1. DIAGRAMA DE FLUJO PROCESO SOLVAY

El método Selvay es un proceso químico utilizado para la fabricación de carbonato de sodio a nivel industrial.Fue descubierto por Schloesing que no pudo darle aplicación industrial y luego estudiado por el industrial y filántropo belga Ernest Solvay.

1.1. Reacciones

NaCl+NH 3+CO2+H 2O−−¿ NaHC O 3+N H 4Cl …(1)

2NaHC O3−−¿N a2C O3+H 2O+C O2…(2)

N H 4Cl+Ca ¿

1.1.1. Amoníaco

GAS LICUADO INCOLORO, CON OLOR CARACTERISTICO. El gas es más liviano que el aire. El líquido es soluble en agua, produciendo calor. Es dificil de hacer ignición, con los ácidos y es corrosivo al aluminio y zinc. Reacciona violentamente con oxidantes fuertes y halógenos. Ataca el cobre, aluminio, zinc y sus aleaciones. Reacciona con el mercurio y oxido de plata para formar compuestos sensibles a choques mecánicos. La sustancia puede ser absorbida en el cuerpo por inhalación. La sustancia es corrosiva a los ojos, la piel y el tracto respiratorio. La inhalación de sus vapores o Humos pueden causar dificultad respiratoria. Casos graves pueden ser fatales. Por subita evaporación el líquido puede causar quemaduras. TLm 96: 10-1 ppm.

Propiedades físicas

Densidad 0.73 kg/m3; 0,00073 g/cm3

Masa molar 17,031 g/mol

Punto de fusión 195,42 K (-77,73 °C)

Punto de ebullición 239,81 K (-33,34 °C)

Punto de descomposición 773 K ( °C)

Temperatura crítica 405,5 K ( °C)

Propiedades químicas

Solubilidad en agua 89,9 g/100 ml (0 °C)

Peligrosidad

Punto de inflamabilidad 284 K (11 °C)

Temperatura de autoignición 924 K (651 °C)

1.1.2. Dióxido De Carbono

Propiedades físicas

Densidad 1.6 kg/m3; 0,0016 g/cm3

Masa molar 44,0 g/mol

Punto de fusión 195 K (–78 °C)

Punto de ebullición 216 K (–57 °C)

Estructura cristalina Parecida al cuarzo

Propiedades químicas

Solubilidad en agua 1,45 kg/m³

Valores en el SI y en condiciones normales(0 °C y 1 atm), salvo que se indique lo contrario.

Exenciones y referencias

1.1.3. Cloruro De Sodio

Propiedades físicas

Densidad 2165 kg/m3; 2,165 g/cm3

Masa molar 58,4 g/mol

Punto de fusión 1074 K (801 °C)

Punto de ebullición 1738 K (1465 °C)

Propiedades químicas

Solubilidad en agua 35,9 g por 100 mL de agua

KPS 37,79 mol2

Valores en el SI y en condiciones normales(0 °C y 1 atm), salvo que se indique lo contrario.

Exenciones y referencias

1.1.4. Bicarbonato De Sodio

Propiedades físicas

Densidad 2173 kg/m 3 ; 2,173 g/cm 3

Masa molar 84,0 g/mol

Punto de fusión 323,15 K (50 °C)

Punto de descomposición 543,15 K ( °C)

Propiedades químicas

Solubilidad en agua 10,3 g/100 g de H2O

Valores en el SI y en condiciones normales(0 °C y 1 atm), salvo que se indique lo contrario.

Exenciones y referencias

1.1.5. Carbonato de sodio

CRISTALES O POLVO BLANCO HIGROSCOPICO Cuando se disuelve en agua es una solución alcalina. Reacciona violentamente con los ácidos y es corrosivo al aluminio y zinc. Reacciona violentamente con los ácidos para formarDióxido de Carbono. La sustancia penetra en el organismo por vía inhalatoria e ingestiva. La sustancia irrita la piel y el tracto respiratorio.

1.1.6. Cloruro De Amonio

Propiedades físicas

Densidad 1.527 kg/m3; 0,001527 g/cm3

Masa molar 53.49 g/mol

Punto de fusión K (338 °C)

Valores en el SI y en condiciones normales(0 °C y 1 atm), salvo que se indique lo contrario.

Exenciones y referencias

1.1.7. Hidróxido de calcio

Si se calienta a 512 °C, el hidróxido de calcio se descompone en óxido de calcio y agua. La solución de hidróxido de calcio en agua es una base fuerte que reacciona violentamente con ácidos y ataca varios metales. Se enturbia en presencia de dióxido de carbono por la precipitación de carbonato de calcio.

Hidróxido de calcio

Propiedades físicas

Estado de agregación Sólido

Densidad2211 kg/m3; 2,211 g/cm3

Masa molar 74,093 g/mol

Punto de descomposición

653 K ( °C)

Estructura cristalina Hexagonal

Propiedades químicas

Solubilidad en agua 0.185g/100 cm³

1.1.8. Cloruro de amonio

PROPIEDADES FISICAS Y QUIMICASApariencia: Cristales incoloros o blancos, de aspecto granular, inodoros e higroscópicos (absorben humedad del aire).Gravedad Específica (Agua=1): 1.5274/25°CPunto de Ebullición (ºC): 520Punto de Fusión (ºC): Sublima a 340Densidad Relativa del Vapor (Aire=1): 1.9Presión de Vapor (mm Hg): 1 / 160.4°CViscosidad (cp): N.R.pH: 5.5 (solución acuosa 1% a 25ºC)Solubilidad: Soluble en agua, amoníaco líquido, metanol, etanol y glicerol. Insoluble en éter y acetato de etilo.ESTABILIDAD Y REACTIVIDAD

Estabilidad: Estable bajo condiciones normalesIncompatibilidades o materiales a evitar:Agua: No Aire: No Otras: Acidos y bases fuertes, agentes oxidantes fuertes como cloratos (clorato de potasio), tricloruro, trifluoruro y pentafluoruro de bromo, sales de plata, nitritos y nitratos(nitrato de amonio).

1.1.9. Cloruro de calcio

Propiedades físicas

Densidad 2150 kg/m3; 2,15 g/cm3

Masa molar 110,99 g/mol

Punto de fusión 1045,15 K (772 °C)

Punto de ebullición 2208,15 K (1935 °C)

Estructura cristalina octoédrico, rutilo deformada

Propiedades químicas

Solubilidad en agua 74,5 g/100 ml (20 °C)

1.2.Proceso Químico

1.2.1. Reacción 1

NaCl(s)+NH 3 (g )+CO2(s)+H 2O(l)−−¿NaHC O3(s)+N H 4Cl(s)…(1)

Haciendo pasar amoníaco y dióxido de carbono (en estado gaseoso los dos) por una solución saturada de cloruro de sodio se forma carbonato ácido de sodio y cloruro de amonio (ambos Se usa torres empacadas o de relleno por que permiten que el líquido(salmuera) se distribuye sobre éstos y escurre de la parte superior hacia abajo, a través del lecho empacado, de tal forma que expone una gran superficie al contacto con el gas que ingresan por la parte inferior (favoreciendo a la reacción). El empaque debe Ser químicamente inerte con respecto a los fluidos que se están procesando (6) (8).

1.2.2. Reacción 2

Filtración

El carbonato ácido de sodio se separa de la solución por filtración usando una membrana polimérica al vacío para disminuir el tiempo de filtración. El vacio se logra con una bomba que succiona la mezcla.

El carbonato de sodio acido luego se transforma se transforma en carbonato de sodio por calcinación:

2NaHC O3(s)−−¿ N a2C O3(s)+H 2O(l)+C O2 (g)…(2)

Se realizara por filtración usando una membrana polimérica al vacío para disminuir el tiempo de filtración. El vacio se logra con una bomba que succiona la mezcla.

Calcinación

Se realizara en un horno rotatorio controlando la temperatura que no pase del punto de fusión, el objetivo principal es eliminar el agua (8).

1.2.3. Reacción 3

El cloruro de amonio obtenido se hace reaccionar con hidróxido de calcio y se recupera amoníaco:

Al agregar calor reacciona el colruro de amonio con el hidróxido de calcio, se separa amoniaco en forma de gas, quedando cloruro de calcio y agua, posteriormente al agregar calor se elimina el agua obteniendo el cloruro de calcio.

N H 4Cl(S)+Ca ¿

1.2.4. Material de los equipos

Por lo resaltado subrayado con color verde en las fichas técnicas, tenemos que él amoniaco, cloruro de amonio, hidróxido de calcio, carbonato de sodio son altamente corrosivos por lo tanto el material para el diseño de estos equipo debe ser un acero inoxidable serie 300 austenítico (9).

Aceros inoxidables: Los Aceros Inoxidables son una gama de aleaciones que contienen un mínimo de 11% de Cromo. El Cromo forma en la superficie del acero una película pasivante, extremadamente delgada, continua y estable. Esta película deja la superficie inerte a las reacciones químicas. Esta es la característica principal de resistencia a la corrosión de los aceros inoxidables.

Acero inoxidable serie 300 austenítico: Son los más utilizados por su amplia variedad de propiedades, se obtienen agregando Níquel a la aleación, por lo que la estructura cristalina del material se transforma en austenita y de aquí adquieren el nombre. El contenido de Cromo varia de 16 a 28%, el de Níquel de 3.5 a 22% y el de Molibdeno 1.5 a 6%.Los tipos más comunes son el AISI 304, 304L, 316, 316L, 310 y 317 .Las propiedades básicas son: Excelente resistencia a la corrosión, excelente factor de higiene - limpieza, fáciles de transformar, excelente soldabilidad, no se endurecen por tratamiento térmico, se pueden utilizar tanto a temperaturas criogénicas como a elevadas temperaturas.Principales aplicaciones: Utensilios y equipo para uso doméstico, hospitalario y en la industria alimentaria, tanques, tuberías, etc. (7).

1.3.Diagrama de flujo

Bibliografía

1. http://es.wikipedia.org/wiki/Amon%C3%ADaco 2. http://es.wikipedia.org/wiki/Di%C3%B3xido_de_carbono 3. http://es.wikipedia.org/wiki/Cloruro_de_sodio 4. http://es.wikipedia.org/wiki/Carbonato_%C3%A1cido_de_sodio 5. http://es.wikipedia.org/wiki/Cloruro_de_amonio 6. http://es.wikipedia.org/wiki/Absorci%C3%B3n_%28qu%C3%ADmica%29 7. H.F. Porter, G.A. Schurr, D.F. Wells, y K.T. Semrau. Solids Drying and Gas-Solid Systems. Perry’s

Chemical Engineering Handbook. McGraw-Hill, Singapore, 6ta.edici´on, 1984.8. http://www.uhu.es/prochem/wiki/index.php/Absorci%C3%B3n 9. http://www.utp.edu.co/~publio17/ac_inox.htm .

2. DISEÑO DE UN EQUIPO DE PERVAPORACIÓN (PVMR)

Pervaporación reactores de membrana esta recientemente llamando la atención. (1)

Pervaporación(PV), se está convirtiendo, en los últimos años, en una tecnología prometedora, potencialmente útil en aplicaciones tales como la deshidratación y la eliminación / recuperación de componentes orgánicos a partir de soluciones acuosas, así como la separación de mezclas orgánicas. PV se aplica a menudo en combinación con otra tecnología como un proceso de hidruro, entre ellos, los sistemas fotovoltaicos, la destilación y PVMR% ya están hallando aplicaciones industriales. (1)

Pervaporación, es un proceso de separación con membranas aplicado a mezclas líquidas de compuestos miscibles, en el que a partir de una corriente de alimentación se obtienen dos corrientes líquidas, cada una de ellas más concentrada en sus componentes que la alimentación inicial. Las membranas utilizadas son no porosas. La separación se consigue mediante la aplicación de vacío en el lado de la membrana donde se recoge el permeado en forma de vapor, mientras por el otro lado circula el líquido de alimentación cuya separación se busca. Posteriormente se procede a condensar este vapor, generando como producto un líquido permeado. (2)

2.1.Cinética De La Reacción

La reacción del modelo es la esterificación de ácido acético con etanol para producir acetato de etilo y agua, que puede expresarse en general.A+B ↔ E+W … (1 )

Donde:A = Acido Acético. B= Etanol.E= Acetato de Etilo.W= Agua.

La cinética se han estudiado tanto en un PFR (Zhu et al. 1996), y en un reactor BATCH (Park, 2001), y se muestra a obedecer la expresión de velocidad en función de las actividades, a i:

r=k ⌈ aA aB−aE aW

K eq

⌉… (2 )

Donde:r = velocidad de reacción. k = constante de velocidad.K eq= constante de equilibrio.

En la expresión sobre las actividades de diversas especies químicas i puede ser reemplazado por el coeficiente de actividad, γ i, y X i fracciones molares:

r=γ 1γ 2 X1 X2−γ3 γ 4 X3 X4

Keq…(3)

2.1.1. Calculo Del γ i

En el modelo UNIQUAC los coeficientes de actividad del componente i de una mezcla de dos componentes se describen por una contribución combinatoria y una contribución residual.

El primero es un término entrópico cuantifica la desviación de la solubilidad ideal como un resultado de diferencias entre la formula de las moléculas. Este último es una corrección de entalpia provocada por el cambio en la interacción entre diferentes fuerzas de sobre las moléculas en la mezcla (3) (4).

Para calcular el γ i, la ecuación UNIQUAC (short for UNIversal QUAsiChemical, es un modelo de coeficiente de actividad utilizados en la descripción del equilibrio de fases) se utiliza (prausnitz et al, 1980). Mas detalles sobre el uso de esta ecuación puede ser encontrada en (5) (1).

2.2.Membrana De Transporte

El transporte PV de un componentei a través de una membrana polimérica densa se describe en la literatura (Heinz y Stephan, 1994a, b) por la siguiente ecuación:Fi=U i Am [γi Xi Pis−φiψ i P ] …(4)

si es ideal :Fi=U i Am [ Xi Pis−ψ i P ]…(4.1)

Donde:Fi = velocidad de flujo molari. U i = permanencia de i en la mezcla.Am= área de la superficie total de la membrana.Pis= presión de saturación.φ i = coeficiente de fugacidad.ψ i = fracción mol en la fase vapor.P = presión total sobre el lado del permeate.

En experimentos, P suele ser pequeño, y la fase gas se toma como ideal. U i, la permeabilidad de membrana para la especiei, es depende de la composición y la temperatura, y puede ser representado como:

U i= λi ( X i ,T ) U i0…(5)

Donde:

λ i ( X i , T ) =es la función que describe la composición y la dependencia de la

temperatura.

U i0 = es la permeabilidad de la especie pura i.

2.3.Flujo De Pistón Pervaporación Reactor De Membrana (PFPMR)

FIG 1. PFPMR.

Las siguientes asunciones fueron hechas en el desarrollo d ecuaiones para el modelo PFPMR (para el sistema experimental ver (5)):1. el reactor se comporta como un PFR ideal. la membrana es completamente inerte (5).pero no

puede ser así para las membranas utilizadas en otros estudios.2. la resistencia de transporte principal se encuentra en la capa de polímero denso. la resistencia

en la estructura del soporte inorgánico en el lado de filtrado, y los efectos de la concentración de la polarización en el lado del tubo se consideran insignificantes.

En base a los supuestos anteriores las ecuaciones que describen el PFPMR son.

2.3.1. Lado Del Tubo

d F ir

dV=υik [γ1 γ 2X 1X2−

γ3 γ 4 X3 X4

Keq ]−αm λ iU i0 [γ i Xi Pis−φi ψ i P ]

En V=0 ,Fip=F AR0 (Θi−

υi

υA

f 0) (para i = A, B, E, W)… (6).

2.3.2. Lado De La Carcasa

d F ip

dV=αm λ iU i

0 [γ i Xi Pis−φi ψ i P ]

En V=0 ,Fip=0(para i = A, B, E, W)… (7).

Fip=Fip0( for i=inerte ),

Donde:α m = área de la membrana por unidad de volumen del reactor.

F ip = velocidad de flujo molar de la especiei en la membrana del lado de la carcaza.F ir = velocidad de flujo molar de i.

En la ecuación anterior, se supone que el PFPMR es convencional (por ejemplo, PFR), la entrada en el PFMR es igual a la salida del PFR. Las velocidades de flujo molar de las

diferentes especies en el PFR son representados porF iR0 , y Θi=F iR

0 /F AR0 , A, es el reactivo

limitante. La conversión en un PFPMR está definido como:

f =FAR0 −F Ar

0

F AR0 …(8)

Donde f 0 es la conversión en la entrada del PFPMR.

Definimos el siguiente grupo de variables dimensionales:

Y ir=F ir

F AR0 (1+ΘB)

, Y ip=F ip

FAR0 (1+ΘB)

, ε=P

Pws, ξ=

VV R

, α i=P is

Pws

,

Dw=α mV R Uw

0 Pws

FAR0 (1+ΘB)

, Da=V R k

FAR0 (1+ΘB)

, Ω=DwDa

Los Números de Damköhler (Da) son números adimensionales utilizados en ingeniería química para relacionar la escala temporal de una reacción química con otros fenómenos que ocurran en el sistema. Se llaman así en honor al químico alemán Gerhard Damköhler (1908-1944) (6).

Las ecuaciones anteriores tiempo de reacción para el transporte son luego hechas dimensionales de la siguiente manera.

2.3.3. Lado Del Tubo dY ir

dξ=υi Da [γ 1 γ2Y 1r Y 2 r−

γ3 γ 4Y 3 r Y 4 r

Keq ] [ 1

∑Y ir]2

−α i λ i Dw [ γi

Y ir

∑Y ir

δi−φi

Y ip

∑Y ip

ε ],

Si. ξ=0 ,Y ir=

(Θi−( υi

v A) f 0)

1+θB

…(9)

2.3.4. Lado De la carcasa

dY ip

dξ=αi λi Dw [γ i

Y ir

∑ Y ir

δ i−φ i

Y ip

∑ Y ip

ε ],

Si. ξ=0 ,Y ip=0 (i=A , B , E ,W ) .

Y ip=Y ip 0(i=inerte)… (10)

Bibliografía

1. Chemical plant design; 7. Reactor design; pagina 19.2. http://es.wikipedia.org/wiki/Pervaporaci%C3%B3n.3. Abrams D.S., Prausnitz J.M., “Statistical Thermodynamics of Liquid Mixtures: A New Expression for

the Excess Gibbs Energy of Partly or Completely Miscible Systems”, AIChE J., 21(1), 116-128, 1975.4. http://en.wikipedia.org/wiki/UNIQUAC.5. Zhu et al. (1996) y Park (2001)6. http://es.wikipedia.org/wiki/N%C3%BAmero_de_Damk%C3%B6hler