PROBLEMA DE EXAMEN 2 PARCIAL T.Q.I. (Mayo de 2000)
Se quieren producir 10 t/h de sulfato amnico (base seca) a
partir de amonaco gaseoso puro ycido sulfrico del 78%p segn el
proceso esquematizado en la Figura 1. El proceso consiste enun
reactor/cristalizador/decantador (C1) donde se produce la reaccin y
precipitan los cristalesde sales que se van produciendo. Las sales
producidas se llevan a una centrfuga (F1) que separalos cristales
mayores de 3mm y recircula las aguas madres a C1. El vapor de agua
producido enC1 se condensa y se separa del proceso.
Teniendo en cuenta que: Las sales producidas tienen un contenido
de humedad del 5%p en base seca. Toda la alimentacin entra a 25C C1
trabaja a una temperatura de 74C. C1 tiene un volumen de lquido de
30m3
Se dispone de agua adicional en la alimentacin (a 25C) si es
necesaria para obtener latemperatura adecuada de operacin.
Se dispone de agua de refrigeracin a 32C que puede ser calentada
hasta un mximo de36C para evitar la formacin de algas.
El rendimiento en amonaco es del 98%p
Calcular:
1. El caudal de amonaco y cido sulfrico necesarios para lograr
la produccin de salesespecificada.
2. La presin del reactor.3. El caudal necesario de agua de
alimentacin para que C1 opere a 74C.4. La concentracin de amonaco
en al condensado (5).5. El caudal de agua de refrigeracin necesario
para obtener el condensado (5) a 40C.6. Qu se podra hacer para
minimizar el consumo de agua de refrigeracin.?
Figura 1Propiedades fsicas.(estado referencia 1atm, 25C)Calores
de formacin a 25C:
H2SO4(l) = -193,7Kcal/mol; NH3(g)=-10,96Kcal/mol; (NH4)2SO4(c) =
-281,7Kcal/molCalor especfico del sulfato amnico 0,39Kcal/kgC
(constante entre 25-74C)Capacidad calorfica media (entre 25 y 74C)
del amonaco 6,85Kcal/KmolCDiagrama de Mollier del vapor de agua
(NOTA: Tiene como estado de referencia 0C)Diagrama de la tensin de
vapor del sulfato amnicoDiagrama de entalpa del cido
sulfricoDiagrama de entalpa-concentracin de solucin de amonaco en
agua.
74C
Sulfatoamnico
NH3H2SO4H2O
1
2
3
4
5
6
C1
F1
H2ONH3
CW
SOLUCIN
1. Para el clculo del caudal de amonaco y cido sulfrico se
realiza un balance de masas:
(NH4)2SO4 H2O (5% base seca)10Tn/h 10000/132=75,76Kmol/h
0,05*10000=500Kg/h
Haciendo balance teniendo en cuenta la reaccin: H2SO4+2 NH3
(NH4)2SO4
NH32*75,76=151,5Kmol/h 151,5*15=2576Kg/h 2576/0.98=2628Kg/h
H2SO4(100%) H2SO4 (78%p)75,76Kmol/h 75,76*98=7424Kg/h
7424/0.78=9518Kg/h
H2O 9519*0,22=2094Kg/h Agua que acompaa al cido.
2. La presin en el reactor se obtiene leyendo en el diagrama de
tensin de vapor entrando con74C. (ver diagrama)P=0,3 Kg/cm2
abs.
3. Para calcular el caudal de agua de alimentacin se hace un
balance entlpico. El caudal deagua ser el necesario para que el
balance se cumpla a 74C.
m(1)h(1)=m(3)h(3)+m(4)H(4)+mreac(Hreaccin)-mdil(Hdilucin)
H2SO4(100%) +2 NH3 (NH4)2SO4 (I) (Calor de reaccin)
H2SO4(100%) + H2O H2SO4(78%) (II) (Calor de dilucin)
H2SO4(78%)+2 NH3 (NH4)2SO4+ H2O (I) - (II) (Reaccin real)
Entalpas especficas (Kcal/Kg) ref 25CCorriente 1 Corriente 3
Corriente 4
H2SO4 0 --- ---NH3 0 --- (6,85/17)*(74-25)H2O 0 1*(74-25)
(630-25)(NH4)2SO4 --- 0,39*(74-25) ---
Balance al agua x: agua de alimentacin; y: agua en la corriente
(4)(2094+x)=500+yCalor de reaccin
-281,7-(-193,7)-2*(-10,96)=-65,3Kcal/mol c sulfricoCalor de dilucin
del diagrama de entalpa del c. sulfrico. -70Kcal/Kg c. sulfrico
78%p(ver diagrama : se unen cido100% con agua ambos a 74C hasta que
corten al cido a 78% yse ve la diferencia de entalpa de la mezcla
resultante con respecto a la del c. del 78% a 74C)
0=10000*0,39*(74-25)+500*(74-25)+(2094+x-500)*(630-25)+52*(6,85/17)*(74-25)+75,76*10^3*(-65,3)-9518*(-70)x=5124kg/h
de agua de alimentacin.
4. Concentracin de amoniaco en (5)Amoniaco en (5)
2628-2576=52Kg/hFraccin peso de amonaco
52/(2094+5124-500+52)=52/6718=0,0077Kg NH3/Kg sol.
En peso
h
Diluido
5. Caudal de agua de refrigeracin. Balance entlpico al
cambiador.Entalpa de (5): A 40C y con fraccin peso de amonaco
0,0077 en el diagrama es 40Kcal/kg(se puede considerar que es agua
pura a efectos de la entalpa. Ver diagrama). Como lareferencia est
a 0C se le resta la entalpa a 25C que es 25Kcal/kg
m(4)h(4)-m(5)*h(5)=FCW*1*(36-32)(2094+5124-500)*(630-25)+52*(6,85/17)*(74-25)-(2094+5124-500+52)*(40-25)=3,904*10^6-101550=FCW*4FCW=950590Kg/h
950,6m
3/h
6. Para disminuir el caudal de agua de refrigeracin obtenido se
pueden poner a la salida delreactor unos aerorefrigerantes que
bajen la temperatura de los gases de salida y posteriormenteel
cambiador con el agua de refrigeracin.
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