UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES ZARAGOZA INGENIERÍA QUÍMICA
LABORATORIO DE TALLER Y PROYECTOS 8º SEMESTRE PRODUCCIÓN DE FERTILIZANTE DE SULFATO DE AMONIO
GRUPO 3812 ASESOR: MIGUEL ÁNGEL ARELLANO EQUIPO: BARRIGUETE TRAPALA CESAR IVÁN FLORES RINCÓN GUSTAVO MIRANDA MORALES DOLORES CATALINA VELÁZQUEZ VALENCIA LINDA STEPHANIE 1
ÍNDICE RESUMEN .................................................. ............................................................... ............. ¡Error! Marcador no definido. OBJETIVOS ................................................... ............................................................................. ................................................... .............................. ..... 4 INTRODUCCIÓN ................................................ ..................................................... ..... ¡Error! Marcador no definido. CAPITULO1 GENERALIDADES DEL SULFATO DE AMONIO .............................. .............................. 6 1.1 Fertilizantes .................................................. ............................................................................ .................................................... .......................... 6 1.2 Tipos de fertilizantes ................................ ......................................... ......... ¡Error! Marcador no definido. 1.3 Sulfato de amonio .............................................. .............................................. ¡Error! Marcador no definido. 1.4 Propiedades del sulfato de amonio .................... .................... ¡Error! Marcador no definido. 1.5 Antecedentes ..................................................... ..................................................... ¡Error! Marcador no definido. 1.6 Usos y aplicaciones del sulfato de amonio ......... ¡Error! Marcador no definido. CAPITULO 2 MÉTODOS DE PRODUCCIÓN DEL SULFATO DE AMONIO . ¡Error! Marcador no definido. 2.1 Proceso Proce so directo .................................................. .................................................. ¡Error! Marcador no definido. 2.2 Proceso indirecto................................................ ................................................ ¡Error! Marcador no definido. 2.3 Proceso semidirecto ........................................... ........................................... ¡Error! Marcador no definido. 2.4 Proceso sitema BASF ........................................ ........................................ ¡Error! Marcador no definido. 2.5 Cuadro comparativo .............................. ........................................... ............. ¡Error! Marcador no definido. 2.6 Diseño del proceso ............................................. ............................................. ¡Error! Marcador no definido. CAPITULO 3 PROCESO.......................................... PROCESO.......................................... ¡Error! Marcador no definido. 3.1 Balance de masa................................................ ................................................ ¡Error! Marcador no definido. 3.2 Diagrama de bloques ........................................ ........................................ ¡Error! Marcador no definido. 3.3 Digrama de flujo de proceso............................... ............................... ¡Error! Marcador no definido. CAPITULO 4 DIMENSIONAMIENTO DEL REACTOR ¡Error! definido.
Marcador
no
4.1 Definición de reactor .......................................... .......................................... ¡Error! Marcador no definido. 4.2 Tipos de reactores .............................................. .............................................. ¡Error! Marcador no definido. 4.3 selección del reactor para el proceso de sulfato de amonio ¡Error! no definido.
Marcador
4.4conformacion de reactor batch ............................ ............................ ¡Error! Marcador no definido. 4.5 marco conceptual ...................................... ............................................... ......... ¡Error! Marcador no definido. 2
4.6identificación y caracterización de variables........ ¡Error! Marcador no definido. 4.7 Selección del volumen del reactor ..................... ¡Error! Marcador no definido. 4.8 Dimensionamiento ............................................. ............................................. ¡Error! Marcador no definido. 4.9 Instrumentación ..................................... .................................................. ............. ¡Error! Marcador no definido. CAPITULO 5 CINÉTICA QUÍMICA QUÍMICA ......................... ¡Error! Marcador no definido. 5..1 Velocidad de reacción ...................................... ...................................... ¡Error! Marcador no definido. 5.2 Orden de la reacción ......................................... ......................................... ¡Error! Marcador no definido. 5.3 Clasificación de las reacciones ......................... ¡Error! Marcador no definido. CAPITULO 6 SIMULACIÓN .................................... .................................... ¡Error! Marcador no definido. 6.1 Cálculo de l constante de velocidad ................... ¡Error! Marcador no definido. 6.2 variación de la concentración con respecto al tiempo ¡Error! definido.
Marcador
no
CONCLUSIONES................................................ ..................................................... ..... ¡Error! Marcador no definido. ANEXO................................................ ..................................................................... ..................... ¡Error! Marcador no definido. BIBLIOGRAFÍA ................................................... ........................................................ ..... ¡Error! Marcador no definido.
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RESUMEN En el presente trabajo se describirá lo que son los fertilizantes así como su clasificación, dentro de esta clasificación existen los nitrogenados en la cual se encuentra el sulfato de amonio, el cual, mayormente es utilizado por su cantidad de nitrógeno y una parte de azufre. También se describe las diferentes formas de obtención ya que existen maneras directas e indirectas, sin embargo algunos procesos requieren de más materias primas lo cual implicaría costos innecesarios para su producción.
OBJETIVOS
Describir que es un fertilizante y los tipos de fertilizante, así como señalar en que categoría se encuentra el sulfato de amonio
Analizar los diferentes procesos para la obtención de sulfato de amonio
Seleccionar y describir el proceso que que más se adecue
Seleccionar y diseñar el reactor adecuado para el proceso
Simular el comportamiento de la reacción dentro del reactor seleccionado de acuerdo a las características que se especifiquen
Buscar que variables se pueden modificar dentro del reactor para lograr lograr una optimización
Seleccionar y diseñar los sistemas de control del reactor y del proceso
Dimensionar los demás equipos que estén involucrados involucrados en el proceso
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INTRODUCCIÓN Se considera que un suelo fértil debe proporcionar todos los nutrientes que requiere una planta en cantidades razonables y dentro de un balance apropiado. Sin embargo con el paso tiempo y un uso inadecuado del suelo viene una degradación, lo cual causa un cambio en una o más propiedades inferiores las originales, provocando un suelo poco fértil y por tanto limitándolo su capacidad de mantener una agricultura productiva. Los fertilizantes son sustancias que contienen nutrientes, los cuales ayudan a mejorar la composición química, física o biológica del suelo, el uso de estos permite que las plantas se desarrollen más rápido por la fácil captación de los nutrientes. Todos los fertilizantes químicos requieren la fabricación de compuestos que proporcionan los nutrientes para las plantas, siendo estos: nitrógeno, fósforo y potasio, sea individualmente (fertilizantes "simples"), o en combinación (fertilizantes "mixtos"). "mixtos"). En este proyecto se estudiara el proceso del fertilizante sulfato de amonio el cual, entra en la clasificación de fertilizante nitrogenado.
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CAPITULO 1 GENERALIDADES DEL SULFATO DE AMONIO 1.1 Fertilizantes ¿Qué es un fertilizante? Los fertilizantes o abonos son sustancias de origen animal, mineral, vegetal o sintético, que contienen gran cantidad de nutrientes y se utilizan para enriquecer y mejorar características físicas, químicas y biológicas del suelo o sustrato.
1.2 Tipos de fertilizantes Fertilizantes orgánicos Se trata de los estiércoles, compost, basuras fermentadas, turba, guano, humus de lombriz, etc. Su acción es lenta, pues proporcionan Nitrógeno a medida que las bacterias los descomponen.
Los fertilizantes o abonos de origen orgánico (Estiércol, turba, compost, etc.) son lentos porque antes los nutrientes, por ejemplo, Nitrógeno, se tienen que ir liberando a medida que los microorganismos los descomponen para ponerlos a disposición de las raíces. Como mejor actúan los microorganismos es en suelos calientes, pH neutro o alcalino, con humedad y muy aireado. Ahí la descomposición es más veloz.
Ácidos húmicos Hay un tipo de abono un tanto desconocido para el aficionado, los llamados húmicos . Son muy buenos. Su presentación es líquida o sólida.
ácidos
Fertilizantes minerales 6
Los fertilizantes químicos generalmente son de acción rápida y estimulan el crecimiento y vigor de las plantas cuando se aplican.
Estos fertilizantes se agrupan en diversos tipos según las sustancias que proporcionan: - Nitrogenados - Fosfóricos - Potásicos - Complejos - Binarios - Etc.
Fertilizantes de lenta liberación Están diseñados para que el Nitrógeno se vaya liberando poco a poco, de forma continuada. Suelen comercializarse como abonos granulados, barritas o pastillas. Los fertilizantes de lenta liberación se comercializan como abonos granulados, barritas y pastillas. Se trata de abonos que, como su nombre indica, sueltan los elementos fertilizantes que contienen (Nitrógeno, Fósforo, Potasio, Magnesio...) poco a poco, a lo largo de al menos 3 meses.
Fertilizantes líquidos Se mezclan con el agua de riego. Para macetas son muy apropiados los fertilizantes líquidos. Un poco cada 15 días durante los meses de mayor actividad de las plantas (primavera y verano). Cuando quieras efectos rápidos utiliza fertilizantes químicos disueltos en el agua de riego. Los fertilizantes líquidos son muy apropiados para las plantas en macetas.
Aminoácidos
y
Extractos
de
algas.
Cuando una planta ha sufrido por sequía, por plagas, por un trasplante, por un tratamiento con pesticidas mal realizado, por ejemplo, herbicida, o por cualquier otro trastorno, puedes aplicar unos productos llamados aminoácidos; esto le ayudará a superar el trauma. También los extractos de algas sirven como "recuperadores". 7
¿Qué tipo de fertilizante es el sulfato de amonio? Es fertilizante mineral, y se clasifica como fertilizante químico nitrogenado
1.3 Sulfato de amonio El sulfato de amonio es un compuesto químico cuya fórmula es (NH 4)2SO4. Es una sal compuesta por el anión sulfato y el catión amonio. Otro uso importante del sulfato de amonio es como fertilizante. El sulfato de amonio se produce mediante distintos procedimientos, que se basan todos en la misma reacción, donde el amoníaco reacciona con ácido sulfúrico.
2NH3 + H2SO4 => (NH 4)2SO4 Una de las formas más frecuentes de obtención de este compuesto es poniendo en contacto vapores de ácido sulfúrico y amoníaco, en reactores a altas temperaturas. La sal formada precipita en el fondo del reactor. En su uso como fertilizante, se aplica directamente sobre el suelo, cumple muy bien la función de fertilizante de “inicio”, al momento de la siembra. Este eficiente
en todo tipo de suelos y cultivos, sobre todo en suelos calizos y alcalinos, por su efecto acidificante. Su presentación es en forma granular y su estabilidad química es buena, lo que facilita su mezcla con otros fertilizantes y su aplicación manual. El nitrógeno aportado al suelo mediante sulfato de amonio, es absorbido por las plantas, influyendo positivamente sobre el desarrollo de raíces, follaje y tallos El sulfato de amonio resulta útil como fertilizante para una gran variedad de cultivos: forrajes, pastos, alfalfa, hortalizas (cebollas, ajo), cereales (trigo y cebada) y gramíneas (maíz, sorgo y caña de azúcar). Se puede mezclar con otros fertilizantes, como urea, fosfato de amonio, sulfato de potasio, cloruro de amonio, gracias a su estabilidad química.
1.4 Propiedades del sulfato de amonio Propiedades físicas y químicas Presentación Física: Cristales sólidos finos de color blanco, beige o grisáceo. 8
Tamaño de partícula: 0.50 a 0.85 mm Solubilidad en agua, a 20° C (100 g/100 ml): 76 gr/100 ml de agua a 25° C pH en solución al 10%: 4.0 – 6.0 Unidades Densidad Aparente (Kg/m3): 960 – 1,040 Kg/m3 Nitrógeno (% en peso): 21% Acidez libre como H2SO4 (% en peso): 0.03 máximo. Agua (% en peso): 0.5 máximo. Contenido de azufre (% en peso): 24% Humedad Relativa Crítica (a 30° C): 79%
1.5 Antecedentes Historia de los fertilizantes químicos El descubridor de los fertilizantes químicos fue el químico Alemán, Justus von Liebig, también conocido como “El padre de la agricultura química” en medio del
siglo XIX fue más conocido por experimentar con cenizas de plantas después de muchos experimentos descubrió los fertilizantes químicos, con la intervención del amoniaco y esto dio inicio a muchos otros experimentos como por ejemplo con el nitrato de calcio, en 1903 que fue el primer químico nitrogenado, fue en el siglo 20 que se convirtió en la base para la creación de otro tipo de fertilizantes, como el fosfato de amonio el más usado y ganó mucha popularidad con los resultados en los sembríos, fue hasta 1950, la fabricación de productos químicos cambia por los fertilizantes granulados, con sus presentaciones líquidas y secos a granel, que tiene un gran impacto en la agricultura por su facilidad de manejo, por su precio y su rendimiento en la agricultura.
Origen de la producción de sulfato de amonio El sulfato de amonio fue el primer fertilizante sintético que se produjo en el mundo, su empleo se remonta a finales del siglo XIX. Por supuesto los países productores eran en aquel entonces los que estaban en vías de desarrollo. Actualmente los más desarrollados.
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En México el sulfato de amonio lo empezó a producir GUANOMEX en Cuautitlán, Estado de México, actualmente esta planta ya no funciona.
El uso del sulfato de amonio se usa casi exclusivamente como fertilizante es el que contiene menor cantidad de nitrógeno aunque también se puede utilizar en el tratamiento del agua en la industria del curtido de pieles y en la elaboración de pieles secas.
Industria paraestatal de fertilizantes en México La industria de los fertilizantes en México, nació de manera modesta con la construcción de Guanos y Fertilizantes de México S.A. y Fertilizantes del Bajío, S.A. en 1956, 1960 y 1963 respectivamente. Las más importantes de estas 3 empresas, Fertilizantes de Istmo, S.A., se formó con la participación tripartida de un grupo de miembros del sector privado mexicano, de un grupo de inversionistas cubanos y del Gobierno mexicano a través de PEMEX. Durante el gobierno del Lic. Gustavo Díaz Ordaz, entre los años 1965 y 1067, las empresas pasaron a ser propiedad de Guanos y Fertilizantes de México, S.A. y a partir de entonces, la producción, importación y exportación de los fertilizantes ha sido monopolio del Gobierno Federal.
Fertilizantes sólidos La producción de fertilizantes sólidos en México ha crecido en 1,032,000 toneladas en 1968 a 3,615,000 toneladas en 1982. Este incremento en la producción no ha sido suficiente para satisfacer la demanda nacional, por lo que ha sido necesaria la importación de grandes volúmenes de fertilizantes, que en 1968 fueron de 190,000 toneladas y aumentaron en 1982 a 374,000 toneladas habiéndose importado un total de 5,599,000 toneladas durante un periodo que abarca la tarea utilizada por el gobierno Federal en la industria productora de fertilizantes desde su nacionalización en 1967. Además, ha sido necesaria la importación de fertilizantes, principalmente a base de potasio, que no se producen en el país: de 9,061 toneladas en 1969 a 46,808 toneladas en 1982. A partir de 1978, las plantas productoras han manifestado una baja considerable en el índice de aprovechamiento de su capacidad instalada, decreciendo éste del 101.3% en 1977 a 76.7% en 1980 como promedio, agravando con esto el déficit de la oferta del fertilizante. El sistema de distribución del fertilizante a nivel nacional, se inició a través de empresas privadas, quienes además han apoyado a FERTIMEX en otras funciones, tales como el mezclado, envasado y distribución del producto. 10
Gradualmente, los pequeños propietarios y ejidatarios se fueron sumando al sistema de distribución por medio de sus organismos. A partir de 1978 de formaron las primeras empresas paraestatales dedicadas al manejo de fertilizantes en los Estados de Tamaulipas y Aguascalientes; actualmente hay 17 paraestatales en operación. Fertilizantes Mexicanos, S.A., fue creada para producir, importar, comercializar y distribuir el fertilizante de una manera eficiente, planear el crecimiento de la industria, lograr la autosuficiencia y exportar sus excedentes. Cuando analizamos los datos sobre el crecimiento y desarrollo de FERTIMEX, nos damos cuenta que durante el periodo de 1973 a 1977 incrementó su personal de 2,534 a 4,012 empleados, para un aumento de producción de 3,613,000 toneladas, En el periodo de 1978 a 1982 incrementó su personal con 5.008 empleados más, aumentando la producción de 3,710,000 toneladas más en el periodo anterior. Esto significa que durante el periodo de 1973 a 1977 por cada empleado que ingresó a FERTIMEX la producción aumentó en 2,444 toneladas, mientras que en el periodo de 1978 a 1982 por cada nuevo empleado se aumentó sólo 740 toneladas, que representa el 30% del aumento de producción por cada persona de nuevo ingreso del anterior. En cuanto a las ventas se refiere, en el periodo de 1973 a 1977 se aumentaron las ventas de 3,585 toneladas por cada persona de nuevo ingreso, pero en el periodo de 1978 a 1983 el incremento solamente fue de 1,108 toneladas por cada nuevo empleado. Este incremento representa sólo el 31% del aumento de ventas por cada persona de nuevo ingreso del periodo anterior. Por lo tanto, en lugar de lograr los fines para los que fue creada, FERTIMEX se está convirtiendo en una de las empresas burocratizadas del Gobierno Federal.
1.6 Usos y aplicaciones del sulfato de amonio Sector agrícola El sulfato de amonio es principalmente utilizado donde se necesita adicionar nitrógeno (N) y azufre (S) para satisfacer los requerimientos nutricionales de plantas en crecimiento. Debido a que contiene solo 21% de N, hay otros fertilizantes con mayor concentración y más económicos para manipular y transportar. Sin embargo, provee una excelente fuente de S que tiene numerosas funciones en las plantas, incluyendo la síntesis de proteínas. Como la fracción nitrogenada está presente en forma de amonio, el sulfato de amonio es frecuentemente utilizado en suelos anegados para la producción de arroz, donde 11
los fertilizantes a base de nitrato son una mala alternativa debido a las pérdidas por desnitrificación. El Sulfato de Amonio es la fuente más accesible de nitrógeno de baja concentración. El SAM es una excelente fuente de fertilización en cultivos que extraen grandes cantidades de Azufre (S) del suelo como lo son los cultivos forrajeros (pastos y alfalfa), hortalizas (crucíferas, cebolla y ajo), cereales (trigo y cebada) y gramíneas (maíz, sorgo y caña de azúcar), entre otros.
Sector no agrícola Es comúnmente agregado en la panificación como un acondicionador de la masa. También es un componente en polvo de extinguidores de incendio y agentes ignífugos. Es utilizado para muchas aplicaciones en la industria química, de pulpa de madera, textil y farmacéutica.
Beneficios Tiene azufre en forma de sulfato, que es la única forma que pueden absorberlo las raíces de las plantas de manera inmediata.
Aumenta la rentabilidad de los cultivos. Contiene nitrógeno y azufre, nutrientes esenciales para la formación de la clorofila. Se puede mezclar con otros fertilizantes.
Dosificación No se recomiendan dosis mayores de 40 kg/ha de producto sobre la misma línea de siembra, ya que existen severos riesgos de fitotoxicidad a la semilla. En cambio, localizado entre hileras, al costado o por debajo de la línea de siembra no existen limitaciones de cantidades.
Prácticas de manejo Luego de la aplicación al suelo, el sulfato de amonio se disuelve rápidamente en sus componentes amonio y sulfato. Si permanece en la superficie del suelo, el amonio puede ser susceptible a pérdidas gaseosas en condiciones alcalinas. En estas situaciones, es recomendable la incorporación del material en el suelo tan pronto como sea posible o la aplicación previa a un riego o una precipitación prevista. La mayoría de las plantas son capaces de utilizar ambas formas de N, amonio y nitrato, para su crecimiento. En suelos con altas temperaturas, los microorganismos del suelo comenzarán rápidamente a convertir el amonio a nitrato en el proceso de nitrificación [NH4 + + 2O2 → NO3 - + H2O + 2H+]. 12
Durante esta reacción microbiana, se libera acidez [H+], que en última instancia reducirá el pH del suelo con un uso repetido. El sulfato de amonio posee un efecto acidificante en el suelo debido al proceso de nitrificación…no por la presencia de
sulfato, que tiene un efecto insignificante sobre el pH. Para una cantidad equivalente de N, el potencial de acidificación del sulfato de amonio es mayor que el del nitrato de amonio, por ejemplo, debido a que todo el N en el sulfato de amonio se convierte en nitrato, mientras que solo la mitad del N del nitrato de amonio se convierte en nitrato.
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CAPITULO 2 MÉTODOS DE PRODUCCIÓN DEL SULFATO DE AMONIO Para la obtención de sulfato de amonio se conocen dos procesos, los cuales pueden ser: directo, indirecto, semi-directo y sistema BASF (acrónimo de una empresa química Alemana, cuyo nombre es BadischeAnilin- und Soda-Fabrik).
2.1 Proceso directo.
En el proceso directo el hidróxido de amonio es introducido a un reactor con ácido sulfúrico, para permitir la reacción de obtención de sulfato de amonio:
24 +24 → (4)24 + 22 Seguidamente se lleva la mezcla a un evaporador donde inicia la formación de núcleos cristalinos en la solución sobresaturada de sulfato de amonio. Los cristales junto a la solución en la que se encuentran son llevados a un filtro donde se separan los cristales del licor madre, el cual contiene materia prima que no reaccionó en el proceso y sulfato de amonio que no se cristalizó. Debido a que los cristales de sulfato de amonio obtenidos no cuentan con la humedad necesaria para que se cumplan con los requerimientos físicos establecidos, es necesario llevarlos a un proceso de secado en el cual se alcance el límite permitido. “Posterior a esto pasa por un molino y un t amizado para obtener el diámetro de
partícula
deseado
y
obtener
sulfato
de
amonio
para
su
respectiva
comercialización”
14
2.2 Proceso indirecto. En el proceso indirecto se hace reaccionar amoniaco con agua y dióxido de carbono para obtener carbonato de amonio: 23 ( )+2( )+2() → (4)23( ) El carbonato de amonio obtenido se hace reaccionar con agua y yeso para generar la obtención del sulfato de amonio: (4)23( )+4( )+2 → (4)24( )+3()
“Esta última mezcla obtenida como producto de la reacción es filtrada para
eliminar el carbonato de calcio y posterior a esto el sulfato de amonio obtenido es cristalizado, molido y tamizado para su comercialización”
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2.3 Proceso semidirecto. “En el proceso semidirecto el alquitrán y las sales fijas del amonio se precipitan a
bajas temperaturas, este gas purificado entra a un saturador donde se mezcla con el ácido sulfúrico. Las sales fijas que han quedado se descomponen con lechada de cal y vapor, y por último el amoniaco que queda libre se vuelve a recircular al saturador”
2.4 Proceso sistema BASF. Otro proceso para la obtención de sulfato de amonio es el sistema BASF, este proceso se desarrolla de la siguiente manera: a partir de yeso, la anhidrita molida se mezcla con licor madre del proceso, al realizar este proceso se generará una pasta, esto pasa a unos reactores con agitación en el cual se agrega CO2 y NH4. Después de dejar pasar el tiempo de reacción necesario, el CaCO3 se filtra, el líquido obtenido tiene 40% de sulfato de amonio, este es concentrado, evaporando el agua en exceso que tiene, después de esto se centrifuga y por último se seca. 4 +4 +2 +2 → (4)24 +3
16
17
2.5 Cuadro comparativo Tipo de proceso Proceso directo
Proceso indirecto
Proceso semidirecto
Ventajas Obtención de materias primas Operaciones unitarias sencillas Reacción sencilla Mantenimiento de equipos Reacciones sencillas Operaciones unitarias sencillas No se controla la temperatura Operaciones unitarias sencillas Reacciones sencillas
Desventajas Control de temperatura de reacción
Adquisición de materias primas Uso de dos reactores Mantenimiento
Adquisición de materias primas Uso de dos reactores Bajas temperaturas Costos energéticos altos Mantenimiento Adquisición de materias primas Mantenimiento
Sistema BASF
Operaciones unitarias sencillas Reaccione sencillas Diseño
2.6 Diseño del proceso Cuenta con las siguientes etapas:
Reactor: Se mezclan el hidróxido de amonio y el ácido sulfúrico. Se deja un tiempo de reacción de una (1) hora. Cristalizador: Se evapora el agua, se sobresatura la mezcla y se forman los cristales. Filtración: Se retira el agua que queda en los cristales y se dejan un poco secos los cristales. Secado: Se dispone a una temperatura de 130 °C para secar los cristales del sulfato de amonio.
18
19
CAPITULO 3 PROCESO 3.1 Balance de masa 2 → ( ) 2
Para el proceso se consideró una producción de 500 kg por lote, al reactor entrara una solución 1 molar de ácido sulfúrico y 5 molar de hidróxido de amonio. Al hacer reaccionar la mezcla 1M:5M se observa una conversión de 70% como lo reporta Diana Minayo1.
= 98 ⁄ = 35 ⁄ ( ) = 132 ⁄ = 18 ⁄
Se pretende obtener 500 ⁄ ()
() =
500 = 3.788 132 ⁄
En la reacción se observa que un mol de reacciona con 2 moles de , por esta razón se requieren: = 7.576 = 3.788
20
Como hay una conversión de 70% =
3.788 0.7
= 5.4114
= 10.82
Como la concentración del ácido sulfúrico es 1M 1 → 1 1 → 1
Por lo que: 5.4114 → 5.4114 Para 1 → 5 1 → 5
Por lo que: 2.153 → 10.82
Volumen de la solución: 7.575
Al finalizar la reacción: : = - r : = - r () : = r : = + r =
∗ 1
=
(5.4114 )(0.7) 1
= 3.787⁄
: = (5.4114 3.787) ⁄ = 1.6244 ⁄ : = (10.82 2 ∗ 3.787) ⁄ = 3.246 ⁄ () : = 3.787 ⁄ 21
: = (420.833 2 ∗ 3.787) ⁄ = 428.407 ⁄
Pasando a masa : = 161.112 : = 113.61 () : = 499.884 : = 7711.326
Cristalizador: Para el cristalizador se supuso que el sulfato de amonio que cristalizo fue 95% de la masa total del sulfato de amonio mientras el restante queda diluido También los cristales salen con 20% de humedad = 474.8898
Humedad que contienen los cristales = 474.8898 0.2 = 593.6123 ℎ 20% ℎ = 118.7225
Como ocurre una filtración tras el evaporado se dejara 900 de agua por lo que = 7711.326 900 118.7225 = 6 692.6035 =
Por lo anterior al filtro entra : = 161.112 : = 113.61 () : = 499.884 : = 1018.7225
Filtración 22
En el filtrado se pretende retirar la mayor parte del agua por lo que: : = 161.112 : = 113.61 () : = 24.9502 : = 900
Y al secador entra: () : = 474.8898 : = 118.7225
Secado El sacado pretende dejar los cristales con un 0.5% peso de humedad = 474.8898 0.005 = 477.276
Por lo que: () : = 474.8898 : = 2.3862 : = 116.3363
23
3.2 Diagrama de bloques
24
3.3 Diagrama de flujo de proceso
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CAPITULO 4 DIMENSIONAMIENTO DEL REACTOR 4.1 Definición de reactor
Un reactor químico es una unidad de proceso diseñada para llevar a cabo una o varias reacciones químicas. Esta definición generalmente implica un sistema bien delimitado, casi siempre un recipiente cerrado, con líneas de entrada y salida claramente especificadas y un estricto algoritmo de control.”3 “El diseño del reactor debe asegurar que éste cumpla co n su objetivo:
proporcionar un producto dado a partir de reactantes conocidos, con una velocidad y selectividad determinadas, mediante un proceso seguro y respetuoso con el medio ambiente.”
La importancia del reactor viene dada porque condiciona en gran medida el éxito de una planta química. Esto es así porque, aunque el coste del reactor en sí mismo, incluyendo su equipo auxiliar, a menudo constituye sólo una pequeña parte del coste total en la planta, los procesos de separación de productos y tratamiento de efluentes, una fracción muy significativa no sólo del inmovilizado en la planta sino sobre todo de sus costes de operación, dependen fuertemente de la composición obtenida a la salida del reactor. En los reactor es, además, donde suele encontrarse la mayor complejidad del proceso, las condiciones más severas de presión y temperatura y las mejores oportunidades para el desarrollo del proceso, junto con las probabilidades más altas para un accidente grave en la operación de la planta. En un sentido amplio, supone la determinación de: • El tipo de reactor más adecuado para el proceso de reacción que se quiere
realizar. • La dimensión característica del reactor seleccionado (volumen del reactor,
tiempo de reacción necesario, longitud del reactor, etc) • Las condiciones óptimas de operación (temperat ura o perfil de ésta, presión,
agitación, etc), los intervalos permisibles de las mismas y la respuesta ante su variación. • Las medidas de seguridad asociadas al reactor y su operación. 26
Aunque el reactor en si no represente económicamente un porcentaje elevado de la inversión (normalmente < 10%), se considera que es el núcleo del proceso químico. Ello es debido a que su comportamiento condiciona las operaciones de acondicionamiento y separación. Para implementar un reactor en un proceso hay que: • Diseñarlo • Hacerlo construir • Mantenerlo en operación
En el diseño del reactor es necesario: • Seleccionar e l tipo • Dimensionar • Realizar el diseño o ingeniería de detalle “La selección del tipo de reactor tiene por objeto maxim izar el rendimiento material
y energético de la planta.
4.2 Tipos de reactores Existen varios tipos de reactores, los cuales tienen diferentes aplicaciones, incorporando ejemplos tomados de (Levenspiel, 2004) (Uzi, 2009) los cuales pueden resumirse en tres tipos de reactores, reactor tipo batch (discontinuo), reactor CSTR (perfectamente agitado) y reactor tipo PFR (flujo pistón), cada uno es utilizado para diferentes productos y aplicaciones dependiendo de cuál sea el caso.
Reactores CSTR Operan con flujos continuos, y son utilizados cuando se tiene una demanda de producto constante y a gran escala, estos reactores son diseñados para operar en grandes periodos de tiempo sin tener que parar su operación. Los reactores tipo PFR son usados comúnmente en gases y cuando se realizan reacciones que requieran un catalizador heterogéneo.
Reactores Batch
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Se emplean para operaciones a pequeña escala, para experimentar con procesos nuevos a escala de laboratorio, para fabricar productos costosos o de difícil elaboración.
4.3 Selección de un reactor para el proceso del sulfato de amonio Debido a las características del proceso se escogió el diseño y construcción de un reactor tipo batch, de igual forma, se escogió este tipo de reactor debido a que su construcción tiene un grado de complejidad menor en comparación con los otros tipos de reactores, por lo cual es factible concluir el proyecto en el periodo de tiempo establecido.
Ecuación general de diseño de un reactor tipo batch: Para realizar el diseño de un reactor, es necesario primero realizar un balance de materiales, para esto hay que tomar en cuenta que en un reactor tipo batch al ser un intermitente, este no tiene entradas, ni salidas; en este tipo de reactor los reactivos se cargan, y se espera hasta que la reacción termine durante cierto periodo de tiempo. (Levenspiel, 2004) Por lo cual si tenemos la ecuación de balance de materiales: Entrada = Salida + Generación (consumo) + Acumulación De esta forma el balance de materiales para este tipo de reactor será únicamente: Generación (consumo) = - Acumulación
4.4 Conformación de los reactores discontinuos o batch Cámara de calefacción También conocida como camisa externa o chaqueta, es la estructura que va por la parte exterior del reactor. Cede calor latente a la cámara de ebullición. En su parte interior puede contener agua o vapor, según sea el caso.
Cámara de ebullición También conocida como camisa interna, va a alojar al fluido en su interior. Dicho fluido va a incrementar su temperatura gradualmente. Absorbe calor latente de la cámara de calefacción.” (8)
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Agitación “Agitación se puede definir como el movimiento circulatorio inducido a un fluido
dentro de un contenedor, fundamentalmente de forma circular y provocando vértices. El objeto de la agitación puede ser incrementar la transferencia de calor en el fluido o incrementar el transporte de materia, es decir, mezclar. En contraste con la agitación, mezclar es obtener una distribución espacialmente homogénea de dos o más fases inicialmente separadas. Aquí, una de las fases ha de ser un fluido, mientras que la otra puede ser algo tan variado como otro fluido, partículas sólidas o burbujas. En la práctica, el diseño de la agitación ha de atender a dos factores: el grado de homogeneidad y el tiempo de mezcla. Dado que el resultado de la mezcla nunca es perfecto, el grado de homogeneidad se hace depender de la calidad deseada en el producto final. Finalmente, la potencia requerida en la agitación depende de estos dos factores, así como del rendimiento. El grado de homogeneidad también se puede caracterizar mediante la altura de suspensión, esto es, la altura del líquido en el tanque a la que se suspenden los sólidos.
Mezclador Para diseñar o proyectar bien un mezclador hay que tener en cuenta no solo el elemento mezclador sino también la forma del recipiente. Un elemento mezclador muy bueno puede resultar inútil en un recipiente inadecuado. Además, no debe perderse de vista el resultado exacto que se quiere alcanzar, de modo que pueda
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obtenerse una mezcla ampliamente suficiente para conseguir dicho resultado con un coeficiente de seguridad bastante grande. De ordinario, el costo adicional que exige la capacidad mas grande del mezclador es insignificante comparado con el costo de toda la instalación que interviene en el proceso. Puesto que la mezcla es una parte fundamental del proceso, es importante hacerla bien. Un mezclador bien diseñado puede evitar un embotellamiento en la fabricación. El número de dispositivos utilizados para mezclar materiales es muy grande, y muchos de ellos no se distinguen por su perfección. Para que la tecnología de la mezcla pueda avanzar mucho será necesario tomar en consideración muchos modelos fundamentales como base de nuestros estudios y conocimientos.
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4.5 Marco conceptual Volumen del reactor: el volumen del reactor, es el volumen necesario para que una reacción se lleve a cabo, este varía dependiendo del tipo de reactor el cual se esté diseñando y de la reacción que se esté llevando a cabo. (Foggler, 2008) Es importante no confundir el volumen de reacción con el volumen del reactor; el volumen de reacción es el volumen necesario para que una reacción se efectúe, mientras que el volumen del reactor es el volumen que posee el reactor tomando en cuenta un factor de seguridad y otras adiciones que se puedan dar durante la construcción del equipo. Velocidad de reacción: se puede definir como velocidad de reacción a la rapidez con la se consume cierta cantidad de moles de un compuesto o elemento químico, por unidad de tiempo o por unidad de volumen. (Foggler, 2008) Para realizar el cálculo de velocidad de reacción hay que tomar en cuenta la constante de equilibrio (k), y también hay que saber que esta constante varía dependiendo de la temperatura en la cual se da la reacción. Tiempo de Residencia: se toma al tiempo de residencia como, el tiempo necesario para que se dé una reacción con cierto grado de conversión. (Foggler, 2008) Para realizar un estudio cinético se pueden medir ciertos parámetros, como la concentración de reactivos cada cierto tiempo, no solamente la concentración inicial (concentración conocida) y la concentración final. Como variables determinantes del diseño de equipos, que afectan a la velocidad de reacción, son: La temperatura y la agitación. La temperatura afecta directamente a velocidad de reacción cuando estas son endotérmicas o exotérmicas; así mismo la constante de equilibrio de reacción se ve afectada con la temperatura. La agitación permite la homogenización y el contacto de los componentes en todo el reactor, si se tiene una buena agitación y la forma del recipiente es la adecuada, se evitan puntos muertos, los cuales son puntos dentro del reactor en los cuales no se da un adecuado contacto entre fases y de este modo la concentración en estos puntos es diferente que en las zonas de mayor contacto del reactor. (Foggler, 2008)
4.6 Identificación y caracterización de variables
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Variables independientes: Costos de materiales y tipo de materiales de construcción, calidad de los materiales de construcción. Variables dependientes: Tiempo de Construcción del equipo, tamaño del equipo, facilidad de operación del equipo. Variables de Operación:
Temperatura de reacción Tiempo de residencia Volumen del reactor Agitación del reactor Concentración de reactivos y productos
4.7 Selección del volumen del reactor
Se puede realizar un estudio cinético de una gran variedad de reacciones, uno de los factores limitantes para su estudio es el volumen de reactivo. Esto puede significar un inconveniente en ciertos casos debido a que si el volumen es muy extenso, se desperdiciará una significativa cantidad de reactivos, al contrario, si el volumen es muy pequeño no sería suficiente para obtener las muestras determinadas para su posterior análisis. A nivel de laboratorio a pequeña escala se trabaja normalmente con volúmenes entre 0.01 y 0.3 litros (Büchi, 2013), estos son equipos muy pequeños los cuales pueden tener calentamiento, pero no normalmente no se encuentran provistos con un dispositivo de agitación debido a la dificultad de ubicarlo en un volumen tan pequeño. Para equipos de laboratorio a mediana escala se usan volúmenes de 0.25 a 5 litros (Büchi, 2013), estos vienen provistos de un sistema de calefacción y agitación integrado, lo cual brinda una mayor amplitud de usos, la velocidad de agitación puede ir de 0 a 2000 revoluciones por minuto.
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Para usos de mayor volumen o para diseñar plantas piloto se usan rectores de 5 a 20 litros para grandes volúmenes y de 30 a 250 litros para plantas piloto, la agitación en estos equipos puede ir de 0 a 2400 revoluciones por minuto. (Büchi, 2013) Los materiales de construcción de los reactores a pequeña y mediana escala, pueden ser de vidrio o metal; mientras que para mayores volúmenes se usa solamente recipientes de metal. (Büchi, 2013) Para el reactor que se construyó, se escogió un volumen de 5 litros, debido a que es un reactor con agitación para uso en laboratorio a mediana escala, con este reactor se puede trabajar a volúmenes desde un mínimo de 500 centímetros cúbicos hasta un máximo de 5 litros.Características y diseño. El reactor seleccionado para el proceso es tipo Batch, porque permite un escalado directo desde ensayos a nivel laboratorio. Será un tanque vertical con agitación, provisto con una chaqueta de enfriamiento y un serpentín para manipular la temperatura del reactor hasta la deseada, teniendo en cuenta que dentro del reactor se dará una reacción exotérmica. El fondo del reactor será de forma cónica para evitar acumulaciones. El material seleccionado tanto del agitador como del reactor debe ser resistente a los efectos que pueden ocasionar tanto las materias primas como el producto, y las altas temperaturas de la ciudad dónde estará ubicado. Además, el reactor debe contar con los siguientes accesorios que permitan su total funcionamiento:
Controlador de temperatura Indicador de temperatura Indicador de presión Indicador de nivel Válvulas para controlar los flujos de entrada y salida
Como los cristales del producto obtenido son corrosivos y abrasivos, se hace necesario utilizar materiales adecuados. Las principales ventajas de los reactores por lotes, radican en su diseño simple y económico, la poca instrumentación que requieren y la flexibilidad que ésta tiene.
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4.8 dimensionamiento del reactor batch
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4.9 Instrumentación del reactor
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CAPITULO 5 CINÉTICA QUÍMICA La cinética química es el estudio de la velocidad y del mecanismo por medio de los cuales una especie química se transforma en otra. La velocidad es la masa, en moles, de un producto formado o de un reactante consumido por unidad de tiempo. El mecanismo es la secuencia de eventos químicos individuales cuyo resultado global produce la reacción observada. ¨La palabra mecanismo indica todos los procesos individuales colisiónales o elementales en los que intervienen moléculas (átomos radicales o iones) que se verifican simultánea o consecutivamente, produciendo la velocidad total observada. Se entiende también que el mecanismo de una reacción debe proporcionar una idea estereoquímica detallada de cada etapa a medida que se verifica. Esto implica un conocimiento del llamado complejo activado o estado de transición, no sólo en términos de las moléculas 2 constitutivas sino también en términos de la geometría, tales como las distancias y los ángulos interatómicos. En la mayor parte de los casos, el mecanismo postulado es una teoría ideada para explicar los resultados finales observados en los experimentos. Como cualquier otra teoría, la de los mecanismos está sujeta a modificaciones con el correr de los años, a medida que se obtienen nuevos datos o se establecen conceptos referentes a las interacciones químicas.¨
5.1 Velocidad de reacción La velocidad o “rapidez” de una reacción química se puede expresar de varias
formas. A veces, conviene medir la concentración x de un producto de reacción a diversos tiempos. En la curva a de la Figura 1-1, se muestra esquemáticamente cómo puede variar esta concentración con el tiempo. La velocidad en un instante determinado se puede deducir de la pendiente dx/dtde la curva en el punto que corresponde a 38
dicho instante. Si las unidades de concentración se toman en moles/ litro, las unidades de velocidad serán moles/litro.seg. También se puede tomar como referencia la concentración de uno de los reactivos en función del tiempo, con lo que se obtendría la curva cde la Figura 1-1,en este caso, las pendientes dc/dtson de signo negativo. Por lo tanto, habrá que tenerlo en cuenta y enunciar la velocidad como –dc/dt. Es importante hacer notar que la velocidad de una reacción química puede presentar un valor numérico diferente según la forma en que se la defina y mida.
Factores que dependen la velocidad de reacción La
velocidad
de
una
reacción
depende
de
la
composición
de
las
sustanciasreaccionantes así como también de una serie de otros factores. Entre ellos destacan, su forma física, del nivel de mezcla de los reactivos, del tamaño y concentración de los reactivos, de la temperatura, de la presión, de las concentraciones de los reactivos, de sustancias que afecten la reacción sin ser ellas un reactivo o producto (catalizadores) y de algunas condiciones especiales
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propias del sistema como pueden ser la radiación de luz visible, UV, RX, neutrones u otras.
5.2 Orden de reacción En algunas reacciones, las velocidades son proporcionales a las concentraciones de los reactivos elevadas a una potencia. Sólo en esos casos, conviene hablar de orden de reacción. Si la velocidad es directamente proporcional a una sola concentración, se tendrá que v = k c Y se dice que la reacción es de primer orden. El término segundo orden se aplica a dos tipos de reacciones: aquellas cuya velocidad es proporcional al cuadrado de una sola concentración v = k c2 y a aquellas cuya velocidad es proporcional al producto de dos concentraciones de diferentes reactivos. v = kCACB Cinéticas de segundo orden En el caso de reacciones de segundo orden hay dos posibilidades: la velocidad puede ser proporcional al producto de dos concentraciones iniciales iguales, o al producto de dos concentraciones iniciales diferentes. El primer caso se da cuando se
parte
de
un
solo
reactivo,
proceso
que
se
puede
representar
esquemáticamente como 2A → P
También puede darse el caso de una reacción entre dos sustancias diferentes, siempre y cuando sus concentraciones iniciales sean iguales. A+B → P 40
5.3 Clasificación de las reacciones “Hay muchas maneras de clasificar las reacciones químicas. En la Ingeniería de
las reacciones químicas probablemente el esquema más útil es el que resulta de dividirlas, de acuerdo con el número y tipo de fases implicadas, en dos grandes grupos: sistemas homogéneos y heterogéneos. Una reacción es homogénea si se efectúa solamente en una fase, y es heterogénea si, al menos, se requiere la presencia de dos fases para que transcurra a la velocidad que lo hace. Es indiferente que la reacción heterogénea tenga lugar en una, dos, o más fases, o en la interface, o si los reactantes y los productos están distribuidos entre las fases o están todos contenidos en una sola fase; lo único que interesa es que se necesitan, al menos, dos fases para que la reacción transcurra del modo que lo hace. Esta clasificación no está, a veces, perfectamente diferenciada, como ocurre en el gran grupo de reacciones biológicas sustrato-enzima, en las que la enzima actúa como catalizador para la producción de proteínas. Ahora bien, las propias enzimas son proteínas altamente complicadas de gran peso molecular y de tamaño coloidal comprendido entre 10 y 100 m.u. por lo que las soluciones que contienen enzimas representan una región confusa entre los sistemas homogéneos y heterogéneos. Otros ejemplos en los que la distinción entre sistemas homogéneos y heterogéneos no es tajante, lo constituyen las reacciones químicas muy rápidas tales como la llama de combustión de un gas, en las que puede ‘no existir homogenidad en la composición o en la temperatura. Por consiguiente, estrictamente hablando, no tienen una sola fase, ya que una fase implica uniformidad en la temperatura, la presión y la composición. El modo de clasificar estos casos límites es sencillo; depende de cómo decidamos tratarlos, y esto a su v ez depende de qué descripción.”
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CAPÍTULO 6 SIMULACION DEL COMPORTAMIENTO DE LA REACCIÓN DEL SULFATO DE AMONIO MEDIANTE EL EMPLEO DEL SOFTWARE BERKELEY-MADONNA.
6.1 Cálculo de constante de velocidad (k) 2( )
T(min) C(Acido) C(Base)
XA XB
0 0
→
( )2 + 2
0
30
60
90
120
150
180
0.33 0.67
0.3 0.59
0.29 0.58
0.28 0.56
0.27 0.51
0.17 0.33
0.13 0.21
0.09 0.11
0.12 0.13
0.15 0.16
0.18 0.23
0.48 0.50
0.60 0.68
K=
0
. − . − . − . − . − . −
Tipo reacción aA+ bB
Dónde: = 0.67 , = 0.33
[]
1
⌈ ⌉
ln
[] [] [] []
=
2
43
1 ln =
6.2 Variación de la concentración respecto al tiempo 2(NH4OH)+ H2SO4
(NH4)2S04 + 2H2O
Programación: Se indica el tiempo de inicio y final a graficar, al igual que las concentraciones iniciales de (NH4OH) y H2SO4, seguido de las cinéticas para el cambio de concentraciones tanto para los productos como los reactivos.
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Se graficaron inicialmente las concentraciones: 2 moles de (NH4OH) y 1 mol de H2SO4.
Conversión de 73.46%
Posteriormente se procedió a cambiar a concentraciones equimolares 2 moles de (NH4OH) y 2 moles de H2SO4.
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Conversión de 89.165% Concentración: 2 moles de (NH4OH) y 4 moles de H2SO4.
Conversión de 95.39%
Analizando la conversión de (NH4)2S04 con respecto a (NH4OH) usando diferentes concentraciones de H2SO4.
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Con el análisis anterior encontramos que las concentraciones óptimas para la mayor conversión de NH4OH en (NH4)2S04 son 2 moles de NH4OH y 10 moles de H2SO4.
Conversión de 98.35%
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CONCLUSIONES
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