Presentación Proyecto de Ciencias Minimalista Beige y Verde (3).pdf

Presentación ingeniería química, acido sulfúrico 2da etapa

1. PRODUCCIÓN DE ÁCIDO
SULFÚRICO
ETAPA II
Universidad nacional Experimental
Politécnica
“Antonio Jose De Sucre”
Vicerrectorado “Luis Caballero Mejias”
Carrera: Ingeniería industrial.
Asignatura: Ingenieria química
Profesor:
Marianela Martinez
Autores:
*Carlimar Saballo. Exp: 2023100123
*Magdielys Villalobos. Exp: 2018200067
*Aniuska Diaz. Exp: 2020200070

2. Fertilizantes (60% del consumo mundial)
Refinación de petróleo
Tratamiento de aguas y metales
Industria farmacéutica
Fabricación de detergentes
Enfoque de Esta Etapa:
Conversión catalítica SO₂ → SO₃ con recirculación
Introducción
Ácido Sulfúrico: Aplicaciones Clave

3. Reacción Fundamental
Características Críticas:
Reacción reversible
Altamente exotérmica (ΔH = -196.56 kJ)
Limitada por equilibrio químico
Requiere catalizador (V₂O₅)
Ecuación Química Principal:
2SO₂ + O₂ ⇌ 2SO₃

4. Componentes del Proceso
Función: Materia prima clave
Propiedades: PM 64 g/mol, tóxico, punto ebullición -10°C
Sin él: No hay reacción
Función: Oxidante en exceso (15%)
Propiedades: Gas incoloro, esencial para combustión
Función: Control de temperatura
Propiedades: Gas inerte, no reactivo
Función: Precursor del ácido sulfúrico
Propiedades: Altamente reactivo, punto fusión 17°C
Valor: Producto final de alta pureza
Función: Catalizador
Propiedades: Sólido naranja, no se consume
Impacto: Hace viable el proceso industrial
Los Protagonistas
N₂ - Amortiguador Térmico
O₂ - Comburente
SO₂ - Reactivo Principal SO₃ - Producto Deseado
V₂O₅ - Acelerador

5. Arquitectura del Proceso1. PUNTO DE MEZCLADO
Combina: Alimentación fresca + Gases
recirculados
Objetivo: Homogeneizar composición
2. REACTOR CATALÍTICO
Conversión: SO₂ → SO₃
Condiciones: 450°C, catalizador V₂O₅
3. SEPARADOR
Producto: SO₃ puro
Recirculación: Gases no convertidos
Purga: Control de inertes
3 Unidades Clave

6. Concepto Fundamental:
Conversión por paso: 70% ← Limitación física
Conversión global: 98% ← Magia de la recirculación
Flujos Clave:
Alimentación fresca: 100 mol/h
Recirculación: 40 mol/h (40% del fresco)
Producto SO₃: 9.8 mol/h
Purga necesaria: 85.3 mol/h
Balance de Materia
Estrategia de Dos Conversiones

7. Balance de
Materia GlobalALIMENTACIÓN FRESCA
│ F1 = 100 mol/h │
│ SO₂: 10 mol/h │
│ O₂: 15 mol/h │
│ N₂: 75 mol/h REACTOR SEPARADOR PUNTO DE MEZCLADO
│ T = 25°C │ │ T = 100°C │ F4 = 9.8 mol/h
SO₃: 9.8 mol/h F7 = 85.3 mol/h
SO₂: 0.2 mol/h
O₂: 10.1 mol/h
N₂: 75.0 mol/h
(PURGA) DATOS INICIALES

8. Balance de
Materia en el
ReactorREACTOR SEPARADOR PUNTO DE MEZCLADO
│ T = 25°C │ │ T = 100°C │
F2 = 140 mol/h
SO₂: 14 mol/h
O₂: 21 mol/h
N₂: 105 mol/h
F3 = 135.1 mol/h
SO₂: 4.2 mol/h
O₂: 16.1 mol/h
N₂: 105.0 mol/h
SO₃: 9.8 mol/h

9. F3 = 135.1 mol/h
SO₂: 4.2 mol/h
O₂: 16.1 mol/h
N₂: 105.0 mol/h
SO₃: 9.8 mol/h
Balance de
Materia en el
SeparadorREACTOR SEPARADOR PUNTO DE MEZCLADO
│ T = 25°C │ │ T = 100°C │
F4 = 9.8 mol/h
SO₃: 9.8 mol/h
F5 = 125.3 mol/h
SO₂: 4.2 mol/h
O₂: 16.1 mol/h
N₂: 105.0 mol/h 125,3 - - -

10. Balance de
Materia en el
Punto de
MezcladoREACTOR SEPARADOR PUNTO DE
MEZCLADO
│ T = 25°C │ │ T = 100°C │
ALIMENTACIÓN FRESCA
│ F1 = 100 mol/h │
│ SO₂: 10 mol/h │
│ O₂: 15 mol/h │
│ N₂: 75 mol/h
F2 = 140 mol/h
SO₂: 14 mol/h
O₂: 21 mol/h
N₂: 105 mol/h
F6 = 40 mol/h
SO₂: 4 mol/h
O₂: 6 mol/h
N₂: 30 mol/h
(RECIRCULACIÓN)

11. Arquitectura del Proceso
ALIMENTACIÓN FRESCA
│ F1 = 100 mol/h │
│ SO₂: 10 mol/h │
│ O₂: 15 mol/h │
│ N₂: 75 mol/h REACTOR SEPARADOR
PUNTO DE MEZCLADO
│ T = 25°C │
│ Q = +88.33 kJ/h │
F2 = 140 mol/h
SO₂: 14 mol/h
O₂: 21 mol/h
N₂: 105 mol/h
│ V₂O₅, 450°C │
│ Q = +937.73 kJ/h│
│ Conversión: 70% │
F3 = 135.1 mol/h
SO₂: 4.2 mol/h
O₂: 16.1 mol/h
N₂: 105.0 mol/h
SO₃: 9.8 mol/h
│ T = 100°C │
│ Q = -3493.49 kJ/h
F4 = 9.8 mol/h
SO₃: 9.8 mol/h
F5 = 125.3 mol/h
SO₂: 4.2 mol/h
O₂: 16.1 mol/h
N₂: 105.0 mol/h
F6 = 40 mol/h
SO₂: 4 mol/h
O₂: 6 mol/h
N₂: 30 mol/h
(RECIRCULACIÓN)
F7 = 85.3 mol/h
SO₂: 0.2 mol/h
O₂: 10.1 mol/h
N₂: 75.0 mol/h
(PURGA)

12. ¿Por qué la Purga es Esencial?
Problema del Nitrógeno:
N₂ entra → N₂ no reacciona → N₂ se acumula
Consecuencias sin Purga:
❌ Dilución de reactivos
❌ Reducción de eficiencia
❌ Aumento de costos operativos
Solución:
Purga controlada de 85.3 mol/h
Balance entre pérdidas y eficiencia

13. Balance de Energía
Termodinámica de la Reacción:
2SO₂ + O₂ → 2SO₃ (libera -196.56 kJ)
En Nuestro Proceso:
Producción: 9.8 mol/h SO₃
Calor químico generado: -963.14 kJ/h
Pero... necesitamos gestionar esta energía
La Paradoja Térmica
BASE TERMODINÁMICA
Temperatura de referencia: 25°C
Presión: 1 atm
Estado estacionario

14. Balance de Energía
Sin reacción química:
Q˙=∑n salida⋅Δhsens,salida −∑nentrada⋅Δhsens,entrada
Temperaturas: F1: 25°C, F6: 100°C, F2: 25°C
Entalpías sensibles F6 (100°C → 25°C):
1. BALANCE DE ENERGÍA - MEZCLADOR (F1 + F6 → F2)
SO₂: ΔhSO2=∫10025(0.03891+3.904×10−5T−3.104×10−8T2+8.606×10−12T3) dT=−3.215kJ/mol

O₂: ΔhO2=∫10025(0.02910+1.158×10−5T−0.6076×10−8T2+1.311×10−12T3) dT=−2.189kJ/mol
N₂: ΔhN2=∫10025(0.02900+0.2199×10−5T+0.5723×10−8T2−2.871×10−12T3)dT=−2.078kJ/mol

15. Cálculo de Q˙Q˙​:
· H˙entrada = (4 × -3.215) + (6 × -2.189) + (30 × -2.078) = -88.33 kJ/h
· H˙salida = 0 (F2 a 25°C)

Q˙=0−(−88.33) =+88.33kJ/h
Balance de Energía
1. BALANCE DE ENERGÍA - MEZCLADOR (F1 + F6 → F2)
Se debe AGREGAR 88.33 kJ/h

16. Con reacción química:
Q˙=ξ⋅ΔHr∘+∑nsalida⋅Δhsens,salida−∑nentrada⋅Δhsens,entrada
Temperaturas: F2: 25°C, F3: 450°C
Entalpías sensibles (25°C → 450°C):
Balance de Energía
2. BALANCE DE ENERGÍA - REACTOR (F2 → F3)
SO₂: ΔhSO2=∫25450(0.03891+3.904×10−5T−3.104×10−8T2+8.606×10−12T3)dT=19.620kJ/mol
O₂: ΔhO2=∫25450(0.02910+1.158×10−5T−0.6076×10−8T2+1.311×10−12T3)dT=13.365kJ/mol
N₂: ΔhN2=∫25450(0.02900+0.2199×10−5T+0.5723×10−8T2−2.871×10−12T3)dT=12.691kJ/mol
SO₃: ΔhSO3=∫25450(0.04850+9.188×10−5T−8.540×10−8T2+32.40×10−12T3)dT=27.625kJ/mol

17. Cálculo de Q˙Q˙​:
Q˙rxnQ˙​rxn​ = -963.14 kJ/h
ΔH˙sensible,salida = (4.2 × 19.620) + (16.1 × 13.365) + (105 × 12.691) + (9.8 × 27.625) = 1,900.87 kJ/h
ΔH˙sensible,entrada = 0 (F2 a 25°C)
Q˙=−963.14+1,900.87−0=+937.73kJ/h
Balance de Energía
Se debe AGREGAR 937.73 kJ/h
2. BALANCE DE ENERGÍA - REACTOR (F2 → F3)

18. Sin reacción química:
Q˙=∑nsalida⋅Δhsens,salida−∑nentrada⋅Δhsens,entrada
Temperaturas: F3: 450°C, F4: 100°C, F5: 100°C
Entalpías sensibles (450°C → 100°C):
Balance de Energía
3. BALANCE DE ENERGÍA - SEPARADOR (F3 → F4 + F5)
SO₂: ΔhSO2=∫450100CpdT=−16.405kJ/mol
O₂: ΔhO2=∫450100CpdT=−11.176kJ/mol
N₂: ΔhN2=∫450100CpdT=−10.613kJ/mol
SO₃: ΔhSO3=∫450100CpdT=−23.410kJ/mol

19. Cálculo de Q˙Q˙​:
H˙entrada = 1,900.87 kJ/h (de reactor)
H˙salida = (4.2 × -16.405) + (16.1 × -11.176) + (105 × -10.613) + (9.8 × -23.410) = -1,592.62 kJ/h
Q˙=−1,592.62−1,900.87=−3,493.49kJ/h
Balance de Energía
1. BALANCE DE ENERGÍA - MEZCLADOR (F1 + F6 → F2)
Se debe REMOVER 3,493.49 kJ/h

20. Arquitectura del ProcesoREACTOR SEPARADOR
PUNTO DE MEZCLADO
│ T = 25°C │
│ Q = +88.33 kJ/h │
│ V₂O₅, 450°C │
│ Q = +937.73 kJ/h│
│ Conversión: 70% │
│ T = 100°C │
│ Q = -3493.49 kJ/h

21. UNIDAD ENERGÍA TIPO EXPLICACIÓN
Punto de
Mezclado
+88.33 kJ/h AGREGAR
Acondicionar
mezcla
Reactor +937.73 kJ/h AGREGAR
Mantener 450°C
óptimos
Separador -3,493.49 kJ/h REMOVER
Enfriar para
absorción
NETO -2,467.43 kJ/h REMOVER
Energía
recuperable
Balance
Energético
por Unidad
Resultados que Sorprenden:

22. Lecciones del Balance Energético
Revelaciones Importantes:
El reactor necesita energía aunque la reacción sea exotérmica
El separador requiere 3.6× más enfriamiento que el calor generado
Tenemos 2,467 kJ/h recuperables para optimizar
Principio Clave:
La gestión energética es tan crucial como el manejo de materiales

23. Optimización Cualitativa
3. Integración Térmica
Recuperación de calor residual
Reducción de utilities
4. Control de Variables
Presión y temperatura óptimas
Relación O₂/SO₂ precisa
1. Reactores Multilecho
Enfriamiento intermedio
Mayor conversión por paso
2. Doble Contacto
Absorción intermedia
Conversión >99%
Optimización Cualitativa

24. Optimización Cuantitativa
Mejoras Medibles:
� Conversión por paso: 70% → 85%
� Costos recirculación: -30%
?????? Ahorro energético: -70% en calentamiento
?????? Producción: +15% sin costo adicional
Herramientas:
Simulación con Aspen HYSYS
Análisis técnico-económico
Optimización multiobjetivoConversión por paso
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
Los Números HablanCostos de recirculación
0%
20%
40%
60%
80%
100% Ahorro energético
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70% Incremento producción
0%
2%
4%
6%
8%
10%
12%
14%
16%

25. Conclusiones
1. EFICIENCIA COMPROBADA
Proceso industrial validado
98% conversión global alcanzada
Ciclo virtuoso de reutilización
2. VIABILIDAD ECONÓMICA
Gestión inteligente de energía
Operación financieramente rentable
Retorno de inversión atractivo
3. RESPONSABILIDAD AMBIENTAL
Maximización de producción
Minimización de impacto ambiental
Purga controlada y eficienteTres Verdades Fundamentales

26. ¡Gracias!