Balance de Materia Urea

PREFACTIBILIDAD DE LA PRODUCCION INDUSTRIAL DE LA UREA

SÍNTESIS DE UREA NH3 y CO2 reaccionan bajo de concentración, temperatura y presión a las condiciones específcas ormar urea como por las siguientes reacciones:

! CO2 "g! # 2NH3 "g! $$$$$ NH2COONH% "s! H $ &3',(% )cal * mol g 2! NH2COONH% "s! $$$$$ NH2CONH2 "s! # H2O "l!+ H $ (,32 )cal * mol gm &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& &&&&&&&&&&&&&&& CO2 "g! # 2NH3 "g! $$$$$ NH2CONH2 "s! # H2O "l!+ H $ &3,32 )cal * mol g

 -./-0101: i la temperatura se incrementa por encima de 244 5 C aumenta la tasa de corrosión6 NH2COONH% "s! $$$$ 2NH3 "g! # CO2 "g!+ H$ &7e (K1) NH2COONH% "s! $$$$ NH2CONH2 "s! # H2O "l!+ H $ &7e "82!  anto las reacciones son a7orecidos a alta temperatura, pero nuestro objeti7o es maimi;ar segunda reacción como primera reacción es indeseable en el reactor6 /or lo tanto, nuestra ;ona de uncionamiento debe estar en la región donde 82< 86

/0-=>N -n general se da reacción de síntesis de urea a continuación: CO2 "g! # 2NH3 "g! $$$$$$ NH2CONH2 "s! # H2O "l! No ?ay reducción en el 7olumen de la reacción global y tan alta presión a7orece la reacción directa6 -sta presión se selecciona de acuerdo a la temperatura ser mantenido y relación de NH3: CO26 CONC-N01C=>N: .ayor es la concentración de los reacti7os, mayor ser@ la reacción directa de acuerdo a la ley de acción de masas6 CO2 siendo reacti7o limitante mayor NH3: relación de CO2 a7orece la con7ersión6 Aado Bue, la des?idratación de los resultados de carbamato en la producción de urea, menor H2O: relación de CO2 a7orece la con7ersión, la ingesta de agua al reactor debe ser por lo tanto min6 -n las condiciones de síntesis " $ 4 5 C, / $ D% atm!, la primera reacción se produce r@pidamente y se ?a completado6 Ea segunda reacción se produce lentamente y determina el 7olumen del reactor6

F1E1NC- A- .1-0=1 Capacidad seleccionada %D4444 tonelada*aGo N!"e#o de d$as de %#a&a'o 3D4 días P#odccin dia#ia %D4444*344$D44 tonelada*diaria U#ea (2D44 )g*? de I de pure;a Composición fnal del producto : rea : I"(2D4)g*?! Fiuret : I "(2D )g*?! 1gua : I "(2D )g*?! 1sumiendo una con7ersión global de urea del DI

Jormación de biuret Ea ormación de este durante la producción de urea no es deseable, su contenido en urea no debe ser mas de 6DI en peso 2NH2CONH2 < NH2CONHCONH2# NH3 Ea producción a ata presión y temperatura no ?ace uncionar en perectas condiciones por Bue : 1umento de la presión aumenta los costos de capital 1umento de la temperatura acelera la descomposición de urea a biuret, bajo estas condiciones se producen tasas de corrosión •

•

Reacciones 0-1CC=ON- /0=NC=/1E-: ! CO2 # 2NH3 $$$$ NH2COONH% "%%g! "'g! "'g! 2! NH2COONH%  $$$$ NH2CONH2 # H2O "'g! "(4g! "g! 3! CO2 # 2NH3 $$$$ NH2CONH2 # H2O "reacción global!

0eacción secundaria: %! 2 NH2CONH2 $$$$ "43 g!

NH2CONHCONH2 # NH3

(2D )g*? de Fiuret producido por $ "24*43!K (2D $ '2 )g*?L "0eacción %! rea producida por la reacción "2! $ (2D4# '2 $ (' )g *? (' )g*? de urea producida por $ "3%*(4K(' $ 3D24 )g *? NH3 Ael mismo modo el CO2 ?ace reaccionar en la reacción "! $ "%%*(4!K(' $ %D%D4 )g*? •

uponiendo una con7ersión del DI obtenemos NH3 realmente necesario $ 3D24*46D $ 3(( )g*? CO2 realmente necesario $ %D%D4*46D $ %'6%2)g*?

1?ora, teniendo en cuenta la reacción "%!: i es 44I completa la reacción "3! a continuación,  Ea urea producida $ "(4*%%! K %'6%2 $ (D623 )g * ? /ero, para DI de con7ersión Ea urea producida $ 4,D K (D623 $ (6'' )g * ? /or lo tanto, la urea se con7irtió al Fiuret y NH3 $ (6'' & (62D4 $ '2' )g * ? 1sí, a partir de la reacción "%! Fiuret produjo $ "43*24! K '2' $ (2% )g * ? -l agua producida en la reacción "2! $ "*(4! K (6' $ 6D3 )g * ?

En la salida del #eac%o# (U#ea * +,-)

 asa de Mujo $ (62D4 * 4,3% $ 4%' )g * ? de caudal  NH3 ?ace reaccionar en la reacción "! $ "3%*(4! K (6'' $ 3D624 8g * ?  NH3 producido en la reacción "%! $ "'*24! K '2' $ 43 8g * ? 1sí, NH3 sin reaccionar $ 3(( a 3D624 # 43 $ D )g * ? CO2 ?ace reaccionar en la reacción "! $ "%%*(4! K (6'' $ %D6%D4 8g * ? /or lo tanto, el CO2 sin reaccionar $ %'%2&%D%D4 $ 232 )g * ? 1?ora, Tasa de .'o de cadal en la salida del #eac%o# / (%asa de #ea 0 CO 0 N2+ 0 a3a 0 &i#e%) *  asa de carbamato de Mujo 4%'& "(62D4 # 232 # D #6D3 # (2%! $ D633' )g * ?

Balance de Ene#3$a

Co##ien%e de En%#ada 4a%e#ial

Calo# espec$5co a ,6 7 C

NH3 4,D3 cal * g 5 C $ 2,2 ) * 8g 5C CO2 4,22 cal * g 5 C $ 462 ) * )g 5C

Calo# espec$5co a 1867C Carbamato 4,(2 cal * g 5 C $ 26D( ) * )g 5C

La en%#ada de calo# "Cp9% NH3: 36((  4%  262  %4 $ 4632  4' ) * ? CO2: %6'%3  4%  462  %4 $ 46'(  4' ) * ? Carbamato: 6D33(  4%  2,2%  4 $ %6%DD  4' ) * ? Ea entrada de calor $ %,D  4' )*? H0 $ & 3,32 )cal * mol g H0 $ &4,43 P 4 ' ) * )mol de urea ormada6 Cantidad de urea Bue se orma durante la reacción $ 6424,3 8mol * ? H0 $ ,42463  4643  4 ' ) * ? H0 $ 362'  4' ) * ?

Co##ien%e de Salida 4a%e#ial Calo# espec$5co a1867C (K"ol = >)

:#acciones "ola#es (;)

NH3

4,DD cal*g5C $ 3,D )*8mol5C 4,433 %,'(

CO2

4,23 cal*g5C $ %2,3' )*8mol5C 464D D%63(

Ca#&a"a%o 4,(2 cal*g5C $ 2426% )*8mol5C 463D% 6222,3

rea

4,%2 cal*g5C $ 2632 )*8mol5C 462( 6424,3

1gua

 cal*g5C $ 'D,3' )*8mol5C 462 6432,%

Fiuret  

3, 8j*8mol5C

otal$3,%D63

4,442 (,4'

Cadal

Cp de me;cla $ Q  x iCpi 1sí, Cp $ 4,433  # 4,4D 3,D  %2,3'  4,2( # 2,32 # 242,% # 4,3D%  4,442  36 # 4,2  'D63' $ 326%( ) * 8mol5C 1sí, el calor transportado por la corriente de salida $ mCpt  mCpt $ 3,%D63  32,%(  4 mCpt $ 622  4' ) * ? Ea entrada de calor # H0 & alida de calor $ tasa de acumulación %6D  4' # 3,2'  4' & 622  4' $ tasa de acumulación  asa de acumulación $ 4  4' ) * ? 1sumiendo: -l agua de rerigeración a 2D 5 C se utili;a para eliminar el calor del reactor6 Ea salida es 7apor de agua a una presión absoluta de %,D bar " s $ %', 5C!6 1sí, el calor ganado por el enriamiento del agua $ 4  4 ' ) * ? mCpt # mR $ 4  4' ) * ? m "Cpt # R! $ 4  4 ' m S%,'  "%', a 2D! # 224,(T $ 4  4' ) * ?r "R $ 224,( ) * )g $ %,' ) * )g 5C!  m $ 4*2(3D6  m $ 3'6% )g * ?

Dise?o del E@ipo

#5co del #endi"ien%o- de #ea s #elacin "ola# de N2+  CO

#5co de - Rendi"ien%o de UREA s Tie"po de Residencia

Dise?o del Reac%o# Como , t $ U * J t $ tiempo de residencia J $ Uelocidad de Mujo 7olumVtrica en el reactor en m 3*? U $ Uolumen del reactor en m 3 1?ora, Aensidad del líBuido NH3 $ ( 8g * m3 Aensidad del gas CO2 a %4 5C $ 2'',3 8g * m3"densidad $ /.*0, / $ (2 atm,  $ 33 8! Aensidad de carbamato $ (44 8g * m3 -ntonces : NH3 Bue Muye en el reactor $ 3(6( * ( $ D,2 m 3*? CO2 Bue Muye en el reactor $ %'%2 * 2''63 $ '2,%' m 3*? Carbamato Bue Muye en el reactor $ D633' * 6(44 $ D,D m 3*? Caudal total en el reactor $ D,2 # '26%' # D,D $ 2, m3*?

Aonde , t $ U * J /or lo tanto, U $   J U $ "%4  2,! * (4 U $ %6D m3m3 U $ %6D /ara el diseGo fnal U $ D m3 1?ora, el 7olumen del reactor $ $"W A *%! E $ D SA $ 2,D m "dado!T -ntonces EE $ D m  % * "3,%  2,D ! $ 3,'D E $ 3,'D m 2

2

Pa#a el dise?o 5nal L * ,6 "

ESPESOR DE S2ELL Aatos disponibles: Ea temperatura dentro del reactor $ 4 5C Ea presión dentro del reactor $ D% atm

4a%e#iales de cons%#ccin 1cero al carbono de baja aleación Especi5cacin de "a%e#iales  ensión admisible $ ,  4 N * m2 Ai@metro del reactor $ 2,D m , "porBue las plantas tienen la capacidad de %,D4,444ton*aGo! 1?ora, el 7olumen del reactor $ "W A2*%! E $ D -ntonces E $ D  % * "3,%  2,D2! E $ 3,'D m /ara el diseGo fnal E $ %4 m

 ambiVn, E * A $ %4 * 2,D $ ( m consistente con la relación real Bue est@ entre % a 24! 1?ora, % * PDI = (:' / p) donde, t $ espesor de la c@scara Ai $ Ai@metro interno   $ efciencia conjunta / $ presión de diseGo J $ esuer;o admisible presión interna $ D% atm $ ,D(  4' N * m2 Ea presión de diseGo p $ "4I adicional! $ ,  ,D(  4' N * m2 $ ,'(  4' N * m2 $  $ , Ai $ 2,D m -ntonces, t $ 6'(  4' 2,D * "2  ,  4    & ,'(  4 '! t $ 4,( m t$ ( mm /ara el diseGo fnal t $ 244 mm

"Bue es

Dise?o de ca&ea

AiseGo elipsoidal de la cabe;a t? $ /AU * 2 Sre: -Buipo diseGo& .U os?i, /g& 4(, -B&D62%T donde p $ presión de diseGo interno A $ eje mayor de la elipse U $ Jactor de tensión intensifcación $ "2 # )2! * %  ) $ eje mayor * eje menor -ntonces, t? $ ,'( 4' 2,D  ,D * "2  , 4  ! t $ 4,2'3 m t $ 2'3 mm /ara el diseGo fnal t $ 344 mm

DI4ETRO DE LOS TUBOS

abemos Bue , "Ai! opt $ 464%%  "mX! 4,%D * "Y! 4632 /ara tuberías de entrada: "Ai! NH3 $ 464%%  "3((!46%D * "(!4,32 $ 4,243 m $ 62% pulgadas -standari;ar el uso de la tabla&, /H, A Z 8ern obtenemos: N/ $ 4  /rograme no6 $ (4 OA $ 4,'D pulgadas  =A $ 6'D pulgadas "Ai! de CO2 $ 464%%  "%'%2! 46%D * "2''63! 4632 $ 4,343' m $ 6D pulgadas -standari;ar el uso de la tabla&, /H, A Z 8ern obtenemos:  N/ $ 2  /rograme no6 $ 34 OA $ 2,'D pulgadas  =A $ 2,4 pulgadas

"Ai! carbamato $ 464%%  "D33'! 46%D * "(44! 4632 $ 4,23(% m $ ,34' pulgadas -standari;ar el uso de la tabla&, /H, A Z 8ern obtenemos: N/ $ 4  /rograme no6 $ (4 OA $ 4,'D pulgadas  =A $ 6'D pulgadas "Ai! corriente de salida $ 464%%  ",4,%'! 4,%D * "23,'! 4,32 $ 4,33' m $ 362 pulgadas -standari;ar el uso de la tabla&, /H, A Z 8ern obtenemos:  N/ $ (  /rograme no6 $ 34 OA $ ( pulgadas  =A $ D,2D pulgadas

APOGO FALDA PARA REACTOR

/eso del reactor $ peso de material de construcción # peso de los contenidos del reactor $ W At EY # peso de los contenidos del reactor $ W  2,D  4,2  %%  ',D' # 4%' SY $ 'D' )g * m3T /eso $ '22 toneladas $ ',4D  4' N .ateriales de construcción:  -suer;o de tracción admisible $ ,  4 N * m2 -strVs 0endimiento $ 2,DD  4N * m2 Ea presión del 7iento ?asta $ 344 N * m2 -l estrVs debido al peso muerto:  d $ Q[ * "W Ao) ts)! Aonde,  d $ estrVs Q[ $ peso muerto del buBue Ao) $ Ai@metro eterior de la alda ts) $ espesor de la alda  d $ ',4D  4'*"36% P 2,D  ts)! $ 642D  4(* s) N * m2

uponiendo Bue la altura de la alda $ D m  \b $ .\ * ] $ % . [ * "W A 2o) ts)! .\ $ /l\ "? * 2! # / u\ "? # ? 2 * 2! /l\ $ )/?Ao Sdonde ) $ 46'T /u\ $ )/2?2Ao J\b $ 46'  344  24  2,D  "24*2!  % * "3,%  2,D 2 ts)! #4,'  344  24  2,D  34  % * "3,%  2,D2  t s)!  \b $ 36'4  4D* s) N*m2 -l estrVs debido a la carga sísmica:  sb $ "2*3!  C[H * "W 0 o) ts)! SaBuí C $ 4,4T  sb $ "2*3!  "4,4  '64D  4 ' %4! * ""3,%  "2,D*2!  t s)!  sb $ 3,D  4 '*s) N*m2