Producción del nitrato de amonio DISEÑO DEL SISTEMA DE REACCIÓN El objetivo de este capítulo es hacer un análisis de la reacción que tiene lugar en el reactor para producir nitrato de amonio a partir de amoniaco y ácido nítric rico. Este anális lisis permi ermitte obtener las especifcaciones del reactor que se usará en el proceso.
Reacción química La reacción química para la obtención de nitrato de amonio en solución, por el proceso U!E, es"
La reacción se lleva a cabo entre el amoniaco gaseoso, el cual es previamente vapori#ado y calentado a una temperatura de $% &' y una presión de (%% )*a, y ácido nítrico al $%+ el cual es calentado previamente hasta una temperatura de $% &' y una presión de $%% )*a . La reacción es eot-rmica y se lleva a cabo a /% &' y %% )*a. 0 esta estas s cond condic icio ione nes s se obti obtien ene e una una conc concen entr trac ació ión n de $/ + de nitrato de amonio.
Calor de reacción La reac reacció ción n de obte obtenc nció ión n de nitra nitrato to de amon amonio io se cons consid ider era a 1uertemente eot-rmica, liberándose aproimadamente aproimadamente 22 34 por mol de nitrato de amonio 1ormado. Este calor de reacción ha sido calculado a partir de la siguiente ecuación" !onde"
La limitación de este cálculo es la 1alta de datos termodinámicos para el nitrato de amonio, por ello se asumió como constantes las capacidades calorífcas de las sustancias que participan en la reacción
Equilibrio y cin!ica de reacción" Equilibrio de reacción# La ecuación química para la obtención de nitrato de amonio es la siguiente"
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La constante de equilibrio para la reacción puede ser evaluada a partir de la siguiente ecuación"
La ecuación anterior permite calcular la constante de equilibrio a 67 &' y atm, con este valor será calculada la constante de equilibrio a la temperatura de reacción 8/% &'5, por medio de la ecuación de 9an:t o;.
El valor de sus constantes de equilibrio es grande debido a que es una reacción irreversible, por lo tanto el equilibrio químico se puede despreciar en el sistema de reacción. 0 pesar de que la constante de equilibrio disminuye con el incremento de la temperatura esta disminución no in
Cin!ica de reacción La reacción entre el amoniaco y el ácido nítrico es instantánea, el tiempo de residencia está en el rango de milisegundos, con este tiempo de residencia la cin-tica de reacción se considera despreciable. Los reactores para la obtención de nitrato de amonio no son dise=ados para ning>n tiempo de residencia específco, independientemente de la tecnología utili#ada. !ebido a que la reacción de neutrali#ación es espontánea, completa y altamente eot-rmica las dimensiones del reactor están en 1unción de la trans1erencia de calor.
Con$er%ión y rendimien!o La efciencia de conversión en la tecnología Uhde depende de la calidad de los reactantes, si es que se mantiene los porcentajes y concentraciones adecuadas esta será del %%+.
Com&o%ición de la alimen!ación y del e'uen!e del reac!or En la tabla ? se observa la composición y cantidades de la alimentación y del e
Di%e(o y %elección del reac!or En la producción de nitrato de amonio por el proceso Uhde se emplea un reactor de
El ácido nítrico previamente calentado es introducido a la #ona in1erior del reactor junto con el reciclo de nitrato de amonio, estos
nitrógeno, esta descomposición puede ser 1avorecida por la presencia de impure#as como cobre, #inc, cloruros entre otras.
)olumen del reac!or El volumen e1ectivo del reactor, es decir, la #ona @@ o #ona de reacción, se ha dise=ado para un tiempo de residencia de segundo ya que la reacción es prácticamente instantánea. Este tiempo de residencia es el sufciente para lograr el contacto entre el amoniaco y la solución acidifcada de nitrato de amonio en los orifcios de los tubos del reactor y así poder mantener la temperatura dentro del reactor. 0l producirse la reacción se logra de manera instantánea un $$+ 8pCp5 de nitrato de amonio el cual es conducido a la #ona @@@ o #ona de me#cla caliente para luego ser epulsado del reactor y pasar a las siguientes etapas del proceso. *ara las soluciones de nitrato de amonio al $$+ la densidad es de ,66$7 3gCm?, el
Dimen%ione% del reac!or *ara la #ona de reacción, se asumió una relación altura a diámetro de ?"6 con lo que se tiene un reactor de ,6%m de diámetro y ,2%m de altura. *ara las #onas @ y @@@ las cuales presentan una 1orma de cono trunco, se calculó la altura, radio mayor y radio menor aplicando la 1órmula del volumen del cono trunco, tomando como dato de diámetro mayor el diámetro de la #ona de reacción y como diámetro menor se asumió %,?2 metros, las cuales tendrán bridas de acoplamiento al ingreso de solución de 0D recirculante y solución de 0D obtenida de BA y 6,7A respectivamente.
Tabla *+# Dimen%ione% de reac!or
'on estos valores se obtuvo un volumen global del reactor de ?,6 m? y una altura de /,76m.
N,mero de !ubo% del reac!or El reactor de Uhde es un reactor multitubular, los tubos dentro del reactor cumplen la 1unción de transportar a la solución ácida de nitrato amonio, por 1uera de ellos se encuentra
mero de tubos, se asumió que el reactor opera como un intercambiador de calor, de tablas se obtiene el n>mero de tubos en 1unción al diámetro del tubo, diámetro del reactor y al pitch. He obtuvo que el reactor de ,6%m de diámetro, con tubos de pulgada de diámetro nominal y un pitch de B tendrá G6/ tubos, los cuales presentarán per1oraciones de BA de diámetro cada ?A de distancia, estas per1oraciones estarán en las paredes de los tubos para asegurar el contacto entre reactantes.
-rea de en.riamien!o del reac!or He ha dise=ado una chaqueta de en1riamiento tomando en cuenta el calor necesario que se requiere retirar del reactor, el cual es 6 ?6 %2/,?2 34Ch. *ara este propósito se utili#ará /6 /$7,%?3gCh de agua de en1riamiento, el diámetro de la chaqueta de en1riamiento es cm mayor que el diámetro del reactor, el área de trans1erencia de calor es $,2 m 6, la cual es el área lateral de la #ona de reacción.
Ma!eriale% de con%!rucción del reac!or El reactor será construido de acero inoidable tipo ?$, debido a que los materiales son altamente corrosivos, la chaqueta de en1riamiento tambi-n será construida del mismo material ya q e se utili#ará agua de mar como
de en1riamiento. El espesor de todos los constituyentes del reactor será ?C$ de pulgada, esto se calculó teniendo en cuenta la presión de dise=o y la corrosión.
Aco&lamien!o% En la siguiente tabla se muestran los acoplamientos para alimentación
DISEÑO DE E/0I1O DE 1ROCESO En este capítulo se ha e1ectuado los cálculos y se listan las especifcaciones de los principales equipos de proceso. *ara el dise=o se ha tomado en cuenta el balance de materia y energía reali#ado en el capítulo 6. 0lgunas propiedades 1ísicas, químicas o termodinámicas requeridas 1ueron calculadas con la ayuda del Himular 'hem'ad $.6.
Reci&ien!e% de almacenamien!o Este proyecto requiere / recipientes de almacenamiento tanto para materias primas, la diatomita y el producto fnal. En la siguiente tabla se muestran las especifcaciones de los recipientes requeridos.
Equi&o% de !ran%.erencia %imul!2nea de calor y ma%a
La trans1erencia simultánea de calor y masa es com>nmente utili#ada para concentrar materiales, se listan los equipos necesarios para este proyecto.
Se&arador 'a%3 Este equipo es una especie de tanque de separación, en el cual el en otro mecanismo. El separador
E$a&orador La 1unción de esta unidad es concentrar la solución de nitrato de amonio desde G%+ hasta G(+, removiendo $/ 3g de agua por hora. El calor necesario para llevar a cabo esta operación es de 6/,7 34Cs, para esto se utili#a vapor saturado como medio de cale1acción a 7%% )*a, el cual circula por dentro de los tubos. El evaporador Iuímicaopera/%&' y %% )*a de presión. El evaporador tiene un diámetro de %,2 metros y una altura de 6,7? metros, la calandria interna cuenta con 622 tubos de A distribuidos en arreglo cuadrangular para disminuir el e1ecto de la corrosión y un tubo central de (A. El material utili#ado es acero 0@H@?%/L debido a la agresividad del medio.
4"5"5"
Torre &rillin6
Esta unidad convierte la solución de nitrato de amonio proveniente del evaporador gránulos. Las dimensiones de la torre son ,/2 m de alto y 6,(( m de diámetro interior, las paredes de la torre serán construidas de concreto armado y la pared será de %,7( m de espesor. La solución de nitrato de amonio será alimentada a la torre por medio de % aspersores los que generarán gotas de 0D de diámetro de ,7 mm en promedio 8G7+ de gotas tendrán este diámetro5, las gotas de 0D son secadas y solidifcadas por una corriente de aire proveniente del eterior de la torre. El ventilador de aire utili#ado en esta unidad será de ? hp de potencia.
4"5"+"
Secador ro!a!orio
Este equipo cumplirá la 1unción de secar los gránulos provenientes de la torre prilling hasta una humedad del %,+, esto se logra haciendo circular aire caliente en contracorriente por el secador. Las dimensiones del secador son %,G6 m de diámetro, 7,76 m de longitud, el mismo que será construido con planchas de acero 0@H@ ?%/L de 7C$A de espesor. La potencia necesaria para mover el equipo es de (,7 hp.
4"5"4"
En.riador
El en1riador es utili#ado para disminuir la temperatura de los gránulos provenientes de la etapa de clasifcación, para esto se utili#ará aire a 67&c que circulará en contracorriente del
4"7" Equi&o% de !ran%.erencia de calor La trans1erencia de calor está presente en todos los procesos ya sea para calentar yCo vapori#ar materias primas o insumos necesarios para la obtención del producto fnal. En el presente proyecto se requieren $ intercambiadores de calor para acondicionar las materias primas y en1riar el e
4"+" Equi&o% de %e&aracione% mec2nica%
La separación mecánica se utili#a en este proyecto para lograr separar los gránulos de nitrato de amonio de acuerdo a la especifcación de la norma DJ* ?.%%7"6%. *are esto se utili#arán 6 tamices en serie para clasifcar primero lo gruesos y fnalmente las partículas muy fnas.
Equi&o% de me8clado En este proyecto se utili#an equipos para me#clado de sólidos y para me#clado de líquidos, los cuales se detallan a continuación"
Tanque de di%olución En este equipo se disuelven los gránulos recha#ados de los tamices por medio de agitación mecánica, adicionalmente en este tanque se calienta la solución de nitrato de amonio para ser alimentada al evaporador.
Me8clador ro!a!orio El me#clador rotatorio es utili#ado para revestir los gránulos de nitrato de amonio con partículas de diatomita de $%% Km. la diatomita se utili#a como antiaglomerante y como relleno en los 1ertili#antes. El me#clador utili#ado tendrá %,27 m de diámetro, 7, m de longitud el mismo que será construido con planchas de acero 0@H@ ?%/L de 7C$A de espesor. La potencia necesaria para mover el equipo es de 2,7 hp.
Equi&o% de !ran%&or!e de %ólido% Los equipos de transporte de sólidos más usados en la industria son los trasportadores de tornillo, 1ajas y elevadores de cangilones cuando se quiere vencer alturas grandes en el plano vertical. Los dise=os de los equipos utili#ados en este proyecto se detallan a continuación"
Ele$adore% de can6ilone% En este proyecto se utili#arán 6 elevadores de cangilones uno para transportar los gránulos de nitrato de amonio desde el sec dor rotatorio hasta el tami# J0 y el otro que trasladará el nitrato de amonio fnal hacia su silo de almacenamiento.
Tran%&or!ador de !ornillo 3elicoidal El transportador de tornillo helicoidal o de gusano consisten en un sistema de aspas helicoidales o seccionales montadas en una tubería o un eje y que giran en una artesa. He presenta una tabla resumen de los transportadores de tornillo helicoidal
9a:a% !ran%&or!adora% Los transportadores de banda se utili#an de manera universal. *ueden recorrer distancias a velocidades de hasta 7,%2mCs y manejar hasta /7?G nCh .He utili#arán $ 1ajas transportadoras las cuales son especifcadas a continuación.
;omba% Estos equipos tienen por 1unción bombear los di1erentes
)en!iladore% Los ventiladores son turbomáquinas de baja presión que trans1orman la energía mecánica en energía de