obtencion de amoniaco, proceso Haber Bosh
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SIMULACIÓN DEL PROCESO HABER. SIMULACIÓN DE PROCESOS-INGENIERÍA QUÍMICA. El proceso de Haber, también llamado proceso de Haber Bosch, consiste en hacer reaccionar nitrógeno e hidrógeno gaseosos, para formar amoníaco. Este proceso tiene gran importancia a nivel industrial, ya que es el más usado para obtener amoníaco en grandes cantidades. El proceso de Haber fue ideado por el químico alemán Fritz Haber y comercializado en el año 1910 por Carlo Bosch. Ambos obtuvieron premios Nobel de química por sus importantes aportes a la ciencia y a la industria.
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simulacion de obtencion de amoniaco por medio del proceso Haber Bosh
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SIMULACIÓN DEL PROCESO HABER.SIMULACIÓN DE PROCESOS-INGENIERÍA QUÍMICA.
El proceso de Haber, también llamado proceso de Haber Bosch, consiste en hacer reaccionar nitrógeno e hidrógeno gaseosos, para formar amoníaco. Este proceso tiene gran importancia a nivel industrial, ya que es el más usado para obtener amoníaco en grandes cantidades. El proceso de Haber fue ideado por el químico alemán Fritz Haber y comercializado en el año 1910 por Carlo Bosch. Ambos obtuvieron premios Nobel de química por sus importantes aportes a la ciencia y a la industria.
UNIVERSIDAD TÉCNICA DE MANABÍFACULTAD DE CIENCIAS MATEMÁTICAS FÍSICAS Y
QUÍMICAS
CARRERA DE QUÍMICA.
PROYECTO DE SIMULACIÓN DE PROCESOS QUÍMICOS.
INTEGRANTES:
BARREIRO CHÉRREZ JAIME ANDRÉS.
COVEÑA RODRÍGUEZ ALEX HERNÁN
PONCE INTRIAGO MARÍA ISABEL.
SOLÓRZANO PICO RITA FABIANA.
ZAMBRANO URETA KAREN ESTEFANÍA.
CATEDRÁTICO:ING. IVÁN CISNEROS.
PORTOVIEJO, DICIEMBRE DEL 2015.
INTRODUCCIÓN
La simulación de procesos químicos es una herramienta moderna que se ha hecho
indispensable para la solución adecuada de los problemas de procesos. Permite efectuar
el análisis de plantas químicas en operación y llevar a cabo las tareas en las cuales se
podrán detectar cuellos de botella en la producción, efectos en los cambios de
condiciones de operación y la capacidad de la plana.
Así como también la optimización del proceso en cuanto a las características y los
insumos entre otras actividades que no permitirá la optimización del proceso para
desarrollar las materias primas.
La variedad de aplicaciones de los simuladores de procesos es muy grande,
anteriormente solo lo usaban los ingenieros de procesos y hasta ingenieros de planta en
su lugar de trabajo; ingenieros con poca o ninguna instrucción de programación pueden
modelar procesos complejos.
OBJETIVOS.
OBJETIVO GENERAL:
Simular el proceso Haber para aplicar conocimientos obtenidos intra-aula.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS:
Seguir los pasos generales para la resolución de un problema usando el
simulador comercial.
Percibir la enorme ventaja que representa usar un simulador de procesos.
MARCO TEORICO
MATERIAS PRIMAS.
La industria química es la industria básica que produce materias primas para las demás
en todos los países desarrollados. En el desarrollo de la industria química han
desempeñado un gran papel los catalizadores. La utilización de los mismos ha permitido
alcanzar éxitos de gran importancia para la humanidad, tales como la síntesis del
amoniaco. (Ortiz & Manzanares, 2003).
PROCESO PRODUCTOS CATALIZADORES
Síntesis del amoniaco
N2+H2
NH 3(Para fertilizantes) Fe, óxidos de Cr
NITRÓGENO.
CARACTERÍSTICAS Y PROPIEDADES.
Comúnmente, en condiciones naturales, el nitrógeno es un gas diatómico y compone
casi que el 80% (78,1%) del aire que todos respiramos. Se trata de un no metal
gaseoso, es inodoro, insípido e incoloro, generalmente siendo considerado un
elemento inerte. A nuestro alrededor podemos encontrar nitrógeno en todas partes
y compuestos de nitrógeno pueden hallarse desde en alimentos a fertilizantes, venenos
e incluso explosivos. Además, este gas es el responsable de los colores rojo, naranja,
azul, verde y violeta que se forma en los cielos, por ejemplo al amanecer o en las
auroras.
Al ser un componente básico en todas las proteínas, el nitrógeno es esencial para la
vida y es un compuesto biológico primordial para la vida. El gas nitrógeno puede
obtenerse mediante licuefacción, así como por destilación fraccionada, pero en nuestra
atmósfera existe un suministro verdaderamente inagotable.
El ciclo natural del nitrógeno es uno de los ciclos naturales más importantes del
planeta, absolutamente necesarios para la vida. Si bien el gas nitrógeno es inerte, en el
suelo, las bacterias realizan un complejo proceso que produce el nitrógeno necesario
para que las plantas crezcan. Luego los animales comen las plantas en las que el
nitrógeno se ha introducido, incorporándolo a su sistema y el ciclo se completa cuando
las bacterias convierten los desechos de nitrógeno en gas.
Otros datos:
o Número atómico: 7
o Peso atómico: 14.0067
o Símbolo atómico: N
o Punto de fusión: -210° C
o Punto de ebullición: -195,79°C
USOS Y APLICACIONES.
En la vida cotidiana y especialmente en el sector comercial, el amoníaco es la forma de
nitrógeno más vendida y de conocimiento popular, seguido por el gas metano, el cual
se logra a partir de una reacción de vapor para producir dióxido de carbono
e hidrógeno.
El amoníaco es un punto de partida importante para la elaboración de
numerosos compuestos de nitrógeno, aparece también en la producción de urea, desde
donde se lo utiliza en la producción de fertilizantes, así como también en la industria
del plástico y como suplemento alimenticio en el sector ganadero, entre otras tantas
cosas.
Uno de los usos con los cuales quizás estemos más familiarizados es con la
refrigeración. Al tener un punto de ebullición de -195,79°C, el nitrógeno se emplea en
los sistemas de refrigeración, resultando muy efectivo. En su estado líquido,
el nitrógeno líquido es utilizado con toda clase de fines, pero hay que tener ciertos
cuidados pues tiene una temperatura tan baja que producir terribles quemaduras.
HIDRÓGENO.
CARACTERÍSTICAS Y PROPIEDADES.
El hidrógeno es el elemento más abundante en el universo, es el combustible
nuclear que se consume en nuestro sol y otras estrellas para producir energía.
El hidrógeno es el único elemento que no es miembro de familia alguna de la
tabla periódica; forma fuertes enlaces covalentes con muchos elementos,
incluyendo el oxígeno.
A temperaturas ordinarias el hidrógeno es una sustancia poco reactiva a menos
que haya sido activado de alguna manera; por ejemplo, por un catalizador
adecuado. A temperaturas elevadas es muy reactivo.
El hidrógeno es constituyente de un número muy grande de compuestos que
contienen uno o más de otros elementos.
Efectos de la exposición al hidrógeno: Fuego: Extremadamente inflamable.
Muchas reacciones pueden causar fuego o explosión.
El hidrógeno existe naturalmente en la atmósfera. El gas se disipará rápidamente
en áreas bien ventiladas.
Se pueden aplicar muy diversos métodos para preparar hidrógeno gaseoso. El
hidrógeno reacciona a temperaturas elevadas con cierto número de metales y
produce hidruros. Aunque por lo general es diatómico, el hidrógeno molecular
se disocia a temperaturas elevadas en átomos libres.
Otros datos:
o Número atómico: 1
o Peso atómico: 1,00794
o Símbolo atómico: H
o Punto de fusión:-259,34° C
o Punto de ebullición: -252,87° C
USOS Y APLICACIONES.
En lo cotidiano, el hidrógeno se utiliza fundamentalmente en el campo industrial, en el
refinamiento de combustibles fósiles y amoníaco, también para fertilizantes.
Las formas de producir los miles de millones de centímetros cúbicos de hidrógeno que
se utilizan cada año son varias: a través del vapor de carbono calentado, la
descomposición de determinados hidrocarburos con calor, las reacciones de sodio o
hidróxido de potasio en aluminio, el desplazamiento de ácidos a partir de ciertos
metales y la electrólisis del agua.
Otros usos comerciales e industriales del hidrógeno incluyen la fabricación de
combustible para cohetes, la soldadura, la producción de ácido clorhídrico y la
reducción de minerales metálicos, entre otros. Finalmente, el hidrógeno líquido es muy
importante en criogenia, así como en el estudio de la superconductividad, ya que su
punto de fusión es de tan sólo 20 grados por encima del cero absoluto.
PRODUCTO.
AMONÍACO.
El amoníaco, amoniaco, azano, espíritu de Hartshorn o gas de amonio es un compuesto
químico formado por la combinación de un átomo de nitrógeno y tres de hidrógeno, con
la fórmula química NH3.
CARACTERÍSTICAS DEL AMONIACO.
Gas incoloro en condiciones normales, más ligero que el aire, tiene un olor
picante característico, que irrita los ojos y de sabor cáustico.
Es el derivado más importante del nitrógeno y es el camino para hacerlo activo.
A través de él, se obtienen los restantes compuestos.
Puede licuarse a temperaturas ordinarias: a 10ºC necesita una presión de 6'02
atm, a 20ºC necesita una presión de 8'5 atm.
Tiene elevada constante dieléctrica y por lo tanto es un solvente ionizante.
Al disolverse en agua el volumen del líquido aumenta notablemente.
El NH3 arde al aire con formación de N2 Y H2O a una temperatura de 900º.
Cuando se mezcla con oxígeno, se quema con una llama de color verde
amarillento pálido. La combustión ocurre cuando la clorina pasa a amonio,
formando nitrógeno y cloruro de hidrógeno; si la clorina está en exceso, se
forma el explosivo tricloruro de nitrógeno (NCl3)
A una alta temperatura y en la presencia de un catalizador, el amoníaco se
descompone en sus elementos constituyentes.
El amoníaco contribuye significativamente a las necesidades nutricionales de
los organismos terrestres por ser un precursor de comida y fertilizante.
Es tóxico por inhalación, A concentraciones elevadas se produce irritación de
garganta, inflamación pulmonar, daño vías respiratorias, y ojos. A medida que
aumenta la concentración puede llegar a producir Edema pulmonar, o producir la
muerte cuando supera las 5000 ppm.
Los vapores producen irritación de ojos. Las salpicaduras de amoníaco líquido
producen quemaduras y un daño irreparable en los ojos. La ingestión del
amoníaco líquido provoca la destrucción de la mucosa gástrica, daños severos al
sistema digestivo y la muerte.
Pese a su gran uso, el amoníaco es cáustico y peligroso.
PROPIEDADES DEL AMONIACO.
Amoníaco
Estructura química.
Estructura tridimensional.
Nombre IUPAC
Azano
General
Otros nombres Nitruro de HidrógenoNitruro de TrihidrógenoEspíritus de HartshornNitro-SilVaporoleGas de amonioAM-FOLCorna'e Sierbo
Fórmula estructural
Fórmula molecular NH3
Identificadores
Número CAS 7664-41-71
Número RTECS BO0875000 (anhidro)BQ9625000 (soluciones)
PubChem 134988186
Propiedades físicas
Apariencia IncoloroOlor penetrante y desagradable
Densidad 0.73 kg/m3; 0,00073 g/cm3
Masa molar 17,03 g/mol
Punto de fusión 195,42 K (-78 °C)
Punto de ebullición 239,81 K (-33 °C)
Punto de descomposición
773 K (500 °C)
Temperatura crítica 405,5 K (132 °C)
Presión crítica 111,52 atm
Índice de refracción (nD)
1,355
Propiedades químicas
Acidez 9,24 pKa
Solubilidad enagua 89,9 g/100 ml (0 °C)
Momento dipolar 1,42 D
Termoquímica
ΔfH0gas -45,92 kJ/mol kJ/mol
ΔfH0líquido -40,2 kJ/mol kJ/mol
S0gas, 1 bar 192,77 J/mol·K J·mol-1·K
Capacidad calorífica (C)
4,700 kJ/kg·K (liq)80,08 kJ/mol·K
Peligrosidad
Punto de inflamabilidad
284 K (11 °C)
NFPA 704
1
3
0
Temperatura de autoignición
924 K (651 °C)
Frases R R10, R23, R34, R50
Frases S (S1/2), S9, S16, S26,
S36/37/39, S45, S61
Límites de explosividad
15–28 %
Riesgos
Ingestión Es peligroso. Síntomas incluyen náusea y vómitos;
daño a los labios, boca y esófago.
Inhalación Los vapores son extremadamente irritantes y
corrosivos.
Piel Disoluciones concentradas pueden producir quemaduras
severas y necrosis.
Ojos Puede causar daños permanentes, incluso en
cantidades pequeñas.
USOS Y APLICACIONES.
El Amoniaco es la materia prima para la fabricación del Ácido Nítrico.
El amoniaco líquido es un refrigerante muy eficiente que se emplea en máquinas
frigoríficas y en la fabricación de Hielo. Cuando se evapora, 1 g de líquido
absorbe 1330 J (a -20ºC), calor necesario para congelar casi 4 g de agua.
Se utiliza en la industria de los fertilizantes como materia prima esencial para la
producción de abonos nitrogenados: Urea, nitrato de amonio y otros.
La disolución del amoniaco se emplea en usos domésticos. Como elimina la
dureza temporal del agua, se emplea para limpiar y lavar, con el ahorro
consiguiente de jabón.
Recientemente se ha ideado un método para descomponer el amoniaco mediante
un catalizador y producir una mezcla del 75% de hidrógeno y 25% de nitrógeno,
en volumen, que puede utilizarse en sopletes oxhídricos para soldar metales raros
y aceros especiales. Un tubo de amoniaco líquido proporciona así más hidrógeno
que el que pudiera comprimirse en el mismo volumen. Para transporte y
almacenaje resulta, pues, una fuente conveniente y compacta de hidrógeno.
El amoniaco directa o indirectamente, es también un elemento importante para la
síntesis de muchos fármacos y también es usado en diversos productos
comerciales de limpieza.
Acción sobre no metales: el amoniaco no es combustible en el aire, pero arde en
oxígeno con una llama amarilla, formando vapor de agua y nitrógeno, sin
embargo, una mezcla de amoniaco y aire en contacto con platina a 700ºC forma
óxido nítrico:
4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O
El óxido nítrico puede oxidarse a dióxido de nitrógeno y convertirse en ácido
nítrico.
Acción sobre metales: ciertos metales, como el litio y el magnesio, reaccionan
con amoniaco a alta temperatura para formar nitruros:
2NH3 + 3Mg = N2Mg3 + 3H2
Con sodio y potasio, solamente una parte del hidrógeno se reemplazara
formándose la amida.
2NH3 +2Na = 2NH2Na + H2
Acción sobre compuestos: el amoniaco actúa como reductor sobre muchos
óxidos cuando se hace pasar el gas sobre ellos a alta temperatura:
2NH3 + 3CuO = Na! + 3Cu +3H2O!
Se combina con muchas sales para formar compuestos complejos, tal como las
sales diaminoargénticas, las cuales contienen el ion complejo positivo Ag
(NH3)+2.
El amoniaco se disuelve en agua y forma una disolución alcalina que suele
llamarse hidróxido amónico. Tales disoluciones contienen concentraciones
débiles de los dos iones NH+4 y OH- .
OBTENCIÓN DEL AMONIACO.
El amoníaco se obtiene en el laboratorio mediante una reacción de
desplazamiento del cloruro de amonio mediante hidróxido de calcio según la
ecuación:
2 NH4Cl + Ca(OH)2 = 2 NH3 + CaCl2 + H2O
Para obtener una corriente de amoniaco se hace gotear una disolución
concentrada de amoniaco sobre hidróxido sódico sólido. El amoniaco puede
recogerse por desplazamiento del aire de un frasco invertido.
Industrialmente se utiliza el método Haber- Bosh a partir de la reacción catalítica
del nitrógeno y el hidrógeno:
N2 (g) + 3 H2 (g) = 2 NH3 (g) ΔHº = -46,2 kJ/mol
El proceso es exotérmico y usualmente opera a presiones de 100 – 1000 atm y
temperatura de 400 – 600 ºC.
PRODUCCIÓN
FORMULA:
El NH3 se obtiene exclusivamente por el método denominado Haber-Bosh (Fritz Haber
y Carl Bosh). El proceso consiste en la reacción directa entre el nitrógeno y el hidrógeno
gaseosos
3H2 (g) + N2 (g) ↔ 2NH3 (g) + Calor
Es una reacción exotérmica por lo que un excesivo aumento de temperatura no favorece
la formación de amoníaco
25 ºC K = 6,8x105 atm.
450 ºC K = 7,8x10-2 atm.
Sin embargo, la velocidad a la que se forma NH3 a temperatura ambiente es casi nula.
Es una reacción muy lenta, puesto que tiene una elevada energía de activación,
consecuencia de la estabilidad del N2. La solución de Haber al problema fue utilizar un
catalizador y aumentar la presión, ya que esto favorece la formación del producto.
Convertir el método de Haber en un proceso de fabricación fue trabajo realizado por
Carl Bosh.
Los estudios sobre el mecanismo de la reacción indican que la etapa determinante de la
velocidad de la reacción es la ruptura de la molécula de N2 y la coordinación a la
superficie del catalizador. El otro reactivo, H2, se activa más fácilmente. Se producen
una serie de reacciones de inserción entre las especies adsorbidas para producir el NH3.
El catalizador funciona adsorbiendo las moléculas de N2 en la superficie del catalizador
debilitando el enlace interatómico N-N; de esta forma se origina N atómico el cual
reacciona con átomos de hidrogeno que provienen de la disociación de H2 que también
tiene lugar en la superficie metálica
DIAGRAMA DE PROCESO PARA LA OBTENCIÓN DE AMONIACO:
Existen numerosos métodos para la obtención actual del amoniaco, pero todos ellos
derivan del proceso Haber-Bosch original. Las modificaciones más importantes están
relacionadas con la fuente del gas de síntesis, la diferencia en los procesos de
preparación del gas de síntesis y las condiciones de obtención del amoniaco.
DESCRIPCIÓN DEL PROCESO
Se parte del gas natural constituido por una mezcla de hidrocarburos siendo el 90%
metano (CH4) para obtener el H2 necesario para la síntesis de NH3.
1. DESULFURACIÓN.
El gas natural pasa primero a través de un lecho absorbente, para remover las últimas
trazas de azufre que actúan reduciendo la vida del catalizador.
2. REFORMADO CON VAPOR
Una vez adecuado el gas natural se le somete a un reformado catalítico con vapor de
agua (craqueo- rupturas de las moléculas de CH4). El gas natural se mezcla con vapor en
la proporción (1:3,3)-(gas: vapor) y se conduce al proceso de reformado, el cual se lleva
a cabo en dos etapas.
a. Reformador Primario
El gas junto con el vapor se hace pasar por el interior de los tubos del equipo
donde tiene lugar las reacciones siguientes La reacción global es fuertemente
endotérmica, y para conseguir un alto porcentaje de reformado hay que operar a
temperaturas superiores a 700ºC.
b. Reformador Secundario
Los gases procedentes del reformador primario, se mezclan con una corriente de
aire para proporcionar la cantidad de nitrógeno necesario para el gas de síntesis
estequiométrico N2 + 3H2. Además, tiene lugar la combustión del metano
alcanzándose temperaturas superiores a 1000ºC. Las reacciones que tienen lugar
son:
Reacción de combustión
0,275O2 + 1,1N2 + 0,4H2 + 0,15CO ↔ 0,4H2O + 0,15CO2 + 1,1N2
Reacción de reformado
0,2CH4 + 0,2CO2 + 0,2H2 + 0,2H2O ↔ 0,4CO + 0,6H2 + 0,2H2O
Reacción global
CH4 + 0,275O2 + 1,1N2 + 4H2O ↔ 2,7H2 + 0,75CO + 0,25CO2 + 1,1N2 + 3,3H2O
En resumen, después de estas etapas la composición del gas resultante es aprox. N2
(12,7%), H2 (31,5%), CO (6,5%), CO2 (8,5%), CH4 (0,2%), H2O (40,5%), Ar (0,1%).
3. PURIFICACIÓN DEL GAS DE SÍNTESIS.
Los gases procedentes del reformado secundario, contienen cantidades importantes de
monóxido de carbono que hay que convertir en hidrógeno por medio de vapor agua,
debido a que el CO representa una pérdida potencial de materia prima en la obtención
de hidrógeno para la síntesis del amoniaco, siendo por otro lado un veneno para el
catalizador. Dentro de la fabricación del amoniaco, la purificación del gas de síntesis
representa el 1% del consumo energético total.
a. Etapa de Conversión
Tras enfriar la mezcla se conduce a un convertidor donde se produce la reacción.
Reacción exotérmica en donde no influye la presión. Esta reacción requiere de un
catalizador que no se desactive con el CO.
b. Etapa de Eliminación del CO2.
El anhídrido carbónico, formado en las reacciones anteriores, tiene que
eliminarse antes de pasar a la etapa de compresión.
El CO2 se elimina en una torre con varios lechos mediante absorción con
carbonato potásico (K2CO3) a contracorriente, formándose KHCO3 según:
Este se hace pasar por dos torres a baja presión para desorber el CO2, el
bicarbonato pasa a carbón liberando CO2. (Subproducto para fabricación de
bebidas refrescantes).
c. Etapa de Metanización.
También hay que eliminar el monóxido de carbono residual que es peligroso para
el catalizador del reactor de síntesis. Desde el punto de vista energético, el
proceso más interesante es la metanización catalítica, que no sólo elimina el CO,
sino también el CO2 y el O2 residual. Además las reacciones son fuertemente
exotérmicas:
Proceso sobre lecho catalítico de Ni (300ºC).
4. SÍNTESIS DEL AMONIACO.
Esta síntesis se lleva a cabo cuando el gas se comprime a la presión de 200 atm
aproximadamente (compresor centrífugo con turbina de vapor) y se lleva al reactor
donde tiene lugar la producción del amoníaco, sobre un lecho catalítico.
N2 (g) + 3H2 (g) 2 NH3 (g)
En un solo paso por el reactor la reacción es muy incompleta con un rendimiento del 14-
15%. Por tanto, el gas de síntesis que no ha reaccionado se recircula al reactor pasando
antes por dos operaciones:
a. Extracción del amoníaco mediante una condensación.
b. Eliminación de inertes mediante una purga, la acumulación de inertes es mala
para el proceso. El gas de purga se conduce a la unidad de recuperación
Ar para comercializarse
CH4 se utiliza como fuente de energía
N2 y H2 se introducen de nuevo en el bucle de síntesis
En el proceso de purificación del gas de síntesis hay tres variables que optimizar para
obtener un rendimiento idóneo y son: presión, temperatura y actividad del catalizador.
Estas influyen en la cinética y en el equilibrio de la reacción.
El amoníaco se almacena en un tanque criogénico a -33ºC, el amoníaco que se evapora
(necesario para mantener la temperatura) se vuelve a introducir en el tanque.
REACTORES.
Dado que la reacción es exotérmica el reactor debe ser diseñado para prevenir que la
temperatura se incremente por encima del nivel donde el catalizador no pueda resistir.
Dos tipos de reactores son normalmente disponibles, reactores tubulares y rectores de
lechos múltiples, tres generaciones pueden distinguirse cronológicamente:
1RA GENERACIÓN.
Tubo y carcaza: reactores verticales, capacidades < 600t/día, presión de
operación >30-35MPa abs, y con flujo axial; i.e: Ammonia Casale y TVA
(Tennesse Valley Authority).
Múltiples lechos: con enfriamiento intermedio como es el caso del BASF, el
cual trabaja por inyección de gas de enfriamiento y el Montecatini el cual trabaja
con agua.
2 DA. GENERACIÓN.
Reactores verticales con múltiples lechos catalíticos, para capacidades de
1500t/día, operando con flujo axial y con una presión de 20-25 MPa abs.
Sistema de enfriamiento por inyección de gas como el reactor Kellogg, Topsoe
(flujo radial), Ammonia Casale e ICI; o por inyección agua como el UHDE y
C.F. Braun.
3RA. GENERACIÓN.
Kellogg: sistema horizontal, flujo axial, lecho catalítico, enfriamiento con
inyección de gas y baja caída de presión.
Topsoe (serie 200): Vertical, flujo radial, lecho catalítico, con intercambiador
de calor que opera con gas de enfriamiento. •3era. Generación
CONDICIONES DE OPERACIÓN.
Las condiciones en las que se produce síntesis de amoníaco se describen a continuación:
Altas presiones, superiores a 300 atmósferas
Elevadas temperaturas, entre 400 y 500 ºC
Uso de catalizadores férricos u óxidos de aluminio
El nitrógeno se suministra en grandes cantidades, y se obtiene por destilación
fraccionada del aire licuado. El hidrógeno se obtiene haciendo reaccionar vapor de agua
con metano. En estas condiciones, alrededor del 30 % de los reactivos se transforman en
amoniaco. Los gases calientes de la cámara de reacción se enfrían paralicuar y retirar el
amoniaco. De esta manera, se separan el nitrógeno y el hidrógeno que no han
reaccionado y se reciclan.
Si observamos la reacción química, deducimos que, efectivamente, un exceso de reactivo, la
retirada continua de producto y un aumento de la presión conduce a una mayor producción de
amoniaco. Sin embargo, se trata de una reacción exotérmica, por lo que las temperaturas altas
favorecen el proceso inverso, de disociación del amoniaco. Aunque las temperaturas elevadas
no favorecen la obtención de amoniaco, su uso se justifica por el considerable aumento de
la velocidad que provocan (junto con el uso de catalizadores adecuados). Se enfrentan los
factores termodinámicos a los cinéticos, y éstos últimos son los que determinan la viabilidad del
proceso.
PROPIEDADES FÍSICAS INVOLUCRADAS.
El comportamiento del acero frente al hidrógeno a alta presión y temperatura es un factor
determinante para la construcción de un horno de síntesis.
El hierro a elevada temperatura y presión es permeable al hidrógeno, que en estas condiciones
es capaz de eliminar al carbono con formación de hidrocarburos.
Con esto el acero pierde resistencia y después de un cierto tiempo de funcionamiento el horno
puede rajarse y explotar. Para impedirlo se construye el horno con hierro dulce pobre en
carbono.
Este apenas tiene resistencia a la presión y tampoco puede evitar que el H2 se difunda a través,
pero estas dificultades pueden salvarse si se reviste este tubo con un segundo de acero al cromo-
níquel, resistente a la presión y se procura simultáneamente que le hidrógeno que se difunda a
través del primero se pueda eliminar del espacio entre ambos con facilidad y a baja presión.
Existen numerosos métodos en la síntesis actual de amoníaco, pero todos ellos derivan del
proceso Haber-Bosch original.
ELECCIÓN DEL SOFTWARE PARA COMPARAR: ASPEN PLUS.
En 1970, unos investigadores del Laboratorio de Energía del Instituto Tecnológico de
Massachusetts (MIT) diseñaron un programa prototipo para la simulación de procesos, al cual
denominaron Sistema Avanzado para Ingeniería de Procesos (ASPEN, del inglés Advanced
System for Process Engineering). Este software ha sido comercializado desde 1980 por la
compañía AspenTech.
AspenTech ha desarrollado muchos programas dentro del marco de la simulación de procesos
químicos, entre ellos se destaca el paquete Aspen Engineering Suite, el cual básicamente está
desarrollado para aplicaciones del campo de la ingeniería, en general. Entre los diversos
programas de este paquete se encuentran programas como Aspen Plus, Aspen Dynamics, Aspen
Properties, Aspen OLI, Aspen Process Manual, entre otros.
Aspen Plus, al igual que muchos de los programas diseñados para la interacción con el usuario,
posee una interfaz de usuario, conocida como Aspen Plus User Interface, la cual está
básicamente constituida por una barra de título, una barra de menús, una barra de herramientas,
un espacio de trabajo, una librería de modelos y una barra de estado.
Aspen Plus es un programa básicamente de simulación de procesos químicos, en el cual además
de simulaciones de diagramas de flujo, se puede realizar:
1. Estimación de propiedades de compuestos,
2. Análisis de sensibilidad de variables de proceso,
3. Obtener especificaciones de diseño de proceso, y,
4. Síntesis y análisis de procesos químicos, entre otras tareas del diseño de
procesos y equipos.
Propiedades termofísicas:
Bases de datos de componentes puros y específicos de cualquier aplicación.
Sistemas de estimación para constantes de propiedades.
Bases de datos para parámetros de interacción binaria.
Sistemas de regresión de datos.
Sistemas para electrolitos.
Acceso a la base de datos termofisica DECHEMA
DIAGRAMA DEL PROCESO PARA SIMULAR EN ASPEN PLUS.
Compresor A
MezcladorReactor
Compresor BSeparador B
Separador AIntercambiador de Calor B
Intercambiador de Calor A
SIMULACIÓN EN ASPEN PLUS.
CÁLCULOS Y RESULTADOS.
DATOSComponentes Moles (Lbmol/h) Masa (Lb/h) Masa (Kg/h)H2 300 600 272,7272727N2 100 2800 1272,727273
Flujo Molar (mol/h) 400
RESULTADOS OBTENIDOS DE LA SIMULACIÓN EN ASPEN PLUSComponentes LINEAS.
1 2 3 4 5 6 7H2 (Lbmol/h) 300 300 1754,5900
71754,59007 1458,47531 1458,47531 3,620018
N2 (Lbmol/h) 100 100 135,914752
135,914752 37,2098316 37,2098316 1,28880418
NH3 (Lbmol/h) 0 0 57,855615 57,855615 255,265455 255,265455 197,409469
RESULTADOS OBTENIDOS DE LA SIMULACIÓN EN ASPEN PLUSComponentes LINEAS.
8 9 10 11 12H2 (Lbmol/h) 1454,8552
91454,2798 1454,59007 1454,014 0,14548553
N2 (Lbmol/h) 35,9210275
35,896354 35,9147517 35,891 0,0035921
NH3 (Lbmol/h) 57,8559857
57,8502001 57,855615 58,06 0,00578559
DETALLES DEL PROCESODescripción Entrada Compresor
AMezclador Intercambiador
de Calor AReactor Intercambiador
de Calor B
Presión (psi) 300 4000 4000 4000 3970 3970
Temperatura (ºF)
80 80 80 900 900 80
H2(Lbmol/h)
300 1754,59007 1754,59007 1754,59007 1458,47531 1458,47531
N2(Lbmol/h)
100 135,914752 135,914752 135,914752 37,2098316 37,2098316
NH3 (Lbmol/h)
_ 57,855615 57,855615 57,855615 255,265455 255,265455
DETALLES DEL PROCESODescripción Separador Splitter Compresor
BPurga Salida
Presión (psi) 3970 3970 4000 3970 3970
Temperatura (ºF)
80 80 80 80 80
H2(Lbmol/h)
1454,85529 1454,2798 1454,01400 0,14548553 3,620018
N2(Lbmol/h)
35,9210275 35,896354 35,89100 0,0035921 1,28880418
NH3 (Lbmol/h)
255,265455 57,8559857 58,06000 0,00578559 197,409469
BALANCE DE MASA POR ESTEQUIOMETRIA.
Ecuación de equilibrio.
CASO1. Conociendo las alimentaciones.
300 lbmol H2
1 lbmol NH 3
32lbmol H 2
=200 lbmol NH 3
100 lbmol N2
1 lbmol NH 3
12lbmol H2
=200 lbmol NH 3
CASO 2. Conociendo las alimentaciones y la cantidad de amoniaco final.
Componentes.(lbmol/h)
Entra. Reacciona. Forma. Sale.
H2 300 297,1149535 --------- 3,8850465N2 100 98,7049845 ----------- 1,2950155NH3 ------- --------- 197,409969
197,409969 lbmol NH 3
3/2lbmol H 2
1 lbmol NH 3=296,1149535 lbmolH 2
197,409969 lbmol NH 3
1/2lbmol N 2
1 lbmol NH 3=98,7049845 lbmol N2
CASO 3. Conociendo las cantidades exactas que reaccionaran.
296,1149535 lbmol H 2
1lbmol NH 3
32lbmolH 2
=197,409969 lbmol NH 3
98,7049845 lbmol N2
1 lbmol NH 3
12lbmolH 2
=197,409969 lbmol NH3
PRODUCCIÓNProducto
Moles (Lbmol/h) Masa (Lb/h) Masa (Kg/h)
NH3 197,409469 3351.93 1523,61
ESQUEMATIZACIÓN DE RESULTADOS.
(1) Y (2)H2=300lbmol/hN2=100 lbmol/hNH3=0
Flujo molar: 400 lbmol/hFlujo másico: 3450 lb/h
1 2
(3) Y (4)H2=1754,014 lbmol/hN2=135,891 lbmol/hNH3=58,060 lbmol/h
Flujo molar: 1947,965 lbmol/hFlujo másico: 8331,461 lb/h
3 4
(5) Y (6)H2=1457,880 lbmol/hN2=37,180 lbmol/hNH3=255,483 lbmol/h
Flujo molar: 1750,543 lbmol/hFlujo másico: 7487,086 lb/h (7)
H2=3,620 lbmol/hN2=1,289lbmol/hNH3=197,409 lbmol/h
Flujo molar: 203,394 lbmol/hFlujo másico: 3449,394 lb/h
5 6
7
(8)H2=1454,885 lbmol/hN2=35,921lbmol/hNH3=57,856 lbmol/h
Flujo molar: 1550,498 lbmol/hFlujo másico: 5006,500 lb/h
8
(11)H2=0,154 lbmol/hN2=0,004 lbmol/hNH3=0,006 lbmol/h
Flujo molar: 0,501 lbmol/hFlujo másico: 0,155 lb/h
11
(9) y (10)H2=1454,710 lbmol/hN2=35,912 lbmol/hNH3=57,850 lbmol/h
Flujo molar: 1550,343 lbmol/hFlujo másico: 5005,999 lb/h
10
9
CONCLUSIONES.
La importancia de la síntesis de amoníaco radica en la amplitud de aplicaciones
que ofrece: es la materia prima para la fabricación de ácido nítrico, se utiliza
como refrigerante en máquinas frigoríficas y fabricación de hielo, esencial en la
producción de abonos nitrogenados, en usos domésticos se utiliza para limpiar y
como ablandador temporal de la dureza del agua, también es utilizado en la
síntesis de fármacos y en productos comerciales de limpieza.
Con el proceso Haber se da solución a la velocidad casi nula que presenta la
producción de amoníaco a temperatura ambiente, para lo cual se aumenta la
presión, la temperatura y con un catalizador adecuado se logra favorecer el
proceso incrementando la velocidad de formación de amoníaco.
Las condiciones óptimas para una mayor producción de amoníaco se presentan
en altas presiones (superiores a 300 atm), elevadas temperaturas (entre 400 y
500°C).
El uso del simulador Aspen Plus nos permitió la estimación de propiedades de
los compuestos lo cual facilita la obtención de datos para la posible ejecución
del proceso, el simulador cuenta con una base de datos de los componentes lo
cual facilita el diseño de la simulación ya conocidas las condiciones de
operación.
RECOMENDACIONES.
Se recomienda profundizar más las investigaciones para estar actualizados sobre
las tecnologías para la simulación de procesos evitando así pérdidas futuras en
una empresa.
Es importante que se siga utilizando estos simuladores dentro del estudio
académico ya que así se va fortaleciendo los conocimientos de los procesos que
se pueden realizar.
Para el presente trabajo se recomienda el uso del simulador ASPEN PLUS ya
que es una herramienta muy fácil de usar y al mismo tiempo muy práctica; de
igual manera es impórtate realizar estudios en base a la simulación obtenida para
mejorar el rendimiento del proceso en estudio.
BIBLIOGRAFÍA.
http://www.ecured.cu/Amon%C3%ADaco
http://encyclopedia.airliquide.com/encyclopedia.asp?
languageid=9&GasID=2&CountryID=19
http://html.rincondelvago.com/amoniaco.html
http://educativa.catedu.es/44700165/aula/archivos/repositorio/4750/4854/html/
3_la_sntesis_del_amoniaco.html
http://www.cloramon.cl/fichas-hojas/agroindustria/ficha-2.pdf
http://www.lco.cl/operations/safety-and-health/technical-info/safety-data-sheets/Ficha
%20seguridad%20Amoniaco.pdf
https://www.formosa.gob.ar/modulos/produccion/templates/files/polocientifico/
dioxitek/anexos/amoniaco.pdf
http://www.monografias.com/trabajos-pdf2/biblioteca-virtual-matlab-sistemas-
multivariables/biblioteca-virtual-matlab-sistemas-multivariables.pdf
ANEXOS.
![AMONIACO 2010[1]](https://static.fdocuments.mx/doc/165x107/55cf94a5550346f57ba370c5/amoniaco-20101.jpg)
