5. ácidos sulfúrico y fosfórico. fertilizantes

Tecnología Química Industrial
PROBLEMAS PROPUESTOS
5. ÁCIDOS SULFÚRICO Y FOSFÓRICO. FERTILIZANTES
5.1. Una planta de dilución de ácido sulfúrico (según el diagrama simplificado de los
apuntes) debe ser capaz de producir 25 Tm/h de ácido sulfúrico de concentración 72,0 % a
partir de ácido sulfúrico del 98,6 % y agua, ambos a 25 ºC. Se dispone de agua de
refrigeración que se suministra a 25 ºC y se retorna a 35 ºC.
La instalación consta de los siguientes equipos principales: una cabeza mezcladora y dos
refrigerantes dispuestos en serie construidos en grafito aglomerado (con un coeficiente de
transmisión de calor en los refrigerantes de 750 kcal/h m2 ºC); dos recipientes de nivel
constante; una bomba de alimentación del ácido sulfúrico concentrado, otra para el ácido
diluido reciclado y una tercera para el envío del ácido diluido, y tres rotámetros (para
ácido fuerte, agua de proceso y ácido diluido). La temperatura del ácido a la entrada al
primer refrigerante debe ser 90 ºC y a la llegada al depósito de ácido diluido 35 ºC.
Calcular: a) Los caudales de las tres corrientes a mezclar y de agua de refrigeración. b) La
superficie de intercambio de calor que deben tener los dos refrigerantes de grafito.
a) Calcular los caudales de las tres corrientes a mezclar y de agua de refrigeración.
El esquema del proceso (figura 5.4) es el siguiente:
En primer lugar se realiza un balance de materia. Se producen 25 tm de ácido 72 % a partir de
ácido al 98,6 %:
•
•
Balance global:
Balance a componente (sulfúrico):
S (ácido 98,6) + A (agua) = 25.000 (mezcla)
S·0,986 = 25.000·0,72
A partir del balance, se obtiene:
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Sulfúrico 98,6 %:
Agua:
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S = 18.256 [kg/h] ≡ 10 [m3/h]
A = 6.744 [kg/h] ≡ 6,74 [m3/h]
Para calcular el caudal de agua de refrigeración, debe realizarse un balance entálpico. Los
valores de entalpía de las diferentes corrientes se obtienen a partir del diagrama entalpíaconcentración del ácido sulfúrico y del oleum (Figura 5.5):
S: ácido sulfúrico 98,6 %, 25 ºC:
A: agua, 25 ºC
M: ácido sulfúrico 72 %, 35 ºC:
R: ácido sulfúrico reciclado 72 %, 35 ºC:
h = -198 [kcal/kg]
h = 25 [kcal/kg]
h = -205 [kcal/kg]
h = -205 [kcal/kg]
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El balance queda:
Entran
Salen
Calor a eliminar
S 98,6 %, 25 ºC
A, 25 ºC
R 72 %, 35 ºC
M 72 %, 35 ºC
[kcal/h]
-3.614.604
168.611
-205·R
-5.125.000 – 205·R
1.679.006
18.256·(-198)
6.744·25
R·(-205)
(25.000 + R)·(-205)
El calor se elimina con el agua de refrigeración, que pasa de 25 ºC a 35 ºC:
1.679.006 = mcw·(35 – 25)
Agua de refrigeración:
mcw = 168 [Tm/h] ≡ 168 [m3/h]
Falta calcular el caudal de ácido diluido que debe reciclarse. Dicha recirculación queda
motivada por el hecho de que sin ella, tal y como se comprueba en el diagrama de entalpíaconcentración (mediante la regla de la palanca), la mezcla de agua y ácido del 98,6 % alcanzaría
una temperatura de 170 ºC. El caudal de ácido diluido que debe reciclarse puede calcularse de
dos formas diferentes, bien de forma gráfica, bien de forma numérica.
En la resolución gráfica, se aplica la regla de la palanca para conocer cuánto ácido diluido a 35
ºC debe añadirse a la mezcla de agua y ácido a 170 ºC para que el punto resultante esté a 90 ºC
como se especifica en el enunciado. Los tres puntos están situados en la vertical correspondiente
a la concentración del 72 %.
En la resolución numérica, se calcula en primer lugar cuál es la entalpía de la mezcla agua-ácido
en ausencia de corriente de reciclo:
Entran
S 98,6 %, 25 ºC
A, 25 ºC
Salen
18.256·(-198)
6.744·25
25.000·h
[kcal/h]
-3.614.604
168.611
-3.445.994
De forma que h = -137,8 [kcal/kg], que en el diagrama de entalpía-concentración corresponde a
170 ºC. Como el ácido diluido en realidad debe estar a 90 ºC a la entrada del primer
refrigerante, lo que según el diagrama corresponde a -179 [kcal/kg], el calor que hay que ceder
será:
25.000 · (179 – 137,8) = 1.029.006 [kcal]
Este calor se utiliza para calentar el ácido reciclado de 35 ºC a 90 ºC:
R · (205 – 179) = 1.029.006 [kcal]
R = 39.577 [kg/h]
Teniendo en cuenta que la densidad de ácido sulfúrico al 72 % a 35 ºC es 1,625, corresponde a
un caudal de 24,38 [m3/h].
b) Calcular la superficie de intercambio de calor que deben tener los dos refrigerantes de
grafito.
El calor transferido en los refrigerantes corresponde al calculado en el apartado anterior:
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Q = 1.679.006 [kcal/h] = UA∆T
Donde U = 750 [kcal/hm2ºC]. El incremento de temperatura se calcula como:
∆T =
( 90 − 35)( 35 − 25) = 26, 4 [ºC]
ln
90 − 35
35 − 25
De donde se obtiene el área:
A = 84,8 [m2]
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