Orgánica

Una corriente F, conteniendo N2, H2 y Argón (24,98% N2, 74,94% H2 y resto de argón, todos ellos porcentajes molares) se alimentan a un proceso para obtener 50 t/d de amoniaco. La conversión por paso en el reactor es del 10%. Los productos que abandonan el reactor con la corriente E, son separados en un condensador que opera a -38ºC y 3 atm. El amoniaco líquido, corriente C, se separa por la parteinferior del condensador mientras que una parte de los gases que no han condensado son recirculados a la cabeza de proceso (corriente R), mezclándose con la corriente de alimentación fresca F y constituyendo así la corriente de entrada al reactor, FR. La otra parte de los gases que abandonan el condensador forman la corriente de purga, P, lo que permite mantener una concentración de argón en larecirculación del 7% en moles. 1. representar el proceso en un diagrama de bloques sencillo identificando los datos conocidos y las incógnitas en una tabla de corrientes 2. suponiendo que todo el amoniaco que se forma en el reactor es separado en el condensador como líquido, determinar: o flujo másico de alimentación fresca, F. o relación moles de gas purgado/moles de gas que salen del condensadoro conversión global del proceso 3. recalcular el apartado anterior si una parte del amoniaco formado no se condensa y, por tanto, abandona el condensador con la corriente gaseosa. Asumir en este caso que se cumple la ley de Raoult y que la presión de vapor de amoniaco viene determinada por la ecuación de Antoine (P0 en mmHg y T en ºC), con valores para las constantes A = 7,55466; B = 1002,711 y C= 247,885. Apartado 1 Diagrama de bloques:

R (N2, H2, Ar) P´ (N2, H2, Ar) CONDENSADOR T = -38 ºC P = 3 atm

P (N2, H2, 0,07% Ar)

F 24,98% N2 74,94% H2 0.05% Ar

FR (N2, H2, Ar)

REACTOR

E (N2, H2, NH3, Ar)

X = 0,10

C = 50 t NH3/d

Tabla de corrientes: • Puesto que en la alimentación fresca nitrógeno e hidrógeno se encuentran en proporciones estequiométricas, esta relación seva a mantener en el resto de las corrientes. De este modo, es posible determinar la composición de la corriente P y, por tanto, de las corrientes P´ y R (es la misma):

x Ar = 0,07 x H2 = 3 · x
N2

X H2 + x N2 + x Ar

⎫ ⎪ x N2 = 0,2325 ⎬ ⎪ x H2 = 0,6975 =1⎭

•

Flujo molar de la corriente C: a partir del flujo másico y de la masa molecular: C = 122,55 kmol/h

F Flujo (kmol/h) xN2 xH2xAr xNH3 Apartado 2 Reacción: 247,86 0,2498 0,7494 0,0008 --

FR 2617,03 0,2341 0,7024 0,0635 --

E 2494,50 0,2211 0,6632 0,0666 0,0491

R 2369,17 0,2325 0,6975 0,0700 --

P 2,77 0,2325 0,6975 0,0700 --

C 122,55 ---1,0000

N2 + 3 H2 ⎯ 2 NH3 ⎯→
& & a. amoniaco: nNH3 , E = nNH3 , C = 122,55 kmol/h

1) Balance de materia al condensador:

2) Balance de materia al reactor: a.amoniaco:

& & & nNH3 , E =2 · nN2 , FR · X N2 = 122,55 kmol/h ∴ nN2 , FR = 612,75 kmol/h
puesto que N2 e H2 entran al sistema en proporciones estequiométricas:

& & nH2 , FR = 3 · nN2 , FR = 1838,24 kmol/h & & b. nitrógeno: nN2 , E =· nN2 , FR (1 - X N2 ) = 551,475 kmol/h & & & c. hidrógeno: nH2 , E =· nH2 , FR - 3· nN2 , FR · X N2 = 1654,43 kmol/h
& & d. argón: n Ar , E = n Ar, FR
3) Balance demateria al condensador: en el condensador se separa una corriente líquida C, formada por todo el amoniaco que abandona el reactor y por una corriente gaseosa P´ que contiene todo el nitrógeno e hidrógeno que no ha reaccionado en el reactor (y que lo abandona con la corriente E) y todo el Ar que entra al reactor (actúa como inerte). Puesto que los flujos molares individuales de N2 e H2 sonconocidos y la composición de la corriente P´ está ya calculada, es posible determinar el flujo molar total de esta corriente y, por tanto, el flujo molar de argón en P´. a. nitrógeno:

& & nN2 , P´ =· nN2 , E = 551,475 kmol/h = y N2 , P´ · P´ ∴ P´ = 2371,94 kmol/h & & b.
& & c. argón: n Ar , P´ = n Ar, E = y Ar,P´ · P´ = 166,04 kmol/h (este flujo molar es el
mismo que entra al reactor con FR) 4)...