2..2 PURIFICACIN DEL GAS DE SNTESIS..Los gases procedentes del reformado secundario, contienen cantidadesimportantes de monxido de carbono que hay que convertir en hidrgeno pormedio de vapor agua, debido a que el CO representa una prdida potencial demateria prima en la obtencin de hidrgeno para la sntesis del amoniaco, siendopor otro lado un veneno para el catalizador.Dentro de la fabricacin del amoniaco, la purificacin del gas de sntesisrepresenta el 1% del consumo energtico total.2.2.1 Etapa de ConversinTras enfriar la mezcla se conduce a un convertidor donde se produce la reaccin.G 6,817 kcalH 9,838 kcalCO(g) H O(g) CO ( ) H ( ) 2 2 2 g gReaccin exotrmica en donde no influye la presin. Esta reaccin requiere de uncatalizador que no se desactive con el CO. Este tipo de catlisis, ofrece lassiguientes ventajas:Ser exotrmica y estar favorecida por las bajas temperaturas.Disminucin de la cantidad de vapor necesario, con el consiguiente ahorroenergtico.Aumento de la conversin, es decir, aumento del hidrgeno producido porunidad de hidrocarburo, pues al reducir el contenido de CO, se ahorra partedel hidrgeno que se consume en el metanizador. Teniendo en cuenta estosfactores, por cada mol de monxido de carbono que se convierte se ahorrancuatro moles de hidrgeno.Reduccin del costo de los equipos, debido a que por su elevadorendimiento, el tamao de estos, es menor.Menor presin de operacin en la sntesis, pues al disminuir, la cantidad deinertes, se puede operar entre 140 y 200 kg/cm2, con la consiguientereduccin de la potencia de compresin.En la prctica industrial, la conversin del monxido de carbono se efecta en dosetapas.a. Aproximadamente a 400C con Fe3O4.Cr2O3 como catalizador. En estaprimera etapa, se desprende una considerable cantidad de calor que eleva latemperatura de los gases impidiendo una conversin elevada (75% de laconversin). Por ello, los gases convertidos se llevan a una caldera derecuperacin de calor donde se enfran y pasan a una segunda etapa.b. Aproximadamente a 225C con un catalizador ms activo y ms resistente alenvenenamiento: Cu-ZnO, prcticamente la conversin completa.4..8 REACTOR DE SNTESIS DE ALTO NDICE DE CONVERSINEste es un reactor de ahorro energtico en el interior del cual se instala unintercambiador de calor para el proceso de sntesis de una planta de amonaco,permitiendo la recuperacin efectiva del calor presente en el gas emitido por elreactor, al mismo tiempo que controla adecuadamente la temperatura de lareaccin, al intercambiar el calor entre el gas en la reaccin (reaccin exotermal) yparte del gas de enfriamiento inerte.En el mtodo convencional, se usa un proceso de apagado para eliminar el calorde la reaccin en el reactor sintetizador de amonaco. En este proceso, el gas enel reactor de alta temperatura se enfra directamente con el gas de enfriamientoinerte. Las desventajas del reactor de sntesis con apagado es que ese procesodiluye la concentracin del amonaco, que se haba incrementado con la sntesis yreduce la temperatura de salida del reactor. Se desarroll un reactor con enfriadoindirecto para superar estas inconvenientes. En el reactor de refrigerado indirecto,la temperatura del gas de salida se incrementa del aproximado convencional de300C a 450-500C, haciendo posible recuperar energa en la forma de vapor agran presin o vapor de calentado.Detalles de la mejora: En el reactor de refrigerado indirecto, la temperatura del gasde salida se aumenta de 300 a 450-500C, y el calor de la reaccin puede serusado efectivamente en vapor a gran presin o vapor de calentado. La Figura 9muestra un ejemplo de un reactor de refrigerado indirecto con un alto ndice deconversin.Reaccin qumica nica2 N2(g) + 3 H2(g) 2 NH3(g) H 298 K = -10,96 kcal/mol de NH3 formadoPara describir el comportamiento de las camasI (superior) y II (inferior) se utiliza un sistema deecuaciones diferenciales ordinarias, obtenido apartir de balances de materiales y energa /6/,adaptados al caso de circulacin radial, no reportadoen la literatura consultada.Los perfiles x, T se calculan para un flujo dealimentacin determinado, F.dx/dr = (2 rc r H/F10) (1)dT/dr = -(4/3 Hr rc r H)/(F Cp(T,P) (2)Intercambiador de calorLos perfiles de temperatura en los tubos y lacoraza se calculan a partir del siguiente sistemade ecuaciones diferenciales ordinarias:(tubos) (6)(coraza) (7)U se calcula como:(8)r K E Ka aaaaKa a ca aFH GIK JFH GIK JLN MMMOQ PPP32 2221332322131dTdzUAW Cpi T Ti i( i sh )dTdzUAW Cpsh T Tsh sh( i sh )Uh hh h h h Rdio iio o io o( )ReactordeSntesisCatalizador de Fe (o Ru sobre grafito)350-550C100-250 barParcial I20-30% reaccin por pasoN2+3H2 2NH3 H298o=-46kJ/molNH3Lecho II

Lecho I

Parcial II

Salida

Reactor Batch

smbolo reactor Batch

Vista de un recipiente de agitacin esmaltadoTrabajan en estado no estacionario y el ms sencillo sera un tanque agitado. Este reactor tiene la ventaja de que su costo de instrumentacin es bajo, adems de ser flexible en su uso (se le puede detener de modo fcil y rpido). Tiene la desventaja de un elevado costo en su funcionamiento y de mano de obra debido a la gran cantidad de tiempo que se pasa parado debido a la carga, descarga y limpieza; Adems no siempre es posible implementar un sistema de control adecuado. Este reactor suele usarse en pequeas producciones o pruebas piloto. Asumiendo que en un reactor batch la composicin es uniforme en cualquier instante y basndose en la seleccin de un componente limitante; Las ecuaciones de diseo para este tipo de reactor en estado estacionario se deducen de la siguiente forma (se toma como ejemplo la especie molar A):

1

Siendo V el volumen del fluido en el reactor y la velocidad de reaccin para el componente limitante. Evaluando los trminos de la ecuacin anterior se puede calcular el tiempo de residencia necesario para alcanzar la conversin deseada.

donde X representa la conversin lograda y est relacionada con la concentracin, estn relacionadas por:

X toma un valor entre 0 y 1

Para aquellas reacciones en las que el volumen de la mezcla cambia proporcionalmente a la conversin la ecuacin se transforma en

Siendo una constante representativa del cambio del volumen en relacin con la conversin, en trminos matemticos:

para cambios en otros componentes se tiene:

Aparte del tiempo de reaccin, en un proceso industrial debe aadirse el tiempo de carga, descarga y limpieza para un este tipo de reactores y en general procesos en lotes.El balance de energa para este tipo de reactor ofrece 3 posibilidades que dependen del modo de operacin y de las exigencias de produccin requeridas. modo politrpico: modo isotrmico: modo adiabtico: Al mencionar servicio se hace referencia a los servicios trmicos, como ejemplo se puede mencionar el sistema de calentamiento por vapor, o el uso de un intercambiador de chaqueta en un recipiente.Reactor continuo tipo tanque agitado (CSTR)

Smbolo usado para representar un reactor CSTR

Estos reactores trabajan en estado estacionario, es decir, que sus propiedades no varan con el tiempo. Este modelo ideal supone que la reaccin alcanza la mxima conversin en el instante en que la alimentacin entra al tanque. Es decir, que en cualquier punto de este equipo las concentraciones son iguales a las de la corriente de salida. Adems para este tipo de reactor se considera que la velocidad de reaccin para cualquier punto dentro del tanque es la misma y suele evaluarse a la concentracin de salida. Para este reactor suele asumirse que existe un mezclado perfecto, en la prctica esto no es as, pero puede crearse un mezclado de alta eficiencia que se aproxima a las condiciones ideales.El balance de materia para este reactor en trminos molares es el siguiente.

representa el flujo molar de la especie indicada en el subindice, esta relacionado con el flujo volumtrico

suponiendo que el sistema opera en estado estacionario, el cambio de concentracin molar tiende a cero.En trminos de conversin molar y tomando como ejemplo la especie reaccionante A de coeficiente estequiomtrico igual a 1. El balance se reduce a

una posterior simplificacin matemtica muestra:

El diseo de operaciones tanto en sistemas CSTR como en reactores PFR usualmente es deseado determinar el tiempo de residencia (representado por la letra y dimensionalmente se mide en segundos ) y el factor de escala (representado por la letra S), este ltimo expresado como el volumen por unidad de masa del producto, los problemas de optimizacin se enfocan en reducir tanto como S, esto se logra manipulando la relacin de concentracin entre los reactantes.para CSTR

Este tipo de reactor resulta muy atractivo para estudios cinticos debido a su simplicidad del clculo caracterstica.La configuracin ptima para este tipo de reactor depende de parmetros. La inversin en capital en equipo es importante, pero los costos de energa y el costo del producto es factor determinante, el uso de reactores en batera es muy comn en la industria debido a que suele ser rentable.Balance de energa:

Reactores en flujo pistn (PFR)

Schematic diagram of a Plug Flow Reactor (PFR)Estos reactores trabajan en estado estacionario. Es decir, las propiedades en un punto determinado del reactor son constantes con el tiempo. Este modelo supone un flujo ideal de pistn, y la conversin es funcin de la posicin. En este tipo de reactor la composicin del fluido varia de un punto a otro a travs de la direccin del flujo, esto implica que el balance para un componente dado de la o las reacciones qumicas implicadas o debe realizarse en un elemento diferencial de volumen.Balance de materia:

pero

y

A fin de encontrar la ecuacin de diseo, es necesario integrar la expresin, considerando que la velocidad de alimentacin es constante, sustituyendo las ecuaciones anteriores en el balance general, agrupando trminos y despus integrando, se obtiene:

Se puede observar que, a diferencia de la ecuacin de diseo para el reactor MFR, la velocidad de reaccin es variable, por lo general para mecanismos de reaccin complejos suelen usarse mtodos de integracin grfica, como series de Simpson, mtodo de sumas de trapecios, cuadratura gausiana, etc., el uso de software computacional suele ser til para estos procedimientos.Respecto al balance de energa, tambin se basa en un modelo diferencial.Balance de energa (reactor cilndrico):

Reactores heterogneosExiste un tipo especial de reactores que debido a su naturaleza obedece leyes cinticas diferentes, adems de que por su complejidad los balances de materia y energa son ms complejos, la diferencia radica en el nmero de fases fsicas involucradas, los mecanismos de transferencia tanto de calor como de energa son ms complejos debido a que estn presentes ms de un mecanismo, pudiendo ser de naturaleza conectiva o conductiva.Reactor catalticoSuelen ser de dos tipos: fluidizado o de lecho empacado, la eleccin depende de la reaccin de inters y del mecanismo cintico observado

Diagrama bsico de un reactor lecho fluidizadoLos reactores de lecho fluidizado poseen las siguientes propiedades: El flujo es complejo, no es bien conocido, solo se puede estimar de forma aproximada los mecanismos de transferencia de masa, desde el punto de vista de transferencia el contacto no es muy eficiente debido a la diferencia de varias barreras fsicas, esto obliga a usar una mayor cantidad de catalizador. El control de temperatura se realiza de forma ms fcil, comparado con el reactor de lecho empacado. La reactivacin del catalizador en caso de ser necesaria es ms fcil y eficiente debido a la fluidizacin presente debido a que es posible bombear y transportar el catalizador. Este tipo de flujo es adecuado para partculas de tamao pequeo, ideal para reacciones rpidas en donde se necesita una rea de contacto grande.

El reactor de lecho empacado posee las siguientes caractersticas: La regeneracin del catalizador requiere del uso de gases; Es comn usar un sistema de re-circulacin a fin de aumentar la eficiencia de reactivacin Este sistema presenta dificultades en el control de temperatura debido a la formacin de zonas calientes y fras en el interior del lecho. No se puede usar un tamao de catalizador pequeo debido a la formacin de tapones y cadas de presin.Balance de materia: Al igual que el PFR, el balance es diferencial, adems se toma en cuenta la difusin radial, el balance se realiza tomando en cuenta una geometra radial.

2Condiciones lmite:

,Balance de energa:

Condiciones lmite:

,Reactores no idealesEn muchas situaciones estos modelos ideales son vlidos para casos reales, en caso contrario se habrn de introducir en los balances de materia, energa y presin trminos que reflejen la desviacin de la idealidad. Si por ejemplo la variacin de las propiedades se debe a fenmenos de transporte de materia o calor se pueden introducir las leyes de Fick o Fourier respectivamente.Clasificacin de reactoresFasesExisten vrios criterios a la hora de clasificar a los reactores qumicos. En funcin del nmero de fases presentes en el reactor, pueden distinguirse: Reactores homogneos: Son aquellos en los que tanto reaccionantes como productos se encuentran en la misma fase (gas, o lquido en general). Reactores heterogneos: Son aquellos en los que hay ms de una fase.Forma en la que operanTambin pueden clasificarse segn la forma en la que operan: Reactores continuos: Son aquellos que trabajan en estado estacionario; es decir, aquellos en que en cada instante se introduce alimentacin fresca. Reactores discontinuos: Trabajan por lotes; es decir, se carga una cantidad de alimentacin y se deja reaccionar durante un tiempo. Una vez transcurrido el tiempo de reaccin se carga de nuevo otra cantidad de alimentacin, y as sucesivamente. Reactores semicontinuos: Una fase del reactor se comporta de forma continua mientras que otra lo hace de forma discontinua.OtrosDependiendo del tipo de flujo pueden calsificarse en: Reactores ideales: Son aquellos en los que el tipo de flujo es ideal (terico). Se distinguen dos tipos, el reactor de mezcla perfecta y el reactor de flujo en pistn. Reactores reales: Son aquellos que no son ideales.Reactores idealesReactor discontinuo perfectamente agitadoEs el reactor en que su contenido esta perfectamente agitado y su composicin es igual en todo el reactor. La composicin vara con el tiempo hasta alcanzar una conversin final o de equilibrio del reactivo para las condiciones establecidas (temperatura, concentraciones iniciales de reactivos, presencia de inertes). una vez detenida la reaccin (velocidad de reaccin tendiente a cero), se debe vaciar total o parcialmente el reactor e incorporar nueva corriente de entrada si se quiere seguir produciendo productos de reaccin.Reactor de mezcla perfectaLa composicin de la corriente de salida es igual a la composicin dentro de cualquier punto del reactor, esta composicin no vara en el tiempo, por lo que se considera en ESTADO ESTACIONARIO. Este tipo de reactores son ideales para estudios cinticos o de diseo experimental de reactores puesto que son de sencilla construccin en el laboratorio y adems en su clculo de diseo ofrecen la posibilidad de relacionar el grado de conversin requerido (X), la velocidad de reaccin(r), el volumen (V) y las concentraciones iniciales de reactivos (Co), todo en una expresin resultante de un balance de masa, sin necesidad de integrar, puesto que el reactor se halla en estado estacionario respecto a la posicin dentro del reactor y con respecto al tiempo.Ecuacin de diseo: Siendo la ecuacin de velocidad: =5.125.11233222HNHNHHNNppkpppkr kmol N23/ mh Para este proceso se ha utilizado un diseo que consiste en un sistema de 4 reactores adiabticos en serie con enfriamiento entre etapas. En isotrmico la trayectoria del reactor atraviesa las curvas de bajas velocidades de reaccin (curvas de nivel), lo cual hara el reactor extremadamente grande. Operar en isotrmico a altas temperaturas tampoco es una opcin viable, pues enseguida se choca con la curva de equilibrio. Por esta razn se utilizan operaciones adiabticas. Cada lecho cataltico se dimensiona para llegar hasta unos 10 grados de la temperatura de equilibrio (un 80% de la conversin de equilibrio). No se debe llegar al equilibrio porque en el equilibrio la velocidad de reaccin es cero y se requerira un reactor de volumen infinito. Entonces el efluente del reactor se enfra para desplazar el equilibrio antes de introducirlo al segundo lecho. Esto se hace en un cambiador de calor externo.