termodina ejerccios resueltos, Ejercicios de Termodinámica

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Baffa, Franco

Carreras, Nahuel

Martínez, Juan Francisco

Massolo, María Emilia

INGENIERÍA QUÍMICA

PROYECTO FINAL:

SULFATO DE AMONIO

Índice

Capítulo 1: Introducción………………………………………………………………………………………………………… 3 a. Presentación del Producto b. Propiedades Fisicoquímicas c. Aplicaciones d. Métodos de producción e. Materias Primas f. Gross-Profit Capítulo 2: Estudio del Mercado…………………………………………………………………………………………… 13 a. Mercado Global b. Mercado Nacional c. Importaciones y Exportaciones d. Análisis de Capacidad Capítulo 3: Localización de Planta………………………………………………………………………………………… 24 a. Análisis de Factores b. Evaluación de Alternativas c. Selección de Localización Óptima Capítulo 4: Selección de Tecnología……………………………………………………………………………………… 28 a. Análisis Métodos Alternativos b. Selección Tecnología Óptima Capítulo 5: Ingeniería de Proceso…………………………………………………………………………………………. a. Diagrama de Bloques……………………………………………………………………………………….... b. Diagrama de Flujo…………………………………………………………………………………………….… 38 c. Descripción del Proceso……………………………………………………………………………………… 39 d. Balance de Masa y Energía…………………………………………………………………………………. e. Diagrama de Cañerías e Instrumentación (P&ID) …………………………………………….… 53 f. Instrumentación y Control…………………………………………………………………………………. g. Diseño de equipos en detalle……………………………………………………………………………… 73 i. Reactor Tanque Agitado………………………………………………………………………… 73 ii. Torre de Absorción Reactiva………………………………………………………………….. iii. Intercambiador de Calor……………………………………………………………………… 102 iv. Tanques Materia Prima……………………………………………………………………….. h. Dimensionamiento equipos…………………………………………………………………………….. i. LayOut……………………………………………………………………………………………………………… 140 j. Sistemas de Cañerías………………………………………………………………………………………… 159 k. Diagrama Isométrico………………………………………………………………………………………… 161 l. Servicios Auxiliares…………………………………………………………………………………………… 174 Capítulo 6: Puesta en Marcha…………………………………………………………………………………………….. a. Check-Lists b. Pruebas en Equipos c. Secuencia de Arranque

INTRODUCCION

Nombre Del Producto: SULFATO DE AMONIO

Fórmula Química: (NH 4 ) 2 SO 4

PROPIEDADES FÍSICO-QUÍMICAS

 Aspecto: Gránulos o cristales blancos.  Olor : Ligero olor a amoniaco.  Peso Molecular: 132.14 g/mol Nitrógeno Total (N): 21.0% de Nitrógeno Amoniacal (w/w) Azufre Total (S): 24.0% de Azufre en forma de Sulfato (w/w)  Tamaño de partícula: 0.50 a 0.85 mm  Solubilidad: Apreciable en el agua. 41,22 g/100 g de agua @25ºC (77ºF)  Densidad: 1,8 @15ºC (59ºF)  pH : 5,5 (0,1 M de solución acuosa).  % De Volátiles por Volumen @21ºC (70ºF) : 0%  Punto de ebullición : N/A  Punto de fusión: 235 – 280ºC (455 – 536ºF). Se descompone.  Densidad de vapor (Aire = 1) : N/A  Presión de Vapor (mmHg): N/A  Tasa de evaporación (BuAc = 1) : N/A  Índice de Salinidad: 69

Calidades

Generalmente, se vende en forma de:  Gránulos , desde 10mm a 1mm.  Polvo o fino , con una granulometría variable.  Acuoso , sulfato de amonio en disolución con agua.

Los granulares, facilitan la aplicación y disolución del mismo sobre la tierra siempre y cuando se disponga de un sistema de riego o lluvias aseguradas.

En algunos casos, el sulfato de amonio líquido, contiene surfactante, un componente clave que facilita la aplicación foliar a diferencia del granulado que necesita de agua para disolverse. El sulfato de amonio en forma de talco o polvo, no es recomendado debido a que se dificulta la aplicación e incluso se corre el riesgo de que el mismo se pierda por la acción del viento.

APLICACIONES

El Sulfato de Amonio es la fuente más accesible de nitrógeno de baja concentración, tiene

un uso muy generalizado en la agricultura y además es un componente relevante en la producción

de fórmulas balanceadas de fertilización. Se aplica ampliamente al suelo en forma directa como

monoproducto, es una excelente fuente de fertilización en cultivos que extraen grandes

cantidades de azufre del suelo como lo son los cultivos forrajeros (pastos y alfalfa), hortalizas

(crucíferas, cebolla y ajo), cereales (trigo y cebada) y gramíneas (maíz, sorgo y caña de azúcar),

entre otros. Debido a su baja concentración de nitrógeno es una fuente de fertilización costosa por

unidad de nitrógeno aportado y también por unidad de nitrógeno transportado.

Contiene principalmente Amonio (NH 4 +) y Sulfato (SO 4 -2); es un producto de pH ácido y que

se recomienda aplicar en suelos calizos y alcalinos por su fuerte efecto acidificante. Su utilidad

como fertilizante se debe a que la necesidad de azufre está muy relacionada con la cantidad de

nitrógeno disponible para la planta, por lo que el Sulfato de Amonio hace un aporte balanceado de

ambos nutrientes. El azufre inorgánico del suelo es absorbido por las plantas principalmente como

anión sulfato y debido a su carga negativa, no es atraído por las arcillas del suelo y los coloides

inorgánicos; el azufre se mantiene en la solución del suelo, moviéndose con el flujo de agua y por

esto es fácilmente lixiviable. En algunos suelos esta lixiviación acumula azufre en el subsuelo,

siendo aprovechable por cultivos de raíces profundas. El riesgo de lixiviación del mismo es mayor

en los suelos arenosos que en suelos de textura franca o arcillosa. Los suelos con bajos contenidos

de materia orgánica (<2%) comúnmente presentan deficiencias de azufre, cada unidad porcentual

de materia orgánica libera aproximadamente 6 Kg del mismo por ha por año.

En las plantas el nitrógeno y el azufre tienen una relación muy estrecha en el papel

nutricional de las mismas, esto se debe a que ambos nutrientes son constituyentes de las

 Nitrato de amonio: Es iónico, es decir, que es soluble en agua y llega rápidamente a las raíces de las plantas para ser absorbido. Es bastante barato. Su fórmula química es NH 4 NO 3 , y es de 35 por ciento de nitrógeno en peso. Una ventaja de usar una forma iónica de nitrógeno es la disminución de la volatilidad. Debido a su fuerte poder oxidante, la fabricación de nitrato de amonio requiere de un procesamiento de prueba de explosión, lo que incluye tomas eléctricas especiales. Además, el compuesto acelera la combustión, por lo que almacenado en grandes cantidades podría representar un peligro de incendio.  Amoníaco: El amoníaco anhidro, se aplica directamente sobre el suelo como fertilizante. Es un compuesto químico gaseoso que contiene 82% de Nitrógeno altamente disponible para las plantas. Para su manejo y transporte, el Amoníaco Anhidro, debido a su naturaleza gaseosa, debe ser comprimido hasta estado líquido, siendo posteriormente envasado en tanques de acero. Esto dificulta la aplicación sobre el terreno.

Estacionalidad del Producto

A. Como fertilizante

Los fertilizantes que contienen nitrógeno como el sulfato de amonio o la urea son más

adecuados para ser utilizados después de la germinación y durante el desarrollo del cultivo.

CULTIVO FECHA OPTIMA DE SIEMBRA Girasol Agosto-Septiembre Maíz Agosto-Febrero Soja Noviembre-Enero Trigo Mayo-Agosto

Luego de la aplicación al suelo, el sulfato de amonio se disuelve rápidamente en sus componentes amonio y sulfato. Si permanece en la superficie del suelo, el amonio puede ser susceptible a pérdidas gaseosas en condiciones alcalinas. En estas situaciones, es recomendable la incorporación del material en el suelo tan pronto como sea posible o la aplicación previa a un riego o una precipitación prevista.

En esta aplicación, se observa un marcado descenso de demanda durante el primer trimestre

del año, seguido por un aumento brusco en los meses de Abril y Mayo.

Por lo tanto, durante Enero, Febrero y Marzo, la mayor parte de la producción será

almacenada en stock, para luego poder cubrir las futuras ventas.

B. Como potenciador de glifosato

Este producto, en aplicaciones junto al herbicida, logra una mayor velocidad de secado de las

malezas (a los siete días ya se nota visualmente) y un mejor control en aquellas que son más

tolerantes.

Presenta una buena performance en condiciones de estrés de la planta y tiene un

funcionamiento altamente satisfactorio en cualquier época del año. Puede aplicarse en mezclas

con herbicidas, fungicidas, insecticidas y fertilizantes foliares en diferentes cultivos, pero no se

recomienda mezclarlo con 24D Amina y 24DB Amina.

La disociación en agua del sulfato de amonio produce iones amonio (NH4+) y sulfato (SO4-).

El sulfato captura e inmoviliza los cationes Ca++ y Mg++ que inhiben la acción del Glifosato y, a su

vez, el ion amonio induce a la formación de compuestos Glifosato – NH4, los cuales facilitan la

penetración en las plantas que se quieren eliminar.

ORIGEN DEL PROYECTO

La iniciativa de este proyecto surgió de la búsqueda de un producto que pudiera ser

utilizado en la actividad agrícola del país, debido a que es uno de los rubros con mayor

importancia en la economía Argentina. En nuestro caso, nos enfocamos en el cuidado de los

suelos, ya que estos sufren un gran deterioro debido a su uso anual para la obtención de distintas

cosechas. Es de aquí de donde nace la idea de producir Sulfato de Amonio, siendo este un

fertilizante cuyo uso está en crecimiento. Esto se debe a su capacidad de aporte tanto de

nitrógeno como azufre que aumentan la calidad y desarrollo de las cosechas; y también a la

escasez de productos competitivos.

Además su fabricación es un proceso sencillo , materias primas accesibles en nuestro país.

A su vez, el mercado indica que es un excelente sustituto de importaciones , ya que se

consume una mayor cantidad respecto a lo que se produce localmente. Y también es exportable,

principalmente a Brasil.

En cuanto a la historia de los fertilizantes, hacia el final de los años ‘80, el Proyecto Agricultura Conservacionista, el Programa Suelos y, otras iniciativas del INTA, llamaron la atención por la explotación indiscriminada de los nutrientes del suelo. Estas iniciativas dieron lugar al proyecto “FERTILIZAR” financiado por las empresas relacionadas al mercado de fertilizantes. La gran cantidad de información técnica generada por INTA y otras instituciones precisaba llegar a la mayoría de los productores para potenciar su adopción. Durante su accionar, FERTILIZAR ha utilizado varios medios de comunicación para hacer que esta información llegue a todos los productores. Los esfuerzos de este proyecto fueron favorecidos por las condiciones económicas favorables, especialmente durante el período de altos precios de los cereales a mediados de los años 1990. Desde entonces el uso de fertilizantes en la industria agrícola ha ido en aumento y se considera que seguirá haciéndolo durante algunos años más.

sulfato en la segunda disociación. Cabe destacar que este ácido en presencia contacto con el agua sufre violentas reacciones, con desprendimiento de calor.

Sin duda la rama de la industria que usa mayor cantidad de ácido sulfúrico, es la industria de los fertilizantes. Otros usos importantes son la participación del ácido en la refinación en la industria petrolera, en la fabricación de pigmentos, en la obtención de diferentes metales, en la industria de explosivos, detersivos, plásticos, etc. Otro uso importante, es como medio de reacción en la producción de otros compuestos químicos de tipo orgánico y en la industria petroquímica. Procesos menos comunes, también necesitan de la participación del ácido sulfúrico, como es el caso de la producción de algunos textiles, madera o papel.

Es un líquido altamente corrosivo, particularmente en concentraciones abajo de 77.67%; corroe los metales, con excepción del oro, iridio y rodio, dando lugar al desprendimiento de hidrógeno. Además de atacar a muchos metales, el ácido concentrado es fuerte agente oxidante y puede dar lugar a la ignición al entrar en contacto con materia orgánica y compuestos tales como nitratos, carburos, cloratos, etc. Presenta una gran afinidad por el agua, debido a lo cual, produce deshidratación de los compuestos orgánicos a veces tan fuerte que llega a carbonizarlos.

El ácido sulfúrico, cuando llega a estar en contacto con la piel o con los ojos, provoca fuertes quemaduras; cuando es ingerido causa daños; e incluso la muerte; la inhalación de sus vapores provoca graves daños a los pulmones. El contacto repetido con soluciones diluidas puede causar dermatitis.

El ácido sulfúrico presenta problemas de manipulación y almacenamiento únicos. En los intervalos de concentración más altos (96 % a 97 %), ácido sulfúrico se puede almacenar en hierro fundido o de acero al carbono. El ácido sulfúrico diluido, por otra parte, es muy agresiva hacia los tanques de hierro fundido o acero, pero puede ser almacenado y manejado muy bien en el equipo compuesto de Fibras de Refuerzo con Polímeros.

2. Amoniaco

 Aspecto: Gas incoloro  Olor : Penetrante y desagradable  Solubilidad: 33.1 g/100 g de agua @25ºC (77ºF)  Densidad: 0.6818mg/ml @-33.4ºC (-28.12ºF)  pH : 11.1 (0,1 M de solución acuosa)

 Punto de ebullición : -33.4 ºC (-28.12ºF)  Punto de fusión: -77.7 ºC (-107.6ºF)  Densidad de vapor (Aire = 1) : 0.  Presión de Vapor: 760 mmHg @20ºC

El amoníaco se produce naturalmente por descomposición de la materia orgánica y también se fabrica industrialmente. Se disuelve fácilmente en el agua y se evapora con rapidez. Se estima que la cantidad de amoníaco producido industrialmente cada año es casi igual a la producida por la naturaleza (generado naturalmente en el suelo por baterías, por plantas y animales en descomposición y por desechos animales).

El NH 3 se obtiene exclusivamente por el método denominado proceso Haber-Bosch, consistente en la reacción directa entre el nitrógeno y el hidrógeno gaseosos:

N2(g) + 3H2(g) → 2NH3(g)

Es una reacción muy lenta, puesto que tiene una elevada energía de activación, consecuencia de la estabilidad del N 2. Por lo tanto se utiliza un catalizador (óxido de hierro que se reduce a Fe^0 en la atmósfera de H 2 ) y se aumenta la presión, ya que esto favorece la formación del producto. Aunque termodinámicamente la reacción es mejor a bajas temperaturas esta síntesis se realiza a altas temperaturas para favorecer la energía cinética de las moléculas y aumentar así la velocidad de reacción. Además se va retirando el amoníaco a medida que se va produciendo para favorecer todavía más la síntesis de productos.

La mayor parte (más del 80%) del amoníaco producido en plantas químicas es usado para fabricar abonos y para su aplicación directa como abono. El resto es usado en textiles, plásticos, explosivos, en la producción de pulpa y papel, alimentos y bebidas, productos de limpieza domésticos, refrigerantes y otros productos. También se usa en sales aromáticas.

ESTUDIO DE MERCADO

INTRODUCCIÓN

El Sulfato de Amonio es un producto muy útil como fertilizante gracias a su capacidad de

aporte tanto de Azufre como de Nitrógeno, logrando un aporte balanceado de ambos nutrientes.

El nitrógeno (N) y el Azufre (S) tienen una relación muy estrecha en el papel nutricional de

la planta, ya que ambos nutrientes son constituyentes de las proteínas y están asociados con la

formación de la clorofila.

Una buena forma de poder comparar esto, es viéndolo en un gráfico de precio por

tonelada, comparando las distintas fuentes de aporte de nitrógeno con el tiempo.

MERCADO MUNDIAL

El constante aumento en el uso de fertilizantes a nivel mundial, está además vinculado con

el incremento de la población y por lo tanto la necesidad de su alimentación. Cuando el

crecimiento de la población es cercano al 2%, una cantidad doble de cultivos agrícolas es necesaria

cada 35 años, para mantener los niveles normales de nutrición y de los stocks mundiales de

granos.

La producción mundial, actualmente, de fertilizantes ronda los 250 millones de toneladas

donde el 60% corresponde a nitrogenados, el 23% a fertilizantes fosfatados y el 17% a fertilizantes

potásicos. Su evolución a largo plazo se puede visualizar en el siguiente gráfico:

En cuanto al Sulfato de Amonio, el consumo global aparente creció a una tasa de 2,8%

anual durante 2000 - 15, y está previsto un crecimiento del 2,4% anual durante 2015 - 20. Durante el

primer periodo, el mayor crecimiento se dio en China, Sudeste Asiático y Sudamérica. En 2013,

estas tres regiones concentraban el 46% del consumo global.

En general, la mayor producción de sulfato de amono está concentrada en regiones

altamente industrializadas, destacando Europa occidental y Estados Unidos, seguidos de cerca por

China.

Caso Brasil

En el país vecino de Brasil, tanto el consumo como la importación de este fertilizante son

muy significativos:

Se puede ver que la producción nacional de Fertilizantes se mantiene relativamente

constante y con respecto a la producción nacional, se producen unas diez veces más

aproximadamente.

MERCADO NACIONAL

La Argentina tuvo una evolución prácticamente similar a las tendencias mundiales.

Durante los últimos 20 años, el consumo de fertilizantes en la Argentina se incrementó más de 10

veces, de 300 mil toneladas en 1990 hasta 3.7 millones en el año 2011, que fue el máximo registro

de consumo.

A pesar de las diferencias interanuales en el consumo de fertilizantes, el análisis de los

consumos trimestrales verifica que la estacionalidad de las ventas de fertilizantes es constante,

siendo el tercer y cuarto trimestre los que llevan el mayor consumo de nitrogenados y fosfatados.

En el caso de los fertilizantes potásicos la demanda se concentra marcadamente en el tercer

trimestre.

La asociación civil Fertilizar realiza anualmente un estudio sobre el consumo de

fertilizantes en la Argentina para determinar el uso por cultivo agrupando los fertilizantes por su

nutriente principal.

Durante los últimos años se ha observado un crecimiento sostenido del uso de fertilizantes

en cultivos, lo cual favorece el desarrollo de la industria nacional.