BALANCES DE MASA Y ENERGIA. Para la producción de una tonelada de ácido nítrico en la actividad de la Fabricación de Acido Nítrico, se registran entradas y salidas. Los datos presentados son calculados por el Grupo de Investigación del Convenio UIS - IDEAM, IDEAM, a partir de información bibliográfica y de campo.
BALANCE DE MASA
BALANCE DE ENERGIA
BALANCE DE MASA Gráfico Balance de Masa Entradas Másicas al Proceso CORRIENTES
MASA TOTAL (Kg / Ton de HNO 3)
Amoniaco (F2)
150.96
Aire (F3)
2314.52
Agua de Absorción Absorción (F14)
425.76
Agua para Vapor (F16)
64
Agua de enfriamiento enfriamiento (F15)
14.000
Fuente: Cálculos Convenio UIS-IDEAM
Salidas Másicas del Proceso CORRIENTES
MASA TOTAL (Kg / Ton de HNO 3)
Gases de cola (F7)
1981.44
HNO3 (53 - 54% en peso) (F13)
1000
Vapor (F16)
64
Agua de enfriamiento(F15) enfriamiento(F15)
14.000
Fuente: Cálculos Convenio UIS-IDEAM
Resumen Balance Másico del Proceso CORRIENTE
MASA TOTAL (Kg/h)
MASA POR COMPONENTE (Kg/h) NH3
O2
N2
H2O
NO
NO2
HNO3
F1
95.03
6.29
22.19
66.55
F2
6.13
6.29
-
-
-
-
-
-
F3
96.48
F4
95.03
-
6.48
68.26
9.73
10.40
-
-
F5
88.74
-
22.19
66.55
-
-
-
-
F6
7.74
-
1.80
5.94
-
-
-
-
F7
82.56
-
2.94
74.20
5.1
F8
13.1
-
1.80
5.94
9.73
0.32
-
5.36
-
-
15.76
-
-
F9
107.97
-
8.28
74.20
F10
108.1
-
-
74.20
9.73
-
24.17
-
F12
47.02
-
-
-
19.16
5.36
-
22.50
F13
41.66
-
-
-
19.16
-
-
22.50
F14
17.74
-
-
-
17.74
-
-
-
Fuente: Cálculos Convenio UIS-IDEAM
Nota: De la diferencia entre F10 y F9, se concluye que se requiere algo más de aire adicional. Los cálculos relacionados con los datos que se reportan en la tablas anteriores se muestran en Balance. (GRAFICO) BALANCE DE ENERGIA Gráfico Balance de Energía El balance de energía que se presenta a continuación, busca principalmente mostrar el aprovechamiento energético que se realiza en el proceso de elaboración del ácido nítrico, en los intercambiadores que conforman la denominada zona de "Economización", dónde se utiliza el calor liberado en el reactor y contenido naturalmente por los gases de reacción, para precalentar otras corrientes de proceso, generación de electricidad y para la generación de vapor como servicio industrial, usado por el proceso mismo, en la vaporización del amoniaco. La cuantificación de este ítem, cualifica y califica desde el punto de vista ambiental la posible contaminación directa o indirecta, que un proceso causa por consumo de energía no autosuministrada. El calor de reacción intercambiado en la absorción y en la oxidación, se supone cercano al liberado en estos equipos por reacción, ya que el objetivo es mantener las temperaturas de operación deseadas. Balance de Energía sobre Equipos Medulares EQUIPO
FLUIDO DE PROCESO
GENERACION FLUIDO DE CALOR DE CALOR INTERCAMBIO INTERCAMBIADO POR REACCION (Julios/Ton (Julios/Ton HNO3) HNO3)
VAPORIZADOR DE NH3 (F-7)
Amoniaco
-
vapor
1.22 * 108
REACTOR (A-1)
Gases de reacción
2 * 10 9
-
-
CALDERA DE RECUPERACION (H-1)
Gases de reacción
-
agua (producción de vapor)
1.50 * 109
PRECALENT. DE LOS GASES DE COLA (F-2)
Gases de reacción
-
gases de cola
1.84 * 107
ECONOMIZADOR
8
Gases de reacción
-
agua
1.04 * 10
ENFRIADOR DE RAPIDO EFECTO (F-3)
Gases de reacción
-
agua de enfriamiento
2.30 * 108
T. DE OXIDACION
Gases de reacción
2.16 * 10 7
agua de enfriamiento
1.76 * 107
Gases de reacción
3.68 * 107
agua de enfriamiento
3.20 * 107
(F-1)
(CR-1, CR-2 y CR-3) CILINDROS DE ABSORCION
2.08 * 109
TOTAL
2.03 * 109
Fuente: Cálculos Convenio UIS-IDEAM
REQUERIMIENTOS ENERGETICOS
ELECTRICOS
Consumo de Energía Eléctrica 6.24 Kw / Ton de HNO 3 Dos Turbogeneradores de 346 Kw cada uno
TERMICOS 8
Vaporización en F-7 del Amoniaco 1.22 * 10 Julios / Ton de HNO 3 9
Producción de Vapor en la caldera en H-1 1.50 * 10 Julios / Ton de HNO 3 8
Precalentamiento en F1 Agua Desmineralizada 1.04 * 10 Julios / Ton de HNO 3 7
Precalentamiento en F-2 de los Gases de Cola 1.84 * 10 Julios / Ton de HNO 3 8
Enfriamiento en F-3 de los Gases Nitrosos 2.30 * 10 Julios / Ton de HNO 3 7
Enfriamiento en la Torre de Oxidación 1.76 * 10 Julios / Ton de HNO 3 7
Enfriamiento en los Cilindros de Absorción 3.20 * 10 Julios / Ton de HNO 3 BALANCE El balance de masa que se presenta a continuación, está hecho solo sobre aquellos equipos o bloques en los cuales ocurre transformación química y/o variaciones en las concentraciones de las corrientes de entrada y/o salida Capacidad de la planta: 1 Ton/día = 41.66 Kg/hora de HNO 3 del 54% en peso Base de cálculo: 1 hora a. Corriente F13 (producto):
Masa total = 41.66 Kg H2OF13 = 41.66*0.46 = 19.16 Kg H 2O HNO3 F13 = 41.66*0.54 = 22.50 Kg HNO 3 b. Corriente F2: Consumo de Amoniaco = 0.151 Ton de NH 3/Ton HNO3 0.151*41.66 = 6.29 Kg NH 3 (0.36 Kmol) c. Corriente F1 (Aire al mezclador): En la corriente F1 el amoniaco se encuentra máximo en una proporción de 10.5% volumétrica o molar (son equivalentes en gases), porque por encima de este porcentaje la mezcla resulta ser explosiva. Calculando el aire presente en F1 (carga alimentada al reactor): 0.36 Kmol NH3----------10.5% ? ----------------100% ? = 3.42 Kmol Totales. F1 (Aire) = 3.42 - 0.36 = 3.06 Kmol de aire Resumen de Corrientes Calculadas a partir de F1 MASA TOTAL (Kg)
CORRIENTE
MASA POR COMPONENTE (Kg) NH3
O2
N2
F1
94.87
6.13
22.19
66.55
F5
88.74
-
22.19
66.55
Fuente: Cálculos Convenio UIS-IDEAM
d. Cálculo de la corriente F 4: En términos másicos F4 = F1 = 94.8727 Kg. Se conoce la composición molar y por ende la másica de la corriente F4 Caracterización de la corriente F 4 CORRIENTE
F4
MASA TOTAL (Kg)
94.87
MASA POR COMPONENTE (Kg) N2
O2
NO
H2O
68.26
6.48
10.40
9.73
PORCENTAJE MASICO (%)
71.95
6.82
10.96
10.27
PORCENTAJE MOLAR (%)
69.1
5.73
9.82
15.35
Fuente: Cálculos Convenio UIS-IDEAM
e. Corriente F7 (gases de cola): 3
Flujo volumétrico de los gases de cola = 75.05 m /hora
Densidad gases de cola (similar a la del aire acondiciones ambiente) = 1.1 Kg/m
3
Flujo másico gases de cola = 75.05 * 1.1 = 82.56 Kg/hora Se conoce la composición molar y por lo tanto la másica, por lo cual se puede determinar completamente la corriente: Caracterización de la Corriente F7 CORRIENTE
MASA TOTAL (Kg)
F7
82.56
MASA POR COMPONENTE (Kg) N2
NO2
O2
H2O
74.20
0.32
2.94
5.1
PORCENTAJE MASICO (%)
89.88
0.39
3.56
6.17
PORCENTAJE MOLAR (%)
87.41
0.23
3.03
9.33
Fuente: Cálculos Convenio UIS-IDEAM
f. Corriente F6 (Aire adicional). Hacemos un balance para el N 2 que se encuentra en F 7 y que proviene de F4 y F6: N2(en F6) = N2(en F7 ) - N2(en F4 )= 74.20 - 68.26 = 5.94 Kg (0.21 Kmol) La cantidad correspondiente de oxígeno, para dicho nitrógeno es: O2(en F6) = 1.80 Kg (0.06 Kmol) F6 = 1.80 + 5.94 = 7.74 Kg de aire adicional a la torre de desnitración. g. Balance sobre el sistema de oxidación y el de absorción: Es claro que el HNO 3 y el agua de la corriente F13, son los mismos que los de la corriente F12, esta última arrastra el NO que se libera en el sistema de absorción por la reacción: 3NO2 + H2O
2HNO3 +
NO
Consumos por la anterior reacción en la sección de absorción (2*63) Kg HNO3---------- (3*46) Kg de NO2 22.50 Kg HNO3 ---------------- ? ? = 24.64 Kg NO2 requeridos para reacción (provienen directamente de F9) (2*63) Kg HNO3---------- 18 Kg de H2O 22.50 Kg HNO3 ---------------- ? ? = 3.21 Kg H2O
requeridos estequiométricamente para reacción (parte del alimento a la sección de absorción como F14). (2*63) Kg HNO3---------- (30) Kg de NO 22.50 Kg HNO3 ---------------- ? ? = 5.36 Kg NO liberados por reacción. El NO es arrastrado por F12 y al contacto con F6 en la sección de desnitración va a la corriente F9, donde por la reacción: forma el NO2 restante para completar el NO2 que se necesita estequiométricamente en la sección de absorción: 30 Kg NO----------46 Kg de NO2 5.36 ------------- ? ? = 8.22 Kg de NO 2 Igualmente el NO que viene en la corriente F4, también pasa totalmente a NO 2: 30 Kg NO----------46 Kg de NO2 10.40 ------------- ? ? = 15.95 Kg de NO2 N2(en F10) = 15.95 + 8.22 = 24.17 Valor muy cercano a lo requerido estequiométricamente. En este cálculo, se desprecia el eventual contenido de NO que arrastra el ácido producto (nitrosidad), ya que este no sobrepasa el 0.0008% en ningún caso. También se estima que todo el NOX presente en los gases de cola, se encuentra como NO 2. También, se hace responsable de toda formación de ácido nítrico por reacción con agua a la sección de absorción, lo que para efectos de balance global es válido. h. Balance global de H 2O H2Oentra - H2Osale + H2Ogenera - H2Oproduce = 0 H2O(en F4 ) + H2O(en F14 ) - H2O(en F13 ) - H2O(en F7 ) - H2Oconsume= 0 H2O(en F14) = H2O(F13) + H2O(F7) + H2Oconsume - H2O(F4) H2O(en F14) = 19.16 + 5.1 + 3.21 - 9.73 = 17.74 Kg de H 2O i. Balance másico global para comprobación:
F4 + F6 + F14 = F15 + F7 94.87 + 7.74 + 17.96 = 120.5 Kg entran 82.56 +41.66 = 124.22 Kg salen A pesar de utilizar estimativos t ales como una composición típica (mas no exacta) de gases de cola, para plantas de ácido nítrico, así como una densidad no exacta para dichos gases, el balance cuadra bastante bien y permite establecer un análisis en consumo de materia prima y emisión de NO2 a la atmósfera. Tampoco se ha tenido en cuenta la realidad cinética en las diversas etapas, lo cual puede entre otras variaciones, causar una demanda mayor o menor de aire adicional. BALANCE DE ENERGIA Gráfico Balance de Energía El balance de energía que se presenta a continuación, busca principalmente mostrar el aprovechamiento energético que se realiza en el proceso de elaboración del ácido nítrico, en los intercambiadores que conforman la denominada zona de "Economización", dónde se utiliza el calor liberado en el reactor y contenido naturalmente por los gases de reacción, para precalentar otras corrientes de proceso, generación de electricidad y para la generación de vapor como servicio industrial, usado por el proceso mismo, en la vaporización del amoniaco. La cuantificación de este ítem, cualifica y califica desde el punto de vista ambiental la posible contaminación directa o indirecta, que un proceso causa por consumo de energía no autosuministrada. El calor de reacción intercambiado en la absorción y en la oxidación, se supone cercano al liberado en estos equipos por reacción, ya que el objetivo es mantener las temperaturas de operación deseadas. Balance de Energía sobre Equipos Medulares EQUIPO
FLUIDO DE PROCESO
GENERACION FLUIDO DE CALOR DE CALOR INTERCAMBIO INTERCAMBIADO POR REACCION (Julios/Ton (Julios/Ton HNO3) HNO3)
VAPORIZADOR DE NH3 (F-7)
Amoniaco
-
vapor
1.22 * 108
REACTOR (A-1)
Gases de reacción
2 * 10 9
-
-
CALDERA DE RECUPERACION (H-1)
Gases de reacción
-
agua (producción de vapor)
1.50 * 10
PRECALENT. DE LOS GASES DE COLA (F-2)
Gases de reacción
-
gases de cola
1.84 * 107
ECONOMIZADOR
Gases de reacción
-
agua
1.04 * 10
Gases de reacción
-
agua de enfriamiento
2.30 * 108
9
8
(F-1) ENFRIADOR DE RAPIDO EFECTO
(F-3) T. DE OXIDACION
Gases de reacción
2.16 * 10 7
agua de enfriamiento
1.76 * 107
Gases de reacción
3.68 * 107
agua de enfriamiento
3.20 * 107
(CR-1, CR-2 y CR-3) CILINDROS DE ABSORCION
2.08 * 109
TOTAL
2.03 * 109
Fuente: Cálculos Convenio UIS-IDEAM
REQUERIMIENTOS ENERGETICOS
ELECTRICOS
Consumo de Energía Eléctrica 6.24 Kw / Ton de HNO 3 Dos Turbogeneradores de 346 Kw cada uno
TERMICOS 8
Vaporización en F-7 del Amoniaco 1.22 * 10 Julios / Ton de HNO 3 9
Producción de Vapor en la caldera en H-1 1.50 * 10 Julios / Ton de HNO 3 8
Precalentamiento en F1 Agua Desmineralizada 1.04 * 10 Julios / Ton de HNO 3 7
Precalentamiento en F-2 de los Gases de Cola 1.84 * 10 Julios / Ton de HNO 3 8
Enfriamiento en F-3 de los Gases Nitrosos 2.30 * 10 Julios / Ton de HNO 3 7
Enfriamiento en la Torre de Oxidación 1.76 * 10 Julios / Ton de HNO 3 7
Enfriamiento en los Cilindros de Absorción 3.20 * 10 Julios / Ton de HNO 3 BALANCE El balance de masa que se presenta a continuación, está hecho solo sobre aquellos equipos o bloques en los cuales ocurre transformación química y/o variaciones en las concentraciones de las corrientes de entrada y/o salida Capacidad de la planta: 1 Ton/día = 41.66 Kg/hora de HNO 3 del 54% en peso Base de cálculo: 1 hora a. Corriente F13 (producto): Masa total = 41.66 Kg H2OF13 = 41.66*0.46 = 19.16 Kg H 2O
HNO3 F13 = 41.66*0.54 = 22.50 Kg HNO 3 b. Corriente F2: Consumo de Amoniaco = 0.151 Ton de NH 3/Ton HNO3 0.151*41.66 = 6.29 Kg NH 3 (0.36 Kmol) c. Corriente F1 (Aire al mezclador): En la corriente F1 el amoniaco se encuentra máximo en una proporción de 10.5% volumétrica o molar (son equivalentes en gases), porque por encima de este porcentaje la mezcla resulta ser explosiva. Calculando el aire presente en F1 (carga alimentada al reactor): 0.36 Kmol NH3----------10.5% ? ----------------100% ? = 3.42 Kmol Totales. F1 (Aire) = 3.42 - 0.36 = 3.06 Kmol de aire Resumen de Corrientes Calculadas a partir de F1 MASA TOTAL (Kg)
CORRIENTE
MASA POR COMPONENTE (Kg) NH3
O2
N2
F1
94.87
6.13
22.19
66.55
F5
88.74
-
22.19
66.55
Fuente: Cálculos Convenio UIS-IDEAM
d. Cálculo de la corriente F 4: En términos másicos F4 = F1 = 94.8727 Kg. Se conoce la composición molar y por ende la másica de la corriente F4 Caracterización de la corriente F 4 CORRIENTE
MASA TOTAL (Kg)
MASA POR COMPONENTE (Kg) N2
O2
NO
H2O
68.26
6.48
10.40
9.73
PORCENTAJE MASICO (%)
71.95
6.82
10.96
10.27
PORCENTAJE MOLAR (%)
69.1
5.73
9.82
15.35
F4
94.87
Fuente: Cálculos Convenio UIS-IDEAM
e. Corriente F7 (gases de cola): 3
Flujo volumétrico de los gases de cola = 75.05 m /hora Densidad gases de cola (similar a la del aire acondiciones ambiente) = 1.1 Kg/m Flujo másico gases de cola = 75.05 * 1.1 = 82.56 Kg/hora
3
Se conoce la composición molar y por lo tanto la másica, por lo cual se puede determinar completamente la corriente: Caracterización de la Corriente F7 CORRIENTE
MASA TOTAL (Kg)
MASA POR COMPONENTE (Kg) N2
NO2
O2
H2O
74.20
0.32
2.94
5.1
PORCENTAJE MASICO (%)
89.88
0.39
3.56
6.17
PORCENTAJE MOLAR (%)
87.41
0.23
3.03
9.33
F7
82.56
Fuente: Cálculos Convenio UIS-IDEAM
f. Corriente F6 (Aire adicional). Hacemos un balance para el N 2 que se encuentra en F 7 y que proviene de F4 y F6: N2(en F6) = N2(en F7 ) - N2(en F4 )= 74.20 - 68.26 = 5.94 Kg (0.21 Kmol) La cantidad correspondiente de oxígeno, para dicho nitrógeno es: O2(en F6) = 1.80 Kg (0.06 Kmol) F6 = 1.80 + 5.94 = 7.74 Kg de aire adicional a la torre de desnitración. g. Balance sobre el sistema de oxidación y el de absorción: Es claro que el HNO 3 y el agua de la corriente F13, son los mismos que los de la corriente F12, esta última arrastra el NO que se libera en el sistema de absorción por la reacción: 3NO2 + H2O
2HNO3 +
NO
Consumos por la anterior reacción en la sección de absorción (2*63) Kg HNO3---------- (3*46) Kg de NO2 22.50 Kg HNO3 ---------------- ? ? = 24.64 Kg NO2 requeridos para reacción (provienen directamente de F9) (2*63) Kg HNO3---------- 18 Kg de H2O 22.50 Kg HNO3 ---------------- ? ? = 3.21 Kg H2O requeridos estequiométricamente para reacción (parte del alimento a la sección de absorción como F14). (2*63) Kg HNO3---------- (30) Kg de NO
22.50 Kg HNO3 ---------------- ? ? = 5.36 Kg NO liberados por reacción. El NO es arrastrado por F12 y al contacto con F6 en la sección de desnitración va a la corriente F9, donde por la reacción: forma el NO2 restante para completar el NO2 que se necesita estequiométricamente en la sección de absorción: 30 Kg NO----------46 Kg de NO2 5.36 ------------- ? ? = 8.22 Kg de NO 2 Igualmente el NO que viene en la corriente F4, también pasa totalmente a NO 2: 30 Kg NO----------46 Kg de NO2 10.40 ------------- ? ? = 15.95 Kg de NO2 N2(en F10) = 15.95 + 8.22 = 24.17 Valor muy cercano a lo requerido estequiométricamente. En este cálculo, se desprecia el eventual contenido de NO que arrastra el ácido producto (nitrosidad), ya que este no sobrepasa el 0.0008% en ningún caso. También se estima que todo el NOX presente en los gases de cola, se encuentra como NO 2. También, se hace responsable de toda formación de ácido nítrico por reacción con agua a la sección de absorción, lo que para efectos de balance global es válido. h. Balance global de H 2O H2Oentra - H2Osale + H2Ogenera - H2Oproduce = 0 H2O(en F4 ) + H2O(en F14 ) - H2O(en F13 ) - H2O(en F7 ) - H2Oconsume= 0 H2O(en F14) = H2O(F13) + H2O(F7) + H2Oconsume - H2O(F4) H2O(en F14) = 19.16 + 5.1 + 3.21 - 9.73 = 17.74 Kg de H 2O i. Balance másico global para comprobación: F4 + F6 + F14 = F15 + F7 94.87 + 7.74 + 17.96 = 120.5 Kg entran 82.56 +41.66 = 124.22 Kg salen
A pesar de utilizar estimativos t ales como una composición típica (mas no exacta) de gases de cola, para plantas de ácido nítrico, así como una densidad no exacta para dichos gases, el balance cuadra bastante bien y permite establecer un análisis en consumo de materia prima y emisión de NO2 a la atmósfera. Tampoco se ha tenido en cuenta la realidad cinética en las diversas etapas, lo cual puede entre otras variaciones, causar una demanda mayor o menor de aire adicional. Regresar a Procesos de Producción
