es suficiente la absorcin cida, entonces el cido dbil en algunas plantas se somete a una absorcin alcalina si se desea aumentar la concentracin de este. Este mtodo consiste en pasar el cido por torres de absorcin rociadas con lquidos alcalinos, generalmente este lavado se hace con una suspensin de cal en una disolucin de nitrato de calcio, esta solucin reacciona con los xidos de nitrgeno formando nitritos, los cuales se pueden recuperar por inyeccin de aire en una torre de inversin. Este mtodo de absorcin alcalina disminuye en gran cantidad la posible contaminacin de los xidos de nitrgeno (NOx) y tambin evita que se entorpezcan las reacciones de produccin de HNO3, aumentando un poco la concentracin, de 50% que sale de la absorcin cida, a 60% despus de la alcalina.Los mtodos mas usados de fabricacin de cido alcanzan mximo concentraciones de 60%, aunque en algunos casos con la preconcentracin se llega hasta 68%, por lo cual se deben someter a procesos de concentracin, el ms usado es la captacin del agua con cido sulfrico, el cual despus se recupera evaporando el agua a 325C.

Imagen 1. PRODUCCION DE ACIDO NITRICO A PARTIR DE OXIDACION DE AMONIACO

2. APLICACIONES

El HNO3 (cido ntrico) es uno de los cidos mas importantes desde el punto de vista de vida industrial, pues se le consume en grandes cantidades en la industria de los abonos, colorantes, explosivos, fabricacin del cido sulfrico, medicamentos y grabado de metales.

Los mtodos de fijacin de nitrgeno atmosfrico (procedimiento de Birbeland-Eyde) y los estudiados para el amonaco (Haber), complementados en la sntesis de Osdwald, tienen enorme importancia industrial y en particular para la agricultura pues las reservas naturales de abonos naturales como el salitre, son insuficientes para satisfacer las necesidades de los cultivos, por lo que el aprovechamiento del nitrgeno atmosfrico resolvi un problema de capital inters al suministrar nitratos minerales en grandes cantidades y a bajo costo.

Los explosivos modernos que han remplazado a la antigua plvora negra, son derivados nitratos obtenidos por la accin del cido ntrico sobre alguna sustancia orgnica: con el algodn forma Algodn Plvora o nitrocelulosa y se usa para el colodin y celuloide.

Con el Tolueno da lugar a la formacin del trinitrotolueno (T.N.T.)

Es empleado para preparar Nitrobenceno, base de la anilina.

Con la glicerina constituye la Nitroglicerina, que mezclada con tierra porosa constituye la Dinamita.

Se prepara con el cido pirico y Nitrato de Plata usado en la fotografa.

Por su accin oxidante, se emplea en muchos procesos y por la accin nitrante en la industria de los colorantes.

Forma con el cido clorhdrico y con el cido sulfrico la terna de cidos de mayor aplicacin industrial.

3. MERCADO INTERNACIONAL

La produccin de cido ntrico est estrechamente vinculada a la fabricacin de fertilizantes, y esto hace difcil dar cifras exactas de la cantidad producida. Las plantas de cido ntrico son a menudo situadas junto a las instalaciones de produccin de amoniaco. El cido ntrico se utiliza entonces directamente para la fabricacin de fertilizantes, sin ningn transporte de cido ntrico. Se estima que del total de la produccin a nivel mundial, slo el 10% entra en el mercado de cido ntrico[footnoteRef:1]. [1: http://www.greener-industry.org.uk/pages/nitric_acid/1nitricAcidAP.htm]

La produccin de cido ntrico est, por lo tanto, ntimamente involucrada con la produccin y la demanda de fertilizantes nitrogenados.

4. DESCRIPCION DEL PROBLEMA

Enunprocesocontinuoyestacionarioparalafabricacindecidontrico,segnla reaccin:

Se logra una conversin del 90% del NO (monxido de nitrgeno) alimentado al reactor. La mezcla gaseosa que se introduce al reactor a 125C, proviene de la oxidacin cataltica de amoniaco NH3 en un convertidor con aire adicional, teniendo la siguiente composicin molar: 7,68% de oxgeno, 7,52% de monxido de nitrgeno, 14,05% de agua y 70,75% de nitrgeno.Por otra parte se introduce el agua necesaria para la reaccin, tambin a 125C. La mezcla de reaccin se lleva a un separador del que se obtiene dos corrientes: una gaseosa que puede considerarse libre de agua y una lquida con un 65% en peso de HNO3, esta ltima razn de 55000 Kg/da. El reactor est dotado de un sistema de refrigeracin, que es capaz de eliminar del reactor 475000 Kcal/h. Determinar:a) Los caudales msicos en Kg/h de todas las corrientes.b) La temperatura de salida de los gases que abandonan el reactorSEPARADORO2NON2H2OHNO3H2O

O2NON2REACTOR

O2NOH2ON2O2NOH2ON2HNO3

H2O

H2OHNO3

4.1. Resultados del balance de materiaF (Kcal/h)H2OO2NON2HNO3TOTAL F

F1883,5126858,5688788,13936920,70000,00009450,9207

F2131,36840,00000,00000,00000,0000131,3684

F3233291,108578,81396920,70001489,60009013,3073

F40,000086,821578,81396920,70000,00007086,3354

F5802,08330,00000,00000,00001489,60002291,6833

Tabla 1. Resultados del balance de materia.

4.2. Resultados del balance de energa

Las Kcal/h eliminadas por el refrigerador = 475000La temperatura de salida de los gases es (C): 183.6923

Para la solucin de las ecuaciones generadas por los balances de materia y energa se utiliz el software: MATLAB.

5. PRECIO DE VENTA DE ACIDOS

Imagen 2. Precio en el mercado de cidos

6. CONCLUSIONES

Uno de los mtodos ms conocidos para la produccin de cido ntrico es llevado a cabo por medio de la Oxidacin de Amoniaco.

La produccin de cido ntrico est estrechamente vinculada a la fabricacin de fertilizantes

En la obtencin del cido ntrico es necesaria la alimentacin de suficiente agua para lograr la reaccin.

Los mtodos mas usados de fabricacin de cido alcanzan mximo concentraciones de 60%

BIBLIOGRAFIA

http://www.greener-industry.org.uk/pages/nitric_acid/1nitricAcidAP.htm

G. V AUTOR REKLAITIS,DANIEL R AUTOR SCHNEIDER,Torres Vzquez Jos Luis- 1989