Diseño de las tablas estequiometrias

Introducción

El amoniaco es un compuesto nitrogenado, es vendido de forma líquida, y esto ha sido un negocio rentable. Es utilizado para la fabricación de fertilizantes, tratamientos térmicos, en el proceso de fabricación del ácido nítrico, en la industria alimenticia y de limpieza, entre otros

La producción del amoniaco se realiza por medio del proceso Haber, quien invento dicho procedimiento fue le químico alemán Fritz Haber, por sus investigaciones sobre la termodinámica de las reacciones gaseosa. A lo largo de los años se han realizados modificaciones para obtener amoniaco, pero tomando como base el proceso Haber.

Este proceso utiliza un método, que permite que la síntesis de amoniaco se realice a gran escala, utilizando como materia prima hidrogeno y nitrógeno con un catalizador heterogéneo a base de hierro. Para este proceso se hace uso de nitrógeno gaseoso, el cual es obtenido por “licuefacción parcial del aire o haciéndolo pasar a través de coque al rojo. El nitrógeno así obtenido se mezcla con hidrógeno puro, conduciendo la mezcla a lo largo de unos tubos convertidores rellenos de una masa catalítica porosa, que generalmente está compuesta por óxidos de hierro y pequeñas cantidades de óxidos de potasio y aluminio” (Quimitube.com. 2012).

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Producción industrial de amoniaco: el Principio de Le Chatelier en acción. (2012). Quimitube.com. [Figura] Recuperado de: http://www.quimitube.com/produccion-industrial-amoniaco-sintesis-de-haber-principio-le-chatelier

La reacción para la producción del amoniaco es exotérmica y reversible, y presenta una variación en la entalpia negativa.

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Tiene una proporción de 1:3, si se hace uso de Fe3O4 como catalizador, las condiciones de operación de temperatura y presión para este proceso deben oscilar entre 350-550°C y 140-320atm.

Ya que la reacción como se mencionó anteriormente es exotérmica, se verá favorecida con la disminución de la temperatura, pero la velocidad de reacción aumenta con este factor. Con el aumento de la temperatura se favorece el factor cinético, pero si se realiza el proceso a bajas temperaturas, la obtención del producto de interés necesitaría mucho tiempo, pero esto genera que en el reactor se tenga un crecimiento en los reactivos y el producto sea bajo. Para resolver esto la temperatura de operación del reactor estará entre 500-600°C y se hace uso del catalizador el cual aumentara la velocidad de la reacción.

La utilización del catalizador no es suficiente por lo que también se tiene que modificar la presión, un aumento en este parámetro favorece la reacción hacia los productos, esta es la principal razón que el método Haber utilice presiones elevadas, pero tiene la limitación de tener presiones demasiado altas incremente los costos en la utilización de los recipientes que tengan que aguantar dichas condiciones.

METODOLOGIA [pic 3]

Se realizó el diseño de las tablas estequiometrias donde se analizaron los datos de alimentación sin inertes, con inerte y con doble inerte. Esto se hizo con el fin de formular la conversión en equilibrio mediante la constante de equilibrio químico. Sabemos entonces que la conversión se encuentra en función de la presión, entonces se varia la presión, antes de esto es necesario calcular la factibilidad termodinámica y mediante los cálculos de la contante de equilibro a diferentes temperaturas se formulan las conversiones, esto debe hacerse para cada valor de K. Se resuelve entonces el sistema para una función objetivo teniendo en cuenta el factor presión. Se realiza entonces así la gráfica de conversión versus temperatura y presión.

Para el caso de la gráfica isocinética es necesario en primera instancia fijar la velocidad de reacción igual a 0, de esta manera es posible plantear el sistema de ecuaciones diferenciales, el cual solucionará paralelamente mediante un solver la ecuación utilizada para la velocidad de reacción y le dará un valor a la variable conversión a partir de la relación en la tabla estequiometria. Después de repetir este procedimiento con varias velocidades de reacción, se crea una gráfica que muestre la variación de la conversión con respecto a la temperatura, pensando que cada proceso se lleva a una velocidad de reacción constante.  

Por otro lado, el proceso para la gráfica isoconversa es muy similar con la excepción de que no se hace necesario utilizar el solver, se debe seleccionar una conversión la cual va ser contante para los cálculos y a partir de esta se resuelve la ecuación anteriormente mostrada dándole valores a la velocidad y permitiendo crear al final la gráfica que muestra la variación de la velocidad con respecto a la temperatura cuando se tiene una conversión constante.

RESULTADOS

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Grafica 1: Conversión versus temperatura y presión sin inertes

[pic 5] Grafica 2: Conversión versus presión sin inertes

[pic 6] Grafica 3: Conversión versus temperatura sin inertes

[pic 7] Grafica 4: Conversión versus temperatura y presión con inertes

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Grafica 5: Conversión versus presión con inertes

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Grafica 6: Conversión versus temperatura con inertes

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Grafica 7: Conversión versus temperatura y presión con doble inertes

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Grafica 8: Conversión versus presión con doble inertes

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Grafica 9: Conversión versus temperatura con doble inertes

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Grafica 10: Isocinética

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Grafica 11: Isoconversa

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Grafica 12: Temperatura optima de operación con ayuda de la isocinética

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Grafica 13: Temperatura optima de operación con ayuda de la isoconversa

ANALISIS DEL EFECTO DE LAS CONDICIONES DE REACCION SOBRE LA CONVERSION DE REACCIONES EN EQUILIBRIO

La producción de amoniaco, se basa en su gran mayoría en el reformado de metano a vapor del gas natural, pero de igual forma obtener este producto, se debe tener en cuenta otros recursos.

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