UNIDAD III

PRODUCCIÓN DE AMONIACO
El amoníaco es un gas de olor picante, incoloro, de fórmula NH3, muy soluble
en agua. Su punto de fusión es -77,7 °C, su punto de ebullición -33,35 °C.
El amoníaco era conocido por los antiguos, quienes lo obtenían a partir de
la sal amónica, producida por destilación del estiércol de camello; este
proceso se desarrolló cerca del templo de Júpiter Amón en Libia. En Europa,
durante la edad media, el amoníaco se obtenía calentando los cuernos y
pezuñas de bueyes, y se llamaba espíritu de cuerno de ciervo. El alquimista
alemán Basil Valentine obtuvo el amoníaco libre, y el químico francés Claude
Berthollet determinó su composición en torno al año 1777.
En el siglo XIX, la principal fuente de amoníaco fue la destilación de la hulla;
que era un derivado importante en la fabricación de los combustibles
gaseosos. Actualmente, la mayoría del amoníaco se produce sintéticamente
por reacción de nitrógeno con hidrógeno en presencia de catalizadores
basado en óxidos de hierro, denominándolo proceso de Haber-Bosch.
El amoníaco se usa ampliamente en la industria química, principalmente en
la fabricación de fertilizantes, ácido nítrico y explosivos. Se comercializa
líquido en recipientes a presión y en soluciones acuosas. tensión de vapor
del NH3 en soluciones acuosas en función de la temperatura.
La síntesis del amoniaco a partir de nitrógeno e hidrógeno se desarrolla de
acuerdo a la reacción:
N2 + 3H2

2NH3
+ 21,85 Kcal
Se trata de una reacción exotérmica, el valor de la constante de equilibrio
disminuye a medida que aumenta la temperatura. A partir de 4 moles de
reactivos se obtienen 2 moles de producto, hay una disminución importante
de volumen, un aumento de presión favorece en forma notable el rendimiento
en la producción de amoniaco.
Las reacciones exotérmicas deberían producirse en forma espontánea. En el
caso de la síntesis del amoniaco se requiere un importante aporte de energía
para que las moléculas de nitrógeno alcancen su estado activado. La energía
de disociación del N2 es de 225 Kcal/mol. Para que se inicie la síntesis en un
medio homogéneo se requiere de una energía de activación de entre 50 y 100
Kcal por mol. Para suministrar esta energía calentando se requiere de
temperaturas entre 600 y 1000oC, a estas temperaturas el rendimiento del
proceso es mínimo debido al desplazamiento inverso del equilibrio.
A presiones de 2000 atm. la síntesis procede a temperaturas en que el
equilibrio es favorable, posiblemente porque las paredes del recipiente actúan
como catalizador.
En presencia de catalizadores apropiados, la energía de activación disminuye
a valores del orden de 25 Kcal/mol y la reacción procede a velocidades
razonables a temperaturas sobre 300oC.
EJERCICIOS DE PRÁCTICA
1. Una unidad de síntesis de amoniaco sintético con un solo convertidor se
alimenta con gas fresco de análisis 75,8% H2 ; 23,7 % N2 y 0,5% de Inertes.
El gas abandona el convertidor conteniendo 18,6% NH3 y 70% N2 . Este gas
se alimenta a un enfriador o condensador bajo condiciones de temperatura
y presión tales que la mayoría del amoniaco se condensa. Luego de
separado, los gases se comprimen y reciclan a la entrada del convertidor
excepto por una purga en la línea de reciclo. El amoniaco no condensado
que abandona el convertidor es el 8% del que abandona el convertidor.
Determine:
a. Composición % de la corriente de purga.
b. Cantidad de Amoniaco Condensado.
c. Cantidad de Gas Reciclado.
SOLUCIÓN
Base de Cálculo: 100 moles de Gas Fresco (Corriente A)

Corriente A :
% H2 = 75,8 %
% N2 = 23,7 %
% Inertes = 0,5 %

Corriente B :
% NH3 = 18,6 %
% H2 = 70 %
N2 = x
Fracción Molar
Inertes = y

Fracción Molar
Corriente R = Corriente P = Corriente C :
NH3 = a
Fracción Molar
H2 = c
Fracción Molar
N2 = x
Fracción Molar
Inertes = y

Fracción Molar
Corriente L
NH3 liquido = 92 % del NH3 que sale en la Corriente B
Del NH3 que sale del convertidor el 92% se condensa y el resto
(8%) se recicla
NH3)R = 8% NH3)B
Entonces:
NH3)L : (0,92).(0,186)B = L ………….Ecuación I
NH3)R = (0,08).(0,186)B = a.R …….Ecuación II
Balance global de masa en el Enfriador
B = L + R ……Ecuación III
De III se tiene : L = B – R
Sustituyendo III en I :
(0,92).(0,186).B = B – R
R = (0,8289).B ……. Ecuación IV
Sustituyendo IV en II :
(0,08).(0,186).B = a.(0,8289).B
a=
(0,01488).B = a.(0,8289).B
𝟎,𝟎𝟏𝟒𝟖𝟖
𝟎,𝟖𝟐𝟖𝟗
= 𝟎, 𝟎𝟏𝟖
% a = % NH3 en la corriente R , P y C :
% a = 0,018x 100% = 1,8 %
Balance de H2 en el Enfriador
(0,70).B = c.R
(0,70).B = c.(0,8289).B
c=
𝟎,𝟕𝟎
𝟎,𝟖𝟐𝟖𝟗
= 𝟎, 𝟖𝟒𝟒
%c = 84,4%
Balance global en átomos de N
𝟐 𝒂𝒕.𝒅𝒆 𝑵
𝟏 𝒂𝒕. 𝑵
𝟏 𝒂𝒕.𝑵
𝟐 𝒂𝒕. 𝑵
. 𝟐𝟑, 𝟕 𝒎𝒐𝒍.𝑵𝟐 =
. 𝑳 𝒎𝒐𝒍 𝑵𝑯𝟑 +
. (𝟎, 𝟎𝟏𝟎𝟖)𝑷 +
. 𝒙. 𝑷
𝟏 𝒎𝒐𝒍.𝑵𝟐
𝟏 𝒎𝒐𝒍 𝑵𝑯𝟑
𝟏 𝒎𝒐𝒍 𝑵𝑯𝟑
𝟏 𝒎𝒐𝒍 𝑵𝟐
𝟒𝟕, 𝟒 = 𝑳 + (𝟎, 𝟎𝟏𝟎𝟖) 𝑷 + 𝟐. 𝒙. 𝑷
𝟒𝟕, 𝟒 = 𝑳 + ( 𝟎, 𝟎𝟏𝟎𝟖 + 𝟐𝒙 ). 𝑷 ………Ecuación V
Balance global en átomos de H
𝟐 𝒂𝒕.𝒅𝒆 𝑯
𝟏 𝒎𝒐𝒍.𝑯𝟐
. 𝟕𝟓, 𝟖 𝒎𝒐𝒍.𝑯𝟐 =
𝟑 𝒂𝒕.𝑯
𝟏 𝒎𝒐𝒍 𝑵𝑯𝟑
. 𝑳 𝒎𝒐𝒍 𝑵𝑯𝟑 +
𝟑 𝒂𝒕.𝑯
𝟏 𝒎𝒐𝒍 𝑵𝑯𝟑
. (𝟎, 𝟎𝟏𝟎𝟖)𝑷 +
𝟏𝟓𝟏, 𝟔 = 𝟑𝑳 + (𝟏, 𝟕𝟒𝟐). 𝑷 ……….. Ecuación VI
Balance global en Inertes
𝟎, 𝟓 = 𝒚. 𝑷
𝟎, 𝟓 = ( 𝟏 − 𝒂 − 𝒄 − 𝒙 ) . 𝑷
𝟎, 𝟓 = ( 𝟎, 𝟏𝟑𝟖 − 𝒙 ). 𝑷 ………. Ecuación VII
Entonces se tiene:
Ecuación V : 𝟒𝟕, 𝟒 = 𝑳 + ( 𝟎, 𝟎𝟏𝟎𝟖 + 𝟐𝒙 ). 𝑷
Ecuación VI : 𝟏𝟓𝟏, 𝟔 = 𝟑𝑳 + (𝟏, 𝟕𝟒𝟐). 𝑷
Ecuación VII : 𝟎, 𝟓 = ( 𝟎, 𝟏𝟑𝟖 − 𝒙 ). 𝑷
Resolviendo se tiene:
a. Corriente P = 8,06 moles
% NH3 = 1,8
% H2 = 84,4
% N2 = 7,6
% Inertes = 6,2
b. Corriente L = 45,85 moles
c. Corriente R = 222,09 moles
𝟐 𝒂𝒕.𝑯
𝟏 𝒎𝒐𝒍 𝑯𝟐
(𝟎, 𝟖𝟒𝟒)𝑷
2. Una unidad de síntesis de amoniaco se alimenta con una mezcla gaseosa
de composición: 23,5% de N2 ; 70,5% de H2 y 6% de inertes. Los gases
productos de la conversión pasan por un sistema de refrigeración donde se
condensa amoniaco, que se retira como líquido. Una parte de los gases que
abandonan el condensador se recicla a la alimentación y el resto se purga.
La concentración de inertes a la entrada del convertidor es de 23%
y la
concentración de NH3 a la sálida del convertidor es de 10%. La purga
contiene 25% de inertes.
Determine:
a. Composición de la corriente de purga.
b. Composición de la corriente a la entrada del convertidor.
c. Composición de la corriente a la salida del convertidor.
SOLUCIÓN
Base de Cálculo: 100 moles de Gas Fresco (Corriente A)
d. Corriente A :
% H2 = 23,5 %
% N2 = 70,5 %
% Inertes = 6 %
e. Corriente B :
% NH3 = 10
% H2 = e
% N2 = d
% Inertes = f
f. Corriente R = Corriente P = Corriente C :
%NH3 = i
%H2 = h
%N2 = g
%Inertes = 25
Balance global en Inertes
(𝟎, 𝟎𝟔). 𝑨 = (𝟎, 𝟐𝟓) . 𝑷
(𝟎, 𝟎𝟔). 𝟏𝟎𝟎 = (𝟎, 𝟐𝟓). 𝑷
𝑷 = 𝟐𝟒 𝒎𝒐𝒍𝒆𝒔
Balance de Inertes en el pto. de mezcla a la entrada del convertidor
(𝟎, 𝟎𝟔). 𝑨 + (𝟎, 𝟐𝟓). 𝑪 = (𝟎, 𝟐𝟑) . 𝑴
(𝟎, 𝟎𝟔). (𝟏𝟎𝟎) + (𝟎, 𝟐𝟓) . 𝑪 = (𝟎, 𝟐𝟑). 𝑴
𝟔 + (𝟎, 𝟐𝟓). 𝑪 = (𝟎, 𝟐𝟑). 𝑴
(𝟎, 𝟐𝟑). 𝑴 − (𝟎, 𝟐𝟓). 𝑪 = 𝟔 ….. Ecuación I
En el pto. de mezcla a la entrada del convertidor
𝑨 +𝑪 = 𝑴
𝟏𝟎𝟎 + 𝑪 = 𝑴
𝑴 − 𝑪 = 𝟏𝟎𝟎 …… Ecuación II
Resolviendo I y II, se tiene
𝑴 = 𝟗𝟓𝟎 𝒎𝒐𝒍𝒆𝒔
𝑪 = 𝟖𝟓𝟎 𝒎𝒐𝒍𝒆𝒔
Además, se tiene
𝑹=𝑪 +𝑷
𝑹 = 𝟖𝟕𝟒 𝒎𝒐𝒍.
Balance global en átomos de N
𝟐 𝒂𝒕.𝒅𝒆 𝑵
𝟏 𝒎𝒐𝒍.𝑵𝟐
𝟐 𝒂𝒕.𝒅𝒆 𝑵
𝟏 𝒎𝒐𝒍.𝑵𝟐
. 𝟐𝟑, 𝟓 𝒎𝒐𝒍. 𝑵𝟐 =
. 𝟐𝟑, 𝟓 𝒎𝒐𝒍. 𝑵𝟐 =
𝟏 𝒂𝒕.𝑵
𝟏 𝒎𝒐𝒍 𝑵𝑯𝟑
𝟏 𝒂𝒕.𝑵
𝟏 𝒎𝒐𝒍 𝑵𝑯𝟑
. 𝑳 𝒎𝒐𝒍 𝑵𝑯𝟑 +
. 𝑳 𝒎𝒐𝒍 𝑵𝑯𝟑 +
𝟏 𝒂𝒕.𝑵
𝟏 𝒎𝒐𝒍 𝑵𝑯𝟑
𝟏 𝒂𝒕.𝑵
𝟏 𝒎𝒐𝒍 𝑵𝑯𝟑
.(
.(
𝒊
𝟏𝟎𝟎
𝒊
𝟏𝟎𝟎
)𝑷 +
𝟐 𝒂𝒕.𝑵
𝟏 𝒎𝒐𝒍 𝑵𝟐
.(
𝟐 𝒂𝒕.𝑵
) . 𝟐𝟒 +
𝟏 𝒎𝒐𝒍 𝑵𝟐
𝒈
𝟏𝟎𝟎
.(
).𝑷
𝒈
𝟏𝟎𝟎
) . 𝟐𝟒
𝟒𝟕 = 𝑳 + (𝟎, 𝟐𝟒). 𝒊 + (𝟎, 𝟒𝟖). 𝒈 …… Ecuación III
Balance global en átomos de H
𝟐 𝒂𝒕.𝒅𝒆 𝑯
𝟏 𝒎𝒐𝒍.𝑯𝟐
𝟐 𝒂𝒕.𝒅𝒆 𝑯
𝟏 𝒎𝒐𝒍.𝑯𝟐
. 𝟕𝟎, 𝟓 𝒎𝒐𝒍. 𝑯𝟐 =
. 𝟕𝟎, 𝟓 𝒎𝒐𝒍. 𝑯𝟐 =
𝟑 𝒂𝒕.𝑯
𝟏 𝒎𝒐𝒍 𝑵𝑯𝟑
𝟑 𝒂𝒕.𝑯
𝟏 𝒎𝒐𝒍 𝑵𝑯𝟑
. 𝑳 𝒎𝒐𝒍 𝑵𝑯𝟑 +
. 𝑳 𝒎𝒐𝒍 𝑵𝑯𝟑 +
𝟑 𝒂𝒕.𝑯
𝟏 𝒎𝒐𝒍 𝑵𝑯𝟑
𝟑 𝒂𝒕.𝑯
𝟏 𝒎𝒐𝒍 𝑵𝑯𝟑
.(
.(
𝒊
𝟏𝟎𝟎
𝒊
𝟏𝟎𝟎
).𝑷 +
𝟐 𝒂𝒕.𝑯
𝟏 𝒎𝒐𝒍 𝑯𝟐
) . 𝟐𝟒 +
.(
𝟐 𝒂𝒕.𝑯
𝟏 𝒎𝒐𝒍 𝑯𝟐
.(
𝟏𝟒𝟏 = 𝟑𝑳 + (𝟎, 𝟕𝟐). 𝒊 + (𝟎, 𝟒𝟖). 𝒉 ……….. Ecuación VI
Como debe cumplirse : g + h + i + 25 = 1
Sustituyendo en III :
𝟒𝟕 = 𝑳 + (𝟎, 𝟐𝟒). 𝒊 + (𝟎, 𝟒𝟖). (𝟕𝟓 – 𝒉 – 𝒊 )
𝟒𝟕 = 𝑳 − (𝟎, 𝟐𝟒). 𝒊 − (𝟎, 𝟒𝟖). 𝒈 …… Ecuación V
Entonces resolviendo III , IV y V
𝒊 = 𝟔, 𝟏𝟔
% 𝒊 = 𝟔, 𝟏𝟔 %
𝑳 = 𝟑𝟕, 𝟐𝟔 𝒎𝒐𝒍𝒆𝒔
𝒈 = 𝟏𝟕, 𝟐𝟕
% 𝒊 = 𝟏𝟕, 𝟐𝟕 %
𝒉 = 𝟓𝟏, 𝟔𝟑
% 𝒉 = 𝟓𝟏, 𝟔𝟑 %
Entonces:
a. Composición de la corriente de Purga (P)
𝒉
𝟏𝟎𝟎
g = 75 – h – i
).𝑷
𝒉
𝟏𝟎𝟎
) . 𝟐𝟒
%NH3 = 6,16
%H2 = 51,63
%N2 = 17,21
%Inertes = 25
b. Corriente M ( Entrada del convertidor )
NH3 = 52,36 mol
% NH3 = 5,51
H2 = 70,5 mol + 438,9 mol = 509,39 mol
% H2 = 53,62
N2 = 23,5 mol + 146,29 mol = 169,79 mol
% N2 = 17,87
Inertes = 6 mol + 212,5 mol = 218,50 mol
% Inertes= 23
c. Corriente B
B=L+R
%NH3 = 10
%H2 = 49,52
%N2 = 16,51
%Inertes = 23,98
B = 911,26 mol