Balances de Materia y Energía en Procesos Químicos: Reacciones y Absorción

1. Balance de materia

Ecuaciones de diseño

CSTR:

Fao= mol/s; Cao=mol/l ; Cao= Fao/vo ; vo=l/s; t=V/vo

PFR:

Reactor adiabático discontinuo (Batch):

Cinética

-ra= k(t)* Ca¹ (Orden de la reacción)

-ra= k(t)* Ca¹*Cb¹

-ra= k(t)* (Ca² - Cb/Kc)

Estequiometría

Fase líquida: CA=CAO(1-X) ; CB=CAO(Tetab - b/aX)

Fase gas: CA:

CB:

E= yAo*d

2. Balance de Energía

a) Q - Fao*X*[AHr] + Fao*Sum(Teta i * Cpi-)*(To-t)= 0

b) dT/dV = (U*a*(Ta-T) - (-ra)*[AHr(t)] )/( Fao*[ Sum(Teta i * Cpi(t) ) + X*ACp] )

c) dT / dt = (U*a*(Ta-T) - (-ra)*[AHr(t)]*V )/( Nao*[ Sum(Teta i * Cpi(t) ) + X*ACp] )

AHr(t) = AHrº(Tref) + ACp * (T -Tref)

AHrº(Tref)= c/a *AHc(Tref) - b/a*AHb(Tref) -a/a*AHa(Tref)

ACp= c/a*Cpc -b/a*Cpb -a/a*Cpa

Absorción

Bm: Yn+1*Gn+1 + Xo*Lo= G1*Y1 +Ln*Xn

Lo que sea = G1*Y1 + Xa*La

Línea de operación -- Etapas + L1/L2 o a/b

Si yn+1

Base libre de soluto:

1. yn+1; y; xo; xn
2. Y =y/1-y X=x/1-x
3. Gs* Yn+1 + Ls*Xo = Gs*Y1 + Ls* Xn

Línea de operación es recta y la de equilibrio curva

Destilación

F*Xf = D*Xd + C*Xc

Zona de alimentación:

Zona de rectificación:

Zona de agotamiento:

R/R+1 = L/V

Si R=1.5Rmin --- Rmin--- Xd/Rmin +1 = a (corte recta alimentación y curva unido con Xd)

q=1 Líquido saturado ; q=0 Vapor saturado; q>1 Líquido subenfriado; 0

q=1-f = Flash

Rectificación: V= L+D --- R=L/D---V= D(1+R)---L=V-D

Agotamiento: L'=V'+C---V'=L'-C---q= L-L'/F

Etapa-1 caldera-1 condensador parcial = platos

Proceso de Producción de Ácido Sulfúrico (H₂SO₄)

Ácido sulfúrico con una pureza del 98,5%. Óleum o ácido sulfúrico fumante con concentración de 104.5% de sulfúrico.

1. Quemador + Recuperación de energía

Origen SO₂: Tostación Pirita

Combustión Azufre: S +O₂ --> SO₂ ; Temperatura de salida 1000ºC; Altas temperaturas pueden formar NOx ; Debe entrar aire seco para evitar problemas de corrosión en el proceso; Reacción muy exotérmica; SO₂ se enfría en caldera para introducción al convertidor = producción de energía

2. Convertidor SO₂ +1/2 O₂ SO₃

Reacción muy exotérmica; Más O₂ más SO₃ pero máximo O₂/SO₃=0.8 ahorro constructivo; SO₃ se elimina por absorción; Alta Presión favorece formación de SO₃ pero sobrepresión de 200-300 mbar; Velocidad espacial baja

Temperatura de entrada 450ºC; Define velocidad de reacción y conversión máxima de equilibrio; Enfriamiento de gases para evitar aumentos de Temperatura = Maximizar conversión global

Eliminación SO₃ mediante absorción intermedia; Primero torre de Óleum y luego torre de absorción con H₂SO₄

Conversión SO₂: 65% 87% 94% 99,7% 99,93% ; global 99,93%

Conversión SO₃: Catalizador con Cs en etapas de menor Temperatura para mayor conversión a Temperaturas más bajas y velocidades de reacción mayores; Corriente de salida del primer lecho para recalentar vapor del proceso y producción eléctrica.

3. Producción H₂SO₄ H₂SO₄ + SO₃ H₂S₂O₇; H₂S₂O₇ + H₂O 2H₂SO₄ / SO₃+H₂O H₂SO₄

Contacto simple: 1 torre; Contacto doble= dos torres, más eficientes y mayores conversiones de SO₂; Reacción exotérmica; Absorbedor adiabático; Aumento de Temperatura sería perjudicial y podría volatilizar parte; Para limitar Temperatura se utiliza un gran caudal de líquido y para limitar evaporación H₂SO₄ al 98%

Rendimiento de la absorción: Concentración de H₂SO₄ del líquido que se absorbe, Temperatura del líquido(100ºC), Distribución del ácido: contacto gas y líquido, Temperatura del gas de entrada, humedad de los gases, separación líquido-gas, sentido del flujo

4. Producción de Óleum

Disolución de SO₃ en ácido sulfúrico puro; En la torre de absorción el absorbente es óleum de 30%; Temperatura de entrada del líquido 45ºC y del gas 200ºC para limitar evaporación del óleum y favorecer la absorción. Sale óleum concentrado a 70ºC. La concentración final de óleum se ajusta con H₂SO₄ puro. La absorción de SO₃ en óleum es menos eficiente y por eso se realiza antes que la de sulfúrico

5. Emisión de gases

SO₂: si la conversión no es completa, hay que optimizar el diseño del lecho catalítico

SO₃: hay que optimizar el diseño de la torre de absorción

H₂SO₄: diseño de torre no correcto, por la presión de vapor, por la formación de nieblas. Optimizar el proceso de absorción

NOx: en el horno quemado. Hay que minimizar la Temperatura, la cantidad de oxígeno y optimizar el diseño del horno

Emisiones de líquidos: tratamiento del residuo líquido

Gestión de residuos sólidos

Consumo de agua y energía