Fgura : Curvas de equlbro Datos: Calor específco de los gases de salda del horno: 8, Vapor de agua a kg cm a: ffl Temperatura de saturacón:, ff C. ffl

Transcripción

1 Problema Combustón de azufre y fabrcacón de óleum Se quema en un horno azufre puro con un % de exceso de are sobre la cantdad estequométrca para oxdarlo a SO, de forma que se transforma el 9% en dóxdo de azufre (SO ) y un % en tróxdo (SO ).. Calcular la composcón volumétrca del gas obtendo en el horno.. Se utlza la entalpía sensble del gas para producr vapor de agua recalentado a la temperatura de K y presón de kg/cm (a). El gas, que ncalmente se obtene a una temperatura de K, pasa a K. A la caldera se almenta agua desmneralzada a ff C y kg/cm (a). Calcular la cantdad de vapor producdo por tonelada de azufre quemado.. Para ajustar la composcón del gas de combustón a la conversón de SO a SO se mezcla con are hasta obtener un contendo del % en SO. necesaros. Cuál es la cantdad mínma de are para la conversón total del SO? Calcular el número de moles de are. Se envía la mezcla del apartado anteror a un reactor de oxdacón, donde tene lugar la conversón. Obtener la expresón de K y en funcón del grado de avance de la reaccón de oxdacón y de la composcón del gas de almentacón.. Sabendo que se puede expresar K p por la relacón: log K p = 8; T +; log T ; 9 () Demostrar que a K y a una presón de atm la expresón obtenda en el apartado anteror corresponde a una tasa de conversón en el equlbro próxma al 9%. Suponer el gas deal. T se expresa en K.. S en la planta ndustral se obtene en realdad una conversón del 9%, calcular la composcón del gas que sale del reactor de oxdacón. Este gas se enfría y se pasa por una columna de absorcón a contracorrente con óleum al % que se desea enrquecer al %. Qué caudal de óleum es necesaro poner en contacto con Nm /h de gas? Se supone que el equlbro se realza a ff C y presón atmosférca. Utlzando las curvas de equlbro adjuntas explcar como se puede contnuar empobrecendo en tróxdo de azufre el gas salente de la columna de lavado.

2 Fgura : Curvas de equlbro Datos: Calor específco de los gases de salda del horno: 8, Vapor de agua a kg cm a: ffl Temperatura de saturacón:, ff C. ffl Entalpía del líqudo saturado: 9 kg. ffl Entalpía del vapor saturado: 9, kg. ffl Entalpía del vapor sobrecalentado a ff C: kg. kmol K

3 Solucón Gas del horno Consderaremos los cnco componentes: S, N,O,SO yso, y las dos reaccones: S+O! SO S+ O! SO Los caudales molares de la corrente de salda del horno se determnan medante el balance de matera: + ; ; ; 9 ; +» ; 9 ; = ; 89 ; 8 ; 9 ; La suma de caudales molares de los componentes a la salda del horno es,, por lo que la composcón volumétrca será: Vapor producdo ; ; 89 ; 8 ; 9 = ; ; 99 ; ; ; 9 El calor sensble que cede la corrente de gases por tonelada de azufre quemada vale: ; kmol kmol S ; kmol S tm S ( )K 8; = 8 kmol K tm S El calor necesaro para producr una tonelada de vapor en las condcones especfcadas es: (; )K + ( 9) kg = 9 kg K kg tm tm Por tanto,el vapor producdo por tonelada de azufre quemado es: 8 tm S 9 tm =; tm tm S Ajuste de la composcón de SO La cantdad de are por kmol de azufre quemado necesara para tener un % de SO se deduce del balance a este componente: De donde se obtene: ; ; + F are =(; + F are ) ; F are =; 98 kmol kmol S

4 La composcón de la corrente de mezcla es: ; 9 ; 88 ; ; Por cada kmol de azufre quemado se producen,9 kmol de SO que se oxda a SO según la reaccón: SO + O! SO () Por tanto serían necesaros a la entrada del reactor ; 9 =; 8 kmol de O. Como los gases de combustón llevan,8, el are estequométrco para la conversón debe aportar el resto: F are est: = (; 8 ; 8) ; =; 9 kmol kmol S Constante de equlbro K y La constante de equlbro de la reaccón en funcón de las fraccones molares y para la reaccón () es: K y SO y = () y SO yo Sendo n los kmol del componente en el equlbro y n al reactor, el grado de avance de la reaccón es: los correspondentes en la almentacón ο = n SO n SO = n O n O = n SO n SO de donde: n SO = n SO ο () n O = n O ο () n SO = n SO + ο () Como: y = n P j n j tenemos: n SO y SO = ο n SO + n O + n SO + n N ο n O y O = ο n SO + n O + n SO + n N ο n SO y SO = + ο n SO + n O + n SO + n N ο

5 susttuyendo en (): K y = n SO + ο (n (n SO ο) (n O ο) SO + n O + n SO + n N ο) () Conversón en el equlbro La constante de equlbro K p en funcón de las presones parcales p se expresa como: K p = p ν (8) sendo ν el coefcente estequométrco del componente. Como p y P, donde P es la presón de la mezcla: Susttuyendo en (): K y = y ν = ( p P )ν = P P ν K y = ( 8; +; log () ;9) =8; 9 p ν = P P ν K p (9) Introducendo este valor en () y resolvendo para ο se obtene un valor de ο =; 98. La conversón del SO es: X SO = ; 98 = 9; % ; 9 Absorcón del SO A una conversón del 9% le corresponde un grado de avance: Susttuyendo en (): ο =; 9 ; 9 = ; 89 n SO = n SO ο =; 9 ; 89 = ; () n O = n O ; 89 ο =; 8 =; 9 () n SO = n SO + ο =: + ; 89 = ; 9 () Tenendo en cuenta el N presente en la corrente la composcón a la salda del reactor es: ; 8 ; ; ; 8 Con los datos sumnstrados dsponemos de un grado de lbertad para calcular la columna de absorcón. S planteamos el balance, sendo ahora el prmer componente H SO en lugar de azufre:

6 F o ; 8 ; + ; ; 8 ; ; = F o ; 8 ; ; + F gs Donde F o;f o y F gs son respectvamente los caudales molares del óleum del %, del óleum del % y del gas a la salda de la absorcón. Las y son ahora las fraccones molares en el gas a la salda. y y y y