diseño de una planta producturo de h2so4

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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.

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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

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“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.

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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.

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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.

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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.

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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.


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


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

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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:

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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.

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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]

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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

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10.- TABLAS INICIALES:


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

18


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


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


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


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


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


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


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


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


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.

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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

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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.

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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.

http://turnkey.taiwantrade.com.tw/showpage.asp?subid=122&fdname=CHEMICAL+MATERIAL&pagename=Planta+de+produccion+de+acido+sulfurico



http://200.77.231.100/work/normas/noms/1993/039ecol.pdf

http://www.nist.gov/mml/acmd/fluids_properties/standard-reference-fluid-measurements.cfm

diseño de una planta producturo de h2so4

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