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UAM-I
UNIVERSIDAD AUTOacuteNOMA METROPOLITANA
UNIDAD IZTAPALAPA
INGENIERIacuteA QUIacuteMICA
PROYECTO TERMINAL
CATALIZADORES DE ORO SOPORTADO Y SU APLICACIOacuteN EN CATAacuteLISIS AMBIENTAL
CARREOacuteN CORDERO ERNESTINA PEacuteREZ ROMAacuteN ARTURO ZAMUDIO MEDINA JOSEacute ANGEL ASESORES DR SERGIO A GOacuteMEZ TORRES DR GUSTAVO A FUENTES ZURITA
Catalizadores de Oro Soportado 0
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IacuteNDICE
CAPITULO I
11 CONTAMINACIOacuteN ATMOSFEacuteRICA 3
12 OBJETIVO GENERAL 8
13 OBJETIVOS PARTICULARES 8
14 BIBLIOGRAFIacuteA 9
CAPITULO II
21 INTRODUCCIOacuteN 11
22 EXPERIMENTACIOacuteN 12
23 RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN 14
24 CONCLUSIOacuteN DE LA EXPERIMENTACIOacuteN 22
25 BIBLIOGRAFIacuteA 23
CAPITULO III
31 INTRODUCCIOacuteN 25
32 DISENtildeO DEL EQUIPO PURIFICADOR PARA CALENTADORES DE AGUA
DOMEacuteSTICOS 25
33 PRODUCCIOacuteN DE LA PLANTA INDUSTRIAL 27
34 DISENtildeO Y OPERACIOacuteN DE LA PLANTA 27
35 BALANCE DE MATERIA 31
36 DIAGRAMA DE LA INDUSTRIA 33
37 DIMENSIONES DE EQUIPO Y TUBERIacuteA 34
38 PLANO DE DISTRIBUCIOacuteN DE AacuteREAS 35
39 ANAacuteLISIS FINANCIERO 38
310 CONCLUSIONES 43
311 BIBLIOGRAFIacuteA 45
APEacuteNDICES 47
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C A P I T U L O I
I N T R O D U C C I Oacute N
Catalizadores de Oro Soportado 2
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11 CONTAMINACIOacuteN ATMOSFEacuteRICA
La atmoacutesfera es esencial para la vida por lo que sus alteraciones debido a
actividades antropogeacutenicas tiene gran repercusioacuten en el hombre en otros seres
vivos en los ecosistemas y de manera general en todo el planeta
Una atmoacutesfera contaminada puede dantildear la salud de las personas y afectar a la vida
de las plantas y animales Ademaacutes los cambios que se producen en la composicioacuten
quiacutemica de la atmoacutesfera pueden causar cambios en el clima producir lluvia aacutecida
smog fotoquiacutemico o destruir el ozono de la estratosfera Estos fenoacutemenos presentan
entonces una gran importancia global Actualmente queda clara la urgencia de
conocer estos procesos asiacute como de tomar las medidas necesarias para evitar
situaciones criacuteticas para la vida de la humanidad y de la biosfera
En particular el monoacutexido de carbono (CO) es un gas incoloro e inodoro que se
produce por la combustioacuten incompleta de combustibles foacutesiles como gas natural
(GN) gasolina queroseno carboacuten petroacuteleo o madera Los automoacuteviles con motores
de ignicioacuten a chispa son unas de las principales fuentes de emisioacuten de CO Las
chimeneas las calderas los calentadores de agua o calefones y los aparatos
domeacutesticos que queman combustible como las estufas tambieacuten pueden emitir CO [1] Asiacute tambieacuten el humo del cigarrillo es una fuente importante de CO en interiores
La exposicioacuten a CO puede contribuir a la disminucioacuten del suministro de oxiacutegeno en el
torrente sanguiacuteneo debido a que la afinidad de la hemoglobina al CO es mayor que
al O2 esto causa la formacioacuten de carboxihemoglobina (COHb) y escasez de oxiacutegeno
en la sangre Los siacutentomas son similares a la sensacioacuten de fatiga que se
experimenta con la altura o cuando se padece de anemia La exposicioacuten prolongada
a altas concentraciones de CO puede incrementar el riesgo a enfermedades del
corazoacuten y los pulmones El riesgo es maacutes alto en nintildeos ancianos mujeres
embarazadas y personas que sufren enfermedades cardiacuteacas croacutenicas[2] La
concentracioacuten de COHb se relaciona directamente con los niveles de CO en el
ambiente el tiempo de exposicioacuten y el grado de actividad fiacutesica realizado Las
normas recomendadas por la Organizacioacuten Mundial para la Salud para el CO son las
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siguientes 86 ppm por periacuteodos que no excedan los 15 minutos y 50 ppm por 30
minutos
Estas se establecieron para evitar que los niveles de COHb en personas que no
fumen no excedan el 3 En EUA la norma es 35 ppm para un periodo de una hora
y de 9 ppm para 8 horas La norma mexicana es la misma para el periodo de una
hora pero 44 maacutes tolerante para el periacuteodo de 8 horas (13 ppm8h) [3]
La Figura 1 Indica el tiempo de exposicioacuten al CO y los porcentajes de concentracioacuten
del mismo en aire De acuerdo a la zona en que cae la interseccioacuten es posible
establecer el grado de afectacioacuten sobre la salud
Figura 1 Concentracioacuten de CO tiempo de exposicioacuten y efectos en la salud [4]
Actualmente el Gas LP es auacuten el combustible domeacutestico usado en nuestro paiacutes [5]
Si la cantidad de oxiacutegeno que se mezcla con el Gas LP es insuficiente la combustioacuten
resulta incompleta y en los productos aparece el CO En cambio cuando la cantidad
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de oxiacutegeno del aire que se mezcla con el gas es la estequiomeacutetrica o mayor y
ademaacutes se combina en forma eficiente se obtienen como productos principales CO2
y H2O
Los aparatos domeacutesticos que producen mayor cantidad de CO son los calentadores
(conocidos tambieacuten como calefones) calefactores y cocinas (Figura 2)
Figura 2 Principales emisores domeacutesticos y su contribucioacuten en la concentracioacuten de
CO en interiores usando como combustible el Gas LP [6]
Se puede observar que los calentadores de agua (calefones) son los equipos
domeacutesticos que causan la mayor contribucioacuten a la emisioacuten de CO en interiores La
Tabla 1 Muestra los porcentajes de combustibles usados en los calentadores de
agua en las viviendas de la Zona Metropolitana del Valle de Meacutexico (ZMVM) en
1990 asiacute como las emisiones de los contaminantes que producidas durante la
operacioacuten de dichos equipos
El Inventario de 1998 de las Emisiones de la ZMVM proporciona meacutetodos para la
determinacioacuten de las concentraciones de los contaminantes del efluente de un
calentador usando como combustible Gas LP[8]Las concentraciones determinadas
se muestran en la Tabla 2
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Tabla 1 Emisiones asociadas a los combustibles utilizados en viviendas de la ZMVM
en 1990 [7]
GLP GN Lentildea Total
Viviendas que utilizaron cada Combustible 620 21 17 658
Combustible Consumido 29020 0984 1983 31987
Emisiones en Tonantildeo
PM10 647 01 ND 647
SO2 01 03 ND 04
CO 3002 186 ND 3188
NOx 20321 435 ND 20756
HC 762 52 ND 814
Tabla 2 Concentraciones en la emisioacuten de un calentador domeacutestico con Gas LP[8]
Tipo de Combustible CO NOx HC SO2 PM10 Unidades
Gas LP 024 174 0064 00027 054 Kgm3
Los oacutexidos de nitroacutegeno (NOx) contribuyen en mayor cantidad al total de las
emisiones gaseosas en los calentadores que utilizan Gas LP seguidos por el CO
Debido a esto se han propuesto diferentes medidas de control que van desde el
disentildeo de calentadores maacutes eficientes (teacutecnicas limpias) hasta el control de las
emisiones mediante filtros y catalizadores ambientales (teacutecnicas de limpieza)
La oxidacioacuten no cataliacutetica de CO es posible soacutelo a alta temperatura (700oC) el paso
limitante es la disociacioacuten teacutermica de O2 Mientras que la oxidacioacuten cataliacutetica requiere
del contacto entre CO y O2 en la superficie cataliacutetica Por esto una vez que ambas
moleacuteculas llegan a los sitios activos el O2 se disocia raacutepidamente Posteriormente
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ocurre la interaccioacuten entre CO y O en sitios adyacentes para formar un complejo
activado (Paso limitante) que posteriormente pasa a CO2
El presente trabajo aborda el tema del control cataliacutetico de emisiones de CO abaja
temperatura En particular se postula el desarrollo de un catalizador de oro soportado
en aluacutemina (Al2O3) para la oxidacioacuten de CO y su posible aplicacioacuten a diferentes
aparatos domeacutesticos como calentadores de agua estufas hornos turbinas
industriales etc
La siacutentesis y aplicacioacuten de catalizadores de oro a diversos problemas ambientales se
ha reportado desde hace 10 antildeos Haruta et al[9] fueron los primeros en encontrar la
actividad de nanopartiacuteculas de Au soportadas en la oxidacioacuten de CO a baja
temperatura Actualmente se sabe que la oxidacioacuten de CO a baja temperatura (T lt
70oC) requiere de un catalizador con pequentildeas partiacuteculas de oro (lt 5 nm)
soportadas preferentemente sobre un oacutexido de metales de la primera serie de
transicioacuten por ejemplo TiO2 y α-Fe2O3 [10] El tamantildeo de las partiacuteculas de oro en
estos catalizadores cae en el intervalo de las nanopartiacuteculas
La actividad cataliacutetica de estos se ha relacionado a los sitios localizados en la
interfase metal-soporte por lo que el soporte juega un papel vital en la actividad
cataliacutetica de estos materiales Con base en los resultados reportados puede
plantearse que la obtencioacuten de nanopartiacuteculas estables cataliacuteticamente activas estaacute
directamente relacionada con las condiciones de siacutentesis la tasa y temperatura de
calcinacioacuten Los catalizadores de oro soportado han presentado resultados
importantes que han sugerido tambieacuten la aplicacioacuten potencial en la oxidacioacuten de
hidrocarburos (selectiva y no selectiva) la hidrogenacioacuten de CO y en la reduccioacuten de
NOx con H2 C3H6 o CO[11] La hidrogenacioacuten de hidrocarburos no saturados tambieacuten
puede ocurrir sobre catalizadores de oro soportado siempre y cuando el oro este
altamente disperso en el soporte
Hasta este punto se ha visto que el CO es un contaminante muy toxico siendo un
compuesto que provoca dantildeos severos en la salud del ser humano y en general al
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medio ambiente Por lo que se requiere reducir las concentraciones principalmente
dentro de los hogares La idea baacutesica de este proyecto fue disentildear un dispositivo
cataliacutetico que permita reducir las emisiones de CO en los calentadores hasta en un
90 de su concentracioacuten inicial En el Capiacutetulo 2 se describen la siacutentesis y
caracterizacioacuten de catalizadores Auγ-Al2O3 preparados por los meacutetodos de
impregnacioacuten y deposicioacuten-precipitacioacuten asiacute como la actividad en la oxidacioacuten de una
mezcla de CO e H2 Por uacuteltimo en el capitulo 3 se presenta el disentildeo de una planta
industrial para la fabricacioacuten de dichos dispositivos cataliacuteticos uacutetiles en la oxidacioacuten
de CO de los efluentes de calentadores de agua domeacutesticos
12 OBJETIVO GENERAL Dimensionar disentildear y estimar el costo de una planta productora de catalizadores de
oro en la oxidacioacuten del CO para aplicacioacuten a equipos de calentamiento de agua
domeacutesticos
13 OBJETIVOS PARTICULARES - Siacutentesis del catalizador por los meacutetodos de Impregnacioacuten y Deposicioacuten-
Precipitacioacuten
- Caracterizacioacuten de catalizadores por Absorcioacuten Atoacutemica Adsorcioacuten Fiacutesica
Difraccioacuten de Rayos X y Microscopia Electroacutenica de Transmisioacuten
- Evaluacioacuten de catalizadores en la oxidacioacuten de CO
- Obtener el mejor meacutetodo de preparacioacuten para tener una buena distribucioacuten de
nanopartiacuteculas de Au soportadas en γ-Al2O3 con alta actividad a baja
temperatura
- Disentildear la planta industrial para la produccioacuten de catalizadores uacutetiles en la
oxidacioacuten de CO
- Evaluar la viabilidad del proceso
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14 BIBLIOGRAFIacuteA
[1] http wwwepagovotaq03-cohtm
[2] httpwwwtusaludcommx
[3] httpwwwepagovttnamticcohtml
[4]httpwwwconstruircomEconsultConstrurNro66prevencioacuten_accidentesmonoxidohtm
[5]httpwwwconstruircomEconsultConstrurNro66prevencioacuten_accidentesmonoxidohtm
[6]httpwwwconstruircomEconsultConstrurNro66prevencioacuten_accidentesmonoxidohtm
[7] Compilation of Aire Pollutan Emissions Factors Vol I Fifth Edition AP-42 De EPA-
4504-91-016
[8] Compilation of Aire Pollutan Emissions Factors Vol I Fifth Edition AP-42 De EPA-
4504-91-016
[9] MHaruta NYamadaT Kobayashi S Ijima J Catal 115 (1989) 301
[10] R Burch S Tsubota M Haruta Appl Catal B 24 (2000) L 133
[11] GBond and DT Thompson Catal Rev Sci amp Eng 41 (1993) 319
[12] JC FrostNature 334 (1991) 47
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C A P I T U L O II
E X P E R I M E N T A C I Oacute N
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2 1 INTRODUCCIOacuteN
Existen reportes [6] sobre la actividad de catalizadores Auγ-A12O3 AuCo3O4 AuNiO
sintetizados por diferentes meacutetodos (co-precipitacioacuten deposicioacuten-precipitacioacuten e
impregnacioacuten etc) en la oxidacioacuten de H2 y CO La actividad se ha relacionado a un
efecto combinado entre Au y los oacutexidos metaacutelicos utilizados como soporte Sin
embargo una alta actividad cataliacutetica en la oxidacioacuten de CO e H2 estaacute directamente
relacionada al tamantildeo de partiacutecula de Au y la dispersioacuten de eacutestas en el soporte[7]
Algunos trabajos[8-9] indican que a menor tamantildeo de partiacutecula mayor actividad y
mayor estabilidad del catalizador
En el presente trabajo se prepararon catalizadores de Au soportado sobre γ-Al2O3
con un tamantildeo promedio de partiacuteculas de Au de 5 nm y alta dispersioacuten Se utilizaron
dos meacutetodos de preparacioacuten diferentes impregnacioacuten y deposicioacuten-precipitacioacuten
variando el contenido de oro de 007 a 1 en peso de Au Los catalizadores se
evaluaron en la oxidacioacuten de una mezcla de CO e H2 y fueron caracterizados por
difraccioacuten de rayos x microscopia electroacutenica absorcioacuten atoacutemica y absorcioacuten fiacutesica
Los resultados indican que efectivamente la actividad depende del tamantildeo de
partiacutecula y el contenido de Au en el catalizador En particular el catalizador con 035
en peso de Au presentoacute 100 de conversioacuten en ambas reacciones sin indicios de
desactivacioacuten durante 24 h continuas de operacioacuten a velocidades espaciales (GHSV)
mayores que 10 000 h-1 Con esto se pretende contribuir al desarrollo de
catalizadores ambientales que permitan disminuir las emisiones nocivas
provenientes de fuentes fijas y moacuteviles de nuestro paiacutes
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22 EXPERIMENTACIOacuteN
Siacutentesis de Catalizadores
Meacutetodo de DP Se dispersoacute 1 g de γ-Al2O3 (Ketjen) en 100 mL de agua tridestilada y
se adicionoacute NH4(OH) (JT Baker) (01M) hasta obtener un pH de 9 Posteriormente
se agregoacute por goteo durante 2 h 20 mL de una solucioacuten de AuCl3 (9998 Aldrich)
(25x 10-3 M) Despueacutes se agitoacute por 30 min y se filtroacute y lavoacute con agua destilada con
10 veces el volumen total inicial Por ultimo el soacutelido resultante se secoacute a 80degC por 2
h y se calcinoacute a 400degC por 4 h
Meacutetodo de IMP Se dispersoacute 1 g de γ-A12O3 en 100 mL de agua tridestilada por 30
min A esta mezcla se le antildeadioacute lentamente 20 mL de una solucioacuten de AuCl3 (25x10-
3M) y se mantuvo en agitacioacuten 720 min Durante este tiempo se ajustoacute el pH a 9 por
medio de la adicioacuten de una solucioacuten acuosa de Na2CO3 (JT Baker) El soacutelido se
filtroacute y lavoacute con 500 mL de agua tridestilada caliente (95degC) para eliminar los iones de
cloro que podriacutean afectar la actividad cataliacutetica Finalmente se secoacute a 120degC 24 h y
se calcinoacute a 400degC por 4 h
Los catalizadores preparados por el meacutetodo de DP e IMP se les llamaraacuten de aquiacute en
adelante x-Auγ-Al2O3-DP y muestra x-Auγ-Al2O3-IMP respectivamente donde x
indica el en peso de Au en el catalizador
Caracterizacioacuten de Catalizadores Absorcioacuten Atoacutemica La cantidad de oro en cada uno de los catalizadores se
determinoacute por absorcioacuten atoacutemica (SpectrAA-20 Varian) Antes de las mediciones el
equipo fue calibrado con una solucioacuten estaacutendar de Au (Sigma) Una muestra de cada
catalizador (01g) se disolvioacute en agua regia a temperatura ambiente la cual se
preparoacute mezclando 200 ml de HCl concentrado y 100 mL de HNO3 concentrado
Adsorcioacuten Fiacutesica La isoterma de adsorcioacuten fiacutesica de N2 a 75 K de cada catalizador
se obtuvo en un equipo automatizado Quantachrome Autosorb Automated A partir
de estos datos se determinoacute el aacuterea BET el radio y el volumen promedio de poro
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Difraccioacuten de Rayos X Se realizoacute en un difractoacutemetro Siemens D500 en un entrono
angular de 4 a 64ordm en 2θ La radiacioacuten Cuκα se seleccionoacute con un difractor de un haz
de luz monocromaacutetico
Microscopia Electroacutenica de Transmisioacuten (TEM) Se utilizoacute un Microscopio Electroacutenico
de Transmisor Mod EM910 Zeiss operando a un voltaje de 120 kV y con una
ampliacioacuten de 400000 aumentos Para la preparacioacuten de las muestras se tomaron
005 g de cada una y se disolvieron en alcohol etiacutelico y se sometieron a ultrasonido
(Branson 2210) por 5 min Posteriormente se colocaron las rejillas en porta objetos y
se agregoacute una gota de la solucioacuten del catalizador dejando secar a temperatura
ambiente hasta su medicioacuten
Evaluacioacuten cataliacutetica Las medidas de actividad cataliacutetica en la oxidacioacuten de CO e H2
CH4 y C2H8 se realizaron en un microreactor de cuarzo de lecho fijo en el cual se
colocaron en todos los casos 030 g de catalizador y se utilizoacute un flujo total de 100
mLmin Para la oxidacioacuten de CO se utilizoacute una mezcla con 1 CO 05 O2 033
H2 en N2 para las pruebas en condiciones estequiomeacutetricas y con 1 CO 21 O2
033 H2 en N2 para los experimentos en exceso de O2 El efluente fue analizado
por cromatografiacutea de gases (GC-12 A Shimadzu C-RGA con una columna SFE-1)
con detector de conductividad teacutermica Para la combustioacuten de CH4 se uso una
mezcla con 1 CH4 2 O2 97 N2 y para la combustioacuten de C3H8 una mezcla con
1 C3H8 2 O2 97 N2 En todos los experimentos la temperatura de operacioacuten
fue de 25 a 400 degC y la velocidad espacial fue 10146 h-1
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23 RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN
Absorcioacuten Atoacutemica y Adsorcioacuten Fiacutesica La Tabla 1 muestra los contenidos de Au
el Aacuterea BET (ABET) el volumen promedio de poro (VP) y el radio promedio de poro
(RP) para los catalizadores preparados
Se puede observar que el aacuterea BET de la γ-Al2O3 se modifica con la adicioacuten de Au El
aacuterea BET entre la γ-Al2O3 pura y la muestra DP concuerdan con lo reportado[10-11] de
que a mayor porcentaje de Au mayor es el aacuterea superficial sin embargo el aacuterea BET
del catalizador 007-Auγ-Al2O3-IMP que tiene un menor porcentaje de Au presenta
la mayor aacuterea BET Sin embargo aunque el radio promedio de poro es casi el mismo
para las tres muestras el catalizador 007-Auγ-Al2O3-IMP presenta el mayor
volumen promedio de poro Esto podriacutea deberse a que el meacutetodo de preparacioacuten
utilizado causoacute la generacioacuten de una mayor porosidad en la γ-Al2O3 en lugar de la
impregnacioacuten de una mayor cantidad de Au Las isotermas de adsorcioacuten de los
catalizadores fueron del tipo IV y semejantes en forma a la de la γ-Al2O3 (Figura 1)
La Figura 2 muestra que la distribucioacuten de tamantildeo de poros se centra dentro del
mismo margen para las tres muestras y se aprecia la presencia de mesoporos entre
los 50 y 125 Aring
Tabla 1 Contenido Au y caracteriacutesticas texturales en los catalizadores
Catalizador Au ( en peso) ABET (m2g) RP (Aring) VP (ccg)
γ-Al2O3 000 183 78 0489
IMP 007 301 79 0743
DP 035 215 78 0518
IMP 100
No se ha determinado
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0
100
200
300
400
500
0 02 04 06 08
PPo
Vads
(cm
3g)
STP
-Al2O3
035-Au -Al2O3-DP
007-Au -Al2O3-IMP
1
Figura 1 Isotermas de adsorcioacuten y desorcioacuten de N2 de los catalizadores Auγ-Al2O3
ifraccioacuten de Rayos X La Figura 3 muestra los patrones de difraccioacuten de Rayos X
0
0004
0008
0012
0016
002
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
Rp [A]
Dv(
r) [c
m3
Ag]
-Al2O3
035-Au -Al2O3-DP
007-Au -Al2O3-IMP
Figura 2 Distribucioacuten de tamantildeo de poros
D
de los catalizadores Se observa que todos son caracteriacutesticos de la γ-Al2O3 Es
imposible identificar la presencia del Au esto debido al pequentildeo porcentaje y la alta
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dispersioacuten del Au contenido en cada uno de los catalizadores Sin embargo para el
caso de que se tuviese mayor cantidad de Au el difractograma podriacutea presentar un
pico alrededor de los 38deg en 2θ el cual indicariacutea la presencia de Au A partir de esta
sentildeal y la ecuacioacuten de Scherrer algunos autores han calculado el tamantildeo promedio
de las partiacuteculas de oro en catalizadores soportados
Microscopia Electroacutenica Transmisioacuten (MET) En la Figura 4 se presentan las
casos los
imaacutegenes de MET para la γ-Al2O3 y los catalizadores 035-Auγ-Al2O3-DP y 007-Auγ-
Al2O3-IMP En ambos catalizadores el tamantildeo de partiacutecula se encuentra es mayor
que 2 nm pero menor o igual que 5 nm En ambos casos los resultados indican que
las partiacuteculas de oro estaacuten dispersadas de manera uniforme en el soporte
Se encuentra es mayor que 2 nm pero menor o igual que 5 nm En ambos
resultados indican que las partiacuteculas de oro estaacuten dispersadas de manera uniforme
en el soporte
Figura 3 Patrones de Difraccioacuten de Rayos X de los catalizadores Auγ-Al2O3
Catalizadores de Oro Soportado 16
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Figura 4 Imaacutegenes de MET para (a) γ-Al2O3 (b) 035-Auγ-Al2O3-DP y (c) 007-Auγ-
Al2O3-IMP
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Se sabe que la alta actividad cataliacutetica del oro esta relacionada con su tamantildeo esto
quiere decir que entre maacutes pequentildeas sean las partiacuteculas mayor actividad tendraacuten
nes estequiomeacutetricas el catalizador 007-Auγ-Al2O3-
P no mostroacute actividad para la oxidacioacuten de CO e H2 sin embargo al operar la
por lo tanto de las imaacutegenes anteriores se tiene que el meacutetodo DP es el maacutes
adecuado por lograr depositar mayor cantidad de Au con gran dispersioacuten y un
tamantildeo de partiacuteculas pequentildeo
Actividad Cataliacutetica A condicio
IM
misma muestra con un exceso de O2 la actividad inicioacute a partir de 140oC alcanzando
una conversioacuten maacutexima de 8748 a 400 degC (Figura 5) En vista de este uacuteltimo
resultado se decidioacute evaluar el catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP a las mismas
condiciones de exceso de O2 En este caso la actividad cataliacutetica inicioacute por debajo de
los 30oC incrementaacutendose casi linealmente con la temperatura hasta lograr una
conversioacuten maacutexima de 9367 a 127degC La diferencia en actividad entre ambos
catalizadores es notable Auacuten a muy bajos contenidos de Au el catalizador 007-Auγ-
Al2O3-IMP presenta una actividad importante sin embargo al aumentar cinco veces
este contenido (035) y manteniendo el tamantildeo de partiacutecula es posible disminuir la
temperatura de encendido calculada como la temperatura a la cual se logra el 50
de conversioacuten (T50) en 175oC Un uacuteltimo estudio fue la evaluacioacuten del catalizador
10-Auγ-Al2O3-IMP el cual presenta una T50 de 290 degC(ver Figura 5) la cual es 40 degC
mayor que el catalizador 007-Auγ-Al2O3-IMP auacuten cuando el contenido de Au es
mayor La Figura 5 muestra tambieacuten la comparacioacuten de estos resultados con
trabajos anteriores[10] en los que utilizan el catalizador 5-Auγ-Al2O3-IMP a
condiciones estequiomeacutetrica en este caso T50 es de 215 degC tan solo 35 degC de
diferencia en comparacioacuten con el catalizador 007-Auγ-Al2O3-IMP La diferencia en el
contenido de Au es 15 veces menor En general al trabajar en condiciones en exceso
de O2 se tiene una mayor conversioacuten a una menor temperatura por lo que se
esperariacutea que los resultados del catalizador 5-Auγ-Al2O3-IMP bajo condiciones de
exceso fueran mejores sin embargo los autores no presentan estos resultados
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El catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP alcanzoacute 100 de conversioacuten a 176 degC a
condiciones de exceso de O2 (Figura 5) esta conversioacuten se mantuvo por 24 h sin
presentar indicios de desactivacioacuten (Figura 6) KRuth [12] reporta desactivacioacuten del
catalizador 10-Auγ-TiO2 a partir de 80 minutos de operacioacuten con una velocidad
espacial de 1x104 h-1 El catalizador fue preparado por deposicioacuten y contiene nano-
particulas (2-5nm) soportadas en TiO2 Sin embargo el catalizador logra 100 de
conversioacuten a 0 degC Esto es debido a que los catalizadores AuTiO2 presentan mayor
actividad a temperaturas bajas La Figura 6 muestra tambieacuten la conversioacuten reportada
por Seung-Jae[11] del catalizador 043-Auγ-Al2O3-IMP en donde la temperatura de
operacioacuten es de 25 degC sin embargo se tiene una desactivacioacuten apreciable a partir de
150 minutos de operacioacuten con una velocidad especiales de 8x10 h-1
Figura 5 Conversioacuten del CO para los catalizadores de 007-Auγ-Al2O3-IMP 10-
os resultados de conversioacuten del hidroacutegeno (Figura 7) muestran conversioacuten del 100
10 a 035 es de 20 degC
Auγ-Al2O3-IMP y de 035-Auγ-Al2O3-DP en condiciones de operacioacuten en exceso de
O2 la tasa de temperatura es de 2degC por minuto Datos Referencia [10]
L
por debajo de 150 degC con el catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP mientras que el
catalizador 007-Auγ-Al2O3-IMP logra conversioacuten completa hasta 270oC y para el
catalizador 10-Auγ-Al2O3-IMP se tiene una conversioacuten del 100 hasta 310 degC lo
cual indica que los tres catalizador son activos para ambas reacciones y que se
mantiene la tendencia observada para la oxidacioacuten de CO La disminucioacuten en T50 al
aumentar el contenido de Au de 007 a 035 es de 140oC mientras que para la de
Catalizadores de Oro Soportado 19
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado 20
Figura 6 Variacioacuten de la conversioacuten con respecto al tiempo para la muestra de DP a
una temperatura de 180 degC Datos Referencia [11]
Figura 7 Oxidacioacuten de H sobre los catalizadores 035-Au2 γ-Al2O3-DP 007-Auγ-
Al2O3-IMP y 10-Auγ-Al2O3-IMP bajo condiciones de exceso de O2
La Figura 8 muestra como varia la temperatura de encendido con la cantidad de Au
en los catalizadores preparados en este trabajo Se observa un miacutenimo para el
catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP lo cual indica que la mayor actividad se logra a bajos
contenidos de Au y tamantildeos de partiacutecula menores que 5 nm
0
20
40
60
80
0 200 400 600 800 1000Tiempo (min)
Con
vers
ioacuten
de C
O (
) 100
035-Au -Al2O3-DP (176 degC)
043-Au -Al2O3-IMP (25 degC)
0
20
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Temperatura (degC)
40
60
Con
vers
ioacuten
de H
2 (
)
80
100
10-Au -Al2O3-IMP035-Au -Al2O3-DP007- Au -Al2O3-IMP50-Au -Al2O3-IMP
UAM-I
F
o
P
o
o
re
d
F
c
C
T50 (degC)
igura 8 Variacioacuten de la te
xidacioacuten de CO con respect
or ultimo se realizaron cu
peracioacuten pero variado la
btenidos se muestran en la
accioacuten presentan una tend
e catalizador
00000
00040
00080
00120
00160
00200
0
(-rc
o)
00000
igura 9 Velocidad de reac
ondiciones en exceso de O2
atalizadores de Oro Soportado
masa Au
mperatura de encendido a 50 de conversioacuten en la
o a la cantidad de Au en el catalizador
atro corridas maacutes bajo las mismas condiciones de
masa de catalizador Las velocidades de reaccioacuten
fig9En esta figura se observa que las velocidades de
encia lineal despueacutes de los 80degC al aumentar la masa
50 100 150 200 250 300T (degC)
3 gr cat
25 gr cat
2 gr cat
15 gr cat
1 gr cat
cioacuten de CO a diferentes masas de catalizador y bajo
21
UAM-I
Se tomo una temperatura de 125 degC debido a las mediciones realizadas en
diferentes calentadores domeacutesticos Se encontroacute que la temperatura media es la
mencionada A partir de los datos experimentales se determinoacute que el orden de
reaccioacuten es 13 y la constante cineacutetica k = 480945 (m3)13[(mol)03m3cat hr] (00012
mhr) y un coeficiente de transferencia de masa de 792 mhr (ver apeacutendices A) con
estos valores y usando los criterios de Weisz-Prater y Mears[14] (ver apeacutendice B) se
obtuvo que no existe resistencia interna ni externa a la transferencia de masa por lo
que la cineacutetica es la que controla
24 CONCLUSIOacuteN DE LA EXPERIMENTACIOacuteN El meacutetodo de DP es mucho maacutes adecuado que el de IMP para la preparacioacuten de
catalizador de Au soportados en γ-Al2O3 ya que permitioacute obtener catalizadores con
cinco veces maacutes oro que el preparado por el meacutetodo IMP bajo condiciones similares
de preparacioacuten En ambos casos el tamantildeo promedio de partiacutecula fue menor que 5
nm Debido a esto el catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP presenta una mayor actividad
en la oxidacioacuten de CO e H2 sin observarse desactivacioacuten durante un periodo de 24 h
Puesto que en ambas muestras se consiguioacute una gran dispersioacuten y un tamantildeo
similar de nanopartiacuteculas de oro se tiene entonces que la principal diferencia de
actividad cataliacutetica se debe principalmente a la cantidad de Au en el catalizador Sin
embargo el catalizador 10-Auγ-Al2O3 presenta una menor conversioacuten que el de
035-Auγ-Al2O3-DP a pesar de contener maacutes Au por lo que hasta el momento se
podriacutea decir que la cantidad de Au optima se encuentra por debajo de 10 wt y por
arriba de 007 wt no obstante se requiere de la caracterizacioacuten del catalizador 10-
Auγ-Al2O3 se para determinar de que manera influyen el tamantildeo de partiacuteculas la
distribucioacuten el volumen y el tamantildeo de poro en los resultados esta caracterizacioacuten
asiacute como la evaluacioacuten cataliacutetica del catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP bajo
condiciones estequiomeacutetricas se encuentran en proceso
Catalizadores de Oro Soportado 22
UAM-I
25 BIBLIOGRAFIacuteA [1] M Haruta CatalToday 36 (1997) 153
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Catalizadores de Oro Soportado 23
UAM-I
C A P I T U L O III
D I S E Ntilde O D E L A P L A N T A I N D U S T R I A L
Catalizadores de Oro Soportado 24
UAM-I
31 INTRODUCCIOacuteN
Este capitulo esta enfocado al disentildeo de la planta industrial donde se produciraacuten
catalizadores de Auγ-Al2O3 por el meacutetodo de Deposicioacuten-Precipitacioacuten (DP) descrito
en el capitulo 2
Parte de la produccioacuten de los catalizadores se destinaraacute a su venta en masa y otra
parte se destinaraacute para el equipo de purificacioacuten de calentadores de agua esto con
la finalidad que el catalizador que esta contenido dentro del equipo de purificacioacuten
cuando se desactive pueda remplazarse por catalizador nuevo disponible en el
mercado De esta forma se tendraacuten ganancias tanto al vender el equipo purificador
como al vender catalizador como materia prima
32 DISENtildeO DEL EQUIPO PURIFICADOR PARA CALENTADORES DE AGUA DOMEacuteSTICOS El equipo purificador se ubicaraacute a la salida del efluente gaseoso del calentador como
un equipo adicional como se muestra en la Figura 1 Se plantea colocarlo en una
posicioacuten tal que oxide a baja temperatura hasta el 90 de CO Las dimensiones del
purificador se determinaron seguacuten las especificaciones de calentador y el balance de
materia en el sistema purificador Estos caacutelculos se presentan en el Apeacutendice A
Los tubos de las chimeneas de los calentadores son de latoacuten por lo que se decidioacute
utilizar este material para la parte exterior la parte donde se colocaraacute el catalizador
es de 35 cm de longitud para colocarlo en el tubo de la salida del flujo de gas se
dieron 2 cm maacutes en cada extremo para hacer un tipo cople de manera que el tubo
entre en los extremos
Catalizadores de Oro Soportado 25
UAM-I
C O 2 2 0 c m 7 c m c m G A S C O
3
2cm
75 cm 35 cm
Figura 1 Esquematizacioacuten del equipo purificador y su ubicacioacuten en los calefones
Las dimensiones obtenidas (Apeacutendice A) y las caracteriacutesticas del purificado se
presentan en la Tabla 1
Tabla 1 Especificaciones de purificador
Material Latoacuten
Longitud 35 cm
Diaacutemetro 20cm
Cantidad de
Catalizador
700 gr
Catalizadores de Oro Soportado 26
UAM-I
33 PRODUCCIOacuteN DE LA PLANTA INDUSTRIAL A partir de un estudio de mercado se encontroacute que en la Ciudad de Meacutexico hay
cuando menos cuatro empresas principales (CALOREX ELSA MAGAMEX y
CINSA) que fabrican calentadores de agua residenciales[1 2] Estas en promedio
producen 150 calefones diarios Por cada calefoacuten se requiere un equipo purificador
En este sentido de requieren idealmente 600 unidades de purificacioacuten por diacutea Esta
base se utilizoacute para el disentildeo de la planta
A partir del balance de masa en el purificador y empleado los resultados
experimentales a nivel laboratorio (ver apeacutendice A) se encontroacute que cada purificador
requiere 07 Kg de catalizador A partir de este resultado se requiere producir al
menos 420 Kg de catalizador para satisfacer la demanda en la produccioacuten de
calefones Con base en el balance de materia realizado en el mezclador se
determinoacute que la cantidad de catalizador obtenido despueacutes de cuatro lotes es de
570 Kg Tomando el resto de catalizador como reserva por cualquier contratiempo El
nuacutemero de lotes se determinoacute en base a que fuese rentable la recuperacioacuten de oro
34 DISENtildeO Y OPERACIOacuteN DE LA PLANTA
La fabricacioacuten del catalizador a nivel industrial esta basada en el escalamiento del
meacutetodo de siacutentesis descrito en la parte experimental Lo cual es una praacutectica comuacuten
en la fabricacioacuten de materiales cataliacuteticos
Para la produccioacuten de 570 Kg por diacutea se plantea utilizar cuatro mezcladores (ver
Figura 2) que operaran durante 8 h con cuatro intervalos (o cargas) de 2 h y
descansos de 30 min (dejando 30 min libres por contratiempos) Esta operacioacuten se
elige con base en las horas de trabajo y el meacutetodo de preparacioacuten del catalizador
Al igual que en la parte experimental el proceso requiere operacioacuten por lotes debido
a que se necesitan largos tiempos de contacto para obtener catalizadores eficientes
en la oxidacioacuten de CO a baja temperatura Se pretende utilizar un agitador tipo
Catalizadores de Oro Soportado 27
UAM-I
canastilla[4] el cual permite colocar dentro de las mismas el catalizador para tener
una mejor impregnacioacuten de partiacuteculas de Au y eliminar la atricioacuten Las dimensiones
del agitador asiacute como del mezclador se presentan en la Figura 6
Al teacutermino de la uacuteltima carga en los mezcladores el lote completo del diacutea pasa al
horno para secarlo a 80degC por 2 h y calcinarlo a 400degC durante 4 h Durante estos
procesos se concluye la preparacioacuten del catalizador Las temperaturas y tasas de
calentamiento estaacuten basadas en el meacutetodo de preparacioacuten experimental descrito en
el Capitulo ll Posteriormente el catalizador producido pasa a la seccioacuten donde se
embolsa para ser vendido como materia prima y la otra parte pasa a la seccioacuten de
ensamblaje para fabricar el purificador
Dimensiones de la industria
Las dimensiones de los equipos como mezcladores cisternas tanque de
tratamiento horno etc se tomaron como base para poder suponer espacios entre
equipos para tener seguridad del personal Se dio preferencia a los mezcladores ya
que son las partes importantes en la elaboracioacuten de los catalizadores La cisterna
estaraacute enterrada para facilitar su llenado en el caso de los contenedores de HAuCl4
y NH4OH estaraacuten encima de bases maacutes altas que los mezcladores para poder
abastecerlos por gravedad Esto debido a que el volumen es poco no se requiere de
grandes cantidades por lo que no se requiere alguna bomba Se estuvo analizando
la forma de acomodar los equipos y se obtuvo la siguiente distribucioacuten que se
muestra en la Figura 3
En la Figura 4 se presenta el plano de la industria con sus respectivos
departamentos en la parte sur se encuentra la entrada principal en ella se encuentra
vigilancia y la entrada de empleados y obreros posteriormente esta la zona de
oficinas lado izquierdo del lado derecho se encuentra el estacionamiento para
clientes y empleados en el almaceacuten se encontraraacuten refacciones de equipo y
reservas de materia primas para los catalizadores en la zona de produccioacuten se tiene
el estacionamiento de proveedores para facilitar la entrada y salida del producto
Catalizadores de Oro Soportado 28
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado 29
Debido a que en cada industria debe existir un espacio recreativo se plantea una
cancha de Baacutesquetbol para los obreros y una zona de jardines en la parte norte
Ubicacioacuten de la industria
Para poder ubicar una industria es importante analizar la zona geograacutefica Para lo
cual se deben considerar algunos factores importantes por ejemplo No ubicarla en
zona de siacutesmica Si la industria requiere de un gran volumen de agua no ubicarla en
una regioacuten deseacutertica Si el producto es muy sensible al calor y la humedad evitar
zonas muy caacutelidas y huacutemedas Si se piensa vender el producto en una zona
especifica ubicar la industria cerca de la zona de venta para evitar gastos de
transportacioacuten A partir de este tipo de razonamientos se planea que debido a que el
producto que se elaborara que es un purificador cataliacutetico para su venta en la ZMVM
ya en ella estaacuten ubicadas las principales industrias de calentadores y debido a que la
planta requiere de un volumen considerable de agua se escogioacute el estado de
Morelos porque no esta muy lejos de la ZMVM y tiene reservas de agua Asiacute el gasto
de transportacioacuten de materias primas y sobre todo del producto elaborado seriacutea
pequentildeo
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
Agua
Tanque tratamien
Figur
NH4OH
HAuCl4
Produccioacuten de catalizadores
Recuperacioacuten de agua
de to
a
MezcladoresMezcladores
Cuando se requiere limpieza
Horno
Producto almaceacuten
30
1 Diagrama de produccioacuten Recuperacioacuten de cloro
UAM-I
35 BALANCE DE MATERIA DIAGRAMA DE FLUJO PARA DIFERENTES LOTES DE SOPORTE EN UN SOLO MEZCLADOR
Catalizadores de Oro So
05 Kg Au
10
0
086 Kg HAuCl4(ac)014 Kg H2O
035 Kg NO2(g)
2
35 Kg NH4(OH)(ac) (01M)
10000 Kg H2O
100 Kg Al3O
100 Kg Al2O3 (9965) 035 Kg Au (035) 025 Kg Cl2
026 Kg HauCl4(ac)35 Kg NH4(OH)
1101035 Kg H2O
O MEZCLADOR (t0)
10035 Kg catalizador
86 KgHAuCl4(ac)101035 Kg H2O
037 Kg HCl (ac) (105 M) 048 Kg HNO3(ac) (152 M)
porta
Kg N
30 Kg Al2Cl3
101021 Kg H2
do
H4 (OH) (ac) (01M) 30 Kg Al2O3 (9965) 01 Kg Au (035)
007 Kg Cl2
)
3
)
301 Kg catalizador MEZCLADOR (t1)
009 Kg HauCl4(ac)45 Kg NH4(OH)
1101035 Kg H2O
MEZCLADOR 1054 Kg catalizador
105 Kg Al2O3
(t2)
105 Kg Al2O3 (9965)
035 Kg NH4 (OH) (ac) (01M
004 Kg Au (035) 003 Kg Cl2
23 Kg Al2O
MEZCLADOR
(t3)23 Kg Al2O3 (9965)
2308 Kg catalizador
008 m3 NH4(OH) (ac) (01M
002 Kg HauCl4(ac)485 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
0008 Kg Au (035) 0006 Kg Cl2
0003 Kg HauCl4(ac)493 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
31
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado 32
DIAGRAMA DE FLUJO PARA UN MEZCLADOR
MEZCLADOR
1101035 Kg H2O
1428 kg γ-Al2O3
086 Kg HAuCl4
493 Kg NH4(OH)
0003 Kg HauCl4(ac)493 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
1433 Kg Catalizador
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
36 DIAGRAMA DE LA INDUSTRIA
INDUSTRIA DE CATALIZADORES
TANQUE DE TRATAMIENTO HORNO
CISTERNA 1
CONTENEDORDE AuCl3 CONTENEDOR DE
NH4OH ZONA DE LLENADO
DE SAPORTE
SE LLEVA AL HORNO
MANUALMENTE
PRODUCTOALMACEacuteN
Contenedor de HAuCl4
Figura 2 Diagrama de la distribucioacuten del equipo dentro del aacuterea de produccioacuten
33
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
37 DIMENSIONES DEL EQUIPO Y TUBERIacuteA
2 mts
2 mts 2 mts 6 mts 4 mts 3 mts 5mts 5 mts 3 mts 6 mts 3
3mts 3 mts 3mts 3 mts 3 mts
4 mts 1 5 mts 1 5 mts 4mts 4 7mts 4 mts 21 mts 7 2mts 26 mts 2 mts 21 mts 6 mts
3 5 mts 14 mts 6 mts 8 mts 1 5 mts 3 mts 5 mts 13 mts 8 mts 20 mts 30 mts
IN D U ST R IA D E C A T A L IZ A D O R E S
T AN Q U E D E T R AT AM IE N T O H O R N O
C IST E R N A 1
C O N T EN ED O RD E Au C l3
C O N T EN E D O R D E N H 4O H
ZO N A D E L LEN AD O D E SO PO R T E
AG UA PAR A JAR D IN ES
M E Z C L A D O R E S 12 3 y 4
1 2 3 4
A L M A C Eacute N
Contenedor de HAuCl4
Figura 3 Dimensiones del equipo y tuberiacutea requerida
34
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
38 PLANO DE DISTRIBUCIOacuteN DE AacuteREAS
Figura 4 Aacutereas de trabajo dentro de la planta
35
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
DIMENSIONES DE LA INDUSTRIA
Figura 5 Dimensiones de cada aacuterea de la planta industrial
36
UAM-I
Ingenieriacutea Quiacutemica 37
10 cm 3mts 1 mts 25 cm 15cm 5 cm 5 cm 3mts 150 mts 10 cms 100 mts 20 cm
003 mts
Figura 6 Dimensiones del mezclador y del Agitador
UAM-I
Las dimensiones de las canastillas se determinaron a partir del balance de masa y la
produccioacuten requerida La carga de un contenedor de soporte que es de 100kg del
cual el agitador tiene 4 canastillas cada una corresponde 25 Kg la masa se obtuvo
del balance de materia y su densidad 600 Kgm3 con el que se obtuvo un volumen de
0043 m3
39 ANAacuteLISIS FINANCIERO
El costo de materias primas se muestra en la Tabla 2 en la que tambieacuten se incluyen
los flujos de alimentacioacuten requeridos para el proceso a partir de los cuales se
determinaron los costos diarios
Tabla 2 Costo de materias primas [5]
Compuesto
Alimentacioacuten
por diacutea
Costo
USDKg
Costo Total
USDdiacutea
Au 2 kg 10596 2119200
HCl 15 Kg 52 780
HNO3 20 Kg 022 044
-Al2O3 5712 Kg 034 19421
Canastillas 500 piezas 15 75000
NH3(OH) 200 Kg 034 680
H2O 440414 Kg 282 282
Total de Materia Prima 2215407
El costo se determinoacute considerando la cantidad de material el tamantildeo y el costo de
manufactura
El costo se determinoacute para uso industrial conforme establece la tesoreriacutea de
Meacutexico
Ingenieriacutea Quiacutemica 38
UAM-I
PERSONAL REQUERIDO PARA LA INDUSTRIA
La Tabla 3 establece los salarios mensuales anuales y las prestaciones del IMSS
para el personal de la planta
Tabla 3 Salarios y Prestaciones del Personal
Mano de Obra (USDmes)p
ersona
USDmes USDantildeo Prestaciones
IMSS
1 Gerente 2000 2000 24000
1 Administrador 1000 1000 12000
1 Secretaria 400 400 4800 1193
Total de Salarios
Administrativos
40800 1193 409193
9 Obrero 150 150 1800 448
1 Teacutecnico 200 200 2400 597
1 Policiacutea 200 200 2400 597
1 Mantenimiento 180 180 2160 538
1 Limpieza 150 150 1800 448
Total de Salarios
Proceso
10560 2628 108228
Los salarios se determinaron en base al salario miacutenimo vigente en la Ciudad de
Meacutexico (2003)[29]
Ingenieriacutea Quiacutemica 39
UAM-I
PERSONAL
Departamento de produccioacuten
Se tendraacute 2 obreros en el llenado de soporte en las rejillas un obrero encargado del
traslado de rejillas por medio de la banda de los motores a cada contenedor un
obrero en cada contenedor de NH4OH y HAuCl4 en cada mezclador se tiene 1
obrero para descargar y cargar las rejillas a la banda que se trasladaran al horno en
el horno se tiene 1 obrero encargado del secado y calcinado el producto se traslada
al almaceacuten donde estaraacuten 2 obreros que reciben el producto y materias primas de los
proveedores se tiene 1 teacutecnico supervisando los equipos un encargo del
mantenimiento de los equipos
Departamento de personal
Gerente de la industria un administrador encargado de compra y venta de materias
primas una secretaria
Ingenieriacutea Quiacutemica 40
UAM-I
CAPITAL FIJO
La Tabla 4 muestra el costo de los equipos requeridos en la planta asiacute como el
Capital Fijo y la Inversioacuten del Capital Total
Tabla 4 El equipo se costeo usando las correlaciones de Ulrich [6] y empleando el
programa de Capcost
EQUIPO USD
4 Contenedores 23584
4 Agitadores (456kW) 269760
1 Horno (25 kW) 15700
15 Bombas (1469kW) 43081
1 Motor (114 kW) 67440
Tuberiacuteas 42150
2 Cisternas 174183
Vaacutelvulas 1283
Accesorios
(codos 90ordm y de 45ordm te)
1474
CAPITAL FIJO 638655
Capital de Trabajo 9579825
INVERSIOacuteN DE
CAPITAL TOTAL
73445325
Los caacutelculos y las correlaciones empleadas para el costeo del equipo se anexan en
el Apeacutendice A
Ingenieriacutea Quiacutemica 41
UAM-I
GASTOS GENERALES
Tabla 5 Proporciona el total de gastos anuales con lo cual se estima el precio por
kilo de catalizador y por unidad purificadora
Tabla 5 Gastos Generales anuales
USDAntildeo
Materias Primas 531697680
Mano de Obra de Operacioacuten 1082280
Mano de Obra de Oficina 4091930
Servicios Electricidad 2620100
Total de Gastos Generales 539491990
CFE
Produccioacuten diaria de Catalizador = 574 Kg
Precio de Catalizador = 40 USDKg
Produccioacuten diaria de unidades purificadoras = 500
Precio por unidad = 50USD
Ganancia diaria = 22960 USD
Ganancia Anual = 5510400 USD
DETERMINACIOacuteN DE LA RENTABILIDAD DEL PROYECTO
TPI (Actual) = 10
PR (Factor de riesgo) = 25
TREMA = TPI + PR
TREMA = 35
TIR (del proyecto) = 90
TIR gt TREMA
Puesto que la TIR es mayor que la TREMA se tiene que el proyecto es rentable [6]
Ingenieriacutea Quiacutemica 42
UAM-I
310 CONCLUSIONES
En el desarrollo de la industria para la fabricacioacuten de catalizadores se tuvo un
resultado satisfactorio a pesar de la falta de informacioacuten disponible acerca de
industrias de catalizadores debido a que esta informacioacuten no es publica El proyecto
que elaboramos es novedoso en nuestro paiacutes ya que no existen registros de una
industria que produzca catalizadores de oro soportados en aluacutemina
Durante el desarrollo del proyecto se planteoacute trabajar con compuestos como NOx y
COVS sin embargo debido a la falta de tiempo no se logroacute concluir la
experimentacioacuten en estos campos Debido a esto se tomoacute la decisioacuten de trabajar en
la oxidacioacuten cataliacutetica de CO Esto debido a varios factores por ejemplo la
disponibilidad de gases y sobre todo los costos que esto implicaba
Para el desarrollo del catalizador se analizaron diferentes tipos de preparacioacuten y se
eligieron dos meacutetodos diferentes Deposicioacuten-precipitacioacuten e Impregnacioacuten Los
catalizadores se evaluaron bajo diversas condiciones en la oxidacioacuten de CO El
catalizador que presentoacute mayor conversioacuten con el catalizador a baja temperatura fue
el sintetizado por el meacutetodo de Deposicioacuten-precipitacioacuten el cual se utilizoacute para el
disentildeo de la Industria El disentildeo estaacute basado en la forma de preparacioacuten del
catalizador Por esto la parte maacutes importante de la planta es el tanque de mezclado
el cual se disentildeo tomando en cuenta los diferentes disentildeos de agitadores para tener
un mezclado oacuteptimo Se incorporo en la parte superior del agitador las canastillas
para las pastillas cataliacuteticas y el tipo de Horno que se usara para el secado y
posteriormente el calcinado Una parte importante es la produccioacuten de catalizador
para este problema se investigoacute en que parte se podriacutea utilizar a diferencia de los
catalizadores para automoacuteviles Se llego a la decisioacuten de poder desarrollar un
catalizador para los calentadores de agua se obtuvo informacioacuten de la fabrica de
calentadores cal-o-rex en la produccioacuten diaria de calentadores y de esta informacioacuten
se pudo calcular la posible demanda de nuestro producto Una parte importante en
las industrias son el tipo de bombas ya que existen diversos modelos en nuestro
disentildeo se escogioacute las bombas centriacutefugas con rodetes para agua que contiene
pequentildeas partiacuteculas de soacutelidos
En la parte de servicios para personal se investigo los sueldos de cada empleado Se
determinoacute el costo de los equipos y finalmente llegamos a la parte que nos interesa
Ingenieriacutea Quiacutemica 43
UAM-I
del disentilde es decir si el proyecto es rentable o no En este caso particular se tuvo un
valor aceptable y se definioacute que el disentildeo es rentable Esto indica que seria una
industria que tendriacutea ganancias y a la vez que el producto que se fabrique nos
ayudaraacute a todos a reducir la emisioacuten de CO en los hogares aportando una pequentildea
ayuda al medio ambiente
COMENTARIOS
Los conocimientos adquiridos durante este tiempo fueron provechosos en la parte
teoacuterica y praacutectica aclaramos dudas de como y porque se comportan las reacciones
quiacutemicas y los procesos de flujos Durante el desarrollo del proyecto aprendimos a
observar y la importancia de entender fiacutesicamente las algunos procesos relacionados
con la siacutentesis y caracterizacioacuten de materiales cataliacuteticos
Ingenieriacutea Quiacutemica 44
UAM-I
38 BIBLIOGRAFIacuteA
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UAM-I
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Ingenieriacutea Quiacutemica 46
UAM-I
APEacuteNDICE A
CRITERIOS PARA DETERMINAR QUIEacuteN CONTROLA EL PROCESO
Criterio de weisz para difusioacuten interna
Ec(12-16 Fogler) Los valores que se sustituyen en las siguientes ecuaciones fueron
tomados del catalizador que se analizo en el laboratorio
CWP = ( )
AS
cObsA
DeCRcr 2minus
lt 1
-rA(Obs) = velocidad de reaccioacuten observada molgcats Cc = concentracioacuten volumeacutetrica molm3
CAS = concertacioacuten en la superficie molm3
D= diaacutemetro del granulo m R = radio del granulo m De = difusividad efectiva m2s
d = 0149mm mxmm
m 4104911000
1 minus=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
CWP = ( )( )3
32
24
33
103470184200350
21049150800010681
minus
minusminus
=⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞⎜
⎝⎛
x
mmol
hrm
mxcatm
gcathgcat
molx
734x10-3 lt 1 No hay limitante por la difusioacuten interna
Ingenieriacutea Quiacutemica 47
UAM-I
Criterio de mears para difusioacuten interna Ec(12-62 Fogler)
Mm = 150ltAbc
bA
CkRnr ρminus
Mm =( )( )
0570
136000184200220
31110457508000106851
3
53
3
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ minusminus
hrs
mmol
sm
mxcatmgcat
hgcatmolx
0057 lt 015 no hay efecto de transferencia de masa externa Calculo de Dab para calcular el coeficiente de trasferencia de masa Ec(78 Lobo)
De =
KAAB DD11
1
+
DKA = 970X103 (80X10-8)(s
cmK 221 1090)
2400( =
DAB = 00018583ABAB
BA
PMMT
Ω
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ +
2
2123 11
γ
Para CO
0110=isin
Bk 0593 A=γ
Para O2
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UAM-I
0113=isin
Bk 0453 A=γ
( ) 51343359321
=+=ABγ
( )( )[ ] 21113110BAB k=isin A la temperatura de 400degK
( ) 583))113)(110((
40021 =
deg=
isin B
B
AB
B
KKKTK
Ω AB = 0907 Sustituyendo
DAB =s
cm2
2
2123
9730)9070()513(
)21281()400(00185830=
+
De = hrm
hrs
cmm
scm 222
03501
3600100
10980
10901
97301
1=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
+
Calculo de Kc Sh = (Re)12(Sc)13
Velocidad superficial
V = sm
shr
hrm
mxhr
m
Av
c
02036001976
1087
006025
3
0 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛== minus
Ingenieriacutea Quiacutemica 49
UAM-I
Re= ( ) 240)1062)(501(
)10491)(020(
1 25
4
=minus
=minus minus
minus
smx
mxsmvd p
νφ
Sc= 672)3600
1)(0350(
10622
25
==minus
shr
hrm
smx
Dv
AB
Sh= ( 024 )12 ( 267 )13 = 0679
Kc = Shdp
DAB⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛minusφ
φ1
Kc = ( )sm
mxs
mx02206790
10491
10729
50501
4
26
=⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛minus
minus
minus
Calculo de numero Thile con el radio que usara a nivel industrial
φ = L ( )DkCn n
AS
21 1minus+
L = 3R
Sustituyendo
φ = 66x10-4 m( )
( )
450
03502
018420
5480941311
3
30
3330
313
=
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+
catmhrm
mmol
hrcatmmolm
η = 1 con los resultados anteriores se observa que quieacuten limita es la velocidad de
reaccioacuten Por lo que se procede a calcular el peso y longitud de catalizador
necesaria para muestro purificador sustituyendo los valores del Boiler
Ingenieriacutea Quiacutemica 50
UAM-I
Peso del Catalizador w =
( ) grcatgcatLn
gcatm
mmol
hrcatmmolm
hrm
xLn
kCv
A
66476639401
1
6000001578
548094
19836
11
330
3330
313
3
0
0 asymp=minus
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
minus
g 664=w
33
3
1011
mg60000
g 664 mxwv minus===ρ
m 035003101011
2
33
==minus
mmxL
cm 531000350 == xL
Ingenieriacutea Quiacutemica 51
UAM-I
APEacuteNDICE B BALANCE DE MASA DE LA PREPARACIOacuteN DE HAUCL4 Au(g) + 3HNO3(ac) + 4HCL(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O + 3N02(g) (152 M) (105M)
cantidad de mol Au = 05 kg Au x molAu
grAumolAux
kggr 542
971961
11000
=
cantidad de kg HNO3 = ( ) 33
33 480
10001
1635423 kgHNO
grkgx
molHNOGRHNOxHNOmol =
cantidad de kgHCl = ( ) kgHClgr
kgxmolHCl
grHClHClxmol 3701000
11
5365424 =
cantidad de kgHAuCl4 = 254molHAuCl4 x 44
8601000
11
97339 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
gr=
cantidad de kgH2O = 3( 254mol)H20 x OkgHgr
kgxOmolHOgrH
22
2 1401000
1118
=
cantidad de Lt H20 = 762molHNO3 x OltHOkgHOLtH
22
2 14011
=
cantidad de Lt H20 = 1016 mol HNO3 x 050215
012
2 LtHmol
LtH=
cantidad de LtH20 = 1016mol HCl x OLtHLtHmolHCl
LtH22
2 010970510
01asymp=
cantidad de MHAUCl4 = ( ) ( ) ( ) MHltltlt
ClmolHAU 7210850490140
542
2
4 asymp++
cantidad de kg NO2(g) = 3( 254mol)NO2 x )(22
2 3501000
1146
SkgNOgr
kgxmolNO
grNO=
Ingenieriacutea Quiacutemica 52
UAM-I
05 kg Au 048 kgHNO3 035 kgNO2 101021 kgH20 (152M) 037 kgHCl(ac)
(105 m) 086 kg HAuCl4 (ac) 086 kg HAuCl4 (ac)
(17 M) 014 kgH20 (25x10-3M) 014kg H20 (L) 086kg HAuCl4 035kgNO2 (g) 101185kg H20 Cantidad de H20 = 086 kgHAuCl4
x 08510110101
105201
173341
11000
22
23
24 kgHLtHkgHx
MxltHx
grmolHAuClx
kggr
=minus
pero (101185 ndash 014 ndash 05 ndash 1) kg H20 = 101021 kg H20 100ml H20 por 1 gr soporte 35kg NH4 (OH)(AC) 10000kgH20 100 kg γAl203 (9965) 035kgAu (035) 100kg γAl203 025kgCl2 086kg HAuCl4 026kgHAuCl4
101185 kg H20 35kgNH4 (OH)(AC) 1101185kgH20 cantidad de kgHAuCl4 = 015kgAu x
44
4 2601000
11
973391
197196
147196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxgrAu
molxkg
gr=
cantidad de NH4(OH) = 100kg γ Al203 x
Ingenieriacutea Quiacutemica 53
UAM-I
kgNHxmol
grx
mlmol
xOAlgr
OHmlNHx
kg
gr53
10001
1
35
100010
1
)(10
1
1000
32
4=
γ4(OH)
30kg γAL2O3 1 kgNH4(OH)(AC) 30 kg γ Al203 (9965) 010 kg Au (035) 026kgHAuCl4 007kg Cl2 35kgNH4(OH) 1101185 kgH2O 0086kgHAuCl4 45 kg NH4(OH)(AC) 1101185 kg H20
cantidad de γ Al2O3 = 026kgHAuCl4 x 324
32 02330860
100 AlkgkgHAuCl
OAlkg γγ=
cantidad de kgAu = 035 x kgAukg 10506599
30=
cantidad de kg Cl2 = 01 kgAu x
22
2 07201000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de HAuCl4 = 005kgAu x
44
4 08601000
11
973391
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 54
UAM-I
cantidad de kgNO4(OH) = 30 kg γ Al203 x ( )OHkgNHAlkg
OHkgNO4
32
4 0510100
)(53=
γ
105 kg γ Al203 035 kg NH2(OH) 105 kg γ Al203 (9965) 004 kg Au (035) 009kg HAuCl4 003 kg Cl2 45kgNH4(OH) 1101185 kg H20 0017kgHAuCl4 485kgNH4 (OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 009 HAuCl4 x 324
32 04710860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad kg de NH4 (OH) = 105kg γ Al203 x ( ) )(3500100
534
32
4 OHkgNHAlkg
OHkgNH=
γ
cantidad de Cl2 = 004 kg Au x
22
2 02901000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
gAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 =
44
44 02001701000
11
973391
197196
11
1000010 kgHAukgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgr
molAuxkg
grkgAux asymp=
Ingenieriacutea Quiacutemica 55
UAM-I
23 kg γ Al203 008kgNH4(OH) 002 kg HAuCl4 23 kg γAl203 (9965) 485kgNH4(OH) 0008kgAu(035) 1101185kg H2 0001kg Cl2
0014 kg HAuCl4 493kgNH4(OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 002kgHAuCl4 x 324
32 032860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad de kg Au = 035 x kgAukg 00806599
32=
cantidad de kgCl2 = 0002kgAu x
24
4 00101000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 = 0008kgAu x
44
44 01401000
11
973341
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 56
UAM-I
APEacuteNDICE C ACCESORIOS EN EL DISENtildeO
Agitador
Agitadores de Heacutelice se escogioacute este tipo de agitador por ser tener las siguientes
caracteriacutesticas [3]
bull Es un agitador de flujo axial
bull Se emplea para liacutequidos pocos viscosos
bull Giran a toda la velocidad del motor
bull Las corrientes de flujo se mueven a traveacutes del liacutequido en una direccioacuten
determinada hasta que son desviadas por el fondo o las paredes del tanque
bull Las palas de la heacutelice cortan o friccionan vigorosamente el liacutequido
bull Los agitadores de heacutelice son eficaces para tanques de gran tamantildeo
Horno
bull El horno se escogioacute por ser tener las siguientes caracteriacutesticas [5]
bull El horno de construccioacuten metaacutelica
bull La caacutemara de combustioacuten estaacute construida mediante hormigones refractarios
de alta resistencia mecaacutenica
bull Las materias secar y calcinar se carga de forma manual
Ingenieriacutea Quiacutemica 57
UAM-I
Bomba
DISENtildeO Bomba centrifuga para operacioacuten horizontal o vertical del impulsor
cerrado succioacuten al extremo descarga hacia arriba tangencial simple succioacuten de un
paso con carcaza partida verticalmente [3]
ROTACIOacuteN En el sentido del reloj vista desde el cople
CARACTERIacuteSTICAS Conexiones brindadas con registro ubicado en la cabeza de
succioacuten para facilitar su limpieza
SERVICIO Debido a que es posible colocarla en posicioacuten horizontal o vertical tanto
en caacutercamos secos como huacutemedos y por el disentildeo de su impulsor que soacutelidos de
gran tamantildeo esta bomba es ideal para los procesos de tratamientos de agua y
manejo de liacutequidos en suspensioacuten en general
CAPACIDADES
GASTO Hasta 3000 GPM
CDT Hasta 80rsquo
PRESIOacuteN 106 Kgcmsup2
POTENCIA De 1 a 60 Hp
VELOCIDAD (1175 - 3550 RPM)
TEMPERATURA 125degC
Ingenieriacutea Quiacutemica 58
UAM-I
Bombas Centriacutefugas
Las maquinas centriacutefugas estaacuten constituidas por un impulsor o rodete formado por
una serie de aletas radiales diversas formas y curvaturas que giran dentro de una
caja circular El fluido penetra por el ojo o eje de rotacioacuten y se descarga maacutes o
menos radialmente en una caacutemara perifeacuterica a una elevada presioacuten que
corresponde a la suma de la fuerza centriacutefuga de la rotacioacuten maacutes la cineacutetica
comunicada al fluido por las aletas La parte moacutevil de la bomba es el rodete Las
aletas del rodete se extienden desde el centro de rotacioacuten hacia la periferia y las
bridas son los discos de refuerzo a cada lado de las aletas que las envuelven Las
aletas pueden ser radiales curvadas ligeramente hacia delante en el mismo sentido
de la rotacioacuten o estar curvadas al reveacutes en el caso maacutes comuacuten en el disentildeo se
determino el rodete siguiente por sus caracteriacutesticas Fig 1
Figura 1 Corte parcial de un rodete de centriacutefuga para grandes cargas y secciones
de paso estrechas empleando con liacutequidos corrosivos o suspensiones de pequentildeas
partiacuteculas[4]
Ingenieriacutea Quiacutemica 59
UAM-I
APENDICE D CALCULO DE POTENCIA DE BOMBAS (8)
Potencia de la bomba de la cisterna 1 que alimenta a los mezclador 4
Ecuacioacuten de Bernoulli
sum sumint =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛+++∆+∆i i
i
P
P
evvfDLvwdphgv 0
21
21
ˆ1
21 222
2
1ρ
a b c d e f
a Diferencia de velocidades
b Diferencia de alturas
c Diferencia de presiones
d Trabajo
e Perdidas de friccioacuten en tuberiacuteas
f Perdidas de friccioacuten en accesorios
En la ecuacioacuten anterior se pueden eliminar algunos teacuterminos
21 mts
6 mts 35 mts
Figura 1 Balance de cisterna 1 a mezclador 4
Se debe de tener dos puntos de referencia para la utilizacioacuten de la ecuacioacuten de
Bernoulli de los cuales se anotaron en la figura 2
Ingenieriacutea Quiacutemica 60
UAM-I
21 mts
2 1 6 mts 35 mts
Figura 2
Teniendo los puntos de referencia se analiza que las diferencias de velocidades son
cero en ambos puntos por lo tanto el termino 2
21 ν∆ es igual a cero
El termino de = (981hg∆ 2segm )(35m ndash 0) = 34335 2
2
segm
El termino de int2
1
1P
P
dpρ
se tiene que la cisterna y el tanque de mezclado ambos no
estaacuten cerrados y por lo tanto no originan un cambio de presioacuten y el termino es cero
De esta expresioacuten L longitud de tuberiacutea
tro de tuberiacutea
n el interior del tubo
v
Para la l radio del tubo que
sum ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
i
fDL2
21 ν
D diaacuteme
f perdidas de friccioacuten e
velocidad del flujo de agua
obtencioacuten de la velocidad se tiene el flujo volumeacutetrico y e
es de 32 cm =0032mts con la ecuacioacuten
Ingenieriacutea Quiacutemica 61
( )( ) sm
ms
m
RQ 761
032060min1)
min340(
2
3
2 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
==ππ
ν
UAM-I
Se reportan valores de perdida de fr
e reduce teacuterminos
iccioacuten en tubos que son igual a 005
Por lo tanto sustituyendo los teacuterminos en la ecuacioacuten de Bernoulli s
sum sumint =⎟⎠
⎜⎝
+⎟⎠
⎜⎝
+++∆+∆i i
iP
evvfD
vwdphgv 022
ˆ2
1ρ
⎞⎛⎞⎛ L 111 2222
or tanto el termino de trabajo queda expresado de la siguiente manera
tanto la bomba comunica al fluido que circula en el sistema un trabajo
+11727
P1
p w
sum sum ∆minus⎟⎠⎞
⎜⎝⎛minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛minus=
i ii
hgevvfDLvw 22
21
21
ˆ
( ) ( )
Este es el trabajo ( por unidad de masa) producido por el fluido en la bomba por lo
22
sm o 11727 981 = 1195
m
fKg
Kgm
La velocidad de flujo de masa es
Por lo tanto
1 )=6694
951)(675(ˆ =minus=minus WwW smkg f = 088Hp = 1Hp
Siendo esta ida para esta bomba El procedimiento anterior se
iguioacute para cada bomba de la planta
AP E
la potencia requer
s
EacuteNDICE
TOXICOLOGIacuteA DE MATERIAS PRIMAS [6]
( ) ( ) ( )( ) ( )( )msm
smmmm
sm 538192201150761
21050
032021536761
21
2
22minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ +minus⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ++
minus=wm
22
27117ˆ smw minus=
( )s
kgmkgQw m675100060340 3 === ρ
Ingenieriacutea Quiacutemica 62
UAM-I
HIDROacuteXIDO DE SODIO
Polvo corrosivo blanco delicuescente
Toxicidad
Concentracioacuten Maacutexima permisible 2mgm3 en aire
Signos y Siacutentomas Conjutivitis quemaduras corneales y de la piel Irritacioacuten
seas vomito dolor abdominal y diarrea a veces con
Lavado de las partes afectadas tranquilizantes sulfato de
decuada gafas protectoras o pantallas para
ignos y Siacutentomas Irritacioacuten de ojos quemaduras corneables tos dolores
l hemoptisis dolor de cabeza dolor epigaacutestrico nauseas y vomito
lmonar
Tratamiento lavado de ojos con agua reposo oxigeno con aparato de respiracioacuten
con onantes
ACIDO NITRICO
Liquido corrosivo sofocante de incoloro a amarillento
ioacuten maacutexima permisible 10ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
del tracto respiratorio nau
sangre
Tratamiento
morfina para el dolor y cortisona
Medidas preventivas Ventilacioacuten a
la cara completa mascarilla con filtro mecaacutenico guantes delantares botas de
goma y acentuar la limpieza personal
CLORO
Gas pasado amarillo verdoso
Toxicidad
Conc Maacutexima permisible 1 ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten
S
retrosterna
debilidad cianosis y edema pu
trolada bronco dilatadores y descongesti
Toxicidad
Concentrac
Ingenieriacutea Quiacutemica 63
UAM-I
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
Signos y siacutentomas Erosioacuten dental estornudo tos Dolor en el pecho bronquitis y
la las partes contaminadas del cuerpo con solucioacuten al 5 de
de las quemaduras con pantildeos
de triacuteo sulfato soacutelido si se a ingerido
vado de ojos con agua
ACIDO CLORIDRICO
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
ivitis necrosis corneal por inhalacioacuten rinitis erosioacuten
dolor de cabeza palpitacioacuten por ingestioacuten
s en la boca faringe esoacutefago estomago salivacioacuten vomito Soc
agua lavada de agua y jaboacuten de las partes
preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
AacuteC
El c
con o de hidroacutegeno una
concentracioacuten de 12 molLt Este aacutecido es un liacutequido incoloro con un olor aacutecido
bronconeumoniacutea
Tratamiento
bicarbonato soacutelido o con agua y jaboacuten Tratamiento
mojados con solucioacuten saturada
administracioacuten por viacutea oral de solucioacuten de jaboacuten Hidroacutexido caacutelcico o alumiacutenico u
oacutexido de magnesio
Medidas preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores excluir de la exposicioacuten
a los individuos con enfermedades de pulmones y rintildeones
Gas incoloro o liacutequido o a amarillento
Toxicidad
Concentracioacuten maacutexima permisible 5ppm en aire
Signos y siacutentomas conjunt
dental laringitis bronquitis neumoniacutea
quemadura
nefritis
Tratamiento lavado de ojos con
contaminantes del cuerpo tratamiento ordinario de quemaduras lavado gaacutestrico
se a ingerido con solucioacuten de bicarbonato soacutedico al 5 seguido de una instilacioacuten
de gel de hidroacutexido de aluminio
Medidas
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores
IDO CLORHIacuteDRICO
loruro de hidroacutegeno es en extremo soluble en agua de hecho el aacutecido clorhiacutedrico
centrado contiene cerca del 38 en masa de clorur
Ingenieriacutea Quiacutemica 64
UAM-I
pronunciado que se debe al equilibrio entre el cloruro de hidroacutegeno gaseoso y
ste con el aacutecido fluorhiacutedrico el aacutecido clorhiacutedrico es un aacutecido fuerte (pKa = -
7) y se ioniza casi totalmente
gar de aacutecido sulfuacuterico auque en menor grado Por
jemplo el zinc metaacutelico reacciona con aacutecido clorhiacutedrico para dar el ion zinc e
hidroacutegeno gaseoso
Zn(s) + 2HCl(ac) ZnCl2(ac) + H2(g)
l para producir aacutecido clorhiacutedrico en el laboratorio es generar
cloruro de hidroacutegen e sodio y el aacutecido
ulfuacuterico En el primer paso a 150degC se forma hidroacutegeno sulfato de sodio
NaHSO4(s) + HCl(g)
io y maacutes
loruro de hidroacutegeno gaseoso Luego el gas se disuelve en agua para formar el
aacutecido
NaHSO4(s) + NaCl(s) Na2SO4(s) + HCl(g)
acuoso
HCl(ac) HCl(g)
El reactivo de grado teacutecnico a menudo tiene un color amarillento por una impureza
del ion hierro (III)
En contra
HCl(ac) + H2O(l) H2O+(ac) + Cl -(ac)
Por ello a menudo se prefiere usar aacutecido clorhiacutedrico diluido en lugar de aacutecido niacutetrico
que es muy oxidante y en lu
e
Cuando el zinc reacciona con el aacutecido niacutetrico es comuacuten que se reduzca una parte
del ion nitrato para dar dioacutexido de nitroacutegeno
El meacutetodo tradiciona
o gaseoso por la reaccioacuten entre el cloruro d
s
NaCl(s) + H2SO4(l)
La mezcla se calienta a 550degC temperatura a la cual el hidroacutegeno sulfato de sodio
reacciona con un exceso de cloruro de sodio para formar sulfato de sod
c
∆
Este meacutetodo se usa tambieacuten en la industria otra forma de producir cloruro de
hidroacutegeno es por la combinacioacuten directa de dicloro y dihidroacutegenogaseosos
Ingenieriacutea Quiacutemica 65
UAM-I
H2(g) + Cl2(g) 2HCl(g)
La mayor cantidad de cloruro de hidroacutegeno que se produce actualmente es un
CH4(g) + 4Cl2(g) 4(l) + 4HCl(g)
riacuten de superficies de acero en un bantildeo aacutecido en la purificacioacuten de glucosa
y jarabe de maiacutez e s y de gas y en la
bricacioacuten de compuestos clorados El aacutecido se puedo comprar en muchas
nducida por la luz
4HNO3(ac) 4NO2(g) + O2(g) + 2H2O(l)
niacutetrico como disolvente)
H2NO3+ H2O + NO2
+
l siguiente
3HNO NO3 ndash
subproducto de otros procesos industriales como la siacutentesis de tetracloruro de
carbono
CCl
Se consumen cerca de 107 toneladas de aacutecido clorhiacutedrico cada antildeo en todo el
mundo Este aacutecido tiene una gama muy amplia de usos como aacutecido comuacuten para
eliminar o
n el tratamiento con aacutecido de pozos petrolero
fa
ferreteriacuteas con el arcaico nombre de aacutecido muriaacutetico sus principales usos caseros
son la limpieza de superficies de concreto y la eliminacioacuten de herrumbre Un nuacutemero
muy reducido de personas es incapaz de sintetizar suficiente jugo gaacutestrico y deben
de ingerir caacutepsulas de aacutecido clorhiacutedrico diluido con cada comida
AacuteCIDO NIacuteTRICO
El aacutecido niacutetrico un liacutequido aceitoso e incoloro en estado puro es sumamente
peligroso El aacutecido que funde a ndash42degC y hierve a +83degC tiene por lo general un
ligero color amarillo a causa de una reaccioacuten de descomposicioacuten i
En un estado puro el aacutecido niacutetrico liacutequido praacutecticamente no conduce la electricidad
Una pequentildea porcioacuten se ioniza como sigue (todas estas especies existen en el aacutecido
2HNO3(l) H2NO3+ + NO3
ndash
H2O + HNO3 H3O+ + NO3 ndash
Para dar la reaccioacuten globa
3 NO2+ + H3O + 2+
Ingenieriacutea Quiacutemica 66
UAM-I
El catioacuten nitrilo es importante en la nitracioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas por ejemplo la
obenceno C6H5NO2 una etapa importante en
umerosos procesos industriales orgaacutenicos
El aacutecido niacutetrico con en agua mientras
ue el ldquoaacutecido niacutetrico fumanterdquo un oxidante extremadamente poderoso es una
vez de ello se produce una mezcla de
sistema que da un orden de
vista industrial el
oceso
e lleva a cabo en tres etapas Primero se hace pasar una mezcla de amoniaco y de
dioxiacutegeno (o aire) un proceso muy
ficiente y exoteacutermico que hace que la malla se ponga al rojo Esta etapa se verifica
conversioacuten de benceno C6H6 en nitr
n
centrado es en realidad una solucioacuten al 70
q
solucioacuten roja de dioacutexido de nitroacutegeno en aacutecido niacutetrico puro Incluso cuando esta
diluido el aacutecido niacutetrico es un oxidante tan fuerte que rara vez desprende hidroacutegeno
cuando se pone en contacto con metales en
oacutexidos de nitroacutegeno y el metal se oxido a su catioacuten
Los enlaces O-N son mucho maacutes cortos (121 pm) que el enlace O-N unidos al aacutetomo
de hidroacutegeno (141 pm) Esta longitud de enlaces indica que hay enlaces muacuteltiples
entre el nitroacutegeno y los dos aacutetomos de oxiacutegeno terminales Ademas de los electrones
del sistema σ hay cuatro electrones que participan en el sistema π O-N-O dos de un
orbital enlazante y dos en un orbital no enlazante
enlace de 112 para cada uno de esos enlaces nitroacutegeno- oxiacutegeno
A veces se nos olvida hasta queacute punto nuestra experiencia depende de la
termodinaacutemica y la cineacutetica Por ejemplo la primera siacutentesis industrial de aacutecido
niacutetrico se llevaba ha cabo por simple combinacioacuten de diniacutetrogeno dioxiacutegeno y agua
utilizando un horno de arco eleacutectrico a fin de proporcionar la energiacutea necesaria par
superar la muy elevada barrera cineacutetica Aunque desde el punto de
factor cineacutetico constituiacutea un problema en realidad es una bendicioacuten por que sin esta
barrera cineacutetica hace mucho tiempo que todo el dioacutexido de la atmoacutesfera se abriacutea
transformado en aacutecido niacutetrico y nuestros mares serian de aacutecido niacutetrico diluido
frac12 N2(g) + 54O2(g) + 12H2O(g) HNO3(g)
Ahora se utiliza el proceso Ostwald para la siacutentesis de aacutecido niacutetrico Este proceso
consume gran parte del amoniaco que se produce por el proceso Haber El pr
s
a traveacutes de una malla de platino metaacutelico Eacuteste es
e
a baja presioacuten para aprovechar el efecto entropico es decir la formacioacuten de 10
moles de gas a partir de 9 moles de gas (una aplicacioacuten del principio de Le Chatelier)
para desplazar el equilibrio a la derecha
Ingenieriacutea Quiacutemica 67
UAM-I
4NH3(g) + 5O2(g) 4NO(g) + 6H2O(g)
Se agrega maacutes oxiacutegeno para oxidar el monoacutexido de nitroacutegeno a dioacutexido de nitroacutegeno
A fin de mejorar el rendimiento de esta reaccioacuten exoteacutermica se extrae calor de los
ases y la mezcla se somete a presioacuten
2HNO3(l) + NO(g)
Esta reaccioacuten tambieacuten es exoteacutermica y una vez maacutes se aplica enfriamiento y alta
la
egunda etapa para oxidarlo de nuevo
La contaminacioacuten s de aacutecido niacutetrico
as plantas maacutes antiguas eran faacutecilmente identificables por la fumarola cafeacute-
antas maacutes antiguas ahora mezcla cantidades
en Estados Unidos porque un 20
dedica ala produccioacuten de explosivos
or ultimo el aacutecido niacutetrico es un liacutequido que hierve a 826degC No existe como liacutequido
g
2NO(g) + O2(g) 2NO2(g)
El dioacutexido de nitroacutegeno se mezcla con agua para dar una solucioacuten de aacutecido niacutetrico
3NO2(g) + H2O(l)
presioacuten par obtener el maacuteximo rendimiento El monoacutexido de nitroacutegeno se vuelve a
s
soliacutea ser un problema importante de las planta
L
amarillento del dioacutexido de nitroacutegeno que escapaba por ellas Las plantas maacutes
antiguas eran faacutecilmente identificable por la fumadora cafeacute-amarillo del dioacutexido de
nitroacutegeno que escapaba de ellas Las pl
estequiomeacutetricas de amoniaco con las oacutexidos de nitroacutegeno con lo cual se obtiene
dinitroacutegeno y vapor de agua ambos inocuos
NO(g) + NO2 (g) + 2NH3(g) 2N2(g) + 3H2O(g)
En todo el mundo alrededor del 80 del aacutecido niacutetrico se utiliza en la produccioacuten de
fertilizantes Esta proporcioacuten es de solo el 65
se
P
puro porque en alguna medida se descompone espontaacuteneamente como sigue
4HNO3(l) 4NO2(g) + 2H2O(l) + O2(g)
Ingenieriacutea Quiacutemica 68
UAM-I
El aacutecido niacutetrico concentrado que se usa en el laboratorio estaacute al 68 en masa HNO3
(densidad 142 gcm3) lo que corresponde a 157 M
l aacutecido niacutetrico es un poderoso agente oxidante El nuacutemero de oxidacioacuten del N en el
) El aacutecido niacutetrico puede oxidar
nto a metales que estaacuten abajo del hidroacutegeno como aquellos que se encuentran
4Zn2+(ac) + NH4
+(ac) + 3H2O(l)
do no oxida al oro Sin embargo cuando se mezcla con
cido clorhiacutedrico concentrado en relacioacuten 13 en volumen (una parte de HNO3 a tres
partes al oro
omo sigue
APEacuteNDICE F
ETODO DE DEPOSICIOacuteN-PRECIPITACIOacuteN
E
HNO3 es + 5 Los productos maacutes comunes de la reduccioacuten del aacutecido niacutetrico son el
NO2 (N = + 4) el NO (N = + 2) y el NH4+ (N = - 3
ta
arriba en la serie de actividades Por ejemplo el cobre es oxidado por el aacutecido niacutetrico
concentrado como se mencionoacute antes
En presencia de reductores fuertes como el zinc metaacutelico el aacutecido niacutetrico se puede
reducir hasta ion amonio
4Zn(s) + 10H+(ac) + NO3
-(ac)
El aacutecido niacutetrico concentra
aacute
de HCl) la disolucioacuten resultante denominada agua regia puede oxidar
c
Au(s) + 3HNO3(ac) + 4HCl(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O(l) + 3NO2(g)
M
Ingenieriacutea Quiacutemica 69
UAM-I
APEacuteNDICE G
ISENtildeO DEL MEZCLADOR [4]
1) 100 ml H2O gr soporte
2) NH4(OH)
Ajustar a PH = 9 4) HAuCl4 (solucioacuten acuosa al 25E-3M)
6) Filtrado o centrifugado
3) En Agitacioacuten por 2 hr
8) Secado por 2hr a 80 degC
9 ) Calcinado por 4hr a 400 degC
7) Lavado
5) Antildeegamiento por 30 min
D
Ingenieriacutea Quiacutemica 70
UAM-I
El disentildeo de un tanque agitado dis n nuacutemero de elecciones sobre el
po y localizacioacuten del agitador las proporciones del tanque el nuacutemero y dimensiones
ada una de estas decisiones afectan a la velocidad
e circulacioacuten del liacutequido los modelos de velocidad y el consumo de potencia Como
pone de un gra
ti
de las placas deflectoras etc C
d
punto de partida en el disentildeo de los problemas ordinarios de agitacioacuten generalmente
se utiliza un agitador de turbina del tipo que se muestra en la figura 1 La proporcioacuten
tiacutepica es
31
=t
a
DD
1=tD
H 121
=tD
J 51
=aD
W 41
=aD
L
de estas ecuaciones se disentildeara el mezclador como datos se tiene el valor H que es
igual a 3 mts y el diaacutemetro del tanque D
Se determinara la medida de los reflectores
t que es igual 3 mts
121
=tD
J se despeja J
elacioacuten R31
=t
a
DD
se despeja Da
Relacioacuten
41
=aD
L se despeja L
elacioacuten se despeja W
( ) ( ) cmmtsmtsDJ 25250311==⎟
⎞⎜⎛=⎟
⎞⎜⎛= t 1212 ⎠⎝⎠⎝
( ) ( ) mtsmtsDD ta 1331
31
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=
( ) ( ) mtsmtsDL a 250141
41
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛= cm25=
51
=aD
WR
Ingenieriacutea Quiacutemica 71
UAM-I
Figura 2 a) Vista transversal del mezclador b) paletas del mezclador con la
donde se deposita el soporte
Figura 1 Medidas de un agitador de turbina
a) b)
s rejillas
H
J
E L
Da
D t
W
W
( ) ( ) cmmtsmtsDW a 2020151
5==⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎜⎝
=1 ⎞⎛
Ingenieriacutea Quiacutemica 72
UAM-I
IacuteNDICE
CAPITULO I
11 CONTAMINACIOacuteN ATMOSFEacuteRICA 3
12 OBJETIVO GENERAL 8
13 OBJETIVOS PARTICULARES 8
14 BIBLIOGRAFIacuteA 9
CAPITULO II
21 INTRODUCCIOacuteN 11
22 EXPERIMENTACIOacuteN 12
23 RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN 14
24 CONCLUSIOacuteN DE LA EXPERIMENTACIOacuteN 22
25 BIBLIOGRAFIacuteA 23
CAPITULO III
31 INTRODUCCIOacuteN 25
32 DISENtildeO DEL EQUIPO PURIFICADOR PARA CALENTADORES DE AGUA
DOMEacuteSTICOS 25
33 PRODUCCIOacuteN DE LA PLANTA INDUSTRIAL 27
34 DISENtildeO Y OPERACIOacuteN DE LA PLANTA 27
35 BALANCE DE MATERIA 31
36 DIAGRAMA DE LA INDUSTRIA 33
37 DIMENSIONES DE EQUIPO Y TUBERIacuteA 34
38 PLANO DE DISTRIBUCIOacuteN DE AacuteREAS 35
39 ANAacuteLISIS FINANCIERO 38
310 CONCLUSIONES 43
311 BIBLIOGRAFIacuteA 45
APEacuteNDICES 47
Catalizadores de Oro Soportado 1
UAM-I
C A P I T U L O I
I N T R O D U C C I Oacute N
Catalizadores de Oro Soportado 2
UAM-I
11 CONTAMINACIOacuteN ATMOSFEacuteRICA
La atmoacutesfera es esencial para la vida por lo que sus alteraciones debido a
actividades antropogeacutenicas tiene gran repercusioacuten en el hombre en otros seres
vivos en los ecosistemas y de manera general en todo el planeta
Una atmoacutesfera contaminada puede dantildear la salud de las personas y afectar a la vida
de las plantas y animales Ademaacutes los cambios que se producen en la composicioacuten
quiacutemica de la atmoacutesfera pueden causar cambios en el clima producir lluvia aacutecida
smog fotoquiacutemico o destruir el ozono de la estratosfera Estos fenoacutemenos presentan
entonces una gran importancia global Actualmente queda clara la urgencia de
conocer estos procesos asiacute como de tomar las medidas necesarias para evitar
situaciones criacuteticas para la vida de la humanidad y de la biosfera
En particular el monoacutexido de carbono (CO) es un gas incoloro e inodoro que se
produce por la combustioacuten incompleta de combustibles foacutesiles como gas natural
(GN) gasolina queroseno carboacuten petroacuteleo o madera Los automoacuteviles con motores
de ignicioacuten a chispa son unas de las principales fuentes de emisioacuten de CO Las
chimeneas las calderas los calentadores de agua o calefones y los aparatos
domeacutesticos que queman combustible como las estufas tambieacuten pueden emitir CO [1] Asiacute tambieacuten el humo del cigarrillo es una fuente importante de CO en interiores
La exposicioacuten a CO puede contribuir a la disminucioacuten del suministro de oxiacutegeno en el
torrente sanguiacuteneo debido a que la afinidad de la hemoglobina al CO es mayor que
al O2 esto causa la formacioacuten de carboxihemoglobina (COHb) y escasez de oxiacutegeno
en la sangre Los siacutentomas son similares a la sensacioacuten de fatiga que se
experimenta con la altura o cuando se padece de anemia La exposicioacuten prolongada
a altas concentraciones de CO puede incrementar el riesgo a enfermedades del
corazoacuten y los pulmones El riesgo es maacutes alto en nintildeos ancianos mujeres
embarazadas y personas que sufren enfermedades cardiacuteacas croacutenicas[2] La
concentracioacuten de COHb se relaciona directamente con los niveles de CO en el
ambiente el tiempo de exposicioacuten y el grado de actividad fiacutesica realizado Las
normas recomendadas por la Organizacioacuten Mundial para la Salud para el CO son las
Catalizadores de Oro Soportado 3
UAM-I
siguientes 86 ppm por periacuteodos que no excedan los 15 minutos y 50 ppm por 30
minutos
Estas se establecieron para evitar que los niveles de COHb en personas que no
fumen no excedan el 3 En EUA la norma es 35 ppm para un periodo de una hora
y de 9 ppm para 8 horas La norma mexicana es la misma para el periodo de una
hora pero 44 maacutes tolerante para el periacuteodo de 8 horas (13 ppm8h) [3]
La Figura 1 Indica el tiempo de exposicioacuten al CO y los porcentajes de concentracioacuten
del mismo en aire De acuerdo a la zona en que cae la interseccioacuten es posible
establecer el grado de afectacioacuten sobre la salud
Figura 1 Concentracioacuten de CO tiempo de exposicioacuten y efectos en la salud [4]
Actualmente el Gas LP es auacuten el combustible domeacutestico usado en nuestro paiacutes [5]
Si la cantidad de oxiacutegeno que se mezcla con el Gas LP es insuficiente la combustioacuten
resulta incompleta y en los productos aparece el CO En cambio cuando la cantidad
Catalizadores de Oro Soportado 4
UAM-I
de oxiacutegeno del aire que se mezcla con el gas es la estequiomeacutetrica o mayor y
ademaacutes se combina en forma eficiente se obtienen como productos principales CO2
y H2O
Los aparatos domeacutesticos que producen mayor cantidad de CO son los calentadores
(conocidos tambieacuten como calefones) calefactores y cocinas (Figura 2)
Figura 2 Principales emisores domeacutesticos y su contribucioacuten en la concentracioacuten de
CO en interiores usando como combustible el Gas LP [6]
Se puede observar que los calentadores de agua (calefones) son los equipos
domeacutesticos que causan la mayor contribucioacuten a la emisioacuten de CO en interiores La
Tabla 1 Muestra los porcentajes de combustibles usados en los calentadores de
agua en las viviendas de la Zona Metropolitana del Valle de Meacutexico (ZMVM) en
1990 asiacute como las emisiones de los contaminantes que producidas durante la
operacioacuten de dichos equipos
El Inventario de 1998 de las Emisiones de la ZMVM proporciona meacutetodos para la
determinacioacuten de las concentraciones de los contaminantes del efluente de un
calentador usando como combustible Gas LP[8]Las concentraciones determinadas
se muestran en la Tabla 2
Catalizadores de Oro Soportado 5
UAM-I
Tabla 1 Emisiones asociadas a los combustibles utilizados en viviendas de la ZMVM
en 1990 [7]
GLP GN Lentildea Total
Viviendas que utilizaron cada Combustible 620 21 17 658
Combustible Consumido 29020 0984 1983 31987
Emisiones en Tonantildeo
PM10 647 01 ND 647
SO2 01 03 ND 04
CO 3002 186 ND 3188
NOx 20321 435 ND 20756
HC 762 52 ND 814
Tabla 2 Concentraciones en la emisioacuten de un calentador domeacutestico con Gas LP[8]
Tipo de Combustible CO NOx HC SO2 PM10 Unidades
Gas LP 024 174 0064 00027 054 Kgm3
Los oacutexidos de nitroacutegeno (NOx) contribuyen en mayor cantidad al total de las
emisiones gaseosas en los calentadores que utilizan Gas LP seguidos por el CO
Debido a esto se han propuesto diferentes medidas de control que van desde el
disentildeo de calentadores maacutes eficientes (teacutecnicas limpias) hasta el control de las
emisiones mediante filtros y catalizadores ambientales (teacutecnicas de limpieza)
La oxidacioacuten no cataliacutetica de CO es posible soacutelo a alta temperatura (700oC) el paso
limitante es la disociacioacuten teacutermica de O2 Mientras que la oxidacioacuten cataliacutetica requiere
del contacto entre CO y O2 en la superficie cataliacutetica Por esto una vez que ambas
moleacuteculas llegan a los sitios activos el O2 se disocia raacutepidamente Posteriormente
Catalizadores de Oro Soportado 6
UAM-I
ocurre la interaccioacuten entre CO y O en sitios adyacentes para formar un complejo
activado (Paso limitante) que posteriormente pasa a CO2
El presente trabajo aborda el tema del control cataliacutetico de emisiones de CO abaja
temperatura En particular se postula el desarrollo de un catalizador de oro soportado
en aluacutemina (Al2O3) para la oxidacioacuten de CO y su posible aplicacioacuten a diferentes
aparatos domeacutesticos como calentadores de agua estufas hornos turbinas
industriales etc
La siacutentesis y aplicacioacuten de catalizadores de oro a diversos problemas ambientales se
ha reportado desde hace 10 antildeos Haruta et al[9] fueron los primeros en encontrar la
actividad de nanopartiacuteculas de Au soportadas en la oxidacioacuten de CO a baja
temperatura Actualmente se sabe que la oxidacioacuten de CO a baja temperatura (T lt
70oC) requiere de un catalizador con pequentildeas partiacuteculas de oro (lt 5 nm)
soportadas preferentemente sobre un oacutexido de metales de la primera serie de
transicioacuten por ejemplo TiO2 y α-Fe2O3 [10] El tamantildeo de las partiacuteculas de oro en
estos catalizadores cae en el intervalo de las nanopartiacuteculas
La actividad cataliacutetica de estos se ha relacionado a los sitios localizados en la
interfase metal-soporte por lo que el soporte juega un papel vital en la actividad
cataliacutetica de estos materiales Con base en los resultados reportados puede
plantearse que la obtencioacuten de nanopartiacuteculas estables cataliacuteticamente activas estaacute
directamente relacionada con las condiciones de siacutentesis la tasa y temperatura de
calcinacioacuten Los catalizadores de oro soportado han presentado resultados
importantes que han sugerido tambieacuten la aplicacioacuten potencial en la oxidacioacuten de
hidrocarburos (selectiva y no selectiva) la hidrogenacioacuten de CO y en la reduccioacuten de
NOx con H2 C3H6 o CO[11] La hidrogenacioacuten de hidrocarburos no saturados tambieacuten
puede ocurrir sobre catalizadores de oro soportado siempre y cuando el oro este
altamente disperso en el soporte
Hasta este punto se ha visto que el CO es un contaminante muy toxico siendo un
compuesto que provoca dantildeos severos en la salud del ser humano y en general al
Catalizadores de Oro Soportado 7
UAM-I
medio ambiente Por lo que se requiere reducir las concentraciones principalmente
dentro de los hogares La idea baacutesica de este proyecto fue disentildear un dispositivo
cataliacutetico que permita reducir las emisiones de CO en los calentadores hasta en un
90 de su concentracioacuten inicial En el Capiacutetulo 2 se describen la siacutentesis y
caracterizacioacuten de catalizadores Auγ-Al2O3 preparados por los meacutetodos de
impregnacioacuten y deposicioacuten-precipitacioacuten asiacute como la actividad en la oxidacioacuten de una
mezcla de CO e H2 Por uacuteltimo en el capitulo 3 se presenta el disentildeo de una planta
industrial para la fabricacioacuten de dichos dispositivos cataliacuteticos uacutetiles en la oxidacioacuten
de CO de los efluentes de calentadores de agua domeacutesticos
12 OBJETIVO GENERAL Dimensionar disentildear y estimar el costo de una planta productora de catalizadores de
oro en la oxidacioacuten del CO para aplicacioacuten a equipos de calentamiento de agua
domeacutesticos
13 OBJETIVOS PARTICULARES - Siacutentesis del catalizador por los meacutetodos de Impregnacioacuten y Deposicioacuten-
Precipitacioacuten
- Caracterizacioacuten de catalizadores por Absorcioacuten Atoacutemica Adsorcioacuten Fiacutesica
Difraccioacuten de Rayos X y Microscopia Electroacutenica de Transmisioacuten
- Evaluacioacuten de catalizadores en la oxidacioacuten de CO
- Obtener el mejor meacutetodo de preparacioacuten para tener una buena distribucioacuten de
nanopartiacuteculas de Au soportadas en γ-Al2O3 con alta actividad a baja
temperatura
- Disentildear la planta industrial para la produccioacuten de catalizadores uacutetiles en la
oxidacioacuten de CO
- Evaluar la viabilidad del proceso
Catalizadores de Oro Soportado 8
UAM-I
14 BIBLIOGRAFIacuteA
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Catalizadores de Oro Soportado 9
UAM-I
C A P I T U L O II
E X P E R I M E N T A C I Oacute N
Catalizadores de Oro Soportado 10
UAM-I
2 1 INTRODUCCIOacuteN
Existen reportes [6] sobre la actividad de catalizadores Auγ-A12O3 AuCo3O4 AuNiO
sintetizados por diferentes meacutetodos (co-precipitacioacuten deposicioacuten-precipitacioacuten e
impregnacioacuten etc) en la oxidacioacuten de H2 y CO La actividad se ha relacionado a un
efecto combinado entre Au y los oacutexidos metaacutelicos utilizados como soporte Sin
embargo una alta actividad cataliacutetica en la oxidacioacuten de CO e H2 estaacute directamente
relacionada al tamantildeo de partiacutecula de Au y la dispersioacuten de eacutestas en el soporte[7]
Algunos trabajos[8-9] indican que a menor tamantildeo de partiacutecula mayor actividad y
mayor estabilidad del catalizador
En el presente trabajo se prepararon catalizadores de Au soportado sobre γ-Al2O3
con un tamantildeo promedio de partiacuteculas de Au de 5 nm y alta dispersioacuten Se utilizaron
dos meacutetodos de preparacioacuten diferentes impregnacioacuten y deposicioacuten-precipitacioacuten
variando el contenido de oro de 007 a 1 en peso de Au Los catalizadores se
evaluaron en la oxidacioacuten de una mezcla de CO e H2 y fueron caracterizados por
difraccioacuten de rayos x microscopia electroacutenica absorcioacuten atoacutemica y absorcioacuten fiacutesica
Los resultados indican que efectivamente la actividad depende del tamantildeo de
partiacutecula y el contenido de Au en el catalizador En particular el catalizador con 035
en peso de Au presentoacute 100 de conversioacuten en ambas reacciones sin indicios de
desactivacioacuten durante 24 h continuas de operacioacuten a velocidades espaciales (GHSV)
mayores que 10 000 h-1 Con esto se pretende contribuir al desarrollo de
catalizadores ambientales que permitan disminuir las emisiones nocivas
provenientes de fuentes fijas y moacuteviles de nuestro paiacutes
Catalizadores de Oro Soportado 11
UAM-I
22 EXPERIMENTACIOacuteN
Siacutentesis de Catalizadores
Meacutetodo de DP Se dispersoacute 1 g de γ-Al2O3 (Ketjen) en 100 mL de agua tridestilada y
se adicionoacute NH4(OH) (JT Baker) (01M) hasta obtener un pH de 9 Posteriormente
se agregoacute por goteo durante 2 h 20 mL de una solucioacuten de AuCl3 (9998 Aldrich)
(25x 10-3 M) Despueacutes se agitoacute por 30 min y se filtroacute y lavoacute con agua destilada con
10 veces el volumen total inicial Por ultimo el soacutelido resultante se secoacute a 80degC por 2
h y se calcinoacute a 400degC por 4 h
Meacutetodo de IMP Se dispersoacute 1 g de γ-A12O3 en 100 mL de agua tridestilada por 30
min A esta mezcla se le antildeadioacute lentamente 20 mL de una solucioacuten de AuCl3 (25x10-
3M) y se mantuvo en agitacioacuten 720 min Durante este tiempo se ajustoacute el pH a 9 por
medio de la adicioacuten de una solucioacuten acuosa de Na2CO3 (JT Baker) El soacutelido se
filtroacute y lavoacute con 500 mL de agua tridestilada caliente (95degC) para eliminar los iones de
cloro que podriacutean afectar la actividad cataliacutetica Finalmente se secoacute a 120degC 24 h y
se calcinoacute a 400degC por 4 h
Los catalizadores preparados por el meacutetodo de DP e IMP se les llamaraacuten de aquiacute en
adelante x-Auγ-Al2O3-DP y muestra x-Auγ-Al2O3-IMP respectivamente donde x
indica el en peso de Au en el catalizador
Caracterizacioacuten de Catalizadores Absorcioacuten Atoacutemica La cantidad de oro en cada uno de los catalizadores se
determinoacute por absorcioacuten atoacutemica (SpectrAA-20 Varian) Antes de las mediciones el
equipo fue calibrado con una solucioacuten estaacutendar de Au (Sigma) Una muestra de cada
catalizador (01g) se disolvioacute en agua regia a temperatura ambiente la cual se
preparoacute mezclando 200 ml de HCl concentrado y 100 mL de HNO3 concentrado
Adsorcioacuten Fiacutesica La isoterma de adsorcioacuten fiacutesica de N2 a 75 K de cada catalizador
se obtuvo en un equipo automatizado Quantachrome Autosorb Automated A partir
de estos datos se determinoacute el aacuterea BET el radio y el volumen promedio de poro
Catalizadores de Oro Soportado 12
UAM-I
Difraccioacuten de Rayos X Se realizoacute en un difractoacutemetro Siemens D500 en un entrono
angular de 4 a 64ordm en 2θ La radiacioacuten Cuκα se seleccionoacute con un difractor de un haz
de luz monocromaacutetico
Microscopia Electroacutenica de Transmisioacuten (TEM) Se utilizoacute un Microscopio Electroacutenico
de Transmisor Mod EM910 Zeiss operando a un voltaje de 120 kV y con una
ampliacioacuten de 400000 aumentos Para la preparacioacuten de las muestras se tomaron
005 g de cada una y se disolvieron en alcohol etiacutelico y se sometieron a ultrasonido
(Branson 2210) por 5 min Posteriormente se colocaron las rejillas en porta objetos y
se agregoacute una gota de la solucioacuten del catalizador dejando secar a temperatura
ambiente hasta su medicioacuten
Evaluacioacuten cataliacutetica Las medidas de actividad cataliacutetica en la oxidacioacuten de CO e H2
CH4 y C2H8 se realizaron en un microreactor de cuarzo de lecho fijo en el cual se
colocaron en todos los casos 030 g de catalizador y se utilizoacute un flujo total de 100
mLmin Para la oxidacioacuten de CO se utilizoacute una mezcla con 1 CO 05 O2 033
H2 en N2 para las pruebas en condiciones estequiomeacutetricas y con 1 CO 21 O2
033 H2 en N2 para los experimentos en exceso de O2 El efluente fue analizado
por cromatografiacutea de gases (GC-12 A Shimadzu C-RGA con una columna SFE-1)
con detector de conductividad teacutermica Para la combustioacuten de CH4 se uso una
mezcla con 1 CH4 2 O2 97 N2 y para la combustioacuten de C3H8 una mezcla con
1 C3H8 2 O2 97 N2 En todos los experimentos la temperatura de operacioacuten
fue de 25 a 400 degC y la velocidad espacial fue 10146 h-1
Catalizadores de Oro Soportado 13
UAM-I
23 RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN
Absorcioacuten Atoacutemica y Adsorcioacuten Fiacutesica La Tabla 1 muestra los contenidos de Au
el Aacuterea BET (ABET) el volumen promedio de poro (VP) y el radio promedio de poro
(RP) para los catalizadores preparados
Se puede observar que el aacuterea BET de la γ-Al2O3 se modifica con la adicioacuten de Au El
aacuterea BET entre la γ-Al2O3 pura y la muestra DP concuerdan con lo reportado[10-11] de
que a mayor porcentaje de Au mayor es el aacuterea superficial sin embargo el aacuterea BET
del catalizador 007-Auγ-Al2O3-IMP que tiene un menor porcentaje de Au presenta
la mayor aacuterea BET Sin embargo aunque el radio promedio de poro es casi el mismo
para las tres muestras el catalizador 007-Auγ-Al2O3-IMP presenta el mayor
volumen promedio de poro Esto podriacutea deberse a que el meacutetodo de preparacioacuten
utilizado causoacute la generacioacuten de una mayor porosidad en la γ-Al2O3 en lugar de la
impregnacioacuten de una mayor cantidad de Au Las isotermas de adsorcioacuten de los
catalizadores fueron del tipo IV y semejantes en forma a la de la γ-Al2O3 (Figura 1)
La Figura 2 muestra que la distribucioacuten de tamantildeo de poros se centra dentro del
mismo margen para las tres muestras y se aprecia la presencia de mesoporos entre
los 50 y 125 Aring
Tabla 1 Contenido Au y caracteriacutesticas texturales en los catalizadores
Catalizador Au ( en peso) ABET (m2g) RP (Aring) VP (ccg)
γ-Al2O3 000 183 78 0489
IMP 007 301 79 0743
DP 035 215 78 0518
IMP 100
No se ha determinado
Catalizadores de Oro Soportado 14
UAM-I
0
100
200
300
400
500
0 02 04 06 08
PPo
Vads
(cm
3g)
STP
-Al2O3
035-Au -Al2O3-DP
007-Au -Al2O3-IMP
1
Figura 1 Isotermas de adsorcioacuten y desorcioacuten de N2 de los catalizadores Auγ-Al2O3
ifraccioacuten de Rayos X La Figura 3 muestra los patrones de difraccioacuten de Rayos X
0
0004
0008
0012
0016
002
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
Rp [A]
Dv(
r) [c
m3
Ag]
-Al2O3
035-Au -Al2O3-DP
007-Au -Al2O3-IMP
Figura 2 Distribucioacuten de tamantildeo de poros
D
de los catalizadores Se observa que todos son caracteriacutesticos de la γ-Al2O3 Es
imposible identificar la presencia del Au esto debido al pequentildeo porcentaje y la alta
Catalizadores de Oro Soportado 15
UAM-I
dispersioacuten del Au contenido en cada uno de los catalizadores Sin embargo para el
caso de que se tuviese mayor cantidad de Au el difractograma podriacutea presentar un
pico alrededor de los 38deg en 2θ el cual indicariacutea la presencia de Au A partir de esta
sentildeal y la ecuacioacuten de Scherrer algunos autores han calculado el tamantildeo promedio
de las partiacuteculas de oro en catalizadores soportados
Microscopia Electroacutenica Transmisioacuten (MET) En la Figura 4 se presentan las
casos los
imaacutegenes de MET para la γ-Al2O3 y los catalizadores 035-Auγ-Al2O3-DP y 007-Auγ-
Al2O3-IMP En ambos catalizadores el tamantildeo de partiacutecula se encuentra es mayor
que 2 nm pero menor o igual que 5 nm En ambos casos los resultados indican que
las partiacuteculas de oro estaacuten dispersadas de manera uniforme en el soporte
Se encuentra es mayor que 2 nm pero menor o igual que 5 nm En ambos
resultados indican que las partiacuteculas de oro estaacuten dispersadas de manera uniforme
en el soporte
Figura 3 Patrones de Difraccioacuten de Rayos X de los catalizadores Auγ-Al2O3
Catalizadores de Oro Soportado 16
UAM-I
Figura 4 Imaacutegenes de MET para (a) γ-Al2O3 (b) 035-Auγ-Al2O3-DP y (c) 007-Auγ-
Al2O3-IMP
Catalizadores de Oro Soportado 17
UAM-I
Se sabe que la alta actividad cataliacutetica del oro esta relacionada con su tamantildeo esto
quiere decir que entre maacutes pequentildeas sean las partiacuteculas mayor actividad tendraacuten
nes estequiomeacutetricas el catalizador 007-Auγ-Al2O3-
P no mostroacute actividad para la oxidacioacuten de CO e H2 sin embargo al operar la
por lo tanto de las imaacutegenes anteriores se tiene que el meacutetodo DP es el maacutes
adecuado por lograr depositar mayor cantidad de Au con gran dispersioacuten y un
tamantildeo de partiacuteculas pequentildeo
Actividad Cataliacutetica A condicio
IM
misma muestra con un exceso de O2 la actividad inicioacute a partir de 140oC alcanzando
una conversioacuten maacutexima de 8748 a 400 degC (Figura 5) En vista de este uacuteltimo
resultado se decidioacute evaluar el catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP a las mismas
condiciones de exceso de O2 En este caso la actividad cataliacutetica inicioacute por debajo de
los 30oC incrementaacutendose casi linealmente con la temperatura hasta lograr una
conversioacuten maacutexima de 9367 a 127degC La diferencia en actividad entre ambos
catalizadores es notable Auacuten a muy bajos contenidos de Au el catalizador 007-Auγ-
Al2O3-IMP presenta una actividad importante sin embargo al aumentar cinco veces
este contenido (035) y manteniendo el tamantildeo de partiacutecula es posible disminuir la
temperatura de encendido calculada como la temperatura a la cual se logra el 50
de conversioacuten (T50) en 175oC Un uacuteltimo estudio fue la evaluacioacuten del catalizador
10-Auγ-Al2O3-IMP el cual presenta una T50 de 290 degC(ver Figura 5) la cual es 40 degC
mayor que el catalizador 007-Auγ-Al2O3-IMP auacuten cuando el contenido de Au es
mayor La Figura 5 muestra tambieacuten la comparacioacuten de estos resultados con
trabajos anteriores[10] en los que utilizan el catalizador 5-Auγ-Al2O3-IMP a
condiciones estequiomeacutetrica en este caso T50 es de 215 degC tan solo 35 degC de
diferencia en comparacioacuten con el catalizador 007-Auγ-Al2O3-IMP La diferencia en el
contenido de Au es 15 veces menor En general al trabajar en condiciones en exceso
de O2 se tiene una mayor conversioacuten a una menor temperatura por lo que se
esperariacutea que los resultados del catalizador 5-Auγ-Al2O3-IMP bajo condiciones de
exceso fueran mejores sin embargo los autores no presentan estos resultados
Catalizadores de Oro Soportado 18
UAM-I
El catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP alcanzoacute 100 de conversioacuten a 176 degC a
condiciones de exceso de O2 (Figura 5) esta conversioacuten se mantuvo por 24 h sin
presentar indicios de desactivacioacuten (Figura 6) KRuth [12] reporta desactivacioacuten del
catalizador 10-Auγ-TiO2 a partir de 80 minutos de operacioacuten con una velocidad
espacial de 1x104 h-1 El catalizador fue preparado por deposicioacuten y contiene nano-
particulas (2-5nm) soportadas en TiO2 Sin embargo el catalizador logra 100 de
conversioacuten a 0 degC Esto es debido a que los catalizadores AuTiO2 presentan mayor
actividad a temperaturas bajas La Figura 6 muestra tambieacuten la conversioacuten reportada
por Seung-Jae[11] del catalizador 043-Auγ-Al2O3-IMP en donde la temperatura de
operacioacuten es de 25 degC sin embargo se tiene una desactivacioacuten apreciable a partir de
150 minutos de operacioacuten con una velocidad especiales de 8x10 h-1
Figura 5 Conversioacuten del CO para los catalizadores de 007-Auγ-Al2O3-IMP 10-
os resultados de conversioacuten del hidroacutegeno (Figura 7) muestran conversioacuten del 100
10 a 035 es de 20 degC
Auγ-Al2O3-IMP y de 035-Auγ-Al2O3-DP en condiciones de operacioacuten en exceso de
O2 la tasa de temperatura es de 2degC por minuto Datos Referencia [10]
L
por debajo de 150 degC con el catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP mientras que el
catalizador 007-Auγ-Al2O3-IMP logra conversioacuten completa hasta 270oC y para el
catalizador 10-Auγ-Al2O3-IMP se tiene una conversioacuten del 100 hasta 310 degC lo
cual indica que los tres catalizador son activos para ambas reacciones y que se
mantiene la tendencia observada para la oxidacioacuten de CO La disminucioacuten en T50 al
aumentar el contenido de Au de 007 a 035 es de 140oC mientras que para la de
Catalizadores de Oro Soportado 19
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado 20
Figura 6 Variacioacuten de la conversioacuten con respecto al tiempo para la muestra de DP a
una temperatura de 180 degC Datos Referencia [11]
Figura 7 Oxidacioacuten de H sobre los catalizadores 035-Au2 γ-Al2O3-DP 007-Auγ-
Al2O3-IMP y 10-Auγ-Al2O3-IMP bajo condiciones de exceso de O2
La Figura 8 muestra como varia la temperatura de encendido con la cantidad de Au
en los catalizadores preparados en este trabajo Se observa un miacutenimo para el
catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP lo cual indica que la mayor actividad se logra a bajos
contenidos de Au y tamantildeos de partiacutecula menores que 5 nm
0
20
40
60
80
0 200 400 600 800 1000Tiempo (min)
Con
vers
ioacuten
de C
O (
) 100
035-Au -Al2O3-DP (176 degC)
043-Au -Al2O3-IMP (25 degC)
0
20
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Temperatura (degC)
40
60
Con
vers
ioacuten
de H
2 (
)
80
100
10-Au -Al2O3-IMP035-Au -Al2O3-DP007- Au -Al2O3-IMP50-Au -Al2O3-IMP
UAM-I
F
o
P
o
o
re
d
F
c
C
T50 (degC)
igura 8 Variacioacuten de la te
xidacioacuten de CO con respect
or ultimo se realizaron cu
peracioacuten pero variado la
btenidos se muestran en la
accioacuten presentan una tend
e catalizador
00000
00040
00080
00120
00160
00200
0
(-rc
o)
00000
igura 9 Velocidad de reac
ondiciones en exceso de O2
atalizadores de Oro Soportado
masa Au
mperatura de encendido a 50 de conversioacuten en la
o a la cantidad de Au en el catalizador
atro corridas maacutes bajo las mismas condiciones de
masa de catalizador Las velocidades de reaccioacuten
fig9En esta figura se observa que las velocidades de
encia lineal despueacutes de los 80degC al aumentar la masa
50 100 150 200 250 300T (degC)
3 gr cat
25 gr cat
2 gr cat
15 gr cat
1 gr cat
cioacuten de CO a diferentes masas de catalizador y bajo
21
UAM-I
Se tomo una temperatura de 125 degC debido a las mediciones realizadas en
diferentes calentadores domeacutesticos Se encontroacute que la temperatura media es la
mencionada A partir de los datos experimentales se determinoacute que el orden de
reaccioacuten es 13 y la constante cineacutetica k = 480945 (m3)13[(mol)03m3cat hr] (00012
mhr) y un coeficiente de transferencia de masa de 792 mhr (ver apeacutendices A) con
estos valores y usando los criterios de Weisz-Prater y Mears[14] (ver apeacutendice B) se
obtuvo que no existe resistencia interna ni externa a la transferencia de masa por lo
que la cineacutetica es la que controla
24 CONCLUSIOacuteN DE LA EXPERIMENTACIOacuteN El meacutetodo de DP es mucho maacutes adecuado que el de IMP para la preparacioacuten de
catalizador de Au soportados en γ-Al2O3 ya que permitioacute obtener catalizadores con
cinco veces maacutes oro que el preparado por el meacutetodo IMP bajo condiciones similares
de preparacioacuten En ambos casos el tamantildeo promedio de partiacutecula fue menor que 5
nm Debido a esto el catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP presenta una mayor actividad
en la oxidacioacuten de CO e H2 sin observarse desactivacioacuten durante un periodo de 24 h
Puesto que en ambas muestras se consiguioacute una gran dispersioacuten y un tamantildeo
similar de nanopartiacuteculas de oro se tiene entonces que la principal diferencia de
actividad cataliacutetica se debe principalmente a la cantidad de Au en el catalizador Sin
embargo el catalizador 10-Auγ-Al2O3 presenta una menor conversioacuten que el de
035-Auγ-Al2O3-DP a pesar de contener maacutes Au por lo que hasta el momento se
podriacutea decir que la cantidad de Au optima se encuentra por debajo de 10 wt y por
arriba de 007 wt no obstante se requiere de la caracterizacioacuten del catalizador 10-
Auγ-Al2O3 se para determinar de que manera influyen el tamantildeo de partiacuteculas la
distribucioacuten el volumen y el tamantildeo de poro en los resultados esta caracterizacioacuten
asiacute como la evaluacioacuten cataliacutetica del catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP bajo
condiciones estequiomeacutetricas se encuentran en proceso
Catalizadores de Oro Soportado 22
UAM-I
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Catalizadores de Oro Soportado 23
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C A P I T U L O III
D I S E Ntilde O D E L A P L A N T A I N D U S T R I A L
Catalizadores de Oro Soportado 24
UAM-I
31 INTRODUCCIOacuteN
Este capitulo esta enfocado al disentildeo de la planta industrial donde se produciraacuten
catalizadores de Auγ-Al2O3 por el meacutetodo de Deposicioacuten-Precipitacioacuten (DP) descrito
en el capitulo 2
Parte de la produccioacuten de los catalizadores se destinaraacute a su venta en masa y otra
parte se destinaraacute para el equipo de purificacioacuten de calentadores de agua esto con
la finalidad que el catalizador que esta contenido dentro del equipo de purificacioacuten
cuando se desactive pueda remplazarse por catalizador nuevo disponible en el
mercado De esta forma se tendraacuten ganancias tanto al vender el equipo purificador
como al vender catalizador como materia prima
32 DISENtildeO DEL EQUIPO PURIFICADOR PARA CALENTADORES DE AGUA DOMEacuteSTICOS El equipo purificador se ubicaraacute a la salida del efluente gaseoso del calentador como
un equipo adicional como se muestra en la Figura 1 Se plantea colocarlo en una
posicioacuten tal que oxide a baja temperatura hasta el 90 de CO Las dimensiones del
purificador se determinaron seguacuten las especificaciones de calentador y el balance de
materia en el sistema purificador Estos caacutelculos se presentan en el Apeacutendice A
Los tubos de las chimeneas de los calentadores son de latoacuten por lo que se decidioacute
utilizar este material para la parte exterior la parte donde se colocaraacute el catalizador
es de 35 cm de longitud para colocarlo en el tubo de la salida del flujo de gas se
dieron 2 cm maacutes en cada extremo para hacer un tipo cople de manera que el tubo
entre en los extremos
Catalizadores de Oro Soportado 25
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C O 2 2 0 c m 7 c m c m G A S C O
3
2cm
75 cm 35 cm
Figura 1 Esquematizacioacuten del equipo purificador y su ubicacioacuten en los calefones
Las dimensiones obtenidas (Apeacutendice A) y las caracteriacutesticas del purificado se
presentan en la Tabla 1
Tabla 1 Especificaciones de purificador
Material Latoacuten
Longitud 35 cm
Diaacutemetro 20cm
Cantidad de
Catalizador
700 gr
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UAM-I
33 PRODUCCIOacuteN DE LA PLANTA INDUSTRIAL A partir de un estudio de mercado se encontroacute que en la Ciudad de Meacutexico hay
cuando menos cuatro empresas principales (CALOREX ELSA MAGAMEX y
CINSA) que fabrican calentadores de agua residenciales[1 2] Estas en promedio
producen 150 calefones diarios Por cada calefoacuten se requiere un equipo purificador
En este sentido de requieren idealmente 600 unidades de purificacioacuten por diacutea Esta
base se utilizoacute para el disentildeo de la planta
A partir del balance de masa en el purificador y empleado los resultados
experimentales a nivel laboratorio (ver apeacutendice A) se encontroacute que cada purificador
requiere 07 Kg de catalizador A partir de este resultado se requiere producir al
menos 420 Kg de catalizador para satisfacer la demanda en la produccioacuten de
calefones Con base en el balance de materia realizado en el mezclador se
determinoacute que la cantidad de catalizador obtenido despueacutes de cuatro lotes es de
570 Kg Tomando el resto de catalizador como reserva por cualquier contratiempo El
nuacutemero de lotes se determinoacute en base a que fuese rentable la recuperacioacuten de oro
34 DISENtildeO Y OPERACIOacuteN DE LA PLANTA
La fabricacioacuten del catalizador a nivel industrial esta basada en el escalamiento del
meacutetodo de siacutentesis descrito en la parte experimental Lo cual es una praacutectica comuacuten
en la fabricacioacuten de materiales cataliacuteticos
Para la produccioacuten de 570 Kg por diacutea se plantea utilizar cuatro mezcladores (ver
Figura 2) que operaran durante 8 h con cuatro intervalos (o cargas) de 2 h y
descansos de 30 min (dejando 30 min libres por contratiempos) Esta operacioacuten se
elige con base en las horas de trabajo y el meacutetodo de preparacioacuten del catalizador
Al igual que en la parte experimental el proceso requiere operacioacuten por lotes debido
a que se necesitan largos tiempos de contacto para obtener catalizadores eficientes
en la oxidacioacuten de CO a baja temperatura Se pretende utilizar un agitador tipo
Catalizadores de Oro Soportado 27
UAM-I
canastilla[4] el cual permite colocar dentro de las mismas el catalizador para tener
una mejor impregnacioacuten de partiacuteculas de Au y eliminar la atricioacuten Las dimensiones
del agitador asiacute como del mezclador se presentan en la Figura 6
Al teacutermino de la uacuteltima carga en los mezcladores el lote completo del diacutea pasa al
horno para secarlo a 80degC por 2 h y calcinarlo a 400degC durante 4 h Durante estos
procesos se concluye la preparacioacuten del catalizador Las temperaturas y tasas de
calentamiento estaacuten basadas en el meacutetodo de preparacioacuten experimental descrito en
el Capitulo ll Posteriormente el catalizador producido pasa a la seccioacuten donde se
embolsa para ser vendido como materia prima y la otra parte pasa a la seccioacuten de
ensamblaje para fabricar el purificador
Dimensiones de la industria
Las dimensiones de los equipos como mezcladores cisternas tanque de
tratamiento horno etc se tomaron como base para poder suponer espacios entre
equipos para tener seguridad del personal Se dio preferencia a los mezcladores ya
que son las partes importantes en la elaboracioacuten de los catalizadores La cisterna
estaraacute enterrada para facilitar su llenado en el caso de los contenedores de HAuCl4
y NH4OH estaraacuten encima de bases maacutes altas que los mezcladores para poder
abastecerlos por gravedad Esto debido a que el volumen es poco no se requiere de
grandes cantidades por lo que no se requiere alguna bomba Se estuvo analizando
la forma de acomodar los equipos y se obtuvo la siguiente distribucioacuten que se
muestra en la Figura 3
En la Figura 4 se presenta el plano de la industria con sus respectivos
departamentos en la parte sur se encuentra la entrada principal en ella se encuentra
vigilancia y la entrada de empleados y obreros posteriormente esta la zona de
oficinas lado izquierdo del lado derecho se encuentra el estacionamiento para
clientes y empleados en el almaceacuten se encontraraacuten refacciones de equipo y
reservas de materia primas para los catalizadores en la zona de produccioacuten se tiene
el estacionamiento de proveedores para facilitar la entrada y salida del producto
Catalizadores de Oro Soportado 28
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado 29
Debido a que en cada industria debe existir un espacio recreativo se plantea una
cancha de Baacutesquetbol para los obreros y una zona de jardines en la parte norte
Ubicacioacuten de la industria
Para poder ubicar una industria es importante analizar la zona geograacutefica Para lo
cual se deben considerar algunos factores importantes por ejemplo No ubicarla en
zona de siacutesmica Si la industria requiere de un gran volumen de agua no ubicarla en
una regioacuten deseacutertica Si el producto es muy sensible al calor y la humedad evitar
zonas muy caacutelidas y huacutemedas Si se piensa vender el producto en una zona
especifica ubicar la industria cerca de la zona de venta para evitar gastos de
transportacioacuten A partir de este tipo de razonamientos se planea que debido a que el
producto que se elaborara que es un purificador cataliacutetico para su venta en la ZMVM
ya en ella estaacuten ubicadas las principales industrias de calentadores y debido a que la
planta requiere de un volumen considerable de agua se escogioacute el estado de
Morelos porque no esta muy lejos de la ZMVM y tiene reservas de agua Asiacute el gasto
de transportacioacuten de materias primas y sobre todo del producto elaborado seriacutea
pequentildeo
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
Agua
Tanque tratamien
Figur
NH4OH
HAuCl4
Produccioacuten de catalizadores
Recuperacioacuten de agua
de to
a
MezcladoresMezcladores
Cuando se requiere limpieza
Horno
Producto almaceacuten
30
1 Diagrama de produccioacuten Recuperacioacuten de cloro
UAM-I
35 BALANCE DE MATERIA DIAGRAMA DE FLUJO PARA DIFERENTES LOTES DE SOPORTE EN UN SOLO MEZCLADOR
Catalizadores de Oro So
05 Kg Au
10
0
086 Kg HAuCl4(ac)014 Kg H2O
035 Kg NO2(g)
2
35 Kg NH4(OH)(ac) (01M)
10000 Kg H2O
100 Kg Al3O
100 Kg Al2O3 (9965) 035 Kg Au (035) 025 Kg Cl2
026 Kg HauCl4(ac)35 Kg NH4(OH)
1101035 Kg H2O
O MEZCLADOR (t0)
10035 Kg catalizador
86 KgHAuCl4(ac)101035 Kg H2O
037 Kg HCl (ac) (105 M) 048 Kg HNO3(ac) (152 M)
porta
Kg N
30 Kg Al2Cl3
101021 Kg H2
do
H4 (OH) (ac) (01M) 30 Kg Al2O3 (9965) 01 Kg Au (035)
007 Kg Cl2
)
3
)
301 Kg catalizador MEZCLADOR (t1)
009 Kg HauCl4(ac)45 Kg NH4(OH)
1101035 Kg H2O
MEZCLADOR 1054 Kg catalizador
105 Kg Al2O3
(t2)
105 Kg Al2O3 (9965)
035 Kg NH4 (OH) (ac) (01M
004 Kg Au (035) 003 Kg Cl2
23 Kg Al2O
MEZCLADOR
(t3)23 Kg Al2O3 (9965)
2308 Kg catalizador
008 m3 NH4(OH) (ac) (01M
002 Kg HauCl4(ac)485 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
0008 Kg Au (035) 0006 Kg Cl2
0003 Kg HauCl4(ac)493 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
31
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado 32
DIAGRAMA DE FLUJO PARA UN MEZCLADOR
MEZCLADOR
1101035 Kg H2O
1428 kg γ-Al2O3
086 Kg HAuCl4
493 Kg NH4(OH)
0003 Kg HauCl4(ac)493 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
1433 Kg Catalizador
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
36 DIAGRAMA DE LA INDUSTRIA
INDUSTRIA DE CATALIZADORES
TANQUE DE TRATAMIENTO HORNO
CISTERNA 1
CONTENEDORDE AuCl3 CONTENEDOR DE
NH4OH ZONA DE LLENADO
DE SAPORTE
SE LLEVA AL HORNO
MANUALMENTE
PRODUCTOALMACEacuteN
Contenedor de HAuCl4
Figura 2 Diagrama de la distribucioacuten del equipo dentro del aacuterea de produccioacuten
33
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
37 DIMENSIONES DEL EQUIPO Y TUBERIacuteA
2 mts
2 mts 2 mts 6 mts 4 mts 3 mts 5mts 5 mts 3 mts 6 mts 3
3mts 3 mts 3mts 3 mts 3 mts
4 mts 1 5 mts 1 5 mts 4mts 4 7mts 4 mts 21 mts 7 2mts 26 mts 2 mts 21 mts 6 mts
3 5 mts 14 mts 6 mts 8 mts 1 5 mts 3 mts 5 mts 13 mts 8 mts 20 mts 30 mts
IN D U ST R IA D E C A T A L IZ A D O R E S
T AN Q U E D E T R AT AM IE N T O H O R N O
C IST E R N A 1
C O N T EN ED O RD E Au C l3
C O N T EN E D O R D E N H 4O H
ZO N A D E L LEN AD O D E SO PO R T E
AG UA PAR A JAR D IN ES
M E Z C L A D O R E S 12 3 y 4
1 2 3 4
A L M A C Eacute N
Contenedor de HAuCl4
Figura 3 Dimensiones del equipo y tuberiacutea requerida
34
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
38 PLANO DE DISTRIBUCIOacuteN DE AacuteREAS
Figura 4 Aacutereas de trabajo dentro de la planta
35
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
DIMENSIONES DE LA INDUSTRIA
Figura 5 Dimensiones de cada aacuterea de la planta industrial
36
UAM-I
Ingenieriacutea Quiacutemica 37
10 cm 3mts 1 mts 25 cm 15cm 5 cm 5 cm 3mts 150 mts 10 cms 100 mts 20 cm
003 mts
Figura 6 Dimensiones del mezclador y del Agitador
UAM-I
Las dimensiones de las canastillas se determinaron a partir del balance de masa y la
produccioacuten requerida La carga de un contenedor de soporte que es de 100kg del
cual el agitador tiene 4 canastillas cada una corresponde 25 Kg la masa se obtuvo
del balance de materia y su densidad 600 Kgm3 con el que se obtuvo un volumen de
0043 m3
39 ANAacuteLISIS FINANCIERO
El costo de materias primas se muestra en la Tabla 2 en la que tambieacuten se incluyen
los flujos de alimentacioacuten requeridos para el proceso a partir de los cuales se
determinaron los costos diarios
Tabla 2 Costo de materias primas [5]
Compuesto
Alimentacioacuten
por diacutea
Costo
USDKg
Costo Total
USDdiacutea
Au 2 kg 10596 2119200
HCl 15 Kg 52 780
HNO3 20 Kg 022 044
-Al2O3 5712 Kg 034 19421
Canastillas 500 piezas 15 75000
NH3(OH) 200 Kg 034 680
H2O 440414 Kg 282 282
Total de Materia Prima 2215407
El costo se determinoacute considerando la cantidad de material el tamantildeo y el costo de
manufactura
El costo se determinoacute para uso industrial conforme establece la tesoreriacutea de
Meacutexico
Ingenieriacutea Quiacutemica 38
UAM-I
PERSONAL REQUERIDO PARA LA INDUSTRIA
La Tabla 3 establece los salarios mensuales anuales y las prestaciones del IMSS
para el personal de la planta
Tabla 3 Salarios y Prestaciones del Personal
Mano de Obra (USDmes)p
ersona
USDmes USDantildeo Prestaciones
IMSS
1 Gerente 2000 2000 24000
1 Administrador 1000 1000 12000
1 Secretaria 400 400 4800 1193
Total de Salarios
Administrativos
40800 1193 409193
9 Obrero 150 150 1800 448
1 Teacutecnico 200 200 2400 597
1 Policiacutea 200 200 2400 597
1 Mantenimiento 180 180 2160 538
1 Limpieza 150 150 1800 448
Total de Salarios
Proceso
10560 2628 108228
Los salarios se determinaron en base al salario miacutenimo vigente en la Ciudad de
Meacutexico (2003)[29]
Ingenieriacutea Quiacutemica 39
UAM-I
PERSONAL
Departamento de produccioacuten
Se tendraacute 2 obreros en el llenado de soporte en las rejillas un obrero encargado del
traslado de rejillas por medio de la banda de los motores a cada contenedor un
obrero en cada contenedor de NH4OH y HAuCl4 en cada mezclador se tiene 1
obrero para descargar y cargar las rejillas a la banda que se trasladaran al horno en
el horno se tiene 1 obrero encargado del secado y calcinado el producto se traslada
al almaceacuten donde estaraacuten 2 obreros que reciben el producto y materias primas de los
proveedores se tiene 1 teacutecnico supervisando los equipos un encargo del
mantenimiento de los equipos
Departamento de personal
Gerente de la industria un administrador encargado de compra y venta de materias
primas una secretaria
Ingenieriacutea Quiacutemica 40
UAM-I
CAPITAL FIJO
La Tabla 4 muestra el costo de los equipos requeridos en la planta asiacute como el
Capital Fijo y la Inversioacuten del Capital Total
Tabla 4 El equipo se costeo usando las correlaciones de Ulrich [6] y empleando el
programa de Capcost
EQUIPO USD
4 Contenedores 23584
4 Agitadores (456kW) 269760
1 Horno (25 kW) 15700
15 Bombas (1469kW) 43081
1 Motor (114 kW) 67440
Tuberiacuteas 42150
2 Cisternas 174183
Vaacutelvulas 1283
Accesorios
(codos 90ordm y de 45ordm te)
1474
CAPITAL FIJO 638655
Capital de Trabajo 9579825
INVERSIOacuteN DE
CAPITAL TOTAL
73445325
Los caacutelculos y las correlaciones empleadas para el costeo del equipo se anexan en
el Apeacutendice A
Ingenieriacutea Quiacutemica 41
UAM-I
GASTOS GENERALES
Tabla 5 Proporciona el total de gastos anuales con lo cual se estima el precio por
kilo de catalizador y por unidad purificadora
Tabla 5 Gastos Generales anuales
USDAntildeo
Materias Primas 531697680
Mano de Obra de Operacioacuten 1082280
Mano de Obra de Oficina 4091930
Servicios Electricidad 2620100
Total de Gastos Generales 539491990
CFE
Produccioacuten diaria de Catalizador = 574 Kg
Precio de Catalizador = 40 USDKg
Produccioacuten diaria de unidades purificadoras = 500
Precio por unidad = 50USD
Ganancia diaria = 22960 USD
Ganancia Anual = 5510400 USD
DETERMINACIOacuteN DE LA RENTABILIDAD DEL PROYECTO
TPI (Actual) = 10
PR (Factor de riesgo) = 25
TREMA = TPI + PR
TREMA = 35
TIR (del proyecto) = 90
TIR gt TREMA
Puesto que la TIR es mayor que la TREMA se tiene que el proyecto es rentable [6]
Ingenieriacutea Quiacutemica 42
UAM-I
310 CONCLUSIONES
En el desarrollo de la industria para la fabricacioacuten de catalizadores se tuvo un
resultado satisfactorio a pesar de la falta de informacioacuten disponible acerca de
industrias de catalizadores debido a que esta informacioacuten no es publica El proyecto
que elaboramos es novedoso en nuestro paiacutes ya que no existen registros de una
industria que produzca catalizadores de oro soportados en aluacutemina
Durante el desarrollo del proyecto se planteoacute trabajar con compuestos como NOx y
COVS sin embargo debido a la falta de tiempo no se logroacute concluir la
experimentacioacuten en estos campos Debido a esto se tomoacute la decisioacuten de trabajar en
la oxidacioacuten cataliacutetica de CO Esto debido a varios factores por ejemplo la
disponibilidad de gases y sobre todo los costos que esto implicaba
Para el desarrollo del catalizador se analizaron diferentes tipos de preparacioacuten y se
eligieron dos meacutetodos diferentes Deposicioacuten-precipitacioacuten e Impregnacioacuten Los
catalizadores se evaluaron bajo diversas condiciones en la oxidacioacuten de CO El
catalizador que presentoacute mayor conversioacuten con el catalizador a baja temperatura fue
el sintetizado por el meacutetodo de Deposicioacuten-precipitacioacuten el cual se utilizoacute para el
disentildeo de la Industria El disentildeo estaacute basado en la forma de preparacioacuten del
catalizador Por esto la parte maacutes importante de la planta es el tanque de mezclado
el cual se disentildeo tomando en cuenta los diferentes disentildeos de agitadores para tener
un mezclado oacuteptimo Se incorporo en la parte superior del agitador las canastillas
para las pastillas cataliacuteticas y el tipo de Horno que se usara para el secado y
posteriormente el calcinado Una parte importante es la produccioacuten de catalizador
para este problema se investigoacute en que parte se podriacutea utilizar a diferencia de los
catalizadores para automoacuteviles Se llego a la decisioacuten de poder desarrollar un
catalizador para los calentadores de agua se obtuvo informacioacuten de la fabrica de
calentadores cal-o-rex en la produccioacuten diaria de calentadores y de esta informacioacuten
se pudo calcular la posible demanda de nuestro producto Una parte importante en
las industrias son el tipo de bombas ya que existen diversos modelos en nuestro
disentildeo se escogioacute las bombas centriacutefugas con rodetes para agua que contiene
pequentildeas partiacuteculas de soacutelidos
En la parte de servicios para personal se investigo los sueldos de cada empleado Se
determinoacute el costo de los equipos y finalmente llegamos a la parte que nos interesa
Ingenieriacutea Quiacutemica 43
UAM-I
del disentilde es decir si el proyecto es rentable o no En este caso particular se tuvo un
valor aceptable y se definioacute que el disentildeo es rentable Esto indica que seria una
industria que tendriacutea ganancias y a la vez que el producto que se fabrique nos
ayudaraacute a todos a reducir la emisioacuten de CO en los hogares aportando una pequentildea
ayuda al medio ambiente
COMENTARIOS
Los conocimientos adquiridos durante este tiempo fueron provechosos en la parte
teoacuterica y praacutectica aclaramos dudas de como y porque se comportan las reacciones
quiacutemicas y los procesos de flujos Durante el desarrollo del proyecto aprendimos a
observar y la importancia de entender fiacutesicamente las algunos procesos relacionados
con la siacutentesis y caracterizacioacuten de materiales cataliacuteticos
Ingenieriacutea Quiacutemica 44
UAM-I
38 BIBLIOGRAFIacuteA
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Ingenieriacutea Quiacutemica 46
UAM-I
APEacuteNDICE A
CRITERIOS PARA DETERMINAR QUIEacuteN CONTROLA EL PROCESO
Criterio de weisz para difusioacuten interna
Ec(12-16 Fogler) Los valores que se sustituyen en las siguientes ecuaciones fueron
tomados del catalizador que se analizo en el laboratorio
CWP = ( )
AS
cObsA
DeCRcr 2minus
lt 1
-rA(Obs) = velocidad de reaccioacuten observada molgcats Cc = concentracioacuten volumeacutetrica molm3
CAS = concertacioacuten en la superficie molm3
D= diaacutemetro del granulo m R = radio del granulo m De = difusividad efectiva m2s
d = 0149mm mxmm
m 4104911000
1 minus=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
CWP = ( )( )3
32
24
33
103470184200350
21049150800010681
minus
minusminus
=⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞⎜
⎝⎛
x
mmol
hrm
mxcatm
gcathgcat
molx
734x10-3 lt 1 No hay limitante por la difusioacuten interna
Ingenieriacutea Quiacutemica 47
UAM-I
Criterio de mears para difusioacuten interna Ec(12-62 Fogler)
Mm = 150ltAbc
bA
CkRnr ρminus
Mm =( )( )
0570
136000184200220
31110457508000106851
3
53
3
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ minusminus
hrs
mmol
sm
mxcatmgcat
hgcatmolx
0057 lt 015 no hay efecto de transferencia de masa externa Calculo de Dab para calcular el coeficiente de trasferencia de masa Ec(78 Lobo)
De =
KAAB DD11
1
+
DKA = 970X103 (80X10-8)(s
cmK 221 1090)
2400( =
DAB = 00018583ABAB
BA
PMMT
Ω
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ +
2
2123 11
γ
Para CO
0110=isin
Bk 0593 A=γ
Para O2
Ingenieriacutea Quiacutemica 48
UAM-I
0113=isin
Bk 0453 A=γ
( ) 51343359321
=+=ABγ
( )( )[ ] 21113110BAB k=isin A la temperatura de 400degK
( ) 583))113)(110((
40021 =
deg=
isin B
B
AB
B
KKKTK
Ω AB = 0907 Sustituyendo
DAB =s
cm2
2
2123
9730)9070()513(
)21281()400(00185830=
+
De = hrm
hrs
cmm
scm 222
03501
3600100
10980
10901
97301
1=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
+
Calculo de Kc Sh = (Re)12(Sc)13
Velocidad superficial
V = sm
shr
hrm
mxhr
m
Av
c
02036001976
1087
006025
3
0 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛== minus
Ingenieriacutea Quiacutemica 49
UAM-I
Re= ( ) 240)1062)(501(
)10491)(020(
1 25
4
=minus
=minus minus
minus
smx
mxsmvd p
νφ
Sc= 672)3600
1)(0350(
10622
25
==minus
shr
hrm
smx
Dv
AB
Sh= ( 024 )12 ( 267 )13 = 0679
Kc = Shdp
DAB⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛minusφ
φ1
Kc = ( )sm
mxs
mx02206790
10491
10729
50501
4
26
=⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛minus
minus
minus
Calculo de numero Thile con el radio que usara a nivel industrial
φ = L ( )DkCn n
AS
21 1minus+
L = 3R
Sustituyendo
φ = 66x10-4 m( )
( )
450
03502
018420
5480941311
3
30
3330
313
=
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+
catmhrm
mmol
hrcatmmolm
η = 1 con los resultados anteriores se observa que quieacuten limita es la velocidad de
reaccioacuten Por lo que se procede a calcular el peso y longitud de catalizador
necesaria para muestro purificador sustituyendo los valores del Boiler
Ingenieriacutea Quiacutemica 50
UAM-I
Peso del Catalizador w =
( ) grcatgcatLn
gcatm
mmol
hrcatmmolm
hrm
xLn
kCv
A
66476639401
1
6000001578
548094
19836
11
330
3330
313
3
0
0 asymp=minus
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
minus
g 664=w
33
3
1011
mg60000
g 664 mxwv minus===ρ
m 035003101011
2
33
==minus
mmxL
cm 531000350 == xL
Ingenieriacutea Quiacutemica 51
UAM-I
APEacuteNDICE B BALANCE DE MASA DE LA PREPARACIOacuteN DE HAUCL4 Au(g) + 3HNO3(ac) + 4HCL(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O + 3N02(g) (152 M) (105M)
cantidad de mol Au = 05 kg Au x molAu
grAumolAux
kggr 542
971961
11000
=
cantidad de kg HNO3 = ( ) 33
33 480
10001
1635423 kgHNO
grkgx
molHNOGRHNOxHNOmol =
cantidad de kgHCl = ( ) kgHClgr
kgxmolHCl
grHClHClxmol 3701000
11
5365424 =
cantidad de kgHAuCl4 = 254molHAuCl4 x 44
8601000
11
97339 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
gr=
cantidad de kgH2O = 3( 254mol)H20 x OkgHgr
kgxOmolHOgrH
22
2 1401000
1118
=
cantidad de Lt H20 = 762molHNO3 x OltHOkgHOLtH
22
2 14011
=
cantidad de Lt H20 = 1016 mol HNO3 x 050215
012
2 LtHmol
LtH=
cantidad de LtH20 = 1016mol HCl x OLtHLtHmolHCl
LtH22
2 010970510
01asymp=
cantidad de MHAUCl4 = ( ) ( ) ( ) MHltltlt
ClmolHAU 7210850490140
542
2
4 asymp++
cantidad de kg NO2(g) = 3( 254mol)NO2 x )(22
2 3501000
1146
SkgNOgr
kgxmolNO
grNO=
Ingenieriacutea Quiacutemica 52
UAM-I
05 kg Au 048 kgHNO3 035 kgNO2 101021 kgH20 (152M) 037 kgHCl(ac)
(105 m) 086 kg HAuCl4 (ac) 086 kg HAuCl4 (ac)
(17 M) 014 kgH20 (25x10-3M) 014kg H20 (L) 086kg HAuCl4 035kgNO2 (g) 101185kg H20 Cantidad de H20 = 086 kgHAuCl4
x 08510110101
105201
173341
11000
22
23
24 kgHLtHkgHx
MxltHx
grmolHAuClx
kggr
=minus
pero (101185 ndash 014 ndash 05 ndash 1) kg H20 = 101021 kg H20 100ml H20 por 1 gr soporte 35kg NH4 (OH)(AC) 10000kgH20 100 kg γAl203 (9965) 035kgAu (035) 100kg γAl203 025kgCl2 086kg HAuCl4 026kgHAuCl4
101185 kg H20 35kgNH4 (OH)(AC) 1101185kgH20 cantidad de kgHAuCl4 = 015kgAu x
44
4 2601000
11
973391
197196
147196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxgrAu
molxkg
gr=
cantidad de NH4(OH) = 100kg γ Al203 x
Ingenieriacutea Quiacutemica 53
UAM-I
kgNHxmol
grx
mlmol
xOAlgr
OHmlNHx
kg
gr53
10001
1
35
100010
1
)(10
1
1000
32
4=
γ4(OH)
30kg γAL2O3 1 kgNH4(OH)(AC) 30 kg γ Al203 (9965) 010 kg Au (035) 026kgHAuCl4 007kg Cl2 35kgNH4(OH) 1101185 kgH2O 0086kgHAuCl4 45 kg NH4(OH)(AC) 1101185 kg H20
cantidad de γ Al2O3 = 026kgHAuCl4 x 324
32 02330860
100 AlkgkgHAuCl
OAlkg γγ=
cantidad de kgAu = 035 x kgAukg 10506599
30=
cantidad de kg Cl2 = 01 kgAu x
22
2 07201000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de HAuCl4 = 005kgAu x
44
4 08601000
11
973391
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 54
UAM-I
cantidad de kgNO4(OH) = 30 kg γ Al203 x ( )OHkgNHAlkg
OHkgNO4
32
4 0510100
)(53=
γ
105 kg γ Al203 035 kg NH2(OH) 105 kg γ Al203 (9965) 004 kg Au (035) 009kg HAuCl4 003 kg Cl2 45kgNH4(OH) 1101185 kg H20 0017kgHAuCl4 485kgNH4 (OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 009 HAuCl4 x 324
32 04710860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad kg de NH4 (OH) = 105kg γ Al203 x ( ) )(3500100
534
32
4 OHkgNHAlkg
OHkgNH=
γ
cantidad de Cl2 = 004 kg Au x
22
2 02901000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
gAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 =
44
44 02001701000
11
973391
197196
11
1000010 kgHAukgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgr
molAuxkg
grkgAux asymp=
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UAM-I
23 kg γ Al203 008kgNH4(OH) 002 kg HAuCl4 23 kg γAl203 (9965) 485kgNH4(OH) 0008kgAu(035) 1101185kg H2 0001kg Cl2
0014 kg HAuCl4 493kgNH4(OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 002kgHAuCl4 x 324
32 032860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad de kg Au = 035 x kgAukg 00806599
32=
cantidad de kgCl2 = 0002kgAu x
24
4 00101000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 = 0008kgAu x
44
44 01401000
11
973341
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 56
UAM-I
APEacuteNDICE C ACCESORIOS EN EL DISENtildeO
Agitador
Agitadores de Heacutelice se escogioacute este tipo de agitador por ser tener las siguientes
caracteriacutesticas [3]
bull Es un agitador de flujo axial
bull Se emplea para liacutequidos pocos viscosos
bull Giran a toda la velocidad del motor
bull Las corrientes de flujo se mueven a traveacutes del liacutequido en una direccioacuten
determinada hasta que son desviadas por el fondo o las paredes del tanque
bull Las palas de la heacutelice cortan o friccionan vigorosamente el liacutequido
bull Los agitadores de heacutelice son eficaces para tanques de gran tamantildeo
Horno
bull El horno se escogioacute por ser tener las siguientes caracteriacutesticas [5]
bull El horno de construccioacuten metaacutelica
bull La caacutemara de combustioacuten estaacute construida mediante hormigones refractarios
de alta resistencia mecaacutenica
bull Las materias secar y calcinar se carga de forma manual
Ingenieriacutea Quiacutemica 57
UAM-I
Bomba
DISENtildeO Bomba centrifuga para operacioacuten horizontal o vertical del impulsor
cerrado succioacuten al extremo descarga hacia arriba tangencial simple succioacuten de un
paso con carcaza partida verticalmente [3]
ROTACIOacuteN En el sentido del reloj vista desde el cople
CARACTERIacuteSTICAS Conexiones brindadas con registro ubicado en la cabeza de
succioacuten para facilitar su limpieza
SERVICIO Debido a que es posible colocarla en posicioacuten horizontal o vertical tanto
en caacutercamos secos como huacutemedos y por el disentildeo de su impulsor que soacutelidos de
gran tamantildeo esta bomba es ideal para los procesos de tratamientos de agua y
manejo de liacutequidos en suspensioacuten en general
CAPACIDADES
GASTO Hasta 3000 GPM
CDT Hasta 80rsquo
PRESIOacuteN 106 Kgcmsup2
POTENCIA De 1 a 60 Hp
VELOCIDAD (1175 - 3550 RPM)
TEMPERATURA 125degC
Ingenieriacutea Quiacutemica 58
UAM-I
Bombas Centriacutefugas
Las maquinas centriacutefugas estaacuten constituidas por un impulsor o rodete formado por
una serie de aletas radiales diversas formas y curvaturas que giran dentro de una
caja circular El fluido penetra por el ojo o eje de rotacioacuten y se descarga maacutes o
menos radialmente en una caacutemara perifeacuterica a una elevada presioacuten que
corresponde a la suma de la fuerza centriacutefuga de la rotacioacuten maacutes la cineacutetica
comunicada al fluido por las aletas La parte moacutevil de la bomba es el rodete Las
aletas del rodete se extienden desde el centro de rotacioacuten hacia la periferia y las
bridas son los discos de refuerzo a cada lado de las aletas que las envuelven Las
aletas pueden ser radiales curvadas ligeramente hacia delante en el mismo sentido
de la rotacioacuten o estar curvadas al reveacutes en el caso maacutes comuacuten en el disentildeo se
determino el rodete siguiente por sus caracteriacutesticas Fig 1
Figura 1 Corte parcial de un rodete de centriacutefuga para grandes cargas y secciones
de paso estrechas empleando con liacutequidos corrosivos o suspensiones de pequentildeas
partiacuteculas[4]
Ingenieriacutea Quiacutemica 59
UAM-I
APENDICE D CALCULO DE POTENCIA DE BOMBAS (8)
Potencia de la bomba de la cisterna 1 que alimenta a los mezclador 4
Ecuacioacuten de Bernoulli
sum sumint =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛+++∆+∆i i
i
P
P
evvfDLvwdphgv 0
21
21
ˆ1
21 222
2
1ρ
a b c d e f
a Diferencia de velocidades
b Diferencia de alturas
c Diferencia de presiones
d Trabajo
e Perdidas de friccioacuten en tuberiacuteas
f Perdidas de friccioacuten en accesorios
En la ecuacioacuten anterior se pueden eliminar algunos teacuterminos
21 mts
6 mts 35 mts
Figura 1 Balance de cisterna 1 a mezclador 4
Se debe de tener dos puntos de referencia para la utilizacioacuten de la ecuacioacuten de
Bernoulli de los cuales se anotaron en la figura 2
Ingenieriacutea Quiacutemica 60
UAM-I
21 mts
2 1 6 mts 35 mts
Figura 2
Teniendo los puntos de referencia se analiza que las diferencias de velocidades son
cero en ambos puntos por lo tanto el termino 2
21 ν∆ es igual a cero
El termino de = (981hg∆ 2segm )(35m ndash 0) = 34335 2
2
segm
El termino de int2
1
1P
P
dpρ
se tiene que la cisterna y el tanque de mezclado ambos no
estaacuten cerrados y por lo tanto no originan un cambio de presioacuten y el termino es cero
De esta expresioacuten L longitud de tuberiacutea
tro de tuberiacutea
n el interior del tubo
v
Para la l radio del tubo que
sum ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
i
fDL2
21 ν
D diaacuteme
f perdidas de friccioacuten e
velocidad del flujo de agua
obtencioacuten de la velocidad se tiene el flujo volumeacutetrico y e
es de 32 cm =0032mts con la ecuacioacuten
Ingenieriacutea Quiacutemica 61
( )( ) sm
ms
m
RQ 761
032060min1)
min340(
2
3
2 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
==ππ
ν
UAM-I
Se reportan valores de perdida de fr
e reduce teacuterminos
iccioacuten en tubos que son igual a 005
Por lo tanto sustituyendo los teacuterminos en la ecuacioacuten de Bernoulli s
sum sumint =⎟⎠
⎜⎝
+⎟⎠
⎜⎝
+++∆+∆i i
iP
evvfD
vwdphgv 022
ˆ2
1ρ
⎞⎛⎞⎛ L 111 2222
or tanto el termino de trabajo queda expresado de la siguiente manera
tanto la bomba comunica al fluido que circula en el sistema un trabajo
+11727
P1
p w
sum sum ∆minus⎟⎠⎞
⎜⎝⎛minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛minus=
i ii
hgevvfDLvw 22
21
21
ˆ
( ) ( )
Este es el trabajo ( por unidad de masa) producido por el fluido en la bomba por lo
22
sm o 11727 981 = 1195
m
fKg
Kgm
La velocidad de flujo de masa es
Por lo tanto
1 )=6694
951)(675(ˆ =minus=minus WwW smkg f = 088Hp = 1Hp
Siendo esta ida para esta bomba El procedimiento anterior se
iguioacute para cada bomba de la planta
AP E
la potencia requer
s
EacuteNDICE
TOXICOLOGIacuteA DE MATERIAS PRIMAS [6]
( ) ( ) ( )( ) ( )( )msm
smmmm
sm 538192201150761
21050
032021536761
21
2
22minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ +minus⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ++
minus=wm
22
27117ˆ smw minus=
( )s
kgmkgQw m675100060340 3 === ρ
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UAM-I
HIDROacuteXIDO DE SODIO
Polvo corrosivo blanco delicuescente
Toxicidad
Concentracioacuten Maacutexima permisible 2mgm3 en aire
Signos y Siacutentomas Conjutivitis quemaduras corneales y de la piel Irritacioacuten
seas vomito dolor abdominal y diarrea a veces con
Lavado de las partes afectadas tranquilizantes sulfato de
decuada gafas protectoras o pantallas para
ignos y Siacutentomas Irritacioacuten de ojos quemaduras corneables tos dolores
l hemoptisis dolor de cabeza dolor epigaacutestrico nauseas y vomito
lmonar
Tratamiento lavado de ojos con agua reposo oxigeno con aparato de respiracioacuten
con onantes
ACIDO NITRICO
Liquido corrosivo sofocante de incoloro a amarillento
ioacuten maacutexima permisible 10ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
del tracto respiratorio nau
sangre
Tratamiento
morfina para el dolor y cortisona
Medidas preventivas Ventilacioacuten a
la cara completa mascarilla con filtro mecaacutenico guantes delantares botas de
goma y acentuar la limpieza personal
CLORO
Gas pasado amarillo verdoso
Toxicidad
Conc Maacutexima permisible 1 ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten
S
retrosterna
debilidad cianosis y edema pu
trolada bronco dilatadores y descongesti
Toxicidad
Concentrac
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UAM-I
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
Signos y siacutentomas Erosioacuten dental estornudo tos Dolor en el pecho bronquitis y
la las partes contaminadas del cuerpo con solucioacuten al 5 de
de las quemaduras con pantildeos
de triacuteo sulfato soacutelido si se a ingerido
vado de ojos con agua
ACIDO CLORIDRICO
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
ivitis necrosis corneal por inhalacioacuten rinitis erosioacuten
dolor de cabeza palpitacioacuten por ingestioacuten
s en la boca faringe esoacutefago estomago salivacioacuten vomito Soc
agua lavada de agua y jaboacuten de las partes
preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
AacuteC
El c
con o de hidroacutegeno una
concentracioacuten de 12 molLt Este aacutecido es un liacutequido incoloro con un olor aacutecido
bronconeumoniacutea
Tratamiento
bicarbonato soacutelido o con agua y jaboacuten Tratamiento
mojados con solucioacuten saturada
administracioacuten por viacutea oral de solucioacuten de jaboacuten Hidroacutexido caacutelcico o alumiacutenico u
oacutexido de magnesio
Medidas preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores excluir de la exposicioacuten
a los individuos con enfermedades de pulmones y rintildeones
Gas incoloro o liacutequido o a amarillento
Toxicidad
Concentracioacuten maacutexima permisible 5ppm en aire
Signos y siacutentomas conjunt
dental laringitis bronquitis neumoniacutea
quemadura
nefritis
Tratamiento lavado de ojos con
contaminantes del cuerpo tratamiento ordinario de quemaduras lavado gaacutestrico
se a ingerido con solucioacuten de bicarbonato soacutedico al 5 seguido de una instilacioacuten
de gel de hidroacutexido de aluminio
Medidas
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores
IDO CLORHIacuteDRICO
loruro de hidroacutegeno es en extremo soluble en agua de hecho el aacutecido clorhiacutedrico
centrado contiene cerca del 38 en masa de clorur
Ingenieriacutea Quiacutemica 64
UAM-I
pronunciado que se debe al equilibrio entre el cloruro de hidroacutegeno gaseoso y
ste con el aacutecido fluorhiacutedrico el aacutecido clorhiacutedrico es un aacutecido fuerte (pKa = -
7) y se ioniza casi totalmente
gar de aacutecido sulfuacuterico auque en menor grado Por
jemplo el zinc metaacutelico reacciona con aacutecido clorhiacutedrico para dar el ion zinc e
hidroacutegeno gaseoso
Zn(s) + 2HCl(ac) ZnCl2(ac) + H2(g)
l para producir aacutecido clorhiacutedrico en el laboratorio es generar
cloruro de hidroacutegen e sodio y el aacutecido
ulfuacuterico En el primer paso a 150degC se forma hidroacutegeno sulfato de sodio
NaHSO4(s) + HCl(g)
io y maacutes
loruro de hidroacutegeno gaseoso Luego el gas se disuelve en agua para formar el
aacutecido
NaHSO4(s) + NaCl(s) Na2SO4(s) + HCl(g)
acuoso
HCl(ac) HCl(g)
El reactivo de grado teacutecnico a menudo tiene un color amarillento por una impureza
del ion hierro (III)
En contra
HCl(ac) + H2O(l) H2O+(ac) + Cl -(ac)
Por ello a menudo se prefiere usar aacutecido clorhiacutedrico diluido en lugar de aacutecido niacutetrico
que es muy oxidante y en lu
e
Cuando el zinc reacciona con el aacutecido niacutetrico es comuacuten que se reduzca una parte
del ion nitrato para dar dioacutexido de nitroacutegeno
El meacutetodo tradiciona
o gaseoso por la reaccioacuten entre el cloruro d
s
NaCl(s) + H2SO4(l)
La mezcla se calienta a 550degC temperatura a la cual el hidroacutegeno sulfato de sodio
reacciona con un exceso de cloruro de sodio para formar sulfato de sod
c
∆
Este meacutetodo se usa tambieacuten en la industria otra forma de producir cloruro de
hidroacutegeno es por la combinacioacuten directa de dicloro y dihidroacutegenogaseosos
Ingenieriacutea Quiacutemica 65
UAM-I
H2(g) + Cl2(g) 2HCl(g)
La mayor cantidad de cloruro de hidroacutegeno que se produce actualmente es un
CH4(g) + 4Cl2(g) 4(l) + 4HCl(g)
riacuten de superficies de acero en un bantildeo aacutecido en la purificacioacuten de glucosa
y jarabe de maiacutez e s y de gas y en la
bricacioacuten de compuestos clorados El aacutecido se puedo comprar en muchas
nducida por la luz
4HNO3(ac) 4NO2(g) + O2(g) + 2H2O(l)
niacutetrico como disolvente)
H2NO3+ H2O + NO2
+
l siguiente
3HNO NO3 ndash
subproducto de otros procesos industriales como la siacutentesis de tetracloruro de
carbono
CCl
Se consumen cerca de 107 toneladas de aacutecido clorhiacutedrico cada antildeo en todo el
mundo Este aacutecido tiene una gama muy amplia de usos como aacutecido comuacuten para
eliminar o
n el tratamiento con aacutecido de pozos petrolero
fa
ferreteriacuteas con el arcaico nombre de aacutecido muriaacutetico sus principales usos caseros
son la limpieza de superficies de concreto y la eliminacioacuten de herrumbre Un nuacutemero
muy reducido de personas es incapaz de sintetizar suficiente jugo gaacutestrico y deben
de ingerir caacutepsulas de aacutecido clorhiacutedrico diluido con cada comida
AacuteCIDO NIacuteTRICO
El aacutecido niacutetrico un liacutequido aceitoso e incoloro en estado puro es sumamente
peligroso El aacutecido que funde a ndash42degC y hierve a +83degC tiene por lo general un
ligero color amarillo a causa de una reaccioacuten de descomposicioacuten i
En un estado puro el aacutecido niacutetrico liacutequido praacutecticamente no conduce la electricidad
Una pequentildea porcioacuten se ioniza como sigue (todas estas especies existen en el aacutecido
2HNO3(l) H2NO3+ + NO3
ndash
H2O + HNO3 H3O+ + NO3 ndash
Para dar la reaccioacuten globa
3 NO2+ + H3O + 2+
Ingenieriacutea Quiacutemica 66
UAM-I
El catioacuten nitrilo es importante en la nitracioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas por ejemplo la
obenceno C6H5NO2 una etapa importante en
umerosos procesos industriales orgaacutenicos
El aacutecido niacutetrico con en agua mientras
ue el ldquoaacutecido niacutetrico fumanterdquo un oxidante extremadamente poderoso es una
vez de ello se produce una mezcla de
sistema que da un orden de
vista industrial el
oceso
e lleva a cabo en tres etapas Primero se hace pasar una mezcla de amoniaco y de
dioxiacutegeno (o aire) un proceso muy
ficiente y exoteacutermico que hace que la malla se ponga al rojo Esta etapa se verifica
conversioacuten de benceno C6H6 en nitr
n
centrado es en realidad una solucioacuten al 70
q
solucioacuten roja de dioacutexido de nitroacutegeno en aacutecido niacutetrico puro Incluso cuando esta
diluido el aacutecido niacutetrico es un oxidante tan fuerte que rara vez desprende hidroacutegeno
cuando se pone en contacto con metales en
oacutexidos de nitroacutegeno y el metal se oxido a su catioacuten
Los enlaces O-N son mucho maacutes cortos (121 pm) que el enlace O-N unidos al aacutetomo
de hidroacutegeno (141 pm) Esta longitud de enlaces indica que hay enlaces muacuteltiples
entre el nitroacutegeno y los dos aacutetomos de oxiacutegeno terminales Ademas de los electrones
del sistema σ hay cuatro electrones que participan en el sistema π O-N-O dos de un
orbital enlazante y dos en un orbital no enlazante
enlace de 112 para cada uno de esos enlaces nitroacutegeno- oxiacutegeno
A veces se nos olvida hasta queacute punto nuestra experiencia depende de la
termodinaacutemica y la cineacutetica Por ejemplo la primera siacutentesis industrial de aacutecido
niacutetrico se llevaba ha cabo por simple combinacioacuten de diniacutetrogeno dioxiacutegeno y agua
utilizando un horno de arco eleacutectrico a fin de proporcionar la energiacutea necesaria par
superar la muy elevada barrera cineacutetica Aunque desde el punto de
factor cineacutetico constituiacutea un problema en realidad es una bendicioacuten por que sin esta
barrera cineacutetica hace mucho tiempo que todo el dioacutexido de la atmoacutesfera se abriacutea
transformado en aacutecido niacutetrico y nuestros mares serian de aacutecido niacutetrico diluido
frac12 N2(g) + 54O2(g) + 12H2O(g) HNO3(g)
Ahora se utiliza el proceso Ostwald para la siacutentesis de aacutecido niacutetrico Este proceso
consume gran parte del amoniaco que se produce por el proceso Haber El pr
s
a traveacutes de una malla de platino metaacutelico Eacuteste es
e
a baja presioacuten para aprovechar el efecto entropico es decir la formacioacuten de 10
moles de gas a partir de 9 moles de gas (una aplicacioacuten del principio de Le Chatelier)
para desplazar el equilibrio a la derecha
Ingenieriacutea Quiacutemica 67
UAM-I
4NH3(g) + 5O2(g) 4NO(g) + 6H2O(g)
Se agrega maacutes oxiacutegeno para oxidar el monoacutexido de nitroacutegeno a dioacutexido de nitroacutegeno
A fin de mejorar el rendimiento de esta reaccioacuten exoteacutermica se extrae calor de los
ases y la mezcla se somete a presioacuten
2HNO3(l) + NO(g)
Esta reaccioacuten tambieacuten es exoteacutermica y una vez maacutes se aplica enfriamiento y alta
la
egunda etapa para oxidarlo de nuevo
La contaminacioacuten s de aacutecido niacutetrico
as plantas maacutes antiguas eran faacutecilmente identificables por la fumarola cafeacute-
antas maacutes antiguas ahora mezcla cantidades
en Estados Unidos porque un 20
dedica ala produccioacuten de explosivos
or ultimo el aacutecido niacutetrico es un liacutequido que hierve a 826degC No existe como liacutequido
g
2NO(g) + O2(g) 2NO2(g)
El dioacutexido de nitroacutegeno se mezcla con agua para dar una solucioacuten de aacutecido niacutetrico
3NO2(g) + H2O(l)
presioacuten par obtener el maacuteximo rendimiento El monoacutexido de nitroacutegeno se vuelve a
s
soliacutea ser un problema importante de las planta
L
amarillento del dioacutexido de nitroacutegeno que escapaba por ellas Las plantas maacutes
antiguas eran faacutecilmente identificable por la fumadora cafeacute-amarillo del dioacutexido de
nitroacutegeno que escapaba de ellas Las pl
estequiomeacutetricas de amoniaco con las oacutexidos de nitroacutegeno con lo cual se obtiene
dinitroacutegeno y vapor de agua ambos inocuos
NO(g) + NO2 (g) + 2NH3(g) 2N2(g) + 3H2O(g)
En todo el mundo alrededor del 80 del aacutecido niacutetrico se utiliza en la produccioacuten de
fertilizantes Esta proporcioacuten es de solo el 65
se
P
puro porque en alguna medida se descompone espontaacuteneamente como sigue
4HNO3(l) 4NO2(g) + 2H2O(l) + O2(g)
Ingenieriacutea Quiacutemica 68
UAM-I
El aacutecido niacutetrico concentrado que se usa en el laboratorio estaacute al 68 en masa HNO3
(densidad 142 gcm3) lo que corresponde a 157 M
l aacutecido niacutetrico es un poderoso agente oxidante El nuacutemero de oxidacioacuten del N en el
) El aacutecido niacutetrico puede oxidar
nto a metales que estaacuten abajo del hidroacutegeno como aquellos que se encuentran
4Zn2+(ac) + NH4
+(ac) + 3H2O(l)
do no oxida al oro Sin embargo cuando se mezcla con
cido clorhiacutedrico concentrado en relacioacuten 13 en volumen (una parte de HNO3 a tres
partes al oro
omo sigue
APEacuteNDICE F
ETODO DE DEPOSICIOacuteN-PRECIPITACIOacuteN
E
HNO3 es + 5 Los productos maacutes comunes de la reduccioacuten del aacutecido niacutetrico son el
NO2 (N = + 4) el NO (N = + 2) y el NH4+ (N = - 3
ta
arriba en la serie de actividades Por ejemplo el cobre es oxidado por el aacutecido niacutetrico
concentrado como se mencionoacute antes
En presencia de reductores fuertes como el zinc metaacutelico el aacutecido niacutetrico se puede
reducir hasta ion amonio
4Zn(s) + 10H+(ac) + NO3
-(ac)
El aacutecido niacutetrico concentra
aacute
de HCl) la disolucioacuten resultante denominada agua regia puede oxidar
c
Au(s) + 3HNO3(ac) + 4HCl(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O(l) + 3NO2(g)
M
Ingenieriacutea Quiacutemica 69
UAM-I
APEacuteNDICE G
ISENtildeO DEL MEZCLADOR [4]
1) 100 ml H2O gr soporte
2) NH4(OH)
Ajustar a PH = 9 4) HAuCl4 (solucioacuten acuosa al 25E-3M)
6) Filtrado o centrifugado
3) En Agitacioacuten por 2 hr
8) Secado por 2hr a 80 degC
9 ) Calcinado por 4hr a 400 degC
7) Lavado
5) Antildeegamiento por 30 min
D
Ingenieriacutea Quiacutemica 70
UAM-I
El disentildeo de un tanque agitado dis n nuacutemero de elecciones sobre el
po y localizacioacuten del agitador las proporciones del tanque el nuacutemero y dimensiones
ada una de estas decisiones afectan a la velocidad
e circulacioacuten del liacutequido los modelos de velocidad y el consumo de potencia Como
pone de un gra
ti
de las placas deflectoras etc C
d
punto de partida en el disentildeo de los problemas ordinarios de agitacioacuten generalmente
se utiliza un agitador de turbina del tipo que se muestra en la figura 1 La proporcioacuten
tiacutepica es
31
=t
a
DD
1=tD
H 121
=tD
J 51
=aD
W 41
=aD
L
de estas ecuaciones se disentildeara el mezclador como datos se tiene el valor H que es
igual a 3 mts y el diaacutemetro del tanque D
Se determinara la medida de los reflectores
t que es igual 3 mts
121
=tD
J se despeja J
elacioacuten R31
=t
a
DD
se despeja Da
Relacioacuten
41
=aD
L se despeja L
elacioacuten se despeja W
( ) ( ) cmmtsmtsDJ 25250311==⎟
⎞⎜⎛=⎟
⎞⎜⎛= t 1212 ⎠⎝⎠⎝
( ) ( ) mtsmtsDD ta 1331
31
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=
( ) ( ) mtsmtsDL a 250141
41
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛= cm25=
51
=aD
WR
Ingenieriacutea Quiacutemica 71
UAM-I
Figura 2 a) Vista transversal del mezclador b) paletas del mezclador con la
donde se deposita el soporte
Figura 1 Medidas de un agitador de turbina
a) b)
s rejillas
H
J
E L
Da
D t
W
W
( ) ( ) cmmtsmtsDW a 2020151
5==⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎜⎝
=1 ⎞⎛
Ingenieriacutea Quiacutemica 72
UAM-I
C A P I T U L O I
I N T R O D U C C I Oacute N
Catalizadores de Oro Soportado 2
UAM-I
11 CONTAMINACIOacuteN ATMOSFEacuteRICA
La atmoacutesfera es esencial para la vida por lo que sus alteraciones debido a
actividades antropogeacutenicas tiene gran repercusioacuten en el hombre en otros seres
vivos en los ecosistemas y de manera general en todo el planeta
Una atmoacutesfera contaminada puede dantildear la salud de las personas y afectar a la vida
de las plantas y animales Ademaacutes los cambios que se producen en la composicioacuten
quiacutemica de la atmoacutesfera pueden causar cambios en el clima producir lluvia aacutecida
smog fotoquiacutemico o destruir el ozono de la estratosfera Estos fenoacutemenos presentan
entonces una gran importancia global Actualmente queda clara la urgencia de
conocer estos procesos asiacute como de tomar las medidas necesarias para evitar
situaciones criacuteticas para la vida de la humanidad y de la biosfera
En particular el monoacutexido de carbono (CO) es un gas incoloro e inodoro que se
produce por la combustioacuten incompleta de combustibles foacutesiles como gas natural
(GN) gasolina queroseno carboacuten petroacuteleo o madera Los automoacuteviles con motores
de ignicioacuten a chispa son unas de las principales fuentes de emisioacuten de CO Las
chimeneas las calderas los calentadores de agua o calefones y los aparatos
domeacutesticos que queman combustible como las estufas tambieacuten pueden emitir CO [1] Asiacute tambieacuten el humo del cigarrillo es una fuente importante de CO en interiores
La exposicioacuten a CO puede contribuir a la disminucioacuten del suministro de oxiacutegeno en el
torrente sanguiacuteneo debido a que la afinidad de la hemoglobina al CO es mayor que
al O2 esto causa la formacioacuten de carboxihemoglobina (COHb) y escasez de oxiacutegeno
en la sangre Los siacutentomas son similares a la sensacioacuten de fatiga que se
experimenta con la altura o cuando se padece de anemia La exposicioacuten prolongada
a altas concentraciones de CO puede incrementar el riesgo a enfermedades del
corazoacuten y los pulmones El riesgo es maacutes alto en nintildeos ancianos mujeres
embarazadas y personas que sufren enfermedades cardiacuteacas croacutenicas[2] La
concentracioacuten de COHb se relaciona directamente con los niveles de CO en el
ambiente el tiempo de exposicioacuten y el grado de actividad fiacutesica realizado Las
normas recomendadas por la Organizacioacuten Mundial para la Salud para el CO son las
Catalizadores de Oro Soportado 3
UAM-I
siguientes 86 ppm por periacuteodos que no excedan los 15 minutos y 50 ppm por 30
minutos
Estas se establecieron para evitar que los niveles de COHb en personas que no
fumen no excedan el 3 En EUA la norma es 35 ppm para un periodo de una hora
y de 9 ppm para 8 horas La norma mexicana es la misma para el periodo de una
hora pero 44 maacutes tolerante para el periacuteodo de 8 horas (13 ppm8h) [3]
La Figura 1 Indica el tiempo de exposicioacuten al CO y los porcentajes de concentracioacuten
del mismo en aire De acuerdo a la zona en que cae la interseccioacuten es posible
establecer el grado de afectacioacuten sobre la salud
Figura 1 Concentracioacuten de CO tiempo de exposicioacuten y efectos en la salud [4]
Actualmente el Gas LP es auacuten el combustible domeacutestico usado en nuestro paiacutes [5]
Si la cantidad de oxiacutegeno que se mezcla con el Gas LP es insuficiente la combustioacuten
resulta incompleta y en los productos aparece el CO En cambio cuando la cantidad
Catalizadores de Oro Soportado 4
UAM-I
de oxiacutegeno del aire que se mezcla con el gas es la estequiomeacutetrica o mayor y
ademaacutes se combina en forma eficiente se obtienen como productos principales CO2
y H2O
Los aparatos domeacutesticos que producen mayor cantidad de CO son los calentadores
(conocidos tambieacuten como calefones) calefactores y cocinas (Figura 2)
Figura 2 Principales emisores domeacutesticos y su contribucioacuten en la concentracioacuten de
CO en interiores usando como combustible el Gas LP [6]
Se puede observar que los calentadores de agua (calefones) son los equipos
domeacutesticos que causan la mayor contribucioacuten a la emisioacuten de CO en interiores La
Tabla 1 Muestra los porcentajes de combustibles usados en los calentadores de
agua en las viviendas de la Zona Metropolitana del Valle de Meacutexico (ZMVM) en
1990 asiacute como las emisiones de los contaminantes que producidas durante la
operacioacuten de dichos equipos
El Inventario de 1998 de las Emisiones de la ZMVM proporciona meacutetodos para la
determinacioacuten de las concentraciones de los contaminantes del efluente de un
calentador usando como combustible Gas LP[8]Las concentraciones determinadas
se muestran en la Tabla 2
Catalizadores de Oro Soportado 5
UAM-I
Tabla 1 Emisiones asociadas a los combustibles utilizados en viviendas de la ZMVM
en 1990 [7]
GLP GN Lentildea Total
Viviendas que utilizaron cada Combustible 620 21 17 658
Combustible Consumido 29020 0984 1983 31987
Emisiones en Tonantildeo
PM10 647 01 ND 647
SO2 01 03 ND 04
CO 3002 186 ND 3188
NOx 20321 435 ND 20756
HC 762 52 ND 814
Tabla 2 Concentraciones en la emisioacuten de un calentador domeacutestico con Gas LP[8]
Tipo de Combustible CO NOx HC SO2 PM10 Unidades
Gas LP 024 174 0064 00027 054 Kgm3
Los oacutexidos de nitroacutegeno (NOx) contribuyen en mayor cantidad al total de las
emisiones gaseosas en los calentadores que utilizan Gas LP seguidos por el CO
Debido a esto se han propuesto diferentes medidas de control que van desde el
disentildeo de calentadores maacutes eficientes (teacutecnicas limpias) hasta el control de las
emisiones mediante filtros y catalizadores ambientales (teacutecnicas de limpieza)
La oxidacioacuten no cataliacutetica de CO es posible soacutelo a alta temperatura (700oC) el paso
limitante es la disociacioacuten teacutermica de O2 Mientras que la oxidacioacuten cataliacutetica requiere
del contacto entre CO y O2 en la superficie cataliacutetica Por esto una vez que ambas
moleacuteculas llegan a los sitios activos el O2 se disocia raacutepidamente Posteriormente
Catalizadores de Oro Soportado 6
UAM-I
ocurre la interaccioacuten entre CO y O en sitios adyacentes para formar un complejo
activado (Paso limitante) que posteriormente pasa a CO2
El presente trabajo aborda el tema del control cataliacutetico de emisiones de CO abaja
temperatura En particular se postula el desarrollo de un catalizador de oro soportado
en aluacutemina (Al2O3) para la oxidacioacuten de CO y su posible aplicacioacuten a diferentes
aparatos domeacutesticos como calentadores de agua estufas hornos turbinas
industriales etc
La siacutentesis y aplicacioacuten de catalizadores de oro a diversos problemas ambientales se
ha reportado desde hace 10 antildeos Haruta et al[9] fueron los primeros en encontrar la
actividad de nanopartiacuteculas de Au soportadas en la oxidacioacuten de CO a baja
temperatura Actualmente se sabe que la oxidacioacuten de CO a baja temperatura (T lt
70oC) requiere de un catalizador con pequentildeas partiacuteculas de oro (lt 5 nm)
soportadas preferentemente sobre un oacutexido de metales de la primera serie de
transicioacuten por ejemplo TiO2 y α-Fe2O3 [10] El tamantildeo de las partiacuteculas de oro en
estos catalizadores cae en el intervalo de las nanopartiacuteculas
La actividad cataliacutetica de estos se ha relacionado a los sitios localizados en la
interfase metal-soporte por lo que el soporte juega un papel vital en la actividad
cataliacutetica de estos materiales Con base en los resultados reportados puede
plantearse que la obtencioacuten de nanopartiacuteculas estables cataliacuteticamente activas estaacute
directamente relacionada con las condiciones de siacutentesis la tasa y temperatura de
calcinacioacuten Los catalizadores de oro soportado han presentado resultados
importantes que han sugerido tambieacuten la aplicacioacuten potencial en la oxidacioacuten de
hidrocarburos (selectiva y no selectiva) la hidrogenacioacuten de CO y en la reduccioacuten de
NOx con H2 C3H6 o CO[11] La hidrogenacioacuten de hidrocarburos no saturados tambieacuten
puede ocurrir sobre catalizadores de oro soportado siempre y cuando el oro este
altamente disperso en el soporte
Hasta este punto se ha visto que el CO es un contaminante muy toxico siendo un
compuesto que provoca dantildeos severos en la salud del ser humano y en general al
Catalizadores de Oro Soportado 7
UAM-I
medio ambiente Por lo que se requiere reducir las concentraciones principalmente
dentro de los hogares La idea baacutesica de este proyecto fue disentildear un dispositivo
cataliacutetico que permita reducir las emisiones de CO en los calentadores hasta en un
90 de su concentracioacuten inicial En el Capiacutetulo 2 se describen la siacutentesis y
caracterizacioacuten de catalizadores Auγ-Al2O3 preparados por los meacutetodos de
impregnacioacuten y deposicioacuten-precipitacioacuten asiacute como la actividad en la oxidacioacuten de una
mezcla de CO e H2 Por uacuteltimo en el capitulo 3 se presenta el disentildeo de una planta
industrial para la fabricacioacuten de dichos dispositivos cataliacuteticos uacutetiles en la oxidacioacuten
de CO de los efluentes de calentadores de agua domeacutesticos
12 OBJETIVO GENERAL Dimensionar disentildear y estimar el costo de una planta productora de catalizadores de
oro en la oxidacioacuten del CO para aplicacioacuten a equipos de calentamiento de agua
domeacutesticos
13 OBJETIVOS PARTICULARES - Siacutentesis del catalizador por los meacutetodos de Impregnacioacuten y Deposicioacuten-
Precipitacioacuten
- Caracterizacioacuten de catalizadores por Absorcioacuten Atoacutemica Adsorcioacuten Fiacutesica
Difraccioacuten de Rayos X y Microscopia Electroacutenica de Transmisioacuten
- Evaluacioacuten de catalizadores en la oxidacioacuten de CO
- Obtener el mejor meacutetodo de preparacioacuten para tener una buena distribucioacuten de
nanopartiacuteculas de Au soportadas en γ-Al2O3 con alta actividad a baja
temperatura
- Disentildear la planta industrial para la produccioacuten de catalizadores uacutetiles en la
oxidacioacuten de CO
- Evaluar la viabilidad del proceso
Catalizadores de Oro Soportado 8
UAM-I
14 BIBLIOGRAFIacuteA
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[2] httpwwwtusaludcommx
[3] httpwwwepagovttnamticcohtml
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4504-91-016
[8] Compilation of Aire Pollutan Emissions Factors Vol I Fifth Edition AP-42 De EPA-
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[9] MHaruta NYamadaT Kobayashi S Ijima J Catal 115 (1989) 301
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[12] JC FrostNature 334 (1991) 47
Catalizadores de Oro Soportado 9
UAM-I
C A P I T U L O II
E X P E R I M E N T A C I Oacute N
Catalizadores de Oro Soportado 10
UAM-I
2 1 INTRODUCCIOacuteN
Existen reportes [6] sobre la actividad de catalizadores Auγ-A12O3 AuCo3O4 AuNiO
sintetizados por diferentes meacutetodos (co-precipitacioacuten deposicioacuten-precipitacioacuten e
impregnacioacuten etc) en la oxidacioacuten de H2 y CO La actividad se ha relacionado a un
efecto combinado entre Au y los oacutexidos metaacutelicos utilizados como soporte Sin
embargo una alta actividad cataliacutetica en la oxidacioacuten de CO e H2 estaacute directamente
relacionada al tamantildeo de partiacutecula de Au y la dispersioacuten de eacutestas en el soporte[7]
Algunos trabajos[8-9] indican que a menor tamantildeo de partiacutecula mayor actividad y
mayor estabilidad del catalizador
En el presente trabajo se prepararon catalizadores de Au soportado sobre γ-Al2O3
con un tamantildeo promedio de partiacuteculas de Au de 5 nm y alta dispersioacuten Se utilizaron
dos meacutetodos de preparacioacuten diferentes impregnacioacuten y deposicioacuten-precipitacioacuten
variando el contenido de oro de 007 a 1 en peso de Au Los catalizadores se
evaluaron en la oxidacioacuten de una mezcla de CO e H2 y fueron caracterizados por
difraccioacuten de rayos x microscopia electroacutenica absorcioacuten atoacutemica y absorcioacuten fiacutesica
Los resultados indican que efectivamente la actividad depende del tamantildeo de
partiacutecula y el contenido de Au en el catalizador En particular el catalizador con 035
en peso de Au presentoacute 100 de conversioacuten en ambas reacciones sin indicios de
desactivacioacuten durante 24 h continuas de operacioacuten a velocidades espaciales (GHSV)
mayores que 10 000 h-1 Con esto se pretende contribuir al desarrollo de
catalizadores ambientales que permitan disminuir las emisiones nocivas
provenientes de fuentes fijas y moacuteviles de nuestro paiacutes
Catalizadores de Oro Soportado 11
UAM-I
22 EXPERIMENTACIOacuteN
Siacutentesis de Catalizadores
Meacutetodo de DP Se dispersoacute 1 g de γ-Al2O3 (Ketjen) en 100 mL de agua tridestilada y
se adicionoacute NH4(OH) (JT Baker) (01M) hasta obtener un pH de 9 Posteriormente
se agregoacute por goteo durante 2 h 20 mL de una solucioacuten de AuCl3 (9998 Aldrich)
(25x 10-3 M) Despueacutes se agitoacute por 30 min y se filtroacute y lavoacute con agua destilada con
10 veces el volumen total inicial Por ultimo el soacutelido resultante se secoacute a 80degC por 2
h y se calcinoacute a 400degC por 4 h
Meacutetodo de IMP Se dispersoacute 1 g de γ-A12O3 en 100 mL de agua tridestilada por 30
min A esta mezcla se le antildeadioacute lentamente 20 mL de una solucioacuten de AuCl3 (25x10-
3M) y se mantuvo en agitacioacuten 720 min Durante este tiempo se ajustoacute el pH a 9 por
medio de la adicioacuten de una solucioacuten acuosa de Na2CO3 (JT Baker) El soacutelido se
filtroacute y lavoacute con 500 mL de agua tridestilada caliente (95degC) para eliminar los iones de
cloro que podriacutean afectar la actividad cataliacutetica Finalmente se secoacute a 120degC 24 h y
se calcinoacute a 400degC por 4 h
Los catalizadores preparados por el meacutetodo de DP e IMP se les llamaraacuten de aquiacute en
adelante x-Auγ-Al2O3-DP y muestra x-Auγ-Al2O3-IMP respectivamente donde x
indica el en peso de Au en el catalizador
Caracterizacioacuten de Catalizadores Absorcioacuten Atoacutemica La cantidad de oro en cada uno de los catalizadores se
determinoacute por absorcioacuten atoacutemica (SpectrAA-20 Varian) Antes de las mediciones el
equipo fue calibrado con una solucioacuten estaacutendar de Au (Sigma) Una muestra de cada
catalizador (01g) se disolvioacute en agua regia a temperatura ambiente la cual se
preparoacute mezclando 200 ml de HCl concentrado y 100 mL de HNO3 concentrado
Adsorcioacuten Fiacutesica La isoterma de adsorcioacuten fiacutesica de N2 a 75 K de cada catalizador
se obtuvo en un equipo automatizado Quantachrome Autosorb Automated A partir
de estos datos se determinoacute el aacuterea BET el radio y el volumen promedio de poro
Catalizadores de Oro Soportado 12
UAM-I
Difraccioacuten de Rayos X Se realizoacute en un difractoacutemetro Siemens D500 en un entrono
angular de 4 a 64ordm en 2θ La radiacioacuten Cuκα se seleccionoacute con un difractor de un haz
de luz monocromaacutetico
Microscopia Electroacutenica de Transmisioacuten (TEM) Se utilizoacute un Microscopio Electroacutenico
de Transmisor Mod EM910 Zeiss operando a un voltaje de 120 kV y con una
ampliacioacuten de 400000 aumentos Para la preparacioacuten de las muestras se tomaron
005 g de cada una y se disolvieron en alcohol etiacutelico y se sometieron a ultrasonido
(Branson 2210) por 5 min Posteriormente se colocaron las rejillas en porta objetos y
se agregoacute una gota de la solucioacuten del catalizador dejando secar a temperatura
ambiente hasta su medicioacuten
Evaluacioacuten cataliacutetica Las medidas de actividad cataliacutetica en la oxidacioacuten de CO e H2
CH4 y C2H8 se realizaron en un microreactor de cuarzo de lecho fijo en el cual se
colocaron en todos los casos 030 g de catalizador y se utilizoacute un flujo total de 100
mLmin Para la oxidacioacuten de CO se utilizoacute una mezcla con 1 CO 05 O2 033
H2 en N2 para las pruebas en condiciones estequiomeacutetricas y con 1 CO 21 O2
033 H2 en N2 para los experimentos en exceso de O2 El efluente fue analizado
por cromatografiacutea de gases (GC-12 A Shimadzu C-RGA con una columna SFE-1)
con detector de conductividad teacutermica Para la combustioacuten de CH4 se uso una
mezcla con 1 CH4 2 O2 97 N2 y para la combustioacuten de C3H8 una mezcla con
1 C3H8 2 O2 97 N2 En todos los experimentos la temperatura de operacioacuten
fue de 25 a 400 degC y la velocidad espacial fue 10146 h-1
Catalizadores de Oro Soportado 13
UAM-I
23 RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN
Absorcioacuten Atoacutemica y Adsorcioacuten Fiacutesica La Tabla 1 muestra los contenidos de Au
el Aacuterea BET (ABET) el volumen promedio de poro (VP) y el radio promedio de poro
(RP) para los catalizadores preparados
Se puede observar que el aacuterea BET de la γ-Al2O3 se modifica con la adicioacuten de Au El
aacuterea BET entre la γ-Al2O3 pura y la muestra DP concuerdan con lo reportado[10-11] de
que a mayor porcentaje de Au mayor es el aacuterea superficial sin embargo el aacuterea BET
del catalizador 007-Auγ-Al2O3-IMP que tiene un menor porcentaje de Au presenta
la mayor aacuterea BET Sin embargo aunque el radio promedio de poro es casi el mismo
para las tres muestras el catalizador 007-Auγ-Al2O3-IMP presenta el mayor
volumen promedio de poro Esto podriacutea deberse a que el meacutetodo de preparacioacuten
utilizado causoacute la generacioacuten de una mayor porosidad en la γ-Al2O3 en lugar de la
impregnacioacuten de una mayor cantidad de Au Las isotermas de adsorcioacuten de los
catalizadores fueron del tipo IV y semejantes en forma a la de la γ-Al2O3 (Figura 1)
La Figura 2 muestra que la distribucioacuten de tamantildeo de poros se centra dentro del
mismo margen para las tres muestras y se aprecia la presencia de mesoporos entre
los 50 y 125 Aring
Tabla 1 Contenido Au y caracteriacutesticas texturales en los catalizadores
Catalizador Au ( en peso) ABET (m2g) RP (Aring) VP (ccg)
γ-Al2O3 000 183 78 0489
IMP 007 301 79 0743
DP 035 215 78 0518
IMP 100
No se ha determinado
Catalizadores de Oro Soportado 14
UAM-I
0
100
200
300
400
500
0 02 04 06 08
PPo
Vads
(cm
3g)
STP
-Al2O3
035-Au -Al2O3-DP
007-Au -Al2O3-IMP
1
Figura 1 Isotermas de adsorcioacuten y desorcioacuten de N2 de los catalizadores Auγ-Al2O3
ifraccioacuten de Rayos X La Figura 3 muestra los patrones de difraccioacuten de Rayos X
0
0004
0008
0012
0016
002
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
Rp [A]
Dv(
r) [c
m3
Ag]
-Al2O3
035-Au -Al2O3-DP
007-Au -Al2O3-IMP
Figura 2 Distribucioacuten de tamantildeo de poros
D
de los catalizadores Se observa que todos son caracteriacutesticos de la γ-Al2O3 Es
imposible identificar la presencia del Au esto debido al pequentildeo porcentaje y la alta
Catalizadores de Oro Soportado 15
UAM-I
dispersioacuten del Au contenido en cada uno de los catalizadores Sin embargo para el
caso de que se tuviese mayor cantidad de Au el difractograma podriacutea presentar un
pico alrededor de los 38deg en 2θ el cual indicariacutea la presencia de Au A partir de esta
sentildeal y la ecuacioacuten de Scherrer algunos autores han calculado el tamantildeo promedio
de las partiacuteculas de oro en catalizadores soportados
Microscopia Electroacutenica Transmisioacuten (MET) En la Figura 4 se presentan las
casos los
imaacutegenes de MET para la γ-Al2O3 y los catalizadores 035-Auγ-Al2O3-DP y 007-Auγ-
Al2O3-IMP En ambos catalizadores el tamantildeo de partiacutecula se encuentra es mayor
que 2 nm pero menor o igual que 5 nm En ambos casos los resultados indican que
las partiacuteculas de oro estaacuten dispersadas de manera uniforme en el soporte
Se encuentra es mayor que 2 nm pero menor o igual que 5 nm En ambos
resultados indican que las partiacuteculas de oro estaacuten dispersadas de manera uniforme
en el soporte
Figura 3 Patrones de Difraccioacuten de Rayos X de los catalizadores Auγ-Al2O3
Catalizadores de Oro Soportado 16
UAM-I
Figura 4 Imaacutegenes de MET para (a) γ-Al2O3 (b) 035-Auγ-Al2O3-DP y (c) 007-Auγ-
Al2O3-IMP
Catalizadores de Oro Soportado 17
UAM-I
Se sabe que la alta actividad cataliacutetica del oro esta relacionada con su tamantildeo esto
quiere decir que entre maacutes pequentildeas sean las partiacuteculas mayor actividad tendraacuten
nes estequiomeacutetricas el catalizador 007-Auγ-Al2O3-
P no mostroacute actividad para la oxidacioacuten de CO e H2 sin embargo al operar la
por lo tanto de las imaacutegenes anteriores se tiene que el meacutetodo DP es el maacutes
adecuado por lograr depositar mayor cantidad de Au con gran dispersioacuten y un
tamantildeo de partiacuteculas pequentildeo
Actividad Cataliacutetica A condicio
IM
misma muestra con un exceso de O2 la actividad inicioacute a partir de 140oC alcanzando
una conversioacuten maacutexima de 8748 a 400 degC (Figura 5) En vista de este uacuteltimo
resultado se decidioacute evaluar el catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP a las mismas
condiciones de exceso de O2 En este caso la actividad cataliacutetica inicioacute por debajo de
los 30oC incrementaacutendose casi linealmente con la temperatura hasta lograr una
conversioacuten maacutexima de 9367 a 127degC La diferencia en actividad entre ambos
catalizadores es notable Auacuten a muy bajos contenidos de Au el catalizador 007-Auγ-
Al2O3-IMP presenta una actividad importante sin embargo al aumentar cinco veces
este contenido (035) y manteniendo el tamantildeo de partiacutecula es posible disminuir la
temperatura de encendido calculada como la temperatura a la cual se logra el 50
de conversioacuten (T50) en 175oC Un uacuteltimo estudio fue la evaluacioacuten del catalizador
10-Auγ-Al2O3-IMP el cual presenta una T50 de 290 degC(ver Figura 5) la cual es 40 degC
mayor que el catalizador 007-Auγ-Al2O3-IMP auacuten cuando el contenido de Au es
mayor La Figura 5 muestra tambieacuten la comparacioacuten de estos resultados con
trabajos anteriores[10] en los que utilizan el catalizador 5-Auγ-Al2O3-IMP a
condiciones estequiomeacutetrica en este caso T50 es de 215 degC tan solo 35 degC de
diferencia en comparacioacuten con el catalizador 007-Auγ-Al2O3-IMP La diferencia en el
contenido de Au es 15 veces menor En general al trabajar en condiciones en exceso
de O2 se tiene una mayor conversioacuten a una menor temperatura por lo que se
esperariacutea que los resultados del catalizador 5-Auγ-Al2O3-IMP bajo condiciones de
exceso fueran mejores sin embargo los autores no presentan estos resultados
Catalizadores de Oro Soportado 18
UAM-I
El catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP alcanzoacute 100 de conversioacuten a 176 degC a
condiciones de exceso de O2 (Figura 5) esta conversioacuten se mantuvo por 24 h sin
presentar indicios de desactivacioacuten (Figura 6) KRuth [12] reporta desactivacioacuten del
catalizador 10-Auγ-TiO2 a partir de 80 minutos de operacioacuten con una velocidad
espacial de 1x104 h-1 El catalizador fue preparado por deposicioacuten y contiene nano-
particulas (2-5nm) soportadas en TiO2 Sin embargo el catalizador logra 100 de
conversioacuten a 0 degC Esto es debido a que los catalizadores AuTiO2 presentan mayor
actividad a temperaturas bajas La Figura 6 muestra tambieacuten la conversioacuten reportada
por Seung-Jae[11] del catalizador 043-Auγ-Al2O3-IMP en donde la temperatura de
operacioacuten es de 25 degC sin embargo se tiene una desactivacioacuten apreciable a partir de
150 minutos de operacioacuten con una velocidad especiales de 8x10 h-1
Figura 5 Conversioacuten del CO para los catalizadores de 007-Auγ-Al2O3-IMP 10-
os resultados de conversioacuten del hidroacutegeno (Figura 7) muestran conversioacuten del 100
10 a 035 es de 20 degC
Auγ-Al2O3-IMP y de 035-Auγ-Al2O3-DP en condiciones de operacioacuten en exceso de
O2 la tasa de temperatura es de 2degC por minuto Datos Referencia [10]
L
por debajo de 150 degC con el catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP mientras que el
catalizador 007-Auγ-Al2O3-IMP logra conversioacuten completa hasta 270oC y para el
catalizador 10-Auγ-Al2O3-IMP se tiene una conversioacuten del 100 hasta 310 degC lo
cual indica que los tres catalizador son activos para ambas reacciones y que se
mantiene la tendencia observada para la oxidacioacuten de CO La disminucioacuten en T50 al
aumentar el contenido de Au de 007 a 035 es de 140oC mientras que para la de
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Catalizadores de Oro Soportado 20
Figura 6 Variacioacuten de la conversioacuten con respecto al tiempo para la muestra de DP a
una temperatura de 180 degC Datos Referencia [11]
Figura 7 Oxidacioacuten de H sobre los catalizadores 035-Au2 γ-Al2O3-DP 007-Auγ-
Al2O3-IMP y 10-Auγ-Al2O3-IMP bajo condiciones de exceso de O2
La Figura 8 muestra como varia la temperatura de encendido con la cantidad de Au
en los catalizadores preparados en este trabajo Se observa un miacutenimo para el
catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP lo cual indica que la mayor actividad se logra a bajos
contenidos de Au y tamantildeos de partiacutecula menores que 5 nm
0
20
40
60
80
0 200 400 600 800 1000Tiempo (min)
Con
vers
ioacuten
de C
O (
) 100
035-Au -Al2O3-DP (176 degC)
043-Au -Al2O3-IMP (25 degC)
0
20
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Temperatura (degC)
40
60
Con
vers
ioacuten
de H
2 (
)
80
100
10-Au -Al2O3-IMP035-Au -Al2O3-DP007- Au -Al2O3-IMP50-Au -Al2O3-IMP
UAM-I
F
o
P
o
o
re
d
F
c
C
T50 (degC)
igura 8 Variacioacuten de la te
xidacioacuten de CO con respect
or ultimo se realizaron cu
peracioacuten pero variado la
btenidos se muestran en la
accioacuten presentan una tend
e catalizador
00000
00040
00080
00120
00160
00200
0
(-rc
o)
00000
igura 9 Velocidad de reac
ondiciones en exceso de O2
atalizadores de Oro Soportado
masa Au
mperatura de encendido a 50 de conversioacuten en la
o a la cantidad de Au en el catalizador
atro corridas maacutes bajo las mismas condiciones de
masa de catalizador Las velocidades de reaccioacuten
fig9En esta figura se observa que las velocidades de
encia lineal despueacutes de los 80degC al aumentar la masa
50 100 150 200 250 300T (degC)
3 gr cat
25 gr cat
2 gr cat
15 gr cat
1 gr cat
cioacuten de CO a diferentes masas de catalizador y bajo
21
UAM-I
Se tomo una temperatura de 125 degC debido a las mediciones realizadas en
diferentes calentadores domeacutesticos Se encontroacute que la temperatura media es la
mencionada A partir de los datos experimentales se determinoacute que el orden de
reaccioacuten es 13 y la constante cineacutetica k = 480945 (m3)13[(mol)03m3cat hr] (00012
mhr) y un coeficiente de transferencia de masa de 792 mhr (ver apeacutendices A) con
estos valores y usando los criterios de Weisz-Prater y Mears[14] (ver apeacutendice B) se
obtuvo que no existe resistencia interna ni externa a la transferencia de masa por lo
que la cineacutetica es la que controla
24 CONCLUSIOacuteN DE LA EXPERIMENTACIOacuteN El meacutetodo de DP es mucho maacutes adecuado que el de IMP para la preparacioacuten de
catalizador de Au soportados en γ-Al2O3 ya que permitioacute obtener catalizadores con
cinco veces maacutes oro que el preparado por el meacutetodo IMP bajo condiciones similares
de preparacioacuten En ambos casos el tamantildeo promedio de partiacutecula fue menor que 5
nm Debido a esto el catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP presenta una mayor actividad
en la oxidacioacuten de CO e H2 sin observarse desactivacioacuten durante un periodo de 24 h
Puesto que en ambas muestras se consiguioacute una gran dispersioacuten y un tamantildeo
similar de nanopartiacuteculas de oro se tiene entonces que la principal diferencia de
actividad cataliacutetica se debe principalmente a la cantidad de Au en el catalizador Sin
embargo el catalizador 10-Auγ-Al2O3 presenta una menor conversioacuten que el de
035-Auγ-Al2O3-DP a pesar de contener maacutes Au por lo que hasta el momento se
podriacutea decir que la cantidad de Au optima se encuentra por debajo de 10 wt y por
arriba de 007 wt no obstante se requiere de la caracterizacioacuten del catalizador 10-
Auγ-Al2O3 se para determinar de que manera influyen el tamantildeo de partiacuteculas la
distribucioacuten el volumen y el tamantildeo de poro en los resultados esta caracterizacioacuten
asiacute como la evaluacioacuten cataliacutetica del catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP bajo
condiciones estequiomeacutetricas se encuentran en proceso
Catalizadores de Oro Soportado 22
UAM-I
25 BIBLIOGRAFIacuteA [1] M Haruta CatalToday 36 (1997) 153
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Pretice may Tercera edicioacuten Impresa en Meacutexico DF
Catalizadores de Oro Soportado 23
UAM-I
C A P I T U L O III
D I S E Ntilde O D E L A P L A N T A I N D U S T R I A L
Catalizadores de Oro Soportado 24
UAM-I
31 INTRODUCCIOacuteN
Este capitulo esta enfocado al disentildeo de la planta industrial donde se produciraacuten
catalizadores de Auγ-Al2O3 por el meacutetodo de Deposicioacuten-Precipitacioacuten (DP) descrito
en el capitulo 2
Parte de la produccioacuten de los catalizadores se destinaraacute a su venta en masa y otra
parte se destinaraacute para el equipo de purificacioacuten de calentadores de agua esto con
la finalidad que el catalizador que esta contenido dentro del equipo de purificacioacuten
cuando se desactive pueda remplazarse por catalizador nuevo disponible en el
mercado De esta forma se tendraacuten ganancias tanto al vender el equipo purificador
como al vender catalizador como materia prima
32 DISENtildeO DEL EQUIPO PURIFICADOR PARA CALENTADORES DE AGUA DOMEacuteSTICOS El equipo purificador se ubicaraacute a la salida del efluente gaseoso del calentador como
un equipo adicional como se muestra en la Figura 1 Se plantea colocarlo en una
posicioacuten tal que oxide a baja temperatura hasta el 90 de CO Las dimensiones del
purificador se determinaron seguacuten las especificaciones de calentador y el balance de
materia en el sistema purificador Estos caacutelculos se presentan en el Apeacutendice A
Los tubos de las chimeneas de los calentadores son de latoacuten por lo que se decidioacute
utilizar este material para la parte exterior la parte donde se colocaraacute el catalizador
es de 35 cm de longitud para colocarlo en el tubo de la salida del flujo de gas se
dieron 2 cm maacutes en cada extremo para hacer un tipo cople de manera que el tubo
entre en los extremos
Catalizadores de Oro Soportado 25
UAM-I
C O 2 2 0 c m 7 c m c m G A S C O
3
2cm
75 cm 35 cm
Figura 1 Esquematizacioacuten del equipo purificador y su ubicacioacuten en los calefones
Las dimensiones obtenidas (Apeacutendice A) y las caracteriacutesticas del purificado se
presentan en la Tabla 1
Tabla 1 Especificaciones de purificador
Material Latoacuten
Longitud 35 cm
Diaacutemetro 20cm
Cantidad de
Catalizador
700 gr
Catalizadores de Oro Soportado 26
UAM-I
33 PRODUCCIOacuteN DE LA PLANTA INDUSTRIAL A partir de un estudio de mercado se encontroacute que en la Ciudad de Meacutexico hay
cuando menos cuatro empresas principales (CALOREX ELSA MAGAMEX y
CINSA) que fabrican calentadores de agua residenciales[1 2] Estas en promedio
producen 150 calefones diarios Por cada calefoacuten se requiere un equipo purificador
En este sentido de requieren idealmente 600 unidades de purificacioacuten por diacutea Esta
base se utilizoacute para el disentildeo de la planta
A partir del balance de masa en el purificador y empleado los resultados
experimentales a nivel laboratorio (ver apeacutendice A) se encontroacute que cada purificador
requiere 07 Kg de catalizador A partir de este resultado se requiere producir al
menos 420 Kg de catalizador para satisfacer la demanda en la produccioacuten de
calefones Con base en el balance de materia realizado en el mezclador se
determinoacute que la cantidad de catalizador obtenido despueacutes de cuatro lotes es de
570 Kg Tomando el resto de catalizador como reserva por cualquier contratiempo El
nuacutemero de lotes se determinoacute en base a que fuese rentable la recuperacioacuten de oro
34 DISENtildeO Y OPERACIOacuteN DE LA PLANTA
La fabricacioacuten del catalizador a nivel industrial esta basada en el escalamiento del
meacutetodo de siacutentesis descrito en la parte experimental Lo cual es una praacutectica comuacuten
en la fabricacioacuten de materiales cataliacuteticos
Para la produccioacuten de 570 Kg por diacutea se plantea utilizar cuatro mezcladores (ver
Figura 2) que operaran durante 8 h con cuatro intervalos (o cargas) de 2 h y
descansos de 30 min (dejando 30 min libres por contratiempos) Esta operacioacuten se
elige con base en las horas de trabajo y el meacutetodo de preparacioacuten del catalizador
Al igual que en la parte experimental el proceso requiere operacioacuten por lotes debido
a que se necesitan largos tiempos de contacto para obtener catalizadores eficientes
en la oxidacioacuten de CO a baja temperatura Se pretende utilizar un agitador tipo
Catalizadores de Oro Soportado 27
UAM-I
canastilla[4] el cual permite colocar dentro de las mismas el catalizador para tener
una mejor impregnacioacuten de partiacuteculas de Au y eliminar la atricioacuten Las dimensiones
del agitador asiacute como del mezclador se presentan en la Figura 6
Al teacutermino de la uacuteltima carga en los mezcladores el lote completo del diacutea pasa al
horno para secarlo a 80degC por 2 h y calcinarlo a 400degC durante 4 h Durante estos
procesos se concluye la preparacioacuten del catalizador Las temperaturas y tasas de
calentamiento estaacuten basadas en el meacutetodo de preparacioacuten experimental descrito en
el Capitulo ll Posteriormente el catalizador producido pasa a la seccioacuten donde se
embolsa para ser vendido como materia prima y la otra parte pasa a la seccioacuten de
ensamblaje para fabricar el purificador
Dimensiones de la industria
Las dimensiones de los equipos como mezcladores cisternas tanque de
tratamiento horno etc se tomaron como base para poder suponer espacios entre
equipos para tener seguridad del personal Se dio preferencia a los mezcladores ya
que son las partes importantes en la elaboracioacuten de los catalizadores La cisterna
estaraacute enterrada para facilitar su llenado en el caso de los contenedores de HAuCl4
y NH4OH estaraacuten encima de bases maacutes altas que los mezcladores para poder
abastecerlos por gravedad Esto debido a que el volumen es poco no se requiere de
grandes cantidades por lo que no se requiere alguna bomba Se estuvo analizando
la forma de acomodar los equipos y se obtuvo la siguiente distribucioacuten que se
muestra en la Figura 3
En la Figura 4 se presenta el plano de la industria con sus respectivos
departamentos en la parte sur se encuentra la entrada principal en ella se encuentra
vigilancia y la entrada de empleados y obreros posteriormente esta la zona de
oficinas lado izquierdo del lado derecho se encuentra el estacionamiento para
clientes y empleados en el almaceacuten se encontraraacuten refacciones de equipo y
reservas de materia primas para los catalizadores en la zona de produccioacuten se tiene
el estacionamiento de proveedores para facilitar la entrada y salida del producto
Catalizadores de Oro Soportado 28
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado 29
Debido a que en cada industria debe existir un espacio recreativo se plantea una
cancha de Baacutesquetbol para los obreros y una zona de jardines en la parte norte
Ubicacioacuten de la industria
Para poder ubicar una industria es importante analizar la zona geograacutefica Para lo
cual se deben considerar algunos factores importantes por ejemplo No ubicarla en
zona de siacutesmica Si la industria requiere de un gran volumen de agua no ubicarla en
una regioacuten deseacutertica Si el producto es muy sensible al calor y la humedad evitar
zonas muy caacutelidas y huacutemedas Si se piensa vender el producto en una zona
especifica ubicar la industria cerca de la zona de venta para evitar gastos de
transportacioacuten A partir de este tipo de razonamientos se planea que debido a que el
producto que se elaborara que es un purificador cataliacutetico para su venta en la ZMVM
ya en ella estaacuten ubicadas las principales industrias de calentadores y debido a que la
planta requiere de un volumen considerable de agua se escogioacute el estado de
Morelos porque no esta muy lejos de la ZMVM y tiene reservas de agua Asiacute el gasto
de transportacioacuten de materias primas y sobre todo del producto elaborado seriacutea
pequentildeo
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Catalizadores de Oro Soportado
Agua
Tanque tratamien
Figur
NH4OH
HAuCl4
Produccioacuten de catalizadores
Recuperacioacuten de agua
de to
a
MezcladoresMezcladores
Cuando se requiere limpieza
Horno
Producto almaceacuten
30
1 Diagrama de produccioacuten Recuperacioacuten de cloro
UAM-I
35 BALANCE DE MATERIA DIAGRAMA DE FLUJO PARA DIFERENTES LOTES DE SOPORTE EN UN SOLO MEZCLADOR
Catalizadores de Oro So
05 Kg Au
10
0
086 Kg HAuCl4(ac)014 Kg H2O
035 Kg NO2(g)
2
35 Kg NH4(OH)(ac) (01M)
10000 Kg H2O
100 Kg Al3O
100 Kg Al2O3 (9965) 035 Kg Au (035) 025 Kg Cl2
026 Kg HauCl4(ac)35 Kg NH4(OH)
1101035 Kg H2O
O MEZCLADOR (t0)
10035 Kg catalizador
86 KgHAuCl4(ac)101035 Kg H2O
037 Kg HCl (ac) (105 M) 048 Kg HNO3(ac) (152 M)
porta
Kg N
30 Kg Al2Cl3
101021 Kg H2
do
H4 (OH) (ac) (01M) 30 Kg Al2O3 (9965) 01 Kg Au (035)
007 Kg Cl2
)
3
)
301 Kg catalizador MEZCLADOR (t1)
009 Kg HauCl4(ac)45 Kg NH4(OH)
1101035 Kg H2O
MEZCLADOR 1054 Kg catalizador
105 Kg Al2O3
(t2)
105 Kg Al2O3 (9965)
035 Kg NH4 (OH) (ac) (01M
004 Kg Au (035) 003 Kg Cl2
23 Kg Al2O
MEZCLADOR
(t3)23 Kg Al2O3 (9965)
2308 Kg catalizador
008 m3 NH4(OH) (ac) (01M
002 Kg HauCl4(ac)485 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
0008 Kg Au (035) 0006 Kg Cl2
0003 Kg HauCl4(ac)493 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
31
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Catalizadores de Oro Soportado 32
DIAGRAMA DE FLUJO PARA UN MEZCLADOR
MEZCLADOR
1101035 Kg H2O
1428 kg γ-Al2O3
086 Kg HAuCl4
493 Kg NH4(OH)
0003 Kg HauCl4(ac)493 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
1433 Kg Catalizador
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Catalizadores de Oro Soportado
36 DIAGRAMA DE LA INDUSTRIA
INDUSTRIA DE CATALIZADORES
TANQUE DE TRATAMIENTO HORNO
CISTERNA 1
CONTENEDORDE AuCl3 CONTENEDOR DE
NH4OH ZONA DE LLENADO
DE SAPORTE
SE LLEVA AL HORNO
MANUALMENTE
PRODUCTOALMACEacuteN
Contenedor de HAuCl4
Figura 2 Diagrama de la distribucioacuten del equipo dentro del aacuterea de produccioacuten
33
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Catalizadores de Oro Soportado
37 DIMENSIONES DEL EQUIPO Y TUBERIacuteA
2 mts
2 mts 2 mts 6 mts 4 mts 3 mts 5mts 5 mts 3 mts 6 mts 3
3mts 3 mts 3mts 3 mts 3 mts
4 mts 1 5 mts 1 5 mts 4mts 4 7mts 4 mts 21 mts 7 2mts 26 mts 2 mts 21 mts 6 mts
3 5 mts 14 mts 6 mts 8 mts 1 5 mts 3 mts 5 mts 13 mts 8 mts 20 mts 30 mts
IN D U ST R IA D E C A T A L IZ A D O R E S
T AN Q U E D E T R AT AM IE N T O H O R N O
C IST E R N A 1
C O N T EN ED O RD E Au C l3
C O N T EN E D O R D E N H 4O H
ZO N A D E L LEN AD O D E SO PO R T E
AG UA PAR A JAR D IN ES
M E Z C L A D O R E S 12 3 y 4
1 2 3 4
A L M A C Eacute N
Contenedor de HAuCl4
Figura 3 Dimensiones del equipo y tuberiacutea requerida
34
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Catalizadores de Oro Soportado
38 PLANO DE DISTRIBUCIOacuteN DE AacuteREAS
Figura 4 Aacutereas de trabajo dentro de la planta
35
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
DIMENSIONES DE LA INDUSTRIA
Figura 5 Dimensiones de cada aacuterea de la planta industrial
36
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Ingenieriacutea Quiacutemica 37
10 cm 3mts 1 mts 25 cm 15cm 5 cm 5 cm 3mts 150 mts 10 cms 100 mts 20 cm
003 mts
Figura 6 Dimensiones del mezclador y del Agitador
UAM-I
Las dimensiones de las canastillas se determinaron a partir del balance de masa y la
produccioacuten requerida La carga de un contenedor de soporte que es de 100kg del
cual el agitador tiene 4 canastillas cada una corresponde 25 Kg la masa se obtuvo
del balance de materia y su densidad 600 Kgm3 con el que se obtuvo un volumen de
0043 m3
39 ANAacuteLISIS FINANCIERO
El costo de materias primas se muestra en la Tabla 2 en la que tambieacuten se incluyen
los flujos de alimentacioacuten requeridos para el proceso a partir de los cuales se
determinaron los costos diarios
Tabla 2 Costo de materias primas [5]
Compuesto
Alimentacioacuten
por diacutea
Costo
USDKg
Costo Total
USDdiacutea
Au 2 kg 10596 2119200
HCl 15 Kg 52 780
HNO3 20 Kg 022 044
-Al2O3 5712 Kg 034 19421
Canastillas 500 piezas 15 75000
NH3(OH) 200 Kg 034 680
H2O 440414 Kg 282 282
Total de Materia Prima 2215407
El costo se determinoacute considerando la cantidad de material el tamantildeo y el costo de
manufactura
El costo se determinoacute para uso industrial conforme establece la tesoreriacutea de
Meacutexico
Ingenieriacutea Quiacutemica 38
UAM-I
PERSONAL REQUERIDO PARA LA INDUSTRIA
La Tabla 3 establece los salarios mensuales anuales y las prestaciones del IMSS
para el personal de la planta
Tabla 3 Salarios y Prestaciones del Personal
Mano de Obra (USDmes)p
ersona
USDmes USDantildeo Prestaciones
IMSS
1 Gerente 2000 2000 24000
1 Administrador 1000 1000 12000
1 Secretaria 400 400 4800 1193
Total de Salarios
Administrativos
40800 1193 409193
9 Obrero 150 150 1800 448
1 Teacutecnico 200 200 2400 597
1 Policiacutea 200 200 2400 597
1 Mantenimiento 180 180 2160 538
1 Limpieza 150 150 1800 448
Total de Salarios
Proceso
10560 2628 108228
Los salarios se determinaron en base al salario miacutenimo vigente en la Ciudad de
Meacutexico (2003)[29]
Ingenieriacutea Quiacutemica 39
UAM-I
PERSONAL
Departamento de produccioacuten
Se tendraacute 2 obreros en el llenado de soporte en las rejillas un obrero encargado del
traslado de rejillas por medio de la banda de los motores a cada contenedor un
obrero en cada contenedor de NH4OH y HAuCl4 en cada mezclador se tiene 1
obrero para descargar y cargar las rejillas a la banda que se trasladaran al horno en
el horno se tiene 1 obrero encargado del secado y calcinado el producto se traslada
al almaceacuten donde estaraacuten 2 obreros que reciben el producto y materias primas de los
proveedores se tiene 1 teacutecnico supervisando los equipos un encargo del
mantenimiento de los equipos
Departamento de personal
Gerente de la industria un administrador encargado de compra y venta de materias
primas una secretaria
Ingenieriacutea Quiacutemica 40
UAM-I
CAPITAL FIJO
La Tabla 4 muestra el costo de los equipos requeridos en la planta asiacute como el
Capital Fijo y la Inversioacuten del Capital Total
Tabla 4 El equipo se costeo usando las correlaciones de Ulrich [6] y empleando el
programa de Capcost
EQUIPO USD
4 Contenedores 23584
4 Agitadores (456kW) 269760
1 Horno (25 kW) 15700
15 Bombas (1469kW) 43081
1 Motor (114 kW) 67440
Tuberiacuteas 42150
2 Cisternas 174183
Vaacutelvulas 1283
Accesorios
(codos 90ordm y de 45ordm te)
1474
CAPITAL FIJO 638655
Capital de Trabajo 9579825
INVERSIOacuteN DE
CAPITAL TOTAL
73445325
Los caacutelculos y las correlaciones empleadas para el costeo del equipo se anexan en
el Apeacutendice A
Ingenieriacutea Quiacutemica 41
UAM-I
GASTOS GENERALES
Tabla 5 Proporciona el total de gastos anuales con lo cual se estima el precio por
kilo de catalizador y por unidad purificadora
Tabla 5 Gastos Generales anuales
USDAntildeo
Materias Primas 531697680
Mano de Obra de Operacioacuten 1082280
Mano de Obra de Oficina 4091930
Servicios Electricidad 2620100
Total de Gastos Generales 539491990
CFE
Produccioacuten diaria de Catalizador = 574 Kg
Precio de Catalizador = 40 USDKg
Produccioacuten diaria de unidades purificadoras = 500
Precio por unidad = 50USD
Ganancia diaria = 22960 USD
Ganancia Anual = 5510400 USD
DETERMINACIOacuteN DE LA RENTABILIDAD DEL PROYECTO
TPI (Actual) = 10
PR (Factor de riesgo) = 25
TREMA = TPI + PR
TREMA = 35
TIR (del proyecto) = 90
TIR gt TREMA
Puesto que la TIR es mayor que la TREMA se tiene que el proyecto es rentable [6]
Ingenieriacutea Quiacutemica 42
UAM-I
310 CONCLUSIONES
En el desarrollo de la industria para la fabricacioacuten de catalizadores se tuvo un
resultado satisfactorio a pesar de la falta de informacioacuten disponible acerca de
industrias de catalizadores debido a que esta informacioacuten no es publica El proyecto
que elaboramos es novedoso en nuestro paiacutes ya que no existen registros de una
industria que produzca catalizadores de oro soportados en aluacutemina
Durante el desarrollo del proyecto se planteoacute trabajar con compuestos como NOx y
COVS sin embargo debido a la falta de tiempo no se logroacute concluir la
experimentacioacuten en estos campos Debido a esto se tomoacute la decisioacuten de trabajar en
la oxidacioacuten cataliacutetica de CO Esto debido a varios factores por ejemplo la
disponibilidad de gases y sobre todo los costos que esto implicaba
Para el desarrollo del catalizador se analizaron diferentes tipos de preparacioacuten y se
eligieron dos meacutetodos diferentes Deposicioacuten-precipitacioacuten e Impregnacioacuten Los
catalizadores se evaluaron bajo diversas condiciones en la oxidacioacuten de CO El
catalizador que presentoacute mayor conversioacuten con el catalizador a baja temperatura fue
el sintetizado por el meacutetodo de Deposicioacuten-precipitacioacuten el cual se utilizoacute para el
disentildeo de la Industria El disentildeo estaacute basado en la forma de preparacioacuten del
catalizador Por esto la parte maacutes importante de la planta es el tanque de mezclado
el cual se disentildeo tomando en cuenta los diferentes disentildeos de agitadores para tener
un mezclado oacuteptimo Se incorporo en la parte superior del agitador las canastillas
para las pastillas cataliacuteticas y el tipo de Horno que se usara para el secado y
posteriormente el calcinado Una parte importante es la produccioacuten de catalizador
para este problema se investigoacute en que parte se podriacutea utilizar a diferencia de los
catalizadores para automoacuteviles Se llego a la decisioacuten de poder desarrollar un
catalizador para los calentadores de agua se obtuvo informacioacuten de la fabrica de
calentadores cal-o-rex en la produccioacuten diaria de calentadores y de esta informacioacuten
se pudo calcular la posible demanda de nuestro producto Una parte importante en
las industrias son el tipo de bombas ya que existen diversos modelos en nuestro
disentildeo se escogioacute las bombas centriacutefugas con rodetes para agua que contiene
pequentildeas partiacuteculas de soacutelidos
En la parte de servicios para personal se investigo los sueldos de cada empleado Se
determinoacute el costo de los equipos y finalmente llegamos a la parte que nos interesa
Ingenieriacutea Quiacutemica 43
UAM-I
del disentilde es decir si el proyecto es rentable o no En este caso particular se tuvo un
valor aceptable y se definioacute que el disentildeo es rentable Esto indica que seria una
industria que tendriacutea ganancias y a la vez que el producto que se fabrique nos
ayudaraacute a todos a reducir la emisioacuten de CO en los hogares aportando una pequentildea
ayuda al medio ambiente
COMENTARIOS
Los conocimientos adquiridos durante este tiempo fueron provechosos en la parte
teoacuterica y praacutectica aclaramos dudas de como y porque se comportan las reacciones
quiacutemicas y los procesos de flujos Durante el desarrollo del proyecto aprendimos a
observar y la importancia de entender fiacutesicamente las algunos procesos relacionados
con la siacutentesis y caracterizacioacuten de materiales cataliacuteticos
Ingenieriacutea Quiacutemica 44
UAM-I
38 BIBLIOGRAFIacuteA
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UAM-I
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[29] Secretaria de Trabajo y Previsioacuten Social Comisioacuten de Salarios Miacutenimos
Ingenieriacutea Quiacutemica 46
UAM-I
APEacuteNDICE A
CRITERIOS PARA DETERMINAR QUIEacuteN CONTROLA EL PROCESO
Criterio de weisz para difusioacuten interna
Ec(12-16 Fogler) Los valores que se sustituyen en las siguientes ecuaciones fueron
tomados del catalizador que se analizo en el laboratorio
CWP = ( )
AS
cObsA
DeCRcr 2minus
lt 1
-rA(Obs) = velocidad de reaccioacuten observada molgcats Cc = concentracioacuten volumeacutetrica molm3
CAS = concertacioacuten en la superficie molm3
D= diaacutemetro del granulo m R = radio del granulo m De = difusividad efectiva m2s
d = 0149mm mxmm
m 4104911000
1 minus=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
CWP = ( )( )3
32
24
33
103470184200350
21049150800010681
minus
minusminus
=⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞⎜
⎝⎛
x
mmol
hrm
mxcatm
gcathgcat
molx
734x10-3 lt 1 No hay limitante por la difusioacuten interna
Ingenieriacutea Quiacutemica 47
UAM-I
Criterio de mears para difusioacuten interna Ec(12-62 Fogler)
Mm = 150ltAbc
bA
CkRnr ρminus
Mm =( )( )
0570
136000184200220
31110457508000106851
3
53
3
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ minusminus
hrs
mmol
sm
mxcatmgcat
hgcatmolx
0057 lt 015 no hay efecto de transferencia de masa externa Calculo de Dab para calcular el coeficiente de trasferencia de masa Ec(78 Lobo)
De =
KAAB DD11
1
+
DKA = 970X103 (80X10-8)(s
cmK 221 1090)
2400( =
DAB = 00018583ABAB
BA
PMMT
Ω
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ +
2
2123 11
γ
Para CO
0110=isin
Bk 0593 A=γ
Para O2
Ingenieriacutea Quiacutemica 48
UAM-I
0113=isin
Bk 0453 A=γ
( ) 51343359321
=+=ABγ
( )( )[ ] 21113110BAB k=isin A la temperatura de 400degK
( ) 583))113)(110((
40021 =
deg=
isin B
B
AB
B
KKKTK
Ω AB = 0907 Sustituyendo
DAB =s
cm2
2
2123
9730)9070()513(
)21281()400(00185830=
+
De = hrm
hrs
cmm
scm 222
03501
3600100
10980
10901
97301
1=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
+
Calculo de Kc Sh = (Re)12(Sc)13
Velocidad superficial
V = sm
shr
hrm
mxhr
m
Av
c
02036001976
1087
006025
3
0 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛== minus
Ingenieriacutea Quiacutemica 49
UAM-I
Re= ( ) 240)1062)(501(
)10491)(020(
1 25
4
=minus
=minus minus
minus
smx
mxsmvd p
νφ
Sc= 672)3600
1)(0350(
10622
25
==minus
shr
hrm
smx
Dv
AB
Sh= ( 024 )12 ( 267 )13 = 0679
Kc = Shdp
DAB⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛minusφ
φ1
Kc = ( )sm
mxs
mx02206790
10491
10729
50501
4
26
=⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛minus
minus
minus
Calculo de numero Thile con el radio que usara a nivel industrial
φ = L ( )DkCn n
AS
21 1minus+
L = 3R
Sustituyendo
φ = 66x10-4 m( )
( )
450
03502
018420
5480941311
3
30
3330
313
=
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+
catmhrm
mmol
hrcatmmolm
η = 1 con los resultados anteriores se observa que quieacuten limita es la velocidad de
reaccioacuten Por lo que se procede a calcular el peso y longitud de catalizador
necesaria para muestro purificador sustituyendo los valores del Boiler
Ingenieriacutea Quiacutemica 50
UAM-I
Peso del Catalizador w =
( ) grcatgcatLn
gcatm
mmol
hrcatmmolm
hrm
xLn
kCv
A
66476639401
1
6000001578
548094
19836
11
330
3330
313
3
0
0 asymp=minus
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
minus
g 664=w
33
3
1011
mg60000
g 664 mxwv minus===ρ
m 035003101011
2
33
==minus
mmxL
cm 531000350 == xL
Ingenieriacutea Quiacutemica 51
UAM-I
APEacuteNDICE B BALANCE DE MASA DE LA PREPARACIOacuteN DE HAUCL4 Au(g) + 3HNO3(ac) + 4HCL(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O + 3N02(g) (152 M) (105M)
cantidad de mol Au = 05 kg Au x molAu
grAumolAux
kggr 542
971961
11000
=
cantidad de kg HNO3 = ( ) 33
33 480
10001
1635423 kgHNO
grkgx
molHNOGRHNOxHNOmol =
cantidad de kgHCl = ( ) kgHClgr
kgxmolHCl
grHClHClxmol 3701000
11
5365424 =
cantidad de kgHAuCl4 = 254molHAuCl4 x 44
8601000
11
97339 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
gr=
cantidad de kgH2O = 3( 254mol)H20 x OkgHgr
kgxOmolHOgrH
22
2 1401000
1118
=
cantidad de Lt H20 = 762molHNO3 x OltHOkgHOLtH
22
2 14011
=
cantidad de Lt H20 = 1016 mol HNO3 x 050215
012
2 LtHmol
LtH=
cantidad de LtH20 = 1016mol HCl x OLtHLtHmolHCl
LtH22
2 010970510
01asymp=
cantidad de MHAUCl4 = ( ) ( ) ( ) MHltltlt
ClmolHAU 7210850490140
542
2
4 asymp++
cantidad de kg NO2(g) = 3( 254mol)NO2 x )(22
2 3501000
1146
SkgNOgr
kgxmolNO
grNO=
Ingenieriacutea Quiacutemica 52
UAM-I
05 kg Au 048 kgHNO3 035 kgNO2 101021 kgH20 (152M) 037 kgHCl(ac)
(105 m) 086 kg HAuCl4 (ac) 086 kg HAuCl4 (ac)
(17 M) 014 kgH20 (25x10-3M) 014kg H20 (L) 086kg HAuCl4 035kgNO2 (g) 101185kg H20 Cantidad de H20 = 086 kgHAuCl4
x 08510110101
105201
173341
11000
22
23
24 kgHLtHkgHx
MxltHx
grmolHAuClx
kggr
=minus
pero (101185 ndash 014 ndash 05 ndash 1) kg H20 = 101021 kg H20 100ml H20 por 1 gr soporte 35kg NH4 (OH)(AC) 10000kgH20 100 kg γAl203 (9965) 035kgAu (035) 100kg γAl203 025kgCl2 086kg HAuCl4 026kgHAuCl4
101185 kg H20 35kgNH4 (OH)(AC) 1101185kgH20 cantidad de kgHAuCl4 = 015kgAu x
44
4 2601000
11
973391
197196
147196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxgrAu
molxkg
gr=
cantidad de NH4(OH) = 100kg γ Al203 x
Ingenieriacutea Quiacutemica 53
UAM-I
kgNHxmol
grx
mlmol
xOAlgr
OHmlNHx
kg
gr53
10001
1
35
100010
1
)(10
1
1000
32
4=
γ4(OH)
30kg γAL2O3 1 kgNH4(OH)(AC) 30 kg γ Al203 (9965) 010 kg Au (035) 026kgHAuCl4 007kg Cl2 35kgNH4(OH) 1101185 kgH2O 0086kgHAuCl4 45 kg NH4(OH)(AC) 1101185 kg H20
cantidad de γ Al2O3 = 026kgHAuCl4 x 324
32 02330860
100 AlkgkgHAuCl
OAlkg γγ=
cantidad de kgAu = 035 x kgAukg 10506599
30=
cantidad de kg Cl2 = 01 kgAu x
22
2 07201000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de HAuCl4 = 005kgAu x
44
4 08601000
11
973391
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 54
UAM-I
cantidad de kgNO4(OH) = 30 kg γ Al203 x ( )OHkgNHAlkg
OHkgNO4
32
4 0510100
)(53=
γ
105 kg γ Al203 035 kg NH2(OH) 105 kg γ Al203 (9965) 004 kg Au (035) 009kg HAuCl4 003 kg Cl2 45kgNH4(OH) 1101185 kg H20 0017kgHAuCl4 485kgNH4 (OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 009 HAuCl4 x 324
32 04710860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad kg de NH4 (OH) = 105kg γ Al203 x ( ) )(3500100
534
32
4 OHkgNHAlkg
OHkgNH=
γ
cantidad de Cl2 = 004 kg Au x
22
2 02901000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
gAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 =
44
44 02001701000
11
973391
197196
11
1000010 kgHAukgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgr
molAuxkg
grkgAux asymp=
Ingenieriacutea Quiacutemica 55
UAM-I
23 kg γ Al203 008kgNH4(OH) 002 kg HAuCl4 23 kg γAl203 (9965) 485kgNH4(OH) 0008kgAu(035) 1101185kg H2 0001kg Cl2
0014 kg HAuCl4 493kgNH4(OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 002kgHAuCl4 x 324
32 032860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad de kg Au = 035 x kgAukg 00806599
32=
cantidad de kgCl2 = 0002kgAu x
24
4 00101000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 = 0008kgAu x
44
44 01401000
11
973341
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 56
UAM-I
APEacuteNDICE C ACCESORIOS EN EL DISENtildeO
Agitador
Agitadores de Heacutelice se escogioacute este tipo de agitador por ser tener las siguientes
caracteriacutesticas [3]
bull Es un agitador de flujo axial
bull Se emplea para liacutequidos pocos viscosos
bull Giran a toda la velocidad del motor
bull Las corrientes de flujo se mueven a traveacutes del liacutequido en una direccioacuten
determinada hasta que son desviadas por el fondo o las paredes del tanque
bull Las palas de la heacutelice cortan o friccionan vigorosamente el liacutequido
bull Los agitadores de heacutelice son eficaces para tanques de gran tamantildeo
Horno
bull El horno se escogioacute por ser tener las siguientes caracteriacutesticas [5]
bull El horno de construccioacuten metaacutelica
bull La caacutemara de combustioacuten estaacute construida mediante hormigones refractarios
de alta resistencia mecaacutenica
bull Las materias secar y calcinar se carga de forma manual
Ingenieriacutea Quiacutemica 57
UAM-I
Bomba
DISENtildeO Bomba centrifuga para operacioacuten horizontal o vertical del impulsor
cerrado succioacuten al extremo descarga hacia arriba tangencial simple succioacuten de un
paso con carcaza partida verticalmente [3]
ROTACIOacuteN En el sentido del reloj vista desde el cople
CARACTERIacuteSTICAS Conexiones brindadas con registro ubicado en la cabeza de
succioacuten para facilitar su limpieza
SERVICIO Debido a que es posible colocarla en posicioacuten horizontal o vertical tanto
en caacutercamos secos como huacutemedos y por el disentildeo de su impulsor que soacutelidos de
gran tamantildeo esta bomba es ideal para los procesos de tratamientos de agua y
manejo de liacutequidos en suspensioacuten en general
CAPACIDADES
GASTO Hasta 3000 GPM
CDT Hasta 80rsquo
PRESIOacuteN 106 Kgcmsup2
POTENCIA De 1 a 60 Hp
VELOCIDAD (1175 - 3550 RPM)
TEMPERATURA 125degC
Ingenieriacutea Quiacutemica 58
UAM-I
Bombas Centriacutefugas
Las maquinas centriacutefugas estaacuten constituidas por un impulsor o rodete formado por
una serie de aletas radiales diversas formas y curvaturas que giran dentro de una
caja circular El fluido penetra por el ojo o eje de rotacioacuten y se descarga maacutes o
menos radialmente en una caacutemara perifeacuterica a una elevada presioacuten que
corresponde a la suma de la fuerza centriacutefuga de la rotacioacuten maacutes la cineacutetica
comunicada al fluido por las aletas La parte moacutevil de la bomba es el rodete Las
aletas del rodete se extienden desde el centro de rotacioacuten hacia la periferia y las
bridas son los discos de refuerzo a cada lado de las aletas que las envuelven Las
aletas pueden ser radiales curvadas ligeramente hacia delante en el mismo sentido
de la rotacioacuten o estar curvadas al reveacutes en el caso maacutes comuacuten en el disentildeo se
determino el rodete siguiente por sus caracteriacutesticas Fig 1
Figura 1 Corte parcial de un rodete de centriacutefuga para grandes cargas y secciones
de paso estrechas empleando con liacutequidos corrosivos o suspensiones de pequentildeas
partiacuteculas[4]
Ingenieriacutea Quiacutemica 59
UAM-I
APENDICE D CALCULO DE POTENCIA DE BOMBAS (8)
Potencia de la bomba de la cisterna 1 que alimenta a los mezclador 4
Ecuacioacuten de Bernoulli
sum sumint =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛+++∆+∆i i
i
P
P
evvfDLvwdphgv 0
21
21
ˆ1
21 222
2
1ρ
a b c d e f
a Diferencia de velocidades
b Diferencia de alturas
c Diferencia de presiones
d Trabajo
e Perdidas de friccioacuten en tuberiacuteas
f Perdidas de friccioacuten en accesorios
En la ecuacioacuten anterior se pueden eliminar algunos teacuterminos
21 mts
6 mts 35 mts
Figura 1 Balance de cisterna 1 a mezclador 4
Se debe de tener dos puntos de referencia para la utilizacioacuten de la ecuacioacuten de
Bernoulli de los cuales se anotaron en la figura 2
Ingenieriacutea Quiacutemica 60
UAM-I
21 mts
2 1 6 mts 35 mts
Figura 2
Teniendo los puntos de referencia se analiza que las diferencias de velocidades son
cero en ambos puntos por lo tanto el termino 2
21 ν∆ es igual a cero
El termino de = (981hg∆ 2segm )(35m ndash 0) = 34335 2
2
segm
El termino de int2
1
1P
P
dpρ
se tiene que la cisterna y el tanque de mezclado ambos no
estaacuten cerrados y por lo tanto no originan un cambio de presioacuten y el termino es cero
De esta expresioacuten L longitud de tuberiacutea
tro de tuberiacutea
n el interior del tubo
v
Para la l radio del tubo que
sum ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
i
fDL2
21 ν
D diaacuteme
f perdidas de friccioacuten e
velocidad del flujo de agua
obtencioacuten de la velocidad se tiene el flujo volumeacutetrico y e
es de 32 cm =0032mts con la ecuacioacuten
Ingenieriacutea Quiacutemica 61
( )( ) sm
ms
m
RQ 761
032060min1)
min340(
2
3
2 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
==ππ
ν
UAM-I
Se reportan valores de perdida de fr
e reduce teacuterminos
iccioacuten en tubos que son igual a 005
Por lo tanto sustituyendo los teacuterminos en la ecuacioacuten de Bernoulli s
sum sumint =⎟⎠
⎜⎝
+⎟⎠
⎜⎝
+++∆+∆i i
iP
evvfD
vwdphgv 022
ˆ2
1ρ
⎞⎛⎞⎛ L 111 2222
or tanto el termino de trabajo queda expresado de la siguiente manera
tanto la bomba comunica al fluido que circula en el sistema un trabajo
+11727
P1
p w
sum sum ∆minus⎟⎠⎞
⎜⎝⎛minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛minus=
i ii
hgevvfDLvw 22
21
21
ˆ
( ) ( )
Este es el trabajo ( por unidad de masa) producido por el fluido en la bomba por lo
22
sm o 11727 981 = 1195
m
fKg
Kgm
La velocidad de flujo de masa es
Por lo tanto
1 )=6694
951)(675(ˆ =minus=minus WwW smkg f = 088Hp = 1Hp
Siendo esta ida para esta bomba El procedimiento anterior se
iguioacute para cada bomba de la planta
AP E
la potencia requer
s
EacuteNDICE
TOXICOLOGIacuteA DE MATERIAS PRIMAS [6]
( ) ( ) ( )( ) ( )( )msm
smmmm
sm 538192201150761
21050
032021536761
21
2
22minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ +minus⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ++
minus=wm
22
27117ˆ smw minus=
( )s
kgmkgQw m675100060340 3 === ρ
Ingenieriacutea Quiacutemica 62
UAM-I
HIDROacuteXIDO DE SODIO
Polvo corrosivo blanco delicuescente
Toxicidad
Concentracioacuten Maacutexima permisible 2mgm3 en aire
Signos y Siacutentomas Conjutivitis quemaduras corneales y de la piel Irritacioacuten
seas vomito dolor abdominal y diarrea a veces con
Lavado de las partes afectadas tranquilizantes sulfato de
decuada gafas protectoras o pantallas para
ignos y Siacutentomas Irritacioacuten de ojos quemaduras corneables tos dolores
l hemoptisis dolor de cabeza dolor epigaacutestrico nauseas y vomito
lmonar
Tratamiento lavado de ojos con agua reposo oxigeno con aparato de respiracioacuten
con onantes
ACIDO NITRICO
Liquido corrosivo sofocante de incoloro a amarillento
ioacuten maacutexima permisible 10ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
del tracto respiratorio nau
sangre
Tratamiento
morfina para el dolor y cortisona
Medidas preventivas Ventilacioacuten a
la cara completa mascarilla con filtro mecaacutenico guantes delantares botas de
goma y acentuar la limpieza personal
CLORO
Gas pasado amarillo verdoso
Toxicidad
Conc Maacutexima permisible 1 ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten
S
retrosterna
debilidad cianosis y edema pu
trolada bronco dilatadores y descongesti
Toxicidad
Concentrac
Ingenieriacutea Quiacutemica 63
UAM-I
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
Signos y siacutentomas Erosioacuten dental estornudo tos Dolor en el pecho bronquitis y
la las partes contaminadas del cuerpo con solucioacuten al 5 de
de las quemaduras con pantildeos
de triacuteo sulfato soacutelido si se a ingerido
vado de ojos con agua
ACIDO CLORIDRICO
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
ivitis necrosis corneal por inhalacioacuten rinitis erosioacuten
dolor de cabeza palpitacioacuten por ingestioacuten
s en la boca faringe esoacutefago estomago salivacioacuten vomito Soc
agua lavada de agua y jaboacuten de las partes
preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
AacuteC
El c
con o de hidroacutegeno una
concentracioacuten de 12 molLt Este aacutecido es un liacutequido incoloro con un olor aacutecido
bronconeumoniacutea
Tratamiento
bicarbonato soacutelido o con agua y jaboacuten Tratamiento
mojados con solucioacuten saturada
administracioacuten por viacutea oral de solucioacuten de jaboacuten Hidroacutexido caacutelcico o alumiacutenico u
oacutexido de magnesio
Medidas preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores excluir de la exposicioacuten
a los individuos con enfermedades de pulmones y rintildeones
Gas incoloro o liacutequido o a amarillento
Toxicidad
Concentracioacuten maacutexima permisible 5ppm en aire
Signos y siacutentomas conjunt
dental laringitis bronquitis neumoniacutea
quemadura
nefritis
Tratamiento lavado de ojos con
contaminantes del cuerpo tratamiento ordinario de quemaduras lavado gaacutestrico
se a ingerido con solucioacuten de bicarbonato soacutedico al 5 seguido de una instilacioacuten
de gel de hidroacutexido de aluminio
Medidas
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores
IDO CLORHIacuteDRICO
loruro de hidroacutegeno es en extremo soluble en agua de hecho el aacutecido clorhiacutedrico
centrado contiene cerca del 38 en masa de clorur
Ingenieriacutea Quiacutemica 64
UAM-I
pronunciado que se debe al equilibrio entre el cloruro de hidroacutegeno gaseoso y
ste con el aacutecido fluorhiacutedrico el aacutecido clorhiacutedrico es un aacutecido fuerte (pKa = -
7) y se ioniza casi totalmente
gar de aacutecido sulfuacuterico auque en menor grado Por
jemplo el zinc metaacutelico reacciona con aacutecido clorhiacutedrico para dar el ion zinc e
hidroacutegeno gaseoso
Zn(s) + 2HCl(ac) ZnCl2(ac) + H2(g)
l para producir aacutecido clorhiacutedrico en el laboratorio es generar
cloruro de hidroacutegen e sodio y el aacutecido
ulfuacuterico En el primer paso a 150degC se forma hidroacutegeno sulfato de sodio
NaHSO4(s) + HCl(g)
io y maacutes
loruro de hidroacutegeno gaseoso Luego el gas se disuelve en agua para formar el
aacutecido
NaHSO4(s) + NaCl(s) Na2SO4(s) + HCl(g)
acuoso
HCl(ac) HCl(g)
El reactivo de grado teacutecnico a menudo tiene un color amarillento por una impureza
del ion hierro (III)
En contra
HCl(ac) + H2O(l) H2O+(ac) + Cl -(ac)
Por ello a menudo se prefiere usar aacutecido clorhiacutedrico diluido en lugar de aacutecido niacutetrico
que es muy oxidante y en lu
e
Cuando el zinc reacciona con el aacutecido niacutetrico es comuacuten que se reduzca una parte
del ion nitrato para dar dioacutexido de nitroacutegeno
El meacutetodo tradiciona
o gaseoso por la reaccioacuten entre el cloruro d
s
NaCl(s) + H2SO4(l)
La mezcla se calienta a 550degC temperatura a la cual el hidroacutegeno sulfato de sodio
reacciona con un exceso de cloruro de sodio para formar sulfato de sod
c
∆
Este meacutetodo se usa tambieacuten en la industria otra forma de producir cloruro de
hidroacutegeno es por la combinacioacuten directa de dicloro y dihidroacutegenogaseosos
Ingenieriacutea Quiacutemica 65
UAM-I
H2(g) + Cl2(g) 2HCl(g)
La mayor cantidad de cloruro de hidroacutegeno que se produce actualmente es un
CH4(g) + 4Cl2(g) 4(l) + 4HCl(g)
riacuten de superficies de acero en un bantildeo aacutecido en la purificacioacuten de glucosa
y jarabe de maiacutez e s y de gas y en la
bricacioacuten de compuestos clorados El aacutecido se puedo comprar en muchas
nducida por la luz
4HNO3(ac) 4NO2(g) + O2(g) + 2H2O(l)
niacutetrico como disolvente)
H2NO3+ H2O + NO2
+
l siguiente
3HNO NO3 ndash
subproducto de otros procesos industriales como la siacutentesis de tetracloruro de
carbono
CCl
Se consumen cerca de 107 toneladas de aacutecido clorhiacutedrico cada antildeo en todo el
mundo Este aacutecido tiene una gama muy amplia de usos como aacutecido comuacuten para
eliminar o
n el tratamiento con aacutecido de pozos petrolero
fa
ferreteriacuteas con el arcaico nombre de aacutecido muriaacutetico sus principales usos caseros
son la limpieza de superficies de concreto y la eliminacioacuten de herrumbre Un nuacutemero
muy reducido de personas es incapaz de sintetizar suficiente jugo gaacutestrico y deben
de ingerir caacutepsulas de aacutecido clorhiacutedrico diluido con cada comida
AacuteCIDO NIacuteTRICO
El aacutecido niacutetrico un liacutequido aceitoso e incoloro en estado puro es sumamente
peligroso El aacutecido que funde a ndash42degC y hierve a +83degC tiene por lo general un
ligero color amarillo a causa de una reaccioacuten de descomposicioacuten i
En un estado puro el aacutecido niacutetrico liacutequido praacutecticamente no conduce la electricidad
Una pequentildea porcioacuten se ioniza como sigue (todas estas especies existen en el aacutecido
2HNO3(l) H2NO3+ + NO3
ndash
H2O + HNO3 H3O+ + NO3 ndash
Para dar la reaccioacuten globa
3 NO2+ + H3O + 2+
Ingenieriacutea Quiacutemica 66
UAM-I
El catioacuten nitrilo es importante en la nitracioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas por ejemplo la
obenceno C6H5NO2 una etapa importante en
umerosos procesos industriales orgaacutenicos
El aacutecido niacutetrico con en agua mientras
ue el ldquoaacutecido niacutetrico fumanterdquo un oxidante extremadamente poderoso es una
vez de ello se produce una mezcla de
sistema que da un orden de
vista industrial el
oceso
e lleva a cabo en tres etapas Primero se hace pasar una mezcla de amoniaco y de
dioxiacutegeno (o aire) un proceso muy
ficiente y exoteacutermico que hace que la malla se ponga al rojo Esta etapa se verifica
conversioacuten de benceno C6H6 en nitr
n
centrado es en realidad una solucioacuten al 70
q
solucioacuten roja de dioacutexido de nitroacutegeno en aacutecido niacutetrico puro Incluso cuando esta
diluido el aacutecido niacutetrico es un oxidante tan fuerte que rara vez desprende hidroacutegeno
cuando se pone en contacto con metales en
oacutexidos de nitroacutegeno y el metal se oxido a su catioacuten
Los enlaces O-N son mucho maacutes cortos (121 pm) que el enlace O-N unidos al aacutetomo
de hidroacutegeno (141 pm) Esta longitud de enlaces indica que hay enlaces muacuteltiples
entre el nitroacutegeno y los dos aacutetomos de oxiacutegeno terminales Ademas de los electrones
del sistema σ hay cuatro electrones que participan en el sistema π O-N-O dos de un
orbital enlazante y dos en un orbital no enlazante
enlace de 112 para cada uno de esos enlaces nitroacutegeno- oxiacutegeno
A veces se nos olvida hasta queacute punto nuestra experiencia depende de la
termodinaacutemica y la cineacutetica Por ejemplo la primera siacutentesis industrial de aacutecido
niacutetrico se llevaba ha cabo por simple combinacioacuten de diniacutetrogeno dioxiacutegeno y agua
utilizando un horno de arco eleacutectrico a fin de proporcionar la energiacutea necesaria par
superar la muy elevada barrera cineacutetica Aunque desde el punto de
factor cineacutetico constituiacutea un problema en realidad es una bendicioacuten por que sin esta
barrera cineacutetica hace mucho tiempo que todo el dioacutexido de la atmoacutesfera se abriacutea
transformado en aacutecido niacutetrico y nuestros mares serian de aacutecido niacutetrico diluido
frac12 N2(g) + 54O2(g) + 12H2O(g) HNO3(g)
Ahora se utiliza el proceso Ostwald para la siacutentesis de aacutecido niacutetrico Este proceso
consume gran parte del amoniaco que se produce por el proceso Haber El pr
s
a traveacutes de una malla de platino metaacutelico Eacuteste es
e
a baja presioacuten para aprovechar el efecto entropico es decir la formacioacuten de 10
moles de gas a partir de 9 moles de gas (una aplicacioacuten del principio de Le Chatelier)
para desplazar el equilibrio a la derecha
Ingenieriacutea Quiacutemica 67
UAM-I
4NH3(g) + 5O2(g) 4NO(g) + 6H2O(g)
Se agrega maacutes oxiacutegeno para oxidar el monoacutexido de nitroacutegeno a dioacutexido de nitroacutegeno
A fin de mejorar el rendimiento de esta reaccioacuten exoteacutermica se extrae calor de los
ases y la mezcla se somete a presioacuten
2HNO3(l) + NO(g)
Esta reaccioacuten tambieacuten es exoteacutermica y una vez maacutes se aplica enfriamiento y alta
la
egunda etapa para oxidarlo de nuevo
La contaminacioacuten s de aacutecido niacutetrico
as plantas maacutes antiguas eran faacutecilmente identificables por la fumarola cafeacute-
antas maacutes antiguas ahora mezcla cantidades
en Estados Unidos porque un 20
dedica ala produccioacuten de explosivos
or ultimo el aacutecido niacutetrico es un liacutequido que hierve a 826degC No existe como liacutequido
g
2NO(g) + O2(g) 2NO2(g)
El dioacutexido de nitroacutegeno se mezcla con agua para dar una solucioacuten de aacutecido niacutetrico
3NO2(g) + H2O(l)
presioacuten par obtener el maacuteximo rendimiento El monoacutexido de nitroacutegeno se vuelve a
s
soliacutea ser un problema importante de las planta
L
amarillento del dioacutexido de nitroacutegeno que escapaba por ellas Las plantas maacutes
antiguas eran faacutecilmente identificable por la fumadora cafeacute-amarillo del dioacutexido de
nitroacutegeno que escapaba de ellas Las pl
estequiomeacutetricas de amoniaco con las oacutexidos de nitroacutegeno con lo cual se obtiene
dinitroacutegeno y vapor de agua ambos inocuos
NO(g) + NO2 (g) + 2NH3(g) 2N2(g) + 3H2O(g)
En todo el mundo alrededor del 80 del aacutecido niacutetrico se utiliza en la produccioacuten de
fertilizantes Esta proporcioacuten es de solo el 65
se
P
puro porque en alguna medida se descompone espontaacuteneamente como sigue
4HNO3(l) 4NO2(g) + 2H2O(l) + O2(g)
Ingenieriacutea Quiacutemica 68
UAM-I
El aacutecido niacutetrico concentrado que se usa en el laboratorio estaacute al 68 en masa HNO3
(densidad 142 gcm3) lo que corresponde a 157 M
l aacutecido niacutetrico es un poderoso agente oxidante El nuacutemero de oxidacioacuten del N en el
) El aacutecido niacutetrico puede oxidar
nto a metales que estaacuten abajo del hidroacutegeno como aquellos que se encuentran
4Zn2+(ac) + NH4
+(ac) + 3H2O(l)
do no oxida al oro Sin embargo cuando se mezcla con
cido clorhiacutedrico concentrado en relacioacuten 13 en volumen (una parte de HNO3 a tres
partes al oro
omo sigue
APEacuteNDICE F
ETODO DE DEPOSICIOacuteN-PRECIPITACIOacuteN
E
HNO3 es + 5 Los productos maacutes comunes de la reduccioacuten del aacutecido niacutetrico son el
NO2 (N = + 4) el NO (N = + 2) y el NH4+ (N = - 3
ta
arriba en la serie de actividades Por ejemplo el cobre es oxidado por el aacutecido niacutetrico
concentrado como se mencionoacute antes
En presencia de reductores fuertes como el zinc metaacutelico el aacutecido niacutetrico se puede
reducir hasta ion amonio
4Zn(s) + 10H+(ac) + NO3
-(ac)
El aacutecido niacutetrico concentra
aacute
de HCl) la disolucioacuten resultante denominada agua regia puede oxidar
c
Au(s) + 3HNO3(ac) + 4HCl(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O(l) + 3NO2(g)
M
Ingenieriacutea Quiacutemica 69
UAM-I
APEacuteNDICE G
ISENtildeO DEL MEZCLADOR [4]
1) 100 ml H2O gr soporte
2) NH4(OH)
Ajustar a PH = 9 4) HAuCl4 (solucioacuten acuosa al 25E-3M)
6) Filtrado o centrifugado
3) En Agitacioacuten por 2 hr
8) Secado por 2hr a 80 degC
9 ) Calcinado por 4hr a 400 degC
7) Lavado
5) Antildeegamiento por 30 min
D
Ingenieriacutea Quiacutemica 70
UAM-I
El disentildeo de un tanque agitado dis n nuacutemero de elecciones sobre el
po y localizacioacuten del agitador las proporciones del tanque el nuacutemero y dimensiones
ada una de estas decisiones afectan a la velocidad
e circulacioacuten del liacutequido los modelos de velocidad y el consumo de potencia Como
pone de un gra
ti
de las placas deflectoras etc C
d
punto de partida en el disentildeo de los problemas ordinarios de agitacioacuten generalmente
se utiliza un agitador de turbina del tipo que se muestra en la figura 1 La proporcioacuten
tiacutepica es
31
=t
a
DD
1=tD
H 121
=tD
J 51
=aD
W 41
=aD
L
de estas ecuaciones se disentildeara el mezclador como datos se tiene el valor H que es
igual a 3 mts y el diaacutemetro del tanque D
Se determinara la medida de los reflectores
t que es igual 3 mts
121
=tD
J se despeja J
elacioacuten R31
=t
a
DD
se despeja Da
Relacioacuten
41
=aD
L se despeja L
elacioacuten se despeja W
( ) ( ) cmmtsmtsDJ 25250311==⎟
⎞⎜⎛=⎟
⎞⎜⎛= t 1212 ⎠⎝⎠⎝
( ) ( ) mtsmtsDD ta 1331
31
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=
( ) ( ) mtsmtsDL a 250141
41
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛= cm25=
51
=aD
WR
Ingenieriacutea Quiacutemica 71
UAM-I
Figura 2 a) Vista transversal del mezclador b) paletas del mezclador con la
donde se deposita el soporte
Figura 1 Medidas de un agitador de turbina
a) b)
s rejillas
H
J
E L
Da
D t
W
W
( ) ( ) cmmtsmtsDW a 2020151
5==⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎜⎝
=1 ⎞⎛
Ingenieriacutea Quiacutemica 72
UAM-I
11 CONTAMINACIOacuteN ATMOSFEacuteRICA
La atmoacutesfera es esencial para la vida por lo que sus alteraciones debido a
actividades antropogeacutenicas tiene gran repercusioacuten en el hombre en otros seres
vivos en los ecosistemas y de manera general en todo el planeta
Una atmoacutesfera contaminada puede dantildear la salud de las personas y afectar a la vida
de las plantas y animales Ademaacutes los cambios que se producen en la composicioacuten
quiacutemica de la atmoacutesfera pueden causar cambios en el clima producir lluvia aacutecida
smog fotoquiacutemico o destruir el ozono de la estratosfera Estos fenoacutemenos presentan
entonces una gran importancia global Actualmente queda clara la urgencia de
conocer estos procesos asiacute como de tomar las medidas necesarias para evitar
situaciones criacuteticas para la vida de la humanidad y de la biosfera
En particular el monoacutexido de carbono (CO) es un gas incoloro e inodoro que se
produce por la combustioacuten incompleta de combustibles foacutesiles como gas natural
(GN) gasolina queroseno carboacuten petroacuteleo o madera Los automoacuteviles con motores
de ignicioacuten a chispa son unas de las principales fuentes de emisioacuten de CO Las
chimeneas las calderas los calentadores de agua o calefones y los aparatos
domeacutesticos que queman combustible como las estufas tambieacuten pueden emitir CO [1] Asiacute tambieacuten el humo del cigarrillo es una fuente importante de CO en interiores
La exposicioacuten a CO puede contribuir a la disminucioacuten del suministro de oxiacutegeno en el
torrente sanguiacuteneo debido a que la afinidad de la hemoglobina al CO es mayor que
al O2 esto causa la formacioacuten de carboxihemoglobina (COHb) y escasez de oxiacutegeno
en la sangre Los siacutentomas son similares a la sensacioacuten de fatiga que se
experimenta con la altura o cuando se padece de anemia La exposicioacuten prolongada
a altas concentraciones de CO puede incrementar el riesgo a enfermedades del
corazoacuten y los pulmones El riesgo es maacutes alto en nintildeos ancianos mujeres
embarazadas y personas que sufren enfermedades cardiacuteacas croacutenicas[2] La
concentracioacuten de COHb se relaciona directamente con los niveles de CO en el
ambiente el tiempo de exposicioacuten y el grado de actividad fiacutesica realizado Las
normas recomendadas por la Organizacioacuten Mundial para la Salud para el CO son las
Catalizadores de Oro Soportado 3
UAM-I
siguientes 86 ppm por periacuteodos que no excedan los 15 minutos y 50 ppm por 30
minutos
Estas se establecieron para evitar que los niveles de COHb en personas que no
fumen no excedan el 3 En EUA la norma es 35 ppm para un periodo de una hora
y de 9 ppm para 8 horas La norma mexicana es la misma para el periodo de una
hora pero 44 maacutes tolerante para el periacuteodo de 8 horas (13 ppm8h) [3]
La Figura 1 Indica el tiempo de exposicioacuten al CO y los porcentajes de concentracioacuten
del mismo en aire De acuerdo a la zona en que cae la interseccioacuten es posible
establecer el grado de afectacioacuten sobre la salud
Figura 1 Concentracioacuten de CO tiempo de exposicioacuten y efectos en la salud [4]
Actualmente el Gas LP es auacuten el combustible domeacutestico usado en nuestro paiacutes [5]
Si la cantidad de oxiacutegeno que se mezcla con el Gas LP es insuficiente la combustioacuten
resulta incompleta y en los productos aparece el CO En cambio cuando la cantidad
Catalizadores de Oro Soportado 4
UAM-I
de oxiacutegeno del aire que se mezcla con el gas es la estequiomeacutetrica o mayor y
ademaacutes se combina en forma eficiente se obtienen como productos principales CO2
y H2O
Los aparatos domeacutesticos que producen mayor cantidad de CO son los calentadores
(conocidos tambieacuten como calefones) calefactores y cocinas (Figura 2)
Figura 2 Principales emisores domeacutesticos y su contribucioacuten en la concentracioacuten de
CO en interiores usando como combustible el Gas LP [6]
Se puede observar que los calentadores de agua (calefones) son los equipos
domeacutesticos que causan la mayor contribucioacuten a la emisioacuten de CO en interiores La
Tabla 1 Muestra los porcentajes de combustibles usados en los calentadores de
agua en las viviendas de la Zona Metropolitana del Valle de Meacutexico (ZMVM) en
1990 asiacute como las emisiones de los contaminantes que producidas durante la
operacioacuten de dichos equipos
El Inventario de 1998 de las Emisiones de la ZMVM proporciona meacutetodos para la
determinacioacuten de las concentraciones de los contaminantes del efluente de un
calentador usando como combustible Gas LP[8]Las concentraciones determinadas
se muestran en la Tabla 2
Catalizadores de Oro Soportado 5
UAM-I
Tabla 1 Emisiones asociadas a los combustibles utilizados en viviendas de la ZMVM
en 1990 [7]
GLP GN Lentildea Total
Viviendas que utilizaron cada Combustible 620 21 17 658
Combustible Consumido 29020 0984 1983 31987
Emisiones en Tonantildeo
PM10 647 01 ND 647
SO2 01 03 ND 04
CO 3002 186 ND 3188
NOx 20321 435 ND 20756
HC 762 52 ND 814
Tabla 2 Concentraciones en la emisioacuten de un calentador domeacutestico con Gas LP[8]
Tipo de Combustible CO NOx HC SO2 PM10 Unidades
Gas LP 024 174 0064 00027 054 Kgm3
Los oacutexidos de nitroacutegeno (NOx) contribuyen en mayor cantidad al total de las
emisiones gaseosas en los calentadores que utilizan Gas LP seguidos por el CO
Debido a esto se han propuesto diferentes medidas de control que van desde el
disentildeo de calentadores maacutes eficientes (teacutecnicas limpias) hasta el control de las
emisiones mediante filtros y catalizadores ambientales (teacutecnicas de limpieza)
La oxidacioacuten no cataliacutetica de CO es posible soacutelo a alta temperatura (700oC) el paso
limitante es la disociacioacuten teacutermica de O2 Mientras que la oxidacioacuten cataliacutetica requiere
del contacto entre CO y O2 en la superficie cataliacutetica Por esto una vez que ambas
moleacuteculas llegan a los sitios activos el O2 se disocia raacutepidamente Posteriormente
Catalizadores de Oro Soportado 6
UAM-I
ocurre la interaccioacuten entre CO y O en sitios adyacentes para formar un complejo
activado (Paso limitante) que posteriormente pasa a CO2
El presente trabajo aborda el tema del control cataliacutetico de emisiones de CO abaja
temperatura En particular se postula el desarrollo de un catalizador de oro soportado
en aluacutemina (Al2O3) para la oxidacioacuten de CO y su posible aplicacioacuten a diferentes
aparatos domeacutesticos como calentadores de agua estufas hornos turbinas
industriales etc
La siacutentesis y aplicacioacuten de catalizadores de oro a diversos problemas ambientales se
ha reportado desde hace 10 antildeos Haruta et al[9] fueron los primeros en encontrar la
actividad de nanopartiacuteculas de Au soportadas en la oxidacioacuten de CO a baja
temperatura Actualmente se sabe que la oxidacioacuten de CO a baja temperatura (T lt
70oC) requiere de un catalizador con pequentildeas partiacuteculas de oro (lt 5 nm)
soportadas preferentemente sobre un oacutexido de metales de la primera serie de
transicioacuten por ejemplo TiO2 y α-Fe2O3 [10] El tamantildeo de las partiacuteculas de oro en
estos catalizadores cae en el intervalo de las nanopartiacuteculas
La actividad cataliacutetica de estos se ha relacionado a los sitios localizados en la
interfase metal-soporte por lo que el soporte juega un papel vital en la actividad
cataliacutetica de estos materiales Con base en los resultados reportados puede
plantearse que la obtencioacuten de nanopartiacuteculas estables cataliacuteticamente activas estaacute
directamente relacionada con las condiciones de siacutentesis la tasa y temperatura de
calcinacioacuten Los catalizadores de oro soportado han presentado resultados
importantes que han sugerido tambieacuten la aplicacioacuten potencial en la oxidacioacuten de
hidrocarburos (selectiva y no selectiva) la hidrogenacioacuten de CO y en la reduccioacuten de
NOx con H2 C3H6 o CO[11] La hidrogenacioacuten de hidrocarburos no saturados tambieacuten
puede ocurrir sobre catalizadores de oro soportado siempre y cuando el oro este
altamente disperso en el soporte
Hasta este punto se ha visto que el CO es un contaminante muy toxico siendo un
compuesto que provoca dantildeos severos en la salud del ser humano y en general al
Catalizadores de Oro Soportado 7
UAM-I
medio ambiente Por lo que se requiere reducir las concentraciones principalmente
dentro de los hogares La idea baacutesica de este proyecto fue disentildear un dispositivo
cataliacutetico que permita reducir las emisiones de CO en los calentadores hasta en un
90 de su concentracioacuten inicial En el Capiacutetulo 2 se describen la siacutentesis y
caracterizacioacuten de catalizadores Auγ-Al2O3 preparados por los meacutetodos de
impregnacioacuten y deposicioacuten-precipitacioacuten asiacute como la actividad en la oxidacioacuten de una
mezcla de CO e H2 Por uacuteltimo en el capitulo 3 se presenta el disentildeo de una planta
industrial para la fabricacioacuten de dichos dispositivos cataliacuteticos uacutetiles en la oxidacioacuten
de CO de los efluentes de calentadores de agua domeacutesticos
12 OBJETIVO GENERAL Dimensionar disentildear y estimar el costo de una planta productora de catalizadores de
oro en la oxidacioacuten del CO para aplicacioacuten a equipos de calentamiento de agua
domeacutesticos
13 OBJETIVOS PARTICULARES - Siacutentesis del catalizador por los meacutetodos de Impregnacioacuten y Deposicioacuten-
Precipitacioacuten
- Caracterizacioacuten de catalizadores por Absorcioacuten Atoacutemica Adsorcioacuten Fiacutesica
Difraccioacuten de Rayos X y Microscopia Electroacutenica de Transmisioacuten
- Evaluacioacuten de catalizadores en la oxidacioacuten de CO
- Obtener el mejor meacutetodo de preparacioacuten para tener una buena distribucioacuten de
nanopartiacuteculas de Au soportadas en γ-Al2O3 con alta actividad a baja
temperatura
- Disentildear la planta industrial para la produccioacuten de catalizadores uacutetiles en la
oxidacioacuten de CO
- Evaluar la viabilidad del proceso
Catalizadores de Oro Soportado 8
UAM-I
14 BIBLIOGRAFIacuteA
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Catalizadores de Oro Soportado 9
UAM-I
C A P I T U L O II
E X P E R I M E N T A C I Oacute N
Catalizadores de Oro Soportado 10
UAM-I
2 1 INTRODUCCIOacuteN
Existen reportes [6] sobre la actividad de catalizadores Auγ-A12O3 AuCo3O4 AuNiO
sintetizados por diferentes meacutetodos (co-precipitacioacuten deposicioacuten-precipitacioacuten e
impregnacioacuten etc) en la oxidacioacuten de H2 y CO La actividad se ha relacionado a un
efecto combinado entre Au y los oacutexidos metaacutelicos utilizados como soporte Sin
embargo una alta actividad cataliacutetica en la oxidacioacuten de CO e H2 estaacute directamente
relacionada al tamantildeo de partiacutecula de Au y la dispersioacuten de eacutestas en el soporte[7]
Algunos trabajos[8-9] indican que a menor tamantildeo de partiacutecula mayor actividad y
mayor estabilidad del catalizador
En el presente trabajo se prepararon catalizadores de Au soportado sobre γ-Al2O3
con un tamantildeo promedio de partiacuteculas de Au de 5 nm y alta dispersioacuten Se utilizaron
dos meacutetodos de preparacioacuten diferentes impregnacioacuten y deposicioacuten-precipitacioacuten
variando el contenido de oro de 007 a 1 en peso de Au Los catalizadores se
evaluaron en la oxidacioacuten de una mezcla de CO e H2 y fueron caracterizados por
difraccioacuten de rayos x microscopia electroacutenica absorcioacuten atoacutemica y absorcioacuten fiacutesica
Los resultados indican que efectivamente la actividad depende del tamantildeo de
partiacutecula y el contenido de Au en el catalizador En particular el catalizador con 035
en peso de Au presentoacute 100 de conversioacuten en ambas reacciones sin indicios de
desactivacioacuten durante 24 h continuas de operacioacuten a velocidades espaciales (GHSV)
mayores que 10 000 h-1 Con esto se pretende contribuir al desarrollo de
catalizadores ambientales que permitan disminuir las emisiones nocivas
provenientes de fuentes fijas y moacuteviles de nuestro paiacutes
Catalizadores de Oro Soportado 11
UAM-I
22 EXPERIMENTACIOacuteN
Siacutentesis de Catalizadores
Meacutetodo de DP Se dispersoacute 1 g de γ-Al2O3 (Ketjen) en 100 mL de agua tridestilada y
se adicionoacute NH4(OH) (JT Baker) (01M) hasta obtener un pH de 9 Posteriormente
se agregoacute por goteo durante 2 h 20 mL de una solucioacuten de AuCl3 (9998 Aldrich)
(25x 10-3 M) Despueacutes se agitoacute por 30 min y se filtroacute y lavoacute con agua destilada con
10 veces el volumen total inicial Por ultimo el soacutelido resultante se secoacute a 80degC por 2
h y se calcinoacute a 400degC por 4 h
Meacutetodo de IMP Se dispersoacute 1 g de γ-A12O3 en 100 mL de agua tridestilada por 30
min A esta mezcla se le antildeadioacute lentamente 20 mL de una solucioacuten de AuCl3 (25x10-
3M) y se mantuvo en agitacioacuten 720 min Durante este tiempo se ajustoacute el pH a 9 por
medio de la adicioacuten de una solucioacuten acuosa de Na2CO3 (JT Baker) El soacutelido se
filtroacute y lavoacute con 500 mL de agua tridestilada caliente (95degC) para eliminar los iones de
cloro que podriacutean afectar la actividad cataliacutetica Finalmente se secoacute a 120degC 24 h y
se calcinoacute a 400degC por 4 h
Los catalizadores preparados por el meacutetodo de DP e IMP se les llamaraacuten de aquiacute en
adelante x-Auγ-Al2O3-DP y muestra x-Auγ-Al2O3-IMP respectivamente donde x
indica el en peso de Au en el catalizador
Caracterizacioacuten de Catalizadores Absorcioacuten Atoacutemica La cantidad de oro en cada uno de los catalizadores se
determinoacute por absorcioacuten atoacutemica (SpectrAA-20 Varian) Antes de las mediciones el
equipo fue calibrado con una solucioacuten estaacutendar de Au (Sigma) Una muestra de cada
catalizador (01g) se disolvioacute en agua regia a temperatura ambiente la cual se
preparoacute mezclando 200 ml de HCl concentrado y 100 mL de HNO3 concentrado
Adsorcioacuten Fiacutesica La isoterma de adsorcioacuten fiacutesica de N2 a 75 K de cada catalizador
se obtuvo en un equipo automatizado Quantachrome Autosorb Automated A partir
de estos datos se determinoacute el aacuterea BET el radio y el volumen promedio de poro
Catalizadores de Oro Soportado 12
UAM-I
Difraccioacuten de Rayos X Se realizoacute en un difractoacutemetro Siemens D500 en un entrono
angular de 4 a 64ordm en 2θ La radiacioacuten Cuκα se seleccionoacute con un difractor de un haz
de luz monocromaacutetico
Microscopia Electroacutenica de Transmisioacuten (TEM) Se utilizoacute un Microscopio Electroacutenico
de Transmisor Mod EM910 Zeiss operando a un voltaje de 120 kV y con una
ampliacioacuten de 400000 aumentos Para la preparacioacuten de las muestras se tomaron
005 g de cada una y se disolvieron en alcohol etiacutelico y se sometieron a ultrasonido
(Branson 2210) por 5 min Posteriormente se colocaron las rejillas en porta objetos y
se agregoacute una gota de la solucioacuten del catalizador dejando secar a temperatura
ambiente hasta su medicioacuten
Evaluacioacuten cataliacutetica Las medidas de actividad cataliacutetica en la oxidacioacuten de CO e H2
CH4 y C2H8 se realizaron en un microreactor de cuarzo de lecho fijo en el cual se
colocaron en todos los casos 030 g de catalizador y se utilizoacute un flujo total de 100
mLmin Para la oxidacioacuten de CO se utilizoacute una mezcla con 1 CO 05 O2 033
H2 en N2 para las pruebas en condiciones estequiomeacutetricas y con 1 CO 21 O2
033 H2 en N2 para los experimentos en exceso de O2 El efluente fue analizado
por cromatografiacutea de gases (GC-12 A Shimadzu C-RGA con una columna SFE-1)
con detector de conductividad teacutermica Para la combustioacuten de CH4 se uso una
mezcla con 1 CH4 2 O2 97 N2 y para la combustioacuten de C3H8 una mezcla con
1 C3H8 2 O2 97 N2 En todos los experimentos la temperatura de operacioacuten
fue de 25 a 400 degC y la velocidad espacial fue 10146 h-1
Catalizadores de Oro Soportado 13
UAM-I
23 RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN
Absorcioacuten Atoacutemica y Adsorcioacuten Fiacutesica La Tabla 1 muestra los contenidos de Au
el Aacuterea BET (ABET) el volumen promedio de poro (VP) y el radio promedio de poro
(RP) para los catalizadores preparados
Se puede observar que el aacuterea BET de la γ-Al2O3 se modifica con la adicioacuten de Au El
aacuterea BET entre la γ-Al2O3 pura y la muestra DP concuerdan con lo reportado[10-11] de
que a mayor porcentaje de Au mayor es el aacuterea superficial sin embargo el aacuterea BET
del catalizador 007-Auγ-Al2O3-IMP que tiene un menor porcentaje de Au presenta
la mayor aacuterea BET Sin embargo aunque el radio promedio de poro es casi el mismo
para las tres muestras el catalizador 007-Auγ-Al2O3-IMP presenta el mayor
volumen promedio de poro Esto podriacutea deberse a que el meacutetodo de preparacioacuten
utilizado causoacute la generacioacuten de una mayor porosidad en la γ-Al2O3 en lugar de la
impregnacioacuten de una mayor cantidad de Au Las isotermas de adsorcioacuten de los
catalizadores fueron del tipo IV y semejantes en forma a la de la γ-Al2O3 (Figura 1)
La Figura 2 muestra que la distribucioacuten de tamantildeo de poros se centra dentro del
mismo margen para las tres muestras y se aprecia la presencia de mesoporos entre
los 50 y 125 Aring
Tabla 1 Contenido Au y caracteriacutesticas texturales en los catalizadores
Catalizador Au ( en peso) ABET (m2g) RP (Aring) VP (ccg)
γ-Al2O3 000 183 78 0489
IMP 007 301 79 0743
DP 035 215 78 0518
IMP 100
No se ha determinado
Catalizadores de Oro Soportado 14
UAM-I
0
100
200
300
400
500
0 02 04 06 08
PPo
Vads
(cm
3g)
STP
-Al2O3
035-Au -Al2O3-DP
007-Au -Al2O3-IMP
1
Figura 1 Isotermas de adsorcioacuten y desorcioacuten de N2 de los catalizadores Auγ-Al2O3
ifraccioacuten de Rayos X La Figura 3 muestra los patrones de difraccioacuten de Rayos X
0
0004
0008
0012
0016
002
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
Rp [A]
Dv(
r) [c
m3
Ag]
-Al2O3
035-Au -Al2O3-DP
007-Au -Al2O3-IMP
Figura 2 Distribucioacuten de tamantildeo de poros
D
de los catalizadores Se observa que todos son caracteriacutesticos de la γ-Al2O3 Es
imposible identificar la presencia del Au esto debido al pequentildeo porcentaje y la alta
Catalizadores de Oro Soportado 15
UAM-I
dispersioacuten del Au contenido en cada uno de los catalizadores Sin embargo para el
caso de que se tuviese mayor cantidad de Au el difractograma podriacutea presentar un
pico alrededor de los 38deg en 2θ el cual indicariacutea la presencia de Au A partir de esta
sentildeal y la ecuacioacuten de Scherrer algunos autores han calculado el tamantildeo promedio
de las partiacuteculas de oro en catalizadores soportados
Microscopia Electroacutenica Transmisioacuten (MET) En la Figura 4 se presentan las
casos los
imaacutegenes de MET para la γ-Al2O3 y los catalizadores 035-Auγ-Al2O3-DP y 007-Auγ-
Al2O3-IMP En ambos catalizadores el tamantildeo de partiacutecula se encuentra es mayor
que 2 nm pero menor o igual que 5 nm En ambos casos los resultados indican que
las partiacuteculas de oro estaacuten dispersadas de manera uniforme en el soporte
Se encuentra es mayor que 2 nm pero menor o igual que 5 nm En ambos
resultados indican que las partiacuteculas de oro estaacuten dispersadas de manera uniforme
en el soporte
Figura 3 Patrones de Difraccioacuten de Rayos X de los catalizadores Auγ-Al2O3
Catalizadores de Oro Soportado 16
UAM-I
Figura 4 Imaacutegenes de MET para (a) γ-Al2O3 (b) 035-Auγ-Al2O3-DP y (c) 007-Auγ-
Al2O3-IMP
Catalizadores de Oro Soportado 17
UAM-I
Se sabe que la alta actividad cataliacutetica del oro esta relacionada con su tamantildeo esto
quiere decir que entre maacutes pequentildeas sean las partiacuteculas mayor actividad tendraacuten
nes estequiomeacutetricas el catalizador 007-Auγ-Al2O3-
P no mostroacute actividad para la oxidacioacuten de CO e H2 sin embargo al operar la
por lo tanto de las imaacutegenes anteriores se tiene que el meacutetodo DP es el maacutes
adecuado por lograr depositar mayor cantidad de Au con gran dispersioacuten y un
tamantildeo de partiacuteculas pequentildeo
Actividad Cataliacutetica A condicio
IM
misma muestra con un exceso de O2 la actividad inicioacute a partir de 140oC alcanzando
una conversioacuten maacutexima de 8748 a 400 degC (Figura 5) En vista de este uacuteltimo
resultado se decidioacute evaluar el catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP a las mismas
condiciones de exceso de O2 En este caso la actividad cataliacutetica inicioacute por debajo de
los 30oC incrementaacutendose casi linealmente con la temperatura hasta lograr una
conversioacuten maacutexima de 9367 a 127degC La diferencia en actividad entre ambos
catalizadores es notable Auacuten a muy bajos contenidos de Au el catalizador 007-Auγ-
Al2O3-IMP presenta una actividad importante sin embargo al aumentar cinco veces
este contenido (035) y manteniendo el tamantildeo de partiacutecula es posible disminuir la
temperatura de encendido calculada como la temperatura a la cual se logra el 50
de conversioacuten (T50) en 175oC Un uacuteltimo estudio fue la evaluacioacuten del catalizador
10-Auγ-Al2O3-IMP el cual presenta una T50 de 290 degC(ver Figura 5) la cual es 40 degC
mayor que el catalizador 007-Auγ-Al2O3-IMP auacuten cuando el contenido de Au es
mayor La Figura 5 muestra tambieacuten la comparacioacuten de estos resultados con
trabajos anteriores[10] en los que utilizan el catalizador 5-Auγ-Al2O3-IMP a
condiciones estequiomeacutetrica en este caso T50 es de 215 degC tan solo 35 degC de
diferencia en comparacioacuten con el catalizador 007-Auγ-Al2O3-IMP La diferencia en el
contenido de Au es 15 veces menor En general al trabajar en condiciones en exceso
de O2 se tiene una mayor conversioacuten a una menor temperatura por lo que se
esperariacutea que los resultados del catalizador 5-Auγ-Al2O3-IMP bajo condiciones de
exceso fueran mejores sin embargo los autores no presentan estos resultados
Catalizadores de Oro Soportado 18
UAM-I
El catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP alcanzoacute 100 de conversioacuten a 176 degC a
condiciones de exceso de O2 (Figura 5) esta conversioacuten se mantuvo por 24 h sin
presentar indicios de desactivacioacuten (Figura 6) KRuth [12] reporta desactivacioacuten del
catalizador 10-Auγ-TiO2 a partir de 80 minutos de operacioacuten con una velocidad
espacial de 1x104 h-1 El catalizador fue preparado por deposicioacuten y contiene nano-
particulas (2-5nm) soportadas en TiO2 Sin embargo el catalizador logra 100 de
conversioacuten a 0 degC Esto es debido a que los catalizadores AuTiO2 presentan mayor
actividad a temperaturas bajas La Figura 6 muestra tambieacuten la conversioacuten reportada
por Seung-Jae[11] del catalizador 043-Auγ-Al2O3-IMP en donde la temperatura de
operacioacuten es de 25 degC sin embargo se tiene una desactivacioacuten apreciable a partir de
150 minutos de operacioacuten con una velocidad especiales de 8x10 h-1
Figura 5 Conversioacuten del CO para los catalizadores de 007-Auγ-Al2O3-IMP 10-
os resultados de conversioacuten del hidroacutegeno (Figura 7) muestran conversioacuten del 100
10 a 035 es de 20 degC
Auγ-Al2O3-IMP y de 035-Auγ-Al2O3-DP en condiciones de operacioacuten en exceso de
O2 la tasa de temperatura es de 2degC por minuto Datos Referencia [10]
L
por debajo de 150 degC con el catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP mientras que el
catalizador 007-Auγ-Al2O3-IMP logra conversioacuten completa hasta 270oC y para el
catalizador 10-Auγ-Al2O3-IMP se tiene una conversioacuten del 100 hasta 310 degC lo
cual indica que los tres catalizador son activos para ambas reacciones y que se
mantiene la tendencia observada para la oxidacioacuten de CO La disminucioacuten en T50 al
aumentar el contenido de Au de 007 a 035 es de 140oC mientras que para la de
Catalizadores de Oro Soportado 19
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Catalizadores de Oro Soportado 20
Figura 6 Variacioacuten de la conversioacuten con respecto al tiempo para la muestra de DP a
una temperatura de 180 degC Datos Referencia [11]
Figura 7 Oxidacioacuten de H sobre los catalizadores 035-Au2 γ-Al2O3-DP 007-Auγ-
Al2O3-IMP y 10-Auγ-Al2O3-IMP bajo condiciones de exceso de O2
La Figura 8 muestra como varia la temperatura de encendido con la cantidad de Au
en los catalizadores preparados en este trabajo Se observa un miacutenimo para el
catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP lo cual indica que la mayor actividad se logra a bajos
contenidos de Au y tamantildeos de partiacutecula menores que 5 nm
0
20
40
60
80
0 200 400 600 800 1000Tiempo (min)
Con
vers
ioacuten
de C
O (
) 100
035-Au -Al2O3-DP (176 degC)
043-Au -Al2O3-IMP (25 degC)
0
20
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Temperatura (degC)
40
60
Con
vers
ioacuten
de H
2 (
)
80
100
10-Au -Al2O3-IMP035-Au -Al2O3-DP007- Au -Al2O3-IMP50-Au -Al2O3-IMP
UAM-I
F
o
P
o
o
re
d
F
c
C
T50 (degC)
igura 8 Variacioacuten de la te
xidacioacuten de CO con respect
or ultimo se realizaron cu
peracioacuten pero variado la
btenidos se muestran en la
accioacuten presentan una tend
e catalizador
00000
00040
00080
00120
00160
00200
0
(-rc
o)
00000
igura 9 Velocidad de reac
ondiciones en exceso de O2
atalizadores de Oro Soportado
masa Au
mperatura de encendido a 50 de conversioacuten en la
o a la cantidad de Au en el catalizador
atro corridas maacutes bajo las mismas condiciones de
masa de catalizador Las velocidades de reaccioacuten
fig9En esta figura se observa que las velocidades de
encia lineal despueacutes de los 80degC al aumentar la masa
50 100 150 200 250 300T (degC)
3 gr cat
25 gr cat
2 gr cat
15 gr cat
1 gr cat
cioacuten de CO a diferentes masas de catalizador y bajo
21
UAM-I
Se tomo una temperatura de 125 degC debido a las mediciones realizadas en
diferentes calentadores domeacutesticos Se encontroacute que la temperatura media es la
mencionada A partir de los datos experimentales se determinoacute que el orden de
reaccioacuten es 13 y la constante cineacutetica k = 480945 (m3)13[(mol)03m3cat hr] (00012
mhr) y un coeficiente de transferencia de masa de 792 mhr (ver apeacutendices A) con
estos valores y usando los criterios de Weisz-Prater y Mears[14] (ver apeacutendice B) se
obtuvo que no existe resistencia interna ni externa a la transferencia de masa por lo
que la cineacutetica es la que controla
24 CONCLUSIOacuteN DE LA EXPERIMENTACIOacuteN El meacutetodo de DP es mucho maacutes adecuado que el de IMP para la preparacioacuten de
catalizador de Au soportados en γ-Al2O3 ya que permitioacute obtener catalizadores con
cinco veces maacutes oro que el preparado por el meacutetodo IMP bajo condiciones similares
de preparacioacuten En ambos casos el tamantildeo promedio de partiacutecula fue menor que 5
nm Debido a esto el catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP presenta una mayor actividad
en la oxidacioacuten de CO e H2 sin observarse desactivacioacuten durante un periodo de 24 h
Puesto que en ambas muestras se consiguioacute una gran dispersioacuten y un tamantildeo
similar de nanopartiacuteculas de oro se tiene entonces que la principal diferencia de
actividad cataliacutetica se debe principalmente a la cantidad de Au en el catalizador Sin
embargo el catalizador 10-Auγ-Al2O3 presenta una menor conversioacuten que el de
035-Auγ-Al2O3-DP a pesar de contener maacutes Au por lo que hasta el momento se
podriacutea decir que la cantidad de Au optima se encuentra por debajo de 10 wt y por
arriba de 007 wt no obstante se requiere de la caracterizacioacuten del catalizador 10-
Auγ-Al2O3 se para determinar de que manera influyen el tamantildeo de partiacuteculas la
distribucioacuten el volumen y el tamantildeo de poro en los resultados esta caracterizacioacuten
asiacute como la evaluacioacuten cataliacutetica del catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP bajo
condiciones estequiomeacutetricas se encuentran en proceso
Catalizadores de Oro Soportado 22
UAM-I
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Catalizadores de Oro Soportado 23
UAM-I
C A P I T U L O III
D I S E Ntilde O D E L A P L A N T A I N D U S T R I A L
Catalizadores de Oro Soportado 24
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31 INTRODUCCIOacuteN
Este capitulo esta enfocado al disentildeo de la planta industrial donde se produciraacuten
catalizadores de Auγ-Al2O3 por el meacutetodo de Deposicioacuten-Precipitacioacuten (DP) descrito
en el capitulo 2
Parte de la produccioacuten de los catalizadores se destinaraacute a su venta en masa y otra
parte se destinaraacute para el equipo de purificacioacuten de calentadores de agua esto con
la finalidad que el catalizador que esta contenido dentro del equipo de purificacioacuten
cuando se desactive pueda remplazarse por catalizador nuevo disponible en el
mercado De esta forma se tendraacuten ganancias tanto al vender el equipo purificador
como al vender catalizador como materia prima
32 DISENtildeO DEL EQUIPO PURIFICADOR PARA CALENTADORES DE AGUA DOMEacuteSTICOS El equipo purificador se ubicaraacute a la salida del efluente gaseoso del calentador como
un equipo adicional como se muestra en la Figura 1 Se plantea colocarlo en una
posicioacuten tal que oxide a baja temperatura hasta el 90 de CO Las dimensiones del
purificador se determinaron seguacuten las especificaciones de calentador y el balance de
materia en el sistema purificador Estos caacutelculos se presentan en el Apeacutendice A
Los tubos de las chimeneas de los calentadores son de latoacuten por lo que se decidioacute
utilizar este material para la parte exterior la parte donde se colocaraacute el catalizador
es de 35 cm de longitud para colocarlo en el tubo de la salida del flujo de gas se
dieron 2 cm maacutes en cada extremo para hacer un tipo cople de manera que el tubo
entre en los extremos
Catalizadores de Oro Soportado 25
UAM-I
C O 2 2 0 c m 7 c m c m G A S C O
3
2cm
75 cm 35 cm
Figura 1 Esquematizacioacuten del equipo purificador y su ubicacioacuten en los calefones
Las dimensiones obtenidas (Apeacutendice A) y las caracteriacutesticas del purificado se
presentan en la Tabla 1
Tabla 1 Especificaciones de purificador
Material Latoacuten
Longitud 35 cm
Diaacutemetro 20cm
Cantidad de
Catalizador
700 gr
Catalizadores de Oro Soportado 26
UAM-I
33 PRODUCCIOacuteN DE LA PLANTA INDUSTRIAL A partir de un estudio de mercado se encontroacute que en la Ciudad de Meacutexico hay
cuando menos cuatro empresas principales (CALOREX ELSA MAGAMEX y
CINSA) que fabrican calentadores de agua residenciales[1 2] Estas en promedio
producen 150 calefones diarios Por cada calefoacuten se requiere un equipo purificador
En este sentido de requieren idealmente 600 unidades de purificacioacuten por diacutea Esta
base se utilizoacute para el disentildeo de la planta
A partir del balance de masa en el purificador y empleado los resultados
experimentales a nivel laboratorio (ver apeacutendice A) se encontroacute que cada purificador
requiere 07 Kg de catalizador A partir de este resultado se requiere producir al
menos 420 Kg de catalizador para satisfacer la demanda en la produccioacuten de
calefones Con base en el balance de materia realizado en el mezclador se
determinoacute que la cantidad de catalizador obtenido despueacutes de cuatro lotes es de
570 Kg Tomando el resto de catalizador como reserva por cualquier contratiempo El
nuacutemero de lotes se determinoacute en base a que fuese rentable la recuperacioacuten de oro
34 DISENtildeO Y OPERACIOacuteN DE LA PLANTA
La fabricacioacuten del catalizador a nivel industrial esta basada en el escalamiento del
meacutetodo de siacutentesis descrito en la parte experimental Lo cual es una praacutectica comuacuten
en la fabricacioacuten de materiales cataliacuteticos
Para la produccioacuten de 570 Kg por diacutea se plantea utilizar cuatro mezcladores (ver
Figura 2) que operaran durante 8 h con cuatro intervalos (o cargas) de 2 h y
descansos de 30 min (dejando 30 min libres por contratiempos) Esta operacioacuten se
elige con base en las horas de trabajo y el meacutetodo de preparacioacuten del catalizador
Al igual que en la parte experimental el proceso requiere operacioacuten por lotes debido
a que se necesitan largos tiempos de contacto para obtener catalizadores eficientes
en la oxidacioacuten de CO a baja temperatura Se pretende utilizar un agitador tipo
Catalizadores de Oro Soportado 27
UAM-I
canastilla[4] el cual permite colocar dentro de las mismas el catalizador para tener
una mejor impregnacioacuten de partiacuteculas de Au y eliminar la atricioacuten Las dimensiones
del agitador asiacute como del mezclador se presentan en la Figura 6
Al teacutermino de la uacuteltima carga en los mezcladores el lote completo del diacutea pasa al
horno para secarlo a 80degC por 2 h y calcinarlo a 400degC durante 4 h Durante estos
procesos se concluye la preparacioacuten del catalizador Las temperaturas y tasas de
calentamiento estaacuten basadas en el meacutetodo de preparacioacuten experimental descrito en
el Capitulo ll Posteriormente el catalizador producido pasa a la seccioacuten donde se
embolsa para ser vendido como materia prima y la otra parte pasa a la seccioacuten de
ensamblaje para fabricar el purificador
Dimensiones de la industria
Las dimensiones de los equipos como mezcladores cisternas tanque de
tratamiento horno etc se tomaron como base para poder suponer espacios entre
equipos para tener seguridad del personal Se dio preferencia a los mezcladores ya
que son las partes importantes en la elaboracioacuten de los catalizadores La cisterna
estaraacute enterrada para facilitar su llenado en el caso de los contenedores de HAuCl4
y NH4OH estaraacuten encima de bases maacutes altas que los mezcladores para poder
abastecerlos por gravedad Esto debido a que el volumen es poco no se requiere de
grandes cantidades por lo que no se requiere alguna bomba Se estuvo analizando
la forma de acomodar los equipos y se obtuvo la siguiente distribucioacuten que se
muestra en la Figura 3
En la Figura 4 se presenta el plano de la industria con sus respectivos
departamentos en la parte sur se encuentra la entrada principal en ella se encuentra
vigilancia y la entrada de empleados y obreros posteriormente esta la zona de
oficinas lado izquierdo del lado derecho se encuentra el estacionamiento para
clientes y empleados en el almaceacuten se encontraraacuten refacciones de equipo y
reservas de materia primas para los catalizadores en la zona de produccioacuten se tiene
el estacionamiento de proveedores para facilitar la entrada y salida del producto
Catalizadores de Oro Soportado 28
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado 29
Debido a que en cada industria debe existir un espacio recreativo se plantea una
cancha de Baacutesquetbol para los obreros y una zona de jardines en la parte norte
Ubicacioacuten de la industria
Para poder ubicar una industria es importante analizar la zona geograacutefica Para lo
cual se deben considerar algunos factores importantes por ejemplo No ubicarla en
zona de siacutesmica Si la industria requiere de un gran volumen de agua no ubicarla en
una regioacuten deseacutertica Si el producto es muy sensible al calor y la humedad evitar
zonas muy caacutelidas y huacutemedas Si se piensa vender el producto en una zona
especifica ubicar la industria cerca de la zona de venta para evitar gastos de
transportacioacuten A partir de este tipo de razonamientos se planea que debido a que el
producto que se elaborara que es un purificador cataliacutetico para su venta en la ZMVM
ya en ella estaacuten ubicadas las principales industrias de calentadores y debido a que la
planta requiere de un volumen considerable de agua se escogioacute el estado de
Morelos porque no esta muy lejos de la ZMVM y tiene reservas de agua Asiacute el gasto
de transportacioacuten de materias primas y sobre todo del producto elaborado seriacutea
pequentildeo
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
Agua
Tanque tratamien
Figur
NH4OH
HAuCl4
Produccioacuten de catalizadores
Recuperacioacuten de agua
de to
a
MezcladoresMezcladores
Cuando se requiere limpieza
Horno
Producto almaceacuten
30
1 Diagrama de produccioacuten Recuperacioacuten de cloro
UAM-I
35 BALANCE DE MATERIA DIAGRAMA DE FLUJO PARA DIFERENTES LOTES DE SOPORTE EN UN SOLO MEZCLADOR
Catalizadores de Oro So
05 Kg Au
10
0
086 Kg HAuCl4(ac)014 Kg H2O
035 Kg NO2(g)
2
35 Kg NH4(OH)(ac) (01M)
10000 Kg H2O
100 Kg Al3O
100 Kg Al2O3 (9965) 035 Kg Au (035) 025 Kg Cl2
026 Kg HauCl4(ac)35 Kg NH4(OH)
1101035 Kg H2O
O MEZCLADOR (t0)
10035 Kg catalizador
86 KgHAuCl4(ac)101035 Kg H2O
037 Kg HCl (ac) (105 M) 048 Kg HNO3(ac) (152 M)
porta
Kg N
30 Kg Al2Cl3
101021 Kg H2
do
H4 (OH) (ac) (01M) 30 Kg Al2O3 (9965) 01 Kg Au (035)
007 Kg Cl2
)
3
)
301 Kg catalizador MEZCLADOR (t1)
009 Kg HauCl4(ac)45 Kg NH4(OH)
1101035 Kg H2O
MEZCLADOR 1054 Kg catalizador
105 Kg Al2O3
(t2)
105 Kg Al2O3 (9965)
035 Kg NH4 (OH) (ac) (01M
004 Kg Au (035) 003 Kg Cl2
23 Kg Al2O
MEZCLADOR
(t3)23 Kg Al2O3 (9965)
2308 Kg catalizador
008 m3 NH4(OH) (ac) (01M
002 Kg HauCl4(ac)485 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
0008 Kg Au (035) 0006 Kg Cl2
0003 Kg HauCl4(ac)493 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
31
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado 32
DIAGRAMA DE FLUJO PARA UN MEZCLADOR
MEZCLADOR
1101035 Kg H2O
1428 kg γ-Al2O3
086 Kg HAuCl4
493 Kg NH4(OH)
0003 Kg HauCl4(ac)493 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
1433 Kg Catalizador
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
36 DIAGRAMA DE LA INDUSTRIA
INDUSTRIA DE CATALIZADORES
TANQUE DE TRATAMIENTO HORNO
CISTERNA 1
CONTENEDORDE AuCl3 CONTENEDOR DE
NH4OH ZONA DE LLENADO
DE SAPORTE
SE LLEVA AL HORNO
MANUALMENTE
PRODUCTOALMACEacuteN
Contenedor de HAuCl4
Figura 2 Diagrama de la distribucioacuten del equipo dentro del aacuterea de produccioacuten
33
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
37 DIMENSIONES DEL EQUIPO Y TUBERIacuteA
2 mts
2 mts 2 mts 6 mts 4 mts 3 mts 5mts 5 mts 3 mts 6 mts 3
3mts 3 mts 3mts 3 mts 3 mts
4 mts 1 5 mts 1 5 mts 4mts 4 7mts 4 mts 21 mts 7 2mts 26 mts 2 mts 21 mts 6 mts
3 5 mts 14 mts 6 mts 8 mts 1 5 mts 3 mts 5 mts 13 mts 8 mts 20 mts 30 mts
IN D U ST R IA D E C A T A L IZ A D O R E S
T AN Q U E D E T R AT AM IE N T O H O R N O
C IST E R N A 1
C O N T EN ED O RD E Au C l3
C O N T EN E D O R D E N H 4O H
ZO N A D E L LEN AD O D E SO PO R T E
AG UA PAR A JAR D IN ES
M E Z C L A D O R E S 12 3 y 4
1 2 3 4
A L M A C Eacute N
Contenedor de HAuCl4
Figura 3 Dimensiones del equipo y tuberiacutea requerida
34
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
38 PLANO DE DISTRIBUCIOacuteN DE AacuteREAS
Figura 4 Aacutereas de trabajo dentro de la planta
35
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
DIMENSIONES DE LA INDUSTRIA
Figura 5 Dimensiones de cada aacuterea de la planta industrial
36
UAM-I
Ingenieriacutea Quiacutemica 37
10 cm 3mts 1 mts 25 cm 15cm 5 cm 5 cm 3mts 150 mts 10 cms 100 mts 20 cm
003 mts
Figura 6 Dimensiones del mezclador y del Agitador
UAM-I
Las dimensiones de las canastillas se determinaron a partir del balance de masa y la
produccioacuten requerida La carga de un contenedor de soporte que es de 100kg del
cual el agitador tiene 4 canastillas cada una corresponde 25 Kg la masa se obtuvo
del balance de materia y su densidad 600 Kgm3 con el que se obtuvo un volumen de
0043 m3
39 ANAacuteLISIS FINANCIERO
El costo de materias primas se muestra en la Tabla 2 en la que tambieacuten se incluyen
los flujos de alimentacioacuten requeridos para el proceso a partir de los cuales se
determinaron los costos diarios
Tabla 2 Costo de materias primas [5]
Compuesto
Alimentacioacuten
por diacutea
Costo
USDKg
Costo Total
USDdiacutea
Au 2 kg 10596 2119200
HCl 15 Kg 52 780
HNO3 20 Kg 022 044
-Al2O3 5712 Kg 034 19421
Canastillas 500 piezas 15 75000
NH3(OH) 200 Kg 034 680
H2O 440414 Kg 282 282
Total de Materia Prima 2215407
El costo se determinoacute considerando la cantidad de material el tamantildeo y el costo de
manufactura
El costo se determinoacute para uso industrial conforme establece la tesoreriacutea de
Meacutexico
Ingenieriacutea Quiacutemica 38
UAM-I
PERSONAL REQUERIDO PARA LA INDUSTRIA
La Tabla 3 establece los salarios mensuales anuales y las prestaciones del IMSS
para el personal de la planta
Tabla 3 Salarios y Prestaciones del Personal
Mano de Obra (USDmes)p
ersona
USDmes USDantildeo Prestaciones
IMSS
1 Gerente 2000 2000 24000
1 Administrador 1000 1000 12000
1 Secretaria 400 400 4800 1193
Total de Salarios
Administrativos
40800 1193 409193
9 Obrero 150 150 1800 448
1 Teacutecnico 200 200 2400 597
1 Policiacutea 200 200 2400 597
1 Mantenimiento 180 180 2160 538
1 Limpieza 150 150 1800 448
Total de Salarios
Proceso
10560 2628 108228
Los salarios se determinaron en base al salario miacutenimo vigente en la Ciudad de
Meacutexico (2003)[29]
Ingenieriacutea Quiacutemica 39
UAM-I
PERSONAL
Departamento de produccioacuten
Se tendraacute 2 obreros en el llenado de soporte en las rejillas un obrero encargado del
traslado de rejillas por medio de la banda de los motores a cada contenedor un
obrero en cada contenedor de NH4OH y HAuCl4 en cada mezclador se tiene 1
obrero para descargar y cargar las rejillas a la banda que se trasladaran al horno en
el horno se tiene 1 obrero encargado del secado y calcinado el producto se traslada
al almaceacuten donde estaraacuten 2 obreros que reciben el producto y materias primas de los
proveedores se tiene 1 teacutecnico supervisando los equipos un encargo del
mantenimiento de los equipos
Departamento de personal
Gerente de la industria un administrador encargado de compra y venta de materias
primas una secretaria
Ingenieriacutea Quiacutemica 40
UAM-I
CAPITAL FIJO
La Tabla 4 muestra el costo de los equipos requeridos en la planta asiacute como el
Capital Fijo y la Inversioacuten del Capital Total
Tabla 4 El equipo se costeo usando las correlaciones de Ulrich [6] y empleando el
programa de Capcost
EQUIPO USD
4 Contenedores 23584
4 Agitadores (456kW) 269760
1 Horno (25 kW) 15700
15 Bombas (1469kW) 43081
1 Motor (114 kW) 67440
Tuberiacuteas 42150
2 Cisternas 174183
Vaacutelvulas 1283
Accesorios
(codos 90ordm y de 45ordm te)
1474
CAPITAL FIJO 638655
Capital de Trabajo 9579825
INVERSIOacuteN DE
CAPITAL TOTAL
73445325
Los caacutelculos y las correlaciones empleadas para el costeo del equipo se anexan en
el Apeacutendice A
Ingenieriacutea Quiacutemica 41
UAM-I
GASTOS GENERALES
Tabla 5 Proporciona el total de gastos anuales con lo cual se estima el precio por
kilo de catalizador y por unidad purificadora
Tabla 5 Gastos Generales anuales
USDAntildeo
Materias Primas 531697680
Mano de Obra de Operacioacuten 1082280
Mano de Obra de Oficina 4091930
Servicios Electricidad 2620100
Total de Gastos Generales 539491990
CFE
Produccioacuten diaria de Catalizador = 574 Kg
Precio de Catalizador = 40 USDKg
Produccioacuten diaria de unidades purificadoras = 500
Precio por unidad = 50USD
Ganancia diaria = 22960 USD
Ganancia Anual = 5510400 USD
DETERMINACIOacuteN DE LA RENTABILIDAD DEL PROYECTO
TPI (Actual) = 10
PR (Factor de riesgo) = 25
TREMA = TPI + PR
TREMA = 35
TIR (del proyecto) = 90
TIR gt TREMA
Puesto que la TIR es mayor que la TREMA se tiene que el proyecto es rentable [6]
Ingenieriacutea Quiacutemica 42
UAM-I
310 CONCLUSIONES
En el desarrollo de la industria para la fabricacioacuten de catalizadores se tuvo un
resultado satisfactorio a pesar de la falta de informacioacuten disponible acerca de
industrias de catalizadores debido a que esta informacioacuten no es publica El proyecto
que elaboramos es novedoso en nuestro paiacutes ya que no existen registros de una
industria que produzca catalizadores de oro soportados en aluacutemina
Durante el desarrollo del proyecto se planteoacute trabajar con compuestos como NOx y
COVS sin embargo debido a la falta de tiempo no se logroacute concluir la
experimentacioacuten en estos campos Debido a esto se tomoacute la decisioacuten de trabajar en
la oxidacioacuten cataliacutetica de CO Esto debido a varios factores por ejemplo la
disponibilidad de gases y sobre todo los costos que esto implicaba
Para el desarrollo del catalizador se analizaron diferentes tipos de preparacioacuten y se
eligieron dos meacutetodos diferentes Deposicioacuten-precipitacioacuten e Impregnacioacuten Los
catalizadores se evaluaron bajo diversas condiciones en la oxidacioacuten de CO El
catalizador que presentoacute mayor conversioacuten con el catalizador a baja temperatura fue
el sintetizado por el meacutetodo de Deposicioacuten-precipitacioacuten el cual se utilizoacute para el
disentildeo de la Industria El disentildeo estaacute basado en la forma de preparacioacuten del
catalizador Por esto la parte maacutes importante de la planta es el tanque de mezclado
el cual se disentildeo tomando en cuenta los diferentes disentildeos de agitadores para tener
un mezclado oacuteptimo Se incorporo en la parte superior del agitador las canastillas
para las pastillas cataliacuteticas y el tipo de Horno que se usara para el secado y
posteriormente el calcinado Una parte importante es la produccioacuten de catalizador
para este problema se investigoacute en que parte se podriacutea utilizar a diferencia de los
catalizadores para automoacuteviles Se llego a la decisioacuten de poder desarrollar un
catalizador para los calentadores de agua se obtuvo informacioacuten de la fabrica de
calentadores cal-o-rex en la produccioacuten diaria de calentadores y de esta informacioacuten
se pudo calcular la posible demanda de nuestro producto Una parte importante en
las industrias son el tipo de bombas ya que existen diversos modelos en nuestro
disentildeo se escogioacute las bombas centriacutefugas con rodetes para agua que contiene
pequentildeas partiacuteculas de soacutelidos
En la parte de servicios para personal se investigo los sueldos de cada empleado Se
determinoacute el costo de los equipos y finalmente llegamos a la parte que nos interesa
Ingenieriacutea Quiacutemica 43
UAM-I
del disentilde es decir si el proyecto es rentable o no En este caso particular se tuvo un
valor aceptable y se definioacute que el disentildeo es rentable Esto indica que seria una
industria que tendriacutea ganancias y a la vez que el producto que se fabrique nos
ayudaraacute a todos a reducir la emisioacuten de CO en los hogares aportando una pequentildea
ayuda al medio ambiente
COMENTARIOS
Los conocimientos adquiridos durante este tiempo fueron provechosos en la parte
teoacuterica y praacutectica aclaramos dudas de como y porque se comportan las reacciones
quiacutemicas y los procesos de flujos Durante el desarrollo del proyecto aprendimos a
observar y la importancia de entender fiacutesicamente las algunos procesos relacionados
con la siacutentesis y caracterizacioacuten de materiales cataliacuteticos
Ingenieriacutea Quiacutemica 44
UAM-I
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Ingenieriacutea Quiacutemica 46
UAM-I
APEacuteNDICE A
CRITERIOS PARA DETERMINAR QUIEacuteN CONTROLA EL PROCESO
Criterio de weisz para difusioacuten interna
Ec(12-16 Fogler) Los valores que se sustituyen en las siguientes ecuaciones fueron
tomados del catalizador que se analizo en el laboratorio
CWP = ( )
AS
cObsA
DeCRcr 2minus
lt 1
-rA(Obs) = velocidad de reaccioacuten observada molgcats Cc = concentracioacuten volumeacutetrica molm3
CAS = concertacioacuten en la superficie molm3
D= diaacutemetro del granulo m R = radio del granulo m De = difusividad efectiva m2s
d = 0149mm mxmm
m 4104911000
1 minus=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
CWP = ( )( )3
32
24
33
103470184200350
21049150800010681
minus
minusminus
=⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞⎜
⎝⎛
x
mmol
hrm
mxcatm
gcathgcat
molx
734x10-3 lt 1 No hay limitante por la difusioacuten interna
Ingenieriacutea Quiacutemica 47
UAM-I
Criterio de mears para difusioacuten interna Ec(12-62 Fogler)
Mm = 150ltAbc
bA
CkRnr ρminus
Mm =( )( )
0570
136000184200220
31110457508000106851
3
53
3
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ minusminus
hrs
mmol
sm
mxcatmgcat
hgcatmolx
0057 lt 015 no hay efecto de transferencia de masa externa Calculo de Dab para calcular el coeficiente de trasferencia de masa Ec(78 Lobo)
De =
KAAB DD11
1
+
DKA = 970X103 (80X10-8)(s
cmK 221 1090)
2400( =
DAB = 00018583ABAB
BA
PMMT
Ω
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ +
2
2123 11
γ
Para CO
0110=isin
Bk 0593 A=γ
Para O2
Ingenieriacutea Quiacutemica 48
UAM-I
0113=isin
Bk 0453 A=γ
( ) 51343359321
=+=ABγ
( )( )[ ] 21113110BAB k=isin A la temperatura de 400degK
( ) 583))113)(110((
40021 =
deg=
isin B
B
AB
B
KKKTK
Ω AB = 0907 Sustituyendo
DAB =s
cm2
2
2123
9730)9070()513(
)21281()400(00185830=
+
De = hrm
hrs
cmm
scm 222
03501
3600100
10980
10901
97301
1=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
+
Calculo de Kc Sh = (Re)12(Sc)13
Velocidad superficial
V = sm
shr
hrm
mxhr
m
Av
c
02036001976
1087
006025
3
0 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛== minus
Ingenieriacutea Quiacutemica 49
UAM-I
Re= ( ) 240)1062)(501(
)10491)(020(
1 25
4
=minus
=minus minus
minus
smx
mxsmvd p
νφ
Sc= 672)3600
1)(0350(
10622
25
==minus
shr
hrm
smx
Dv
AB
Sh= ( 024 )12 ( 267 )13 = 0679
Kc = Shdp
DAB⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛minusφ
φ1
Kc = ( )sm
mxs
mx02206790
10491
10729
50501
4
26
=⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛minus
minus
minus
Calculo de numero Thile con el radio que usara a nivel industrial
φ = L ( )DkCn n
AS
21 1minus+
L = 3R
Sustituyendo
φ = 66x10-4 m( )
( )
450
03502
018420
5480941311
3
30
3330
313
=
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+
catmhrm
mmol
hrcatmmolm
η = 1 con los resultados anteriores se observa que quieacuten limita es la velocidad de
reaccioacuten Por lo que se procede a calcular el peso y longitud de catalizador
necesaria para muestro purificador sustituyendo los valores del Boiler
Ingenieriacutea Quiacutemica 50
UAM-I
Peso del Catalizador w =
( ) grcatgcatLn
gcatm
mmol
hrcatmmolm
hrm
xLn
kCv
A
66476639401
1
6000001578
548094
19836
11
330
3330
313
3
0
0 asymp=minus
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
minus
g 664=w
33
3
1011
mg60000
g 664 mxwv minus===ρ
m 035003101011
2
33
==minus
mmxL
cm 531000350 == xL
Ingenieriacutea Quiacutemica 51
UAM-I
APEacuteNDICE B BALANCE DE MASA DE LA PREPARACIOacuteN DE HAUCL4 Au(g) + 3HNO3(ac) + 4HCL(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O + 3N02(g) (152 M) (105M)
cantidad de mol Au = 05 kg Au x molAu
grAumolAux
kggr 542
971961
11000
=
cantidad de kg HNO3 = ( ) 33
33 480
10001
1635423 kgHNO
grkgx
molHNOGRHNOxHNOmol =
cantidad de kgHCl = ( ) kgHClgr
kgxmolHCl
grHClHClxmol 3701000
11
5365424 =
cantidad de kgHAuCl4 = 254molHAuCl4 x 44
8601000
11
97339 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
gr=
cantidad de kgH2O = 3( 254mol)H20 x OkgHgr
kgxOmolHOgrH
22
2 1401000
1118
=
cantidad de Lt H20 = 762molHNO3 x OltHOkgHOLtH
22
2 14011
=
cantidad de Lt H20 = 1016 mol HNO3 x 050215
012
2 LtHmol
LtH=
cantidad de LtH20 = 1016mol HCl x OLtHLtHmolHCl
LtH22
2 010970510
01asymp=
cantidad de MHAUCl4 = ( ) ( ) ( ) MHltltlt
ClmolHAU 7210850490140
542
2
4 asymp++
cantidad de kg NO2(g) = 3( 254mol)NO2 x )(22
2 3501000
1146
SkgNOgr
kgxmolNO
grNO=
Ingenieriacutea Quiacutemica 52
UAM-I
05 kg Au 048 kgHNO3 035 kgNO2 101021 kgH20 (152M) 037 kgHCl(ac)
(105 m) 086 kg HAuCl4 (ac) 086 kg HAuCl4 (ac)
(17 M) 014 kgH20 (25x10-3M) 014kg H20 (L) 086kg HAuCl4 035kgNO2 (g) 101185kg H20 Cantidad de H20 = 086 kgHAuCl4
x 08510110101
105201
173341
11000
22
23
24 kgHLtHkgHx
MxltHx
grmolHAuClx
kggr
=minus
pero (101185 ndash 014 ndash 05 ndash 1) kg H20 = 101021 kg H20 100ml H20 por 1 gr soporte 35kg NH4 (OH)(AC) 10000kgH20 100 kg γAl203 (9965) 035kgAu (035) 100kg γAl203 025kgCl2 086kg HAuCl4 026kgHAuCl4
101185 kg H20 35kgNH4 (OH)(AC) 1101185kgH20 cantidad de kgHAuCl4 = 015kgAu x
44
4 2601000
11
973391
197196
147196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxgrAu
molxkg
gr=
cantidad de NH4(OH) = 100kg γ Al203 x
Ingenieriacutea Quiacutemica 53
UAM-I
kgNHxmol
grx
mlmol
xOAlgr
OHmlNHx
kg
gr53
10001
1
35
100010
1
)(10
1
1000
32
4=
γ4(OH)
30kg γAL2O3 1 kgNH4(OH)(AC) 30 kg γ Al203 (9965) 010 kg Au (035) 026kgHAuCl4 007kg Cl2 35kgNH4(OH) 1101185 kgH2O 0086kgHAuCl4 45 kg NH4(OH)(AC) 1101185 kg H20
cantidad de γ Al2O3 = 026kgHAuCl4 x 324
32 02330860
100 AlkgkgHAuCl
OAlkg γγ=
cantidad de kgAu = 035 x kgAukg 10506599
30=
cantidad de kg Cl2 = 01 kgAu x
22
2 07201000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de HAuCl4 = 005kgAu x
44
4 08601000
11
973391
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 54
UAM-I
cantidad de kgNO4(OH) = 30 kg γ Al203 x ( )OHkgNHAlkg
OHkgNO4
32
4 0510100
)(53=
γ
105 kg γ Al203 035 kg NH2(OH) 105 kg γ Al203 (9965) 004 kg Au (035) 009kg HAuCl4 003 kg Cl2 45kgNH4(OH) 1101185 kg H20 0017kgHAuCl4 485kgNH4 (OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 009 HAuCl4 x 324
32 04710860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad kg de NH4 (OH) = 105kg γ Al203 x ( ) )(3500100
534
32
4 OHkgNHAlkg
OHkgNH=
γ
cantidad de Cl2 = 004 kg Au x
22
2 02901000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
gAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 =
44
44 02001701000
11
973391
197196
11
1000010 kgHAukgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgr
molAuxkg
grkgAux asymp=
Ingenieriacutea Quiacutemica 55
UAM-I
23 kg γ Al203 008kgNH4(OH) 002 kg HAuCl4 23 kg γAl203 (9965) 485kgNH4(OH) 0008kgAu(035) 1101185kg H2 0001kg Cl2
0014 kg HAuCl4 493kgNH4(OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 002kgHAuCl4 x 324
32 032860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad de kg Au = 035 x kgAukg 00806599
32=
cantidad de kgCl2 = 0002kgAu x
24
4 00101000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 = 0008kgAu x
44
44 01401000
11
973341
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 56
UAM-I
APEacuteNDICE C ACCESORIOS EN EL DISENtildeO
Agitador
Agitadores de Heacutelice se escogioacute este tipo de agitador por ser tener las siguientes
caracteriacutesticas [3]
bull Es un agitador de flujo axial
bull Se emplea para liacutequidos pocos viscosos
bull Giran a toda la velocidad del motor
bull Las corrientes de flujo se mueven a traveacutes del liacutequido en una direccioacuten
determinada hasta que son desviadas por el fondo o las paredes del tanque
bull Las palas de la heacutelice cortan o friccionan vigorosamente el liacutequido
bull Los agitadores de heacutelice son eficaces para tanques de gran tamantildeo
Horno
bull El horno se escogioacute por ser tener las siguientes caracteriacutesticas [5]
bull El horno de construccioacuten metaacutelica
bull La caacutemara de combustioacuten estaacute construida mediante hormigones refractarios
de alta resistencia mecaacutenica
bull Las materias secar y calcinar se carga de forma manual
Ingenieriacutea Quiacutemica 57
UAM-I
Bomba
DISENtildeO Bomba centrifuga para operacioacuten horizontal o vertical del impulsor
cerrado succioacuten al extremo descarga hacia arriba tangencial simple succioacuten de un
paso con carcaza partida verticalmente [3]
ROTACIOacuteN En el sentido del reloj vista desde el cople
CARACTERIacuteSTICAS Conexiones brindadas con registro ubicado en la cabeza de
succioacuten para facilitar su limpieza
SERVICIO Debido a que es posible colocarla en posicioacuten horizontal o vertical tanto
en caacutercamos secos como huacutemedos y por el disentildeo de su impulsor que soacutelidos de
gran tamantildeo esta bomba es ideal para los procesos de tratamientos de agua y
manejo de liacutequidos en suspensioacuten en general
CAPACIDADES
GASTO Hasta 3000 GPM
CDT Hasta 80rsquo
PRESIOacuteN 106 Kgcmsup2
POTENCIA De 1 a 60 Hp
VELOCIDAD (1175 - 3550 RPM)
TEMPERATURA 125degC
Ingenieriacutea Quiacutemica 58
UAM-I
Bombas Centriacutefugas
Las maquinas centriacutefugas estaacuten constituidas por un impulsor o rodete formado por
una serie de aletas radiales diversas formas y curvaturas que giran dentro de una
caja circular El fluido penetra por el ojo o eje de rotacioacuten y se descarga maacutes o
menos radialmente en una caacutemara perifeacuterica a una elevada presioacuten que
corresponde a la suma de la fuerza centriacutefuga de la rotacioacuten maacutes la cineacutetica
comunicada al fluido por las aletas La parte moacutevil de la bomba es el rodete Las
aletas del rodete se extienden desde el centro de rotacioacuten hacia la periferia y las
bridas son los discos de refuerzo a cada lado de las aletas que las envuelven Las
aletas pueden ser radiales curvadas ligeramente hacia delante en el mismo sentido
de la rotacioacuten o estar curvadas al reveacutes en el caso maacutes comuacuten en el disentildeo se
determino el rodete siguiente por sus caracteriacutesticas Fig 1
Figura 1 Corte parcial de un rodete de centriacutefuga para grandes cargas y secciones
de paso estrechas empleando con liacutequidos corrosivos o suspensiones de pequentildeas
partiacuteculas[4]
Ingenieriacutea Quiacutemica 59
UAM-I
APENDICE D CALCULO DE POTENCIA DE BOMBAS (8)
Potencia de la bomba de la cisterna 1 que alimenta a los mezclador 4
Ecuacioacuten de Bernoulli
sum sumint =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛+++∆+∆i i
i
P
P
evvfDLvwdphgv 0
21
21
ˆ1
21 222
2
1ρ
a b c d e f
a Diferencia de velocidades
b Diferencia de alturas
c Diferencia de presiones
d Trabajo
e Perdidas de friccioacuten en tuberiacuteas
f Perdidas de friccioacuten en accesorios
En la ecuacioacuten anterior se pueden eliminar algunos teacuterminos
21 mts
6 mts 35 mts
Figura 1 Balance de cisterna 1 a mezclador 4
Se debe de tener dos puntos de referencia para la utilizacioacuten de la ecuacioacuten de
Bernoulli de los cuales se anotaron en la figura 2
Ingenieriacutea Quiacutemica 60
UAM-I
21 mts
2 1 6 mts 35 mts
Figura 2
Teniendo los puntos de referencia se analiza que las diferencias de velocidades son
cero en ambos puntos por lo tanto el termino 2
21 ν∆ es igual a cero
El termino de = (981hg∆ 2segm )(35m ndash 0) = 34335 2
2
segm
El termino de int2
1
1P
P
dpρ
se tiene que la cisterna y el tanque de mezclado ambos no
estaacuten cerrados y por lo tanto no originan un cambio de presioacuten y el termino es cero
De esta expresioacuten L longitud de tuberiacutea
tro de tuberiacutea
n el interior del tubo
v
Para la l radio del tubo que
sum ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
i
fDL2
21 ν
D diaacuteme
f perdidas de friccioacuten e
velocidad del flujo de agua
obtencioacuten de la velocidad se tiene el flujo volumeacutetrico y e
es de 32 cm =0032mts con la ecuacioacuten
Ingenieriacutea Quiacutemica 61
( )( ) sm
ms
m
RQ 761
032060min1)
min340(
2
3
2 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
==ππ
ν
UAM-I
Se reportan valores de perdida de fr
e reduce teacuterminos
iccioacuten en tubos que son igual a 005
Por lo tanto sustituyendo los teacuterminos en la ecuacioacuten de Bernoulli s
sum sumint =⎟⎠
⎜⎝
+⎟⎠
⎜⎝
+++∆+∆i i
iP
evvfD
vwdphgv 022
ˆ2
1ρ
⎞⎛⎞⎛ L 111 2222
or tanto el termino de trabajo queda expresado de la siguiente manera
tanto la bomba comunica al fluido que circula en el sistema un trabajo
+11727
P1
p w
sum sum ∆minus⎟⎠⎞
⎜⎝⎛minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛minus=
i ii
hgevvfDLvw 22
21
21
ˆ
( ) ( )
Este es el trabajo ( por unidad de masa) producido por el fluido en la bomba por lo
22
sm o 11727 981 = 1195
m
fKg
Kgm
La velocidad de flujo de masa es
Por lo tanto
1 )=6694
951)(675(ˆ =minus=minus WwW smkg f = 088Hp = 1Hp
Siendo esta ida para esta bomba El procedimiento anterior se
iguioacute para cada bomba de la planta
AP E
la potencia requer
s
EacuteNDICE
TOXICOLOGIacuteA DE MATERIAS PRIMAS [6]
( ) ( ) ( )( ) ( )( )msm
smmmm
sm 538192201150761
21050
032021536761
21
2
22minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ +minus⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ++
minus=wm
22
27117ˆ smw minus=
( )s
kgmkgQw m675100060340 3 === ρ
Ingenieriacutea Quiacutemica 62
UAM-I
HIDROacuteXIDO DE SODIO
Polvo corrosivo blanco delicuescente
Toxicidad
Concentracioacuten Maacutexima permisible 2mgm3 en aire
Signos y Siacutentomas Conjutivitis quemaduras corneales y de la piel Irritacioacuten
seas vomito dolor abdominal y diarrea a veces con
Lavado de las partes afectadas tranquilizantes sulfato de
decuada gafas protectoras o pantallas para
ignos y Siacutentomas Irritacioacuten de ojos quemaduras corneables tos dolores
l hemoptisis dolor de cabeza dolor epigaacutestrico nauseas y vomito
lmonar
Tratamiento lavado de ojos con agua reposo oxigeno con aparato de respiracioacuten
con onantes
ACIDO NITRICO
Liquido corrosivo sofocante de incoloro a amarillento
ioacuten maacutexima permisible 10ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
del tracto respiratorio nau
sangre
Tratamiento
morfina para el dolor y cortisona
Medidas preventivas Ventilacioacuten a
la cara completa mascarilla con filtro mecaacutenico guantes delantares botas de
goma y acentuar la limpieza personal
CLORO
Gas pasado amarillo verdoso
Toxicidad
Conc Maacutexima permisible 1 ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten
S
retrosterna
debilidad cianosis y edema pu
trolada bronco dilatadores y descongesti
Toxicidad
Concentrac
Ingenieriacutea Quiacutemica 63
UAM-I
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
Signos y siacutentomas Erosioacuten dental estornudo tos Dolor en el pecho bronquitis y
la las partes contaminadas del cuerpo con solucioacuten al 5 de
de las quemaduras con pantildeos
de triacuteo sulfato soacutelido si se a ingerido
vado de ojos con agua
ACIDO CLORIDRICO
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
ivitis necrosis corneal por inhalacioacuten rinitis erosioacuten
dolor de cabeza palpitacioacuten por ingestioacuten
s en la boca faringe esoacutefago estomago salivacioacuten vomito Soc
agua lavada de agua y jaboacuten de las partes
preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
AacuteC
El c
con o de hidroacutegeno una
concentracioacuten de 12 molLt Este aacutecido es un liacutequido incoloro con un olor aacutecido
bronconeumoniacutea
Tratamiento
bicarbonato soacutelido o con agua y jaboacuten Tratamiento
mojados con solucioacuten saturada
administracioacuten por viacutea oral de solucioacuten de jaboacuten Hidroacutexido caacutelcico o alumiacutenico u
oacutexido de magnesio
Medidas preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores excluir de la exposicioacuten
a los individuos con enfermedades de pulmones y rintildeones
Gas incoloro o liacutequido o a amarillento
Toxicidad
Concentracioacuten maacutexima permisible 5ppm en aire
Signos y siacutentomas conjunt
dental laringitis bronquitis neumoniacutea
quemadura
nefritis
Tratamiento lavado de ojos con
contaminantes del cuerpo tratamiento ordinario de quemaduras lavado gaacutestrico
se a ingerido con solucioacuten de bicarbonato soacutedico al 5 seguido de una instilacioacuten
de gel de hidroacutexido de aluminio
Medidas
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores
IDO CLORHIacuteDRICO
loruro de hidroacutegeno es en extremo soluble en agua de hecho el aacutecido clorhiacutedrico
centrado contiene cerca del 38 en masa de clorur
Ingenieriacutea Quiacutemica 64
UAM-I
pronunciado que se debe al equilibrio entre el cloruro de hidroacutegeno gaseoso y
ste con el aacutecido fluorhiacutedrico el aacutecido clorhiacutedrico es un aacutecido fuerte (pKa = -
7) y se ioniza casi totalmente
gar de aacutecido sulfuacuterico auque en menor grado Por
jemplo el zinc metaacutelico reacciona con aacutecido clorhiacutedrico para dar el ion zinc e
hidroacutegeno gaseoso
Zn(s) + 2HCl(ac) ZnCl2(ac) + H2(g)
l para producir aacutecido clorhiacutedrico en el laboratorio es generar
cloruro de hidroacutegen e sodio y el aacutecido
ulfuacuterico En el primer paso a 150degC se forma hidroacutegeno sulfato de sodio
NaHSO4(s) + HCl(g)
io y maacutes
loruro de hidroacutegeno gaseoso Luego el gas se disuelve en agua para formar el
aacutecido
NaHSO4(s) + NaCl(s) Na2SO4(s) + HCl(g)
acuoso
HCl(ac) HCl(g)
El reactivo de grado teacutecnico a menudo tiene un color amarillento por una impureza
del ion hierro (III)
En contra
HCl(ac) + H2O(l) H2O+(ac) + Cl -(ac)
Por ello a menudo se prefiere usar aacutecido clorhiacutedrico diluido en lugar de aacutecido niacutetrico
que es muy oxidante y en lu
e
Cuando el zinc reacciona con el aacutecido niacutetrico es comuacuten que se reduzca una parte
del ion nitrato para dar dioacutexido de nitroacutegeno
El meacutetodo tradiciona
o gaseoso por la reaccioacuten entre el cloruro d
s
NaCl(s) + H2SO4(l)
La mezcla se calienta a 550degC temperatura a la cual el hidroacutegeno sulfato de sodio
reacciona con un exceso de cloruro de sodio para formar sulfato de sod
c
∆
Este meacutetodo se usa tambieacuten en la industria otra forma de producir cloruro de
hidroacutegeno es por la combinacioacuten directa de dicloro y dihidroacutegenogaseosos
Ingenieriacutea Quiacutemica 65
UAM-I
H2(g) + Cl2(g) 2HCl(g)
La mayor cantidad de cloruro de hidroacutegeno que se produce actualmente es un
CH4(g) + 4Cl2(g) 4(l) + 4HCl(g)
riacuten de superficies de acero en un bantildeo aacutecido en la purificacioacuten de glucosa
y jarabe de maiacutez e s y de gas y en la
bricacioacuten de compuestos clorados El aacutecido se puedo comprar en muchas
nducida por la luz
4HNO3(ac) 4NO2(g) + O2(g) + 2H2O(l)
niacutetrico como disolvente)
H2NO3+ H2O + NO2
+
l siguiente
3HNO NO3 ndash
subproducto de otros procesos industriales como la siacutentesis de tetracloruro de
carbono
CCl
Se consumen cerca de 107 toneladas de aacutecido clorhiacutedrico cada antildeo en todo el
mundo Este aacutecido tiene una gama muy amplia de usos como aacutecido comuacuten para
eliminar o
n el tratamiento con aacutecido de pozos petrolero
fa
ferreteriacuteas con el arcaico nombre de aacutecido muriaacutetico sus principales usos caseros
son la limpieza de superficies de concreto y la eliminacioacuten de herrumbre Un nuacutemero
muy reducido de personas es incapaz de sintetizar suficiente jugo gaacutestrico y deben
de ingerir caacutepsulas de aacutecido clorhiacutedrico diluido con cada comida
AacuteCIDO NIacuteTRICO
El aacutecido niacutetrico un liacutequido aceitoso e incoloro en estado puro es sumamente
peligroso El aacutecido que funde a ndash42degC y hierve a +83degC tiene por lo general un
ligero color amarillo a causa de una reaccioacuten de descomposicioacuten i
En un estado puro el aacutecido niacutetrico liacutequido praacutecticamente no conduce la electricidad
Una pequentildea porcioacuten se ioniza como sigue (todas estas especies existen en el aacutecido
2HNO3(l) H2NO3+ + NO3
ndash
H2O + HNO3 H3O+ + NO3 ndash
Para dar la reaccioacuten globa
3 NO2+ + H3O + 2+
Ingenieriacutea Quiacutemica 66
UAM-I
El catioacuten nitrilo es importante en la nitracioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas por ejemplo la
obenceno C6H5NO2 una etapa importante en
umerosos procesos industriales orgaacutenicos
El aacutecido niacutetrico con en agua mientras
ue el ldquoaacutecido niacutetrico fumanterdquo un oxidante extremadamente poderoso es una
vez de ello se produce una mezcla de
sistema que da un orden de
vista industrial el
oceso
e lleva a cabo en tres etapas Primero se hace pasar una mezcla de amoniaco y de
dioxiacutegeno (o aire) un proceso muy
ficiente y exoteacutermico que hace que la malla se ponga al rojo Esta etapa se verifica
conversioacuten de benceno C6H6 en nitr
n
centrado es en realidad una solucioacuten al 70
q
solucioacuten roja de dioacutexido de nitroacutegeno en aacutecido niacutetrico puro Incluso cuando esta
diluido el aacutecido niacutetrico es un oxidante tan fuerte que rara vez desprende hidroacutegeno
cuando se pone en contacto con metales en
oacutexidos de nitroacutegeno y el metal se oxido a su catioacuten
Los enlaces O-N son mucho maacutes cortos (121 pm) que el enlace O-N unidos al aacutetomo
de hidroacutegeno (141 pm) Esta longitud de enlaces indica que hay enlaces muacuteltiples
entre el nitroacutegeno y los dos aacutetomos de oxiacutegeno terminales Ademas de los electrones
del sistema σ hay cuatro electrones que participan en el sistema π O-N-O dos de un
orbital enlazante y dos en un orbital no enlazante
enlace de 112 para cada uno de esos enlaces nitroacutegeno- oxiacutegeno
A veces se nos olvida hasta queacute punto nuestra experiencia depende de la
termodinaacutemica y la cineacutetica Por ejemplo la primera siacutentesis industrial de aacutecido
niacutetrico se llevaba ha cabo por simple combinacioacuten de diniacutetrogeno dioxiacutegeno y agua
utilizando un horno de arco eleacutectrico a fin de proporcionar la energiacutea necesaria par
superar la muy elevada barrera cineacutetica Aunque desde el punto de
factor cineacutetico constituiacutea un problema en realidad es una bendicioacuten por que sin esta
barrera cineacutetica hace mucho tiempo que todo el dioacutexido de la atmoacutesfera se abriacutea
transformado en aacutecido niacutetrico y nuestros mares serian de aacutecido niacutetrico diluido
frac12 N2(g) + 54O2(g) + 12H2O(g) HNO3(g)
Ahora se utiliza el proceso Ostwald para la siacutentesis de aacutecido niacutetrico Este proceso
consume gran parte del amoniaco que se produce por el proceso Haber El pr
s
a traveacutes de una malla de platino metaacutelico Eacuteste es
e
a baja presioacuten para aprovechar el efecto entropico es decir la formacioacuten de 10
moles de gas a partir de 9 moles de gas (una aplicacioacuten del principio de Le Chatelier)
para desplazar el equilibrio a la derecha
Ingenieriacutea Quiacutemica 67
UAM-I
4NH3(g) + 5O2(g) 4NO(g) + 6H2O(g)
Se agrega maacutes oxiacutegeno para oxidar el monoacutexido de nitroacutegeno a dioacutexido de nitroacutegeno
A fin de mejorar el rendimiento de esta reaccioacuten exoteacutermica se extrae calor de los
ases y la mezcla se somete a presioacuten
2HNO3(l) + NO(g)
Esta reaccioacuten tambieacuten es exoteacutermica y una vez maacutes se aplica enfriamiento y alta
la
egunda etapa para oxidarlo de nuevo
La contaminacioacuten s de aacutecido niacutetrico
as plantas maacutes antiguas eran faacutecilmente identificables por la fumarola cafeacute-
antas maacutes antiguas ahora mezcla cantidades
en Estados Unidos porque un 20
dedica ala produccioacuten de explosivos
or ultimo el aacutecido niacutetrico es un liacutequido que hierve a 826degC No existe como liacutequido
g
2NO(g) + O2(g) 2NO2(g)
El dioacutexido de nitroacutegeno se mezcla con agua para dar una solucioacuten de aacutecido niacutetrico
3NO2(g) + H2O(l)
presioacuten par obtener el maacuteximo rendimiento El monoacutexido de nitroacutegeno se vuelve a
s
soliacutea ser un problema importante de las planta
L
amarillento del dioacutexido de nitroacutegeno que escapaba por ellas Las plantas maacutes
antiguas eran faacutecilmente identificable por la fumadora cafeacute-amarillo del dioacutexido de
nitroacutegeno que escapaba de ellas Las pl
estequiomeacutetricas de amoniaco con las oacutexidos de nitroacutegeno con lo cual se obtiene
dinitroacutegeno y vapor de agua ambos inocuos
NO(g) + NO2 (g) + 2NH3(g) 2N2(g) + 3H2O(g)
En todo el mundo alrededor del 80 del aacutecido niacutetrico se utiliza en la produccioacuten de
fertilizantes Esta proporcioacuten es de solo el 65
se
P
puro porque en alguna medida se descompone espontaacuteneamente como sigue
4HNO3(l) 4NO2(g) + 2H2O(l) + O2(g)
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UAM-I
El aacutecido niacutetrico concentrado que se usa en el laboratorio estaacute al 68 en masa HNO3
(densidad 142 gcm3) lo que corresponde a 157 M
l aacutecido niacutetrico es un poderoso agente oxidante El nuacutemero de oxidacioacuten del N en el
) El aacutecido niacutetrico puede oxidar
nto a metales que estaacuten abajo del hidroacutegeno como aquellos que se encuentran
4Zn2+(ac) + NH4
+(ac) + 3H2O(l)
do no oxida al oro Sin embargo cuando se mezcla con
cido clorhiacutedrico concentrado en relacioacuten 13 en volumen (una parte de HNO3 a tres
partes al oro
omo sigue
APEacuteNDICE F
ETODO DE DEPOSICIOacuteN-PRECIPITACIOacuteN
E
HNO3 es + 5 Los productos maacutes comunes de la reduccioacuten del aacutecido niacutetrico son el
NO2 (N = + 4) el NO (N = + 2) y el NH4+ (N = - 3
ta
arriba en la serie de actividades Por ejemplo el cobre es oxidado por el aacutecido niacutetrico
concentrado como se mencionoacute antes
En presencia de reductores fuertes como el zinc metaacutelico el aacutecido niacutetrico se puede
reducir hasta ion amonio
4Zn(s) + 10H+(ac) + NO3
-(ac)
El aacutecido niacutetrico concentra
aacute
de HCl) la disolucioacuten resultante denominada agua regia puede oxidar
c
Au(s) + 3HNO3(ac) + 4HCl(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O(l) + 3NO2(g)
M
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APEacuteNDICE G
ISENtildeO DEL MEZCLADOR [4]
1) 100 ml H2O gr soporte
2) NH4(OH)
Ajustar a PH = 9 4) HAuCl4 (solucioacuten acuosa al 25E-3M)
6) Filtrado o centrifugado
3) En Agitacioacuten por 2 hr
8) Secado por 2hr a 80 degC
9 ) Calcinado por 4hr a 400 degC
7) Lavado
5) Antildeegamiento por 30 min
D
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El disentildeo de un tanque agitado dis n nuacutemero de elecciones sobre el
po y localizacioacuten del agitador las proporciones del tanque el nuacutemero y dimensiones
ada una de estas decisiones afectan a la velocidad
e circulacioacuten del liacutequido los modelos de velocidad y el consumo de potencia Como
pone de un gra
ti
de las placas deflectoras etc C
d
punto de partida en el disentildeo de los problemas ordinarios de agitacioacuten generalmente
se utiliza un agitador de turbina del tipo que se muestra en la figura 1 La proporcioacuten
tiacutepica es
31
=t
a
DD
1=tD
H 121
=tD
J 51
=aD
W 41
=aD
L
de estas ecuaciones se disentildeara el mezclador como datos se tiene el valor H que es
igual a 3 mts y el diaacutemetro del tanque D
Se determinara la medida de los reflectores
t que es igual 3 mts
121
=tD
J se despeja J
elacioacuten R31
=t
a
DD
se despeja Da
Relacioacuten
41
=aD
L se despeja L
elacioacuten se despeja W
( ) ( ) cmmtsmtsDJ 25250311==⎟
⎞⎜⎛=⎟
⎞⎜⎛= t 1212 ⎠⎝⎠⎝
( ) ( ) mtsmtsDD ta 1331
31
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=
( ) ( ) mtsmtsDL a 250141
41
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛= cm25=
51
=aD
WR
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Figura 2 a) Vista transversal del mezclador b) paletas del mezclador con la
donde se deposita el soporte
Figura 1 Medidas de un agitador de turbina
a) b)
s rejillas
H
J
E L
Da
D t
W
W
( ) ( ) cmmtsmtsDW a 2020151
5==⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎜⎝
=1 ⎞⎛
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UAM-I
siguientes 86 ppm por periacuteodos que no excedan los 15 minutos y 50 ppm por 30
minutos
Estas se establecieron para evitar que los niveles de COHb en personas que no
fumen no excedan el 3 En EUA la norma es 35 ppm para un periodo de una hora
y de 9 ppm para 8 horas La norma mexicana es la misma para el periodo de una
hora pero 44 maacutes tolerante para el periacuteodo de 8 horas (13 ppm8h) [3]
La Figura 1 Indica el tiempo de exposicioacuten al CO y los porcentajes de concentracioacuten
del mismo en aire De acuerdo a la zona en que cae la interseccioacuten es posible
establecer el grado de afectacioacuten sobre la salud
Figura 1 Concentracioacuten de CO tiempo de exposicioacuten y efectos en la salud [4]
Actualmente el Gas LP es auacuten el combustible domeacutestico usado en nuestro paiacutes [5]
Si la cantidad de oxiacutegeno que se mezcla con el Gas LP es insuficiente la combustioacuten
resulta incompleta y en los productos aparece el CO En cambio cuando la cantidad
Catalizadores de Oro Soportado 4
UAM-I
de oxiacutegeno del aire que se mezcla con el gas es la estequiomeacutetrica o mayor y
ademaacutes se combina en forma eficiente se obtienen como productos principales CO2
y H2O
Los aparatos domeacutesticos que producen mayor cantidad de CO son los calentadores
(conocidos tambieacuten como calefones) calefactores y cocinas (Figura 2)
Figura 2 Principales emisores domeacutesticos y su contribucioacuten en la concentracioacuten de
CO en interiores usando como combustible el Gas LP [6]
Se puede observar que los calentadores de agua (calefones) son los equipos
domeacutesticos que causan la mayor contribucioacuten a la emisioacuten de CO en interiores La
Tabla 1 Muestra los porcentajes de combustibles usados en los calentadores de
agua en las viviendas de la Zona Metropolitana del Valle de Meacutexico (ZMVM) en
1990 asiacute como las emisiones de los contaminantes que producidas durante la
operacioacuten de dichos equipos
El Inventario de 1998 de las Emisiones de la ZMVM proporciona meacutetodos para la
determinacioacuten de las concentraciones de los contaminantes del efluente de un
calentador usando como combustible Gas LP[8]Las concentraciones determinadas
se muestran en la Tabla 2
Catalizadores de Oro Soportado 5
UAM-I
Tabla 1 Emisiones asociadas a los combustibles utilizados en viviendas de la ZMVM
en 1990 [7]
GLP GN Lentildea Total
Viviendas que utilizaron cada Combustible 620 21 17 658
Combustible Consumido 29020 0984 1983 31987
Emisiones en Tonantildeo
PM10 647 01 ND 647
SO2 01 03 ND 04
CO 3002 186 ND 3188
NOx 20321 435 ND 20756
HC 762 52 ND 814
Tabla 2 Concentraciones en la emisioacuten de un calentador domeacutestico con Gas LP[8]
Tipo de Combustible CO NOx HC SO2 PM10 Unidades
Gas LP 024 174 0064 00027 054 Kgm3
Los oacutexidos de nitroacutegeno (NOx) contribuyen en mayor cantidad al total de las
emisiones gaseosas en los calentadores que utilizan Gas LP seguidos por el CO
Debido a esto se han propuesto diferentes medidas de control que van desde el
disentildeo de calentadores maacutes eficientes (teacutecnicas limpias) hasta el control de las
emisiones mediante filtros y catalizadores ambientales (teacutecnicas de limpieza)
La oxidacioacuten no cataliacutetica de CO es posible soacutelo a alta temperatura (700oC) el paso
limitante es la disociacioacuten teacutermica de O2 Mientras que la oxidacioacuten cataliacutetica requiere
del contacto entre CO y O2 en la superficie cataliacutetica Por esto una vez que ambas
moleacuteculas llegan a los sitios activos el O2 se disocia raacutepidamente Posteriormente
Catalizadores de Oro Soportado 6
UAM-I
ocurre la interaccioacuten entre CO y O en sitios adyacentes para formar un complejo
activado (Paso limitante) que posteriormente pasa a CO2
El presente trabajo aborda el tema del control cataliacutetico de emisiones de CO abaja
temperatura En particular se postula el desarrollo de un catalizador de oro soportado
en aluacutemina (Al2O3) para la oxidacioacuten de CO y su posible aplicacioacuten a diferentes
aparatos domeacutesticos como calentadores de agua estufas hornos turbinas
industriales etc
La siacutentesis y aplicacioacuten de catalizadores de oro a diversos problemas ambientales se
ha reportado desde hace 10 antildeos Haruta et al[9] fueron los primeros en encontrar la
actividad de nanopartiacuteculas de Au soportadas en la oxidacioacuten de CO a baja
temperatura Actualmente se sabe que la oxidacioacuten de CO a baja temperatura (T lt
70oC) requiere de un catalizador con pequentildeas partiacuteculas de oro (lt 5 nm)
soportadas preferentemente sobre un oacutexido de metales de la primera serie de
transicioacuten por ejemplo TiO2 y α-Fe2O3 [10] El tamantildeo de las partiacuteculas de oro en
estos catalizadores cae en el intervalo de las nanopartiacuteculas
La actividad cataliacutetica de estos se ha relacionado a los sitios localizados en la
interfase metal-soporte por lo que el soporte juega un papel vital en la actividad
cataliacutetica de estos materiales Con base en los resultados reportados puede
plantearse que la obtencioacuten de nanopartiacuteculas estables cataliacuteticamente activas estaacute
directamente relacionada con las condiciones de siacutentesis la tasa y temperatura de
calcinacioacuten Los catalizadores de oro soportado han presentado resultados
importantes que han sugerido tambieacuten la aplicacioacuten potencial en la oxidacioacuten de
hidrocarburos (selectiva y no selectiva) la hidrogenacioacuten de CO y en la reduccioacuten de
NOx con H2 C3H6 o CO[11] La hidrogenacioacuten de hidrocarburos no saturados tambieacuten
puede ocurrir sobre catalizadores de oro soportado siempre y cuando el oro este
altamente disperso en el soporte
Hasta este punto se ha visto que el CO es un contaminante muy toxico siendo un
compuesto que provoca dantildeos severos en la salud del ser humano y en general al
Catalizadores de Oro Soportado 7
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medio ambiente Por lo que se requiere reducir las concentraciones principalmente
dentro de los hogares La idea baacutesica de este proyecto fue disentildear un dispositivo
cataliacutetico que permita reducir las emisiones de CO en los calentadores hasta en un
90 de su concentracioacuten inicial En el Capiacutetulo 2 se describen la siacutentesis y
caracterizacioacuten de catalizadores Auγ-Al2O3 preparados por los meacutetodos de
impregnacioacuten y deposicioacuten-precipitacioacuten asiacute como la actividad en la oxidacioacuten de una
mezcla de CO e H2 Por uacuteltimo en el capitulo 3 se presenta el disentildeo de una planta
industrial para la fabricacioacuten de dichos dispositivos cataliacuteticos uacutetiles en la oxidacioacuten
de CO de los efluentes de calentadores de agua domeacutesticos
12 OBJETIVO GENERAL Dimensionar disentildear y estimar el costo de una planta productora de catalizadores de
oro en la oxidacioacuten del CO para aplicacioacuten a equipos de calentamiento de agua
domeacutesticos
13 OBJETIVOS PARTICULARES - Siacutentesis del catalizador por los meacutetodos de Impregnacioacuten y Deposicioacuten-
Precipitacioacuten
- Caracterizacioacuten de catalizadores por Absorcioacuten Atoacutemica Adsorcioacuten Fiacutesica
Difraccioacuten de Rayos X y Microscopia Electroacutenica de Transmisioacuten
- Evaluacioacuten de catalizadores en la oxidacioacuten de CO
- Obtener el mejor meacutetodo de preparacioacuten para tener una buena distribucioacuten de
nanopartiacuteculas de Au soportadas en γ-Al2O3 con alta actividad a baja
temperatura
- Disentildear la planta industrial para la produccioacuten de catalizadores uacutetiles en la
oxidacioacuten de CO
- Evaluar la viabilidad del proceso
Catalizadores de Oro Soportado 8
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14 BIBLIOGRAFIacuteA
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[2] httpwwwtusaludcommx
[3] httpwwwepagovttnamticcohtml
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[7] Compilation of Aire Pollutan Emissions Factors Vol I Fifth Edition AP-42 De EPA-
4504-91-016
[8] Compilation of Aire Pollutan Emissions Factors Vol I Fifth Edition AP-42 De EPA-
4504-91-016
[9] MHaruta NYamadaT Kobayashi S Ijima J Catal 115 (1989) 301
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[11] GBond and DT Thompson Catal Rev Sci amp Eng 41 (1993) 319
[12] JC FrostNature 334 (1991) 47
Catalizadores de Oro Soportado 9
UAM-I
C A P I T U L O II
E X P E R I M E N T A C I Oacute N
Catalizadores de Oro Soportado 10
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2 1 INTRODUCCIOacuteN
Existen reportes [6] sobre la actividad de catalizadores Auγ-A12O3 AuCo3O4 AuNiO
sintetizados por diferentes meacutetodos (co-precipitacioacuten deposicioacuten-precipitacioacuten e
impregnacioacuten etc) en la oxidacioacuten de H2 y CO La actividad se ha relacionado a un
efecto combinado entre Au y los oacutexidos metaacutelicos utilizados como soporte Sin
embargo una alta actividad cataliacutetica en la oxidacioacuten de CO e H2 estaacute directamente
relacionada al tamantildeo de partiacutecula de Au y la dispersioacuten de eacutestas en el soporte[7]
Algunos trabajos[8-9] indican que a menor tamantildeo de partiacutecula mayor actividad y
mayor estabilidad del catalizador
En el presente trabajo se prepararon catalizadores de Au soportado sobre γ-Al2O3
con un tamantildeo promedio de partiacuteculas de Au de 5 nm y alta dispersioacuten Se utilizaron
dos meacutetodos de preparacioacuten diferentes impregnacioacuten y deposicioacuten-precipitacioacuten
variando el contenido de oro de 007 a 1 en peso de Au Los catalizadores se
evaluaron en la oxidacioacuten de una mezcla de CO e H2 y fueron caracterizados por
difraccioacuten de rayos x microscopia electroacutenica absorcioacuten atoacutemica y absorcioacuten fiacutesica
Los resultados indican que efectivamente la actividad depende del tamantildeo de
partiacutecula y el contenido de Au en el catalizador En particular el catalizador con 035
en peso de Au presentoacute 100 de conversioacuten en ambas reacciones sin indicios de
desactivacioacuten durante 24 h continuas de operacioacuten a velocidades espaciales (GHSV)
mayores que 10 000 h-1 Con esto se pretende contribuir al desarrollo de
catalizadores ambientales que permitan disminuir las emisiones nocivas
provenientes de fuentes fijas y moacuteviles de nuestro paiacutes
Catalizadores de Oro Soportado 11
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22 EXPERIMENTACIOacuteN
Siacutentesis de Catalizadores
Meacutetodo de DP Se dispersoacute 1 g de γ-Al2O3 (Ketjen) en 100 mL de agua tridestilada y
se adicionoacute NH4(OH) (JT Baker) (01M) hasta obtener un pH de 9 Posteriormente
se agregoacute por goteo durante 2 h 20 mL de una solucioacuten de AuCl3 (9998 Aldrich)
(25x 10-3 M) Despueacutes se agitoacute por 30 min y se filtroacute y lavoacute con agua destilada con
10 veces el volumen total inicial Por ultimo el soacutelido resultante se secoacute a 80degC por 2
h y se calcinoacute a 400degC por 4 h
Meacutetodo de IMP Se dispersoacute 1 g de γ-A12O3 en 100 mL de agua tridestilada por 30
min A esta mezcla se le antildeadioacute lentamente 20 mL de una solucioacuten de AuCl3 (25x10-
3M) y se mantuvo en agitacioacuten 720 min Durante este tiempo se ajustoacute el pH a 9 por
medio de la adicioacuten de una solucioacuten acuosa de Na2CO3 (JT Baker) El soacutelido se
filtroacute y lavoacute con 500 mL de agua tridestilada caliente (95degC) para eliminar los iones de
cloro que podriacutean afectar la actividad cataliacutetica Finalmente se secoacute a 120degC 24 h y
se calcinoacute a 400degC por 4 h
Los catalizadores preparados por el meacutetodo de DP e IMP se les llamaraacuten de aquiacute en
adelante x-Auγ-Al2O3-DP y muestra x-Auγ-Al2O3-IMP respectivamente donde x
indica el en peso de Au en el catalizador
Caracterizacioacuten de Catalizadores Absorcioacuten Atoacutemica La cantidad de oro en cada uno de los catalizadores se
determinoacute por absorcioacuten atoacutemica (SpectrAA-20 Varian) Antes de las mediciones el
equipo fue calibrado con una solucioacuten estaacutendar de Au (Sigma) Una muestra de cada
catalizador (01g) se disolvioacute en agua regia a temperatura ambiente la cual se
preparoacute mezclando 200 ml de HCl concentrado y 100 mL de HNO3 concentrado
Adsorcioacuten Fiacutesica La isoterma de adsorcioacuten fiacutesica de N2 a 75 K de cada catalizador
se obtuvo en un equipo automatizado Quantachrome Autosorb Automated A partir
de estos datos se determinoacute el aacuterea BET el radio y el volumen promedio de poro
Catalizadores de Oro Soportado 12
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Difraccioacuten de Rayos X Se realizoacute en un difractoacutemetro Siemens D500 en un entrono
angular de 4 a 64ordm en 2θ La radiacioacuten Cuκα se seleccionoacute con un difractor de un haz
de luz monocromaacutetico
Microscopia Electroacutenica de Transmisioacuten (TEM) Se utilizoacute un Microscopio Electroacutenico
de Transmisor Mod EM910 Zeiss operando a un voltaje de 120 kV y con una
ampliacioacuten de 400000 aumentos Para la preparacioacuten de las muestras se tomaron
005 g de cada una y se disolvieron en alcohol etiacutelico y se sometieron a ultrasonido
(Branson 2210) por 5 min Posteriormente se colocaron las rejillas en porta objetos y
se agregoacute una gota de la solucioacuten del catalizador dejando secar a temperatura
ambiente hasta su medicioacuten
Evaluacioacuten cataliacutetica Las medidas de actividad cataliacutetica en la oxidacioacuten de CO e H2
CH4 y C2H8 se realizaron en un microreactor de cuarzo de lecho fijo en el cual se
colocaron en todos los casos 030 g de catalizador y se utilizoacute un flujo total de 100
mLmin Para la oxidacioacuten de CO se utilizoacute una mezcla con 1 CO 05 O2 033
H2 en N2 para las pruebas en condiciones estequiomeacutetricas y con 1 CO 21 O2
033 H2 en N2 para los experimentos en exceso de O2 El efluente fue analizado
por cromatografiacutea de gases (GC-12 A Shimadzu C-RGA con una columna SFE-1)
con detector de conductividad teacutermica Para la combustioacuten de CH4 se uso una
mezcla con 1 CH4 2 O2 97 N2 y para la combustioacuten de C3H8 una mezcla con
1 C3H8 2 O2 97 N2 En todos los experimentos la temperatura de operacioacuten
fue de 25 a 400 degC y la velocidad espacial fue 10146 h-1
Catalizadores de Oro Soportado 13
UAM-I
23 RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN
Absorcioacuten Atoacutemica y Adsorcioacuten Fiacutesica La Tabla 1 muestra los contenidos de Au
el Aacuterea BET (ABET) el volumen promedio de poro (VP) y el radio promedio de poro
(RP) para los catalizadores preparados
Se puede observar que el aacuterea BET de la γ-Al2O3 se modifica con la adicioacuten de Au El
aacuterea BET entre la γ-Al2O3 pura y la muestra DP concuerdan con lo reportado[10-11] de
que a mayor porcentaje de Au mayor es el aacuterea superficial sin embargo el aacuterea BET
del catalizador 007-Auγ-Al2O3-IMP que tiene un menor porcentaje de Au presenta
la mayor aacuterea BET Sin embargo aunque el radio promedio de poro es casi el mismo
para las tres muestras el catalizador 007-Auγ-Al2O3-IMP presenta el mayor
volumen promedio de poro Esto podriacutea deberse a que el meacutetodo de preparacioacuten
utilizado causoacute la generacioacuten de una mayor porosidad en la γ-Al2O3 en lugar de la
impregnacioacuten de una mayor cantidad de Au Las isotermas de adsorcioacuten de los
catalizadores fueron del tipo IV y semejantes en forma a la de la γ-Al2O3 (Figura 1)
La Figura 2 muestra que la distribucioacuten de tamantildeo de poros se centra dentro del
mismo margen para las tres muestras y se aprecia la presencia de mesoporos entre
los 50 y 125 Aring
Tabla 1 Contenido Au y caracteriacutesticas texturales en los catalizadores
Catalizador Au ( en peso) ABET (m2g) RP (Aring) VP (ccg)
γ-Al2O3 000 183 78 0489
IMP 007 301 79 0743
DP 035 215 78 0518
IMP 100
No se ha determinado
Catalizadores de Oro Soportado 14
UAM-I
0
100
200
300
400
500
0 02 04 06 08
PPo
Vads
(cm
3g)
STP
-Al2O3
035-Au -Al2O3-DP
007-Au -Al2O3-IMP
1
Figura 1 Isotermas de adsorcioacuten y desorcioacuten de N2 de los catalizadores Auγ-Al2O3
ifraccioacuten de Rayos X La Figura 3 muestra los patrones de difraccioacuten de Rayos X
0
0004
0008
0012
0016
002
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
Rp [A]
Dv(
r) [c
m3
Ag]
-Al2O3
035-Au -Al2O3-DP
007-Au -Al2O3-IMP
Figura 2 Distribucioacuten de tamantildeo de poros
D
de los catalizadores Se observa que todos son caracteriacutesticos de la γ-Al2O3 Es
imposible identificar la presencia del Au esto debido al pequentildeo porcentaje y la alta
Catalizadores de Oro Soportado 15
UAM-I
dispersioacuten del Au contenido en cada uno de los catalizadores Sin embargo para el
caso de que se tuviese mayor cantidad de Au el difractograma podriacutea presentar un
pico alrededor de los 38deg en 2θ el cual indicariacutea la presencia de Au A partir de esta
sentildeal y la ecuacioacuten de Scherrer algunos autores han calculado el tamantildeo promedio
de las partiacuteculas de oro en catalizadores soportados
Microscopia Electroacutenica Transmisioacuten (MET) En la Figura 4 se presentan las
casos los
imaacutegenes de MET para la γ-Al2O3 y los catalizadores 035-Auγ-Al2O3-DP y 007-Auγ-
Al2O3-IMP En ambos catalizadores el tamantildeo de partiacutecula se encuentra es mayor
que 2 nm pero menor o igual que 5 nm En ambos casos los resultados indican que
las partiacuteculas de oro estaacuten dispersadas de manera uniforme en el soporte
Se encuentra es mayor que 2 nm pero menor o igual que 5 nm En ambos
resultados indican que las partiacuteculas de oro estaacuten dispersadas de manera uniforme
en el soporte
Figura 3 Patrones de Difraccioacuten de Rayos X de los catalizadores Auγ-Al2O3
Catalizadores de Oro Soportado 16
UAM-I
Figura 4 Imaacutegenes de MET para (a) γ-Al2O3 (b) 035-Auγ-Al2O3-DP y (c) 007-Auγ-
Al2O3-IMP
Catalizadores de Oro Soportado 17
UAM-I
Se sabe que la alta actividad cataliacutetica del oro esta relacionada con su tamantildeo esto
quiere decir que entre maacutes pequentildeas sean las partiacuteculas mayor actividad tendraacuten
nes estequiomeacutetricas el catalizador 007-Auγ-Al2O3-
P no mostroacute actividad para la oxidacioacuten de CO e H2 sin embargo al operar la
por lo tanto de las imaacutegenes anteriores se tiene que el meacutetodo DP es el maacutes
adecuado por lograr depositar mayor cantidad de Au con gran dispersioacuten y un
tamantildeo de partiacuteculas pequentildeo
Actividad Cataliacutetica A condicio
IM
misma muestra con un exceso de O2 la actividad inicioacute a partir de 140oC alcanzando
una conversioacuten maacutexima de 8748 a 400 degC (Figura 5) En vista de este uacuteltimo
resultado se decidioacute evaluar el catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP a las mismas
condiciones de exceso de O2 En este caso la actividad cataliacutetica inicioacute por debajo de
los 30oC incrementaacutendose casi linealmente con la temperatura hasta lograr una
conversioacuten maacutexima de 9367 a 127degC La diferencia en actividad entre ambos
catalizadores es notable Auacuten a muy bajos contenidos de Au el catalizador 007-Auγ-
Al2O3-IMP presenta una actividad importante sin embargo al aumentar cinco veces
este contenido (035) y manteniendo el tamantildeo de partiacutecula es posible disminuir la
temperatura de encendido calculada como la temperatura a la cual se logra el 50
de conversioacuten (T50) en 175oC Un uacuteltimo estudio fue la evaluacioacuten del catalizador
10-Auγ-Al2O3-IMP el cual presenta una T50 de 290 degC(ver Figura 5) la cual es 40 degC
mayor que el catalizador 007-Auγ-Al2O3-IMP auacuten cuando el contenido de Au es
mayor La Figura 5 muestra tambieacuten la comparacioacuten de estos resultados con
trabajos anteriores[10] en los que utilizan el catalizador 5-Auγ-Al2O3-IMP a
condiciones estequiomeacutetrica en este caso T50 es de 215 degC tan solo 35 degC de
diferencia en comparacioacuten con el catalizador 007-Auγ-Al2O3-IMP La diferencia en el
contenido de Au es 15 veces menor En general al trabajar en condiciones en exceso
de O2 se tiene una mayor conversioacuten a una menor temperatura por lo que se
esperariacutea que los resultados del catalizador 5-Auγ-Al2O3-IMP bajo condiciones de
exceso fueran mejores sin embargo los autores no presentan estos resultados
Catalizadores de Oro Soportado 18
UAM-I
El catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP alcanzoacute 100 de conversioacuten a 176 degC a
condiciones de exceso de O2 (Figura 5) esta conversioacuten se mantuvo por 24 h sin
presentar indicios de desactivacioacuten (Figura 6) KRuth [12] reporta desactivacioacuten del
catalizador 10-Auγ-TiO2 a partir de 80 minutos de operacioacuten con una velocidad
espacial de 1x104 h-1 El catalizador fue preparado por deposicioacuten y contiene nano-
particulas (2-5nm) soportadas en TiO2 Sin embargo el catalizador logra 100 de
conversioacuten a 0 degC Esto es debido a que los catalizadores AuTiO2 presentan mayor
actividad a temperaturas bajas La Figura 6 muestra tambieacuten la conversioacuten reportada
por Seung-Jae[11] del catalizador 043-Auγ-Al2O3-IMP en donde la temperatura de
operacioacuten es de 25 degC sin embargo se tiene una desactivacioacuten apreciable a partir de
150 minutos de operacioacuten con una velocidad especiales de 8x10 h-1
Figura 5 Conversioacuten del CO para los catalizadores de 007-Auγ-Al2O3-IMP 10-
os resultados de conversioacuten del hidroacutegeno (Figura 7) muestran conversioacuten del 100
10 a 035 es de 20 degC
Auγ-Al2O3-IMP y de 035-Auγ-Al2O3-DP en condiciones de operacioacuten en exceso de
O2 la tasa de temperatura es de 2degC por minuto Datos Referencia [10]
L
por debajo de 150 degC con el catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP mientras que el
catalizador 007-Auγ-Al2O3-IMP logra conversioacuten completa hasta 270oC y para el
catalizador 10-Auγ-Al2O3-IMP se tiene una conversioacuten del 100 hasta 310 degC lo
cual indica que los tres catalizador son activos para ambas reacciones y que se
mantiene la tendencia observada para la oxidacioacuten de CO La disminucioacuten en T50 al
aumentar el contenido de Au de 007 a 035 es de 140oC mientras que para la de
Catalizadores de Oro Soportado 19
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado 20
Figura 6 Variacioacuten de la conversioacuten con respecto al tiempo para la muestra de DP a
una temperatura de 180 degC Datos Referencia [11]
Figura 7 Oxidacioacuten de H sobre los catalizadores 035-Au2 γ-Al2O3-DP 007-Auγ-
Al2O3-IMP y 10-Auγ-Al2O3-IMP bajo condiciones de exceso de O2
La Figura 8 muestra como varia la temperatura de encendido con la cantidad de Au
en los catalizadores preparados en este trabajo Se observa un miacutenimo para el
catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP lo cual indica que la mayor actividad se logra a bajos
contenidos de Au y tamantildeos de partiacutecula menores que 5 nm
0
20
40
60
80
0 200 400 600 800 1000Tiempo (min)
Con
vers
ioacuten
de C
O (
) 100
035-Au -Al2O3-DP (176 degC)
043-Au -Al2O3-IMP (25 degC)
0
20
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Temperatura (degC)
40
60
Con
vers
ioacuten
de H
2 (
)
80
100
10-Au -Al2O3-IMP035-Au -Al2O3-DP007- Au -Al2O3-IMP50-Au -Al2O3-IMP
UAM-I
F
o
P
o
o
re
d
F
c
C
T50 (degC)
igura 8 Variacioacuten de la te
xidacioacuten de CO con respect
or ultimo se realizaron cu
peracioacuten pero variado la
btenidos se muestran en la
accioacuten presentan una tend
e catalizador
00000
00040
00080
00120
00160
00200
0
(-rc
o)
00000
igura 9 Velocidad de reac
ondiciones en exceso de O2
atalizadores de Oro Soportado
masa Au
mperatura de encendido a 50 de conversioacuten en la
o a la cantidad de Au en el catalizador
atro corridas maacutes bajo las mismas condiciones de
masa de catalizador Las velocidades de reaccioacuten
fig9En esta figura se observa que las velocidades de
encia lineal despueacutes de los 80degC al aumentar la masa
50 100 150 200 250 300T (degC)
3 gr cat
25 gr cat
2 gr cat
15 gr cat
1 gr cat
cioacuten de CO a diferentes masas de catalizador y bajo
21
UAM-I
Se tomo una temperatura de 125 degC debido a las mediciones realizadas en
diferentes calentadores domeacutesticos Se encontroacute que la temperatura media es la
mencionada A partir de los datos experimentales se determinoacute que el orden de
reaccioacuten es 13 y la constante cineacutetica k = 480945 (m3)13[(mol)03m3cat hr] (00012
mhr) y un coeficiente de transferencia de masa de 792 mhr (ver apeacutendices A) con
estos valores y usando los criterios de Weisz-Prater y Mears[14] (ver apeacutendice B) se
obtuvo que no existe resistencia interna ni externa a la transferencia de masa por lo
que la cineacutetica es la que controla
24 CONCLUSIOacuteN DE LA EXPERIMENTACIOacuteN El meacutetodo de DP es mucho maacutes adecuado que el de IMP para la preparacioacuten de
catalizador de Au soportados en γ-Al2O3 ya que permitioacute obtener catalizadores con
cinco veces maacutes oro que el preparado por el meacutetodo IMP bajo condiciones similares
de preparacioacuten En ambos casos el tamantildeo promedio de partiacutecula fue menor que 5
nm Debido a esto el catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP presenta una mayor actividad
en la oxidacioacuten de CO e H2 sin observarse desactivacioacuten durante un periodo de 24 h
Puesto que en ambas muestras se consiguioacute una gran dispersioacuten y un tamantildeo
similar de nanopartiacuteculas de oro se tiene entonces que la principal diferencia de
actividad cataliacutetica se debe principalmente a la cantidad de Au en el catalizador Sin
embargo el catalizador 10-Auγ-Al2O3 presenta una menor conversioacuten que el de
035-Auγ-Al2O3-DP a pesar de contener maacutes Au por lo que hasta el momento se
podriacutea decir que la cantidad de Au optima se encuentra por debajo de 10 wt y por
arriba de 007 wt no obstante se requiere de la caracterizacioacuten del catalizador 10-
Auγ-Al2O3 se para determinar de que manera influyen el tamantildeo de partiacuteculas la
distribucioacuten el volumen y el tamantildeo de poro en los resultados esta caracterizacioacuten
asiacute como la evaluacioacuten cataliacutetica del catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP bajo
condiciones estequiomeacutetricas se encuentran en proceso
Catalizadores de Oro Soportado 22
UAM-I
25 BIBLIOGRAFIacuteA [1] M Haruta CatalToday 36 (1997) 153
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Pretice may Tercera edicioacuten Impresa en Meacutexico DF
Catalizadores de Oro Soportado 23
UAM-I
C A P I T U L O III
D I S E Ntilde O D E L A P L A N T A I N D U S T R I A L
Catalizadores de Oro Soportado 24
UAM-I
31 INTRODUCCIOacuteN
Este capitulo esta enfocado al disentildeo de la planta industrial donde se produciraacuten
catalizadores de Auγ-Al2O3 por el meacutetodo de Deposicioacuten-Precipitacioacuten (DP) descrito
en el capitulo 2
Parte de la produccioacuten de los catalizadores se destinaraacute a su venta en masa y otra
parte se destinaraacute para el equipo de purificacioacuten de calentadores de agua esto con
la finalidad que el catalizador que esta contenido dentro del equipo de purificacioacuten
cuando se desactive pueda remplazarse por catalizador nuevo disponible en el
mercado De esta forma se tendraacuten ganancias tanto al vender el equipo purificador
como al vender catalizador como materia prima
32 DISENtildeO DEL EQUIPO PURIFICADOR PARA CALENTADORES DE AGUA DOMEacuteSTICOS El equipo purificador se ubicaraacute a la salida del efluente gaseoso del calentador como
un equipo adicional como se muestra en la Figura 1 Se plantea colocarlo en una
posicioacuten tal que oxide a baja temperatura hasta el 90 de CO Las dimensiones del
purificador se determinaron seguacuten las especificaciones de calentador y el balance de
materia en el sistema purificador Estos caacutelculos se presentan en el Apeacutendice A
Los tubos de las chimeneas de los calentadores son de latoacuten por lo que se decidioacute
utilizar este material para la parte exterior la parte donde se colocaraacute el catalizador
es de 35 cm de longitud para colocarlo en el tubo de la salida del flujo de gas se
dieron 2 cm maacutes en cada extremo para hacer un tipo cople de manera que el tubo
entre en los extremos
Catalizadores de Oro Soportado 25
UAM-I
C O 2 2 0 c m 7 c m c m G A S C O
3
2cm
75 cm 35 cm
Figura 1 Esquematizacioacuten del equipo purificador y su ubicacioacuten en los calefones
Las dimensiones obtenidas (Apeacutendice A) y las caracteriacutesticas del purificado se
presentan en la Tabla 1
Tabla 1 Especificaciones de purificador
Material Latoacuten
Longitud 35 cm
Diaacutemetro 20cm
Cantidad de
Catalizador
700 gr
Catalizadores de Oro Soportado 26
UAM-I
33 PRODUCCIOacuteN DE LA PLANTA INDUSTRIAL A partir de un estudio de mercado se encontroacute que en la Ciudad de Meacutexico hay
cuando menos cuatro empresas principales (CALOREX ELSA MAGAMEX y
CINSA) que fabrican calentadores de agua residenciales[1 2] Estas en promedio
producen 150 calefones diarios Por cada calefoacuten se requiere un equipo purificador
En este sentido de requieren idealmente 600 unidades de purificacioacuten por diacutea Esta
base se utilizoacute para el disentildeo de la planta
A partir del balance de masa en el purificador y empleado los resultados
experimentales a nivel laboratorio (ver apeacutendice A) se encontroacute que cada purificador
requiere 07 Kg de catalizador A partir de este resultado se requiere producir al
menos 420 Kg de catalizador para satisfacer la demanda en la produccioacuten de
calefones Con base en el balance de materia realizado en el mezclador se
determinoacute que la cantidad de catalizador obtenido despueacutes de cuatro lotes es de
570 Kg Tomando el resto de catalizador como reserva por cualquier contratiempo El
nuacutemero de lotes se determinoacute en base a que fuese rentable la recuperacioacuten de oro
34 DISENtildeO Y OPERACIOacuteN DE LA PLANTA
La fabricacioacuten del catalizador a nivel industrial esta basada en el escalamiento del
meacutetodo de siacutentesis descrito en la parte experimental Lo cual es una praacutectica comuacuten
en la fabricacioacuten de materiales cataliacuteticos
Para la produccioacuten de 570 Kg por diacutea se plantea utilizar cuatro mezcladores (ver
Figura 2) que operaran durante 8 h con cuatro intervalos (o cargas) de 2 h y
descansos de 30 min (dejando 30 min libres por contratiempos) Esta operacioacuten se
elige con base en las horas de trabajo y el meacutetodo de preparacioacuten del catalizador
Al igual que en la parte experimental el proceso requiere operacioacuten por lotes debido
a que se necesitan largos tiempos de contacto para obtener catalizadores eficientes
en la oxidacioacuten de CO a baja temperatura Se pretende utilizar un agitador tipo
Catalizadores de Oro Soportado 27
UAM-I
canastilla[4] el cual permite colocar dentro de las mismas el catalizador para tener
una mejor impregnacioacuten de partiacuteculas de Au y eliminar la atricioacuten Las dimensiones
del agitador asiacute como del mezclador se presentan en la Figura 6
Al teacutermino de la uacuteltima carga en los mezcladores el lote completo del diacutea pasa al
horno para secarlo a 80degC por 2 h y calcinarlo a 400degC durante 4 h Durante estos
procesos se concluye la preparacioacuten del catalizador Las temperaturas y tasas de
calentamiento estaacuten basadas en el meacutetodo de preparacioacuten experimental descrito en
el Capitulo ll Posteriormente el catalizador producido pasa a la seccioacuten donde se
embolsa para ser vendido como materia prima y la otra parte pasa a la seccioacuten de
ensamblaje para fabricar el purificador
Dimensiones de la industria
Las dimensiones de los equipos como mezcladores cisternas tanque de
tratamiento horno etc se tomaron como base para poder suponer espacios entre
equipos para tener seguridad del personal Se dio preferencia a los mezcladores ya
que son las partes importantes en la elaboracioacuten de los catalizadores La cisterna
estaraacute enterrada para facilitar su llenado en el caso de los contenedores de HAuCl4
y NH4OH estaraacuten encima de bases maacutes altas que los mezcladores para poder
abastecerlos por gravedad Esto debido a que el volumen es poco no se requiere de
grandes cantidades por lo que no se requiere alguna bomba Se estuvo analizando
la forma de acomodar los equipos y se obtuvo la siguiente distribucioacuten que se
muestra en la Figura 3
En la Figura 4 se presenta el plano de la industria con sus respectivos
departamentos en la parte sur se encuentra la entrada principal en ella se encuentra
vigilancia y la entrada de empleados y obreros posteriormente esta la zona de
oficinas lado izquierdo del lado derecho se encuentra el estacionamiento para
clientes y empleados en el almaceacuten se encontraraacuten refacciones de equipo y
reservas de materia primas para los catalizadores en la zona de produccioacuten se tiene
el estacionamiento de proveedores para facilitar la entrada y salida del producto
Catalizadores de Oro Soportado 28
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado 29
Debido a que en cada industria debe existir un espacio recreativo se plantea una
cancha de Baacutesquetbol para los obreros y una zona de jardines en la parte norte
Ubicacioacuten de la industria
Para poder ubicar una industria es importante analizar la zona geograacutefica Para lo
cual se deben considerar algunos factores importantes por ejemplo No ubicarla en
zona de siacutesmica Si la industria requiere de un gran volumen de agua no ubicarla en
una regioacuten deseacutertica Si el producto es muy sensible al calor y la humedad evitar
zonas muy caacutelidas y huacutemedas Si se piensa vender el producto en una zona
especifica ubicar la industria cerca de la zona de venta para evitar gastos de
transportacioacuten A partir de este tipo de razonamientos se planea que debido a que el
producto que se elaborara que es un purificador cataliacutetico para su venta en la ZMVM
ya en ella estaacuten ubicadas las principales industrias de calentadores y debido a que la
planta requiere de un volumen considerable de agua se escogioacute el estado de
Morelos porque no esta muy lejos de la ZMVM y tiene reservas de agua Asiacute el gasto
de transportacioacuten de materias primas y sobre todo del producto elaborado seriacutea
pequentildeo
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
Agua
Tanque tratamien
Figur
NH4OH
HAuCl4
Produccioacuten de catalizadores
Recuperacioacuten de agua
de to
a
MezcladoresMezcladores
Cuando se requiere limpieza
Horno
Producto almaceacuten
30
1 Diagrama de produccioacuten Recuperacioacuten de cloro
UAM-I
35 BALANCE DE MATERIA DIAGRAMA DE FLUJO PARA DIFERENTES LOTES DE SOPORTE EN UN SOLO MEZCLADOR
Catalizadores de Oro So
05 Kg Au
10
0
086 Kg HAuCl4(ac)014 Kg H2O
035 Kg NO2(g)
2
35 Kg NH4(OH)(ac) (01M)
10000 Kg H2O
100 Kg Al3O
100 Kg Al2O3 (9965) 035 Kg Au (035) 025 Kg Cl2
026 Kg HauCl4(ac)35 Kg NH4(OH)
1101035 Kg H2O
O MEZCLADOR (t0)
10035 Kg catalizador
86 KgHAuCl4(ac)101035 Kg H2O
037 Kg HCl (ac) (105 M) 048 Kg HNO3(ac) (152 M)
porta
Kg N
30 Kg Al2Cl3
101021 Kg H2
do
H4 (OH) (ac) (01M) 30 Kg Al2O3 (9965) 01 Kg Au (035)
007 Kg Cl2
)
3
)
301 Kg catalizador MEZCLADOR (t1)
009 Kg HauCl4(ac)45 Kg NH4(OH)
1101035 Kg H2O
MEZCLADOR 1054 Kg catalizador
105 Kg Al2O3
(t2)
105 Kg Al2O3 (9965)
035 Kg NH4 (OH) (ac) (01M
004 Kg Au (035) 003 Kg Cl2
23 Kg Al2O
MEZCLADOR
(t3)23 Kg Al2O3 (9965)
2308 Kg catalizador
008 m3 NH4(OH) (ac) (01M
002 Kg HauCl4(ac)485 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
0008 Kg Au (035) 0006 Kg Cl2
0003 Kg HauCl4(ac)493 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
31
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado 32
DIAGRAMA DE FLUJO PARA UN MEZCLADOR
MEZCLADOR
1101035 Kg H2O
1428 kg γ-Al2O3
086 Kg HAuCl4
493 Kg NH4(OH)
0003 Kg HauCl4(ac)493 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
1433 Kg Catalizador
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
36 DIAGRAMA DE LA INDUSTRIA
INDUSTRIA DE CATALIZADORES
TANQUE DE TRATAMIENTO HORNO
CISTERNA 1
CONTENEDORDE AuCl3 CONTENEDOR DE
NH4OH ZONA DE LLENADO
DE SAPORTE
SE LLEVA AL HORNO
MANUALMENTE
PRODUCTOALMACEacuteN
Contenedor de HAuCl4
Figura 2 Diagrama de la distribucioacuten del equipo dentro del aacuterea de produccioacuten
33
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
37 DIMENSIONES DEL EQUIPO Y TUBERIacuteA
2 mts
2 mts 2 mts 6 mts 4 mts 3 mts 5mts 5 mts 3 mts 6 mts 3
3mts 3 mts 3mts 3 mts 3 mts
4 mts 1 5 mts 1 5 mts 4mts 4 7mts 4 mts 21 mts 7 2mts 26 mts 2 mts 21 mts 6 mts
3 5 mts 14 mts 6 mts 8 mts 1 5 mts 3 mts 5 mts 13 mts 8 mts 20 mts 30 mts
IN D U ST R IA D E C A T A L IZ A D O R E S
T AN Q U E D E T R AT AM IE N T O H O R N O
C IST E R N A 1
C O N T EN ED O RD E Au C l3
C O N T EN E D O R D E N H 4O H
ZO N A D E L LEN AD O D E SO PO R T E
AG UA PAR A JAR D IN ES
M E Z C L A D O R E S 12 3 y 4
1 2 3 4
A L M A C Eacute N
Contenedor de HAuCl4
Figura 3 Dimensiones del equipo y tuberiacutea requerida
34
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
38 PLANO DE DISTRIBUCIOacuteN DE AacuteREAS
Figura 4 Aacutereas de trabajo dentro de la planta
35
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
DIMENSIONES DE LA INDUSTRIA
Figura 5 Dimensiones de cada aacuterea de la planta industrial
36
UAM-I
Ingenieriacutea Quiacutemica 37
10 cm 3mts 1 mts 25 cm 15cm 5 cm 5 cm 3mts 150 mts 10 cms 100 mts 20 cm
003 mts
Figura 6 Dimensiones del mezclador y del Agitador
UAM-I
Las dimensiones de las canastillas se determinaron a partir del balance de masa y la
produccioacuten requerida La carga de un contenedor de soporte que es de 100kg del
cual el agitador tiene 4 canastillas cada una corresponde 25 Kg la masa se obtuvo
del balance de materia y su densidad 600 Kgm3 con el que se obtuvo un volumen de
0043 m3
39 ANAacuteLISIS FINANCIERO
El costo de materias primas se muestra en la Tabla 2 en la que tambieacuten se incluyen
los flujos de alimentacioacuten requeridos para el proceso a partir de los cuales se
determinaron los costos diarios
Tabla 2 Costo de materias primas [5]
Compuesto
Alimentacioacuten
por diacutea
Costo
USDKg
Costo Total
USDdiacutea
Au 2 kg 10596 2119200
HCl 15 Kg 52 780
HNO3 20 Kg 022 044
-Al2O3 5712 Kg 034 19421
Canastillas 500 piezas 15 75000
NH3(OH) 200 Kg 034 680
H2O 440414 Kg 282 282
Total de Materia Prima 2215407
El costo se determinoacute considerando la cantidad de material el tamantildeo y el costo de
manufactura
El costo se determinoacute para uso industrial conforme establece la tesoreriacutea de
Meacutexico
Ingenieriacutea Quiacutemica 38
UAM-I
PERSONAL REQUERIDO PARA LA INDUSTRIA
La Tabla 3 establece los salarios mensuales anuales y las prestaciones del IMSS
para el personal de la planta
Tabla 3 Salarios y Prestaciones del Personal
Mano de Obra (USDmes)p
ersona
USDmes USDantildeo Prestaciones
IMSS
1 Gerente 2000 2000 24000
1 Administrador 1000 1000 12000
1 Secretaria 400 400 4800 1193
Total de Salarios
Administrativos
40800 1193 409193
9 Obrero 150 150 1800 448
1 Teacutecnico 200 200 2400 597
1 Policiacutea 200 200 2400 597
1 Mantenimiento 180 180 2160 538
1 Limpieza 150 150 1800 448
Total de Salarios
Proceso
10560 2628 108228
Los salarios se determinaron en base al salario miacutenimo vigente en la Ciudad de
Meacutexico (2003)[29]
Ingenieriacutea Quiacutemica 39
UAM-I
PERSONAL
Departamento de produccioacuten
Se tendraacute 2 obreros en el llenado de soporte en las rejillas un obrero encargado del
traslado de rejillas por medio de la banda de los motores a cada contenedor un
obrero en cada contenedor de NH4OH y HAuCl4 en cada mezclador se tiene 1
obrero para descargar y cargar las rejillas a la banda que se trasladaran al horno en
el horno se tiene 1 obrero encargado del secado y calcinado el producto se traslada
al almaceacuten donde estaraacuten 2 obreros que reciben el producto y materias primas de los
proveedores se tiene 1 teacutecnico supervisando los equipos un encargo del
mantenimiento de los equipos
Departamento de personal
Gerente de la industria un administrador encargado de compra y venta de materias
primas una secretaria
Ingenieriacutea Quiacutemica 40
UAM-I
CAPITAL FIJO
La Tabla 4 muestra el costo de los equipos requeridos en la planta asiacute como el
Capital Fijo y la Inversioacuten del Capital Total
Tabla 4 El equipo se costeo usando las correlaciones de Ulrich [6] y empleando el
programa de Capcost
EQUIPO USD
4 Contenedores 23584
4 Agitadores (456kW) 269760
1 Horno (25 kW) 15700
15 Bombas (1469kW) 43081
1 Motor (114 kW) 67440
Tuberiacuteas 42150
2 Cisternas 174183
Vaacutelvulas 1283
Accesorios
(codos 90ordm y de 45ordm te)
1474
CAPITAL FIJO 638655
Capital de Trabajo 9579825
INVERSIOacuteN DE
CAPITAL TOTAL
73445325
Los caacutelculos y las correlaciones empleadas para el costeo del equipo se anexan en
el Apeacutendice A
Ingenieriacutea Quiacutemica 41
UAM-I
GASTOS GENERALES
Tabla 5 Proporciona el total de gastos anuales con lo cual se estima el precio por
kilo de catalizador y por unidad purificadora
Tabla 5 Gastos Generales anuales
USDAntildeo
Materias Primas 531697680
Mano de Obra de Operacioacuten 1082280
Mano de Obra de Oficina 4091930
Servicios Electricidad 2620100
Total de Gastos Generales 539491990
CFE
Produccioacuten diaria de Catalizador = 574 Kg
Precio de Catalizador = 40 USDKg
Produccioacuten diaria de unidades purificadoras = 500
Precio por unidad = 50USD
Ganancia diaria = 22960 USD
Ganancia Anual = 5510400 USD
DETERMINACIOacuteN DE LA RENTABILIDAD DEL PROYECTO
TPI (Actual) = 10
PR (Factor de riesgo) = 25
TREMA = TPI + PR
TREMA = 35
TIR (del proyecto) = 90
TIR gt TREMA
Puesto que la TIR es mayor que la TREMA se tiene que el proyecto es rentable [6]
Ingenieriacutea Quiacutemica 42
UAM-I
310 CONCLUSIONES
En el desarrollo de la industria para la fabricacioacuten de catalizadores se tuvo un
resultado satisfactorio a pesar de la falta de informacioacuten disponible acerca de
industrias de catalizadores debido a que esta informacioacuten no es publica El proyecto
que elaboramos es novedoso en nuestro paiacutes ya que no existen registros de una
industria que produzca catalizadores de oro soportados en aluacutemina
Durante el desarrollo del proyecto se planteoacute trabajar con compuestos como NOx y
COVS sin embargo debido a la falta de tiempo no se logroacute concluir la
experimentacioacuten en estos campos Debido a esto se tomoacute la decisioacuten de trabajar en
la oxidacioacuten cataliacutetica de CO Esto debido a varios factores por ejemplo la
disponibilidad de gases y sobre todo los costos que esto implicaba
Para el desarrollo del catalizador se analizaron diferentes tipos de preparacioacuten y se
eligieron dos meacutetodos diferentes Deposicioacuten-precipitacioacuten e Impregnacioacuten Los
catalizadores se evaluaron bajo diversas condiciones en la oxidacioacuten de CO El
catalizador que presentoacute mayor conversioacuten con el catalizador a baja temperatura fue
el sintetizado por el meacutetodo de Deposicioacuten-precipitacioacuten el cual se utilizoacute para el
disentildeo de la Industria El disentildeo estaacute basado en la forma de preparacioacuten del
catalizador Por esto la parte maacutes importante de la planta es el tanque de mezclado
el cual se disentildeo tomando en cuenta los diferentes disentildeos de agitadores para tener
un mezclado oacuteptimo Se incorporo en la parte superior del agitador las canastillas
para las pastillas cataliacuteticas y el tipo de Horno que se usara para el secado y
posteriormente el calcinado Una parte importante es la produccioacuten de catalizador
para este problema se investigoacute en que parte se podriacutea utilizar a diferencia de los
catalizadores para automoacuteviles Se llego a la decisioacuten de poder desarrollar un
catalizador para los calentadores de agua se obtuvo informacioacuten de la fabrica de
calentadores cal-o-rex en la produccioacuten diaria de calentadores y de esta informacioacuten
se pudo calcular la posible demanda de nuestro producto Una parte importante en
las industrias son el tipo de bombas ya que existen diversos modelos en nuestro
disentildeo se escogioacute las bombas centriacutefugas con rodetes para agua que contiene
pequentildeas partiacuteculas de soacutelidos
En la parte de servicios para personal se investigo los sueldos de cada empleado Se
determinoacute el costo de los equipos y finalmente llegamos a la parte que nos interesa
Ingenieriacutea Quiacutemica 43
UAM-I
del disentilde es decir si el proyecto es rentable o no En este caso particular se tuvo un
valor aceptable y se definioacute que el disentildeo es rentable Esto indica que seria una
industria que tendriacutea ganancias y a la vez que el producto que se fabrique nos
ayudaraacute a todos a reducir la emisioacuten de CO en los hogares aportando una pequentildea
ayuda al medio ambiente
COMENTARIOS
Los conocimientos adquiridos durante este tiempo fueron provechosos en la parte
teoacuterica y praacutectica aclaramos dudas de como y porque se comportan las reacciones
quiacutemicas y los procesos de flujos Durante el desarrollo del proyecto aprendimos a
observar y la importancia de entender fiacutesicamente las algunos procesos relacionados
con la siacutentesis y caracterizacioacuten de materiales cataliacuteticos
Ingenieriacutea Quiacutemica 44
UAM-I
38 BIBLIOGRAFIacuteA
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UAM-I
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[29] Secretaria de Trabajo y Previsioacuten Social Comisioacuten de Salarios Miacutenimos
Ingenieriacutea Quiacutemica 46
UAM-I
APEacuteNDICE A
CRITERIOS PARA DETERMINAR QUIEacuteN CONTROLA EL PROCESO
Criterio de weisz para difusioacuten interna
Ec(12-16 Fogler) Los valores que se sustituyen en las siguientes ecuaciones fueron
tomados del catalizador que se analizo en el laboratorio
CWP = ( )
AS
cObsA
DeCRcr 2minus
lt 1
-rA(Obs) = velocidad de reaccioacuten observada molgcats Cc = concentracioacuten volumeacutetrica molm3
CAS = concertacioacuten en la superficie molm3
D= diaacutemetro del granulo m R = radio del granulo m De = difusividad efectiva m2s
d = 0149mm mxmm
m 4104911000
1 minus=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
CWP = ( )( )3
32
24
33
103470184200350
21049150800010681
minus
minusminus
=⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞⎜
⎝⎛
x
mmol
hrm
mxcatm
gcathgcat
molx
734x10-3 lt 1 No hay limitante por la difusioacuten interna
Ingenieriacutea Quiacutemica 47
UAM-I
Criterio de mears para difusioacuten interna Ec(12-62 Fogler)
Mm = 150ltAbc
bA
CkRnr ρminus
Mm =( )( )
0570
136000184200220
31110457508000106851
3
53
3
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ minusminus
hrs
mmol
sm
mxcatmgcat
hgcatmolx
0057 lt 015 no hay efecto de transferencia de masa externa Calculo de Dab para calcular el coeficiente de trasferencia de masa Ec(78 Lobo)
De =
KAAB DD11
1
+
DKA = 970X103 (80X10-8)(s
cmK 221 1090)
2400( =
DAB = 00018583ABAB
BA
PMMT
Ω
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ +
2
2123 11
γ
Para CO
0110=isin
Bk 0593 A=γ
Para O2
Ingenieriacutea Quiacutemica 48
UAM-I
0113=isin
Bk 0453 A=γ
( ) 51343359321
=+=ABγ
( )( )[ ] 21113110BAB k=isin A la temperatura de 400degK
( ) 583))113)(110((
40021 =
deg=
isin B
B
AB
B
KKKTK
Ω AB = 0907 Sustituyendo
DAB =s
cm2
2
2123
9730)9070()513(
)21281()400(00185830=
+
De = hrm
hrs
cmm
scm 222
03501
3600100
10980
10901
97301
1=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
+
Calculo de Kc Sh = (Re)12(Sc)13
Velocidad superficial
V = sm
shr
hrm
mxhr
m
Av
c
02036001976
1087
006025
3
0 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛== minus
Ingenieriacutea Quiacutemica 49
UAM-I
Re= ( ) 240)1062)(501(
)10491)(020(
1 25
4
=minus
=minus minus
minus
smx
mxsmvd p
νφ
Sc= 672)3600
1)(0350(
10622
25
==minus
shr
hrm
smx
Dv
AB
Sh= ( 024 )12 ( 267 )13 = 0679
Kc = Shdp
DAB⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛minusφ
φ1
Kc = ( )sm
mxs
mx02206790
10491
10729
50501
4
26
=⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛minus
minus
minus
Calculo de numero Thile con el radio que usara a nivel industrial
φ = L ( )DkCn n
AS
21 1minus+
L = 3R
Sustituyendo
φ = 66x10-4 m( )
( )
450
03502
018420
5480941311
3
30
3330
313
=
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+
catmhrm
mmol
hrcatmmolm
η = 1 con los resultados anteriores se observa que quieacuten limita es la velocidad de
reaccioacuten Por lo que se procede a calcular el peso y longitud de catalizador
necesaria para muestro purificador sustituyendo los valores del Boiler
Ingenieriacutea Quiacutemica 50
UAM-I
Peso del Catalizador w =
( ) grcatgcatLn
gcatm
mmol
hrcatmmolm
hrm
xLn
kCv
A
66476639401
1
6000001578
548094
19836
11
330
3330
313
3
0
0 asymp=minus
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
minus
g 664=w
33
3
1011
mg60000
g 664 mxwv minus===ρ
m 035003101011
2
33
==minus
mmxL
cm 531000350 == xL
Ingenieriacutea Quiacutemica 51
UAM-I
APEacuteNDICE B BALANCE DE MASA DE LA PREPARACIOacuteN DE HAUCL4 Au(g) + 3HNO3(ac) + 4HCL(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O + 3N02(g) (152 M) (105M)
cantidad de mol Au = 05 kg Au x molAu
grAumolAux
kggr 542
971961
11000
=
cantidad de kg HNO3 = ( ) 33
33 480
10001
1635423 kgHNO
grkgx
molHNOGRHNOxHNOmol =
cantidad de kgHCl = ( ) kgHClgr
kgxmolHCl
grHClHClxmol 3701000
11
5365424 =
cantidad de kgHAuCl4 = 254molHAuCl4 x 44
8601000
11
97339 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
gr=
cantidad de kgH2O = 3( 254mol)H20 x OkgHgr
kgxOmolHOgrH
22
2 1401000
1118
=
cantidad de Lt H20 = 762molHNO3 x OltHOkgHOLtH
22
2 14011
=
cantidad de Lt H20 = 1016 mol HNO3 x 050215
012
2 LtHmol
LtH=
cantidad de LtH20 = 1016mol HCl x OLtHLtHmolHCl
LtH22
2 010970510
01asymp=
cantidad de MHAUCl4 = ( ) ( ) ( ) MHltltlt
ClmolHAU 7210850490140
542
2
4 asymp++
cantidad de kg NO2(g) = 3( 254mol)NO2 x )(22
2 3501000
1146
SkgNOgr
kgxmolNO
grNO=
Ingenieriacutea Quiacutemica 52
UAM-I
05 kg Au 048 kgHNO3 035 kgNO2 101021 kgH20 (152M) 037 kgHCl(ac)
(105 m) 086 kg HAuCl4 (ac) 086 kg HAuCl4 (ac)
(17 M) 014 kgH20 (25x10-3M) 014kg H20 (L) 086kg HAuCl4 035kgNO2 (g) 101185kg H20 Cantidad de H20 = 086 kgHAuCl4
x 08510110101
105201
173341
11000
22
23
24 kgHLtHkgHx
MxltHx
grmolHAuClx
kggr
=minus
pero (101185 ndash 014 ndash 05 ndash 1) kg H20 = 101021 kg H20 100ml H20 por 1 gr soporte 35kg NH4 (OH)(AC) 10000kgH20 100 kg γAl203 (9965) 035kgAu (035) 100kg γAl203 025kgCl2 086kg HAuCl4 026kgHAuCl4
101185 kg H20 35kgNH4 (OH)(AC) 1101185kgH20 cantidad de kgHAuCl4 = 015kgAu x
44
4 2601000
11
973391
197196
147196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxgrAu
molxkg
gr=
cantidad de NH4(OH) = 100kg γ Al203 x
Ingenieriacutea Quiacutemica 53
UAM-I
kgNHxmol
grx
mlmol
xOAlgr
OHmlNHx
kg
gr53
10001
1
35
100010
1
)(10
1
1000
32
4=
γ4(OH)
30kg γAL2O3 1 kgNH4(OH)(AC) 30 kg γ Al203 (9965) 010 kg Au (035) 026kgHAuCl4 007kg Cl2 35kgNH4(OH) 1101185 kgH2O 0086kgHAuCl4 45 kg NH4(OH)(AC) 1101185 kg H20
cantidad de γ Al2O3 = 026kgHAuCl4 x 324
32 02330860
100 AlkgkgHAuCl
OAlkg γγ=
cantidad de kgAu = 035 x kgAukg 10506599
30=
cantidad de kg Cl2 = 01 kgAu x
22
2 07201000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de HAuCl4 = 005kgAu x
44
4 08601000
11
973391
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 54
UAM-I
cantidad de kgNO4(OH) = 30 kg γ Al203 x ( )OHkgNHAlkg
OHkgNO4
32
4 0510100
)(53=
γ
105 kg γ Al203 035 kg NH2(OH) 105 kg γ Al203 (9965) 004 kg Au (035) 009kg HAuCl4 003 kg Cl2 45kgNH4(OH) 1101185 kg H20 0017kgHAuCl4 485kgNH4 (OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 009 HAuCl4 x 324
32 04710860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad kg de NH4 (OH) = 105kg γ Al203 x ( ) )(3500100
534
32
4 OHkgNHAlkg
OHkgNH=
γ
cantidad de Cl2 = 004 kg Au x
22
2 02901000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
gAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 =
44
44 02001701000
11
973391
197196
11
1000010 kgHAukgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgr
molAuxkg
grkgAux asymp=
Ingenieriacutea Quiacutemica 55
UAM-I
23 kg γ Al203 008kgNH4(OH) 002 kg HAuCl4 23 kg γAl203 (9965) 485kgNH4(OH) 0008kgAu(035) 1101185kg H2 0001kg Cl2
0014 kg HAuCl4 493kgNH4(OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 002kgHAuCl4 x 324
32 032860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad de kg Au = 035 x kgAukg 00806599
32=
cantidad de kgCl2 = 0002kgAu x
24
4 00101000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 = 0008kgAu x
44
44 01401000
11
973341
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 56
UAM-I
APEacuteNDICE C ACCESORIOS EN EL DISENtildeO
Agitador
Agitadores de Heacutelice se escogioacute este tipo de agitador por ser tener las siguientes
caracteriacutesticas [3]
bull Es un agitador de flujo axial
bull Se emplea para liacutequidos pocos viscosos
bull Giran a toda la velocidad del motor
bull Las corrientes de flujo se mueven a traveacutes del liacutequido en una direccioacuten
determinada hasta que son desviadas por el fondo o las paredes del tanque
bull Las palas de la heacutelice cortan o friccionan vigorosamente el liacutequido
bull Los agitadores de heacutelice son eficaces para tanques de gran tamantildeo
Horno
bull El horno se escogioacute por ser tener las siguientes caracteriacutesticas [5]
bull El horno de construccioacuten metaacutelica
bull La caacutemara de combustioacuten estaacute construida mediante hormigones refractarios
de alta resistencia mecaacutenica
bull Las materias secar y calcinar se carga de forma manual
Ingenieriacutea Quiacutemica 57
UAM-I
Bomba
DISENtildeO Bomba centrifuga para operacioacuten horizontal o vertical del impulsor
cerrado succioacuten al extremo descarga hacia arriba tangencial simple succioacuten de un
paso con carcaza partida verticalmente [3]
ROTACIOacuteN En el sentido del reloj vista desde el cople
CARACTERIacuteSTICAS Conexiones brindadas con registro ubicado en la cabeza de
succioacuten para facilitar su limpieza
SERVICIO Debido a que es posible colocarla en posicioacuten horizontal o vertical tanto
en caacutercamos secos como huacutemedos y por el disentildeo de su impulsor que soacutelidos de
gran tamantildeo esta bomba es ideal para los procesos de tratamientos de agua y
manejo de liacutequidos en suspensioacuten en general
CAPACIDADES
GASTO Hasta 3000 GPM
CDT Hasta 80rsquo
PRESIOacuteN 106 Kgcmsup2
POTENCIA De 1 a 60 Hp
VELOCIDAD (1175 - 3550 RPM)
TEMPERATURA 125degC
Ingenieriacutea Quiacutemica 58
UAM-I
Bombas Centriacutefugas
Las maquinas centriacutefugas estaacuten constituidas por un impulsor o rodete formado por
una serie de aletas radiales diversas formas y curvaturas que giran dentro de una
caja circular El fluido penetra por el ojo o eje de rotacioacuten y se descarga maacutes o
menos radialmente en una caacutemara perifeacuterica a una elevada presioacuten que
corresponde a la suma de la fuerza centriacutefuga de la rotacioacuten maacutes la cineacutetica
comunicada al fluido por las aletas La parte moacutevil de la bomba es el rodete Las
aletas del rodete se extienden desde el centro de rotacioacuten hacia la periferia y las
bridas son los discos de refuerzo a cada lado de las aletas que las envuelven Las
aletas pueden ser radiales curvadas ligeramente hacia delante en el mismo sentido
de la rotacioacuten o estar curvadas al reveacutes en el caso maacutes comuacuten en el disentildeo se
determino el rodete siguiente por sus caracteriacutesticas Fig 1
Figura 1 Corte parcial de un rodete de centriacutefuga para grandes cargas y secciones
de paso estrechas empleando con liacutequidos corrosivos o suspensiones de pequentildeas
partiacuteculas[4]
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UAM-I
APENDICE D CALCULO DE POTENCIA DE BOMBAS (8)
Potencia de la bomba de la cisterna 1 que alimenta a los mezclador 4
Ecuacioacuten de Bernoulli
sum sumint =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛+++∆+∆i i
i
P
P
evvfDLvwdphgv 0
21
21
ˆ1
21 222
2
1ρ
a b c d e f
a Diferencia de velocidades
b Diferencia de alturas
c Diferencia de presiones
d Trabajo
e Perdidas de friccioacuten en tuberiacuteas
f Perdidas de friccioacuten en accesorios
En la ecuacioacuten anterior se pueden eliminar algunos teacuterminos
21 mts
6 mts 35 mts
Figura 1 Balance de cisterna 1 a mezclador 4
Se debe de tener dos puntos de referencia para la utilizacioacuten de la ecuacioacuten de
Bernoulli de los cuales se anotaron en la figura 2
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UAM-I
21 mts
2 1 6 mts 35 mts
Figura 2
Teniendo los puntos de referencia se analiza que las diferencias de velocidades son
cero en ambos puntos por lo tanto el termino 2
21 ν∆ es igual a cero
El termino de = (981hg∆ 2segm )(35m ndash 0) = 34335 2
2
segm
El termino de int2
1
1P
P
dpρ
se tiene que la cisterna y el tanque de mezclado ambos no
estaacuten cerrados y por lo tanto no originan un cambio de presioacuten y el termino es cero
De esta expresioacuten L longitud de tuberiacutea
tro de tuberiacutea
n el interior del tubo
v
Para la l radio del tubo que
sum ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
i
fDL2
21 ν
D diaacuteme
f perdidas de friccioacuten e
velocidad del flujo de agua
obtencioacuten de la velocidad se tiene el flujo volumeacutetrico y e
es de 32 cm =0032mts con la ecuacioacuten
Ingenieriacutea Quiacutemica 61
( )( ) sm
ms
m
RQ 761
032060min1)
min340(
2
3
2 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
==ππ
ν
UAM-I
Se reportan valores de perdida de fr
e reduce teacuterminos
iccioacuten en tubos que son igual a 005
Por lo tanto sustituyendo los teacuterminos en la ecuacioacuten de Bernoulli s
sum sumint =⎟⎠
⎜⎝
+⎟⎠
⎜⎝
+++∆+∆i i
iP
evvfD
vwdphgv 022
ˆ2
1ρ
⎞⎛⎞⎛ L 111 2222
or tanto el termino de trabajo queda expresado de la siguiente manera
tanto la bomba comunica al fluido que circula en el sistema un trabajo
+11727
P1
p w
sum sum ∆minus⎟⎠⎞
⎜⎝⎛minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛minus=
i ii
hgevvfDLvw 22
21
21
ˆ
( ) ( )
Este es el trabajo ( por unidad de masa) producido por el fluido en la bomba por lo
22
sm o 11727 981 = 1195
m
fKg
Kgm
La velocidad de flujo de masa es
Por lo tanto
1 )=6694
951)(675(ˆ =minus=minus WwW smkg f = 088Hp = 1Hp
Siendo esta ida para esta bomba El procedimiento anterior se
iguioacute para cada bomba de la planta
AP E
la potencia requer
s
EacuteNDICE
TOXICOLOGIacuteA DE MATERIAS PRIMAS [6]
( ) ( ) ( )( ) ( )( )msm
smmmm
sm 538192201150761
21050
032021536761
21
2
22minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ +minus⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ++
minus=wm
22
27117ˆ smw minus=
( )s
kgmkgQw m675100060340 3 === ρ
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UAM-I
HIDROacuteXIDO DE SODIO
Polvo corrosivo blanco delicuescente
Toxicidad
Concentracioacuten Maacutexima permisible 2mgm3 en aire
Signos y Siacutentomas Conjutivitis quemaduras corneales y de la piel Irritacioacuten
seas vomito dolor abdominal y diarrea a veces con
Lavado de las partes afectadas tranquilizantes sulfato de
decuada gafas protectoras o pantallas para
ignos y Siacutentomas Irritacioacuten de ojos quemaduras corneables tos dolores
l hemoptisis dolor de cabeza dolor epigaacutestrico nauseas y vomito
lmonar
Tratamiento lavado de ojos con agua reposo oxigeno con aparato de respiracioacuten
con onantes
ACIDO NITRICO
Liquido corrosivo sofocante de incoloro a amarillento
ioacuten maacutexima permisible 10ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
del tracto respiratorio nau
sangre
Tratamiento
morfina para el dolor y cortisona
Medidas preventivas Ventilacioacuten a
la cara completa mascarilla con filtro mecaacutenico guantes delantares botas de
goma y acentuar la limpieza personal
CLORO
Gas pasado amarillo verdoso
Toxicidad
Conc Maacutexima permisible 1 ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten
S
retrosterna
debilidad cianosis y edema pu
trolada bronco dilatadores y descongesti
Toxicidad
Concentrac
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Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
Signos y siacutentomas Erosioacuten dental estornudo tos Dolor en el pecho bronquitis y
la las partes contaminadas del cuerpo con solucioacuten al 5 de
de las quemaduras con pantildeos
de triacuteo sulfato soacutelido si se a ingerido
vado de ojos con agua
ACIDO CLORIDRICO
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
ivitis necrosis corneal por inhalacioacuten rinitis erosioacuten
dolor de cabeza palpitacioacuten por ingestioacuten
s en la boca faringe esoacutefago estomago salivacioacuten vomito Soc
agua lavada de agua y jaboacuten de las partes
preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
AacuteC
El c
con o de hidroacutegeno una
concentracioacuten de 12 molLt Este aacutecido es un liacutequido incoloro con un olor aacutecido
bronconeumoniacutea
Tratamiento
bicarbonato soacutelido o con agua y jaboacuten Tratamiento
mojados con solucioacuten saturada
administracioacuten por viacutea oral de solucioacuten de jaboacuten Hidroacutexido caacutelcico o alumiacutenico u
oacutexido de magnesio
Medidas preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores excluir de la exposicioacuten
a los individuos con enfermedades de pulmones y rintildeones
Gas incoloro o liacutequido o a amarillento
Toxicidad
Concentracioacuten maacutexima permisible 5ppm en aire
Signos y siacutentomas conjunt
dental laringitis bronquitis neumoniacutea
quemadura
nefritis
Tratamiento lavado de ojos con
contaminantes del cuerpo tratamiento ordinario de quemaduras lavado gaacutestrico
se a ingerido con solucioacuten de bicarbonato soacutedico al 5 seguido de una instilacioacuten
de gel de hidroacutexido de aluminio
Medidas
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores
IDO CLORHIacuteDRICO
loruro de hidroacutegeno es en extremo soluble en agua de hecho el aacutecido clorhiacutedrico
centrado contiene cerca del 38 en masa de clorur
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pronunciado que se debe al equilibrio entre el cloruro de hidroacutegeno gaseoso y
ste con el aacutecido fluorhiacutedrico el aacutecido clorhiacutedrico es un aacutecido fuerte (pKa = -
7) y se ioniza casi totalmente
gar de aacutecido sulfuacuterico auque en menor grado Por
jemplo el zinc metaacutelico reacciona con aacutecido clorhiacutedrico para dar el ion zinc e
hidroacutegeno gaseoso
Zn(s) + 2HCl(ac) ZnCl2(ac) + H2(g)
l para producir aacutecido clorhiacutedrico en el laboratorio es generar
cloruro de hidroacutegen e sodio y el aacutecido
ulfuacuterico En el primer paso a 150degC se forma hidroacutegeno sulfato de sodio
NaHSO4(s) + HCl(g)
io y maacutes
loruro de hidroacutegeno gaseoso Luego el gas se disuelve en agua para formar el
aacutecido
NaHSO4(s) + NaCl(s) Na2SO4(s) + HCl(g)
acuoso
HCl(ac) HCl(g)
El reactivo de grado teacutecnico a menudo tiene un color amarillento por una impureza
del ion hierro (III)
En contra
HCl(ac) + H2O(l) H2O+(ac) + Cl -(ac)
Por ello a menudo se prefiere usar aacutecido clorhiacutedrico diluido en lugar de aacutecido niacutetrico
que es muy oxidante y en lu
e
Cuando el zinc reacciona con el aacutecido niacutetrico es comuacuten que se reduzca una parte
del ion nitrato para dar dioacutexido de nitroacutegeno
El meacutetodo tradiciona
o gaseoso por la reaccioacuten entre el cloruro d
s
NaCl(s) + H2SO4(l)
La mezcla se calienta a 550degC temperatura a la cual el hidroacutegeno sulfato de sodio
reacciona con un exceso de cloruro de sodio para formar sulfato de sod
c
∆
Este meacutetodo se usa tambieacuten en la industria otra forma de producir cloruro de
hidroacutegeno es por la combinacioacuten directa de dicloro y dihidroacutegenogaseosos
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H2(g) + Cl2(g) 2HCl(g)
La mayor cantidad de cloruro de hidroacutegeno que se produce actualmente es un
CH4(g) + 4Cl2(g) 4(l) + 4HCl(g)
riacuten de superficies de acero en un bantildeo aacutecido en la purificacioacuten de glucosa
y jarabe de maiacutez e s y de gas y en la
bricacioacuten de compuestos clorados El aacutecido se puedo comprar en muchas
nducida por la luz
4HNO3(ac) 4NO2(g) + O2(g) + 2H2O(l)
niacutetrico como disolvente)
H2NO3+ H2O + NO2
+
l siguiente
3HNO NO3 ndash
subproducto de otros procesos industriales como la siacutentesis de tetracloruro de
carbono
CCl
Se consumen cerca de 107 toneladas de aacutecido clorhiacutedrico cada antildeo en todo el
mundo Este aacutecido tiene una gama muy amplia de usos como aacutecido comuacuten para
eliminar o
n el tratamiento con aacutecido de pozos petrolero
fa
ferreteriacuteas con el arcaico nombre de aacutecido muriaacutetico sus principales usos caseros
son la limpieza de superficies de concreto y la eliminacioacuten de herrumbre Un nuacutemero
muy reducido de personas es incapaz de sintetizar suficiente jugo gaacutestrico y deben
de ingerir caacutepsulas de aacutecido clorhiacutedrico diluido con cada comida
AacuteCIDO NIacuteTRICO
El aacutecido niacutetrico un liacutequido aceitoso e incoloro en estado puro es sumamente
peligroso El aacutecido que funde a ndash42degC y hierve a +83degC tiene por lo general un
ligero color amarillo a causa de una reaccioacuten de descomposicioacuten i
En un estado puro el aacutecido niacutetrico liacutequido praacutecticamente no conduce la electricidad
Una pequentildea porcioacuten se ioniza como sigue (todas estas especies existen en el aacutecido
2HNO3(l) H2NO3+ + NO3
ndash
H2O + HNO3 H3O+ + NO3 ndash
Para dar la reaccioacuten globa
3 NO2+ + H3O + 2+
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El catioacuten nitrilo es importante en la nitracioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas por ejemplo la
obenceno C6H5NO2 una etapa importante en
umerosos procesos industriales orgaacutenicos
El aacutecido niacutetrico con en agua mientras
ue el ldquoaacutecido niacutetrico fumanterdquo un oxidante extremadamente poderoso es una
vez de ello se produce una mezcla de
sistema que da un orden de
vista industrial el
oceso
e lleva a cabo en tres etapas Primero se hace pasar una mezcla de amoniaco y de
dioxiacutegeno (o aire) un proceso muy
ficiente y exoteacutermico que hace que la malla se ponga al rojo Esta etapa se verifica
conversioacuten de benceno C6H6 en nitr
n
centrado es en realidad una solucioacuten al 70
q
solucioacuten roja de dioacutexido de nitroacutegeno en aacutecido niacutetrico puro Incluso cuando esta
diluido el aacutecido niacutetrico es un oxidante tan fuerte que rara vez desprende hidroacutegeno
cuando se pone en contacto con metales en
oacutexidos de nitroacutegeno y el metal se oxido a su catioacuten
Los enlaces O-N son mucho maacutes cortos (121 pm) que el enlace O-N unidos al aacutetomo
de hidroacutegeno (141 pm) Esta longitud de enlaces indica que hay enlaces muacuteltiples
entre el nitroacutegeno y los dos aacutetomos de oxiacutegeno terminales Ademas de los electrones
del sistema σ hay cuatro electrones que participan en el sistema π O-N-O dos de un
orbital enlazante y dos en un orbital no enlazante
enlace de 112 para cada uno de esos enlaces nitroacutegeno- oxiacutegeno
A veces se nos olvida hasta queacute punto nuestra experiencia depende de la
termodinaacutemica y la cineacutetica Por ejemplo la primera siacutentesis industrial de aacutecido
niacutetrico se llevaba ha cabo por simple combinacioacuten de diniacutetrogeno dioxiacutegeno y agua
utilizando un horno de arco eleacutectrico a fin de proporcionar la energiacutea necesaria par
superar la muy elevada barrera cineacutetica Aunque desde el punto de
factor cineacutetico constituiacutea un problema en realidad es una bendicioacuten por que sin esta
barrera cineacutetica hace mucho tiempo que todo el dioacutexido de la atmoacutesfera se abriacutea
transformado en aacutecido niacutetrico y nuestros mares serian de aacutecido niacutetrico diluido
frac12 N2(g) + 54O2(g) + 12H2O(g) HNO3(g)
Ahora se utiliza el proceso Ostwald para la siacutentesis de aacutecido niacutetrico Este proceso
consume gran parte del amoniaco que se produce por el proceso Haber El pr
s
a traveacutes de una malla de platino metaacutelico Eacuteste es
e
a baja presioacuten para aprovechar el efecto entropico es decir la formacioacuten de 10
moles de gas a partir de 9 moles de gas (una aplicacioacuten del principio de Le Chatelier)
para desplazar el equilibrio a la derecha
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UAM-I
4NH3(g) + 5O2(g) 4NO(g) + 6H2O(g)
Se agrega maacutes oxiacutegeno para oxidar el monoacutexido de nitroacutegeno a dioacutexido de nitroacutegeno
A fin de mejorar el rendimiento de esta reaccioacuten exoteacutermica se extrae calor de los
ases y la mezcla se somete a presioacuten
2HNO3(l) + NO(g)
Esta reaccioacuten tambieacuten es exoteacutermica y una vez maacutes se aplica enfriamiento y alta
la
egunda etapa para oxidarlo de nuevo
La contaminacioacuten s de aacutecido niacutetrico
as plantas maacutes antiguas eran faacutecilmente identificables por la fumarola cafeacute-
antas maacutes antiguas ahora mezcla cantidades
en Estados Unidos porque un 20
dedica ala produccioacuten de explosivos
or ultimo el aacutecido niacutetrico es un liacutequido que hierve a 826degC No existe como liacutequido
g
2NO(g) + O2(g) 2NO2(g)
El dioacutexido de nitroacutegeno se mezcla con agua para dar una solucioacuten de aacutecido niacutetrico
3NO2(g) + H2O(l)
presioacuten par obtener el maacuteximo rendimiento El monoacutexido de nitroacutegeno se vuelve a
s
soliacutea ser un problema importante de las planta
L
amarillento del dioacutexido de nitroacutegeno que escapaba por ellas Las plantas maacutes
antiguas eran faacutecilmente identificable por la fumadora cafeacute-amarillo del dioacutexido de
nitroacutegeno que escapaba de ellas Las pl
estequiomeacutetricas de amoniaco con las oacutexidos de nitroacutegeno con lo cual se obtiene
dinitroacutegeno y vapor de agua ambos inocuos
NO(g) + NO2 (g) + 2NH3(g) 2N2(g) + 3H2O(g)
En todo el mundo alrededor del 80 del aacutecido niacutetrico se utiliza en la produccioacuten de
fertilizantes Esta proporcioacuten es de solo el 65
se
P
puro porque en alguna medida se descompone espontaacuteneamente como sigue
4HNO3(l) 4NO2(g) + 2H2O(l) + O2(g)
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UAM-I
El aacutecido niacutetrico concentrado que se usa en el laboratorio estaacute al 68 en masa HNO3
(densidad 142 gcm3) lo que corresponde a 157 M
l aacutecido niacutetrico es un poderoso agente oxidante El nuacutemero de oxidacioacuten del N en el
) El aacutecido niacutetrico puede oxidar
nto a metales que estaacuten abajo del hidroacutegeno como aquellos que se encuentran
4Zn2+(ac) + NH4
+(ac) + 3H2O(l)
do no oxida al oro Sin embargo cuando se mezcla con
cido clorhiacutedrico concentrado en relacioacuten 13 en volumen (una parte de HNO3 a tres
partes al oro
omo sigue
APEacuteNDICE F
ETODO DE DEPOSICIOacuteN-PRECIPITACIOacuteN
E
HNO3 es + 5 Los productos maacutes comunes de la reduccioacuten del aacutecido niacutetrico son el
NO2 (N = + 4) el NO (N = + 2) y el NH4+ (N = - 3
ta
arriba en la serie de actividades Por ejemplo el cobre es oxidado por el aacutecido niacutetrico
concentrado como se mencionoacute antes
En presencia de reductores fuertes como el zinc metaacutelico el aacutecido niacutetrico se puede
reducir hasta ion amonio
4Zn(s) + 10H+(ac) + NO3
-(ac)
El aacutecido niacutetrico concentra
aacute
de HCl) la disolucioacuten resultante denominada agua regia puede oxidar
c
Au(s) + 3HNO3(ac) + 4HCl(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O(l) + 3NO2(g)
M
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UAM-I
APEacuteNDICE G
ISENtildeO DEL MEZCLADOR [4]
1) 100 ml H2O gr soporte
2) NH4(OH)
Ajustar a PH = 9 4) HAuCl4 (solucioacuten acuosa al 25E-3M)
6) Filtrado o centrifugado
3) En Agitacioacuten por 2 hr
8) Secado por 2hr a 80 degC
9 ) Calcinado por 4hr a 400 degC
7) Lavado
5) Antildeegamiento por 30 min
D
Ingenieriacutea Quiacutemica 70
UAM-I
El disentildeo de un tanque agitado dis n nuacutemero de elecciones sobre el
po y localizacioacuten del agitador las proporciones del tanque el nuacutemero y dimensiones
ada una de estas decisiones afectan a la velocidad
e circulacioacuten del liacutequido los modelos de velocidad y el consumo de potencia Como
pone de un gra
ti
de las placas deflectoras etc C
d
punto de partida en el disentildeo de los problemas ordinarios de agitacioacuten generalmente
se utiliza un agitador de turbina del tipo que se muestra en la figura 1 La proporcioacuten
tiacutepica es
31
=t
a
DD
1=tD
H 121
=tD
J 51
=aD
W 41
=aD
L
de estas ecuaciones se disentildeara el mezclador como datos se tiene el valor H que es
igual a 3 mts y el diaacutemetro del tanque D
Se determinara la medida de los reflectores
t que es igual 3 mts
121
=tD
J se despeja J
elacioacuten R31
=t
a
DD
se despeja Da
Relacioacuten
41
=aD
L se despeja L
elacioacuten se despeja W
( ) ( ) cmmtsmtsDJ 25250311==⎟
⎞⎜⎛=⎟
⎞⎜⎛= t 1212 ⎠⎝⎠⎝
( ) ( ) mtsmtsDD ta 1331
31
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=
( ) ( ) mtsmtsDL a 250141
41
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛= cm25=
51
=aD
WR
Ingenieriacutea Quiacutemica 71
UAM-I
Figura 2 a) Vista transversal del mezclador b) paletas del mezclador con la
donde se deposita el soporte
Figura 1 Medidas de un agitador de turbina
a) b)
s rejillas
H
J
E L
Da
D t
W
W
( ) ( ) cmmtsmtsDW a 2020151
5==⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎜⎝
=1 ⎞⎛
Ingenieriacutea Quiacutemica 72
UAM-I
de oxiacutegeno del aire que se mezcla con el gas es la estequiomeacutetrica o mayor y
ademaacutes se combina en forma eficiente se obtienen como productos principales CO2
y H2O
Los aparatos domeacutesticos que producen mayor cantidad de CO son los calentadores
(conocidos tambieacuten como calefones) calefactores y cocinas (Figura 2)
Figura 2 Principales emisores domeacutesticos y su contribucioacuten en la concentracioacuten de
CO en interiores usando como combustible el Gas LP [6]
Se puede observar que los calentadores de agua (calefones) son los equipos
domeacutesticos que causan la mayor contribucioacuten a la emisioacuten de CO en interiores La
Tabla 1 Muestra los porcentajes de combustibles usados en los calentadores de
agua en las viviendas de la Zona Metropolitana del Valle de Meacutexico (ZMVM) en
1990 asiacute como las emisiones de los contaminantes que producidas durante la
operacioacuten de dichos equipos
El Inventario de 1998 de las Emisiones de la ZMVM proporciona meacutetodos para la
determinacioacuten de las concentraciones de los contaminantes del efluente de un
calentador usando como combustible Gas LP[8]Las concentraciones determinadas
se muestran en la Tabla 2
Catalizadores de Oro Soportado 5
UAM-I
Tabla 1 Emisiones asociadas a los combustibles utilizados en viviendas de la ZMVM
en 1990 [7]
GLP GN Lentildea Total
Viviendas que utilizaron cada Combustible 620 21 17 658
Combustible Consumido 29020 0984 1983 31987
Emisiones en Tonantildeo
PM10 647 01 ND 647
SO2 01 03 ND 04
CO 3002 186 ND 3188
NOx 20321 435 ND 20756
HC 762 52 ND 814
Tabla 2 Concentraciones en la emisioacuten de un calentador domeacutestico con Gas LP[8]
Tipo de Combustible CO NOx HC SO2 PM10 Unidades
Gas LP 024 174 0064 00027 054 Kgm3
Los oacutexidos de nitroacutegeno (NOx) contribuyen en mayor cantidad al total de las
emisiones gaseosas en los calentadores que utilizan Gas LP seguidos por el CO
Debido a esto se han propuesto diferentes medidas de control que van desde el
disentildeo de calentadores maacutes eficientes (teacutecnicas limpias) hasta el control de las
emisiones mediante filtros y catalizadores ambientales (teacutecnicas de limpieza)
La oxidacioacuten no cataliacutetica de CO es posible soacutelo a alta temperatura (700oC) el paso
limitante es la disociacioacuten teacutermica de O2 Mientras que la oxidacioacuten cataliacutetica requiere
del contacto entre CO y O2 en la superficie cataliacutetica Por esto una vez que ambas
moleacuteculas llegan a los sitios activos el O2 se disocia raacutepidamente Posteriormente
Catalizadores de Oro Soportado 6
UAM-I
ocurre la interaccioacuten entre CO y O en sitios adyacentes para formar un complejo
activado (Paso limitante) que posteriormente pasa a CO2
El presente trabajo aborda el tema del control cataliacutetico de emisiones de CO abaja
temperatura En particular se postula el desarrollo de un catalizador de oro soportado
en aluacutemina (Al2O3) para la oxidacioacuten de CO y su posible aplicacioacuten a diferentes
aparatos domeacutesticos como calentadores de agua estufas hornos turbinas
industriales etc
La siacutentesis y aplicacioacuten de catalizadores de oro a diversos problemas ambientales se
ha reportado desde hace 10 antildeos Haruta et al[9] fueron los primeros en encontrar la
actividad de nanopartiacuteculas de Au soportadas en la oxidacioacuten de CO a baja
temperatura Actualmente se sabe que la oxidacioacuten de CO a baja temperatura (T lt
70oC) requiere de un catalizador con pequentildeas partiacuteculas de oro (lt 5 nm)
soportadas preferentemente sobre un oacutexido de metales de la primera serie de
transicioacuten por ejemplo TiO2 y α-Fe2O3 [10] El tamantildeo de las partiacuteculas de oro en
estos catalizadores cae en el intervalo de las nanopartiacuteculas
La actividad cataliacutetica de estos se ha relacionado a los sitios localizados en la
interfase metal-soporte por lo que el soporte juega un papel vital en la actividad
cataliacutetica de estos materiales Con base en los resultados reportados puede
plantearse que la obtencioacuten de nanopartiacuteculas estables cataliacuteticamente activas estaacute
directamente relacionada con las condiciones de siacutentesis la tasa y temperatura de
calcinacioacuten Los catalizadores de oro soportado han presentado resultados
importantes que han sugerido tambieacuten la aplicacioacuten potencial en la oxidacioacuten de
hidrocarburos (selectiva y no selectiva) la hidrogenacioacuten de CO y en la reduccioacuten de
NOx con H2 C3H6 o CO[11] La hidrogenacioacuten de hidrocarburos no saturados tambieacuten
puede ocurrir sobre catalizadores de oro soportado siempre y cuando el oro este
altamente disperso en el soporte
Hasta este punto se ha visto que el CO es un contaminante muy toxico siendo un
compuesto que provoca dantildeos severos en la salud del ser humano y en general al
Catalizadores de Oro Soportado 7
UAM-I
medio ambiente Por lo que se requiere reducir las concentraciones principalmente
dentro de los hogares La idea baacutesica de este proyecto fue disentildear un dispositivo
cataliacutetico que permita reducir las emisiones de CO en los calentadores hasta en un
90 de su concentracioacuten inicial En el Capiacutetulo 2 se describen la siacutentesis y
caracterizacioacuten de catalizadores Auγ-Al2O3 preparados por los meacutetodos de
impregnacioacuten y deposicioacuten-precipitacioacuten asiacute como la actividad en la oxidacioacuten de una
mezcla de CO e H2 Por uacuteltimo en el capitulo 3 se presenta el disentildeo de una planta
industrial para la fabricacioacuten de dichos dispositivos cataliacuteticos uacutetiles en la oxidacioacuten
de CO de los efluentes de calentadores de agua domeacutesticos
12 OBJETIVO GENERAL Dimensionar disentildear y estimar el costo de una planta productora de catalizadores de
oro en la oxidacioacuten del CO para aplicacioacuten a equipos de calentamiento de agua
domeacutesticos
13 OBJETIVOS PARTICULARES - Siacutentesis del catalizador por los meacutetodos de Impregnacioacuten y Deposicioacuten-
Precipitacioacuten
- Caracterizacioacuten de catalizadores por Absorcioacuten Atoacutemica Adsorcioacuten Fiacutesica
Difraccioacuten de Rayos X y Microscopia Electroacutenica de Transmisioacuten
- Evaluacioacuten de catalizadores en la oxidacioacuten de CO
- Obtener el mejor meacutetodo de preparacioacuten para tener una buena distribucioacuten de
nanopartiacuteculas de Au soportadas en γ-Al2O3 con alta actividad a baja
temperatura
- Disentildear la planta industrial para la produccioacuten de catalizadores uacutetiles en la
oxidacioacuten de CO
- Evaluar la viabilidad del proceso
Catalizadores de Oro Soportado 8
UAM-I
14 BIBLIOGRAFIacuteA
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Catalizadores de Oro Soportado 9
UAM-I
C A P I T U L O II
E X P E R I M E N T A C I Oacute N
Catalizadores de Oro Soportado 10
UAM-I
2 1 INTRODUCCIOacuteN
Existen reportes [6] sobre la actividad de catalizadores Auγ-A12O3 AuCo3O4 AuNiO
sintetizados por diferentes meacutetodos (co-precipitacioacuten deposicioacuten-precipitacioacuten e
impregnacioacuten etc) en la oxidacioacuten de H2 y CO La actividad se ha relacionado a un
efecto combinado entre Au y los oacutexidos metaacutelicos utilizados como soporte Sin
embargo una alta actividad cataliacutetica en la oxidacioacuten de CO e H2 estaacute directamente
relacionada al tamantildeo de partiacutecula de Au y la dispersioacuten de eacutestas en el soporte[7]
Algunos trabajos[8-9] indican que a menor tamantildeo de partiacutecula mayor actividad y
mayor estabilidad del catalizador
En el presente trabajo se prepararon catalizadores de Au soportado sobre γ-Al2O3
con un tamantildeo promedio de partiacuteculas de Au de 5 nm y alta dispersioacuten Se utilizaron
dos meacutetodos de preparacioacuten diferentes impregnacioacuten y deposicioacuten-precipitacioacuten
variando el contenido de oro de 007 a 1 en peso de Au Los catalizadores se
evaluaron en la oxidacioacuten de una mezcla de CO e H2 y fueron caracterizados por
difraccioacuten de rayos x microscopia electroacutenica absorcioacuten atoacutemica y absorcioacuten fiacutesica
Los resultados indican que efectivamente la actividad depende del tamantildeo de
partiacutecula y el contenido de Au en el catalizador En particular el catalizador con 035
en peso de Au presentoacute 100 de conversioacuten en ambas reacciones sin indicios de
desactivacioacuten durante 24 h continuas de operacioacuten a velocidades espaciales (GHSV)
mayores que 10 000 h-1 Con esto se pretende contribuir al desarrollo de
catalizadores ambientales que permitan disminuir las emisiones nocivas
provenientes de fuentes fijas y moacuteviles de nuestro paiacutes
Catalizadores de Oro Soportado 11
UAM-I
22 EXPERIMENTACIOacuteN
Siacutentesis de Catalizadores
Meacutetodo de DP Se dispersoacute 1 g de γ-Al2O3 (Ketjen) en 100 mL de agua tridestilada y
se adicionoacute NH4(OH) (JT Baker) (01M) hasta obtener un pH de 9 Posteriormente
se agregoacute por goteo durante 2 h 20 mL de una solucioacuten de AuCl3 (9998 Aldrich)
(25x 10-3 M) Despueacutes se agitoacute por 30 min y se filtroacute y lavoacute con agua destilada con
10 veces el volumen total inicial Por ultimo el soacutelido resultante se secoacute a 80degC por 2
h y se calcinoacute a 400degC por 4 h
Meacutetodo de IMP Se dispersoacute 1 g de γ-A12O3 en 100 mL de agua tridestilada por 30
min A esta mezcla se le antildeadioacute lentamente 20 mL de una solucioacuten de AuCl3 (25x10-
3M) y se mantuvo en agitacioacuten 720 min Durante este tiempo se ajustoacute el pH a 9 por
medio de la adicioacuten de una solucioacuten acuosa de Na2CO3 (JT Baker) El soacutelido se
filtroacute y lavoacute con 500 mL de agua tridestilada caliente (95degC) para eliminar los iones de
cloro que podriacutean afectar la actividad cataliacutetica Finalmente se secoacute a 120degC 24 h y
se calcinoacute a 400degC por 4 h
Los catalizadores preparados por el meacutetodo de DP e IMP se les llamaraacuten de aquiacute en
adelante x-Auγ-Al2O3-DP y muestra x-Auγ-Al2O3-IMP respectivamente donde x
indica el en peso de Au en el catalizador
Caracterizacioacuten de Catalizadores Absorcioacuten Atoacutemica La cantidad de oro en cada uno de los catalizadores se
determinoacute por absorcioacuten atoacutemica (SpectrAA-20 Varian) Antes de las mediciones el
equipo fue calibrado con una solucioacuten estaacutendar de Au (Sigma) Una muestra de cada
catalizador (01g) se disolvioacute en agua regia a temperatura ambiente la cual se
preparoacute mezclando 200 ml de HCl concentrado y 100 mL de HNO3 concentrado
Adsorcioacuten Fiacutesica La isoterma de adsorcioacuten fiacutesica de N2 a 75 K de cada catalizador
se obtuvo en un equipo automatizado Quantachrome Autosorb Automated A partir
de estos datos se determinoacute el aacuterea BET el radio y el volumen promedio de poro
Catalizadores de Oro Soportado 12
UAM-I
Difraccioacuten de Rayos X Se realizoacute en un difractoacutemetro Siemens D500 en un entrono
angular de 4 a 64ordm en 2θ La radiacioacuten Cuκα se seleccionoacute con un difractor de un haz
de luz monocromaacutetico
Microscopia Electroacutenica de Transmisioacuten (TEM) Se utilizoacute un Microscopio Electroacutenico
de Transmisor Mod EM910 Zeiss operando a un voltaje de 120 kV y con una
ampliacioacuten de 400000 aumentos Para la preparacioacuten de las muestras se tomaron
005 g de cada una y se disolvieron en alcohol etiacutelico y se sometieron a ultrasonido
(Branson 2210) por 5 min Posteriormente se colocaron las rejillas en porta objetos y
se agregoacute una gota de la solucioacuten del catalizador dejando secar a temperatura
ambiente hasta su medicioacuten
Evaluacioacuten cataliacutetica Las medidas de actividad cataliacutetica en la oxidacioacuten de CO e H2
CH4 y C2H8 se realizaron en un microreactor de cuarzo de lecho fijo en el cual se
colocaron en todos los casos 030 g de catalizador y se utilizoacute un flujo total de 100
mLmin Para la oxidacioacuten de CO se utilizoacute una mezcla con 1 CO 05 O2 033
H2 en N2 para las pruebas en condiciones estequiomeacutetricas y con 1 CO 21 O2
033 H2 en N2 para los experimentos en exceso de O2 El efluente fue analizado
por cromatografiacutea de gases (GC-12 A Shimadzu C-RGA con una columna SFE-1)
con detector de conductividad teacutermica Para la combustioacuten de CH4 se uso una
mezcla con 1 CH4 2 O2 97 N2 y para la combustioacuten de C3H8 una mezcla con
1 C3H8 2 O2 97 N2 En todos los experimentos la temperatura de operacioacuten
fue de 25 a 400 degC y la velocidad espacial fue 10146 h-1
Catalizadores de Oro Soportado 13
UAM-I
23 RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN
Absorcioacuten Atoacutemica y Adsorcioacuten Fiacutesica La Tabla 1 muestra los contenidos de Au
el Aacuterea BET (ABET) el volumen promedio de poro (VP) y el radio promedio de poro
(RP) para los catalizadores preparados
Se puede observar que el aacuterea BET de la γ-Al2O3 se modifica con la adicioacuten de Au El
aacuterea BET entre la γ-Al2O3 pura y la muestra DP concuerdan con lo reportado[10-11] de
que a mayor porcentaje de Au mayor es el aacuterea superficial sin embargo el aacuterea BET
del catalizador 007-Auγ-Al2O3-IMP que tiene un menor porcentaje de Au presenta
la mayor aacuterea BET Sin embargo aunque el radio promedio de poro es casi el mismo
para las tres muestras el catalizador 007-Auγ-Al2O3-IMP presenta el mayor
volumen promedio de poro Esto podriacutea deberse a que el meacutetodo de preparacioacuten
utilizado causoacute la generacioacuten de una mayor porosidad en la γ-Al2O3 en lugar de la
impregnacioacuten de una mayor cantidad de Au Las isotermas de adsorcioacuten de los
catalizadores fueron del tipo IV y semejantes en forma a la de la γ-Al2O3 (Figura 1)
La Figura 2 muestra que la distribucioacuten de tamantildeo de poros se centra dentro del
mismo margen para las tres muestras y se aprecia la presencia de mesoporos entre
los 50 y 125 Aring
Tabla 1 Contenido Au y caracteriacutesticas texturales en los catalizadores
Catalizador Au ( en peso) ABET (m2g) RP (Aring) VP (ccg)
γ-Al2O3 000 183 78 0489
IMP 007 301 79 0743
DP 035 215 78 0518
IMP 100
No se ha determinado
Catalizadores de Oro Soportado 14
UAM-I
0
100
200
300
400
500
0 02 04 06 08
PPo
Vads
(cm
3g)
STP
-Al2O3
035-Au -Al2O3-DP
007-Au -Al2O3-IMP
1
Figura 1 Isotermas de adsorcioacuten y desorcioacuten de N2 de los catalizadores Auγ-Al2O3
ifraccioacuten de Rayos X La Figura 3 muestra los patrones de difraccioacuten de Rayos X
0
0004
0008
0012
0016
002
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
Rp [A]
Dv(
r) [c
m3
Ag]
-Al2O3
035-Au -Al2O3-DP
007-Au -Al2O3-IMP
Figura 2 Distribucioacuten de tamantildeo de poros
D
de los catalizadores Se observa que todos son caracteriacutesticos de la γ-Al2O3 Es
imposible identificar la presencia del Au esto debido al pequentildeo porcentaje y la alta
Catalizadores de Oro Soportado 15
UAM-I
dispersioacuten del Au contenido en cada uno de los catalizadores Sin embargo para el
caso de que se tuviese mayor cantidad de Au el difractograma podriacutea presentar un
pico alrededor de los 38deg en 2θ el cual indicariacutea la presencia de Au A partir de esta
sentildeal y la ecuacioacuten de Scherrer algunos autores han calculado el tamantildeo promedio
de las partiacuteculas de oro en catalizadores soportados
Microscopia Electroacutenica Transmisioacuten (MET) En la Figura 4 se presentan las
casos los
imaacutegenes de MET para la γ-Al2O3 y los catalizadores 035-Auγ-Al2O3-DP y 007-Auγ-
Al2O3-IMP En ambos catalizadores el tamantildeo de partiacutecula se encuentra es mayor
que 2 nm pero menor o igual que 5 nm En ambos casos los resultados indican que
las partiacuteculas de oro estaacuten dispersadas de manera uniforme en el soporte
Se encuentra es mayor que 2 nm pero menor o igual que 5 nm En ambos
resultados indican que las partiacuteculas de oro estaacuten dispersadas de manera uniforme
en el soporte
Figura 3 Patrones de Difraccioacuten de Rayos X de los catalizadores Auγ-Al2O3
Catalizadores de Oro Soportado 16
UAM-I
Figura 4 Imaacutegenes de MET para (a) γ-Al2O3 (b) 035-Auγ-Al2O3-DP y (c) 007-Auγ-
Al2O3-IMP
Catalizadores de Oro Soportado 17
UAM-I
Se sabe que la alta actividad cataliacutetica del oro esta relacionada con su tamantildeo esto
quiere decir que entre maacutes pequentildeas sean las partiacuteculas mayor actividad tendraacuten
nes estequiomeacutetricas el catalizador 007-Auγ-Al2O3-
P no mostroacute actividad para la oxidacioacuten de CO e H2 sin embargo al operar la
por lo tanto de las imaacutegenes anteriores se tiene que el meacutetodo DP es el maacutes
adecuado por lograr depositar mayor cantidad de Au con gran dispersioacuten y un
tamantildeo de partiacuteculas pequentildeo
Actividad Cataliacutetica A condicio
IM
misma muestra con un exceso de O2 la actividad inicioacute a partir de 140oC alcanzando
una conversioacuten maacutexima de 8748 a 400 degC (Figura 5) En vista de este uacuteltimo
resultado se decidioacute evaluar el catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP a las mismas
condiciones de exceso de O2 En este caso la actividad cataliacutetica inicioacute por debajo de
los 30oC incrementaacutendose casi linealmente con la temperatura hasta lograr una
conversioacuten maacutexima de 9367 a 127degC La diferencia en actividad entre ambos
catalizadores es notable Auacuten a muy bajos contenidos de Au el catalizador 007-Auγ-
Al2O3-IMP presenta una actividad importante sin embargo al aumentar cinco veces
este contenido (035) y manteniendo el tamantildeo de partiacutecula es posible disminuir la
temperatura de encendido calculada como la temperatura a la cual se logra el 50
de conversioacuten (T50) en 175oC Un uacuteltimo estudio fue la evaluacioacuten del catalizador
10-Auγ-Al2O3-IMP el cual presenta una T50 de 290 degC(ver Figura 5) la cual es 40 degC
mayor que el catalizador 007-Auγ-Al2O3-IMP auacuten cuando el contenido de Au es
mayor La Figura 5 muestra tambieacuten la comparacioacuten de estos resultados con
trabajos anteriores[10] en los que utilizan el catalizador 5-Auγ-Al2O3-IMP a
condiciones estequiomeacutetrica en este caso T50 es de 215 degC tan solo 35 degC de
diferencia en comparacioacuten con el catalizador 007-Auγ-Al2O3-IMP La diferencia en el
contenido de Au es 15 veces menor En general al trabajar en condiciones en exceso
de O2 se tiene una mayor conversioacuten a una menor temperatura por lo que se
esperariacutea que los resultados del catalizador 5-Auγ-Al2O3-IMP bajo condiciones de
exceso fueran mejores sin embargo los autores no presentan estos resultados
Catalizadores de Oro Soportado 18
UAM-I
El catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP alcanzoacute 100 de conversioacuten a 176 degC a
condiciones de exceso de O2 (Figura 5) esta conversioacuten se mantuvo por 24 h sin
presentar indicios de desactivacioacuten (Figura 6) KRuth [12] reporta desactivacioacuten del
catalizador 10-Auγ-TiO2 a partir de 80 minutos de operacioacuten con una velocidad
espacial de 1x104 h-1 El catalizador fue preparado por deposicioacuten y contiene nano-
particulas (2-5nm) soportadas en TiO2 Sin embargo el catalizador logra 100 de
conversioacuten a 0 degC Esto es debido a que los catalizadores AuTiO2 presentan mayor
actividad a temperaturas bajas La Figura 6 muestra tambieacuten la conversioacuten reportada
por Seung-Jae[11] del catalizador 043-Auγ-Al2O3-IMP en donde la temperatura de
operacioacuten es de 25 degC sin embargo se tiene una desactivacioacuten apreciable a partir de
150 minutos de operacioacuten con una velocidad especiales de 8x10 h-1
Figura 5 Conversioacuten del CO para los catalizadores de 007-Auγ-Al2O3-IMP 10-
os resultados de conversioacuten del hidroacutegeno (Figura 7) muestran conversioacuten del 100
10 a 035 es de 20 degC
Auγ-Al2O3-IMP y de 035-Auγ-Al2O3-DP en condiciones de operacioacuten en exceso de
O2 la tasa de temperatura es de 2degC por minuto Datos Referencia [10]
L
por debajo de 150 degC con el catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP mientras que el
catalizador 007-Auγ-Al2O3-IMP logra conversioacuten completa hasta 270oC y para el
catalizador 10-Auγ-Al2O3-IMP se tiene una conversioacuten del 100 hasta 310 degC lo
cual indica que los tres catalizador son activos para ambas reacciones y que se
mantiene la tendencia observada para la oxidacioacuten de CO La disminucioacuten en T50 al
aumentar el contenido de Au de 007 a 035 es de 140oC mientras que para la de
Catalizadores de Oro Soportado 19
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado 20
Figura 6 Variacioacuten de la conversioacuten con respecto al tiempo para la muestra de DP a
una temperatura de 180 degC Datos Referencia [11]
Figura 7 Oxidacioacuten de H sobre los catalizadores 035-Au2 γ-Al2O3-DP 007-Auγ-
Al2O3-IMP y 10-Auγ-Al2O3-IMP bajo condiciones de exceso de O2
La Figura 8 muestra como varia la temperatura de encendido con la cantidad de Au
en los catalizadores preparados en este trabajo Se observa un miacutenimo para el
catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP lo cual indica que la mayor actividad se logra a bajos
contenidos de Au y tamantildeos de partiacutecula menores que 5 nm
0
20
40
60
80
0 200 400 600 800 1000Tiempo (min)
Con
vers
ioacuten
de C
O (
) 100
035-Au -Al2O3-DP (176 degC)
043-Au -Al2O3-IMP (25 degC)
0
20
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Temperatura (degC)
40
60
Con
vers
ioacuten
de H
2 (
)
80
100
10-Au -Al2O3-IMP035-Au -Al2O3-DP007- Au -Al2O3-IMP50-Au -Al2O3-IMP
UAM-I
F
o
P
o
o
re
d
F
c
C
T50 (degC)
igura 8 Variacioacuten de la te
xidacioacuten de CO con respect
or ultimo se realizaron cu
peracioacuten pero variado la
btenidos se muestran en la
accioacuten presentan una tend
e catalizador
00000
00040
00080
00120
00160
00200
0
(-rc
o)
00000
igura 9 Velocidad de reac
ondiciones en exceso de O2
atalizadores de Oro Soportado
masa Au
mperatura de encendido a 50 de conversioacuten en la
o a la cantidad de Au en el catalizador
atro corridas maacutes bajo las mismas condiciones de
masa de catalizador Las velocidades de reaccioacuten
fig9En esta figura se observa que las velocidades de
encia lineal despueacutes de los 80degC al aumentar la masa
50 100 150 200 250 300T (degC)
3 gr cat
25 gr cat
2 gr cat
15 gr cat
1 gr cat
cioacuten de CO a diferentes masas de catalizador y bajo
21
UAM-I
Se tomo una temperatura de 125 degC debido a las mediciones realizadas en
diferentes calentadores domeacutesticos Se encontroacute que la temperatura media es la
mencionada A partir de los datos experimentales se determinoacute que el orden de
reaccioacuten es 13 y la constante cineacutetica k = 480945 (m3)13[(mol)03m3cat hr] (00012
mhr) y un coeficiente de transferencia de masa de 792 mhr (ver apeacutendices A) con
estos valores y usando los criterios de Weisz-Prater y Mears[14] (ver apeacutendice B) se
obtuvo que no existe resistencia interna ni externa a la transferencia de masa por lo
que la cineacutetica es la que controla
24 CONCLUSIOacuteN DE LA EXPERIMENTACIOacuteN El meacutetodo de DP es mucho maacutes adecuado que el de IMP para la preparacioacuten de
catalizador de Au soportados en γ-Al2O3 ya que permitioacute obtener catalizadores con
cinco veces maacutes oro que el preparado por el meacutetodo IMP bajo condiciones similares
de preparacioacuten En ambos casos el tamantildeo promedio de partiacutecula fue menor que 5
nm Debido a esto el catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP presenta una mayor actividad
en la oxidacioacuten de CO e H2 sin observarse desactivacioacuten durante un periodo de 24 h
Puesto que en ambas muestras se consiguioacute una gran dispersioacuten y un tamantildeo
similar de nanopartiacuteculas de oro se tiene entonces que la principal diferencia de
actividad cataliacutetica se debe principalmente a la cantidad de Au en el catalizador Sin
embargo el catalizador 10-Auγ-Al2O3 presenta una menor conversioacuten que el de
035-Auγ-Al2O3-DP a pesar de contener maacutes Au por lo que hasta el momento se
podriacutea decir que la cantidad de Au optima se encuentra por debajo de 10 wt y por
arriba de 007 wt no obstante se requiere de la caracterizacioacuten del catalizador 10-
Auγ-Al2O3 se para determinar de que manera influyen el tamantildeo de partiacuteculas la
distribucioacuten el volumen y el tamantildeo de poro en los resultados esta caracterizacioacuten
asiacute como la evaluacioacuten cataliacutetica del catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP bajo
condiciones estequiomeacutetricas se encuentran en proceso
Catalizadores de Oro Soportado 22
UAM-I
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Catalizadores de Oro Soportado 23
UAM-I
C A P I T U L O III
D I S E Ntilde O D E L A P L A N T A I N D U S T R I A L
Catalizadores de Oro Soportado 24
UAM-I
31 INTRODUCCIOacuteN
Este capitulo esta enfocado al disentildeo de la planta industrial donde se produciraacuten
catalizadores de Auγ-Al2O3 por el meacutetodo de Deposicioacuten-Precipitacioacuten (DP) descrito
en el capitulo 2
Parte de la produccioacuten de los catalizadores se destinaraacute a su venta en masa y otra
parte se destinaraacute para el equipo de purificacioacuten de calentadores de agua esto con
la finalidad que el catalizador que esta contenido dentro del equipo de purificacioacuten
cuando se desactive pueda remplazarse por catalizador nuevo disponible en el
mercado De esta forma se tendraacuten ganancias tanto al vender el equipo purificador
como al vender catalizador como materia prima
32 DISENtildeO DEL EQUIPO PURIFICADOR PARA CALENTADORES DE AGUA DOMEacuteSTICOS El equipo purificador se ubicaraacute a la salida del efluente gaseoso del calentador como
un equipo adicional como se muestra en la Figura 1 Se plantea colocarlo en una
posicioacuten tal que oxide a baja temperatura hasta el 90 de CO Las dimensiones del
purificador se determinaron seguacuten las especificaciones de calentador y el balance de
materia en el sistema purificador Estos caacutelculos se presentan en el Apeacutendice A
Los tubos de las chimeneas de los calentadores son de latoacuten por lo que se decidioacute
utilizar este material para la parte exterior la parte donde se colocaraacute el catalizador
es de 35 cm de longitud para colocarlo en el tubo de la salida del flujo de gas se
dieron 2 cm maacutes en cada extremo para hacer un tipo cople de manera que el tubo
entre en los extremos
Catalizadores de Oro Soportado 25
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C O 2 2 0 c m 7 c m c m G A S C O
3
2cm
75 cm 35 cm
Figura 1 Esquematizacioacuten del equipo purificador y su ubicacioacuten en los calefones
Las dimensiones obtenidas (Apeacutendice A) y las caracteriacutesticas del purificado se
presentan en la Tabla 1
Tabla 1 Especificaciones de purificador
Material Latoacuten
Longitud 35 cm
Diaacutemetro 20cm
Cantidad de
Catalizador
700 gr
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UAM-I
33 PRODUCCIOacuteN DE LA PLANTA INDUSTRIAL A partir de un estudio de mercado se encontroacute que en la Ciudad de Meacutexico hay
cuando menos cuatro empresas principales (CALOREX ELSA MAGAMEX y
CINSA) que fabrican calentadores de agua residenciales[1 2] Estas en promedio
producen 150 calefones diarios Por cada calefoacuten se requiere un equipo purificador
En este sentido de requieren idealmente 600 unidades de purificacioacuten por diacutea Esta
base se utilizoacute para el disentildeo de la planta
A partir del balance de masa en el purificador y empleado los resultados
experimentales a nivel laboratorio (ver apeacutendice A) se encontroacute que cada purificador
requiere 07 Kg de catalizador A partir de este resultado se requiere producir al
menos 420 Kg de catalizador para satisfacer la demanda en la produccioacuten de
calefones Con base en el balance de materia realizado en el mezclador se
determinoacute que la cantidad de catalizador obtenido despueacutes de cuatro lotes es de
570 Kg Tomando el resto de catalizador como reserva por cualquier contratiempo El
nuacutemero de lotes se determinoacute en base a que fuese rentable la recuperacioacuten de oro
34 DISENtildeO Y OPERACIOacuteN DE LA PLANTA
La fabricacioacuten del catalizador a nivel industrial esta basada en el escalamiento del
meacutetodo de siacutentesis descrito en la parte experimental Lo cual es una praacutectica comuacuten
en la fabricacioacuten de materiales cataliacuteticos
Para la produccioacuten de 570 Kg por diacutea se plantea utilizar cuatro mezcladores (ver
Figura 2) que operaran durante 8 h con cuatro intervalos (o cargas) de 2 h y
descansos de 30 min (dejando 30 min libres por contratiempos) Esta operacioacuten se
elige con base en las horas de trabajo y el meacutetodo de preparacioacuten del catalizador
Al igual que en la parte experimental el proceso requiere operacioacuten por lotes debido
a que se necesitan largos tiempos de contacto para obtener catalizadores eficientes
en la oxidacioacuten de CO a baja temperatura Se pretende utilizar un agitador tipo
Catalizadores de Oro Soportado 27
UAM-I
canastilla[4] el cual permite colocar dentro de las mismas el catalizador para tener
una mejor impregnacioacuten de partiacuteculas de Au y eliminar la atricioacuten Las dimensiones
del agitador asiacute como del mezclador se presentan en la Figura 6
Al teacutermino de la uacuteltima carga en los mezcladores el lote completo del diacutea pasa al
horno para secarlo a 80degC por 2 h y calcinarlo a 400degC durante 4 h Durante estos
procesos se concluye la preparacioacuten del catalizador Las temperaturas y tasas de
calentamiento estaacuten basadas en el meacutetodo de preparacioacuten experimental descrito en
el Capitulo ll Posteriormente el catalizador producido pasa a la seccioacuten donde se
embolsa para ser vendido como materia prima y la otra parte pasa a la seccioacuten de
ensamblaje para fabricar el purificador
Dimensiones de la industria
Las dimensiones de los equipos como mezcladores cisternas tanque de
tratamiento horno etc se tomaron como base para poder suponer espacios entre
equipos para tener seguridad del personal Se dio preferencia a los mezcladores ya
que son las partes importantes en la elaboracioacuten de los catalizadores La cisterna
estaraacute enterrada para facilitar su llenado en el caso de los contenedores de HAuCl4
y NH4OH estaraacuten encima de bases maacutes altas que los mezcladores para poder
abastecerlos por gravedad Esto debido a que el volumen es poco no se requiere de
grandes cantidades por lo que no se requiere alguna bomba Se estuvo analizando
la forma de acomodar los equipos y se obtuvo la siguiente distribucioacuten que se
muestra en la Figura 3
En la Figura 4 se presenta el plano de la industria con sus respectivos
departamentos en la parte sur se encuentra la entrada principal en ella se encuentra
vigilancia y la entrada de empleados y obreros posteriormente esta la zona de
oficinas lado izquierdo del lado derecho se encuentra el estacionamiento para
clientes y empleados en el almaceacuten se encontraraacuten refacciones de equipo y
reservas de materia primas para los catalizadores en la zona de produccioacuten se tiene
el estacionamiento de proveedores para facilitar la entrada y salida del producto
Catalizadores de Oro Soportado 28
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado 29
Debido a que en cada industria debe existir un espacio recreativo se plantea una
cancha de Baacutesquetbol para los obreros y una zona de jardines en la parte norte
Ubicacioacuten de la industria
Para poder ubicar una industria es importante analizar la zona geograacutefica Para lo
cual se deben considerar algunos factores importantes por ejemplo No ubicarla en
zona de siacutesmica Si la industria requiere de un gran volumen de agua no ubicarla en
una regioacuten deseacutertica Si el producto es muy sensible al calor y la humedad evitar
zonas muy caacutelidas y huacutemedas Si se piensa vender el producto en una zona
especifica ubicar la industria cerca de la zona de venta para evitar gastos de
transportacioacuten A partir de este tipo de razonamientos se planea que debido a que el
producto que se elaborara que es un purificador cataliacutetico para su venta en la ZMVM
ya en ella estaacuten ubicadas las principales industrias de calentadores y debido a que la
planta requiere de un volumen considerable de agua se escogioacute el estado de
Morelos porque no esta muy lejos de la ZMVM y tiene reservas de agua Asiacute el gasto
de transportacioacuten de materias primas y sobre todo del producto elaborado seriacutea
pequentildeo
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
Agua
Tanque tratamien
Figur
NH4OH
HAuCl4
Produccioacuten de catalizadores
Recuperacioacuten de agua
de to
a
MezcladoresMezcladores
Cuando se requiere limpieza
Horno
Producto almaceacuten
30
1 Diagrama de produccioacuten Recuperacioacuten de cloro
UAM-I
35 BALANCE DE MATERIA DIAGRAMA DE FLUJO PARA DIFERENTES LOTES DE SOPORTE EN UN SOLO MEZCLADOR
Catalizadores de Oro So
05 Kg Au
10
0
086 Kg HAuCl4(ac)014 Kg H2O
035 Kg NO2(g)
2
35 Kg NH4(OH)(ac) (01M)
10000 Kg H2O
100 Kg Al3O
100 Kg Al2O3 (9965) 035 Kg Au (035) 025 Kg Cl2
026 Kg HauCl4(ac)35 Kg NH4(OH)
1101035 Kg H2O
O MEZCLADOR (t0)
10035 Kg catalizador
86 KgHAuCl4(ac)101035 Kg H2O
037 Kg HCl (ac) (105 M) 048 Kg HNO3(ac) (152 M)
porta
Kg N
30 Kg Al2Cl3
101021 Kg H2
do
H4 (OH) (ac) (01M) 30 Kg Al2O3 (9965) 01 Kg Au (035)
007 Kg Cl2
)
3
)
301 Kg catalizador MEZCLADOR (t1)
009 Kg HauCl4(ac)45 Kg NH4(OH)
1101035 Kg H2O
MEZCLADOR 1054 Kg catalizador
105 Kg Al2O3
(t2)
105 Kg Al2O3 (9965)
035 Kg NH4 (OH) (ac) (01M
004 Kg Au (035) 003 Kg Cl2
23 Kg Al2O
MEZCLADOR
(t3)23 Kg Al2O3 (9965)
2308 Kg catalizador
008 m3 NH4(OH) (ac) (01M
002 Kg HauCl4(ac)485 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
0008 Kg Au (035) 0006 Kg Cl2
0003 Kg HauCl4(ac)493 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
31
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado 32
DIAGRAMA DE FLUJO PARA UN MEZCLADOR
MEZCLADOR
1101035 Kg H2O
1428 kg γ-Al2O3
086 Kg HAuCl4
493 Kg NH4(OH)
0003 Kg HauCl4(ac)493 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
1433 Kg Catalizador
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
36 DIAGRAMA DE LA INDUSTRIA
INDUSTRIA DE CATALIZADORES
TANQUE DE TRATAMIENTO HORNO
CISTERNA 1
CONTENEDORDE AuCl3 CONTENEDOR DE
NH4OH ZONA DE LLENADO
DE SAPORTE
SE LLEVA AL HORNO
MANUALMENTE
PRODUCTOALMACEacuteN
Contenedor de HAuCl4
Figura 2 Diagrama de la distribucioacuten del equipo dentro del aacuterea de produccioacuten
33
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
37 DIMENSIONES DEL EQUIPO Y TUBERIacuteA
2 mts
2 mts 2 mts 6 mts 4 mts 3 mts 5mts 5 mts 3 mts 6 mts 3
3mts 3 mts 3mts 3 mts 3 mts
4 mts 1 5 mts 1 5 mts 4mts 4 7mts 4 mts 21 mts 7 2mts 26 mts 2 mts 21 mts 6 mts
3 5 mts 14 mts 6 mts 8 mts 1 5 mts 3 mts 5 mts 13 mts 8 mts 20 mts 30 mts
IN D U ST R IA D E C A T A L IZ A D O R E S
T AN Q U E D E T R AT AM IE N T O H O R N O
C IST E R N A 1
C O N T EN ED O RD E Au C l3
C O N T EN E D O R D E N H 4O H
ZO N A D E L LEN AD O D E SO PO R T E
AG UA PAR A JAR D IN ES
M E Z C L A D O R E S 12 3 y 4
1 2 3 4
A L M A C Eacute N
Contenedor de HAuCl4
Figura 3 Dimensiones del equipo y tuberiacutea requerida
34
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
38 PLANO DE DISTRIBUCIOacuteN DE AacuteREAS
Figura 4 Aacutereas de trabajo dentro de la planta
35
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
DIMENSIONES DE LA INDUSTRIA
Figura 5 Dimensiones de cada aacuterea de la planta industrial
36
UAM-I
Ingenieriacutea Quiacutemica 37
10 cm 3mts 1 mts 25 cm 15cm 5 cm 5 cm 3mts 150 mts 10 cms 100 mts 20 cm
003 mts
Figura 6 Dimensiones del mezclador y del Agitador
UAM-I
Las dimensiones de las canastillas se determinaron a partir del balance de masa y la
produccioacuten requerida La carga de un contenedor de soporte que es de 100kg del
cual el agitador tiene 4 canastillas cada una corresponde 25 Kg la masa se obtuvo
del balance de materia y su densidad 600 Kgm3 con el que se obtuvo un volumen de
0043 m3
39 ANAacuteLISIS FINANCIERO
El costo de materias primas se muestra en la Tabla 2 en la que tambieacuten se incluyen
los flujos de alimentacioacuten requeridos para el proceso a partir de los cuales se
determinaron los costos diarios
Tabla 2 Costo de materias primas [5]
Compuesto
Alimentacioacuten
por diacutea
Costo
USDKg
Costo Total
USDdiacutea
Au 2 kg 10596 2119200
HCl 15 Kg 52 780
HNO3 20 Kg 022 044
-Al2O3 5712 Kg 034 19421
Canastillas 500 piezas 15 75000
NH3(OH) 200 Kg 034 680
H2O 440414 Kg 282 282
Total de Materia Prima 2215407
El costo se determinoacute considerando la cantidad de material el tamantildeo y el costo de
manufactura
El costo se determinoacute para uso industrial conforme establece la tesoreriacutea de
Meacutexico
Ingenieriacutea Quiacutemica 38
UAM-I
PERSONAL REQUERIDO PARA LA INDUSTRIA
La Tabla 3 establece los salarios mensuales anuales y las prestaciones del IMSS
para el personal de la planta
Tabla 3 Salarios y Prestaciones del Personal
Mano de Obra (USDmes)p
ersona
USDmes USDantildeo Prestaciones
IMSS
1 Gerente 2000 2000 24000
1 Administrador 1000 1000 12000
1 Secretaria 400 400 4800 1193
Total de Salarios
Administrativos
40800 1193 409193
9 Obrero 150 150 1800 448
1 Teacutecnico 200 200 2400 597
1 Policiacutea 200 200 2400 597
1 Mantenimiento 180 180 2160 538
1 Limpieza 150 150 1800 448
Total de Salarios
Proceso
10560 2628 108228
Los salarios se determinaron en base al salario miacutenimo vigente en la Ciudad de
Meacutexico (2003)[29]
Ingenieriacutea Quiacutemica 39
UAM-I
PERSONAL
Departamento de produccioacuten
Se tendraacute 2 obreros en el llenado de soporte en las rejillas un obrero encargado del
traslado de rejillas por medio de la banda de los motores a cada contenedor un
obrero en cada contenedor de NH4OH y HAuCl4 en cada mezclador se tiene 1
obrero para descargar y cargar las rejillas a la banda que se trasladaran al horno en
el horno se tiene 1 obrero encargado del secado y calcinado el producto se traslada
al almaceacuten donde estaraacuten 2 obreros que reciben el producto y materias primas de los
proveedores se tiene 1 teacutecnico supervisando los equipos un encargo del
mantenimiento de los equipos
Departamento de personal
Gerente de la industria un administrador encargado de compra y venta de materias
primas una secretaria
Ingenieriacutea Quiacutemica 40
UAM-I
CAPITAL FIJO
La Tabla 4 muestra el costo de los equipos requeridos en la planta asiacute como el
Capital Fijo y la Inversioacuten del Capital Total
Tabla 4 El equipo se costeo usando las correlaciones de Ulrich [6] y empleando el
programa de Capcost
EQUIPO USD
4 Contenedores 23584
4 Agitadores (456kW) 269760
1 Horno (25 kW) 15700
15 Bombas (1469kW) 43081
1 Motor (114 kW) 67440
Tuberiacuteas 42150
2 Cisternas 174183
Vaacutelvulas 1283
Accesorios
(codos 90ordm y de 45ordm te)
1474
CAPITAL FIJO 638655
Capital de Trabajo 9579825
INVERSIOacuteN DE
CAPITAL TOTAL
73445325
Los caacutelculos y las correlaciones empleadas para el costeo del equipo se anexan en
el Apeacutendice A
Ingenieriacutea Quiacutemica 41
UAM-I
GASTOS GENERALES
Tabla 5 Proporciona el total de gastos anuales con lo cual se estima el precio por
kilo de catalizador y por unidad purificadora
Tabla 5 Gastos Generales anuales
USDAntildeo
Materias Primas 531697680
Mano de Obra de Operacioacuten 1082280
Mano de Obra de Oficina 4091930
Servicios Electricidad 2620100
Total de Gastos Generales 539491990
CFE
Produccioacuten diaria de Catalizador = 574 Kg
Precio de Catalizador = 40 USDKg
Produccioacuten diaria de unidades purificadoras = 500
Precio por unidad = 50USD
Ganancia diaria = 22960 USD
Ganancia Anual = 5510400 USD
DETERMINACIOacuteN DE LA RENTABILIDAD DEL PROYECTO
TPI (Actual) = 10
PR (Factor de riesgo) = 25
TREMA = TPI + PR
TREMA = 35
TIR (del proyecto) = 90
TIR gt TREMA
Puesto que la TIR es mayor que la TREMA se tiene que el proyecto es rentable [6]
Ingenieriacutea Quiacutemica 42
UAM-I
310 CONCLUSIONES
En el desarrollo de la industria para la fabricacioacuten de catalizadores se tuvo un
resultado satisfactorio a pesar de la falta de informacioacuten disponible acerca de
industrias de catalizadores debido a que esta informacioacuten no es publica El proyecto
que elaboramos es novedoso en nuestro paiacutes ya que no existen registros de una
industria que produzca catalizadores de oro soportados en aluacutemina
Durante el desarrollo del proyecto se planteoacute trabajar con compuestos como NOx y
COVS sin embargo debido a la falta de tiempo no se logroacute concluir la
experimentacioacuten en estos campos Debido a esto se tomoacute la decisioacuten de trabajar en
la oxidacioacuten cataliacutetica de CO Esto debido a varios factores por ejemplo la
disponibilidad de gases y sobre todo los costos que esto implicaba
Para el desarrollo del catalizador se analizaron diferentes tipos de preparacioacuten y se
eligieron dos meacutetodos diferentes Deposicioacuten-precipitacioacuten e Impregnacioacuten Los
catalizadores se evaluaron bajo diversas condiciones en la oxidacioacuten de CO El
catalizador que presentoacute mayor conversioacuten con el catalizador a baja temperatura fue
el sintetizado por el meacutetodo de Deposicioacuten-precipitacioacuten el cual se utilizoacute para el
disentildeo de la Industria El disentildeo estaacute basado en la forma de preparacioacuten del
catalizador Por esto la parte maacutes importante de la planta es el tanque de mezclado
el cual se disentildeo tomando en cuenta los diferentes disentildeos de agitadores para tener
un mezclado oacuteptimo Se incorporo en la parte superior del agitador las canastillas
para las pastillas cataliacuteticas y el tipo de Horno que se usara para el secado y
posteriormente el calcinado Una parte importante es la produccioacuten de catalizador
para este problema se investigoacute en que parte se podriacutea utilizar a diferencia de los
catalizadores para automoacuteviles Se llego a la decisioacuten de poder desarrollar un
catalizador para los calentadores de agua se obtuvo informacioacuten de la fabrica de
calentadores cal-o-rex en la produccioacuten diaria de calentadores y de esta informacioacuten
se pudo calcular la posible demanda de nuestro producto Una parte importante en
las industrias son el tipo de bombas ya que existen diversos modelos en nuestro
disentildeo se escogioacute las bombas centriacutefugas con rodetes para agua que contiene
pequentildeas partiacuteculas de soacutelidos
En la parte de servicios para personal se investigo los sueldos de cada empleado Se
determinoacute el costo de los equipos y finalmente llegamos a la parte que nos interesa
Ingenieriacutea Quiacutemica 43
UAM-I
del disentilde es decir si el proyecto es rentable o no En este caso particular se tuvo un
valor aceptable y se definioacute que el disentildeo es rentable Esto indica que seria una
industria que tendriacutea ganancias y a la vez que el producto que se fabrique nos
ayudaraacute a todos a reducir la emisioacuten de CO en los hogares aportando una pequentildea
ayuda al medio ambiente
COMENTARIOS
Los conocimientos adquiridos durante este tiempo fueron provechosos en la parte
teoacuterica y praacutectica aclaramos dudas de como y porque se comportan las reacciones
quiacutemicas y los procesos de flujos Durante el desarrollo del proyecto aprendimos a
observar y la importancia de entender fiacutesicamente las algunos procesos relacionados
con la siacutentesis y caracterizacioacuten de materiales cataliacuteticos
Ingenieriacutea Quiacutemica 44
UAM-I
38 BIBLIOGRAFIacuteA
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Ingenieriacutea Quiacutemica 46
UAM-I
APEacuteNDICE A
CRITERIOS PARA DETERMINAR QUIEacuteN CONTROLA EL PROCESO
Criterio de weisz para difusioacuten interna
Ec(12-16 Fogler) Los valores que se sustituyen en las siguientes ecuaciones fueron
tomados del catalizador que se analizo en el laboratorio
CWP = ( )
AS
cObsA
DeCRcr 2minus
lt 1
-rA(Obs) = velocidad de reaccioacuten observada molgcats Cc = concentracioacuten volumeacutetrica molm3
CAS = concertacioacuten en la superficie molm3
D= diaacutemetro del granulo m R = radio del granulo m De = difusividad efectiva m2s
d = 0149mm mxmm
m 4104911000
1 minus=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
CWP = ( )( )3
32
24
33
103470184200350
21049150800010681
minus
minusminus
=⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞⎜
⎝⎛
x
mmol
hrm
mxcatm
gcathgcat
molx
734x10-3 lt 1 No hay limitante por la difusioacuten interna
Ingenieriacutea Quiacutemica 47
UAM-I
Criterio de mears para difusioacuten interna Ec(12-62 Fogler)
Mm = 150ltAbc
bA
CkRnr ρminus
Mm =( )( )
0570
136000184200220
31110457508000106851
3
53
3
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ minusminus
hrs
mmol
sm
mxcatmgcat
hgcatmolx
0057 lt 015 no hay efecto de transferencia de masa externa Calculo de Dab para calcular el coeficiente de trasferencia de masa Ec(78 Lobo)
De =
KAAB DD11
1
+
DKA = 970X103 (80X10-8)(s
cmK 221 1090)
2400( =
DAB = 00018583ABAB
BA
PMMT
Ω
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ +
2
2123 11
γ
Para CO
0110=isin
Bk 0593 A=γ
Para O2
Ingenieriacutea Quiacutemica 48
UAM-I
0113=isin
Bk 0453 A=γ
( ) 51343359321
=+=ABγ
( )( )[ ] 21113110BAB k=isin A la temperatura de 400degK
( ) 583))113)(110((
40021 =
deg=
isin B
B
AB
B
KKKTK
Ω AB = 0907 Sustituyendo
DAB =s
cm2
2
2123
9730)9070()513(
)21281()400(00185830=
+
De = hrm
hrs
cmm
scm 222
03501
3600100
10980
10901
97301
1=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
+
Calculo de Kc Sh = (Re)12(Sc)13
Velocidad superficial
V = sm
shr
hrm
mxhr
m
Av
c
02036001976
1087
006025
3
0 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛== minus
Ingenieriacutea Quiacutemica 49
UAM-I
Re= ( ) 240)1062)(501(
)10491)(020(
1 25
4
=minus
=minus minus
minus
smx
mxsmvd p
νφ
Sc= 672)3600
1)(0350(
10622
25
==minus
shr
hrm
smx
Dv
AB
Sh= ( 024 )12 ( 267 )13 = 0679
Kc = Shdp
DAB⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛minusφ
φ1
Kc = ( )sm
mxs
mx02206790
10491
10729
50501
4
26
=⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛minus
minus
minus
Calculo de numero Thile con el radio que usara a nivel industrial
φ = L ( )DkCn n
AS
21 1minus+
L = 3R
Sustituyendo
φ = 66x10-4 m( )
( )
450
03502
018420
5480941311
3
30
3330
313
=
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+
catmhrm
mmol
hrcatmmolm
η = 1 con los resultados anteriores se observa que quieacuten limita es la velocidad de
reaccioacuten Por lo que se procede a calcular el peso y longitud de catalizador
necesaria para muestro purificador sustituyendo los valores del Boiler
Ingenieriacutea Quiacutemica 50
UAM-I
Peso del Catalizador w =
( ) grcatgcatLn
gcatm
mmol
hrcatmmolm
hrm
xLn
kCv
A
66476639401
1
6000001578
548094
19836
11
330
3330
313
3
0
0 asymp=minus
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
minus
g 664=w
33
3
1011
mg60000
g 664 mxwv minus===ρ
m 035003101011
2
33
==minus
mmxL
cm 531000350 == xL
Ingenieriacutea Quiacutemica 51
UAM-I
APEacuteNDICE B BALANCE DE MASA DE LA PREPARACIOacuteN DE HAUCL4 Au(g) + 3HNO3(ac) + 4HCL(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O + 3N02(g) (152 M) (105M)
cantidad de mol Au = 05 kg Au x molAu
grAumolAux
kggr 542
971961
11000
=
cantidad de kg HNO3 = ( ) 33
33 480
10001
1635423 kgHNO
grkgx
molHNOGRHNOxHNOmol =
cantidad de kgHCl = ( ) kgHClgr
kgxmolHCl
grHClHClxmol 3701000
11
5365424 =
cantidad de kgHAuCl4 = 254molHAuCl4 x 44
8601000
11
97339 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
gr=
cantidad de kgH2O = 3( 254mol)H20 x OkgHgr
kgxOmolHOgrH
22
2 1401000
1118
=
cantidad de Lt H20 = 762molHNO3 x OltHOkgHOLtH
22
2 14011
=
cantidad de Lt H20 = 1016 mol HNO3 x 050215
012
2 LtHmol
LtH=
cantidad de LtH20 = 1016mol HCl x OLtHLtHmolHCl
LtH22
2 010970510
01asymp=
cantidad de MHAUCl4 = ( ) ( ) ( ) MHltltlt
ClmolHAU 7210850490140
542
2
4 asymp++
cantidad de kg NO2(g) = 3( 254mol)NO2 x )(22
2 3501000
1146
SkgNOgr
kgxmolNO
grNO=
Ingenieriacutea Quiacutemica 52
UAM-I
05 kg Au 048 kgHNO3 035 kgNO2 101021 kgH20 (152M) 037 kgHCl(ac)
(105 m) 086 kg HAuCl4 (ac) 086 kg HAuCl4 (ac)
(17 M) 014 kgH20 (25x10-3M) 014kg H20 (L) 086kg HAuCl4 035kgNO2 (g) 101185kg H20 Cantidad de H20 = 086 kgHAuCl4
x 08510110101
105201
173341
11000
22
23
24 kgHLtHkgHx
MxltHx
grmolHAuClx
kggr
=minus
pero (101185 ndash 014 ndash 05 ndash 1) kg H20 = 101021 kg H20 100ml H20 por 1 gr soporte 35kg NH4 (OH)(AC) 10000kgH20 100 kg γAl203 (9965) 035kgAu (035) 100kg γAl203 025kgCl2 086kg HAuCl4 026kgHAuCl4
101185 kg H20 35kgNH4 (OH)(AC) 1101185kgH20 cantidad de kgHAuCl4 = 015kgAu x
44
4 2601000
11
973391
197196
147196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxgrAu
molxkg
gr=
cantidad de NH4(OH) = 100kg γ Al203 x
Ingenieriacutea Quiacutemica 53
UAM-I
kgNHxmol
grx
mlmol
xOAlgr
OHmlNHx
kg
gr53
10001
1
35
100010
1
)(10
1
1000
32
4=
γ4(OH)
30kg γAL2O3 1 kgNH4(OH)(AC) 30 kg γ Al203 (9965) 010 kg Au (035) 026kgHAuCl4 007kg Cl2 35kgNH4(OH) 1101185 kgH2O 0086kgHAuCl4 45 kg NH4(OH)(AC) 1101185 kg H20
cantidad de γ Al2O3 = 026kgHAuCl4 x 324
32 02330860
100 AlkgkgHAuCl
OAlkg γγ=
cantidad de kgAu = 035 x kgAukg 10506599
30=
cantidad de kg Cl2 = 01 kgAu x
22
2 07201000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de HAuCl4 = 005kgAu x
44
4 08601000
11
973391
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 54
UAM-I
cantidad de kgNO4(OH) = 30 kg γ Al203 x ( )OHkgNHAlkg
OHkgNO4
32
4 0510100
)(53=
γ
105 kg γ Al203 035 kg NH2(OH) 105 kg γ Al203 (9965) 004 kg Au (035) 009kg HAuCl4 003 kg Cl2 45kgNH4(OH) 1101185 kg H20 0017kgHAuCl4 485kgNH4 (OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 009 HAuCl4 x 324
32 04710860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad kg de NH4 (OH) = 105kg γ Al203 x ( ) )(3500100
534
32
4 OHkgNHAlkg
OHkgNH=
γ
cantidad de Cl2 = 004 kg Au x
22
2 02901000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
gAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 =
44
44 02001701000
11
973391
197196
11
1000010 kgHAukgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgr
molAuxkg
grkgAux asymp=
Ingenieriacutea Quiacutemica 55
UAM-I
23 kg γ Al203 008kgNH4(OH) 002 kg HAuCl4 23 kg γAl203 (9965) 485kgNH4(OH) 0008kgAu(035) 1101185kg H2 0001kg Cl2
0014 kg HAuCl4 493kgNH4(OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 002kgHAuCl4 x 324
32 032860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad de kg Au = 035 x kgAukg 00806599
32=
cantidad de kgCl2 = 0002kgAu x
24
4 00101000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 = 0008kgAu x
44
44 01401000
11
973341
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 56
UAM-I
APEacuteNDICE C ACCESORIOS EN EL DISENtildeO
Agitador
Agitadores de Heacutelice se escogioacute este tipo de agitador por ser tener las siguientes
caracteriacutesticas [3]
bull Es un agitador de flujo axial
bull Se emplea para liacutequidos pocos viscosos
bull Giran a toda la velocidad del motor
bull Las corrientes de flujo se mueven a traveacutes del liacutequido en una direccioacuten
determinada hasta que son desviadas por el fondo o las paredes del tanque
bull Las palas de la heacutelice cortan o friccionan vigorosamente el liacutequido
bull Los agitadores de heacutelice son eficaces para tanques de gran tamantildeo
Horno
bull El horno se escogioacute por ser tener las siguientes caracteriacutesticas [5]
bull El horno de construccioacuten metaacutelica
bull La caacutemara de combustioacuten estaacute construida mediante hormigones refractarios
de alta resistencia mecaacutenica
bull Las materias secar y calcinar se carga de forma manual
Ingenieriacutea Quiacutemica 57
UAM-I
Bomba
DISENtildeO Bomba centrifuga para operacioacuten horizontal o vertical del impulsor
cerrado succioacuten al extremo descarga hacia arriba tangencial simple succioacuten de un
paso con carcaza partida verticalmente [3]
ROTACIOacuteN En el sentido del reloj vista desde el cople
CARACTERIacuteSTICAS Conexiones brindadas con registro ubicado en la cabeza de
succioacuten para facilitar su limpieza
SERVICIO Debido a que es posible colocarla en posicioacuten horizontal o vertical tanto
en caacutercamos secos como huacutemedos y por el disentildeo de su impulsor que soacutelidos de
gran tamantildeo esta bomba es ideal para los procesos de tratamientos de agua y
manejo de liacutequidos en suspensioacuten en general
CAPACIDADES
GASTO Hasta 3000 GPM
CDT Hasta 80rsquo
PRESIOacuteN 106 Kgcmsup2
POTENCIA De 1 a 60 Hp
VELOCIDAD (1175 - 3550 RPM)
TEMPERATURA 125degC
Ingenieriacutea Quiacutemica 58
UAM-I
Bombas Centriacutefugas
Las maquinas centriacutefugas estaacuten constituidas por un impulsor o rodete formado por
una serie de aletas radiales diversas formas y curvaturas que giran dentro de una
caja circular El fluido penetra por el ojo o eje de rotacioacuten y se descarga maacutes o
menos radialmente en una caacutemara perifeacuterica a una elevada presioacuten que
corresponde a la suma de la fuerza centriacutefuga de la rotacioacuten maacutes la cineacutetica
comunicada al fluido por las aletas La parte moacutevil de la bomba es el rodete Las
aletas del rodete se extienden desde el centro de rotacioacuten hacia la periferia y las
bridas son los discos de refuerzo a cada lado de las aletas que las envuelven Las
aletas pueden ser radiales curvadas ligeramente hacia delante en el mismo sentido
de la rotacioacuten o estar curvadas al reveacutes en el caso maacutes comuacuten en el disentildeo se
determino el rodete siguiente por sus caracteriacutesticas Fig 1
Figura 1 Corte parcial de un rodete de centriacutefuga para grandes cargas y secciones
de paso estrechas empleando con liacutequidos corrosivos o suspensiones de pequentildeas
partiacuteculas[4]
Ingenieriacutea Quiacutemica 59
UAM-I
APENDICE D CALCULO DE POTENCIA DE BOMBAS (8)
Potencia de la bomba de la cisterna 1 que alimenta a los mezclador 4
Ecuacioacuten de Bernoulli
sum sumint =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛+++∆+∆i i
i
P
P
evvfDLvwdphgv 0
21
21
ˆ1
21 222
2
1ρ
a b c d e f
a Diferencia de velocidades
b Diferencia de alturas
c Diferencia de presiones
d Trabajo
e Perdidas de friccioacuten en tuberiacuteas
f Perdidas de friccioacuten en accesorios
En la ecuacioacuten anterior se pueden eliminar algunos teacuterminos
21 mts
6 mts 35 mts
Figura 1 Balance de cisterna 1 a mezclador 4
Se debe de tener dos puntos de referencia para la utilizacioacuten de la ecuacioacuten de
Bernoulli de los cuales se anotaron en la figura 2
Ingenieriacutea Quiacutemica 60
UAM-I
21 mts
2 1 6 mts 35 mts
Figura 2
Teniendo los puntos de referencia se analiza que las diferencias de velocidades son
cero en ambos puntos por lo tanto el termino 2
21 ν∆ es igual a cero
El termino de = (981hg∆ 2segm )(35m ndash 0) = 34335 2
2
segm
El termino de int2
1
1P
P
dpρ
se tiene que la cisterna y el tanque de mezclado ambos no
estaacuten cerrados y por lo tanto no originan un cambio de presioacuten y el termino es cero
De esta expresioacuten L longitud de tuberiacutea
tro de tuberiacutea
n el interior del tubo
v
Para la l radio del tubo que
sum ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
i
fDL2
21 ν
D diaacuteme
f perdidas de friccioacuten e
velocidad del flujo de agua
obtencioacuten de la velocidad se tiene el flujo volumeacutetrico y e
es de 32 cm =0032mts con la ecuacioacuten
Ingenieriacutea Quiacutemica 61
( )( ) sm
ms
m
RQ 761
032060min1)
min340(
2
3
2 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
==ππ
ν
UAM-I
Se reportan valores de perdida de fr
e reduce teacuterminos
iccioacuten en tubos que son igual a 005
Por lo tanto sustituyendo los teacuterminos en la ecuacioacuten de Bernoulli s
sum sumint =⎟⎠
⎜⎝
+⎟⎠
⎜⎝
+++∆+∆i i
iP
evvfD
vwdphgv 022
ˆ2
1ρ
⎞⎛⎞⎛ L 111 2222
or tanto el termino de trabajo queda expresado de la siguiente manera
tanto la bomba comunica al fluido que circula en el sistema un trabajo
+11727
P1
p w
sum sum ∆minus⎟⎠⎞
⎜⎝⎛minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛minus=
i ii
hgevvfDLvw 22
21
21
ˆ
( ) ( )
Este es el trabajo ( por unidad de masa) producido por el fluido en la bomba por lo
22
sm o 11727 981 = 1195
m
fKg
Kgm
La velocidad de flujo de masa es
Por lo tanto
1 )=6694
951)(675(ˆ =minus=minus WwW smkg f = 088Hp = 1Hp
Siendo esta ida para esta bomba El procedimiento anterior se
iguioacute para cada bomba de la planta
AP E
la potencia requer
s
EacuteNDICE
TOXICOLOGIacuteA DE MATERIAS PRIMAS [6]
( ) ( ) ( )( ) ( )( )msm
smmmm
sm 538192201150761
21050
032021536761
21
2
22minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ +minus⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ++
minus=wm
22
27117ˆ smw minus=
( )s
kgmkgQw m675100060340 3 === ρ
Ingenieriacutea Quiacutemica 62
UAM-I
HIDROacuteXIDO DE SODIO
Polvo corrosivo blanco delicuescente
Toxicidad
Concentracioacuten Maacutexima permisible 2mgm3 en aire
Signos y Siacutentomas Conjutivitis quemaduras corneales y de la piel Irritacioacuten
seas vomito dolor abdominal y diarrea a veces con
Lavado de las partes afectadas tranquilizantes sulfato de
decuada gafas protectoras o pantallas para
ignos y Siacutentomas Irritacioacuten de ojos quemaduras corneables tos dolores
l hemoptisis dolor de cabeza dolor epigaacutestrico nauseas y vomito
lmonar
Tratamiento lavado de ojos con agua reposo oxigeno con aparato de respiracioacuten
con onantes
ACIDO NITRICO
Liquido corrosivo sofocante de incoloro a amarillento
ioacuten maacutexima permisible 10ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
del tracto respiratorio nau
sangre
Tratamiento
morfina para el dolor y cortisona
Medidas preventivas Ventilacioacuten a
la cara completa mascarilla con filtro mecaacutenico guantes delantares botas de
goma y acentuar la limpieza personal
CLORO
Gas pasado amarillo verdoso
Toxicidad
Conc Maacutexima permisible 1 ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten
S
retrosterna
debilidad cianosis y edema pu
trolada bronco dilatadores y descongesti
Toxicidad
Concentrac
Ingenieriacutea Quiacutemica 63
UAM-I
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
Signos y siacutentomas Erosioacuten dental estornudo tos Dolor en el pecho bronquitis y
la las partes contaminadas del cuerpo con solucioacuten al 5 de
de las quemaduras con pantildeos
de triacuteo sulfato soacutelido si se a ingerido
vado de ojos con agua
ACIDO CLORIDRICO
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
ivitis necrosis corneal por inhalacioacuten rinitis erosioacuten
dolor de cabeza palpitacioacuten por ingestioacuten
s en la boca faringe esoacutefago estomago salivacioacuten vomito Soc
agua lavada de agua y jaboacuten de las partes
preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
AacuteC
El c
con o de hidroacutegeno una
concentracioacuten de 12 molLt Este aacutecido es un liacutequido incoloro con un olor aacutecido
bronconeumoniacutea
Tratamiento
bicarbonato soacutelido o con agua y jaboacuten Tratamiento
mojados con solucioacuten saturada
administracioacuten por viacutea oral de solucioacuten de jaboacuten Hidroacutexido caacutelcico o alumiacutenico u
oacutexido de magnesio
Medidas preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores excluir de la exposicioacuten
a los individuos con enfermedades de pulmones y rintildeones
Gas incoloro o liacutequido o a amarillento
Toxicidad
Concentracioacuten maacutexima permisible 5ppm en aire
Signos y siacutentomas conjunt
dental laringitis bronquitis neumoniacutea
quemadura
nefritis
Tratamiento lavado de ojos con
contaminantes del cuerpo tratamiento ordinario de quemaduras lavado gaacutestrico
se a ingerido con solucioacuten de bicarbonato soacutedico al 5 seguido de una instilacioacuten
de gel de hidroacutexido de aluminio
Medidas
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores
IDO CLORHIacuteDRICO
loruro de hidroacutegeno es en extremo soluble en agua de hecho el aacutecido clorhiacutedrico
centrado contiene cerca del 38 en masa de clorur
Ingenieriacutea Quiacutemica 64
UAM-I
pronunciado que se debe al equilibrio entre el cloruro de hidroacutegeno gaseoso y
ste con el aacutecido fluorhiacutedrico el aacutecido clorhiacutedrico es un aacutecido fuerte (pKa = -
7) y se ioniza casi totalmente
gar de aacutecido sulfuacuterico auque en menor grado Por
jemplo el zinc metaacutelico reacciona con aacutecido clorhiacutedrico para dar el ion zinc e
hidroacutegeno gaseoso
Zn(s) + 2HCl(ac) ZnCl2(ac) + H2(g)
l para producir aacutecido clorhiacutedrico en el laboratorio es generar
cloruro de hidroacutegen e sodio y el aacutecido
ulfuacuterico En el primer paso a 150degC se forma hidroacutegeno sulfato de sodio
NaHSO4(s) + HCl(g)
io y maacutes
loruro de hidroacutegeno gaseoso Luego el gas se disuelve en agua para formar el
aacutecido
NaHSO4(s) + NaCl(s) Na2SO4(s) + HCl(g)
acuoso
HCl(ac) HCl(g)
El reactivo de grado teacutecnico a menudo tiene un color amarillento por una impureza
del ion hierro (III)
En contra
HCl(ac) + H2O(l) H2O+(ac) + Cl -(ac)
Por ello a menudo se prefiere usar aacutecido clorhiacutedrico diluido en lugar de aacutecido niacutetrico
que es muy oxidante y en lu
e
Cuando el zinc reacciona con el aacutecido niacutetrico es comuacuten que se reduzca una parte
del ion nitrato para dar dioacutexido de nitroacutegeno
El meacutetodo tradiciona
o gaseoso por la reaccioacuten entre el cloruro d
s
NaCl(s) + H2SO4(l)
La mezcla se calienta a 550degC temperatura a la cual el hidroacutegeno sulfato de sodio
reacciona con un exceso de cloruro de sodio para formar sulfato de sod
c
∆
Este meacutetodo se usa tambieacuten en la industria otra forma de producir cloruro de
hidroacutegeno es por la combinacioacuten directa de dicloro y dihidroacutegenogaseosos
Ingenieriacutea Quiacutemica 65
UAM-I
H2(g) + Cl2(g) 2HCl(g)
La mayor cantidad de cloruro de hidroacutegeno que se produce actualmente es un
CH4(g) + 4Cl2(g) 4(l) + 4HCl(g)
riacuten de superficies de acero en un bantildeo aacutecido en la purificacioacuten de glucosa
y jarabe de maiacutez e s y de gas y en la
bricacioacuten de compuestos clorados El aacutecido se puedo comprar en muchas
nducida por la luz
4HNO3(ac) 4NO2(g) + O2(g) + 2H2O(l)
niacutetrico como disolvente)
H2NO3+ H2O + NO2
+
l siguiente
3HNO NO3 ndash
subproducto de otros procesos industriales como la siacutentesis de tetracloruro de
carbono
CCl
Se consumen cerca de 107 toneladas de aacutecido clorhiacutedrico cada antildeo en todo el
mundo Este aacutecido tiene una gama muy amplia de usos como aacutecido comuacuten para
eliminar o
n el tratamiento con aacutecido de pozos petrolero
fa
ferreteriacuteas con el arcaico nombre de aacutecido muriaacutetico sus principales usos caseros
son la limpieza de superficies de concreto y la eliminacioacuten de herrumbre Un nuacutemero
muy reducido de personas es incapaz de sintetizar suficiente jugo gaacutestrico y deben
de ingerir caacutepsulas de aacutecido clorhiacutedrico diluido con cada comida
AacuteCIDO NIacuteTRICO
El aacutecido niacutetrico un liacutequido aceitoso e incoloro en estado puro es sumamente
peligroso El aacutecido que funde a ndash42degC y hierve a +83degC tiene por lo general un
ligero color amarillo a causa de una reaccioacuten de descomposicioacuten i
En un estado puro el aacutecido niacutetrico liacutequido praacutecticamente no conduce la electricidad
Una pequentildea porcioacuten se ioniza como sigue (todas estas especies existen en el aacutecido
2HNO3(l) H2NO3+ + NO3
ndash
H2O + HNO3 H3O+ + NO3 ndash
Para dar la reaccioacuten globa
3 NO2+ + H3O + 2+
Ingenieriacutea Quiacutemica 66
UAM-I
El catioacuten nitrilo es importante en la nitracioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas por ejemplo la
obenceno C6H5NO2 una etapa importante en
umerosos procesos industriales orgaacutenicos
El aacutecido niacutetrico con en agua mientras
ue el ldquoaacutecido niacutetrico fumanterdquo un oxidante extremadamente poderoso es una
vez de ello se produce una mezcla de
sistema que da un orden de
vista industrial el
oceso
e lleva a cabo en tres etapas Primero se hace pasar una mezcla de amoniaco y de
dioxiacutegeno (o aire) un proceso muy
ficiente y exoteacutermico que hace que la malla se ponga al rojo Esta etapa se verifica
conversioacuten de benceno C6H6 en nitr
n
centrado es en realidad una solucioacuten al 70
q
solucioacuten roja de dioacutexido de nitroacutegeno en aacutecido niacutetrico puro Incluso cuando esta
diluido el aacutecido niacutetrico es un oxidante tan fuerte que rara vez desprende hidroacutegeno
cuando se pone en contacto con metales en
oacutexidos de nitroacutegeno y el metal se oxido a su catioacuten
Los enlaces O-N son mucho maacutes cortos (121 pm) que el enlace O-N unidos al aacutetomo
de hidroacutegeno (141 pm) Esta longitud de enlaces indica que hay enlaces muacuteltiples
entre el nitroacutegeno y los dos aacutetomos de oxiacutegeno terminales Ademas de los electrones
del sistema σ hay cuatro electrones que participan en el sistema π O-N-O dos de un
orbital enlazante y dos en un orbital no enlazante
enlace de 112 para cada uno de esos enlaces nitroacutegeno- oxiacutegeno
A veces se nos olvida hasta queacute punto nuestra experiencia depende de la
termodinaacutemica y la cineacutetica Por ejemplo la primera siacutentesis industrial de aacutecido
niacutetrico se llevaba ha cabo por simple combinacioacuten de diniacutetrogeno dioxiacutegeno y agua
utilizando un horno de arco eleacutectrico a fin de proporcionar la energiacutea necesaria par
superar la muy elevada barrera cineacutetica Aunque desde el punto de
factor cineacutetico constituiacutea un problema en realidad es una bendicioacuten por que sin esta
barrera cineacutetica hace mucho tiempo que todo el dioacutexido de la atmoacutesfera se abriacutea
transformado en aacutecido niacutetrico y nuestros mares serian de aacutecido niacutetrico diluido
frac12 N2(g) + 54O2(g) + 12H2O(g) HNO3(g)
Ahora se utiliza el proceso Ostwald para la siacutentesis de aacutecido niacutetrico Este proceso
consume gran parte del amoniaco que se produce por el proceso Haber El pr
s
a traveacutes de una malla de platino metaacutelico Eacuteste es
e
a baja presioacuten para aprovechar el efecto entropico es decir la formacioacuten de 10
moles de gas a partir de 9 moles de gas (una aplicacioacuten del principio de Le Chatelier)
para desplazar el equilibrio a la derecha
Ingenieriacutea Quiacutemica 67
UAM-I
4NH3(g) + 5O2(g) 4NO(g) + 6H2O(g)
Se agrega maacutes oxiacutegeno para oxidar el monoacutexido de nitroacutegeno a dioacutexido de nitroacutegeno
A fin de mejorar el rendimiento de esta reaccioacuten exoteacutermica se extrae calor de los
ases y la mezcla se somete a presioacuten
2HNO3(l) + NO(g)
Esta reaccioacuten tambieacuten es exoteacutermica y una vez maacutes se aplica enfriamiento y alta
la
egunda etapa para oxidarlo de nuevo
La contaminacioacuten s de aacutecido niacutetrico
as plantas maacutes antiguas eran faacutecilmente identificables por la fumarola cafeacute-
antas maacutes antiguas ahora mezcla cantidades
en Estados Unidos porque un 20
dedica ala produccioacuten de explosivos
or ultimo el aacutecido niacutetrico es un liacutequido que hierve a 826degC No existe como liacutequido
g
2NO(g) + O2(g) 2NO2(g)
El dioacutexido de nitroacutegeno se mezcla con agua para dar una solucioacuten de aacutecido niacutetrico
3NO2(g) + H2O(l)
presioacuten par obtener el maacuteximo rendimiento El monoacutexido de nitroacutegeno se vuelve a
s
soliacutea ser un problema importante de las planta
L
amarillento del dioacutexido de nitroacutegeno que escapaba por ellas Las plantas maacutes
antiguas eran faacutecilmente identificable por la fumadora cafeacute-amarillo del dioacutexido de
nitroacutegeno que escapaba de ellas Las pl
estequiomeacutetricas de amoniaco con las oacutexidos de nitroacutegeno con lo cual se obtiene
dinitroacutegeno y vapor de agua ambos inocuos
NO(g) + NO2 (g) + 2NH3(g) 2N2(g) + 3H2O(g)
En todo el mundo alrededor del 80 del aacutecido niacutetrico se utiliza en la produccioacuten de
fertilizantes Esta proporcioacuten es de solo el 65
se
P
puro porque en alguna medida se descompone espontaacuteneamente como sigue
4HNO3(l) 4NO2(g) + 2H2O(l) + O2(g)
Ingenieriacutea Quiacutemica 68
UAM-I
El aacutecido niacutetrico concentrado que se usa en el laboratorio estaacute al 68 en masa HNO3
(densidad 142 gcm3) lo que corresponde a 157 M
l aacutecido niacutetrico es un poderoso agente oxidante El nuacutemero de oxidacioacuten del N en el
) El aacutecido niacutetrico puede oxidar
nto a metales que estaacuten abajo del hidroacutegeno como aquellos que se encuentran
4Zn2+(ac) + NH4
+(ac) + 3H2O(l)
do no oxida al oro Sin embargo cuando se mezcla con
cido clorhiacutedrico concentrado en relacioacuten 13 en volumen (una parte de HNO3 a tres
partes al oro
omo sigue
APEacuteNDICE F
ETODO DE DEPOSICIOacuteN-PRECIPITACIOacuteN
E
HNO3 es + 5 Los productos maacutes comunes de la reduccioacuten del aacutecido niacutetrico son el
NO2 (N = + 4) el NO (N = + 2) y el NH4+ (N = - 3
ta
arriba en la serie de actividades Por ejemplo el cobre es oxidado por el aacutecido niacutetrico
concentrado como se mencionoacute antes
En presencia de reductores fuertes como el zinc metaacutelico el aacutecido niacutetrico se puede
reducir hasta ion amonio
4Zn(s) + 10H+(ac) + NO3
-(ac)
El aacutecido niacutetrico concentra
aacute
de HCl) la disolucioacuten resultante denominada agua regia puede oxidar
c
Au(s) + 3HNO3(ac) + 4HCl(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O(l) + 3NO2(g)
M
Ingenieriacutea Quiacutemica 69
UAM-I
APEacuteNDICE G
ISENtildeO DEL MEZCLADOR [4]
1) 100 ml H2O gr soporte
2) NH4(OH)
Ajustar a PH = 9 4) HAuCl4 (solucioacuten acuosa al 25E-3M)
6) Filtrado o centrifugado
3) En Agitacioacuten por 2 hr
8) Secado por 2hr a 80 degC
9 ) Calcinado por 4hr a 400 degC
7) Lavado
5) Antildeegamiento por 30 min
D
Ingenieriacutea Quiacutemica 70
UAM-I
El disentildeo de un tanque agitado dis n nuacutemero de elecciones sobre el
po y localizacioacuten del agitador las proporciones del tanque el nuacutemero y dimensiones
ada una de estas decisiones afectan a la velocidad
e circulacioacuten del liacutequido los modelos de velocidad y el consumo de potencia Como
pone de un gra
ti
de las placas deflectoras etc C
d
punto de partida en el disentildeo de los problemas ordinarios de agitacioacuten generalmente
se utiliza un agitador de turbina del tipo que se muestra en la figura 1 La proporcioacuten
tiacutepica es
31
=t
a
DD
1=tD
H 121
=tD
J 51
=aD
W 41
=aD
L
de estas ecuaciones se disentildeara el mezclador como datos se tiene el valor H que es
igual a 3 mts y el diaacutemetro del tanque D
Se determinara la medida de los reflectores
t que es igual 3 mts
121
=tD
J se despeja J
elacioacuten R31
=t
a
DD
se despeja Da
Relacioacuten
41
=aD
L se despeja L
elacioacuten se despeja W
( ) ( ) cmmtsmtsDJ 25250311==⎟
⎞⎜⎛=⎟
⎞⎜⎛= t 1212 ⎠⎝⎠⎝
( ) ( ) mtsmtsDD ta 1331
31
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=
( ) ( ) mtsmtsDL a 250141
41
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛= cm25=
51
=aD
WR
Ingenieriacutea Quiacutemica 71
UAM-I
Figura 2 a) Vista transversal del mezclador b) paletas del mezclador con la
donde se deposita el soporte
Figura 1 Medidas de un agitador de turbina
a) b)
s rejillas
H
J
E L
Da
D t
W
W
( ) ( ) cmmtsmtsDW a 2020151
5==⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎜⎝
=1 ⎞⎛
Ingenieriacutea Quiacutemica 72
UAM-I
Tabla 1 Emisiones asociadas a los combustibles utilizados en viviendas de la ZMVM
en 1990 [7]
GLP GN Lentildea Total
Viviendas que utilizaron cada Combustible 620 21 17 658
Combustible Consumido 29020 0984 1983 31987
Emisiones en Tonantildeo
PM10 647 01 ND 647
SO2 01 03 ND 04
CO 3002 186 ND 3188
NOx 20321 435 ND 20756
HC 762 52 ND 814
Tabla 2 Concentraciones en la emisioacuten de un calentador domeacutestico con Gas LP[8]
Tipo de Combustible CO NOx HC SO2 PM10 Unidades
Gas LP 024 174 0064 00027 054 Kgm3
Los oacutexidos de nitroacutegeno (NOx) contribuyen en mayor cantidad al total de las
emisiones gaseosas en los calentadores que utilizan Gas LP seguidos por el CO
Debido a esto se han propuesto diferentes medidas de control que van desde el
disentildeo de calentadores maacutes eficientes (teacutecnicas limpias) hasta el control de las
emisiones mediante filtros y catalizadores ambientales (teacutecnicas de limpieza)
La oxidacioacuten no cataliacutetica de CO es posible soacutelo a alta temperatura (700oC) el paso
limitante es la disociacioacuten teacutermica de O2 Mientras que la oxidacioacuten cataliacutetica requiere
del contacto entre CO y O2 en la superficie cataliacutetica Por esto una vez que ambas
moleacuteculas llegan a los sitios activos el O2 se disocia raacutepidamente Posteriormente
Catalizadores de Oro Soportado 6
UAM-I
ocurre la interaccioacuten entre CO y O en sitios adyacentes para formar un complejo
activado (Paso limitante) que posteriormente pasa a CO2
El presente trabajo aborda el tema del control cataliacutetico de emisiones de CO abaja
temperatura En particular se postula el desarrollo de un catalizador de oro soportado
en aluacutemina (Al2O3) para la oxidacioacuten de CO y su posible aplicacioacuten a diferentes
aparatos domeacutesticos como calentadores de agua estufas hornos turbinas
industriales etc
La siacutentesis y aplicacioacuten de catalizadores de oro a diversos problemas ambientales se
ha reportado desde hace 10 antildeos Haruta et al[9] fueron los primeros en encontrar la
actividad de nanopartiacuteculas de Au soportadas en la oxidacioacuten de CO a baja
temperatura Actualmente se sabe que la oxidacioacuten de CO a baja temperatura (T lt
70oC) requiere de un catalizador con pequentildeas partiacuteculas de oro (lt 5 nm)
soportadas preferentemente sobre un oacutexido de metales de la primera serie de
transicioacuten por ejemplo TiO2 y α-Fe2O3 [10] El tamantildeo de las partiacuteculas de oro en
estos catalizadores cae en el intervalo de las nanopartiacuteculas
La actividad cataliacutetica de estos se ha relacionado a los sitios localizados en la
interfase metal-soporte por lo que el soporte juega un papel vital en la actividad
cataliacutetica de estos materiales Con base en los resultados reportados puede
plantearse que la obtencioacuten de nanopartiacuteculas estables cataliacuteticamente activas estaacute
directamente relacionada con las condiciones de siacutentesis la tasa y temperatura de
calcinacioacuten Los catalizadores de oro soportado han presentado resultados
importantes que han sugerido tambieacuten la aplicacioacuten potencial en la oxidacioacuten de
hidrocarburos (selectiva y no selectiva) la hidrogenacioacuten de CO y en la reduccioacuten de
NOx con H2 C3H6 o CO[11] La hidrogenacioacuten de hidrocarburos no saturados tambieacuten
puede ocurrir sobre catalizadores de oro soportado siempre y cuando el oro este
altamente disperso en el soporte
Hasta este punto se ha visto que el CO es un contaminante muy toxico siendo un
compuesto que provoca dantildeos severos en la salud del ser humano y en general al
Catalizadores de Oro Soportado 7
UAM-I
medio ambiente Por lo que se requiere reducir las concentraciones principalmente
dentro de los hogares La idea baacutesica de este proyecto fue disentildear un dispositivo
cataliacutetico que permita reducir las emisiones de CO en los calentadores hasta en un
90 de su concentracioacuten inicial En el Capiacutetulo 2 se describen la siacutentesis y
caracterizacioacuten de catalizadores Auγ-Al2O3 preparados por los meacutetodos de
impregnacioacuten y deposicioacuten-precipitacioacuten asiacute como la actividad en la oxidacioacuten de una
mezcla de CO e H2 Por uacuteltimo en el capitulo 3 se presenta el disentildeo de una planta
industrial para la fabricacioacuten de dichos dispositivos cataliacuteticos uacutetiles en la oxidacioacuten
de CO de los efluentes de calentadores de agua domeacutesticos
12 OBJETIVO GENERAL Dimensionar disentildear y estimar el costo de una planta productora de catalizadores de
oro en la oxidacioacuten del CO para aplicacioacuten a equipos de calentamiento de agua
domeacutesticos
13 OBJETIVOS PARTICULARES - Siacutentesis del catalizador por los meacutetodos de Impregnacioacuten y Deposicioacuten-
Precipitacioacuten
- Caracterizacioacuten de catalizadores por Absorcioacuten Atoacutemica Adsorcioacuten Fiacutesica
Difraccioacuten de Rayos X y Microscopia Electroacutenica de Transmisioacuten
- Evaluacioacuten de catalizadores en la oxidacioacuten de CO
- Obtener el mejor meacutetodo de preparacioacuten para tener una buena distribucioacuten de
nanopartiacuteculas de Au soportadas en γ-Al2O3 con alta actividad a baja
temperatura
- Disentildear la planta industrial para la produccioacuten de catalizadores uacutetiles en la
oxidacioacuten de CO
- Evaluar la viabilidad del proceso
Catalizadores de Oro Soportado 8
UAM-I
14 BIBLIOGRAFIacuteA
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[2] httpwwwtusaludcommx
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4504-91-016
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[12] JC FrostNature 334 (1991) 47
Catalizadores de Oro Soportado 9
UAM-I
C A P I T U L O II
E X P E R I M E N T A C I Oacute N
Catalizadores de Oro Soportado 10
UAM-I
2 1 INTRODUCCIOacuteN
Existen reportes [6] sobre la actividad de catalizadores Auγ-A12O3 AuCo3O4 AuNiO
sintetizados por diferentes meacutetodos (co-precipitacioacuten deposicioacuten-precipitacioacuten e
impregnacioacuten etc) en la oxidacioacuten de H2 y CO La actividad se ha relacionado a un
efecto combinado entre Au y los oacutexidos metaacutelicos utilizados como soporte Sin
embargo una alta actividad cataliacutetica en la oxidacioacuten de CO e H2 estaacute directamente
relacionada al tamantildeo de partiacutecula de Au y la dispersioacuten de eacutestas en el soporte[7]
Algunos trabajos[8-9] indican que a menor tamantildeo de partiacutecula mayor actividad y
mayor estabilidad del catalizador
En el presente trabajo se prepararon catalizadores de Au soportado sobre γ-Al2O3
con un tamantildeo promedio de partiacuteculas de Au de 5 nm y alta dispersioacuten Se utilizaron
dos meacutetodos de preparacioacuten diferentes impregnacioacuten y deposicioacuten-precipitacioacuten
variando el contenido de oro de 007 a 1 en peso de Au Los catalizadores se
evaluaron en la oxidacioacuten de una mezcla de CO e H2 y fueron caracterizados por
difraccioacuten de rayos x microscopia electroacutenica absorcioacuten atoacutemica y absorcioacuten fiacutesica
Los resultados indican que efectivamente la actividad depende del tamantildeo de
partiacutecula y el contenido de Au en el catalizador En particular el catalizador con 035
en peso de Au presentoacute 100 de conversioacuten en ambas reacciones sin indicios de
desactivacioacuten durante 24 h continuas de operacioacuten a velocidades espaciales (GHSV)
mayores que 10 000 h-1 Con esto se pretende contribuir al desarrollo de
catalizadores ambientales que permitan disminuir las emisiones nocivas
provenientes de fuentes fijas y moacuteviles de nuestro paiacutes
Catalizadores de Oro Soportado 11
UAM-I
22 EXPERIMENTACIOacuteN
Siacutentesis de Catalizadores
Meacutetodo de DP Se dispersoacute 1 g de γ-Al2O3 (Ketjen) en 100 mL de agua tridestilada y
se adicionoacute NH4(OH) (JT Baker) (01M) hasta obtener un pH de 9 Posteriormente
se agregoacute por goteo durante 2 h 20 mL de una solucioacuten de AuCl3 (9998 Aldrich)
(25x 10-3 M) Despueacutes se agitoacute por 30 min y se filtroacute y lavoacute con agua destilada con
10 veces el volumen total inicial Por ultimo el soacutelido resultante se secoacute a 80degC por 2
h y se calcinoacute a 400degC por 4 h
Meacutetodo de IMP Se dispersoacute 1 g de γ-A12O3 en 100 mL de agua tridestilada por 30
min A esta mezcla se le antildeadioacute lentamente 20 mL de una solucioacuten de AuCl3 (25x10-
3M) y se mantuvo en agitacioacuten 720 min Durante este tiempo se ajustoacute el pH a 9 por
medio de la adicioacuten de una solucioacuten acuosa de Na2CO3 (JT Baker) El soacutelido se
filtroacute y lavoacute con 500 mL de agua tridestilada caliente (95degC) para eliminar los iones de
cloro que podriacutean afectar la actividad cataliacutetica Finalmente se secoacute a 120degC 24 h y
se calcinoacute a 400degC por 4 h
Los catalizadores preparados por el meacutetodo de DP e IMP se les llamaraacuten de aquiacute en
adelante x-Auγ-Al2O3-DP y muestra x-Auγ-Al2O3-IMP respectivamente donde x
indica el en peso de Au en el catalizador
Caracterizacioacuten de Catalizadores Absorcioacuten Atoacutemica La cantidad de oro en cada uno de los catalizadores se
determinoacute por absorcioacuten atoacutemica (SpectrAA-20 Varian) Antes de las mediciones el
equipo fue calibrado con una solucioacuten estaacutendar de Au (Sigma) Una muestra de cada
catalizador (01g) se disolvioacute en agua regia a temperatura ambiente la cual se
preparoacute mezclando 200 ml de HCl concentrado y 100 mL de HNO3 concentrado
Adsorcioacuten Fiacutesica La isoterma de adsorcioacuten fiacutesica de N2 a 75 K de cada catalizador
se obtuvo en un equipo automatizado Quantachrome Autosorb Automated A partir
de estos datos se determinoacute el aacuterea BET el radio y el volumen promedio de poro
Catalizadores de Oro Soportado 12
UAM-I
Difraccioacuten de Rayos X Se realizoacute en un difractoacutemetro Siemens D500 en un entrono
angular de 4 a 64ordm en 2θ La radiacioacuten Cuκα se seleccionoacute con un difractor de un haz
de luz monocromaacutetico
Microscopia Electroacutenica de Transmisioacuten (TEM) Se utilizoacute un Microscopio Electroacutenico
de Transmisor Mod EM910 Zeiss operando a un voltaje de 120 kV y con una
ampliacioacuten de 400000 aumentos Para la preparacioacuten de las muestras se tomaron
005 g de cada una y se disolvieron en alcohol etiacutelico y se sometieron a ultrasonido
(Branson 2210) por 5 min Posteriormente se colocaron las rejillas en porta objetos y
se agregoacute una gota de la solucioacuten del catalizador dejando secar a temperatura
ambiente hasta su medicioacuten
Evaluacioacuten cataliacutetica Las medidas de actividad cataliacutetica en la oxidacioacuten de CO e H2
CH4 y C2H8 se realizaron en un microreactor de cuarzo de lecho fijo en el cual se
colocaron en todos los casos 030 g de catalizador y se utilizoacute un flujo total de 100
mLmin Para la oxidacioacuten de CO se utilizoacute una mezcla con 1 CO 05 O2 033
H2 en N2 para las pruebas en condiciones estequiomeacutetricas y con 1 CO 21 O2
033 H2 en N2 para los experimentos en exceso de O2 El efluente fue analizado
por cromatografiacutea de gases (GC-12 A Shimadzu C-RGA con una columna SFE-1)
con detector de conductividad teacutermica Para la combustioacuten de CH4 se uso una
mezcla con 1 CH4 2 O2 97 N2 y para la combustioacuten de C3H8 una mezcla con
1 C3H8 2 O2 97 N2 En todos los experimentos la temperatura de operacioacuten
fue de 25 a 400 degC y la velocidad espacial fue 10146 h-1
Catalizadores de Oro Soportado 13
UAM-I
23 RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN
Absorcioacuten Atoacutemica y Adsorcioacuten Fiacutesica La Tabla 1 muestra los contenidos de Au
el Aacuterea BET (ABET) el volumen promedio de poro (VP) y el radio promedio de poro
(RP) para los catalizadores preparados
Se puede observar que el aacuterea BET de la γ-Al2O3 se modifica con la adicioacuten de Au El
aacuterea BET entre la γ-Al2O3 pura y la muestra DP concuerdan con lo reportado[10-11] de
que a mayor porcentaje de Au mayor es el aacuterea superficial sin embargo el aacuterea BET
del catalizador 007-Auγ-Al2O3-IMP que tiene un menor porcentaje de Au presenta
la mayor aacuterea BET Sin embargo aunque el radio promedio de poro es casi el mismo
para las tres muestras el catalizador 007-Auγ-Al2O3-IMP presenta el mayor
volumen promedio de poro Esto podriacutea deberse a que el meacutetodo de preparacioacuten
utilizado causoacute la generacioacuten de una mayor porosidad en la γ-Al2O3 en lugar de la
impregnacioacuten de una mayor cantidad de Au Las isotermas de adsorcioacuten de los
catalizadores fueron del tipo IV y semejantes en forma a la de la γ-Al2O3 (Figura 1)
La Figura 2 muestra que la distribucioacuten de tamantildeo de poros se centra dentro del
mismo margen para las tres muestras y se aprecia la presencia de mesoporos entre
los 50 y 125 Aring
Tabla 1 Contenido Au y caracteriacutesticas texturales en los catalizadores
Catalizador Au ( en peso) ABET (m2g) RP (Aring) VP (ccg)
γ-Al2O3 000 183 78 0489
IMP 007 301 79 0743
DP 035 215 78 0518
IMP 100
No se ha determinado
Catalizadores de Oro Soportado 14
UAM-I
0
100
200
300
400
500
0 02 04 06 08
PPo
Vads
(cm
3g)
STP
-Al2O3
035-Au -Al2O3-DP
007-Au -Al2O3-IMP
1
Figura 1 Isotermas de adsorcioacuten y desorcioacuten de N2 de los catalizadores Auγ-Al2O3
ifraccioacuten de Rayos X La Figura 3 muestra los patrones de difraccioacuten de Rayos X
0
0004
0008
0012
0016
002
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
Rp [A]
Dv(
r) [c
m3
Ag]
-Al2O3
035-Au -Al2O3-DP
007-Au -Al2O3-IMP
Figura 2 Distribucioacuten de tamantildeo de poros
D
de los catalizadores Se observa que todos son caracteriacutesticos de la γ-Al2O3 Es
imposible identificar la presencia del Au esto debido al pequentildeo porcentaje y la alta
Catalizadores de Oro Soportado 15
UAM-I
dispersioacuten del Au contenido en cada uno de los catalizadores Sin embargo para el
caso de que se tuviese mayor cantidad de Au el difractograma podriacutea presentar un
pico alrededor de los 38deg en 2θ el cual indicariacutea la presencia de Au A partir de esta
sentildeal y la ecuacioacuten de Scherrer algunos autores han calculado el tamantildeo promedio
de las partiacuteculas de oro en catalizadores soportados
Microscopia Electroacutenica Transmisioacuten (MET) En la Figura 4 se presentan las
casos los
imaacutegenes de MET para la γ-Al2O3 y los catalizadores 035-Auγ-Al2O3-DP y 007-Auγ-
Al2O3-IMP En ambos catalizadores el tamantildeo de partiacutecula se encuentra es mayor
que 2 nm pero menor o igual que 5 nm En ambos casos los resultados indican que
las partiacuteculas de oro estaacuten dispersadas de manera uniforme en el soporte
Se encuentra es mayor que 2 nm pero menor o igual que 5 nm En ambos
resultados indican que las partiacuteculas de oro estaacuten dispersadas de manera uniforme
en el soporte
Figura 3 Patrones de Difraccioacuten de Rayos X de los catalizadores Auγ-Al2O3
Catalizadores de Oro Soportado 16
UAM-I
Figura 4 Imaacutegenes de MET para (a) γ-Al2O3 (b) 035-Auγ-Al2O3-DP y (c) 007-Auγ-
Al2O3-IMP
Catalizadores de Oro Soportado 17
UAM-I
Se sabe que la alta actividad cataliacutetica del oro esta relacionada con su tamantildeo esto
quiere decir que entre maacutes pequentildeas sean las partiacuteculas mayor actividad tendraacuten
nes estequiomeacutetricas el catalizador 007-Auγ-Al2O3-
P no mostroacute actividad para la oxidacioacuten de CO e H2 sin embargo al operar la
por lo tanto de las imaacutegenes anteriores se tiene que el meacutetodo DP es el maacutes
adecuado por lograr depositar mayor cantidad de Au con gran dispersioacuten y un
tamantildeo de partiacuteculas pequentildeo
Actividad Cataliacutetica A condicio
IM
misma muestra con un exceso de O2 la actividad inicioacute a partir de 140oC alcanzando
una conversioacuten maacutexima de 8748 a 400 degC (Figura 5) En vista de este uacuteltimo
resultado se decidioacute evaluar el catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP a las mismas
condiciones de exceso de O2 En este caso la actividad cataliacutetica inicioacute por debajo de
los 30oC incrementaacutendose casi linealmente con la temperatura hasta lograr una
conversioacuten maacutexima de 9367 a 127degC La diferencia en actividad entre ambos
catalizadores es notable Auacuten a muy bajos contenidos de Au el catalizador 007-Auγ-
Al2O3-IMP presenta una actividad importante sin embargo al aumentar cinco veces
este contenido (035) y manteniendo el tamantildeo de partiacutecula es posible disminuir la
temperatura de encendido calculada como la temperatura a la cual se logra el 50
de conversioacuten (T50) en 175oC Un uacuteltimo estudio fue la evaluacioacuten del catalizador
10-Auγ-Al2O3-IMP el cual presenta una T50 de 290 degC(ver Figura 5) la cual es 40 degC
mayor que el catalizador 007-Auγ-Al2O3-IMP auacuten cuando el contenido de Au es
mayor La Figura 5 muestra tambieacuten la comparacioacuten de estos resultados con
trabajos anteriores[10] en los que utilizan el catalizador 5-Auγ-Al2O3-IMP a
condiciones estequiomeacutetrica en este caso T50 es de 215 degC tan solo 35 degC de
diferencia en comparacioacuten con el catalizador 007-Auγ-Al2O3-IMP La diferencia en el
contenido de Au es 15 veces menor En general al trabajar en condiciones en exceso
de O2 se tiene una mayor conversioacuten a una menor temperatura por lo que se
esperariacutea que los resultados del catalizador 5-Auγ-Al2O3-IMP bajo condiciones de
exceso fueran mejores sin embargo los autores no presentan estos resultados
Catalizadores de Oro Soportado 18
UAM-I
El catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP alcanzoacute 100 de conversioacuten a 176 degC a
condiciones de exceso de O2 (Figura 5) esta conversioacuten se mantuvo por 24 h sin
presentar indicios de desactivacioacuten (Figura 6) KRuth [12] reporta desactivacioacuten del
catalizador 10-Auγ-TiO2 a partir de 80 minutos de operacioacuten con una velocidad
espacial de 1x104 h-1 El catalizador fue preparado por deposicioacuten y contiene nano-
particulas (2-5nm) soportadas en TiO2 Sin embargo el catalizador logra 100 de
conversioacuten a 0 degC Esto es debido a que los catalizadores AuTiO2 presentan mayor
actividad a temperaturas bajas La Figura 6 muestra tambieacuten la conversioacuten reportada
por Seung-Jae[11] del catalizador 043-Auγ-Al2O3-IMP en donde la temperatura de
operacioacuten es de 25 degC sin embargo se tiene una desactivacioacuten apreciable a partir de
150 minutos de operacioacuten con una velocidad especiales de 8x10 h-1
Figura 5 Conversioacuten del CO para los catalizadores de 007-Auγ-Al2O3-IMP 10-
os resultados de conversioacuten del hidroacutegeno (Figura 7) muestran conversioacuten del 100
10 a 035 es de 20 degC
Auγ-Al2O3-IMP y de 035-Auγ-Al2O3-DP en condiciones de operacioacuten en exceso de
O2 la tasa de temperatura es de 2degC por minuto Datos Referencia [10]
L
por debajo de 150 degC con el catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP mientras que el
catalizador 007-Auγ-Al2O3-IMP logra conversioacuten completa hasta 270oC y para el
catalizador 10-Auγ-Al2O3-IMP se tiene una conversioacuten del 100 hasta 310 degC lo
cual indica que los tres catalizador son activos para ambas reacciones y que se
mantiene la tendencia observada para la oxidacioacuten de CO La disminucioacuten en T50 al
aumentar el contenido de Au de 007 a 035 es de 140oC mientras que para la de
Catalizadores de Oro Soportado 19
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado 20
Figura 6 Variacioacuten de la conversioacuten con respecto al tiempo para la muestra de DP a
una temperatura de 180 degC Datos Referencia [11]
Figura 7 Oxidacioacuten de H sobre los catalizadores 035-Au2 γ-Al2O3-DP 007-Auγ-
Al2O3-IMP y 10-Auγ-Al2O3-IMP bajo condiciones de exceso de O2
La Figura 8 muestra como varia la temperatura de encendido con la cantidad de Au
en los catalizadores preparados en este trabajo Se observa un miacutenimo para el
catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP lo cual indica que la mayor actividad se logra a bajos
contenidos de Au y tamantildeos de partiacutecula menores que 5 nm
0
20
40
60
80
0 200 400 600 800 1000Tiempo (min)
Con
vers
ioacuten
de C
O (
) 100
035-Au -Al2O3-DP (176 degC)
043-Au -Al2O3-IMP (25 degC)
0
20
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Temperatura (degC)
40
60
Con
vers
ioacuten
de H
2 (
)
80
100
10-Au -Al2O3-IMP035-Au -Al2O3-DP007- Au -Al2O3-IMP50-Au -Al2O3-IMP
UAM-I
F
o
P
o
o
re
d
F
c
C
T50 (degC)
igura 8 Variacioacuten de la te
xidacioacuten de CO con respect
or ultimo se realizaron cu
peracioacuten pero variado la
btenidos se muestran en la
accioacuten presentan una tend
e catalizador
00000
00040
00080
00120
00160
00200
0
(-rc
o)
00000
igura 9 Velocidad de reac
ondiciones en exceso de O2
atalizadores de Oro Soportado
masa Au
mperatura de encendido a 50 de conversioacuten en la
o a la cantidad de Au en el catalizador
atro corridas maacutes bajo las mismas condiciones de
masa de catalizador Las velocidades de reaccioacuten
fig9En esta figura se observa que las velocidades de
encia lineal despueacutes de los 80degC al aumentar la masa
50 100 150 200 250 300T (degC)
3 gr cat
25 gr cat
2 gr cat
15 gr cat
1 gr cat
cioacuten de CO a diferentes masas de catalizador y bajo
21
UAM-I
Se tomo una temperatura de 125 degC debido a las mediciones realizadas en
diferentes calentadores domeacutesticos Se encontroacute que la temperatura media es la
mencionada A partir de los datos experimentales se determinoacute que el orden de
reaccioacuten es 13 y la constante cineacutetica k = 480945 (m3)13[(mol)03m3cat hr] (00012
mhr) y un coeficiente de transferencia de masa de 792 mhr (ver apeacutendices A) con
estos valores y usando los criterios de Weisz-Prater y Mears[14] (ver apeacutendice B) se
obtuvo que no existe resistencia interna ni externa a la transferencia de masa por lo
que la cineacutetica es la que controla
24 CONCLUSIOacuteN DE LA EXPERIMENTACIOacuteN El meacutetodo de DP es mucho maacutes adecuado que el de IMP para la preparacioacuten de
catalizador de Au soportados en γ-Al2O3 ya que permitioacute obtener catalizadores con
cinco veces maacutes oro que el preparado por el meacutetodo IMP bajo condiciones similares
de preparacioacuten En ambos casos el tamantildeo promedio de partiacutecula fue menor que 5
nm Debido a esto el catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP presenta una mayor actividad
en la oxidacioacuten de CO e H2 sin observarse desactivacioacuten durante un periodo de 24 h
Puesto que en ambas muestras se consiguioacute una gran dispersioacuten y un tamantildeo
similar de nanopartiacuteculas de oro se tiene entonces que la principal diferencia de
actividad cataliacutetica se debe principalmente a la cantidad de Au en el catalizador Sin
embargo el catalizador 10-Auγ-Al2O3 presenta una menor conversioacuten que el de
035-Auγ-Al2O3-DP a pesar de contener maacutes Au por lo que hasta el momento se
podriacutea decir que la cantidad de Au optima se encuentra por debajo de 10 wt y por
arriba de 007 wt no obstante se requiere de la caracterizacioacuten del catalizador 10-
Auγ-Al2O3 se para determinar de que manera influyen el tamantildeo de partiacuteculas la
distribucioacuten el volumen y el tamantildeo de poro en los resultados esta caracterizacioacuten
asiacute como la evaluacioacuten cataliacutetica del catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP bajo
condiciones estequiomeacutetricas se encuentran en proceso
Catalizadores de Oro Soportado 22
UAM-I
25 BIBLIOGRAFIacuteA [1] M Haruta CatalToday 36 (1997) 153
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Pretice may Tercera edicioacuten Impresa en Meacutexico DF
Catalizadores de Oro Soportado 23
UAM-I
C A P I T U L O III
D I S E Ntilde O D E L A P L A N T A I N D U S T R I A L
Catalizadores de Oro Soportado 24
UAM-I
31 INTRODUCCIOacuteN
Este capitulo esta enfocado al disentildeo de la planta industrial donde se produciraacuten
catalizadores de Auγ-Al2O3 por el meacutetodo de Deposicioacuten-Precipitacioacuten (DP) descrito
en el capitulo 2
Parte de la produccioacuten de los catalizadores se destinaraacute a su venta en masa y otra
parte se destinaraacute para el equipo de purificacioacuten de calentadores de agua esto con
la finalidad que el catalizador que esta contenido dentro del equipo de purificacioacuten
cuando se desactive pueda remplazarse por catalizador nuevo disponible en el
mercado De esta forma se tendraacuten ganancias tanto al vender el equipo purificador
como al vender catalizador como materia prima
32 DISENtildeO DEL EQUIPO PURIFICADOR PARA CALENTADORES DE AGUA DOMEacuteSTICOS El equipo purificador se ubicaraacute a la salida del efluente gaseoso del calentador como
un equipo adicional como se muestra en la Figura 1 Se plantea colocarlo en una
posicioacuten tal que oxide a baja temperatura hasta el 90 de CO Las dimensiones del
purificador se determinaron seguacuten las especificaciones de calentador y el balance de
materia en el sistema purificador Estos caacutelculos se presentan en el Apeacutendice A
Los tubos de las chimeneas de los calentadores son de latoacuten por lo que se decidioacute
utilizar este material para la parte exterior la parte donde se colocaraacute el catalizador
es de 35 cm de longitud para colocarlo en el tubo de la salida del flujo de gas se
dieron 2 cm maacutes en cada extremo para hacer un tipo cople de manera que el tubo
entre en los extremos
Catalizadores de Oro Soportado 25
UAM-I
C O 2 2 0 c m 7 c m c m G A S C O
3
2cm
75 cm 35 cm
Figura 1 Esquematizacioacuten del equipo purificador y su ubicacioacuten en los calefones
Las dimensiones obtenidas (Apeacutendice A) y las caracteriacutesticas del purificado se
presentan en la Tabla 1
Tabla 1 Especificaciones de purificador
Material Latoacuten
Longitud 35 cm
Diaacutemetro 20cm
Cantidad de
Catalizador
700 gr
Catalizadores de Oro Soportado 26
UAM-I
33 PRODUCCIOacuteN DE LA PLANTA INDUSTRIAL A partir de un estudio de mercado se encontroacute que en la Ciudad de Meacutexico hay
cuando menos cuatro empresas principales (CALOREX ELSA MAGAMEX y
CINSA) que fabrican calentadores de agua residenciales[1 2] Estas en promedio
producen 150 calefones diarios Por cada calefoacuten se requiere un equipo purificador
En este sentido de requieren idealmente 600 unidades de purificacioacuten por diacutea Esta
base se utilizoacute para el disentildeo de la planta
A partir del balance de masa en el purificador y empleado los resultados
experimentales a nivel laboratorio (ver apeacutendice A) se encontroacute que cada purificador
requiere 07 Kg de catalizador A partir de este resultado se requiere producir al
menos 420 Kg de catalizador para satisfacer la demanda en la produccioacuten de
calefones Con base en el balance de materia realizado en el mezclador se
determinoacute que la cantidad de catalizador obtenido despueacutes de cuatro lotes es de
570 Kg Tomando el resto de catalizador como reserva por cualquier contratiempo El
nuacutemero de lotes se determinoacute en base a que fuese rentable la recuperacioacuten de oro
34 DISENtildeO Y OPERACIOacuteN DE LA PLANTA
La fabricacioacuten del catalizador a nivel industrial esta basada en el escalamiento del
meacutetodo de siacutentesis descrito en la parte experimental Lo cual es una praacutectica comuacuten
en la fabricacioacuten de materiales cataliacuteticos
Para la produccioacuten de 570 Kg por diacutea se plantea utilizar cuatro mezcladores (ver
Figura 2) que operaran durante 8 h con cuatro intervalos (o cargas) de 2 h y
descansos de 30 min (dejando 30 min libres por contratiempos) Esta operacioacuten se
elige con base en las horas de trabajo y el meacutetodo de preparacioacuten del catalizador
Al igual que en la parte experimental el proceso requiere operacioacuten por lotes debido
a que se necesitan largos tiempos de contacto para obtener catalizadores eficientes
en la oxidacioacuten de CO a baja temperatura Se pretende utilizar un agitador tipo
Catalizadores de Oro Soportado 27
UAM-I
canastilla[4] el cual permite colocar dentro de las mismas el catalizador para tener
una mejor impregnacioacuten de partiacuteculas de Au y eliminar la atricioacuten Las dimensiones
del agitador asiacute como del mezclador se presentan en la Figura 6
Al teacutermino de la uacuteltima carga en los mezcladores el lote completo del diacutea pasa al
horno para secarlo a 80degC por 2 h y calcinarlo a 400degC durante 4 h Durante estos
procesos se concluye la preparacioacuten del catalizador Las temperaturas y tasas de
calentamiento estaacuten basadas en el meacutetodo de preparacioacuten experimental descrito en
el Capitulo ll Posteriormente el catalizador producido pasa a la seccioacuten donde se
embolsa para ser vendido como materia prima y la otra parte pasa a la seccioacuten de
ensamblaje para fabricar el purificador
Dimensiones de la industria
Las dimensiones de los equipos como mezcladores cisternas tanque de
tratamiento horno etc se tomaron como base para poder suponer espacios entre
equipos para tener seguridad del personal Se dio preferencia a los mezcladores ya
que son las partes importantes en la elaboracioacuten de los catalizadores La cisterna
estaraacute enterrada para facilitar su llenado en el caso de los contenedores de HAuCl4
y NH4OH estaraacuten encima de bases maacutes altas que los mezcladores para poder
abastecerlos por gravedad Esto debido a que el volumen es poco no se requiere de
grandes cantidades por lo que no se requiere alguna bomba Se estuvo analizando
la forma de acomodar los equipos y se obtuvo la siguiente distribucioacuten que se
muestra en la Figura 3
En la Figura 4 se presenta el plano de la industria con sus respectivos
departamentos en la parte sur se encuentra la entrada principal en ella se encuentra
vigilancia y la entrada de empleados y obreros posteriormente esta la zona de
oficinas lado izquierdo del lado derecho se encuentra el estacionamiento para
clientes y empleados en el almaceacuten se encontraraacuten refacciones de equipo y
reservas de materia primas para los catalizadores en la zona de produccioacuten se tiene
el estacionamiento de proveedores para facilitar la entrada y salida del producto
Catalizadores de Oro Soportado 28
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado 29
Debido a que en cada industria debe existir un espacio recreativo se plantea una
cancha de Baacutesquetbol para los obreros y una zona de jardines en la parte norte
Ubicacioacuten de la industria
Para poder ubicar una industria es importante analizar la zona geograacutefica Para lo
cual se deben considerar algunos factores importantes por ejemplo No ubicarla en
zona de siacutesmica Si la industria requiere de un gran volumen de agua no ubicarla en
una regioacuten deseacutertica Si el producto es muy sensible al calor y la humedad evitar
zonas muy caacutelidas y huacutemedas Si se piensa vender el producto en una zona
especifica ubicar la industria cerca de la zona de venta para evitar gastos de
transportacioacuten A partir de este tipo de razonamientos se planea que debido a que el
producto que se elaborara que es un purificador cataliacutetico para su venta en la ZMVM
ya en ella estaacuten ubicadas las principales industrias de calentadores y debido a que la
planta requiere de un volumen considerable de agua se escogioacute el estado de
Morelos porque no esta muy lejos de la ZMVM y tiene reservas de agua Asiacute el gasto
de transportacioacuten de materias primas y sobre todo del producto elaborado seriacutea
pequentildeo
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
Agua
Tanque tratamien
Figur
NH4OH
HAuCl4
Produccioacuten de catalizadores
Recuperacioacuten de agua
de to
a
MezcladoresMezcladores
Cuando se requiere limpieza
Horno
Producto almaceacuten
30
1 Diagrama de produccioacuten Recuperacioacuten de cloro
UAM-I
35 BALANCE DE MATERIA DIAGRAMA DE FLUJO PARA DIFERENTES LOTES DE SOPORTE EN UN SOLO MEZCLADOR
Catalizadores de Oro So
05 Kg Au
10
0
086 Kg HAuCl4(ac)014 Kg H2O
035 Kg NO2(g)
2
35 Kg NH4(OH)(ac) (01M)
10000 Kg H2O
100 Kg Al3O
100 Kg Al2O3 (9965) 035 Kg Au (035) 025 Kg Cl2
026 Kg HauCl4(ac)35 Kg NH4(OH)
1101035 Kg H2O
O MEZCLADOR (t0)
10035 Kg catalizador
86 KgHAuCl4(ac)101035 Kg H2O
037 Kg HCl (ac) (105 M) 048 Kg HNO3(ac) (152 M)
porta
Kg N
30 Kg Al2Cl3
101021 Kg H2
do
H4 (OH) (ac) (01M) 30 Kg Al2O3 (9965) 01 Kg Au (035)
007 Kg Cl2
)
3
)
301 Kg catalizador MEZCLADOR (t1)
009 Kg HauCl4(ac)45 Kg NH4(OH)
1101035 Kg H2O
MEZCLADOR 1054 Kg catalizador
105 Kg Al2O3
(t2)
105 Kg Al2O3 (9965)
035 Kg NH4 (OH) (ac) (01M
004 Kg Au (035) 003 Kg Cl2
23 Kg Al2O
MEZCLADOR
(t3)23 Kg Al2O3 (9965)
2308 Kg catalizador
008 m3 NH4(OH) (ac) (01M
002 Kg HauCl4(ac)485 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
0008 Kg Au (035) 0006 Kg Cl2
0003 Kg HauCl4(ac)493 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
31
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado 32
DIAGRAMA DE FLUJO PARA UN MEZCLADOR
MEZCLADOR
1101035 Kg H2O
1428 kg γ-Al2O3
086 Kg HAuCl4
493 Kg NH4(OH)
0003 Kg HauCl4(ac)493 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
1433 Kg Catalizador
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
36 DIAGRAMA DE LA INDUSTRIA
INDUSTRIA DE CATALIZADORES
TANQUE DE TRATAMIENTO HORNO
CISTERNA 1
CONTENEDORDE AuCl3 CONTENEDOR DE
NH4OH ZONA DE LLENADO
DE SAPORTE
SE LLEVA AL HORNO
MANUALMENTE
PRODUCTOALMACEacuteN
Contenedor de HAuCl4
Figura 2 Diagrama de la distribucioacuten del equipo dentro del aacuterea de produccioacuten
33
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
37 DIMENSIONES DEL EQUIPO Y TUBERIacuteA
2 mts
2 mts 2 mts 6 mts 4 mts 3 mts 5mts 5 mts 3 mts 6 mts 3
3mts 3 mts 3mts 3 mts 3 mts
4 mts 1 5 mts 1 5 mts 4mts 4 7mts 4 mts 21 mts 7 2mts 26 mts 2 mts 21 mts 6 mts
3 5 mts 14 mts 6 mts 8 mts 1 5 mts 3 mts 5 mts 13 mts 8 mts 20 mts 30 mts
IN D U ST R IA D E C A T A L IZ A D O R E S
T AN Q U E D E T R AT AM IE N T O H O R N O
C IST E R N A 1
C O N T EN ED O RD E Au C l3
C O N T EN E D O R D E N H 4O H
ZO N A D E L LEN AD O D E SO PO R T E
AG UA PAR A JAR D IN ES
M E Z C L A D O R E S 12 3 y 4
1 2 3 4
A L M A C Eacute N
Contenedor de HAuCl4
Figura 3 Dimensiones del equipo y tuberiacutea requerida
34
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
38 PLANO DE DISTRIBUCIOacuteN DE AacuteREAS
Figura 4 Aacutereas de trabajo dentro de la planta
35
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
DIMENSIONES DE LA INDUSTRIA
Figura 5 Dimensiones de cada aacuterea de la planta industrial
36
UAM-I
Ingenieriacutea Quiacutemica 37
10 cm 3mts 1 mts 25 cm 15cm 5 cm 5 cm 3mts 150 mts 10 cms 100 mts 20 cm
003 mts
Figura 6 Dimensiones del mezclador y del Agitador
UAM-I
Las dimensiones de las canastillas se determinaron a partir del balance de masa y la
produccioacuten requerida La carga de un contenedor de soporte que es de 100kg del
cual el agitador tiene 4 canastillas cada una corresponde 25 Kg la masa se obtuvo
del balance de materia y su densidad 600 Kgm3 con el que se obtuvo un volumen de
0043 m3
39 ANAacuteLISIS FINANCIERO
El costo de materias primas se muestra en la Tabla 2 en la que tambieacuten se incluyen
los flujos de alimentacioacuten requeridos para el proceso a partir de los cuales se
determinaron los costos diarios
Tabla 2 Costo de materias primas [5]
Compuesto
Alimentacioacuten
por diacutea
Costo
USDKg
Costo Total
USDdiacutea
Au 2 kg 10596 2119200
HCl 15 Kg 52 780
HNO3 20 Kg 022 044
-Al2O3 5712 Kg 034 19421
Canastillas 500 piezas 15 75000
NH3(OH) 200 Kg 034 680
H2O 440414 Kg 282 282
Total de Materia Prima 2215407
El costo se determinoacute considerando la cantidad de material el tamantildeo y el costo de
manufactura
El costo se determinoacute para uso industrial conforme establece la tesoreriacutea de
Meacutexico
Ingenieriacutea Quiacutemica 38
UAM-I
PERSONAL REQUERIDO PARA LA INDUSTRIA
La Tabla 3 establece los salarios mensuales anuales y las prestaciones del IMSS
para el personal de la planta
Tabla 3 Salarios y Prestaciones del Personal
Mano de Obra (USDmes)p
ersona
USDmes USDantildeo Prestaciones
IMSS
1 Gerente 2000 2000 24000
1 Administrador 1000 1000 12000
1 Secretaria 400 400 4800 1193
Total de Salarios
Administrativos
40800 1193 409193
9 Obrero 150 150 1800 448
1 Teacutecnico 200 200 2400 597
1 Policiacutea 200 200 2400 597
1 Mantenimiento 180 180 2160 538
1 Limpieza 150 150 1800 448
Total de Salarios
Proceso
10560 2628 108228
Los salarios se determinaron en base al salario miacutenimo vigente en la Ciudad de
Meacutexico (2003)[29]
Ingenieriacutea Quiacutemica 39
UAM-I
PERSONAL
Departamento de produccioacuten
Se tendraacute 2 obreros en el llenado de soporte en las rejillas un obrero encargado del
traslado de rejillas por medio de la banda de los motores a cada contenedor un
obrero en cada contenedor de NH4OH y HAuCl4 en cada mezclador se tiene 1
obrero para descargar y cargar las rejillas a la banda que se trasladaran al horno en
el horno se tiene 1 obrero encargado del secado y calcinado el producto se traslada
al almaceacuten donde estaraacuten 2 obreros que reciben el producto y materias primas de los
proveedores se tiene 1 teacutecnico supervisando los equipos un encargo del
mantenimiento de los equipos
Departamento de personal
Gerente de la industria un administrador encargado de compra y venta de materias
primas una secretaria
Ingenieriacutea Quiacutemica 40
UAM-I
CAPITAL FIJO
La Tabla 4 muestra el costo de los equipos requeridos en la planta asiacute como el
Capital Fijo y la Inversioacuten del Capital Total
Tabla 4 El equipo se costeo usando las correlaciones de Ulrich [6] y empleando el
programa de Capcost
EQUIPO USD
4 Contenedores 23584
4 Agitadores (456kW) 269760
1 Horno (25 kW) 15700
15 Bombas (1469kW) 43081
1 Motor (114 kW) 67440
Tuberiacuteas 42150
2 Cisternas 174183
Vaacutelvulas 1283
Accesorios
(codos 90ordm y de 45ordm te)
1474
CAPITAL FIJO 638655
Capital de Trabajo 9579825
INVERSIOacuteN DE
CAPITAL TOTAL
73445325
Los caacutelculos y las correlaciones empleadas para el costeo del equipo se anexan en
el Apeacutendice A
Ingenieriacutea Quiacutemica 41
UAM-I
GASTOS GENERALES
Tabla 5 Proporciona el total de gastos anuales con lo cual se estima el precio por
kilo de catalizador y por unidad purificadora
Tabla 5 Gastos Generales anuales
USDAntildeo
Materias Primas 531697680
Mano de Obra de Operacioacuten 1082280
Mano de Obra de Oficina 4091930
Servicios Electricidad 2620100
Total de Gastos Generales 539491990
CFE
Produccioacuten diaria de Catalizador = 574 Kg
Precio de Catalizador = 40 USDKg
Produccioacuten diaria de unidades purificadoras = 500
Precio por unidad = 50USD
Ganancia diaria = 22960 USD
Ganancia Anual = 5510400 USD
DETERMINACIOacuteN DE LA RENTABILIDAD DEL PROYECTO
TPI (Actual) = 10
PR (Factor de riesgo) = 25
TREMA = TPI + PR
TREMA = 35
TIR (del proyecto) = 90
TIR gt TREMA
Puesto que la TIR es mayor que la TREMA se tiene que el proyecto es rentable [6]
Ingenieriacutea Quiacutemica 42
UAM-I
310 CONCLUSIONES
En el desarrollo de la industria para la fabricacioacuten de catalizadores se tuvo un
resultado satisfactorio a pesar de la falta de informacioacuten disponible acerca de
industrias de catalizadores debido a que esta informacioacuten no es publica El proyecto
que elaboramos es novedoso en nuestro paiacutes ya que no existen registros de una
industria que produzca catalizadores de oro soportados en aluacutemina
Durante el desarrollo del proyecto se planteoacute trabajar con compuestos como NOx y
COVS sin embargo debido a la falta de tiempo no se logroacute concluir la
experimentacioacuten en estos campos Debido a esto se tomoacute la decisioacuten de trabajar en
la oxidacioacuten cataliacutetica de CO Esto debido a varios factores por ejemplo la
disponibilidad de gases y sobre todo los costos que esto implicaba
Para el desarrollo del catalizador se analizaron diferentes tipos de preparacioacuten y se
eligieron dos meacutetodos diferentes Deposicioacuten-precipitacioacuten e Impregnacioacuten Los
catalizadores se evaluaron bajo diversas condiciones en la oxidacioacuten de CO El
catalizador que presentoacute mayor conversioacuten con el catalizador a baja temperatura fue
el sintetizado por el meacutetodo de Deposicioacuten-precipitacioacuten el cual se utilizoacute para el
disentildeo de la Industria El disentildeo estaacute basado en la forma de preparacioacuten del
catalizador Por esto la parte maacutes importante de la planta es el tanque de mezclado
el cual se disentildeo tomando en cuenta los diferentes disentildeos de agitadores para tener
un mezclado oacuteptimo Se incorporo en la parte superior del agitador las canastillas
para las pastillas cataliacuteticas y el tipo de Horno que se usara para el secado y
posteriormente el calcinado Una parte importante es la produccioacuten de catalizador
para este problema se investigoacute en que parte se podriacutea utilizar a diferencia de los
catalizadores para automoacuteviles Se llego a la decisioacuten de poder desarrollar un
catalizador para los calentadores de agua se obtuvo informacioacuten de la fabrica de
calentadores cal-o-rex en la produccioacuten diaria de calentadores y de esta informacioacuten
se pudo calcular la posible demanda de nuestro producto Una parte importante en
las industrias son el tipo de bombas ya que existen diversos modelos en nuestro
disentildeo se escogioacute las bombas centriacutefugas con rodetes para agua que contiene
pequentildeas partiacuteculas de soacutelidos
En la parte de servicios para personal se investigo los sueldos de cada empleado Se
determinoacute el costo de los equipos y finalmente llegamos a la parte que nos interesa
Ingenieriacutea Quiacutemica 43
UAM-I
del disentilde es decir si el proyecto es rentable o no En este caso particular se tuvo un
valor aceptable y se definioacute que el disentildeo es rentable Esto indica que seria una
industria que tendriacutea ganancias y a la vez que el producto que se fabrique nos
ayudaraacute a todos a reducir la emisioacuten de CO en los hogares aportando una pequentildea
ayuda al medio ambiente
COMENTARIOS
Los conocimientos adquiridos durante este tiempo fueron provechosos en la parte
teoacuterica y praacutectica aclaramos dudas de como y porque se comportan las reacciones
quiacutemicas y los procesos de flujos Durante el desarrollo del proyecto aprendimos a
observar y la importancia de entender fiacutesicamente las algunos procesos relacionados
con la siacutentesis y caracterizacioacuten de materiales cataliacuteticos
Ingenieriacutea Quiacutemica 44
UAM-I
38 BIBLIOGRAFIacuteA
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UAM-I
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Ingenieriacutea Quiacutemica 46
UAM-I
APEacuteNDICE A
CRITERIOS PARA DETERMINAR QUIEacuteN CONTROLA EL PROCESO
Criterio de weisz para difusioacuten interna
Ec(12-16 Fogler) Los valores que se sustituyen en las siguientes ecuaciones fueron
tomados del catalizador que se analizo en el laboratorio
CWP = ( )
AS
cObsA
DeCRcr 2minus
lt 1
-rA(Obs) = velocidad de reaccioacuten observada molgcats Cc = concentracioacuten volumeacutetrica molm3
CAS = concertacioacuten en la superficie molm3
D= diaacutemetro del granulo m R = radio del granulo m De = difusividad efectiva m2s
d = 0149mm mxmm
m 4104911000
1 minus=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
CWP = ( )( )3
32
24
33
103470184200350
21049150800010681
minus
minusminus
=⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞⎜
⎝⎛
x
mmol
hrm
mxcatm
gcathgcat
molx
734x10-3 lt 1 No hay limitante por la difusioacuten interna
Ingenieriacutea Quiacutemica 47
UAM-I
Criterio de mears para difusioacuten interna Ec(12-62 Fogler)
Mm = 150ltAbc
bA
CkRnr ρminus
Mm =( )( )
0570
136000184200220
31110457508000106851
3
53
3
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ minusminus
hrs
mmol
sm
mxcatmgcat
hgcatmolx
0057 lt 015 no hay efecto de transferencia de masa externa Calculo de Dab para calcular el coeficiente de trasferencia de masa Ec(78 Lobo)
De =
KAAB DD11
1
+
DKA = 970X103 (80X10-8)(s
cmK 221 1090)
2400( =
DAB = 00018583ABAB
BA
PMMT
Ω
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ +
2
2123 11
γ
Para CO
0110=isin
Bk 0593 A=γ
Para O2
Ingenieriacutea Quiacutemica 48
UAM-I
0113=isin
Bk 0453 A=γ
( ) 51343359321
=+=ABγ
( )( )[ ] 21113110BAB k=isin A la temperatura de 400degK
( ) 583))113)(110((
40021 =
deg=
isin B
B
AB
B
KKKTK
Ω AB = 0907 Sustituyendo
DAB =s
cm2
2
2123
9730)9070()513(
)21281()400(00185830=
+
De = hrm
hrs
cmm
scm 222
03501
3600100
10980
10901
97301
1=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
+
Calculo de Kc Sh = (Re)12(Sc)13
Velocidad superficial
V = sm
shr
hrm
mxhr
m
Av
c
02036001976
1087
006025
3
0 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛== minus
Ingenieriacutea Quiacutemica 49
UAM-I
Re= ( ) 240)1062)(501(
)10491)(020(
1 25
4
=minus
=minus minus
minus
smx
mxsmvd p
νφ
Sc= 672)3600
1)(0350(
10622
25
==minus
shr
hrm
smx
Dv
AB
Sh= ( 024 )12 ( 267 )13 = 0679
Kc = Shdp
DAB⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛minusφ
φ1
Kc = ( )sm
mxs
mx02206790
10491
10729
50501
4
26
=⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛minus
minus
minus
Calculo de numero Thile con el radio que usara a nivel industrial
φ = L ( )DkCn n
AS
21 1minus+
L = 3R
Sustituyendo
φ = 66x10-4 m( )
( )
450
03502
018420
5480941311
3
30
3330
313
=
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+
catmhrm
mmol
hrcatmmolm
η = 1 con los resultados anteriores se observa que quieacuten limita es la velocidad de
reaccioacuten Por lo que se procede a calcular el peso y longitud de catalizador
necesaria para muestro purificador sustituyendo los valores del Boiler
Ingenieriacutea Quiacutemica 50
UAM-I
Peso del Catalizador w =
( ) grcatgcatLn
gcatm
mmol
hrcatmmolm
hrm
xLn
kCv
A
66476639401
1
6000001578
548094
19836
11
330
3330
313
3
0
0 asymp=minus
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
minus
g 664=w
33
3
1011
mg60000
g 664 mxwv minus===ρ
m 035003101011
2
33
==minus
mmxL
cm 531000350 == xL
Ingenieriacutea Quiacutemica 51
UAM-I
APEacuteNDICE B BALANCE DE MASA DE LA PREPARACIOacuteN DE HAUCL4 Au(g) + 3HNO3(ac) + 4HCL(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O + 3N02(g) (152 M) (105M)
cantidad de mol Au = 05 kg Au x molAu
grAumolAux
kggr 542
971961
11000
=
cantidad de kg HNO3 = ( ) 33
33 480
10001
1635423 kgHNO
grkgx
molHNOGRHNOxHNOmol =
cantidad de kgHCl = ( ) kgHClgr
kgxmolHCl
grHClHClxmol 3701000
11
5365424 =
cantidad de kgHAuCl4 = 254molHAuCl4 x 44
8601000
11
97339 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
gr=
cantidad de kgH2O = 3( 254mol)H20 x OkgHgr
kgxOmolHOgrH
22
2 1401000
1118
=
cantidad de Lt H20 = 762molHNO3 x OltHOkgHOLtH
22
2 14011
=
cantidad de Lt H20 = 1016 mol HNO3 x 050215
012
2 LtHmol
LtH=
cantidad de LtH20 = 1016mol HCl x OLtHLtHmolHCl
LtH22
2 010970510
01asymp=
cantidad de MHAUCl4 = ( ) ( ) ( ) MHltltlt
ClmolHAU 7210850490140
542
2
4 asymp++
cantidad de kg NO2(g) = 3( 254mol)NO2 x )(22
2 3501000
1146
SkgNOgr
kgxmolNO
grNO=
Ingenieriacutea Quiacutemica 52
UAM-I
05 kg Au 048 kgHNO3 035 kgNO2 101021 kgH20 (152M) 037 kgHCl(ac)
(105 m) 086 kg HAuCl4 (ac) 086 kg HAuCl4 (ac)
(17 M) 014 kgH20 (25x10-3M) 014kg H20 (L) 086kg HAuCl4 035kgNO2 (g) 101185kg H20 Cantidad de H20 = 086 kgHAuCl4
x 08510110101
105201
173341
11000
22
23
24 kgHLtHkgHx
MxltHx
grmolHAuClx
kggr
=minus
pero (101185 ndash 014 ndash 05 ndash 1) kg H20 = 101021 kg H20 100ml H20 por 1 gr soporte 35kg NH4 (OH)(AC) 10000kgH20 100 kg γAl203 (9965) 035kgAu (035) 100kg γAl203 025kgCl2 086kg HAuCl4 026kgHAuCl4
101185 kg H20 35kgNH4 (OH)(AC) 1101185kgH20 cantidad de kgHAuCl4 = 015kgAu x
44
4 2601000
11
973391
197196
147196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxgrAu
molxkg
gr=
cantidad de NH4(OH) = 100kg γ Al203 x
Ingenieriacutea Quiacutemica 53
UAM-I
kgNHxmol
grx
mlmol
xOAlgr
OHmlNHx
kg
gr53
10001
1
35
100010
1
)(10
1
1000
32
4=
γ4(OH)
30kg γAL2O3 1 kgNH4(OH)(AC) 30 kg γ Al203 (9965) 010 kg Au (035) 026kgHAuCl4 007kg Cl2 35kgNH4(OH) 1101185 kgH2O 0086kgHAuCl4 45 kg NH4(OH)(AC) 1101185 kg H20
cantidad de γ Al2O3 = 026kgHAuCl4 x 324
32 02330860
100 AlkgkgHAuCl
OAlkg γγ=
cantidad de kgAu = 035 x kgAukg 10506599
30=
cantidad de kg Cl2 = 01 kgAu x
22
2 07201000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de HAuCl4 = 005kgAu x
44
4 08601000
11
973391
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 54
UAM-I
cantidad de kgNO4(OH) = 30 kg γ Al203 x ( )OHkgNHAlkg
OHkgNO4
32
4 0510100
)(53=
γ
105 kg γ Al203 035 kg NH2(OH) 105 kg γ Al203 (9965) 004 kg Au (035) 009kg HAuCl4 003 kg Cl2 45kgNH4(OH) 1101185 kg H20 0017kgHAuCl4 485kgNH4 (OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 009 HAuCl4 x 324
32 04710860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad kg de NH4 (OH) = 105kg γ Al203 x ( ) )(3500100
534
32
4 OHkgNHAlkg
OHkgNH=
γ
cantidad de Cl2 = 004 kg Au x
22
2 02901000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
gAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 =
44
44 02001701000
11
973391
197196
11
1000010 kgHAukgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgr
molAuxkg
grkgAux asymp=
Ingenieriacutea Quiacutemica 55
UAM-I
23 kg γ Al203 008kgNH4(OH) 002 kg HAuCl4 23 kg γAl203 (9965) 485kgNH4(OH) 0008kgAu(035) 1101185kg H2 0001kg Cl2
0014 kg HAuCl4 493kgNH4(OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 002kgHAuCl4 x 324
32 032860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad de kg Au = 035 x kgAukg 00806599
32=
cantidad de kgCl2 = 0002kgAu x
24
4 00101000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 = 0008kgAu x
44
44 01401000
11
973341
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 56
UAM-I
APEacuteNDICE C ACCESORIOS EN EL DISENtildeO
Agitador
Agitadores de Heacutelice se escogioacute este tipo de agitador por ser tener las siguientes
caracteriacutesticas [3]
bull Es un agitador de flujo axial
bull Se emplea para liacutequidos pocos viscosos
bull Giran a toda la velocidad del motor
bull Las corrientes de flujo se mueven a traveacutes del liacutequido en una direccioacuten
determinada hasta que son desviadas por el fondo o las paredes del tanque
bull Las palas de la heacutelice cortan o friccionan vigorosamente el liacutequido
bull Los agitadores de heacutelice son eficaces para tanques de gran tamantildeo
Horno
bull El horno se escogioacute por ser tener las siguientes caracteriacutesticas [5]
bull El horno de construccioacuten metaacutelica
bull La caacutemara de combustioacuten estaacute construida mediante hormigones refractarios
de alta resistencia mecaacutenica
bull Las materias secar y calcinar se carga de forma manual
Ingenieriacutea Quiacutemica 57
UAM-I
Bomba
DISENtildeO Bomba centrifuga para operacioacuten horizontal o vertical del impulsor
cerrado succioacuten al extremo descarga hacia arriba tangencial simple succioacuten de un
paso con carcaza partida verticalmente [3]
ROTACIOacuteN En el sentido del reloj vista desde el cople
CARACTERIacuteSTICAS Conexiones brindadas con registro ubicado en la cabeza de
succioacuten para facilitar su limpieza
SERVICIO Debido a que es posible colocarla en posicioacuten horizontal o vertical tanto
en caacutercamos secos como huacutemedos y por el disentildeo de su impulsor que soacutelidos de
gran tamantildeo esta bomba es ideal para los procesos de tratamientos de agua y
manejo de liacutequidos en suspensioacuten en general
CAPACIDADES
GASTO Hasta 3000 GPM
CDT Hasta 80rsquo
PRESIOacuteN 106 Kgcmsup2
POTENCIA De 1 a 60 Hp
VELOCIDAD (1175 - 3550 RPM)
TEMPERATURA 125degC
Ingenieriacutea Quiacutemica 58
UAM-I
Bombas Centriacutefugas
Las maquinas centriacutefugas estaacuten constituidas por un impulsor o rodete formado por
una serie de aletas radiales diversas formas y curvaturas que giran dentro de una
caja circular El fluido penetra por el ojo o eje de rotacioacuten y se descarga maacutes o
menos radialmente en una caacutemara perifeacuterica a una elevada presioacuten que
corresponde a la suma de la fuerza centriacutefuga de la rotacioacuten maacutes la cineacutetica
comunicada al fluido por las aletas La parte moacutevil de la bomba es el rodete Las
aletas del rodete se extienden desde el centro de rotacioacuten hacia la periferia y las
bridas son los discos de refuerzo a cada lado de las aletas que las envuelven Las
aletas pueden ser radiales curvadas ligeramente hacia delante en el mismo sentido
de la rotacioacuten o estar curvadas al reveacutes en el caso maacutes comuacuten en el disentildeo se
determino el rodete siguiente por sus caracteriacutesticas Fig 1
Figura 1 Corte parcial de un rodete de centriacutefuga para grandes cargas y secciones
de paso estrechas empleando con liacutequidos corrosivos o suspensiones de pequentildeas
partiacuteculas[4]
Ingenieriacutea Quiacutemica 59
UAM-I
APENDICE D CALCULO DE POTENCIA DE BOMBAS (8)
Potencia de la bomba de la cisterna 1 que alimenta a los mezclador 4
Ecuacioacuten de Bernoulli
sum sumint =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛+++∆+∆i i
i
P
P
evvfDLvwdphgv 0
21
21
ˆ1
21 222
2
1ρ
a b c d e f
a Diferencia de velocidades
b Diferencia de alturas
c Diferencia de presiones
d Trabajo
e Perdidas de friccioacuten en tuberiacuteas
f Perdidas de friccioacuten en accesorios
En la ecuacioacuten anterior se pueden eliminar algunos teacuterminos
21 mts
6 mts 35 mts
Figura 1 Balance de cisterna 1 a mezclador 4
Se debe de tener dos puntos de referencia para la utilizacioacuten de la ecuacioacuten de
Bernoulli de los cuales se anotaron en la figura 2
Ingenieriacutea Quiacutemica 60
UAM-I
21 mts
2 1 6 mts 35 mts
Figura 2
Teniendo los puntos de referencia se analiza que las diferencias de velocidades son
cero en ambos puntos por lo tanto el termino 2
21 ν∆ es igual a cero
El termino de = (981hg∆ 2segm )(35m ndash 0) = 34335 2
2
segm
El termino de int2
1
1P
P
dpρ
se tiene que la cisterna y el tanque de mezclado ambos no
estaacuten cerrados y por lo tanto no originan un cambio de presioacuten y el termino es cero
De esta expresioacuten L longitud de tuberiacutea
tro de tuberiacutea
n el interior del tubo
v
Para la l radio del tubo que
sum ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
i
fDL2
21 ν
D diaacuteme
f perdidas de friccioacuten e
velocidad del flujo de agua
obtencioacuten de la velocidad se tiene el flujo volumeacutetrico y e
es de 32 cm =0032mts con la ecuacioacuten
Ingenieriacutea Quiacutemica 61
( )( ) sm
ms
m
RQ 761
032060min1)
min340(
2
3
2 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
==ππ
ν
UAM-I
Se reportan valores de perdida de fr
e reduce teacuterminos
iccioacuten en tubos que son igual a 005
Por lo tanto sustituyendo los teacuterminos en la ecuacioacuten de Bernoulli s
sum sumint =⎟⎠
⎜⎝
+⎟⎠
⎜⎝
+++∆+∆i i
iP
evvfD
vwdphgv 022
ˆ2
1ρ
⎞⎛⎞⎛ L 111 2222
or tanto el termino de trabajo queda expresado de la siguiente manera
tanto la bomba comunica al fluido que circula en el sistema un trabajo
+11727
P1
p w
sum sum ∆minus⎟⎠⎞
⎜⎝⎛minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛minus=
i ii
hgevvfDLvw 22
21
21
ˆ
( ) ( )
Este es el trabajo ( por unidad de masa) producido por el fluido en la bomba por lo
22
sm o 11727 981 = 1195
m
fKg
Kgm
La velocidad de flujo de masa es
Por lo tanto
1 )=6694
951)(675(ˆ =minus=minus WwW smkg f = 088Hp = 1Hp
Siendo esta ida para esta bomba El procedimiento anterior se
iguioacute para cada bomba de la planta
AP E
la potencia requer
s
EacuteNDICE
TOXICOLOGIacuteA DE MATERIAS PRIMAS [6]
( ) ( ) ( )( ) ( )( )msm
smmmm
sm 538192201150761
21050
032021536761
21
2
22minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ +minus⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ++
minus=wm
22
27117ˆ smw minus=
( )s
kgmkgQw m675100060340 3 === ρ
Ingenieriacutea Quiacutemica 62
UAM-I
HIDROacuteXIDO DE SODIO
Polvo corrosivo blanco delicuescente
Toxicidad
Concentracioacuten Maacutexima permisible 2mgm3 en aire
Signos y Siacutentomas Conjutivitis quemaduras corneales y de la piel Irritacioacuten
seas vomito dolor abdominal y diarrea a veces con
Lavado de las partes afectadas tranquilizantes sulfato de
decuada gafas protectoras o pantallas para
ignos y Siacutentomas Irritacioacuten de ojos quemaduras corneables tos dolores
l hemoptisis dolor de cabeza dolor epigaacutestrico nauseas y vomito
lmonar
Tratamiento lavado de ojos con agua reposo oxigeno con aparato de respiracioacuten
con onantes
ACIDO NITRICO
Liquido corrosivo sofocante de incoloro a amarillento
ioacuten maacutexima permisible 10ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
del tracto respiratorio nau
sangre
Tratamiento
morfina para el dolor y cortisona
Medidas preventivas Ventilacioacuten a
la cara completa mascarilla con filtro mecaacutenico guantes delantares botas de
goma y acentuar la limpieza personal
CLORO
Gas pasado amarillo verdoso
Toxicidad
Conc Maacutexima permisible 1 ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten
S
retrosterna
debilidad cianosis y edema pu
trolada bronco dilatadores y descongesti
Toxicidad
Concentrac
Ingenieriacutea Quiacutemica 63
UAM-I
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
Signos y siacutentomas Erosioacuten dental estornudo tos Dolor en el pecho bronquitis y
la las partes contaminadas del cuerpo con solucioacuten al 5 de
de las quemaduras con pantildeos
de triacuteo sulfato soacutelido si se a ingerido
vado de ojos con agua
ACIDO CLORIDRICO
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
ivitis necrosis corneal por inhalacioacuten rinitis erosioacuten
dolor de cabeza palpitacioacuten por ingestioacuten
s en la boca faringe esoacutefago estomago salivacioacuten vomito Soc
agua lavada de agua y jaboacuten de las partes
preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
AacuteC
El c
con o de hidroacutegeno una
concentracioacuten de 12 molLt Este aacutecido es un liacutequido incoloro con un olor aacutecido
bronconeumoniacutea
Tratamiento
bicarbonato soacutelido o con agua y jaboacuten Tratamiento
mojados con solucioacuten saturada
administracioacuten por viacutea oral de solucioacuten de jaboacuten Hidroacutexido caacutelcico o alumiacutenico u
oacutexido de magnesio
Medidas preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores excluir de la exposicioacuten
a los individuos con enfermedades de pulmones y rintildeones
Gas incoloro o liacutequido o a amarillento
Toxicidad
Concentracioacuten maacutexima permisible 5ppm en aire
Signos y siacutentomas conjunt
dental laringitis bronquitis neumoniacutea
quemadura
nefritis
Tratamiento lavado de ojos con
contaminantes del cuerpo tratamiento ordinario de quemaduras lavado gaacutestrico
se a ingerido con solucioacuten de bicarbonato soacutedico al 5 seguido de una instilacioacuten
de gel de hidroacutexido de aluminio
Medidas
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores
IDO CLORHIacuteDRICO
loruro de hidroacutegeno es en extremo soluble en agua de hecho el aacutecido clorhiacutedrico
centrado contiene cerca del 38 en masa de clorur
Ingenieriacutea Quiacutemica 64
UAM-I
pronunciado que se debe al equilibrio entre el cloruro de hidroacutegeno gaseoso y
ste con el aacutecido fluorhiacutedrico el aacutecido clorhiacutedrico es un aacutecido fuerte (pKa = -
7) y se ioniza casi totalmente
gar de aacutecido sulfuacuterico auque en menor grado Por
jemplo el zinc metaacutelico reacciona con aacutecido clorhiacutedrico para dar el ion zinc e
hidroacutegeno gaseoso
Zn(s) + 2HCl(ac) ZnCl2(ac) + H2(g)
l para producir aacutecido clorhiacutedrico en el laboratorio es generar
cloruro de hidroacutegen e sodio y el aacutecido
ulfuacuterico En el primer paso a 150degC se forma hidroacutegeno sulfato de sodio
NaHSO4(s) + HCl(g)
io y maacutes
loruro de hidroacutegeno gaseoso Luego el gas se disuelve en agua para formar el
aacutecido
NaHSO4(s) + NaCl(s) Na2SO4(s) + HCl(g)
acuoso
HCl(ac) HCl(g)
El reactivo de grado teacutecnico a menudo tiene un color amarillento por una impureza
del ion hierro (III)
En contra
HCl(ac) + H2O(l) H2O+(ac) + Cl -(ac)
Por ello a menudo se prefiere usar aacutecido clorhiacutedrico diluido en lugar de aacutecido niacutetrico
que es muy oxidante y en lu
e
Cuando el zinc reacciona con el aacutecido niacutetrico es comuacuten que se reduzca una parte
del ion nitrato para dar dioacutexido de nitroacutegeno
El meacutetodo tradiciona
o gaseoso por la reaccioacuten entre el cloruro d
s
NaCl(s) + H2SO4(l)
La mezcla se calienta a 550degC temperatura a la cual el hidroacutegeno sulfato de sodio
reacciona con un exceso de cloruro de sodio para formar sulfato de sod
c
∆
Este meacutetodo se usa tambieacuten en la industria otra forma de producir cloruro de
hidroacutegeno es por la combinacioacuten directa de dicloro y dihidroacutegenogaseosos
Ingenieriacutea Quiacutemica 65
UAM-I
H2(g) + Cl2(g) 2HCl(g)
La mayor cantidad de cloruro de hidroacutegeno que se produce actualmente es un
CH4(g) + 4Cl2(g) 4(l) + 4HCl(g)
riacuten de superficies de acero en un bantildeo aacutecido en la purificacioacuten de glucosa
y jarabe de maiacutez e s y de gas y en la
bricacioacuten de compuestos clorados El aacutecido se puedo comprar en muchas
nducida por la luz
4HNO3(ac) 4NO2(g) + O2(g) + 2H2O(l)
niacutetrico como disolvente)
H2NO3+ H2O + NO2
+
l siguiente
3HNO NO3 ndash
subproducto de otros procesos industriales como la siacutentesis de tetracloruro de
carbono
CCl
Se consumen cerca de 107 toneladas de aacutecido clorhiacutedrico cada antildeo en todo el
mundo Este aacutecido tiene una gama muy amplia de usos como aacutecido comuacuten para
eliminar o
n el tratamiento con aacutecido de pozos petrolero
fa
ferreteriacuteas con el arcaico nombre de aacutecido muriaacutetico sus principales usos caseros
son la limpieza de superficies de concreto y la eliminacioacuten de herrumbre Un nuacutemero
muy reducido de personas es incapaz de sintetizar suficiente jugo gaacutestrico y deben
de ingerir caacutepsulas de aacutecido clorhiacutedrico diluido con cada comida
AacuteCIDO NIacuteTRICO
El aacutecido niacutetrico un liacutequido aceitoso e incoloro en estado puro es sumamente
peligroso El aacutecido que funde a ndash42degC y hierve a +83degC tiene por lo general un
ligero color amarillo a causa de una reaccioacuten de descomposicioacuten i
En un estado puro el aacutecido niacutetrico liacutequido praacutecticamente no conduce la electricidad
Una pequentildea porcioacuten se ioniza como sigue (todas estas especies existen en el aacutecido
2HNO3(l) H2NO3+ + NO3
ndash
H2O + HNO3 H3O+ + NO3 ndash
Para dar la reaccioacuten globa
3 NO2+ + H3O + 2+
Ingenieriacutea Quiacutemica 66
UAM-I
El catioacuten nitrilo es importante en la nitracioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas por ejemplo la
obenceno C6H5NO2 una etapa importante en
umerosos procesos industriales orgaacutenicos
El aacutecido niacutetrico con en agua mientras
ue el ldquoaacutecido niacutetrico fumanterdquo un oxidante extremadamente poderoso es una
vez de ello se produce una mezcla de
sistema que da un orden de
vista industrial el
oceso
e lleva a cabo en tres etapas Primero se hace pasar una mezcla de amoniaco y de
dioxiacutegeno (o aire) un proceso muy
ficiente y exoteacutermico que hace que la malla se ponga al rojo Esta etapa se verifica
conversioacuten de benceno C6H6 en nitr
n
centrado es en realidad una solucioacuten al 70
q
solucioacuten roja de dioacutexido de nitroacutegeno en aacutecido niacutetrico puro Incluso cuando esta
diluido el aacutecido niacutetrico es un oxidante tan fuerte que rara vez desprende hidroacutegeno
cuando se pone en contacto con metales en
oacutexidos de nitroacutegeno y el metal se oxido a su catioacuten
Los enlaces O-N son mucho maacutes cortos (121 pm) que el enlace O-N unidos al aacutetomo
de hidroacutegeno (141 pm) Esta longitud de enlaces indica que hay enlaces muacuteltiples
entre el nitroacutegeno y los dos aacutetomos de oxiacutegeno terminales Ademas de los electrones
del sistema σ hay cuatro electrones que participan en el sistema π O-N-O dos de un
orbital enlazante y dos en un orbital no enlazante
enlace de 112 para cada uno de esos enlaces nitroacutegeno- oxiacutegeno
A veces se nos olvida hasta queacute punto nuestra experiencia depende de la
termodinaacutemica y la cineacutetica Por ejemplo la primera siacutentesis industrial de aacutecido
niacutetrico se llevaba ha cabo por simple combinacioacuten de diniacutetrogeno dioxiacutegeno y agua
utilizando un horno de arco eleacutectrico a fin de proporcionar la energiacutea necesaria par
superar la muy elevada barrera cineacutetica Aunque desde el punto de
factor cineacutetico constituiacutea un problema en realidad es una bendicioacuten por que sin esta
barrera cineacutetica hace mucho tiempo que todo el dioacutexido de la atmoacutesfera se abriacutea
transformado en aacutecido niacutetrico y nuestros mares serian de aacutecido niacutetrico diluido
frac12 N2(g) + 54O2(g) + 12H2O(g) HNO3(g)
Ahora se utiliza el proceso Ostwald para la siacutentesis de aacutecido niacutetrico Este proceso
consume gran parte del amoniaco que se produce por el proceso Haber El pr
s
a traveacutes de una malla de platino metaacutelico Eacuteste es
e
a baja presioacuten para aprovechar el efecto entropico es decir la formacioacuten de 10
moles de gas a partir de 9 moles de gas (una aplicacioacuten del principio de Le Chatelier)
para desplazar el equilibrio a la derecha
Ingenieriacutea Quiacutemica 67
UAM-I
4NH3(g) + 5O2(g) 4NO(g) + 6H2O(g)
Se agrega maacutes oxiacutegeno para oxidar el monoacutexido de nitroacutegeno a dioacutexido de nitroacutegeno
A fin de mejorar el rendimiento de esta reaccioacuten exoteacutermica se extrae calor de los
ases y la mezcla se somete a presioacuten
2HNO3(l) + NO(g)
Esta reaccioacuten tambieacuten es exoteacutermica y una vez maacutes se aplica enfriamiento y alta
la
egunda etapa para oxidarlo de nuevo
La contaminacioacuten s de aacutecido niacutetrico
as plantas maacutes antiguas eran faacutecilmente identificables por la fumarola cafeacute-
antas maacutes antiguas ahora mezcla cantidades
en Estados Unidos porque un 20
dedica ala produccioacuten de explosivos
or ultimo el aacutecido niacutetrico es un liacutequido que hierve a 826degC No existe como liacutequido
g
2NO(g) + O2(g) 2NO2(g)
El dioacutexido de nitroacutegeno se mezcla con agua para dar una solucioacuten de aacutecido niacutetrico
3NO2(g) + H2O(l)
presioacuten par obtener el maacuteximo rendimiento El monoacutexido de nitroacutegeno se vuelve a
s
soliacutea ser un problema importante de las planta
L
amarillento del dioacutexido de nitroacutegeno que escapaba por ellas Las plantas maacutes
antiguas eran faacutecilmente identificable por la fumadora cafeacute-amarillo del dioacutexido de
nitroacutegeno que escapaba de ellas Las pl
estequiomeacutetricas de amoniaco con las oacutexidos de nitroacutegeno con lo cual se obtiene
dinitroacutegeno y vapor de agua ambos inocuos
NO(g) + NO2 (g) + 2NH3(g) 2N2(g) + 3H2O(g)
En todo el mundo alrededor del 80 del aacutecido niacutetrico se utiliza en la produccioacuten de
fertilizantes Esta proporcioacuten es de solo el 65
se
P
puro porque en alguna medida se descompone espontaacuteneamente como sigue
4HNO3(l) 4NO2(g) + 2H2O(l) + O2(g)
Ingenieriacutea Quiacutemica 68
UAM-I
El aacutecido niacutetrico concentrado que se usa en el laboratorio estaacute al 68 en masa HNO3
(densidad 142 gcm3) lo que corresponde a 157 M
l aacutecido niacutetrico es un poderoso agente oxidante El nuacutemero de oxidacioacuten del N en el
) El aacutecido niacutetrico puede oxidar
nto a metales que estaacuten abajo del hidroacutegeno como aquellos que se encuentran
4Zn2+(ac) + NH4
+(ac) + 3H2O(l)
do no oxida al oro Sin embargo cuando se mezcla con
cido clorhiacutedrico concentrado en relacioacuten 13 en volumen (una parte de HNO3 a tres
partes al oro
omo sigue
APEacuteNDICE F
ETODO DE DEPOSICIOacuteN-PRECIPITACIOacuteN
E
HNO3 es + 5 Los productos maacutes comunes de la reduccioacuten del aacutecido niacutetrico son el
NO2 (N = + 4) el NO (N = + 2) y el NH4+ (N = - 3
ta
arriba en la serie de actividades Por ejemplo el cobre es oxidado por el aacutecido niacutetrico
concentrado como se mencionoacute antes
En presencia de reductores fuertes como el zinc metaacutelico el aacutecido niacutetrico se puede
reducir hasta ion amonio
4Zn(s) + 10H+(ac) + NO3
-(ac)
El aacutecido niacutetrico concentra
aacute
de HCl) la disolucioacuten resultante denominada agua regia puede oxidar
c
Au(s) + 3HNO3(ac) + 4HCl(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O(l) + 3NO2(g)
M
Ingenieriacutea Quiacutemica 69
UAM-I
APEacuteNDICE G
ISENtildeO DEL MEZCLADOR [4]
1) 100 ml H2O gr soporte
2) NH4(OH)
Ajustar a PH = 9 4) HAuCl4 (solucioacuten acuosa al 25E-3M)
6) Filtrado o centrifugado
3) En Agitacioacuten por 2 hr
8) Secado por 2hr a 80 degC
9 ) Calcinado por 4hr a 400 degC
7) Lavado
5) Antildeegamiento por 30 min
D
Ingenieriacutea Quiacutemica 70
UAM-I
El disentildeo de un tanque agitado dis n nuacutemero de elecciones sobre el
po y localizacioacuten del agitador las proporciones del tanque el nuacutemero y dimensiones
ada una de estas decisiones afectan a la velocidad
e circulacioacuten del liacutequido los modelos de velocidad y el consumo de potencia Como
pone de un gra
ti
de las placas deflectoras etc C
d
punto de partida en el disentildeo de los problemas ordinarios de agitacioacuten generalmente
se utiliza un agitador de turbina del tipo que se muestra en la figura 1 La proporcioacuten
tiacutepica es
31
=t
a
DD
1=tD
H 121
=tD
J 51
=aD
W 41
=aD
L
de estas ecuaciones se disentildeara el mezclador como datos se tiene el valor H que es
igual a 3 mts y el diaacutemetro del tanque D
Se determinara la medida de los reflectores
t que es igual 3 mts
121
=tD
J se despeja J
elacioacuten R31
=t
a
DD
se despeja Da
Relacioacuten
41
=aD
L se despeja L
elacioacuten se despeja W
( ) ( ) cmmtsmtsDJ 25250311==⎟
⎞⎜⎛=⎟
⎞⎜⎛= t 1212 ⎠⎝⎠⎝
( ) ( ) mtsmtsDD ta 1331
31
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=
( ) ( ) mtsmtsDL a 250141
41
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛= cm25=
51
=aD
WR
Ingenieriacutea Quiacutemica 71
UAM-I
Figura 2 a) Vista transversal del mezclador b) paletas del mezclador con la
donde se deposita el soporte
Figura 1 Medidas de un agitador de turbina
a) b)
s rejillas
H
J
E L
Da
D t
W
W
( ) ( ) cmmtsmtsDW a 2020151
5==⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎜⎝
=1 ⎞⎛
Ingenieriacutea Quiacutemica 72
UAM-I
ocurre la interaccioacuten entre CO y O en sitios adyacentes para formar un complejo
activado (Paso limitante) que posteriormente pasa a CO2
El presente trabajo aborda el tema del control cataliacutetico de emisiones de CO abaja
temperatura En particular se postula el desarrollo de un catalizador de oro soportado
en aluacutemina (Al2O3) para la oxidacioacuten de CO y su posible aplicacioacuten a diferentes
aparatos domeacutesticos como calentadores de agua estufas hornos turbinas
industriales etc
La siacutentesis y aplicacioacuten de catalizadores de oro a diversos problemas ambientales se
ha reportado desde hace 10 antildeos Haruta et al[9] fueron los primeros en encontrar la
actividad de nanopartiacuteculas de Au soportadas en la oxidacioacuten de CO a baja
temperatura Actualmente se sabe que la oxidacioacuten de CO a baja temperatura (T lt
70oC) requiere de un catalizador con pequentildeas partiacuteculas de oro (lt 5 nm)
soportadas preferentemente sobre un oacutexido de metales de la primera serie de
transicioacuten por ejemplo TiO2 y α-Fe2O3 [10] El tamantildeo de las partiacuteculas de oro en
estos catalizadores cae en el intervalo de las nanopartiacuteculas
La actividad cataliacutetica de estos se ha relacionado a los sitios localizados en la
interfase metal-soporte por lo que el soporte juega un papel vital en la actividad
cataliacutetica de estos materiales Con base en los resultados reportados puede
plantearse que la obtencioacuten de nanopartiacuteculas estables cataliacuteticamente activas estaacute
directamente relacionada con las condiciones de siacutentesis la tasa y temperatura de
calcinacioacuten Los catalizadores de oro soportado han presentado resultados
importantes que han sugerido tambieacuten la aplicacioacuten potencial en la oxidacioacuten de
hidrocarburos (selectiva y no selectiva) la hidrogenacioacuten de CO y en la reduccioacuten de
NOx con H2 C3H6 o CO[11] La hidrogenacioacuten de hidrocarburos no saturados tambieacuten
puede ocurrir sobre catalizadores de oro soportado siempre y cuando el oro este
altamente disperso en el soporte
Hasta este punto se ha visto que el CO es un contaminante muy toxico siendo un
compuesto que provoca dantildeos severos en la salud del ser humano y en general al
Catalizadores de Oro Soportado 7
UAM-I
medio ambiente Por lo que se requiere reducir las concentraciones principalmente
dentro de los hogares La idea baacutesica de este proyecto fue disentildear un dispositivo
cataliacutetico que permita reducir las emisiones de CO en los calentadores hasta en un
90 de su concentracioacuten inicial En el Capiacutetulo 2 se describen la siacutentesis y
caracterizacioacuten de catalizadores Auγ-Al2O3 preparados por los meacutetodos de
impregnacioacuten y deposicioacuten-precipitacioacuten asiacute como la actividad en la oxidacioacuten de una
mezcla de CO e H2 Por uacuteltimo en el capitulo 3 se presenta el disentildeo de una planta
industrial para la fabricacioacuten de dichos dispositivos cataliacuteticos uacutetiles en la oxidacioacuten
de CO de los efluentes de calentadores de agua domeacutesticos
12 OBJETIVO GENERAL Dimensionar disentildear y estimar el costo de una planta productora de catalizadores de
oro en la oxidacioacuten del CO para aplicacioacuten a equipos de calentamiento de agua
domeacutesticos
13 OBJETIVOS PARTICULARES - Siacutentesis del catalizador por los meacutetodos de Impregnacioacuten y Deposicioacuten-
Precipitacioacuten
- Caracterizacioacuten de catalizadores por Absorcioacuten Atoacutemica Adsorcioacuten Fiacutesica
Difraccioacuten de Rayos X y Microscopia Electroacutenica de Transmisioacuten
- Evaluacioacuten de catalizadores en la oxidacioacuten de CO
- Obtener el mejor meacutetodo de preparacioacuten para tener una buena distribucioacuten de
nanopartiacuteculas de Au soportadas en γ-Al2O3 con alta actividad a baja
temperatura
- Disentildear la planta industrial para la produccioacuten de catalizadores uacutetiles en la
oxidacioacuten de CO
- Evaluar la viabilidad del proceso
Catalizadores de Oro Soportado 8
UAM-I
14 BIBLIOGRAFIacuteA
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Catalizadores de Oro Soportado 9
UAM-I
C A P I T U L O II
E X P E R I M E N T A C I Oacute N
Catalizadores de Oro Soportado 10
UAM-I
2 1 INTRODUCCIOacuteN
Existen reportes [6] sobre la actividad de catalizadores Auγ-A12O3 AuCo3O4 AuNiO
sintetizados por diferentes meacutetodos (co-precipitacioacuten deposicioacuten-precipitacioacuten e
impregnacioacuten etc) en la oxidacioacuten de H2 y CO La actividad se ha relacionado a un
efecto combinado entre Au y los oacutexidos metaacutelicos utilizados como soporte Sin
embargo una alta actividad cataliacutetica en la oxidacioacuten de CO e H2 estaacute directamente
relacionada al tamantildeo de partiacutecula de Au y la dispersioacuten de eacutestas en el soporte[7]
Algunos trabajos[8-9] indican que a menor tamantildeo de partiacutecula mayor actividad y
mayor estabilidad del catalizador
En el presente trabajo se prepararon catalizadores de Au soportado sobre γ-Al2O3
con un tamantildeo promedio de partiacuteculas de Au de 5 nm y alta dispersioacuten Se utilizaron
dos meacutetodos de preparacioacuten diferentes impregnacioacuten y deposicioacuten-precipitacioacuten
variando el contenido de oro de 007 a 1 en peso de Au Los catalizadores se
evaluaron en la oxidacioacuten de una mezcla de CO e H2 y fueron caracterizados por
difraccioacuten de rayos x microscopia electroacutenica absorcioacuten atoacutemica y absorcioacuten fiacutesica
Los resultados indican que efectivamente la actividad depende del tamantildeo de
partiacutecula y el contenido de Au en el catalizador En particular el catalizador con 035
en peso de Au presentoacute 100 de conversioacuten en ambas reacciones sin indicios de
desactivacioacuten durante 24 h continuas de operacioacuten a velocidades espaciales (GHSV)
mayores que 10 000 h-1 Con esto se pretende contribuir al desarrollo de
catalizadores ambientales que permitan disminuir las emisiones nocivas
provenientes de fuentes fijas y moacuteviles de nuestro paiacutes
Catalizadores de Oro Soportado 11
UAM-I
22 EXPERIMENTACIOacuteN
Siacutentesis de Catalizadores
Meacutetodo de DP Se dispersoacute 1 g de γ-Al2O3 (Ketjen) en 100 mL de agua tridestilada y
se adicionoacute NH4(OH) (JT Baker) (01M) hasta obtener un pH de 9 Posteriormente
se agregoacute por goteo durante 2 h 20 mL de una solucioacuten de AuCl3 (9998 Aldrich)
(25x 10-3 M) Despueacutes se agitoacute por 30 min y se filtroacute y lavoacute con agua destilada con
10 veces el volumen total inicial Por ultimo el soacutelido resultante se secoacute a 80degC por 2
h y se calcinoacute a 400degC por 4 h
Meacutetodo de IMP Se dispersoacute 1 g de γ-A12O3 en 100 mL de agua tridestilada por 30
min A esta mezcla se le antildeadioacute lentamente 20 mL de una solucioacuten de AuCl3 (25x10-
3M) y se mantuvo en agitacioacuten 720 min Durante este tiempo se ajustoacute el pH a 9 por
medio de la adicioacuten de una solucioacuten acuosa de Na2CO3 (JT Baker) El soacutelido se
filtroacute y lavoacute con 500 mL de agua tridestilada caliente (95degC) para eliminar los iones de
cloro que podriacutean afectar la actividad cataliacutetica Finalmente se secoacute a 120degC 24 h y
se calcinoacute a 400degC por 4 h
Los catalizadores preparados por el meacutetodo de DP e IMP se les llamaraacuten de aquiacute en
adelante x-Auγ-Al2O3-DP y muestra x-Auγ-Al2O3-IMP respectivamente donde x
indica el en peso de Au en el catalizador
Caracterizacioacuten de Catalizadores Absorcioacuten Atoacutemica La cantidad de oro en cada uno de los catalizadores se
determinoacute por absorcioacuten atoacutemica (SpectrAA-20 Varian) Antes de las mediciones el
equipo fue calibrado con una solucioacuten estaacutendar de Au (Sigma) Una muestra de cada
catalizador (01g) se disolvioacute en agua regia a temperatura ambiente la cual se
preparoacute mezclando 200 ml de HCl concentrado y 100 mL de HNO3 concentrado
Adsorcioacuten Fiacutesica La isoterma de adsorcioacuten fiacutesica de N2 a 75 K de cada catalizador
se obtuvo en un equipo automatizado Quantachrome Autosorb Automated A partir
de estos datos se determinoacute el aacuterea BET el radio y el volumen promedio de poro
Catalizadores de Oro Soportado 12
UAM-I
Difraccioacuten de Rayos X Se realizoacute en un difractoacutemetro Siemens D500 en un entrono
angular de 4 a 64ordm en 2θ La radiacioacuten Cuκα se seleccionoacute con un difractor de un haz
de luz monocromaacutetico
Microscopia Electroacutenica de Transmisioacuten (TEM) Se utilizoacute un Microscopio Electroacutenico
de Transmisor Mod EM910 Zeiss operando a un voltaje de 120 kV y con una
ampliacioacuten de 400000 aumentos Para la preparacioacuten de las muestras se tomaron
005 g de cada una y se disolvieron en alcohol etiacutelico y se sometieron a ultrasonido
(Branson 2210) por 5 min Posteriormente se colocaron las rejillas en porta objetos y
se agregoacute una gota de la solucioacuten del catalizador dejando secar a temperatura
ambiente hasta su medicioacuten
Evaluacioacuten cataliacutetica Las medidas de actividad cataliacutetica en la oxidacioacuten de CO e H2
CH4 y C2H8 se realizaron en un microreactor de cuarzo de lecho fijo en el cual se
colocaron en todos los casos 030 g de catalizador y se utilizoacute un flujo total de 100
mLmin Para la oxidacioacuten de CO se utilizoacute una mezcla con 1 CO 05 O2 033
H2 en N2 para las pruebas en condiciones estequiomeacutetricas y con 1 CO 21 O2
033 H2 en N2 para los experimentos en exceso de O2 El efluente fue analizado
por cromatografiacutea de gases (GC-12 A Shimadzu C-RGA con una columna SFE-1)
con detector de conductividad teacutermica Para la combustioacuten de CH4 se uso una
mezcla con 1 CH4 2 O2 97 N2 y para la combustioacuten de C3H8 una mezcla con
1 C3H8 2 O2 97 N2 En todos los experimentos la temperatura de operacioacuten
fue de 25 a 400 degC y la velocidad espacial fue 10146 h-1
Catalizadores de Oro Soportado 13
UAM-I
23 RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN
Absorcioacuten Atoacutemica y Adsorcioacuten Fiacutesica La Tabla 1 muestra los contenidos de Au
el Aacuterea BET (ABET) el volumen promedio de poro (VP) y el radio promedio de poro
(RP) para los catalizadores preparados
Se puede observar que el aacuterea BET de la γ-Al2O3 se modifica con la adicioacuten de Au El
aacuterea BET entre la γ-Al2O3 pura y la muestra DP concuerdan con lo reportado[10-11] de
que a mayor porcentaje de Au mayor es el aacuterea superficial sin embargo el aacuterea BET
del catalizador 007-Auγ-Al2O3-IMP que tiene un menor porcentaje de Au presenta
la mayor aacuterea BET Sin embargo aunque el radio promedio de poro es casi el mismo
para las tres muestras el catalizador 007-Auγ-Al2O3-IMP presenta el mayor
volumen promedio de poro Esto podriacutea deberse a que el meacutetodo de preparacioacuten
utilizado causoacute la generacioacuten de una mayor porosidad en la γ-Al2O3 en lugar de la
impregnacioacuten de una mayor cantidad de Au Las isotermas de adsorcioacuten de los
catalizadores fueron del tipo IV y semejantes en forma a la de la γ-Al2O3 (Figura 1)
La Figura 2 muestra que la distribucioacuten de tamantildeo de poros se centra dentro del
mismo margen para las tres muestras y se aprecia la presencia de mesoporos entre
los 50 y 125 Aring
Tabla 1 Contenido Au y caracteriacutesticas texturales en los catalizadores
Catalizador Au ( en peso) ABET (m2g) RP (Aring) VP (ccg)
γ-Al2O3 000 183 78 0489
IMP 007 301 79 0743
DP 035 215 78 0518
IMP 100
No se ha determinado
Catalizadores de Oro Soportado 14
UAM-I
0
100
200
300
400
500
0 02 04 06 08
PPo
Vads
(cm
3g)
STP
-Al2O3
035-Au -Al2O3-DP
007-Au -Al2O3-IMP
1
Figura 1 Isotermas de adsorcioacuten y desorcioacuten de N2 de los catalizadores Auγ-Al2O3
ifraccioacuten de Rayos X La Figura 3 muestra los patrones de difraccioacuten de Rayos X
0
0004
0008
0012
0016
002
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
Rp [A]
Dv(
r) [c
m3
Ag]
-Al2O3
035-Au -Al2O3-DP
007-Au -Al2O3-IMP
Figura 2 Distribucioacuten de tamantildeo de poros
D
de los catalizadores Se observa que todos son caracteriacutesticos de la γ-Al2O3 Es
imposible identificar la presencia del Au esto debido al pequentildeo porcentaje y la alta
Catalizadores de Oro Soportado 15
UAM-I
dispersioacuten del Au contenido en cada uno de los catalizadores Sin embargo para el
caso de que se tuviese mayor cantidad de Au el difractograma podriacutea presentar un
pico alrededor de los 38deg en 2θ el cual indicariacutea la presencia de Au A partir de esta
sentildeal y la ecuacioacuten de Scherrer algunos autores han calculado el tamantildeo promedio
de las partiacuteculas de oro en catalizadores soportados
Microscopia Electroacutenica Transmisioacuten (MET) En la Figura 4 se presentan las
casos los
imaacutegenes de MET para la γ-Al2O3 y los catalizadores 035-Auγ-Al2O3-DP y 007-Auγ-
Al2O3-IMP En ambos catalizadores el tamantildeo de partiacutecula se encuentra es mayor
que 2 nm pero menor o igual que 5 nm En ambos casos los resultados indican que
las partiacuteculas de oro estaacuten dispersadas de manera uniforme en el soporte
Se encuentra es mayor que 2 nm pero menor o igual que 5 nm En ambos
resultados indican que las partiacuteculas de oro estaacuten dispersadas de manera uniforme
en el soporte
Figura 3 Patrones de Difraccioacuten de Rayos X de los catalizadores Auγ-Al2O3
Catalizadores de Oro Soportado 16
UAM-I
Figura 4 Imaacutegenes de MET para (a) γ-Al2O3 (b) 035-Auγ-Al2O3-DP y (c) 007-Auγ-
Al2O3-IMP
Catalizadores de Oro Soportado 17
UAM-I
Se sabe que la alta actividad cataliacutetica del oro esta relacionada con su tamantildeo esto
quiere decir que entre maacutes pequentildeas sean las partiacuteculas mayor actividad tendraacuten
nes estequiomeacutetricas el catalizador 007-Auγ-Al2O3-
P no mostroacute actividad para la oxidacioacuten de CO e H2 sin embargo al operar la
por lo tanto de las imaacutegenes anteriores se tiene que el meacutetodo DP es el maacutes
adecuado por lograr depositar mayor cantidad de Au con gran dispersioacuten y un
tamantildeo de partiacuteculas pequentildeo
Actividad Cataliacutetica A condicio
IM
misma muestra con un exceso de O2 la actividad inicioacute a partir de 140oC alcanzando
una conversioacuten maacutexima de 8748 a 400 degC (Figura 5) En vista de este uacuteltimo
resultado se decidioacute evaluar el catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP a las mismas
condiciones de exceso de O2 En este caso la actividad cataliacutetica inicioacute por debajo de
los 30oC incrementaacutendose casi linealmente con la temperatura hasta lograr una
conversioacuten maacutexima de 9367 a 127degC La diferencia en actividad entre ambos
catalizadores es notable Auacuten a muy bajos contenidos de Au el catalizador 007-Auγ-
Al2O3-IMP presenta una actividad importante sin embargo al aumentar cinco veces
este contenido (035) y manteniendo el tamantildeo de partiacutecula es posible disminuir la
temperatura de encendido calculada como la temperatura a la cual se logra el 50
de conversioacuten (T50) en 175oC Un uacuteltimo estudio fue la evaluacioacuten del catalizador
10-Auγ-Al2O3-IMP el cual presenta una T50 de 290 degC(ver Figura 5) la cual es 40 degC
mayor que el catalizador 007-Auγ-Al2O3-IMP auacuten cuando el contenido de Au es
mayor La Figura 5 muestra tambieacuten la comparacioacuten de estos resultados con
trabajos anteriores[10] en los que utilizan el catalizador 5-Auγ-Al2O3-IMP a
condiciones estequiomeacutetrica en este caso T50 es de 215 degC tan solo 35 degC de
diferencia en comparacioacuten con el catalizador 007-Auγ-Al2O3-IMP La diferencia en el
contenido de Au es 15 veces menor En general al trabajar en condiciones en exceso
de O2 se tiene una mayor conversioacuten a una menor temperatura por lo que se
esperariacutea que los resultados del catalizador 5-Auγ-Al2O3-IMP bajo condiciones de
exceso fueran mejores sin embargo los autores no presentan estos resultados
Catalizadores de Oro Soportado 18
UAM-I
El catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP alcanzoacute 100 de conversioacuten a 176 degC a
condiciones de exceso de O2 (Figura 5) esta conversioacuten se mantuvo por 24 h sin
presentar indicios de desactivacioacuten (Figura 6) KRuth [12] reporta desactivacioacuten del
catalizador 10-Auγ-TiO2 a partir de 80 minutos de operacioacuten con una velocidad
espacial de 1x104 h-1 El catalizador fue preparado por deposicioacuten y contiene nano-
particulas (2-5nm) soportadas en TiO2 Sin embargo el catalizador logra 100 de
conversioacuten a 0 degC Esto es debido a que los catalizadores AuTiO2 presentan mayor
actividad a temperaturas bajas La Figura 6 muestra tambieacuten la conversioacuten reportada
por Seung-Jae[11] del catalizador 043-Auγ-Al2O3-IMP en donde la temperatura de
operacioacuten es de 25 degC sin embargo se tiene una desactivacioacuten apreciable a partir de
150 minutos de operacioacuten con una velocidad especiales de 8x10 h-1
Figura 5 Conversioacuten del CO para los catalizadores de 007-Auγ-Al2O3-IMP 10-
os resultados de conversioacuten del hidroacutegeno (Figura 7) muestran conversioacuten del 100
10 a 035 es de 20 degC
Auγ-Al2O3-IMP y de 035-Auγ-Al2O3-DP en condiciones de operacioacuten en exceso de
O2 la tasa de temperatura es de 2degC por minuto Datos Referencia [10]
L
por debajo de 150 degC con el catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP mientras que el
catalizador 007-Auγ-Al2O3-IMP logra conversioacuten completa hasta 270oC y para el
catalizador 10-Auγ-Al2O3-IMP se tiene una conversioacuten del 100 hasta 310 degC lo
cual indica que los tres catalizador son activos para ambas reacciones y que se
mantiene la tendencia observada para la oxidacioacuten de CO La disminucioacuten en T50 al
aumentar el contenido de Au de 007 a 035 es de 140oC mientras que para la de
Catalizadores de Oro Soportado 19
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado 20
Figura 6 Variacioacuten de la conversioacuten con respecto al tiempo para la muestra de DP a
una temperatura de 180 degC Datos Referencia [11]
Figura 7 Oxidacioacuten de H sobre los catalizadores 035-Au2 γ-Al2O3-DP 007-Auγ-
Al2O3-IMP y 10-Auγ-Al2O3-IMP bajo condiciones de exceso de O2
La Figura 8 muestra como varia la temperatura de encendido con la cantidad de Au
en los catalizadores preparados en este trabajo Se observa un miacutenimo para el
catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP lo cual indica que la mayor actividad se logra a bajos
contenidos de Au y tamantildeos de partiacutecula menores que 5 nm
0
20
40
60
80
0 200 400 600 800 1000Tiempo (min)
Con
vers
ioacuten
de C
O (
) 100
035-Au -Al2O3-DP (176 degC)
043-Au -Al2O3-IMP (25 degC)
0
20
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Temperatura (degC)
40
60
Con
vers
ioacuten
de H
2 (
)
80
100
10-Au -Al2O3-IMP035-Au -Al2O3-DP007- Au -Al2O3-IMP50-Au -Al2O3-IMP
UAM-I
F
o
P
o
o
re
d
F
c
C
T50 (degC)
igura 8 Variacioacuten de la te
xidacioacuten de CO con respect
or ultimo se realizaron cu
peracioacuten pero variado la
btenidos se muestran en la
accioacuten presentan una tend
e catalizador
00000
00040
00080
00120
00160
00200
0
(-rc
o)
00000
igura 9 Velocidad de reac
ondiciones en exceso de O2
atalizadores de Oro Soportado
masa Au
mperatura de encendido a 50 de conversioacuten en la
o a la cantidad de Au en el catalizador
atro corridas maacutes bajo las mismas condiciones de
masa de catalizador Las velocidades de reaccioacuten
fig9En esta figura se observa que las velocidades de
encia lineal despueacutes de los 80degC al aumentar la masa
50 100 150 200 250 300T (degC)
3 gr cat
25 gr cat
2 gr cat
15 gr cat
1 gr cat
cioacuten de CO a diferentes masas de catalizador y bajo
21
UAM-I
Se tomo una temperatura de 125 degC debido a las mediciones realizadas en
diferentes calentadores domeacutesticos Se encontroacute que la temperatura media es la
mencionada A partir de los datos experimentales se determinoacute que el orden de
reaccioacuten es 13 y la constante cineacutetica k = 480945 (m3)13[(mol)03m3cat hr] (00012
mhr) y un coeficiente de transferencia de masa de 792 mhr (ver apeacutendices A) con
estos valores y usando los criterios de Weisz-Prater y Mears[14] (ver apeacutendice B) se
obtuvo que no existe resistencia interna ni externa a la transferencia de masa por lo
que la cineacutetica es la que controla
24 CONCLUSIOacuteN DE LA EXPERIMENTACIOacuteN El meacutetodo de DP es mucho maacutes adecuado que el de IMP para la preparacioacuten de
catalizador de Au soportados en γ-Al2O3 ya que permitioacute obtener catalizadores con
cinco veces maacutes oro que el preparado por el meacutetodo IMP bajo condiciones similares
de preparacioacuten En ambos casos el tamantildeo promedio de partiacutecula fue menor que 5
nm Debido a esto el catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP presenta una mayor actividad
en la oxidacioacuten de CO e H2 sin observarse desactivacioacuten durante un periodo de 24 h
Puesto que en ambas muestras se consiguioacute una gran dispersioacuten y un tamantildeo
similar de nanopartiacuteculas de oro se tiene entonces que la principal diferencia de
actividad cataliacutetica se debe principalmente a la cantidad de Au en el catalizador Sin
embargo el catalizador 10-Auγ-Al2O3 presenta una menor conversioacuten que el de
035-Auγ-Al2O3-DP a pesar de contener maacutes Au por lo que hasta el momento se
podriacutea decir que la cantidad de Au optima se encuentra por debajo de 10 wt y por
arriba de 007 wt no obstante se requiere de la caracterizacioacuten del catalizador 10-
Auγ-Al2O3 se para determinar de que manera influyen el tamantildeo de partiacuteculas la
distribucioacuten el volumen y el tamantildeo de poro en los resultados esta caracterizacioacuten
asiacute como la evaluacioacuten cataliacutetica del catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP bajo
condiciones estequiomeacutetricas se encuentran en proceso
Catalizadores de Oro Soportado 22
UAM-I
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Catalizadores de Oro Soportado 23
UAM-I
C A P I T U L O III
D I S E Ntilde O D E L A P L A N T A I N D U S T R I A L
Catalizadores de Oro Soportado 24
UAM-I
31 INTRODUCCIOacuteN
Este capitulo esta enfocado al disentildeo de la planta industrial donde se produciraacuten
catalizadores de Auγ-Al2O3 por el meacutetodo de Deposicioacuten-Precipitacioacuten (DP) descrito
en el capitulo 2
Parte de la produccioacuten de los catalizadores se destinaraacute a su venta en masa y otra
parte se destinaraacute para el equipo de purificacioacuten de calentadores de agua esto con
la finalidad que el catalizador que esta contenido dentro del equipo de purificacioacuten
cuando se desactive pueda remplazarse por catalizador nuevo disponible en el
mercado De esta forma se tendraacuten ganancias tanto al vender el equipo purificador
como al vender catalizador como materia prima
32 DISENtildeO DEL EQUIPO PURIFICADOR PARA CALENTADORES DE AGUA DOMEacuteSTICOS El equipo purificador se ubicaraacute a la salida del efluente gaseoso del calentador como
un equipo adicional como se muestra en la Figura 1 Se plantea colocarlo en una
posicioacuten tal que oxide a baja temperatura hasta el 90 de CO Las dimensiones del
purificador se determinaron seguacuten las especificaciones de calentador y el balance de
materia en el sistema purificador Estos caacutelculos se presentan en el Apeacutendice A
Los tubos de las chimeneas de los calentadores son de latoacuten por lo que se decidioacute
utilizar este material para la parte exterior la parte donde se colocaraacute el catalizador
es de 35 cm de longitud para colocarlo en el tubo de la salida del flujo de gas se
dieron 2 cm maacutes en cada extremo para hacer un tipo cople de manera que el tubo
entre en los extremos
Catalizadores de Oro Soportado 25
UAM-I
C O 2 2 0 c m 7 c m c m G A S C O
3
2cm
75 cm 35 cm
Figura 1 Esquematizacioacuten del equipo purificador y su ubicacioacuten en los calefones
Las dimensiones obtenidas (Apeacutendice A) y las caracteriacutesticas del purificado se
presentan en la Tabla 1
Tabla 1 Especificaciones de purificador
Material Latoacuten
Longitud 35 cm
Diaacutemetro 20cm
Cantidad de
Catalizador
700 gr
Catalizadores de Oro Soportado 26
UAM-I
33 PRODUCCIOacuteN DE LA PLANTA INDUSTRIAL A partir de un estudio de mercado se encontroacute que en la Ciudad de Meacutexico hay
cuando menos cuatro empresas principales (CALOREX ELSA MAGAMEX y
CINSA) que fabrican calentadores de agua residenciales[1 2] Estas en promedio
producen 150 calefones diarios Por cada calefoacuten se requiere un equipo purificador
En este sentido de requieren idealmente 600 unidades de purificacioacuten por diacutea Esta
base se utilizoacute para el disentildeo de la planta
A partir del balance de masa en el purificador y empleado los resultados
experimentales a nivel laboratorio (ver apeacutendice A) se encontroacute que cada purificador
requiere 07 Kg de catalizador A partir de este resultado se requiere producir al
menos 420 Kg de catalizador para satisfacer la demanda en la produccioacuten de
calefones Con base en el balance de materia realizado en el mezclador se
determinoacute que la cantidad de catalizador obtenido despueacutes de cuatro lotes es de
570 Kg Tomando el resto de catalizador como reserva por cualquier contratiempo El
nuacutemero de lotes se determinoacute en base a que fuese rentable la recuperacioacuten de oro
34 DISENtildeO Y OPERACIOacuteN DE LA PLANTA
La fabricacioacuten del catalizador a nivel industrial esta basada en el escalamiento del
meacutetodo de siacutentesis descrito en la parte experimental Lo cual es una praacutectica comuacuten
en la fabricacioacuten de materiales cataliacuteticos
Para la produccioacuten de 570 Kg por diacutea se plantea utilizar cuatro mezcladores (ver
Figura 2) que operaran durante 8 h con cuatro intervalos (o cargas) de 2 h y
descansos de 30 min (dejando 30 min libres por contratiempos) Esta operacioacuten se
elige con base en las horas de trabajo y el meacutetodo de preparacioacuten del catalizador
Al igual que en la parte experimental el proceso requiere operacioacuten por lotes debido
a que se necesitan largos tiempos de contacto para obtener catalizadores eficientes
en la oxidacioacuten de CO a baja temperatura Se pretende utilizar un agitador tipo
Catalizadores de Oro Soportado 27
UAM-I
canastilla[4] el cual permite colocar dentro de las mismas el catalizador para tener
una mejor impregnacioacuten de partiacuteculas de Au y eliminar la atricioacuten Las dimensiones
del agitador asiacute como del mezclador se presentan en la Figura 6
Al teacutermino de la uacuteltima carga en los mezcladores el lote completo del diacutea pasa al
horno para secarlo a 80degC por 2 h y calcinarlo a 400degC durante 4 h Durante estos
procesos se concluye la preparacioacuten del catalizador Las temperaturas y tasas de
calentamiento estaacuten basadas en el meacutetodo de preparacioacuten experimental descrito en
el Capitulo ll Posteriormente el catalizador producido pasa a la seccioacuten donde se
embolsa para ser vendido como materia prima y la otra parte pasa a la seccioacuten de
ensamblaje para fabricar el purificador
Dimensiones de la industria
Las dimensiones de los equipos como mezcladores cisternas tanque de
tratamiento horno etc se tomaron como base para poder suponer espacios entre
equipos para tener seguridad del personal Se dio preferencia a los mezcladores ya
que son las partes importantes en la elaboracioacuten de los catalizadores La cisterna
estaraacute enterrada para facilitar su llenado en el caso de los contenedores de HAuCl4
y NH4OH estaraacuten encima de bases maacutes altas que los mezcladores para poder
abastecerlos por gravedad Esto debido a que el volumen es poco no se requiere de
grandes cantidades por lo que no se requiere alguna bomba Se estuvo analizando
la forma de acomodar los equipos y se obtuvo la siguiente distribucioacuten que se
muestra en la Figura 3
En la Figura 4 se presenta el plano de la industria con sus respectivos
departamentos en la parte sur se encuentra la entrada principal en ella se encuentra
vigilancia y la entrada de empleados y obreros posteriormente esta la zona de
oficinas lado izquierdo del lado derecho se encuentra el estacionamiento para
clientes y empleados en el almaceacuten se encontraraacuten refacciones de equipo y
reservas de materia primas para los catalizadores en la zona de produccioacuten se tiene
el estacionamiento de proveedores para facilitar la entrada y salida del producto
Catalizadores de Oro Soportado 28
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado 29
Debido a que en cada industria debe existir un espacio recreativo se plantea una
cancha de Baacutesquetbol para los obreros y una zona de jardines en la parte norte
Ubicacioacuten de la industria
Para poder ubicar una industria es importante analizar la zona geograacutefica Para lo
cual se deben considerar algunos factores importantes por ejemplo No ubicarla en
zona de siacutesmica Si la industria requiere de un gran volumen de agua no ubicarla en
una regioacuten deseacutertica Si el producto es muy sensible al calor y la humedad evitar
zonas muy caacutelidas y huacutemedas Si se piensa vender el producto en una zona
especifica ubicar la industria cerca de la zona de venta para evitar gastos de
transportacioacuten A partir de este tipo de razonamientos se planea que debido a que el
producto que se elaborara que es un purificador cataliacutetico para su venta en la ZMVM
ya en ella estaacuten ubicadas las principales industrias de calentadores y debido a que la
planta requiere de un volumen considerable de agua se escogioacute el estado de
Morelos porque no esta muy lejos de la ZMVM y tiene reservas de agua Asiacute el gasto
de transportacioacuten de materias primas y sobre todo del producto elaborado seriacutea
pequentildeo
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Catalizadores de Oro Soportado
Agua
Tanque tratamien
Figur
NH4OH
HAuCl4
Produccioacuten de catalizadores
Recuperacioacuten de agua
de to
a
MezcladoresMezcladores
Cuando se requiere limpieza
Horno
Producto almaceacuten
30
1 Diagrama de produccioacuten Recuperacioacuten de cloro
UAM-I
35 BALANCE DE MATERIA DIAGRAMA DE FLUJO PARA DIFERENTES LOTES DE SOPORTE EN UN SOLO MEZCLADOR
Catalizadores de Oro So
05 Kg Au
10
0
086 Kg HAuCl4(ac)014 Kg H2O
035 Kg NO2(g)
2
35 Kg NH4(OH)(ac) (01M)
10000 Kg H2O
100 Kg Al3O
100 Kg Al2O3 (9965) 035 Kg Au (035) 025 Kg Cl2
026 Kg HauCl4(ac)35 Kg NH4(OH)
1101035 Kg H2O
O MEZCLADOR (t0)
10035 Kg catalizador
86 KgHAuCl4(ac)101035 Kg H2O
037 Kg HCl (ac) (105 M) 048 Kg HNO3(ac) (152 M)
porta
Kg N
30 Kg Al2Cl3
101021 Kg H2
do
H4 (OH) (ac) (01M) 30 Kg Al2O3 (9965) 01 Kg Au (035)
007 Kg Cl2
)
3
)
301 Kg catalizador MEZCLADOR (t1)
009 Kg HauCl4(ac)45 Kg NH4(OH)
1101035 Kg H2O
MEZCLADOR 1054 Kg catalizador
105 Kg Al2O3
(t2)
105 Kg Al2O3 (9965)
035 Kg NH4 (OH) (ac) (01M
004 Kg Au (035) 003 Kg Cl2
23 Kg Al2O
MEZCLADOR
(t3)23 Kg Al2O3 (9965)
2308 Kg catalizador
008 m3 NH4(OH) (ac) (01M
002 Kg HauCl4(ac)485 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
0008 Kg Au (035) 0006 Kg Cl2
0003 Kg HauCl4(ac)493 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
31
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado 32
DIAGRAMA DE FLUJO PARA UN MEZCLADOR
MEZCLADOR
1101035 Kg H2O
1428 kg γ-Al2O3
086 Kg HAuCl4
493 Kg NH4(OH)
0003 Kg HauCl4(ac)493 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
1433 Kg Catalizador
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
36 DIAGRAMA DE LA INDUSTRIA
INDUSTRIA DE CATALIZADORES
TANQUE DE TRATAMIENTO HORNO
CISTERNA 1
CONTENEDORDE AuCl3 CONTENEDOR DE
NH4OH ZONA DE LLENADO
DE SAPORTE
SE LLEVA AL HORNO
MANUALMENTE
PRODUCTOALMACEacuteN
Contenedor de HAuCl4
Figura 2 Diagrama de la distribucioacuten del equipo dentro del aacuterea de produccioacuten
33
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
37 DIMENSIONES DEL EQUIPO Y TUBERIacuteA
2 mts
2 mts 2 mts 6 mts 4 mts 3 mts 5mts 5 mts 3 mts 6 mts 3
3mts 3 mts 3mts 3 mts 3 mts
4 mts 1 5 mts 1 5 mts 4mts 4 7mts 4 mts 21 mts 7 2mts 26 mts 2 mts 21 mts 6 mts
3 5 mts 14 mts 6 mts 8 mts 1 5 mts 3 mts 5 mts 13 mts 8 mts 20 mts 30 mts
IN D U ST R IA D E C A T A L IZ A D O R E S
T AN Q U E D E T R AT AM IE N T O H O R N O
C IST E R N A 1
C O N T EN ED O RD E Au C l3
C O N T EN E D O R D E N H 4O H
ZO N A D E L LEN AD O D E SO PO R T E
AG UA PAR A JAR D IN ES
M E Z C L A D O R E S 12 3 y 4
1 2 3 4
A L M A C Eacute N
Contenedor de HAuCl4
Figura 3 Dimensiones del equipo y tuberiacutea requerida
34
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
38 PLANO DE DISTRIBUCIOacuteN DE AacuteREAS
Figura 4 Aacutereas de trabajo dentro de la planta
35
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
DIMENSIONES DE LA INDUSTRIA
Figura 5 Dimensiones de cada aacuterea de la planta industrial
36
UAM-I
Ingenieriacutea Quiacutemica 37
10 cm 3mts 1 mts 25 cm 15cm 5 cm 5 cm 3mts 150 mts 10 cms 100 mts 20 cm
003 mts
Figura 6 Dimensiones del mezclador y del Agitador
UAM-I
Las dimensiones de las canastillas se determinaron a partir del balance de masa y la
produccioacuten requerida La carga de un contenedor de soporte que es de 100kg del
cual el agitador tiene 4 canastillas cada una corresponde 25 Kg la masa se obtuvo
del balance de materia y su densidad 600 Kgm3 con el que se obtuvo un volumen de
0043 m3
39 ANAacuteLISIS FINANCIERO
El costo de materias primas se muestra en la Tabla 2 en la que tambieacuten se incluyen
los flujos de alimentacioacuten requeridos para el proceso a partir de los cuales se
determinaron los costos diarios
Tabla 2 Costo de materias primas [5]
Compuesto
Alimentacioacuten
por diacutea
Costo
USDKg
Costo Total
USDdiacutea
Au 2 kg 10596 2119200
HCl 15 Kg 52 780
HNO3 20 Kg 022 044
-Al2O3 5712 Kg 034 19421
Canastillas 500 piezas 15 75000
NH3(OH) 200 Kg 034 680
H2O 440414 Kg 282 282
Total de Materia Prima 2215407
El costo se determinoacute considerando la cantidad de material el tamantildeo y el costo de
manufactura
El costo se determinoacute para uso industrial conforme establece la tesoreriacutea de
Meacutexico
Ingenieriacutea Quiacutemica 38
UAM-I
PERSONAL REQUERIDO PARA LA INDUSTRIA
La Tabla 3 establece los salarios mensuales anuales y las prestaciones del IMSS
para el personal de la planta
Tabla 3 Salarios y Prestaciones del Personal
Mano de Obra (USDmes)p
ersona
USDmes USDantildeo Prestaciones
IMSS
1 Gerente 2000 2000 24000
1 Administrador 1000 1000 12000
1 Secretaria 400 400 4800 1193
Total de Salarios
Administrativos
40800 1193 409193
9 Obrero 150 150 1800 448
1 Teacutecnico 200 200 2400 597
1 Policiacutea 200 200 2400 597
1 Mantenimiento 180 180 2160 538
1 Limpieza 150 150 1800 448
Total de Salarios
Proceso
10560 2628 108228
Los salarios se determinaron en base al salario miacutenimo vigente en la Ciudad de
Meacutexico (2003)[29]
Ingenieriacutea Quiacutemica 39
UAM-I
PERSONAL
Departamento de produccioacuten
Se tendraacute 2 obreros en el llenado de soporte en las rejillas un obrero encargado del
traslado de rejillas por medio de la banda de los motores a cada contenedor un
obrero en cada contenedor de NH4OH y HAuCl4 en cada mezclador se tiene 1
obrero para descargar y cargar las rejillas a la banda que se trasladaran al horno en
el horno se tiene 1 obrero encargado del secado y calcinado el producto se traslada
al almaceacuten donde estaraacuten 2 obreros que reciben el producto y materias primas de los
proveedores se tiene 1 teacutecnico supervisando los equipos un encargo del
mantenimiento de los equipos
Departamento de personal
Gerente de la industria un administrador encargado de compra y venta de materias
primas una secretaria
Ingenieriacutea Quiacutemica 40
UAM-I
CAPITAL FIJO
La Tabla 4 muestra el costo de los equipos requeridos en la planta asiacute como el
Capital Fijo y la Inversioacuten del Capital Total
Tabla 4 El equipo se costeo usando las correlaciones de Ulrich [6] y empleando el
programa de Capcost
EQUIPO USD
4 Contenedores 23584
4 Agitadores (456kW) 269760
1 Horno (25 kW) 15700
15 Bombas (1469kW) 43081
1 Motor (114 kW) 67440
Tuberiacuteas 42150
2 Cisternas 174183
Vaacutelvulas 1283
Accesorios
(codos 90ordm y de 45ordm te)
1474
CAPITAL FIJO 638655
Capital de Trabajo 9579825
INVERSIOacuteN DE
CAPITAL TOTAL
73445325
Los caacutelculos y las correlaciones empleadas para el costeo del equipo se anexan en
el Apeacutendice A
Ingenieriacutea Quiacutemica 41
UAM-I
GASTOS GENERALES
Tabla 5 Proporciona el total de gastos anuales con lo cual se estima el precio por
kilo de catalizador y por unidad purificadora
Tabla 5 Gastos Generales anuales
USDAntildeo
Materias Primas 531697680
Mano de Obra de Operacioacuten 1082280
Mano de Obra de Oficina 4091930
Servicios Electricidad 2620100
Total de Gastos Generales 539491990
CFE
Produccioacuten diaria de Catalizador = 574 Kg
Precio de Catalizador = 40 USDKg
Produccioacuten diaria de unidades purificadoras = 500
Precio por unidad = 50USD
Ganancia diaria = 22960 USD
Ganancia Anual = 5510400 USD
DETERMINACIOacuteN DE LA RENTABILIDAD DEL PROYECTO
TPI (Actual) = 10
PR (Factor de riesgo) = 25
TREMA = TPI + PR
TREMA = 35
TIR (del proyecto) = 90
TIR gt TREMA
Puesto que la TIR es mayor que la TREMA se tiene que el proyecto es rentable [6]
Ingenieriacutea Quiacutemica 42
UAM-I
310 CONCLUSIONES
En el desarrollo de la industria para la fabricacioacuten de catalizadores se tuvo un
resultado satisfactorio a pesar de la falta de informacioacuten disponible acerca de
industrias de catalizadores debido a que esta informacioacuten no es publica El proyecto
que elaboramos es novedoso en nuestro paiacutes ya que no existen registros de una
industria que produzca catalizadores de oro soportados en aluacutemina
Durante el desarrollo del proyecto se planteoacute trabajar con compuestos como NOx y
COVS sin embargo debido a la falta de tiempo no se logroacute concluir la
experimentacioacuten en estos campos Debido a esto se tomoacute la decisioacuten de trabajar en
la oxidacioacuten cataliacutetica de CO Esto debido a varios factores por ejemplo la
disponibilidad de gases y sobre todo los costos que esto implicaba
Para el desarrollo del catalizador se analizaron diferentes tipos de preparacioacuten y se
eligieron dos meacutetodos diferentes Deposicioacuten-precipitacioacuten e Impregnacioacuten Los
catalizadores se evaluaron bajo diversas condiciones en la oxidacioacuten de CO El
catalizador que presentoacute mayor conversioacuten con el catalizador a baja temperatura fue
el sintetizado por el meacutetodo de Deposicioacuten-precipitacioacuten el cual se utilizoacute para el
disentildeo de la Industria El disentildeo estaacute basado en la forma de preparacioacuten del
catalizador Por esto la parte maacutes importante de la planta es el tanque de mezclado
el cual se disentildeo tomando en cuenta los diferentes disentildeos de agitadores para tener
un mezclado oacuteptimo Se incorporo en la parte superior del agitador las canastillas
para las pastillas cataliacuteticas y el tipo de Horno que se usara para el secado y
posteriormente el calcinado Una parte importante es la produccioacuten de catalizador
para este problema se investigoacute en que parte se podriacutea utilizar a diferencia de los
catalizadores para automoacuteviles Se llego a la decisioacuten de poder desarrollar un
catalizador para los calentadores de agua se obtuvo informacioacuten de la fabrica de
calentadores cal-o-rex en la produccioacuten diaria de calentadores y de esta informacioacuten
se pudo calcular la posible demanda de nuestro producto Una parte importante en
las industrias son el tipo de bombas ya que existen diversos modelos en nuestro
disentildeo se escogioacute las bombas centriacutefugas con rodetes para agua que contiene
pequentildeas partiacuteculas de soacutelidos
En la parte de servicios para personal se investigo los sueldos de cada empleado Se
determinoacute el costo de los equipos y finalmente llegamos a la parte que nos interesa
Ingenieriacutea Quiacutemica 43
UAM-I
del disentilde es decir si el proyecto es rentable o no En este caso particular se tuvo un
valor aceptable y se definioacute que el disentildeo es rentable Esto indica que seria una
industria que tendriacutea ganancias y a la vez que el producto que se fabrique nos
ayudaraacute a todos a reducir la emisioacuten de CO en los hogares aportando una pequentildea
ayuda al medio ambiente
COMENTARIOS
Los conocimientos adquiridos durante este tiempo fueron provechosos en la parte
teoacuterica y praacutectica aclaramos dudas de como y porque se comportan las reacciones
quiacutemicas y los procesos de flujos Durante el desarrollo del proyecto aprendimos a
observar y la importancia de entender fiacutesicamente las algunos procesos relacionados
con la siacutentesis y caracterizacioacuten de materiales cataliacuteticos
Ingenieriacutea Quiacutemica 44
UAM-I
38 BIBLIOGRAFIacuteA
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Ingenieriacutea Quiacutemica 46
UAM-I
APEacuteNDICE A
CRITERIOS PARA DETERMINAR QUIEacuteN CONTROLA EL PROCESO
Criterio de weisz para difusioacuten interna
Ec(12-16 Fogler) Los valores que se sustituyen en las siguientes ecuaciones fueron
tomados del catalizador que se analizo en el laboratorio
CWP = ( )
AS
cObsA
DeCRcr 2minus
lt 1
-rA(Obs) = velocidad de reaccioacuten observada molgcats Cc = concentracioacuten volumeacutetrica molm3
CAS = concertacioacuten en la superficie molm3
D= diaacutemetro del granulo m R = radio del granulo m De = difusividad efectiva m2s
d = 0149mm mxmm
m 4104911000
1 minus=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
CWP = ( )( )3
32
24
33
103470184200350
21049150800010681
minus
minusminus
=⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞⎜
⎝⎛
x
mmol
hrm
mxcatm
gcathgcat
molx
734x10-3 lt 1 No hay limitante por la difusioacuten interna
Ingenieriacutea Quiacutemica 47
UAM-I
Criterio de mears para difusioacuten interna Ec(12-62 Fogler)
Mm = 150ltAbc
bA
CkRnr ρminus
Mm =( )( )
0570
136000184200220
31110457508000106851
3
53
3
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ minusminus
hrs
mmol
sm
mxcatmgcat
hgcatmolx
0057 lt 015 no hay efecto de transferencia de masa externa Calculo de Dab para calcular el coeficiente de trasferencia de masa Ec(78 Lobo)
De =
KAAB DD11
1
+
DKA = 970X103 (80X10-8)(s
cmK 221 1090)
2400( =
DAB = 00018583ABAB
BA
PMMT
Ω
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ +
2
2123 11
γ
Para CO
0110=isin
Bk 0593 A=γ
Para O2
Ingenieriacutea Quiacutemica 48
UAM-I
0113=isin
Bk 0453 A=γ
( ) 51343359321
=+=ABγ
( )( )[ ] 21113110BAB k=isin A la temperatura de 400degK
( ) 583))113)(110((
40021 =
deg=
isin B
B
AB
B
KKKTK
Ω AB = 0907 Sustituyendo
DAB =s
cm2
2
2123
9730)9070()513(
)21281()400(00185830=
+
De = hrm
hrs
cmm
scm 222
03501
3600100
10980
10901
97301
1=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
+
Calculo de Kc Sh = (Re)12(Sc)13
Velocidad superficial
V = sm
shr
hrm
mxhr
m
Av
c
02036001976
1087
006025
3
0 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛== minus
Ingenieriacutea Quiacutemica 49
UAM-I
Re= ( ) 240)1062)(501(
)10491)(020(
1 25
4
=minus
=minus minus
minus
smx
mxsmvd p
νφ
Sc= 672)3600
1)(0350(
10622
25
==minus
shr
hrm
smx
Dv
AB
Sh= ( 024 )12 ( 267 )13 = 0679
Kc = Shdp
DAB⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛minusφ
φ1
Kc = ( )sm
mxs
mx02206790
10491
10729
50501
4
26
=⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛minus
minus
minus
Calculo de numero Thile con el radio que usara a nivel industrial
φ = L ( )DkCn n
AS
21 1minus+
L = 3R
Sustituyendo
φ = 66x10-4 m( )
( )
450
03502
018420
5480941311
3
30
3330
313
=
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+
catmhrm
mmol
hrcatmmolm
η = 1 con los resultados anteriores se observa que quieacuten limita es la velocidad de
reaccioacuten Por lo que se procede a calcular el peso y longitud de catalizador
necesaria para muestro purificador sustituyendo los valores del Boiler
Ingenieriacutea Quiacutemica 50
UAM-I
Peso del Catalizador w =
( ) grcatgcatLn
gcatm
mmol
hrcatmmolm
hrm
xLn
kCv
A
66476639401
1
6000001578
548094
19836
11
330
3330
313
3
0
0 asymp=minus
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
minus
g 664=w
33
3
1011
mg60000
g 664 mxwv minus===ρ
m 035003101011
2
33
==minus
mmxL
cm 531000350 == xL
Ingenieriacutea Quiacutemica 51
UAM-I
APEacuteNDICE B BALANCE DE MASA DE LA PREPARACIOacuteN DE HAUCL4 Au(g) + 3HNO3(ac) + 4HCL(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O + 3N02(g) (152 M) (105M)
cantidad de mol Au = 05 kg Au x molAu
grAumolAux
kggr 542
971961
11000
=
cantidad de kg HNO3 = ( ) 33
33 480
10001
1635423 kgHNO
grkgx
molHNOGRHNOxHNOmol =
cantidad de kgHCl = ( ) kgHClgr
kgxmolHCl
grHClHClxmol 3701000
11
5365424 =
cantidad de kgHAuCl4 = 254molHAuCl4 x 44
8601000
11
97339 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
gr=
cantidad de kgH2O = 3( 254mol)H20 x OkgHgr
kgxOmolHOgrH
22
2 1401000
1118
=
cantidad de Lt H20 = 762molHNO3 x OltHOkgHOLtH
22
2 14011
=
cantidad de Lt H20 = 1016 mol HNO3 x 050215
012
2 LtHmol
LtH=
cantidad de LtH20 = 1016mol HCl x OLtHLtHmolHCl
LtH22
2 010970510
01asymp=
cantidad de MHAUCl4 = ( ) ( ) ( ) MHltltlt
ClmolHAU 7210850490140
542
2
4 asymp++
cantidad de kg NO2(g) = 3( 254mol)NO2 x )(22
2 3501000
1146
SkgNOgr
kgxmolNO
grNO=
Ingenieriacutea Quiacutemica 52
UAM-I
05 kg Au 048 kgHNO3 035 kgNO2 101021 kgH20 (152M) 037 kgHCl(ac)
(105 m) 086 kg HAuCl4 (ac) 086 kg HAuCl4 (ac)
(17 M) 014 kgH20 (25x10-3M) 014kg H20 (L) 086kg HAuCl4 035kgNO2 (g) 101185kg H20 Cantidad de H20 = 086 kgHAuCl4
x 08510110101
105201
173341
11000
22
23
24 kgHLtHkgHx
MxltHx
grmolHAuClx
kggr
=minus
pero (101185 ndash 014 ndash 05 ndash 1) kg H20 = 101021 kg H20 100ml H20 por 1 gr soporte 35kg NH4 (OH)(AC) 10000kgH20 100 kg γAl203 (9965) 035kgAu (035) 100kg γAl203 025kgCl2 086kg HAuCl4 026kgHAuCl4
101185 kg H20 35kgNH4 (OH)(AC) 1101185kgH20 cantidad de kgHAuCl4 = 015kgAu x
44
4 2601000
11
973391
197196
147196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxgrAu
molxkg
gr=
cantidad de NH4(OH) = 100kg γ Al203 x
Ingenieriacutea Quiacutemica 53
UAM-I
kgNHxmol
grx
mlmol
xOAlgr
OHmlNHx
kg
gr53
10001
1
35
100010
1
)(10
1
1000
32
4=
γ4(OH)
30kg γAL2O3 1 kgNH4(OH)(AC) 30 kg γ Al203 (9965) 010 kg Au (035) 026kgHAuCl4 007kg Cl2 35kgNH4(OH) 1101185 kgH2O 0086kgHAuCl4 45 kg NH4(OH)(AC) 1101185 kg H20
cantidad de γ Al2O3 = 026kgHAuCl4 x 324
32 02330860
100 AlkgkgHAuCl
OAlkg γγ=
cantidad de kgAu = 035 x kgAukg 10506599
30=
cantidad de kg Cl2 = 01 kgAu x
22
2 07201000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de HAuCl4 = 005kgAu x
44
4 08601000
11
973391
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 54
UAM-I
cantidad de kgNO4(OH) = 30 kg γ Al203 x ( )OHkgNHAlkg
OHkgNO4
32
4 0510100
)(53=
γ
105 kg γ Al203 035 kg NH2(OH) 105 kg γ Al203 (9965) 004 kg Au (035) 009kg HAuCl4 003 kg Cl2 45kgNH4(OH) 1101185 kg H20 0017kgHAuCl4 485kgNH4 (OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 009 HAuCl4 x 324
32 04710860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad kg de NH4 (OH) = 105kg γ Al203 x ( ) )(3500100
534
32
4 OHkgNHAlkg
OHkgNH=
γ
cantidad de Cl2 = 004 kg Au x
22
2 02901000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
gAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 =
44
44 02001701000
11
973391
197196
11
1000010 kgHAukgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgr
molAuxkg
grkgAux asymp=
Ingenieriacutea Quiacutemica 55
UAM-I
23 kg γ Al203 008kgNH4(OH) 002 kg HAuCl4 23 kg γAl203 (9965) 485kgNH4(OH) 0008kgAu(035) 1101185kg H2 0001kg Cl2
0014 kg HAuCl4 493kgNH4(OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 002kgHAuCl4 x 324
32 032860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad de kg Au = 035 x kgAukg 00806599
32=
cantidad de kgCl2 = 0002kgAu x
24
4 00101000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 = 0008kgAu x
44
44 01401000
11
973341
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 56
UAM-I
APEacuteNDICE C ACCESORIOS EN EL DISENtildeO
Agitador
Agitadores de Heacutelice se escogioacute este tipo de agitador por ser tener las siguientes
caracteriacutesticas [3]
bull Es un agitador de flujo axial
bull Se emplea para liacutequidos pocos viscosos
bull Giran a toda la velocidad del motor
bull Las corrientes de flujo se mueven a traveacutes del liacutequido en una direccioacuten
determinada hasta que son desviadas por el fondo o las paredes del tanque
bull Las palas de la heacutelice cortan o friccionan vigorosamente el liacutequido
bull Los agitadores de heacutelice son eficaces para tanques de gran tamantildeo
Horno
bull El horno se escogioacute por ser tener las siguientes caracteriacutesticas [5]
bull El horno de construccioacuten metaacutelica
bull La caacutemara de combustioacuten estaacute construida mediante hormigones refractarios
de alta resistencia mecaacutenica
bull Las materias secar y calcinar se carga de forma manual
Ingenieriacutea Quiacutemica 57
UAM-I
Bomba
DISENtildeO Bomba centrifuga para operacioacuten horizontal o vertical del impulsor
cerrado succioacuten al extremo descarga hacia arriba tangencial simple succioacuten de un
paso con carcaza partida verticalmente [3]
ROTACIOacuteN En el sentido del reloj vista desde el cople
CARACTERIacuteSTICAS Conexiones brindadas con registro ubicado en la cabeza de
succioacuten para facilitar su limpieza
SERVICIO Debido a que es posible colocarla en posicioacuten horizontal o vertical tanto
en caacutercamos secos como huacutemedos y por el disentildeo de su impulsor que soacutelidos de
gran tamantildeo esta bomba es ideal para los procesos de tratamientos de agua y
manejo de liacutequidos en suspensioacuten en general
CAPACIDADES
GASTO Hasta 3000 GPM
CDT Hasta 80rsquo
PRESIOacuteN 106 Kgcmsup2
POTENCIA De 1 a 60 Hp
VELOCIDAD (1175 - 3550 RPM)
TEMPERATURA 125degC
Ingenieriacutea Quiacutemica 58
UAM-I
Bombas Centriacutefugas
Las maquinas centriacutefugas estaacuten constituidas por un impulsor o rodete formado por
una serie de aletas radiales diversas formas y curvaturas que giran dentro de una
caja circular El fluido penetra por el ojo o eje de rotacioacuten y se descarga maacutes o
menos radialmente en una caacutemara perifeacuterica a una elevada presioacuten que
corresponde a la suma de la fuerza centriacutefuga de la rotacioacuten maacutes la cineacutetica
comunicada al fluido por las aletas La parte moacutevil de la bomba es el rodete Las
aletas del rodete se extienden desde el centro de rotacioacuten hacia la periferia y las
bridas son los discos de refuerzo a cada lado de las aletas que las envuelven Las
aletas pueden ser radiales curvadas ligeramente hacia delante en el mismo sentido
de la rotacioacuten o estar curvadas al reveacutes en el caso maacutes comuacuten en el disentildeo se
determino el rodete siguiente por sus caracteriacutesticas Fig 1
Figura 1 Corte parcial de un rodete de centriacutefuga para grandes cargas y secciones
de paso estrechas empleando con liacutequidos corrosivos o suspensiones de pequentildeas
partiacuteculas[4]
Ingenieriacutea Quiacutemica 59
UAM-I
APENDICE D CALCULO DE POTENCIA DE BOMBAS (8)
Potencia de la bomba de la cisterna 1 que alimenta a los mezclador 4
Ecuacioacuten de Bernoulli
sum sumint =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛+++∆+∆i i
i
P
P
evvfDLvwdphgv 0
21
21
ˆ1
21 222
2
1ρ
a b c d e f
a Diferencia de velocidades
b Diferencia de alturas
c Diferencia de presiones
d Trabajo
e Perdidas de friccioacuten en tuberiacuteas
f Perdidas de friccioacuten en accesorios
En la ecuacioacuten anterior se pueden eliminar algunos teacuterminos
21 mts
6 mts 35 mts
Figura 1 Balance de cisterna 1 a mezclador 4
Se debe de tener dos puntos de referencia para la utilizacioacuten de la ecuacioacuten de
Bernoulli de los cuales se anotaron en la figura 2
Ingenieriacutea Quiacutemica 60
UAM-I
21 mts
2 1 6 mts 35 mts
Figura 2
Teniendo los puntos de referencia se analiza que las diferencias de velocidades son
cero en ambos puntos por lo tanto el termino 2
21 ν∆ es igual a cero
El termino de = (981hg∆ 2segm )(35m ndash 0) = 34335 2
2
segm
El termino de int2
1
1P
P
dpρ
se tiene que la cisterna y el tanque de mezclado ambos no
estaacuten cerrados y por lo tanto no originan un cambio de presioacuten y el termino es cero
De esta expresioacuten L longitud de tuberiacutea
tro de tuberiacutea
n el interior del tubo
v
Para la l radio del tubo que
sum ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
i
fDL2
21 ν
D diaacuteme
f perdidas de friccioacuten e
velocidad del flujo de agua
obtencioacuten de la velocidad se tiene el flujo volumeacutetrico y e
es de 32 cm =0032mts con la ecuacioacuten
Ingenieriacutea Quiacutemica 61
( )( ) sm
ms
m
RQ 761
032060min1)
min340(
2
3
2 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
==ππ
ν
UAM-I
Se reportan valores de perdida de fr
e reduce teacuterminos
iccioacuten en tubos que son igual a 005
Por lo tanto sustituyendo los teacuterminos en la ecuacioacuten de Bernoulli s
sum sumint =⎟⎠
⎜⎝
+⎟⎠
⎜⎝
+++∆+∆i i
iP
evvfD
vwdphgv 022
ˆ2
1ρ
⎞⎛⎞⎛ L 111 2222
or tanto el termino de trabajo queda expresado de la siguiente manera
tanto la bomba comunica al fluido que circula en el sistema un trabajo
+11727
P1
p w
sum sum ∆minus⎟⎠⎞
⎜⎝⎛minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛minus=
i ii
hgevvfDLvw 22
21
21
ˆ
( ) ( )
Este es el trabajo ( por unidad de masa) producido por el fluido en la bomba por lo
22
sm o 11727 981 = 1195
m
fKg
Kgm
La velocidad de flujo de masa es
Por lo tanto
1 )=6694
951)(675(ˆ =minus=minus WwW smkg f = 088Hp = 1Hp
Siendo esta ida para esta bomba El procedimiento anterior se
iguioacute para cada bomba de la planta
AP E
la potencia requer
s
EacuteNDICE
TOXICOLOGIacuteA DE MATERIAS PRIMAS [6]
( ) ( ) ( )( ) ( )( )msm
smmmm
sm 538192201150761
21050
032021536761
21
2
22minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ +minus⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ++
minus=wm
22
27117ˆ smw minus=
( )s
kgmkgQw m675100060340 3 === ρ
Ingenieriacutea Quiacutemica 62
UAM-I
HIDROacuteXIDO DE SODIO
Polvo corrosivo blanco delicuescente
Toxicidad
Concentracioacuten Maacutexima permisible 2mgm3 en aire
Signos y Siacutentomas Conjutivitis quemaduras corneales y de la piel Irritacioacuten
seas vomito dolor abdominal y diarrea a veces con
Lavado de las partes afectadas tranquilizantes sulfato de
decuada gafas protectoras o pantallas para
ignos y Siacutentomas Irritacioacuten de ojos quemaduras corneables tos dolores
l hemoptisis dolor de cabeza dolor epigaacutestrico nauseas y vomito
lmonar
Tratamiento lavado de ojos con agua reposo oxigeno con aparato de respiracioacuten
con onantes
ACIDO NITRICO
Liquido corrosivo sofocante de incoloro a amarillento
ioacuten maacutexima permisible 10ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
del tracto respiratorio nau
sangre
Tratamiento
morfina para el dolor y cortisona
Medidas preventivas Ventilacioacuten a
la cara completa mascarilla con filtro mecaacutenico guantes delantares botas de
goma y acentuar la limpieza personal
CLORO
Gas pasado amarillo verdoso
Toxicidad
Conc Maacutexima permisible 1 ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten
S
retrosterna
debilidad cianosis y edema pu
trolada bronco dilatadores y descongesti
Toxicidad
Concentrac
Ingenieriacutea Quiacutemica 63
UAM-I
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
Signos y siacutentomas Erosioacuten dental estornudo tos Dolor en el pecho bronquitis y
la las partes contaminadas del cuerpo con solucioacuten al 5 de
de las quemaduras con pantildeos
de triacuteo sulfato soacutelido si se a ingerido
vado de ojos con agua
ACIDO CLORIDRICO
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
ivitis necrosis corneal por inhalacioacuten rinitis erosioacuten
dolor de cabeza palpitacioacuten por ingestioacuten
s en la boca faringe esoacutefago estomago salivacioacuten vomito Soc
agua lavada de agua y jaboacuten de las partes
preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
AacuteC
El c
con o de hidroacutegeno una
concentracioacuten de 12 molLt Este aacutecido es un liacutequido incoloro con un olor aacutecido
bronconeumoniacutea
Tratamiento
bicarbonato soacutelido o con agua y jaboacuten Tratamiento
mojados con solucioacuten saturada
administracioacuten por viacutea oral de solucioacuten de jaboacuten Hidroacutexido caacutelcico o alumiacutenico u
oacutexido de magnesio
Medidas preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores excluir de la exposicioacuten
a los individuos con enfermedades de pulmones y rintildeones
Gas incoloro o liacutequido o a amarillento
Toxicidad
Concentracioacuten maacutexima permisible 5ppm en aire
Signos y siacutentomas conjunt
dental laringitis bronquitis neumoniacutea
quemadura
nefritis
Tratamiento lavado de ojos con
contaminantes del cuerpo tratamiento ordinario de quemaduras lavado gaacutestrico
se a ingerido con solucioacuten de bicarbonato soacutedico al 5 seguido de una instilacioacuten
de gel de hidroacutexido de aluminio
Medidas
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores
IDO CLORHIacuteDRICO
loruro de hidroacutegeno es en extremo soluble en agua de hecho el aacutecido clorhiacutedrico
centrado contiene cerca del 38 en masa de clorur
Ingenieriacutea Quiacutemica 64
UAM-I
pronunciado que se debe al equilibrio entre el cloruro de hidroacutegeno gaseoso y
ste con el aacutecido fluorhiacutedrico el aacutecido clorhiacutedrico es un aacutecido fuerte (pKa = -
7) y se ioniza casi totalmente
gar de aacutecido sulfuacuterico auque en menor grado Por
jemplo el zinc metaacutelico reacciona con aacutecido clorhiacutedrico para dar el ion zinc e
hidroacutegeno gaseoso
Zn(s) + 2HCl(ac) ZnCl2(ac) + H2(g)
l para producir aacutecido clorhiacutedrico en el laboratorio es generar
cloruro de hidroacutegen e sodio y el aacutecido
ulfuacuterico En el primer paso a 150degC se forma hidroacutegeno sulfato de sodio
NaHSO4(s) + HCl(g)
io y maacutes
loruro de hidroacutegeno gaseoso Luego el gas se disuelve en agua para formar el
aacutecido
NaHSO4(s) + NaCl(s) Na2SO4(s) + HCl(g)
acuoso
HCl(ac) HCl(g)
El reactivo de grado teacutecnico a menudo tiene un color amarillento por una impureza
del ion hierro (III)
En contra
HCl(ac) + H2O(l) H2O+(ac) + Cl -(ac)
Por ello a menudo se prefiere usar aacutecido clorhiacutedrico diluido en lugar de aacutecido niacutetrico
que es muy oxidante y en lu
e
Cuando el zinc reacciona con el aacutecido niacutetrico es comuacuten que se reduzca una parte
del ion nitrato para dar dioacutexido de nitroacutegeno
El meacutetodo tradiciona
o gaseoso por la reaccioacuten entre el cloruro d
s
NaCl(s) + H2SO4(l)
La mezcla se calienta a 550degC temperatura a la cual el hidroacutegeno sulfato de sodio
reacciona con un exceso de cloruro de sodio para formar sulfato de sod
c
∆
Este meacutetodo se usa tambieacuten en la industria otra forma de producir cloruro de
hidroacutegeno es por la combinacioacuten directa de dicloro y dihidroacutegenogaseosos
Ingenieriacutea Quiacutemica 65
UAM-I
H2(g) + Cl2(g) 2HCl(g)
La mayor cantidad de cloruro de hidroacutegeno que se produce actualmente es un
CH4(g) + 4Cl2(g) 4(l) + 4HCl(g)
riacuten de superficies de acero en un bantildeo aacutecido en la purificacioacuten de glucosa
y jarabe de maiacutez e s y de gas y en la
bricacioacuten de compuestos clorados El aacutecido se puedo comprar en muchas
nducida por la luz
4HNO3(ac) 4NO2(g) + O2(g) + 2H2O(l)
niacutetrico como disolvente)
H2NO3+ H2O + NO2
+
l siguiente
3HNO NO3 ndash
subproducto de otros procesos industriales como la siacutentesis de tetracloruro de
carbono
CCl
Se consumen cerca de 107 toneladas de aacutecido clorhiacutedrico cada antildeo en todo el
mundo Este aacutecido tiene una gama muy amplia de usos como aacutecido comuacuten para
eliminar o
n el tratamiento con aacutecido de pozos petrolero
fa
ferreteriacuteas con el arcaico nombre de aacutecido muriaacutetico sus principales usos caseros
son la limpieza de superficies de concreto y la eliminacioacuten de herrumbre Un nuacutemero
muy reducido de personas es incapaz de sintetizar suficiente jugo gaacutestrico y deben
de ingerir caacutepsulas de aacutecido clorhiacutedrico diluido con cada comida
AacuteCIDO NIacuteTRICO
El aacutecido niacutetrico un liacutequido aceitoso e incoloro en estado puro es sumamente
peligroso El aacutecido que funde a ndash42degC y hierve a +83degC tiene por lo general un
ligero color amarillo a causa de una reaccioacuten de descomposicioacuten i
En un estado puro el aacutecido niacutetrico liacutequido praacutecticamente no conduce la electricidad
Una pequentildea porcioacuten se ioniza como sigue (todas estas especies existen en el aacutecido
2HNO3(l) H2NO3+ + NO3
ndash
H2O + HNO3 H3O+ + NO3 ndash
Para dar la reaccioacuten globa
3 NO2+ + H3O + 2+
Ingenieriacutea Quiacutemica 66
UAM-I
El catioacuten nitrilo es importante en la nitracioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas por ejemplo la
obenceno C6H5NO2 una etapa importante en
umerosos procesos industriales orgaacutenicos
El aacutecido niacutetrico con en agua mientras
ue el ldquoaacutecido niacutetrico fumanterdquo un oxidante extremadamente poderoso es una
vez de ello se produce una mezcla de
sistema que da un orden de
vista industrial el
oceso
e lleva a cabo en tres etapas Primero se hace pasar una mezcla de amoniaco y de
dioxiacutegeno (o aire) un proceso muy
ficiente y exoteacutermico que hace que la malla se ponga al rojo Esta etapa se verifica
conversioacuten de benceno C6H6 en nitr
n
centrado es en realidad una solucioacuten al 70
q
solucioacuten roja de dioacutexido de nitroacutegeno en aacutecido niacutetrico puro Incluso cuando esta
diluido el aacutecido niacutetrico es un oxidante tan fuerte que rara vez desprende hidroacutegeno
cuando se pone en contacto con metales en
oacutexidos de nitroacutegeno y el metal se oxido a su catioacuten
Los enlaces O-N son mucho maacutes cortos (121 pm) que el enlace O-N unidos al aacutetomo
de hidroacutegeno (141 pm) Esta longitud de enlaces indica que hay enlaces muacuteltiples
entre el nitroacutegeno y los dos aacutetomos de oxiacutegeno terminales Ademas de los electrones
del sistema σ hay cuatro electrones que participan en el sistema π O-N-O dos de un
orbital enlazante y dos en un orbital no enlazante
enlace de 112 para cada uno de esos enlaces nitroacutegeno- oxiacutegeno
A veces se nos olvida hasta queacute punto nuestra experiencia depende de la
termodinaacutemica y la cineacutetica Por ejemplo la primera siacutentesis industrial de aacutecido
niacutetrico se llevaba ha cabo por simple combinacioacuten de diniacutetrogeno dioxiacutegeno y agua
utilizando un horno de arco eleacutectrico a fin de proporcionar la energiacutea necesaria par
superar la muy elevada barrera cineacutetica Aunque desde el punto de
factor cineacutetico constituiacutea un problema en realidad es una bendicioacuten por que sin esta
barrera cineacutetica hace mucho tiempo que todo el dioacutexido de la atmoacutesfera se abriacutea
transformado en aacutecido niacutetrico y nuestros mares serian de aacutecido niacutetrico diluido
frac12 N2(g) + 54O2(g) + 12H2O(g) HNO3(g)
Ahora se utiliza el proceso Ostwald para la siacutentesis de aacutecido niacutetrico Este proceso
consume gran parte del amoniaco que se produce por el proceso Haber El pr
s
a traveacutes de una malla de platino metaacutelico Eacuteste es
e
a baja presioacuten para aprovechar el efecto entropico es decir la formacioacuten de 10
moles de gas a partir de 9 moles de gas (una aplicacioacuten del principio de Le Chatelier)
para desplazar el equilibrio a la derecha
Ingenieriacutea Quiacutemica 67
UAM-I
4NH3(g) + 5O2(g) 4NO(g) + 6H2O(g)
Se agrega maacutes oxiacutegeno para oxidar el monoacutexido de nitroacutegeno a dioacutexido de nitroacutegeno
A fin de mejorar el rendimiento de esta reaccioacuten exoteacutermica se extrae calor de los
ases y la mezcla se somete a presioacuten
2HNO3(l) + NO(g)
Esta reaccioacuten tambieacuten es exoteacutermica y una vez maacutes se aplica enfriamiento y alta
la
egunda etapa para oxidarlo de nuevo
La contaminacioacuten s de aacutecido niacutetrico
as plantas maacutes antiguas eran faacutecilmente identificables por la fumarola cafeacute-
antas maacutes antiguas ahora mezcla cantidades
en Estados Unidos porque un 20
dedica ala produccioacuten de explosivos
or ultimo el aacutecido niacutetrico es un liacutequido que hierve a 826degC No existe como liacutequido
g
2NO(g) + O2(g) 2NO2(g)
El dioacutexido de nitroacutegeno se mezcla con agua para dar una solucioacuten de aacutecido niacutetrico
3NO2(g) + H2O(l)
presioacuten par obtener el maacuteximo rendimiento El monoacutexido de nitroacutegeno se vuelve a
s
soliacutea ser un problema importante de las planta
L
amarillento del dioacutexido de nitroacutegeno que escapaba por ellas Las plantas maacutes
antiguas eran faacutecilmente identificable por la fumadora cafeacute-amarillo del dioacutexido de
nitroacutegeno que escapaba de ellas Las pl
estequiomeacutetricas de amoniaco con las oacutexidos de nitroacutegeno con lo cual se obtiene
dinitroacutegeno y vapor de agua ambos inocuos
NO(g) + NO2 (g) + 2NH3(g) 2N2(g) + 3H2O(g)
En todo el mundo alrededor del 80 del aacutecido niacutetrico se utiliza en la produccioacuten de
fertilizantes Esta proporcioacuten es de solo el 65
se
P
puro porque en alguna medida se descompone espontaacuteneamente como sigue
4HNO3(l) 4NO2(g) + 2H2O(l) + O2(g)
Ingenieriacutea Quiacutemica 68
UAM-I
El aacutecido niacutetrico concentrado que se usa en el laboratorio estaacute al 68 en masa HNO3
(densidad 142 gcm3) lo que corresponde a 157 M
l aacutecido niacutetrico es un poderoso agente oxidante El nuacutemero de oxidacioacuten del N en el
) El aacutecido niacutetrico puede oxidar
nto a metales que estaacuten abajo del hidroacutegeno como aquellos que se encuentran
4Zn2+(ac) + NH4
+(ac) + 3H2O(l)
do no oxida al oro Sin embargo cuando se mezcla con
cido clorhiacutedrico concentrado en relacioacuten 13 en volumen (una parte de HNO3 a tres
partes al oro
omo sigue
APEacuteNDICE F
ETODO DE DEPOSICIOacuteN-PRECIPITACIOacuteN
E
HNO3 es + 5 Los productos maacutes comunes de la reduccioacuten del aacutecido niacutetrico son el
NO2 (N = + 4) el NO (N = + 2) y el NH4+ (N = - 3
ta
arriba en la serie de actividades Por ejemplo el cobre es oxidado por el aacutecido niacutetrico
concentrado como se mencionoacute antes
En presencia de reductores fuertes como el zinc metaacutelico el aacutecido niacutetrico se puede
reducir hasta ion amonio
4Zn(s) + 10H+(ac) + NO3
-(ac)
El aacutecido niacutetrico concentra
aacute
de HCl) la disolucioacuten resultante denominada agua regia puede oxidar
c
Au(s) + 3HNO3(ac) + 4HCl(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O(l) + 3NO2(g)
M
Ingenieriacutea Quiacutemica 69
UAM-I
APEacuteNDICE G
ISENtildeO DEL MEZCLADOR [4]
1) 100 ml H2O gr soporte
2) NH4(OH)
Ajustar a PH = 9 4) HAuCl4 (solucioacuten acuosa al 25E-3M)
6) Filtrado o centrifugado
3) En Agitacioacuten por 2 hr
8) Secado por 2hr a 80 degC
9 ) Calcinado por 4hr a 400 degC
7) Lavado
5) Antildeegamiento por 30 min
D
Ingenieriacutea Quiacutemica 70
UAM-I
El disentildeo de un tanque agitado dis n nuacutemero de elecciones sobre el
po y localizacioacuten del agitador las proporciones del tanque el nuacutemero y dimensiones
ada una de estas decisiones afectan a la velocidad
e circulacioacuten del liacutequido los modelos de velocidad y el consumo de potencia Como
pone de un gra
ti
de las placas deflectoras etc C
d
punto de partida en el disentildeo de los problemas ordinarios de agitacioacuten generalmente
se utiliza un agitador de turbina del tipo que se muestra en la figura 1 La proporcioacuten
tiacutepica es
31
=t
a
DD
1=tD
H 121
=tD
J 51
=aD
W 41
=aD
L
de estas ecuaciones se disentildeara el mezclador como datos se tiene el valor H que es
igual a 3 mts y el diaacutemetro del tanque D
Se determinara la medida de los reflectores
t que es igual 3 mts
121
=tD
J se despeja J
elacioacuten R31
=t
a
DD
se despeja Da
Relacioacuten
41
=aD
L se despeja L
elacioacuten se despeja W
( ) ( ) cmmtsmtsDJ 25250311==⎟
⎞⎜⎛=⎟
⎞⎜⎛= t 1212 ⎠⎝⎠⎝
( ) ( ) mtsmtsDD ta 1331
31
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=
( ) ( ) mtsmtsDL a 250141
41
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛= cm25=
51
=aD
WR
Ingenieriacutea Quiacutemica 71
UAM-I
Figura 2 a) Vista transversal del mezclador b) paletas del mezclador con la
donde se deposita el soporte
Figura 1 Medidas de un agitador de turbina
a) b)
s rejillas
H
J
E L
Da
D t
W
W
( ) ( ) cmmtsmtsDW a 2020151
5==⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎜⎝
=1 ⎞⎛
Ingenieriacutea Quiacutemica 72
UAM-I
medio ambiente Por lo que se requiere reducir las concentraciones principalmente
dentro de los hogares La idea baacutesica de este proyecto fue disentildear un dispositivo
cataliacutetico que permita reducir las emisiones de CO en los calentadores hasta en un
90 de su concentracioacuten inicial En el Capiacutetulo 2 se describen la siacutentesis y
caracterizacioacuten de catalizadores Auγ-Al2O3 preparados por los meacutetodos de
impregnacioacuten y deposicioacuten-precipitacioacuten asiacute como la actividad en la oxidacioacuten de una
mezcla de CO e H2 Por uacuteltimo en el capitulo 3 se presenta el disentildeo de una planta
industrial para la fabricacioacuten de dichos dispositivos cataliacuteticos uacutetiles en la oxidacioacuten
de CO de los efluentes de calentadores de agua domeacutesticos
12 OBJETIVO GENERAL Dimensionar disentildear y estimar el costo de una planta productora de catalizadores de
oro en la oxidacioacuten del CO para aplicacioacuten a equipos de calentamiento de agua
domeacutesticos
13 OBJETIVOS PARTICULARES - Siacutentesis del catalizador por los meacutetodos de Impregnacioacuten y Deposicioacuten-
Precipitacioacuten
- Caracterizacioacuten de catalizadores por Absorcioacuten Atoacutemica Adsorcioacuten Fiacutesica
Difraccioacuten de Rayos X y Microscopia Electroacutenica de Transmisioacuten
- Evaluacioacuten de catalizadores en la oxidacioacuten de CO
- Obtener el mejor meacutetodo de preparacioacuten para tener una buena distribucioacuten de
nanopartiacuteculas de Au soportadas en γ-Al2O3 con alta actividad a baja
temperatura
- Disentildear la planta industrial para la produccioacuten de catalizadores uacutetiles en la
oxidacioacuten de CO
- Evaluar la viabilidad del proceso
Catalizadores de Oro Soportado 8
UAM-I
14 BIBLIOGRAFIacuteA
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Catalizadores de Oro Soportado 9
UAM-I
C A P I T U L O II
E X P E R I M E N T A C I Oacute N
Catalizadores de Oro Soportado 10
UAM-I
2 1 INTRODUCCIOacuteN
Existen reportes [6] sobre la actividad de catalizadores Auγ-A12O3 AuCo3O4 AuNiO
sintetizados por diferentes meacutetodos (co-precipitacioacuten deposicioacuten-precipitacioacuten e
impregnacioacuten etc) en la oxidacioacuten de H2 y CO La actividad se ha relacionado a un
efecto combinado entre Au y los oacutexidos metaacutelicos utilizados como soporte Sin
embargo una alta actividad cataliacutetica en la oxidacioacuten de CO e H2 estaacute directamente
relacionada al tamantildeo de partiacutecula de Au y la dispersioacuten de eacutestas en el soporte[7]
Algunos trabajos[8-9] indican que a menor tamantildeo de partiacutecula mayor actividad y
mayor estabilidad del catalizador
En el presente trabajo se prepararon catalizadores de Au soportado sobre γ-Al2O3
con un tamantildeo promedio de partiacuteculas de Au de 5 nm y alta dispersioacuten Se utilizaron
dos meacutetodos de preparacioacuten diferentes impregnacioacuten y deposicioacuten-precipitacioacuten
variando el contenido de oro de 007 a 1 en peso de Au Los catalizadores se
evaluaron en la oxidacioacuten de una mezcla de CO e H2 y fueron caracterizados por
difraccioacuten de rayos x microscopia electroacutenica absorcioacuten atoacutemica y absorcioacuten fiacutesica
Los resultados indican que efectivamente la actividad depende del tamantildeo de
partiacutecula y el contenido de Au en el catalizador En particular el catalizador con 035
en peso de Au presentoacute 100 de conversioacuten en ambas reacciones sin indicios de
desactivacioacuten durante 24 h continuas de operacioacuten a velocidades espaciales (GHSV)
mayores que 10 000 h-1 Con esto se pretende contribuir al desarrollo de
catalizadores ambientales que permitan disminuir las emisiones nocivas
provenientes de fuentes fijas y moacuteviles de nuestro paiacutes
Catalizadores de Oro Soportado 11
UAM-I
22 EXPERIMENTACIOacuteN
Siacutentesis de Catalizadores
Meacutetodo de DP Se dispersoacute 1 g de γ-Al2O3 (Ketjen) en 100 mL de agua tridestilada y
se adicionoacute NH4(OH) (JT Baker) (01M) hasta obtener un pH de 9 Posteriormente
se agregoacute por goteo durante 2 h 20 mL de una solucioacuten de AuCl3 (9998 Aldrich)
(25x 10-3 M) Despueacutes se agitoacute por 30 min y se filtroacute y lavoacute con agua destilada con
10 veces el volumen total inicial Por ultimo el soacutelido resultante se secoacute a 80degC por 2
h y se calcinoacute a 400degC por 4 h
Meacutetodo de IMP Se dispersoacute 1 g de γ-A12O3 en 100 mL de agua tridestilada por 30
min A esta mezcla se le antildeadioacute lentamente 20 mL de una solucioacuten de AuCl3 (25x10-
3M) y se mantuvo en agitacioacuten 720 min Durante este tiempo se ajustoacute el pH a 9 por
medio de la adicioacuten de una solucioacuten acuosa de Na2CO3 (JT Baker) El soacutelido se
filtroacute y lavoacute con 500 mL de agua tridestilada caliente (95degC) para eliminar los iones de
cloro que podriacutean afectar la actividad cataliacutetica Finalmente se secoacute a 120degC 24 h y
se calcinoacute a 400degC por 4 h
Los catalizadores preparados por el meacutetodo de DP e IMP se les llamaraacuten de aquiacute en
adelante x-Auγ-Al2O3-DP y muestra x-Auγ-Al2O3-IMP respectivamente donde x
indica el en peso de Au en el catalizador
Caracterizacioacuten de Catalizadores Absorcioacuten Atoacutemica La cantidad de oro en cada uno de los catalizadores se
determinoacute por absorcioacuten atoacutemica (SpectrAA-20 Varian) Antes de las mediciones el
equipo fue calibrado con una solucioacuten estaacutendar de Au (Sigma) Una muestra de cada
catalizador (01g) se disolvioacute en agua regia a temperatura ambiente la cual se
preparoacute mezclando 200 ml de HCl concentrado y 100 mL de HNO3 concentrado
Adsorcioacuten Fiacutesica La isoterma de adsorcioacuten fiacutesica de N2 a 75 K de cada catalizador
se obtuvo en un equipo automatizado Quantachrome Autosorb Automated A partir
de estos datos se determinoacute el aacuterea BET el radio y el volumen promedio de poro
Catalizadores de Oro Soportado 12
UAM-I
Difraccioacuten de Rayos X Se realizoacute en un difractoacutemetro Siemens D500 en un entrono
angular de 4 a 64ordm en 2θ La radiacioacuten Cuκα se seleccionoacute con un difractor de un haz
de luz monocromaacutetico
Microscopia Electroacutenica de Transmisioacuten (TEM) Se utilizoacute un Microscopio Electroacutenico
de Transmisor Mod EM910 Zeiss operando a un voltaje de 120 kV y con una
ampliacioacuten de 400000 aumentos Para la preparacioacuten de las muestras se tomaron
005 g de cada una y se disolvieron en alcohol etiacutelico y se sometieron a ultrasonido
(Branson 2210) por 5 min Posteriormente se colocaron las rejillas en porta objetos y
se agregoacute una gota de la solucioacuten del catalizador dejando secar a temperatura
ambiente hasta su medicioacuten
Evaluacioacuten cataliacutetica Las medidas de actividad cataliacutetica en la oxidacioacuten de CO e H2
CH4 y C2H8 se realizaron en un microreactor de cuarzo de lecho fijo en el cual se
colocaron en todos los casos 030 g de catalizador y se utilizoacute un flujo total de 100
mLmin Para la oxidacioacuten de CO se utilizoacute una mezcla con 1 CO 05 O2 033
H2 en N2 para las pruebas en condiciones estequiomeacutetricas y con 1 CO 21 O2
033 H2 en N2 para los experimentos en exceso de O2 El efluente fue analizado
por cromatografiacutea de gases (GC-12 A Shimadzu C-RGA con una columna SFE-1)
con detector de conductividad teacutermica Para la combustioacuten de CH4 se uso una
mezcla con 1 CH4 2 O2 97 N2 y para la combustioacuten de C3H8 una mezcla con
1 C3H8 2 O2 97 N2 En todos los experimentos la temperatura de operacioacuten
fue de 25 a 400 degC y la velocidad espacial fue 10146 h-1
Catalizadores de Oro Soportado 13
UAM-I
23 RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN
Absorcioacuten Atoacutemica y Adsorcioacuten Fiacutesica La Tabla 1 muestra los contenidos de Au
el Aacuterea BET (ABET) el volumen promedio de poro (VP) y el radio promedio de poro
(RP) para los catalizadores preparados
Se puede observar que el aacuterea BET de la γ-Al2O3 se modifica con la adicioacuten de Au El
aacuterea BET entre la γ-Al2O3 pura y la muestra DP concuerdan con lo reportado[10-11] de
que a mayor porcentaje de Au mayor es el aacuterea superficial sin embargo el aacuterea BET
del catalizador 007-Auγ-Al2O3-IMP que tiene un menor porcentaje de Au presenta
la mayor aacuterea BET Sin embargo aunque el radio promedio de poro es casi el mismo
para las tres muestras el catalizador 007-Auγ-Al2O3-IMP presenta el mayor
volumen promedio de poro Esto podriacutea deberse a que el meacutetodo de preparacioacuten
utilizado causoacute la generacioacuten de una mayor porosidad en la γ-Al2O3 en lugar de la
impregnacioacuten de una mayor cantidad de Au Las isotermas de adsorcioacuten de los
catalizadores fueron del tipo IV y semejantes en forma a la de la γ-Al2O3 (Figura 1)
La Figura 2 muestra que la distribucioacuten de tamantildeo de poros se centra dentro del
mismo margen para las tres muestras y se aprecia la presencia de mesoporos entre
los 50 y 125 Aring
Tabla 1 Contenido Au y caracteriacutesticas texturales en los catalizadores
Catalizador Au ( en peso) ABET (m2g) RP (Aring) VP (ccg)
γ-Al2O3 000 183 78 0489
IMP 007 301 79 0743
DP 035 215 78 0518
IMP 100
No se ha determinado
Catalizadores de Oro Soportado 14
UAM-I
0
100
200
300
400
500
0 02 04 06 08
PPo
Vads
(cm
3g)
STP
-Al2O3
035-Au -Al2O3-DP
007-Au -Al2O3-IMP
1
Figura 1 Isotermas de adsorcioacuten y desorcioacuten de N2 de los catalizadores Auγ-Al2O3
ifraccioacuten de Rayos X La Figura 3 muestra los patrones de difraccioacuten de Rayos X
0
0004
0008
0012
0016
002
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
Rp [A]
Dv(
r) [c
m3
Ag]
-Al2O3
035-Au -Al2O3-DP
007-Au -Al2O3-IMP
Figura 2 Distribucioacuten de tamantildeo de poros
D
de los catalizadores Se observa que todos son caracteriacutesticos de la γ-Al2O3 Es
imposible identificar la presencia del Au esto debido al pequentildeo porcentaje y la alta
Catalizadores de Oro Soportado 15
UAM-I
dispersioacuten del Au contenido en cada uno de los catalizadores Sin embargo para el
caso de que se tuviese mayor cantidad de Au el difractograma podriacutea presentar un
pico alrededor de los 38deg en 2θ el cual indicariacutea la presencia de Au A partir de esta
sentildeal y la ecuacioacuten de Scherrer algunos autores han calculado el tamantildeo promedio
de las partiacuteculas de oro en catalizadores soportados
Microscopia Electroacutenica Transmisioacuten (MET) En la Figura 4 se presentan las
casos los
imaacutegenes de MET para la γ-Al2O3 y los catalizadores 035-Auγ-Al2O3-DP y 007-Auγ-
Al2O3-IMP En ambos catalizadores el tamantildeo de partiacutecula se encuentra es mayor
que 2 nm pero menor o igual que 5 nm En ambos casos los resultados indican que
las partiacuteculas de oro estaacuten dispersadas de manera uniforme en el soporte
Se encuentra es mayor que 2 nm pero menor o igual que 5 nm En ambos
resultados indican que las partiacuteculas de oro estaacuten dispersadas de manera uniforme
en el soporte
Figura 3 Patrones de Difraccioacuten de Rayos X de los catalizadores Auγ-Al2O3
Catalizadores de Oro Soportado 16
UAM-I
Figura 4 Imaacutegenes de MET para (a) γ-Al2O3 (b) 035-Auγ-Al2O3-DP y (c) 007-Auγ-
Al2O3-IMP
Catalizadores de Oro Soportado 17
UAM-I
Se sabe que la alta actividad cataliacutetica del oro esta relacionada con su tamantildeo esto
quiere decir que entre maacutes pequentildeas sean las partiacuteculas mayor actividad tendraacuten
nes estequiomeacutetricas el catalizador 007-Auγ-Al2O3-
P no mostroacute actividad para la oxidacioacuten de CO e H2 sin embargo al operar la
por lo tanto de las imaacutegenes anteriores se tiene que el meacutetodo DP es el maacutes
adecuado por lograr depositar mayor cantidad de Au con gran dispersioacuten y un
tamantildeo de partiacuteculas pequentildeo
Actividad Cataliacutetica A condicio
IM
misma muestra con un exceso de O2 la actividad inicioacute a partir de 140oC alcanzando
una conversioacuten maacutexima de 8748 a 400 degC (Figura 5) En vista de este uacuteltimo
resultado se decidioacute evaluar el catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP a las mismas
condiciones de exceso de O2 En este caso la actividad cataliacutetica inicioacute por debajo de
los 30oC incrementaacutendose casi linealmente con la temperatura hasta lograr una
conversioacuten maacutexima de 9367 a 127degC La diferencia en actividad entre ambos
catalizadores es notable Auacuten a muy bajos contenidos de Au el catalizador 007-Auγ-
Al2O3-IMP presenta una actividad importante sin embargo al aumentar cinco veces
este contenido (035) y manteniendo el tamantildeo de partiacutecula es posible disminuir la
temperatura de encendido calculada como la temperatura a la cual se logra el 50
de conversioacuten (T50) en 175oC Un uacuteltimo estudio fue la evaluacioacuten del catalizador
10-Auγ-Al2O3-IMP el cual presenta una T50 de 290 degC(ver Figura 5) la cual es 40 degC
mayor que el catalizador 007-Auγ-Al2O3-IMP auacuten cuando el contenido de Au es
mayor La Figura 5 muestra tambieacuten la comparacioacuten de estos resultados con
trabajos anteriores[10] en los que utilizan el catalizador 5-Auγ-Al2O3-IMP a
condiciones estequiomeacutetrica en este caso T50 es de 215 degC tan solo 35 degC de
diferencia en comparacioacuten con el catalizador 007-Auγ-Al2O3-IMP La diferencia en el
contenido de Au es 15 veces menor En general al trabajar en condiciones en exceso
de O2 se tiene una mayor conversioacuten a una menor temperatura por lo que se
esperariacutea que los resultados del catalizador 5-Auγ-Al2O3-IMP bajo condiciones de
exceso fueran mejores sin embargo los autores no presentan estos resultados
Catalizadores de Oro Soportado 18
UAM-I
El catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP alcanzoacute 100 de conversioacuten a 176 degC a
condiciones de exceso de O2 (Figura 5) esta conversioacuten se mantuvo por 24 h sin
presentar indicios de desactivacioacuten (Figura 6) KRuth [12] reporta desactivacioacuten del
catalizador 10-Auγ-TiO2 a partir de 80 minutos de operacioacuten con una velocidad
espacial de 1x104 h-1 El catalizador fue preparado por deposicioacuten y contiene nano-
particulas (2-5nm) soportadas en TiO2 Sin embargo el catalizador logra 100 de
conversioacuten a 0 degC Esto es debido a que los catalizadores AuTiO2 presentan mayor
actividad a temperaturas bajas La Figura 6 muestra tambieacuten la conversioacuten reportada
por Seung-Jae[11] del catalizador 043-Auγ-Al2O3-IMP en donde la temperatura de
operacioacuten es de 25 degC sin embargo se tiene una desactivacioacuten apreciable a partir de
150 minutos de operacioacuten con una velocidad especiales de 8x10 h-1
Figura 5 Conversioacuten del CO para los catalizadores de 007-Auγ-Al2O3-IMP 10-
os resultados de conversioacuten del hidroacutegeno (Figura 7) muestran conversioacuten del 100
10 a 035 es de 20 degC
Auγ-Al2O3-IMP y de 035-Auγ-Al2O3-DP en condiciones de operacioacuten en exceso de
O2 la tasa de temperatura es de 2degC por minuto Datos Referencia [10]
L
por debajo de 150 degC con el catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP mientras que el
catalizador 007-Auγ-Al2O3-IMP logra conversioacuten completa hasta 270oC y para el
catalizador 10-Auγ-Al2O3-IMP se tiene una conversioacuten del 100 hasta 310 degC lo
cual indica que los tres catalizador son activos para ambas reacciones y que se
mantiene la tendencia observada para la oxidacioacuten de CO La disminucioacuten en T50 al
aumentar el contenido de Au de 007 a 035 es de 140oC mientras que para la de
Catalizadores de Oro Soportado 19
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Catalizadores de Oro Soportado 20
Figura 6 Variacioacuten de la conversioacuten con respecto al tiempo para la muestra de DP a
una temperatura de 180 degC Datos Referencia [11]
Figura 7 Oxidacioacuten de H sobre los catalizadores 035-Au2 γ-Al2O3-DP 007-Auγ-
Al2O3-IMP y 10-Auγ-Al2O3-IMP bajo condiciones de exceso de O2
La Figura 8 muestra como varia la temperatura de encendido con la cantidad de Au
en los catalizadores preparados en este trabajo Se observa un miacutenimo para el
catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP lo cual indica que la mayor actividad se logra a bajos
contenidos de Au y tamantildeos de partiacutecula menores que 5 nm
0
20
40
60
80
0 200 400 600 800 1000Tiempo (min)
Con
vers
ioacuten
de C
O (
) 100
035-Au -Al2O3-DP (176 degC)
043-Au -Al2O3-IMP (25 degC)
0
20
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Temperatura (degC)
40
60
Con
vers
ioacuten
de H
2 (
)
80
100
10-Au -Al2O3-IMP035-Au -Al2O3-DP007- Au -Al2O3-IMP50-Au -Al2O3-IMP
UAM-I
F
o
P
o
o
re
d
F
c
C
T50 (degC)
igura 8 Variacioacuten de la te
xidacioacuten de CO con respect
or ultimo se realizaron cu
peracioacuten pero variado la
btenidos se muestran en la
accioacuten presentan una tend
e catalizador
00000
00040
00080
00120
00160
00200
0
(-rc
o)
00000
igura 9 Velocidad de reac
ondiciones en exceso de O2
atalizadores de Oro Soportado
masa Au
mperatura de encendido a 50 de conversioacuten en la
o a la cantidad de Au en el catalizador
atro corridas maacutes bajo las mismas condiciones de
masa de catalizador Las velocidades de reaccioacuten
fig9En esta figura se observa que las velocidades de
encia lineal despueacutes de los 80degC al aumentar la masa
50 100 150 200 250 300T (degC)
3 gr cat
25 gr cat
2 gr cat
15 gr cat
1 gr cat
cioacuten de CO a diferentes masas de catalizador y bajo
21
UAM-I
Se tomo una temperatura de 125 degC debido a las mediciones realizadas en
diferentes calentadores domeacutesticos Se encontroacute que la temperatura media es la
mencionada A partir de los datos experimentales se determinoacute que el orden de
reaccioacuten es 13 y la constante cineacutetica k = 480945 (m3)13[(mol)03m3cat hr] (00012
mhr) y un coeficiente de transferencia de masa de 792 mhr (ver apeacutendices A) con
estos valores y usando los criterios de Weisz-Prater y Mears[14] (ver apeacutendice B) se
obtuvo que no existe resistencia interna ni externa a la transferencia de masa por lo
que la cineacutetica es la que controla
24 CONCLUSIOacuteN DE LA EXPERIMENTACIOacuteN El meacutetodo de DP es mucho maacutes adecuado que el de IMP para la preparacioacuten de
catalizador de Au soportados en γ-Al2O3 ya que permitioacute obtener catalizadores con
cinco veces maacutes oro que el preparado por el meacutetodo IMP bajo condiciones similares
de preparacioacuten En ambos casos el tamantildeo promedio de partiacutecula fue menor que 5
nm Debido a esto el catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP presenta una mayor actividad
en la oxidacioacuten de CO e H2 sin observarse desactivacioacuten durante un periodo de 24 h
Puesto que en ambas muestras se consiguioacute una gran dispersioacuten y un tamantildeo
similar de nanopartiacuteculas de oro se tiene entonces que la principal diferencia de
actividad cataliacutetica se debe principalmente a la cantidad de Au en el catalizador Sin
embargo el catalizador 10-Auγ-Al2O3 presenta una menor conversioacuten que el de
035-Auγ-Al2O3-DP a pesar de contener maacutes Au por lo que hasta el momento se
podriacutea decir que la cantidad de Au optima se encuentra por debajo de 10 wt y por
arriba de 007 wt no obstante se requiere de la caracterizacioacuten del catalizador 10-
Auγ-Al2O3 se para determinar de que manera influyen el tamantildeo de partiacuteculas la
distribucioacuten el volumen y el tamantildeo de poro en los resultados esta caracterizacioacuten
asiacute como la evaluacioacuten cataliacutetica del catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP bajo
condiciones estequiomeacutetricas se encuentran en proceso
Catalizadores de Oro Soportado 22
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Catalizadores de Oro Soportado 23
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C A P I T U L O III
D I S E Ntilde O D E L A P L A N T A I N D U S T R I A L
Catalizadores de Oro Soportado 24
UAM-I
31 INTRODUCCIOacuteN
Este capitulo esta enfocado al disentildeo de la planta industrial donde se produciraacuten
catalizadores de Auγ-Al2O3 por el meacutetodo de Deposicioacuten-Precipitacioacuten (DP) descrito
en el capitulo 2
Parte de la produccioacuten de los catalizadores se destinaraacute a su venta en masa y otra
parte se destinaraacute para el equipo de purificacioacuten de calentadores de agua esto con
la finalidad que el catalizador que esta contenido dentro del equipo de purificacioacuten
cuando se desactive pueda remplazarse por catalizador nuevo disponible en el
mercado De esta forma se tendraacuten ganancias tanto al vender el equipo purificador
como al vender catalizador como materia prima
32 DISENtildeO DEL EQUIPO PURIFICADOR PARA CALENTADORES DE AGUA DOMEacuteSTICOS El equipo purificador se ubicaraacute a la salida del efluente gaseoso del calentador como
un equipo adicional como se muestra en la Figura 1 Se plantea colocarlo en una
posicioacuten tal que oxide a baja temperatura hasta el 90 de CO Las dimensiones del
purificador se determinaron seguacuten las especificaciones de calentador y el balance de
materia en el sistema purificador Estos caacutelculos se presentan en el Apeacutendice A
Los tubos de las chimeneas de los calentadores son de latoacuten por lo que se decidioacute
utilizar este material para la parte exterior la parte donde se colocaraacute el catalizador
es de 35 cm de longitud para colocarlo en el tubo de la salida del flujo de gas se
dieron 2 cm maacutes en cada extremo para hacer un tipo cople de manera que el tubo
entre en los extremos
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C O 2 2 0 c m 7 c m c m G A S C O
3
2cm
75 cm 35 cm
Figura 1 Esquematizacioacuten del equipo purificador y su ubicacioacuten en los calefones
Las dimensiones obtenidas (Apeacutendice A) y las caracteriacutesticas del purificado se
presentan en la Tabla 1
Tabla 1 Especificaciones de purificador
Material Latoacuten
Longitud 35 cm
Diaacutemetro 20cm
Cantidad de
Catalizador
700 gr
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33 PRODUCCIOacuteN DE LA PLANTA INDUSTRIAL A partir de un estudio de mercado se encontroacute que en la Ciudad de Meacutexico hay
cuando menos cuatro empresas principales (CALOREX ELSA MAGAMEX y
CINSA) que fabrican calentadores de agua residenciales[1 2] Estas en promedio
producen 150 calefones diarios Por cada calefoacuten se requiere un equipo purificador
En este sentido de requieren idealmente 600 unidades de purificacioacuten por diacutea Esta
base se utilizoacute para el disentildeo de la planta
A partir del balance de masa en el purificador y empleado los resultados
experimentales a nivel laboratorio (ver apeacutendice A) se encontroacute que cada purificador
requiere 07 Kg de catalizador A partir de este resultado se requiere producir al
menos 420 Kg de catalizador para satisfacer la demanda en la produccioacuten de
calefones Con base en el balance de materia realizado en el mezclador se
determinoacute que la cantidad de catalizador obtenido despueacutes de cuatro lotes es de
570 Kg Tomando el resto de catalizador como reserva por cualquier contratiempo El
nuacutemero de lotes se determinoacute en base a que fuese rentable la recuperacioacuten de oro
34 DISENtildeO Y OPERACIOacuteN DE LA PLANTA
La fabricacioacuten del catalizador a nivel industrial esta basada en el escalamiento del
meacutetodo de siacutentesis descrito en la parte experimental Lo cual es una praacutectica comuacuten
en la fabricacioacuten de materiales cataliacuteticos
Para la produccioacuten de 570 Kg por diacutea se plantea utilizar cuatro mezcladores (ver
Figura 2) que operaran durante 8 h con cuatro intervalos (o cargas) de 2 h y
descansos de 30 min (dejando 30 min libres por contratiempos) Esta operacioacuten se
elige con base en las horas de trabajo y el meacutetodo de preparacioacuten del catalizador
Al igual que en la parte experimental el proceso requiere operacioacuten por lotes debido
a que se necesitan largos tiempos de contacto para obtener catalizadores eficientes
en la oxidacioacuten de CO a baja temperatura Se pretende utilizar un agitador tipo
Catalizadores de Oro Soportado 27
UAM-I
canastilla[4] el cual permite colocar dentro de las mismas el catalizador para tener
una mejor impregnacioacuten de partiacuteculas de Au y eliminar la atricioacuten Las dimensiones
del agitador asiacute como del mezclador se presentan en la Figura 6
Al teacutermino de la uacuteltima carga en los mezcladores el lote completo del diacutea pasa al
horno para secarlo a 80degC por 2 h y calcinarlo a 400degC durante 4 h Durante estos
procesos se concluye la preparacioacuten del catalizador Las temperaturas y tasas de
calentamiento estaacuten basadas en el meacutetodo de preparacioacuten experimental descrito en
el Capitulo ll Posteriormente el catalizador producido pasa a la seccioacuten donde se
embolsa para ser vendido como materia prima y la otra parte pasa a la seccioacuten de
ensamblaje para fabricar el purificador
Dimensiones de la industria
Las dimensiones de los equipos como mezcladores cisternas tanque de
tratamiento horno etc se tomaron como base para poder suponer espacios entre
equipos para tener seguridad del personal Se dio preferencia a los mezcladores ya
que son las partes importantes en la elaboracioacuten de los catalizadores La cisterna
estaraacute enterrada para facilitar su llenado en el caso de los contenedores de HAuCl4
y NH4OH estaraacuten encima de bases maacutes altas que los mezcladores para poder
abastecerlos por gravedad Esto debido a que el volumen es poco no se requiere de
grandes cantidades por lo que no se requiere alguna bomba Se estuvo analizando
la forma de acomodar los equipos y se obtuvo la siguiente distribucioacuten que se
muestra en la Figura 3
En la Figura 4 se presenta el plano de la industria con sus respectivos
departamentos en la parte sur se encuentra la entrada principal en ella se encuentra
vigilancia y la entrada de empleados y obreros posteriormente esta la zona de
oficinas lado izquierdo del lado derecho se encuentra el estacionamiento para
clientes y empleados en el almaceacuten se encontraraacuten refacciones de equipo y
reservas de materia primas para los catalizadores en la zona de produccioacuten se tiene
el estacionamiento de proveedores para facilitar la entrada y salida del producto
Catalizadores de Oro Soportado 28
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado 29
Debido a que en cada industria debe existir un espacio recreativo se plantea una
cancha de Baacutesquetbol para los obreros y una zona de jardines en la parte norte
Ubicacioacuten de la industria
Para poder ubicar una industria es importante analizar la zona geograacutefica Para lo
cual se deben considerar algunos factores importantes por ejemplo No ubicarla en
zona de siacutesmica Si la industria requiere de un gran volumen de agua no ubicarla en
una regioacuten deseacutertica Si el producto es muy sensible al calor y la humedad evitar
zonas muy caacutelidas y huacutemedas Si se piensa vender el producto en una zona
especifica ubicar la industria cerca de la zona de venta para evitar gastos de
transportacioacuten A partir de este tipo de razonamientos se planea que debido a que el
producto que se elaborara que es un purificador cataliacutetico para su venta en la ZMVM
ya en ella estaacuten ubicadas las principales industrias de calentadores y debido a que la
planta requiere de un volumen considerable de agua se escogioacute el estado de
Morelos porque no esta muy lejos de la ZMVM y tiene reservas de agua Asiacute el gasto
de transportacioacuten de materias primas y sobre todo del producto elaborado seriacutea
pequentildeo
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
Agua
Tanque tratamien
Figur
NH4OH
HAuCl4
Produccioacuten de catalizadores
Recuperacioacuten de agua
de to
a
MezcladoresMezcladores
Cuando se requiere limpieza
Horno
Producto almaceacuten
30
1 Diagrama de produccioacuten Recuperacioacuten de cloro
UAM-I
35 BALANCE DE MATERIA DIAGRAMA DE FLUJO PARA DIFERENTES LOTES DE SOPORTE EN UN SOLO MEZCLADOR
Catalizadores de Oro So
05 Kg Au
10
0
086 Kg HAuCl4(ac)014 Kg H2O
035 Kg NO2(g)
2
35 Kg NH4(OH)(ac) (01M)
10000 Kg H2O
100 Kg Al3O
100 Kg Al2O3 (9965) 035 Kg Au (035) 025 Kg Cl2
026 Kg HauCl4(ac)35 Kg NH4(OH)
1101035 Kg H2O
O MEZCLADOR (t0)
10035 Kg catalizador
86 KgHAuCl4(ac)101035 Kg H2O
037 Kg HCl (ac) (105 M) 048 Kg HNO3(ac) (152 M)
porta
Kg N
30 Kg Al2Cl3
101021 Kg H2
do
H4 (OH) (ac) (01M) 30 Kg Al2O3 (9965) 01 Kg Au (035)
007 Kg Cl2
)
3
)
301 Kg catalizador MEZCLADOR (t1)
009 Kg HauCl4(ac)45 Kg NH4(OH)
1101035 Kg H2O
MEZCLADOR 1054 Kg catalizador
105 Kg Al2O3
(t2)
105 Kg Al2O3 (9965)
035 Kg NH4 (OH) (ac) (01M
004 Kg Au (035) 003 Kg Cl2
23 Kg Al2O
MEZCLADOR
(t3)23 Kg Al2O3 (9965)
2308 Kg catalizador
008 m3 NH4(OH) (ac) (01M
002 Kg HauCl4(ac)485 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
0008 Kg Au (035) 0006 Kg Cl2
0003 Kg HauCl4(ac)493 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
31
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado 32
DIAGRAMA DE FLUJO PARA UN MEZCLADOR
MEZCLADOR
1101035 Kg H2O
1428 kg γ-Al2O3
086 Kg HAuCl4
493 Kg NH4(OH)
0003 Kg HauCl4(ac)493 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
1433 Kg Catalizador
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
36 DIAGRAMA DE LA INDUSTRIA
INDUSTRIA DE CATALIZADORES
TANQUE DE TRATAMIENTO HORNO
CISTERNA 1
CONTENEDORDE AuCl3 CONTENEDOR DE
NH4OH ZONA DE LLENADO
DE SAPORTE
SE LLEVA AL HORNO
MANUALMENTE
PRODUCTOALMACEacuteN
Contenedor de HAuCl4
Figura 2 Diagrama de la distribucioacuten del equipo dentro del aacuterea de produccioacuten
33
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
37 DIMENSIONES DEL EQUIPO Y TUBERIacuteA
2 mts
2 mts 2 mts 6 mts 4 mts 3 mts 5mts 5 mts 3 mts 6 mts 3
3mts 3 mts 3mts 3 mts 3 mts
4 mts 1 5 mts 1 5 mts 4mts 4 7mts 4 mts 21 mts 7 2mts 26 mts 2 mts 21 mts 6 mts
3 5 mts 14 mts 6 mts 8 mts 1 5 mts 3 mts 5 mts 13 mts 8 mts 20 mts 30 mts
IN D U ST R IA D E C A T A L IZ A D O R E S
T AN Q U E D E T R AT AM IE N T O H O R N O
C IST E R N A 1
C O N T EN ED O RD E Au C l3
C O N T EN E D O R D E N H 4O H
ZO N A D E L LEN AD O D E SO PO R T E
AG UA PAR A JAR D IN ES
M E Z C L A D O R E S 12 3 y 4
1 2 3 4
A L M A C Eacute N
Contenedor de HAuCl4
Figura 3 Dimensiones del equipo y tuberiacutea requerida
34
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
38 PLANO DE DISTRIBUCIOacuteN DE AacuteREAS
Figura 4 Aacutereas de trabajo dentro de la planta
35
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
DIMENSIONES DE LA INDUSTRIA
Figura 5 Dimensiones de cada aacuterea de la planta industrial
36
UAM-I
Ingenieriacutea Quiacutemica 37
10 cm 3mts 1 mts 25 cm 15cm 5 cm 5 cm 3mts 150 mts 10 cms 100 mts 20 cm
003 mts
Figura 6 Dimensiones del mezclador y del Agitador
UAM-I
Las dimensiones de las canastillas se determinaron a partir del balance de masa y la
produccioacuten requerida La carga de un contenedor de soporte que es de 100kg del
cual el agitador tiene 4 canastillas cada una corresponde 25 Kg la masa se obtuvo
del balance de materia y su densidad 600 Kgm3 con el que se obtuvo un volumen de
0043 m3
39 ANAacuteLISIS FINANCIERO
El costo de materias primas se muestra en la Tabla 2 en la que tambieacuten se incluyen
los flujos de alimentacioacuten requeridos para el proceso a partir de los cuales se
determinaron los costos diarios
Tabla 2 Costo de materias primas [5]
Compuesto
Alimentacioacuten
por diacutea
Costo
USDKg
Costo Total
USDdiacutea
Au 2 kg 10596 2119200
HCl 15 Kg 52 780
HNO3 20 Kg 022 044
-Al2O3 5712 Kg 034 19421
Canastillas 500 piezas 15 75000
NH3(OH) 200 Kg 034 680
H2O 440414 Kg 282 282
Total de Materia Prima 2215407
El costo se determinoacute considerando la cantidad de material el tamantildeo y el costo de
manufactura
El costo se determinoacute para uso industrial conforme establece la tesoreriacutea de
Meacutexico
Ingenieriacutea Quiacutemica 38
UAM-I
PERSONAL REQUERIDO PARA LA INDUSTRIA
La Tabla 3 establece los salarios mensuales anuales y las prestaciones del IMSS
para el personal de la planta
Tabla 3 Salarios y Prestaciones del Personal
Mano de Obra (USDmes)p
ersona
USDmes USDantildeo Prestaciones
IMSS
1 Gerente 2000 2000 24000
1 Administrador 1000 1000 12000
1 Secretaria 400 400 4800 1193
Total de Salarios
Administrativos
40800 1193 409193
9 Obrero 150 150 1800 448
1 Teacutecnico 200 200 2400 597
1 Policiacutea 200 200 2400 597
1 Mantenimiento 180 180 2160 538
1 Limpieza 150 150 1800 448
Total de Salarios
Proceso
10560 2628 108228
Los salarios se determinaron en base al salario miacutenimo vigente en la Ciudad de
Meacutexico (2003)[29]
Ingenieriacutea Quiacutemica 39
UAM-I
PERSONAL
Departamento de produccioacuten
Se tendraacute 2 obreros en el llenado de soporte en las rejillas un obrero encargado del
traslado de rejillas por medio de la banda de los motores a cada contenedor un
obrero en cada contenedor de NH4OH y HAuCl4 en cada mezclador se tiene 1
obrero para descargar y cargar las rejillas a la banda que se trasladaran al horno en
el horno se tiene 1 obrero encargado del secado y calcinado el producto se traslada
al almaceacuten donde estaraacuten 2 obreros que reciben el producto y materias primas de los
proveedores se tiene 1 teacutecnico supervisando los equipos un encargo del
mantenimiento de los equipos
Departamento de personal
Gerente de la industria un administrador encargado de compra y venta de materias
primas una secretaria
Ingenieriacutea Quiacutemica 40
UAM-I
CAPITAL FIJO
La Tabla 4 muestra el costo de los equipos requeridos en la planta asiacute como el
Capital Fijo y la Inversioacuten del Capital Total
Tabla 4 El equipo se costeo usando las correlaciones de Ulrich [6] y empleando el
programa de Capcost
EQUIPO USD
4 Contenedores 23584
4 Agitadores (456kW) 269760
1 Horno (25 kW) 15700
15 Bombas (1469kW) 43081
1 Motor (114 kW) 67440
Tuberiacuteas 42150
2 Cisternas 174183
Vaacutelvulas 1283
Accesorios
(codos 90ordm y de 45ordm te)
1474
CAPITAL FIJO 638655
Capital de Trabajo 9579825
INVERSIOacuteN DE
CAPITAL TOTAL
73445325
Los caacutelculos y las correlaciones empleadas para el costeo del equipo se anexan en
el Apeacutendice A
Ingenieriacutea Quiacutemica 41
UAM-I
GASTOS GENERALES
Tabla 5 Proporciona el total de gastos anuales con lo cual se estima el precio por
kilo de catalizador y por unidad purificadora
Tabla 5 Gastos Generales anuales
USDAntildeo
Materias Primas 531697680
Mano de Obra de Operacioacuten 1082280
Mano de Obra de Oficina 4091930
Servicios Electricidad 2620100
Total de Gastos Generales 539491990
CFE
Produccioacuten diaria de Catalizador = 574 Kg
Precio de Catalizador = 40 USDKg
Produccioacuten diaria de unidades purificadoras = 500
Precio por unidad = 50USD
Ganancia diaria = 22960 USD
Ganancia Anual = 5510400 USD
DETERMINACIOacuteN DE LA RENTABILIDAD DEL PROYECTO
TPI (Actual) = 10
PR (Factor de riesgo) = 25
TREMA = TPI + PR
TREMA = 35
TIR (del proyecto) = 90
TIR gt TREMA
Puesto que la TIR es mayor que la TREMA se tiene que el proyecto es rentable [6]
Ingenieriacutea Quiacutemica 42
UAM-I
310 CONCLUSIONES
En el desarrollo de la industria para la fabricacioacuten de catalizadores se tuvo un
resultado satisfactorio a pesar de la falta de informacioacuten disponible acerca de
industrias de catalizadores debido a que esta informacioacuten no es publica El proyecto
que elaboramos es novedoso en nuestro paiacutes ya que no existen registros de una
industria que produzca catalizadores de oro soportados en aluacutemina
Durante el desarrollo del proyecto se planteoacute trabajar con compuestos como NOx y
COVS sin embargo debido a la falta de tiempo no se logroacute concluir la
experimentacioacuten en estos campos Debido a esto se tomoacute la decisioacuten de trabajar en
la oxidacioacuten cataliacutetica de CO Esto debido a varios factores por ejemplo la
disponibilidad de gases y sobre todo los costos que esto implicaba
Para el desarrollo del catalizador se analizaron diferentes tipos de preparacioacuten y se
eligieron dos meacutetodos diferentes Deposicioacuten-precipitacioacuten e Impregnacioacuten Los
catalizadores se evaluaron bajo diversas condiciones en la oxidacioacuten de CO El
catalizador que presentoacute mayor conversioacuten con el catalizador a baja temperatura fue
el sintetizado por el meacutetodo de Deposicioacuten-precipitacioacuten el cual se utilizoacute para el
disentildeo de la Industria El disentildeo estaacute basado en la forma de preparacioacuten del
catalizador Por esto la parte maacutes importante de la planta es el tanque de mezclado
el cual se disentildeo tomando en cuenta los diferentes disentildeos de agitadores para tener
un mezclado oacuteptimo Se incorporo en la parte superior del agitador las canastillas
para las pastillas cataliacuteticas y el tipo de Horno que se usara para el secado y
posteriormente el calcinado Una parte importante es la produccioacuten de catalizador
para este problema se investigoacute en que parte se podriacutea utilizar a diferencia de los
catalizadores para automoacuteviles Se llego a la decisioacuten de poder desarrollar un
catalizador para los calentadores de agua se obtuvo informacioacuten de la fabrica de
calentadores cal-o-rex en la produccioacuten diaria de calentadores y de esta informacioacuten
se pudo calcular la posible demanda de nuestro producto Una parte importante en
las industrias son el tipo de bombas ya que existen diversos modelos en nuestro
disentildeo se escogioacute las bombas centriacutefugas con rodetes para agua que contiene
pequentildeas partiacuteculas de soacutelidos
En la parte de servicios para personal se investigo los sueldos de cada empleado Se
determinoacute el costo de los equipos y finalmente llegamos a la parte que nos interesa
Ingenieriacutea Quiacutemica 43
UAM-I
del disentilde es decir si el proyecto es rentable o no En este caso particular se tuvo un
valor aceptable y se definioacute que el disentildeo es rentable Esto indica que seria una
industria que tendriacutea ganancias y a la vez que el producto que se fabrique nos
ayudaraacute a todos a reducir la emisioacuten de CO en los hogares aportando una pequentildea
ayuda al medio ambiente
COMENTARIOS
Los conocimientos adquiridos durante este tiempo fueron provechosos en la parte
teoacuterica y praacutectica aclaramos dudas de como y porque se comportan las reacciones
quiacutemicas y los procesos de flujos Durante el desarrollo del proyecto aprendimos a
observar y la importancia de entender fiacutesicamente las algunos procesos relacionados
con la siacutentesis y caracterizacioacuten de materiales cataliacuteticos
Ingenieriacutea Quiacutemica 44
UAM-I
38 BIBLIOGRAFIacuteA
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Ingenieriacutea Quiacutemica 46
UAM-I
APEacuteNDICE A
CRITERIOS PARA DETERMINAR QUIEacuteN CONTROLA EL PROCESO
Criterio de weisz para difusioacuten interna
Ec(12-16 Fogler) Los valores que se sustituyen en las siguientes ecuaciones fueron
tomados del catalizador que se analizo en el laboratorio
CWP = ( )
AS
cObsA
DeCRcr 2minus
lt 1
-rA(Obs) = velocidad de reaccioacuten observada molgcats Cc = concentracioacuten volumeacutetrica molm3
CAS = concertacioacuten en la superficie molm3
D= diaacutemetro del granulo m R = radio del granulo m De = difusividad efectiva m2s
d = 0149mm mxmm
m 4104911000
1 minus=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
CWP = ( )( )3
32
24
33
103470184200350
21049150800010681
minus
minusminus
=⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞⎜
⎝⎛
x
mmol
hrm
mxcatm
gcathgcat
molx
734x10-3 lt 1 No hay limitante por la difusioacuten interna
Ingenieriacutea Quiacutemica 47
UAM-I
Criterio de mears para difusioacuten interna Ec(12-62 Fogler)
Mm = 150ltAbc
bA
CkRnr ρminus
Mm =( )( )
0570
136000184200220
31110457508000106851
3
53
3
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ minusminus
hrs
mmol
sm
mxcatmgcat
hgcatmolx
0057 lt 015 no hay efecto de transferencia de masa externa Calculo de Dab para calcular el coeficiente de trasferencia de masa Ec(78 Lobo)
De =
KAAB DD11
1
+
DKA = 970X103 (80X10-8)(s
cmK 221 1090)
2400( =
DAB = 00018583ABAB
BA
PMMT
Ω
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ +
2
2123 11
γ
Para CO
0110=isin
Bk 0593 A=γ
Para O2
Ingenieriacutea Quiacutemica 48
UAM-I
0113=isin
Bk 0453 A=γ
( ) 51343359321
=+=ABγ
( )( )[ ] 21113110BAB k=isin A la temperatura de 400degK
( ) 583))113)(110((
40021 =
deg=
isin B
B
AB
B
KKKTK
Ω AB = 0907 Sustituyendo
DAB =s
cm2
2
2123
9730)9070()513(
)21281()400(00185830=
+
De = hrm
hrs
cmm
scm 222
03501
3600100
10980
10901
97301
1=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
+
Calculo de Kc Sh = (Re)12(Sc)13
Velocidad superficial
V = sm
shr
hrm
mxhr
m
Av
c
02036001976
1087
006025
3
0 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛== minus
Ingenieriacutea Quiacutemica 49
UAM-I
Re= ( ) 240)1062)(501(
)10491)(020(
1 25
4
=minus
=minus minus
minus
smx
mxsmvd p
νφ
Sc= 672)3600
1)(0350(
10622
25
==minus
shr
hrm
smx
Dv
AB
Sh= ( 024 )12 ( 267 )13 = 0679
Kc = Shdp
DAB⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛minusφ
φ1
Kc = ( )sm
mxs
mx02206790
10491
10729
50501
4
26
=⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛minus
minus
minus
Calculo de numero Thile con el radio que usara a nivel industrial
φ = L ( )DkCn n
AS
21 1minus+
L = 3R
Sustituyendo
φ = 66x10-4 m( )
( )
450
03502
018420
5480941311
3
30
3330
313
=
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+
catmhrm
mmol
hrcatmmolm
η = 1 con los resultados anteriores se observa que quieacuten limita es la velocidad de
reaccioacuten Por lo que se procede a calcular el peso y longitud de catalizador
necesaria para muestro purificador sustituyendo los valores del Boiler
Ingenieriacutea Quiacutemica 50
UAM-I
Peso del Catalizador w =
( ) grcatgcatLn
gcatm
mmol
hrcatmmolm
hrm
xLn
kCv
A
66476639401
1
6000001578
548094
19836
11
330
3330
313
3
0
0 asymp=minus
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
minus
g 664=w
33
3
1011
mg60000
g 664 mxwv minus===ρ
m 035003101011
2
33
==minus
mmxL
cm 531000350 == xL
Ingenieriacutea Quiacutemica 51
UAM-I
APEacuteNDICE B BALANCE DE MASA DE LA PREPARACIOacuteN DE HAUCL4 Au(g) + 3HNO3(ac) + 4HCL(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O + 3N02(g) (152 M) (105M)
cantidad de mol Au = 05 kg Au x molAu
grAumolAux
kggr 542
971961
11000
=
cantidad de kg HNO3 = ( ) 33
33 480
10001
1635423 kgHNO
grkgx
molHNOGRHNOxHNOmol =
cantidad de kgHCl = ( ) kgHClgr
kgxmolHCl
grHClHClxmol 3701000
11
5365424 =
cantidad de kgHAuCl4 = 254molHAuCl4 x 44
8601000
11
97339 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
gr=
cantidad de kgH2O = 3( 254mol)H20 x OkgHgr
kgxOmolHOgrH
22
2 1401000
1118
=
cantidad de Lt H20 = 762molHNO3 x OltHOkgHOLtH
22
2 14011
=
cantidad de Lt H20 = 1016 mol HNO3 x 050215
012
2 LtHmol
LtH=
cantidad de LtH20 = 1016mol HCl x OLtHLtHmolHCl
LtH22
2 010970510
01asymp=
cantidad de MHAUCl4 = ( ) ( ) ( ) MHltltlt
ClmolHAU 7210850490140
542
2
4 asymp++
cantidad de kg NO2(g) = 3( 254mol)NO2 x )(22
2 3501000
1146
SkgNOgr
kgxmolNO
grNO=
Ingenieriacutea Quiacutemica 52
UAM-I
05 kg Au 048 kgHNO3 035 kgNO2 101021 kgH20 (152M) 037 kgHCl(ac)
(105 m) 086 kg HAuCl4 (ac) 086 kg HAuCl4 (ac)
(17 M) 014 kgH20 (25x10-3M) 014kg H20 (L) 086kg HAuCl4 035kgNO2 (g) 101185kg H20 Cantidad de H20 = 086 kgHAuCl4
x 08510110101
105201
173341
11000
22
23
24 kgHLtHkgHx
MxltHx
grmolHAuClx
kggr
=minus
pero (101185 ndash 014 ndash 05 ndash 1) kg H20 = 101021 kg H20 100ml H20 por 1 gr soporte 35kg NH4 (OH)(AC) 10000kgH20 100 kg γAl203 (9965) 035kgAu (035) 100kg γAl203 025kgCl2 086kg HAuCl4 026kgHAuCl4
101185 kg H20 35kgNH4 (OH)(AC) 1101185kgH20 cantidad de kgHAuCl4 = 015kgAu x
44
4 2601000
11
973391
197196
147196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxgrAu
molxkg
gr=
cantidad de NH4(OH) = 100kg γ Al203 x
Ingenieriacutea Quiacutemica 53
UAM-I
kgNHxmol
grx
mlmol
xOAlgr
OHmlNHx
kg
gr53
10001
1
35
100010
1
)(10
1
1000
32
4=
γ4(OH)
30kg γAL2O3 1 kgNH4(OH)(AC) 30 kg γ Al203 (9965) 010 kg Au (035) 026kgHAuCl4 007kg Cl2 35kgNH4(OH) 1101185 kgH2O 0086kgHAuCl4 45 kg NH4(OH)(AC) 1101185 kg H20
cantidad de γ Al2O3 = 026kgHAuCl4 x 324
32 02330860
100 AlkgkgHAuCl
OAlkg γγ=
cantidad de kgAu = 035 x kgAukg 10506599
30=
cantidad de kg Cl2 = 01 kgAu x
22
2 07201000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de HAuCl4 = 005kgAu x
44
4 08601000
11
973391
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 54
UAM-I
cantidad de kgNO4(OH) = 30 kg γ Al203 x ( )OHkgNHAlkg
OHkgNO4
32
4 0510100
)(53=
γ
105 kg γ Al203 035 kg NH2(OH) 105 kg γ Al203 (9965) 004 kg Au (035) 009kg HAuCl4 003 kg Cl2 45kgNH4(OH) 1101185 kg H20 0017kgHAuCl4 485kgNH4 (OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 009 HAuCl4 x 324
32 04710860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad kg de NH4 (OH) = 105kg γ Al203 x ( ) )(3500100
534
32
4 OHkgNHAlkg
OHkgNH=
γ
cantidad de Cl2 = 004 kg Au x
22
2 02901000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
gAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 =
44
44 02001701000
11
973391
197196
11
1000010 kgHAukgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgr
molAuxkg
grkgAux asymp=
Ingenieriacutea Quiacutemica 55
UAM-I
23 kg γ Al203 008kgNH4(OH) 002 kg HAuCl4 23 kg γAl203 (9965) 485kgNH4(OH) 0008kgAu(035) 1101185kg H2 0001kg Cl2
0014 kg HAuCl4 493kgNH4(OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 002kgHAuCl4 x 324
32 032860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad de kg Au = 035 x kgAukg 00806599
32=
cantidad de kgCl2 = 0002kgAu x
24
4 00101000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 = 0008kgAu x
44
44 01401000
11
973341
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 56
UAM-I
APEacuteNDICE C ACCESORIOS EN EL DISENtildeO
Agitador
Agitadores de Heacutelice se escogioacute este tipo de agitador por ser tener las siguientes
caracteriacutesticas [3]
bull Es un agitador de flujo axial
bull Se emplea para liacutequidos pocos viscosos
bull Giran a toda la velocidad del motor
bull Las corrientes de flujo se mueven a traveacutes del liacutequido en una direccioacuten
determinada hasta que son desviadas por el fondo o las paredes del tanque
bull Las palas de la heacutelice cortan o friccionan vigorosamente el liacutequido
bull Los agitadores de heacutelice son eficaces para tanques de gran tamantildeo
Horno
bull El horno se escogioacute por ser tener las siguientes caracteriacutesticas [5]
bull El horno de construccioacuten metaacutelica
bull La caacutemara de combustioacuten estaacute construida mediante hormigones refractarios
de alta resistencia mecaacutenica
bull Las materias secar y calcinar se carga de forma manual
Ingenieriacutea Quiacutemica 57
UAM-I
Bomba
DISENtildeO Bomba centrifuga para operacioacuten horizontal o vertical del impulsor
cerrado succioacuten al extremo descarga hacia arriba tangencial simple succioacuten de un
paso con carcaza partida verticalmente [3]
ROTACIOacuteN En el sentido del reloj vista desde el cople
CARACTERIacuteSTICAS Conexiones brindadas con registro ubicado en la cabeza de
succioacuten para facilitar su limpieza
SERVICIO Debido a que es posible colocarla en posicioacuten horizontal o vertical tanto
en caacutercamos secos como huacutemedos y por el disentildeo de su impulsor que soacutelidos de
gran tamantildeo esta bomba es ideal para los procesos de tratamientos de agua y
manejo de liacutequidos en suspensioacuten en general
CAPACIDADES
GASTO Hasta 3000 GPM
CDT Hasta 80rsquo
PRESIOacuteN 106 Kgcmsup2
POTENCIA De 1 a 60 Hp
VELOCIDAD (1175 - 3550 RPM)
TEMPERATURA 125degC
Ingenieriacutea Quiacutemica 58
UAM-I
Bombas Centriacutefugas
Las maquinas centriacutefugas estaacuten constituidas por un impulsor o rodete formado por
una serie de aletas radiales diversas formas y curvaturas que giran dentro de una
caja circular El fluido penetra por el ojo o eje de rotacioacuten y se descarga maacutes o
menos radialmente en una caacutemara perifeacuterica a una elevada presioacuten que
corresponde a la suma de la fuerza centriacutefuga de la rotacioacuten maacutes la cineacutetica
comunicada al fluido por las aletas La parte moacutevil de la bomba es el rodete Las
aletas del rodete se extienden desde el centro de rotacioacuten hacia la periferia y las
bridas son los discos de refuerzo a cada lado de las aletas que las envuelven Las
aletas pueden ser radiales curvadas ligeramente hacia delante en el mismo sentido
de la rotacioacuten o estar curvadas al reveacutes en el caso maacutes comuacuten en el disentildeo se
determino el rodete siguiente por sus caracteriacutesticas Fig 1
Figura 1 Corte parcial de un rodete de centriacutefuga para grandes cargas y secciones
de paso estrechas empleando con liacutequidos corrosivos o suspensiones de pequentildeas
partiacuteculas[4]
Ingenieriacutea Quiacutemica 59
UAM-I
APENDICE D CALCULO DE POTENCIA DE BOMBAS (8)
Potencia de la bomba de la cisterna 1 que alimenta a los mezclador 4
Ecuacioacuten de Bernoulli
sum sumint =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛+++∆+∆i i
i
P
P
evvfDLvwdphgv 0
21
21
ˆ1
21 222
2
1ρ
a b c d e f
a Diferencia de velocidades
b Diferencia de alturas
c Diferencia de presiones
d Trabajo
e Perdidas de friccioacuten en tuberiacuteas
f Perdidas de friccioacuten en accesorios
En la ecuacioacuten anterior se pueden eliminar algunos teacuterminos
21 mts
6 mts 35 mts
Figura 1 Balance de cisterna 1 a mezclador 4
Se debe de tener dos puntos de referencia para la utilizacioacuten de la ecuacioacuten de
Bernoulli de los cuales se anotaron en la figura 2
Ingenieriacutea Quiacutemica 60
UAM-I
21 mts
2 1 6 mts 35 mts
Figura 2
Teniendo los puntos de referencia se analiza que las diferencias de velocidades son
cero en ambos puntos por lo tanto el termino 2
21 ν∆ es igual a cero
El termino de = (981hg∆ 2segm )(35m ndash 0) = 34335 2
2
segm
El termino de int2
1
1P
P
dpρ
se tiene que la cisterna y el tanque de mezclado ambos no
estaacuten cerrados y por lo tanto no originan un cambio de presioacuten y el termino es cero
De esta expresioacuten L longitud de tuberiacutea
tro de tuberiacutea
n el interior del tubo
v
Para la l radio del tubo que
sum ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
i
fDL2
21 ν
D diaacuteme
f perdidas de friccioacuten e
velocidad del flujo de agua
obtencioacuten de la velocidad se tiene el flujo volumeacutetrico y e
es de 32 cm =0032mts con la ecuacioacuten
Ingenieriacutea Quiacutemica 61
( )( ) sm
ms
m
RQ 761
032060min1)
min340(
2
3
2 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
==ππ
ν
UAM-I
Se reportan valores de perdida de fr
e reduce teacuterminos
iccioacuten en tubos que son igual a 005
Por lo tanto sustituyendo los teacuterminos en la ecuacioacuten de Bernoulli s
sum sumint =⎟⎠
⎜⎝
+⎟⎠
⎜⎝
+++∆+∆i i
iP
evvfD
vwdphgv 022
ˆ2
1ρ
⎞⎛⎞⎛ L 111 2222
or tanto el termino de trabajo queda expresado de la siguiente manera
tanto la bomba comunica al fluido que circula en el sistema un trabajo
+11727
P1
p w
sum sum ∆minus⎟⎠⎞
⎜⎝⎛minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛minus=
i ii
hgevvfDLvw 22
21
21
ˆ
( ) ( )
Este es el trabajo ( por unidad de masa) producido por el fluido en la bomba por lo
22
sm o 11727 981 = 1195
m
fKg
Kgm
La velocidad de flujo de masa es
Por lo tanto
1 )=6694
951)(675(ˆ =minus=minus WwW smkg f = 088Hp = 1Hp
Siendo esta ida para esta bomba El procedimiento anterior se
iguioacute para cada bomba de la planta
AP E
la potencia requer
s
EacuteNDICE
TOXICOLOGIacuteA DE MATERIAS PRIMAS [6]
( ) ( ) ( )( ) ( )( )msm
smmmm
sm 538192201150761
21050
032021536761
21
2
22minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ +minus⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ++
minus=wm
22
27117ˆ smw minus=
( )s
kgmkgQw m675100060340 3 === ρ
Ingenieriacutea Quiacutemica 62
UAM-I
HIDROacuteXIDO DE SODIO
Polvo corrosivo blanco delicuescente
Toxicidad
Concentracioacuten Maacutexima permisible 2mgm3 en aire
Signos y Siacutentomas Conjutivitis quemaduras corneales y de la piel Irritacioacuten
seas vomito dolor abdominal y diarrea a veces con
Lavado de las partes afectadas tranquilizantes sulfato de
decuada gafas protectoras o pantallas para
ignos y Siacutentomas Irritacioacuten de ojos quemaduras corneables tos dolores
l hemoptisis dolor de cabeza dolor epigaacutestrico nauseas y vomito
lmonar
Tratamiento lavado de ojos con agua reposo oxigeno con aparato de respiracioacuten
con onantes
ACIDO NITRICO
Liquido corrosivo sofocante de incoloro a amarillento
ioacuten maacutexima permisible 10ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
del tracto respiratorio nau
sangre
Tratamiento
morfina para el dolor y cortisona
Medidas preventivas Ventilacioacuten a
la cara completa mascarilla con filtro mecaacutenico guantes delantares botas de
goma y acentuar la limpieza personal
CLORO
Gas pasado amarillo verdoso
Toxicidad
Conc Maacutexima permisible 1 ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten
S
retrosterna
debilidad cianosis y edema pu
trolada bronco dilatadores y descongesti
Toxicidad
Concentrac
Ingenieriacutea Quiacutemica 63
UAM-I
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
Signos y siacutentomas Erosioacuten dental estornudo tos Dolor en el pecho bronquitis y
la las partes contaminadas del cuerpo con solucioacuten al 5 de
de las quemaduras con pantildeos
de triacuteo sulfato soacutelido si se a ingerido
vado de ojos con agua
ACIDO CLORIDRICO
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
ivitis necrosis corneal por inhalacioacuten rinitis erosioacuten
dolor de cabeza palpitacioacuten por ingestioacuten
s en la boca faringe esoacutefago estomago salivacioacuten vomito Soc
agua lavada de agua y jaboacuten de las partes
preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
AacuteC
El c
con o de hidroacutegeno una
concentracioacuten de 12 molLt Este aacutecido es un liacutequido incoloro con un olor aacutecido
bronconeumoniacutea
Tratamiento
bicarbonato soacutelido o con agua y jaboacuten Tratamiento
mojados con solucioacuten saturada
administracioacuten por viacutea oral de solucioacuten de jaboacuten Hidroacutexido caacutelcico o alumiacutenico u
oacutexido de magnesio
Medidas preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores excluir de la exposicioacuten
a los individuos con enfermedades de pulmones y rintildeones
Gas incoloro o liacutequido o a amarillento
Toxicidad
Concentracioacuten maacutexima permisible 5ppm en aire
Signos y siacutentomas conjunt
dental laringitis bronquitis neumoniacutea
quemadura
nefritis
Tratamiento lavado de ojos con
contaminantes del cuerpo tratamiento ordinario de quemaduras lavado gaacutestrico
se a ingerido con solucioacuten de bicarbonato soacutedico al 5 seguido de una instilacioacuten
de gel de hidroacutexido de aluminio
Medidas
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores
IDO CLORHIacuteDRICO
loruro de hidroacutegeno es en extremo soluble en agua de hecho el aacutecido clorhiacutedrico
centrado contiene cerca del 38 en masa de clorur
Ingenieriacutea Quiacutemica 64
UAM-I
pronunciado que se debe al equilibrio entre el cloruro de hidroacutegeno gaseoso y
ste con el aacutecido fluorhiacutedrico el aacutecido clorhiacutedrico es un aacutecido fuerte (pKa = -
7) y se ioniza casi totalmente
gar de aacutecido sulfuacuterico auque en menor grado Por
jemplo el zinc metaacutelico reacciona con aacutecido clorhiacutedrico para dar el ion zinc e
hidroacutegeno gaseoso
Zn(s) + 2HCl(ac) ZnCl2(ac) + H2(g)
l para producir aacutecido clorhiacutedrico en el laboratorio es generar
cloruro de hidroacutegen e sodio y el aacutecido
ulfuacuterico En el primer paso a 150degC se forma hidroacutegeno sulfato de sodio
NaHSO4(s) + HCl(g)
io y maacutes
loruro de hidroacutegeno gaseoso Luego el gas se disuelve en agua para formar el
aacutecido
NaHSO4(s) + NaCl(s) Na2SO4(s) + HCl(g)
acuoso
HCl(ac) HCl(g)
El reactivo de grado teacutecnico a menudo tiene un color amarillento por una impureza
del ion hierro (III)
En contra
HCl(ac) + H2O(l) H2O+(ac) + Cl -(ac)
Por ello a menudo se prefiere usar aacutecido clorhiacutedrico diluido en lugar de aacutecido niacutetrico
que es muy oxidante y en lu
e
Cuando el zinc reacciona con el aacutecido niacutetrico es comuacuten que se reduzca una parte
del ion nitrato para dar dioacutexido de nitroacutegeno
El meacutetodo tradiciona
o gaseoso por la reaccioacuten entre el cloruro d
s
NaCl(s) + H2SO4(l)
La mezcla se calienta a 550degC temperatura a la cual el hidroacutegeno sulfato de sodio
reacciona con un exceso de cloruro de sodio para formar sulfato de sod
c
∆
Este meacutetodo se usa tambieacuten en la industria otra forma de producir cloruro de
hidroacutegeno es por la combinacioacuten directa de dicloro y dihidroacutegenogaseosos
Ingenieriacutea Quiacutemica 65
UAM-I
H2(g) + Cl2(g) 2HCl(g)
La mayor cantidad de cloruro de hidroacutegeno que se produce actualmente es un
CH4(g) + 4Cl2(g) 4(l) + 4HCl(g)
riacuten de superficies de acero en un bantildeo aacutecido en la purificacioacuten de glucosa
y jarabe de maiacutez e s y de gas y en la
bricacioacuten de compuestos clorados El aacutecido se puedo comprar en muchas
nducida por la luz
4HNO3(ac) 4NO2(g) + O2(g) + 2H2O(l)
niacutetrico como disolvente)
H2NO3+ H2O + NO2
+
l siguiente
3HNO NO3 ndash
subproducto de otros procesos industriales como la siacutentesis de tetracloruro de
carbono
CCl
Se consumen cerca de 107 toneladas de aacutecido clorhiacutedrico cada antildeo en todo el
mundo Este aacutecido tiene una gama muy amplia de usos como aacutecido comuacuten para
eliminar o
n el tratamiento con aacutecido de pozos petrolero
fa
ferreteriacuteas con el arcaico nombre de aacutecido muriaacutetico sus principales usos caseros
son la limpieza de superficies de concreto y la eliminacioacuten de herrumbre Un nuacutemero
muy reducido de personas es incapaz de sintetizar suficiente jugo gaacutestrico y deben
de ingerir caacutepsulas de aacutecido clorhiacutedrico diluido con cada comida
AacuteCIDO NIacuteTRICO
El aacutecido niacutetrico un liacutequido aceitoso e incoloro en estado puro es sumamente
peligroso El aacutecido que funde a ndash42degC y hierve a +83degC tiene por lo general un
ligero color amarillo a causa de una reaccioacuten de descomposicioacuten i
En un estado puro el aacutecido niacutetrico liacutequido praacutecticamente no conduce la electricidad
Una pequentildea porcioacuten se ioniza como sigue (todas estas especies existen en el aacutecido
2HNO3(l) H2NO3+ + NO3
ndash
H2O + HNO3 H3O+ + NO3 ndash
Para dar la reaccioacuten globa
3 NO2+ + H3O + 2+
Ingenieriacutea Quiacutemica 66
UAM-I
El catioacuten nitrilo es importante en la nitracioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas por ejemplo la
obenceno C6H5NO2 una etapa importante en
umerosos procesos industriales orgaacutenicos
El aacutecido niacutetrico con en agua mientras
ue el ldquoaacutecido niacutetrico fumanterdquo un oxidante extremadamente poderoso es una
vez de ello se produce una mezcla de
sistema que da un orden de
vista industrial el
oceso
e lleva a cabo en tres etapas Primero se hace pasar una mezcla de amoniaco y de
dioxiacutegeno (o aire) un proceso muy
ficiente y exoteacutermico que hace que la malla se ponga al rojo Esta etapa se verifica
conversioacuten de benceno C6H6 en nitr
n
centrado es en realidad una solucioacuten al 70
q
solucioacuten roja de dioacutexido de nitroacutegeno en aacutecido niacutetrico puro Incluso cuando esta
diluido el aacutecido niacutetrico es un oxidante tan fuerte que rara vez desprende hidroacutegeno
cuando se pone en contacto con metales en
oacutexidos de nitroacutegeno y el metal se oxido a su catioacuten
Los enlaces O-N son mucho maacutes cortos (121 pm) que el enlace O-N unidos al aacutetomo
de hidroacutegeno (141 pm) Esta longitud de enlaces indica que hay enlaces muacuteltiples
entre el nitroacutegeno y los dos aacutetomos de oxiacutegeno terminales Ademas de los electrones
del sistema σ hay cuatro electrones que participan en el sistema π O-N-O dos de un
orbital enlazante y dos en un orbital no enlazante
enlace de 112 para cada uno de esos enlaces nitroacutegeno- oxiacutegeno
A veces se nos olvida hasta queacute punto nuestra experiencia depende de la
termodinaacutemica y la cineacutetica Por ejemplo la primera siacutentesis industrial de aacutecido
niacutetrico se llevaba ha cabo por simple combinacioacuten de diniacutetrogeno dioxiacutegeno y agua
utilizando un horno de arco eleacutectrico a fin de proporcionar la energiacutea necesaria par
superar la muy elevada barrera cineacutetica Aunque desde el punto de
factor cineacutetico constituiacutea un problema en realidad es una bendicioacuten por que sin esta
barrera cineacutetica hace mucho tiempo que todo el dioacutexido de la atmoacutesfera se abriacutea
transformado en aacutecido niacutetrico y nuestros mares serian de aacutecido niacutetrico diluido
frac12 N2(g) + 54O2(g) + 12H2O(g) HNO3(g)
Ahora se utiliza el proceso Ostwald para la siacutentesis de aacutecido niacutetrico Este proceso
consume gran parte del amoniaco que se produce por el proceso Haber El pr
s
a traveacutes de una malla de platino metaacutelico Eacuteste es
e
a baja presioacuten para aprovechar el efecto entropico es decir la formacioacuten de 10
moles de gas a partir de 9 moles de gas (una aplicacioacuten del principio de Le Chatelier)
para desplazar el equilibrio a la derecha
Ingenieriacutea Quiacutemica 67
UAM-I
4NH3(g) + 5O2(g) 4NO(g) + 6H2O(g)
Se agrega maacutes oxiacutegeno para oxidar el monoacutexido de nitroacutegeno a dioacutexido de nitroacutegeno
A fin de mejorar el rendimiento de esta reaccioacuten exoteacutermica se extrae calor de los
ases y la mezcla se somete a presioacuten
2HNO3(l) + NO(g)
Esta reaccioacuten tambieacuten es exoteacutermica y una vez maacutes se aplica enfriamiento y alta
la
egunda etapa para oxidarlo de nuevo
La contaminacioacuten s de aacutecido niacutetrico
as plantas maacutes antiguas eran faacutecilmente identificables por la fumarola cafeacute-
antas maacutes antiguas ahora mezcla cantidades
en Estados Unidos porque un 20
dedica ala produccioacuten de explosivos
or ultimo el aacutecido niacutetrico es un liacutequido que hierve a 826degC No existe como liacutequido
g
2NO(g) + O2(g) 2NO2(g)
El dioacutexido de nitroacutegeno se mezcla con agua para dar una solucioacuten de aacutecido niacutetrico
3NO2(g) + H2O(l)
presioacuten par obtener el maacuteximo rendimiento El monoacutexido de nitroacutegeno se vuelve a
s
soliacutea ser un problema importante de las planta
L
amarillento del dioacutexido de nitroacutegeno que escapaba por ellas Las plantas maacutes
antiguas eran faacutecilmente identificable por la fumadora cafeacute-amarillo del dioacutexido de
nitroacutegeno que escapaba de ellas Las pl
estequiomeacutetricas de amoniaco con las oacutexidos de nitroacutegeno con lo cual se obtiene
dinitroacutegeno y vapor de agua ambos inocuos
NO(g) + NO2 (g) + 2NH3(g) 2N2(g) + 3H2O(g)
En todo el mundo alrededor del 80 del aacutecido niacutetrico se utiliza en la produccioacuten de
fertilizantes Esta proporcioacuten es de solo el 65
se
P
puro porque en alguna medida se descompone espontaacuteneamente como sigue
4HNO3(l) 4NO2(g) + 2H2O(l) + O2(g)
Ingenieriacutea Quiacutemica 68
UAM-I
El aacutecido niacutetrico concentrado que se usa en el laboratorio estaacute al 68 en masa HNO3
(densidad 142 gcm3) lo que corresponde a 157 M
l aacutecido niacutetrico es un poderoso agente oxidante El nuacutemero de oxidacioacuten del N en el
) El aacutecido niacutetrico puede oxidar
nto a metales que estaacuten abajo del hidroacutegeno como aquellos que se encuentran
4Zn2+(ac) + NH4
+(ac) + 3H2O(l)
do no oxida al oro Sin embargo cuando se mezcla con
cido clorhiacutedrico concentrado en relacioacuten 13 en volumen (una parte de HNO3 a tres
partes al oro
omo sigue
APEacuteNDICE F
ETODO DE DEPOSICIOacuteN-PRECIPITACIOacuteN
E
HNO3 es + 5 Los productos maacutes comunes de la reduccioacuten del aacutecido niacutetrico son el
NO2 (N = + 4) el NO (N = + 2) y el NH4+ (N = - 3
ta
arriba en la serie de actividades Por ejemplo el cobre es oxidado por el aacutecido niacutetrico
concentrado como se mencionoacute antes
En presencia de reductores fuertes como el zinc metaacutelico el aacutecido niacutetrico se puede
reducir hasta ion amonio
4Zn(s) + 10H+(ac) + NO3
-(ac)
El aacutecido niacutetrico concentra
aacute
de HCl) la disolucioacuten resultante denominada agua regia puede oxidar
c
Au(s) + 3HNO3(ac) + 4HCl(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O(l) + 3NO2(g)
M
Ingenieriacutea Quiacutemica 69
UAM-I
APEacuteNDICE G
ISENtildeO DEL MEZCLADOR [4]
1) 100 ml H2O gr soporte
2) NH4(OH)
Ajustar a PH = 9 4) HAuCl4 (solucioacuten acuosa al 25E-3M)
6) Filtrado o centrifugado
3) En Agitacioacuten por 2 hr
8) Secado por 2hr a 80 degC
9 ) Calcinado por 4hr a 400 degC
7) Lavado
5) Antildeegamiento por 30 min
D
Ingenieriacutea Quiacutemica 70
UAM-I
El disentildeo de un tanque agitado dis n nuacutemero de elecciones sobre el
po y localizacioacuten del agitador las proporciones del tanque el nuacutemero y dimensiones
ada una de estas decisiones afectan a la velocidad
e circulacioacuten del liacutequido los modelos de velocidad y el consumo de potencia Como
pone de un gra
ti
de las placas deflectoras etc C
d
punto de partida en el disentildeo de los problemas ordinarios de agitacioacuten generalmente
se utiliza un agitador de turbina del tipo que se muestra en la figura 1 La proporcioacuten
tiacutepica es
31
=t
a
DD
1=tD
H 121
=tD
J 51
=aD
W 41
=aD
L
de estas ecuaciones se disentildeara el mezclador como datos se tiene el valor H que es
igual a 3 mts y el diaacutemetro del tanque D
Se determinara la medida de los reflectores
t que es igual 3 mts
121
=tD
J se despeja J
elacioacuten R31
=t
a
DD
se despeja Da
Relacioacuten
41
=aD
L se despeja L
elacioacuten se despeja W
( ) ( ) cmmtsmtsDJ 25250311==⎟
⎞⎜⎛=⎟
⎞⎜⎛= t 1212 ⎠⎝⎠⎝
( ) ( ) mtsmtsDD ta 1331
31
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=
( ) ( ) mtsmtsDL a 250141
41
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛= cm25=
51
=aD
WR
Ingenieriacutea Quiacutemica 71
UAM-I
Figura 2 a) Vista transversal del mezclador b) paletas del mezclador con la
donde se deposita el soporte
Figura 1 Medidas de un agitador de turbina
a) b)
s rejillas
H
J
E L
Da
D t
W
W
( ) ( ) cmmtsmtsDW a 2020151
5==⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎜⎝
=1 ⎞⎛
Ingenieriacutea Quiacutemica 72
UAM-I
14 BIBLIOGRAFIacuteA
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[7] Compilation of Aire Pollutan Emissions Factors Vol I Fifth Edition AP-42 De EPA-
4504-91-016
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[12] JC FrostNature 334 (1991) 47
Catalizadores de Oro Soportado 9
UAM-I
C A P I T U L O II
E X P E R I M E N T A C I Oacute N
Catalizadores de Oro Soportado 10
UAM-I
2 1 INTRODUCCIOacuteN
Existen reportes [6] sobre la actividad de catalizadores Auγ-A12O3 AuCo3O4 AuNiO
sintetizados por diferentes meacutetodos (co-precipitacioacuten deposicioacuten-precipitacioacuten e
impregnacioacuten etc) en la oxidacioacuten de H2 y CO La actividad se ha relacionado a un
efecto combinado entre Au y los oacutexidos metaacutelicos utilizados como soporte Sin
embargo una alta actividad cataliacutetica en la oxidacioacuten de CO e H2 estaacute directamente
relacionada al tamantildeo de partiacutecula de Au y la dispersioacuten de eacutestas en el soporte[7]
Algunos trabajos[8-9] indican que a menor tamantildeo de partiacutecula mayor actividad y
mayor estabilidad del catalizador
En el presente trabajo se prepararon catalizadores de Au soportado sobre γ-Al2O3
con un tamantildeo promedio de partiacuteculas de Au de 5 nm y alta dispersioacuten Se utilizaron
dos meacutetodos de preparacioacuten diferentes impregnacioacuten y deposicioacuten-precipitacioacuten
variando el contenido de oro de 007 a 1 en peso de Au Los catalizadores se
evaluaron en la oxidacioacuten de una mezcla de CO e H2 y fueron caracterizados por
difraccioacuten de rayos x microscopia electroacutenica absorcioacuten atoacutemica y absorcioacuten fiacutesica
Los resultados indican que efectivamente la actividad depende del tamantildeo de
partiacutecula y el contenido de Au en el catalizador En particular el catalizador con 035
en peso de Au presentoacute 100 de conversioacuten en ambas reacciones sin indicios de
desactivacioacuten durante 24 h continuas de operacioacuten a velocidades espaciales (GHSV)
mayores que 10 000 h-1 Con esto se pretende contribuir al desarrollo de
catalizadores ambientales que permitan disminuir las emisiones nocivas
provenientes de fuentes fijas y moacuteviles de nuestro paiacutes
Catalizadores de Oro Soportado 11
UAM-I
22 EXPERIMENTACIOacuteN
Siacutentesis de Catalizadores
Meacutetodo de DP Se dispersoacute 1 g de γ-Al2O3 (Ketjen) en 100 mL de agua tridestilada y
se adicionoacute NH4(OH) (JT Baker) (01M) hasta obtener un pH de 9 Posteriormente
se agregoacute por goteo durante 2 h 20 mL de una solucioacuten de AuCl3 (9998 Aldrich)
(25x 10-3 M) Despueacutes se agitoacute por 30 min y se filtroacute y lavoacute con agua destilada con
10 veces el volumen total inicial Por ultimo el soacutelido resultante se secoacute a 80degC por 2
h y se calcinoacute a 400degC por 4 h
Meacutetodo de IMP Se dispersoacute 1 g de γ-A12O3 en 100 mL de agua tridestilada por 30
min A esta mezcla se le antildeadioacute lentamente 20 mL de una solucioacuten de AuCl3 (25x10-
3M) y se mantuvo en agitacioacuten 720 min Durante este tiempo se ajustoacute el pH a 9 por
medio de la adicioacuten de una solucioacuten acuosa de Na2CO3 (JT Baker) El soacutelido se
filtroacute y lavoacute con 500 mL de agua tridestilada caliente (95degC) para eliminar los iones de
cloro que podriacutean afectar la actividad cataliacutetica Finalmente se secoacute a 120degC 24 h y
se calcinoacute a 400degC por 4 h
Los catalizadores preparados por el meacutetodo de DP e IMP se les llamaraacuten de aquiacute en
adelante x-Auγ-Al2O3-DP y muestra x-Auγ-Al2O3-IMP respectivamente donde x
indica el en peso de Au en el catalizador
Caracterizacioacuten de Catalizadores Absorcioacuten Atoacutemica La cantidad de oro en cada uno de los catalizadores se
determinoacute por absorcioacuten atoacutemica (SpectrAA-20 Varian) Antes de las mediciones el
equipo fue calibrado con una solucioacuten estaacutendar de Au (Sigma) Una muestra de cada
catalizador (01g) se disolvioacute en agua regia a temperatura ambiente la cual se
preparoacute mezclando 200 ml de HCl concentrado y 100 mL de HNO3 concentrado
Adsorcioacuten Fiacutesica La isoterma de adsorcioacuten fiacutesica de N2 a 75 K de cada catalizador
se obtuvo en un equipo automatizado Quantachrome Autosorb Automated A partir
de estos datos se determinoacute el aacuterea BET el radio y el volumen promedio de poro
Catalizadores de Oro Soportado 12
UAM-I
Difraccioacuten de Rayos X Se realizoacute en un difractoacutemetro Siemens D500 en un entrono
angular de 4 a 64ordm en 2θ La radiacioacuten Cuκα se seleccionoacute con un difractor de un haz
de luz monocromaacutetico
Microscopia Electroacutenica de Transmisioacuten (TEM) Se utilizoacute un Microscopio Electroacutenico
de Transmisor Mod EM910 Zeiss operando a un voltaje de 120 kV y con una
ampliacioacuten de 400000 aumentos Para la preparacioacuten de las muestras se tomaron
005 g de cada una y se disolvieron en alcohol etiacutelico y se sometieron a ultrasonido
(Branson 2210) por 5 min Posteriormente se colocaron las rejillas en porta objetos y
se agregoacute una gota de la solucioacuten del catalizador dejando secar a temperatura
ambiente hasta su medicioacuten
Evaluacioacuten cataliacutetica Las medidas de actividad cataliacutetica en la oxidacioacuten de CO e H2
CH4 y C2H8 se realizaron en un microreactor de cuarzo de lecho fijo en el cual se
colocaron en todos los casos 030 g de catalizador y se utilizoacute un flujo total de 100
mLmin Para la oxidacioacuten de CO se utilizoacute una mezcla con 1 CO 05 O2 033
H2 en N2 para las pruebas en condiciones estequiomeacutetricas y con 1 CO 21 O2
033 H2 en N2 para los experimentos en exceso de O2 El efluente fue analizado
por cromatografiacutea de gases (GC-12 A Shimadzu C-RGA con una columna SFE-1)
con detector de conductividad teacutermica Para la combustioacuten de CH4 se uso una
mezcla con 1 CH4 2 O2 97 N2 y para la combustioacuten de C3H8 una mezcla con
1 C3H8 2 O2 97 N2 En todos los experimentos la temperatura de operacioacuten
fue de 25 a 400 degC y la velocidad espacial fue 10146 h-1
Catalizadores de Oro Soportado 13
UAM-I
23 RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN
Absorcioacuten Atoacutemica y Adsorcioacuten Fiacutesica La Tabla 1 muestra los contenidos de Au
el Aacuterea BET (ABET) el volumen promedio de poro (VP) y el radio promedio de poro
(RP) para los catalizadores preparados
Se puede observar que el aacuterea BET de la γ-Al2O3 se modifica con la adicioacuten de Au El
aacuterea BET entre la γ-Al2O3 pura y la muestra DP concuerdan con lo reportado[10-11] de
que a mayor porcentaje de Au mayor es el aacuterea superficial sin embargo el aacuterea BET
del catalizador 007-Auγ-Al2O3-IMP que tiene un menor porcentaje de Au presenta
la mayor aacuterea BET Sin embargo aunque el radio promedio de poro es casi el mismo
para las tres muestras el catalizador 007-Auγ-Al2O3-IMP presenta el mayor
volumen promedio de poro Esto podriacutea deberse a que el meacutetodo de preparacioacuten
utilizado causoacute la generacioacuten de una mayor porosidad en la γ-Al2O3 en lugar de la
impregnacioacuten de una mayor cantidad de Au Las isotermas de adsorcioacuten de los
catalizadores fueron del tipo IV y semejantes en forma a la de la γ-Al2O3 (Figura 1)
La Figura 2 muestra que la distribucioacuten de tamantildeo de poros se centra dentro del
mismo margen para las tres muestras y se aprecia la presencia de mesoporos entre
los 50 y 125 Aring
Tabla 1 Contenido Au y caracteriacutesticas texturales en los catalizadores
Catalizador Au ( en peso) ABET (m2g) RP (Aring) VP (ccg)
γ-Al2O3 000 183 78 0489
IMP 007 301 79 0743
DP 035 215 78 0518
IMP 100
No se ha determinado
Catalizadores de Oro Soportado 14
UAM-I
0
100
200
300
400
500
0 02 04 06 08
PPo
Vads
(cm
3g)
STP
-Al2O3
035-Au -Al2O3-DP
007-Au -Al2O3-IMP
1
Figura 1 Isotermas de adsorcioacuten y desorcioacuten de N2 de los catalizadores Auγ-Al2O3
ifraccioacuten de Rayos X La Figura 3 muestra los patrones de difraccioacuten de Rayos X
0
0004
0008
0012
0016
002
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
Rp [A]
Dv(
r) [c
m3
Ag]
-Al2O3
035-Au -Al2O3-DP
007-Au -Al2O3-IMP
Figura 2 Distribucioacuten de tamantildeo de poros
D
de los catalizadores Se observa que todos son caracteriacutesticos de la γ-Al2O3 Es
imposible identificar la presencia del Au esto debido al pequentildeo porcentaje y la alta
Catalizadores de Oro Soportado 15
UAM-I
dispersioacuten del Au contenido en cada uno de los catalizadores Sin embargo para el
caso de que se tuviese mayor cantidad de Au el difractograma podriacutea presentar un
pico alrededor de los 38deg en 2θ el cual indicariacutea la presencia de Au A partir de esta
sentildeal y la ecuacioacuten de Scherrer algunos autores han calculado el tamantildeo promedio
de las partiacuteculas de oro en catalizadores soportados
Microscopia Electroacutenica Transmisioacuten (MET) En la Figura 4 se presentan las
casos los
imaacutegenes de MET para la γ-Al2O3 y los catalizadores 035-Auγ-Al2O3-DP y 007-Auγ-
Al2O3-IMP En ambos catalizadores el tamantildeo de partiacutecula se encuentra es mayor
que 2 nm pero menor o igual que 5 nm En ambos casos los resultados indican que
las partiacuteculas de oro estaacuten dispersadas de manera uniforme en el soporte
Se encuentra es mayor que 2 nm pero menor o igual que 5 nm En ambos
resultados indican que las partiacuteculas de oro estaacuten dispersadas de manera uniforme
en el soporte
Figura 3 Patrones de Difraccioacuten de Rayos X de los catalizadores Auγ-Al2O3
Catalizadores de Oro Soportado 16
UAM-I
Figura 4 Imaacutegenes de MET para (a) γ-Al2O3 (b) 035-Auγ-Al2O3-DP y (c) 007-Auγ-
Al2O3-IMP
Catalizadores de Oro Soportado 17
UAM-I
Se sabe que la alta actividad cataliacutetica del oro esta relacionada con su tamantildeo esto
quiere decir que entre maacutes pequentildeas sean las partiacuteculas mayor actividad tendraacuten
nes estequiomeacutetricas el catalizador 007-Auγ-Al2O3-
P no mostroacute actividad para la oxidacioacuten de CO e H2 sin embargo al operar la
por lo tanto de las imaacutegenes anteriores se tiene que el meacutetodo DP es el maacutes
adecuado por lograr depositar mayor cantidad de Au con gran dispersioacuten y un
tamantildeo de partiacuteculas pequentildeo
Actividad Cataliacutetica A condicio
IM
misma muestra con un exceso de O2 la actividad inicioacute a partir de 140oC alcanzando
una conversioacuten maacutexima de 8748 a 400 degC (Figura 5) En vista de este uacuteltimo
resultado se decidioacute evaluar el catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP a las mismas
condiciones de exceso de O2 En este caso la actividad cataliacutetica inicioacute por debajo de
los 30oC incrementaacutendose casi linealmente con la temperatura hasta lograr una
conversioacuten maacutexima de 9367 a 127degC La diferencia en actividad entre ambos
catalizadores es notable Auacuten a muy bajos contenidos de Au el catalizador 007-Auγ-
Al2O3-IMP presenta una actividad importante sin embargo al aumentar cinco veces
este contenido (035) y manteniendo el tamantildeo de partiacutecula es posible disminuir la
temperatura de encendido calculada como la temperatura a la cual se logra el 50
de conversioacuten (T50) en 175oC Un uacuteltimo estudio fue la evaluacioacuten del catalizador
10-Auγ-Al2O3-IMP el cual presenta una T50 de 290 degC(ver Figura 5) la cual es 40 degC
mayor que el catalizador 007-Auγ-Al2O3-IMP auacuten cuando el contenido de Au es
mayor La Figura 5 muestra tambieacuten la comparacioacuten de estos resultados con
trabajos anteriores[10] en los que utilizan el catalizador 5-Auγ-Al2O3-IMP a
condiciones estequiomeacutetrica en este caso T50 es de 215 degC tan solo 35 degC de
diferencia en comparacioacuten con el catalizador 007-Auγ-Al2O3-IMP La diferencia en el
contenido de Au es 15 veces menor En general al trabajar en condiciones en exceso
de O2 se tiene una mayor conversioacuten a una menor temperatura por lo que se
esperariacutea que los resultados del catalizador 5-Auγ-Al2O3-IMP bajo condiciones de
exceso fueran mejores sin embargo los autores no presentan estos resultados
Catalizadores de Oro Soportado 18
UAM-I
El catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP alcanzoacute 100 de conversioacuten a 176 degC a
condiciones de exceso de O2 (Figura 5) esta conversioacuten se mantuvo por 24 h sin
presentar indicios de desactivacioacuten (Figura 6) KRuth [12] reporta desactivacioacuten del
catalizador 10-Auγ-TiO2 a partir de 80 minutos de operacioacuten con una velocidad
espacial de 1x104 h-1 El catalizador fue preparado por deposicioacuten y contiene nano-
particulas (2-5nm) soportadas en TiO2 Sin embargo el catalizador logra 100 de
conversioacuten a 0 degC Esto es debido a que los catalizadores AuTiO2 presentan mayor
actividad a temperaturas bajas La Figura 6 muestra tambieacuten la conversioacuten reportada
por Seung-Jae[11] del catalizador 043-Auγ-Al2O3-IMP en donde la temperatura de
operacioacuten es de 25 degC sin embargo se tiene una desactivacioacuten apreciable a partir de
150 minutos de operacioacuten con una velocidad especiales de 8x10 h-1
Figura 5 Conversioacuten del CO para los catalizadores de 007-Auγ-Al2O3-IMP 10-
os resultados de conversioacuten del hidroacutegeno (Figura 7) muestran conversioacuten del 100
10 a 035 es de 20 degC
Auγ-Al2O3-IMP y de 035-Auγ-Al2O3-DP en condiciones de operacioacuten en exceso de
O2 la tasa de temperatura es de 2degC por minuto Datos Referencia [10]
L
por debajo de 150 degC con el catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP mientras que el
catalizador 007-Auγ-Al2O3-IMP logra conversioacuten completa hasta 270oC y para el
catalizador 10-Auγ-Al2O3-IMP se tiene una conversioacuten del 100 hasta 310 degC lo
cual indica que los tres catalizador son activos para ambas reacciones y que se
mantiene la tendencia observada para la oxidacioacuten de CO La disminucioacuten en T50 al
aumentar el contenido de Au de 007 a 035 es de 140oC mientras que para la de
Catalizadores de Oro Soportado 19
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado 20
Figura 6 Variacioacuten de la conversioacuten con respecto al tiempo para la muestra de DP a
una temperatura de 180 degC Datos Referencia [11]
Figura 7 Oxidacioacuten de H sobre los catalizadores 035-Au2 γ-Al2O3-DP 007-Auγ-
Al2O3-IMP y 10-Auγ-Al2O3-IMP bajo condiciones de exceso de O2
La Figura 8 muestra como varia la temperatura de encendido con la cantidad de Au
en los catalizadores preparados en este trabajo Se observa un miacutenimo para el
catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP lo cual indica que la mayor actividad se logra a bajos
contenidos de Au y tamantildeos de partiacutecula menores que 5 nm
0
20
40
60
80
0 200 400 600 800 1000Tiempo (min)
Con
vers
ioacuten
de C
O (
) 100
035-Au -Al2O3-DP (176 degC)
043-Au -Al2O3-IMP (25 degC)
0
20
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Temperatura (degC)
40
60
Con
vers
ioacuten
de H
2 (
)
80
100
10-Au -Al2O3-IMP035-Au -Al2O3-DP007- Au -Al2O3-IMP50-Au -Al2O3-IMP
UAM-I
F
o
P
o
o
re
d
F
c
C
T50 (degC)
igura 8 Variacioacuten de la te
xidacioacuten de CO con respect
or ultimo se realizaron cu
peracioacuten pero variado la
btenidos se muestran en la
accioacuten presentan una tend
e catalizador
00000
00040
00080
00120
00160
00200
0
(-rc
o)
00000
igura 9 Velocidad de reac
ondiciones en exceso de O2
atalizadores de Oro Soportado
masa Au
mperatura de encendido a 50 de conversioacuten en la
o a la cantidad de Au en el catalizador
atro corridas maacutes bajo las mismas condiciones de
masa de catalizador Las velocidades de reaccioacuten
fig9En esta figura se observa que las velocidades de
encia lineal despueacutes de los 80degC al aumentar la masa
50 100 150 200 250 300T (degC)
3 gr cat
25 gr cat
2 gr cat
15 gr cat
1 gr cat
cioacuten de CO a diferentes masas de catalizador y bajo
21
UAM-I
Se tomo una temperatura de 125 degC debido a las mediciones realizadas en
diferentes calentadores domeacutesticos Se encontroacute que la temperatura media es la
mencionada A partir de los datos experimentales se determinoacute que el orden de
reaccioacuten es 13 y la constante cineacutetica k = 480945 (m3)13[(mol)03m3cat hr] (00012
mhr) y un coeficiente de transferencia de masa de 792 mhr (ver apeacutendices A) con
estos valores y usando los criterios de Weisz-Prater y Mears[14] (ver apeacutendice B) se
obtuvo que no existe resistencia interna ni externa a la transferencia de masa por lo
que la cineacutetica es la que controla
24 CONCLUSIOacuteN DE LA EXPERIMENTACIOacuteN El meacutetodo de DP es mucho maacutes adecuado que el de IMP para la preparacioacuten de
catalizador de Au soportados en γ-Al2O3 ya que permitioacute obtener catalizadores con
cinco veces maacutes oro que el preparado por el meacutetodo IMP bajo condiciones similares
de preparacioacuten En ambos casos el tamantildeo promedio de partiacutecula fue menor que 5
nm Debido a esto el catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP presenta una mayor actividad
en la oxidacioacuten de CO e H2 sin observarse desactivacioacuten durante un periodo de 24 h
Puesto que en ambas muestras se consiguioacute una gran dispersioacuten y un tamantildeo
similar de nanopartiacuteculas de oro se tiene entonces que la principal diferencia de
actividad cataliacutetica se debe principalmente a la cantidad de Au en el catalizador Sin
embargo el catalizador 10-Auγ-Al2O3 presenta una menor conversioacuten que el de
035-Auγ-Al2O3-DP a pesar de contener maacutes Au por lo que hasta el momento se
podriacutea decir que la cantidad de Au optima se encuentra por debajo de 10 wt y por
arriba de 007 wt no obstante se requiere de la caracterizacioacuten del catalizador 10-
Auγ-Al2O3 se para determinar de que manera influyen el tamantildeo de partiacuteculas la
distribucioacuten el volumen y el tamantildeo de poro en los resultados esta caracterizacioacuten
asiacute como la evaluacioacuten cataliacutetica del catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP bajo
condiciones estequiomeacutetricas se encuentran en proceso
Catalizadores de Oro Soportado 22
UAM-I
25 BIBLIOGRAFIacuteA [1] M Haruta CatalToday 36 (1997) 153
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Pretice may Tercera edicioacuten Impresa en Meacutexico DF
Catalizadores de Oro Soportado 23
UAM-I
C A P I T U L O III
D I S E Ntilde O D E L A P L A N T A I N D U S T R I A L
Catalizadores de Oro Soportado 24
UAM-I
31 INTRODUCCIOacuteN
Este capitulo esta enfocado al disentildeo de la planta industrial donde se produciraacuten
catalizadores de Auγ-Al2O3 por el meacutetodo de Deposicioacuten-Precipitacioacuten (DP) descrito
en el capitulo 2
Parte de la produccioacuten de los catalizadores se destinaraacute a su venta en masa y otra
parte se destinaraacute para el equipo de purificacioacuten de calentadores de agua esto con
la finalidad que el catalizador que esta contenido dentro del equipo de purificacioacuten
cuando se desactive pueda remplazarse por catalizador nuevo disponible en el
mercado De esta forma se tendraacuten ganancias tanto al vender el equipo purificador
como al vender catalizador como materia prima
32 DISENtildeO DEL EQUIPO PURIFICADOR PARA CALENTADORES DE AGUA DOMEacuteSTICOS El equipo purificador se ubicaraacute a la salida del efluente gaseoso del calentador como
un equipo adicional como se muestra en la Figura 1 Se plantea colocarlo en una
posicioacuten tal que oxide a baja temperatura hasta el 90 de CO Las dimensiones del
purificador se determinaron seguacuten las especificaciones de calentador y el balance de
materia en el sistema purificador Estos caacutelculos se presentan en el Apeacutendice A
Los tubos de las chimeneas de los calentadores son de latoacuten por lo que se decidioacute
utilizar este material para la parte exterior la parte donde se colocaraacute el catalizador
es de 35 cm de longitud para colocarlo en el tubo de la salida del flujo de gas se
dieron 2 cm maacutes en cada extremo para hacer un tipo cople de manera que el tubo
entre en los extremos
Catalizadores de Oro Soportado 25
UAM-I
C O 2 2 0 c m 7 c m c m G A S C O
3
2cm
75 cm 35 cm
Figura 1 Esquematizacioacuten del equipo purificador y su ubicacioacuten en los calefones
Las dimensiones obtenidas (Apeacutendice A) y las caracteriacutesticas del purificado se
presentan en la Tabla 1
Tabla 1 Especificaciones de purificador
Material Latoacuten
Longitud 35 cm
Diaacutemetro 20cm
Cantidad de
Catalizador
700 gr
Catalizadores de Oro Soportado 26
UAM-I
33 PRODUCCIOacuteN DE LA PLANTA INDUSTRIAL A partir de un estudio de mercado se encontroacute que en la Ciudad de Meacutexico hay
cuando menos cuatro empresas principales (CALOREX ELSA MAGAMEX y
CINSA) que fabrican calentadores de agua residenciales[1 2] Estas en promedio
producen 150 calefones diarios Por cada calefoacuten se requiere un equipo purificador
En este sentido de requieren idealmente 600 unidades de purificacioacuten por diacutea Esta
base se utilizoacute para el disentildeo de la planta
A partir del balance de masa en el purificador y empleado los resultados
experimentales a nivel laboratorio (ver apeacutendice A) se encontroacute que cada purificador
requiere 07 Kg de catalizador A partir de este resultado se requiere producir al
menos 420 Kg de catalizador para satisfacer la demanda en la produccioacuten de
calefones Con base en el balance de materia realizado en el mezclador se
determinoacute que la cantidad de catalizador obtenido despueacutes de cuatro lotes es de
570 Kg Tomando el resto de catalizador como reserva por cualquier contratiempo El
nuacutemero de lotes se determinoacute en base a que fuese rentable la recuperacioacuten de oro
34 DISENtildeO Y OPERACIOacuteN DE LA PLANTA
La fabricacioacuten del catalizador a nivel industrial esta basada en el escalamiento del
meacutetodo de siacutentesis descrito en la parte experimental Lo cual es una praacutectica comuacuten
en la fabricacioacuten de materiales cataliacuteticos
Para la produccioacuten de 570 Kg por diacutea se plantea utilizar cuatro mezcladores (ver
Figura 2) que operaran durante 8 h con cuatro intervalos (o cargas) de 2 h y
descansos de 30 min (dejando 30 min libres por contratiempos) Esta operacioacuten se
elige con base en las horas de trabajo y el meacutetodo de preparacioacuten del catalizador
Al igual que en la parte experimental el proceso requiere operacioacuten por lotes debido
a que se necesitan largos tiempos de contacto para obtener catalizadores eficientes
en la oxidacioacuten de CO a baja temperatura Se pretende utilizar un agitador tipo
Catalizadores de Oro Soportado 27
UAM-I
canastilla[4] el cual permite colocar dentro de las mismas el catalizador para tener
una mejor impregnacioacuten de partiacuteculas de Au y eliminar la atricioacuten Las dimensiones
del agitador asiacute como del mezclador se presentan en la Figura 6
Al teacutermino de la uacuteltima carga en los mezcladores el lote completo del diacutea pasa al
horno para secarlo a 80degC por 2 h y calcinarlo a 400degC durante 4 h Durante estos
procesos se concluye la preparacioacuten del catalizador Las temperaturas y tasas de
calentamiento estaacuten basadas en el meacutetodo de preparacioacuten experimental descrito en
el Capitulo ll Posteriormente el catalizador producido pasa a la seccioacuten donde se
embolsa para ser vendido como materia prima y la otra parte pasa a la seccioacuten de
ensamblaje para fabricar el purificador
Dimensiones de la industria
Las dimensiones de los equipos como mezcladores cisternas tanque de
tratamiento horno etc se tomaron como base para poder suponer espacios entre
equipos para tener seguridad del personal Se dio preferencia a los mezcladores ya
que son las partes importantes en la elaboracioacuten de los catalizadores La cisterna
estaraacute enterrada para facilitar su llenado en el caso de los contenedores de HAuCl4
y NH4OH estaraacuten encima de bases maacutes altas que los mezcladores para poder
abastecerlos por gravedad Esto debido a que el volumen es poco no se requiere de
grandes cantidades por lo que no se requiere alguna bomba Se estuvo analizando
la forma de acomodar los equipos y se obtuvo la siguiente distribucioacuten que se
muestra en la Figura 3
En la Figura 4 se presenta el plano de la industria con sus respectivos
departamentos en la parte sur se encuentra la entrada principal en ella se encuentra
vigilancia y la entrada de empleados y obreros posteriormente esta la zona de
oficinas lado izquierdo del lado derecho se encuentra el estacionamiento para
clientes y empleados en el almaceacuten se encontraraacuten refacciones de equipo y
reservas de materia primas para los catalizadores en la zona de produccioacuten se tiene
el estacionamiento de proveedores para facilitar la entrada y salida del producto
Catalizadores de Oro Soportado 28
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado 29
Debido a que en cada industria debe existir un espacio recreativo se plantea una
cancha de Baacutesquetbol para los obreros y una zona de jardines en la parte norte
Ubicacioacuten de la industria
Para poder ubicar una industria es importante analizar la zona geograacutefica Para lo
cual se deben considerar algunos factores importantes por ejemplo No ubicarla en
zona de siacutesmica Si la industria requiere de un gran volumen de agua no ubicarla en
una regioacuten deseacutertica Si el producto es muy sensible al calor y la humedad evitar
zonas muy caacutelidas y huacutemedas Si se piensa vender el producto en una zona
especifica ubicar la industria cerca de la zona de venta para evitar gastos de
transportacioacuten A partir de este tipo de razonamientos se planea que debido a que el
producto que se elaborara que es un purificador cataliacutetico para su venta en la ZMVM
ya en ella estaacuten ubicadas las principales industrias de calentadores y debido a que la
planta requiere de un volumen considerable de agua se escogioacute el estado de
Morelos porque no esta muy lejos de la ZMVM y tiene reservas de agua Asiacute el gasto
de transportacioacuten de materias primas y sobre todo del producto elaborado seriacutea
pequentildeo
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
Agua
Tanque tratamien
Figur
NH4OH
HAuCl4
Produccioacuten de catalizadores
Recuperacioacuten de agua
de to
a
MezcladoresMezcladores
Cuando se requiere limpieza
Horno
Producto almaceacuten
30
1 Diagrama de produccioacuten Recuperacioacuten de cloro
UAM-I
35 BALANCE DE MATERIA DIAGRAMA DE FLUJO PARA DIFERENTES LOTES DE SOPORTE EN UN SOLO MEZCLADOR
Catalizadores de Oro So
05 Kg Au
10
0
086 Kg HAuCl4(ac)014 Kg H2O
035 Kg NO2(g)
2
35 Kg NH4(OH)(ac) (01M)
10000 Kg H2O
100 Kg Al3O
100 Kg Al2O3 (9965) 035 Kg Au (035) 025 Kg Cl2
026 Kg HauCl4(ac)35 Kg NH4(OH)
1101035 Kg H2O
O MEZCLADOR (t0)
10035 Kg catalizador
86 KgHAuCl4(ac)101035 Kg H2O
037 Kg HCl (ac) (105 M) 048 Kg HNO3(ac) (152 M)
porta
Kg N
30 Kg Al2Cl3
101021 Kg H2
do
H4 (OH) (ac) (01M) 30 Kg Al2O3 (9965) 01 Kg Au (035)
007 Kg Cl2
)
3
)
301 Kg catalizador MEZCLADOR (t1)
009 Kg HauCl4(ac)45 Kg NH4(OH)
1101035 Kg H2O
MEZCLADOR 1054 Kg catalizador
105 Kg Al2O3
(t2)
105 Kg Al2O3 (9965)
035 Kg NH4 (OH) (ac) (01M
004 Kg Au (035) 003 Kg Cl2
23 Kg Al2O
MEZCLADOR
(t3)23 Kg Al2O3 (9965)
2308 Kg catalizador
008 m3 NH4(OH) (ac) (01M
002 Kg HauCl4(ac)485 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
0008 Kg Au (035) 0006 Kg Cl2
0003 Kg HauCl4(ac)493 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
31
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado 32
DIAGRAMA DE FLUJO PARA UN MEZCLADOR
MEZCLADOR
1101035 Kg H2O
1428 kg γ-Al2O3
086 Kg HAuCl4
493 Kg NH4(OH)
0003 Kg HauCl4(ac)493 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
1433 Kg Catalizador
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
36 DIAGRAMA DE LA INDUSTRIA
INDUSTRIA DE CATALIZADORES
TANQUE DE TRATAMIENTO HORNO
CISTERNA 1
CONTENEDORDE AuCl3 CONTENEDOR DE
NH4OH ZONA DE LLENADO
DE SAPORTE
SE LLEVA AL HORNO
MANUALMENTE
PRODUCTOALMACEacuteN
Contenedor de HAuCl4
Figura 2 Diagrama de la distribucioacuten del equipo dentro del aacuterea de produccioacuten
33
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
37 DIMENSIONES DEL EQUIPO Y TUBERIacuteA
2 mts
2 mts 2 mts 6 mts 4 mts 3 mts 5mts 5 mts 3 mts 6 mts 3
3mts 3 mts 3mts 3 mts 3 mts
4 mts 1 5 mts 1 5 mts 4mts 4 7mts 4 mts 21 mts 7 2mts 26 mts 2 mts 21 mts 6 mts
3 5 mts 14 mts 6 mts 8 mts 1 5 mts 3 mts 5 mts 13 mts 8 mts 20 mts 30 mts
IN D U ST R IA D E C A T A L IZ A D O R E S
T AN Q U E D E T R AT AM IE N T O H O R N O
C IST E R N A 1
C O N T EN ED O RD E Au C l3
C O N T EN E D O R D E N H 4O H
ZO N A D E L LEN AD O D E SO PO R T E
AG UA PAR A JAR D IN ES
M E Z C L A D O R E S 12 3 y 4
1 2 3 4
A L M A C Eacute N
Contenedor de HAuCl4
Figura 3 Dimensiones del equipo y tuberiacutea requerida
34
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
38 PLANO DE DISTRIBUCIOacuteN DE AacuteREAS
Figura 4 Aacutereas de trabajo dentro de la planta
35
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
DIMENSIONES DE LA INDUSTRIA
Figura 5 Dimensiones de cada aacuterea de la planta industrial
36
UAM-I
Ingenieriacutea Quiacutemica 37
10 cm 3mts 1 mts 25 cm 15cm 5 cm 5 cm 3mts 150 mts 10 cms 100 mts 20 cm
003 mts
Figura 6 Dimensiones del mezclador y del Agitador
UAM-I
Las dimensiones de las canastillas se determinaron a partir del balance de masa y la
produccioacuten requerida La carga de un contenedor de soporte que es de 100kg del
cual el agitador tiene 4 canastillas cada una corresponde 25 Kg la masa se obtuvo
del balance de materia y su densidad 600 Kgm3 con el que se obtuvo un volumen de
0043 m3
39 ANAacuteLISIS FINANCIERO
El costo de materias primas se muestra en la Tabla 2 en la que tambieacuten se incluyen
los flujos de alimentacioacuten requeridos para el proceso a partir de los cuales se
determinaron los costos diarios
Tabla 2 Costo de materias primas [5]
Compuesto
Alimentacioacuten
por diacutea
Costo
USDKg
Costo Total
USDdiacutea
Au 2 kg 10596 2119200
HCl 15 Kg 52 780
HNO3 20 Kg 022 044
-Al2O3 5712 Kg 034 19421
Canastillas 500 piezas 15 75000
NH3(OH) 200 Kg 034 680
H2O 440414 Kg 282 282
Total de Materia Prima 2215407
El costo se determinoacute considerando la cantidad de material el tamantildeo y el costo de
manufactura
El costo se determinoacute para uso industrial conforme establece la tesoreriacutea de
Meacutexico
Ingenieriacutea Quiacutemica 38
UAM-I
PERSONAL REQUERIDO PARA LA INDUSTRIA
La Tabla 3 establece los salarios mensuales anuales y las prestaciones del IMSS
para el personal de la planta
Tabla 3 Salarios y Prestaciones del Personal
Mano de Obra (USDmes)p
ersona
USDmes USDantildeo Prestaciones
IMSS
1 Gerente 2000 2000 24000
1 Administrador 1000 1000 12000
1 Secretaria 400 400 4800 1193
Total de Salarios
Administrativos
40800 1193 409193
9 Obrero 150 150 1800 448
1 Teacutecnico 200 200 2400 597
1 Policiacutea 200 200 2400 597
1 Mantenimiento 180 180 2160 538
1 Limpieza 150 150 1800 448
Total de Salarios
Proceso
10560 2628 108228
Los salarios se determinaron en base al salario miacutenimo vigente en la Ciudad de
Meacutexico (2003)[29]
Ingenieriacutea Quiacutemica 39
UAM-I
PERSONAL
Departamento de produccioacuten
Se tendraacute 2 obreros en el llenado de soporte en las rejillas un obrero encargado del
traslado de rejillas por medio de la banda de los motores a cada contenedor un
obrero en cada contenedor de NH4OH y HAuCl4 en cada mezclador se tiene 1
obrero para descargar y cargar las rejillas a la banda que se trasladaran al horno en
el horno se tiene 1 obrero encargado del secado y calcinado el producto se traslada
al almaceacuten donde estaraacuten 2 obreros que reciben el producto y materias primas de los
proveedores se tiene 1 teacutecnico supervisando los equipos un encargo del
mantenimiento de los equipos
Departamento de personal
Gerente de la industria un administrador encargado de compra y venta de materias
primas una secretaria
Ingenieriacutea Quiacutemica 40
UAM-I
CAPITAL FIJO
La Tabla 4 muestra el costo de los equipos requeridos en la planta asiacute como el
Capital Fijo y la Inversioacuten del Capital Total
Tabla 4 El equipo se costeo usando las correlaciones de Ulrich [6] y empleando el
programa de Capcost
EQUIPO USD
4 Contenedores 23584
4 Agitadores (456kW) 269760
1 Horno (25 kW) 15700
15 Bombas (1469kW) 43081
1 Motor (114 kW) 67440
Tuberiacuteas 42150
2 Cisternas 174183
Vaacutelvulas 1283
Accesorios
(codos 90ordm y de 45ordm te)
1474
CAPITAL FIJO 638655
Capital de Trabajo 9579825
INVERSIOacuteN DE
CAPITAL TOTAL
73445325
Los caacutelculos y las correlaciones empleadas para el costeo del equipo se anexan en
el Apeacutendice A
Ingenieriacutea Quiacutemica 41
UAM-I
GASTOS GENERALES
Tabla 5 Proporciona el total de gastos anuales con lo cual se estima el precio por
kilo de catalizador y por unidad purificadora
Tabla 5 Gastos Generales anuales
USDAntildeo
Materias Primas 531697680
Mano de Obra de Operacioacuten 1082280
Mano de Obra de Oficina 4091930
Servicios Electricidad 2620100
Total de Gastos Generales 539491990
CFE
Produccioacuten diaria de Catalizador = 574 Kg
Precio de Catalizador = 40 USDKg
Produccioacuten diaria de unidades purificadoras = 500
Precio por unidad = 50USD
Ganancia diaria = 22960 USD
Ganancia Anual = 5510400 USD
DETERMINACIOacuteN DE LA RENTABILIDAD DEL PROYECTO
TPI (Actual) = 10
PR (Factor de riesgo) = 25
TREMA = TPI + PR
TREMA = 35
TIR (del proyecto) = 90
TIR gt TREMA
Puesto que la TIR es mayor que la TREMA se tiene que el proyecto es rentable [6]
Ingenieriacutea Quiacutemica 42
UAM-I
310 CONCLUSIONES
En el desarrollo de la industria para la fabricacioacuten de catalizadores se tuvo un
resultado satisfactorio a pesar de la falta de informacioacuten disponible acerca de
industrias de catalizadores debido a que esta informacioacuten no es publica El proyecto
que elaboramos es novedoso en nuestro paiacutes ya que no existen registros de una
industria que produzca catalizadores de oro soportados en aluacutemina
Durante el desarrollo del proyecto se planteoacute trabajar con compuestos como NOx y
COVS sin embargo debido a la falta de tiempo no se logroacute concluir la
experimentacioacuten en estos campos Debido a esto se tomoacute la decisioacuten de trabajar en
la oxidacioacuten cataliacutetica de CO Esto debido a varios factores por ejemplo la
disponibilidad de gases y sobre todo los costos que esto implicaba
Para el desarrollo del catalizador se analizaron diferentes tipos de preparacioacuten y se
eligieron dos meacutetodos diferentes Deposicioacuten-precipitacioacuten e Impregnacioacuten Los
catalizadores se evaluaron bajo diversas condiciones en la oxidacioacuten de CO El
catalizador que presentoacute mayor conversioacuten con el catalizador a baja temperatura fue
el sintetizado por el meacutetodo de Deposicioacuten-precipitacioacuten el cual se utilizoacute para el
disentildeo de la Industria El disentildeo estaacute basado en la forma de preparacioacuten del
catalizador Por esto la parte maacutes importante de la planta es el tanque de mezclado
el cual se disentildeo tomando en cuenta los diferentes disentildeos de agitadores para tener
un mezclado oacuteptimo Se incorporo en la parte superior del agitador las canastillas
para las pastillas cataliacuteticas y el tipo de Horno que se usara para el secado y
posteriormente el calcinado Una parte importante es la produccioacuten de catalizador
para este problema se investigoacute en que parte se podriacutea utilizar a diferencia de los
catalizadores para automoacuteviles Se llego a la decisioacuten de poder desarrollar un
catalizador para los calentadores de agua se obtuvo informacioacuten de la fabrica de
calentadores cal-o-rex en la produccioacuten diaria de calentadores y de esta informacioacuten
se pudo calcular la posible demanda de nuestro producto Una parte importante en
las industrias son el tipo de bombas ya que existen diversos modelos en nuestro
disentildeo se escogioacute las bombas centriacutefugas con rodetes para agua que contiene
pequentildeas partiacuteculas de soacutelidos
En la parte de servicios para personal se investigo los sueldos de cada empleado Se
determinoacute el costo de los equipos y finalmente llegamos a la parte que nos interesa
Ingenieriacutea Quiacutemica 43
UAM-I
del disentilde es decir si el proyecto es rentable o no En este caso particular se tuvo un
valor aceptable y se definioacute que el disentildeo es rentable Esto indica que seria una
industria que tendriacutea ganancias y a la vez que el producto que se fabrique nos
ayudaraacute a todos a reducir la emisioacuten de CO en los hogares aportando una pequentildea
ayuda al medio ambiente
COMENTARIOS
Los conocimientos adquiridos durante este tiempo fueron provechosos en la parte
teoacuterica y praacutectica aclaramos dudas de como y porque se comportan las reacciones
quiacutemicas y los procesos de flujos Durante el desarrollo del proyecto aprendimos a
observar y la importancia de entender fiacutesicamente las algunos procesos relacionados
con la siacutentesis y caracterizacioacuten de materiales cataliacuteticos
Ingenieriacutea Quiacutemica 44
UAM-I
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[25] ParkED and LeeJSJ Catal ( 1999) 186 y (1999) 2531
[26] ChangCH Chen YJ and Yeh CT Appl Catal A3 ( 1998) 74
[27] Bamwenda GR TsubotaS NakamuraT and Haruta M Catal Lett42 ( 1997) 83
[28] NA HodgeCJKiely Catalysis Today 72 ( 2002) 133
[29] Secretaria de Trabajo y Previsioacuten Social Comisioacuten de Salarios Miacutenimos
Ingenieriacutea Quiacutemica 46
UAM-I
APEacuteNDICE A
CRITERIOS PARA DETERMINAR QUIEacuteN CONTROLA EL PROCESO
Criterio de weisz para difusioacuten interna
Ec(12-16 Fogler) Los valores que se sustituyen en las siguientes ecuaciones fueron
tomados del catalizador que se analizo en el laboratorio
CWP = ( )
AS
cObsA
DeCRcr 2minus
lt 1
-rA(Obs) = velocidad de reaccioacuten observada molgcats Cc = concentracioacuten volumeacutetrica molm3
CAS = concertacioacuten en la superficie molm3
D= diaacutemetro del granulo m R = radio del granulo m De = difusividad efectiva m2s
d = 0149mm mxmm
m 4104911000
1 minus=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
CWP = ( )( )3
32
24
33
103470184200350
21049150800010681
minus
minusminus
=⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞⎜
⎝⎛
x
mmol
hrm
mxcatm
gcathgcat
molx
734x10-3 lt 1 No hay limitante por la difusioacuten interna
Ingenieriacutea Quiacutemica 47
UAM-I
Criterio de mears para difusioacuten interna Ec(12-62 Fogler)
Mm = 150ltAbc
bA
CkRnr ρminus
Mm =( )( )
0570
136000184200220
31110457508000106851
3
53
3
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ minusminus
hrs
mmol
sm
mxcatmgcat
hgcatmolx
0057 lt 015 no hay efecto de transferencia de masa externa Calculo de Dab para calcular el coeficiente de trasferencia de masa Ec(78 Lobo)
De =
KAAB DD11
1
+
DKA = 970X103 (80X10-8)(s
cmK 221 1090)
2400( =
DAB = 00018583ABAB
BA
PMMT
Ω
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ +
2
2123 11
γ
Para CO
0110=isin
Bk 0593 A=γ
Para O2
Ingenieriacutea Quiacutemica 48
UAM-I
0113=isin
Bk 0453 A=γ
( ) 51343359321
=+=ABγ
( )( )[ ] 21113110BAB k=isin A la temperatura de 400degK
( ) 583))113)(110((
40021 =
deg=
isin B
B
AB
B
KKKTK
Ω AB = 0907 Sustituyendo
DAB =s
cm2
2
2123
9730)9070()513(
)21281()400(00185830=
+
De = hrm
hrs
cmm
scm 222
03501
3600100
10980
10901
97301
1=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
+
Calculo de Kc Sh = (Re)12(Sc)13
Velocidad superficial
V = sm
shr
hrm
mxhr
m
Av
c
02036001976
1087
006025
3
0 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛== minus
Ingenieriacutea Quiacutemica 49
UAM-I
Re= ( ) 240)1062)(501(
)10491)(020(
1 25
4
=minus
=minus minus
minus
smx
mxsmvd p
νφ
Sc= 672)3600
1)(0350(
10622
25
==minus
shr
hrm
smx
Dv
AB
Sh= ( 024 )12 ( 267 )13 = 0679
Kc = Shdp
DAB⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛minusφ
φ1
Kc = ( )sm
mxs
mx02206790
10491
10729
50501
4
26
=⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛minus
minus
minus
Calculo de numero Thile con el radio que usara a nivel industrial
φ = L ( )DkCn n
AS
21 1minus+
L = 3R
Sustituyendo
φ = 66x10-4 m( )
( )
450
03502
018420
5480941311
3
30
3330
313
=
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+
catmhrm
mmol
hrcatmmolm
η = 1 con los resultados anteriores se observa que quieacuten limita es la velocidad de
reaccioacuten Por lo que se procede a calcular el peso y longitud de catalizador
necesaria para muestro purificador sustituyendo los valores del Boiler
Ingenieriacutea Quiacutemica 50
UAM-I
Peso del Catalizador w =
( ) grcatgcatLn
gcatm
mmol
hrcatmmolm
hrm
xLn
kCv
A
66476639401
1
6000001578
548094
19836
11
330
3330
313
3
0
0 asymp=minus
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
minus
g 664=w
33
3
1011
mg60000
g 664 mxwv minus===ρ
m 035003101011
2
33
==minus
mmxL
cm 531000350 == xL
Ingenieriacutea Quiacutemica 51
UAM-I
APEacuteNDICE B BALANCE DE MASA DE LA PREPARACIOacuteN DE HAUCL4 Au(g) + 3HNO3(ac) + 4HCL(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O + 3N02(g) (152 M) (105M)
cantidad de mol Au = 05 kg Au x molAu
grAumolAux
kggr 542
971961
11000
=
cantidad de kg HNO3 = ( ) 33
33 480
10001
1635423 kgHNO
grkgx
molHNOGRHNOxHNOmol =
cantidad de kgHCl = ( ) kgHClgr
kgxmolHCl
grHClHClxmol 3701000
11
5365424 =
cantidad de kgHAuCl4 = 254molHAuCl4 x 44
8601000
11
97339 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
gr=
cantidad de kgH2O = 3( 254mol)H20 x OkgHgr
kgxOmolHOgrH
22
2 1401000
1118
=
cantidad de Lt H20 = 762molHNO3 x OltHOkgHOLtH
22
2 14011
=
cantidad de Lt H20 = 1016 mol HNO3 x 050215
012
2 LtHmol
LtH=
cantidad de LtH20 = 1016mol HCl x OLtHLtHmolHCl
LtH22
2 010970510
01asymp=
cantidad de MHAUCl4 = ( ) ( ) ( ) MHltltlt
ClmolHAU 7210850490140
542
2
4 asymp++
cantidad de kg NO2(g) = 3( 254mol)NO2 x )(22
2 3501000
1146
SkgNOgr
kgxmolNO
grNO=
Ingenieriacutea Quiacutemica 52
UAM-I
05 kg Au 048 kgHNO3 035 kgNO2 101021 kgH20 (152M) 037 kgHCl(ac)
(105 m) 086 kg HAuCl4 (ac) 086 kg HAuCl4 (ac)
(17 M) 014 kgH20 (25x10-3M) 014kg H20 (L) 086kg HAuCl4 035kgNO2 (g) 101185kg H20 Cantidad de H20 = 086 kgHAuCl4
x 08510110101
105201
173341
11000
22
23
24 kgHLtHkgHx
MxltHx
grmolHAuClx
kggr
=minus
pero (101185 ndash 014 ndash 05 ndash 1) kg H20 = 101021 kg H20 100ml H20 por 1 gr soporte 35kg NH4 (OH)(AC) 10000kgH20 100 kg γAl203 (9965) 035kgAu (035) 100kg γAl203 025kgCl2 086kg HAuCl4 026kgHAuCl4
101185 kg H20 35kgNH4 (OH)(AC) 1101185kgH20 cantidad de kgHAuCl4 = 015kgAu x
44
4 2601000
11
973391
197196
147196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxgrAu
molxkg
gr=
cantidad de NH4(OH) = 100kg γ Al203 x
Ingenieriacutea Quiacutemica 53
UAM-I
kgNHxmol
grx
mlmol
xOAlgr
OHmlNHx
kg
gr53
10001
1
35
100010
1
)(10
1
1000
32
4=
γ4(OH)
30kg γAL2O3 1 kgNH4(OH)(AC) 30 kg γ Al203 (9965) 010 kg Au (035) 026kgHAuCl4 007kg Cl2 35kgNH4(OH) 1101185 kgH2O 0086kgHAuCl4 45 kg NH4(OH)(AC) 1101185 kg H20
cantidad de γ Al2O3 = 026kgHAuCl4 x 324
32 02330860
100 AlkgkgHAuCl
OAlkg γγ=
cantidad de kgAu = 035 x kgAukg 10506599
30=
cantidad de kg Cl2 = 01 kgAu x
22
2 07201000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de HAuCl4 = 005kgAu x
44
4 08601000
11
973391
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 54
UAM-I
cantidad de kgNO4(OH) = 30 kg γ Al203 x ( )OHkgNHAlkg
OHkgNO4
32
4 0510100
)(53=
γ
105 kg γ Al203 035 kg NH2(OH) 105 kg γ Al203 (9965) 004 kg Au (035) 009kg HAuCl4 003 kg Cl2 45kgNH4(OH) 1101185 kg H20 0017kgHAuCl4 485kgNH4 (OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 009 HAuCl4 x 324
32 04710860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad kg de NH4 (OH) = 105kg γ Al203 x ( ) )(3500100
534
32
4 OHkgNHAlkg
OHkgNH=
γ
cantidad de Cl2 = 004 kg Au x
22
2 02901000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
gAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 =
44
44 02001701000
11
973391
197196
11
1000010 kgHAukgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgr
molAuxkg
grkgAux asymp=
Ingenieriacutea Quiacutemica 55
UAM-I
23 kg γ Al203 008kgNH4(OH) 002 kg HAuCl4 23 kg γAl203 (9965) 485kgNH4(OH) 0008kgAu(035) 1101185kg H2 0001kg Cl2
0014 kg HAuCl4 493kgNH4(OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 002kgHAuCl4 x 324
32 032860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad de kg Au = 035 x kgAukg 00806599
32=
cantidad de kgCl2 = 0002kgAu x
24
4 00101000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 = 0008kgAu x
44
44 01401000
11
973341
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 56
UAM-I
APEacuteNDICE C ACCESORIOS EN EL DISENtildeO
Agitador
Agitadores de Heacutelice se escogioacute este tipo de agitador por ser tener las siguientes
caracteriacutesticas [3]
bull Es un agitador de flujo axial
bull Se emplea para liacutequidos pocos viscosos
bull Giran a toda la velocidad del motor
bull Las corrientes de flujo se mueven a traveacutes del liacutequido en una direccioacuten
determinada hasta que son desviadas por el fondo o las paredes del tanque
bull Las palas de la heacutelice cortan o friccionan vigorosamente el liacutequido
bull Los agitadores de heacutelice son eficaces para tanques de gran tamantildeo
Horno
bull El horno se escogioacute por ser tener las siguientes caracteriacutesticas [5]
bull El horno de construccioacuten metaacutelica
bull La caacutemara de combustioacuten estaacute construida mediante hormigones refractarios
de alta resistencia mecaacutenica
bull Las materias secar y calcinar se carga de forma manual
Ingenieriacutea Quiacutemica 57
UAM-I
Bomba
DISENtildeO Bomba centrifuga para operacioacuten horizontal o vertical del impulsor
cerrado succioacuten al extremo descarga hacia arriba tangencial simple succioacuten de un
paso con carcaza partida verticalmente [3]
ROTACIOacuteN En el sentido del reloj vista desde el cople
CARACTERIacuteSTICAS Conexiones brindadas con registro ubicado en la cabeza de
succioacuten para facilitar su limpieza
SERVICIO Debido a que es posible colocarla en posicioacuten horizontal o vertical tanto
en caacutercamos secos como huacutemedos y por el disentildeo de su impulsor que soacutelidos de
gran tamantildeo esta bomba es ideal para los procesos de tratamientos de agua y
manejo de liacutequidos en suspensioacuten en general
CAPACIDADES
GASTO Hasta 3000 GPM
CDT Hasta 80rsquo
PRESIOacuteN 106 Kgcmsup2
POTENCIA De 1 a 60 Hp
VELOCIDAD (1175 - 3550 RPM)
TEMPERATURA 125degC
Ingenieriacutea Quiacutemica 58
UAM-I
Bombas Centriacutefugas
Las maquinas centriacutefugas estaacuten constituidas por un impulsor o rodete formado por
una serie de aletas radiales diversas formas y curvaturas que giran dentro de una
caja circular El fluido penetra por el ojo o eje de rotacioacuten y se descarga maacutes o
menos radialmente en una caacutemara perifeacuterica a una elevada presioacuten que
corresponde a la suma de la fuerza centriacutefuga de la rotacioacuten maacutes la cineacutetica
comunicada al fluido por las aletas La parte moacutevil de la bomba es el rodete Las
aletas del rodete se extienden desde el centro de rotacioacuten hacia la periferia y las
bridas son los discos de refuerzo a cada lado de las aletas que las envuelven Las
aletas pueden ser radiales curvadas ligeramente hacia delante en el mismo sentido
de la rotacioacuten o estar curvadas al reveacutes en el caso maacutes comuacuten en el disentildeo se
determino el rodete siguiente por sus caracteriacutesticas Fig 1
Figura 1 Corte parcial de un rodete de centriacutefuga para grandes cargas y secciones
de paso estrechas empleando con liacutequidos corrosivos o suspensiones de pequentildeas
partiacuteculas[4]
Ingenieriacutea Quiacutemica 59
UAM-I
APENDICE D CALCULO DE POTENCIA DE BOMBAS (8)
Potencia de la bomba de la cisterna 1 que alimenta a los mezclador 4
Ecuacioacuten de Bernoulli
sum sumint =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛+++∆+∆i i
i
P
P
evvfDLvwdphgv 0
21
21
ˆ1
21 222
2
1ρ
a b c d e f
a Diferencia de velocidades
b Diferencia de alturas
c Diferencia de presiones
d Trabajo
e Perdidas de friccioacuten en tuberiacuteas
f Perdidas de friccioacuten en accesorios
En la ecuacioacuten anterior se pueden eliminar algunos teacuterminos
21 mts
6 mts 35 mts
Figura 1 Balance de cisterna 1 a mezclador 4
Se debe de tener dos puntos de referencia para la utilizacioacuten de la ecuacioacuten de
Bernoulli de los cuales se anotaron en la figura 2
Ingenieriacutea Quiacutemica 60
UAM-I
21 mts
2 1 6 mts 35 mts
Figura 2
Teniendo los puntos de referencia se analiza que las diferencias de velocidades son
cero en ambos puntos por lo tanto el termino 2
21 ν∆ es igual a cero
El termino de = (981hg∆ 2segm )(35m ndash 0) = 34335 2
2
segm
El termino de int2
1
1P
P
dpρ
se tiene que la cisterna y el tanque de mezclado ambos no
estaacuten cerrados y por lo tanto no originan un cambio de presioacuten y el termino es cero
De esta expresioacuten L longitud de tuberiacutea
tro de tuberiacutea
n el interior del tubo
v
Para la l radio del tubo que
sum ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
i
fDL2
21 ν
D diaacuteme
f perdidas de friccioacuten e
velocidad del flujo de agua
obtencioacuten de la velocidad se tiene el flujo volumeacutetrico y e
es de 32 cm =0032mts con la ecuacioacuten
Ingenieriacutea Quiacutemica 61
( )( ) sm
ms
m
RQ 761
032060min1)
min340(
2
3
2 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
==ππ
ν
UAM-I
Se reportan valores de perdida de fr
e reduce teacuterminos
iccioacuten en tubos que son igual a 005
Por lo tanto sustituyendo los teacuterminos en la ecuacioacuten de Bernoulli s
sum sumint =⎟⎠
⎜⎝
+⎟⎠
⎜⎝
+++∆+∆i i
iP
evvfD
vwdphgv 022
ˆ2
1ρ
⎞⎛⎞⎛ L 111 2222
or tanto el termino de trabajo queda expresado de la siguiente manera
tanto la bomba comunica al fluido que circula en el sistema un trabajo
+11727
P1
p w
sum sum ∆minus⎟⎠⎞
⎜⎝⎛minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛minus=
i ii
hgevvfDLvw 22
21
21
ˆ
( ) ( )
Este es el trabajo ( por unidad de masa) producido por el fluido en la bomba por lo
22
sm o 11727 981 = 1195
m
fKg
Kgm
La velocidad de flujo de masa es
Por lo tanto
1 )=6694
951)(675(ˆ =minus=minus WwW smkg f = 088Hp = 1Hp
Siendo esta ida para esta bomba El procedimiento anterior se
iguioacute para cada bomba de la planta
AP E
la potencia requer
s
EacuteNDICE
TOXICOLOGIacuteA DE MATERIAS PRIMAS [6]
( ) ( ) ( )( ) ( )( )msm
smmmm
sm 538192201150761
21050
032021536761
21
2
22minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ +minus⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ++
minus=wm
22
27117ˆ smw minus=
( )s
kgmkgQw m675100060340 3 === ρ
Ingenieriacutea Quiacutemica 62
UAM-I
HIDROacuteXIDO DE SODIO
Polvo corrosivo blanco delicuescente
Toxicidad
Concentracioacuten Maacutexima permisible 2mgm3 en aire
Signos y Siacutentomas Conjutivitis quemaduras corneales y de la piel Irritacioacuten
seas vomito dolor abdominal y diarrea a veces con
Lavado de las partes afectadas tranquilizantes sulfato de
decuada gafas protectoras o pantallas para
ignos y Siacutentomas Irritacioacuten de ojos quemaduras corneables tos dolores
l hemoptisis dolor de cabeza dolor epigaacutestrico nauseas y vomito
lmonar
Tratamiento lavado de ojos con agua reposo oxigeno con aparato de respiracioacuten
con onantes
ACIDO NITRICO
Liquido corrosivo sofocante de incoloro a amarillento
ioacuten maacutexima permisible 10ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
del tracto respiratorio nau
sangre
Tratamiento
morfina para el dolor y cortisona
Medidas preventivas Ventilacioacuten a
la cara completa mascarilla con filtro mecaacutenico guantes delantares botas de
goma y acentuar la limpieza personal
CLORO
Gas pasado amarillo verdoso
Toxicidad
Conc Maacutexima permisible 1 ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten
S
retrosterna
debilidad cianosis y edema pu
trolada bronco dilatadores y descongesti
Toxicidad
Concentrac
Ingenieriacutea Quiacutemica 63
UAM-I
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
Signos y siacutentomas Erosioacuten dental estornudo tos Dolor en el pecho bronquitis y
la las partes contaminadas del cuerpo con solucioacuten al 5 de
de las quemaduras con pantildeos
de triacuteo sulfato soacutelido si se a ingerido
vado de ojos con agua
ACIDO CLORIDRICO
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
ivitis necrosis corneal por inhalacioacuten rinitis erosioacuten
dolor de cabeza palpitacioacuten por ingestioacuten
s en la boca faringe esoacutefago estomago salivacioacuten vomito Soc
agua lavada de agua y jaboacuten de las partes
preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
AacuteC
El c
con o de hidroacutegeno una
concentracioacuten de 12 molLt Este aacutecido es un liacutequido incoloro con un olor aacutecido
bronconeumoniacutea
Tratamiento
bicarbonato soacutelido o con agua y jaboacuten Tratamiento
mojados con solucioacuten saturada
administracioacuten por viacutea oral de solucioacuten de jaboacuten Hidroacutexido caacutelcico o alumiacutenico u
oacutexido de magnesio
Medidas preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores excluir de la exposicioacuten
a los individuos con enfermedades de pulmones y rintildeones
Gas incoloro o liacutequido o a amarillento
Toxicidad
Concentracioacuten maacutexima permisible 5ppm en aire
Signos y siacutentomas conjunt
dental laringitis bronquitis neumoniacutea
quemadura
nefritis
Tratamiento lavado de ojos con
contaminantes del cuerpo tratamiento ordinario de quemaduras lavado gaacutestrico
se a ingerido con solucioacuten de bicarbonato soacutedico al 5 seguido de una instilacioacuten
de gel de hidroacutexido de aluminio
Medidas
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores
IDO CLORHIacuteDRICO
loruro de hidroacutegeno es en extremo soluble en agua de hecho el aacutecido clorhiacutedrico
centrado contiene cerca del 38 en masa de clorur
Ingenieriacutea Quiacutemica 64
UAM-I
pronunciado que se debe al equilibrio entre el cloruro de hidroacutegeno gaseoso y
ste con el aacutecido fluorhiacutedrico el aacutecido clorhiacutedrico es un aacutecido fuerte (pKa = -
7) y se ioniza casi totalmente
gar de aacutecido sulfuacuterico auque en menor grado Por
jemplo el zinc metaacutelico reacciona con aacutecido clorhiacutedrico para dar el ion zinc e
hidroacutegeno gaseoso
Zn(s) + 2HCl(ac) ZnCl2(ac) + H2(g)
l para producir aacutecido clorhiacutedrico en el laboratorio es generar
cloruro de hidroacutegen e sodio y el aacutecido
ulfuacuterico En el primer paso a 150degC se forma hidroacutegeno sulfato de sodio
NaHSO4(s) + HCl(g)
io y maacutes
loruro de hidroacutegeno gaseoso Luego el gas se disuelve en agua para formar el
aacutecido
NaHSO4(s) + NaCl(s) Na2SO4(s) + HCl(g)
acuoso
HCl(ac) HCl(g)
El reactivo de grado teacutecnico a menudo tiene un color amarillento por una impureza
del ion hierro (III)
En contra
HCl(ac) + H2O(l) H2O+(ac) + Cl -(ac)
Por ello a menudo se prefiere usar aacutecido clorhiacutedrico diluido en lugar de aacutecido niacutetrico
que es muy oxidante y en lu
e
Cuando el zinc reacciona con el aacutecido niacutetrico es comuacuten que se reduzca una parte
del ion nitrato para dar dioacutexido de nitroacutegeno
El meacutetodo tradiciona
o gaseoso por la reaccioacuten entre el cloruro d
s
NaCl(s) + H2SO4(l)
La mezcla se calienta a 550degC temperatura a la cual el hidroacutegeno sulfato de sodio
reacciona con un exceso de cloruro de sodio para formar sulfato de sod
c
∆
Este meacutetodo se usa tambieacuten en la industria otra forma de producir cloruro de
hidroacutegeno es por la combinacioacuten directa de dicloro y dihidroacutegenogaseosos
Ingenieriacutea Quiacutemica 65
UAM-I
H2(g) + Cl2(g) 2HCl(g)
La mayor cantidad de cloruro de hidroacutegeno que se produce actualmente es un
CH4(g) + 4Cl2(g) 4(l) + 4HCl(g)
riacuten de superficies de acero en un bantildeo aacutecido en la purificacioacuten de glucosa
y jarabe de maiacutez e s y de gas y en la
bricacioacuten de compuestos clorados El aacutecido se puedo comprar en muchas
nducida por la luz
4HNO3(ac) 4NO2(g) + O2(g) + 2H2O(l)
niacutetrico como disolvente)
H2NO3+ H2O + NO2
+
l siguiente
3HNO NO3 ndash
subproducto de otros procesos industriales como la siacutentesis de tetracloruro de
carbono
CCl
Se consumen cerca de 107 toneladas de aacutecido clorhiacutedrico cada antildeo en todo el
mundo Este aacutecido tiene una gama muy amplia de usos como aacutecido comuacuten para
eliminar o
n el tratamiento con aacutecido de pozos petrolero
fa
ferreteriacuteas con el arcaico nombre de aacutecido muriaacutetico sus principales usos caseros
son la limpieza de superficies de concreto y la eliminacioacuten de herrumbre Un nuacutemero
muy reducido de personas es incapaz de sintetizar suficiente jugo gaacutestrico y deben
de ingerir caacutepsulas de aacutecido clorhiacutedrico diluido con cada comida
AacuteCIDO NIacuteTRICO
El aacutecido niacutetrico un liacutequido aceitoso e incoloro en estado puro es sumamente
peligroso El aacutecido que funde a ndash42degC y hierve a +83degC tiene por lo general un
ligero color amarillo a causa de una reaccioacuten de descomposicioacuten i
En un estado puro el aacutecido niacutetrico liacutequido praacutecticamente no conduce la electricidad
Una pequentildea porcioacuten se ioniza como sigue (todas estas especies existen en el aacutecido
2HNO3(l) H2NO3+ + NO3
ndash
H2O + HNO3 H3O+ + NO3 ndash
Para dar la reaccioacuten globa
3 NO2+ + H3O + 2+
Ingenieriacutea Quiacutemica 66
UAM-I
El catioacuten nitrilo es importante en la nitracioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas por ejemplo la
obenceno C6H5NO2 una etapa importante en
umerosos procesos industriales orgaacutenicos
El aacutecido niacutetrico con en agua mientras
ue el ldquoaacutecido niacutetrico fumanterdquo un oxidante extremadamente poderoso es una
vez de ello se produce una mezcla de
sistema que da un orden de
vista industrial el
oceso
e lleva a cabo en tres etapas Primero se hace pasar una mezcla de amoniaco y de
dioxiacutegeno (o aire) un proceso muy
ficiente y exoteacutermico que hace que la malla se ponga al rojo Esta etapa se verifica
conversioacuten de benceno C6H6 en nitr
n
centrado es en realidad una solucioacuten al 70
q
solucioacuten roja de dioacutexido de nitroacutegeno en aacutecido niacutetrico puro Incluso cuando esta
diluido el aacutecido niacutetrico es un oxidante tan fuerte que rara vez desprende hidroacutegeno
cuando se pone en contacto con metales en
oacutexidos de nitroacutegeno y el metal se oxido a su catioacuten
Los enlaces O-N son mucho maacutes cortos (121 pm) que el enlace O-N unidos al aacutetomo
de hidroacutegeno (141 pm) Esta longitud de enlaces indica que hay enlaces muacuteltiples
entre el nitroacutegeno y los dos aacutetomos de oxiacutegeno terminales Ademas de los electrones
del sistema σ hay cuatro electrones que participan en el sistema π O-N-O dos de un
orbital enlazante y dos en un orbital no enlazante
enlace de 112 para cada uno de esos enlaces nitroacutegeno- oxiacutegeno
A veces se nos olvida hasta queacute punto nuestra experiencia depende de la
termodinaacutemica y la cineacutetica Por ejemplo la primera siacutentesis industrial de aacutecido
niacutetrico se llevaba ha cabo por simple combinacioacuten de diniacutetrogeno dioxiacutegeno y agua
utilizando un horno de arco eleacutectrico a fin de proporcionar la energiacutea necesaria par
superar la muy elevada barrera cineacutetica Aunque desde el punto de
factor cineacutetico constituiacutea un problema en realidad es una bendicioacuten por que sin esta
barrera cineacutetica hace mucho tiempo que todo el dioacutexido de la atmoacutesfera se abriacutea
transformado en aacutecido niacutetrico y nuestros mares serian de aacutecido niacutetrico diluido
frac12 N2(g) + 54O2(g) + 12H2O(g) HNO3(g)
Ahora se utiliza el proceso Ostwald para la siacutentesis de aacutecido niacutetrico Este proceso
consume gran parte del amoniaco que se produce por el proceso Haber El pr
s
a traveacutes de una malla de platino metaacutelico Eacuteste es
e
a baja presioacuten para aprovechar el efecto entropico es decir la formacioacuten de 10
moles de gas a partir de 9 moles de gas (una aplicacioacuten del principio de Le Chatelier)
para desplazar el equilibrio a la derecha
Ingenieriacutea Quiacutemica 67
UAM-I
4NH3(g) + 5O2(g) 4NO(g) + 6H2O(g)
Se agrega maacutes oxiacutegeno para oxidar el monoacutexido de nitroacutegeno a dioacutexido de nitroacutegeno
A fin de mejorar el rendimiento de esta reaccioacuten exoteacutermica se extrae calor de los
ases y la mezcla se somete a presioacuten
2HNO3(l) + NO(g)
Esta reaccioacuten tambieacuten es exoteacutermica y una vez maacutes se aplica enfriamiento y alta
la
egunda etapa para oxidarlo de nuevo
La contaminacioacuten s de aacutecido niacutetrico
as plantas maacutes antiguas eran faacutecilmente identificables por la fumarola cafeacute-
antas maacutes antiguas ahora mezcla cantidades
en Estados Unidos porque un 20
dedica ala produccioacuten de explosivos
or ultimo el aacutecido niacutetrico es un liacutequido que hierve a 826degC No existe como liacutequido
g
2NO(g) + O2(g) 2NO2(g)
El dioacutexido de nitroacutegeno se mezcla con agua para dar una solucioacuten de aacutecido niacutetrico
3NO2(g) + H2O(l)
presioacuten par obtener el maacuteximo rendimiento El monoacutexido de nitroacutegeno se vuelve a
s
soliacutea ser un problema importante de las planta
L
amarillento del dioacutexido de nitroacutegeno que escapaba por ellas Las plantas maacutes
antiguas eran faacutecilmente identificable por la fumadora cafeacute-amarillo del dioacutexido de
nitroacutegeno que escapaba de ellas Las pl
estequiomeacutetricas de amoniaco con las oacutexidos de nitroacutegeno con lo cual se obtiene
dinitroacutegeno y vapor de agua ambos inocuos
NO(g) + NO2 (g) + 2NH3(g) 2N2(g) + 3H2O(g)
En todo el mundo alrededor del 80 del aacutecido niacutetrico se utiliza en la produccioacuten de
fertilizantes Esta proporcioacuten es de solo el 65
se
P
puro porque en alguna medida se descompone espontaacuteneamente como sigue
4HNO3(l) 4NO2(g) + 2H2O(l) + O2(g)
Ingenieriacutea Quiacutemica 68
UAM-I
El aacutecido niacutetrico concentrado que se usa en el laboratorio estaacute al 68 en masa HNO3
(densidad 142 gcm3) lo que corresponde a 157 M
l aacutecido niacutetrico es un poderoso agente oxidante El nuacutemero de oxidacioacuten del N en el
) El aacutecido niacutetrico puede oxidar
nto a metales que estaacuten abajo del hidroacutegeno como aquellos que se encuentran
4Zn2+(ac) + NH4
+(ac) + 3H2O(l)
do no oxida al oro Sin embargo cuando se mezcla con
cido clorhiacutedrico concentrado en relacioacuten 13 en volumen (una parte de HNO3 a tres
partes al oro
omo sigue
APEacuteNDICE F
ETODO DE DEPOSICIOacuteN-PRECIPITACIOacuteN
E
HNO3 es + 5 Los productos maacutes comunes de la reduccioacuten del aacutecido niacutetrico son el
NO2 (N = + 4) el NO (N = + 2) y el NH4+ (N = - 3
ta
arriba en la serie de actividades Por ejemplo el cobre es oxidado por el aacutecido niacutetrico
concentrado como se mencionoacute antes
En presencia de reductores fuertes como el zinc metaacutelico el aacutecido niacutetrico se puede
reducir hasta ion amonio
4Zn(s) + 10H+(ac) + NO3
-(ac)
El aacutecido niacutetrico concentra
aacute
de HCl) la disolucioacuten resultante denominada agua regia puede oxidar
c
Au(s) + 3HNO3(ac) + 4HCl(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O(l) + 3NO2(g)
M
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UAM-I
APEacuteNDICE G
ISENtildeO DEL MEZCLADOR [4]
1) 100 ml H2O gr soporte
2) NH4(OH)
Ajustar a PH = 9 4) HAuCl4 (solucioacuten acuosa al 25E-3M)
6) Filtrado o centrifugado
3) En Agitacioacuten por 2 hr
8) Secado por 2hr a 80 degC
9 ) Calcinado por 4hr a 400 degC
7) Lavado
5) Antildeegamiento por 30 min
D
Ingenieriacutea Quiacutemica 70
UAM-I
El disentildeo de un tanque agitado dis n nuacutemero de elecciones sobre el
po y localizacioacuten del agitador las proporciones del tanque el nuacutemero y dimensiones
ada una de estas decisiones afectan a la velocidad
e circulacioacuten del liacutequido los modelos de velocidad y el consumo de potencia Como
pone de un gra
ti
de las placas deflectoras etc C
d
punto de partida en el disentildeo de los problemas ordinarios de agitacioacuten generalmente
se utiliza un agitador de turbina del tipo que se muestra en la figura 1 La proporcioacuten
tiacutepica es
31
=t
a
DD
1=tD
H 121
=tD
J 51
=aD
W 41
=aD
L
de estas ecuaciones se disentildeara el mezclador como datos se tiene el valor H que es
igual a 3 mts y el diaacutemetro del tanque D
Se determinara la medida de los reflectores
t que es igual 3 mts
121
=tD
J se despeja J
elacioacuten R31
=t
a
DD
se despeja Da
Relacioacuten
41
=aD
L se despeja L
elacioacuten se despeja W
( ) ( ) cmmtsmtsDJ 25250311==⎟
⎞⎜⎛=⎟
⎞⎜⎛= t 1212 ⎠⎝⎠⎝
( ) ( ) mtsmtsDD ta 1331
31
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=
( ) ( ) mtsmtsDL a 250141
41
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛= cm25=
51
=aD
WR
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UAM-I
Figura 2 a) Vista transversal del mezclador b) paletas del mezclador con la
donde se deposita el soporte
Figura 1 Medidas de un agitador de turbina
a) b)
s rejillas
H
J
E L
Da
D t
W
W
( ) ( ) cmmtsmtsDW a 2020151
5==⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎜⎝
=1 ⎞⎛
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UAM-I
C A P I T U L O II
E X P E R I M E N T A C I Oacute N
Catalizadores de Oro Soportado 10
UAM-I
2 1 INTRODUCCIOacuteN
Existen reportes [6] sobre la actividad de catalizadores Auγ-A12O3 AuCo3O4 AuNiO
sintetizados por diferentes meacutetodos (co-precipitacioacuten deposicioacuten-precipitacioacuten e
impregnacioacuten etc) en la oxidacioacuten de H2 y CO La actividad se ha relacionado a un
efecto combinado entre Au y los oacutexidos metaacutelicos utilizados como soporte Sin
embargo una alta actividad cataliacutetica en la oxidacioacuten de CO e H2 estaacute directamente
relacionada al tamantildeo de partiacutecula de Au y la dispersioacuten de eacutestas en el soporte[7]
Algunos trabajos[8-9] indican que a menor tamantildeo de partiacutecula mayor actividad y
mayor estabilidad del catalizador
En el presente trabajo se prepararon catalizadores de Au soportado sobre γ-Al2O3
con un tamantildeo promedio de partiacuteculas de Au de 5 nm y alta dispersioacuten Se utilizaron
dos meacutetodos de preparacioacuten diferentes impregnacioacuten y deposicioacuten-precipitacioacuten
variando el contenido de oro de 007 a 1 en peso de Au Los catalizadores se
evaluaron en la oxidacioacuten de una mezcla de CO e H2 y fueron caracterizados por
difraccioacuten de rayos x microscopia electroacutenica absorcioacuten atoacutemica y absorcioacuten fiacutesica
Los resultados indican que efectivamente la actividad depende del tamantildeo de
partiacutecula y el contenido de Au en el catalizador En particular el catalizador con 035
en peso de Au presentoacute 100 de conversioacuten en ambas reacciones sin indicios de
desactivacioacuten durante 24 h continuas de operacioacuten a velocidades espaciales (GHSV)
mayores que 10 000 h-1 Con esto se pretende contribuir al desarrollo de
catalizadores ambientales que permitan disminuir las emisiones nocivas
provenientes de fuentes fijas y moacuteviles de nuestro paiacutes
Catalizadores de Oro Soportado 11
UAM-I
22 EXPERIMENTACIOacuteN
Siacutentesis de Catalizadores
Meacutetodo de DP Se dispersoacute 1 g de γ-Al2O3 (Ketjen) en 100 mL de agua tridestilada y
se adicionoacute NH4(OH) (JT Baker) (01M) hasta obtener un pH de 9 Posteriormente
se agregoacute por goteo durante 2 h 20 mL de una solucioacuten de AuCl3 (9998 Aldrich)
(25x 10-3 M) Despueacutes se agitoacute por 30 min y se filtroacute y lavoacute con agua destilada con
10 veces el volumen total inicial Por ultimo el soacutelido resultante se secoacute a 80degC por 2
h y se calcinoacute a 400degC por 4 h
Meacutetodo de IMP Se dispersoacute 1 g de γ-A12O3 en 100 mL de agua tridestilada por 30
min A esta mezcla se le antildeadioacute lentamente 20 mL de una solucioacuten de AuCl3 (25x10-
3M) y se mantuvo en agitacioacuten 720 min Durante este tiempo se ajustoacute el pH a 9 por
medio de la adicioacuten de una solucioacuten acuosa de Na2CO3 (JT Baker) El soacutelido se
filtroacute y lavoacute con 500 mL de agua tridestilada caliente (95degC) para eliminar los iones de
cloro que podriacutean afectar la actividad cataliacutetica Finalmente se secoacute a 120degC 24 h y
se calcinoacute a 400degC por 4 h
Los catalizadores preparados por el meacutetodo de DP e IMP se les llamaraacuten de aquiacute en
adelante x-Auγ-Al2O3-DP y muestra x-Auγ-Al2O3-IMP respectivamente donde x
indica el en peso de Au en el catalizador
Caracterizacioacuten de Catalizadores Absorcioacuten Atoacutemica La cantidad de oro en cada uno de los catalizadores se
determinoacute por absorcioacuten atoacutemica (SpectrAA-20 Varian) Antes de las mediciones el
equipo fue calibrado con una solucioacuten estaacutendar de Au (Sigma) Una muestra de cada
catalizador (01g) se disolvioacute en agua regia a temperatura ambiente la cual se
preparoacute mezclando 200 ml de HCl concentrado y 100 mL de HNO3 concentrado
Adsorcioacuten Fiacutesica La isoterma de adsorcioacuten fiacutesica de N2 a 75 K de cada catalizador
se obtuvo en un equipo automatizado Quantachrome Autosorb Automated A partir
de estos datos se determinoacute el aacuterea BET el radio y el volumen promedio de poro
Catalizadores de Oro Soportado 12
UAM-I
Difraccioacuten de Rayos X Se realizoacute en un difractoacutemetro Siemens D500 en un entrono
angular de 4 a 64ordm en 2θ La radiacioacuten Cuκα se seleccionoacute con un difractor de un haz
de luz monocromaacutetico
Microscopia Electroacutenica de Transmisioacuten (TEM) Se utilizoacute un Microscopio Electroacutenico
de Transmisor Mod EM910 Zeiss operando a un voltaje de 120 kV y con una
ampliacioacuten de 400000 aumentos Para la preparacioacuten de las muestras se tomaron
005 g de cada una y se disolvieron en alcohol etiacutelico y se sometieron a ultrasonido
(Branson 2210) por 5 min Posteriormente se colocaron las rejillas en porta objetos y
se agregoacute una gota de la solucioacuten del catalizador dejando secar a temperatura
ambiente hasta su medicioacuten
Evaluacioacuten cataliacutetica Las medidas de actividad cataliacutetica en la oxidacioacuten de CO e H2
CH4 y C2H8 se realizaron en un microreactor de cuarzo de lecho fijo en el cual se
colocaron en todos los casos 030 g de catalizador y se utilizoacute un flujo total de 100
mLmin Para la oxidacioacuten de CO se utilizoacute una mezcla con 1 CO 05 O2 033
H2 en N2 para las pruebas en condiciones estequiomeacutetricas y con 1 CO 21 O2
033 H2 en N2 para los experimentos en exceso de O2 El efluente fue analizado
por cromatografiacutea de gases (GC-12 A Shimadzu C-RGA con una columna SFE-1)
con detector de conductividad teacutermica Para la combustioacuten de CH4 se uso una
mezcla con 1 CH4 2 O2 97 N2 y para la combustioacuten de C3H8 una mezcla con
1 C3H8 2 O2 97 N2 En todos los experimentos la temperatura de operacioacuten
fue de 25 a 400 degC y la velocidad espacial fue 10146 h-1
Catalizadores de Oro Soportado 13
UAM-I
23 RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN
Absorcioacuten Atoacutemica y Adsorcioacuten Fiacutesica La Tabla 1 muestra los contenidos de Au
el Aacuterea BET (ABET) el volumen promedio de poro (VP) y el radio promedio de poro
(RP) para los catalizadores preparados
Se puede observar que el aacuterea BET de la γ-Al2O3 se modifica con la adicioacuten de Au El
aacuterea BET entre la γ-Al2O3 pura y la muestra DP concuerdan con lo reportado[10-11] de
que a mayor porcentaje de Au mayor es el aacuterea superficial sin embargo el aacuterea BET
del catalizador 007-Auγ-Al2O3-IMP que tiene un menor porcentaje de Au presenta
la mayor aacuterea BET Sin embargo aunque el radio promedio de poro es casi el mismo
para las tres muestras el catalizador 007-Auγ-Al2O3-IMP presenta el mayor
volumen promedio de poro Esto podriacutea deberse a que el meacutetodo de preparacioacuten
utilizado causoacute la generacioacuten de una mayor porosidad en la γ-Al2O3 en lugar de la
impregnacioacuten de una mayor cantidad de Au Las isotermas de adsorcioacuten de los
catalizadores fueron del tipo IV y semejantes en forma a la de la γ-Al2O3 (Figura 1)
La Figura 2 muestra que la distribucioacuten de tamantildeo de poros se centra dentro del
mismo margen para las tres muestras y se aprecia la presencia de mesoporos entre
los 50 y 125 Aring
Tabla 1 Contenido Au y caracteriacutesticas texturales en los catalizadores
Catalizador Au ( en peso) ABET (m2g) RP (Aring) VP (ccg)
γ-Al2O3 000 183 78 0489
IMP 007 301 79 0743
DP 035 215 78 0518
IMP 100
No se ha determinado
Catalizadores de Oro Soportado 14
UAM-I
0
100
200
300
400
500
0 02 04 06 08
PPo
Vads
(cm
3g)
STP
-Al2O3
035-Au -Al2O3-DP
007-Au -Al2O3-IMP
1
Figura 1 Isotermas de adsorcioacuten y desorcioacuten de N2 de los catalizadores Auγ-Al2O3
ifraccioacuten de Rayos X La Figura 3 muestra los patrones de difraccioacuten de Rayos X
0
0004
0008
0012
0016
002
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
Rp [A]
Dv(
r) [c
m3
Ag]
-Al2O3
035-Au -Al2O3-DP
007-Au -Al2O3-IMP
Figura 2 Distribucioacuten de tamantildeo de poros
D
de los catalizadores Se observa que todos son caracteriacutesticos de la γ-Al2O3 Es
imposible identificar la presencia del Au esto debido al pequentildeo porcentaje y la alta
Catalizadores de Oro Soportado 15
UAM-I
dispersioacuten del Au contenido en cada uno de los catalizadores Sin embargo para el
caso de que se tuviese mayor cantidad de Au el difractograma podriacutea presentar un
pico alrededor de los 38deg en 2θ el cual indicariacutea la presencia de Au A partir de esta
sentildeal y la ecuacioacuten de Scherrer algunos autores han calculado el tamantildeo promedio
de las partiacuteculas de oro en catalizadores soportados
Microscopia Electroacutenica Transmisioacuten (MET) En la Figura 4 se presentan las
casos los
imaacutegenes de MET para la γ-Al2O3 y los catalizadores 035-Auγ-Al2O3-DP y 007-Auγ-
Al2O3-IMP En ambos catalizadores el tamantildeo de partiacutecula se encuentra es mayor
que 2 nm pero menor o igual que 5 nm En ambos casos los resultados indican que
las partiacuteculas de oro estaacuten dispersadas de manera uniforme en el soporte
Se encuentra es mayor que 2 nm pero menor o igual que 5 nm En ambos
resultados indican que las partiacuteculas de oro estaacuten dispersadas de manera uniforme
en el soporte
Figura 3 Patrones de Difraccioacuten de Rayos X de los catalizadores Auγ-Al2O3
Catalizadores de Oro Soportado 16
UAM-I
Figura 4 Imaacutegenes de MET para (a) γ-Al2O3 (b) 035-Auγ-Al2O3-DP y (c) 007-Auγ-
Al2O3-IMP
Catalizadores de Oro Soportado 17
UAM-I
Se sabe que la alta actividad cataliacutetica del oro esta relacionada con su tamantildeo esto
quiere decir que entre maacutes pequentildeas sean las partiacuteculas mayor actividad tendraacuten
nes estequiomeacutetricas el catalizador 007-Auγ-Al2O3-
P no mostroacute actividad para la oxidacioacuten de CO e H2 sin embargo al operar la
por lo tanto de las imaacutegenes anteriores se tiene que el meacutetodo DP es el maacutes
adecuado por lograr depositar mayor cantidad de Au con gran dispersioacuten y un
tamantildeo de partiacuteculas pequentildeo
Actividad Cataliacutetica A condicio
IM
misma muestra con un exceso de O2 la actividad inicioacute a partir de 140oC alcanzando
una conversioacuten maacutexima de 8748 a 400 degC (Figura 5) En vista de este uacuteltimo
resultado se decidioacute evaluar el catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP a las mismas
condiciones de exceso de O2 En este caso la actividad cataliacutetica inicioacute por debajo de
los 30oC incrementaacutendose casi linealmente con la temperatura hasta lograr una
conversioacuten maacutexima de 9367 a 127degC La diferencia en actividad entre ambos
catalizadores es notable Auacuten a muy bajos contenidos de Au el catalizador 007-Auγ-
Al2O3-IMP presenta una actividad importante sin embargo al aumentar cinco veces
este contenido (035) y manteniendo el tamantildeo de partiacutecula es posible disminuir la
temperatura de encendido calculada como la temperatura a la cual se logra el 50
de conversioacuten (T50) en 175oC Un uacuteltimo estudio fue la evaluacioacuten del catalizador
10-Auγ-Al2O3-IMP el cual presenta una T50 de 290 degC(ver Figura 5) la cual es 40 degC
mayor que el catalizador 007-Auγ-Al2O3-IMP auacuten cuando el contenido de Au es
mayor La Figura 5 muestra tambieacuten la comparacioacuten de estos resultados con
trabajos anteriores[10] en los que utilizan el catalizador 5-Auγ-Al2O3-IMP a
condiciones estequiomeacutetrica en este caso T50 es de 215 degC tan solo 35 degC de
diferencia en comparacioacuten con el catalizador 007-Auγ-Al2O3-IMP La diferencia en el
contenido de Au es 15 veces menor En general al trabajar en condiciones en exceso
de O2 se tiene una mayor conversioacuten a una menor temperatura por lo que se
esperariacutea que los resultados del catalizador 5-Auγ-Al2O3-IMP bajo condiciones de
exceso fueran mejores sin embargo los autores no presentan estos resultados
Catalizadores de Oro Soportado 18
UAM-I
El catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP alcanzoacute 100 de conversioacuten a 176 degC a
condiciones de exceso de O2 (Figura 5) esta conversioacuten se mantuvo por 24 h sin
presentar indicios de desactivacioacuten (Figura 6) KRuth [12] reporta desactivacioacuten del
catalizador 10-Auγ-TiO2 a partir de 80 minutos de operacioacuten con una velocidad
espacial de 1x104 h-1 El catalizador fue preparado por deposicioacuten y contiene nano-
particulas (2-5nm) soportadas en TiO2 Sin embargo el catalizador logra 100 de
conversioacuten a 0 degC Esto es debido a que los catalizadores AuTiO2 presentan mayor
actividad a temperaturas bajas La Figura 6 muestra tambieacuten la conversioacuten reportada
por Seung-Jae[11] del catalizador 043-Auγ-Al2O3-IMP en donde la temperatura de
operacioacuten es de 25 degC sin embargo se tiene una desactivacioacuten apreciable a partir de
150 minutos de operacioacuten con una velocidad especiales de 8x10 h-1
Figura 5 Conversioacuten del CO para los catalizadores de 007-Auγ-Al2O3-IMP 10-
os resultados de conversioacuten del hidroacutegeno (Figura 7) muestran conversioacuten del 100
10 a 035 es de 20 degC
Auγ-Al2O3-IMP y de 035-Auγ-Al2O3-DP en condiciones de operacioacuten en exceso de
O2 la tasa de temperatura es de 2degC por minuto Datos Referencia [10]
L
por debajo de 150 degC con el catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP mientras que el
catalizador 007-Auγ-Al2O3-IMP logra conversioacuten completa hasta 270oC y para el
catalizador 10-Auγ-Al2O3-IMP se tiene una conversioacuten del 100 hasta 310 degC lo
cual indica que los tres catalizador son activos para ambas reacciones y que se
mantiene la tendencia observada para la oxidacioacuten de CO La disminucioacuten en T50 al
aumentar el contenido de Au de 007 a 035 es de 140oC mientras que para la de
Catalizadores de Oro Soportado 19
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado 20
Figura 6 Variacioacuten de la conversioacuten con respecto al tiempo para la muestra de DP a
una temperatura de 180 degC Datos Referencia [11]
Figura 7 Oxidacioacuten de H sobre los catalizadores 035-Au2 γ-Al2O3-DP 007-Auγ-
Al2O3-IMP y 10-Auγ-Al2O3-IMP bajo condiciones de exceso de O2
La Figura 8 muestra como varia la temperatura de encendido con la cantidad de Au
en los catalizadores preparados en este trabajo Se observa un miacutenimo para el
catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP lo cual indica que la mayor actividad se logra a bajos
contenidos de Au y tamantildeos de partiacutecula menores que 5 nm
0
20
40
60
80
0 200 400 600 800 1000Tiempo (min)
Con
vers
ioacuten
de C
O (
) 100
035-Au -Al2O3-DP (176 degC)
043-Au -Al2O3-IMP (25 degC)
0
20
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Temperatura (degC)
40
60
Con
vers
ioacuten
de H
2 (
)
80
100
10-Au -Al2O3-IMP035-Au -Al2O3-DP007- Au -Al2O3-IMP50-Au -Al2O3-IMP
UAM-I
F
o
P
o
o
re
d
F
c
C
T50 (degC)
igura 8 Variacioacuten de la te
xidacioacuten de CO con respect
or ultimo se realizaron cu
peracioacuten pero variado la
btenidos se muestran en la
accioacuten presentan una tend
e catalizador
00000
00040
00080
00120
00160
00200
0
(-rc
o)
00000
igura 9 Velocidad de reac
ondiciones en exceso de O2
atalizadores de Oro Soportado
masa Au
mperatura de encendido a 50 de conversioacuten en la
o a la cantidad de Au en el catalizador
atro corridas maacutes bajo las mismas condiciones de
masa de catalizador Las velocidades de reaccioacuten
fig9En esta figura se observa que las velocidades de
encia lineal despueacutes de los 80degC al aumentar la masa
50 100 150 200 250 300T (degC)
3 gr cat
25 gr cat
2 gr cat
15 gr cat
1 gr cat
cioacuten de CO a diferentes masas de catalizador y bajo
21
UAM-I
Se tomo una temperatura de 125 degC debido a las mediciones realizadas en
diferentes calentadores domeacutesticos Se encontroacute que la temperatura media es la
mencionada A partir de los datos experimentales se determinoacute que el orden de
reaccioacuten es 13 y la constante cineacutetica k = 480945 (m3)13[(mol)03m3cat hr] (00012
mhr) y un coeficiente de transferencia de masa de 792 mhr (ver apeacutendices A) con
estos valores y usando los criterios de Weisz-Prater y Mears[14] (ver apeacutendice B) se
obtuvo que no existe resistencia interna ni externa a la transferencia de masa por lo
que la cineacutetica es la que controla
24 CONCLUSIOacuteN DE LA EXPERIMENTACIOacuteN El meacutetodo de DP es mucho maacutes adecuado que el de IMP para la preparacioacuten de
catalizador de Au soportados en γ-Al2O3 ya que permitioacute obtener catalizadores con
cinco veces maacutes oro que el preparado por el meacutetodo IMP bajo condiciones similares
de preparacioacuten En ambos casos el tamantildeo promedio de partiacutecula fue menor que 5
nm Debido a esto el catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP presenta una mayor actividad
en la oxidacioacuten de CO e H2 sin observarse desactivacioacuten durante un periodo de 24 h
Puesto que en ambas muestras se consiguioacute una gran dispersioacuten y un tamantildeo
similar de nanopartiacuteculas de oro se tiene entonces que la principal diferencia de
actividad cataliacutetica se debe principalmente a la cantidad de Au en el catalizador Sin
embargo el catalizador 10-Auγ-Al2O3 presenta una menor conversioacuten que el de
035-Auγ-Al2O3-DP a pesar de contener maacutes Au por lo que hasta el momento se
podriacutea decir que la cantidad de Au optima se encuentra por debajo de 10 wt y por
arriba de 007 wt no obstante se requiere de la caracterizacioacuten del catalizador 10-
Auγ-Al2O3 se para determinar de que manera influyen el tamantildeo de partiacuteculas la
distribucioacuten el volumen y el tamantildeo de poro en los resultados esta caracterizacioacuten
asiacute como la evaluacioacuten cataliacutetica del catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP bajo
condiciones estequiomeacutetricas se encuentran en proceso
Catalizadores de Oro Soportado 22
UAM-I
25 BIBLIOGRAFIacuteA [1] M Haruta CatalToday 36 (1997) 153
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Pretice may Tercera edicioacuten Impresa en Meacutexico DF
Catalizadores de Oro Soportado 23
UAM-I
C A P I T U L O III
D I S E Ntilde O D E L A P L A N T A I N D U S T R I A L
Catalizadores de Oro Soportado 24
UAM-I
31 INTRODUCCIOacuteN
Este capitulo esta enfocado al disentildeo de la planta industrial donde se produciraacuten
catalizadores de Auγ-Al2O3 por el meacutetodo de Deposicioacuten-Precipitacioacuten (DP) descrito
en el capitulo 2
Parte de la produccioacuten de los catalizadores se destinaraacute a su venta en masa y otra
parte se destinaraacute para el equipo de purificacioacuten de calentadores de agua esto con
la finalidad que el catalizador que esta contenido dentro del equipo de purificacioacuten
cuando se desactive pueda remplazarse por catalizador nuevo disponible en el
mercado De esta forma se tendraacuten ganancias tanto al vender el equipo purificador
como al vender catalizador como materia prima
32 DISENtildeO DEL EQUIPO PURIFICADOR PARA CALENTADORES DE AGUA DOMEacuteSTICOS El equipo purificador se ubicaraacute a la salida del efluente gaseoso del calentador como
un equipo adicional como se muestra en la Figura 1 Se plantea colocarlo en una
posicioacuten tal que oxide a baja temperatura hasta el 90 de CO Las dimensiones del
purificador se determinaron seguacuten las especificaciones de calentador y el balance de
materia en el sistema purificador Estos caacutelculos se presentan en el Apeacutendice A
Los tubos de las chimeneas de los calentadores son de latoacuten por lo que se decidioacute
utilizar este material para la parte exterior la parte donde se colocaraacute el catalizador
es de 35 cm de longitud para colocarlo en el tubo de la salida del flujo de gas se
dieron 2 cm maacutes en cada extremo para hacer un tipo cople de manera que el tubo
entre en los extremos
Catalizadores de Oro Soportado 25
UAM-I
C O 2 2 0 c m 7 c m c m G A S C O
3
2cm
75 cm 35 cm
Figura 1 Esquematizacioacuten del equipo purificador y su ubicacioacuten en los calefones
Las dimensiones obtenidas (Apeacutendice A) y las caracteriacutesticas del purificado se
presentan en la Tabla 1
Tabla 1 Especificaciones de purificador
Material Latoacuten
Longitud 35 cm
Diaacutemetro 20cm
Cantidad de
Catalizador
700 gr
Catalizadores de Oro Soportado 26
UAM-I
33 PRODUCCIOacuteN DE LA PLANTA INDUSTRIAL A partir de un estudio de mercado se encontroacute que en la Ciudad de Meacutexico hay
cuando menos cuatro empresas principales (CALOREX ELSA MAGAMEX y
CINSA) que fabrican calentadores de agua residenciales[1 2] Estas en promedio
producen 150 calefones diarios Por cada calefoacuten se requiere un equipo purificador
En este sentido de requieren idealmente 600 unidades de purificacioacuten por diacutea Esta
base se utilizoacute para el disentildeo de la planta
A partir del balance de masa en el purificador y empleado los resultados
experimentales a nivel laboratorio (ver apeacutendice A) se encontroacute que cada purificador
requiere 07 Kg de catalizador A partir de este resultado se requiere producir al
menos 420 Kg de catalizador para satisfacer la demanda en la produccioacuten de
calefones Con base en el balance de materia realizado en el mezclador se
determinoacute que la cantidad de catalizador obtenido despueacutes de cuatro lotes es de
570 Kg Tomando el resto de catalizador como reserva por cualquier contratiempo El
nuacutemero de lotes se determinoacute en base a que fuese rentable la recuperacioacuten de oro
34 DISENtildeO Y OPERACIOacuteN DE LA PLANTA
La fabricacioacuten del catalizador a nivel industrial esta basada en el escalamiento del
meacutetodo de siacutentesis descrito en la parte experimental Lo cual es una praacutectica comuacuten
en la fabricacioacuten de materiales cataliacuteticos
Para la produccioacuten de 570 Kg por diacutea se plantea utilizar cuatro mezcladores (ver
Figura 2) que operaran durante 8 h con cuatro intervalos (o cargas) de 2 h y
descansos de 30 min (dejando 30 min libres por contratiempos) Esta operacioacuten se
elige con base en las horas de trabajo y el meacutetodo de preparacioacuten del catalizador
Al igual que en la parte experimental el proceso requiere operacioacuten por lotes debido
a que se necesitan largos tiempos de contacto para obtener catalizadores eficientes
en la oxidacioacuten de CO a baja temperatura Se pretende utilizar un agitador tipo
Catalizadores de Oro Soportado 27
UAM-I
canastilla[4] el cual permite colocar dentro de las mismas el catalizador para tener
una mejor impregnacioacuten de partiacuteculas de Au y eliminar la atricioacuten Las dimensiones
del agitador asiacute como del mezclador se presentan en la Figura 6
Al teacutermino de la uacuteltima carga en los mezcladores el lote completo del diacutea pasa al
horno para secarlo a 80degC por 2 h y calcinarlo a 400degC durante 4 h Durante estos
procesos se concluye la preparacioacuten del catalizador Las temperaturas y tasas de
calentamiento estaacuten basadas en el meacutetodo de preparacioacuten experimental descrito en
el Capitulo ll Posteriormente el catalizador producido pasa a la seccioacuten donde se
embolsa para ser vendido como materia prima y la otra parte pasa a la seccioacuten de
ensamblaje para fabricar el purificador
Dimensiones de la industria
Las dimensiones de los equipos como mezcladores cisternas tanque de
tratamiento horno etc se tomaron como base para poder suponer espacios entre
equipos para tener seguridad del personal Se dio preferencia a los mezcladores ya
que son las partes importantes en la elaboracioacuten de los catalizadores La cisterna
estaraacute enterrada para facilitar su llenado en el caso de los contenedores de HAuCl4
y NH4OH estaraacuten encima de bases maacutes altas que los mezcladores para poder
abastecerlos por gravedad Esto debido a que el volumen es poco no se requiere de
grandes cantidades por lo que no se requiere alguna bomba Se estuvo analizando
la forma de acomodar los equipos y se obtuvo la siguiente distribucioacuten que se
muestra en la Figura 3
En la Figura 4 se presenta el plano de la industria con sus respectivos
departamentos en la parte sur se encuentra la entrada principal en ella se encuentra
vigilancia y la entrada de empleados y obreros posteriormente esta la zona de
oficinas lado izquierdo del lado derecho se encuentra el estacionamiento para
clientes y empleados en el almaceacuten se encontraraacuten refacciones de equipo y
reservas de materia primas para los catalizadores en la zona de produccioacuten se tiene
el estacionamiento de proveedores para facilitar la entrada y salida del producto
Catalizadores de Oro Soportado 28
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado 29
Debido a que en cada industria debe existir un espacio recreativo se plantea una
cancha de Baacutesquetbol para los obreros y una zona de jardines en la parte norte
Ubicacioacuten de la industria
Para poder ubicar una industria es importante analizar la zona geograacutefica Para lo
cual se deben considerar algunos factores importantes por ejemplo No ubicarla en
zona de siacutesmica Si la industria requiere de un gran volumen de agua no ubicarla en
una regioacuten deseacutertica Si el producto es muy sensible al calor y la humedad evitar
zonas muy caacutelidas y huacutemedas Si se piensa vender el producto en una zona
especifica ubicar la industria cerca de la zona de venta para evitar gastos de
transportacioacuten A partir de este tipo de razonamientos se planea que debido a que el
producto que se elaborara que es un purificador cataliacutetico para su venta en la ZMVM
ya en ella estaacuten ubicadas las principales industrias de calentadores y debido a que la
planta requiere de un volumen considerable de agua se escogioacute el estado de
Morelos porque no esta muy lejos de la ZMVM y tiene reservas de agua Asiacute el gasto
de transportacioacuten de materias primas y sobre todo del producto elaborado seriacutea
pequentildeo
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
Agua
Tanque tratamien
Figur
NH4OH
HAuCl4
Produccioacuten de catalizadores
Recuperacioacuten de agua
de to
a
MezcladoresMezcladores
Cuando se requiere limpieza
Horno
Producto almaceacuten
30
1 Diagrama de produccioacuten Recuperacioacuten de cloro
UAM-I
35 BALANCE DE MATERIA DIAGRAMA DE FLUJO PARA DIFERENTES LOTES DE SOPORTE EN UN SOLO MEZCLADOR
Catalizadores de Oro So
05 Kg Au
10
0
086 Kg HAuCl4(ac)014 Kg H2O
035 Kg NO2(g)
2
35 Kg NH4(OH)(ac) (01M)
10000 Kg H2O
100 Kg Al3O
100 Kg Al2O3 (9965) 035 Kg Au (035) 025 Kg Cl2
026 Kg HauCl4(ac)35 Kg NH4(OH)
1101035 Kg H2O
O MEZCLADOR (t0)
10035 Kg catalizador
86 KgHAuCl4(ac)101035 Kg H2O
037 Kg HCl (ac) (105 M) 048 Kg HNO3(ac) (152 M)
porta
Kg N
30 Kg Al2Cl3
101021 Kg H2
do
H4 (OH) (ac) (01M) 30 Kg Al2O3 (9965) 01 Kg Au (035)
007 Kg Cl2
)
3
)
301 Kg catalizador MEZCLADOR (t1)
009 Kg HauCl4(ac)45 Kg NH4(OH)
1101035 Kg H2O
MEZCLADOR 1054 Kg catalizador
105 Kg Al2O3
(t2)
105 Kg Al2O3 (9965)
035 Kg NH4 (OH) (ac) (01M
004 Kg Au (035) 003 Kg Cl2
23 Kg Al2O
MEZCLADOR
(t3)23 Kg Al2O3 (9965)
2308 Kg catalizador
008 m3 NH4(OH) (ac) (01M
002 Kg HauCl4(ac)485 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
0008 Kg Au (035) 0006 Kg Cl2
0003 Kg HauCl4(ac)493 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
31
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado 32
DIAGRAMA DE FLUJO PARA UN MEZCLADOR
MEZCLADOR
1101035 Kg H2O
1428 kg γ-Al2O3
086 Kg HAuCl4
493 Kg NH4(OH)
0003 Kg HauCl4(ac)493 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
1433 Kg Catalizador
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
36 DIAGRAMA DE LA INDUSTRIA
INDUSTRIA DE CATALIZADORES
TANQUE DE TRATAMIENTO HORNO
CISTERNA 1
CONTENEDORDE AuCl3 CONTENEDOR DE
NH4OH ZONA DE LLENADO
DE SAPORTE
SE LLEVA AL HORNO
MANUALMENTE
PRODUCTOALMACEacuteN
Contenedor de HAuCl4
Figura 2 Diagrama de la distribucioacuten del equipo dentro del aacuterea de produccioacuten
33
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
37 DIMENSIONES DEL EQUIPO Y TUBERIacuteA
2 mts
2 mts 2 mts 6 mts 4 mts 3 mts 5mts 5 mts 3 mts 6 mts 3
3mts 3 mts 3mts 3 mts 3 mts
4 mts 1 5 mts 1 5 mts 4mts 4 7mts 4 mts 21 mts 7 2mts 26 mts 2 mts 21 mts 6 mts
3 5 mts 14 mts 6 mts 8 mts 1 5 mts 3 mts 5 mts 13 mts 8 mts 20 mts 30 mts
IN D U ST R IA D E C A T A L IZ A D O R E S
T AN Q U E D E T R AT AM IE N T O H O R N O
C IST E R N A 1
C O N T EN ED O RD E Au C l3
C O N T EN E D O R D E N H 4O H
ZO N A D E L LEN AD O D E SO PO R T E
AG UA PAR A JAR D IN ES
M E Z C L A D O R E S 12 3 y 4
1 2 3 4
A L M A C Eacute N
Contenedor de HAuCl4
Figura 3 Dimensiones del equipo y tuberiacutea requerida
34
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
38 PLANO DE DISTRIBUCIOacuteN DE AacuteREAS
Figura 4 Aacutereas de trabajo dentro de la planta
35
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
DIMENSIONES DE LA INDUSTRIA
Figura 5 Dimensiones de cada aacuterea de la planta industrial
36
UAM-I
Ingenieriacutea Quiacutemica 37
10 cm 3mts 1 mts 25 cm 15cm 5 cm 5 cm 3mts 150 mts 10 cms 100 mts 20 cm
003 mts
Figura 6 Dimensiones del mezclador y del Agitador
UAM-I
Las dimensiones de las canastillas se determinaron a partir del balance de masa y la
produccioacuten requerida La carga de un contenedor de soporte que es de 100kg del
cual el agitador tiene 4 canastillas cada una corresponde 25 Kg la masa se obtuvo
del balance de materia y su densidad 600 Kgm3 con el que se obtuvo un volumen de
0043 m3
39 ANAacuteLISIS FINANCIERO
El costo de materias primas se muestra en la Tabla 2 en la que tambieacuten se incluyen
los flujos de alimentacioacuten requeridos para el proceso a partir de los cuales se
determinaron los costos diarios
Tabla 2 Costo de materias primas [5]
Compuesto
Alimentacioacuten
por diacutea
Costo
USDKg
Costo Total
USDdiacutea
Au 2 kg 10596 2119200
HCl 15 Kg 52 780
HNO3 20 Kg 022 044
-Al2O3 5712 Kg 034 19421
Canastillas 500 piezas 15 75000
NH3(OH) 200 Kg 034 680
H2O 440414 Kg 282 282
Total de Materia Prima 2215407
El costo se determinoacute considerando la cantidad de material el tamantildeo y el costo de
manufactura
El costo se determinoacute para uso industrial conforme establece la tesoreriacutea de
Meacutexico
Ingenieriacutea Quiacutemica 38
UAM-I
PERSONAL REQUERIDO PARA LA INDUSTRIA
La Tabla 3 establece los salarios mensuales anuales y las prestaciones del IMSS
para el personal de la planta
Tabla 3 Salarios y Prestaciones del Personal
Mano de Obra (USDmes)p
ersona
USDmes USDantildeo Prestaciones
IMSS
1 Gerente 2000 2000 24000
1 Administrador 1000 1000 12000
1 Secretaria 400 400 4800 1193
Total de Salarios
Administrativos
40800 1193 409193
9 Obrero 150 150 1800 448
1 Teacutecnico 200 200 2400 597
1 Policiacutea 200 200 2400 597
1 Mantenimiento 180 180 2160 538
1 Limpieza 150 150 1800 448
Total de Salarios
Proceso
10560 2628 108228
Los salarios se determinaron en base al salario miacutenimo vigente en la Ciudad de
Meacutexico (2003)[29]
Ingenieriacutea Quiacutemica 39
UAM-I
PERSONAL
Departamento de produccioacuten
Se tendraacute 2 obreros en el llenado de soporte en las rejillas un obrero encargado del
traslado de rejillas por medio de la banda de los motores a cada contenedor un
obrero en cada contenedor de NH4OH y HAuCl4 en cada mezclador se tiene 1
obrero para descargar y cargar las rejillas a la banda que se trasladaran al horno en
el horno se tiene 1 obrero encargado del secado y calcinado el producto se traslada
al almaceacuten donde estaraacuten 2 obreros que reciben el producto y materias primas de los
proveedores se tiene 1 teacutecnico supervisando los equipos un encargo del
mantenimiento de los equipos
Departamento de personal
Gerente de la industria un administrador encargado de compra y venta de materias
primas una secretaria
Ingenieriacutea Quiacutemica 40
UAM-I
CAPITAL FIJO
La Tabla 4 muestra el costo de los equipos requeridos en la planta asiacute como el
Capital Fijo y la Inversioacuten del Capital Total
Tabla 4 El equipo se costeo usando las correlaciones de Ulrich [6] y empleando el
programa de Capcost
EQUIPO USD
4 Contenedores 23584
4 Agitadores (456kW) 269760
1 Horno (25 kW) 15700
15 Bombas (1469kW) 43081
1 Motor (114 kW) 67440
Tuberiacuteas 42150
2 Cisternas 174183
Vaacutelvulas 1283
Accesorios
(codos 90ordm y de 45ordm te)
1474
CAPITAL FIJO 638655
Capital de Trabajo 9579825
INVERSIOacuteN DE
CAPITAL TOTAL
73445325
Los caacutelculos y las correlaciones empleadas para el costeo del equipo se anexan en
el Apeacutendice A
Ingenieriacutea Quiacutemica 41
UAM-I
GASTOS GENERALES
Tabla 5 Proporciona el total de gastos anuales con lo cual se estima el precio por
kilo de catalizador y por unidad purificadora
Tabla 5 Gastos Generales anuales
USDAntildeo
Materias Primas 531697680
Mano de Obra de Operacioacuten 1082280
Mano de Obra de Oficina 4091930
Servicios Electricidad 2620100
Total de Gastos Generales 539491990
CFE
Produccioacuten diaria de Catalizador = 574 Kg
Precio de Catalizador = 40 USDKg
Produccioacuten diaria de unidades purificadoras = 500
Precio por unidad = 50USD
Ganancia diaria = 22960 USD
Ganancia Anual = 5510400 USD
DETERMINACIOacuteN DE LA RENTABILIDAD DEL PROYECTO
TPI (Actual) = 10
PR (Factor de riesgo) = 25
TREMA = TPI + PR
TREMA = 35
TIR (del proyecto) = 90
TIR gt TREMA
Puesto que la TIR es mayor que la TREMA se tiene que el proyecto es rentable [6]
Ingenieriacutea Quiacutemica 42
UAM-I
310 CONCLUSIONES
En el desarrollo de la industria para la fabricacioacuten de catalizadores se tuvo un
resultado satisfactorio a pesar de la falta de informacioacuten disponible acerca de
industrias de catalizadores debido a que esta informacioacuten no es publica El proyecto
que elaboramos es novedoso en nuestro paiacutes ya que no existen registros de una
industria que produzca catalizadores de oro soportados en aluacutemina
Durante el desarrollo del proyecto se planteoacute trabajar con compuestos como NOx y
COVS sin embargo debido a la falta de tiempo no se logroacute concluir la
experimentacioacuten en estos campos Debido a esto se tomoacute la decisioacuten de trabajar en
la oxidacioacuten cataliacutetica de CO Esto debido a varios factores por ejemplo la
disponibilidad de gases y sobre todo los costos que esto implicaba
Para el desarrollo del catalizador se analizaron diferentes tipos de preparacioacuten y se
eligieron dos meacutetodos diferentes Deposicioacuten-precipitacioacuten e Impregnacioacuten Los
catalizadores se evaluaron bajo diversas condiciones en la oxidacioacuten de CO El
catalizador que presentoacute mayor conversioacuten con el catalizador a baja temperatura fue
el sintetizado por el meacutetodo de Deposicioacuten-precipitacioacuten el cual se utilizoacute para el
disentildeo de la Industria El disentildeo estaacute basado en la forma de preparacioacuten del
catalizador Por esto la parte maacutes importante de la planta es el tanque de mezclado
el cual se disentildeo tomando en cuenta los diferentes disentildeos de agitadores para tener
un mezclado oacuteptimo Se incorporo en la parte superior del agitador las canastillas
para las pastillas cataliacuteticas y el tipo de Horno que se usara para el secado y
posteriormente el calcinado Una parte importante es la produccioacuten de catalizador
para este problema se investigoacute en que parte se podriacutea utilizar a diferencia de los
catalizadores para automoacuteviles Se llego a la decisioacuten de poder desarrollar un
catalizador para los calentadores de agua se obtuvo informacioacuten de la fabrica de
calentadores cal-o-rex en la produccioacuten diaria de calentadores y de esta informacioacuten
se pudo calcular la posible demanda de nuestro producto Una parte importante en
las industrias son el tipo de bombas ya que existen diversos modelos en nuestro
disentildeo se escogioacute las bombas centriacutefugas con rodetes para agua que contiene
pequentildeas partiacuteculas de soacutelidos
En la parte de servicios para personal se investigo los sueldos de cada empleado Se
determinoacute el costo de los equipos y finalmente llegamos a la parte que nos interesa
Ingenieriacutea Quiacutemica 43
UAM-I
del disentilde es decir si el proyecto es rentable o no En este caso particular se tuvo un
valor aceptable y se definioacute que el disentildeo es rentable Esto indica que seria una
industria que tendriacutea ganancias y a la vez que el producto que se fabrique nos
ayudaraacute a todos a reducir la emisioacuten de CO en los hogares aportando una pequentildea
ayuda al medio ambiente
COMENTARIOS
Los conocimientos adquiridos durante este tiempo fueron provechosos en la parte
teoacuterica y praacutectica aclaramos dudas de como y porque se comportan las reacciones
quiacutemicas y los procesos de flujos Durante el desarrollo del proyecto aprendimos a
observar y la importancia de entender fiacutesicamente las algunos procesos relacionados
con la siacutentesis y caracterizacioacuten de materiales cataliacuteticos
Ingenieriacutea Quiacutemica 44
UAM-I
38 BIBLIOGRAFIacuteA
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UAM-I
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Ingenieriacutea Quiacutemica 46
UAM-I
APEacuteNDICE A
CRITERIOS PARA DETERMINAR QUIEacuteN CONTROLA EL PROCESO
Criterio de weisz para difusioacuten interna
Ec(12-16 Fogler) Los valores que se sustituyen en las siguientes ecuaciones fueron
tomados del catalizador que se analizo en el laboratorio
CWP = ( )
AS
cObsA
DeCRcr 2minus
lt 1
-rA(Obs) = velocidad de reaccioacuten observada molgcats Cc = concentracioacuten volumeacutetrica molm3
CAS = concertacioacuten en la superficie molm3
D= diaacutemetro del granulo m R = radio del granulo m De = difusividad efectiva m2s
d = 0149mm mxmm
m 4104911000
1 minus=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
CWP = ( )( )3
32
24
33
103470184200350
21049150800010681
minus
minusminus
=⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞⎜
⎝⎛
x
mmol
hrm
mxcatm
gcathgcat
molx
734x10-3 lt 1 No hay limitante por la difusioacuten interna
Ingenieriacutea Quiacutemica 47
UAM-I
Criterio de mears para difusioacuten interna Ec(12-62 Fogler)
Mm = 150ltAbc
bA
CkRnr ρminus
Mm =( )( )
0570
136000184200220
31110457508000106851
3
53
3
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ minusminus
hrs
mmol
sm
mxcatmgcat
hgcatmolx
0057 lt 015 no hay efecto de transferencia de masa externa Calculo de Dab para calcular el coeficiente de trasferencia de masa Ec(78 Lobo)
De =
KAAB DD11
1
+
DKA = 970X103 (80X10-8)(s
cmK 221 1090)
2400( =
DAB = 00018583ABAB
BA
PMMT
Ω
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ +
2
2123 11
γ
Para CO
0110=isin
Bk 0593 A=γ
Para O2
Ingenieriacutea Quiacutemica 48
UAM-I
0113=isin
Bk 0453 A=γ
( ) 51343359321
=+=ABγ
( )( )[ ] 21113110BAB k=isin A la temperatura de 400degK
( ) 583))113)(110((
40021 =
deg=
isin B
B
AB
B
KKKTK
Ω AB = 0907 Sustituyendo
DAB =s
cm2
2
2123
9730)9070()513(
)21281()400(00185830=
+
De = hrm
hrs
cmm
scm 222
03501
3600100
10980
10901
97301
1=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
+
Calculo de Kc Sh = (Re)12(Sc)13
Velocidad superficial
V = sm
shr
hrm
mxhr
m
Av
c
02036001976
1087
006025
3
0 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛== minus
Ingenieriacutea Quiacutemica 49
UAM-I
Re= ( ) 240)1062)(501(
)10491)(020(
1 25
4
=minus
=minus minus
minus
smx
mxsmvd p
νφ
Sc= 672)3600
1)(0350(
10622
25
==minus
shr
hrm
smx
Dv
AB
Sh= ( 024 )12 ( 267 )13 = 0679
Kc = Shdp
DAB⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛minusφ
φ1
Kc = ( )sm
mxs
mx02206790
10491
10729
50501
4
26
=⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛minus
minus
minus
Calculo de numero Thile con el radio que usara a nivel industrial
φ = L ( )DkCn n
AS
21 1minus+
L = 3R
Sustituyendo
φ = 66x10-4 m( )
( )
450
03502
018420
5480941311
3
30
3330
313
=
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+
catmhrm
mmol
hrcatmmolm
η = 1 con los resultados anteriores se observa que quieacuten limita es la velocidad de
reaccioacuten Por lo que se procede a calcular el peso y longitud de catalizador
necesaria para muestro purificador sustituyendo los valores del Boiler
Ingenieriacutea Quiacutemica 50
UAM-I
Peso del Catalizador w =
( ) grcatgcatLn
gcatm
mmol
hrcatmmolm
hrm
xLn
kCv
A
66476639401
1
6000001578
548094
19836
11
330
3330
313
3
0
0 asymp=minus
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
minus
g 664=w
33
3
1011
mg60000
g 664 mxwv minus===ρ
m 035003101011
2
33
==minus
mmxL
cm 531000350 == xL
Ingenieriacutea Quiacutemica 51
UAM-I
APEacuteNDICE B BALANCE DE MASA DE LA PREPARACIOacuteN DE HAUCL4 Au(g) + 3HNO3(ac) + 4HCL(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O + 3N02(g) (152 M) (105M)
cantidad de mol Au = 05 kg Au x molAu
grAumolAux
kggr 542
971961
11000
=
cantidad de kg HNO3 = ( ) 33
33 480
10001
1635423 kgHNO
grkgx
molHNOGRHNOxHNOmol =
cantidad de kgHCl = ( ) kgHClgr
kgxmolHCl
grHClHClxmol 3701000
11
5365424 =
cantidad de kgHAuCl4 = 254molHAuCl4 x 44
8601000
11
97339 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
gr=
cantidad de kgH2O = 3( 254mol)H20 x OkgHgr
kgxOmolHOgrH
22
2 1401000
1118
=
cantidad de Lt H20 = 762molHNO3 x OltHOkgHOLtH
22
2 14011
=
cantidad de Lt H20 = 1016 mol HNO3 x 050215
012
2 LtHmol
LtH=
cantidad de LtH20 = 1016mol HCl x OLtHLtHmolHCl
LtH22
2 010970510
01asymp=
cantidad de MHAUCl4 = ( ) ( ) ( ) MHltltlt
ClmolHAU 7210850490140
542
2
4 asymp++
cantidad de kg NO2(g) = 3( 254mol)NO2 x )(22
2 3501000
1146
SkgNOgr
kgxmolNO
grNO=
Ingenieriacutea Quiacutemica 52
UAM-I
05 kg Au 048 kgHNO3 035 kgNO2 101021 kgH20 (152M) 037 kgHCl(ac)
(105 m) 086 kg HAuCl4 (ac) 086 kg HAuCl4 (ac)
(17 M) 014 kgH20 (25x10-3M) 014kg H20 (L) 086kg HAuCl4 035kgNO2 (g) 101185kg H20 Cantidad de H20 = 086 kgHAuCl4
x 08510110101
105201
173341
11000
22
23
24 kgHLtHkgHx
MxltHx
grmolHAuClx
kggr
=minus
pero (101185 ndash 014 ndash 05 ndash 1) kg H20 = 101021 kg H20 100ml H20 por 1 gr soporte 35kg NH4 (OH)(AC) 10000kgH20 100 kg γAl203 (9965) 035kgAu (035) 100kg γAl203 025kgCl2 086kg HAuCl4 026kgHAuCl4
101185 kg H20 35kgNH4 (OH)(AC) 1101185kgH20 cantidad de kgHAuCl4 = 015kgAu x
44
4 2601000
11
973391
197196
147196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxgrAu
molxkg
gr=
cantidad de NH4(OH) = 100kg γ Al203 x
Ingenieriacutea Quiacutemica 53
UAM-I
kgNHxmol
grx
mlmol
xOAlgr
OHmlNHx
kg
gr53
10001
1
35
100010
1
)(10
1
1000
32
4=
γ4(OH)
30kg γAL2O3 1 kgNH4(OH)(AC) 30 kg γ Al203 (9965) 010 kg Au (035) 026kgHAuCl4 007kg Cl2 35kgNH4(OH) 1101185 kgH2O 0086kgHAuCl4 45 kg NH4(OH)(AC) 1101185 kg H20
cantidad de γ Al2O3 = 026kgHAuCl4 x 324
32 02330860
100 AlkgkgHAuCl
OAlkg γγ=
cantidad de kgAu = 035 x kgAukg 10506599
30=
cantidad de kg Cl2 = 01 kgAu x
22
2 07201000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de HAuCl4 = 005kgAu x
44
4 08601000
11
973391
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 54
UAM-I
cantidad de kgNO4(OH) = 30 kg γ Al203 x ( )OHkgNHAlkg
OHkgNO4
32
4 0510100
)(53=
γ
105 kg γ Al203 035 kg NH2(OH) 105 kg γ Al203 (9965) 004 kg Au (035) 009kg HAuCl4 003 kg Cl2 45kgNH4(OH) 1101185 kg H20 0017kgHAuCl4 485kgNH4 (OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 009 HAuCl4 x 324
32 04710860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad kg de NH4 (OH) = 105kg γ Al203 x ( ) )(3500100
534
32
4 OHkgNHAlkg
OHkgNH=
γ
cantidad de Cl2 = 004 kg Au x
22
2 02901000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
gAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 =
44
44 02001701000
11
973391
197196
11
1000010 kgHAukgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgr
molAuxkg
grkgAux asymp=
Ingenieriacutea Quiacutemica 55
UAM-I
23 kg γ Al203 008kgNH4(OH) 002 kg HAuCl4 23 kg γAl203 (9965) 485kgNH4(OH) 0008kgAu(035) 1101185kg H2 0001kg Cl2
0014 kg HAuCl4 493kgNH4(OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 002kgHAuCl4 x 324
32 032860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad de kg Au = 035 x kgAukg 00806599
32=
cantidad de kgCl2 = 0002kgAu x
24
4 00101000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 = 0008kgAu x
44
44 01401000
11
973341
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 56
UAM-I
APEacuteNDICE C ACCESORIOS EN EL DISENtildeO
Agitador
Agitadores de Heacutelice se escogioacute este tipo de agitador por ser tener las siguientes
caracteriacutesticas [3]
bull Es un agitador de flujo axial
bull Se emplea para liacutequidos pocos viscosos
bull Giran a toda la velocidad del motor
bull Las corrientes de flujo se mueven a traveacutes del liacutequido en una direccioacuten
determinada hasta que son desviadas por el fondo o las paredes del tanque
bull Las palas de la heacutelice cortan o friccionan vigorosamente el liacutequido
bull Los agitadores de heacutelice son eficaces para tanques de gran tamantildeo
Horno
bull El horno se escogioacute por ser tener las siguientes caracteriacutesticas [5]
bull El horno de construccioacuten metaacutelica
bull La caacutemara de combustioacuten estaacute construida mediante hormigones refractarios
de alta resistencia mecaacutenica
bull Las materias secar y calcinar se carga de forma manual
Ingenieriacutea Quiacutemica 57
UAM-I
Bomba
DISENtildeO Bomba centrifuga para operacioacuten horizontal o vertical del impulsor
cerrado succioacuten al extremo descarga hacia arriba tangencial simple succioacuten de un
paso con carcaza partida verticalmente [3]
ROTACIOacuteN En el sentido del reloj vista desde el cople
CARACTERIacuteSTICAS Conexiones brindadas con registro ubicado en la cabeza de
succioacuten para facilitar su limpieza
SERVICIO Debido a que es posible colocarla en posicioacuten horizontal o vertical tanto
en caacutercamos secos como huacutemedos y por el disentildeo de su impulsor que soacutelidos de
gran tamantildeo esta bomba es ideal para los procesos de tratamientos de agua y
manejo de liacutequidos en suspensioacuten en general
CAPACIDADES
GASTO Hasta 3000 GPM
CDT Hasta 80rsquo
PRESIOacuteN 106 Kgcmsup2
POTENCIA De 1 a 60 Hp
VELOCIDAD (1175 - 3550 RPM)
TEMPERATURA 125degC
Ingenieriacutea Quiacutemica 58
UAM-I
Bombas Centriacutefugas
Las maquinas centriacutefugas estaacuten constituidas por un impulsor o rodete formado por
una serie de aletas radiales diversas formas y curvaturas que giran dentro de una
caja circular El fluido penetra por el ojo o eje de rotacioacuten y se descarga maacutes o
menos radialmente en una caacutemara perifeacuterica a una elevada presioacuten que
corresponde a la suma de la fuerza centriacutefuga de la rotacioacuten maacutes la cineacutetica
comunicada al fluido por las aletas La parte moacutevil de la bomba es el rodete Las
aletas del rodete se extienden desde el centro de rotacioacuten hacia la periferia y las
bridas son los discos de refuerzo a cada lado de las aletas que las envuelven Las
aletas pueden ser radiales curvadas ligeramente hacia delante en el mismo sentido
de la rotacioacuten o estar curvadas al reveacutes en el caso maacutes comuacuten en el disentildeo se
determino el rodete siguiente por sus caracteriacutesticas Fig 1
Figura 1 Corte parcial de un rodete de centriacutefuga para grandes cargas y secciones
de paso estrechas empleando con liacutequidos corrosivos o suspensiones de pequentildeas
partiacuteculas[4]
Ingenieriacutea Quiacutemica 59
UAM-I
APENDICE D CALCULO DE POTENCIA DE BOMBAS (8)
Potencia de la bomba de la cisterna 1 que alimenta a los mezclador 4
Ecuacioacuten de Bernoulli
sum sumint =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛+++∆+∆i i
i
P
P
evvfDLvwdphgv 0
21
21
ˆ1
21 222
2
1ρ
a b c d e f
a Diferencia de velocidades
b Diferencia de alturas
c Diferencia de presiones
d Trabajo
e Perdidas de friccioacuten en tuberiacuteas
f Perdidas de friccioacuten en accesorios
En la ecuacioacuten anterior se pueden eliminar algunos teacuterminos
21 mts
6 mts 35 mts
Figura 1 Balance de cisterna 1 a mezclador 4
Se debe de tener dos puntos de referencia para la utilizacioacuten de la ecuacioacuten de
Bernoulli de los cuales se anotaron en la figura 2
Ingenieriacutea Quiacutemica 60
UAM-I
21 mts
2 1 6 mts 35 mts
Figura 2
Teniendo los puntos de referencia se analiza que las diferencias de velocidades son
cero en ambos puntos por lo tanto el termino 2
21 ν∆ es igual a cero
El termino de = (981hg∆ 2segm )(35m ndash 0) = 34335 2
2
segm
El termino de int2
1
1P
P
dpρ
se tiene que la cisterna y el tanque de mezclado ambos no
estaacuten cerrados y por lo tanto no originan un cambio de presioacuten y el termino es cero
De esta expresioacuten L longitud de tuberiacutea
tro de tuberiacutea
n el interior del tubo
v
Para la l radio del tubo que
sum ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
i
fDL2
21 ν
D diaacuteme
f perdidas de friccioacuten e
velocidad del flujo de agua
obtencioacuten de la velocidad se tiene el flujo volumeacutetrico y e
es de 32 cm =0032mts con la ecuacioacuten
Ingenieriacutea Quiacutemica 61
( )( ) sm
ms
m
RQ 761
032060min1)
min340(
2
3
2 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
==ππ
ν
UAM-I
Se reportan valores de perdida de fr
e reduce teacuterminos
iccioacuten en tubos que son igual a 005
Por lo tanto sustituyendo los teacuterminos en la ecuacioacuten de Bernoulli s
sum sumint =⎟⎠
⎜⎝
+⎟⎠
⎜⎝
+++∆+∆i i
iP
evvfD
vwdphgv 022
ˆ2
1ρ
⎞⎛⎞⎛ L 111 2222
or tanto el termino de trabajo queda expresado de la siguiente manera
tanto la bomba comunica al fluido que circula en el sistema un trabajo
+11727
P1
p w
sum sum ∆minus⎟⎠⎞
⎜⎝⎛minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛minus=
i ii
hgevvfDLvw 22
21
21
ˆ
( ) ( )
Este es el trabajo ( por unidad de masa) producido por el fluido en la bomba por lo
22
sm o 11727 981 = 1195
m
fKg
Kgm
La velocidad de flujo de masa es
Por lo tanto
1 )=6694
951)(675(ˆ =minus=minus WwW smkg f = 088Hp = 1Hp
Siendo esta ida para esta bomba El procedimiento anterior se
iguioacute para cada bomba de la planta
AP E
la potencia requer
s
EacuteNDICE
TOXICOLOGIacuteA DE MATERIAS PRIMAS [6]
( ) ( ) ( )( ) ( )( )msm
smmmm
sm 538192201150761
21050
032021536761
21
2
22minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ +minus⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ++
minus=wm
22
27117ˆ smw minus=
( )s
kgmkgQw m675100060340 3 === ρ
Ingenieriacutea Quiacutemica 62
UAM-I
HIDROacuteXIDO DE SODIO
Polvo corrosivo blanco delicuescente
Toxicidad
Concentracioacuten Maacutexima permisible 2mgm3 en aire
Signos y Siacutentomas Conjutivitis quemaduras corneales y de la piel Irritacioacuten
seas vomito dolor abdominal y diarrea a veces con
Lavado de las partes afectadas tranquilizantes sulfato de
decuada gafas protectoras o pantallas para
ignos y Siacutentomas Irritacioacuten de ojos quemaduras corneables tos dolores
l hemoptisis dolor de cabeza dolor epigaacutestrico nauseas y vomito
lmonar
Tratamiento lavado de ojos con agua reposo oxigeno con aparato de respiracioacuten
con onantes
ACIDO NITRICO
Liquido corrosivo sofocante de incoloro a amarillento
ioacuten maacutexima permisible 10ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
del tracto respiratorio nau
sangre
Tratamiento
morfina para el dolor y cortisona
Medidas preventivas Ventilacioacuten a
la cara completa mascarilla con filtro mecaacutenico guantes delantares botas de
goma y acentuar la limpieza personal
CLORO
Gas pasado amarillo verdoso
Toxicidad
Conc Maacutexima permisible 1 ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten
S
retrosterna
debilidad cianosis y edema pu
trolada bronco dilatadores y descongesti
Toxicidad
Concentrac
Ingenieriacutea Quiacutemica 63
UAM-I
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
Signos y siacutentomas Erosioacuten dental estornudo tos Dolor en el pecho bronquitis y
la las partes contaminadas del cuerpo con solucioacuten al 5 de
de las quemaduras con pantildeos
de triacuteo sulfato soacutelido si se a ingerido
vado de ojos con agua
ACIDO CLORIDRICO
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
ivitis necrosis corneal por inhalacioacuten rinitis erosioacuten
dolor de cabeza palpitacioacuten por ingestioacuten
s en la boca faringe esoacutefago estomago salivacioacuten vomito Soc
agua lavada de agua y jaboacuten de las partes
preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
AacuteC
El c
con o de hidroacutegeno una
concentracioacuten de 12 molLt Este aacutecido es un liacutequido incoloro con un olor aacutecido
bronconeumoniacutea
Tratamiento
bicarbonato soacutelido o con agua y jaboacuten Tratamiento
mojados con solucioacuten saturada
administracioacuten por viacutea oral de solucioacuten de jaboacuten Hidroacutexido caacutelcico o alumiacutenico u
oacutexido de magnesio
Medidas preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores excluir de la exposicioacuten
a los individuos con enfermedades de pulmones y rintildeones
Gas incoloro o liacutequido o a amarillento
Toxicidad
Concentracioacuten maacutexima permisible 5ppm en aire
Signos y siacutentomas conjunt
dental laringitis bronquitis neumoniacutea
quemadura
nefritis
Tratamiento lavado de ojos con
contaminantes del cuerpo tratamiento ordinario de quemaduras lavado gaacutestrico
se a ingerido con solucioacuten de bicarbonato soacutedico al 5 seguido de una instilacioacuten
de gel de hidroacutexido de aluminio
Medidas
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores
IDO CLORHIacuteDRICO
loruro de hidroacutegeno es en extremo soluble en agua de hecho el aacutecido clorhiacutedrico
centrado contiene cerca del 38 en masa de clorur
Ingenieriacutea Quiacutemica 64
UAM-I
pronunciado que se debe al equilibrio entre el cloruro de hidroacutegeno gaseoso y
ste con el aacutecido fluorhiacutedrico el aacutecido clorhiacutedrico es un aacutecido fuerte (pKa = -
7) y se ioniza casi totalmente
gar de aacutecido sulfuacuterico auque en menor grado Por
jemplo el zinc metaacutelico reacciona con aacutecido clorhiacutedrico para dar el ion zinc e
hidroacutegeno gaseoso
Zn(s) + 2HCl(ac) ZnCl2(ac) + H2(g)
l para producir aacutecido clorhiacutedrico en el laboratorio es generar
cloruro de hidroacutegen e sodio y el aacutecido
ulfuacuterico En el primer paso a 150degC se forma hidroacutegeno sulfato de sodio
NaHSO4(s) + HCl(g)
io y maacutes
loruro de hidroacutegeno gaseoso Luego el gas se disuelve en agua para formar el
aacutecido
NaHSO4(s) + NaCl(s) Na2SO4(s) + HCl(g)
acuoso
HCl(ac) HCl(g)
El reactivo de grado teacutecnico a menudo tiene un color amarillento por una impureza
del ion hierro (III)
En contra
HCl(ac) + H2O(l) H2O+(ac) + Cl -(ac)
Por ello a menudo se prefiere usar aacutecido clorhiacutedrico diluido en lugar de aacutecido niacutetrico
que es muy oxidante y en lu
e
Cuando el zinc reacciona con el aacutecido niacutetrico es comuacuten que se reduzca una parte
del ion nitrato para dar dioacutexido de nitroacutegeno
El meacutetodo tradiciona
o gaseoso por la reaccioacuten entre el cloruro d
s
NaCl(s) + H2SO4(l)
La mezcla se calienta a 550degC temperatura a la cual el hidroacutegeno sulfato de sodio
reacciona con un exceso de cloruro de sodio para formar sulfato de sod
c
∆
Este meacutetodo se usa tambieacuten en la industria otra forma de producir cloruro de
hidroacutegeno es por la combinacioacuten directa de dicloro y dihidroacutegenogaseosos
Ingenieriacutea Quiacutemica 65
UAM-I
H2(g) + Cl2(g) 2HCl(g)
La mayor cantidad de cloruro de hidroacutegeno que se produce actualmente es un
CH4(g) + 4Cl2(g) 4(l) + 4HCl(g)
riacuten de superficies de acero en un bantildeo aacutecido en la purificacioacuten de glucosa
y jarabe de maiacutez e s y de gas y en la
bricacioacuten de compuestos clorados El aacutecido se puedo comprar en muchas
nducida por la luz
4HNO3(ac) 4NO2(g) + O2(g) + 2H2O(l)
niacutetrico como disolvente)
H2NO3+ H2O + NO2
+
l siguiente
3HNO NO3 ndash
subproducto de otros procesos industriales como la siacutentesis de tetracloruro de
carbono
CCl
Se consumen cerca de 107 toneladas de aacutecido clorhiacutedrico cada antildeo en todo el
mundo Este aacutecido tiene una gama muy amplia de usos como aacutecido comuacuten para
eliminar o
n el tratamiento con aacutecido de pozos petrolero
fa
ferreteriacuteas con el arcaico nombre de aacutecido muriaacutetico sus principales usos caseros
son la limpieza de superficies de concreto y la eliminacioacuten de herrumbre Un nuacutemero
muy reducido de personas es incapaz de sintetizar suficiente jugo gaacutestrico y deben
de ingerir caacutepsulas de aacutecido clorhiacutedrico diluido con cada comida
AacuteCIDO NIacuteTRICO
El aacutecido niacutetrico un liacutequido aceitoso e incoloro en estado puro es sumamente
peligroso El aacutecido que funde a ndash42degC y hierve a +83degC tiene por lo general un
ligero color amarillo a causa de una reaccioacuten de descomposicioacuten i
En un estado puro el aacutecido niacutetrico liacutequido praacutecticamente no conduce la electricidad
Una pequentildea porcioacuten se ioniza como sigue (todas estas especies existen en el aacutecido
2HNO3(l) H2NO3+ + NO3
ndash
H2O + HNO3 H3O+ + NO3 ndash
Para dar la reaccioacuten globa
3 NO2+ + H3O + 2+
Ingenieriacutea Quiacutemica 66
UAM-I
El catioacuten nitrilo es importante en la nitracioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas por ejemplo la
obenceno C6H5NO2 una etapa importante en
umerosos procesos industriales orgaacutenicos
El aacutecido niacutetrico con en agua mientras
ue el ldquoaacutecido niacutetrico fumanterdquo un oxidante extremadamente poderoso es una
vez de ello se produce una mezcla de
sistema que da un orden de
vista industrial el
oceso
e lleva a cabo en tres etapas Primero se hace pasar una mezcla de amoniaco y de
dioxiacutegeno (o aire) un proceso muy
ficiente y exoteacutermico que hace que la malla se ponga al rojo Esta etapa se verifica
conversioacuten de benceno C6H6 en nitr
n
centrado es en realidad una solucioacuten al 70
q
solucioacuten roja de dioacutexido de nitroacutegeno en aacutecido niacutetrico puro Incluso cuando esta
diluido el aacutecido niacutetrico es un oxidante tan fuerte que rara vez desprende hidroacutegeno
cuando se pone en contacto con metales en
oacutexidos de nitroacutegeno y el metal se oxido a su catioacuten
Los enlaces O-N son mucho maacutes cortos (121 pm) que el enlace O-N unidos al aacutetomo
de hidroacutegeno (141 pm) Esta longitud de enlaces indica que hay enlaces muacuteltiples
entre el nitroacutegeno y los dos aacutetomos de oxiacutegeno terminales Ademas de los electrones
del sistema σ hay cuatro electrones que participan en el sistema π O-N-O dos de un
orbital enlazante y dos en un orbital no enlazante
enlace de 112 para cada uno de esos enlaces nitroacutegeno- oxiacutegeno
A veces se nos olvida hasta queacute punto nuestra experiencia depende de la
termodinaacutemica y la cineacutetica Por ejemplo la primera siacutentesis industrial de aacutecido
niacutetrico se llevaba ha cabo por simple combinacioacuten de diniacutetrogeno dioxiacutegeno y agua
utilizando un horno de arco eleacutectrico a fin de proporcionar la energiacutea necesaria par
superar la muy elevada barrera cineacutetica Aunque desde el punto de
factor cineacutetico constituiacutea un problema en realidad es una bendicioacuten por que sin esta
barrera cineacutetica hace mucho tiempo que todo el dioacutexido de la atmoacutesfera se abriacutea
transformado en aacutecido niacutetrico y nuestros mares serian de aacutecido niacutetrico diluido
frac12 N2(g) + 54O2(g) + 12H2O(g) HNO3(g)
Ahora se utiliza el proceso Ostwald para la siacutentesis de aacutecido niacutetrico Este proceso
consume gran parte del amoniaco que se produce por el proceso Haber El pr
s
a traveacutes de una malla de platino metaacutelico Eacuteste es
e
a baja presioacuten para aprovechar el efecto entropico es decir la formacioacuten de 10
moles de gas a partir de 9 moles de gas (una aplicacioacuten del principio de Le Chatelier)
para desplazar el equilibrio a la derecha
Ingenieriacutea Quiacutemica 67
UAM-I
4NH3(g) + 5O2(g) 4NO(g) + 6H2O(g)
Se agrega maacutes oxiacutegeno para oxidar el monoacutexido de nitroacutegeno a dioacutexido de nitroacutegeno
A fin de mejorar el rendimiento de esta reaccioacuten exoteacutermica se extrae calor de los
ases y la mezcla se somete a presioacuten
2HNO3(l) + NO(g)
Esta reaccioacuten tambieacuten es exoteacutermica y una vez maacutes se aplica enfriamiento y alta
la
egunda etapa para oxidarlo de nuevo
La contaminacioacuten s de aacutecido niacutetrico
as plantas maacutes antiguas eran faacutecilmente identificables por la fumarola cafeacute-
antas maacutes antiguas ahora mezcla cantidades
en Estados Unidos porque un 20
dedica ala produccioacuten de explosivos
or ultimo el aacutecido niacutetrico es un liacutequido que hierve a 826degC No existe como liacutequido
g
2NO(g) + O2(g) 2NO2(g)
El dioacutexido de nitroacutegeno se mezcla con agua para dar una solucioacuten de aacutecido niacutetrico
3NO2(g) + H2O(l)
presioacuten par obtener el maacuteximo rendimiento El monoacutexido de nitroacutegeno se vuelve a
s
soliacutea ser un problema importante de las planta
L
amarillento del dioacutexido de nitroacutegeno que escapaba por ellas Las plantas maacutes
antiguas eran faacutecilmente identificable por la fumadora cafeacute-amarillo del dioacutexido de
nitroacutegeno que escapaba de ellas Las pl
estequiomeacutetricas de amoniaco con las oacutexidos de nitroacutegeno con lo cual se obtiene
dinitroacutegeno y vapor de agua ambos inocuos
NO(g) + NO2 (g) + 2NH3(g) 2N2(g) + 3H2O(g)
En todo el mundo alrededor del 80 del aacutecido niacutetrico se utiliza en la produccioacuten de
fertilizantes Esta proporcioacuten es de solo el 65
se
P
puro porque en alguna medida se descompone espontaacuteneamente como sigue
4HNO3(l) 4NO2(g) + 2H2O(l) + O2(g)
Ingenieriacutea Quiacutemica 68
UAM-I
El aacutecido niacutetrico concentrado que se usa en el laboratorio estaacute al 68 en masa HNO3
(densidad 142 gcm3) lo que corresponde a 157 M
l aacutecido niacutetrico es un poderoso agente oxidante El nuacutemero de oxidacioacuten del N en el
) El aacutecido niacutetrico puede oxidar
nto a metales que estaacuten abajo del hidroacutegeno como aquellos que se encuentran
4Zn2+(ac) + NH4
+(ac) + 3H2O(l)
do no oxida al oro Sin embargo cuando se mezcla con
cido clorhiacutedrico concentrado en relacioacuten 13 en volumen (una parte de HNO3 a tres
partes al oro
omo sigue
APEacuteNDICE F
ETODO DE DEPOSICIOacuteN-PRECIPITACIOacuteN
E
HNO3 es + 5 Los productos maacutes comunes de la reduccioacuten del aacutecido niacutetrico son el
NO2 (N = + 4) el NO (N = + 2) y el NH4+ (N = - 3
ta
arriba en la serie de actividades Por ejemplo el cobre es oxidado por el aacutecido niacutetrico
concentrado como se mencionoacute antes
En presencia de reductores fuertes como el zinc metaacutelico el aacutecido niacutetrico se puede
reducir hasta ion amonio
4Zn(s) + 10H+(ac) + NO3
-(ac)
El aacutecido niacutetrico concentra
aacute
de HCl) la disolucioacuten resultante denominada agua regia puede oxidar
c
Au(s) + 3HNO3(ac) + 4HCl(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O(l) + 3NO2(g)
M
Ingenieriacutea Quiacutemica 69
UAM-I
APEacuteNDICE G
ISENtildeO DEL MEZCLADOR [4]
1) 100 ml H2O gr soporte
2) NH4(OH)
Ajustar a PH = 9 4) HAuCl4 (solucioacuten acuosa al 25E-3M)
6) Filtrado o centrifugado
3) En Agitacioacuten por 2 hr
8) Secado por 2hr a 80 degC
9 ) Calcinado por 4hr a 400 degC
7) Lavado
5) Antildeegamiento por 30 min
D
Ingenieriacutea Quiacutemica 70
UAM-I
El disentildeo de un tanque agitado dis n nuacutemero de elecciones sobre el
po y localizacioacuten del agitador las proporciones del tanque el nuacutemero y dimensiones
ada una de estas decisiones afectan a la velocidad
e circulacioacuten del liacutequido los modelos de velocidad y el consumo de potencia Como
pone de un gra
ti
de las placas deflectoras etc C
d
punto de partida en el disentildeo de los problemas ordinarios de agitacioacuten generalmente
se utiliza un agitador de turbina del tipo que se muestra en la figura 1 La proporcioacuten
tiacutepica es
31
=t
a
DD
1=tD
H 121
=tD
J 51
=aD
W 41
=aD
L
de estas ecuaciones se disentildeara el mezclador como datos se tiene el valor H que es
igual a 3 mts y el diaacutemetro del tanque D
Se determinara la medida de los reflectores
t que es igual 3 mts
121
=tD
J se despeja J
elacioacuten R31
=t
a
DD
se despeja Da
Relacioacuten
41
=aD
L se despeja L
elacioacuten se despeja W
( ) ( ) cmmtsmtsDJ 25250311==⎟
⎞⎜⎛=⎟
⎞⎜⎛= t 1212 ⎠⎝⎠⎝
( ) ( ) mtsmtsDD ta 1331
31
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=
( ) ( ) mtsmtsDL a 250141
41
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛= cm25=
51
=aD
WR
Ingenieriacutea Quiacutemica 71
UAM-I
Figura 2 a) Vista transversal del mezclador b) paletas del mezclador con la
donde se deposita el soporte
Figura 1 Medidas de un agitador de turbina
a) b)
s rejillas
H
J
E L
Da
D t
W
W
( ) ( ) cmmtsmtsDW a 2020151
5==⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎜⎝
=1 ⎞⎛
Ingenieriacutea Quiacutemica 72
UAM-I
2 1 INTRODUCCIOacuteN
Existen reportes [6] sobre la actividad de catalizadores Auγ-A12O3 AuCo3O4 AuNiO
sintetizados por diferentes meacutetodos (co-precipitacioacuten deposicioacuten-precipitacioacuten e
impregnacioacuten etc) en la oxidacioacuten de H2 y CO La actividad se ha relacionado a un
efecto combinado entre Au y los oacutexidos metaacutelicos utilizados como soporte Sin
embargo una alta actividad cataliacutetica en la oxidacioacuten de CO e H2 estaacute directamente
relacionada al tamantildeo de partiacutecula de Au y la dispersioacuten de eacutestas en el soporte[7]
Algunos trabajos[8-9] indican que a menor tamantildeo de partiacutecula mayor actividad y
mayor estabilidad del catalizador
En el presente trabajo se prepararon catalizadores de Au soportado sobre γ-Al2O3
con un tamantildeo promedio de partiacuteculas de Au de 5 nm y alta dispersioacuten Se utilizaron
dos meacutetodos de preparacioacuten diferentes impregnacioacuten y deposicioacuten-precipitacioacuten
variando el contenido de oro de 007 a 1 en peso de Au Los catalizadores se
evaluaron en la oxidacioacuten de una mezcla de CO e H2 y fueron caracterizados por
difraccioacuten de rayos x microscopia electroacutenica absorcioacuten atoacutemica y absorcioacuten fiacutesica
Los resultados indican que efectivamente la actividad depende del tamantildeo de
partiacutecula y el contenido de Au en el catalizador En particular el catalizador con 035
en peso de Au presentoacute 100 de conversioacuten en ambas reacciones sin indicios de
desactivacioacuten durante 24 h continuas de operacioacuten a velocidades espaciales (GHSV)
mayores que 10 000 h-1 Con esto se pretende contribuir al desarrollo de
catalizadores ambientales que permitan disminuir las emisiones nocivas
provenientes de fuentes fijas y moacuteviles de nuestro paiacutes
Catalizadores de Oro Soportado 11
UAM-I
22 EXPERIMENTACIOacuteN
Siacutentesis de Catalizadores
Meacutetodo de DP Se dispersoacute 1 g de γ-Al2O3 (Ketjen) en 100 mL de agua tridestilada y
se adicionoacute NH4(OH) (JT Baker) (01M) hasta obtener un pH de 9 Posteriormente
se agregoacute por goteo durante 2 h 20 mL de una solucioacuten de AuCl3 (9998 Aldrich)
(25x 10-3 M) Despueacutes se agitoacute por 30 min y se filtroacute y lavoacute con agua destilada con
10 veces el volumen total inicial Por ultimo el soacutelido resultante se secoacute a 80degC por 2
h y se calcinoacute a 400degC por 4 h
Meacutetodo de IMP Se dispersoacute 1 g de γ-A12O3 en 100 mL de agua tridestilada por 30
min A esta mezcla se le antildeadioacute lentamente 20 mL de una solucioacuten de AuCl3 (25x10-
3M) y se mantuvo en agitacioacuten 720 min Durante este tiempo se ajustoacute el pH a 9 por
medio de la adicioacuten de una solucioacuten acuosa de Na2CO3 (JT Baker) El soacutelido se
filtroacute y lavoacute con 500 mL de agua tridestilada caliente (95degC) para eliminar los iones de
cloro que podriacutean afectar la actividad cataliacutetica Finalmente se secoacute a 120degC 24 h y
se calcinoacute a 400degC por 4 h
Los catalizadores preparados por el meacutetodo de DP e IMP se les llamaraacuten de aquiacute en
adelante x-Auγ-Al2O3-DP y muestra x-Auγ-Al2O3-IMP respectivamente donde x
indica el en peso de Au en el catalizador
Caracterizacioacuten de Catalizadores Absorcioacuten Atoacutemica La cantidad de oro en cada uno de los catalizadores se
determinoacute por absorcioacuten atoacutemica (SpectrAA-20 Varian) Antes de las mediciones el
equipo fue calibrado con una solucioacuten estaacutendar de Au (Sigma) Una muestra de cada
catalizador (01g) se disolvioacute en agua regia a temperatura ambiente la cual se
preparoacute mezclando 200 ml de HCl concentrado y 100 mL de HNO3 concentrado
Adsorcioacuten Fiacutesica La isoterma de adsorcioacuten fiacutesica de N2 a 75 K de cada catalizador
se obtuvo en un equipo automatizado Quantachrome Autosorb Automated A partir
de estos datos se determinoacute el aacuterea BET el radio y el volumen promedio de poro
Catalizadores de Oro Soportado 12
UAM-I
Difraccioacuten de Rayos X Se realizoacute en un difractoacutemetro Siemens D500 en un entrono
angular de 4 a 64ordm en 2θ La radiacioacuten Cuκα se seleccionoacute con un difractor de un haz
de luz monocromaacutetico
Microscopia Electroacutenica de Transmisioacuten (TEM) Se utilizoacute un Microscopio Electroacutenico
de Transmisor Mod EM910 Zeiss operando a un voltaje de 120 kV y con una
ampliacioacuten de 400000 aumentos Para la preparacioacuten de las muestras se tomaron
005 g de cada una y se disolvieron en alcohol etiacutelico y se sometieron a ultrasonido
(Branson 2210) por 5 min Posteriormente se colocaron las rejillas en porta objetos y
se agregoacute una gota de la solucioacuten del catalizador dejando secar a temperatura
ambiente hasta su medicioacuten
Evaluacioacuten cataliacutetica Las medidas de actividad cataliacutetica en la oxidacioacuten de CO e H2
CH4 y C2H8 se realizaron en un microreactor de cuarzo de lecho fijo en el cual se
colocaron en todos los casos 030 g de catalizador y se utilizoacute un flujo total de 100
mLmin Para la oxidacioacuten de CO se utilizoacute una mezcla con 1 CO 05 O2 033
H2 en N2 para las pruebas en condiciones estequiomeacutetricas y con 1 CO 21 O2
033 H2 en N2 para los experimentos en exceso de O2 El efluente fue analizado
por cromatografiacutea de gases (GC-12 A Shimadzu C-RGA con una columna SFE-1)
con detector de conductividad teacutermica Para la combustioacuten de CH4 se uso una
mezcla con 1 CH4 2 O2 97 N2 y para la combustioacuten de C3H8 una mezcla con
1 C3H8 2 O2 97 N2 En todos los experimentos la temperatura de operacioacuten
fue de 25 a 400 degC y la velocidad espacial fue 10146 h-1
Catalizadores de Oro Soportado 13
UAM-I
23 RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN
Absorcioacuten Atoacutemica y Adsorcioacuten Fiacutesica La Tabla 1 muestra los contenidos de Au
el Aacuterea BET (ABET) el volumen promedio de poro (VP) y el radio promedio de poro
(RP) para los catalizadores preparados
Se puede observar que el aacuterea BET de la γ-Al2O3 se modifica con la adicioacuten de Au El
aacuterea BET entre la γ-Al2O3 pura y la muestra DP concuerdan con lo reportado[10-11] de
que a mayor porcentaje de Au mayor es el aacuterea superficial sin embargo el aacuterea BET
del catalizador 007-Auγ-Al2O3-IMP que tiene un menor porcentaje de Au presenta
la mayor aacuterea BET Sin embargo aunque el radio promedio de poro es casi el mismo
para las tres muestras el catalizador 007-Auγ-Al2O3-IMP presenta el mayor
volumen promedio de poro Esto podriacutea deberse a que el meacutetodo de preparacioacuten
utilizado causoacute la generacioacuten de una mayor porosidad en la γ-Al2O3 en lugar de la
impregnacioacuten de una mayor cantidad de Au Las isotermas de adsorcioacuten de los
catalizadores fueron del tipo IV y semejantes en forma a la de la γ-Al2O3 (Figura 1)
La Figura 2 muestra que la distribucioacuten de tamantildeo de poros se centra dentro del
mismo margen para las tres muestras y se aprecia la presencia de mesoporos entre
los 50 y 125 Aring
Tabla 1 Contenido Au y caracteriacutesticas texturales en los catalizadores
Catalizador Au ( en peso) ABET (m2g) RP (Aring) VP (ccg)
γ-Al2O3 000 183 78 0489
IMP 007 301 79 0743
DP 035 215 78 0518
IMP 100
No se ha determinado
Catalizadores de Oro Soportado 14
UAM-I
0
100
200
300
400
500
0 02 04 06 08
PPo
Vads
(cm
3g)
STP
-Al2O3
035-Au -Al2O3-DP
007-Au -Al2O3-IMP
1
Figura 1 Isotermas de adsorcioacuten y desorcioacuten de N2 de los catalizadores Auγ-Al2O3
ifraccioacuten de Rayos X La Figura 3 muestra los patrones de difraccioacuten de Rayos X
0
0004
0008
0012
0016
002
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
Rp [A]
Dv(
r) [c
m3
Ag]
-Al2O3
035-Au -Al2O3-DP
007-Au -Al2O3-IMP
Figura 2 Distribucioacuten de tamantildeo de poros
D
de los catalizadores Se observa que todos son caracteriacutesticos de la γ-Al2O3 Es
imposible identificar la presencia del Au esto debido al pequentildeo porcentaje y la alta
Catalizadores de Oro Soportado 15
UAM-I
dispersioacuten del Au contenido en cada uno de los catalizadores Sin embargo para el
caso de que se tuviese mayor cantidad de Au el difractograma podriacutea presentar un
pico alrededor de los 38deg en 2θ el cual indicariacutea la presencia de Au A partir de esta
sentildeal y la ecuacioacuten de Scherrer algunos autores han calculado el tamantildeo promedio
de las partiacuteculas de oro en catalizadores soportados
Microscopia Electroacutenica Transmisioacuten (MET) En la Figura 4 se presentan las
casos los
imaacutegenes de MET para la γ-Al2O3 y los catalizadores 035-Auγ-Al2O3-DP y 007-Auγ-
Al2O3-IMP En ambos catalizadores el tamantildeo de partiacutecula se encuentra es mayor
que 2 nm pero menor o igual que 5 nm En ambos casos los resultados indican que
las partiacuteculas de oro estaacuten dispersadas de manera uniforme en el soporte
Se encuentra es mayor que 2 nm pero menor o igual que 5 nm En ambos
resultados indican que las partiacuteculas de oro estaacuten dispersadas de manera uniforme
en el soporte
Figura 3 Patrones de Difraccioacuten de Rayos X de los catalizadores Auγ-Al2O3
Catalizadores de Oro Soportado 16
UAM-I
Figura 4 Imaacutegenes de MET para (a) γ-Al2O3 (b) 035-Auγ-Al2O3-DP y (c) 007-Auγ-
Al2O3-IMP
Catalizadores de Oro Soportado 17
UAM-I
Se sabe que la alta actividad cataliacutetica del oro esta relacionada con su tamantildeo esto
quiere decir que entre maacutes pequentildeas sean las partiacuteculas mayor actividad tendraacuten
nes estequiomeacutetricas el catalizador 007-Auγ-Al2O3-
P no mostroacute actividad para la oxidacioacuten de CO e H2 sin embargo al operar la
por lo tanto de las imaacutegenes anteriores se tiene que el meacutetodo DP es el maacutes
adecuado por lograr depositar mayor cantidad de Au con gran dispersioacuten y un
tamantildeo de partiacuteculas pequentildeo
Actividad Cataliacutetica A condicio
IM
misma muestra con un exceso de O2 la actividad inicioacute a partir de 140oC alcanzando
una conversioacuten maacutexima de 8748 a 400 degC (Figura 5) En vista de este uacuteltimo
resultado se decidioacute evaluar el catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP a las mismas
condiciones de exceso de O2 En este caso la actividad cataliacutetica inicioacute por debajo de
los 30oC incrementaacutendose casi linealmente con la temperatura hasta lograr una
conversioacuten maacutexima de 9367 a 127degC La diferencia en actividad entre ambos
catalizadores es notable Auacuten a muy bajos contenidos de Au el catalizador 007-Auγ-
Al2O3-IMP presenta una actividad importante sin embargo al aumentar cinco veces
este contenido (035) y manteniendo el tamantildeo de partiacutecula es posible disminuir la
temperatura de encendido calculada como la temperatura a la cual se logra el 50
de conversioacuten (T50) en 175oC Un uacuteltimo estudio fue la evaluacioacuten del catalizador
10-Auγ-Al2O3-IMP el cual presenta una T50 de 290 degC(ver Figura 5) la cual es 40 degC
mayor que el catalizador 007-Auγ-Al2O3-IMP auacuten cuando el contenido de Au es
mayor La Figura 5 muestra tambieacuten la comparacioacuten de estos resultados con
trabajos anteriores[10] en los que utilizan el catalizador 5-Auγ-Al2O3-IMP a
condiciones estequiomeacutetrica en este caso T50 es de 215 degC tan solo 35 degC de
diferencia en comparacioacuten con el catalizador 007-Auγ-Al2O3-IMP La diferencia en el
contenido de Au es 15 veces menor En general al trabajar en condiciones en exceso
de O2 se tiene una mayor conversioacuten a una menor temperatura por lo que se
esperariacutea que los resultados del catalizador 5-Auγ-Al2O3-IMP bajo condiciones de
exceso fueran mejores sin embargo los autores no presentan estos resultados
Catalizadores de Oro Soportado 18
UAM-I
El catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP alcanzoacute 100 de conversioacuten a 176 degC a
condiciones de exceso de O2 (Figura 5) esta conversioacuten se mantuvo por 24 h sin
presentar indicios de desactivacioacuten (Figura 6) KRuth [12] reporta desactivacioacuten del
catalizador 10-Auγ-TiO2 a partir de 80 minutos de operacioacuten con una velocidad
espacial de 1x104 h-1 El catalizador fue preparado por deposicioacuten y contiene nano-
particulas (2-5nm) soportadas en TiO2 Sin embargo el catalizador logra 100 de
conversioacuten a 0 degC Esto es debido a que los catalizadores AuTiO2 presentan mayor
actividad a temperaturas bajas La Figura 6 muestra tambieacuten la conversioacuten reportada
por Seung-Jae[11] del catalizador 043-Auγ-Al2O3-IMP en donde la temperatura de
operacioacuten es de 25 degC sin embargo se tiene una desactivacioacuten apreciable a partir de
150 minutos de operacioacuten con una velocidad especiales de 8x10 h-1
Figura 5 Conversioacuten del CO para los catalizadores de 007-Auγ-Al2O3-IMP 10-
os resultados de conversioacuten del hidroacutegeno (Figura 7) muestran conversioacuten del 100
10 a 035 es de 20 degC
Auγ-Al2O3-IMP y de 035-Auγ-Al2O3-DP en condiciones de operacioacuten en exceso de
O2 la tasa de temperatura es de 2degC por minuto Datos Referencia [10]
L
por debajo de 150 degC con el catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP mientras que el
catalizador 007-Auγ-Al2O3-IMP logra conversioacuten completa hasta 270oC y para el
catalizador 10-Auγ-Al2O3-IMP se tiene una conversioacuten del 100 hasta 310 degC lo
cual indica que los tres catalizador son activos para ambas reacciones y que se
mantiene la tendencia observada para la oxidacioacuten de CO La disminucioacuten en T50 al
aumentar el contenido de Au de 007 a 035 es de 140oC mientras que para la de
Catalizadores de Oro Soportado 19
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado 20
Figura 6 Variacioacuten de la conversioacuten con respecto al tiempo para la muestra de DP a
una temperatura de 180 degC Datos Referencia [11]
Figura 7 Oxidacioacuten de H sobre los catalizadores 035-Au2 γ-Al2O3-DP 007-Auγ-
Al2O3-IMP y 10-Auγ-Al2O3-IMP bajo condiciones de exceso de O2
La Figura 8 muestra como varia la temperatura de encendido con la cantidad de Au
en los catalizadores preparados en este trabajo Se observa un miacutenimo para el
catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP lo cual indica que la mayor actividad se logra a bajos
contenidos de Au y tamantildeos de partiacutecula menores que 5 nm
0
20
40
60
80
0 200 400 600 800 1000Tiempo (min)
Con
vers
ioacuten
de C
O (
) 100
035-Au -Al2O3-DP (176 degC)
043-Au -Al2O3-IMP (25 degC)
0
20
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Temperatura (degC)
40
60
Con
vers
ioacuten
de H
2 (
)
80
100
10-Au -Al2O3-IMP035-Au -Al2O3-DP007- Au -Al2O3-IMP50-Au -Al2O3-IMP
UAM-I
F
o
P
o
o
re
d
F
c
C
T50 (degC)
igura 8 Variacioacuten de la te
xidacioacuten de CO con respect
or ultimo se realizaron cu
peracioacuten pero variado la
btenidos se muestran en la
accioacuten presentan una tend
e catalizador
00000
00040
00080
00120
00160
00200
0
(-rc
o)
00000
igura 9 Velocidad de reac
ondiciones en exceso de O2
atalizadores de Oro Soportado
masa Au
mperatura de encendido a 50 de conversioacuten en la
o a la cantidad de Au en el catalizador
atro corridas maacutes bajo las mismas condiciones de
masa de catalizador Las velocidades de reaccioacuten
fig9En esta figura se observa que las velocidades de
encia lineal despueacutes de los 80degC al aumentar la masa
50 100 150 200 250 300T (degC)
3 gr cat
25 gr cat
2 gr cat
15 gr cat
1 gr cat
cioacuten de CO a diferentes masas de catalizador y bajo
21
UAM-I
Se tomo una temperatura de 125 degC debido a las mediciones realizadas en
diferentes calentadores domeacutesticos Se encontroacute que la temperatura media es la
mencionada A partir de los datos experimentales se determinoacute que el orden de
reaccioacuten es 13 y la constante cineacutetica k = 480945 (m3)13[(mol)03m3cat hr] (00012
mhr) y un coeficiente de transferencia de masa de 792 mhr (ver apeacutendices A) con
estos valores y usando los criterios de Weisz-Prater y Mears[14] (ver apeacutendice B) se
obtuvo que no existe resistencia interna ni externa a la transferencia de masa por lo
que la cineacutetica es la que controla
24 CONCLUSIOacuteN DE LA EXPERIMENTACIOacuteN El meacutetodo de DP es mucho maacutes adecuado que el de IMP para la preparacioacuten de
catalizador de Au soportados en γ-Al2O3 ya que permitioacute obtener catalizadores con
cinco veces maacutes oro que el preparado por el meacutetodo IMP bajo condiciones similares
de preparacioacuten En ambos casos el tamantildeo promedio de partiacutecula fue menor que 5
nm Debido a esto el catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP presenta una mayor actividad
en la oxidacioacuten de CO e H2 sin observarse desactivacioacuten durante un periodo de 24 h
Puesto que en ambas muestras se consiguioacute una gran dispersioacuten y un tamantildeo
similar de nanopartiacuteculas de oro se tiene entonces que la principal diferencia de
actividad cataliacutetica se debe principalmente a la cantidad de Au en el catalizador Sin
embargo el catalizador 10-Auγ-Al2O3 presenta una menor conversioacuten que el de
035-Auγ-Al2O3-DP a pesar de contener maacutes Au por lo que hasta el momento se
podriacutea decir que la cantidad de Au optima se encuentra por debajo de 10 wt y por
arriba de 007 wt no obstante se requiere de la caracterizacioacuten del catalizador 10-
Auγ-Al2O3 se para determinar de que manera influyen el tamantildeo de partiacuteculas la
distribucioacuten el volumen y el tamantildeo de poro en los resultados esta caracterizacioacuten
asiacute como la evaluacioacuten cataliacutetica del catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP bajo
condiciones estequiomeacutetricas se encuentran en proceso
Catalizadores de Oro Soportado 22
UAM-I
25 BIBLIOGRAFIacuteA [1] M Haruta CatalToday 36 (1997) 153
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Pretice may Tercera edicioacuten Impresa en Meacutexico DF
Catalizadores de Oro Soportado 23
UAM-I
C A P I T U L O III
D I S E Ntilde O D E L A P L A N T A I N D U S T R I A L
Catalizadores de Oro Soportado 24
UAM-I
31 INTRODUCCIOacuteN
Este capitulo esta enfocado al disentildeo de la planta industrial donde se produciraacuten
catalizadores de Auγ-Al2O3 por el meacutetodo de Deposicioacuten-Precipitacioacuten (DP) descrito
en el capitulo 2
Parte de la produccioacuten de los catalizadores se destinaraacute a su venta en masa y otra
parte se destinaraacute para el equipo de purificacioacuten de calentadores de agua esto con
la finalidad que el catalizador que esta contenido dentro del equipo de purificacioacuten
cuando se desactive pueda remplazarse por catalizador nuevo disponible en el
mercado De esta forma se tendraacuten ganancias tanto al vender el equipo purificador
como al vender catalizador como materia prima
32 DISENtildeO DEL EQUIPO PURIFICADOR PARA CALENTADORES DE AGUA DOMEacuteSTICOS El equipo purificador se ubicaraacute a la salida del efluente gaseoso del calentador como
un equipo adicional como se muestra en la Figura 1 Se plantea colocarlo en una
posicioacuten tal que oxide a baja temperatura hasta el 90 de CO Las dimensiones del
purificador se determinaron seguacuten las especificaciones de calentador y el balance de
materia en el sistema purificador Estos caacutelculos se presentan en el Apeacutendice A
Los tubos de las chimeneas de los calentadores son de latoacuten por lo que se decidioacute
utilizar este material para la parte exterior la parte donde se colocaraacute el catalizador
es de 35 cm de longitud para colocarlo en el tubo de la salida del flujo de gas se
dieron 2 cm maacutes en cada extremo para hacer un tipo cople de manera que el tubo
entre en los extremos
Catalizadores de Oro Soportado 25
UAM-I
C O 2 2 0 c m 7 c m c m G A S C O
3
2cm
75 cm 35 cm
Figura 1 Esquematizacioacuten del equipo purificador y su ubicacioacuten en los calefones
Las dimensiones obtenidas (Apeacutendice A) y las caracteriacutesticas del purificado se
presentan en la Tabla 1
Tabla 1 Especificaciones de purificador
Material Latoacuten
Longitud 35 cm
Diaacutemetro 20cm
Cantidad de
Catalizador
700 gr
Catalizadores de Oro Soportado 26
UAM-I
33 PRODUCCIOacuteN DE LA PLANTA INDUSTRIAL A partir de un estudio de mercado se encontroacute que en la Ciudad de Meacutexico hay
cuando menos cuatro empresas principales (CALOREX ELSA MAGAMEX y
CINSA) que fabrican calentadores de agua residenciales[1 2] Estas en promedio
producen 150 calefones diarios Por cada calefoacuten se requiere un equipo purificador
En este sentido de requieren idealmente 600 unidades de purificacioacuten por diacutea Esta
base se utilizoacute para el disentildeo de la planta
A partir del balance de masa en el purificador y empleado los resultados
experimentales a nivel laboratorio (ver apeacutendice A) se encontroacute que cada purificador
requiere 07 Kg de catalizador A partir de este resultado se requiere producir al
menos 420 Kg de catalizador para satisfacer la demanda en la produccioacuten de
calefones Con base en el balance de materia realizado en el mezclador se
determinoacute que la cantidad de catalizador obtenido despueacutes de cuatro lotes es de
570 Kg Tomando el resto de catalizador como reserva por cualquier contratiempo El
nuacutemero de lotes se determinoacute en base a que fuese rentable la recuperacioacuten de oro
34 DISENtildeO Y OPERACIOacuteN DE LA PLANTA
La fabricacioacuten del catalizador a nivel industrial esta basada en el escalamiento del
meacutetodo de siacutentesis descrito en la parte experimental Lo cual es una praacutectica comuacuten
en la fabricacioacuten de materiales cataliacuteticos
Para la produccioacuten de 570 Kg por diacutea se plantea utilizar cuatro mezcladores (ver
Figura 2) que operaran durante 8 h con cuatro intervalos (o cargas) de 2 h y
descansos de 30 min (dejando 30 min libres por contratiempos) Esta operacioacuten se
elige con base en las horas de trabajo y el meacutetodo de preparacioacuten del catalizador
Al igual que en la parte experimental el proceso requiere operacioacuten por lotes debido
a que se necesitan largos tiempos de contacto para obtener catalizadores eficientes
en la oxidacioacuten de CO a baja temperatura Se pretende utilizar un agitador tipo
Catalizadores de Oro Soportado 27
UAM-I
canastilla[4] el cual permite colocar dentro de las mismas el catalizador para tener
una mejor impregnacioacuten de partiacuteculas de Au y eliminar la atricioacuten Las dimensiones
del agitador asiacute como del mezclador se presentan en la Figura 6
Al teacutermino de la uacuteltima carga en los mezcladores el lote completo del diacutea pasa al
horno para secarlo a 80degC por 2 h y calcinarlo a 400degC durante 4 h Durante estos
procesos se concluye la preparacioacuten del catalizador Las temperaturas y tasas de
calentamiento estaacuten basadas en el meacutetodo de preparacioacuten experimental descrito en
el Capitulo ll Posteriormente el catalizador producido pasa a la seccioacuten donde se
embolsa para ser vendido como materia prima y la otra parte pasa a la seccioacuten de
ensamblaje para fabricar el purificador
Dimensiones de la industria
Las dimensiones de los equipos como mezcladores cisternas tanque de
tratamiento horno etc se tomaron como base para poder suponer espacios entre
equipos para tener seguridad del personal Se dio preferencia a los mezcladores ya
que son las partes importantes en la elaboracioacuten de los catalizadores La cisterna
estaraacute enterrada para facilitar su llenado en el caso de los contenedores de HAuCl4
y NH4OH estaraacuten encima de bases maacutes altas que los mezcladores para poder
abastecerlos por gravedad Esto debido a que el volumen es poco no se requiere de
grandes cantidades por lo que no se requiere alguna bomba Se estuvo analizando
la forma de acomodar los equipos y se obtuvo la siguiente distribucioacuten que se
muestra en la Figura 3
En la Figura 4 se presenta el plano de la industria con sus respectivos
departamentos en la parte sur se encuentra la entrada principal en ella se encuentra
vigilancia y la entrada de empleados y obreros posteriormente esta la zona de
oficinas lado izquierdo del lado derecho se encuentra el estacionamiento para
clientes y empleados en el almaceacuten se encontraraacuten refacciones de equipo y
reservas de materia primas para los catalizadores en la zona de produccioacuten se tiene
el estacionamiento de proveedores para facilitar la entrada y salida del producto
Catalizadores de Oro Soportado 28
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado 29
Debido a que en cada industria debe existir un espacio recreativo se plantea una
cancha de Baacutesquetbol para los obreros y una zona de jardines en la parte norte
Ubicacioacuten de la industria
Para poder ubicar una industria es importante analizar la zona geograacutefica Para lo
cual se deben considerar algunos factores importantes por ejemplo No ubicarla en
zona de siacutesmica Si la industria requiere de un gran volumen de agua no ubicarla en
una regioacuten deseacutertica Si el producto es muy sensible al calor y la humedad evitar
zonas muy caacutelidas y huacutemedas Si se piensa vender el producto en una zona
especifica ubicar la industria cerca de la zona de venta para evitar gastos de
transportacioacuten A partir de este tipo de razonamientos se planea que debido a que el
producto que se elaborara que es un purificador cataliacutetico para su venta en la ZMVM
ya en ella estaacuten ubicadas las principales industrias de calentadores y debido a que la
planta requiere de un volumen considerable de agua se escogioacute el estado de
Morelos porque no esta muy lejos de la ZMVM y tiene reservas de agua Asiacute el gasto
de transportacioacuten de materias primas y sobre todo del producto elaborado seriacutea
pequentildeo
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Catalizadores de Oro Soportado
Agua
Tanque tratamien
Figur
NH4OH
HAuCl4
Produccioacuten de catalizadores
Recuperacioacuten de agua
de to
a
MezcladoresMezcladores
Cuando se requiere limpieza
Horno
Producto almaceacuten
30
1 Diagrama de produccioacuten Recuperacioacuten de cloro
UAM-I
35 BALANCE DE MATERIA DIAGRAMA DE FLUJO PARA DIFERENTES LOTES DE SOPORTE EN UN SOLO MEZCLADOR
Catalizadores de Oro So
05 Kg Au
10
0
086 Kg HAuCl4(ac)014 Kg H2O
035 Kg NO2(g)
2
35 Kg NH4(OH)(ac) (01M)
10000 Kg H2O
100 Kg Al3O
100 Kg Al2O3 (9965) 035 Kg Au (035) 025 Kg Cl2
026 Kg HauCl4(ac)35 Kg NH4(OH)
1101035 Kg H2O
O MEZCLADOR (t0)
10035 Kg catalizador
86 KgHAuCl4(ac)101035 Kg H2O
037 Kg HCl (ac) (105 M) 048 Kg HNO3(ac) (152 M)
porta
Kg N
30 Kg Al2Cl3
101021 Kg H2
do
H4 (OH) (ac) (01M) 30 Kg Al2O3 (9965) 01 Kg Au (035)
007 Kg Cl2
)
3
)
301 Kg catalizador MEZCLADOR (t1)
009 Kg HauCl4(ac)45 Kg NH4(OH)
1101035 Kg H2O
MEZCLADOR 1054 Kg catalizador
105 Kg Al2O3
(t2)
105 Kg Al2O3 (9965)
035 Kg NH4 (OH) (ac) (01M
004 Kg Au (035) 003 Kg Cl2
23 Kg Al2O
MEZCLADOR
(t3)23 Kg Al2O3 (9965)
2308 Kg catalizador
008 m3 NH4(OH) (ac) (01M
002 Kg HauCl4(ac)485 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
0008 Kg Au (035) 0006 Kg Cl2
0003 Kg HauCl4(ac)493 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
31
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado 32
DIAGRAMA DE FLUJO PARA UN MEZCLADOR
MEZCLADOR
1101035 Kg H2O
1428 kg γ-Al2O3
086 Kg HAuCl4
493 Kg NH4(OH)
0003 Kg HauCl4(ac)493 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
1433 Kg Catalizador
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
36 DIAGRAMA DE LA INDUSTRIA
INDUSTRIA DE CATALIZADORES
TANQUE DE TRATAMIENTO HORNO
CISTERNA 1
CONTENEDORDE AuCl3 CONTENEDOR DE
NH4OH ZONA DE LLENADO
DE SAPORTE
SE LLEVA AL HORNO
MANUALMENTE
PRODUCTOALMACEacuteN
Contenedor de HAuCl4
Figura 2 Diagrama de la distribucioacuten del equipo dentro del aacuterea de produccioacuten
33
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
37 DIMENSIONES DEL EQUIPO Y TUBERIacuteA
2 mts
2 mts 2 mts 6 mts 4 mts 3 mts 5mts 5 mts 3 mts 6 mts 3
3mts 3 mts 3mts 3 mts 3 mts
4 mts 1 5 mts 1 5 mts 4mts 4 7mts 4 mts 21 mts 7 2mts 26 mts 2 mts 21 mts 6 mts
3 5 mts 14 mts 6 mts 8 mts 1 5 mts 3 mts 5 mts 13 mts 8 mts 20 mts 30 mts
IN D U ST R IA D E C A T A L IZ A D O R E S
T AN Q U E D E T R AT AM IE N T O H O R N O
C IST E R N A 1
C O N T EN ED O RD E Au C l3
C O N T EN E D O R D E N H 4O H
ZO N A D E L LEN AD O D E SO PO R T E
AG UA PAR A JAR D IN ES
M E Z C L A D O R E S 12 3 y 4
1 2 3 4
A L M A C Eacute N
Contenedor de HAuCl4
Figura 3 Dimensiones del equipo y tuberiacutea requerida
34
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
38 PLANO DE DISTRIBUCIOacuteN DE AacuteREAS
Figura 4 Aacutereas de trabajo dentro de la planta
35
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
DIMENSIONES DE LA INDUSTRIA
Figura 5 Dimensiones de cada aacuterea de la planta industrial
36
UAM-I
Ingenieriacutea Quiacutemica 37
10 cm 3mts 1 mts 25 cm 15cm 5 cm 5 cm 3mts 150 mts 10 cms 100 mts 20 cm
003 mts
Figura 6 Dimensiones del mezclador y del Agitador
UAM-I
Las dimensiones de las canastillas se determinaron a partir del balance de masa y la
produccioacuten requerida La carga de un contenedor de soporte que es de 100kg del
cual el agitador tiene 4 canastillas cada una corresponde 25 Kg la masa se obtuvo
del balance de materia y su densidad 600 Kgm3 con el que se obtuvo un volumen de
0043 m3
39 ANAacuteLISIS FINANCIERO
El costo de materias primas se muestra en la Tabla 2 en la que tambieacuten se incluyen
los flujos de alimentacioacuten requeridos para el proceso a partir de los cuales se
determinaron los costos diarios
Tabla 2 Costo de materias primas [5]
Compuesto
Alimentacioacuten
por diacutea
Costo
USDKg
Costo Total
USDdiacutea
Au 2 kg 10596 2119200
HCl 15 Kg 52 780
HNO3 20 Kg 022 044
-Al2O3 5712 Kg 034 19421
Canastillas 500 piezas 15 75000
NH3(OH) 200 Kg 034 680
H2O 440414 Kg 282 282
Total de Materia Prima 2215407
El costo se determinoacute considerando la cantidad de material el tamantildeo y el costo de
manufactura
El costo se determinoacute para uso industrial conforme establece la tesoreriacutea de
Meacutexico
Ingenieriacutea Quiacutemica 38
UAM-I
PERSONAL REQUERIDO PARA LA INDUSTRIA
La Tabla 3 establece los salarios mensuales anuales y las prestaciones del IMSS
para el personal de la planta
Tabla 3 Salarios y Prestaciones del Personal
Mano de Obra (USDmes)p
ersona
USDmes USDantildeo Prestaciones
IMSS
1 Gerente 2000 2000 24000
1 Administrador 1000 1000 12000
1 Secretaria 400 400 4800 1193
Total de Salarios
Administrativos
40800 1193 409193
9 Obrero 150 150 1800 448
1 Teacutecnico 200 200 2400 597
1 Policiacutea 200 200 2400 597
1 Mantenimiento 180 180 2160 538
1 Limpieza 150 150 1800 448
Total de Salarios
Proceso
10560 2628 108228
Los salarios se determinaron en base al salario miacutenimo vigente en la Ciudad de
Meacutexico (2003)[29]
Ingenieriacutea Quiacutemica 39
UAM-I
PERSONAL
Departamento de produccioacuten
Se tendraacute 2 obreros en el llenado de soporte en las rejillas un obrero encargado del
traslado de rejillas por medio de la banda de los motores a cada contenedor un
obrero en cada contenedor de NH4OH y HAuCl4 en cada mezclador se tiene 1
obrero para descargar y cargar las rejillas a la banda que se trasladaran al horno en
el horno se tiene 1 obrero encargado del secado y calcinado el producto se traslada
al almaceacuten donde estaraacuten 2 obreros que reciben el producto y materias primas de los
proveedores se tiene 1 teacutecnico supervisando los equipos un encargo del
mantenimiento de los equipos
Departamento de personal
Gerente de la industria un administrador encargado de compra y venta de materias
primas una secretaria
Ingenieriacutea Quiacutemica 40
UAM-I
CAPITAL FIJO
La Tabla 4 muestra el costo de los equipos requeridos en la planta asiacute como el
Capital Fijo y la Inversioacuten del Capital Total
Tabla 4 El equipo se costeo usando las correlaciones de Ulrich [6] y empleando el
programa de Capcost
EQUIPO USD
4 Contenedores 23584
4 Agitadores (456kW) 269760
1 Horno (25 kW) 15700
15 Bombas (1469kW) 43081
1 Motor (114 kW) 67440
Tuberiacuteas 42150
2 Cisternas 174183
Vaacutelvulas 1283
Accesorios
(codos 90ordm y de 45ordm te)
1474
CAPITAL FIJO 638655
Capital de Trabajo 9579825
INVERSIOacuteN DE
CAPITAL TOTAL
73445325
Los caacutelculos y las correlaciones empleadas para el costeo del equipo se anexan en
el Apeacutendice A
Ingenieriacutea Quiacutemica 41
UAM-I
GASTOS GENERALES
Tabla 5 Proporciona el total de gastos anuales con lo cual se estima el precio por
kilo de catalizador y por unidad purificadora
Tabla 5 Gastos Generales anuales
USDAntildeo
Materias Primas 531697680
Mano de Obra de Operacioacuten 1082280
Mano de Obra de Oficina 4091930
Servicios Electricidad 2620100
Total de Gastos Generales 539491990
CFE
Produccioacuten diaria de Catalizador = 574 Kg
Precio de Catalizador = 40 USDKg
Produccioacuten diaria de unidades purificadoras = 500
Precio por unidad = 50USD
Ganancia diaria = 22960 USD
Ganancia Anual = 5510400 USD
DETERMINACIOacuteN DE LA RENTABILIDAD DEL PROYECTO
TPI (Actual) = 10
PR (Factor de riesgo) = 25
TREMA = TPI + PR
TREMA = 35
TIR (del proyecto) = 90
TIR gt TREMA
Puesto que la TIR es mayor que la TREMA se tiene que el proyecto es rentable [6]
Ingenieriacutea Quiacutemica 42
UAM-I
310 CONCLUSIONES
En el desarrollo de la industria para la fabricacioacuten de catalizadores se tuvo un
resultado satisfactorio a pesar de la falta de informacioacuten disponible acerca de
industrias de catalizadores debido a que esta informacioacuten no es publica El proyecto
que elaboramos es novedoso en nuestro paiacutes ya que no existen registros de una
industria que produzca catalizadores de oro soportados en aluacutemina
Durante el desarrollo del proyecto se planteoacute trabajar con compuestos como NOx y
COVS sin embargo debido a la falta de tiempo no se logroacute concluir la
experimentacioacuten en estos campos Debido a esto se tomoacute la decisioacuten de trabajar en
la oxidacioacuten cataliacutetica de CO Esto debido a varios factores por ejemplo la
disponibilidad de gases y sobre todo los costos que esto implicaba
Para el desarrollo del catalizador se analizaron diferentes tipos de preparacioacuten y se
eligieron dos meacutetodos diferentes Deposicioacuten-precipitacioacuten e Impregnacioacuten Los
catalizadores se evaluaron bajo diversas condiciones en la oxidacioacuten de CO El
catalizador que presentoacute mayor conversioacuten con el catalizador a baja temperatura fue
el sintetizado por el meacutetodo de Deposicioacuten-precipitacioacuten el cual se utilizoacute para el
disentildeo de la Industria El disentildeo estaacute basado en la forma de preparacioacuten del
catalizador Por esto la parte maacutes importante de la planta es el tanque de mezclado
el cual se disentildeo tomando en cuenta los diferentes disentildeos de agitadores para tener
un mezclado oacuteptimo Se incorporo en la parte superior del agitador las canastillas
para las pastillas cataliacuteticas y el tipo de Horno que se usara para el secado y
posteriormente el calcinado Una parte importante es la produccioacuten de catalizador
para este problema se investigoacute en que parte se podriacutea utilizar a diferencia de los
catalizadores para automoacuteviles Se llego a la decisioacuten de poder desarrollar un
catalizador para los calentadores de agua se obtuvo informacioacuten de la fabrica de
calentadores cal-o-rex en la produccioacuten diaria de calentadores y de esta informacioacuten
se pudo calcular la posible demanda de nuestro producto Una parte importante en
las industrias son el tipo de bombas ya que existen diversos modelos en nuestro
disentildeo se escogioacute las bombas centriacutefugas con rodetes para agua que contiene
pequentildeas partiacuteculas de soacutelidos
En la parte de servicios para personal se investigo los sueldos de cada empleado Se
determinoacute el costo de los equipos y finalmente llegamos a la parte que nos interesa
Ingenieriacutea Quiacutemica 43
UAM-I
del disentilde es decir si el proyecto es rentable o no En este caso particular se tuvo un
valor aceptable y se definioacute que el disentildeo es rentable Esto indica que seria una
industria que tendriacutea ganancias y a la vez que el producto que se fabrique nos
ayudaraacute a todos a reducir la emisioacuten de CO en los hogares aportando una pequentildea
ayuda al medio ambiente
COMENTARIOS
Los conocimientos adquiridos durante este tiempo fueron provechosos en la parte
teoacuterica y praacutectica aclaramos dudas de como y porque se comportan las reacciones
quiacutemicas y los procesos de flujos Durante el desarrollo del proyecto aprendimos a
observar y la importancia de entender fiacutesicamente las algunos procesos relacionados
con la siacutentesis y caracterizacioacuten de materiales cataliacuteticos
Ingenieriacutea Quiacutemica 44
UAM-I
38 BIBLIOGRAFIacuteA
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UAM-I
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[29] Secretaria de Trabajo y Previsioacuten Social Comisioacuten de Salarios Miacutenimos
Ingenieriacutea Quiacutemica 46
UAM-I
APEacuteNDICE A
CRITERIOS PARA DETERMINAR QUIEacuteN CONTROLA EL PROCESO
Criterio de weisz para difusioacuten interna
Ec(12-16 Fogler) Los valores que se sustituyen en las siguientes ecuaciones fueron
tomados del catalizador que se analizo en el laboratorio
CWP = ( )
AS
cObsA
DeCRcr 2minus
lt 1
-rA(Obs) = velocidad de reaccioacuten observada molgcats Cc = concentracioacuten volumeacutetrica molm3
CAS = concertacioacuten en la superficie molm3
D= diaacutemetro del granulo m R = radio del granulo m De = difusividad efectiva m2s
d = 0149mm mxmm
m 4104911000
1 minus=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
CWP = ( )( )3
32
24
33
103470184200350
21049150800010681
minus
minusminus
=⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞⎜
⎝⎛
x
mmol
hrm
mxcatm
gcathgcat
molx
734x10-3 lt 1 No hay limitante por la difusioacuten interna
Ingenieriacutea Quiacutemica 47
UAM-I
Criterio de mears para difusioacuten interna Ec(12-62 Fogler)
Mm = 150ltAbc
bA
CkRnr ρminus
Mm =( )( )
0570
136000184200220
31110457508000106851
3
53
3
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ minusminus
hrs
mmol
sm
mxcatmgcat
hgcatmolx
0057 lt 015 no hay efecto de transferencia de masa externa Calculo de Dab para calcular el coeficiente de trasferencia de masa Ec(78 Lobo)
De =
KAAB DD11
1
+
DKA = 970X103 (80X10-8)(s
cmK 221 1090)
2400( =
DAB = 00018583ABAB
BA
PMMT
Ω
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ +
2
2123 11
γ
Para CO
0110=isin
Bk 0593 A=γ
Para O2
Ingenieriacutea Quiacutemica 48
UAM-I
0113=isin
Bk 0453 A=γ
( ) 51343359321
=+=ABγ
( )( )[ ] 21113110BAB k=isin A la temperatura de 400degK
( ) 583))113)(110((
40021 =
deg=
isin B
B
AB
B
KKKTK
Ω AB = 0907 Sustituyendo
DAB =s
cm2
2
2123
9730)9070()513(
)21281()400(00185830=
+
De = hrm
hrs
cmm
scm 222
03501
3600100
10980
10901
97301
1=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
+
Calculo de Kc Sh = (Re)12(Sc)13
Velocidad superficial
V = sm
shr
hrm
mxhr
m
Av
c
02036001976
1087
006025
3
0 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛== minus
Ingenieriacutea Quiacutemica 49
UAM-I
Re= ( ) 240)1062)(501(
)10491)(020(
1 25
4
=minus
=minus minus
minus
smx
mxsmvd p
νφ
Sc= 672)3600
1)(0350(
10622
25
==minus
shr
hrm
smx
Dv
AB
Sh= ( 024 )12 ( 267 )13 = 0679
Kc = Shdp
DAB⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛minusφ
φ1
Kc = ( )sm
mxs
mx02206790
10491
10729
50501
4
26
=⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛minus
minus
minus
Calculo de numero Thile con el radio que usara a nivel industrial
φ = L ( )DkCn n
AS
21 1minus+
L = 3R
Sustituyendo
φ = 66x10-4 m( )
( )
450
03502
018420
5480941311
3
30
3330
313
=
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+
catmhrm
mmol
hrcatmmolm
η = 1 con los resultados anteriores se observa que quieacuten limita es la velocidad de
reaccioacuten Por lo que se procede a calcular el peso y longitud de catalizador
necesaria para muestro purificador sustituyendo los valores del Boiler
Ingenieriacutea Quiacutemica 50
UAM-I
Peso del Catalizador w =
( ) grcatgcatLn
gcatm
mmol
hrcatmmolm
hrm
xLn
kCv
A
66476639401
1
6000001578
548094
19836
11
330
3330
313
3
0
0 asymp=minus
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
minus
g 664=w
33
3
1011
mg60000
g 664 mxwv minus===ρ
m 035003101011
2
33
==minus
mmxL
cm 531000350 == xL
Ingenieriacutea Quiacutemica 51
UAM-I
APEacuteNDICE B BALANCE DE MASA DE LA PREPARACIOacuteN DE HAUCL4 Au(g) + 3HNO3(ac) + 4HCL(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O + 3N02(g) (152 M) (105M)
cantidad de mol Au = 05 kg Au x molAu
grAumolAux
kggr 542
971961
11000
=
cantidad de kg HNO3 = ( ) 33
33 480
10001
1635423 kgHNO
grkgx
molHNOGRHNOxHNOmol =
cantidad de kgHCl = ( ) kgHClgr
kgxmolHCl
grHClHClxmol 3701000
11
5365424 =
cantidad de kgHAuCl4 = 254molHAuCl4 x 44
8601000
11
97339 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
gr=
cantidad de kgH2O = 3( 254mol)H20 x OkgHgr
kgxOmolHOgrH
22
2 1401000
1118
=
cantidad de Lt H20 = 762molHNO3 x OltHOkgHOLtH
22
2 14011
=
cantidad de Lt H20 = 1016 mol HNO3 x 050215
012
2 LtHmol
LtH=
cantidad de LtH20 = 1016mol HCl x OLtHLtHmolHCl
LtH22
2 010970510
01asymp=
cantidad de MHAUCl4 = ( ) ( ) ( ) MHltltlt
ClmolHAU 7210850490140
542
2
4 asymp++
cantidad de kg NO2(g) = 3( 254mol)NO2 x )(22
2 3501000
1146
SkgNOgr
kgxmolNO
grNO=
Ingenieriacutea Quiacutemica 52
UAM-I
05 kg Au 048 kgHNO3 035 kgNO2 101021 kgH20 (152M) 037 kgHCl(ac)
(105 m) 086 kg HAuCl4 (ac) 086 kg HAuCl4 (ac)
(17 M) 014 kgH20 (25x10-3M) 014kg H20 (L) 086kg HAuCl4 035kgNO2 (g) 101185kg H20 Cantidad de H20 = 086 kgHAuCl4
x 08510110101
105201
173341
11000
22
23
24 kgHLtHkgHx
MxltHx
grmolHAuClx
kggr
=minus
pero (101185 ndash 014 ndash 05 ndash 1) kg H20 = 101021 kg H20 100ml H20 por 1 gr soporte 35kg NH4 (OH)(AC) 10000kgH20 100 kg γAl203 (9965) 035kgAu (035) 100kg γAl203 025kgCl2 086kg HAuCl4 026kgHAuCl4
101185 kg H20 35kgNH4 (OH)(AC) 1101185kgH20 cantidad de kgHAuCl4 = 015kgAu x
44
4 2601000
11
973391
197196
147196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxgrAu
molxkg
gr=
cantidad de NH4(OH) = 100kg γ Al203 x
Ingenieriacutea Quiacutemica 53
UAM-I
kgNHxmol
grx
mlmol
xOAlgr
OHmlNHx
kg
gr53
10001
1
35
100010
1
)(10
1
1000
32
4=
γ4(OH)
30kg γAL2O3 1 kgNH4(OH)(AC) 30 kg γ Al203 (9965) 010 kg Au (035) 026kgHAuCl4 007kg Cl2 35kgNH4(OH) 1101185 kgH2O 0086kgHAuCl4 45 kg NH4(OH)(AC) 1101185 kg H20
cantidad de γ Al2O3 = 026kgHAuCl4 x 324
32 02330860
100 AlkgkgHAuCl
OAlkg γγ=
cantidad de kgAu = 035 x kgAukg 10506599
30=
cantidad de kg Cl2 = 01 kgAu x
22
2 07201000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de HAuCl4 = 005kgAu x
44
4 08601000
11
973391
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 54
UAM-I
cantidad de kgNO4(OH) = 30 kg γ Al203 x ( )OHkgNHAlkg
OHkgNO4
32
4 0510100
)(53=
γ
105 kg γ Al203 035 kg NH2(OH) 105 kg γ Al203 (9965) 004 kg Au (035) 009kg HAuCl4 003 kg Cl2 45kgNH4(OH) 1101185 kg H20 0017kgHAuCl4 485kgNH4 (OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 009 HAuCl4 x 324
32 04710860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad kg de NH4 (OH) = 105kg γ Al203 x ( ) )(3500100
534
32
4 OHkgNHAlkg
OHkgNH=
γ
cantidad de Cl2 = 004 kg Au x
22
2 02901000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
gAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 =
44
44 02001701000
11
973391
197196
11
1000010 kgHAukgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgr
molAuxkg
grkgAux asymp=
Ingenieriacutea Quiacutemica 55
UAM-I
23 kg γ Al203 008kgNH4(OH) 002 kg HAuCl4 23 kg γAl203 (9965) 485kgNH4(OH) 0008kgAu(035) 1101185kg H2 0001kg Cl2
0014 kg HAuCl4 493kgNH4(OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 002kgHAuCl4 x 324
32 032860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad de kg Au = 035 x kgAukg 00806599
32=
cantidad de kgCl2 = 0002kgAu x
24
4 00101000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 = 0008kgAu x
44
44 01401000
11
973341
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 56
UAM-I
APEacuteNDICE C ACCESORIOS EN EL DISENtildeO
Agitador
Agitadores de Heacutelice se escogioacute este tipo de agitador por ser tener las siguientes
caracteriacutesticas [3]
bull Es un agitador de flujo axial
bull Se emplea para liacutequidos pocos viscosos
bull Giran a toda la velocidad del motor
bull Las corrientes de flujo se mueven a traveacutes del liacutequido en una direccioacuten
determinada hasta que son desviadas por el fondo o las paredes del tanque
bull Las palas de la heacutelice cortan o friccionan vigorosamente el liacutequido
bull Los agitadores de heacutelice son eficaces para tanques de gran tamantildeo
Horno
bull El horno se escogioacute por ser tener las siguientes caracteriacutesticas [5]
bull El horno de construccioacuten metaacutelica
bull La caacutemara de combustioacuten estaacute construida mediante hormigones refractarios
de alta resistencia mecaacutenica
bull Las materias secar y calcinar se carga de forma manual
Ingenieriacutea Quiacutemica 57
UAM-I
Bomba
DISENtildeO Bomba centrifuga para operacioacuten horizontal o vertical del impulsor
cerrado succioacuten al extremo descarga hacia arriba tangencial simple succioacuten de un
paso con carcaza partida verticalmente [3]
ROTACIOacuteN En el sentido del reloj vista desde el cople
CARACTERIacuteSTICAS Conexiones brindadas con registro ubicado en la cabeza de
succioacuten para facilitar su limpieza
SERVICIO Debido a que es posible colocarla en posicioacuten horizontal o vertical tanto
en caacutercamos secos como huacutemedos y por el disentildeo de su impulsor que soacutelidos de
gran tamantildeo esta bomba es ideal para los procesos de tratamientos de agua y
manejo de liacutequidos en suspensioacuten en general
CAPACIDADES
GASTO Hasta 3000 GPM
CDT Hasta 80rsquo
PRESIOacuteN 106 Kgcmsup2
POTENCIA De 1 a 60 Hp
VELOCIDAD (1175 - 3550 RPM)
TEMPERATURA 125degC
Ingenieriacutea Quiacutemica 58
UAM-I
Bombas Centriacutefugas
Las maquinas centriacutefugas estaacuten constituidas por un impulsor o rodete formado por
una serie de aletas radiales diversas formas y curvaturas que giran dentro de una
caja circular El fluido penetra por el ojo o eje de rotacioacuten y se descarga maacutes o
menos radialmente en una caacutemara perifeacuterica a una elevada presioacuten que
corresponde a la suma de la fuerza centriacutefuga de la rotacioacuten maacutes la cineacutetica
comunicada al fluido por las aletas La parte moacutevil de la bomba es el rodete Las
aletas del rodete se extienden desde el centro de rotacioacuten hacia la periferia y las
bridas son los discos de refuerzo a cada lado de las aletas que las envuelven Las
aletas pueden ser radiales curvadas ligeramente hacia delante en el mismo sentido
de la rotacioacuten o estar curvadas al reveacutes en el caso maacutes comuacuten en el disentildeo se
determino el rodete siguiente por sus caracteriacutesticas Fig 1
Figura 1 Corte parcial de un rodete de centriacutefuga para grandes cargas y secciones
de paso estrechas empleando con liacutequidos corrosivos o suspensiones de pequentildeas
partiacuteculas[4]
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APENDICE D CALCULO DE POTENCIA DE BOMBAS (8)
Potencia de la bomba de la cisterna 1 que alimenta a los mezclador 4
Ecuacioacuten de Bernoulli
sum sumint =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛+++∆+∆i i
i
P
P
evvfDLvwdphgv 0
21
21
ˆ1
21 222
2
1ρ
a b c d e f
a Diferencia de velocidades
b Diferencia de alturas
c Diferencia de presiones
d Trabajo
e Perdidas de friccioacuten en tuberiacuteas
f Perdidas de friccioacuten en accesorios
En la ecuacioacuten anterior se pueden eliminar algunos teacuterminos
21 mts
6 mts 35 mts
Figura 1 Balance de cisterna 1 a mezclador 4
Se debe de tener dos puntos de referencia para la utilizacioacuten de la ecuacioacuten de
Bernoulli de los cuales se anotaron en la figura 2
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21 mts
2 1 6 mts 35 mts
Figura 2
Teniendo los puntos de referencia se analiza que las diferencias de velocidades son
cero en ambos puntos por lo tanto el termino 2
21 ν∆ es igual a cero
El termino de = (981hg∆ 2segm )(35m ndash 0) = 34335 2
2
segm
El termino de int2
1
1P
P
dpρ
se tiene que la cisterna y el tanque de mezclado ambos no
estaacuten cerrados y por lo tanto no originan un cambio de presioacuten y el termino es cero
De esta expresioacuten L longitud de tuberiacutea
tro de tuberiacutea
n el interior del tubo
v
Para la l radio del tubo que
sum ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
i
fDL2
21 ν
D diaacuteme
f perdidas de friccioacuten e
velocidad del flujo de agua
obtencioacuten de la velocidad se tiene el flujo volumeacutetrico y e
es de 32 cm =0032mts con la ecuacioacuten
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( )( ) sm
ms
m
RQ 761
032060min1)
min340(
2
3
2 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
==ππ
ν
UAM-I
Se reportan valores de perdida de fr
e reduce teacuterminos
iccioacuten en tubos que son igual a 005
Por lo tanto sustituyendo los teacuterminos en la ecuacioacuten de Bernoulli s
sum sumint =⎟⎠
⎜⎝
+⎟⎠
⎜⎝
+++∆+∆i i
iP
evvfD
vwdphgv 022
ˆ2
1ρ
⎞⎛⎞⎛ L 111 2222
or tanto el termino de trabajo queda expresado de la siguiente manera
tanto la bomba comunica al fluido que circula en el sistema un trabajo
+11727
P1
p w
sum sum ∆minus⎟⎠⎞
⎜⎝⎛minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛minus=
i ii
hgevvfDLvw 22
21
21
ˆ
( ) ( )
Este es el trabajo ( por unidad de masa) producido por el fluido en la bomba por lo
22
sm o 11727 981 = 1195
m
fKg
Kgm
La velocidad de flujo de masa es
Por lo tanto
1 )=6694
951)(675(ˆ =minus=minus WwW smkg f = 088Hp = 1Hp
Siendo esta ida para esta bomba El procedimiento anterior se
iguioacute para cada bomba de la planta
AP E
la potencia requer
s
EacuteNDICE
TOXICOLOGIacuteA DE MATERIAS PRIMAS [6]
( ) ( ) ( )( ) ( )( )msm
smmmm
sm 538192201150761
21050
032021536761
21
2
22minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ +minus⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ++
minus=wm
22
27117ˆ smw minus=
( )s
kgmkgQw m675100060340 3 === ρ
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HIDROacuteXIDO DE SODIO
Polvo corrosivo blanco delicuescente
Toxicidad
Concentracioacuten Maacutexima permisible 2mgm3 en aire
Signos y Siacutentomas Conjutivitis quemaduras corneales y de la piel Irritacioacuten
seas vomito dolor abdominal y diarrea a veces con
Lavado de las partes afectadas tranquilizantes sulfato de
decuada gafas protectoras o pantallas para
ignos y Siacutentomas Irritacioacuten de ojos quemaduras corneables tos dolores
l hemoptisis dolor de cabeza dolor epigaacutestrico nauseas y vomito
lmonar
Tratamiento lavado de ojos con agua reposo oxigeno con aparato de respiracioacuten
con onantes
ACIDO NITRICO
Liquido corrosivo sofocante de incoloro a amarillento
ioacuten maacutexima permisible 10ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
del tracto respiratorio nau
sangre
Tratamiento
morfina para el dolor y cortisona
Medidas preventivas Ventilacioacuten a
la cara completa mascarilla con filtro mecaacutenico guantes delantares botas de
goma y acentuar la limpieza personal
CLORO
Gas pasado amarillo verdoso
Toxicidad
Conc Maacutexima permisible 1 ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten
S
retrosterna
debilidad cianosis y edema pu
trolada bronco dilatadores y descongesti
Toxicidad
Concentrac
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Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
Signos y siacutentomas Erosioacuten dental estornudo tos Dolor en el pecho bronquitis y
la las partes contaminadas del cuerpo con solucioacuten al 5 de
de las quemaduras con pantildeos
de triacuteo sulfato soacutelido si se a ingerido
vado de ojos con agua
ACIDO CLORIDRICO
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
ivitis necrosis corneal por inhalacioacuten rinitis erosioacuten
dolor de cabeza palpitacioacuten por ingestioacuten
s en la boca faringe esoacutefago estomago salivacioacuten vomito Soc
agua lavada de agua y jaboacuten de las partes
preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
AacuteC
El c
con o de hidroacutegeno una
concentracioacuten de 12 molLt Este aacutecido es un liacutequido incoloro con un olor aacutecido
bronconeumoniacutea
Tratamiento
bicarbonato soacutelido o con agua y jaboacuten Tratamiento
mojados con solucioacuten saturada
administracioacuten por viacutea oral de solucioacuten de jaboacuten Hidroacutexido caacutelcico o alumiacutenico u
oacutexido de magnesio
Medidas preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores excluir de la exposicioacuten
a los individuos con enfermedades de pulmones y rintildeones
Gas incoloro o liacutequido o a amarillento
Toxicidad
Concentracioacuten maacutexima permisible 5ppm en aire
Signos y siacutentomas conjunt
dental laringitis bronquitis neumoniacutea
quemadura
nefritis
Tratamiento lavado de ojos con
contaminantes del cuerpo tratamiento ordinario de quemaduras lavado gaacutestrico
se a ingerido con solucioacuten de bicarbonato soacutedico al 5 seguido de una instilacioacuten
de gel de hidroacutexido de aluminio
Medidas
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores
IDO CLORHIacuteDRICO
loruro de hidroacutegeno es en extremo soluble en agua de hecho el aacutecido clorhiacutedrico
centrado contiene cerca del 38 en masa de clorur
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pronunciado que se debe al equilibrio entre el cloruro de hidroacutegeno gaseoso y
ste con el aacutecido fluorhiacutedrico el aacutecido clorhiacutedrico es un aacutecido fuerte (pKa = -
7) y se ioniza casi totalmente
gar de aacutecido sulfuacuterico auque en menor grado Por
jemplo el zinc metaacutelico reacciona con aacutecido clorhiacutedrico para dar el ion zinc e
hidroacutegeno gaseoso
Zn(s) + 2HCl(ac) ZnCl2(ac) + H2(g)
l para producir aacutecido clorhiacutedrico en el laboratorio es generar
cloruro de hidroacutegen e sodio y el aacutecido
ulfuacuterico En el primer paso a 150degC se forma hidroacutegeno sulfato de sodio
NaHSO4(s) + HCl(g)
io y maacutes
loruro de hidroacutegeno gaseoso Luego el gas se disuelve en agua para formar el
aacutecido
NaHSO4(s) + NaCl(s) Na2SO4(s) + HCl(g)
acuoso
HCl(ac) HCl(g)
El reactivo de grado teacutecnico a menudo tiene un color amarillento por una impureza
del ion hierro (III)
En contra
HCl(ac) + H2O(l) H2O+(ac) + Cl -(ac)
Por ello a menudo se prefiere usar aacutecido clorhiacutedrico diluido en lugar de aacutecido niacutetrico
que es muy oxidante y en lu
e
Cuando el zinc reacciona con el aacutecido niacutetrico es comuacuten que se reduzca una parte
del ion nitrato para dar dioacutexido de nitroacutegeno
El meacutetodo tradiciona
o gaseoso por la reaccioacuten entre el cloruro d
s
NaCl(s) + H2SO4(l)
La mezcla se calienta a 550degC temperatura a la cual el hidroacutegeno sulfato de sodio
reacciona con un exceso de cloruro de sodio para formar sulfato de sod
c
∆
Este meacutetodo se usa tambieacuten en la industria otra forma de producir cloruro de
hidroacutegeno es por la combinacioacuten directa de dicloro y dihidroacutegenogaseosos
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H2(g) + Cl2(g) 2HCl(g)
La mayor cantidad de cloruro de hidroacutegeno que se produce actualmente es un
CH4(g) + 4Cl2(g) 4(l) + 4HCl(g)
riacuten de superficies de acero en un bantildeo aacutecido en la purificacioacuten de glucosa
y jarabe de maiacutez e s y de gas y en la
bricacioacuten de compuestos clorados El aacutecido se puedo comprar en muchas
nducida por la luz
4HNO3(ac) 4NO2(g) + O2(g) + 2H2O(l)
niacutetrico como disolvente)
H2NO3+ H2O + NO2
+
l siguiente
3HNO NO3 ndash
subproducto de otros procesos industriales como la siacutentesis de tetracloruro de
carbono
CCl
Se consumen cerca de 107 toneladas de aacutecido clorhiacutedrico cada antildeo en todo el
mundo Este aacutecido tiene una gama muy amplia de usos como aacutecido comuacuten para
eliminar o
n el tratamiento con aacutecido de pozos petrolero
fa
ferreteriacuteas con el arcaico nombre de aacutecido muriaacutetico sus principales usos caseros
son la limpieza de superficies de concreto y la eliminacioacuten de herrumbre Un nuacutemero
muy reducido de personas es incapaz de sintetizar suficiente jugo gaacutestrico y deben
de ingerir caacutepsulas de aacutecido clorhiacutedrico diluido con cada comida
AacuteCIDO NIacuteTRICO
El aacutecido niacutetrico un liacutequido aceitoso e incoloro en estado puro es sumamente
peligroso El aacutecido que funde a ndash42degC y hierve a +83degC tiene por lo general un
ligero color amarillo a causa de una reaccioacuten de descomposicioacuten i
En un estado puro el aacutecido niacutetrico liacutequido praacutecticamente no conduce la electricidad
Una pequentildea porcioacuten se ioniza como sigue (todas estas especies existen en el aacutecido
2HNO3(l) H2NO3+ + NO3
ndash
H2O + HNO3 H3O+ + NO3 ndash
Para dar la reaccioacuten globa
3 NO2+ + H3O + 2+
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El catioacuten nitrilo es importante en la nitracioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas por ejemplo la
obenceno C6H5NO2 una etapa importante en
umerosos procesos industriales orgaacutenicos
El aacutecido niacutetrico con en agua mientras
ue el ldquoaacutecido niacutetrico fumanterdquo un oxidante extremadamente poderoso es una
vez de ello se produce una mezcla de
sistema que da un orden de
vista industrial el
oceso
e lleva a cabo en tres etapas Primero se hace pasar una mezcla de amoniaco y de
dioxiacutegeno (o aire) un proceso muy
ficiente y exoteacutermico que hace que la malla se ponga al rojo Esta etapa se verifica
conversioacuten de benceno C6H6 en nitr
n
centrado es en realidad una solucioacuten al 70
q
solucioacuten roja de dioacutexido de nitroacutegeno en aacutecido niacutetrico puro Incluso cuando esta
diluido el aacutecido niacutetrico es un oxidante tan fuerte que rara vez desprende hidroacutegeno
cuando se pone en contacto con metales en
oacutexidos de nitroacutegeno y el metal se oxido a su catioacuten
Los enlaces O-N son mucho maacutes cortos (121 pm) que el enlace O-N unidos al aacutetomo
de hidroacutegeno (141 pm) Esta longitud de enlaces indica que hay enlaces muacuteltiples
entre el nitroacutegeno y los dos aacutetomos de oxiacutegeno terminales Ademas de los electrones
del sistema σ hay cuatro electrones que participan en el sistema π O-N-O dos de un
orbital enlazante y dos en un orbital no enlazante
enlace de 112 para cada uno de esos enlaces nitroacutegeno- oxiacutegeno
A veces se nos olvida hasta queacute punto nuestra experiencia depende de la
termodinaacutemica y la cineacutetica Por ejemplo la primera siacutentesis industrial de aacutecido
niacutetrico se llevaba ha cabo por simple combinacioacuten de diniacutetrogeno dioxiacutegeno y agua
utilizando un horno de arco eleacutectrico a fin de proporcionar la energiacutea necesaria par
superar la muy elevada barrera cineacutetica Aunque desde el punto de
factor cineacutetico constituiacutea un problema en realidad es una bendicioacuten por que sin esta
barrera cineacutetica hace mucho tiempo que todo el dioacutexido de la atmoacutesfera se abriacutea
transformado en aacutecido niacutetrico y nuestros mares serian de aacutecido niacutetrico diluido
frac12 N2(g) + 54O2(g) + 12H2O(g) HNO3(g)
Ahora se utiliza el proceso Ostwald para la siacutentesis de aacutecido niacutetrico Este proceso
consume gran parte del amoniaco que se produce por el proceso Haber El pr
s
a traveacutes de una malla de platino metaacutelico Eacuteste es
e
a baja presioacuten para aprovechar el efecto entropico es decir la formacioacuten de 10
moles de gas a partir de 9 moles de gas (una aplicacioacuten del principio de Le Chatelier)
para desplazar el equilibrio a la derecha
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4NH3(g) + 5O2(g) 4NO(g) + 6H2O(g)
Se agrega maacutes oxiacutegeno para oxidar el monoacutexido de nitroacutegeno a dioacutexido de nitroacutegeno
A fin de mejorar el rendimiento de esta reaccioacuten exoteacutermica se extrae calor de los
ases y la mezcla se somete a presioacuten
2HNO3(l) + NO(g)
Esta reaccioacuten tambieacuten es exoteacutermica y una vez maacutes se aplica enfriamiento y alta
la
egunda etapa para oxidarlo de nuevo
La contaminacioacuten s de aacutecido niacutetrico
as plantas maacutes antiguas eran faacutecilmente identificables por la fumarola cafeacute-
antas maacutes antiguas ahora mezcla cantidades
en Estados Unidos porque un 20
dedica ala produccioacuten de explosivos
or ultimo el aacutecido niacutetrico es un liacutequido que hierve a 826degC No existe como liacutequido
g
2NO(g) + O2(g) 2NO2(g)
El dioacutexido de nitroacutegeno se mezcla con agua para dar una solucioacuten de aacutecido niacutetrico
3NO2(g) + H2O(l)
presioacuten par obtener el maacuteximo rendimiento El monoacutexido de nitroacutegeno se vuelve a
s
soliacutea ser un problema importante de las planta
L
amarillento del dioacutexido de nitroacutegeno que escapaba por ellas Las plantas maacutes
antiguas eran faacutecilmente identificable por la fumadora cafeacute-amarillo del dioacutexido de
nitroacutegeno que escapaba de ellas Las pl
estequiomeacutetricas de amoniaco con las oacutexidos de nitroacutegeno con lo cual se obtiene
dinitroacutegeno y vapor de agua ambos inocuos
NO(g) + NO2 (g) + 2NH3(g) 2N2(g) + 3H2O(g)
En todo el mundo alrededor del 80 del aacutecido niacutetrico se utiliza en la produccioacuten de
fertilizantes Esta proporcioacuten es de solo el 65
se
P
puro porque en alguna medida se descompone espontaacuteneamente como sigue
4HNO3(l) 4NO2(g) + 2H2O(l) + O2(g)
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El aacutecido niacutetrico concentrado que se usa en el laboratorio estaacute al 68 en masa HNO3
(densidad 142 gcm3) lo que corresponde a 157 M
l aacutecido niacutetrico es un poderoso agente oxidante El nuacutemero de oxidacioacuten del N en el
) El aacutecido niacutetrico puede oxidar
nto a metales que estaacuten abajo del hidroacutegeno como aquellos que se encuentran
4Zn2+(ac) + NH4
+(ac) + 3H2O(l)
do no oxida al oro Sin embargo cuando se mezcla con
cido clorhiacutedrico concentrado en relacioacuten 13 en volumen (una parte de HNO3 a tres
partes al oro
omo sigue
APEacuteNDICE F
ETODO DE DEPOSICIOacuteN-PRECIPITACIOacuteN
E
HNO3 es + 5 Los productos maacutes comunes de la reduccioacuten del aacutecido niacutetrico son el
NO2 (N = + 4) el NO (N = + 2) y el NH4+ (N = - 3
ta
arriba en la serie de actividades Por ejemplo el cobre es oxidado por el aacutecido niacutetrico
concentrado como se mencionoacute antes
En presencia de reductores fuertes como el zinc metaacutelico el aacutecido niacutetrico se puede
reducir hasta ion amonio
4Zn(s) + 10H+(ac) + NO3
-(ac)
El aacutecido niacutetrico concentra
aacute
de HCl) la disolucioacuten resultante denominada agua regia puede oxidar
c
Au(s) + 3HNO3(ac) + 4HCl(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O(l) + 3NO2(g)
M
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APEacuteNDICE G
ISENtildeO DEL MEZCLADOR [4]
1) 100 ml H2O gr soporte
2) NH4(OH)
Ajustar a PH = 9 4) HAuCl4 (solucioacuten acuosa al 25E-3M)
6) Filtrado o centrifugado
3) En Agitacioacuten por 2 hr
8) Secado por 2hr a 80 degC
9 ) Calcinado por 4hr a 400 degC
7) Lavado
5) Antildeegamiento por 30 min
D
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El disentildeo de un tanque agitado dis n nuacutemero de elecciones sobre el
po y localizacioacuten del agitador las proporciones del tanque el nuacutemero y dimensiones
ada una de estas decisiones afectan a la velocidad
e circulacioacuten del liacutequido los modelos de velocidad y el consumo de potencia Como
pone de un gra
ti
de las placas deflectoras etc C
d
punto de partida en el disentildeo de los problemas ordinarios de agitacioacuten generalmente
se utiliza un agitador de turbina del tipo que se muestra en la figura 1 La proporcioacuten
tiacutepica es
31
=t
a
DD
1=tD
H 121
=tD
J 51
=aD
W 41
=aD
L
de estas ecuaciones se disentildeara el mezclador como datos se tiene el valor H que es
igual a 3 mts y el diaacutemetro del tanque D
Se determinara la medida de los reflectores
t que es igual 3 mts
121
=tD
J se despeja J
elacioacuten R31
=t
a
DD
se despeja Da
Relacioacuten
41
=aD
L se despeja L
elacioacuten se despeja W
( ) ( ) cmmtsmtsDJ 25250311==⎟
⎞⎜⎛=⎟
⎞⎜⎛= t 1212 ⎠⎝⎠⎝
( ) ( ) mtsmtsDD ta 1331
31
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=
( ) ( ) mtsmtsDL a 250141
41
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛= cm25=
51
=aD
WR
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UAM-I
Figura 2 a) Vista transversal del mezclador b) paletas del mezclador con la
donde se deposita el soporte
Figura 1 Medidas de un agitador de turbina
a) b)
s rejillas
H
J
E L
Da
D t
W
W
( ) ( ) cmmtsmtsDW a 2020151
5==⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎜⎝
=1 ⎞⎛
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UAM-I
22 EXPERIMENTACIOacuteN
Siacutentesis de Catalizadores
Meacutetodo de DP Se dispersoacute 1 g de γ-Al2O3 (Ketjen) en 100 mL de agua tridestilada y
se adicionoacute NH4(OH) (JT Baker) (01M) hasta obtener un pH de 9 Posteriormente
se agregoacute por goteo durante 2 h 20 mL de una solucioacuten de AuCl3 (9998 Aldrich)
(25x 10-3 M) Despueacutes se agitoacute por 30 min y se filtroacute y lavoacute con agua destilada con
10 veces el volumen total inicial Por ultimo el soacutelido resultante se secoacute a 80degC por 2
h y se calcinoacute a 400degC por 4 h
Meacutetodo de IMP Se dispersoacute 1 g de γ-A12O3 en 100 mL de agua tridestilada por 30
min A esta mezcla se le antildeadioacute lentamente 20 mL de una solucioacuten de AuCl3 (25x10-
3M) y se mantuvo en agitacioacuten 720 min Durante este tiempo se ajustoacute el pH a 9 por
medio de la adicioacuten de una solucioacuten acuosa de Na2CO3 (JT Baker) El soacutelido se
filtroacute y lavoacute con 500 mL de agua tridestilada caliente (95degC) para eliminar los iones de
cloro que podriacutean afectar la actividad cataliacutetica Finalmente se secoacute a 120degC 24 h y
se calcinoacute a 400degC por 4 h
Los catalizadores preparados por el meacutetodo de DP e IMP se les llamaraacuten de aquiacute en
adelante x-Auγ-Al2O3-DP y muestra x-Auγ-Al2O3-IMP respectivamente donde x
indica el en peso de Au en el catalizador
Caracterizacioacuten de Catalizadores Absorcioacuten Atoacutemica La cantidad de oro en cada uno de los catalizadores se
determinoacute por absorcioacuten atoacutemica (SpectrAA-20 Varian) Antes de las mediciones el
equipo fue calibrado con una solucioacuten estaacutendar de Au (Sigma) Una muestra de cada
catalizador (01g) se disolvioacute en agua regia a temperatura ambiente la cual se
preparoacute mezclando 200 ml de HCl concentrado y 100 mL de HNO3 concentrado
Adsorcioacuten Fiacutesica La isoterma de adsorcioacuten fiacutesica de N2 a 75 K de cada catalizador
se obtuvo en un equipo automatizado Quantachrome Autosorb Automated A partir
de estos datos se determinoacute el aacuterea BET el radio y el volumen promedio de poro
Catalizadores de Oro Soportado 12
UAM-I
Difraccioacuten de Rayos X Se realizoacute en un difractoacutemetro Siemens D500 en un entrono
angular de 4 a 64ordm en 2θ La radiacioacuten Cuκα se seleccionoacute con un difractor de un haz
de luz monocromaacutetico
Microscopia Electroacutenica de Transmisioacuten (TEM) Se utilizoacute un Microscopio Electroacutenico
de Transmisor Mod EM910 Zeiss operando a un voltaje de 120 kV y con una
ampliacioacuten de 400000 aumentos Para la preparacioacuten de las muestras se tomaron
005 g de cada una y se disolvieron en alcohol etiacutelico y se sometieron a ultrasonido
(Branson 2210) por 5 min Posteriormente se colocaron las rejillas en porta objetos y
se agregoacute una gota de la solucioacuten del catalizador dejando secar a temperatura
ambiente hasta su medicioacuten
Evaluacioacuten cataliacutetica Las medidas de actividad cataliacutetica en la oxidacioacuten de CO e H2
CH4 y C2H8 se realizaron en un microreactor de cuarzo de lecho fijo en el cual se
colocaron en todos los casos 030 g de catalizador y se utilizoacute un flujo total de 100
mLmin Para la oxidacioacuten de CO se utilizoacute una mezcla con 1 CO 05 O2 033
H2 en N2 para las pruebas en condiciones estequiomeacutetricas y con 1 CO 21 O2
033 H2 en N2 para los experimentos en exceso de O2 El efluente fue analizado
por cromatografiacutea de gases (GC-12 A Shimadzu C-RGA con una columna SFE-1)
con detector de conductividad teacutermica Para la combustioacuten de CH4 se uso una
mezcla con 1 CH4 2 O2 97 N2 y para la combustioacuten de C3H8 una mezcla con
1 C3H8 2 O2 97 N2 En todos los experimentos la temperatura de operacioacuten
fue de 25 a 400 degC y la velocidad espacial fue 10146 h-1
Catalizadores de Oro Soportado 13
UAM-I
23 RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN
Absorcioacuten Atoacutemica y Adsorcioacuten Fiacutesica La Tabla 1 muestra los contenidos de Au
el Aacuterea BET (ABET) el volumen promedio de poro (VP) y el radio promedio de poro
(RP) para los catalizadores preparados
Se puede observar que el aacuterea BET de la γ-Al2O3 se modifica con la adicioacuten de Au El
aacuterea BET entre la γ-Al2O3 pura y la muestra DP concuerdan con lo reportado[10-11] de
que a mayor porcentaje de Au mayor es el aacuterea superficial sin embargo el aacuterea BET
del catalizador 007-Auγ-Al2O3-IMP que tiene un menor porcentaje de Au presenta
la mayor aacuterea BET Sin embargo aunque el radio promedio de poro es casi el mismo
para las tres muestras el catalizador 007-Auγ-Al2O3-IMP presenta el mayor
volumen promedio de poro Esto podriacutea deberse a que el meacutetodo de preparacioacuten
utilizado causoacute la generacioacuten de una mayor porosidad en la γ-Al2O3 en lugar de la
impregnacioacuten de una mayor cantidad de Au Las isotermas de adsorcioacuten de los
catalizadores fueron del tipo IV y semejantes en forma a la de la γ-Al2O3 (Figura 1)
La Figura 2 muestra que la distribucioacuten de tamantildeo de poros se centra dentro del
mismo margen para las tres muestras y se aprecia la presencia de mesoporos entre
los 50 y 125 Aring
Tabla 1 Contenido Au y caracteriacutesticas texturales en los catalizadores
Catalizador Au ( en peso) ABET (m2g) RP (Aring) VP (ccg)
γ-Al2O3 000 183 78 0489
IMP 007 301 79 0743
DP 035 215 78 0518
IMP 100
No se ha determinado
Catalizadores de Oro Soportado 14
UAM-I
0
100
200
300
400
500
0 02 04 06 08
PPo
Vads
(cm
3g)
STP
-Al2O3
035-Au -Al2O3-DP
007-Au -Al2O3-IMP
1
Figura 1 Isotermas de adsorcioacuten y desorcioacuten de N2 de los catalizadores Auγ-Al2O3
ifraccioacuten de Rayos X La Figura 3 muestra los patrones de difraccioacuten de Rayos X
0
0004
0008
0012
0016
002
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
Rp [A]
Dv(
r) [c
m3
Ag]
-Al2O3
035-Au -Al2O3-DP
007-Au -Al2O3-IMP
Figura 2 Distribucioacuten de tamantildeo de poros
D
de los catalizadores Se observa que todos son caracteriacutesticos de la γ-Al2O3 Es
imposible identificar la presencia del Au esto debido al pequentildeo porcentaje y la alta
Catalizadores de Oro Soportado 15
UAM-I
dispersioacuten del Au contenido en cada uno de los catalizadores Sin embargo para el
caso de que se tuviese mayor cantidad de Au el difractograma podriacutea presentar un
pico alrededor de los 38deg en 2θ el cual indicariacutea la presencia de Au A partir de esta
sentildeal y la ecuacioacuten de Scherrer algunos autores han calculado el tamantildeo promedio
de las partiacuteculas de oro en catalizadores soportados
Microscopia Electroacutenica Transmisioacuten (MET) En la Figura 4 se presentan las
casos los
imaacutegenes de MET para la γ-Al2O3 y los catalizadores 035-Auγ-Al2O3-DP y 007-Auγ-
Al2O3-IMP En ambos catalizadores el tamantildeo de partiacutecula se encuentra es mayor
que 2 nm pero menor o igual que 5 nm En ambos casos los resultados indican que
las partiacuteculas de oro estaacuten dispersadas de manera uniforme en el soporte
Se encuentra es mayor que 2 nm pero menor o igual que 5 nm En ambos
resultados indican que las partiacuteculas de oro estaacuten dispersadas de manera uniforme
en el soporte
Figura 3 Patrones de Difraccioacuten de Rayos X de los catalizadores Auγ-Al2O3
Catalizadores de Oro Soportado 16
UAM-I
Figura 4 Imaacutegenes de MET para (a) γ-Al2O3 (b) 035-Auγ-Al2O3-DP y (c) 007-Auγ-
Al2O3-IMP
Catalizadores de Oro Soportado 17
UAM-I
Se sabe que la alta actividad cataliacutetica del oro esta relacionada con su tamantildeo esto
quiere decir que entre maacutes pequentildeas sean las partiacuteculas mayor actividad tendraacuten
nes estequiomeacutetricas el catalizador 007-Auγ-Al2O3-
P no mostroacute actividad para la oxidacioacuten de CO e H2 sin embargo al operar la
por lo tanto de las imaacutegenes anteriores se tiene que el meacutetodo DP es el maacutes
adecuado por lograr depositar mayor cantidad de Au con gran dispersioacuten y un
tamantildeo de partiacuteculas pequentildeo
Actividad Cataliacutetica A condicio
IM
misma muestra con un exceso de O2 la actividad inicioacute a partir de 140oC alcanzando
una conversioacuten maacutexima de 8748 a 400 degC (Figura 5) En vista de este uacuteltimo
resultado se decidioacute evaluar el catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP a las mismas
condiciones de exceso de O2 En este caso la actividad cataliacutetica inicioacute por debajo de
los 30oC incrementaacutendose casi linealmente con la temperatura hasta lograr una
conversioacuten maacutexima de 9367 a 127degC La diferencia en actividad entre ambos
catalizadores es notable Auacuten a muy bajos contenidos de Au el catalizador 007-Auγ-
Al2O3-IMP presenta una actividad importante sin embargo al aumentar cinco veces
este contenido (035) y manteniendo el tamantildeo de partiacutecula es posible disminuir la
temperatura de encendido calculada como la temperatura a la cual se logra el 50
de conversioacuten (T50) en 175oC Un uacuteltimo estudio fue la evaluacioacuten del catalizador
10-Auγ-Al2O3-IMP el cual presenta una T50 de 290 degC(ver Figura 5) la cual es 40 degC
mayor que el catalizador 007-Auγ-Al2O3-IMP auacuten cuando el contenido de Au es
mayor La Figura 5 muestra tambieacuten la comparacioacuten de estos resultados con
trabajos anteriores[10] en los que utilizan el catalizador 5-Auγ-Al2O3-IMP a
condiciones estequiomeacutetrica en este caso T50 es de 215 degC tan solo 35 degC de
diferencia en comparacioacuten con el catalizador 007-Auγ-Al2O3-IMP La diferencia en el
contenido de Au es 15 veces menor En general al trabajar en condiciones en exceso
de O2 se tiene una mayor conversioacuten a una menor temperatura por lo que se
esperariacutea que los resultados del catalizador 5-Auγ-Al2O3-IMP bajo condiciones de
exceso fueran mejores sin embargo los autores no presentan estos resultados
Catalizadores de Oro Soportado 18
UAM-I
El catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP alcanzoacute 100 de conversioacuten a 176 degC a
condiciones de exceso de O2 (Figura 5) esta conversioacuten se mantuvo por 24 h sin
presentar indicios de desactivacioacuten (Figura 6) KRuth [12] reporta desactivacioacuten del
catalizador 10-Auγ-TiO2 a partir de 80 minutos de operacioacuten con una velocidad
espacial de 1x104 h-1 El catalizador fue preparado por deposicioacuten y contiene nano-
particulas (2-5nm) soportadas en TiO2 Sin embargo el catalizador logra 100 de
conversioacuten a 0 degC Esto es debido a que los catalizadores AuTiO2 presentan mayor
actividad a temperaturas bajas La Figura 6 muestra tambieacuten la conversioacuten reportada
por Seung-Jae[11] del catalizador 043-Auγ-Al2O3-IMP en donde la temperatura de
operacioacuten es de 25 degC sin embargo se tiene una desactivacioacuten apreciable a partir de
150 minutos de operacioacuten con una velocidad especiales de 8x10 h-1
Figura 5 Conversioacuten del CO para los catalizadores de 007-Auγ-Al2O3-IMP 10-
os resultados de conversioacuten del hidroacutegeno (Figura 7) muestran conversioacuten del 100
10 a 035 es de 20 degC
Auγ-Al2O3-IMP y de 035-Auγ-Al2O3-DP en condiciones de operacioacuten en exceso de
O2 la tasa de temperatura es de 2degC por minuto Datos Referencia [10]
L
por debajo de 150 degC con el catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP mientras que el
catalizador 007-Auγ-Al2O3-IMP logra conversioacuten completa hasta 270oC y para el
catalizador 10-Auγ-Al2O3-IMP se tiene una conversioacuten del 100 hasta 310 degC lo
cual indica que los tres catalizador son activos para ambas reacciones y que se
mantiene la tendencia observada para la oxidacioacuten de CO La disminucioacuten en T50 al
aumentar el contenido de Au de 007 a 035 es de 140oC mientras que para la de
Catalizadores de Oro Soportado 19
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado 20
Figura 6 Variacioacuten de la conversioacuten con respecto al tiempo para la muestra de DP a
una temperatura de 180 degC Datos Referencia [11]
Figura 7 Oxidacioacuten de H sobre los catalizadores 035-Au2 γ-Al2O3-DP 007-Auγ-
Al2O3-IMP y 10-Auγ-Al2O3-IMP bajo condiciones de exceso de O2
La Figura 8 muestra como varia la temperatura de encendido con la cantidad de Au
en los catalizadores preparados en este trabajo Se observa un miacutenimo para el
catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP lo cual indica que la mayor actividad se logra a bajos
contenidos de Au y tamantildeos de partiacutecula menores que 5 nm
0
20
40
60
80
0 200 400 600 800 1000Tiempo (min)
Con
vers
ioacuten
de C
O (
) 100
035-Au -Al2O3-DP (176 degC)
043-Au -Al2O3-IMP (25 degC)
0
20
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Temperatura (degC)
40
60
Con
vers
ioacuten
de H
2 (
)
80
100
10-Au -Al2O3-IMP035-Au -Al2O3-DP007- Au -Al2O3-IMP50-Au -Al2O3-IMP
UAM-I
F
o
P
o
o
re
d
F
c
C
T50 (degC)
igura 8 Variacioacuten de la te
xidacioacuten de CO con respect
or ultimo se realizaron cu
peracioacuten pero variado la
btenidos se muestran en la
accioacuten presentan una tend
e catalizador
00000
00040
00080
00120
00160
00200
0
(-rc
o)
00000
igura 9 Velocidad de reac
ondiciones en exceso de O2
atalizadores de Oro Soportado
masa Au
mperatura de encendido a 50 de conversioacuten en la
o a la cantidad de Au en el catalizador
atro corridas maacutes bajo las mismas condiciones de
masa de catalizador Las velocidades de reaccioacuten
fig9En esta figura se observa que las velocidades de
encia lineal despueacutes de los 80degC al aumentar la masa
50 100 150 200 250 300T (degC)
3 gr cat
25 gr cat
2 gr cat
15 gr cat
1 gr cat
cioacuten de CO a diferentes masas de catalizador y bajo
21
UAM-I
Se tomo una temperatura de 125 degC debido a las mediciones realizadas en
diferentes calentadores domeacutesticos Se encontroacute que la temperatura media es la
mencionada A partir de los datos experimentales se determinoacute que el orden de
reaccioacuten es 13 y la constante cineacutetica k = 480945 (m3)13[(mol)03m3cat hr] (00012
mhr) y un coeficiente de transferencia de masa de 792 mhr (ver apeacutendices A) con
estos valores y usando los criterios de Weisz-Prater y Mears[14] (ver apeacutendice B) se
obtuvo que no existe resistencia interna ni externa a la transferencia de masa por lo
que la cineacutetica es la que controla
24 CONCLUSIOacuteN DE LA EXPERIMENTACIOacuteN El meacutetodo de DP es mucho maacutes adecuado que el de IMP para la preparacioacuten de
catalizador de Au soportados en γ-Al2O3 ya que permitioacute obtener catalizadores con
cinco veces maacutes oro que el preparado por el meacutetodo IMP bajo condiciones similares
de preparacioacuten En ambos casos el tamantildeo promedio de partiacutecula fue menor que 5
nm Debido a esto el catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP presenta una mayor actividad
en la oxidacioacuten de CO e H2 sin observarse desactivacioacuten durante un periodo de 24 h
Puesto que en ambas muestras se consiguioacute una gran dispersioacuten y un tamantildeo
similar de nanopartiacuteculas de oro se tiene entonces que la principal diferencia de
actividad cataliacutetica se debe principalmente a la cantidad de Au en el catalizador Sin
embargo el catalizador 10-Auγ-Al2O3 presenta una menor conversioacuten que el de
035-Auγ-Al2O3-DP a pesar de contener maacutes Au por lo que hasta el momento se
podriacutea decir que la cantidad de Au optima se encuentra por debajo de 10 wt y por
arriba de 007 wt no obstante se requiere de la caracterizacioacuten del catalizador 10-
Auγ-Al2O3 se para determinar de que manera influyen el tamantildeo de partiacuteculas la
distribucioacuten el volumen y el tamantildeo de poro en los resultados esta caracterizacioacuten
asiacute como la evaluacioacuten cataliacutetica del catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP bajo
condiciones estequiomeacutetricas se encuentran en proceso
Catalizadores de Oro Soportado 22
UAM-I
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Catalizadores de Oro Soportado 23
UAM-I
C A P I T U L O III
D I S E Ntilde O D E L A P L A N T A I N D U S T R I A L
Catalizadores de Oro Soportado 24
UAM-I
31 INTRODUCCIOacuteN
Este capitulo esta enfocado al disentildeo de la planta industrial donde se produciraacuten
catalizadores de Auγ-Al2O3 por el meacutetodo de Deposicioacuten-Precipitacioacuten (DP) descrito
en el capitulo 2
Parte de la produccioacuten de los catalizadores se destinaraacute a su venta en masa y otra
parte se destinaraacute para el equipo de purificacioacuten de calentadores de agua esto con
la finalidad que el catalizador que esta contenido dentro del equipo de purificacioacuten
cuando se desactive pueda remplazarse por catalizador nuevo disponible en el
mercado De esta forma se tendraacuten ganancias tanto al vender el equipo purificador
como al vender catalizador como materia prima
32 DISENtildeO DEL EQUIPO PURIFICADOR PARA CALENTADORES DE AGUA DOMEacuteSTICOS El equipo purificador se ubicaraacute a la salida del efluente gaseoso del calentador como
un equipo adicional como se muestra en la Figura 1 Se plantea colocarlo en una
posicioacuten tal que oxide a baja temperatura hasta el 90 de CO Las dimensiones del
purificador se determinaron seguacuten las especificaciones de calentador y el balance de
materia en el sistema purificador Estos caacutelculos se presentan en el Apeacutendice A
Los tubos de las chimeneas de los calentadores son de latoacuten por lo que se decidioacute
utilizar este material para la parte exterior la parte donde se colocaraacute el catalizador
es de 35 cm de longitud para colocarlo en el tubo de la salida del flujo de gas se
dieron 2 cm maacutes en cada extremo para hacer un tipo cople de manera que el tubo
entre en los extremos
Catalizadores de Oro Soportado 25
UAM-I
C O 2 2 0 c m 7 c m c m G A S C O
3
2cm
75 cm 35 cm
Figura 1 Esquematizacioacuten del equipo purificador y su ubicacioacuten en los calefones
Las dimensiones obtenidas (Apeacutendice A) y las caracteriacutesticas del purificado se
presentan en la Tabla 1
Tabla 1 Especificaciones de purificador
Material Latoacuten
Longitud 35 cm
Diaacutemetro 20cm
Cantidad de
Catalizador
700 gr
Catalizadores de Oro Soportado 26
UAM-I
33 PRODUCCIOacuteN DE LA PLANTA INDUSTRIAL A partir de un estudio de mercado se encontroacute que en la Ciudad de Meacutexico hay
cuando menos cuatro empresas principales (CALOREX ELSA MAGAMEX y
CINSA) que fabrican calentadores de agua residenciales[1 2] Estas en promedio
producen 150 calefones diarios Por cada calefoacuten se requiere un equipo purificador
En este sentido de requieren idealmente 600 unidades de purificacioacuten por diacutea Esta
base se utilizoacute para el disentildeo de la planta
A partir del balance de masa en el purificador y empleado los resultados
experimentales a nivel laboratorio (ver apeacutendice A) se encontroacute que cada purificador
requiere 07 Kg de catalizador A partir de este resultado se requiere producir al
menos 420 Kg de catalizador para satisfacer la demanda en la produccioacuten de
calefones Con base en el balance de materia realizado en el mezclador se
determinoacute que la cantidad de catalizador obtenido despueacutes de cuatro lotes es de
570 Kg Tomando el resto de catalizador como reserva por cualquier contratiempo El
nuacutemero de lotes se determinoacute en base a que fuese rentable la recuperacioacuten de oro
34 DISENtildeO Y OPERACIOacuteN DE LA PLANTA
La fabricacioacuten del catalizador a nivel industrial esta basada en el escalamiento del
meacutetodo de siacutentesis descrito en la parte experimental Lo cual es una praacutectica comuacuten
en la fabricacioacuten de materiales cataliacuteticos
Para la produccioacuten de 570 Kg por diacutea se plantea utilizar cuatro mezcladores (ver
Figura 2) que operaran durante 8 h con cuatro intervalos (o cargas) de 2 h y
descansos de 30 min (dejando 30 min libres por contratiempos) Esta operacioacuten se
elige con base en las horas de trabajo y el meacutetodo de preparacioacuten del catalizador
Al igual que en la parte experimental el proceso requiere operacioacuten por lotes debido
a que se necesitan largos tiempos de contacto para obtener catalizadores eficientes
en la oxidacioacuten de CO a baja temperatura Se pretende utilizar un agitador tipo
Catalizadores de Oro Soportado 27
UAM-I
canastilla[4] el cual permite colocar dentro de las mismas el catalizador para tener
una mejor impregnacioacuten de partiacuteculas de Au y eliminar la atricioacuten Las dimensiones
del agitador asiacute como del mezclador se presentan en la Figura 6
Al teacutermino de la uacuteltima carga en los mezcladores el lote completo del diacutea pasa al
horno para secarlo a 80degC por 2 h y calcinarlo a 400degC durante 4 h Durante estos
procesos se concluye la preparacioacuten del catalizador Las temperaturas y tasas de
calentamiento estaacuten basadas en el meacutetodo de preparacioacuten experimental descrito en
el Capitulo ll Posteriormente el catalizador producido pasa a la seccioacuten donde se
embolsa para ser vendido como materia prima y la otra parte pasa a la seccioacuten de
ensamblaje para fabricar el purificador
Dimensiones de la industria
Las dimensiones de los equipos como mezcladores cisternas tanque de
tratamiento horno etc se tomaron como base para poder suponer espacios entre
equipos para tener seguridad del personal Se dio preferencia a los mezcladores ya
que son las partes importantes en la elaboracioacuten de los catalizadores La cisterna
estaraacute enterrada para facilitar su llenado en el caso de los contenedores de HAuCl4
y NH4OH estaraacuten encima de bases maacutes altas que los mezcladores para poder
abastecerlos por gravedad Esto debido a que el volumen es poco no se requiere de
grandes cantidades por lo que no se requiere alguna bomba Se estuvo analizando
la forma de acomodar los equipos y se obtuvo la siguiente distribucioacuten que se
muestra en la Figura 3
En la Figura 4 se presenta el plano de la industria con sus respectivos
departamentos en la parte sur se encuentra la entrada principal en ella se encuentra
vigilancia y la entrada de empleados y obreros posteriormente esta la zona de
oficinas lado izquierdo del lado derecho se encuentra el estacionamiento para
clientes y empleados en el almaceacuten se encontraraacuten refacciones de equipo y
reservas de materia primas para los catalizadores en la zona de produccioacuten se tiene
el estacionamiento de proveedores para facilitar la entrada y salida del producto
Catalizadores de Oro Soportado 28
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado 29
Debido a que en cada industria debe existir un espacio recreativo se plantea una
cancha de Baacutesquetbol para los obreros y una zona de jardines en la parte norte
Ubicacioacuten de la industria
Para poder ubicar una industria es importante analizar la zona geograacutefica Para lo
cual se deben considerar algunos factores importantes por ejemplo No ubicarla en
zona de siacutesmica Si la industria requiere de un gran volumen de agua no ubicarla en
una regioacuten deseacutertica Si el producto es muy sensible al calor y la humedad evitar
zonas muy caacutelidas y huacutemedas Si se piensa vender el producto en una zona
especifica ubicar la industria cerca de la zona de venta para evitar gastos de
transportacioacuten A partir de este tipo de razonamientos se planea que debido a que el
producto que se elaborara que es un purificador cataliacutetico para su venta en la ZMVM
ya en ella estaacuten ubicadas las principales industrias de calentadores y debido a que la
planta requiere de un volumen considerable de agua se escogioacute el estado de
Morelos porque no esta muy lejos de la ZMVM y tiene reservas de agua Asiacute el gasto
de transportacioacuten de materias primas y sobre todo del producto elaborado seriacutea
pequentildeo
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
Agua
Tanque tratamien
Figur
NH4OH
HAuCl4
Produccioacuten de catalizadores
Recuperacioacuten de agua
de to
a
MezcladoresMezcladores
Cuando se requiere limpieza
Horno
Producto almaceacuten
30
1 Diagrama de produccioacuten Recuperacioacuten de cloro
UAM-I
35 BALANCE DE MATERIA DIAGRAMA DE FLUJO PARA DIFERENTES LOTES DE SOPORTE EN UN SOLO MEZCLADOR
Catalizadores de Oro So
05 Kg Au
10
0
086 Kg HAuCl4(ac)014 Kg H2O
035 Kg NO2(g)
2
35 Kg NH4(OH)(ac) (01M)
10000 Kg H2O
100 Kg Al3O
100 Kg Al2O3 (9965) 035 Kg Au (035) 025 Kg Cl2
026 Kg HauCl4(ac)35 Kg NH4(OH)
1101035 Kg H2O
O MEZCLADOR (t0)
10035 Kg catalizador
86 KgHAuCl4(ac)101035 Kg H2O
037 Kg HCl (ac) (105 M) 048 Kg HNO3(ac) (152 M)
porta
Kg N
30 Kg Al2Cl3
101021 Kg H2
do
H4 (OH) (ac) (01M) 30 Kg Al2O3 (9965) 01 Kg Au (035)
007 Kg Cl2
)
3
)
301 Kg catalizador MEZCLADOR (t1)
009 Kg HauCl4(ac)45 Kg NH4(OH)
1101035 Kg H2O
MEZCLADOR 1054 Kg catalizador
105 Kg Al2O3
(t2)
105 Kg Al2O3 (9965)
035 Kg NH4 (OH) (ac) (01M
004 Kg Au (035) 003 Kg Cl2
23 Kg Al2O
MEZCLADOR
(t3)23 Kg Al2O3 (9965)
2308 Kg catalizador
008 m3 NH4(OH) (ac) (01M
002 Kg HauCl4(ac)485 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
0008 Kg Au (035) 0006 Kg Cl2
0003 Kg HauCl4(ac)493 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
31
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado 32
DIAGRAMA DE FLUJO PARA UN MEZCLADOR
MEZCLADOR
1101035 Kg H2O
1428 kg γ-Al2O3
086 Kg HAuCl4
493 Kg NH4(OH)
0003 Kg HauCl4(ac)493 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
1433 Kg Catalizador
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
36 DIAGRAMA DE LA INDUSTRIA
INDUSTRIA DE CATALIZADORES
TANQUE DE TRATAMIENTO HORNO
CISTERNA 1
CONTENEDORDE AuCl3 CONTENEDOR DE
NH4OH ZONA DE LLENADO
DE SAPORTE
SE LLEVA AL HORNO
MANUALMENTE
PRODUCTOALMACEacuteN
Contenedor de HAuCl4
Figura 2 Diagrama de la distribucioacuten del equipo dentro del aacuterea de produccioacuten
33
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
37 DIMENSIONES DEL EQUIPO Y TUBERIacuteA
2 mts
2 mts 2 mts 6 mts 4 mts 3 mts 5mts 5 mts 3 mts 6 mts 3
3mts 3 mts 3mts 3 mts 3 mts
4 mts 1 5 mts 1 5 mts 4mts 4 7mts 4 mts 21 mts 7 2mts 26 mts 2 mts 21 mts 6 mts
3 5 mts 14 mts 6 mts 8 mts 1 5 mts 3 mts 5 mts 13 mts 8 mts 20 mts 30 mts
IN D U ST R IA D E C A T A L IZ A D O R E S
T AN Q U E D E T R AT AM IE N T O H O R N O
C IST E R N A 1
C O N T EN ED O RD E Au C l3
C O N T EN E D O R D E N H 4O H
ZO N A D E L LEN AD O D E SO PO R T E
AG UA PAR A JAR D IN ES
M E Z C L A D O R E S 12 3 y 4
1 2 3 4
A L M A C Eacute N
Contenedor de HAuCl4
Figura 3 Dimensiones del equipo y tuberiacutea requerida
34
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
38 PLANO DE DISTRIBUCIOacuteN DE AacuteREAS
Figura 4 Aacutereas de trabajo dentro de la planta
35
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
DIMENSIONES DE LA INDUSTRIA
Figura 5 Dimensiones de cada aacuterea de la planta industrial
36
UAM-I
Ingenieriacutea Quiacutemica 37
10 cm 3mts 1 mts 25 cm 15cm 5 cm 5 cm 3mts 150 mts 10 cms 100 mts 20 cm
003 mts
Figura 6 Dimensiones del mezclador y del Agitador
UAM-I
Las dimensiones de las canastillas se determinaron a partir del balance de masa y la
produccioacuten requerida La carga de un contenedor de soporte que es de 100kg del
cual el agitador tiene 4 canastillas cada una corresponde 25 Kg la masa se obtuvo
del balance de materia y su densidad 600 Kgm3 con el que se obtuvo un volumen de
0043 m3
39 ANAacuteLISIS FINANCIERO
El costo de materias primas se muestra en la Tabla 2 en la que tambieacuten se incluyen
los flujos de alimentacioacuten requeridos para el proceso a partir de los cuales se
determinaron los costos diarios
Tabla 2 Costo de materias primas [5]
Compuesto
Alimentacioacuten
por diacutea
Costo
USDKg
Costo Total
USDdiacutea
Au 2 kg 10596 2119200
HCl 15 Kg 52 780
HNO3 20 Kg 022 044
-Al2O3 5712 Kg 034 19421
Canastillas 500 piezas 15 75000
NH3(OH) 200 Kg 034 680
H2O 440414 Kg 282 282
Total de Materia Prima 2215407
El costo se determinoacute considerando la cantidad de material el tamantildeo y el costo de
manufactura
El costo se determinoacute para uso industrial conforme establece la tesoreriacutea de
Meacutexico
Ingenieriacutea Quiacutemica 38
UAM-I
PERSONAL REQUERIDO PARA LA INDUSTRIA
La Tabla 3 establece los salarios mensuales anuales y las prestaciones del IMSS
para el personal de la planta
Tabla 3 Salarios y Prestaciones del Personal
Mano de Obra (USDmes)p
ersona
USDmes USDantildeo Prestaciones
IMSS
1 Gerente 2000 2000 24000
1 Administrador 1000 1000 12000
1 Secretaria 400 400 4800 1193
Total de Salarios
Administrativos
40800 1193 409193
9 Obrero 150 150 1800 448
1 Teacutecnico 200 200 2400 597
1 Policiacutea 200 200 2400 597
1 Mantenimiento 180 180 2160 538
1 Limpieza 150 150 1800 448
Total de Salarios
Proceso
10560 2628 108228
Los salarios se determinaron en base al salario miacutenimo vigente en la Ciudad de
Meacutexico (2003)[29]
Ingenieriacutea Quiacutemica 39
UAM-I
PERSONAL
Departamento de produccioacuten
Se tendraacute 2 obreros en el llenado de soporte en las rejillas un obrero encargado del
traslado de rejillas por medio de la banda de los motores a cada contenedor un
obrero en cada contenedor de NH4OH y HAuCl4 en cada mezclador se tiene 1
obrero para descargar y cargar las rejillas a la banda que se trasladaran al horno en
el horno se tiene 1 obrero encargado del secado y calcinado el producto se traslada
al almaceacuten donde estaraacuten 2 obreros que reciben el producto y materias primas de los
proveedores se tiene 1 teacutecnico supervisando los equipos un encargo del
mantenimiento de los equipos
Departamento de personal
Gerente de la industria un administrador encargado de compra y venta de materias
primas una secretaria
Ingenieriacutea Quiacutemica 40
UAM-I
CAPITAL FIJO
La Tabla 4 muestra el costo de los equipos requeridos en la planta asiacute como el
Capital Fijo y la Inversioacuten del Capital Total
Tabla 4 El equipo se costeo usando las correlaciones de Ulrich [6] y empleando el
programa de Capcost
EQUIPO USD
4 Contenedores 23584
4 Agitadores (456kW) 269760
1 Horno (25 kW) 15700
15 Bombas (1469kW) 43081
1 Motor (114 kW) 67440
Tuberiacuteas 42150
2 Cisternas 174183
Vaacutelvulas 1283
Accesorios
(codos 90ordm y de 45ordm te)
1474
CAPITAL FIJO 638655
Capital de Trabajo 9579825
INVERSIOacuteN DE
CAPITAL TOTAL
73445325
Los caacutelculos y las correlaciones empleadas para el costeo del equipo se anexan en
el Apeacutendice A
Ingenieriacutea Quiacutemica 41
UAM-I
GASTOS GENERALES
Tabla 5 Proporciona el total de gastos anuales con lo cual se estima el precio por
kilo de catalizador y por unidad purificadora
Tabla 5 Gastos Generales anuales
USDAntildeo
Materias Primas 531697680
Mano de Obra de Operacioacuten 1082280
Mano de Obra de Oficina 4091930
Servicios Electricidad 2620100
Total de Gastos Generales 539491990
CFE
Produccioacuten diaria de Catalizador = 574 Kg
Precio de Catalizador = 40 USDKg
Produccioacuten diaria de unidades purificadoras = 500
Precio por unidad = 50USD
Ganancia diaria = 22960 USD
Ganancia Anual = 5510400 USD
DETERMINACIOacuteN DE LA RENTABILIDAD DEL PROYECTO
TPI (Actual) = 10
PR (Factor de riesgo) = 25
TREMA = TPI + PR
TREMA = 35
TIR (del proyecto) = 90
TIR gt TREMA
Puesto que la TIR es mayor que la TREMA se tiene que el proyecto es rentable [6]
Ingenieriacutea Quiacutemica 42
UAM-I
310 CONCLUSIONES
En el desarrollo de la industria para la fabricacioacuten de catalizadores se tuvo un
resultado satisfactorio a pesar de la falta de informacioacuten disponible acerca de
industrias de catalizadores debido a que esta informacioacuten no es publica El proyecto
que elaboramos es novedoso en nuestro paiacutes ya que no existen registros de una
industria que produzca catalizadores de oro soportados en aluacutemina
Durante el desarrollo del proyecto se planteoacute trabajar con compuestos como NOx y
COVS sin embargo debido a la falta de tiempo no se logroacute concluir la
experimentacioacuten en estos campos Debido a esto se tomoacute la decisioacuten de trabajar en
la oxidacioacuten cataliacutetica de CO Esto debido a varios factores por ejemplo la
disponibilidad de gases y sobre todo los costos que esto implicaba
Para el desarrollo del catalizador se analizaron diferentes tipos de preparacioacuten y se
eligieron dos meacutetodos diferentes Deposicioacuten-precipitacioacuten e Impregnacioacuten Los
catalizadores se evaluaron bajo diversas condiciones en la oxidacioacuten de CO El
catalizador que presentoacute mayor conversioacuten con el catalizador a baja temperatura fue
el sintetizado por el meacutetodo de Deposicioacuten-precipitacioacuten el cual se utilizoacute para el
disentildeo de la Industria El disentildeo estaacute basado en la forma de preparacioacuten del
catalizador Por esto la parte maacutes importante de la planta es el tanque de mezclado
el cual se disentildeo tomando en cuenta los diferentes disentildeos de agitadores para tener
un mezclado oacuteptimo Se incorporo en la parte superior del agitador las canastillas
para las pastillas cataliacuteticas y el tipo de Horno que se usara para el secado y
posteriormente el calcinado Una parte importante es la produccioacuten de catalizador
para este problema se investigoacute en que parte se podriacutea utilizar a diferencia de los
catalizadores para automoacuteviles Se llego a la decisioacuten de poder desarrollar un
catalizador para los calentadores de agua se obtuvo informacioacuten de la fabrica de
calentadores cal-o-rex en la produccioacuten diaria de calentadores y de esta informacioacuten
se pudo calcular la posible demanda de nuestro producto Una parte importante en
las industrias son el tipo de bombas ya que existen diversos modelos en nuestro
disentildeo se escogioacute las bombas centriacutefugas con rodetes para agua que contiene
pequentildeas partiacuteculas de soacutelidos
En la parte de servicios para personal se investigo los sueldos de cada empleado Se
determinoacute el costo de los equipos y finalmente llegamos a la parte que nos interesa
Ingenieriacutea Quiacutemica 43
UAM-I
del disentilde es decir si el proyecto es rentable o no En este caso particular se tuvo un
valor aceptable y se definioacute que el disentildeo es rentable Esto indica que seria una
industria que tendriacutea ganancias y a la vez que el producto que se fabrique nos
ayudaraacute a todos a reducir la emisioacuten de CO en los hogares aportando una pequentildea
ayuda al medio ambiente
COMENTARIOS
Los conocimientos adquiridos durante este tiempo fueron provechosos en la parte
teoacuterica y praacutectica aclaramos dudas de como y porque se comportan las reacciones
quiacutemicas y los procesos de flujos Durante el desarrollo del proyecto aprendimos a
observar y la importancia de entender fiacutesicamente las algunos procesos relacionados
con la siacutentesis y caracterizacioacuten de materiales cataliacuteticos
Ingenieriacutea Quiacutemica 44
UAM-I
38 BIBLIOGRAFIacuteA
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[29] Secretaria de Trabajo y Previsioacuten Social Comisioacuten de Salarios Miacutenimos
Ingenieriacutea Quiacutemica 46
UAM-I
APEacuteNDICE A
CRITERIOS PARA DETERMINAR QUIEacuteN CONTROLA EL PROCESO
Criterio de weisz para difusioacuten interna
Ec(12-16 Fogler) Los valores que se sustituyen en las siguientes ecuaciones fueron
tomados del catalizador que se analizo en el laboratorio
CWP = ( )
AS
cObsA
DeCRcr 2minus
lt 1
-rA(Obs) = velocidad de reaccioacuten observada molgcats Cc = concentracioacuten volumeacutetrica molm3
CAS = concertacioacuten en la superficie molm3
D= diaacutemetro del granulo m R = radio del granulo m De = difusividad efectiva m2s
d = 0149mm mxmm
m 4104911000
1 minus=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
CWP = ( )( )3
32
24
33
103470184200350
21049150800010681
minus
minusminus
=⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞⎜
⎝⎛
x
mmol
hrm
mxcatm
gcathgcat
molx
734x10-3 lt 1 No hay limitante por la difusioacuten interna
Ingenieriacutea Quiacutemica 47
UAM-I
Criterio de mears para difusioacuten interna Ec(12-62 Fogler)
Mm = 150ltAbc
bA
CkRnr ρminus
Mm =( )( )
0570
136000184200220
31110457508000106851
3
53
3
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ minusminus
hrs
mmol
sm
mxcatmgcat
hgcatmolx
0057 lt 015 no hay efecto de transferencia de masa externa Calculo de Dab para calcular el coeficiente de trasferencia de masa Ec(78 Lobo)
De =
KAAB DD11
1
+
DKA = 970X103 (80X10-8)(s
cmK 221 1090)
2400( =
DAB = 00018583ABAB
BA
PMMT
Ω
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ +
2
2123 11
γ
Para CO
0110=isin
Bk 0593 A=γ
Para O2
Ingenieriacutea Quiacutemica 48
UAM-I
0113=isin
Bk 0453 A=γ
( ) 51343359321
=+=ABγ
( )( )[ ] 21113110BAB k=isin A la temperatura de 400degK
( ) 583))113)(110((
40021 =
deg=
isin B
B
AB
B
KKKTK
Ω AB = 0907 Sustituyendo
DAB =s
cm2
2
2123
9730)9070()513(
)21281()400(00185830=
+
De = hrm
hrs
cmm
scm 222
03501
3600100
10980
10901
97301
1=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
+
Calculo de Kc Sh = (Re)12(Sc)13
Velocidad superficial
V = sm
shr
hrm
mxhr
m
Av
c
02036001976
1087
006025
3
0 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛== minus
Ingenieriacutea Quiacutemica 49
UAM-I
Re= ( ) 240)1062)(501(
)10491)(020(
1 25
4
=minus
=minus minus
minus
smx
mxsmvd p
νφ
Sc= 672)3600
1)(0350(
10622
25
==minus
shr
hrm
smx
Dv
AB
Sh= ( 024 )12 ( 267 )13 = 0679
Kc = Shdp
DAB⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛minusφ
φ1
Kc = ( )sm
mxs
mx02206790
10491
10729
50501
4
26
=⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛minus
minus
minus
Calculo de numero Thile con el radio que usara a nivel industrial
φ = L ( )DkCn n
AS
21 1minus+
L = 3R
Sustituyendo
φ = 66x10-4 m( )
( )
450
03502
018420
5480941311
3
30
3330
313
=
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+
catmhrm
mmol
hrcatmmolm
η = 1 con los resultados anteriores se observa que quieacuten limita es la velocidad de
reaccioacuten Por lo que se procede a calcular el peso y longitud de catalizador
necesaria para muestro purificador sustituyendo los valores del Boiler
Ingenieriacutea Quiacutemica 50
UAM-I
Peso del Catalizador w =
( ) grcatgcatLn
gcatm
mmol
hrcatmmolm
hrm
xLn
kCv
A
66476639401
1
6000001578
548094
19836
11
330
3330
313
3
0
0 asymp=minus
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
minus
g 664=w
33
3
1011
mg60000
g 664 mxwv minus===ρ
m 035003101011
2
33
==minus
mmxL
cm 531000350 == xL
Ingenieriacutea Quiacutemica 51
UAM-I
APEacuteNDICE B BALANCE DE MASA DE LA PREPARACIOacuteN DE HAUCL4 Au(g) + 3HNO3(ac) + 4HCL(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O + 3N02(g) (152 M) (105M)
cantidad de mol Au = 05 kg Au x molAu
grAumolAux
kggr 542
971961
11000
=
cantidad de kg HNO3 = ( ) 33
33 480
10001
1635423 kgHNO
grkgx
molHNOGRHNOxHNOmol =
cantidad de kgHCl = ( ) kgHClgr
kgxmolHCl
grHClHClxmol 3701000
11
5365424 =
cantidad de kgHAuCl4 = 254molHAuCl4 x 44
8601000
11
97339 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
gr=
cantidad de kgH2O = 3( 254mol)H20 x OkgHgr
kgxOmolHOgrH
22
2 1401000
1118
=
cantidad de Lt H20 = 762molHNO3 x OltHOkgHOLtH
22
2 14011
=
cantidad de Lt H20 = 1016 mol HNO3 x 050215
012
2 LtHmol
LtH=
cantidad de LtH20 = 1016mol HCl x OLtHLtHmolHCl
LtH22
2 010970510
01asymp=
cantidad de MHAUCl4 = ( ) ( ) ( ) MHltltlt
ClmolHAU 7210850490140
542
2
4 asymp++
cantidad de kg NO2(g) = 3( 254mol)NO2 x )(22
2 3501000
1146
SkgNOgr
kgxmolNO
grNO=
Ingenieriacutea Quiacutemica 52
UAM-I
05 kg Au 048 kgHNO3 035 kgNO2 101021 kgH20 (152M) 037 kgHCl(ac)
(105 m) 086 kg HAuCl4 (ac) 086 kg HAuCl4 (ac)
(17 M) 014 kgH20 (25x10-3M) 014kg H20 (L) 086kg HAuCl4 035kgNO2 (g) 101185kg H20 Cantidad de H20 = 086 kgHAuCl4
x 08510110101
105201
173341
11000
22
23
24 kgHLtHkgHx
MxltHx
grmolHAuClx
kggr
=minus
pero (101185 ndash 014 ndash 05 ndash 1) kg H20 = 101021 kg H20 100ml H20 por 1 gr soporte 35kg NH4 (OH)(AC) 10000kgH20 100 kg γAl203 (9965) 035kgAu (035) 100kg γAl203 025kgCl2 086kg HAuCl4 026kgHAuCl4
101185 kg H20 35kgNH4 (OH)(AC) 1101185kgH20 cantidad de kgHAuCl4 = 015kgAu x
44
4 2601000
11
973391
197196
147196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxgrAu
molxkg
gr=
cantidad de NH4(OH) = 100kg γ Al203 x
Ingenieriacutea Quiacutemica 53
UAM-I
kgNHxmol
grx
mlmol
xOAlgr
OHmlNHx
kg
gr53
10001
1
35
100010
1
)(10
1
1000
32
4=
γ4(OH)
30kg γAL2O3 1 kgNH4(OH)(AC) 30 kg γ Al203 (9965) 010 kg Au (035) 026kgHAuCl4 007kg Cl2 35kgNH4(OH) 1101185 kgH2O 0086kgHAuCl4 45 kg NH4(OH)(AC) 1101185 kg H20
cantidad de γ Al2O3 = 026kgHAuCl4 x 324
32 02330860
100 AlkgkgHAuCl
OAlkg γγ=
cantidad de kgAu = 035 x kgAukg 10506599
30=
cantidad de kg Cl2 = 01 kgAu x
22
2 07201000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de HAuCl4 = 005kgAu x
44
4 08601000
11
973391
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 54
UAM-I
cantidad de kgNO4(OH) = 30 kg γ Al203 x ( )OHkgNHAlkg
OHkgNO4
32
4 0510100
)(53=
γ
105 kg γ Al203 035 kg NH2(OH) 105 kg γ Al203 (9965) 004 kg Au (035) 009kg HAuCl4 003 kg Cl2 45kgNH4(OH) 1101185 kg H20 0017kgHAuCl4 485kgNH4 (OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 009 HAuCl4 x 324
32 04710860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad kg de NH4 (OH) = 105kg γ Al203 x ( ) )(3500100
534
32
4 OHkgNHAlkg
OHkgNH=
γ
cantidad de Cl2 = 004 kg Au x
22
2 02901000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
gAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 =
44
44 02001701000
11
973391
197196
11
1000010 kgHAukgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgr
molAuxkg
grkgAux asymp=
Ingenieriacutea Quiacutemica 55
UAM-I
23 kg γ Al203 008kgNH4(OH) 002 kg HAuCl4 23 kg γAl203 (9965) 485kgNH4(OH) 0008kgAu(035) 1101185kg H2 0001kg Cl2
0014 kg HAuCl4 493kgNH4(OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 002kgHAuCl4 x 324
32 032860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad de kg Au = 035 x kgAukg 00806599
32=
cantidad de kgCl2 = 0002kgAu x
24
4 00101000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 = 0008kgAu x
44
44 01401000
11
973341
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 56
UAM-I
APEacuteNDICE C ACCESORIOS EN EL DISENtildeO
Agitador
Agitadores de Heacutelice se escogioacute este tipo de agitador por ser tener las siguientes
caracteriacutesticas [3]
bull Es un agitador de flujo axial
bull Se emplea para liacutequidos pocos viscosos
bull Giran a toda la velocidad del motor
bull Las corrientes de flujo se mueven a traveacutes del liacutequido en una direccioacuten
determinada hasta que son desviadas por el fondo o las paredes del tanque
bull Las palas de la heacutelice cortan o friccionan vigorosamente el liacutequido
bull Los agitadores de heacutelice son eficaces para tanques de gran tamantildeo
Horno
bull El horno se escogioacute por ser tener las siguientes caracteriacutesticas [5]
bull El horno de construccioacuten metaacutelica
bull La caacutemara de combustioacuten estaacute construida mediante hormigones refractarios
de alta resistencia mecaacutenica
bull Las materias secar y calcinar se carga de forma manual
Ingenieriacutea Quiacutemica 57
UAM-I
Bomba
DISENtildeO Bomba centrifuga para operacioacuten horizontal o vertical del impulsor
cerrado succioacuten al extremo descarga hacia arriba tangencial simple succioacuten de un
paso con carcaza partida verticalmente [3]
ROTACIOacuteN En el sentido del reloj vista desde el cople
CARACTERIacuteSTICAS Conexiones brindadas con registro ubicado en la cabeza de
succioacuten para facilitar su limpieza
SERVICIO Debido a que es posible colocarla en posicioacuten horizontal o vertical tanto
en caacutercamos secos como huacutemedos y por el disentildeo de su impulsor que soacutelidos de
gran tamantildeo esta bomba es ideal para los procesos de tratamientos de agua y
manejo de liacutequidos en suspensioacuten en general
CAPACIDADES
GASTO Hasta 3000 GPM
CDT Hasta 80rsquo
PRESIOacuteN 106 Kgcmsup2
POTENCIA De 1 a 60 Hp
VELOCIDAD (1175 - 3550 RPM)
TEMPERATURA 125degC
Ingenieriacutea Quiacutemica 58
UAM-I
Bombas Centriacutefugas
Las maquinas centriacutefugas estaacuten constituidas por un impulsor o rodete formado por
una serie de aletas radiales diversas formas y curvaturas que giran dentro de una
caja circular El fluido penetra por el ojo o eje de rotacioacuten y se descarga maacutes o
menos radialmente en una caacutemara perifeacuterica a una elevada presioacuten que
corresponde a la suma de la fuerza centriacutefuga de la rotacioacuten maacutes la cineacutetica
comunicada al fluido por las aletas La parte moacutevil de la bomba es el rodete Las
aletas del rodete se extienden desde el centro de rotacioacuten hacia la periferia y las
bridas son los discos de refuerzo a cada lado de las aletas que las envuelven Las
aletas pueden ser radiales curvadas ligeramente hacia delante en el mismo sentido
de la rotacioacuten o estar curvadas al reveacutes en el caso maacutes comuacuten en el disentildeo se
determino el rodete siguiente por sus caracteriacutesticas Fig 1
Figura 1 Corte parcial de un rodete de centriacutefuga para grandes cargas y secciones
de paso estrechas empleando con liacutequidos corrosivos o suspensiones de pequentildeas
partiacuteculas[4]
Ingenieriacutea Quiacutemica 59
UAM-I
APENDICE D CALCULO DE POTENCIA DE BOMBAS (8)
Potencia de la bomba de la cisterna 1 que alimenta a los mezclador 4
Ecuacioacuten de Bernoulli
sum sumint =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛+++∆+∆i i
i
P
P
evvfDLvwdphgv 0
21
21
ˆ1
21 222
2
1ρ
a b c d e f
a Diferencia de velocidades
b Diferencia de alturas
c Diferencia de presiones
d Trabajo
e Perdidas de friccioacuten en tuberiacuteas
f Perdidas de friccioacuten en accesorios
En la ecuacioacuten anterior se pueden eliminar algunos teacuterminos
21 mts
6 mts 35 mts
Figura 1 Balance de cisterna 1 a mezclador 4
Se debe de tener dos puntos de referencia para la utilizacioacuten de la ecuacioacuten de
Bernoulli de los cuales se anotaron en la figura 2
Ingenieriacutea Quiacutemica 60
UAM-I
21 mts
2 1 6 mts 35 mts
Figura 2
Teniendo los puntos de referencia se analiza que las diferencias de velocidades son
cero en ambos puntos por lo tanto el termino 2
21 ν∆ es igual a cero
El termino de = (981hg∆ 2segm )(35m ndash 0) = 34335 2
2
segm
El termino de int2
1
1P
P
dpρ
se tiene que la cisterna y el tanque de mezclado ambos no
estaacuten cerrados y por lo tanto no originan un cambio de presioacuten y el termino es cero
De esta expresioacuten L longitud de tuberiacutea
tro de tuberiacutea
n el interior del tubo
v
Para la l radio del tubo que
sum ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
i
fDL2
21 ν
D diaacuteme
f perdidas de friccioacuten e
velocidad del flujo de agua
obtencioacuten de la velocidad se tiene el flujo volumeacutetrico y e
es de 32 cm =0032mts con la ecuacioacuten
Ingenieriacutea Quiacutemica 61
( )( ) sm
ms
m
RQ 761
032060min1)
min340(
2
3
2 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
==ππ
ν
UAM-I
Se reportan valores de perdida de fr
e reduce teacuterminos
iccioacuten en tubos que son igual a 005
Por lo tanto sustituyendo los teacuterminos en la ecuacioacuten de Bernoulli s
sum sumint =⎟⎠
⎜⎝
+⎟⎠
⎜⎝
+++∆+∆i i
iP
evvfD
vwdphgv 022
ˆ2
1ρ
⎞⎛⎞⎛ L 111 2222
or tanto el termino de trabajo queda expresado de la siguiente manera
tanto la bomba comunica al fluido que circula en el sistema un trabajo
+11727
P1
p w
sum sum ∆minus⎟⎠⎞
⎜⎝⎛minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛minus=
i ii
hgevvfDLvw 22
21
21
ˆ
( ) ( )
Este es el trabajo ( por unidad de masa) producido por el fluido en la bomba por lo
22
sm o 11727 981 = 1195
m
fKg
Kgm
La velocidad de flujo de masa es
Por lo tanto
1 )=6694
951)(675(ˆ =minus=minus WwW smkg f = 088Hp = 1Hp
Siendo esta ida para esta bomba El procedimiento anterior se
iguioacute para cada bomba de la planta
AP E
la potencia requer
s
EacuteNDICE
TOXICOLOGIacuteA DE MATERIAS PRIMAS [6]
( ) ( ) ( )( ) ( )( )msm
smmmm
sm 538192201150761
21050
032021536761
21
2
22minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ +minus⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ++
minus=wm
22
27117ˆ smw minus=
( )s
kgmkgQw m675100060340 3 === ρ
Ingenieriacutea Quiacutemica 62
UAM-I
HIDROacuteXIDO DE SODIO
Polvo corrosivo blanco delicuescente
Toxicidad
Concentracioacuten Maacutexima permisible 2mgm3 en aire
Signos y Siacutentomas Conjutivitis quemaduras corneales y de la piel Irritacioacuten
seas vomito dolor abdominal y diarrea a veces con
Lavado de las partes afectadas tranquilizantes sulfato de
decuada gafas protectoras o pantallas para
ignos y Siacutentomas Irritacioacuten de ojos quemaduras corneables tos dolores
l hemoptisis dolor de cabeza dolor epigaacutestrico nauseas y vomito
lmonar
Tratamiento lavado de ojos con agua reposo oxigeno con aparato de respiracioacuten
con onantes
ACIDO NITRICO
Liquido corrosivo sofocante de incoloro a amarillento
ioacuten maacutexima permisible 10ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
del tracto respiratorio nau
sangre
Tratamiento
morfina para el dolor y cortisona
Medidas preventivas Ventilacioacuten a
la cara completa mascarilla con filtro mecaacutenico guantes delantares botas de
goma y acentuar la limpieza personal
CLORO
Gas pasado amarillo verdoso
Toxicidad
Conc Maacutexima permisible 1 ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten
S
retrosterna
debilidad cianosis y edema pu
trolada bronco dilatadores y descongesti
Toxicidad
Concentrac
Ingenieriacutea Quiacutemica 63
UAM-I
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
Signos y siacutentomas Erosioacuten dental estornudo tos Dolor en el pecho bronquitis y
la las partes contaminadas del cuerpo con solucioacuten al 5 de
de las quemaduras con pantildeos
de triacuteo sulfato soacutelido si se a ingerido
vado de ojos con agua
ACIDO CLORIDRICO
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
ivitis necrosis corneal por inhalacioacuten rinitis erosioacuten
dolor de cabeza palpitacioacuten por ingestioacuten
s en la boca faringe esoacutefago estomago salivacioacuten vomito Soc
agua lavada de agua y jaboacuten de las partes
preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
AacuteC
El c
con o de hidroacutegeno una
concentracioacuten de 12 molLt Este aacutecido es un liacutequido incoloro con un olor aacutecido
bronconeumoniacutea
Tratamiento
bicarbonato soacutelido o con agua y jaboacuten Tratamiento
mojados con solucioacuten saturada
administracioacuten por viacutea oral de solucioacuten de jaboacuten Hidroacutexido caacutelcico o alumiacutenico u
oacutexido de magnesio
Medidas preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores excluir de la exposicioacuten
a los individuos con enfermedades de pulmones y rintildeones
Gas incoloro o liacutequido o a amarillento
Toxicidad
Concentracioacuten maacutexima permisible 5ppm en aire
Signos y siacutentomas conjunt
dental laringitis bronquitis neumoniacutea
quemadura
nefritis
Tratamiento lavado de ojos con
contaminantes del cuerpo tratamiento ordinario de quemaduras lavado gaacutestrico
se a ingerido con solucioacuten de bicarbonato soacutedico al 5 seguido de una instilacioacuten
de gel de hidroacutexido de aluminio
Medidas
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores
IDO CLORHIacuteDRICO
loruro de hidroacutegeno es en extremo soluble en agua de hecho el aacutecido clorhiacutedrico
centrado contiene cerca del 38 en masa de clorur
Ingenieriacutea Quiacutemica 64
UAM-I
pronunciado que se debe al equilibrio entre el cloruro de hidroacutegeno gaseoso y
ste con el aacutecido fluorhiacutedrico el aacutecido clorhiacutedrico es un aacutecido fuerte (pKa = -
7) y se ioniza casi totalmente
gar de aacutecido sulfuacuterico auque en menor grado Por
jemplo el zinc metaacutelico reacciona con aacutecido clorhiacutedrico para dar el ion zinc e
hidroacutegeno gaseoso
Zn(s) + 2HCl(ac) ZnCl2(ac) + H2(g)
l para producir aacutecido clorhiacutedrico en el laboratorio es generar
cloruro de hidroacutegen e sodio y el aacutecido
ulfuacuterico En el primer paso a 150degC se forma hidroacutegeno sulfato de sodio
NaHSO4(s) + HCl(g)
io y maacutes
loruro de hidroacutegeno gaseoso Luego el gas se disuelve en agua para formar el
aacutecido
NaHSO4(s) + NaCl(s) Na2SO4(s) + HCl(g)
acuoso
HCl(ac) HCl(g)
El reactivo de grado teacutecnico a menudo tiene un color amarillento por una impureza
del ion hierro (III)
En contra
HCl(ac) + H2O(l) H2O+(ac) + Cl -(ac)
Por ello a menudo se prefiere usar aacutecido clorhiacutedrico diluido en lugar de aacutecido niacutetrico
que es muy oxidante y en lu
e
Cuando el zinc reacciona con el aacutecido niacutetrico es comuacuten que se reduzca una parte
del ion nitrato para dar dioacutexido de nitroacutegeno
El meacutetodo tradiciona
o gaseoso por la reaccioacuten entre el cloruro d
s
NaCl(s) + H2SO4(l)
La mezcla se calienta a 550degC temperatura a la cual el hidroacutegeno sulfato de sodio
reacciona con un exceso de cloruro de sodio para formar sulfato de sod
c
∆
Este meacutetodo se usa tambieacuten en la industria otra forma de producir cloruro de
hidroacutegeno es por la combinacioacuten directa de dicloro y dihidroacutegenogaseosos
Ingenieriacutea Quiacutemica 65
UAM-I
H2(g) + Cl2(g) 2HCl(g)
La mayor cantidad de cloruro de hidroacutegeno que se produce actualmente es un
CH4(g) + 4Cl2(g) 4(l) + 4HCl(g)
riacuten de superficies de acero en un bantildeo aacutecido en la purificacioacuten de glucosa
y jarabe de maiacutez e s y de gas y en la
bricacioacuten de compuestos clorados El aacutecido se puedo comprar en muchas
nducida por la luz
4HNO3(ac) 4NO2(g) + O2(g) + 2H2O(l)
niacutetrico como disolvente)
H2NO3+ H2O + NO2
+
l siguiente
3HNO NO3 ndash
subproducto de otros procesos industriales como la siacutentesis de tetracloruro de
carbono
CCl
Se consumen cerca de 107 toneladas de aacutecido clorhiacutedrico cada antildeo en todo el
mundo Este aacutecido tiene una gama muy amplia de usos como aacutecido comuacuten para
eliminar o
n el tratamiento con aacutecido de pozos petrolero
fa
ferreteriacuteas con el arcaico nombre de aacutecido muriaacutetico sus principales usos caseros
son la limpieza de superficies de concreto y la eliminacioacuten de herrumbre Un nuacutemero
muy reducido de personas es incapaz de sintetizar suficiente jugo gaacutestrico y deben
de ingerir caacutepsulas de aacutecido clorhiacutedrico diluido con cada comida
AacuteCIDO NIacuteTRICO
El aacutecido niacutetrico un liacutequido aceitoso e incoloro en estado puro es sumamente
peligroso El aacutecido que funde a ndash42degC y hierve a +83degC tiene por lo general un
ligero color amarillo a causa de una reaccioacuten de descomposicioacuten i
En un estado puro el aacutecido niacutetrico liacutequido praacutecticamente no conduce la electricidad
Una pequentildea porcioacuten se ioniza como sigue (todas estas especies existen en el aacutecido
2HNO3(l) H2NO3+ + NO3
ndash
H2O + HNO3 H3O+ + NO3 ndash
Para dar la reaccioacuten globa
3 NO2+ + H3O + 2+
Ingenieriacutea Quiacutemica 66
UAM-I
El catioacuten nitrilo es importante en la nitracioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas por ejemplo la
obenceno C6H5NO2 una etapa importante en
umerosos procesos industriales orgaacutenicos
El aacutecido niacutetrico con en agua mientras
ue el ldquoaacutecido niacutetrico fumanterdquo un oxidante extremadamente poderoso es una
vez de ello se produce una mezcla de
sistema que da un orden de
vista industrial el
oceso
e lleva a cabo en tres etapas Primero se hace pasar una mezcla de amoniaco y de
dioxiacutegeno (o aire) un proceso muy
ficiente y exoteacutermico que hace que la malla se ponga al rojo Esta etapa se verifica
conversioacuten de benceno C6H6 en nitr
n
centrado es en realidad una solucioacuten al 70
q
solucioacuten roja de dioacutexido de nitroacutegeno en aacutecido niacutetrico puro Incluso cuando esta
diluido el aacutecido niacutetrico es un oxidante tan fuerte que rara vez desprende hidroacutegeno
cuando se pone en contacto con metales en
oacutexidos de nitroacutegeno y el metal se oxido a su catioacuten
Los enlaces O-N son mucho maacutes cortos (121 pm) que el enlace O-N unidos al aacutetomo
de hidroacutegeno (141 pm) Esta longitud de enlaces indica que hay enlaces muacuteltiples
entre el nitroacutegeno y los dos aacutetomos de oxiacutegeno terminales Ademas de los electrones
del sistema σ hay cuatro electrones que participan en el sistema π O-N-O dos de un
orbital enlazante y dos en un orbital no enlazante
enlace de 112 para cada uno de esos enlaces nitroacutegeno- oxiacutegeno
A veces se nos olvida hasta queacute punto nuestra experiencia depende de la
termodinaacutemica y la cineacutetica Por ejemplo la primera siacutentesis industrial de aacutecido
niacutetrico se llevaba ha cabo por simple combinacioacuten de diniacutetrogeno dioxiacutegeno y agua
utilizando un horno de arco eleacutectrico a fin de proporcionar la energiacutea necesaria par
superar la muy elevada barrera cineacutetica Aunque desde el punto de
factor cineacutetico constituiacutea un problema en realidad es una bendicioacuten por que sin esta
barrera cineacutetica hace mucho tiempo que todo el dioacutexido de la atmoacutesfera se abriacutea
transformado en aacutecido niacutetrico y nuestros mares serian de aacutecido niacutetrico diluido
frac12 N2(g) + 54O2(g) + 12H2O(g) HNO3(g)
Ahora se utiliza el proceso Ostwald para la siacutentesis de aacutecido niacutetrico Este proceso
consume gran parte del amoniaco que se produce por el proceso Haber El pr
s
a traveacutes de una malla de platino metaacutelico Eacuteste es
e
a baja presioacuten para aprovechar el efecto entropico es decir la formacioacuten de 10
moles de gas a partir de 9 moles de gas (una aplicacioacuten del principio de Le Chatelier)
para desplazar el equilibrio a la derecha
Ingenieriacutea Quiacutemica 67
UAM-I
4NH3(g) + 5O2(g) 4NO(g) + 6H2O(g)
Se agrega maacutes oxiacutegeno para oxidar el monoacutexido de nitroacutegeno a dioacutexido de nitroacutegeno
A fin de mejorar el rendimiento de esta reaccioacuten exoteacutermica se extrae calor de los
ases y la mezcla se somete a presioacuten
2HNO3(l) + NO(g)
Esta reaccioacuten tambieacuten es exoteacutermica y una vez maacutes se aplica enfriamiento y alta
la
egunda etapa para oxidarlo de nuevo
La contaminacioacuten s de aacutecido niacutetrico
as plantas maacutes antiguas eran faacutecilmente identificables por la fumarola cafeacute-
antas maacutes antiguas ahora mezcla cantidades
en Estados Unidos porque un 20
dedica ala produccioacuten de explosivos
or ultimo el aacutecido niacutetrico es un liacutequido que hierve a 826degC No existe como liacutequido
g
2NO(g) + O2(g) 2NO2(g)
El dioacutexido de nitroacutegeno se mezcla con agua para dar una solucioacuten de aacutecido niacutetrico
3NO2(g) + H2O(l)
presioacuten par obtener el maacuteximo rendimiento El monoacutexido de nitroacutegeno se vuelve a
s
soliacutea ser un problema importante de las planta
L
amarillento del dioacutexido de nitroacutegeno que escapaba por ellas Las plantas maacutes
antiguas eran faacutecilmente identificable por la fumadora cafeacute-amarillo del dioacutexido de
nitroacutegeno que escapaba de ellas Las pl
estequiomeacutetricas de amoniaco con las oacutexidos de nitroacutegeno con lo cual se obtiene
dinitroacutegeno y vapor de agua ambos inocuos
NO(g) + NO2 (g) + 2NH3(g) 2N2(g) + 3H2O(g)
En todo el mundo alrededor del 80 del aacutecido niacutetrico se utiliza en la produccioacuten de
fertilizantes Esta proporcioacuten es de solo el 65
se
P
puro porque en alguna medida se descompone espontaacuteneamente como sigue
4HNO3(l) 4NO2(g) + 2H2O(l) + O2(g)
Ingenieriacutea Quiacutemica 68
UAM-I
El aacutecido niacutetrico concentrado que se usa en el laboratorio estaacute al 68 en masa HNO3
(densidad 142 gcm3) lo que corresponde a 157 M
l aacutecido niacutetrico es un poderoso agente oxidante El nuacutemero de oxidacioacuten del N en el
) El aacutecido niacutetrico puede oxidar
nto a metales que estaacuten abajo del hidroacutegeno como aquellos que se encuentran
4Zn2+(ac) + NH4
+(ac) + 3H2O(l)
do no oxida al oro Sin embargo cuando se mezcla con
cido clorhiacutedrico concentrado en relacioacuten 13 en volumen (una parte de HNO3 a tres
partes al oro
omo sigue
APEacuteNDICE F
ETODO DE DEPOSICIOacuteN-PRECIPITACIOacuteN
E
HNO3 es + 5 Los productos maacutes comunes de la reduccioacuten del aacutecido niacutetrico son el
NO2 (N = + 4) el NO (N = + 2) y el NH4+ (N = - 3
ta
arriba en la serie de actividades Por ejemplo el cobre es oxidado por el aacutecido niacutetrico
concentrado como se mencionoacute antes
En presencia de reductores fuertes como el zinc metaacutelico el aacutecido niacutetrico se puede
reducir hasta ion amonio
4Zn(s) + 10H+(ac) + NO3
-(ac)
El aacutecido niacutetrico concentra
aacute
de HCl) la disolucioacuten resultante denominada agua regia puede oxidar
c
Au(s) + 3HNO3(ac) + 4HCl(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O(l) + 3NO2(g)
M
Ingenieriacutea Quiacutemica 69
UAM-I
APEacuteNDICE G
ISENtildeO DEL MEZCLADOR [4]
1) 100 ml H2O gr soporte
2) NH4(OH)
Ajustar a PH = 9 4) HAuCl4 (solucioacuten acuosa al 25E-3M)
6) Filtrado o centrifugado
3) En Agitacioacuten por 2 hr
8) Secado por 2hr a 80 degC
9 ) Calcinado por 4hr a 400 degC
7) Lavado
5) Antildeegamiento por 30 min
D
Ingenieriacutea Quiacutemica 70
UAM-I
El disentildeo de un tanque agitado dis n nuacutemero de elecciones sobre el
po y localizacioacuten del agitador las proporciones del tanque el nuacutemero y dimensiones
ada una de estas decisiones afectan a la velocidad
e circulacioacuten del liacutequido los modelos de velocidad y el consumo de potencia Como
pone de un gra
ti
de las placas deflectoras etc C
d
punto de partida en el disentildeo de los problemas ordinarios de agitacioacuten generalmente
se utiliza un agitador de turbina del tipo que se muestra en la figura 1 La proporcioacuten
tiacutepica es
31
=t
a
DD
1=tD
H 121
=tD
J 51
=aD
W 41
=aD
L
de estas ecuaciones se disentildeara el mezclador como datos se tiene el valor H que es
igual a 3 mts y el diaacutemetro del tanque D
Se determinara la medida de los reflectores
t que es igual 3 mts
121
=tD
J se despeja J
elacioacuten R31
=t
a
DD
se despeja Da
Relacioacuten
41
=aD
L se despeja L
elacioacuten se despeja W
( ) ( ) cmmtsmtsDJ 25250311==⎟
⎞⎜⎛=⎟
⎞⎜⎛= t 1212 ⎠⎝⎠⎝
( ) ( ) mtsmtsDD ta 1331
31
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=
( ) ( ) mtsmtsDL a 250141
41
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛= cm25=
51
=aD
WR
Ingenieriacutea Quiacutemica 71
UAM-I
Figura 2 a) Vista transversal del mezclador b) paletas del mezclador con la
donde se deposita el soporte
Figura 1 Medidas de un agitador de turbina
a) b)
s rejillas
H
J
E L
Da
D t
W
W
( ) ( ) cmmtsmtsDW a 2020151
5==⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎜⎝
=1 ⎞⎛
Ingenieriacutea Quiacutemica 72
UAM-I
Difraccioacuten de Rayos X Se realizoacute en un difractoacutemetro Siemens D500 en un entrono
angular de 4 a 64ordm en 2θ La radiacioacuten Cuκα se seleccionoacute con un difractor de un haz
de luz monocromaacutetico
Microscopia Electroacutenica de Transmisioacuten (TEM) Se utilizoacute un Microscopio Electroacutenico
de Transmisor Mod EM910 Zeiss operando a un voltaje de 120 kV y con una
ampliacioacuten de 400000 aumentos Para la preparacioacuten de las muestras se tomaron
005 g de cada una y se disolvieron en alcohol etiacutelico y se sometieron a ultrasonido
(Branson 2210) por 5 min Posteriormente se colocaron las rejillas en porta objetos y
se agregoacute una gota de la solucioacuten del catalizador dejando secar a temperatura
ambiente hasta su medicioacuten
Evaluacioacuten cataliacutetica Las medidas de actividad cataliacutetica en la oxidacioacuten de CO e H2
CH4 y C2H8 se realizaron en un microreactor de cuarzo de lecho fijo en el cual se
colocaron en todos los casos 030 g de catalizador y se utilizoacute un flujo total de 100
mLmin Para la oxidacioacuten de CO se utilizoacute una mezcla con 1 CO 05 O2 033
H2 en N2 para las pruebas en condiciones estequiomeacutetricas y con 1 CO 21 O2
033 H2 en N2 para los experimentos en exceso de O2 El efluente fue analizado
por cromatografiacutea de gases (GC-12 A Shimadzu C-RGA con una columna SFE-1)
con detector de conductividad teacutermica Para la combustioacuten de CH4 se uso una
mezcla con 1 CH4 2 O2 97 N2 y para la combustioacuten de C3H8 una mezcla con
1 C3H8 2 O2 97 N2 En todos los experimentos la temperatura de operacioacuten
fue de 25 a 400 degC y la velocidad espacial fue 10146 h-1
Catalizadores de Oro Soportado 13
UAM-I
23 RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN
Absorcioacuten Atoacutemica y Adsorcioacuten Fiacutesica La Tabla 1 muestra los contenidos de Au
el Aacuterea BET (ABET) el volumen promedio de poro (VP) y el radio promedio de poro
(RP) para los catalizadores preparados
Se puede observar que el aacuterea BET de la γ-Al2O3 se modifica con la adicioacuten de Au El
aacuterea BET entre la γ-Al2O3 pura y la muestra DP concuerdan con lo reportado[10-11] de
que a mayor porcentaje de Au mayor es el aacuterea superficial sin embargo el aacuterea BET
del catalizador 007-Auγ-Al2O3-IMP que tiene un menor porcentaje de Au presenta
la mayor aacuterea BET Sin embargo aunque el radio promedio de poro es casi el mismo
para las tres muestras el catalizador 007-Auγ-Al2O3-IMP presenta el mayor
volumen promedio de poro Esto podriacutea deberse a que el meacutetodo de preparacioacuten
utilizado causoacute la generacioacuten de una mayor porosidad en la γ-Al2O3 en lugar de la
impregnacioacuten de una mayor cantidad de Au Las isotermas de adsorcioacuten de los
catalizadores fueron del tipo IV y semejantes en forma a la de la γ-Al2O3 (Figura 1)
La Figura 2 muestra que la distribucioacuten de tamantildeo de poros se centra dentro del
mismo margen para las tres muestras y se aprecia la presencia de mesoporos entre
los 50 y 125 Aring
Tabla 1 Contenido Au y caracteriacutesticas texturales en los catalizadores
Catalizador Au ( en peso) ABET (m2g) RP (Aring) VP (ccg)
γ-Al2O3 000 183 78 0489
IMP 007 301 79 0743
DP 035 215 78 0518
IMP 100
No se ha determinado
Catalizadores de Oro Soportado 14
UAM-I
0
100
200
300
400
500
0 02 04 06 08
PPo
Vads
(cm
3g)
STP
-Al2O3
035-Au -Al2O3-DP
007-Au -Al2O3-IMP
1
Figura 1 Isotermas de adsorcioacuten y desorcioacuten de N2 de los catalizadores Auγ-Al2O3
ifraccioacuten de Rayos X La Figura 3 muestra los patrones de difraccioacuten de Rayos X
0
0004
0008
0012
0016
002
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
Rp [A]
Dv(
r) [c
m3
Ag]
-Al2O3
035-Au -Al2O3-DP
007-Au -Al2O3-IMP
Figura 2 Distribucioacuten de tamantildeo de poros
D
de los catalizadores Se observa que todos son caracteriacutesticos de la γ-Al2O3 Es
imposible identificar la presencia del Au esto debido al pequentildeo porcentaje y la alta
Catalizadores de Oro Soportado 15
UAM-I
dispersioacuten del Au contenido en cada uno de los catalizadores Sin embargo para el
caso de que se tuviese mayor cantidad de Au el difractograma podriacutea presentar un
pico alrededor de los 38deg en 2θ el cual indicariacutea la presencia de Au A partir de esta
sentildeal y la ecuacioacuten de Scherrer algunos autores han calculado el tamantildeo promedio
de las partiacuteculas de oro en catalizadores soportados
Microscopia Electroacutenica Transmisioacuten (MET) En la Figura 4 se presentan las
casos los
imaacutegenes de MET para la γ-Al2O3 y los catalizadores 035-Auγ-Al2O3-DP y 007-Auγ-
Al2O3-IMP En ambos catalizadores el tamantildeo de partiacutecula se encuentra es mayor
que 2 nm pero menor o igual que 5 nm En ambos casos los resultados indican que
las partiacuteculas de oro estaacuten dispersadas de manera uniforme en el soporte
Se encuentra es mayor que 2 nm pero menor o igual que 5 nm En ambos
resultados indican que las partiacuteculas de oro estaacuten dispersadas de manera uniforme
en el soporte
Figura 3 Patrones de Difraccioacuten de Rayos X de los catalizadores Auγ-Al2O3
Catalizadores de Oro Soportado 16
UAM-I
Figura 4 Imaacutegenes de MET para (a) γ-Al2O3 (b) 035-Auγ-Al2O3-DP y (c) 007-Auγ-
Al2O3-IMP
Catalizadores de Oro Soportado 17
UAM-I
Se sabe que la alta actividad cataliacutetica del oro esta relacionada con su tamantildeo esto
quiere decir que entre maacutes pequentildeas sean las partiacuteculas mayor actividad tendraacuten
nes estequiomeacutetricas el catalizador 007-Auγ-Al2O3-
P no mostroacute actividad para la oxidacioacuten de CO e H2 sin embargo al operar la
por lo tanto de las imaacutegenes anteriores se tiene que el meacutetodo DP es el maacutes
adecuado por lograr depositar mayor cantidad de Au con gran dispersioacuten y un
tamantildeo de partiacuteculas pequentildeo
Actividad Cataliacutetica A condicio
IM
misma muestra con un exceso de O2 la actividad inicioacute a partir de 140oC alcanzando
una conversioacuten maacutexima de 8748 a 400 degC (Figura 5) En vista de este uacuteltimo
resultado se decidioacute evaluar el catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP a las mismas
condiciones de exceso de O2 En este caso la actividad cataliacutetica inicioacute por debajo de
los 30oC incrementaacutendose casi linealmente con la temperatura hasta lograr una
conversioacuten maacutexima de 9367 a 127degC La diferencia en actividad entre ambos
catalizadores es notable Auacuten a muy bajos contenidos de Au el catalizador 007-Auγ-
Al2O3-IMP presenta una actividad importante sin embargo al aumentar cinco veces
este contenido (035) y manteniendo el tamantildeo de partiacutecula es posible disminuir la
temperatura de encendido calculada como la temperatura a la cual se logra el 50
de conversioacuten (T50) en 175oC Un uacuteltimo estudio fue la evaluacioacuten del catalizador
10-Auγ-Al2O3-IMP el cual presenta una T50 de 290 degC(ver Figura 5) la cual es 40 degC
mayor que el catalizador 007-Auγ-Al2O3-IMP auacuten cuando el contenido de Au es
mayor La Figura 5 muestra tambieacuten la comparacioacuten de estos resultados con
trabajos anteriores[10] en los que utilizan el catalizador 5-Auγ-Al2O3-IMP a
condiciones estequiomeacutetrica en este caso T50 es de 215 degC tan solo 35 degC de
diferencia en comparacioacuten con el catalizador 007-Auγ-Al2O3-IMP La diferencia en el
contenido de Au es 15 veces menor En general al trabajar en condiciones en exceso
de O2 se tiene una mayor conversioacuten a una menor temperatura por lo que se
esperariacutea que los resultados del catalizador 5-Auγ-Al2O3-IMP bajo condiciones de
exceso fueran mejores sin embargo los autores no presentan estos resultados
Catalizadores de Oro Soportado 18
UAM-I
El catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP alcanzoacute 100 de conversioacuten a 176 degC a
condiciones de exceso de O2 (Figura 5) esta conversioacuten se mantuvo por 24 h sin
presentar indicios de desactivacioacuten (Figura 6) KRuth [12] reporta desactivacioacuten del
catalizador 10-Auγ-TiO2 a partir de 80 minutos de operacioacuten con una velocidad
espacial de 1x104 h-1 El catalizador fue preparado por deposicioacuten y contiene nano-
particulas (2-5nm) soportadas en TiO2 Sin embargo el catalizador logra 100 de
conversioacuten a 0 degC Esto es debido a que los catalizadores AuTiO2 presentan mayor
actividad a temperaturas bajas La Figura 6 muestra tambieacuten la conversioacuten reportada
por Seung-Jae[11] del catalizador 043-Auγ-Al2O3-IMP en donde la temperatura de
operacioacuten es de 25 degC sin embargo se tiene una desactivacioacuten apreciable a partir de
150 minutos de operacioacuten con una velocidad especiales de 8x10 h-1
Figura 5 Conversioacuten del CO para los catalizadores de 007-Auγ-Al2O3-IMP 10-
os resultados de conversioacuten del hidroacutegeno (Figura 7) muestran conversioacuten del 100
10 a 035 es de 20 degC
Auγ-Al2O3-IMP y de 035-Auγ-Al2O3-DP en condiciones de operacioacuten en exceso de
O2 la tasa de temperatura es de 2degC por minuto Datos Referencia [10]
L
por debajo de 150 degC con el catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP mientras que el
catalizador 007-Auγ-Al2O3-IMP logra conversioacuten completa hasta 270oC y para el
catalizador 10-Auγ-Al2O3-IMP se tiene una conversioacuten del 100 hasta 310 degC lo
cual indica que los tres catalizador son activos para ambas reacciones y que se
mantiene la tendencia observada para la oxidacioacuten de CO La disminucioacuten en T50 al
aumentar el contenido de Au de 007 a 035 es de 140oC mientras que para la de
Catalizadores de Oro Soportado 19
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado 20
Figura 6 Variacioacuten de la conversioacuten con respecto al tiempo para la muestra de DP a
una temperatura de 180 degC Datos Referencia [11]
Figura 7 Oxidacioacuten de H sobre los catalizadores 035-Au2 γ-Al2O3-DP 007-Auγ-
Al2O3-IMP y 10-Auγ-Al2O3-IMP bajo condiciones de exceso de O2
La Figura 8 muestra como varia la temperatura de encendido con la cantidad de Au
en los catalizadores preparados en este trabajo Se observa un miacutenimo para el
catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP lo cual indica que la mayor actividad se logra a bajos
contenidos de Au y tamantildeos de partiacutecula menores que 5 nm
0
20
40
60
80
0 200 400 600 800 1000Tiempo (min)
Con
vers
ioacuten
de C
O (
) 100
035-Au -Al2O3-DP (176 degC)
043-Au -Al2O3-IMP (25 degC)
0
20
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Temperatura (degC)
40
60
Con
vers
ioacuten
de H
2 (
)
80
100
10-Au -Al2O3-IMP035-Au -Al2O3-DP007- Au -Al2O3-IMP50-Au -Al2O3-IMP
UAM-I
F
o
P
o
o
re
d
F
c
C
T50 (degC)
igura 8 Variacioacuten de la te
xidacioacuten de CO con respect
or ultimo se realizaron cu
peracioacuten pero variado la
btenidos se muestran en la
accioacuten presentan una tend
e catalizador
00000
00040
00080
00120
00160
00200
0
(-rc
o)
00000
igura 9 Velocidad de reac
ondiciones en exceso de O2
atalizadores de Oro Soportado
masa Au
mperatura de encendido a 50 de conversioacuten en la
o a la cantidad de Au en el catalizador
atro corridas maacutes bajo las mismas condiciones de
masa de catalizador Las velocidades de reaccioacuten
fig9En esta figura se observa que las velocidades de
encia lineal despueacutes de los 80degC al aumentar la masa
50 100 150 200 250 300T (degC)
3 gr cat
25 gr cat
2 gr cat
15 gr cat
1 gr cat
cioacuten de CO a diferentes masas de catalizador y bajo
21
UAM-I
Se tomo una temperatura de 125 degC debido a las mediciones realizadas en
diferentes calentadores domeacutesticos Se encontroacute que la temperatura media es la
mencionada A partir de los datos experimentales se determinoacute que el orden de
reaccioacuten es 13 y la constante cineacutetica k = 480945 (m3)13[(mol)03m3cat hr] (00012
mhr) y un coeficiente de transferencia de masa de 792 mhr (ver apeacutendices A) con
estos valores y usando los criterios de Weisz-Prater y Mears[14] (ver apeacutendice B) se
obtuvo que no existe resistencia interna ni externa a la transferencia de masa por lo
que la cineacutetica es la que controla
24 CONCLUSIOacuteN DE LA EXPERIMENTACIOacuteN El meacutetodo de DP es mucho maacutes adecuado que el de IMP para la preparacioacuten de
catalizador de Au soportados en γ-Al2O3 ya que permitioacute obtener catalizadores con
cinco veces maacutes oro que el preparado por el meacutetodo IMP bajo condiciones similares
de preparacioacuten En ambos casos el tamantildeo promedio de partiacutecula fue menor que 5
nm Debido a esto el catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP presenta una mayor actividad
en la oxidacioacuten de CO e H2 sin observarse desactivacioacuten durante un periodo de 24 h
Puesto que en ambas muestras se consiguioacute una gran dispersioacuten y un tamantildeo
similar de nanopartiacuteculas de oro se tiene entonces que la principal diferencia de
actividad cataliacutetica se debe principalmente a la cantidad de Au en el catalizador Sin
embargo el catalizador 10-Auγ-Al2O3 presenta una menor conversioacuten que el de
035-Auγ-Al2O3-DP a pesar de contener maacutes Au por lo que hasta el momento se
podriacutea decir que la cantidad de Au optima se encuentra por debajo de 10 wt y por
arriba de 007 wt no obstante se requiere de la caracterizacioacuten del catalizador 10-
Auγ-Al2O3 se para determinar de que manera influyen el tamantildeo de partiacuteculas la
distribucioacuten el volumen y el tamantildeo de poro en los resultados esta caracterizacioacuten
asiacute como la evaluacioacuten cataliacutetica del catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP bajo
condiciones estequiomeacutetricas se encuentran en proceso
Catalizadores de Oro Soportado 22
UAM-I
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Catalizadores de Oro Soportado 23
UAM-I
C A P I T U L O III
D I S E Ntilde O D E L A P L A N T A I N D U S T R I A L
Catalizadores de Oro Soportado 24
UAM-I
31 INTRODUCCIOacuteN
Este capitulo esta enfocado al disentildeo de la planta industrial donde se produciraacuten
catalizadores de Auγ-Al2O3 por el meacutetodo de Deposicioacuten-Precipitacioacuten (DP) descrito
en el capitulo 2
Parte de la produccioacuten de los catalizadores se destinaraacute a su venta en masa y otra
parte se destinaraacute para el equipo de purificacioacuten de calentadores de agua esto con
la finalidad que el catalizador que esta contenido dentro del equipo de purificacioacuten
cuando se desactive pueda remplazarse por catalizador nuevo disponible en el
mercado De esta forma se tendraacuten ganancias tanto al vender el equipo purificador
como al vender catalizador como materia prima
32 DISENtildeO DEL EQUIPO PURIFICADOR PARA CALENTADORES DE AGUA DOMEacuteSTICOS El equipo purificador se ubicaraacute a la salida del efluente gaseoso del calentador como
un equipo adicional como se muestra en la Figura 1 Se plantea colocarlo en una
posicioacuten tal que oxide a baja temperatura hasta el 90 de CO Las dimensiones del
purificador se determinaron seguacuten las especificaciones de calentador y el balance de
materia en el sistema purificador Estos caacutelculos se presentan en el Apeacutendice A
Los tubos de las chimeneas de los calentadores son de latoacuten por lo que se decidioacute
utilizar este material para la parte exterior la parte donde se colocaraacute el catalizador
es de 35 cm de longitud para colocarlo en el tubo de la salida del flujo de gas se
dieron 2 cm maacutes en cada extremo para hacer un tipo cople de manera que el tubo
entre en los extremos
Catalizadores de Oro Soportado 25
UAM-I
C O 2 2 0 c m 7 c m c m G A S C O
3
2cm
75 cm 35 cm
Figura 1 Esquematizacioacuten del equipo purificador y su ubicacioacuten en los calefones
Las dimensiones obtenidas (Apeacutendice A) y las caracteriacutesticas del purificado se
presentan en la Tabla 1
Tabla 1 Especificaciones de purificador
Material Latoacuten
Longitud 35 cm
Diaacutemetro 20cm
Cantidad de
Catalizador
700 gr
Catalizadores de Oro Soportado 26
UAM-I
33 PRODUCCIOacuteN DE LA PLANTA INDUSTRIAL A partir de un estudio de mercado se encontroacute que en la Ciudad de Meacutexico hay
cuando menos cuatro empresas principales (CALOREX ELSA MAGAMEX y
CINSA) que fabrican calentadores de agua residenciales[1 2] Estas en promedio
producen 150 calefones diarios Por cada calefoacuten se requiere un equipo purificador
En este sentido de requieren idealmente 600 unidades de purificacioacuten por diacutea Esta
base se utilizoacute para el disentildeo de la planta
A partir del balance de masa en el purificador y empleado los resultados
experimentales a nivel laboratorio (ver apeacutendice A) se encontroacute que cada purificador
requiere 07 Kg de catalizador A partir de este resultado se requiere producir al
menos 420 Kg de catalizador para satisfacer la demanda en la produccioacuten de
calefones Con base en el balance de materia realizado en el mezclador se
determinoacute que la cantidad de catalizador obtenido despueacutes de cuatro lotes es de
570 Kg Tomando el resto de catalizador como reserva por cualquier contratiempo El
nuacutemero de lotes se determinoacute en base a que fuese rentable la recuperacioacuten de oro
34 DISENtildeO Y OPERACIOacuteN DE LA PLANTA
La fabricacioacuten del catalizador a nivel industrial esta basada en el escalamiento del
meacutetodo de siacutentesis descrito en la parte experimental Lo cual es una praacutectica comuacuten
en la fabricacioacuten de materiales cataliacuteticos
Para la produccioacuten de 570 Kg por diacutea se plantea utilizar cuatro mezcladores (ver
Figura 2) que operaran durante 8 h con cuatro intervalos (o cargas) de 2 h y
descansos de 30 min (dejando 30 min libres por contratiempos) Esta operacioacuten se
elige con base en las horas de trabajo y el meacutetodo de preparacioacuten del catalizador
Al igual que en la parte experimental el proceso requiere operacioacuten por lotes debido
a que se necesitan largos tiempos de contacto para obtener catalizadores eficientes
en la oxidacioacuten de CO a baja temperatura Se pretende utilizar un agitador tipo
Catalizadores de Oro Soportado 27
UAM-I
canastilla[4] el cual permite colocar dentro de las mismas el catalizador para tener
una mejor impregnacioacuten de partiacuteculas de Au y eliminar la atricioacuten Las dimensiones
del agitador asiacute como del mezclador se presentan en la Figura 6
Al teacutermino de la uacuteltima carga en los mezcladores el lote completo del diacutea pasa al
horno para secarlo a 80degC por 2 h y calcinarlo a 400degC durante 4 h Durante estos
procesos se concluye la preparacioacuten del catalizador Las temperaturas y tasas de
calentamiento estaacuten basadas en el meacutetodo de preparacioacuten experimental descrito en
el Capitulo ll Posteriormente el catalizador producido pasa a la seccioacuten donde se
embolsa para ser vendido como materia prima y la otra parte pasa a la seccioacuten de
ensamblaje para fabricar el purificador
Dimensiones de la industria
Las dimensiones de los equipos como mezcladores cisternas tanque de
tratamiento horno etc se tomaron como base para poder suponer espacios entre
equipos para tener seguridad del personal Se dio preferencia a los mezcladores ya
que son las partes importantes en la elaboracioacuten de los catalizadores La cisterna
estaraacute enterrada para facilitar su llenado en el caso de los contenedores de HAuCl4
y NH4OH estaraacuten encima de bases maacutes altas que los mezcladores para poder
abastecerlos por gravedad Esto debido a que el volumen es poco no se requiere de
grandes cantidades por lo que no se requiere alguna bomba Se estuvo analizando
la forma de acomodar los equipos y se obtuvo la siguiente distribucioacuten que se
muestra en la Figura 3
En la Figura 4 se presenta el plano de la industria con sus respectivos
departamentos en la parte sur se encuentra la entrada principal en ella se encuentra
vigilancia y la entrada de empleados y obreros posteriormente esta la zona de
oficinas lado izquierdo del lado derecho se encuentra el estacionamiento para
clientes y empleados en el almaceacuten se encontraraacuten refacciones de equipo y
reservas de materia primas para los catalizadores en la zona de produccioacuten se tiene
el estacionamiento de proveedores para facilitar la entrada y salida del producto
Catalizadores de Oro Soportado 28
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado 29
Debido a que en cada industria debe existir un espacio recreativo se plantea una
cancha de Baacutesquetbol para los obreros y una zona de jardines en la parte norte
Ubicacioacuten de la industria
Para poder ubicar una industria es importante analizar la zona geograacutefica Para lo
cual se deben considerar algunos factores importantes por ejemplo No ubicarla en
zona de siacutesmica Si la industria requiere de un gran volumen de agua no ubicarla en
una regioacuten deseacutertica Si el producto es muy sensible al calor y la humedad evitar
zonas muy caacutelidas y huacutemedas Si se piensa vender el producto en una zona
especifica ubicar la industria cerca de la zona de venta para evitar gastos de
transportacioacuten A partir de este tipo de razonamientos se planea que debido a que el
producto que se elaborara que es un purificador cataliacutetico para su venta en la ZMVM
ya en ella estaacuten ubicadas las principales industrias de calentadores y debido a que la
planta requiere de un volumen considerable de agua se escogioacute el estado de
Morelos porque no esta muy lejos de la ZMVM y tiene reservas de agua Asiacute el gasto
de transportacioacuten de materias primas y sobre todo del producto elaborado seriacutea
pequentildeo
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
Agua
Tanque tratamien
Figur
NH4OH
HAuCl4
Produccioacuten de catalizadores
Recuperacioacuten de agua
de to
a
MezcladoresMezcladores
Cuando se requiere limpieza
Horno
Producto almaceacuten
30
1 Diagrama de produccioacuten Recuperacioacuten de cloro
UAM-I
35 BALANCE DE MATERIA DIAGRAMA DE FLUJO PARA DIFERENTES LOTES DE SOPORTE EN UN SOLO MEZCLADOR
Catalizadores de Oro So
05 Kg Au
10
0
086 Kg HAuCl4(ac)014 Kg H2O
035 Kg NO2(g)
2
35 Kg NH4(OH)(ac) (01M)
10000 Kg H2O
100 Kg Al3O
100 Kg Al2O3 (9965) 035 Kg Au (035) 025 Kg Cl2
026 Kg HauCl4(ac)35 Kg NH4(OH)
1101035 Kg H2O
O MEZCLADOR (t0)
10035 Kg catalizador
86 KgHAuCl4(ac)101035 Kg H2O
037 Kg HCl (ac) (105 M) 048 Kg HNO3(ac) (152 M)
porta
Kg N
30 Kg Al2Cl3
101021 Kg H2
do
H4 (OH) (ac) (01M) 30 Kg Al2O3 (9965) 01 Kg Au (035)
007 Kg Cl2
)
3
)
301 Kg catalizador MEZCLADOR (t1)
009 Kg HauCl4(ac)45 Kg NH4(OH)
1101035 Kg H2O
MEZCLADOR 1054 Kg catalizador
105 Kg Al2O3
(t2)
105 Kg Al2O3 (9965)
035 Kg NH4 (OH) (ac) (01M
004 Kg Au (035) 003 Kg Cl2
23 Kg Al2O
MEZCLADOR
(t3)23 Kg Al2O3 (9965)
2308 Kg catalizador
008 m3 NH4(OH) (ac) (01M
002 Kg HauCl4(ac)485 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
0008 Kg Au (035) 0006 Kg Cl2
0003 Kg HauCl4(ac)493 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
31
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado 32
DIAGRAMA DE FLUJO PARA UN MEZCLADOR
MEZCLADOR
1101035 Kg H2O
1428 kg γ-Al2O3
086 Kg HAuCl4
493 Kg NH4(OH)
0003 Kg HauCl4(ac)493 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
1433 Kg Catalizador
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
36 DIAGRAMA DE LA INDUSTRIA
INDUSTRIA DE CATALIZADORES
TANQUE DE TRATAMIENTO HORNO
CISTERNA 1
CONTENEDORDE AuCl3 CONTENEDOR DE
NH4OH ZONA DE LLENADO
DE SAPORTE
SE LLEVA AL HORNO
MANUALMENTE
PRODUCTOALMACEacuteN
Contenedor de HAuCl4
Figura 2 Diagrama de la distribucioacuten del equipo dentro del aacuterea de produccioacuten
33
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
37 DIMENSIONES DEL EQUIPO Y TUBERIacuteA
2 mts
2 mts 2 mts 6 mts 4 mts 3 mts 5mts 5 mts 3 mts 6 mts 3
3mts 3 mts 3mts 3 mts 3 mts
4 mts 1 5 mts 1 5 mts 4mts 4 7mts 4 mts 21 mts 7 2mts 26 mts 2 mts 21 mts 6 mts
3 5 mts 14 mts 6 mts 8 mts 1 5 mts 3 mts 5 mts 13 mts 8 mts 20 mts 30 mts
IN D U ST R IA D E C A T A L IZ A D O R E S
T AN Q U E D E T R AT AM IE N T O H O R N O
C IST E R N A 1
C O N T EN ED O RD E Au C l3
C O N T EN E D O R D E N H 4O H
ZO N A D E L LEN AD O D E SO PO R T E
AG UA PAR A JAR D IN ES
M E Z C L A D O R E S 12 3 y 4
1 2 3 4
A L M A C Eacute N
Contenedor de HAuCl4
Figura 3 Dimensiones del equipo y tuberiacutea requerida
34
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
38 PLANO DE DISTRIBUCIOacuteN DE AacuteREAS
Figura 4 Aacutereas de trabajo dentro de la planta
35
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
DIMENSIONES DE LA INDUSTRIA
Figura 5 Dimensiones de cada aacuterea de la planta industrial
36
UAM-I
Ingenieriacutea Quiacutemica 37
10 cm 3mts 1 mts 25 cm 15cm 5 cm 5 cm 3mts 150 mts 10 cms 100 mts 20 cm
003 mts
Figura 6 Dimensiones del mezclador y del Agitador
UAM-I
Las dimensiones de las canastillas se determinaron a partir del balance de masa y la
produccioacuten requerida La carga de un contenedor de soporte que es de 100kg del
cual el agitador tiene 4 canastillas cada una corresponde 25 Kg la masa se obtuvo
del balance de materia y su densidad 600 Kgm3 con el que se obtuvo un volumen de
0043 m3
39 ANAacuteLISIS FINANCIERO
El costo de materias primas se muestra en la Tabla 2 en la que tambieacuten se incluyen
los flujos de alimentacioacuten requeridos para el proceso a partir de los cuales se
determinaron los costos diarios
Tabla 2 Costo de materias primas [5]
Compuesto
Alimentacioacuten
por diacutea
Costo
USDKg
Costo Total
USDdiacutea
Au 2 kg 10596 2119200
HCl 15 Kg 52 780
HNO3 20 Kg 022 044
-Al2O3 5712 Kg 034 19421
Canastillas 500 piezas 15 75000
NH3(OH) 200 Kg 034 680
H2O 440414 Kg 282 282
Total de Materia Prima 2215407
El costo se determinoacute considerando la cantidad de material el tamantildeo y el costo de
manufactura
El costo se determinoacute para uso industrial conforme establece la tesoreriacutea de
Meacutexico
Ingenieriacutea Quiacutemica 38
UAM-I
PERSONAL REQUERIDO PARA LA INDUSTRIA
La Tabla 3 establece los salarios mensuales anuales y las prestaciones del IMSS
para el personal de la planta
Tabla 3 Salarios y Prestaciones del Personal
Mano de Obra (USDmes)p
ersona
USDmes USDantildeo Prestaciones
IMSS
1 Gerente 2000 2000 24000
1 Administrador 1000 1000 12000
1 Secretaria 400 400 4800 1193
Total de Salarios
Administrativos
40800 1193 409193
9 Obrero 150 150 1800 448
1 Teacutecnico 200 200 2400 597
1 Policiacutea 200 200 2400 597
1 Mantenimiento 180 180 2160 538
1 Limpieza 150 150 1800 448
Total de Salarios
Proceso
10560 2628 108228
Los salarios se determinaron en base al salario miacutenimo vigente en la Ciudad de
Meacutexico (2003)[29]
Ingenieriacutea Quiacutemica 39
UAM-I
PERSONAL
Departamento de produccioacuten
Se tendraacute 2 obreros en el llenado de soporte en las rejillas un obrero encargado del
traslado de rejillas por medio de la banda de los motores a cada contenedor un
obrero en cada contenedor de NH4OH y HAuCl4 en cada mezclador se tiene 1
obrero para descargar y cargar las rejillas a la banda que se trasladaran al horno en
el horno se tiene 1 obrero encargado del secado y calcinado el producto se traslada
al almaceacuten donde estaraacuten 2 obreros que reciben el producto y materias primas de los
proveedores se tiene 1 teacutecnico supervisando los equipos un encargo del
mantenimiento de los equipos
Departamento de personal
Gerente de la industria un administrador encargado de compra y venta de materias
primas una secretaria
Ingenieriacutea Quiacutemica 40
UAM-I
CAPITAL FIJO
La Tabla 4 muestra el costo de los equipos requeridos en la planta asiacute como el
Capital Fijo y la Inversioacuten del Capital Total
Tabla 4 El equipo se costeo usando las correlaciones de Ulrich [6] y empleando el
programa de Capcost
EQUIPO USD
4 Contenedores 23584
4 Agitadores (456kW) 269760
1 Horno (25 kW) 15700
15 Bombas (1469kW) 43081
1 Motor (114 kW) 67440
Tuberiacuteas 42150
2 Cisternas 174183
Vaacutelvulas 1283
Accesorios
(codos 90ordm y de 45ordm te)
1474
CAPITAL FIJO 638655
Capital de Trabajo 9579825
INVERSIOacuteN DE
CAPITAL TOTAL
73445325
Los caacutelculos y las correlaciones empleadas para el costeo del equipo se anexan en
el Apeacutendice A
Ingenieriacutea Quiacutemica 41
UAM-I
GASTOS GENERALES
Tabla 5 Proporciona el total de gastos anuales con lo cual se estima el precio por
kilo de catalizador y por unidad purificadora
Tabla 5 Gastos Generales anuales
USDAntildeo
Materias Primas 531697680
Mano de Obra de Operacioacuten 1082280
Mano de Obra de Oficina 4091930
Servicios Electricidad 2620100
Total de Gastos Generales 539491990
CFE
Produccioacuten diaria de Catalizador = 574 Kg
Precio de Catalizador = 40 USDKg
Produccioacuten diaria de unidades purificadoras = 500
Precio por unidad = 50USD
Ganancia diaria = 22960 USD
Ganancia Anual = 5510400 USD
DETERMINACIOacuteN DE LA RENTABILIDAD DEL PROYECTO
TPI (Actual) = 10
PR (Factor de riesgo) = 25
TREMA = TPI + PR
TREMA = 35
TIR (del proyecto) = 90
TIR gt TREMA
Puesto que la TIR es mayor que la TREMA se tiene que el proyecto es rentable [6]
Ingenieriacutea Quiacutemica 42
UAM-I
310 CONCLUSIONES
En el desarrollo de la industria para la fabricacioacuten de catalizadores se tuvo un
resultado satisfactorio a pesar de la falta de informacioacuten disponible acerca de
industrias de catalizadores debido a que esta informacioacuten no es publica El proyecto
que elaboramos es novedoso en nuestro paiacutes ya que no existen registros de una
industria que produzca catalizadores de oro soportados en aluacutemina
Durante el desarrollo del proyecto se planteoacute trabajar con compuestos como NOx y
COVS sin embargo debido a la falta de tiempo no se logroacute concluir la
experimentacioacuten en estos campos Debido a esto se tomoacute la decisioacuten de trabajar en
la oxidacioacuten cataliacutetica de CO Esto debido a varios factores por ejemplo la
disponibilidad de gases y sobre todo los costos que esto implicaba
Para el desarrollo del catalizador se analizaron diferentes tipos de preparacioacuten y se
eligieron dos meacutetodos diferentes Deposicioacuten-precipitacioacuten e Impregnacioacuten Los
catalizadores se evaluaron bajo diversas condiciones en la oxidacioacuten de CO El
catalizador que presentoacute mayor conversioacuten con el catalizador a baja temperatura fue
el sintetizado por el meacutetodo de Deposicioacuten-precipitacioacuten el cual se utilizoacute para el
disentildeo de la Industria El disentildeo estaacute basado en la forma de preparacioacuten del
catalizador Por esto la parte maacutes importante de la planta es el tanque de mezclado
el cual se disentildeo tomando en cuenta los diferentes disentildeos de agitadores para tener
un mezclado oacuteptimo Se incorporo en la parte superior del agitador las canastillas
para las pastillas cataliacuteticas y el tipo de Horno que se usara para el secado y
posteriormente el calcinado Una parte importante es la produccioacuten de catalizador
para este problema se investigoacute en que parte se podriacutea utilizar a diferencia de los
catalizadores para automoacuteviles Se llego a la decisioacuten de poder desarrollar un
catalizador para los calentadores de agua se obtuvo informacioacuten de la fabrica de
calentadores cal-o-rex en la produccioacuten diaria de calentadores y de esta informacioacuten
se pudo calcular la posible demanda de nuestro producto Una parte importante en
las industrias son el tipo de bombas ya que existen diversos modelos en nuestro
disentildeo se escogioacute las bombas centriacutefugas con rodetes para agua que contiene
pequentildeas partiacuteculas de soacutelidos
En la parte de servicios para personal se investigo los sueldos de cada empleado Se
determinoacute el costo de los equipos y finalmente llegamos a la parte que nos interesa
Ingenieriacutea Quiacutemica 43
UAM-I
del disentilde es decir si el proyecto es rentable o no En este caso particular se tuvo un
valor aceptable y se definioacute que el disentildeo es rentable Esto indica que seria una
industria que tendriacutea ganancias y a la vez que el producto que se fabrique nos
ayudaraacute a todos a reducir la emisioacuten de CO en los hogares aportando una pequentildea
ayuda al medio ambiente
COMENTARIOS
Los conocimientos adquiridos durante este tiempo fueron provechosos en la parte
teoacuterica y praacutectica aclaramos dudas de como y porque se comportan las reacciones
quiacutemicas y los procesos de flujos Durante el desarrollo del proyecto aprendimos a
observar y la importancia de entender fiacutesicamente las algunos procesos relacionados
con la siacutentesis y caracterizacioacuten de materiales cataliacuteticos
Ingenieriacutea Quiacutemica 44
UAM-I
38 BIBLIOGRAFIacuteA
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[29] Secretaria de Trabajo y Previsioacuten Social Comisioacuten de Salarios Miacutenimos
Ingenieriacutea Quiacutemica 46
UAM-I
APEacuteNDICE A
CRITERIOS PARA DETERMINAR QUIEacuteN CONTROLA EL PROCESO
Criterio de weisz para difusioacuten interna
Ec(12-16 Fogler) Los valores que se sustituyen en las siguientes ecuaciones fueron
tomados del catalizador que se analizo en el laboratorio
CWP = ( )
AS
cObsA
DeCRcr 2minus
lt 1
-rA(Obs) = velocidad de reaccioacuten observada molgcats Cc = concentracioacuten volumeacutetrica molm3
CAS = concertacioacuten en la superficie molm3
D= diaacutemetro del granulo m R = radio del granulo m De = difusividad efectiva m2s
d = 0149mm mxmm
m 4104911000
1 minus=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
CWP = ( )( )3
32
24
33
103470184200350
21049150800010681
minus
minusminus
=⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞⎜
⎝⎛
x
mmol
hrm
mxcatm
gcathgcat
molx
734x10-3 lt 1 No hay limitante por la difusioacuten interna
Ingenieriacutea Quiacutemica 47
UAM-I
Criterio de mears para difusioacuten interna Ec(12-62 Fogler)
Mm = 150ltAbc
bA
CkRnr ρminus
Mm =( )( )
0570
136000184200220
31110457508000106851
3
53
3
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ minusminus
hrs
mmol
sm
mxcatmgcat
hgcatmolx
0057 lt 015 no hay efecto de transferencia de masa externa Calculo de Dab para calcular el coeficiente de trasferencia de masa Ec(78 Lobo)
De =
KAAB DD11
1
+
DKA = 970X103 (80X10-8)(s
cmK 221 1090)
2400( =
DAB = 00018583ABAB
BA
PMMT
Ω
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ +
2
2123 11
γ
Para CO
0110=isin
Bk 0593 A=γ
Para O2
Ingenieriacutea Quiacutemica 48
UAM-I
0113=isin
Bk 0453 A=γ
( ) 51343359321
=+=ABγ
( )( )[ ] 21113110BAB k=isin A la temperatura de 400degK
( ) 583))113)(110((
40021 =
deg=
isin B
B
AB
B
KKKTK
Ω AB = 0907 Sustituyendo
DAB =s
cm2
2
2123
9730)9070()513(
)21281()400(00185830=
+
De = hrm
hrs
cmm
scm 222
03501
3600100
10980
10901
97301
1=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
+
Calculo de Kc Sh = (Re)12(Sc)13
Velocidad superficial
V = sm
shr
hrm
mxhr
m
Av
c
02036001976
1087
006025
3
0 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛== minus
Ingenieriacutea Quiacutemica 49
UAM-I
Re= ( ) 240)1062)(501(
)10491)(020(
1 25
4
=minus
=minus minus
minus
smx
mxsmvd p
νφ
Sc= 672)3600
1)(0350(
10622
25
==minus
shr
hrm
smx
Dv
AB
Sh= ( 024 )12 ( 267 )13 = 0679
Kc = Shdp
DAB⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛minusφ
φ1
Kc = ( )sm
mxs
mx02206790
10491
10729
50501
4
26
=⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛minus
minus
minus
Calculo de numero Thile con el radio que usara a nivel industrial
φ = L ( )DkCn n
AS
21 1minus+
L = 3R
Sustituyendo
φ = 66x10-4 m( )
( )
450
03502
018420
5480941311
3
30
3330
313
=
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+
catmhrm
mmol
hrcatmmolm
η = 1 con los resultados anteriores se observa que quieacuten limita es la velocidad de
reaccioacuten Por lo que se procede a calcular el peso y longitud de catalizador
necesaria para muestro purificador sustituyendo los valores del Boiler
Ingenieriacutea Quiacutemica 50
UAM-I
Peso del Catalizador w =
( ) grcatgcatLn
gcatm
mmol
hrcatmmolm
hrm
xLn
kCv
A
66476639401
1
6000001578
548094
19836
11
330
3330
313
3
0
0 asymp=minus
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
minus
g 664=w
33
3
1011
mg60000
g 664 mxwv minus===ρ
m 035003101011
2
33
==minus
mmxL
cm 531000350 == xL
Ingenieriacutea Quiacutemica 51
UAM-I
APEacuteNDICE B BALANCE DE MASA DE LA PREPARACIOacuteN DE HAUCL4 Au(g) + 3HNO3(ac) + 4HCL(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O + 3N02(g) (152 M) (105M)
cantidad de mol Au = 05 kg Au x molAu
grAumolAux
kggr 542
971961
11000
=
cantidad de kg HNO3 = ( ) 33
33 480
10001
1635423 kgHNO
grkgx
molHNOGRHNOxHNOmol =
cantidad de kgHCl = ( ) kgHClgr
kgxmolHCl
grHClHClxmol 3701000
11
5365424 =
cantidad de kgHAuCl4 = 254molHAuCl4 x 44
8601000
11
97339 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
gr=
cantidad de kgH2O = 3( 254mol)H20 x OkgHgr
kgxOmolHOgrH
22
2 1401000
1118
=
cantidad de Lt H20 = 762molHNO3 x OltHOkgHOLtH
22
2 14011
=
cantidad de Lt H20 = 1016 mol HNO3 x 050215
012
2 LtHmol
LtH=
cantidad de LtH20 = 1016mol HCl x OLtHLtHmolHCl
LtH22
2 010970510
01asymp=
cantidad de MHAUCl4 = ( ) ( ) ( ) MHltltlt
ClmolHAU 7210850490140
542
2
4 asymp++
cantidad de kg NO2(g) = 3( 254mol)NO2 x )(22
2 3501000
1146
SkgNOgr
kgxmolNO
grNO=
Ingenieriacutea Quiacutemica 52
UAM-I
05 kg Au 048 kgHNO3 035 kgNO2 101021 kgH20 (152M) 037 kgHCl(ac)
(105 m) 086 kg HAuCl4 (ac) 086 kg HAuCl4 (ac)
(17 M) 014 kgH20 (25x10-3M) 014kg H20 (L) 086kg HAuCl4 035kgNO2 (g) 101185kg H20 Cantidad de H20 = 086 kgHAuCl4
x 08510110101
105201
173341
11000
22
23
24 kgHLtHkgHx
MxltHx
grmolHAuClx
kggr
=minus
pero (101185 ndash 014 ndash 05 ndash 1) kg H20 = 101021 kg H20 100ml H20 por 1 gr soporte 35kg NH4 (OH)(AC) 10000kgH20 100 kg γAl203 (9965) 035kgAu (035) 100kg γAl203 025kgCl2 086kg HAuCl4 026kgHAuCl4
101185 kg H20 35kgNH4 (OH)(AC) 1101185kgH20 cantidad de kgHAuCl4 = 015kgAu x
44
4 2601000
11
973391
197196
147196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxgrAu
molxkg
gr=
cantidad de NH4(OH) = 100kg γ Al203 x
Ingenieriacutea Quiacutemica 53
UAM-I
kgNHxmol
grx
mlmol
xOAlgr
OHmlNHx
kg
gr53
10001
1
35
100010
1
)(10
1
1000
32
4=
γ4(OH)
30kg γAL2O3 1 kgNH4(OH)(AC) 30 kg γ Al203 (9965) 010 kg Au (035) 026kgHAuCl4 007kg Cl2 35kgNH4(OH) 1101185 kgH2O 0086kgHAuCl4 45 kg NH4(OH)(AC) 1101185 kg H20
cantidad de γ Al2O3 = 026kgHAuCl4 x 324
32 02330860
100 AlkgkgHAuCl
OAlkg γγ=
cantidad de kgAu = 035 x kgAukg 10506599
30=
cantidad de kg Cl2 = 01 kgAu x
22
2 07201000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de HAuCl4 = 005kgAu x
44
4 08601000
11
973391
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 54
UAM-I
cantidad de kgNO4(OH) = 30 kg γ Al203 x ( )OHkgNHAlkg
OHkgNO4
32
4 0510100
)(53=
γ
105 kg γ Al203 035 kg NH2(OH) 105 kg γ Al203 (9965) 004 kg Au (035) 009kg HAuCl4 003 kg Cl2 45kgNH4(OH) 1101185 kg H20 0017kgHAuCl4 485kgNH4 (OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 009 HAuCl4 x 324
32 04710860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad kg de NH4 (OH) = 105kg γ Al203 x ( ) )(3500100
534
32
4 OHkgNHAlkg
OHkgNH=
γ
cantidad de Cl2 = 004 kg Au x
22
2 02901000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
gAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 =
44
44 02001701000
11
973391
197196
11
1000010 kgHAukgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgr
molAuxkg
grkgAux asymp=
Ingenieriacutea Quiacutemica 55
UAM-I
23 kg γ Al203 008kgNH4(OH) 002 kg HAuCl4 23 kg γAl203 (9965) 485kgNH4(OH) 0008kgAu(035) 1101185kg H2 0001kg Cl2
0014 kg HAuCl4 493kgNH4(OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 002kgHAuCl4 x 324
32 032860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad de kg Au = 035 x kgAukg 00806599
32=
cantidad de kgCl2 = 0002kgAu x
24
4 00101000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 = 0008kgAu x
44
44 01401000
11
973341
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 56
UAM-I
APEacuteNDICE C ACCESORIOS EN EL DISENtildeO
Agitador
Agitadores de Heacutelice se escogioacute este tipo de agitador por ser tener las siguientes
caracteriacutesticas [3]
bull Es un agitador de flujo axial
bull Se emplea para liacutequidos pocos viscosos
bull Giran a toda la velocidad del motor
bull Las corrientes de flujo se mueven a traveacutes del liacutequido en una direccioacuten
determinada hasta que son desviadas por el fondo o las paredes del tanque
bull Las palas de la heacutelice cortan o friccionan vigorosamente el liacutequido
bull Los agitadores de heacutelice son eficaces para tanques de gran tamantildeo
Horno
bull El horno se escogioacute por ser tener las siguientes caracteriacutesticas [5]
bull El horno de construccioacuten metaacutelica
bull La caacutemara de combustioacuten estaacute construida mediante hormigones refractarios
de alta resistencia mecaacutenica
bull Las materias secar y calcinar se carga de forma manual
Ingenieriacutea Quiacutemica 57
UAM-I
Bomba
DISENtildeO Bomba centrifuga para operacioacuten horizontal o vertical del impulsor
cerrado succioacuten al extremo descarga hacia arriba tangencial simple succioacuten de un
paso con carcaza partida verticalmente [3]
ROTACIOacuteN En el sentido del reloj vista desde el cople
CARACTERIacuteSTICAS Conexiones brindadas con registro ubicado en la cabeza de
succioacuten para facilitar su limpieza
SERVICIO Debido a que es posible colocarla en posicioacuten horizontal o vertical tanto
en caacutercamos secos como huacutemedos y por el disentildeo de su impulsor que soacutelidos de
gran tamantildeo esta bomba es ideal para los procesos de tratamientos de agua y
manejo de liacutequidos en suspensioacuten en general
CAPACIDADES
GASTO Hasta 3000 GPM
CDT Hasta 80rsquo
PRESIOacuteN 106 Kgcmsup2
POTENCIA De 1 a 60 Hp
VELOCIDAD (1175 - 3550 RPM)
TEMPERATURA 125degC
Ingenieriacutea Quiacutemica 58
UAM-I
Bombas Centriacutefugas
Las maquinas centriacutefugas estaacuten constituidas por un impulsor o rodete formado por
una serie de aletas radiales diversas formas y curvaturas que giran dentro de una
caja circular El fluido penetra por el ojo o eje de rotacioacuten y se descarga maacutes o
menos radialmente en una caacutemara perifeacuterica a una elevada presioacuten que
corresponde a la suma de la fuerza centriacutefuga de la rotacioacuten maacutes la cineacutetica
comunicada al fluido por las aletas La parte moacutevil de la bomba es el rodete Las
aletas del rodete se extienden desde el centro de rotacioacuten hacia la periferia y las
bridas son los discos de refuerzo a cada lado de las aletas que las envuelven Las
aletas pueden ser radiales curvadas ligeramente hacia delante en el mismo sentido
de la rotacioacuten o estar curvadas al reveacutes en el caso maacutes comuacuten en el disentildeo se
determino el rodete siguiente por sus caracteriacutesticas Fig 1
Figura 1 Corte parcial de un rodete de centriacutefuga para grandes cargas y secciones
de paso estrechas empleando con liacutequidos corrosivos o suspensiones de pequentildeas
partiacuteculas[4]
Ingenieriacutea Quiacutemica 59
UAM-I
APENDICE D CALCULO DE POTENCIA DE BOMBAS (8)
Potencia de la bomba de la cisterna 1 que alimenta a los mezclador 4
Ecuacioacuten de Bernoulli
sum sumint =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛+++∆+∆i i
i
P
P
evvfDLvwdphgv 0
21
21
ˆ1
21 222
2
1ρ
a b c d e f
a Diferencia de velocidades
b Diferencia de alturas
c Diferencia de presiones
d Trabajo
e Perdidas de friccioacuten en tuberiacuteas
f Perdidas de friccioacuten en accesorios
En la ecuacioacuten anterior se pueden eliminar algunos teacuterminos
21 mts
6 mts 35 mts
Figura 1 Balance de cisterna 1 a mezclador 4
Se debe de tener dos puntos de referencia para la utilizacioacuten de la ecuacioacuten de
Bernoulli de los cuales se anotaron en la figura 2
Ingenieriacutea Quiacutemica 60
UAM-I
21 mts
2 1 6 mts 35 mts
Figura 2
Teniendo los puntos de referencia se analiza que las diferencias de velocidades son
cero en ambos puntos por lo tanto el termino 2
21 ν∆ es igual a cero
El termino de = (981hg∆ 2segm )(35m ndash 0) = 34335 2
2
segm
El termino de int2
1
1P
P
dpρ
se tiene que la cisterna y el tanque de mezclado ambos no
estaacuten cerrados y por lo tanto no originan un cambio de presioacuten y el termino es cero
De esta expresioacuten L longitud de tuberiacutea
tro de tuberiacutea
n el interior del tubo
v
Para la l radio del tubo que
sum ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
i
fDL2
21 ν
D diaacuteme
f perdidas de friccioacuten e
velocidad del flujo de agua
obtencioacuten de la velocidad se tiene el flujo volumeacutetrico y e
es de 32 cm =0032mts con la ecuacioacuten
Ingenieriacutea Quiacutemica 61
( )( ) sm
ms
m
RQ 761
032060min1)
min340(
2
3
2 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
==ππ
ν
UAM-I
Se reportan valores de perdida de fr
e reduce teacuterminos
iccioacuten en tubos que son igual a 005
Por lo tanto sustituyendo los teacuterminos en la ecuacioacuten de Bernoulli s
sum sumint =⎟⎠
⎜⎝
+⎟⎠
⎜⎝
+++∆+∆i i
iP
evvfD
vwdphgv 022
ˆ2
1ρ
⎞⎛⎞⎛ L 111 2222
or tanto el termino de trabajo queda expresado de la siguiente manera
tanto la bomba comunica al fluido que circula en el sistema un trabajo
+11727
P1
p w
sum sum ∆minus⎟⎠⎞
⎜⎝⎛minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛minus=
i ii
hgevvfDLvw 22
21
21
ˆ
( ) ( )
Este es el trabajo ( por unidad de masa) producido por el fluido en la bomba por lo
22
sm o 11727 981 = 1195
m
fKg
Kgm
La velocidad de flujo de masa es
Por lo tanto
1 )=6694
951)(675(ˆ =minus=minus WwW smkg f = 088Hp = 1Hp
Siendo esta ida para esta bomba El procedimiento anterior se
iguioacute para cada bomba de la planta
AP E
la potencia requer
s
EacuteNDICE
TOXICOLOGIacuteA DE MATERIAS PRIMAS [6]
( ) ( ) ( )( ) ( )( )msm
smmmm
sm 538192201150761
21050
032021536761
21
2
22minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ +minus⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ++
minus=wm
22
27117ˆ smw minus=
( )s
kgmkgQw m675100060340 3 === ρ
Ingenieriacutea Quiacutemica 62
UAM-I
HIDROacuteXIDO DE SODIO
Polvo corrosivo blanco delicuescente
Toxicidad
Concentracioacuten Maacutexima permisible 2mgm3 en aire
Signos y Siacutentomas Conjutivitis quemaduras corneales y de la piel Irritacioacuten
seas vomito dolor abdominal y diarrea a veces con
Lavado de las partes afectadas tranquilizantes sulfato de
decuada gafas protectoras o pantallas para
ignos y Siacutentomas Irritacioacuten de ojos quemaduras corneables tos dolores
l hemoptisis dolor de cabeza dolor epigaacutestrico nauseas y vomito
lmonar
Tratamiento lavado de ojos con agua reposo oxigeno con aparato de respiracioacuten
con onantes
ACIDO NITRICO
Liquido corrosivo sofocante de incoloro a amarillento
ioacuten maacutexima permisible 10ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
del tracto respiratorio nau
sangre
Tratamiento
morfina para el dolor y cortisona
Medidas preventivas Ventilacioacuten a
la cara completa mascarilla con filtro mecaacutenico guantes delantares botas de
goma y acentuar la limpieza personal
CLORO
Gas pasado amarillo verdoso
Toxicidad
Conc Maacutexima permisible 1 ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten
S
retrosterna
debilidad cianosis y edema pu
trolada bronco dilatadores y descongesti
Toxicidad
Concentrac
Ingenieriacutea Quiacutemica 63
UAM-I
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
Signos y siacutentomas Erosioacuten dental estornudo tos Dolor en el pecho bronquitis y
la las partes contaminadas del cuerpo con solucioacuten al 5 de
de las quemaduras con pantildeos
de triacuteo sulfato soacutelido si se a ingerido
vado de ojos con agua
ACIDO CLORIDRICO
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
ivitis necrosis corneal por inhalacioacuten rinitis erosioacuten
dolor de cabeza palpitacioacuten por ingestioacuten
s en la boca faringe esoacutefago estomago salivacioacuten vomito Soc
agua lavada de agua y jaboacuten de las partes
preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
AacuteC
El c
con o de hidroacutegeno una
concentracioacuten de 12 molLt Este aacutecido es un liacutequido incoloro con un olor aacutecido
bronconeumoniacutea
Tratamiento
bicarbonato soacutelido o con agua y jaboacuten Tratamiento
mojados con solucioacuten saturada
administracioacuten por viacutea oral de solucioacuten de jaboacuten Hidroacutexido caacutelcico o alumiacutenico u
oacutexido de magnesio
Medidas preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores excluir de la exposicioacuten
a los individuos con enfermedades de pulmones y rintildeones
Gas incoloro o liacutequido o a amarillento
Toxicidad
Concentracioacuten maacutexima permisible 5ppm en aire
Signos y siacutentomas conjunt
dental laringitis bronquitis neumoniacutea
quemadura
nefritis
Tratamiento lavado de ojos con
contaminantes del cuerpo tratamiento ordinario de quemaduras lavado gaacutestrico
se a ingerido con solucioacuten de bicarbonato soacutedico al 5 seguido de una instilacioacuten
de gel de hidroacutexido de aluminio
Medidas
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores
IDO CLORHIacuteDRICO
loruro de hidroacutegeno es en extremo soluble en agua de hecho el aacutecido clorhiacutedrico
centrado contiene cerca del 38 en masa de clorur
Ingenieriacutea Quiacutemica 64
UAM-I
pronunciado que se debe al equilibrio entre el cloruro de hidroacutegeno gaseoso y
ste con el aacutecido fluorhiacutedrico el aacutecido clorhiacutedrico es un aacutecido fuerte (pKa = -
7) y se ioniza casi totalmente
gar de aacutecido sulfuacuterico auque en menor grado Por
jemplo el zinc metaacutelico reacciona con aacutecido clorhiacutedrico para dar el ion zinc e
hidroacutegeno gaseoso
Zn(s) + 2HCl(ac) ZnCl2(ac) + H2(g)
l para producir aacutecido clorhiacutedrico en el laboratorio es generar
cloruro de hidroacutegen e sodio y el aacutecido
ulfuacuterico En el primer paso a 150degC se forma hidroacutegeno sulfato de sodio
NaHSO4(s) + HCl(g)
io y maacutes
loruro de hidroacutegeno gaseoso Luego el gas se disuelve en agua para formar el
aacutecido
NaHSO4(s) + NaCl(s) Na2SO4(s) + HCl(g)
acuoso
HCl(ac) HCl(g)
El reactivo de grado teacutecnico a menudo tiene un color amarillento por una impureza
del ion hierro (III)
En contra
HCl(ac) + H2O(l) H2O+(ac) + Cl -(ac)
Por ello a menudo se prefiere usar aacutecido clorhiacutedrico diluido en lugar de aacutecido niacutetrico
que es muy oxidante y en lu
e
Cuando el zinc reacciona con el aacutecido niacutetrico es comuacuten que se reduzca una parte
del ion nitrato para dar dioacutexido de nitroacutegeno
El meacutetodo tradiciona
o gaseoso por la reaccioacuten entre el cloruro d
s
NaCl(s) + H2SO4(l)
La mezcla se calienta a 550degC temperatura a la cual el hidroacutegeno sulfato de sodio
reacciona con un exceso de cloruro de sodio para formar sulfato de sod
c
∆
Este meacutetodo se usa tambieacuten en la industria otra forma de producir cloruro de
hidroacutegeno es por la combinacioacuten directa de dicloro y dihidroacutegenogaseosos
Ingenieriacutea Quiacutemica 65
UAM-I
H2(g) + Cl2(g) 2HCl(g)
La mayor cantidad de cloruro de hidroacutegeno que se produce actualmente es un
CH4(g) + 4Cl2(g) 4(l) + 4HCl(g)
riacuten de superficies de acero en un bantildeo aacutecido en la purificacioacuten de glucosa
y jarabe de maiacutez e s y de gas y en la
bricacioacuten de compuestos clorados El aacutecido se puedo comprar en muchas
nducida por la luz
4HNO3(ac) 4NO2(g) + O2(g) + 2H2O(l)
niacutetrico como disolvente)
H2NO3+ H2O + NO2
+
l siguiente
3HNO NO3 ndash
subproducto de otros procesos industriales como la siacutentesis de tetracloruro de
carbono
CCl
Se consumen cerca de 107 toneladas de aacutecido clorhiacutedrico cada antildeo en todo el
mundo Este aacutecido tiene una gama muy amplia de usos como aacutecido comuacuten para
eliminar o
n el tratamiento con aacutecido de pozos petrolero
fa
ferreteriacuteas con el arcaico nombre de aacutecido muriaacutetico sus principales usos caseros
son la limpieza de superficies de concreto y la eliminacioacuten de herrumbre Un nuacutemero
muy reducido de personas es incapaz de sintetizar suficiente jugo gaacutestrico y deben
de ingerir caacutepsulas de aacutecido clorhiacutedrico diluido con cada comida
AacuteCIDO NIacuteTRICO
El aacutecido niacutetrico un liacutequido aceitoso e incoloro en estado puro es sumamente
peligroso El aacutecido que funde a ndash42degC y hierve a +83degC tiene por lo general un
ligero color amarillo a causa de una reaccioacuten de descomposicioacuten i
En un estado puro el aacutecido niacutetrico liacutequido praacutecticamente no conduce la electricidad
Una pequentildea porcioacuten se ioniza como sigue (todas estas especies existen en el aacutecido
2HNO3(l) H2NO3+ + NO3
ndash
H2O + HNO3 H3O+ + NO3 ndash
Para dar la reaccioacuten globa
3 NO2+ + H3O + 2+
Ingenieriacutea Quiacutemica 66
UAM-I
El catioacuten nitrilo es importante en la nitracioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas por ejemplo la
obenceno C6H5NO2 una etapa importante en
umerosos procesos industriales orgaacutenicos
El aacutecido niacutetrico con en agua mientras
ue el ldquoaacutecido niacutetrico fumanterdquo un oxidante extremadamente poderoso es una
vez de ello se produce una mezcla de
sistema que da un orden de
vista industrial el
oceso
e lleva a cabo en tres etapas Primero se hace pasar una mezcla de amoniaco y de
dioxiacutegeno (o aire) un proceso muy
ficiente y exoteacutermico que hace que la malla se ponga al rojo Esta etapa se verifica
conversioacuten de benceno C6H6 en nitr
n
centrado es en realidad una solucioacuten al 70
q
solucioacuten roja de dioacutexido de nitroacutegeno en aacutecido niacutetrico puro Incluso cuando esta
diluido el aacutecido niacutetrico es un oxidante tan fuerte que rara vez desprende hidroacutegeno
cuando se pone en contacto con metales en
oacutexidos de nitroacutegeno y el metal se oxido a su catioacuten
Los enlaces O-N son mucho maacutes cortos (121 pm) que el enlace O-N unidos al aacutetomo
de hidroacutegeno (141 pm) Esta longitud de enlaces indica que hay enlaces muacuteltiples
entre el nitroacutegeno y los dos aacutetomos de oxiacutegeno terminales Ademas de los electrones
del sistema σ hay cuatro electrones que participan en el sistema π O-N-O dos de un
orbital enlazante y dos en un orbital no enlazante
enlace de 112 para cada uno de esos enlaces nitroacutegeno- oxiacutegeno
A veces se nos olvida hasta queacute punto nuestra experiencia depende de la
termodinaacutemica y la cineacutetica Por ejemplo la primera siacutentesis industrial de aacutecido
niacutetrico se llevaba ha cabo por simple combinacioacuten de diniacutetrogeno dioxiacutegeno y agua
utilizando un horno de arco eleacutectrico a fin de proporcionar la energiacutea necesaria par
superar la muy elevada barrera cineacutetica Aunque desde el punto de
factor cineacutetico constituiacutea un problema en realidad es una bendicioacuten por que sin esta
barrera cineacutetica hace mucho tiempo que todo el dioacutexido de la atmoacutesfera se abriacutea
transformado en aacutecido niacutetrico y nuestros mares serian de aacutecido niacutetrico diluido
frac12 N2(g) + 54O2(g) + 12H2O(g) HNO3(g)
Ahora se utiliza el proceso Ostwald para la siacutentesis de aacutecido niacutetrico Este proceso
consume gran parte del amoniaco que se produce por el proceso Haber El pr
s
a traveacutes de una malla de platino metaacutelico Eacuteste es
e
a baja presioacuten para aprovechar el efecto entropico es decir la formacioacuten de 10
moles de gas a partir de 9 moles de gas (una aplicacioacuten del principio de Le Chatelier)
para desplazar el equilibrio a la derecha
Ingenieriacutea Quiacutemica 67
UAM-I
4NH3(g) + 5O2(g) 4NO(g) + 6H2O(g)
Se agrega maacutes oxiacutegeno para oxidar el monoacutexido de nitroacutegeno a dioacutexido de nitroacutegeno
A fin de mejorar el rendimiento de esta reaccioacuten exoteacutermica se extrae calor de los
ases y la mezcla se somete a presioacuten
2HNO3(l) + NO(g)
Esta reaccioacuten tambieacuten es exoteacutermica y una vez maacutes se aplica enfriamiento y alta
la
egunda etapa para oxidarlo de nuevo
La contaminacioacuten s de aacutecido niacutetrico
as plantas maacutes antiguas eran faacutecilmente identificables por la fumarola cafeacute-
antas maacutes antiguas ahora mezcla cantidades
en Estados Unidos porque un 20
dedica ala produccioacuten de explosivos
or ultimo el aacutecido niacutetrico es un liacutequido que hierve a 826degC No existe como liacutequido
g
2NO(g) + O2(g) 2NO2(g)
El dioacutexido de nitroacutegeno se mezcla con agua para dar una solucioacuten de aacutecido niacutetrico
3NO2(g) + H2O(l)
presioacuten par obtener el maacuteximo rendimiento El monoacutexido de nitroacutegeno se vuelve a
s
soliacutea ser un problema importante de las planta
L
amarillento del dioacutexido de nitroacutegeno que escapaba por ellas Las plantas maacutes
antiguas eran faacutecilmente identificable por la fumadora cafeacute-amarillo del dioacutexido de
nitroacutegeno que escapaba de ellas Las pl
estequiomeacutetricas de amoniaco con las oacutexidos de nitroacutegeno con lo cual se obtiene
dinitroacutegeno y vapor de agua ambos inocuos
NO(g) + NO2 (g) + 2NH3(g) 2N2(g) + 3H2O(g)
En todo el mundo alrededor del 80 del aacutecido niacutetrico se utiliza en la produccioacuten de
fertilizantes Esta proporcioacuten es de solo el 65
se
P
puro porque en alguna medida se descompone espontaacuteneamente como sigue
4HNO3(l) 4NO2(g) + 2H2O(l) + O2(g)
Ingenieriacutea Quiacutemica 68
UAM-I
El aacutecido niacutetrico concentrado que se usa en el laboratorio estaacute al 68 en masa HNO3
(densidad 142 gcm3) lo que corresponde a 157 M
l aacutecido niacutetrico es un poderoso agente oxidante El nuacutemero de oxidacioacuten del N en el
) El aacutecido niacutetrico puede oxidar
nto a metales que estaacuten abajo del hidroacutegeno como aquellos que se encuentran
4Zn2+(ac) + NH4
+(ac) + 3H2O(l)
do no oxida al oro Sin embargo cuando se mezcla con
cido clorhiacutedrico concentrado en relacioacuten 13 en volumen (una parte de HNO3 a tres
partes al oro
omo sigue
APEacuteNDICE F
ETODO DE DEPOSICIOacuteN-PRECIPITACIOacuteN
E
HNO3 es + 5 Los productos maacutes comunes de la reduccioacuten del aacutecido niacutetrico son el
NO2 (N = + 4) el NO (N = + 2) y el NH4+ (N = - 3
ta
arriba en la serie de actividades Por ejemplo el cobre es oxidado por el aacutecido niacutetrico
concentrado como se mencionoacute antes
En presencia de reductores fuertes como el zinc metaacutelico el aacutecido niacutetrico se puede
reducir hasta ion amonio
4Zn(s) + 10H+(ac) + NO3
-(ac)
El aacutecido niacutetrico concentra
aacute
de HCl) la disolucioacuten resultante denominada agua regia puede oxidar
c
Au(s) + 3HNO3(ac) + 4HCl(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O(l) + 3NO2(g)
M
Ingenieriacutea Quiacutemica 69
UAM-I
APEacuteNDICE G
ISENtildeO DEL MEZCLADOR [4]
1) 100 ml H2O gr soporte
2) NH4(OH)
Ajustar a PH = 9 4) HAuCl4 (solucioacuten acuosa al 25E-3M)
6) Filtrado o centrifugado
3) En Agitacioacuten por 2 hr
8) Secado por 2hr a 80 degC
9 ) Calcinado por 4hr a 400 degC
7) Lavado
5) Antildeegamiento por 30 min
D
Ingenieriacutea Quiacutemica 70
UAM-I
El disentildeo de un tanque agitado dis n nuacutemero de elecciones sobre el
po y localizacioacuten del agitador las proporciones del tanque el nuacutemero y dimensiones
ada una de estas decisiones afectan a la velocidad
e circulacioacuten del liacutequido los modelos de velocidad y el consumo de potencia Como
pone de un gra
ti
de las placas deflectoras etc C
d
punto de partida en el disentildeo de los problemas ordinarios de agitacioacuten generalmente
se utiliza un agitador de turbina del tipo que se muestra en la figura 1 La proporcioacuten
tiacutepica es
31
=t
a
DD
1=tD
H 121
=tD
J 51
=aD
W 41
=aD
L
de estas ecuaciones se disentildeara el mezclador como datos se tiene el valor H que es
igual a 3 mts y el diaacutemetro del tanque D
Se determinara la medida de los reflectores
t que es igual 3 mts
121
=tD
J se despeja J
elacioacuten R31
=t
a
DD
se despeja Da
Relacioacuten
41
=aD
L se despeja L
elacioacuten se despeja W
( ) ( ) cmmtsmtsDJ 25250311==⎟
⎞⎜⎛=⎟
⎞⎜⎛= t 1212 ⎠⎝⎠⎝
( ) ( ) mtsmtsDD ta 1331
31
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=
( ) ( ) mtsmtsDL a 250141
41
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛= cm25=
51
=aD
WR
Ingenieriacutea Quiacutemica 71
UAM-I
Figura 2 a) Vista transversal del mezclador b) paletas del mezclador con la
donde se deposita el soporte
Figura 1 Medidas de un agitador de turbina
a) b)
s rejillas
H
J
E L
Da
D t
W
W
( ) ( ) cmmtsmtsDW a 2020151
5==⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎜⎝
=1 ⎞⎛
Ingenieriacutea Quiacutemica 72
UAM-I
23 RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN
Absorcioacuten Atoacutemica y Adsorcioacuten Fiacutesica La Tabla 1 muestra los contenidos de Au
el Aacuterea BET (ABET) el volumen promedio de poro (VP) y el radio promedio de poro
(RP) para los catalizadores preparados
Se puede observar que el aacuterea BET de la γ-Al2O3 se modifica con la adicioacuten de Au El
aacuterea BET entre la γ-Al2O3 pura y la muestra DP concuerdan con lo reportado[10-11] de
que a mayor porcentaje de Au mayor es el aacuterea superficial sin embargo el aacuterea BET
del catalizador 007-Auγ-Al2O3-IMP que tiene un menor porcentaje de Au presenta
la mayor aacuterea BET Sin embargo aunque el radio promedio de poro es casi el mismo
para las tres muestras el catalizador 007-Auγ-Al2O3-IMP presenta el mayor
volumen promedio de poro Esto podriacutea deberse a que el meacutetodo de preparacioacuten
utilizado causoacute la generacioacuten de una mayor porosidad en la γ-Al2O3 en lugar de la
impregnacioacuten de una mayor cantidad de Au Las isotermas de adsorcioacuten de los
catalizadores fueron del tipo IV y semejantes en forma a la de la γ-Al2O3 (Figura 1)
La Figura 2 muestra que la distribucioacuten de tamantildeo de poros se centra dentro del
mismo margen para las tres muestras y se aprecia la presencia de mesoporos entre
los 50 y 125 Aring
Tabla 1 Contenido Au y caracteriacutesticas texturales en los catalizadores
Catalizador Au ( en peso) ABET (m2g) RP (Aring) VP (ccg)
γ-Al2O3 000 183 78 0489
IMP 007 301 79 0743
DP 035 215 78 0518
IMP 100
No se ha determinado
Catalizadores de Oro Soportado 14
UAM-I
0
100
200
300
400
500
0 02 04 06 08
PPo
Vads
(cm
3g)
STP
-Al2O3
035-Au -Al2O3-DP
007-Au -Al2O3-IMP
1
Figura 1 Isotermas de adsorcioacuten y desorcioacuten de N2 de los catalizadores Auγ-Al2O3
ifraccioacuten de Rayos X La Figura 3 muestra los patrones de difraccioacuten de Rayos X
0
0004
0008
0012
0016
002
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
Rp [A]
Dv(
r) [c
m3
Ag]
-Al2O3
035-Au -Al2O3-DP
007-Au -Al2O3-IMP
Figura 2 Distribucioacuten de tamantildeo de poros
D
de los catalizadores Se observa que todos son caracteriacutesticos de la γ-Al2O3 Es
imposible identificar la presencia del Au esto debido al pequentildeo porcentaje y la alta
Catalizadores de Oro Soportado 15
UAM-I
dispersioacuten del Au contenido en cada uno de los catalizadores Sin embargo para el
caso de que se tuviese mayor cantidad de Au el difractograma podriacutea presentar un
pico alrededor de los 38deg en 2θ el cual indicariacutea la presencia de Au A partir de esta
sentildeal y la ecuacioacuten de Scherrer algunos autores han calculado el tamantildeo promedio
de las partiacuteculas de oro en catalizadores soportados
Microscopia Electroacutenica Transmisioacuten (MET) En la Figura 4 se presentan las
casos los
imaacutegenes de MET para la γ-Al2O3 y los catalizadores 035-Auγ-Al2O3-DP y 007-Auγ-
Al2O3-IMP En ambos catalizadores el tamantildeo de partiacutecula se encuentra es mayor
que 2 nm pero menor o igual que 5 nm En ambos casos los resultados indican que
las partiacuteculas de oro estaacuten dispersadas de manera uniforme en el soporte
Se encuentra es mayor que 2 nm pero menor o igual que 5 nm En ambos
resultados indican que las partiacuteculas de oro estaacuten dispersadas de manera uniforme
en el soporte
Figura 3 Patrones de Difraccioacuten de Rayos X de los catalizadores Auγ-Al2O3
Catalizadores de Oro Soportado 16
UAM-I
Figura 4 Imaacutegenes de MET para (a) γ-Al2O3 (b) 035-Auγ-Al2O3-DP y (c) 007-Auγ-
Al2O3-IMP
Catalizadores de Oro Soportado 17
UAM-I
Se sabe que la alta actividad cataliacutetica del oro esta relacionada con su tamantildeo esto
quiere decir que entre maacutes pequentildeas sean las partiacuteculas mayor actividad tendraacuten
nes estequiomeacutetricas el catalizador 007-Auγ-Al2O3-
P no mostroacute actividad para la oxidacioacuten de CO e H2 sin embargo al operar la
por lo tanto de las imaacutegenes anteriores se tiene que el meacutetodo DP es el maacutes
adecuado por lograr depositar mayor cantidad de Au con gran dispersioacuten y un
tamantildeo de partiacuteculas pequentildeo
Actividad Cataliacutetica A condicio
IM
misma muestra con un exceso de O2 la actividad inicioacute a partir de 140oC alcanzando
una conversioacuten maacutexima de 8748 a 400 degC (Figura 5) En vista de este uacuteltimo
resultado se decidioacute evaluar el catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP a las mismas
condiciones de exceso de O2 En este caso la actividad cataliacutetica inicioacute por debajo de
los 30oC incrementaacutendose casi linealmente con la temperatura hasta lograr una
conversioacuten maacutexima de 9367 a 127degC La diferencia en actividad entre ambos
catalizadores es notable Auacuten a muy bajos contenidos de Au el catalizador 007-Auγ-
Al2O3-IMP presenta una actividad importante sin embargo al aumentar cinco veces
este contenido (035) y manteniendo el tamantildeo de partiacutecula es posible disminuir la
temperatura de encendido calculada como la temperatura a la cual se logra el 50
de conversioacuten (T50) en 175oC Un uacuteltimo estudio fue la evaluacioacuten del catalizador
10-Auγ-Al2O3-IMP el cual presenta una T50 de 290 degC(ver Figura 5) la cual es 40 degC
mayor que el catalizador 007-Auγ-Al2O3-IMP auacuten cuando el contenido de Au es
mayor La Figura 5 muestra tambieacuten la comparacioacuten de estos resultados con
trabajos anteriores[10] en los que utilizan el catalizador 5-Auγ-Al2O3-IMP a
condiciones estequiomeacutetrica en este caso T50 es de 215 degC tan solo 35 degC de
diferencia en comparacioacuten con el catalizador 007-Auγ-Al2O3-IMP La diferencia en el
contenido de Au es 15 veces menor En general al trabajar en condiciones en exceso
de O2 se tiene una mayor conversioacuten a una menor temperatura por lo que se
esperariacutea que los resultados del catalizador 5-Auγ-Al2O3-IMP bajo condiciones de
exceso fueran mejores sin embargo los autores no presentan estos resultados
Catalizadores de Oro Soportado 18
UAM-I
El catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP alcanzoacute 100 de conversioacuten a 176 degC a
condiciones de exceso de O2 (Figura 5) esta conversioacuten se mantuvo por 24 h sin
presentar indicios de desactivacioacuten (Figura 6) KRuth [12] reporta desactivacioacuten del
catalizador 10-Auγ-TiO2 a partir de 80 minutos de operacioacuten con una velocidad
espacial de 1x104 h-1 El catalizador fue preparado por deposicioacuten y contiene nano-
particulas (2-5nm) soportadas en TiO2 Sin embargo el catalizador logra 100 de
conversioacuten a 0 degC Esto es debido a que los catalizadores AuTiO2 presentan mayor
actividad a temperaturas bajas La Figura 6 muestra tambieacuten la conversioacuten reportada
por Seung-Jae[11] del catalizador 043-Auγ-Al2O3-IMP en donde la temperatura de
operacioacuten es de 25 degC sin embargo se tiene una desactivacioacuten apreciable a partir de
150 minutos de operacioacuten con una velocidad especiales de 8x10 h-1
Figura 5 Conversioacuten del CO para los catalizadores de 007-Auγ-Al2O3-IMP 10-
os resultados de conversioacuten del hidroacutegeno (Figura 7) muestran conversioacuten del 100
10 a 035 es de 20 degC
Auγ-Al2O3-IMP y de 035-Auγ-Al2O3-DP en condiciones de operacioacuten en exceso de
O2 la tasa de temperatura es de 2degC por minuto Datos Referencia [10]
L
por debajo de 150 degC con el catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP mientras que el
catalizador 007-Auγ-Al2O3-IMP logra conversioacuten completa hasta 270oC y para el
catalizador 10-Auγ-Al2O3-IMP se tiene una conversioacuten del 100 hasta 310 degC lo
cual indica que los tres catalizador son activos para ambas reacciones y que se
mantiene la tendencia observada para la oxidacioacuten de CO La disminucioacuten en T50 al
aumentar el contenido de Au de 007 a 035 es de 140oC mientras que para la de
Catalizadores de Oro Soportado 19
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado 20
Figura 6 Variacioacuten de la conversioacuten con respecto al tiempo para la muestra de DP a
una temperatura de 180 degC Datos Referencia [11]
Figura 7 Oxidacioacuten de H sobre los catalizadores 035-Au2 γ-Al2O3-DP 007-Auγ-
Al2O3-IMP y 10-Auγ-Al2O3-IMP bajo condiciones de exceso de O2
La Figura 8 muestra como varia la temperatura de encendido con la cantidad de Au
en los catalizadores preparados en este trabajo Se observa un miacutenimo para el
catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP lo cual indica que la mayor actividad se logra a bajos
contenidos de Au y tamantildeos de partiacutecula menores que 5 nm
0
20
40
60
80
0 200 400 600 800 1000Tiempo (min)
Con
vers
ioacuten
de C
O (
) 100
035-Au -Al2O3-DP (176 degC)
043-Au -Al2O3-IMP (25 degC)
0
20
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Temperatura (degC)
40
60
Con
vers
ioacuten
de H
2 (
)
80
100
10-Au -Al2O3-IMP035-Au -Al2O3-DP007- Au -Al2O3-IMP50-Au -Al2O3-IMP
UAM-I
F
o
P
o
o
re
d
F
c
C
T50 (degC)
igura 8 Variacioacuten de la te
xidacioacuten de CO con respect
or ultimo se realizaron cu
peracioacuten pero variado la
btenidos se muestran en la
accioacuten presentan una tend
e catalizador
00000
00040
00080
00120
00160
00200
0
(-rc
o)
00000
igura 9 Velocidad de reac
ondiciones en exceso de O2
atalizadores de Oro Soportado
masa Au
mperatura de encendido a 50 de conversioacuten en la
o a la cantidad de Au en el catalizador
atro corridas maacutes bajo las mismas condiciones de
masa de catalizador Las velocidades de reaccioacuten
fig9En esta figura se observa que las velocidades de
encia lineal despueacutes de los 80degC al aumentar la masa
50 100 150 200 250 300T (degC)
3 gr cat
25 gr cat
2 gr cat
15 gr cat
1 gr cat
cioacuten de CO a diferentes masas de catalizador y bajo
21
UAM-I
Se tomo una temperatura de 125 degC debido a las mediciones realizadas en
diferentes calentadores domeacutesticos Se encontroacute que la temperatura media es la
mencionada A partir de los datos experimentales se determinoacute que el orden de
reaccioacuten es 13 y la constante cineacutetica k = 480945 (m3)13[(mol)03m3cat hr] (00012
mhr) y un coeficiente de transferencia de masa de 792 mhr (ver apeacutendices A) con
estos valores y usando los criterios de Weisz-Prater y Mears[14] (ver apeacutendice B) se
obtuvo que no existe resistencia interna ni externa a la transferencia de masa por lo
que la cineacutetica es la que controla
24 CONCLUSIOacuteN DE LA EXPERIMENTACIOacuteN El meacutetodo de DP es mucho maacutes adecuado que el de IMP para la preparacioacuten de
catalizador de Au soportados en γ-Al2O3 ya que permitioacute obtener catalizadores con
cinco veces maacutes oro que el preparado por el meacutetodo IMP bajo condiciones similares
de preparacioacuten En ambos casos el tamantildeo promedio de partiacutecula fue menor que 5
nm Debido a esto el catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP presenta una mayor actividad
en la oxidacioacuten de CO e H2 sin observarse desactivacioacuten durante un periodo de 24 h
Puesto que en ambas muestras se consiguioacute una gran dispersioacuten y un tamantildeo
similar de nanopartiacuteculas de oro se tiene entonces que la principal diferencia de
actividad cataliacutetica se debe principalmente a la cantidad de Au en el catalizador Sin
embargo el catalizador 10-Auγ-Al2O3 presenta una menor conversioacuten que el de
035-Auγ-Al2O3-DP a pesar de contener maacutes Au por lo que hasta el momento se
podriacutea decir que la cantidad de Au optima se encuentra por debajo de 10 wt y por
arriba de 007 wt no obstante se requiere de la caracterizacioacuten del catalizador 10-
Auγ-Al2O3 se para determinar de que manera influyen el tamantildeo de partiacuteculas la
distribucioacuten el volumen y el tamantildeo de poro en los resultados esta caracterizacioacuten
asiacute como la evaluacioacuten cataliacutetica del catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP bajo
condiciones estequiomeacutetricas se encuentran en proceso
Catalizadores de Oro Soportado 22
UAM-I
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Pretice may Tercera edicioacuten Impresa en Meacutexico DF
Catalizadores de Oro Soportado 23
UAM-I
C A P I T U L O III
D I S E Ntilde O D E L A P L A N T A I N D U S T R I A L
Catalizadores de Oro Soportado 24
UAM-I
31 INTRODUCCIOacuteN
Este capitulo esta enfocado al disentildeo de la planta industrial donde se produciraacuten
catalizadores de Auγ-Al2O3 por el meacutetodo de Deposicioacuten-Precipitacioacuten (DP) descrito
en el capitulo 2
Parte de la produccioacuten de los catalizadores se destinaraacute a su venta en masa y otra
parte se destinaraacute para el equipo de purificacioacuten de calentadores de agua esto con
la finalidad que el catalizador que esta contenido dentro del equipo de purificacioacuten
cuando se desactive pueda remplazarse por catalizador nuevo disponible en el
mercado De esta forma se tendraacuten ganancias tanto al vender el equipo purificador
como al vender catalizador como materia prima
32 DISENtildeO DEL EQUIPO PURIFICADOR PARA CALENTADORES DE AGUA DOMEacuteSTICOS El equipo purificador se ubicaraacute a la salida del efluente gaseoso del calentador como
un equipo adicional como se muestra en la Figura 1 Se plantea colocarlo en una
posicioacuten tal que oxide a baja temperatura hasta el 90 de CO Las dimensiones del
purificador se determinaron seguacuten las especificaciones de calentador y el balance de
materia en el sistema purificador Estos caacutelculos se presentan en el Apeacutendice A
Los tubos de las chimeneas de los calentadores son de latoacuten por lo que se decidioacute
utilizar este material para la parte exterior la parte donde se colocaraacute el catalizador
es de 35 cm de longitud para colocarlo en el tubo de la salida del flujo de gas se
dieron 2 cm maacutes en cada extremo para hacer un tipo cople de manera que el tubo
entre en los extremos
Catalizadores de Oro Soportado 25
UAM-I
C O 2 2 0 c m 7 c m c m G A S C O
3
2cm
75 cm 35 cm
Figura 1 Esquematizacioacuten del equipo purificador y su ubicacioacuten en los calefones
Las dimensiones obtenidas (Apeacutendice A) y las caracteriacutesticas del purificado se
presentan en la Tabla 1
Tabla 1 Especificaciones de purificador
Material Latoacuten
Longitud 35 cm
Diaacutemetro 20cm
Cantidad de
Catalizador
700 gr
Catalizadores de Oro Soportado 26
UAM-I
33 PRODUCCIOacuteN DE LA PLANTA INDUSTRIAL A partir de un estudio de mercado se encontroacute que en la Ciudad de Meacutexico hay
cuando menos cuatro empresas principales (CALOREX ELSA MAGAMEX y
CINSA) que fabrican calentadores de agua residenciales[1 2] Estas en promedio
producen 150 calefones diarios Por cada calefoacuten se requiere un equipo purificador
En este sentido de requieren idealmente 600 unidades de purificacioacuten por diacutea Esta
base se utilizoacute para el disentildeo de la planta
A partir del balance de masa en el purificador y empleado los resultados
experimentales a nivel laboratorio (ver apeacutendice A) se encontroacute que cada purificador
requiere 07 Kg de catalizador A partir de este resultado se requiere producir al
menos 420 Kg de catalizador para satisfacer la demanda en la produccioacuten de
calefones Con base en el balance de materia realizado en el mezclador se
determinoacute que la cantidad de catalizador obtenido despueacutes de cuatro lotes es de
570 Kg Tomando el resto de catalizador como reserva por cualquier contratiempo El
nuacutemero de lotes se determinoacute en base a que fuese rentable la recuperacioacuten de oro
34 DISENtildeO Y OPERACIOacuteN DE LA PLANTA
La fabricacioacuten del catalizador a nivel industrial esta basada en el escalamiento del
meacutetodo de siacutentesis descrito en la parte experimental Lo cual es una praacutectica comuacuten
en la fabricacioacuten de materiales cataliacuteticos
Para la produccioacuten de 570 Kg por diacutea se plantea utilizar cuatro mezcladores (ver
Figura 2) que operaran durante 8 h con cuatro intervalos (o cargas) de 2 h y
descansos de 30 min (dejando 30 min libres por contratiempos) Esta operacioacuten se
elige con base en las horas de trabajo y el meacutetodo de preparacioacuten del catalizador
Al igual que en la parte experimental el proceso requiere operacioacuten por lotes debido
a que se necesitan largos tiempos de contacto para obtener catalizadores eficientes
en la oxidacioacuten de CO a baja temperatura Se pretende utilizar un agitador tipo
Catalizadores de Oro Soportado 27
UAM-I
canastilla[4] el cual permite colocar dentro de las mismas el catalizador para tener
una mejor impregnacioacuten de partiacuteculas de Au y eliminar la atricioacuten Las dimensiones
del agitador asiacute como del mezclador se presentan en la Figura 6
Al teacutermino de la uacuteltima carga en los mezcladores el lote completo del diacutea pasa al
horno para secarlo a 80degC por 2 h y calcinarlo a 400degC durante 4 h Durante estos
procesos se concluye la preparacioacuten del catalizador Las temperaturas y tasas de
calentamiento estaacuten basadas en el meacutetodo de preparacioacuten experimental descrito en
el Capitulo ll Posteriormente el catalizador producido pasa a la seccioacuten donde se
embolsa para ser vendido como materia prima y la otra parte pasa a la seccioacuten de
ensamblaje para fabricar el purificador
Dimensiones de la industria
Las dimensiones de los equipos como mezcladores cisternas tanque de
tratamiento horno etc se tomaron como base para poder suponer espacios entre
equipos para tener seguridad del personal Se dio preferencia a los mezcladores ya
que son las partes importantes en la elaboracioacuten de los catalizadores La cisterna
estaraacute enterrada para facilitar su llenado en el caso de los contenedores de HAuCl4
y NH4OH estaraacuten encima de bases maacutes altas que los mezcladores para poder
abastecerlos por gravedad Esto debido a que el volumen es poco no se requiere de
grandes cantidades por lo que no se requiere alguna bomba Se estuvo analizando
la forma de acomodar los equipos y se obtuvo la siguiente distribucioacuten que se
muestra en la Figura 3
En la Figura 4 se presenta el plano de la industria con sus respectivos
departamentos en la parte sur se encuentra la entrada principal en ella se encuentra
vigilancia y la entrada de empleados y obreros posteriormente esta la zona de
oficinas lado izquierdo del lado derecho se encuentra el estacionamiento para
clientes y empleados en el almaceacuten se encontraraacuten refacciones de equipo y
reservas de materia primas para los catalizadores en la zona de produccioacuten se tiene
el estacionamiento de proveedores para facilitar la entrada y salida del producto
Catalizadores de Oro Soportado 28
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado 29
Debido a que en cada industria debe existir un espacio recreativo se plantea una
cancha de Baacutesquetbol para los obreros y una zona de jardines en la parte norte
Ubicacioacuten de la industria
Para poder ubicar una industria es importante analizar la zona geograacutefica Para lo
cual se deben considerar algunos factores importantes por ejemplo No ubicarla en
zona de siacutesmica Si la industria requiere de un gran volumen de agua no ubicarla en
una regioacuten deseacutertica Si el producto es muy sensible al calor y la humedad evitar
zonas muy caacutelidas y huacutemedas Si se piensa vender el producto en una zona
especifica ubicar la industria cerca de la zona de venta para evitar gastos de
transportacioacuten A partir de este tipo de razonamientos se planea que debido a que el
producto que se elaborara que es un purificador cataliacutetico para su venta en la ZMVM
ya en ella estaacuten ubicadas las principales industrias de calentadores y debido a que la
planta requiere de un volumen considerable de agua se escogioacute el estado de
Morelos porque no esta muy lejos de la ZMVM y tiene reservas de agua Asiacute el gasto
de transportacioacuten de materias primas y sobre todo del producto elaborado seriacutea
pequentildeo
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
Agua
Tanque tratamien
Figur
NH4OH
HAuCl4
Produccioacuten de catalizadores
Recuperacioacuten de agua
de to
a
MezcladoresMezcladores
Cuando se requiere limpieza
Horno
Producto almaceacuten
30
1 Diagrama de produccioacuten Recuperacioacuten de cloro
UAM-I
35 BALANCE DE MATERIA DIAGRAMA DE FLUJO PARA DIFERENTES LOTES DE SOPORTE EN UN SOLO MEZCLADOR
Catalizadores de Oro So
05 Kg Au
10
0
086 Kg HAuCl4(ac)014 Kg H2O
035 Kg NO2(g)
2
35 Kg NH4(OH)(ac) (01M)
10000 Kg H2O
100 Kg Al3O
100 Kg Al2O3 (9965) 035 Kg Au (035) 025 Kg Cl2
026 Kg HauCl4(ac)35 Kg NH4(OH)
1101035 Kg H2O
O MEZCLADOR (t0)
10035 Kg catalizador
86 KgHAuCl4(ac)101035 Kg H2O
037 Kg HCl (ac) (105 M) 048 Kg HNO3(ac) (152 M)
porta
Kg N
30 Kg Al2Cl3
101021 Kg H2
do
H4 (OH) (ac) (01M) 30 Kg Al2O3 (9965) 01 Kg Au (035)
007 Kg Cl2
)
3
)
301 Kg catalizador MEZCLADOR (t1)
009 Kg HauCl4(ac)45 Kg NH4(OH)
1101035 Kg H2O
MEZCLADOR 1054 Kg catalizador
105 Kg Al2O3
(t2)
105 Kg Al2O3 (9965)
035 Kg NH4 (OH) (ac) (01M
004 Kg Au (035) 003 Kg Cl2
23 Kg Al2O
MEZCLADOR
(t3)23 Kg Al2O3 (9965)
2308 Kg catalizador
008 m3 NH4(OH) (ac) (01M
002 Kg HauCl4(ac)485 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
0008 Kg Au (035) 0006 Kg Cl2
0003 Kg HauCl4(ac)493 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
31
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado 32
DIAGRAMA DE FLUJO PARA UN MEZCLADOR
MEZCLADOR
1101035 Kg H2O
1428 kg γ-Al2O3
086 Kg HAuCl4
493 Kg NH4(OH)
0003 Kg HauCl4(ac)493 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
1433 Kg Catalizador
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
36 DIAGRAMA DE LA INDUSTRIA
INDUSTRIA DE CATALIZADORES
TANQUE DE TRATAMIENTO HORNO
CISTERNA 1
CONTENEDORDE AuCl3 CONTENEDOR DE
NH4OH ZONA DE LLENADO
DE SAPORTE
SE LLEVA AL HORNO
MANUALMENTE
PRODUCTOALMACEacuteN
Contenedor de HAuCl4
Figura 2 Diagrama de la distribucioacuten del equipo dentro del aacuterea de produccioacuten
33
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
37 DIMENSIONES DEL EQUIPO Y TUBERIacuteA
2 mts
2 mts 2 mts 6 mts 4 mts 3 mts 5mts 5 mts 3 mts 6 mts 3
3mts 3 mts 3mts 3 mts 3 mts
4 mts 1 5 mts 1 5 mts 4mts 4 7mts 4 mts 21 mts 7 2mts 26 mts 2 mts 21 mts 6 mts
3 5 mts 14 mts 6 mts 8 mts 1 5 mts 3 mts 5 mts 13 mts 8 mts 20 mts 30 mts
IN D U ST R IA D E C A T A L IZ A D O R E S
T AN Q U E D E T R AT AM IE N T O H O R N O
C IST E R N A 1
C O N T EN ED O RD E Au C l3
C O N T EN E D O R D E N H 4O H
ZO N A D E L LEN AD O D E SO PO R T E
AG UA PAR A JAR D IN ES
M E Z C L A D O R E S 12 3 y 4
1 2 3 4
A L M A C Eacute N
Contenedor de HAuCl4
Figura 3 Dimensiones del equipo y tuberiacutea requerida
34
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
38 PLANO DE DISTRIBUCIOacuteN DE AacuteREAS
Figura 4 Aacutereas de trabajo dentro de la planta
35
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
DIMENSIONES DE LA INDUSTRIA
Figura 5 Dimensiones de cada aacuterea de la planta industrial
36
UAM-I
Ingenieriacutea Quiacutemica 37
10 cm 3mts 1 mts 25 cm 15cm 5 cm 5 cm 3mts 150 mts 10 cms 100 mts 20 cm
003 mts
Figura 6 Dimensiones del mezclador y del Agitador
UAM-I
Las dimensiones de las canastillas se determinaron a partir del balance de masa y la
produccioacuten requerida La carga de un contenedor de soporte que es de 100kg del
cual el agitador tiene 4 canastillas cada una corresponde 25 Kg la masa se obtuvo
del balance de materia y su densidad 600 Kgm3 con el que se obtuvo un volumen de
0043 m3
39 ANAacuteLISIS FINANCIERO
El costo de materias primas se muestra en la Tabla 2 en la que tambieacuten se incluyen
los flujos de alimentacioacuten requeridos para el proceso a partir de los cuales se
determinaron los costos diarios
Tabla 2 Costo de materias primas [5]
Compuesto
Alimentacioacuten
por diacutea
Costo
USDKg
Costo Total
USDdiacutea
Au 2 kg 10596 2119200
HCl 15 Kg 52 780
HNO3 20 Kg 022 044
-Al2O3 5712 Kg 034 19421
Canastillas 500 piezas 15 75000
NH3(OH) 200 Kg 034 680
H2O 440414 Kg 282 282
Total de Materia Prima 2215407
El costo se determinoacute considerando la cantidad de material el tamantildeo y el costo de
manufactura
El costo se determinoacute para uso industrial conforme establece la tesoreriacutea de
Meacutexico
Ingenieriacutea Quiacutemica 38
UAM-I
PERSONAL REQUERIDO PARA LA INDUSTRIA
La Tabla 3 establece los salarios mensuales anuales y las prestaciones del IMSS
para el personal de la planta
Tabla 3 Salarios y Prestaciones del Personal
Mano de Obra (USDmes)p
ersona
USDmes USDantildeo Prestaciones
IMSS
1 Gerente 2000 2000 24000
1 Administrador 1000 1000 12000
1 Secretaria 400 400 4800 1193
Total de Salarios
Administrativos
40800 1193 409193
9 Obrero 150 150 1800 448
1 Teacutecnico 200 200 2400 597
1 Policiacutea 200 200 2400 597
1 Mantenimiento 180 180 2160 538
1 Limpieza 150 150 1800 448
Total de Salarios
Proceso
10560 2628 108228
Los salarios se determinaron en base al salario miacutenimo vigente en la Ciudad de
Meacutexico (2003)[29]
Ingenieriacutea Quiacutemica 39
UAM-I
PERSONAL
Departamento de produccioacuten
Se tendraacute 2 obreros en el llenado de soporte en las rejillas un obrero encargado del
traslado de rejillas por medio de la banda de los motores a cada contenedor un
obrero en cada contenedor de NH4OH y HAuCl4 en cada mezclador se tiene 1
obrero para descargar y cargar las rejillas a la banda que se trasladaran al horno en
el horno se tiene 1 obrero encargado del secado y calcinado el producto se traslada
al almaceacuten donde estaraacuten 2 obreros que reciben el producto y materias primas de los
proveedores se tiene 1 teacutecnico supervisando los equipos un encargo del
mantenimiento de los equipos
Departamento de personal
Gerente de la industria un administrador encargado de compra y venta de materias
primas una secretaria
Ingenieriacutea Quiacutemica 40
UAM-I
CAPITAL FIJO
La Tabla 4 muestra el costo de los equipos requeridos en la planta asiacute como el
Capital Fijo y la Inversioacuten del Capital Total
Tabla 4 El equipo se costeo usando las correlaciones de Ulrich [6] y empleando el
programa de Capcost
EQUIPO USD
4 Contenedores 23584
4 Agitadores (456kW) 269760
1 Horno (25 kW) 15700
15 Bombas (1469kW) 43081
1 Motor (114 kW) 67440
Tuberiacuteas 42150
2 Cisternas 174183
Vaacutelvulas 1283
Accesorios
(codos 90ordm y de 45ordm te)
1474
CAPITAL FIJO 638655
Capital de Trabajo 9579825
INVERSIOacuteN DE
CAPITAL TOTAL
73445325
Los caacutelculos y las correlaciones empleadas para el costeo del equipo se anexan en
el Apeacutendice A
Ingenieriacutea Quiacutemica 41
UAM-I
GASTOS GENERALES
Tabla 5 Proporciona el total de gastos anuales con lo cual se estima el precio por
kilo de catalizador y por unidad purificadora
Tabla 5 Gastos Generales anuales
USDAntildeo
Materias Primas 531697680
Mano de Obra de Operacioacuten 1082280
Mano de Obra de Oficina 4091930
Servicios Electricidad 2620100
Total de Gastos Generales 539491990
CFE
Produccioacuten diaria de Catalizador = 574 Kg
Precio de Catalizador = 40 USDKg
Produccioacuten diaria de unidades purificadoras = 500
Precio por unidad = 50USD
Ganancia diaria = 22960 USD
Ganancia Anual = 5510400 USD
DETERMINACIOacuteN DE LA RENTABILIDAD DEL PROYECTO
TPI (Actual) = 10
PR (Factor de riesgo) = 25
TREMA = TPI + PR
TREMA = 35
TIR (del proyecto) = 90
TIR gt TREMA
Puesto que la TIR es mayor que la TREMA se tiene que el proyecto es rentable [6]
Ingenieriacutea Quiacutemica 42
UAM-I
310 CONCLUSIONES
En el desarrollo de la industria para la fabricacioacuten de catalizadores se tuvo un
resultado satisfactorio a pesar de la falta de informacioacuten disponible acerca de
industrias de catalizadores debido a que esta informacioacuten no es publica El proyecto
que elaboramos es novedoso en nuestro paiacutes ya que no existen registros de una
industria que produzca catalizadores de oro soportados en aluacutemina
Durante el desarrollo del proyecto se planteoacute trabajar con compuestos como NOx y
COVS sin embargo debido a la falta de tiempo no se logroacute concluir la
experimentacioacuten en estos campos Debido a esto se tomoacute la decisioacuten de trabajar en
la oxidacioacuten cataliacutetica de CO Esto debido a varios factores por ejemplo la
disponibilidad de gases y sobre todo los costos que esto implicaba
Para el desarrollo del catalizador se analizaron diferentes tipos de preparacioacuten y se
eligieron dos meacutetodos diferentes Deposicioacuten-precipitacioacuten e Impregnacioacuten Los
catalizadores se evaluaron bajo diversas condiciones en la oxidacioacuten de CO El
catalizador que presentoacute mayor conversioacuten con el catalizador a baja temperatura fue
el sintetizado por el meacutetodo de Deposicioacuten-precipitacioacuten el cual se utilizoacute para el
disentildeo de la Industria El disentildeo estaacute basado en la forma de preparacioacuten del
catalizador Por esto la parte maacutes importante de la planta es el tanque de mezclado
el cual se disentildeo tomando en cuenta los diferentes disentildeos de agitadores para tener
un mezclado oacuteptimo Se incorporo en la parte superior del agitador las canastillas
para las pastillas cataliacuteticas y el tipo de Horno que se usara para el secado y
posteriormente el calcinado Una parte importante es la produccioacuten de catalizador
para este problema se investigoacute en que parte se podriacutea utilizar a diferencia de los
catalizadores para automoacuteviles Se llego a la decisioacuten de poder desarrollar un
catalizador para los calentadores de agua se obtuvo informacioacuten de la fabrica de
calentadores cal-o-rex en la produccioacuten diaria de calentadores y de esta informacioacuten
se pudo calcular la posible demanda de nuestro producto Una parte importante en
las industrias son el tipo de bombas ya que existen diversos modelos en nuestro
disentildeo se escogioacute las bombas centriacutefugas con rodetes para agua que contiene
pequentildeas partiacuteculas de soacutelidos
En la parte de servicios para personal se investigo los sueldos de cada empleado Se
determinoacute el costo de los equipos y finalmente llegamos a la parte que nos interesa
Ingenieriacutea Quiacutemica 43
UAM-I
del disentilde es decir si el proyecto es rentable o no En este caso particular se tuvo un
valor aceptable y se definioacute que el disentildeo es rentable Esto indica que seria una
industria que tendriacutea ganancias y a la vez que el producto que se fabrique nos
ayudaraacute a todos a reducir la emisioacuten de CO en los hogares aportando una pequentildea
ayuda al medio ambiente
COMENTARIOS
Los conocimientos adquiridos durante este tiempo fueron provechosos en la parte
teoacuterica y praacutectica aclaramos dudas de como y porque se comportan las reacciones
quiacutemicas y los procesos de flujos Durante el desarrollo del proyecto aprendimos a
observar y la importancia de entender fiacutesicamente las algunos procesos relacionados
con la siacutentesis y caracterizacioacuten de materiales cataliacuteticos
Ingenieriacutea Quiacutemica 44
UAM-I
38 BIBLIOGRAFIacuteA
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Ingenieriacutea Quiacutemica 46
UAM-I
APEacuteNDICE A
CRITERIOS PARA DETERMINAR QUIEacuteN CONTROLA EL PROCESO
Criterio de weisz para difusioacuten interna
Ec(12-16 Fogler) Los valores que se sustituyen en las siguientes ecuaciones fueron
tomados del catalizador que se analizo en el laboratorio
CWP = ( )
AS
cObsA
DeCRcr 2minus
lt 1
-rA(Obs) = velocidad de reaccioacuten observada molgcats Cc = concentracioacuten volumeacutetrica molm3
CAS = concertacioacuten en la superficie molm3
D= diaacutemetro del granulo m R = radio del granulo m De = difusividad efectiva m2s
d = 0149mm mxmm
m 4104911000
1 minus=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
CWP = ( )( )3
32
24
33
103470184200350
21049150800010681
minus
minusminus
=⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞⎜
⎝⎛
x
mmol
hrm
mxcatm
gcathgcat
molx
734x10-3 lt 1 No hay limitante por la difusioacuten interna
Ingenieriacutea Quiacutemica 47
UAM-I
Criterio de mears para difusioacuten interna Ec(12-62 Fogler)
Mm = 150ltAbc
bA
CkRnr ρminus
Mm =( )( )
0570
136000184200220
31110457508000106851
3
53
3
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ minusminus
hrs
mmol
sm
mxcatmgcat
hgcatmolx
0057 lt 015 no hay efecto de transferencia de masa externa Calculo de Dab para calcular el coeficiente de trasferencia de masa Ec(78 Lobo)
De =
KAAB DD11
1
+
DKA = 970X103 (80X10-8)(s
cmK 221 1090)
2400( =
DAB = 00018583ABAB
BA
PMMT
Ω
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ +
2
2123 11
γ
Para CO
0110=isin
Bk 0593 A=γ
Para O2
Ingenieriacutea Quiacutemica 48
UAM-I
0113=isin
Bk 0453 A=γ
( ) 51343359321
=+=ABγ
( )( )[ ] 21113110BAB k=isin A la temperatura de 400degK
( ) 583))113)(110((
40021 =
deg=
isin B
B
AB
B
KKKTK
Ω AB = 0907 Sustituyendo
DAB =s
cm2
2
2123
9730)9070()513(
)21281()400(00185830=
+
De = hrm
hrs
cmm
scm 222
03501
3600100
10980
10901
97301
1=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
+
Calculo de Kc Sh = (Re)12(Sc)13
Velocidad superficial
V = sm
shr
hrm
mxhr
m
Av
c
02036001976
1087
006025
3
0 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛== minus
Ingenieriacutea Quiacutemica 49
UAM-I
Re= ( ) 240)1062)(501(
)10491)(020(
1 25
4
=minus
=minus minus
minus
smx
mxsmvd p
νφ
Sc= 672)3600
1)(0350(
10622
25
==minus
shr
hrm
smx
Dv
AB
Sh= ( 024 )12 ( 267 )13 = 0679
Kc = Shdp
DAB⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛minusφ
φ1
Kc = ( )sm
mxs
mx02206790
10491
10729
50501
4
26
=⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛minus
minus
minus
Calculo de numero Thile con el radio que usara a nivel industrial
φ = L ( )DkCn n
AS
21 1minus+
L = 3R
Sustituyendo
φ = 66x10-4 m( )
( )
450
03502
018420
5480941311
3
30
3330
313
=
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+
catmhrm
mmol
hrcatmmolm
η = 1 con los resultados anteriores se observa que quieacuten limita es la velocidad de
reaccioacuten Por lo que se procede a calcular el peso y longitud de catalizador
necesaria para muestro purificador sustituyendo los valores del Boiler
Ingenieriacutea Quiacutemica 50
UAM-I
Peso del Catalizador w =
( ) grcatgcatLn
gcatm
mmol
hrcatmmolm
hrm
xLn
kCv
A
66476639401
1
6000001578
548094
19836
11
330
3330
313
3
0
0 asymp=minus
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
minus
g 664=w
33
3
1011
mg60000
g 664 mxwv minus===ρ
m 035003101011
2
33
==minus
mmxL
cm 531000350 == xL
Ingenieriacutea Quiacutemica 51
UAM-I
APEacuteNDICE B BALANCE DE MASA DE LA PREPARACIOacuteN DE HAUCL4 Au(g) + 3HNO3(ac) + 4HCL(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O + 3N02(g) (152 M) (105M)
cantidad de mol Au = 05 kg Au x molAu
grAumolAux
kggr 542
971961
11000
=
cantidad de kg HNO3 = ( ) 33
33 480
10001
1635423 kgHNO
grkgx
molHNOGRHNOxHNOmol =
cantidad de kgHCl = ( ) kgHClgr
kgxmolHCl
grHClHClxmol 3701000
11
5365424 =
cantidad de kgHAuCl4 = 254molHAuCl4 x 44
8601000
11
97339 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
gr=
cantidad de kgH2O = 3( 254mol)H20 x OkgHgr
kgxOmolHOgrH
22
2 1401000
1118
=
cantidad de Lt H20 = 762molHNO3 x OltHOkgHOLtH
22
2 14011
=
cantidad de Lt H20 = 1016 mol HNO3 x 050215
012
2 LtHmol
LtH=
cantidad de LtH20 = 1016mol HCl x OLtHLtHmolHCl
LtH22
2 010970510
01asymp=
cantidad de MHAUCl4 = ( ) ( ) ( ) MHltltlt
ClmolHAU 7210850490140
542
2
4 asymp++
cantidad de kg NO2(g) = 3( 254mol)NO2 x )(22
2 3501000
1146
SkgNOgr
kgxmolNO
grNO=
Ingenieriacutea Quiacutemica 52
UAM-I
05 kg Au 048 kgHNO3 035 kgNO2 101021 kgH20 (152M) 037 kgHCl(ac)
(105 m) 086 kg HAuCl4 (ac) 086 kg HAuCl4 (ac)
(17 M) 014 kgH20 (25x10-3M) 014kg H20 (L) 086kg HAuCl4 035kgNO2 (g) 101185kg H20 Cantidad de H20 = 086 kgHAuCl4
x 08510110101
105201
173341
11000
22
23
24 kgHLtHkgHx
MxltHx
grmolHAuClx
kggr
=minus
pero (101185 ndash 014 ndash 05 ndash 1) kg H20 = 101021 kg H20 100ml H20 por 1 gr soporte 35kg NH4 (OH)(AC) 10000kgH20 100 kg γAl203 (9965) 035kgAu (035) 100kg γAl203 025kgCl2 086kg HAuCl4 026kgHAuCl4
101185 kg H20 35kgNH4 (OH)(AC) 1101185kgH20 cantidad de kgHAuCl4 = 015kgAu x
44
4 2601000
11
973391
197196
147196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxgrAu
molxkg
gr=
cantidad de NH4(OH) = 100kg γ Al203 x
Ingenieriacutea Quiacutemica 53
UAM-I
kgNHxmol
grx
mlmol
xOAlgr
OHmlNHx
kg
gr53
10001
1
35
100010
1
)(10
1
1000
32
4=
γ4(OH)
30kg γAL2O3 1 kgNH4(OH)(AC) 30 kg γ Al203 (9965) 010 kg Au (035) 026kgHAuCl4 007kg Cl2 35kgNH4(OH) 1101185 kgH2O 0086kgHAuCl4 45 kg NH4(OH)(AC) 1101185 kg H20
cantidad de γ Al2O3 = 026kgHAuCl4 x 324
32 02330860
100 AlkgkgHAuCl
OAlkg γγ=
cantidad de kgAu = 035 x kgAukg 10506599
30=
cantidad de kg Cl2 = 01 kgAu x
22
2 07201000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de HAuCl4 = 005kgAu x
44
4 08601000
11
973391
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 54
UAM-I
cantidad de kgNO4(OH) = 30 kg γ Al203 x ( )OHkgNHAlkg
OHkgNO4
32
4 0510100
)(53=
γ
105 kg γ Al203 035 kg NH2(OH) 105 kg γ Al203 (9965) 004 kg Au (035) 009kg HAuCl4 003 kg Cl2 45kgNH4(OH) 1101185 kg H20 0017kgHAuCl4 485kgNH4 (OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 009 HAuCl4 x 324
32 04710860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad kg de NH4 (OH) = 105kg γ Al203 x ( ) )(3500100
534
32
4 OHkgNHAlkg
OHkgNH=
γ
cantidad de Cl2 = 004 kg Au x
22
2 02901000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
gAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 =
44
44 02001701000
11
973391
197196
11
1000010 kgHAukgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgr
molAuxkg
grkgAux asymp=
Ingenieriacutea Quiacutemica 55
UAM-I
23 kg γ Al203 008kgNH4(OH) 002 kg HAuCl4 23 kg γAl203 (9965) 485kgNH4(OH) 0008kgAu(035) 1101185kg H2 0001kg Cl2
0014 kg HAuCl4 493kgNH4(OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 002kgHAuCl4 x 324
32 032860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad de kg Au = 035 x kgAukg 00806599
32=
cantidad de kgCl2 = 0002kgAu x
24
4 00101000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 = 0008kgAu x
44
44 01401000
11
973341
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 56
UAM-I
APEacuteNDICE C ACCESORIOS EN EL DISENtildeO
Agitador
Agitadores de Heacutelice se escogioacute este tipo de agitador por ser tener las siguientes
caracteriacutesticas [3]
bull Es un agitador de flujo axial
bull Se emplea para liacutequidos pocos viscosos
bull Giran a toda la velocidad del motor
bull Las corrientes de flujo se mueven a traveacutes del liacutequido en una direccioacuten
determinada hasta que son desviadas por el fondo o las paredes del tanque
bull Las palas de la heacutelice cortan o friccionan vigorosamente el liacutequido
bull Los agitadores de heacutelice son eficaces para tanques de gran tamantildeo
Horno
bull El horno se escogioacute por ser tener las siguientes caracteriacutesticas [5]
bull El horno de construccioacuten metaacutelica
bull La caacutemara de combustioacuten estaacute construida mediante hormigones refractarios
de alta resistencia mecaacutenica
bull Las materias secar y calcinar se carga de forma manual
Ingenieriacutea Quiacutemica 57
UAM-I
Bomba
DISENtildeO Bomba centrifuga para operacioacuten horizontal o vertical del impulsor
cerrado succioacuten al extremo descarga hacia arriba tangencial simple succioacuten de un
paso con carcaza partida verticalmente [3]
ROTACIOacuteN En el sentido del reloj vista desde el cople
CARACTERIacuteSTICAS Conexiones brindadas con registro ubicado en la cabeza de
succioacuten para facilitar su limpieza
SERVICIO Debido a que es posible colocarla en posicioacuten horizontal o vertical tanto
en caacutercamos secos como huacutemedos y por el disentildeo de su impulsor que soacutelidos de
gran tamantildeo esta bomba es ideal para los procesos de tratamientos de agua y
manejo de liacutequidos en suspensioacuten en general
CAPACIDADES
GASTO Hasta 3000 GPM
CDT Hasta 80rsquo
PRESIOacuteN 106 Kgcmsup2
POTENCIA De 1 a 60 Hp
VELOCIDAD (1175 - 3550 RPM)
TEMPERATURA 125degC
Ingenieriacutea Quiacutemica 58
UAM-I
Bombas Centriacutefugas
Las maquinas centriacutefugas estaacuten constituidas por un impulsor o rodete formado por
una serie de aletas radiales diversas formas y curvaturas que giran dentro de una
caja circular El fluido penetra por el ojo o eje de rotacioacuten y se descarga maacutes o
menos radialmente en una caacutemara perifeacuterica a una elevada presioacuten que
corresponde a la suma de la fuerza centriacutefuga de la rotacioacuten maacutes la cineacutetica
comunicada al fluido por las aletas La parte moacutevil de la bomba es el rodete Las
aletas del rodete se extienden desde el centro de rotacioacuten hacia la periferia y las
bridas son los discos de refuerzo a cada lado de las aletas que las envuelven Las
aletas pueden ser radiales curvadas ligeramente hacia delante en el mismo sentido
de la rotacioacuten o estar curvadas al reveacutes en el caso maacutes comuacuten en el disentildeo se
determino el rodete siguiente por sus caracteriacutesticas Fig 1
Figura 1 Corte parcial de un rodete de centriacutefuga para grandes cargas y secciones
de paso estrechas empleando con liacutequidos corrosivos o suspensiones de pequentildeas
partiacuteculas[4]
Ingenieriacutea Quiacutemica 59
UAM-I
APENDICE D CALCULO DE POTENCIA DE BOMBAS (8)
Potencia de la bomba de la cisterna 1 que alimenta a los mezclador 4
Ecuacioacuten de Bernoulli
sum sumint =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛+++∆+∆i i
i
P
P
evvfDLvwdphgv 0
21
21
ˆ1
21 222
2
1ρ
a b c d e f
a Diferencia de velocidades
b Diferencia de alturas
c Diferencia de presiones
d Trabajo
e Perdidas de friccioacuten en tuberiacuteas
f Perdidas de friccioacuten en accesorios
En la ecuacioacuten anterior se pueden eliminar algunos teacuterminos
21 mts
6 mts 35 mts
Figura 1 Balance de cisterna 1 a mezclador 4
Se debe de tener dos puntos de referencia para la utilizacioacuten de la ecuacioacuten de
Bernoulli de los cuales se anotaron en la figura 2
Ingenieriacutea Quiacutemica 60
UAM-I
21 mts
2 1 6 mts 35 mts
Figura 2
Teniendo los puntos de referencia se analiza que las diferencias de velocidades son
cero en ambos puntos por lo tanto el termino 2
21 ν∆ es igual a cero
El termino de = (981hg∆ 2segm )(35m ndash 0) = 34335 2
2
segm
El termino de int2
1
1P
P
dpρ
se tiene que la cisterna y el tanque de mezclado ambos no
estaacuten cerrados y por lo tanto no originan un cambio de presioacuten y el termino es cero
De esta expresioacuten L longitud de tuberiacutea
tro de tuberiacutea
n el interior del tubo
v
Para la l radio del tubo que
sum ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
i
fDL2
21 ν
D diaacuteme
f perdidas de friccioacuten e
velocidad del flujo de agua
obtencioacuten de la velocidad se tiene el flujo volumeacutetrico y e
es de 32 cm =0032mts con la ecuacioacuten
Ingenieriacutea Quiacutemica 61
( )( ) sm
ms
m
RQ 761
032060min1)
min340(
2
3
2 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
==ππ
ν
UAM-I
Se reportan valores de perdida de fr
e reduce teacuterminos
iccioacuten en tubos que son igual a 005
Por lo tanto sustituyendo los teacuterminos en la ecuacioacuten de Bernoulli s
sum sumint =⎟⎠
⎜⎝
+⎟⎠
⎜⎝
+++∆+∆i i
iP
evvfD
vwdphgv 022
ˆ2
1ρ
⎞⎛⎞⎛ L 111 2222
or tanto el termino de trabajo queda expresado de la siguiente manera
tanto la bomba comunica al fluido que circula en el sistema un trabajo
+11727
P1
p w
sum sum ∆minus⎟⎠⎞
⎜⎝⎛minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛minus=
i ii
hgevvfDLvw 22
21
21
ˆ
( ) ( )
Este es el trabajo ( por unidad de masa) producido por el fluido en la bomba por lo
22
sm o 11727 981 = 1195
m
fKg
Kgm
La velocidad de flujo de masa es
Por lo tanto
1 )=6694
951)(675(ˆ =minus=minus WwW smkg f = 088Hp = 1Hp
Siendo esta ida para esta bomba El procedimiento anterior se
iguioacute para cada bomba de la planta
AP E
la potencia requer
s
EacuteNDICE
TOXICOLOGIacuteA DE MATERIAS PRIMAS [6]
( ) ( ) ( )( ) ( )( )msm
smmmm
sm 538192201150761
21050
032021536761
21
2
22minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ +minus⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ++
minus=wm
22
27117ˆ smw minus=
( )s
kgmkgQw m675100060340 3 === ρ
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UAM-I
HIDROacuteXIDO DE SODIO
Polvo corrosivo blanco delicuescente
Toxicidad
Concentracioacuten Maacutexima permisible 2mgm3 en aire
Signos y Siacutentomas Conjutivitis quemaduras corneales y de la piel Irritacioacuten
seas vomito dolor abdominal y diarrea a veces con
Lavado de las partes afectadas tranquilizantes sulfato de
decuada gafas protectoras o pantallas para
ignos y Siacutentomas Irritacioacuten de ojos quemaduras corneables tos dolores
l hemoptisis dolor de cabeza dolor epigaacutestrico nauseas y vomito
lmonar
Tratamiento lavado de ojos con agua reposo oxigeno con aparato de respiracioacuten
con onantes
ACIDO NITRICO
Liquido corrosivo sofocante de incoloro a amarillento
ioacuten maacutexima permisible 10ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
del tracto respiratorio nau
sangre
Tratamiento
morfina para el dolor y cortisona
Medidas preventivas Ventilacioacuten a
la cara completa mascarilla con filtro mecaacutenico guantes delantares botas de
goma y acentuar la limpieza personal
CLORO
Gas pasado amarillo verdoso
Toxicidad
Conc Maacutexima permisible 1 ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten
S
retrosterna
debilidad cianosis y edema pu
trolada bronco dilatadores y descongesti
Toxicidad
Concentrac
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UAM-I
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
Signos y siacutentomas Erosioacuten dental estornudo tos Dolor en el pecho bronquitis y
la las partes contaminadas del cuerpo con solucioacuten al 5 de
de las quemaduras con pantildeos
de triacuteo sulfato soacutelido si se a ingerido
vado de ojos con agua
ACIDO CLORIDRICO
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
ivitis necrosis corneal por inhalacioacuten rinitis erosioacuten
dolor de cabeza palpitacioacuten por ingestioacuten
s en la boca faringe esoacutefago estomago salivacioacuten vomito Soc
agua lavada de agua y jaboacuten de las partes
preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
AacuteC
El c
con o de hidroacutegeno una
concentracioacuten de 12 molLt Este aacutecido es un liacutequido incoloro con un olor aacutecido
bronconeumoniacutea
Tratamiento
bicarbonato soacutelido o con agua y jaboacuten Tratamiento
mojados con solucioacuten saturada
administracioacuten por viacutea oral de solucioacuten de jaboacuten Hidroacutexido caacutelcico o alumiacutenico u
oacutexido de magnesio
Medidas preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores excluir de la exposicioacuten
a los individuos con enfermedades de pulmones y rintildeones
Gas incoloro o liacutequido o a amarillento
Toxicidad
Concentracioacuten maacutexima permisible 5ppm en aire
Signos y siacutentomas conjunt
dental laringitis bronquitis neumoniacutea
quemadura
nefritis
Tratamiento lavado de ojos con
contaminantes del cuerpo tratamiento ordinario de quemaduras lavado gaacutestrico
se a ingerido con solucioacuten de bicarbonato soacutedico al 5 seguido de una instilacioacuten
de gel de hidroacutexido de aluminio
Medidas
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores
IDO CLORHIacuteDRICO
loruro de hidroacutegeno es en extremo soluble en agua de hecho el aacutecido clorhiacutedrico
centrado contiene cerca del 38 en masa de clorur
Ingenieriacutea Quiacutemica 64
UAM-I
pronunciado que se debe al equilibrio entre el cloruro de hidroacutegeno gaseoso y
ste con el aacutecido fluorhiacutedrico el aacutecido clorhiacutedrico es un aacutecido fuerte (pKa = -
7) y se ioniza casi totalmente
gar de aacutecido sulfuacuterico auque en menor grado Por
jemplo el zinc metaacutelico reacciona con aacutecido clorhiacutedrico para dar el ion zinc e
hidroacutegeno gaseoso
Zn(s) + 2HCl(ac) ZnCl2(ac) + H2(g)
l para producir aacutecido clorhiacutedrico en el laboratorio es generar
cloruro de hidroacutegen e sodio y el aacutecido
ulfuacuterico En el primer paso a 150degC se forma hidroacutegeno sulfato de sodio
NaHSO4(s) + HCl(g)
io y maacutes
loruro de hidroacutegeno gaseoso Luego el gas se disuelve en agua para formar el
aacutecido
NaHSO4(s) + NaCl(s) Na2SO4(s) + HCl(g)
acuoso
HCl(ac) HCl(g)
El reactivo de grado teacutecnico a menudo tiene un color amarillento por una impureza
del ion hierro (III)
En contra
HCl(ac) + H2O(l) H2O+(ac) + Cl -(ac)
Por ello a menudo se prefiere usar aacutecido clorhiacutedrico diluido en lugar de aacutecido niacutetrico
que es muy oxidante y en lu
e
Cuando el zinc reacciona con el aacutecido niacutetrico es comuacuten que se reduzca una parte
del ion nitrato para dar dioacutexido de nitroacutegeno
El meacutetodo tradiciona
o gaseoso por la reaccioacuten entre el cloruro d
s
NaCl(s) + H2SO4(l)
La mezcla se calienta a 550degC temperatura a la cual el hidroacutegeno sulfato de sodio
reacciona con un exceso de cloruro de sodio para formar sulfato de sod
c
∆
Este meacutetodo se usa tambieacuten en la industria otra forma de producir cloruro de
hidroacutegeno es por la combinacioacuten directa de dicloro y dihidroacutegenogaseosos
Ingenieriacutea Quiacutemica 65
UAM-I
H2(g) + Cl2(g) 2HCl(g)
La mayor cantidad de cloruro de hidroacutegeno que se produce actualmente es un
CH4(g) + 4Cl2(g) 4(l) + 4HCl(g)
riacuten de superficies de acero en un bantildeo aacutecido en la purificacioacuten de glucosa
y jarabe de maiacutez e s y de gas y en la
bricacioacuten de compuestos clorados El aacutecido se puedo comprar en muchas
nducida por la luz
4HNO3(ac) 4NO2(g) + O2(g) + 2H2O(l)
niacutetrico como disolvente)
H2NO3+ H2O + NO2
+
l siguiente
3HNO NO3 ndash
subproducto de otros procesos industriales como la siacutentesis de tetracloruro de
carbono
CCl
Se consumen cerca de 107 toneladas de aacutecido clorhiacutedrico cada antildeo en todo el
mundo Este aacutecido tiene una gama muy amplia de usos como aacutecido comuacuten para
eliminar o
n el tratamiento con aacutecido de pozos petrolero
fa
ferreteriacuteas con el arcaico nombre de aacutecido muriaacutetico sus principales usos caseros
son la limpieza de superficies de concreto y la eliminacioacuten de herrumbre Un nuacutemero
muy reducido de personas es incapaz de sintetizar suficiente jugo gaacutestrico y deben
de ingerir caacutepsulas de aacutecido clorhiacutedrico diluido con cada comida
AacuteCIDO NIacuteTRICO
El aacutecido niacutetrico un liacutequido aceitoso e incoloro en estado puro es sumamente
peligroso El aacutecido que funde a ndash42degC y hierve a +83degC tiene por lo general un
ligero color amarillo a causa de una reaccioacuten de descomposicioacuten i
En un estado puro el aacutecido niacutetrico liacutequido praacutecticamente no conduce la electricidad
Una pequentildea porcioacuten se ioniza como sigue (todas estas especies existen en el aacutecido
2HNO3(l) H2NO3+ + NO3
ndash
H2O + HNO3 H3O+ + NO3 ndash
Para dar la reaccioacuten globa
3 NO2+ + H3O + 2+
Ingenieriacutea Quiacutemica 66
UAM-I
El catioacuten nitrilo es importante en la nitracioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas por ejemplo la
obenceno C6H5NO2 una etapa importante en
umerosos procesos industriales orgaacutenicos
El aacutecido niacutetrico con en agua mientras
ue el ldquoaacutecido niacutetrico fumanterdquo un oxidante extremadamente poderoso es una
vez de ello se produce una mezcla de
sistema que da un orden de
vista industrial el
oceso
e lleva a cabo en tres etapas Primero se hace pasar una mezcla de amoniaco y de
dioxiacutegeno (o aire) un proceso muy
ficiente y exoteacutermico que hace que la malla se ponga al rojo Esta etapa se verifica
conversioacuten de benceno C6H6 en nitr
n
centrado es en realidad una solucioacuten al 70
q
solucioacuten roja de dioacutexido de nitroacutegeno en aacutecido niacutetrico puro Incluso cuando esta
diluido el aacutecido niacutetrico es un oxidante tan fuerte que rara vez desprende hidroacutegeno
cuando se pone en contacto con metales en
oacutexidos de nitroacutegeno y el metal se oxido a su catioacuten
Los enlaces O-N son mucho maacutes cortos (121 pm) que el enlace O-N unidos al aacutetomo
de hidroacutegeno (141 pm) Esta longitud de enlaces indica que hay enlaces muacuteltiples
entre el nitroacutegeno y los dos aacutetomos de oxiacutegeno terminales Ademas de los electrones
del sistema σ hay cuatro electrones que participan en el sistema π O-N-O dos de un
orbital enlazante y dos en un orbital no enlazante
enlace de 112 para cada uno de esos enlaces nitroacutegeno- oxiacutegeno
A veces se nos olvida hasta queacute punto nuestra experiencia depende de la
termodinaacutemica y la cineacutetica Por ejemplo la primera siacutentesis industrial de aacutecido
niacutetrico se llevaba ha cabo por simple combinacioacuten de diniacutetrogeno dioxiacutegeno y agua
utilizando un horno de arco eleacutectrico a fin de proporcionar la energiacutea necesaria par
superar la muy elevada barrera cineacutetica Aunque desde el punto de
factor cineacutetico constituiacutea un problema en realidad es una bendicioacuten por que sin esta
barrera cineacutetica hace mucho tiempo que todo el dioacutexido de la atmoacutesfera se abriacutea
transformado en aacutecido niacutetrico y nuestros mares serian de aacutecido niacutetrico diluido
frac12 N2(g) + 54O2(g) + 12H2O(g) HNO3(g)
Ahora se utiliza el proceso Ostwald para la siacutentesis de aacutecido niacutetrico Este proceso
consume gran parte del amoniaco que se produce por el proceso Haber El pr
s
a traveacutes de una malla de platino metaacutelico Eacuteste es
e
a baja presioacuten para aprovechar el efecto entropico es decir la formacioacuten de 10
moles de gas a partir de 9 moles de gas (una aplicacioacuten del principio de Le Chatelier)
para desplazar el equilibrio a la derecha
Ingenieriacutea Quiacutemica 67
UAM-I
4NH3(g) + 5O2(g) 4NO(g) + 6H2O(g)
Se agrega maacutes oxiacutegeno para oxidar el monoacutexido de nitroacutegeno a dioacutexido de nitroacutegeno
A fin de mejorar el rendimiento de esta reaccioacuten exoteacutermica se extrae calor de los
ases y la mezcla se somete a presioacuten
2HNO3(l) + NO(g)
Esta reaccioacuten tambieacuten es exoteacutermica y una vez maacutes se aplica enfriamiento y alta
la
egunda etapa para oxidarlo de nuevo
La contaminacioacuten s de aacutecido niacutetrico
as plantas maacutes antiguas eran faacutecilmente identificables por la fumarola cafeacute-
antas maacutes antiguas ahora mezcla cantidades
en Estados Unidos porque un 20
dedica ala produccioacuten de explosivos
or ultimo el aacutecido niacutetrico es un liacutequido que hierve a 826degC No existe como liacutequido
g
2NO(g) + O2(g) 2NO2(g)
El dioacutexido de nitroacutegeno se mezcla con agua para dar una solucioacuten de aacutecido niacutetrico
3NO2(g) + H2O(l)
presioacuten par obtener el maacuteximo rendimiento El monoacutexido de nitroacutegeno se vuelve a
s
soliacutea ser un problema importante de las planta
L
amarillento del dioacutexido de nitroacutegeno que escapaba por ellas Las plantas maacutes
antiguas eran faacutecilmente identificable por la fumadora cafeacute-amarillo del dioacutexido de
nitroacutegeno que escapaba de ellas Las pl
estequiomeacutetricas de amoniaco con las oacutexidos de nitroacutegeno con lo cual se obtiene
dinitroacutegeno y vapor de agua ambos inocuos
NO(g) + NO2 (g) + 2NH3(g) 2N2(g) + 3H2O(g)
En todo el mundo alrededor del 80 del aacutecido niacutetrico se utiliza en la produccioacuten de
fertilizantes Esta proporcioacuten es de solo el 65
se
P
puro porque en alguna medida se descompone espontaacuteneamente como sigue
4HNO3(l) 4NO2(g) + 2H2O(l) + O2(g)
Ingenieriacutea Quiacutemica 68
UAM-I
El aacutecido niacutetrico concentrado que se usa en el laboratorio estaacute al 68 en masa HNO3
(densidad 142 gcm3) lo que corresponde a 157 M
l aacutecido niacutetrico es un poderoso agente oxidante El nuacutemero de oxidacioacuten del N en el
) El aacutecido niacutetrico puede oxidar
nto a metales que estaacuten abajo del hidroacutegeno como aquellos que se encuentran
4Zn2+(ac) + NH4
+(ac) + 3H2O(l)
do no oxida al oro Sin embargo cuando se mezcla con
cido clorhiacutedrico concentrado en relacioacuten 13 en volumen (una parte de HNO3 a tres
partes al oro
omo sigue
APEacuteNDICE F
ETODO DE DEPOSICIOacuteN-PRECIPITACIOacuteN
E
HNO3 es + 5 Los productos maacutes comunes de la reduccioacuten del aacutecido niacutetrico son el
NO2 (N = + 4) el NO (N = + 2) y el NH4+ (N = - 3
ta
arriba en la serie de actividades Por ejemplo el cobre es oxidado por el aacutecido niacutetrico
concentrado como se mencionoacute antes
En presencia de reductores fuertes como el zinc metaacutelico el aacutecido niacutetrico se puede
reducir hasta ion amonio
4Zn(s) + 10H+(ac) + NO3
-(ac)
El aacutecido niacutetrico concentra
aacute
de HCl) la disolucioacuten resultante denominada agua regia puede oxidar
c
Au(s) + 3HNO3(ac) + 4HCl(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O(l) + 3NO2(g)
M
Ingenieriacutea Quiacutemica 69
UAM-I
APEacuteNDICE G
ISENtildeO DEL MEZCLADOR [4]
1) 100 ml H2O gr soporte
2) NH4(OH)
Ajustar a PH = 9 4) HAuCl4 (solucioacuten acuosa al 25E-3M)
6) Filtrado o centrifugado
3) En Agitacioacuten por 2 hr
8) Secado por 2hr a 80 degC
9 ) Calcinado por 4hr a 400 degC
7) Lavado
5) Antildeegamiento por 30 min
D
Ingenieriacutea Quiacutemica 70
UAM-I
El disentildeo de un tanque agitado dis n nuacutemero de elecciones sobre el
po y localizacioacuten del agitador las proporciones del tanque el nuacutemero y dimensiones
ada una de estas decisiones afectan a la velocidad
e circulacioacuten del liacutequido los modelos de velocidad y el consumo de potencia Como
pone de un gra
ti
de las placas deflectoras etc C
d
punto de partida en el disentildeo de los problemas ordinarios de agitacioacuten generalmente
se utiliza un agitador de turbina del tipo que se muestra en la figura 1 La proporcioacuten
tiacutepica es
31
=t
a
DD
1=tD
H 121
=tD
J 51
=aD
W 41
=aD
L
de estas ecuaciones se disentildeara el mezclador como datos se tiene el valor H que es
igual a 3 mts y el diaacutemetro del tanque D
Se determinara la medida de los reflectores
t que es igual 3 mts
121
=tD
J se despeja J
elacioacuten R31
=t
a
DD
se despeja Da
Relacioacuten
41
=aD
L se despeja L
elacioacuten se despeja W
( ) ( ) cmmtsmtsDJ 25250311==⎟
⎞⎜⎛=⎟
⎞⎜⎛= t 1212 ⎠⎝⎠⎝
( ) ( ) mtsmtsDD ta 1331
31
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=
( ) ( ) mtsmtsDL a 250141
41
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛= cm25=
51
=aD
WR
Ingenieriacutea Quiacutemica 71
UAM-I
Figura 2 a) Vista transversal del mezclador b) paletas del mezclador con la
donde se deposita el soporte
Figura 1 Medidas de un agitador de turbina
a) b)
s rejillas
H
J
E L
Da
D t
W
W
( ) ( ) cmmtsmtsDW a 2020151
5==⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎜⎝
=1 ⎞⎛
Ingenieriacutea Quiacutemica 72
UAM-I
0
100
200
300
400
500
0 02 04 06 08
PPo
Vads
(cm
3g)
STP
-Al2O3
035-Au -Al2O3-DP
007-Au -Al2O3-IMP
1
Figura 1 Isotermas de adsorcioacuten y desorcioacuten de N2 de los catalizadores Auγ-Al2O3
ifraccioacuten de Rayos X La Figura 3 muestra los patrones de difraccioacuten de Rayos X
0
0004
0008
0012
0016
002
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
Rp [A]
Dv(
r) [c
m3
Ag]
-Al2O3
035-Au -Al2O3-DP
007-Au -Al2O3-IMP
Figura 2 Distribucioacuten de tamantildeo de poros
D
de los catalizadores Se observa que todos son caracteriacutesticos de la γ-Al2O3 Es
imposible identificar la presencia del Au esto debido al pequentildeo porcentaje y la alta
Catalizadores de Oro Soportado 15
UAM-I
dispersioacuten del Au contenido en cada uno de los catalizadores Sin embargo para el
caso de que se tuviese mayor cantidad de Au el difractograma podriacutea presentar un
pico alrededor de los 38deg en 2θ el cual indicariacutea la presencia de Au A partir de esta
sentildeal y la ecuacioacuten de Scherrer algunos autores han calculado el tamantildeo promedio
de las partiacuteculas de oro en catalizadores soportados
Microscopia Electroacutenica Transmisioacuten (MET) En la Figura 4 se presentan las
casos los
imaacutegenes de MET para la γ-Al2O3 y los catalizadores 035-Auγ-Al2O3-DP y 007-Auγ-
Al2O3-IMP En ambos catalizadores el tamantildeo de partiacutecula se encuentra es mayor
que 2 nm pero menor o igual que 5 nm En ambos casos los resultados indican que
las partiacuteculas de oro estaacuten dispersadas de manera uniforme en el soporte
Se encuentra es mayor que 2 nm pero menor o igual que 5 nm En ambos
resultados indican que las partiacuteculas de oro estaacuten dispersadas de manera uniforme
en el soporte
Figura 3 Patrones de Difraccioacuten de Rayos X de los catalizadores Auγ-Al2O3
Catalizadores de Oro Soportado 16
UAM-I
Figura 4 Imaacutegenes de MET para (a) γ-Al2O3 (b) 035-Auγ-Al2O3-DP y (c) 007-Auγ-
Al2O3-IMP
Catalizadores de Oro Soportado 17
UAM-I
Se sabe que la alta actividad cataliacutetica del oro esta relacionada con su tamantildeo esto
quiere decir que entre maacutes pequentildeas sean las partiacuteculas mayor actividad tendraacuten
nes estequiomeacutetricas el catalizador 007-Auγ-Al2O3-
P no mostroacute actividad para la oxidacioacuten de CO e H2 sin embargo al operar la
por lo tanto de las imaacutegenes anteriores se tiene que el meacutetodo DP es el maacutes
adecuado por lograr depositar mayor cantidad de Au con gran dispersioacuten y un
tamantildeo de partiacuteculas pequentildeo
Actividad Cataliacutetica A condicio
IM
misma muestra con un exceso de O2 la actividad inicioacute a partir de 140oC alcanzando
una conversioacuten maacutexima de 8748 a 400 degC (Figura 5) En vista de este uacuteltimo
resultado se decidioacute evaluar el catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP a las mismas
condiciones de exceso de O2 En este caso la actividad cataliacutetica inicioacute por debajo de
los 30oC incrementaacutendose casi linealmente con la temperatura hasta lograr una
conversioacuten maacutexima de 9367 a 127degC La diferencia en actividad entre ambos
catalizadores es notable Auacuten a muy bajos contenidos de Au el catalizador 007-Auγ-
Al2O3-IMP presenta una actividad importante sin embargo al aumentar cinco veces
este contenido (035) y manteniendo el tamantildeo de partiacutecula es posible disminuir la
temperatura de encendido calculada como la temperatura a la cual se logra el 50
de conversioacuten (T50) en 175oC Un uacuteltimo estudio fue la evaluacioacuten del catalizador
10-Auγ-Al2O3-IMP el cual presenta una T50 de 290 degC(ver Figura 5) la cual es 40 degC
mayor que el catalizador 007-Auγ-Al2O3-IMP auacuten cuando el contenido de Au es
mayor La Figura 5 muestra tambieacuten la comparacioacuten de estos resultados con
trabajos anteriores[10] en los que utilizan el catalizador 5-Auγ-Al2O3-IMP a
condiciones estequiomeacutetrica en este caso T50 es de 215 degC tan solo 35 degC de
diferencia en comparacioacuten con el catalizador 007-Auγ-Al2O3-IMP La diferencia en el
contenido de Au es 15 veces menor En general al trabajar en condiciones en exceso
de O2 se tiene una mayor conversioacuten a una menor temperatura por lo que se
esperariacutea que los resultados del catalizador 5-Auγ-Al2O3-IMP bajo condiciones de
exceso fueran mejores sin embargo los autores no presentan estos resultados
Catalizadores de Oro Soportado 18
UAM-I
El catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP alcanzoacute 100 de conversioacuten a 176 degC a
condiciones de exceso de O2 (Figura 5) esta conversioacuten se mantuvo por 24 h sin
presentar indicios de desactivacioacuten (Figura 6) KRuth [12] reporta desactivacioacuten del
catalizador 10-Auγ-TiO2 a partir de 80 minutos de operacioacuten con una velocidad
espacial de 1x104 h-1 El catalizador fue preparado por deposicioacuten y contiene nano-
particulas (2-5nm) soportadas en TiO2 Sin embargo el catalizador logra 100 de
conversioacuten a 0 degC Esto es debido a que los catalizadores AuTiO2 presentan mayor
actividad a temperaturas bajas La Figura 6 muestra tambieacuten la conversioacuten reportada
por Seung-Jae[11] del catalizador 043-Auγ-Al2O3-IMP en donde la temperatura de
operacioacuten es de 25 degC sin embargo se tiene una desactivacioacuten apreciable a partir de
150 minutos de operacioacuten con una velocidad especiales de 8x10 h-1
Figura 5 Conversioacuten del CO para los catalizadores de 007-Auγ-Al2O3-IMP 10-
os resultados de conversioacuten del hidroacutegeno (Figura 7) muestran conversioacuten del 100
10 a 035 es de 20 degC
Auγ-Al2O3-IMP y de 035-Auγ-Al2O3-DP en condiciones de operacioacuten en exceso de
O2 la tasa de temperatura es de 2degC por minuto Datos Referencia [10]
L
por debajo de 150 degC con el catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP mientras que el
catalizador 007-Auγ-Al2O3-IMP logra conversioacuten completa hasta 270oC y para el
catalizador 10-Auγ-Al2O3-IMP se tiene una conversioacuten del 100 hasta 310 degC lo
cual indica que los tres catalizador son activos para ambas reacciones y que se
mantiene la tendencia observada para la oxidacioacuten de CO La disminucioacuten en T50 al
aumentar el contenido de Au de 007 a 035 es de 140oC mientras que para la de
Catalizadores de Oro Soportado 19
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado 20
Figura 6 Variacioacuten de la conversioacuten con respecto al tiempo para la muestra de DP a
una temperatura de 180 degC Datos Referencia [11]
Figura 7 Oxidacioacuten de H sobre los catalizadores 035-Au2 γ-Al2O3-DP 007-Auγ-
Al2O3-IMP y 10-Auγ-Al2O3-IMP bajo condiciones de exceso de O2
La Figura 8 muestra como varia la temperatura de encendido con la cantidad de Au
en los catalizadores preparados en este trabajo Se observa un miacutenimo para el
catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP lo cual indica que la mayor actividad se logra a bajos
contenidos de Au y tamantildeos de partiacutecula menores que 5 nm
0
20
40
60
80
0 200 400 600 800 1000Tiempo (min)
Con
vers
ioacuten
de C
O (
) 100
035-Au -Al2O3-DP (176 degC)
043-Au -Al2O3-IMP (25 degC)
0
20
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Temperatura (degC)
40
60
Con
vers
ioacuten
de H
2 (
)
80
100
10-Au -Al2O3-IMP035-Au -Al2O3-DP007- Au -Al2O3-IMP50-Au -Al2O3-IMP
UAM-I
F
o
P
o
o
re
d
F
c
C
T50 (degC)
igura 8 Variacioacuten de la te
xidacioacuten de CO con respect
or ultimo se realizaron cu
peracioacuten pero variado la
btenidos se muestran en la
accioacuten presentan una tend
e catalizador
00000
00040
00080
00120
00160
00200
0
(-rc
o)
00000
igura 9 Velocidad de reac
ondiciones en exceso de O2
atalizadores de Oro Soportado
masa Au
mperatura de encendido a 50 de conversioacuten en la
o a la cantidad de Au en el catalizador
atro corridas maacutes bajo las mismas condiciones de
masa de catalizador Las velocidades de reaccioacuten
fig9En esta figura se observa que las velocidades de
encia lineal despueacutes de los 80degC al aumentar la masa
50 100 150 200 250 300T (degC)
3 gr cat
25 gr cat
2 gr cat
15 gr cat
1 gr cat
cioacuten de CO a diferentes masas de catalizador y bajo
21
UAM-I
Se tomo una temperatura de 125 degC debido a las mediciones realizadas en
diferentes calentadores domeacutesticos Se encontroacute que la temperatura media es la
mencionada A partir de los datos experimentales se determinoacute que el orden de
reaccioacuten es 13 y la constante cineacutetica k = 480945 (m3)13[(mol)03m3cat hr] (00012
mhr) y un coeficiente de transferencia de masa de 792 mhr (ver apeacutendices A) con
estos valores y usando los criterios de Weisz-Prater y Mears[14] (ver apeacutendice B) se
obtuvo que no existe resistencia interna ni externa a la transferencia de masa por lo
que la cineacutetica es la que controla
24 CONCLUSIOacuteN DE LA EXPERIMENTACIOacuteN El meacutetodo de DP es mucho maacutes adecuado que el de IMP para la preparacioacuten de
catalizador de Au soportados en γ-Al2O3 ya que permitioacute obtener catalizadores con
cinco veces maacutes oro que el preparado por el meacutetodo IMP bajo condiciones similares
de preparacioacuten En ambos casos el tamantildeo promedio de partiacutecula fue menor que 5
nm Debido a esto el catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP presenta una mayor actividad
en la oxidacioacuten de CO e H2 sin observarse desactivacioacuten durante un periodo de 24 h
Puesto que en ambas muestras se consiguioacute una gran dispersioacuten y un tamantildeo
similar de nanopartiacuteculas de oro se tiene entonces que la principal diferencia de
actividad cataliacutetica se debe principalmente a la cantidad de Au en el catalizador Sin
embargo el catalizador 10-Auγ-Al2O3 presenta una menor conversioacuten que el de
035-Auγ-Al2O3-DP a pesar de contener maacutes Au por lo que hasta el momento se
podriacutea decir que la cantidad de Au optima se encuentra por debajo de 10 wt y por
arriba de 007 wt no obstante se requiere de la caracterizacioacuten del catalizador 10-
Auγ-Al2O3 se para determinar de que manera influyen el tamantildeo de partiacuteculas la
distribucioacuten el volumen y el tamantildeo de poro en los resultados esta caracterizacioacuten
asiacute como la evaluacioacuten cataliacutetica del catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP bajo
condiciones estequiomeacutetricas se encuentran en proceso
Catalizadores de Oro Soportado 22
UAM-I
25 BIBLIOGRAFIacuteA [1] M Haruta CatalToday 36 (1997) 153
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Pretice may Tercera edicioacuten Impresa en Meacutexico DF
Catalizadores de Oro Soportado 23
UAM-I
C A P I T U L O III
D I S E Ntilde O D E L A P L A N T A I N D U S T R I A L
Catalizadores de Oro Soportado 24
UAM-I
31 INTRODUCCIOacuteN
Este capitulo esta enfocado al disentildeo de la planta industrial donde se produciraacuten
catalizadores de Auγ-Al2O3 por el meacutetodo de Deposicioacuten-Precipitacioacuten (DP) descrito
en el capitulo 2
Parte de la produccioacuten de los catalizadores se destinaraacute a su venta en masa y otra
parte se destinaraacute para el equipo de purificacioacuten de calentadores de agua esto con
la finalidad que el catalizador que esta contenido dentro del equipo de purificacioacuten
cuando se desactive pueda remplazarse por catalizador nuevo disponible en el
mercado De esta forma se tendraacuten ganancias tanto al vender el equipo purificador
como al vender catalizador como materia prima
32 DISENtildeO DEL EQUIPO PURIFICADOR PARA CALENTADORES DE AGUA DOMEacuteSTICOS El equipo purificador se ubicaraacute a la salida del efluente gaseoso del calentador como
un equipo adicional como se muestra en la Figura 1 Se plantea colocarlo en una
posicioacuten tal que oxide a baja temperatura hasta el 90 de CO Las dimensiones del
purificador se determinaron seguacuten las especificaciones de calentador y el balance de
materia en el sistema purificador Estos caacutelculos se presentan en el Apeacutendice A
Los tubos de las chimeneas de los calentadores son de latoacuten por lo que se decidioacute
utilizar este material para la parte exterior la parte donde se colocaraacute el catalizador
es de 35 cm de longitud para colocarlo en el tubo de la salida del flujo de gas se
dieron 2 cm maacutes en cada extremo para hacer un tipo cople de manera que el tubo
entre en los extremos
Catalizadores de Oro Soportado 25
UAM-I
C O 2 2 0 c m 7 c m c m G A S C O
3
2cm
75 cm 35 cm
Figura 1 Esquematizacioacuten del equipo purificador y su ubicacioacuten en los calefones
Las dimensiones obtenidas (Apeacutendice A) y las caracteriacutesticas del purificado se
presentan en la Tabla 1
Tabla 1 Especificaciones de purificador
Material Latoacuten
Longitud 35 cm
Diaacutemetro 20cm
Cantidad de
Catalizador
700 gr
Catalizadores de Oro Soportado 26
UAM-I
33 PRODUCCIOacuteN DE LA PLANTA INDUSTRIAL A partir de un estudio de mercado se encontroacute que en la Ciudad de Meacutexico hay
cuando menos cuatro empresas principales (CALOREX ELSA MAGAMEX y
CINSA) que fabrican calentadores de agua residenciales[1 2] Estas en promedio
producen 150 calefones diarios Por cada calefoacuten se requiere un equipo purificador
En este sentido de requieren idealmente 600 unidades de purificacioacuten por diacutea Esta
base se utilizoacute para el disentildeo de la planta
A partir del balance de masa en el purificador y empleado los resultados
experimentales a nivel laboratorio (ver apeacutendice A) se encontroacute que cada purificador
requiere 07 Kg de catalizador A partir de este resultado se requiere producir al
menos 420 Kg de catalizador para satisfacer la demanda en la produccioacuten de
calefones Con base en el balance de materia realizado en el mezclador se
determinoacute que la cantidad de catalizador obtenido despueacutes de cuatro lotes es de
570 Kg Tomando el resto de catalizador como reserva por cualquier contratiempo El
nuacutemero de lotes se determinoacute en base a que fuese rentable la recuperacioacuten de oro
34 DISENtildeO Y OPERACIOacuteN DE LA PLANTA
La fabricacioacuten del catalizador a nivel industrial esta basada en el escalamiento del
meacutetodo de siacutentesis descrito en la parte experimental Lo cual es una praacutectica comuacuten
en la fabricacioacuten de materiales cataliacuteticos
Para la produccioacuten de 570 Kg por diacutea se plantea utilizar cuatro mezcladores (ver
Figura 2) que operaran durante 8 h con cuatro intervalos (o cargas) de 2 h y
descansos de 30 min (dejando 30 min libres por contratiempos) Esta operacioacuten se
elige con base en las horas de trabajo y el meacutetodo de preparacioacuten del catalizador
Al igual que en la parte experimental el proceso requiere operacioacuten por lotes debido
a que se necesitan largos tiempos de contacto para obtener catalizadores eficientes
en la oxidacioacuten de CO a baja temperatura Se pretende utilizar un agitador tipo
Catalizadores de Oro Soportado 27
UAM-I
canastilla[4] el cual permite colocar dentro de las mismas el catalizador para tener
una mejor impregnacioacuten de partiacuteculas de Au y eliminar la atricioacuten Las dimensiones
del agitador asiacute como del mezclador se presentan en la Figura 6
Al teacutermino de la uacuteltima carga en los mezcladores el lote completo del diacutea pasa al
horno para secarlo a 80degC por 2 h y calcinarlo a 400degC durante 4 h Durante estos
procesos se concluye la preparacioacuten del catalizador Las temperaturas y tasas de
calentamiento estaacuten basadas en el meacutetodo de preparacioacuten experimental descrito en
el Capitulo ll Posteriormente el catalizador producido pasa a la seccioacuten donde se
embolsa para ser vendido como materia prima y la otra parte pasa a la seccioacuten de
ensamblaje para fabricar el purificador
Dimensiones de la industria
Las dimensiones de los equipos como mezcladores cisternas tanque de
tratamiento horno etc se tomaron como base para poder suponer espacios entre
equipos para tener seguridad del personal Se dio preferencia a los mezcladores ya
que son las partes importantes en la elaboracioacuten de los catalizadores La cisterna
estaraacute enterrada para facilitar su llenado en el caso de los contenedores de HAuCl4
y NH4OH estaraacuten encima de bases maacutes altas que los mezcladores para poder
abastecerlos por gravedad Esto debido a que el volumen es poco no se requiere de
grandes cantidades por lo que no se requiere alguna bomba Se estuvo analizando
la forma de acomodar los equipos y se obtuvo la siguiente distribucioacuten que se
muestra en la Figura 3
En la Figura 4 se presenta el plano de la industria con sus respectivos
departamentos en la parte sur se encuentra la entrada principal en ella se encuentra
vigilancia y la entrada de empleados y obreros posteriormente esta la zona de
oficinas lado izquierdo del lado derecho se encuentra el estacionamiento para
clientes y empleados en el almaceacuten se encontraraacuten refacciones de equipo y
reservas de materia primas para los catalizadores en la zona de produccioacuten se tiene
el estacionamiento de proveedores para facilitar la entrada y salida del producto
Catalizadores de Oro Soportado 28
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado 29
Debido a que en cada industria debe existir un espacio recreativo se plantea una
cancha de Baacutesquetbol para los obreros y una zona de jardines en la parte norte
Ubicacioacuten de la industria
Para poder ubicar una industria es importante analizar la zona geograacutefica Para lo
cual se deben considerar algunos factores importantes por ejemplo No ubicarla en
zona de siacutesmica Si la industria requiere de un gran volumen de agua no ubicarla en
una regioacuten deseacutertica Si el producto es muy sensible al calor y la humedad evitar
zonas muy caacutelidas y huacutemedas Si se piensa vender el producto en una zona
especifica ubicar la industria cerca de la zona de venta para evitar gastos de
transportacioacuten A partir de este tipo de razonamientos se planea que debido a que el
producto que se elaborara que es un purificador cataliacutetico para su venta en la ZMVM
ya en ella estaacuten ubicadas las principales industrias de calentadores y debido a que la
planta requiere de un volumen considerable de agua se escogioacute el estado de
Morelos porque no esta muy lejos de la ZMVM y tiene reservas de agua Asiacute el gasto
de transportacioacuten de materias primas y sobre todo del producto elaborado seriacutea
pequentildeo
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
Agua
Tanque tratamien
Figur
NH4OH
HAuCl4
Produccioacuten de catalizadores
Recuperacioacuten de agua
de to
a
MezcladoresMezcladores
Cuando se requiere limpieza
Horno
Producto almaceacuten
30
1 Diagrama de produccioacuten Recuperacioacuten de cloro
UAM-I
35 BALANCE DE MATERIA DIAGRAMA DE FLUJO PARA DIFERENTES LOTES DE SOPORTE EN UN SOLO MEZCLADOR
Catalizadores de Oro So
05 Kg Au
10
0
086 Kg HAuCl4(ac)014 Kg H2O
035 Kg NO2(g)
2
35 Kg NH4(OH)(ac) (01M)
10000 Kg H2O
100 Kg Al3O
100 Kg Al2O3 (9965) 035 Kg Au (035) 025 Kg Cl2
026 Kg HauCl4(ac)35 Kg NH4(OH)
1101035 Kg H2O
O MEZCLADOR (t0)
10035 Kg catalizador
86 KgHAuCl4(ac)101035 Kg H2O
037 Kg HCl (ac) (105 M) 048 Kg HNO3(ac) (152 M)
porta
Kg N
30 Kg Al2Cl3
101021 Kg H2
do
H4 (OH) (ac) (01M) 30 Kg Al2O3 (9965) 01 Kg Au (035)
007 Kg Cl2
)
3
)
301 Kg catalizador MEZCLADOR (t1)
009 Kg HauCl4(ac)45 Kg NH4(OH)
1101035 Kg H2O
MEZCLADOR 1054 Kg catalizador
105 Kg Al2O3
(t2)
105 Kg Al2O3 (9965)
035 Kg NH4 (OH) (ac) (01M
004 Kg Au (035) 003 Kg Cl2
23 Kg Al2O
MEZCLADOR
(t3)23 Kg Al2O3 (9965)
2308 Kg catalizador
008 m3 NH4(OH) (ac) (01M
002 Kg HauCl4(ac)485 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
0008 Kg Au (035) 0006 Kg Cl2
0003 Kg HauCl4(ac)493 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
31
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado 32
DIAGRAMA DE FLUJO PARA UN MEZCLADOR
MEZCLADOR
1101035 Kg H2O
1428 kg γ-Al2O3
086 Kg HAuCl4
493 Kg NH4(OH)
0003 Kg HauCl4(ac)493 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
1433 Kg Catalizador
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
36 DIAGRAMA DE LA INDUSTRIA
INDUSTRIA DE CATALIZADORES
TANQUE DE TRATAMIENTO HORNO
CISTERNA 1
CONTENEDORDE AuCl3 CONTENEDOR DE
NH4OH ZONA DE LLENADO
DE SAPORTE
SE LLEVA AL HORNO
MANUALMENTE
PRODUCTOALMACEacuteN
Contenedor de HAuCl4
Figura 2 Diagrama de la distribucioacuten del equipo dentro del aacuterea de produccioacuten
33
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
37 DIMENSIONES DEL EQUIPO Y TUBERIacuteA
2 mts
2 mts 2 mts 6 mts 4 mts 3 mts 5mts 5 mts 3 mts 6 mts 3
3mts 3 mts 3mts 3 mts 3 mts
4 mts 1 5 mts 1 5 mts 4mts 4 7mts 4 mts 21 mts 7 2mts 26 mts 2 mts 21 mts 6 mts
3 5 mts 14 mts 6 mts 8 mts 1 5 mts 3 mts 5 mts 13 mts 8 mts 20 mts 30 mts
IN D U ST R IA D E C A T A L IZ A D O R E S
T AN Q U E D E T R AT AM IE N T O H O R N O
C IST E R N A 1
C O N T EN ED O RD E Au C l3
C O N T EN E D O R D E N H 4O H
ZO N A D E L LEN AD O D E SO PO R T E
AG UA PAR A JAR D IN ES
M E Z C L A D O R E S 12 3 y 4
1 2 3 4
A L M A C Eacute N
Contenedor de HAuCl4
Figura 3 Dimensiones del equipo y tuberiacutea requerida
34
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
38 PLANO DE DISTRIBUCIOacuteN DE AacuteREAS
Figura 4 Aacutereas de trabajo dentro de la planta
35
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
DIMENSIONES DE LA INDUSTRIA
Figura 5 Dimensiones de cada aacuterea de la planta industrial
36
UAM-I
Ingenieriacutea Quiacutemica 37
10 cm 3mts 1 mts 25 cm 15cm 5 cm 5 cm 3mts 150 mts 10 cms 100 mts 20 cm
003 mts
Figura 6 Dimensiones del mezclador y del Agitador
UAM-I
Las dimensiones de las canastillas se determinaron a partir del balance de masa y la
produccioacuten requerida La carga de un contenedor de soporte que es de 100kg del
cual el agitador tiene 4 canastillas cada una corresponde 25 Kg la masa se obtuvo
del balance de materia y su densidad 600 Kgm3 con el que se obtuvo un volumen de
0043 m3
39 ANAacuteLISIS FINANCIERO
El costo de materias primas se muestra en la Tabla 2 en la que tambieacuten se incluyen
los flujos de alimentacioacuten requeridos para el proceso a partir de los cuales se
determinaron los costos diarios
Tabla 2 Costo de materias primas [5]
Compuesto
Alimentacioacuten
por diacutea
Costo
USDKg
Costo Total
USDdiacutea
Au 2 kg 10596 2119200
HCl 15 Kg 52 780
HNO3 20 Kg 022 044
-Al2O3 5712 Kg 034 19421
Canastillas 500 piezas 15 75000
NH3(OH) 200 Kg 034 680
H2O 440414 Kg 282 282
Total de Materia Prima 2215407
El costo se determinoacute considerando la cantidad de material el tamantildeo y el costo de
manufactura
El costo se determinoacute para uso industrial conforme establece la tesoreriacutea de
Meacutexico
Ingenieriacutea Quiacutemica 38
UAM-I
PERSONAL REQUERIDO PARA LA INDUSTRIA
La Tabla 3 establece los salarios mensuales anuales y las prestaciones del IMSS
para el personal de la planta
Tabla 3 Salarios y Prestaciones del Personal
Mano de Obra (USDmes)p
ersona
USDmes USDantildeo Prestaciones
IMSS
1 Gerente 2000 2000 24000
1 Administrador 1000 1000 12000
1 Secretaria 400 400 4800 1193
Total de Salarios
Administrativos
40800 1193 409193
9 Obrero 150 150 1800 448
1 Teacutecnico 200 200 2400 597
1 Policiacutea 200 200 2400 597
1 Mantenimiento 180 180 2160 538
1 Limpieza 150 150 1800 448
Total de Salarios
Proceso
10560 2628 108228
Los salarios se determinaron en base al salario miacutenimo vigente en la Ciudad de
Meacutexico (2003)[29]
Ingenieriacutea Quiacutemica 39
UAM-I
PERSONAL
Departamento de produccioacuten
Se tendraacute 2 obreros en el llenado de soporte en las rejillas un obrero encargado del
traslado de rejillas por medio de la banda de los motores a cada contenedor un
obrero en cada contenedor de NH4OH y HAuCl4 en cada mezclador se tiene 1
obrero para descargar y cargar las rejillas a la banda que se trasladaran al horno en
el horno se tiene 1 obrero encargado del secado y calcinado el producto se traslada
al almaceacuten donde estaraacuten 2 obreros que reciben el producto y materias primas de los
proveedores se tiene 1 teacutecnico supervisando los equipos un encargo del
mantenimiento de los equipos
Departamento de personal
Gerente de la industria un administrador encargado de compra y venta de materias
primas una secretaria
Ingenieriacutea Quiacutemica 40
UAM-I
CAPITAL FIJO
La Tabla 4 muestra el costo de los equipos requeridos en la planta asiacute como el
Capital Fijo y la Inversioacuten del Capital Total
Tabla 4 El equipo se costeo usando las correlaciones de Ulrich [6] y empleando el
programa de Capcost
EQUIPO USD
4 Contenedores 23584
4 Agitadores (456kW) 269760
1 Horno (25 kW) 15700
15 Bombas (1469kW) 43081
1 Motor (114 kW) 67440
Tuberiacuteas 42150
2 Cisternas 174183
Vaacutelvulas 1283
Accesorios
(codos 90ordm y de 45ordm te)
1474
CAPITAL FIJO 638655
Capital de Trabajo 9579825
INVERSIOacuteN DE
CAPITAL TOTAL
73445325
Los caacutelculos y las correlaciones empleadas para el costeo del equipo se anexan en
el Apeacutendice A
Ingenieriacutea Quiacutemica 41
UAM-I
GASTOS GENERALES
Tabla 5 Proporciona el total de gastos anuales con lo cual se estima el precio por
kilo de catalizador y por unidad purificadora
Tabla 5 Gastos Generales anuales
USDAntildeo
Materias Primas 531697680
Mano de Obra de Operacioacuten 1082280
Mano de Obra de Oficina 4091930
Servicios Electricidad 2620100
Total de Gastos Generales 539491990
CFE
Produccioacuten diaria de Catalizador = 574 Kg
Precio de Catalizador = 40 USDKg
Produccioacuten diaria de unidades purificadoras = 500
Precio por unidad = 50USD
Ganancia diaria = 22960 USD
Ganancia Anual = 5510400 USD
DETERMINACIOacuteN DE LA RENTABILIDAD DEL PROYECTO
TPI (Actual) = 10
PR (Factor de riesgo) = 25
TREMA = TPI + PR
TREMA = 35
TIR (del proyecto) = 90
TIR gt TREMA
Puesto que la TIR es mayor que la TREMA se tiene que el proyecto es rentable [6]
Ingenieriacutea Quiacutemica 42
UAM-I
310 CONCLUSIONES
En el desarrollo de la industria para la fabricacioacuten de catalizadores se tuvo un
resultado satisfactorio a pesar de la falta de informacioacuten disponible acerca de
industrias de catalizadores debido a que esta informacioacuten no es publica El proyecto
que elaboramos es novedoso en nuestro paiacutes ya que no existen registros de una
industria que produzca catalizadores de oro soportados en aluacutemina
Durante el desarrollo del proyecto se planteoacute trabajar con compuestos como NOx y
COVS sin embargo debido a la falta de tiempo no se logroacute concluir la
experimentacioacuten en estos campos Debido a esto se tomoacute la decisioacuten de trabajar en
la oxidacioacuten cataliacutetica de CO Esto debido a varios factores por ejemplo la
disponibilidad de gases y sobre todo los costos que esto implicaba
Para el desarrollo del catalizador se analizaron diferentes tipos de preparacioacuten y se
eligieron dos meacutetodos diferentes Deposicioacuten-precipitacioacuten e Impregnacioacuten Los
catalizadores se evaluaron bajo diversas condiciones en la oxidacioacuten de CO El
catalizador que presentoacute mayor conversioacuten con el catalizador a baja temperatura fue
el sintetizado por el meacutetodo de Deposicioacuten-precipitacioacuten el cual se utilizoacute para el
disentildeo de la Industria El disentildeo estaacute basado en la forma de preparacioacuten del
catalizador Por esto la parte maacutes importante de la planta es el tanque de mezclado
el cual se disentildeo tomando en cuenta los diferentes disentildeos de agitadores para tener
un mezclado oacuteptimo Se incorporo en la parte superior del agitador las canastillas
para las pastillas cataliacuteticas y el tipo de Horno que se usara para el secado y
posteriormente el calcinado Una parte importante es la produccioacuten de catalizador
para este problema se investigoacute en que parte se podriacutea utilizar a diferencia de los
catalizadores para automoacuteviles Se llego a la decisioacuten de poder desarrollar un
catalizador para los calentadores de agua se obtuvo informacioacuten de la fabrica de
calentadores cal-o-rex en la produccioacuten diaria de calentadores y de esta informacioacuten
se pudo calcular la posible demanda de nuestro producto Una parte importante en
las industrias son el tipo de bombas ya que existen diversos modelos en nuestro
disentildeo se escogioacute las bombas centriacutefugas con rodetes para agua que contiene
pequentildeas partiacuteculas de soacutelidos
En la parte de servicios para personal se investigo los sueldos de cada empleado Se
determinoacute el costo de los equipos y finalmente llegamos a la parte que nos interesa
Ingenieriacutea Quiacutemica 43
UAM-I
del disentilde es decir si el proyecto es rentable o no En este caso particular se tuvo un
valor aceptable y se definioacute que el disentildeo es rentable Esto indica que seria una
industria que tendriacutea ganancias y a la vez que el producto que se fabrique nos
ayudaraacute a todos a reducir la emisioacuten de CO en los hogares aportando una pequentildea
ayuda al medio ambiente
COMENTARIOS
Los conocimientos adquiridos durante este tiempo fueron provechosos en la parte
teoacuterica y praacutectica aclaramos dudas de como y porque se comportan las reacciones
quiacutemicas y los procesos de flujos Durante el desarrollo del proyecto aprendimos a
observar y la importancia de entender fiacutesicamente las algunos procesos relacionados
con la siacutentesis y caracterizacioacuten de materiales cataliacuteticos
Ingenieriacutea Quiacutemica 44
UAM-I
38 BIBLIOGRAFIacuteA
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Ingenieriacutea Quiacutemica 46
UAM-I
APEacuteNDICE A
CRITERIOS PARA DETERMINAR QUIEacuteN CONTROLA EL PROCESO
Criterio de weisz para difusioacuten interna
Ec(12-16 Fogler) Los valores que se sustituyen en las siguientes ecuaciones fueron
tomados del catalizador que se analizo en el laboratorio
CWP = ( )
AS
cObsA
DeCRcr 2minus
lt 1
-rA(Obs) = velocidad de reaccioacuten observada molgcats Cc = concentracioacuten volumeacutetrica molm3
CAS = concertacioacuten en la superficie molm3
D= diaacutemetro del granulo m R = radio del granulo m De = difusividad efectiva m2s
d = 0149mm mxmm
m 4104911000
1 minus=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
CWP = ( )( )3
32
24
33
103470184200350
21049150800010681
minus
minusminus
=⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞⎜
⎝⎛
x
mmol
hrm
mxcatm
gcathgcat
molx
734x10-3 lt 1 No hay limitante por la difusioacuten interna
Ingenieriacutea Quiacutemica 47
UAM-I
Criterio de mears para difusioacuten interna Ec(12-62 Fogler)
Mm = 150ltAbc
bA
CkRnr ρminus
Mm =( )( )
0570
136000184200220
31110457508000106851
3
53
3
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ minusminus
hrs
mmol
sm
mxcatmgcat
hgcatmolx
0057 lt 015 no hay efecto de transferencia de masa externa Calculo de Dab para calcular el coeficiente de trasferencia de masa Ec(78 Lobo)
De =
KAAB DD11
1
+
DKA = 970X103 (80X10-8)(s
cmK 221 1090)
2400( =
DAB = 00018583ABAB
BA
PMMT
Ω
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ +
2
2123 11
γ
Para CO
0110=isin
Bk 0593 A=γ
Para O2
Ingenieriacutea Quiacutemica 48
UAM-I
0113=isin
Bk 0453 A=γ
( ) 51343359321
=+=ABγ
( )( )[ ] 21113110BAB k=isin A la temperatura de 400degK
( ) 583))113)(110((
40021 =
deg=
isin B
B
AB
B
KKKTK
Ω AB = 0907 Sustituyendo
DAB =s
cm2
2
2123
9730)9070()513(
)21281()400(00185830=
+
De = hrm
hrs
cmm
scm 222
03501
3600100
10980
10901
97301
1=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
+
Calculo de Kc Sh = (Re)12(Sc)13
Velocidad superficial
V = sm
shr
hrm
mxhr
m
Av
c
02036001976
1087
006025
3
0 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛== minus
Ingenieriacutea Quiacutemica 49
UAM-I
Re= ( ) 240)1062)(501(
)10491)(020(
1 25
4
=minus
=minus minus
minus
smx
mxsmvd p
νφ
Sc= 672)3600
1)(0350(
10622
25
==minus
shr
hrm
smx
Dv
AB
Sh= ( 024 )12 ( 267 )13 = 0679
Kc = Shdp
DAB⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛minusφ
φ1
Kc = ( )sm
mxs
mx02206790
10491
10729
50501
4
26
=⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛minus
minus
minus
Calculo de numero Thile con el radio que usara a nivel industrial
φ = L ( )DkCn n
AS
21 1minus+
L = 3R
Sustituyendo
φ = 66x10-4 m( )
( )
450
03502
018420
5480941311
3
30
3330
313
=
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+
catmhrm
mmol
hrcatmmolm
η = 1 con los resultados anteriores se observa que quieacuten limita es la velocidad de
reaccioacuten Por lo que se procede a calcular el peso y longitud de catalizador
necesaria para muestro purificador sustituyendo los valores del Boiler
Ingenieriacutea Quiacutemica 50
UAM-I
Peso del Catalizador w =
( ) grcatgcatLn
gcatm
mmol
hrcatmmolm
hrm
xLn
kCv
A
66476639401
1
6000001578
548094
19836
11
330
3330
313
3
0
0 asymp=minus
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
minus
g 664=w
33
3
1011
mg60000
g 664 mxwv minus===ρ
m 035003101011
2
33
==minus
mmxL
cm 531000350 == xL
Ingenieriacutea Quiacutemica 51
UAM-I
APEacuteNDICE B BALANCE DE MASA DE LA PREPARACIOacuteN DE HAUCL4 Au(g) + 3HNO3(ac) + 4HCL(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O + 3N02(g) (152 M) (105M)
cantidad de mol Au = 05 kg Au x molAu
grAumolAux
kggr 542
971961
11000
=
cantidad de kg HNO3 = ( ) 33
33 480
10001
1635423 kgHNO
grkgx
molHNOGRHNOxHNOmol =
cantidad de kgHCl = ( ) kgHClgr
kgxmolHCl
grHClHClxmol 3701000
11
5365424 =
cantidad de kgHAuCl4 = 254molHAuCl4 x 44
8601000
11
97339 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
gr=
cantidad de kgH2O = 3( 254mol)H20 x OkgHgr
kgxOmolHOgrH
22
2 1401000
1118
=
cantidad de Lt H20 = 762molHNO3 x OltHOkgHOLtH
22
2 14011
=
cantidad de Lt H20 = 1016 mol HNO3 x 050215
012
2 LtHmol
LtH=
cantidad de LtH20 = 1016mol HCl x OLtHLtHmolHCl
LtH22
2 010970510
01asymp=
cantidad de MHAUCl4 = ( ) ( ) ( ) MHltltlt
ClmolHAU 7210850490140
542
2
4 asymp++
cantidad de kg NO2(g) = 3( 254mol)NO2 x )(22
2 3501000
1146
SkgNOgr
kgxmolNO
grNO=
Ingenieriacutea Quiacutemica 52
UAM-I
05 kg Au 048 kgHNO3 035 kgNO2 101021 kgH20 (152M) 037 kgHCl(ac)
(105 m) 086 kg HAuCl4 (ac) 086 kg HAuCl4 (ac)
(17 M) 014 kgH20 (25x10-3M) 014kg H20 (L) 086kg HAuCl4 035kgNO2 (g) 101185kg H20 Cantidad de H20 = 086 kgHAuCl4
x 08510110101
105201
173341
11000
22
23
24 kgHLtHkgHx
MxltHx
grmolHAuClx
kggr
=minus
pero (101185 ndash 014 ndash 05 ndash 1) kg H20 = 101021 kg H20 100ml H20 por 1 gr soporte 35kg NH4 (OH)(AC) 10000kgH20 100 kg γAl203 (9965) 035kgAu (035) 100kg γAl203 025kgCl2 086kg HAuCl4 026kgHAuCl4
101185 kg H20 35kgNH4 (OH)(AC) 1101185kgH20 cantidad de kgHAuCl4 = 015kgAu x
44
4 2601000
11
973391
197196
147196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxgrAu
molxkg
gr=
cantidad de NH4(OH) = 100kg γ Al203 x
Ingenieriacutea Quiacutemica 53
UAM-I
kgNHxmol
grx
mlmol
xOAlgr
OHmlNHx
kg
gr53
10001
1
35
100010
1
)(10
1
1000
32
4=
γ4(OH)
30kg γAL2O3 1 kgNH4(OH)(AC) 30 kg γ Al203 (9965) 010 kg Au (035) 026kgHAuCl4 007kg Cl2 35kgNH4(OH) 1101185 kgH2O 0086kgHAuCl4 45 kg NH4(OH)(AC) 1101185 kg H20
cantidad de γ Al2O3 = 026kgHAuCl4 x 324
32 02330860
100 AlkgkgHAuCl
OAlkg γγ=
cantidad de kgAu = 035 x kgAukg 10506599
30=
cantidad de kg Cl2 = 01 kgAu x
22
2 07201000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de HAuCl4 = 005kgAu x
44
4 08601000
11
973391
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 54
UAM-I
cantidad de kgNO4(OH) = 30 kg γ Al203 x ( )OHkgNHAlkg
OHkgNO4
32
4 0510100
)(53=
γ
105 kg γ Al203 035 kg NH2(OH) 105 kg γ Al203 (9965) 004 kg Au (035) 009kg HAuCl4 003 kg Cl2 45kgNH4(OH) 1101185 kg H20 0017kgHAuCl4 485kgNH4 (OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 009 HAuCl4 x 324
32 04710860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad kg de NH4 (OH) = 105kg γ Al203 x ( ) )(3500100
534
32
4 OHkgNHAlkg
OHkgNH=
γ
cantidad de Cl2 = 004 kg Au x
22
2 02901000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
gAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 =
44
44 02001701000
11
973391
197196
11
1000010 kgHAukgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgr
molAuxkg
grkgAux asymp=
Ingenieriacutea Quiacutemica 55
UAM-I
23 kg γ Al203 008kgNH4(OH) 002 kg HAuCl4 23 kg γAl203 (9965) 485kgNH4(OH) 0008kgAu(035) 1101185kg H2 0001kg Cl2
0014 kg HAuCl4 493kgNH4(OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 002kgHAuCl4 x 324
32 032860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad de kg Au = 035 x kgAukg 00806599
32=
cantidad de kgCl2 = 0002kgAu x
24
4 00101000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 = 0008kgAu x
44
44 01401000
11
973341
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 56
UAM-I
APEacuteNDICE C ACCESORIOS EN EL DISENtildeO
Agitador
Agitadores de Heacutelice se escogioacute este tipo de agitador por ser tener las siguientes
caracteriacutesticas [3]
bull Es un agitador de flujo axial
bull Se emplea para liacutequidos pocos viscosos
bull Giran a toda la velocidad del motor
bull Las corrientes de flujo se mueven a traveacutes del liacutequido en una direccioacuten
determinada hasta que son desviadas por el fondo o las paredes del tanque
bull Las palas de la heacutelice cortan o friccionan vigorosamente el liacutequido
bull Los agitadores de heacutelice son eficaces para tanques de gran tamantildeo
Horno
bull El horno se escogioacute por ser tener las siguientes caracteriacutesticas [5]
bull El horno de construccioacuten metaacutelica
bull La caacutemara de combustioacuten estaacute construida mediante hormigones refractarios
de alta resistencia mecaacutenica
bull Las materias secar y calcinar se carga de forma manual
Ingenieriacutea Quiacutemica 57
UAM-I
Bomba
DISENtildeO Bomba centrifuga para operacioacuten horizontal o vertical del impulsor
cerrado succioacuten al extremo descarga hacia arriba tangencial simple succioacuten de un
paso con carcaza partida verticalmente [3]
ROTACIOacuteN En el sentido del reloj vista desde el cople
CARACTERIacuteSTICAS Conexiones brindadas con registro ubicado en la cabeza de
succioacuten para facilitar su limpieza
SERVICIO Debido a que es posible colocarla en posicioacuten horizontal o vertical tanto
en caacutercamos secos como huacutemedos y por el disentildeo de su impulsor que soacutelidos de
gran tamantildeo esta bomba es ideal para los procesos de tratamientos de agua y
manejo de liacutequidos en suspensioacuten en general
CAPACIDADES
GASTO Hasta 3000 GPM
CDT Hasta 80rsquo
PRESIOacuteN 106 Kgcmsup2
POTENCIA De 1 a 60 Hp
VELOCIDAD (1175 - 3550 RPM)
TEMPERATURA 125degC
Ingenieriacutea Quiacutemica 58
UAM-I
Bombas Centriacutefugas
Las maquinas centriacutefugas estaacuten constituidas por un impulsor o rodete formado por
una serie de aletas radiales diversas formas y curvaturas que giran dentro de una
caja circular El fluido penetra por el ojo o eje de rotacioacuten y se descarga maacutes o
menos radialmente en una caacutemara perifeacuterica a una elevada presioacuten que
corresponde a la suma de la fuerza centriacutefuga de la rotacioacuten maacutes la cineacutetica
comunicada al fluido por las aletas La parte moacutevil de la bomba es el rodete Las
aletas del rodete se extienden desde el centro de rotacioacuten hacia la periferia y las
bridas son los discos de refuerzo a cada lado de las aletas que las envuelven Las
aletas pueden ser radiales curvadas ligeramente hacia delante en el mismo sentido
de la rotacioacuten o estar curvadas al reveacutes en el caso maacutes comuacuten en el disentildeo se
determino el rodete siguiente por sus caracteriacutesticas Fig 1
Figura 1 Corte parcial de un rodete de centriacutefuga para grandes cargas y secciones
de paso estrechas empleando con liacutequidos corrosivos o suspensiones de pequentildeas
partiacuteculas[4]
Ingenieriacutea Quiacutemica 59
UAM-I
APENDICE D CALCULO DE POTENCIA DE BOMBAS (8)
Potencia de la bomba de la cisterna 1 que alimenta a los mezclador 4
Ecuacioacuten de Bernoulli
sum sumint =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛+++∆+∆i i
i
P
P
evvfDLvwdphgv 0
21
21
ˆ1
21 222
2
1ρ
a b c d e f
a Diferencia de velocidades
b Diferencia de alturas
c Diferencia de presiones
d Trabajo
e Perdidas de friccioacuten en tuberiacuteas
f Perdidas de friccioacuten en accesorios
En la ecuacioacuten anterior se pueden eliminar algunos teacuterminos
21 mts
6 mts 35 mts
Figura 1 Balance de cisterna 1 a mezclador 4
Se debe de tener dos puntos de referencia para la utilizacioacuten de la ecuacioacuten de
Bernoulli de los cuales se anotaron en la figura 2
Ingenieriacutea Quiacutemica 60
UAM-I
21 mts
2 1 6 mts 35 mts
Figura 2
Teniendo los puntos de referencia se analiza que las diferencias de velocidades son
cero en ambos puntos por lo tanto el termino 2
21 ν∆ es igual a cero
El termino de = (981hg∆ 2segm )(35m ndash 0) = 34335 2
2
segm
El termino de int2
1
1P
P
dpρ
se tiene que la cisterna y el tanque de mezclado ambos no
estaacuten cerrados y por lo tanto no originan un cambio de presioacuten y el termino es cero
De esta expresioacuten L longitud de tuberiacutea
tro de tuberiacutea
n el interior del tubo
v
Para la l radio del tubo que
sum ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
i
fDL2
21 ν
D diaacuteme
f perdidas de friccioacuten e
velocidad del flujo de agua
obtencioacuten de la velocidad se tiene el flujo volumeacutetrico y e
es de 32 cm =0032mts con la ecuacioacuten
Ingenieriacutea Quiacutemica 61
( )( ) sm
ms
m
RQ 761
032060min1)
min340(
2
3
2 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
==ππ
ν
UAM-I
Se reportan valores de perdida de fr
e reduce teacuterminos
iccioacuten en tubos que son igual a 005
Por lo tanto sustituyendo los teacuterminos en la ecuacioacuten de Bernoulli s
sum sumint =⎟⎠
⎜⎝
+⎟⎠
⎜⎝
+++∆+∆i i
iP
evvfD
vwdphgv 022
ˆ2
1ρ
⎞⎛⎞⎛ L 111 2222
or tanto el termino de trabajo queda expresado de la siguiente manera
tanto la bomba comunica al fluido que circula en el sistema un trabajo
+11727
P1
p w
sum sum ∆minus⎟⎠⎞
⎜⎝⎛minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛minus=
i ii
hgevvfDLvw 22
21
21
ˆ
( ) ( )
Este es el trabajo ( por unidad de masa) producido por el fluido en la bomba por lo
22
sm o 11727 981 = 1195
m
fKg
Kgm
La velocidad de flujo de masa es
Por lo tanto
1 )=6694
951)(675(ˆ =minus=minus WwW smkg f = 088Hp = 1Hp
Siendo esta ida para esta bomba El procedimiento anterior se
iguioacute para cada bomba de la planta
AP E
la potencia requer
s
EacuteNDICE
TOXICOLOGIacuteA DE MATERIAS PRIMAS [6]
( ) ( ) ( )( ) ( )( )msm
smmmm
sm 538192201150761
21050
032021536761
21
2
22minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ +minus⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ++
minus=wm
22
27117ˆ smw minus=
( )s
kgmkgQw m675100060340 3 === ρ
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UAM-I
HIDROacuteXIDO DE SODIO
Polvo corrosivo blanco delicuescente
Toxicidad
Concentracioacuten Maacutexima permisible 2mgm3 en aire
Signos y Siacutentomas Conjutivitis quemaduras corneales y de la piel Irritacioacuten
seas vomito dolor abdominal y diarrea a veces con
Lavado de las partes afectadas tranquilizantes sulfato de
decuada gafas protectoras o pantallas para
ignos y Siacutentomas Irritacioacuten de ojos quemaduras corneables tos dolores
l hemoptisis dolor de cabeza dolor epigaacutestrico nauseas y vomito
lmonar
Tratamiento lavado de ojos con agua reposo oxigeno con aparato de respiracioacuten
con onantes
ACIDO NITRICO
Liquido corrosivo sofocante de incoloro a amarillento
ioacuten maacutexima permisible 10ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
del tracto respiratorio nau
sangre
Tratamiento
morfina para el dolor y cortisona
Medidas preventivas Ventilacioacuten a
la cara completa mascarilla con filtro mecaacutenico guantes delantares botas de
goma y acentuar la limpieza personal
CLORO
Gas pasado amarillo verdoso
Toxicidad
Conc Maacutexima permisible 1 ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten
S
retrosterna
debilidad cianosis y edema pu
trolada bronco dilatadores y descongesti
Toxicidad
Concentrac
Ingenieriacutea Quiacutemica 63
UAM-I
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
Signos y siacutentomas Erosioacuten dental estornudo tos Dolor en el pecho bronquitis y
la las partes contaminadas del cuerpo con solucioacuten al 5 de
de las quemaduras con pantildeos
de triacuteo sulfato soacutelido si se a ingerido
vado de ojos con agua
ACIDO CLORIDRICO
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
ivitis necrosis corneal por inhalacioacuten rinitis erosioacuten
dolor de cabeza palpitacioacuten por ingestioacuten
s en la boca faringe esoacutefago estomago salivacioacuten vomito Soc
agua lavada de agua y jaboacuten de las partes
preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
AacuteC
El c
con o de hidroacutegeno una
concentracioacuten de 12 molLt Este aacutecido es un liacutequido incoloro con un olor aacutecido
bronconeumoniacutea
Tratamiento
bicarbonato soacutelido o con agua y jaboacuten Tratamiento
mojados con solucioacuten saturada
administracioacuten por viacutea oral de solucioacuten de jaboacuten Hidroacutexido caacutelcico o alumiacutenico u
oacutexido de magnesio
Medidas preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores excluir de la exposicioacuten
a los individuos con enfermedades de pulmones y rintildeones
Gas incoloro o liacutequido o a amarillento
Toxicidad
Concentracioacuten maacutexima permisible 5ppm en aire
Signos y siacutentomas conjunt
dental laringitis bronquitis neumoniacutea
quemadura
nefritis
Tratamiento lavado de ojos con
contaminantes del cuerpo tratamiento ordinario de quemaduras lavado gaacutestrico
se a ingerido con solucioacuten de bicarbonato soacutedico al 5 seguido de una instilacioacuten
de gel de hidroacutexido de aluminio
Medidas
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores
IDO CLORHIacuteDRICO
loruro de hidroacutegeno es en extremo soluble en agua de hecho el aacutecido clorhiacutedrico
centrado contiene cerca del 38 en masa de clorur
Ingenieriacutea Quiacutemica 64
UAM-I
pronunciado que se debe al equilibrio entre el cloruro de hidroacutegeno gaseoso y
ste con el aacutecido fluorhiacutedrico el aacutecido clorhiacutedrico es un aacutecido fuerte (pKa = -
7) y se ioniza casi totalmente
gar de aacutecido sulfuacuterico auque en menor grado Por
jemplo el zinc metaacutelico reacciona con aacutecido clorhiacutedrico para dar el ion zinc e
hidroacutegeno gaseoso
Zn(s) + 2HCl(ac) ZnCl2(ac) + H2(g)
l para producir aacutecido clorhiacutedrico en el laboratorio es generar
cloruro de hidroacutegen e sodio y el aacutecido
ulfuacuterico En el primer paso a 150degC se forma hidroacutegeno sulfato de sodio
NaHSO4(s) + HCl(g)
io y maacutes
loruro de hidroacutegeno gaseoso Luego el gas se disuelve en agua para formar el
aacutecido
NaHSO4(s) + NaCl(s) Na2SO4(s) + HCl(g)
acuoso
HCl(ac) HCl(g)
El reactivo de grado teacutecnico a menudo tiene un color amarillento por una impureza
del ion hierro (III)
En contra
HCl(ac) + H2O(l) H2O+(ac) + Cl -(ac)
Por ello a menudo se prefiere usar aacutecido clorhiacutedrico diluido en lugar de aacutecido niacutetrico
que es muy oxidante y en lu
e
Cuando el zinc reacciona con el aacutecido niacutetrico es comuacuten que se reduzca una parte
del ion nitrato para dar dioacutexido de nitroacutegeno
El meacutetodo tradiciona
o gaseoso por la reaccioacuten entre el cloruro d
s
NaCl(s) + H2SO4(l)
La mezcla se calienta a 550degC temperatura a la cual el hidroacutegeno sulfato de sodio
reacciona con un exceso de cloruro de sodio para formar sulfato de sod
c
∆
Este meacutetodo se usa tambieacuten en la industria otra forma de producir cloruro de
hidroacutegeno es por la combinacioacuten directa de dicloro y dihidroacutegenogaseosos
Ingenieriacutea Quiacutemica 65
UAM-I
H2(g) + Cl2(g) 2HCl(g)
La mayor cantidad de cloruro de hidroacutegeno que se produce actualmente es un
CH4(g) + 4Cl2(g) 4(l) + 4HCl(g)
riacuten de superficies de acero en un bantildeo aacutecido en la purificacioacuten de glucosa
y jarabe de maiacutez e s y de gas y en la
bricacioacuten de compuestos clorados El aacutecido se puedo comprar en muchas
nducida por la luz
4HNO3(ac) 4NO2(g) + O2(g) + 2H2O(l)
niacutetrico como disolvente)
H2NO3+ H2O + NO2
+
l siguiente
3HNO NO3 ndash
subproducto de otros procesos industriales como la siacutentesis de tetracloruro de
carbono
CCl
Se consumen cerca de 107 toneladas de aacutecido clorhiacutedrico cada antildeo en todo el
mundo Este aacutecido tiene una gama muy amplia de usos como aacutecido comuacuten para
eliminar o
n el tratamiento con aacutecido de pozos petrolero
fa
ferreteriacuteas con el arcaico nombre de aacutecido muriaacutetico sus principales usos caseros
son la limpieza de superficies de concreto y la eliminacioacuten de herrumbre Un nuacutemero
muy reducido de personas es incapaz de sintetizar suficiente jugo gaacutestrico y deben
de ingerir caacutepsulas de aacutecido clorhiacutedrico diluido con cada comida
AacuteCIDO NIacuteTRICO
El aacutecido niacutetrico un liacutequido aceitoso e incoloro en estado puro es sumamente
peligroso El aacutecido que funde a ndash42degC y hierve a +83degC tiene por lo general un
ligero color amarillo a causa de una reaccioacuten de descomposicioacuten i
En un estado puro el aacutecido niacutetrico liacutequido praacutecticamente no conduce la electricidad
Una pequentildea porcioacuten se ioniza como sigue (todas estas especies existen en el aacutecido
2HNO3(l) H2NO3+ + NO3
ndash
H2O + HNO3 H3O+ + NO3 ndash
Para dar la reaccioacuten globa
3 NO2+ + H3O + 2+
Ingenieriacutea Quiacutemica 66
UAM-I
El catioacuten nitrilo es importante en la nitracioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas por ejemplo la
obenceno C6H5NO2 una etapa importante en
umerosos procesos industriales orgaacutenicos
El aacutecido niacutetrico con en agua mientras
ue el ldquoaacutecido niacutetrico fumanterdquo un oxidante extremadamente poderoso es una
vez de ello se produce una mezcla de
sistema que da un orden de
vista industrial el
oceso
e lleva a cabo en tres etapas Primero se hace pasar una mezcla de amoniaco y de
dioxiacutegeno (o aire) un proceso muy
ficiente y exoteacutermico que hace que la malla se ponga al rojo Esta etapa se verifica
conversioacuten de benceno C6H6 en nitr
n
centrado es en realidad una solucioacuten al 70
q
solucioacuten roja de dioacutexido de nitroacutegeno en aacutecido niacutetrico puro Incluso cuando esta
diluido el aacutecido niacutetrico es un oxidante tan fuerte que rara vez desprende hidroacutegeno
cuando se pone en contacto con metales en
oacutexidos de nitroacutegeno y el metal se oxido a su catioacuten
Los enlaces O-N son mucho maacutes cortos (121 pm) que el enlace O-N unidos al aacutetomo
de hidroacutegeno (141 pm) Esta longitud de enlaces indica que hay enlaces muacuteltiples
entre el nitroacutegeno y los dos aacutetomos de oxiacutegeno terminales Ademas de los electrones
del sistema σ hay cuatro electrones que participan en el sistema π O-N-O dos de un
orbital enlazante y dos en un orbital no enlazante
enlace de 112 para cada uno de esos enlaces nitroacutegeno- oxiacutegeno
A veces se nos olvida hasta queacute punto nuestra experiencia depende de la
termodinaacutemica y la cineacutetica Por ejemplo la primera siacutentesis industrial de aacutecido
niacutetrico se llevaba ha cabo por simple combinacioacuten de diniacutetrogeno dioxiacutegeno y agua
utilizando un horno de arco eleacutectrico a fin de proporcionar la energiacutea necesaria par
superar la muy elevada barrera cineacutetica Aunque desde el punto de
factor cineacutetico constituiacutea un problema en realidad es una bendicioacuten por que sin esta
barrera cineacutetica hace mucho tiempo que todo el dioacutexido de la atmoacutesfera se abriacutea
transformado en aacutecido niacutetrico y nuestros mares serian de aacutecido niacutetrico diluido
frac12 N2(g) + 54O2(g) + 12H2O(g) HNO3(g)
Ahora se utiliza el proceso Ostwald para la siacutentesis de aacutecido niacutetrico Este proceso
consume gran parte del amoniaco que se produce por el proceso Haber El pr
s
a traveacutes de una malla de platino metaacutelico Eacuteste es
e
a baja presioacuten para aprovechar el efecto entropico es decir la formacioacuten de 10
moles de gas a partir de 9 moles de gas (una aplicacioacuten del principio de Le Chatelier)
para desplazar el equilibrio a la derecha
Ingenieriacutea Quiacutemica 67
UAM-I
4NH3(g) + 5O2(g) 4NO(g) + 6H2O(g)
Se agrega maacutes oxiacutegeno para oxidar el monoacutexido de nitroacutegeno a dioacutexido de nitroacutegeno
A fin de mejorar el rendimiento de esta reaccioacuten exoteacutermica se extrae calor de los
ases y la mezcla se somete a presioacuten
2HNO3(l) + NO(g)
Esta reaccioacuten tambieacuten es exoteacutermica y una vez maacutes se aplica enfriamiento y alta
la
egunda etapa para oxidarlo de nuevo
La contaminacioacuten s de aacutecido niacutetrico
as plantas maacutes antiguas eran faacutecilmente identificables por la fumarola cafeacute-
antas maacutes antiguas ahora mezcla cantidades
en Estados Unidos porque un 20
dedica ala produccioacuten de explosivos
or ultimo el aacutecido niacutetrico es un liacutequido que hierve a 826degC No existe como liacutequido
g
2NO(g) + O2(g) 2NO2(g)
El dioacutexido de nitroacutegeno se mezcla con agua para dar una solucioacuten de aacutecido niacutetrico
3NO2(g) + H2O(l)
presioacuten par obtener el maacuteximo rendimiento El monoacutexido de nitroacutegeno se vuelve a
s
soliacutea ser un problema importante de las planta
L
amarillento del dioacutexido de nitroacutegeno que escapaba por ellas Las plantas maacutes
antiguas eran faacutecilmente identificable por la fumadora cafeacute-amarillo del dioacutexido de
nitroacutegeno que escapaba de ellas Las pl
estequiomeacutetricas de amoniaco con las oacutexidos de nitroacutegeno con lo cual se obtiene
dinitroacutegeno y vapor de agua ambos inocuos
NO(g) + NO2 (g) + 2NH3(g) 2N2(g) + 3H2O(g)
En todo el mundo alrededor del 80 del aacutecido niacutetrico se utiliza en la produccioacuten de
fertilizantes Esta proporcioacuten es de solo el 65
se
P
puro porque en alguna medida se descompone espontaacuteneamente como sigue
4HNO3(l) 4NO2(g) + 2H2O(l) + O2(g)
Ingenieriacutea Quiacutemica 68
UAM-I
El aacutecido niacutetrico concentrado que se usa en el laboratorio estaacute al 68 en masa HNO3
(densidad 142 gcm3) lo que corresponde a 157 M
l aacutecido niacutetrico es un poderoso agente oxidante El nuacutemero de oxidacioacuten del N en el
) El aacutecido niacutetrico puede oxidar
nto a metales que estaacuten abajo del hidroacutegeno como aquellos que se encuentran
4Zn2+(ac) + NH4
+(ac) + 3H2O(l)
do no oxida al oro Sin embargo cuando se mezcla con
cido clorhiacutedrico concentrado en relacioacuten 13 en volumen (una parte de HNO3 a tres
partes al oro
omo sigue
APEacuteNDICE F
ETODO DE DEPOSICIOacuteN-PRECIPITACIOacuteN
E
HNO3 es + 5 Los productos maacutes comunes de la reduccioacuten del aacutecido niacutetrico son el
NO2 (N = + 4) el NO (N = + 2) y el NH4+ (N = - 3
ta
arriba en la serie de actividades Por ejemplo el cobre es oxidado por el aacutecido niacutetrico
concentrado como se mencionoacute antes
En presencia de reductores fuertes como el zinc metaacutelico el aacutecido niacutetrico se puede
reducir hasta ion amonio
4Zn(s) + 10H+(ac) + NO3
-(ac)
El aacutecido niacutetrico concentra
aacute
de HCl) la disolucioacuten resultante denominada agua regia puede oxidar
c
Au(s) + 3HNO3(ac) + 4HCl(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O(l) + 3NO2(g)
M
Ingenieriacutea Quiacutemica 69
UAM-I
APEacuteNDICE G
ISENtildeO DEL MEZCLADOR [4]
1) 100 ml H2O gr soporte
2) NH4(OH)
Ajustar a PH = 9 4) HAuCl4 (solucioacuten acuosa al 25E-3M)
6) Filtrado o centrifugado
3) En Agitacioacuten por 2 hr
8) Secado por 2hr a 80 degC
9 ) Calcinado por 4hr a 400 degC
7) Lavado
5) Antildeegamiento por 30 min
D
Ingenieriacutea Quiacutemica 70
UAM-I
El disentildeo de un tanque agitado dis n nuacutemero de elecciones sobre el
po y localizacioacuten del agitador las proporciones del tanque el nuacutemero y dimensiones
ada una de estas decisiones afectan a la velocidad
e circulacioacuten del liacutequido los modelos de velocidad y el consumo de potencia Como
pone de un gra
ti
de las placas deflectoras etc C
d
punto de partida en el disentildeo de los problemas ordinarios de agitacioacuten generalmente
se utiliza un agitador de turbina del tipo que se muestra en la figura 1 La proporcioacuten
tiacutepica es
31
=t
a
DD
1=tD
H 121
=tD
J 51
=aD
W 41
=aD
L
de estas ecuaciones se disentildeara el mezclador como datos se tiene el valor H que es
igual a 3 mts y el diaacutemetro del tanque D
Se determinara la medida de los reflectores
t que es igual 3 mts
121
=tD
J se despeja J
elacioacuten R31
=t
a
DD
se despeja Da
Relacioacuten
41
=aD
L se despeja L
elacioacuten se despeja W
( ) ( ) cmmtsmtsDJ 25250311==⎟
⎞⎜⎛=⎟
⎞⎜⎛= t 1212 ⎠⎝⎠⎝
( ) ( ) mtsmtsDD ta 1331
31
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=
( ) ( ) mtsmtsDL a 250141
41
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛= cm25=
51
=aD
WR
Ingenieriacutea Quiacutemica 71
UAM-I
Figura 2 a) Vista transversal del mezclador b) paletas del mezclador con la
donde se deposita el soporte
Figura 1 Medidas de un agitador de turbina
a) b)
s rejillas
H
J
E L
Da
D t
W
W
( ) ( ) cmmtsmtsDW a 2020151
5==⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎜⎝
=1 ⎞⎛
Ingenieriacutea Quiacutemica 72
UAM-I
dispersioacuten del Au contenido en cada uno de los catalizadores Sin embargo para el
caso de que se tuviese mayor cantidad de Au el difractograma podriacutea presentar un
pico alrededor de los 38deg en 2θ el cual indicariacutea la presencia de Au A partir de esta
sentildeal y la ecuacioacuten de Scherrer algunos autores han calculado el tamantildeo promedio
de las partiacuteculas de oro en catalizadores soportados
Microscopia Electroacutenica Transmisioacuten (MET) En la Figura 4 se presentan las
casos los
imaacutegenes de MET para la γ-Al2O3 y los catalizadores 035-Auγ-Al2O3-DP y 007-Auγ-
Al2O3-IMP En ambos catalizadores el tamantildeo de partiacutecula se encuentra es mayor
que 2 nm pero menor o igual que 5 nm En ambos casos los resultados indican que
las partiacuteculas de oro estaacuten dispersadas de manera uniforme en el soporte
Se encuentra es mayor que 2 nm pero menor o igual que 5 nm En ambos
resultados indican que las partiacuteculas de oro estaacuten dispersadas de manera uniforme
en el soporte
Figura 3 Patrones de Difraccioacuten de Rayos X de los catalizadores Auγ-Al2O3
Catalizadores de Oro Soportado 16
UAM-I
Figura 4 Imaacutegenes de MET para (a) γ-Al2O3 (b) 035-Auγ-Al2O3-DP y (c) 007-Auγ-
Al2O3-IMP
Catalizadores de Oro Soportado 17
UAM-I
Se sabe que la alta actividad cataliacutetica del oro esta relacionada con su tamantildeo esto
quiere decir que entre maacutes pequentildeas sean las partiacuteculas mayor actividad tendraacuten
nes estequiomeacutetricas el catalizador 007-Auγ-Al2O3-
P no mostroacute actividad para la oxidacioacuten de CO e H2 sin embargo al operar la
por lo tanto de las imaacutegenes anteriores se tiene que el meacutetodo DP es el maacutes
adecuado por lograr depositar mayor cantidad de Au con gran dispersioacuten y un
tamantildeo de partiacuteculas pequentildeo
Actividad Cataliacutetica A condicio
IM
misma muestra con un exceso de O2 la actividad inicioacute a partir de 140oC alcanzando
una conversioacuten maacutexima de 8748 a 400 degC (Figura 5) En vista de este uacuteltimo
resultado se decidioacute evaluar el catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP a las mismas
condiciones de exceso de O2 En este caso la actividad cataliacutetica inicioacute por debajo de
los 30oC incrementaacutendose casi linealmente con la temperatura hasta lograr una
conversioacuten maacutexima de 9367 a 127degC La diferencia en actividad entre ambos
catalizadores es notable Auacuten a muy bajos contenidos de Au el catalizador 007-Auγ-
Al2O3-IMP presenta una actividad importante sin embargo al aumentar cinco veces
este contenido (035) y manteniendo el tamantildeo de partiacutecula es posible disminuir la
temperatura de encendido calculada como la temperatura a la cual se logra el 50
de conversioacuten (T50) en 175oC Un uacuteltimo estudio fue la evaluacioacuten del catalizador
10-Auγ-Al2O3-IMP el cual presenta una T50 de 290 degC(ver Figura 5) la cual es 40 degC
mayor que el catalizador 007-Auγ-Al2O3-IMP auacuten cuando el contenido de Au es
mayor La Figura 5 muestra tambieacuten la comparacioacuten de estos resultados con
trabajos anteriores[10] en los que utilizan el catalizador 5-Auγ-Al2O3-IMP a
condiciones estequiomeacutetrica en este caso T50 es de 215 degC tan solo 35 degC de
diferencia en comparacioacuten con el catalizador 007-Auγ-Al2O3-IMP La diferencia en el
contenido de Au es 15 veces menor En general al trabajar en condiciones en exceso
de O2 se tiene una mayor conversioacuten a una menor temperatura por lo que se
esperariacutea que los resultados del catalizador 5-Auγ-Al2O3-IMP bajo condiciones de
exceso fueran mejores sin embargo los autores no presentan estos resultados
Catalizadores de Oro Soportado 18
UAM-I
El catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP alcanzoacute 100 de conversioacuten a 176 degC a
condiciones de exceso de O2 (Figura 5) esta conversioacuten se mantuvo por 24 h sin
presentar indicios de desactivacioacuten (Figura 6) KRuth [12] reporta desactivacioacuten del
catalizador 10-Auγ-TiO2 a partir de 80 minutos de operacioacuten con una velocidad
espacial de 1x104 h-1 El catalizador fue preparado por deposicioacuten y contiene nano-
particulas (2-5nm) soportadas en TiO2 Sin embargo el catalizador logra 100 de
conversioacuten a 0 degC Esto es debido a que los catalizadores AuTiO2 presentan mayor
actividad a temperaturas bajas La Figura 6 muestra tambieacuten la conversioacuten reportada
por Seung-Jae[11] del catalizador 043-Auγ-Al2O3-IMP en donde la temperatura de
operacioacuten es de 25 degC sin embargo se tiene una desactivacioacuten apreciable a partir de
150 minutos de operacioacuten con una velocidad especiales de 8x10 h-1
Figura 5 Conversioacuten del CO para los catalizadores de 007-Auγ-Al2O3-IMP 10-
os resultados de conversioacuten del hidroacutegeno (Figura 7) muestran conversioacuten del 100
10 a 035 es de 20 degC
Auγ-Al2O3-IMP y de 035-Auγ-Al2O3-DP en condiciones de operacioacuten en exceso de
O2 la tasa de temperatura es de 2degC por minuto Datos Referencia [10]
L
por debajo de 150 degC con el catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP mientras que el
catalizador 007-Auγ-Al2O3-IMP logra conversioacuten completa hasta 270oC y para el
catalizador 10-Auγ-Al2O3-IMP se tiene una conversioacuten del 100 hasta 310 degC lo
cual indica que los tres catalizador son activos para ambas reacciones y que se
mantiene la tendencia observada para la oxidacioacuten de CO La disminucioacuten en T50 al
aumentar el contenido de Au de 007 a 035 es de 140oC mientras que para la de
Catalizadores de Oro Soportado 19
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado 20
Figura 6 Variacioacuten de la conversioacuten con respecto al tiempo para la muestra de DP a
una temperatura de 180 degC Datos Referencia [11]
Figura 7 Oxidacioacuten de H sobre los catalizadores 035-Au2 γ-Al2O3-DP 007-Auγ-
Al2O3-IMP y 10-Auγ-Al2O3-IMP bajo condiciones de exceso de O2
La Figura 8 muestra como varia la temperatura de encendido con la cantidad de Au
en los catalizadores preparados en este trabajo Se observa un miacutenimo para el
catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP lo cual indica que la mayor actividad se logra a bajos
contenidos de Au y tamantildeos de partiacutecula menores que 5 nm
0
20
40
60
80
0 200 400 600 800 1000Tiempo (min)
Con
vers
ioacuten
de C
O (
) 100
035-Au -Al2O3-DP (176 degC)
043-Au -Al2O3-IMP (25 degC)
0
20
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Temperatura (degC)
40
60
Con
vers
ioacuten
de H
2 (
)
80
100
10-Au -Al2O3-IMP035-Au -Al2O3-DP007- Au -Al2O3-IMP50-Au -Al2O3-IMP
UAM-I
F
o
P
o
o
re
d
F
c
C
T50 (degC)
igura 8 Variacioacuten de la te
xidacioacuten de CO con respect
or ultimo se realizaron cu
peracioacuten pero variado la
btenidos se muestran en la
accioacuten presentan una tend
e catalizador
00000
00040
00080
00120
00160
00200
0
(-rc
o)
00000
igura 9 Velocidad de reac
ondiciones en exceso de O2
atalizadores de Oro Soportado
masa Au
mperatura de encendido a 50 de conversioacuten en la
o a la cantidad de Au en el catalizador
atro corridas maacutes bajo las mismas condiciones de
masa de catalizador Las velocidades de reaccioacuten
fig9En esta figura se observa que las velocidades de
encia lineal despueacutes de los 80degC al aumentar la masa
50 100 150 200 250 300T (degC)
3 gr cat
25 gr cat
2 gr cat
15 gr cat
1 gr cat
cioacuten de CO a diferentes masas de catalizador y bajo
21
UAM-I
Se tomo una temperatura de 125 degC debido a las mediciones realizadas en
diferentes calentadores domeacutesticos Se encontroacute que la temperatura media es la
mencionada A partir de los datos experimentales se determinoacute que el orden de
reaccioacuten es 13 y la constante cineacutetica k = 480945 (m3)13[(mol)03m3cat hr] (00012
mhr) y un coeficiente de transferencia de masa de 792 mhr (ver apeacutendices A) con
estos valores y usando los criterios de Weisz-Prater y Mears[14] (ver apeacutendice B) se
obtuvo que no existe resistencia interna ni externa a la transferencia de masa por lo
que la cineacutetica es la que controla
24 CONCLUSIOacuteN DE LA EXPERIMENTACIOacuteN El meacutetodo de DP es mucho maacutes adecuado que el de IMP para la preparacioacuten de
catalizador de Au soportados en γ-Al2O3 ya que permitioacute obtener catalizadores con
cinco veces maacutes oro que el preparado por el meacutetodo IMP bajo condiciones similares
de preparacioacuten En ambos casos el tamantildeo promedio de partiacutecula fue menor que 5
nm Debido a esto el catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP presenta una mayor actividad
en la oxidacioacuten de CO e H2 sin observarse desactivacioacuten durante un periodo de 24 h
Puesto que en ambas muestras se consiguioacute una gran dispersioacuten y un tamantildeo
similar de nanopartiacuteculas de oro se tiene entonces que la principal diferencia de
actividad cataliacutetica se debe principalmente a la cantidad de Au en el catalizador Sin
embargo el catalizador 10-Auγ-Al2O3 presenta una menor conversioacuten que el de
035-Auγ-Al2O3-DP a pesar de contener maacutes Au por lo que hasta el momento se
podriacutea decir que la cantidad de Au optima se encuentra por debajo de 10 wt y por
arriba de 007 wt no obstante se requiere de la caracterizacioacuten del catalizador 10-
Auγ-Al2O3 se para determinar de que manera influyen el tamantildeo de partiacuteculas la
distribucioacuten el volumen y el tamantildeo de poro en los resultados esta caracterizacioacuten
asiacute como la evaluacioacuten cataliacutetica del catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP bajo
condiciones estequiomeacutetricas se encuentran en proceso
Catalizadores de Oro Soportado 22
UAM-I
25 BIBLIOGRAFIacuteA [1] M Haruta CatalToday 36 (1997) 153
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Pretice may Tercera edicioacuten Impresa en Meacutexico DF
Catalizadores de Oro Soportado 23
UAM-I
C A P I T U L O III
D I S E Ntilde O D E L A P L A N T A I N D U S T R I A L
Catalizadores de Oro Soportado 24
UAM-I
31 INTRODUCCIOacuteN
Este capitulo esta enfocado al disentildeo de la planta industrial donde se produciraacuten
catalizadores de Auγ-Al2O3 por el meacutetodo de Deposicioacuten-Precipitacioacuten (DP) descrito
en el capitulo 2
Parte de la produccioacuten de los catalizadores se destinaraacute a su venta en masa y otra
parte se destinaraacute para el equipo de purificacioacuten de calentadores de agua esto con
la finalidad que el catalizador que esta contenido dentro del equipo de purificacioacuten
cuando se desactive pueda remplazarse por catalizador nuevo disponible en el
mercado De esta forma se tendraacuten ganancias tanto al vender el equipo purificador
como al vender catalizador como materia prima
32 DISENtildeO DEL EQUIPO PURIFICADOR PARA CALENTADORES DE AGUA DOMEacuteSTICOS El equipo purificador se ubicaraacute a la salida del efluente gaseoso del calentador como
un equipo adicional como se muestra en la Figura 1 Se plantea colocarlo en una
posicioacuten tal que oxide a baja temperatura hasta el 90 de CO Las dimensiones del
purificador se determinaron seguacuten las especificaciones de calentador y el balance de
materia en el sistema purificador Estos caacutelculos se presentan en el Apeacutendice A
Los tubos de las chimeneas de los calentadores son de latoacuten por lo que se decidioacute
utilizar este material para la parte exterior la parte donde se colocaraacute el catalizador
es de 35 cm de longitud para colocarlo en el tubo de la salida del flujo de gas se
dieron 2 cm maacutes en cada extremo para hacer un tipo cople de manera que el tubo
entre en los extremos
Catalizadores de Oro Soportado 25
UAM-I
C O 2 2 0 c m 7 c m c m G A S C O
3
2cm
75 cm 35 cm
Figura 1 Esquematizacioacuten del equipo purificador y su ubicacioacuten en los calefones
Las dimensiones obtenidas (Apeacutendice A) y las caracteriacutesticas del purificado se
presentan en la Tabla 1
Tabla 1 Especificaciones de purificador
Material Latoacuten
Longitud 35 cm
Diaacutemetro 20cm
Cantidad de
Catalizador
700 gr
Catalizadores de Oro Soportado 26
UAM-I
33 PRODUCCIOacuteN DE LA PLANTA INDUSTRIAL A partir de un estudio de mercado se encontroacute que en la Ciudad de Meacutexico hay
cuando menos cuatro empresas principales (CALOREX ELSA MAGAMEX y
CINSA) que fabrican calentadores de agua residenciales[1 2] Estas en promedio
producen 150 calefones diarios Por cada calefoacuten se requiere un equipo purificador
En este sentido de requieren idealmente 600 unidades de purificacioacuten por diacutea Esta
base se utilizoacute para el disentildeo de la planta
A partir del balance de masa en el purificador y empleado los resultados
experimentales a nivel laboratorio (ver apeacutendice A) se encontroacute que cada purificador
requiere 07 Kg de catalizador A partir de este resultado se requiere producir al
menos 420 Kg de catalizador para satisfacer la demanda en la produccioacuten de
calefones Con base en el balance de materia realizado en el mezclador se
determinoacute que la cantidad de catalizador obtenido despueacutes de cuatro lotes es de
570 Kg Tomando el resto de catalizador como reserva por cualquier contratiempo El
nuacutemero de lotes se determinoacute en base a que fuese rentable la recuperacioacuten de oro
34 DISENtildeO Y OPERACIOacuteN DE LA PLANTA
La fabricacioacuten del catalizador a nivel industrial esta basada en el escalamiento del
meacutetodo de siacutentesis descrito en la parte experimental Lo cual es una praacutectica comuacuten
en la fabricacioacuten de materiales cataliacuteticos
Para la produccioacuten de 570 Kg por diacutea se plantea utilizar cuatro mezcladores (ver
Figura 2) que operaran durante 8 h con cuatro intervalos (o cargas) de 2 h y
descansos de 30 min (dejando 30 min libres por contratiempos) Esta operacioacuten se
elige con base en las horas de trabajo y el meacutetodo de preparacioacuten del catalizador
Al igual que en la parte experimental el proceso requiere operacioacuten por lotes debido
a que se necesitan largos tiempos de contacto para obtener catalizadores eficientes
en la oxidacioacuten de CO a baja temperatura Se pretende utilizar un agitador tipo
Catalizadores de Oro Soportado 27
UAM-I
canastilla[4] el cual permite colocar dentro de las mismas el catalizador para tener
una mejor impregnacioacuten de partiacuteculas de Au y eliminar la atricioacuten Las dimensiones
del agitador asiacute como del mezclador se presentan en la Figura 6
Al teacutermino de la uacuteltima carga en los mezcladores el lote completo del diacutea pasa al
horno para secarlo a 80degC por 2 h y calcinarlo a 400degC durante 4 h Durante estos
procesos se concluye la preparacioacuten del catalizador Las temperaturas y tasas de
calentamiento estaacuten basadas en el meacutetodo de preparacioacuten experimental descrito en
el Capitulo ll Posteriormente el catalizador producido pasa a la seccioacuten donde se
embolsa para ser vendido como materia prima y la otra parte pasa a la seccioacuten de
ensamblaje para fabricar el purificador
Dimensiones de la industria
Las dimensiones de los equipos como mezcladores cisternas tanque de
tratamiento horno etc se tomaron como base para poder suponer espacios entre
equipos para tener seguridad del personal Se dio preferencia a los mezcladores ya
que son las partes importantes en la elaboracioacuten de los catalizadores La cisterna
estaraacute enterrada para facilitar su llenado en el caso de los contenedores de HAuCl4
y NH4OH estaraacuten encima de bases maacutes altas que los mezcladores para poder
abastecerlos por gravedad Esto debido a que el volumen es poco no se requiere de
grandes cantidades por lo que no se requiere alguna bomba Se estuvo analizando
la forma de acomodar los equipos y se obtuvo la siguiente distribucioacuten que se
muestra en la Figura 3
En la Figura 4 se presenta el plano de la industria con sus respectivos
departamentos en la parte sur se encuentra la entrada principal en ella se encuentra
vigilancia y la entrada de empleados y obreros posteriormente esta la zona de
oficinas lado izquierdo del lado derecho se encuentra el estacionamiento para
clientes y empleados en el almaceacuten se encontraraacuten refacciones de equipo y
reservas de materia primas para los catalizadores en la zona de produccioacuten se tiene
el estacionamiento de proveedores para facilitar la entrada y salida del producto
Catalizadores de Oro Soportado 28
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado 29
Debido a que en cada industria debe existir un espacio recreativo se plantea una
cancha de Baacutesquetbol para los obreros y una zona de jardines en la parte norte
Ubicacioacuten de la industria
Para poder ubicar una industria es importante analizar la zona geograacutefica Para lo
cual se deben considerar algunos factores importantes por ejemplo No ubicarla en
zona de siacutesmica Si la industria requiere de un gran volumen de agua no ubicarla en
una regioacuten deseacutertica Si el producto es muy sensible al calor y la humedad evitar
zonas muy caacutelidas y huacutemedas Si se piensa vender el producto en una zona
especifica ubicar la industria cerca de la zona de venta para evitar gastos de
transportacioacuten A partir de este tipo de razonamientos se planea que debido a que el
producto que se elaborara que es un purificador cataliacutetico para su venta en la ZMVM
ya en ella estaacuten ubicadas las principales industrias de calentadores y debido a que la
planta requiere de un volumen considerable de agua se escogioacute el estado de
Morelos porque no esta muy lejos de la ZMVM y tiene reservas de agua Asiacute el gasto
de transportacioacuten de materias primas y sobre todo del producto elaborado seriacutea
pequentildeo
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
Agua
Tanque tratamien
Figur
NH4OH
HAuCl4
Produccioacuten de catalizadores
Recuperacioacuten de agua
de to
a
MezcladoresMezcladores
Cuando se requiere limpieza
Horno
Producto almaceacuten
30
1 Diagrama de produccioacuten Recuperacioacuten de cloro
UAM-I
35 BALANCE DE MATERIA DIAGRAMA DE FLUJO PARA DIFERENTES LOTES DE SOPORTE EN UN SOLO MEZCLADOR
Catalizadores de Oro So
05 Kg Au
10
0
086 Kg HAuCl4(ac)014 Kg H2O
035 Kg NO2(g)
2
35 Kg NH4(OH)(ac) (01M)
10000 Kg H2O
100 Kg Al3O
100 Kg Al2O3 (9965) 035 Kg Au (035) 025 Kg Cl2
026 Kg HauCl4(ac)35 Kg NH4(OH)
1101035 Kg H2O
O MEZCLADOR (t0)
10035 Kg catalizador
86 KgHAuCl4(ac)101035 Kg H2O
037 Kg HCl (ac) (105 M) 048 Kg HNO3(ac) (152 M)
porta
Kg N
30 Kg Al2Cl3
101021 Kg H2
do
H4 (OH) (ac) (01M) 30 Kg Al2O3 (9965) 01 Kg Au (035)
007 Kg Cl2
)
3
)
301 Kg catalizador MEZCLADOR (t1)
009 Kg HauCl4(ac)45 Kg NH4(OH)
1101035 Kg H2O
MEZCLADOR 1054 Kg catalizador
105 Kg Al2O3
(t2)
105 Kg Al2O3 (9965)
035 Kg NH4 (OH) (ac) (01M
004 Kg Au (035) 003 Kg Cl2
23 Kg Al2O
MEZCLADOR
(t3)23 Kg Al2O3 (9965)
2308 Kg catalizador
008 m3 NH4(OH) (ac) (01M
002 Kg HauCl4(ac)485 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
0008 Kg Au (035) 0006 Kg Cl2
0003 Kg HauCl4(ac)493 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
31
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado 32
DIAGRAMA DE FLUJO PARA UN MEZCLADOR
MEZCLADOR
1101035 Kg H2O
1428 kg γ-Al2O3
086 Kg HAuCl4
493 Kg NH4(OH)
0003 Kg HauCl4(ac)493 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
1433 Kg Catalizador
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
36 DIAGRAMA DE LA INDUSTRIA
INDUSTRIA DE CATALIZADORES
TANQUE DE TRATAMIENTO HORNO
CISTERNA 1
CONTENEDORDE AuCl3 CONTENEDOR DE
NH4OH ZONA DE LLENADO
DE SAPORTE
SE LLEVA AL HORNO
MANUALMENTE
PRODUCTOALMACEacuteN
Contenedor de HAuCl4
Figura 2 Diagrama de la distribucioacuten del equipo dentro del aacuterea de produccioacuten
33
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
37 DIMENSIONES DEL EQUIPO Y TUBERIacuteA
2 mts
2 mts 2 mts 6 mts 4 mts 3 mts 5mts 5 mts 3 mts 6 mts 3
3mts 3 mts 3mts 3 mts 3 mts
4 mts 1 5 mts 1 5 mts 4mts 4 7mts 4 mts 21 mts 7 2mts 26 mts 2 mts 21 mts 6 mts
3 5 mts 14 mts 6 mts 8 mts 1 5 mts 3 mts 5 mts 13 mts 8 mts 20 mts 30 mts
IN D U ST R IA D E C A T A L IZ A D O R E S
T AN Q U E D E T R AT AM IE N T O H O R N O
C IST E R N A 1
C O N T EN ED O RD E Au C l3
C O N T EN E D O R D E N H 4O H
ZO N A D E L LEN AD O D E SO PO R T E
AG UA PAR A JAR D IN ES
M E Z C L A D O R E S 12 3 y 4
1 2 3 4
A L M A C Eacute N
Contenedor de HAuCl4
Figura 3 Dimensiones del equipo y tuberiacutea requerida
34
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
38 PLANO DE DISTRIBUCIOacuteN DE AacuteREAS
Figura 4 Aacutereas de trabajo dentro de la planta
35
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
DIMENSIONES DE LA INDUSTRIA
Figura 5 Dimensiones de cada aacuterea de la planta industrial
36
UAM-I
Ingenieriacutea Quiacutemica 37
10 cm 3mts 1 mts 25 cm 15cm 5 cm 5 cm 3mts 150 mts 10 cms 100 mts 20 cm
003 mts
Figura 6 Dimensiones del mezclador y del Agitador
UAM-I
Las dimensiones de las canastillas se determinaron a partir del balance de masa y la
produccioacuten requerida La carga de un contenedor de soporte que es de 100kg del
cual el agitador tiene 4 canastillas cada una corresponde 25 Kg la masa se obtuvo
del balance de materia y su densidad 600 Kgm3 con el que se obtuvo un volumen de
0043 m3
39 ANAacuteLISIS FINANCIERO
El costo de materias primas se muestra en la Tabla 2 en la que tambieacuten se incluyen
los flujos de alimentacioacuten requeridos para el proceso a partir de los cuales se
determinaron los costos diarios
Tabla 2 Costo de materias primas [5]
Compuesto
Alimentacioacuten
por diacutea
Costo
USDKg
Costo Total
USDdiacutea
Au 2 kg 10596 2119200
HCl 15 Kg 52 780
HNO3 20 Kg 022 044
-Al2O3 5712 Kg 034 19421
Canastillas 500 piezas 15 75000
NH3(OH) 200 Kg 034 680
H2O 440414 Kg 282 282
Total de Materia Prima 2215407
El costo se determinoacute considerando la cantidad de material el tamantildeo y el costo de
manufactura
El costo se determinoacute para uso industrial conforme establece la tesoreriacutea de
Meacutexico
Ingenieriacutea Quiacutemica 38
UAM-I
PERSONAL REQUERIDO PARA LA INDUSTRIA
La Tabla 3 establece los salarios mensuales anuales y las prestaciones del IMSS
para el personal de la planta
Tabla 3 Salarios y Prestaciones del Personal
Mano de Obra (USDmes)p
ersona
USDmes USDantildeo Prestaciones
IMSS
1 Gerente 2000 2000 24000
1 Administrador 1000 1000 12000
1 Secretaria 400 400 4800 1193
Total de Salarios
Administrativos
40800 1193 409193
9 Obrero 150 150 1800 448
1 Teacutecnico 200 200 2400 597
1 Policiacutea 200 200 2400 597
1 Mantenimiento 180 180 2160 538
1 Limpieza 150 150 1800 448
Total de Salarios
Proceso
10560 2628 108228
Los salarios se determinaron en base al salario miacutenimo vigente en la Ciudad de
Meacutexico (2003)[29]
Ingenieriacutea Quiacutemica 39
UAM-I
PERSONAL
Departamento de produccioacuten
Se tendraacute 2 obreros en el llenado de soporte en las rejillas un obrero encargado del
traslado de rejillas por medio de la banda de los motores a cada contenedor un
obrero en cada contenedor de NH4OH y HAuCl4 en cada mezclador se tiene 1
obrero para descargar y cargar las rejillas a la banda que se trasladaran al horno en
el horno se tiene 1 obrero encargado del secado y calcinado el producto se traslada
al almaceacuten donde estaraacuten 2 obreros que reciben el producto y materias primas de los
proveedores se tiene 1 teacutecnico supervisando los equipos un encargo del
mantenimiento de los equipos
Departamento de personal
Gerente de la industria un administrador encargado de compra y venta de materias
primas una secretaria
Ingenieriacutea Quiacutemica 40
UAM-I
CAPITAL FIJO
La Tabla 4 muestra el costo de los equipos requeridos en la planta asiacute como el
Capital Fijo y la Inversioacuten del Capital Total
Tabla 4 El equipo se costeo usando las correlaciones de Ulrich [6] y empleando el
programa de Capcost
EQUIPO USD
4 Contenedores 23584
4 Agitadores (456kW) 269760
1 Horno (25 kW) 15700
15 Bombas (1469kW) 43081
1 Motor (114 kW) 67440
Tuberiacuteas 42150
2 Cisternas 174183
Vaacutelvulas 1283
Accesorios
(codos 90ordm y de 45ordm te)
1474
CAPITAL FIJO 638655
Capital de Trabajo 9579825
INVERSIOacuteN DE
CAPITAL TOTAL
73445325
Los caacutelculos y las correlaciones empleadas para el costeo del equipo se anexan en
el Apeacutendice A
Ingenieriacutea Quiacutemica 41
UAM-I
GASTOS GENERALES
Tabla 5 Proporciona el total de gastos anuales con lo cual se estima el precio por
kilo de catalizador y por unidad purificadora
Tabla 5 Gastos Generales anuales
USDAntildeo
Materias Primas 531697680
Mano de Obra de Operacioacuten 1082280
Mano de Obra de Oficina 4091930
Servicios Electricidad 2620100
Total de Gastos Generales 539491990
CFE
Produccioacuten diaria de Catalizador = 574 Kg
Precio de Catalizador = 40 USDKg
Produccioacuten diaria de unidades purificadoras = 500
Precio por unidad = 50USD
Ganancia diaria = 22960 USD
Ganancia Anual = 5510400 USD
DETERMINACIOacuteN DE LA RENTABILIDAD DEL PROYECTO
TPI (Actual) = 10
PR (Factor de riesgo) = 25
TREMA = TPI + PR
TREMA = 35
TIR (del proyecto) = 90
TIR gt TREMA
Puesto que la TIR es mayor que la TREMA se tiene que el proyecto es rentable [6]
Ingenieriacutea Quiacutemica 42
UAM-I
310 CONCLUSIONES
En el desarrollo de la industria para la fabricacioacuten de catalizadores se tuvo un
resultado satisfactorio a pesar de la falta de informacioacuten disponible acerca de
industrias de catalizadores debido a que esta informacioacuten no es publica El proyecto
que elaboramos es novedoso en nuestro paiacutes ya que no existen registros de una
industria que produzca catalizadores de oro soportados en aluacutemina
Durante el desarrollo del proyecto se planteoacute trabajar con compuestos como NOx y
COVS sin embargo debido a la falta de tiempo no se logroacute concluir la
experimentacioacuten en estos campos Debido a esto se tomoacute la decisioacuten de trabajar en
la oxidacioacuten cataliacutetica de CO Esto debido a varios factores por ejemplo la
disponibilidad de gases y sobre todo los costos que esto implicaba
Para el desarrollo del catalizador se analizaron diferentes tipos de preparacioacuten y se
eligieron dos meacutetodos diferentes Deposicioacuten-precipitacioacuten e Impregnacioacuten Los
catalizadores se evaluaron bajo diversas condiciones en la oxidacioacuten de CO El
catalizador que presentoacute mayor conversioacuten con el catalizador a baja temperatura fue
el sintetizado por el meacutetodo de Deposicioacuten-precipitacioacuten el cual se utilizoacute para el
disentildeo de la Industria El disentildeo estaacute basado en la forma de preparacioacuten del
catalizador Por esto la parte maacutes importante de la planta es el tanque de mezclado
el cual se disentildeo tomando en cuenta los diferentes disentildeos de agitadores para tener
un mezclado oacuteptimo Se incorporo en la parte superior del agitador las canastillas
para las pastillas cataliacuteticas y el tipo de Horno que se usara para el secado y
posteriormente el calcinado Una parte importante es la produccioacuten de catalizador
para este problema se investigoacute en que parte se podriacutea utilizar a diferencia de los
catalizadores para automoacuteviles Se llego a la decisioacuten de poder desarrollar un
catalizador para los calentadores de agua se obtuvo informacioacuten de la fabrica de
calentadores cal-o-rex en la produccioacuten diaria de calentadores y de esta informacioacuten
se pudo calcular la posible demanda de nuestro producto Una parte importante en
las industrias son el tipo de bombas ya que existen diversos modelos en nuestro
disentildeo se escogioacute las bombas centriacutefugas con rodetes para agua que contiene
pequentildeas partiacuteculas de soacutelidos
En la parte de servicios para personal se investigo los sueldos de cada empleado Se
determinoacute el costo de los equipos y finalmente llegamos a la parte que nos interesa
Ingenieriacutea Quiacutemica 43
UAM-I
del disentilde es decir si el proyecto es rentable o no En este caso particular se tuvo un
valor aceptable y se definioacute que el disentildeo es rentable Esto indica que seria una
industria que tendriacutea ganancias y a la vez que el producto que se fabrique nos
ayudaraacute a todos a reducir la emisioacuten de CO en los hogares aportando una pequentildea
ayuda al medio ambiente
COMENTARIOS
Los conocimientos adquiridos durante este tiempo fueron provechosos en la parte
teoacuterica y praacutectica aclaramos dudas de como y porque se comportan las reacciones
quiacutemicas y los procesos de flujos Durante el desarrollo del proyecto aprendimos a
observar y la importancia de entender fiacutesicamente las algunos procesos relacionados
con la siacutentesis y caracterizacioacuten de materiales cataliacuteticos
Ingenieriacutea Quiacutemica 44
UAM-I
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UAM-I
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[29] Secretaria de Trabajo y Previsioacuten Social Comisioacuten de Salarios Miacutenimos
Ingenieriacutea Quiacutemica 46
UAM-I
APEacuteNDICE A
CRITERIOS PARA DETERMINAR QUIEacuteN CONTROLA EL PROCESO
Criterio de weisz para difusioacuten interna
Ec(12-16 Fogler) Los valores que se sustituyen en las siguientes ecuaciones fueron
tomados del catalizador que se analizo en el laboratorio
CWP = ( )
AS
cObsA
DeCRcr 2minus
lt 1
-rA(Obs) = velocidad de reaccioacuten observada molgcats Cc = concentracioacuten volumeacutetrica molm3
CAS = concertacioacuten en la superficie molm3
D= diaacutemetro del granulo m R = radio del granulo m De = difusividad efectiva m2s
d = 0149mm mxmm
m 4104911000
1 minus=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
CWP = ( )( )3
32
24
33
103470184200350
21049150800010681
minus
minusminus
=⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞⎜
⎝⎛
x
mmol
hrm
mxcatm
gcathgcat
molx
734x10-3 lt 1 No hay limitante por la difusioacuten interna
Ingenieriacutea Quiacutemica 47
UAM-I
Criterio de mears para difusioacuten interna Ec(12-62 Fogler)
Mm = 150ltAbc
bA
CkRnr ρminus
Mm =( )( )
0570
136000184200220
31110457508000106851
3
53
3
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ minusminus
hrs
mmol
sm
mxcatmgcat
hgcatmolx
0057 lt 015 no hay efecto de transferencia de masa externa Calculo de Dab para calcular el coeficiente de trasferencia de masa Ec(78 Lobo)
De =
KAAB DD11
1
+
DKA = 970X103 (80X10-8)(s
cmK 221 1090)
2400( =
DAB = 00018583ABAB
BA
PMMT
Ω
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ +
2
2123 11
γ
Para CO
0110=isin
Bk 0593 A=γ
Para O2
Ingenieriacutea Quiacutemica 48
UAM-I
0113=isin
Bk 0453 A=γ
( ) 51343359321
=+=ABγ
( )( )[ ] 21113110BAB k=isin A la temperatura de 400degK
( ) 583))113)(110((
40021 =
deg=
isin B
B
AB
B
KKKTK
Ω AB = 0907 Sustituyendo
DAB =s
cm2
2
2123
9730)9070()513(
)21281()400(00185830=
+
De = hrm
hrs
cmm
scm 222
03501
3600100
10980
10901
97301
1=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
+
Calculo de Kc Sh = (Re)12(Sc)13
Velocidad superficial
V = sm
shr
hrm
mxhr
m
Av
c
02036001976
1087
006025
3
0 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛== minus
Ingenieriacutea Quiacutemica 49
UAM-I
Re= ( ) 240)1062)(501(
)10491)(020(
1 25
4
=minus
=minus minus
minus
smx
mxsmvd p
νφ
Sc= 672)3600
1)(0350(
10622
25
==minus
shr
hrm
smx
Dv
AB
Sh= ( 024 )12 ( 267 )13 = 0679
Kc = Shdp
DAB⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛minusφ
φ1
Kc = ( )sm
mxs
mx02206790
10491
10729
50501
4
26
=⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛minus
minus
minus
Calculo de numero Thile con el radio que usara a nivel industrial
φ = L ( )DkCn n
AS
21 1minus+
L = 3R
Sustituyendo
φ = 66x10-4 m( )
( )
450
03502
018420
5480941311
3
30
3330
313
=
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+
catmhrm
mmol
hrcatmmolm
η = 1 con los resultados anteriores se observa que quieacuten limita es la velocidad de
reaccioacuten Por lo que se procede a calcular el peso y longitud de catalizador
necesaria para muestro purificador sustituyendo los valores del Boiler
Ingenieriacutea Quiacutemica 50
UAM-I
Peso del Catalizador w =
( ) grcatgcatLn
gcatm
mmol
hrcatmmolm
hrm
xLn
kCv
A
66476639401
1
6000001578
548094
19836
11
330
3330
313
3
0
0 asymp=minus
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
minus
g 664=w
33
3
1011
mg60000
g 664 mxwv minus===ρ
m 035003101011
2
33
==minus
mmxL
cm 531000350 == xL
Ingenieriacutea Quiacutemica 51
UAM-I
APEacuteNDICE B BALANCE DE MASA DE LA PREPARACIOacuteN DE HAUCL4 Au(g) + 3HNO3(ac) + 4HCL(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O + 3N02(g) (152 M) (105M)
cantidad de mol Au = 05 kg Au x molAu
grAumolAux
kggr 542
971961
11000
=
cantidad de kg HNO3 = ( ) 33
33 480
10001
1635423 kgHNO
grkgx
molHNOGRHNOxHNOmol =
cantidad de kgHCl = ( ) kgHClgr
kgxmolHCl
grHClHClxmol 3701000
11
5365424 =
cantidad de kgHAuCl4 = 254molHAuCl4 x 44
8601000
11
97339 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
gr=
cantidad de kgH2O = 3( 254mol)H20 x OkgHgr
kgxOmolHOgrH
22
2 1401000
1118
=
cantidad de Lt H20 = 762molHNO3 x OltHOkgHOLtH
22
2 14011
=
cantidad de Lt H20 = 1016 mol HNO3 x 050215
012
2 LtHmol
LtH=
cantidad de LtH20 = 1016mol HCl x OLtHLtHmolHCl
LtH22
2 010970510
01asymp=
cantidad de MHAUCl4 = ( ) ( ) ( ) MHltltlt
ClmolHAU 7210850490140
542
2
4 asymp++
cantidad de kg NO2(g) = 3( 254mol)NO2 x )(22
2 3501000
1146
SkgNOgr
kgxmolNO
grNO=
Ingenieriacutea Quiacutemica 52
UAM-I
05 kg Au 048 kgHNO3 035 kgNO2 101021 kgH20 (152M) 037 kgHCl(ac)
(105 m) 086 kg HAuCl4 (ac) 086 kg HAuCl4 (ac)
(17 M) 014 kgH20 (25x10-3M) 014kg H20 (L) 086kg HAuCl4 035kgNO2 (g) 101185kg H20 Cantidad de H20 = 086 kgHAuCl4
x 08510110101
105201
173341
11000
22
23
24 kgHLtHkgHx
MxltHx
grmolHAuClx
kggr
=minus
pero (101185 ndash 014 ndash 05 ndash 1) kg H20 = 101021 kg H20 100ml H20 por 1 gr soporte 35kg NH4 (OH)(AC) 10000kgH20 100 kg γAl203 (9965) 035kgAu (035) 100kg γAl203 025kgCl2 086kg HAuCl4 026kgHAuCl4
101185 kg H20 35kgNH4 (OH)(AC) 1101185kgH20 cantidad de kgHAuCl4 = 015kgAu x
44
4 2601000
11
973391
197196
147196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxgrAu
molxkg
gr=
cantidad de NH4(OH) = 100kg γ Al203 x
Ingenieriacutea Quiacutemica 53
UAM-I
kgNHxmol
grx
mlmol
xOAlgr
OHmlNHx
kg
gr53
10001
1
35
100010
1
)(10
1
1000
32
4=
γ4(OH)
30kg γAL2O3 1 kgNH4(OH)(AC) 30 kg γ Al203 (9965) 010 kg Au (035) 026kgHAuCl4 007kg Cl2 35kgNH4(OH) 1101185 kgH2O 0086kgHAuCl4 45 kg NH4(OH)(AC) 1101185 kg H20
cantidad de γ Al2O3 = 026kgHAuCl4 x 324
32 02330860
100 AlkgkgHAuCl
OAlkg γγ=
cantidad de kgAu = 035 x kgAukg 10506599
30=
cantidad de kg Cl2 = 01 kgAu x
22
2 07201000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de HAuCl4 = 005kgAu x
44
4 08601000
11
973391
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 54
UAM-I
cantidad de kgNO4(OH) = 30 kg γ Al203 x ( )OHkgNHAlkg
OHkgNO4
32
4 0510100
)(53=
γ
105 kg γ Al203 035 kg NH2(OH) 105 kg γ Al203 (9965) 004 kg Au (035) 009kg HAuCl4 003 kg Cl2 45kgNH4(OH) 1101185 kg H20 0017kgHAuCl4 485kgNH4 (OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 009 HAuCl4 x 324
32 04710860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad kg de NH4 (OH) = 105kg γ Al203 x ( ) )(3500100
534
32
4 OHkgNHAlkg
OHkgNH=
γ
cantidad de Cl2 = 004 kg Au x
22
2 02901000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
gAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 =
44
44 02001701000
11
973391
197196
11
1000010 kgHAukgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgr
molAuxkg
grkgAux asymp=
Ingenieriacutea Quiacutemica 55
UAM-I
23 kg γ Al203 008kgNH4(OH) 002 kg HAuCl4 23 kg γAl203 (9965) 485kgNH4(OH) 0008kgAu(035) 1101185kg H2 0001kg Cl2
0014 kg HAuCl4 493kgNH4(OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 002kgHAuCl4 x 324
32 032860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad de kg Au = 035 x kgAukg 00806599
32=
cantidad de kgCl2 = 0002kgAu x
24
4 00101000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 = 0008kgAu x
44
44 01401000
11
973341
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 56
UAM-I
APEacuteNDICE C ACCESORIOS EN EL DISENtildeO
Agitador
Agitadores de Heacutelice se escogioacute este tipo de agitador por ser tener las siguientes
caracteriacutesticas [3]
bull Es un agitador de flujo axial
bull Se emplea para liacutequidos pocos viscosos
bull Giran a toda la velocidad del motor
bull Las corrientes de flujo se mueven a traveacutes del liacutequido en una direccioacuten
determinada hasta que son desviadas por el fondo o las paredes del tanque
bull Las palas de la heacutelice cortan o friccionan vigorosamente el liacutequido
bull Los agitadores de heacutelice son eficaces para tanques de gran tamantildeo
Horno
bull El horno se escogioacute por ser tener las siguientes caracteriacutesticas [5]
bull El horno de construccioacuten metaacutelica
bull La caacutemara de combustioacuten estaacute construida mediante hormigones refractarios
de alta resistencia mecaacutenica
bull Las materias secar y calcinar se carga de forma manual
Ingenieriacutea Quiacutemica 57
UAM-I
Bomba
DISENtildeO Bomba centrifuga para operacioacuten horizontal o vertical del impulsor
cerrado succioacuten al extremo descarga hacia arriba tangencial simple succioacuten de un
paso con carcaza partida verticalmente [3]
ROTACIOacuteN En el sentido del reloj vista desde el cople
CARACTERIacuteSTICAS Conexiones brindadas con registro ubicado en la cabeza de
succioacuten para facilitar su limpieza
SERVICIO Debido a que es posible colocarla en posicioacuten horizontal o vertical tanto
en caacutercamos secos como huacutemedos y por el disentildeo de su impulsor que soacutelidos de
gran tamantildeo esta bomba es ideal para los procesos de tratamientos de agua y
manejo de liacutequidos en suspensioacuten en general
CAPACIDADES
GASTO Hasta 3000 GPM
CDT Hasta 80rsquo
PRESIOacuteN 106 Kgcmsup2
POTENCIA De 1 a 60 Hp
VELOCIDAD (1175 - 3550 RPM)
TEMPERATURA 125degC
Ingenieriacutea Quiacutemica 58
UAM-I
Bombas Centriacutefugas
Las maquinas centriacutefugas estaacuten constituidas por un impulsor o rodete formado por
una serie de aletas radiales diversas formas y curvaturas que giran dentro de una
caja circular El fluido penetra por el ojo o eje de rotacioacuten y se descarga maacutes o
menos radialmente en una caacutemara perifeacuterica a una elevada presioacuten que
corresponde a la suma de la fuerza centriacutefuga de la rotacioacuten maacutes la cineacutetica
comunicada al fluido por las aletas La parte moacutevil de la bomba es el rodete Las
aletas del rodete se extienden desde el centro de rotacioacuten hacia la periferia y las
bridas son los discos de refuerzo a cada lado de las aletas que las envuelven Las
aletas pueden ser radiales curvadas ligeramente hacia delante en el mismo sentido
de la rotacioacuten o estar curvadas al reveacutes en el caso maacutes comuacuten en el disentildeo se
determino el rodete siguiente por sus caracteriacutesticas Fig 1
Figura 1 Corte parcial de un rodete de centriacutefuga para grandes cargas y secciones
de paso estrechas empleando con liacutequidos corrosivos o suspensiones de pequentildeas
partiacuteculas[4]
Ingenieriacutea Quiacutemica 59
UAM-I
APENDICE D CALCULO DE POTENCIA DE BOMBAS (8)
Potencia de la bomba de la cisterna 1 que alimenta a los mezclador 4
Ecuacioacuten de Bernoulli
sum sumint =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛+++∆+∆i i
i
P
P
evvfDLvwdphgv 0
21
21
ˆ1
21 222
2
1ρ
a b c d e f
a Diferencia de velocidades
b Diferencia de alturas
c Diferencia de presiones
d Trabajo
e Perdidas de friccioacuten en tuberiacuteas
f Perdidas de friccioacuten en accesorios
En la ecuacioacuten anterior se pueden eliminar algunos teacuterminos
21 mts
6 mts 35 mts
Figura 1 Balance de cisterna 1 a mezclador 4
Se debe de tener dos puntos de referencia para la utilizacioacuten de la ecuacioacuten de
Bernoulli de los cuales se anotaron en la figura 2
Ingenieriacutea Quiacutemica 60
UAM-I
21 mts
2 1 6 mts 35 mts
Figura 2
Teniendo los puntos de referencia se analiza que las diferencias de velocidades son
cero en ambos puntos por lo tanto el termino 2
21 ν∆ es igual a cero
El termino de = (981hg∆ 2segm )(35m ndash 0) = 34335 2
2
segm
El termino de int2
1
1P
P
dpρ
se tiene que la cisterna y el tanque de mezclado ambos no
estaacuten cerrados y por lo tanto no originan un cambio de presioacuten y el termino es cero
De esta expresioacuten L longitud de tuberiacutea
tro de tuberiacutea
n el interior del tubo
v
Para la l radio del tubo que
sum ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
i
fDL2
21 ν
D diaacuteme
f perdidas de friccioacuten e
velocidad del flujo de agua
obtencioacuten de la velocidad se tiene el flujo volumeacutetrico y e
es de 32 cm =0032mts con la ecuacioacuten
Ingenieriacutea Quiacutemica 61
( )( ) sm
ms
m
RQ 761
032060min1)
min340(
2
3
2 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
==ππ
ν
UAM-I
Se reportan valores de perdida de fr
e reduce teacuterminos
iccioacuten en tubos que son igual a 005
Por lo tanto sustituyendo los teacuterminos en la ecuacioacuten de Bernoulli s
sum sumint =⎟⎠
⎜⎝
+⎟⎠
⎜⎝
+++∆+∆i i
iP
evvfD
vwdphgv 022
ˆ2
1ρ
⎞⎛⎞⎛ L 111 2222
or tanto el termino de trabajo queda expresado de la siguiente manera
tanto la bomba comunica al fluido que circula en el sistema un trabajo
+11727
P1
p w
sum sum ∆minus⎟⎠⎞
⎜⎝⎛minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛minus=
i ii
hgevvfDLvw 22
21
21
ˆ
( ) ( )
Este es el trabajo ( por unidad de masa) producido por el fluido en la bomba por lo
22
sm o 11727 981 = 1195
m
fKg
Kgm
La velocidad de flujo de masa es
Por lo tanto
1 )=6694
951)(675(ˆ =minus=minus WwW smkg f = 088Hp = 1Hp
Siendo esta ida para esta bomba El procedimiento anterior se
iguioacute para cada bomba de la planta
AP E
la potencia requer
s
EacuteNDICE
TOXICOLOGIacuteA DE MATERIAS PRIMAS [6]
( ) ( ) ( )( ) ( )( )msm
smmmm
sm 538192201150761
21050
032021536761
21
2
22minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ +minus⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ++
minus=wm
22
27117ˆ smw minus=
( )s
kgmkgQw m675100060340 3 === ρ
Ingenieriacutea Quiacutemica 62
UAM-I
HIDROacuteXIDO DE SODIO
Polvo corrosivo blanco delicuescente
Toxicidad
Concentracioacuten Maacutexima permisible 2mgm3 en aire
Signos y Siacutentomas Conjutivitis quemaduras corneales y de la piel Irritacioacuten
seas vomito dolor abdominal y diarrea a veces con
Lavado de las partes afectadas tranquilizantes sulfato de
decuada gafas protectoras o pantallas para
ignos y Siacutentomas Irritacioacuten de ojos quemaduras corneables tos dolores
l hemoptisis dolor de cabeza dolor epigaacutestrico nauseas y vomito
lmonar
Tratamiento lavado de ojos con agua reposo oxigeno con aparato de respiracioacuten
con onantes
ACIDO NITRICO
Liquido corrosivo sofocante de incoloro a amarillento
ioacuten maacutexima permisible 10ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
del tracto respiratorio nau
sangre
Tratamiento
morfina para el dolor y cortisona
Medidas preventivas Ventilacioacuten a
la cara completa mascarilla con filtro mecaacutenico guantes delantares botas de
goma y acentuar la limpieza personal
CLORO
Gas pasado amarillo verdoso
Toxicidad
Conc Maacutexima permisible 1 ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten
S
retrosterna
debilidad cianosis y edema pu
trolada bronco dilatadores y descongesti
Toxicidad
Concentrac
Ingenieriacutea Quiacutemica 63
UAM-I
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
Signos y siacutentomas Erosioacuten dental estornudo tos Dolor en el pecho bronquitis y
la las partes contaminadas del cuerpo con solucioacuten al 5 de
de las quemaduras con pantildeos
de triacuteo sulfato soacutelido si se a ingerido
vado de ojos con agua
ACIDO CLORIDRICO
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
ivitis necrosis corneal por inhalacioacuten rinitis erosioacuten
dolor de cabeza palpitacioacuten por ingestioacuten
s en la boca faringe esoacutefago estomago salivacioacuten vomito Soc
agua lavada de agua y jaboacuten de las partes
preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
AacuteC
El c
con o de hidroacutegeno una
concentracioacuten de 12 molLt Este aacutecido es un liacutequido incoloro con un olor aacutecido
bronconeumoniacutea
Tratamiento
bicarbonato soacutelido o con agua y jaboacuten Tratamiento
mojados con solucioacuten saturada
administracioacuten por viacutea oral de solucioacuten de jaboacuten Hidroacutexido caacutelcico o alumiacutenico u
oacutexido de magnesio
Medidas preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores excluir de la exposicioacuten
a los individuos con enfermedades de pulmones y rintildeones
Gas incoloro o liacutequido o a amarillento
Toxicidad
Concentracioacuten maacutexima permisible 5ppm en aire
Signos y siacutentomas conjunt
dental laringitis bronquitis neumoniacutea
quemadura
nefritis
Tratamiento lavado de ojos con
contaminantes del cuerpo tratamiento ordinario de quemaduras lavado gaacutestrico
se a ingerido con solucioacuten de bicarbonato soacutedico al 5 seguido de una instilacioacuten
de gel de hidroacutexido de aluminio
Medidas
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores
IDO CLORHIacuteDRICO
loruro de hidroacutegeno es en extremo soluble en agua de hecho el aacutecido clorhiacutedrico
centrado contiene cerca del 38 en masa de clorur
Ingenieriacutea Quiacutemica 64
UAM-I
pronunciado que se debe al equilibrio entre el cloruro de hidroacutegeno gaseoso y
ste con el aacutecido fluorhiacutedrico el aacutecido clorhiacutedrico es un aacutecido fuerte (pKa = -
7) y se ioniza casi totalmente
gar de aacutecido sulfuacuterico auque en menor grado Por
jemplo el zinc metaacutelico reacciona con aacutecido clorhiacutedrico para dar el ion zinc e
hidroacutegeno gaseoso
Zn(s) + 2HCl(ac) ZnCl2(ac) + H2(g)
l para producir aacutecido clorhiacutedrico en el laboratorio es generar
cloruro de hidroacutegen e sodio y el aacutecido
ulfuacuterico En el primer paso a 150degC se forma hidroacutegeno sulfato de sodio
NaHSO4(s) + HCl(g)
io y maacutes
loruro de hidroacutegeno gaseoso Luego el gas se disuelve en agua para formar el
aacutecido
NaHSO4(s) + NaCl(s) Na2SO4(s) + HCl(g)
acuoso
HCl(ac) HCl(g)
El reactivo de grado teacutecnico a menudo tiene un color amarillento por una impureza
del ion hierro (III)
En contra
HCl(ac) + H2O(l) H2O+(ac) + Cl -(ac)
Por ello a menudo se prefiere usar aacutecido clorhiacutedrico diluido en lugar de aacutecido niacutetrico
que es muy oxidante y en lu
e
Cuando el zinc reacciona con el aacutecido niacutetrico es comuacuten que se reduzca una parte
del ion nitrato para dar dioacutexido de nitroacutegeno
El meacutetodo tradiciona
o gaseoso por la reaccioacuten entre el cloruro d
s
NaCl(s) + H2SO4(l)
La mezcla se calienta a 550degC temperatura a la cual el hidroacutegeno sulfato de sodio
reacciona con un exceso de cloruro de sodio para formar sulfato de sod
c
∆
Este meacutetodo se usa tambieacuten en la industria otra forma de producir cloruro de
hidroacutegeno es por la combinacioacuten directa de dicloro y dihidroacutegenogaseosos
Ingenieriacutea Quiacutemica 65
UAM-I
H2(g) + Cl2(g) 2HCl(g)
La mayor cantidad de cloruro de hidroacutegeno que se produce actualmente es un
CH4(g) + 4Cl2(g) 4(l) + 4HCl(g)
riacuten de superficies de acero en un bantildeo aacutecido en la purificacioacuten de glucosa
y jarabe de maiacutez e s y de gas y en la
bricacioacuten de compuestos clorados El aacutecido se puedo comprar en muchas
nducida por la luz
4HNO3(ac) 4NO2(g) + O2(g) + 2H2O(l)
niacutetrico como disolvente)
H2NO3+ H2O + NO2
+
l siguiente
3HNO NO3 ndash
subproducto de otros procesos industriales como la siacutentesis de tetracloruro de
carbono
CCl
Se consumen cerca de 107 toneladas de aacutecido clorhiacutedrico cada antildeo en todo el
mundo Este aacutecido tiene una gama muy amplia de usos como aacutecido comuacuten para
eliminar o
n el tratamiento con aacutecido de pozos petrolero
fa
ferreteriacuteas con el arcaico nombre de aacutecido muriaacutetico sus principales usos caseros
son la limpieza de superficies de concreto y la eliminacioacuten de herrumbre Un nuacutemero
muy reducido de personas es incapaz de sintetizar suficiente jugo gaacutestrico y deben
de ingerir caacutepsulas de aacutecido clorhiacutedrico diluido con cada comida
AacuteCIDO NIacuteTRICO
El aacutecido niacutetrico un liacutequido aceitoso e incoloro en estado puro es sumamente
peligroso El aacutecido que funde a ndash42degC y hierve a +83degC tiene por lo general un
ligero color amarillo a causa de una reaccioacuten de descomposicioacuten i
En un estado puro el aacutecido niacutetrico liacutequido praacutecticamente no conduce la electricidad
Una pequentildea porcioacuten se ioniza como sigue (todas estas especies existen en el aacutecido
2HNO3(l) H2NO3+ + NO3
ndash
H2O + HNO3 H3O+ + NO3 ndash
Para dar la reaccioacuten globa
3 NO2+ + H3O + 2+
Ingenieriacutea Quiacutemica 66
UAM-I
El catioacuten nitrilo es importante en la nitracioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas por ejemplo la
obenceno C6H5NO2 una etapa importante en
umerosos procesos industriales orgaacutenicos
El aacutecido niacutetrico con en agua mientras
ue el ldquoaacutecido niacutetrico fumanterdquo un oxidante extremadamente poderoso es una
vez de ello se produce una mezcla de
sistema que da un orden de
vista industrial el
oceso
e lleva a cabo en tres etapas Primero se hace pasar una mezcla de amoniaco y de
dioxiacutegeno (o aire) un proceso muy
ficiente y exoteacutermico que hace que la malla se ponga al rojo Esta etapa se verifica
conversioacuten de benceno C6H6 en nitr
n
centrado es en realidad una solucioacuten al 70
q
solucioacuten roja de dioacutexido de nitroacutegeno en aacutecido niacutetrico puro Incluso cuando esta
diluido el aacutecido niacutetrico es un oxidante tan fuerte que rara vez desprende hidroacutegeno
cuando se pone en contacto con metales en
oacutexidos de nitroacutegeno y el metal se oxido a su catioacuten
Los enlaces O-N son mucho maacutes cortos (121 pm) que el enlace O-N unidos al aacutetomo
de hidroacutegeno (141 pm) Esta longitud de enlaces indica que hay enlaces muacuteltiples
entre el nitroacutegeno y los dos aacutetomos de oxiacutegeno terminales Ademas de los electrones
del sistema σ hay cuatro electrones que participan en el sistema π O-N-O dos de un
orbital enlazante y dos en un orbital no enlazante
enlace de 112 para cada uno de esos enlaces nitroacutegeno- oxiacutegeno
A veces se nos olvida hasta queacute punto nuestra experiencia depende de la
termodinaacutemica y la cineacutetica Por ejemplo la primera siacutentesis industrial de aacutecido
niacutetrico se llevaba ha cabo por simple combinacioacuten de diniacutetrogeno dioxiacutegeno y agua
utilizando un horno de arco eleacutectrico a fin de proporcionar la energiacutea necesaria par
superar la muy elevada barrera cineacutetica Aunque desde el punto de
factor cineacutetico constituiacutea un problema en realidad es una bendicioacuten por que sin esta
barrera cineacutetica hace mucho tiempo que todo el dioacutexido de la atmoacutesfera se abriacutea
transformado en aacutecido niacutetrico y nuestros mares serian de aacutecido niacutetrico diluido
frac12 N2(g) + 54O2(g) + 12H2O(g) HNO3(g)
Ahora se utiliza el proceso Ostwald para la siacutentesis de aacutecido niacutetrico Este proceso
consume gran parte del amoniaco que se produce por el proceso Haber El pr
s
a traveacutes de una malla de platino metaacutelico Eacuteste es
e
a baja presioacuten para aprovechar el efecto entropico es decir la formacioacuten de 10
moles de gas a partir de 9 moles de gas (una aplicacioacuten del principio de Le Chatelier)
para desplazar el equilibrio a la derecha
Ingenieriacutea Quiacutemica 67
UAM-I
4NH3(g) + 5O2(g) 4NO(g) + 6H2O(g)
Se agrega maacutes oxiacutegeno para oxidar el monoacutexido de nitroacutegeno a dioacutexido de nitroacutegeno
A fin de mejorar el rendimiento de esta reaccioacuten exoteacutermica se extrae calor de los
ases y la mezcla se somete a presioacuten
2HNO3(l) + NO(g)
Esta reaccioacuten tambieacuten es exoteacutermica y una vez maacutes se aplica enfriamiento y alta
la
egunda etapa para oxidarlo de nuevo
La contaminacioacuten s de aacutecido niacutetrico
as plantas maacutes antiguas eran faacutecilmente identificables por la fumarola cafeacute-
antas maacutes antiguas ahora mezcla cantidades
en Estados Unidos porque un 20
dedica ala produccioacuten de explosivos
or ultimo el aacutecido niacutetrico es un liacutequido que hierve a 826degC No existe como liacutequido
g
2NO(g) + O2(g) 2NO2(g)
El dioacutexido de nitroacutegeno se mezcla con agua para dar una solucioacuten de aacutecido niacutetrico
3NO2(g) + H2O(l)
presioacuten par obtener el maacuteximo rendimiento El monoacutexido de nitroacutegeno se vuelve a
s
soliacutea ser un problema importante de las planta
L
amarillento del dioacutexido de nitroacutegeno que escapaba por ellas Las plantas maacutes
antiguas eran faacutecilmente identificable por la fumadora cafeacute-amarillo del dioacutexido de
nitroacutegeno que escapaba de ellas Las pl
estequiomeacutetricas de amoniaco con las oacutexidos de nitroacutegeno con lo cual se obtiene
dinitroacutegeno y vapor de agua ambos inocuos
NO(g) + NO2 (g) + 2NH3(g) 2N2(g) + 3H2O(g)
En todo el mundo alrededor del 80 del aacutecido niacutetrico se utiliza en la produccioacuten de
fertilizantes Esta proporcioacuten es de solo el 65
se
P
puro porque en alguna medida se descompone espontaacuteneamente como sigue
4HNO3(l) 4NO2(g) + 2H2O(l) + O2(g)
Ingenieriacutea Quiacutemica 68
UAM-I
El aacutecido niacutetrico concentrado que se usa en el laboratorio estaacute al 68 en masa HNO3
(densidad 142 gcm3) lo que corresponde a 157 M
l aacutecido niacutetrico es un poderoso agente oxidante El nuacutemero de oxidacioacuten del N en el
) El aacutecido niacutetrico puede oxidar
nto a metales que estaacuten abajo del hidroacutegeno como aquellos que se encuentran
4Zn2+(ac) + NH4
+(ac) + 3H2O(l)
do no oxida al oro Sin embargo cuando se mezcla con
cido clorhiacutedrico concentrado en relacioacuten 13 en volumen (una parte de HNO3 a tres
partes al oro
omo sigue
APEacuteNDICE F
ETODO DE DEPOSICIOacuteN-PRECIPITACIOacuteN
E
HNO3 es + 5 Los productos maacutes comunes de la reduccioacuten del aacutecido niacutetrico son el
NO2 (N = + 4) el NO (N = + 2) y el NH4+ (N = - 3
ta
arriba en la serie de actividades Por ejemplo el cobre es oxidado por el aacutecido niacutetrico
concentrado como se mencionoacute antes
En presencia de reductores fuertes como el zinc metaacutelico el aacutecido niacutetrico se puede
reducir hasta ion amonio
4Zn(s) + 10H+(ac) + NO3
-(ac)
El aacutecido niacutetrico concentra
aacute
de HCl) la disolucioacuten resultante denominada agua regia puede oxidar
c
Au(s) + 3HNO3(ac) + 4HCl(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O(l) + 3NO2(g)
M
Ingenieriacutea Quiacutemica 69
UAM-I
APEacuteNDICE G
ISENtildeO DEL MEZCLADOR [4]
1) 100 ml H2O gr soporte
2) NH4(OH)
Ajustar a PH = 9 4) HAuCl4 (solucioacuten acuosa al 25E-3M)
6) Filtrado o centrifugado
3) En Agitacioacuten por 2 hr
8) Secado por 2hr a 80 degC
9 ) Calcinado por 4hr a 400 degC
7) Lavado
5) Antildeegamiento por 30 min
D
Ingenieriacutea Quiacutemica 70
UAM-I
El disentildeo de un tanque agitado dis n nuacutemero de elecciones sobre el
po y localizacioacuten del agitador las proporciones del tanque el nuacutemero y dimensiones
ada una de estas decisiones afectan a la velocidad
e circulacioacuten del liacutequido los modelos de velocidad y el consumo de potencia Como
pone de un gra
ti
de las placas deflectoras etc C
d
punto de partida en el disentildeo de los problemas ordinarios de agitacioacuten generalmente
se utiliza un agitador de turbina del tipo que se muestra en la figura 1 La proporcioacuten
tiacutepica es
31
=t
a
DD
1=tD
H 121
=tD
J 51
=aD
W 41
=aD
L
de estas ecuaciones se disentildeara el mezclador como datos se tiene el valor H que es
igual a 3 mts y el diaacutemetro del tanque D
Se determinara la medida de los reflectores
t que es igual 3 mts
121
=tD
J se despeja J
elacioacuten R31
=t
a
DD
se despeja Da
Relacioacuten
41
=aD
L se despeja L
elacioacuten se despeja W
( ) ( ) cmmtsmtsDJ 25250311==⎟
⎞⎜⎛=⎟
⎞⎜⎛= t 1212 ⎠⎝⎠⎝
( ) ( ) mtsmtsDD ta 1331
31
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=
( ) ( ) mtsmtsDL a 250141
41
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛= cm25=
51
=aD
WR
Ingenieriacutea Quiacutemica 71
UAM-I
Figura 2 a) Vista transversal del mezclador b) paletas del mezclador con la
donde se deposita el soporte
Figura 1 Medidas de un agitador de turbina
a) b)
s rejillas
H
J
E L
Da
D t
W
W
( ) ( ) cmmtsmtsDW a 2020151
5==⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎜⎝
=1 ⎞⎛
Ingenieriacutea Quiacutemica 72
UAM-I
Figura 4 Imaacutegenes de MET para (a) γ-Al2O3 (b) 035-Auγ-Al2O3-DP y (c) 007-Auγ-
Al2O3-IMP
Catalizadores de Oro Soportado 17
UAM-I
Se sabe que la alta actividad cataliacutetica del oro esta relacionada con su tamantildeo esto
quiere decir que entre maacutes pequentildeas sean las partiacuteculas mayor actividad tendraacuten
nes estequiomeacutetricas el catalizador 007-Auγ-Al2O3-
P no mostroacute actividad para la oxidacioacuten de CO e H2 sin embargo al operar la
por lo tanto de las imaacutegenes anteriores se tiene que el meacutetodo DP es el maacutes
adecuado por lograr depositar mayor cantidad de Au con gran dispersioacuten y un
tamantildeo de partiacuteculas pequentildeo
Actividad Cataliacutetica A condicio
IM
misma muestra con un exceso de O2 la actividad inicioacute a partir de 140oC alcanzando
una conversioacuten maacutexima de 8748 a 400 degC (Figura 5) En vista de este uacuteltimo
resultado se decidioacute evaluar el catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP a las mismas
condiciones de exceso de O2 En este caso la actividad cataliacutetica inicioacute por debajo de
los 30oC incrementaacutendose casi linealmente con la temperatura hasta lograr una
conversioacuten maacutexima de 9367 a 127degC La diferencia en actividad entre ambos
catalizadores es notable Auacuten a muy bajos contenidos de Au el catalizador 007-Auγ-
Al2O3-IMP presenta una actividad importante sin embargo al aumentar cinco veces
este contenido (035) y manteniendo el tamantildeo de partiacutecula es posible disminuir la
temperatura de encendido calculada como la temperatura a la cual se logra el 50
de conversioacuten (T50) en 175oC Un uacuteltimo estudio fue la evaluacioacuten del catalizador
10-Auγ-Al2O3-IMP el cual presenta una T50 de 290 degC(ver Figura 5) la cual es 40 degC
mayor que el catalizador 007-Auγ-Al2O3-IMP auacuten cuando el contenido de Au es
mayor La Figura 5 muestra tambieacuten la comparacioacuten de estos resultados con
trabajos anteriores[10] en los que utilizan el catalizador 5-Auγ-Al2O3-IMP a
condiciones estequiomeacutetrica en este caso T50 es de 215 degC tan solo 35 degC de
diferencia en comparacioacuten con el catalizador 007-Auγ-Al2O3-IMP La diferencia en el
contenido de Au es 15 veces menor En general al trabajar en condiciones en exceso
de O2 se tiene una mayor conversioacuten a una menor temperatura por lo que se
esperariacutea que los resultados del catalizador 5-Auγ-Al2O3-IMP bajo condiciones de
exceso fueran mejores sin embargo los autores no presentan estos resultados
Catalizadores de Oro Soportado 18
UAM-I
El catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP alcanzoacute 100 de conversioacuten a 176 degC a
condiciones de exceso de O2 (Figura 5) esta conversioacuten se mantuvo por 24 h sin
presentar indicios de desactivacioacuten (Figura 6) KRuth [12] reporta desactivacioacuten del
catalizador 10-Auγ-TiO2 a partir de 80 minutos de operacioacuten con una velocidad
espacial de 1x104 h-1 El catalizador fue preparado por deposicioacuten y contiene nano-
particulas (2-5nm) soportadas en TiO2 Sin embargo el catalizador logra 100 de
conversioacuten a 0 degC Esto es debido a que los catalizadores AuTiO2 presentan mayor
actividad a temperaturas bajas La Figura 6 muestra tambieacuten la conversioacuten reportada
por Seung-Jae[11] del catalizador 043-Auγ-Al2O3-IMP en donde la temperatura de
operacioacuten es de 25 degC sin embargo se tiene una desactivacioacuten apreciable a partir de
150 minutos de operacioacuten con una velocidad especiales de 8x10 h-1
Figura 5 Conversioacuten del CO para los catalizadores de 007-Auγ-Al2O3-IMP 10-
os resultados de conversioacuten del hidroacutegeno (Figura 7) muestran conversioacuten del 100
10 a 035 es de 20 degC
Auγ-Al2O3-IMP y de 035-Auγ-Al2O3-DP en condiciones de operacioacuten en exceso de
O2 la tasa de temperatura es de 2degC por minuto Datos Referencia [10]
L
por debajo de 150 degC con el catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP mientras que el
catalizador 007-Auγ-Al2O3-IMP logra conversioacuten completa hasta 270oC y para el
catalizador 10-Auγ-Al2O3-IMP se tiene una conversioacuten del 100 hasta 310 degC lo
cual indica que los tres catalizador son activos para ambas reacciones y que se
mantiene la tendencia observada para la oxidacioacuten de CO La disminucioacuten en T50 al
aumentar el contenido de Au de 007 a 035 es de 140oC mientras que para la de
Catalizadores de Oro Soportado 19
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado 20
Figura 6 Variacioacuten de la conversioacuten con respecto al tiempo para la muestra de DP a
una temperatura de 180 degC Datos Referencia [11]
Figura 7 Oxidacioacuten de H sobre los catalizadores 035-Au2 γ-Al2O3-DP 007-Auγ-
Al2O3-IMP y 10-Auγ-Al2O3-IMP bajo condiciones de exceso de O2
La Figura 8 muestra como varia la temperatura de encendido con la cantidad de Au
en los catalizadores preparados en este trabajo Se observa un miacutenimo para el
catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP lo cual indica que la mayor actividad se logra a bajos
contenidos de Au y tamantildeos de partiacutecula menores que 5 nm
0
20
40
60
80
0 200 400 600 800 1000Tiempo (min)
Con
vers
ioacuten
de C
O (
) 100
035-Au -Al2O3-DP (176 degC)
043-Au -Al2O3-IMP (25 degC)
0
20
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Temperatura (degC)
40
60
Con
vers
ioacuten
de H
2 (
)
80
100
10-Au -Al2O3-IMP035-Au -Al2O3-DP007- Au -Al2O3-IMP50-Au -Al2O3-IMP
UAM-I
F
o
P
o
o
re
d
F
c
C
T50 (degC)
igura 8 Variacioacuten de la te
xidacioacuten de CO con respect
or ultimo se realizaron cu
peracioacuten pero variado la
btenidos se muestran en la
accioacuten presentan una tend
e catalizador
00000
00040
00080
00120
00160
00200
0
(-rc
o)
00000
igura 9 Velocidad de reac
ondiciones en exceso de O2
atalizadores de Oro Soportado
masa Au
mperatura de encendido a 50 de conversioacuten en la
o a la cantidad de Au en el catalizador
atro corridas maacutes bajo las mismas condiciones de
masa de catalizador Las velocidades de reaccioacuten
fig9En esta figura se observa que las velocidades de
encia lineal despueacutes de los 80degC al aumentar la masa
50 100 150 200 250 300T (degC)
3 gr cat
25 gr cat
2 gr cat
15 gr cat
1 gr cat
cioacuten de CO a diferentes masas de catalizador y bajo
21
UAM-I
Se tomo una temperatura de 125 degC debido a las mediciones realizadas en
diferentes calentadores domeacutesticos Se encontroacute que la temperatura media es la
mencionada A partir de los datos experimentales se determinoacute que el orden de
reaccioacuten es 13 y la constante cineacutetica k = 480945 (m3)13[(mol)03m3cat hr] (00012
mhr) y un coeficiente de transferencia de masa de 792 mhr (ver apeacutendices A) con
estos valores y usando los criterios de Weisz-Prater y Mears[14] (ver apeacutendice B) se
obtuvo que no existe resistencia interna ni externa a la transferencia de masa por lo
que la cineacutetica es la que controla
24 CONCLUSIOacuteN DE LA EXPERIMENTACIOacuteN El meacutetodo de DP es mucho maacutes adecuado que el de IMP para la preparacioacuten de
catalizador de Au soportados en γ-Al2O3 ya que permitioacute obtener catalizadores con
cinco veces maacutes oro que el preparado por el meacutetodo IMP bajo condiciones similares
de preparacioacuten En ambos casos el tamantildeo promedio de partiacutecula fue menor que 5
nm Debido a esto el catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP presenta una mayor actividad
en la oxidacioacuten de CO e H2 sin observarse desactivacioacuten durante un periodo de 24 h
Puesto que en ambas muestras se consiguioacute una gran dispersioacuten y un tamantildeo
similar de nanopartiacuteculas de oro se tiene entonces que la principal diferencia de
actividad cataliacutetica se debe principalmente a la cantidad de Au en el catalizador Sin
embargo el catalizador 10-Auγ-Al2O3 presenta una menor conversioacuten que el de
035-Auγ-Al2O3-DP a pesar de contener maacutes Au por lo que hasta el momento se
podriacutea decir que la cantidad de Au optima se encuentra por debajo de 10 wt y por
arriba de 007 wt no obstante se requiere de la caracterizacioacuten del catalizador 10-
Auγ-Al2O3 se para determinar de que manera influyen el tamantildeo de partiacuteculas la
distribucioacuten el volumen y el tamantildeo de poro en los resultados esta caracterizacioacuten
asiacute como la evaluacioacuten cataliacutetica del catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP bajo
condiciones estequiomeacutetricas se encuentran en proceso
Catalizadores de Oro Soportado 22
UAM-I
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Catalizadores de Oro Soportado 23
UAM-I
C A P I T U L O III
D I S E Ntilde O D E L A P L A N T A I N D U S T R I A L
Catalizadores de Oro Soportado 24
UAM-I
31 INTRODUCCIOacuteN
Este capitulo esta enfocado al disentildeo de la planta industrial donde se produciraacuten
catalizadores de Auγ-Al2O3 por el meacutetodo de Deposicioacuten-Precipitacioacuten (DP) descrito
en el capitulo 2
Parte de la produccioacuten de los catalizadores se destinaraacute a su venta en masa y otra
parte se destinaraacute para el equipo de purificacioacuten de calentadores de agua esto con
la finalidad que el catalizador que esta contenido dentro del equipo de purificacioacuten
cuando se desactive pueda remplazarse por catalizador nuevo disponible en el
mercado De esta forma se tendraacuten ganancias tanto al vender el equipo purificador
como al vender catalizador como materia prima
32 DISENtildeO DEL EQUIPO PURIFICADOR PARA CALENTADORES DE AGUA DOMEacuteSTICOS El equipo purificador se ubicaraacute a la salida del efluente gaseoso del calentador como
un equipo adicional como se muestra en la Figura 1 Se plantea colocarlo en una
posicioacuten tal que oxide a baja temperatura hasta el 90 de CO Las dimensiones del
purificador se determinaron seguacuten las especificaciones de calentador y el balance de
materia en el sistema purificador Estos caacutelculos se presentan en el Apeacutendice A
Los tubos de las chimeneas de los calentadores son de latoacuten por lo que se decidioacute
utilizar este material para la parte exterior la parte donde se colocaraacute el catalizador
es de 35 cm de longitud para colocarlo en el tubo de la salida del flujo de gas se
dieron 2 cm maacutes en cada extremo para hacer un tipo cople de manera que el tubo
entre en los extremos
Catalizadores de Oro Soportado 25
UAM-I
C O 2 2 0 c m 7 c m c m G A S C O
3
2cm
75 cm 35 cm
Figura 1 Esquematizacioacuten del equipo purificador y su ubicacioacuten en los calefones
Las dimensiones obtenidas (Apeacutendice A) y las caracteriacutesticas del purificado se
presentan en la Tabla 1
Tabla 1 Especificaciones de purificador
Material Latoacuten
Longitud 35 cm
Diaacutemetro 20cm
Cantidad de
Catalizador
700 gr
Catalizadores de Oro Soportado 26
UAM-I
33 PRODUCCIOacuteN DE LA PLANTA INDUSTRIAL A partir de un estudio de mercado se encontroacute que en la Ciudad de Meacutexico hay
cuando menos cuatro empresas principales (CALOREX ELSA MAGAMEX y
CINSA) que fabrican calentadores de agua residenciales[1 2] Estas en promedio
producen 150 calefones diarios Por cada calefoacuten se requiere un equipo purificador
En este sentido de requieren idealmente 600 unidades de purificacioacuten por diacutea Esta
base se utilizoacute para el disentildeo de la planta
A partir del balance de masa en el purificador y empleado los resultados
experimentales a nivel laboratorio (ver apeacutendice A) se encontroacute que cada purificador
requiere 07 Kg de catalizador A partir de este resultado se requiere producir al
menos 420 Kg de catalizador para satisfacer la demanda en la produccioacuten de
calefones Con base en el balance de materia realizado en el mezclador se
determinoacute que la cantidad de catalizador obtenido despueacutes de cuatro lotes es de
570 Kg Tomando el resto de catalizador como reserva por cualquier contratiempo El
nuacutemero de lotes se determinoacute en base a que fuese rentable la recuperacioacuten de oro
34 DISENtildeO Y OPERACIOacuteN DE LA PLANTA
La fabricacioacuten del catalizador a nivel industrial esta basada en el escalamiento del
meacutetodo de siacutentesis descrito en la parte experimental Lo cual es una praacutectica comuacuten
en la fabricacioacuten de materiales cataliacuteticos
Para la produccioacuten de 570 Kg por diacutea se plantea utilizar cuatro mezcladores (ver
Figura 2) que operaran durante 8 h con cuatro intervalos (o cargas) de 2 h y
descansos de 30 min (dejando 30 min libres por contratiempos) Esta operacioacuten se
elige con base en las horas de trabajo y el meacutetodo de preparacioacuten del catalizador
Al igual que en la parte experimental el proceso requiere operacioacuten por lotes debido
a que se necesitan largos tiempos de contacto para obtener catalizadores eficientes
en la oxidacioacuten de CO a baja temperatura Se pretende utilizar un agitador tipo
Catalizadores de Oro Soportado 27
UAM-I
canastilla[4] el cual permite colocar dentro de las mismas el catalizador para tener
una mejor impregnacioacuten de partiacuteculas de Au y eliminar la atricioacuten Las dimensiones
del agitador asiacute como del mezclador se presentan en la Figura 6
Al teacutermino de la uacuteltima carga en los mezcladores el lote completo del diacutea pasa al
horno para secarlo a 80degC por 2 h y calcinarlo a 400degC durante 4 h Durante estos
procesos se concluye la preparacioacuten del catalizador Las temperaturas y tasas de
calentamiento estaacuten basadas en el meacutetodo de preparacioacuten experimental descrito en
el Capitulo ll Posteriormente el catalizador producido pasa a la seccioacuten donde se
embolsa para ser vendido como materia prima y la otra parte pasa a la seccioacuten de
ensamblaje para fabricar el purificador
Dimensiones de la industria
Las dimensiones de los equipos como mezcladores cisternas tanque de
tratamiento horno etc se tomaron como base para poder suponer espacios entre
equipos para tener seguridad del personal Se dio preferencia a los mezcladores ya
que son las partes importantes en la elaboracioacuten de los catalizadores La cisterna
estaraacute enterrada para facilitar su llenado en el caso de los contenedores de HAuCl4
y NH4OH estaraacuten encima de bases maacutes altas que los mezcladores para poder
abastecerlos por gravedad Esto debido a que el volumen es poco no se requiere de
grandes cantidades por lo que no se requiere alguna bomba Se estuvo analizando
la forma de acomodar los equipos y se obtuvo la siguiente distribucioacuten que se
muestra en la Figura 3
En la Figura 4 se presenta el plano de la industria con sus respectivos
departamentos en la parte sur se encuentra la entrada principal en ella se encuentra
vigilancia y la entrada de empleados y obreros posteriormente esta la zona de
oficinas lado izquierdo del lado derecho se encuentra el estacionamiento para
clientes y empleados en el almaceacuten se encontraraacuten refacciones de equipo y
reservas de materia primas para los catalizadores en la zona de produccioacuten se tiene
el estacionamiento de proveedores para facilitar la entrada y salida del producto
Catalizadores de Oro Soportado 28
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado 29
Debido a que en cada industria debe existir un espacio recreativo se plantea una
cancha de Baacutesquetbol para los obreros y una zona de jardines en la parte norte
Ubicacioacuten de la industria
Para poder ubicar una industria es importante analizar la zona geograacutefica Para lo
cual se deben considerar algunos factores importantes por ejemplo No ubicarla en
zona de siacutesmica Si la industria requiere de un gran volumen de agua no ubicarla en
una regioacuten deseacutertica Si el producto es muy sensible al calor y la humedad evitar
zonas muy caacutelidas y huacutemedas Si se piensa vender el producto en una zona
especifica ubicar la industria cerca de la zona de venta para evitar gastos de
transportacioacuten A partir de este tipo de razonamientos se planea que debido a que el
producto que se elaborara que es un purificador cataliacutetico para su venta en la ZMVM
ya en ella estaacuten ubicadas las principales industrias de calentadores y debido a que la
planta requiere de un volumen considerable de agua se escogioacute el estado de
Morelos porque no esta muy lejos de la ZMVM y tiene reservas de agua Asiacute el gasto
de transportacioacuten de materias primas y sobre todo del producto elaborado seriacutea
pequentildeo
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
Agua
Tanque tratamien
Figur
NH4OH
HAuCl4
Produccioacuten de catalizadores
Recuperacioacuten de agua
de to
a
MezcladoresMezcladores
Cuando se requiere limpieza
Horno
Producto almaceacuten
30
1 Diagrama de produccioacuten Recuperacioacuten de cloro
UAM-I
35 BALANCE DE MATERIA DIAGRAMA DE FLUJO PARA DIFERENTES LOTES DE SOPORTE EN UN SOLO MEZCLADOR
Catalizadores de Oro So
05 Kg Au
10
0
086 Kg HAuCl4(ac)014 Kg H2O
035 Kg NO2(g)
2
35 Kg NH4(OH)(ac) (01M)
10000 Kg H2O
100 Kg Al3O
100 Kg Al2O3 (9965) 035 Kg Au (035) 025 Kg Cl2
026 Kg HauCl4(ac)35 Kg NH4(OH)
1101035 Kg H2O
O MEZCLADOR (t0)
10035 Kg catalizador
86 KgHAuCl4(ac)101035 Kg H2O
037 Kg HCl (ac) (105 M) 048 Kg HNO3(ac) (152 M)
porta
Kg N
30 Kg Al2Cl3
101021 Kg H2
do
H4 (OH) (ac) (01M) 30 Kg Al2O3 (9965) 01 Kg Au (035)
007 Kg Cl2
)
3
)
301 Kg catalizador MEZCLADOR (t1)
009 Kg HauCl4(ac)45 Kg NH4(OH)
1101035 Kg H2O
MEZCLADOR 1054 Kg catalizador
105 Kg Al2O3
(t2)
105 Kg Al2O3 (9965)
035 Kg NH4 (OH) (ac) (01M
004 Kg Au (035) 003 Kg Cl2
23 Kg Al2O
MEZCLADOR
(t3)23 Kg Al2O3 (9965)
2308 Kg catalizador
008 m3 NH4(OH) (ac) (01M
002 Kg HauCl4(ac)485 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
0008 Kg Au (035) 0006 Kg Cl2
0003 Kg HauCl4(ac)493 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
31
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado 32
DIAGRAMA DE FLUJO PARA UN MEZCLADOR
MEZCLADOR
1101035 Kg H2O
1428 kg γ-Al2O3
086 Kg HAuCl4
493 Kg NH4(OH)
0003 Kg HauCl4(ac)493 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
1433 Kg Catalizador
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
36 DIAGRAMA DE LA INDUSTRIA
INDUSTRIA DE CATALIZADORES
TANQUE DE TRATAMIENTO HORNO
CISTERNA 1
CONTENEDORDE AuCl3 CONTENEDOR DE
NH4OH ZONA DE LLENADO
DE SAPORTE
SE LLEVA AL HORNO
MANUALMENTE
PRODUCTOALMACEacuteN
Contenedor de HAuCl4
Figura 2 Diagrama de la distribucioacuten del equipo dentro del aacuterea de produccioacuten
33
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
37 DIMENSIONES DEL EQUIPO Y TUBERIacuteA
2 mts
2 mts 2 mts 6 mts 4 mts 3 mts 5mts 5 mts 3 mts 6 mts 3
3mts 3 mts 3mts 3 mts 3 mts
4 mts 1 5 mts 1 5 mts 4mts 4 7mts 4 mts 21 mts 7 2mts 26 mts 2 mts 21 mts 6 mts
3 5 mts 14 mts 6 mts 8 mts 1 5 mts 3 mts 5 mts 13 mts 8 mts 20 mts 30 mts
IN D U ST R IA D E C A T A L IZ A D O R E S
T AN Q U E D E T R AT AM IE N T O H O R N O
C IST E R N A 1
C O N T EN ED O RD E Au C l3
C O N T EN E D O R D E N H 4O H
ZO N A D E L LEN AD O D E SO PO R T E
AG UA PAR A JAR D IN ES
M E Z C L A D O R E S 12 3 y 4
1 2 3 4
A L M A C Eacute N
Contenedor de HAuCl4
Figura 3 Dimensiones del equipo y tuberiacutea requerida
34
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
38 PLANO DE DISTRIBUCIOacuteN DE AacuteREAS
Figura 4 Aacutereas de trabajo dentro de la planta
35
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
DIMENSIONES DE LA INDUSTRIA
Figura 5 Dimensiones de cada aacuterea de la planta industrial
36
UAM-I
Ingenieriacutea Quiacutemica 37
10 cm 3mts 1 mts 25 cm 15cm 5 cm 5 cm 3mts 150 mts 10 cms 100 mts 20 cm
003 mts
Figura 6 Dimensiones del mezclador y del Agitador
UAM-I
Las dimensiones de las canastillas se determinaron a partir del balance de masa y la
produccioacuten requerida La carga de un contenedor de soporte que es de 100kg del
cual el agitador tiene 4 canastillas cada una corresponde 25 Kg la masa se obtuvo
del balance de materia y su densidad 600 Kgm3 con el que se obtuvo un volumen de
0043 m3
39 ANAacuteLISIS FINANCIERO
El costo de materias primas se muestra en la Tabla 2 en la que tambieacuten se incluyen
los flujos de alimentacioacuten requeridos para el proceso a partir de los cuales se
determinaron los costos diarios
Tabla 2 Costo de materias primas [5]
Compuesto
Alimentacioacuten
por diacutea
Costo
USDKg
Costo Total
USDdiacutea
Au 2 kg 10596 2119200
HCl 15 Kg 52 780
HNO3 20 Kg 022 044
-Al2O3 5712 Kg 034 19421
Canastillas 500 piezas 15 75000
NH3(OH) 200 Kg 034 680
H2O 440414 Kg 282 282
Total de Materia Prima 2215407
El costo se determinoacute considerando la cantidad de material el tamantildeo y el costo de
manufactura
El costo se determinoacute para uso industrial conforme establece la tesoreriacutea de
Meacutexico
Ingenieriacutea Quiacutemica 38
UAM-I
PERSONAL REQUERIDO PARA LA INDUSTRIA
La Tabla 3 establece los salarios mensuales anuales y las prestaciones del IMSS
para el personal de la planta
Tabla 3 Salarios y Prestaciones del Personal
Mano de Obra (USDmes)p
ersona
USDmes USDantildeo Prestaciones
IMSS
1 Gerente 2000 2000 24000
1 Administrador 1000 1000 12000
1 Secretaria 400 400 4800 1193
Total de Salarios
Administrativos
40800 1193 409193
9 Obrero 150 150 1800 448
1 Teacutecnico 200 200 2400 597
1 Policiacutea 200 200 2400 597
1 Mantenimiento 180 180 2160 538
1 Limpieza 150 150 1800 448
Total de Salarios
Proceso
10560 2628 108228
Los salarios se determinaron en base al salario miacutenimo vigente en la Ciudad de
Meacutexico (2003)[29]
Ingenieriacutea Quiacutemica 39
UAM-I
PERSONAL
Departamento de produccioacuten
Se tendraacute 2 obreros en el llenado de soporte en las rejillas un obrero encargado del
traslado de rejillas por medio de la banda de los motores a cada contenedor un
obrero en cada contenedor de NH4OH y HAuCl4 en cada mezclador se tiene 1
obrero para descargar y cargar las rejillas a la banda que se trasladaran al horno en
el horno se tiene 1 obrero encargado del secado y calcinado el producto se traslada
al almaceacuten donde estaraacuten 2 obreros que reciben el producto y materias primas de los
proveedores se tiene 1 teacutecnico supervisando los equipos un encargo del
mantenimiento de los equipos
Departamento de personal
Gerente de la industria un administrador encargado de compra y venta de materias
primas una secretaria
Ingenieriacutea Quiacutemica 40
UAM-I
CAPITAL FIJO
La Tabla 4 muestra el costo de los equipos requeridos en la planta asiacute como el
Capital Fijo y la Inversioacuten del Capital Total
Tabla 4 El equipo se costeo usando las correlaciones de Ulrich [6] y empleando el
programa de Capcost
EQUIPO USD
4 Contenedores 23584
4 Agitadores (456kW) 269760
1 Horno (25 kW) 15700
15 Bombas (1469kW) 43081
1 Motor (114 kW) 67440
Tuberiacuteas 42150
2 Cisternas 174183
Vaacutelvulas 1283
Accesorios
(codos 90ordm y de 45ordm te)
1474
CAPITAL FIJO 638655
Capital de Trabajo 9579825
INVERSIOacuteN DE
CAPITAL TOTAL
73445325
Los caacutelculos y las correlaciones empleadas para el costeo del equipo se anexan en
el Apeacutendice A
Ingenieriacutea Quiacutemica 41
UAM-I
GASTOS GENERALES
Tabla 5 Proporciona el total de gastos anuales con lo cual se estima el precio por
kilo de catalizador y por unidad purificadora
Tabla 5 Gastos Generales anuales
USDAntildeo
Materias Primas 531697680
Mano de Obra de Operacioacuten 1082280
Mano de Obra de Oficina 4091930
Servicios Electricidad 2620100
Total de Gastos Generales 539491990
CFE
Produccioacuten diaria de Catalizador = 574 Kg
Precio de Catalizador = 40 USDKg
Produccioacuten diaria de unidades purificadoras = 500
Precio por unidad = 50USD
Ganancia diaria = 22960 USD
Ganancia Anual = 5510400 USD
DETERMINACIOacuteN DE LA RENTABILIDAD DEL PROYECTO
TPI (Actual) = 10
PR (Factor de riesgo) = 25
TREMA = TPI + PR
TREMA = 35
TIR (del proyecto) = 90
TIR gt TREMA
Puesto que la TIR es mayor que la TREMA se tiene que el proyecto es rentable [6]
Ingenieriacutea Quiacutemica 42
UAM-I
310 CONCLUSIONES
En el desarrollo de la industria para la fabricacioacuten de catalizadores se tuvo un
resultado satisfactorio a pesar de la falta de informacioacuten disponible acerca de
industrias de catalizadores debido a que esta informacioacuten no es publica El proyecto
que elaboramos es novedoso en nuestro paiacutes ya que no existen registros de una
industria que produzca catalizadores de oro soportados en aluacutemina
Durante el desarrollo del proyecto se planteoacute trabajar con compuestos como NOx y
COVS sin embargo debido a la falta de tiempo no se logroacute concluir la
experimentacioacuten en estos campos Debido a esto se tomoacute la decisioacuten de trabajar en
la oxidacioacuten cataliacutetica de CO Esto debido a varios factores por ejemplo la
disponibilidad de gases y sobre todo los costos que esto implicaba
Para el desarrollo del catalizador se analizaron diferentes tipos de preparacioacuten y se
eligieron dos meacutetodos diferentes Deposicioacuten-precipitacioacuten e Impregnacioacuten Los
catalizadores se evaluaron bajo diversas condiciones en la oxidacioacuten de CO El
catalizador que presentoacute mayor conversioacuten con el catalizador a baja temperatura fue
el sintetizado por el meacutetodo de Deposicioacuten-precipitacioacuten el cual se utilizoacute para el
disentildeo de la Industria El disentildeo estaacute basado en la forma de preparacioacuten del
catalizador Por esto la parte maacutes importante de la planta es el tanque de mezclado
el cual se disentildeo tomando en cuenta los diferentes disentildeos de agitadores para tener
un mezclado oacuteptimo Se incorporo en la parte superior del agitador las canastillas
para las pastillas cataliacuteticas y el tipo de Horno que se usara para el secado y
posteriormente el calcinado Una parte importante es la produccioacuten de catalizador
para este problema se investigoacute en que parte se podriacutea utilizar a diferencia de los
catalizadores para automoacuteviles Se llego a la decisioacuten de poder desarrollar un
catalizador para los calentadores de agua se obtuvo informacioacuten de la fabrica de
calentadores cal-o-rex en la produccioacuten diaria de calentadores y de esta informacioacuten
se pudo calcular la posible demanda de nuestro producto Una parte importante en
las industrias son el tipo de bombas ya que existen diversos modelos en nuestro
disentildeo se escogioacute las bombas centriacutefugas con rodetes para agua que contiene
pequentildeas partiacuteculas de soacutelidos
En la parte de servicios para personal se investigo los sueldos de cada empleado Se
determinoacute el costo de los equipos y finalmente llegamos a la parte que nos interesa
Ingenieriacutea Quiacutemica 43
UAM-I
del disentilde es decir si el proyecto es rentable o no En este caso particular se tuvo un
valor aceptable y se definioacute que el disentildeo es rentable Esto indica que seria una
industria que tendriacutea ganancias y a la vez que el producto que se fabrique nos
ayudaraacute a todos a reducir la emisioacuten de CO en los hogares aportando una pequentildea
ayuda al medio ambiente
COMENTARIOS
Los conocimientos adquiridos durante este tiempo fueron provechosos en la parte
teoacuterica y praacutectica aclaramos dudas de como y porque se comportan las reacciones
quiacutemicas y los procesos de flujos Durante el desarrollo del proyecto aprendimos a
observar y la importancia de entender fiacutesicamente las algunos procesos relacionados
con la siacutentesis y caracterizacioacuten de materiales cataliacuteticos
Ingenieriacutea Quiacutemica 44
UAM-I
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Ingenieriacutea Quiacutemica 46
UAM-I
APEacuteNDICE A
CRITERIOS PARA DETERMINAR QUIEacuteN CONTROLA EL PROCESO
Criterio de weisz para difusioacuten interna
Ec(12-16 Fogler) Los valores que se sustituyen en las siguientes ecuaciones fueron
tomados del catalizador que se analizo en el laboratorio
CWP = ( )
AS
cObsA
DeCRcr 2minus
lt 1
-rA(Obs) = velocidad de reaccioacuten observada molgcats Cc = concentracioacuten volumeacutetrica molm3
CAS = concertacioacuten en la superficie molm3
D= diaacutemetro del granulo m R = radio del granulo m De = difusividad efectiva m2s
d = 0149mm mxmm
m 4104911000
1 minus=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
CWP = ( )( )3
32
24
33
103470184200350
21049150800010681
minus
minusminus
=⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞⎜
⎝⎛
x
mmol
hrm
mxcatm
gcathgcat
molx
734x10-3 lt 1 No hay limitante por la difusioacuten interna
Ingenieriacutea Quiacutemica 47
UAM-I
Criterio de mears para difusioacuten interna Ec(12-62 Fogler)
Mm = 150ltAbc
bA
CkRnr ρminus
Mm =( )( )
0570
136000184200220
31110457508000106851
3
53
3
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ minusminus
hrs
mmol
sm
mxcatmgcat
hgcatmolx
0057 lt 015 no hay efecto de transferencia de masa externa Calculo de Dab para calcular el coeficiente de trasferencia de masa Ec(78 Lobo)
De =
KAAB DD11
1
+
DKA = 970X103 (80X10-8)(s
cmK 221 1090)
2400( =
DAB = 00018583ABAB
BA
PMMT
Ω
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ +
2
2123 11
γ
Para CO
0110=isin
Bk 0593 A=γ
Para O2
Ingenieriacutea Quiacutemica 48
UAM-I
0113=isin
Bk 0453 A=γ
( ) 51343359321
=+=ABγ
( )( )[ ] 21113110BAB k=isin A la temperatura de 400degK
( ) 583))113)(110((
40021 =
deg=
isin B
B
AB
B
KKKTK
Ω AB = 0907 Sustituyendo
DAB =s
cm2
2
2123
9730)9070()513(
)21281()400(00185830=
+
De = hrm
hrs
cmm
scm 222
03501
3600100
10980
10901
97301
1=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
+
Calculo de Kc Sh = (Re)12(Sc)13
Velocidad superficial
V = sm
shr
hrm
mxhr
m
Av
c
02036001976
1087
006025
3
0 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛== minus
Ingenieriacutea Quiacutemica 49
UAM-I
Re= ( ) 240)1062)(501(
)10491)(020(
1 25
4
=minus
=minus minus
minus
smx
mxsmvd p
νφ
Sc= 672)3600
1)(0350(
10622
25
==minus
shr
hrm
smx
Dv
AB
Sh= ( 024 )12 ( 267 )13 = 0679
Kc = Shdp
DAB⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛minusφ
φ1
Kc = ( )sm
mxs
mx02206790
10491
10729
50501
4
26
=⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛minus
minus
minus
Calculo de numero Thile con el radio que usara a nivel industrial
φ = L ( )DkCn n
AS
21 1minus+
L = 3R
Sustituyendo
φ = 66x10-4 m( )
( )
450
03502
018420
5480941311
3
30
3330
313
=
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+
catmhrm
mmol
hrcatmmolm
η = 1 con los resultados anteriores se observa que quieacuten limita es la velocidad de
reaccioacuten Por lo que se procede a calcular el peso y longitud de catalizador
necesaria para muestro purificador sustituyendo los valores del Boiler
Ingenieriacutea Quiacutemica 50
UAM-I
Peso del Catalizador w =
( ) grcatgcatLn
gcatm
mmol
hrcatmmolm
hrm
xLn
kCv
A
66476639401
1
6000001578
548094
19836
11
330
3330
313
3
0
0 asymp=minus
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
minus
g 664=w
33
3
1011
mg60000
g 664 mxwv minus===ρ
m 035003101011
2
33
==minus
mmxL
cm 531000350 == xL
Ingenieriacutea Quiacutemica 51
UAM-I
APEacuteNDICE B BALANCE DE MASA DE LA PREPARACIOacuteN DE HAUCL4 Au(g) + 3HNO3(ac) + 4HCL(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O + 3N02(g) (152 M) (105M)
cantidad de mol Au = 05 kg Au x molAu
grAumolAux
kggr 542
971961
11000
=
cantidad de kg HNO3 = ( ) 33
33 480
10001
1635423 kgHNO
grkgx
molHNOGRHNOxHNOmol =
cantidad de kgHCl = ( ) kgHClgr
kgxmolHCl
grHClHClxmol 3701000
11
5365424 =
cantidad de kgHAuCl4 = 254molHAuCl4 x 44
8601000
11
97339 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
gr=
cantidad de kgH2O = 3( 254mol)H20 x OkgHgr
kgxOmolHOgrH
22
2 1401000
1118
=
cantidad de Lt H20 = 762molHNO3 x OltHOkgHOLtH
22
2 14011
=
cantidad de Lt H20 = 1016 mol HNO3 x 050215
012
2 LtHmol
LtH=
cantidad de LtH20 = 1016mol HCl x OLtHLtHmolHCl
LtH22
2 010970510
01asymp=
cantidad de MHAUCl4 = ( ) ( ) ( ) MHltltlt
ClmolHAU 7210850490140
542
2
4 asymp++
cantidad de kg NO2(g) = 3( 254mol)NO2 x )(22
2 3501000
1146
SkgNOgr
kgxmolNO
grNO=
Ingenieriacutea Quiacutemica 52
UAM-I
05 kg Au 048 kgHNO3 035 kgNO2 101021 kgH20 (152M) 037 kgHCl(ac)
(105 m) 086 kg HAuCl4 (ac) 086 kg HAuCl4 (ac)
(17 M) 014 kgH20 (25x10-3M) 014kg H20 (L) 086kg HAuCl4 035kgNO2 (g) 101185kg H20 Cantidad de H20 = 086 kgHAuCl4
x 08510110101
105201
173341
11000
22
23
24 kgHLtHkgHx
MxltHx
grmolHAuClx
kggr
=minus
pero (101185 ndash 014 ndash 05 ndash 1) kg H20 = 101021 kg H20 100ml H20 por 1 gr soporte 35kg NH4 (OH)(AC) 10000kgH20 100 kg γAl203 (9965) 035kgAu (035) 100kg γAl203 025kgCl2 086kg HAuCl4 026kgHAuCl4
101185 kg H20 35kgNH4 (OH)(AC) 1101185kgH20 cantidad de kgHAuCl4 = 015kgAu x
44
4 2601000
11
973391
197196
147196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxgrAu
molxkg
gr=
cantidad de NH4(OH) = 100kg γ Al203 x
Ingenieriacutea Quiacutemica 53
UAM-I
kgNHxmol
grx
mlmol
xOAlgr
OHmlNHx
kg
gr53
10001
1
35
100010
1
)(10
1
1000
32
4=
γ4(OH)
30kg γAL2O3 1 kgNH4(OH)(AC) 30 kg γ Al203 (9965) 010 kg Au (035) 026kgHAuCl4 007kg Cl2 35kgNH4(OH) 1101185 kgH2O 0086kgHAuCl4 45 kg NH4(OH)(AC) 1101185 kg H20
cantidad de γ Al2O3 = 026kgHAuCl4 x 324
32 02330860
100 AlkgkgHAuCl
OAlkg γγ=
cantidad de kgAu = 035 x kgAukg 10506599
30=
cantidad de kg Cl2 = 01 kgAu x
22
2 07201000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de HAuCl4 = 005kgAu x
44
4 08601000
11
973391
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 54
UAM-I
cantidad de kgNO4(OH) = 30 kg γ Al203 x ( )OHkgNHAlkg
OHkgNO4
32
4 0510100
)(53=
γ
105 kg γ Al203 035 kg NH2(OH) 105 kg γ Al203 (9965) 004 kg Au (035) 009kg HAuCl4 003 kg Cl2 45kgNH4(OH) 1101185 kg H20 0017kgHAuCl4 485kgNH4 (OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 009 HAuCl4 x 324
32 04710860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad kg de NH4 (OH) = 105kg γ Al203 x ( ) )(3500100
534
32
4 OHkgNHAlkg
OHkgNH=
γ
cantidad de Cl2 = 004 kg Au x
22
2 02901000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
gAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 =
44
44 02001701000
11
973391
197196
11
1000010 kgHAukgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgr
molAuxkg
grkgAux asymp=
Ingenieriacutea Quiacutemica 55
UAM-I
23 kg γ Al203 008kgNH4(OH) 002 kg HAuCl4 23 kg γAl203 (9965) 485kgNH4(OH) 0008kgAu(035) 1101185kg H2 0001kg Cl2
0014 kg HAuCl4 493kgNH4(OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 002kgHAuCl4 x 324
32 032860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad de kg Au = 035 x kgAukg 00806599
32=
cantidad de kgCl2 = 0002kgAu x
24
4 00101000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 = 0008kgAu x
44
44 01401000
11
973341
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 56
UAM-I
APEacuteNDICE C ACCESORIOS EN EL DISENtildeO
Agitador
Agitadores de Heacutelice se escogioacute este tipo de agitador por ser tener las siguientes
caracteriacutesticas [3]
bull Es un agitador de flujo axial
bull Se emplea para liacutequidos pocos viscosos
bull Giran a toda la velocidad del motor
bull Las corrientes de flujo se mueven a traveacutes del liacutequido en una direccioacuten
determinada hasta que son desviadas por el fondo o las paredes del tanque
bull Las palas de la heacutelice cortan o friccionan vigorosamente el liacutequido
bull Los agitadores de heacutelice son eficaces para tanques de gran tamantildeo
Horno
bull El horno se escogioacute por ser tener las siguientes caracteriacutesticas [5]
bull El horno de construccioacuten metaacutelica
bull La caacutemara de combustioacuten estaacute construida mediante hormigones refractarios
de alta resistencia mecaacutenica
bull Las materias secar y calcinar se carga de forma manual
Ingenieriacutea Quiacutemica 57
UAM-I
Bomba
DISENtildeO Bomba centrifuga para operacioacuten horizontal o vertical del impulsor
cerrado succioacuten al extremo descarga hacia arriba tangencial simple succioacuten de un
paso con carcaza partida verticalmente [3]
ROTACIOacuteN En el sentido del reloj vista desde el cople
CARACTERIacuteSTICAS Conexiones brindadas con registro ubicado en la cabeza de
succioacuten para facilitar su limpieza
SERVICIO Debido a que es posible colocarla en posicioacuten horizontal o vertical tanto
en caacutercamos secos como huacutemedos y por el disentildeo de su impulsor que soacutelidos de
gran tamantildeo esta bomba es ideal para los procesos de tratamientos de agua y
manejo de liacutequidos en suspensioacuten en general
CAPACIDADES
GASTO Hasta 3000 GPM
CDT Hasta 80rsquo
PRESIOacuteN 106 Kgcmsup2
POTENCIA De 1 a 60 Hp
VELOCIDAD (1175 - 3550 RPM)
TEMPERATURA 125degC
Ingenieriacutea Quiacutemica 58
UAM-I
Bombas Centriacutefugas
Las maquinas centriacutefugas estaacuten constituidas por un impulsor o rodete formado por
una serie de aletas radiales diversas formas y curvaturas que giran dentro de una
caja circular El fluido penetra por el ojo o eje de rotacioacuten y se descarga maacutes o
menos radialmente en una caacutemara perifeacuterica a una elevada presioacuten que
corresponde a la suma de la fuerza centriacutefuga de la rotacioacuten maacutes la cineacutetica
comunicada al fluido por las aletas La parte moacutevil de la bomba es el rodete Las
aletas del rodete se extienden desde el centro de rotacioacuten hacia la periferia y las
bridas son los discos de refuerzo a cada lado de las aletas que las envuelven Las
aletas pueden ser radiales curvadas ligeramente hacia delante en el mismo sentido
de la rotacioacuten o estar curvadas al reveacutes en el caso maacutes comuacuten en el disentildeo se
determino el rodete siguiente por sus caracteriacutesticas Fig 1
Figura 1 Corte parcial de un rodete de centriacutefuga para grandes cargas y secciones
de paso estrechas empleando con liacutequidos corrosivos o suspensiones de pequentildeas
partiacuteculas[4]
Ingenieriacutea Quiacutemica 59
UAM-I
APENDICE D CALCULO DE POTENCIA DE BOMBAS (8)
Potencia de la bomba de la cisterna 1 que alimenta a los mezclador 4
Ecuacioacuten de Bernoulli
sum sumint =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛+++∆+∆i i
i
P
P
evvfDLvwdphgv 0
21
21
ˆ1
21 222
2
1ρ
a b c d e f
a Diferencia de velocidades
b Diferencia de alturas
c Diferencia de presiones
d Trabajo
e Perdidas de friccioacuten en tuberiacuteas
f Perdidas de friccioacuten en accesorios
En la ecuacioacuten anterior se pueden eliminar algunos teacuterminos
21 mts
6 mts 35 mts
Figura 1 Balance de cisterna 1 a mezclador 4
Se debe de tener dos puntos de referencia para la utilizacioacuten de la ecuacioacuten de
Bernoulli de los cuales se anotaron en la figura 2
Ingenieriacutea Quiacutemica 60
UAM-I
21 mts
2 1 6 mts 35 mts
Figura 2
Teniendo los puntos de referencia se analiza que las diferencias de velocidades son
cero en ambos puntos por lo tanto el termino 2
21 ν∆ es igual a cero
El termino de = (981hg∆ 2segm )(35m ndash 0) = 34335 2
2
segm
El termino de int2
1
1P
P
dpρ
se tiene que la cisterna y el tanque de mezclado ambos no
estaacuten cerrados y por lo tanto no originan un cambio de presioacuten y el termino es cero
De esta expresioacuten L longitud de tuberiacutea
tro de tuberiacutea
n el interior del tubo
v
Para la l radio del tubo que
sum ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
i
fDL2
21 ν
D diaacuteme
f perdidas de friccioacuten e
velocidad del flujo de agua
obtencioacuten de la velocidad se tiene el flujo volumeacutetrico y e
es de 32 cm =0032mts con la ecuacioacuten
Ingenieriacutea Quiacutemica 61
( )( ) sm
ms
m
RQ 761
032060min1)
min340(
2
3
2 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
==ππ
ν
UAM-I
Se reportan valores de perdida de fr
e reduce teacuterminos
iccioacuten en tubos que son igual a 005
Por lo tanto sustituyendo los teacuterminos en la ecuacioacuten de Bernoulli s
sum sumint =⎟⎠
⎜⎝
+⎟⎠
⎜⎝
+++∆+∆i i
iP
evvfD
vwdphgv 022
ˆ2
1ρ
⎞⎛⎞⎛ L 111 2222
or tanto el termino de trabajo queda expresado de la siguiente manera
tanto la bomba comunica al fluido que circula en el sistema un trabajo
+11727
P1
p w
sum sum ∆minus⎟⎠⎞
⎜⎝⎛minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛minus=
i ii
hgevvfDLvw 22
21
21
ˆ
( ) ( )
Este es el trabajo ( por unidad de masa) producido por el fluido en la bomba por lo
22
sm o 11727 981 = 1195
m
fKg
Kgm
La velocidad de flujo de masa es
Por lo tanto
1 )=6694
951)(675(ˆ =minus=minus WwW smkg f = 088Hp = 1Hp
Siendo esta ida para esta bomba El procedimiento anterior se
iguioacute para cada bomba de la planta
AP E
la potencia requer
s
EacuteNDICE
TOXICOLOGIacuteA DE MATERIAS PRIMAS [6]
( ) ( ) ( )( ) ( )( )msm
smmmm
sm 538192201150761
21050
032021536761
21
2
22minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ +minus⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ++
minus=wm
22
27117ˆ smw minus=
( )s
kgmkgQw m675100060340 3 === ρ
Ingenieriacutea Quiacutemica 62
UAM-I
HIDROacuteXIDO DE SODIO
Polvo corrosivo blanco delicuescente
Toxicidad
Concentracioacuten Maacutexima permisible 2mgm3 en aire
Signos y Siacutentomas Conjutivitis quemaduras corneales y de la piel Irritacioacuten
seas vomito dolor abdominal y diarrea a veces con
Lavado de las partes afectadas tranquilizantes sulfato de
decuada gafas protectoras o pantallas para
ignos y Siacutentomas Irritacioacuten de ojos quemaduras corneables tos dolores
l hemoptisis dolor de cabeza dolor epigaacutestrico nauseas y vomito
lmonar
Tratamiento lavado de ojos con agua reposo oxigeno con aparato de respiracioacuten
con onantes
ACIDO NITRICO
Liquido corrosivo sofocante de incoloro a amarillento
ioacuten maacutexima permisible 10ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
del tracto respiratorio nau
sangre
Tratamiento
morfina para el dolor y cortisona
Medidas preventivas Ventilacioacuten a
la cara completa mascarilla con filtro mecaacutenico guantes delantares botas de
goma y acentuar la limpieza personal
CLORO
Gas pasado amarillo verdoso
Toxicidad
Conc Maacutexima permisible 1 ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten
S
retrosterna
debilidad cianosis y edema pu
trolada bronco dilatadores y descongesti
Toxicidad
Concentrac
Ingenieriacutea Quiacutemica 63
UAM-I
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
Signos y siacutentomas Erosioacuten dental estornudo tos Dolor en el pecho bronquitis y
la las partes contaminadas del cuerpo con solucioacuten al 5 de
de las quemaduras con pantildeos
de triacuteo sulfato soacutelido si se a ingerido
vado de ojos con agua
ACIDO CLORIDRICO
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
ivitis necrosis corneal por inhalacioacuten rinitis erosioacuten
dolor de cabeza palpitacioacuten por ingestioacuten
s en la boca faringe esoacutefago estomago salivacioacuten vomito Soc
agua lavada de agua y jaboacuten de las partes
preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
AacuteC
El c
con o de hidroacutegeno una
concentracioacuten de 12 molLt Este aacutecido es un liacutequido incoloro con un olor aacutecido
bronconeumoniacutea
Tratamiento
bicarbonato soacutelido o con agua y jaboacuten Tratamiento
mojados con solucioacuten saturada
administracioacuten por viacutea oral de solucioacuten de jaboacuten Hidroacutexido caacutelcico o alumiacutenico u
oacutexido de magnesio
Medidas preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores excluir de la exposicioacuten
a los individuos con enfermedades de pulmones y rintildeones
Gas incoloro o liacutequido o a amarillento
Toxicidad
Concentracioacuten maacutexima permisible 5ppm en aire
Signos y siacutentomas conjunt
dental laringitis bronquitis neumoniacutea
quemadura
nefritis
Tratamiento lavado de ojos con
contaminantes del cuerpo tratamiento ordinario de quemaduras lavado gaacutestrico
se a ingerido con solucioacuten de bicarbonato soacutedico al 5 seguido de una instilacioacuten
de gel de hidroacutexido de aluminio
Medidas
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores
IDO CLORHIacuteDRICO
loruro de hidroacutegeno es en extremo soluble en agua de hecho el aacutecido clorhiacutedrico
centrado contiene cerca del 38 en masa de clorur
Ingenieriacutea Quiacutemica 64
UAM-I
pronunciado que se debe al equilibrio entre el cloruro de hidroacutegeno gaseoso y
ste con el aacutecido fluorhiacutedrico el aacutecido clorhiacutedrico es un aacutecido fuerte (pKa = -
7) y se ioniza casi totalmente
gar de aacutecido sulfuacuterico auque en menor grado Por
jemplo el zinc metaacutelico reacciona con aacutecido clorhiacutedrico para dar el ion zinc e
hidroacutegeno gaseoso
Zn(s) + 2HCl(ac) ZnCl2(ac) + H2(g)
l para producir aacutecido clorhiacutedrico en el laboratorio es generar
cloruro de hidroacutegen e sodio y el aacutecido
ulfuacuterico En el primer paso a 150degC se forma hidroacutegeno sulfato de sodio
NaHSO4(s) + HCl(g)
io y maacutes
loruro de hidroacutegeno gaseoso Luego el gas se disuelve en agua para formar el
aacutecido
NaHSO4(s) + NaCl(s) Na2SO4(s) + HCl(g)
acuoso
HCl(ac) HCl(g)
El reactivo de grado teacutecnico a menudo tiene un color amarillento por una impureza
del ion hierro (III)
En contra
HCl(ac) + H2O(l) H2O+(ac) + Cl -(ac)
Por ello a menudo se prefiere usar aacutecido clorhiacutedrico diluido en lugar de aacutecido niacutetrico
que es muy oxidante y en lu
e
Cuando el zinc reacciona con el aacutecido niacutetrico es comuacuten que se reduzca una parte
del ion nitrato para dar dioacutexido de nitroacutegeno
El meacutetodo tradiciona
o gaseoso por la reaccioacuten entre el cloruro d
s
NaCl(s) + H2SO4(l)
La mezcla se calienta a 550degC temperatura a la cual el hidroacutegeno sulfato de sodio
reacciona con un exceso de cloruro de sodio para formar sulfato de sod
c
∆
Este meacutetodo se usa tambieacuten en la industria otra forma de producir cloruro de
hidroacutegeno es por la combinacioacuten directa de dicloro y dihidroacutegenogaseosos
Ingenieriacutea Quiacutemica 65
UAM-I
H2(g) + Cl2(g) 2HCl(g)
La mayor cantidad de cloruro de hidroacutegeno que se produce actualmente es un
CH4(g) + 4Cl2(g) 4(l) + 4HCl(g)
riacuten de superficies de acero en un bantildeo aacutecido en la purificacioacuten de glucosa
y jarabe de maiacutez e s y de gas y en la
bricacioacuten de compuestos clorados El aacutecido se puedo comprar en muchas
nducida por la luz
4HNO3(ac) 4NO2(g) + O2(g) + 2H2O(l)
niacutetrico como disolvente)
H2NO3+ H2O + NO2
+
l siguiente
3HNO NO3 ndash
subproducto de otros procesos industriales como la siacutentesis de tetracloruro de
carbono
CCl
Se consumen cerca de 107 toneladas de aacutecido clorhiacutedrico cada antildeo en todo el
mundo Este aacutecido tiene una gama muy amplia de usos como aacutecido comuacuten para
eliminar o
n el tratamiento con aacutecido de pozos petrolero
fa
ferreteriacuteas con el arcaico nombre de aacutecido muriaacutetico sus principales usos caseros
son la limpieza de superficies de concreto y la eliminacioacuten de herrumbre Un nuacutemero
muy reducido de personas es incapaz de sintetizar suficiente jugo gaacutestrico y deben
de ingerir caacutepsulas de aacutecido clorhiacutedrico diluido con cada comida
AacuteCIDO NIacuteTRICO
El aacutecido niacutetrico un liacutequido aceitoso e incoloro en estado puro es sumamente
peligroso El aacutecido que funde a ndash42degC y hierve a +83degC tiene por lo general un
ligero color amarillo a causa de una reaccioacuten de descomposicioacuten i
En un estado puro el aacutecido niacutetrico liacutequido praacutecticamente no conduce la electricidad
Una pequentildea porcioacuten se ioniza como sigue (todas estas especies existen en el aacutecido
2HNO3(l) H2NO3+ + NO3
ndash
H2O + HNO3 H3O+ + NO3 ndash
Para dar la reaccioacuten globa
3 NO2+ + H3O + 2+
Ingenieriacutea Quiacutemica 66
UAM-I
El catioacuten nitrilo es importante en la nitracioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas por ejemplo la
obenceno C6H5NO2 una etapa importante en
umerosos procesos industriales orgaacutenicos
El aacutecido niacutetrico con en agua mientras
ue el ldquoaacutecido niacutetrico fumanterdquo un oxidante extremadamente poderoso es una
vez de ello se produce una mezcla de
sistema que da un orden de
vista industrial el
oceso
e lleva a cabo en tres etapas Primero se hace pasar una mezcla de amoniaco y de
dioxiacutegeno (o aire) un proceso muy
ficiente y exoteacutermico que hace que la malla se ponga al rojo Esta etapa se verifica
conversioacuten de benceno C6H6 en nitr
n
centrado es en realidad una solucioacuten al 70
q
solucioacuten roja de dioacutexido de nitroacutegeno en aacutecido niacutetrico puro Incluso cuando esta
diluido el aacutecido niacutetrico es un oxidante tan fuerte que rara vez desprende hidroacutegeno
cuando se pone en contacto con metales en
oacutexidos de nitroacutegeno y el metal se oxido a su catioacuten
Los enlaces O-N son mucho maacutes cortos (121 pm) que el enlace O-N unidos al aacutetomo
de hidroacutegeno (141 pm) Esta longitud de enlaces indica que hay enlaces muacuteltiples
entre el nitroacutegeno y los dos aacutetomos de oxiacutegeno terminales Ademas de los electrones
del sistema σ hay cuatro electrones que participan en el sistema π O-N-O dos de un
orbital enlazante y dos en un orbital no enlazante
enlace de 112 para cada uno de esos enlaces nitroacutegeno- oxiacutegeno
A veces se nos olvida hasta queacute punto nuestra experiencia depende de la
termodinaacutemica y la cineacutetica Por ejemplo la primera siacutentesis industrial de aacutecido
niacutetrico se llevaba ha cabo por simple combinacioacuten de diniacutetrogeno dioxiacutegeno y agua
utilizando un horno de arco eleacutectrico a fin de proporcionar la energiacutea necesaria par
superar la muy elevada barrera cineacutetica Aunque desde el punto de
factor cineacutetico constituiacutea un problema en realidad es una bendicioacuten por que sin esta
barrera cineacutetica hace mucho tiempo que todo el dioacutexido de la atmoacutesfera se abriacutea
transformado en aacutecido niacutetrico y nuestros mares serian de aacutecido niacutetrico diluido
frac12 N2(g) + 54O2(g) + 12H2O(g) HNO3(g)
Ahora se utiliza el proceso Ostwald para la siacutentesis de aacutecido niacutetrico Este proceso
consume gran parte del amoniaco que se produce por el proceso Haber El pr
s
a traveacutes de una malla de platino metaacutelico Eacuteste es
e
a baja presioacuten para aprovechar el efecto entropico es decir la formacioacuten de 10
moles de gas a partir de 9 moles de gas (una aplicacioacuten del principio de Le Chatelier)
para desplazar el equilibrio a la derecha
Ingenieriacutea Quiacutemica 67
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4NH3(g) + 5O2(g) 4NO(g) + 6H2O(g)
Se agrega maacutes oxiacutegeno para oxidar el monoacutexido de nitroacutegeno a dioacutexido de nitroacutegeno
A fin de mejorar el rendimiento de esta reaccioacuten exoteacutermica se extrae calor de los
ases y la mezcla se somete a presioacuten
2HNO3(l) + NO(g)
Esta reaccioacuten tambieacuten es exoteacutermica y una vez maacutes se aplica enfriamiento y alta
la
egunda etapa para oxidarlo de nuevo
La contaminacioacuten s de aacutecido niacutetrico
as plantas maacutes antiguas eran faacutecilmente identificables por la fumarola cafeacute-
antas maacutes antiguas ahora mezcla cantidades
en Estados Unidos porque un 20
dedica ala produccioacuten de explosivos
or ultimo el aacutecido niacutetrico es un liacutequido que hierve a 826degC No existe como liacutequido
g
2NO(g) + O2(g) 2NO2(g)
El dioacutexido de nitroacutegeno se mezcla con agua para dar una solucioacuten de aacutecido niacutetrico
3NO2(g) + H2O(l)
presioacuten par obtener el maacuteximo rendimiento El monoacutexido de nitroacutegeno se vuelve a
s
soliacutea ser un problema importante de las planta
L
amarillento del dioacutexido de nitroacutegeno que escapaba por ellas Las plantas maacutes
antiguas eran faacutecilmente identificable por la fumadora cafeacute-amarillo del dioacutexido de
nitroacutegeno que escapaba de ellas Las pl
estequiomeacutetricas de amoniaco con las oacutexidos de nitroacutegeno con lo cual se obtiene
dinitroacutegeno y vapor de agua ambos inocuos
NO(g) + NO2 (g) + 2NH3(g) 2N2(g) + 3H2O(g)
En todo el mundo alrededor del 80 del aacutecido niacutetrico se utiliza en la produccioacuten de
fertilizantes Esta proporcioacuten es de solo el 65
se
P
puro porque en alguna medida se descompone espontaacuteneamente como sigue
4HNO3(l) 4NO2(g) + 2H2O(l) + O2(g)
Ingenieriacutea Quiacutemica 68
UAM-I
El aacutecido niacutetrico concentrado que se usa en el laboratorio estaacute al 68 en masa HNO3
(densidad 142 gcm3) lo que corresponde a 157 M
l aacutecido niacutetrico es un poderoso agente oxidante El nuacutemero de oxidacioacuten del N en el
) El aacutecido niacutetrico puede oxidar
nto a metales que estaacuten abajo del hidroacutegeno como aquellos que se encuentran
4Zn2+(ac) + NH4
+(ac) + 3H2O(l)
do no oxida al oro Sin embargo cuando se mezcla con
cido clorhiacutedrico concentrado en relacioacuten 13 en volumen (una parte de HNO3 a tres
partes al oro
omo sigue
APEacuteNDICE F
ETODO DE DEPOSICIOacuteN-PRECIPITACIOacuteN
E
HNO3 es + 5 Los productos maacutes comunes de la reduccioacuten del aacutecido niacutetrico son el
NO2 (N = + 4) el NO (N = + 2) y el NH4+ (N = - 3
ta
arriba en la serie de actividades Por ejemplo el cobre es oxidado por el aacutecido niacutetrico
concentrado como se mencionoacute antes
En presencia de reductores fuertes como el zinc metaacutelico el aacutecido niacutetrico se puede
reducir hasta ion amonio
4Zn(s) + 10H+(ac) + NO3
-(ac)
El aacutecido niacutetrico concentra
aacute
de HCl) la disolucioacuten resultante denominada agua regia puede oxidar
c
Au(s) + 3HNO3(ac) + 4HCl(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O(l) + 3NO2(g)
M
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APEacuteNDICE G
ISENtildeO DEL MEZCLADOR [4]
1) 100 ml H2O gr soporte
2) NH4(OH)
Ajustar a PH = 9 4) HAuCl4 (solucioacuten acuosa al 25E-3M)
6) Filtrado o centrifugado
3) En Agitacioacuten por 2 hr
8) Secado por 2hr a 80 degC
9 ) Calcinado por 4hr a 400 degC
7) Lavado
5) Antildeegamiento por 30 min
D
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El disentildeo de un tanque agitado dis n nuacutemero de elecciones sobre el
po y localizacioacuten del agitador las proporciones del tanque el nuacutemero y dimensiones
ada una de estas decisiones afectan a la velocidad
e circulacioacuten del liacutequido los modelos de velocidad y el consumo de potencia Como
pone de un gra
ti
de las placas deflectoras etc C
d
punto de partida en el disentildeo de los problemas ordinarios de agitacioacuten generalmente
se utiliza un agitador de turbina del tipo que se muestra en la figura 1 La proporcioacuten
tiacutepica es
31
=t
a
DD
1=tD
H 121
=tD
J 51
=aD
W 41
=aD
L
de estas ecuaciones se disentildeara el mezclador como datos se tiene el valor H que es
igual a 3 mts y el diaacutemetro del tanque D
Se determinara la medida de los reflectores
t que es igual 3 mts
121
=tD
J se despeja J
elacioacuten R31
=t
a
DD
se despeja Da
Relacioacuten
41
=aD
L se despeja L
elacioacuten se despeja W
( ) ( ) cmmtsmtsDJ 25250311==⎟
⎞⎜⎛=⎟
⎞⎜⎛= t 1212 ⎠⎝⎠⎝
( ) ( ) mtsmtsDD ta 1331
31
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=
( ) ( ) mtsmtsDL a 250141
41
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛= cm25=
51
=aD
WR
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Figura 2 a) Vista transversal del mezclador b) paletas del mezclador con la
donde se deposita el soporte
Figura 1 Medidas de un agitador de turbina
a) b)
s rejillas
H
J
E L
Da
D t
W
W
( ) ( ) cmmtsmtsDW a 2020151
5==⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎜⎝
=1 ⎞⎛
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Se sabe que la alta actividad cataliacutetica del oro esta relacionada con su tamantildeo esto
quiere decir que entre maacutes pequentildeas sean las partiacuteculas mayor actividad tendraacuten
nes estequiomeacutetricas el catalizador 007-Auγ-Al2O3-
P no mostroacute actividad para la oxidacioacuten de CO e H2 sin embargo al operar la
por lo tanto de las imaacutegenes anteriores se tiene que el meacutetodo DP es el maacutes
adecuado por lograr depositar mayor cantidad de Au con gran dispersioacuten y un
tamantildeo de partiacuteculas pequentildeo
Actividad Cataliacutetica A condicio
IM
misma muestra con un exceso de O2 la actividad inicioacute a partir de 140oC alcanzando
una conversioacuten maacutexima de 8748 a 400 degC (Figura 5) En vista de este uacuteltimo
resultado se decidioacute evaluar el catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP a las mismas
condiciones de exceso de O2 En este caso la actividad cataliacutetica inicioacute por debajo de
los 30oC incrementaacutendose casi linealmente con la temperatura hasta lograr una
conversioacuten maacutexima de 9367 a 127degC La diferencia en actividad entre ambos
catalizadores es notable Auacuten a muy bajos contenidos de Au el catalizador 007-Auγ-
Al2O3-IMP presenta una actividad importante sin embargo al aumentar cinco veces
este contenido (035) y manteniendo el tamantildeo de partiacutecula es posible disminuir la
temperatura de encendido calculada como la temperatura a la cual se logra el 50
de conversioacuten (T50) en 175oC Un uacuteltimo estudio fue la evaluacioacuten del catalizador
10-Auγ-Al2O3-IMP el cual presenta una T50 de 290 degC(ver Figura 5) la cual es 40 degC
mayor que el catalizador 007-Auγ-Al2O3-IMP auacuten cuando el contenido de Au es
mayor La Figura 5 muestra tambieacuten la comparacioacuten de estos resultados con
trabajos anteriores[10] en los que utilizan el catalizador 5-Auγ-Al2O3-IMP a
condiciones estequiomeacutetrica en este caso T50 es de 215 degC tan solo 35 degC de
diferencia en comparacioacuten con el catalizador 007-Auγ-Al2O3-IMP La diferencia en el
contenido de Au es 15 veces menor En general al trabajar en condiciones en exceso
de O2 se tiene una mayor conversioacuten a una menor temperatura por lo que se
esperariacutea que los resultados del catalizador 5-Auγ-Al2O3-IMP bajo condiciones de
exceso fueran mejores sin embargo los autores no presentan estos resultados
Catalizadores de Oro Soportado 18
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El catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP alcanzoacute 100 de conversioacuten a 176 degC a
condiciones de exceso de O2 (Figura 5) esta conversioacuten se mantuvo por 24 h sin
presentar indicios de desactivacioacuten (Figura 6) KRuth [12] reporta desactivacioacuten del
catalizador 10-Auγ-TiO2 a partir de 80 minutos de operacioacuten con una velocidad
espacial de 1x104 h-1 El catalizador fue preparado por deposicioacuten y contiene nano-
particulas (2-5nm) soportadas en TiO2 Sin embargo el catalizador logra 100 de
conversioacuten a 0 degC Esto es debido a que los catalizadores AuTiO2 presentan mayor
actividad a temperaturas bajas La Figura 6 muestra tambieacuten la conversioacuten reportada
por Seung-Jae[11] del catalizador 043-Auγ-Al2O3-IMP en donde la temperatura de
operacioacuten es de 25 degC sin embargo se tiene una desactivacioacuten apreciable a partir de
150 minutos de operacioacuten con una velocidad especiales de 8x10 h-1
Figura 5 Conversioacuten del CO para los catalizadores de 007-Auγ-Al2O3-IMP 10-
os resultados de conversioacuten del hidroacutegeno (Figura 7) muestran conversioacuten del 100
10 a 035 es de 20 degC
Auγ-Al2O3-IMP y de 035-Auγ-Al2O3-DP en condiciones de operacioacuten en exceso de
O2 la tasa de temperatura es de 2degC por minuto Datos Referencia [10]
L
por debajo de 150 degC con el catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP mientras que el
catalizador 007-Auγ-Al2O3-IMP logra conversioacuten completa hasta 270oC y para el
catalizador 10-Auγ-Al2O3-IMP se tiene una conversioacuten del 100 hasta 310 degC lo
cual indica que los tres catalizador son activos para ambas reacciones y que se
mantiene la tendencia observada para la oxidacioacuten de CO La disminucioacuten en T50 al
aumentar el contenido de Au de 007 a 035 es de 140oC mientras que para la de
Catalizadores de Oro Soportado 19
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Catalizadores de Oro Soportado 20
Figura 6 Variacioacuten de la conversioacuten con respecto al tiempo para la muestra de DP a
una temperatura de 180 degC Datos Referencia [11]
Figura 7 Oxidacioacuten de H sobre los catalizadores 035-Au2 γ-Al2O3-DP 007-Auγ-
Al2O3-IMP y 10-Auγ-Al2O3-IMP bajo condiciones de exceso de O2
La Figura 8 muestra como varia la temperatura de encendido con la cantidad de Au
en los catalizadores preparados en este trabajo Se observa un miacutenimo para el
catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP lo cual indica que la mayor actividad se logra a bajos
contenidos de Au y tamantildeos de partiacutecula menores que 5 nm
0
20
40
60
80
0 200 400 600 800 1000Tiempo (min)
Con
vers
ioacuten
de C
O (
) 100
035-Au -Al2O3-DP (176 degC)
043-Au -Al2O3-IMP (25 degC)
0
20
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Temperatura (degC)
40
60
Con
vers
ioacuten
de H
2 (
)
80
100
10-Au -Al2O3-IMP035-Au -Al2O3-DP007- Au -Al2O3-IMP50-Au -Al2O3-IMP
UAM-I
F
o
P
o
o
re
d
F
c
C
T50 (degC)
igura 8 Variacioacuten de la te
xidacioacuten de CO con respect
or ultimo se realizaron cu
peracioacuten pero variado la
btenidos se muestran en la
accioacuten presentan una tend
e catalizador
00000
00040
00080
00120
00160
00200
0
(-rc
o)
00000
igura 9 Velocidad de reac
ondiciones en exceso de O2
atalizadores de Oro Soportado
masa Au
mperatura de encendido a 50 de conversioacuten en la
o a la cantidad de Au en el catalizador
atro corridas maacutes bajo las mismas condiciones de
masa de catalizador Las velocidades de reaccioacuten
fig9En esta figura se observa que las velocidades de
encia lineal despueacutes de los 80degC al aumentar la masa
50 100 150 200 250 300T (degC)
3 gr cat
25 gr cat
2 gr cat
15 gr cat
1 gr cat
cioacuten de CO a diferentes masas de catalizador y bajo
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Se tomo una temperatura de 125 degC debido a las mediciones realizadas en
diferentes calentadores domeacutesticos Se encontroacute que la temperatura media es la
mencionada A partir de los datos experimentales se determinoacute que el orden de
reaccioacuten es 13 y la constante cineacutetica k = 480945 (m3)13[(mol)03m3cat hr] (00012
mhr) y un coeficiente de transferencia de masa de 792 mhr (ver apeacutendices A) con
estos valores y usando los criterios de Weisz-Prater y Mears[14] (ver apeacutendice B) se
obtuvo que no existe resistencia interna ni externa a la transferencia de masa por lo
que la cineacutetica es la que controla
24 CONCLUSIOacuteN DE LA EXPERIMENTACIOacuteN El meacutetodo de DP es mucho maacutes adecuado que el de IMP para la preparacioacuten de
catalizador de Au soportados en γ-Al2O3 ya que permitioacute obtener catalizadores con
cinco veces maacutes oro que el preparado por el meacutetodo IMP bajo condiciones similares
de preparacioacuten En ambos casos el tamantildeo promedio de partiacutecula fue menor que 5
nm Debido a esto el catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP presenta una mayor actividad
en la oxidacioacuten de CO e H2 sin observarse desactivacioacuten durante un periodo de 24 h
Puesto que en ambas muestras se consiguioacute una gran dispersioacuten y un tamantildeo
similar de nanopartiacuteculas de oro se tiene entonces que la principal diferencia de
actividad cataliacutetica se debe principalmente a la cantidad de Au en el catalizador Sin
embargo el catalizador 10-Auγ-Al2O3 presenta una menor conversioacuten que el de
035-Auγ-Al2O3-DP a pesar de contener maacutes Au por lo que hasta el momento se
podriacutea decir que la cantidad de Au optima se encuentra por debajo de 10 wt y por
arriba de 007 wt no obstante se requiere de la caracterizacioacuten del catalizador 10-
Auγ-Al2O3 se para determinar de que manera influyen el tamantildeo de partiacuteculas la
distribucioacuten el volumen y el tamantildeo de poro en los resultados esta caracterizacioacuten
asiacute como la evaluacioacuten cataliacutetica del catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP bajo
condiciones estequiomeacutetricas se encuentran en proceso
Catalizadores de Oro Soportado 22
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Pretice may Tercera edicioacuten Impresa en Meacutexico DF
Catalizadores de Oro Soportado 23
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C A P I T U L O III
D I S E Ntilde O D E L A P L A N T A I N D U S T R I A L
Catalizadores de Oro Soportado 24
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31 INTRODUCCIOacuteN
Este capitulo esta enfocado al disentildeo de la planta industrial donde se produciraacuten
catalizadores de Auγ-Al2O3 por el meacutetodo de Deposicioacuten-Precipitacioacuten (DP) descrito
en el capitulo 2
Parte de la produccioacuten de los catalizadores se destinaraacute a su venta en masa y otra
parte se destinaraacute para el equipo de purificacioacuten de calentadores de agua esto con
la finalidad que el catalizador que esta contenido dentro del equipo de purificacioacuten
cuando se desactive pueda remplazarse por catalizador nuevo disponible en el
mercado De esta forma se tendraacuten ganancias tanto al vender el equipo purificador
como al vender catalizador como materia prima
32 DISENtildeO DEL EQUIPO PURIFICADOR PARA CALENTADORES DE AGUA DOMEacuteSTICOS El equipo purificador se ubicaraacute a la salida del efluente gaseoso del calentador como
un equipo adicional como se muestra en la Figura 1 Se plantea colocarlo en una
posicioacuten tal que oxide a baja temperatura hasta el 90 de CO Las dimensiones del
purificador se determinaron seguacuten las especificaciones de calentador y el balance de
materia en el sistema purificador Estos caacutelculos se presentan en el Apeacutendice A
Los tubos de las chimeneas de los calentadores son de latoacuten por lo que se decidioacute
utilizar este material para la parte exterior la parte donde se colocaraacute el catalizador
es de 35 cm de longitud para colocarlo en el tubo de la salida del flujo de gas se
dieron 2 cm maacutes en cada extremo para hacer un tipo cople de manera que el tubo
entre en los extremos
Catalizadores de Oro Soportado 25
UAM-I
C O 2 2 0 c m 7 c m c m G A S C O
3
2cm
75 cm 35 cm
Figura 1 Esquematizacioacuten del equipo purificador y su ubicacioacuten en los calefones
Las dimensiones obtenidas (Apeacutendice A) y las caracteriacutesticas del purificado se
presentan en la Tabla 1
Tabla 1 Especificaciones de purificador
Material Latoacuten
Longitud 35 cm
Diaacutemetro 20cm
Cantidad de
Catalizador
700 gr
Catalizadores de Oro Soportado 26
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33 PRODUCCIOacuteN DE LA PLANTA INDUSTRIAL A partir de un estudio de mercado se encontroacute que en la Ciudad de Meacutexico hay
cuando menos cuatro empresas principales (CALOREX ELSA MAGAMEX y
CINSA) que fabrican calentadores de agua residenciales[1 2] Estas en promedio
producen 150 calefones diarios Por cada calefoacuten se requiere un equipo purificador
En este sentido de requieren idealmente 600 unidades de purificacioacuten por diacutea Esta
base se utilizoacute para el disentildeo de la planta
A partir del balance de masa en el purificador y empleado los resultados
experimentales a nivel laboratorio (ver apeacutendice A) se encontroacute que cada purificador
requiere 07 Kg de catalizador A partir de este resultado se requiere producir al
menos 420 Kg de catalizador para satisfacer la demanda en la produccioacuten de
calefones Con base en el balance de materia realizado en el mezclador se
determinoacute que la cantidad de catalizador obtenido despueacutes de cuatro lotes es de
570 Kg Tomando el resto de catalizador como reserva por cualquier contratiempo El
nuacutemero de lotes se determinoacute en base a que fuese rentable la recuperacioacuten de oro
34 DISENtildeO Y OPERACIOacuteN DE LA PLANTA
La fabricacioacuten del catalizador a nivel industrial esta basada en el escalamiento del
meacutetodo de siacutentesis descrito en la parte experimental Lo cual es una praacutectica comuacuten
en la fabricacioacuten de materiales cataliacuteticos
Para la produccioacuten de 570 Kg por diacutea se plantea utilizar cuatro mezcladores (ver
Figura 2) que operaran durante 8 h con cuatro intervalos (o cargas) de 2 h y
descansos de 30 min (dejando 30 min libres por contratiempos) Esta operacioacuten se
elige con base en las horas de trabajo y el meacutetodo de preparacioacuten del catalizador
Al igual que en la parte experimental el proceso requiere operacioacuten por lotes debido
a que se necesitan largos tiempos de contacto para obtener catalizadores eficientes
en la oxidacioacuten de CO a baja temperatura Se pretende utilizar un agitador tipo
Catalizadores de Oro Soportado 27
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canastilla[4] el cual permite colocar dentro de las mismas el catalizador para tener
una mejor impregnacioacuten de partiacuteculas de Au y eliminar la atricioacuten Las dimensiones
del agitador asiacute como del mezclador se presentan en la Figura 6
Al teacutermino de la uacuteltima carga en los mezcladores el lote completo del diacutea pasa al
horno para secarlo a 80degC por 2 h y calcinarlo a 400degC durante 4 h Durante estos
procesos se concluye la preparacioacuten del catalizador Las temperaturas y tasas de
calentamiento estaacuten basadas en el meacutetodo de preparacioacuten experimental descrito en
el Capitulo ll Posteriormente el catalizador producido pasa a la seccioacuten donde se
embolsa para ser vendido como materia prima y la otra parte pasa a la seccioacuten de
ensamblaje para fabricar el purificador
Dimensiones de la industria
Las dimensiones de los equipos como mezcladores cisternas tanque de
tratamiento horno etc se tomaron como base para poder suponer espacios entre
equipos para tener seguridad del personal Se dio preferencia a los mezcladores ya
que son las partes importantes en la elaboracioacuten de los catalizadores La cisterna
estaraacute enterrada para facilitar su llenado en el caso de los contenedores de HAuCl4
y NH4OH estaraacuten encima de bases maacutes altas que los mezcladores para poder
abastecerlos por gravedad Esto debido a que el volumen es poco no se requiere de
grandes cantidades por lo que no se requiere alguna bomba Se estuvo analizando
la forma de acomodar los equipos y se obtuvo la siguiente distribucioacuten que se
muestra en la Figura 3
En la Figura 4 se presenta el plano de la industria con sus respectivos
departamentos en la parte sur se encuentra la entrada principal en ella se encuentra
vigilancia y la entrada de empleados y obreros posteriormente esta la zona de
oficinas lado izquierdo del lado derecho se encuentra el estacionamiento para
clientes y empleados en el almaceacuten se encontraraacuten refacciones de equipo y
reservas de materia primas para los catalizadores en la zona de produccioacuten se tiene
el estacionamiento de proveedores para facilitar la entrada y salida del producto
Catalizadores de Oro Soportado 28
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado 29
Debido a que en cada industria debe existir un espacio recreativo se plantea una
cancha de Baacutesquetbol para los obreros y una zona de jardines en la parte norte
Ubicacioacuten de la industria
Para poder ubicar una industria es importante analizar la zona geograacutefica Para lo
cual se deben considerar algunos factores importantes por ejemplo No ubicarla en
zona de siacutesmica Si la industria requiere de un gran volumen de agua no ubicarla en
una regioacuten deseacutertica Si el producto es muy sensible al calor y la humedad evitar
zonas muy caacutelidas y huacutemedas Si se piensa vender el producto en una zona
especifica ubicar la industria cerca de la zona de venta para evitar gastos de
transportacioacuten A partir de este tipo de razonamientos se planea que debido a que el
producto que se elaborara que es un purificador cataliacutetico para su venta en la ZMVM
ya en ella estaacuten ubicadas las principales industrias de calentadores y debido a que la
planta requiere de un volumen considerable de agua se escogioacute el estado de
Morelos porque no esta muy lejos de la ZMVM y tiene reservas de agua Asiacute el gasto
de transportacioacuten de materias primas y sobre todo del producto elaborado seriacutea
pequentildeo
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
Agua
Tanque tratamien
Figur
NH4OH
HAuCl4
Produccioacuten de catalizadores
Recuperacioacuten de agua
de to
a
MezcladoresMezcladores
Cuando se requiere limpieza
Horno
Producto almaceacuten
30
1 Diagrama de produccioacuten Recuperacioacuten de cloro
UAM-I
35 BALANCE DE MATERIA DIAGRAMA DE FLUJO PARA DIFERENTES LOTES DE SOPORTE EN UN SOLO MEZCLADOR
Catalizadores de Oro So
05 Kg Au
10
0
086 Kg HAuCl4(ac)014 Kg H2O
035 Kg NO2(g)
2
35 Kg NH4(OH)(ac) (01M)
10000 Kg H2O
100 Kg Al3O
100 Kg Al2O3 (9965) 035 Kg Au (035) 025 Kg Cl2
026 Kg HauCl4(ac)35 Kg NH4(OH)
1101035 Kg H2O
O MEZCLADOR (t0)
10035 Kg catalizador
86 KgHAuCl4(ac)101035 Kg H2O
037 Kg HCl (ac) (105 M) 048 Kg HNO3(ac) (152 M)
porta
Kg N
30 Kg Al2Cl3
101021 Kg H2
do
H4 (OH) (ac) (01M) 30 Kg Al2O3 (9965) 01 Kg Au (035)
007 Kg Cl2
)
3
)
301 Kg catalizador MEZCLADOR (t1)
009 Kg HauCl4(ac)45 Kg NH4(OH)
1101035 Kg H2O
MEZCLADOR 1054 Kg catalizador
105 Kg Al2O3
(t2)
105 Kg Al2O3 (9965)
035 Kg NH4 (OH) (ac) (01M
004 Kg Au (035) 003 Kg Cl2
23 Kg Al2O
MEZCLADOR
(t3)23 Kg Al2O3 (9965)
2308 Kg catalizador
008 m3 NH4(OH) (ac) (01M
002 Kg HauCl4(ac)485 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
0008 Kg Au (035) 0006 Kg Cl2
0003 Kg HauCl4(ac)493 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
31
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado 32
DIAGRAMA DE FLUJO PARA UN MEZCLADOR
MEZCLADOR
1101035 Kg H2O
1428 kg γ-Al2O3
086 Kg HAuCl4
493 Kg NH4(OH)
0003 Kg HauCl4(ac)493 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
1433 Kg Catalizador
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
36 DIAGRAMA DE LA INDUSTRIA
INDUSTRIA DE CATALIZADORES
TANQUE DE TRATAMIENTO HORNO
CISTERNA 1
CONTENEDORDE AuCl3 CONTENEDOR DE
NH4OH ZONA DE LLENADO
DE SAPORTE
SE LLEVA AL HORNO
MANUALMENTE
PRODUCTOALMACEacuteN
Contenedor de HAuCl4
Figura 2 Diagrama de la distribucioacuten del equipo dentro del aacuterea de produccioacuten
33
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
37 DIMENSIONES DEL EQUIPO Y TUBERIacuteA
2 mts
2 mts 2 mts 6 mts 4 mts 3 mts 5mts 5 mts 3 mts 6 mts 3
3mts 3 mts 3mts 3 mts 3 mts
4 mts 1 5 mts 1 5 mts 4mts 4 7mts 4 mts 21 mts 7 2mts 26 mts 2 mts 21 mts 6 mts
3 5 mts 14 mts 6 mts 8 mts 1 5 mts 3 mts 5 mts 13 mts 8 mts 20 mts 30 mts
IN D U ST R IA D E C A T A L IZ A D O R E S
T AN Q U E D E T R AT AM IE N T O H O R N O
C IST E R N A 1
C O N T EN ED O RD E Au C l3
C O N T EN E D O R D E N H 4O H
ZO N A D E L LEN AD O D E SO PO R T E
AG UA PAR A JAR D IN ES
M E Z C L A D O R E S 12 3 y 4
1 2 3 4
A L M A C Eacute N
Contenedor de HAuCl4
Figura 3 Dimensiones del equipo y tuberiacutea requerida
34
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
38 PLANO DE DISTRIBUCIOacuteN DE AacuteREAS
Figura 4 Aacutereas de trabajo dentro de la planta
35
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
DIMENSIONES DE LA INDUSTRIA
Figura 5 Dimensiones de cada aacuterea de la planta industrial
36
UAM-I
Ingenieriacutea Quiacutemica 37
10 cm 3mts 1 mts 25 cm 15cm 5 cm 5 cm 3mts 150 mts 10 cms 100 mts 20 cm
003 mts
Figura 6 Dimensiones del mezclador y del Agitador
UAM-I
Las dimensiones de las canastillas se determinaron a partir del balance de masa y la
produccioacuten requerida La carga de un contenedor de soporte que es de 100kg del
cual el agitador tiene 4 canastillas cada una corresponde 25 Kg la masa se obtuvo
del balance de materia y su densidad 600 Kgm3 con el que se obtuvo un volumen de
0043 m3
39 ANAacuteLISIS FINANCIERO
El costo de materias primas se muestra en la Tabla 2 en la que tambieacuten se incluyen
los flujos de alimentacioacuten requeridos para el proceso a partir de los cuales se
determinaron los costos diarios
Tabla 2 Costo de materias primas [5]
Compuesto
Alimentacioacuten
por diacutea
Costo
USDKg
Costo Total
USDdiacutea
Au 2 kg 10596 2119200
HCl 15 Kg 52 780
HNO3 20 Kg 022 044
-Al2O3 5712 Kg 034 19421
Canastillas 500 piezas 15 75000
NH3(OH) 200 Kg 034 680
H2O 440414 Kg 282 282
Total de Materia Prima 2215407
El costo se determinoacute considerando la cantidad de material el tamantildeo y el costo de
manufactura
El costo se determinoacute para uso industrial conforme establece la tesoreriacutea de
Meacutexico
Ingenieriacutea Quiacutemica 38
UAM-I
PERSONAL REQUERIDO PARA LA INDUSTRIA
La Tabla 3 establece los salarios mensuales anuales y las prestaciones del IMSS
para el personal de la planta
Tabla 3 Salarios y Prestaciones del Personal
Mano de Obra (USDmes)p
ersona
USDmes USDantildeo Prestaciones
IMSS
1 Gerente 2000 2000 24000
1 Administrador 1000 1000 12000
1 Secretaria 400 400 4800 1193
Total de Salarios
Administrativos
40800 1193 409193
9 Obrero 150 150 1800 448
1 Teacutecnico 200 200 2400 597
1 Policiacutea 200 200 2400 597
1 Mantenimiento 180 180 2160 538
1 Limpieza 150 150 1800 448
Total de Salarios
Proceso
10560 2628 108228
Los salarios se determinaron en base al salario miacutenimo vigente en la Ciudad de
Meacutexico (2003)[29]
Ingenieriacutea Quiacutemica 39
UAM-I
PERSONAL
Departamento de produccioacuten
Se tendraacute 2 obreros en el llenado de soporte en las rejillas un obrero encargado del
traslado de rejillas por medio de la banda de los motores a cada contenedor un
obrero en cada contenedor de NH4OH y HAuCl4 en cada mezclador se tiene 1
obrero para descargar y cargar las rejillas a la banda que se trasladaran al horno en
el horno se tiene 1 obrero encargado del secado y calcinado el producto se traslada
al almaceacuten donde estaraacuten 2 obreros que reciben el producto y materias primas de los
proveedores se tiene 1 teacutecnico supervisando los equipos un encargo del
mantenimiento de los equipos
Departamento de personal
Gerente de la industria un administrador encargado de compra y venta de materias
primas una secretaria
Ingenieriacutea Quiacutemica 40
UAM-I
CAPITAL FIJO
La Tabla 4 muestra el costo de los equipos requeridos en la planta asiacute como el
Capital Fijo y la Inversioacuten del Capital Total
Tabla 4 El equipo se costeo usando las correlaciones de Ulrich [6] y empleando el
programa de Capcost
EQUIPO USD
4 Contenedores 23584
4 Agitadores (456kW) 269760
1 Horno (25 kW) 15700
15 Bombas (1469kW) 43081
1 Motor (114 kW) 67440
Tuberiacuteas 42150
2 Cisternas 174183
Vaacutelvulas 1283
Accesorios
(codos 90ordm y de 45ordm te)
1474
CAPITAL FIJO 638655
Capital de Trabajo 9579825
INVERSIOacuteN DE
CAPITAL TOTAL
73445325
Los caacutelculos y las correlaciones empleadas para el costeo del equipo se anexan en
el Apeacutendice A
Ingenieriacutea Quiacutemica 41
UAM-I
GASTOS GENERALES
Tabla 5 Proporciona el total de gastos anuales con lo cual se estima el precio por
kilo de catalizador y por unidad purificadora
Tabla 5 Gastos Generales anuales
USDAntildeo
Materias Primas 531697680
Mano de Obra de Operacioacuten 1082280
Mano de Obra de Oficina 4091930
Servicios Electricidad 2620100
Total de Gastos Generales 539491990
CFE
Produccioacuten diaria de Catalizador = 574 Kg
Precio de Catalizador = 40 USDKg
Produccioacuten diaria de unidades purificadoras = 500
Precio por unidad = 50USD
Ganancia diaria = 22960 USD
Ganancia Anual = 5510400 USD
DETERMINACIOacuteN DE LA RENTABILIDAD DEL PROYECTO
TPI (Actual) = 10
PR (Factor de riesgo) = 25
TREMA = TPI + PR
TREMA = 35
TIR (del proyecto) = 90
TIR gt TREMA
Puesto que la TIR es mayor que la TREMA se tiene que el proyecto es rentable [6]
Ingenieriacutea Quiacutemica 42
UAM-I
310 CONCLUSIONES
En el desarrollo de la industria para la fabricacioacuten de catalizadores se tuvo un
resultado satisfactorio a pesar de la falta de informacioacuten disponible acerca de
industrias de catalizadores debido a que esta informacioacuten no es publica El proyecto
que elaboramos es novedoso en nuestro paiacutes ya que no existen registros de una
industria que produzca catalizadores de oro soportados en aluacutemina
Durante el desarrollo del proyecto se planteoacute trabajar con compuestos como NOx y
COVS sin embargo debido a la falta de tiempo no se logroacute concluir la
experimentacioacuten en estos campos Debido a esto se tomoacute la decisioacuten de trabajar en
la oxidacioacuten cataliacutetica de CO Esto debido a varios factores por ejemplo la
disponibilidad de gases y sobre todo los costos que esto implicaba
Para el desarrollo del catalizador se analizaron diferentes tipos de preparacioacuten y se
eligieron dos meacutetodos diferentes Deposicioacuten-precipitacioacuten e Impregnacioacuten Los
catalizadores se evaluaron bajo diversas condiciones en la oxidacioacuten de CO El
catalizador que presentoacute mayor conversioacuten con el catalizador a baja temperatura fue
el sintetizado por el meacutetodo de Deposicioacuten-precipitacioacuten el cual se utilizoacute para el
disentildeo de la Industria El disentildeo estaacute basado en la forma de preparacioacuten del
catalizador Por esto la parte maacutes importante de la planta es el tanque de mezclado
el cual se disentildeo tomando en cuenta los diferentes disentildeos de agitadores para tener
un mezclado oacuteptimo Se incorporo en la parte superior del agitador las canastillas
para las pastillas cataliacuteticas y el tipo de Horno que se usara para el secado y
posteriormente el calcinado Una parte importante es la produccioacuten de catalizador
para este problema se investigoacute en que parte se podriacutea utilizar a diferencia de los
catalizadores para automoacuteviles Se llego a la decisioacuten de poder desarrollar un
catalizador para los calentadores de agua se obtuvo informacioacuten de la fabrica de
calentadores cal-o-rex en la produccioacuten diaria de calentadores y de esta informacioacuten
se pudo calcular la posible demanda de nuestro producto Una parte importante en
las industrias son el tipo de bombas ya que existen diversos modelos en nuestro
disentildeo se escogioacute las bombas centriacutefugas con rodetes para agua que contiene
pequentildeas partiacuteculas de soacutelidos
En la parte de servicios para personal se investigo los sueldos de cada empleado Se
determinoacute el costo de los equipos y finalmente llegamos a la parte que nos interesa
Ingenieriacutea Quiacutemica 43
UAM-I
del disentilde es decir si el proyecto es rentable o no En este caso particular se tuvo un
valor aceptable y se definioacute que el disentildeo es rentable Esto indica que seria una
industria que tendriacutea ganancias y a la vez que el producto que se fabrique nos
ayudaraacute a todos a reducir la emisioacuten de CO en los hogares aportando una pequentildea
ayuda al medio ambiente
COMENTARIOS
Los conocimientos adquiridos durante este tiempo fueron provechosos en la parte
teoacuterica y praacutectica aclaramos dudas de como y porque se comportan las reacciones
quiacutemicas y los procesos de flujos Durante el desarrollo del proyecto aprendimos a
observar y la importancia de entender fiacutesicamente las algunos procesos relacionados
con la siacutentesis y caracterizacioacuten de materiales cataliacuteticos
Ingenieriacutea Quiacutemica 44
UAM-I
38 BIBLIOGRAFIacuteA
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UAM-I
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Ingenieriacutea Quiacutemica 46
UAM-I
APEacuteNDICE A
CRITERIOS PARA DETERMINAR QUIEacuteN CONTROLA EL PROCESO
Criterio de weisz para difusioacuten interna
Ec(12-16 Fogler) Los valores que se sustituyen en las siguientes ecuaciones fueron
tomados del catalizador que se analizo en el laboratorio
CWP = ( )
AS
cObsA
DeCRcr 2minus
lt 1
-rA(Obs) = velocidad de reaccioacuten observada molgcats Cc = concentracioacuten volumeacutetrica molm3
CAS = concertacioacuten en la superficie molm3
D= diaacutemetro del granulo m R = radio del granulo m De = difusividad efectiva m2s
d = 0149mm mxmm
m 4104911000
1 minus=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
CWP = ( )( )3
32
24
33
103470184200350
21049150800010681
minus
minusminus
=⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞⎜
⎝⎛
x
mmol
hrm
mxcatm
gcathgcat
molx
734x10-3 lt 1 No hay limitante por la difusioacuten interna
Ingenieriacutea Quiacutemica 47
UAM-I
Criterio de mears para difusioacuten interna Ec(12-62 Fogler)
Mm = 150ltAbc
bA
CkRnr ρminus
Mm =( )( )
0570
136000184200220
31110457508000106851
3
53
3
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ minusminus
hrs
mmol
sm
mxcatmgcat
hgcatmolx
0057 lt 015 no hay efecto de transferencia de masa externa Calculo de Dab para calcular el coeficiente de trasferencia de masa Ec(78 Lobo)
De =
KAAB DD11
1
+
DKA = 970X103 (80X10-8)(s
cmK 221 1090)
2400( =
DAB = 00018583ABAB
BA
PMMT
Ω
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ +
2
2123 11
γ
Para CO
0110=isin
Bk 0593 A=γ
Para O2
Ingenieriacutea Quiacutemica 48
UAM-I
0113=isin
Bk 0453 A=γ
( ) 51343359321
=+=ABγ
( )( )[ ] 21113110BAB k=isin A la temperatura de 400degK
( ) 583))113)(110((
40021 =
deg=
isin B
B
AB
B
KKKTK
Ω AB = 0907 Sustituyendo
DAB =s
cm2
2
2123
9730)9070()513(
)21281()400(00185830=
+
De = hrm
hrs
cmm
scm 222
03501
3600100
10980
10901
97301
1=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
+
Calculo de Kc Sh = (Re)12(Sc)13
Velocidad superficial
V = sm
shr
hrm
mxhr
m
Av
c
02036001976
1087
006025
3
0 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛== minus
Ingenieriacutea Quiacutemica 49
UAM-I
Re= ( ) 240)1062)(501(
)10491)(020(
1 25
4
=minus
=minus minus
minus
smx
mxsmvd p
νφ
Sc= 672)3600
1)(0350(
10622
25
==minus
shr
hrm
smx
Dv
AB
Sh= ( 024 )12 ( 267 )13 = 0679
Kc = Shdp
DAB⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛minusφ
φ1
Kc = ( )sm
mxs
mx02206790
10491
10729
50501
4
26
=⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛minus
minus
minus
Calculo de numero Thile con el radio que usara a nivel industrial
φ = L ( )DkCn n
AS
21 1minus+
L = 3R
Sustituyendo
φ = 66x10-4 m( )
( )
450
03502
018420
5480941311
3
30
3330
313
=
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+
catmhrm
mmol
hrcatmmolm
η = 1 con los resultados anteriores se observa que quieacuten limita es la velocidad de
reaccioacuten Por lo que se procede a calcular el peso y longitud de catalizador
necesaria para muestro purificador sustituyendo los valores del Boiler
Ingenieriacutea Quiacutemica 50
UAM-I
Peso del Catalizador w =
( ) grcatgcatLn
gcatm
mmol
hrcatmmolm
hrm
xLn
kCv
A
66476639401
1
6000001578
548094
19836
11
330
3330
313
3
0
0 asymp=minus
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
minus
g 664=w
33
3
1011
mg60000
g 664 mxwv minus===ρ
m 035003101011
2
33
==minus
mmxL
cm 531000350 == xL
Ingenieriacutea Quiacutemica 51
UAM-I
APEacuteNDICE B BALANCE DE MASA DE LA PREPARACIOacuteN DE HAUCL4 Au(g) + 3HNO3(ac) + 4HCL(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O + 3N02(g) (152 M) (105M)
cantidad de mol Au = 05 kg Au x molAu
grAumolAux
kggr 542
971961
11000
=
cantidad de kg HNO3 = ( ) 33
33 480
10001
1635423 kgHNO
grkgx
molHNOGRHNOxHNOmol =
cantidad de kgHCl = ( ) kgHClgr
kgxmolHCl
grHClHClxmol 3701000
11
5365424 =
cantidad de kgHAuCl4 = 254molHAuCl4 x 44
8601000
11
97339 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
gr=
cantidad de kgH2O = 3( 254mol)H20 x OkgHgr
kgxOmolHOgrH
22
2 1401000
1118
=
cantidad de Lt H20 = 762molHNO3 x OltHOkgHOLtH
22
2 14011
=
cantidad de Lt H20 = 1016 mol HNO3 x 050215
012
2 LtHmol
LtH=
cantidad de LtH20 = 1016mol HCl x OLtHLtHmolHCl
LtH22
2 010970510
01asymp=
cantidad de MHAUCl4 = ( ) ( ) ( ) MHltltlt
ClmolHAU 7210850490140
542
2
4 asymp++
cantidad de kg NO2(g) = 3( 254mol)NO2 x )(22
2 3501000
1146
SkgNOgr
kgxmolNO
grNO=
Ingenieriacutea Quiacutemica 52
UAM-I
05 kg Au 048 kgHNO3 035 kgNO2 101021 kgH20 (152M) 037 kgHCl(ac)
(105 m) 086 kg HAuCl4 (ac) 086 kg HAuCl4 (ac)
(17 M) 014 kgH20 (25x10-3M) 014kg H20 (L) 086kg HAuCl4 035kgNO2 (g) 101185kg H20 Cantidad de H20 = 086 kgHAuCl4
x 08510110101
105201
173341
11000
22
23
24 kgHLtHkgHx
MxltHx
grmolHAuClx
kggr
=minus
pero (101185 ndash 014 ndash 05 ndash 1) kg H20 = 101021 kg H20 100ml H20 por 1 gr soporte 35kg NH4 (OH)(AC) 10000kgH20 100 kg γAl203 (9965) 035kgAu (035) 100kg γAl203 025kgCl2 086kg HAuCl4 026kgHAuCl4
101185 kg H20 35kgNH4 (OH)(AC) 1101185kgH20 cantidad de kgHAuCl4 = 015kgAu x
44
4 2601000
11
973391
197196
147196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxgrAu
molxkg
gr=
cantidad de NH4(OH) = 100kg γ Al203 x
Ingenieriacutea Quiacutemica 53
UAM-I
kgNHxmol
grx
mlmol
xOAlgr
OHmlNHx
kg
gr53
10001
1
35
100010
1
)(10
1
1000
32
4=
γ4(OH)
30kg γAL2O3 1 kgNH4(OH)(AC) 30 kg γ Al203 (9965) 010 kg Au (035) 026kgHAuCl4 007kg Cl2 35kgNH4(OH) 1101185 kgH2O 0086kgHAuCl4 45 kg NH4(OH)(AC) 1101185 kg H20
cantidad de γ Al2O3 = 026kgHAuCl4 x 324
32 02330860
100 AlkgkgHAuCl
OAlkg γγ=
cantidad de kgAu = 035 x kgAukg 10506599
30=
cantidad de kg Cl2 = 01 kgAu x
22
2 07201000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de HAuCl4 = 005kgAu x
44
4 08601000
11
973391
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 54
UAM-I
cantidad de kgNO4(OH) = 30 kg γ Al203 x ( )OHkgNHAlkg
OHkgNO4
32
4 0510100
)(53=
γ
105 kg γ Al203 035 kg NH2(OH) 105 kg γ Al203 (9965) 004 kg Au (035) 009kg HAuCl4 003 kg Cl2 45kgNH4(OH) 1101185 kg H20 0017kgHAuCl4 485kgNH4 (OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 009 HAuCl4 x 324
32 04710860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad kg de NH4 (OH) = 105kg γ Al203 x ( ) )(3500100
534
32
4 OHkgNHAlkg
OHkgNH=
γ
cantidad de Cl2 = 004 kg Au x
22
2 02901000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
gAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 =
44
44 02001701000
11
973391
197196
11
1000010 kgHAukgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgr
molAuxkg
grkgAux asymp=
Ingenieriacutea Quiacutemica 55
UAM-I
23 kg γ Al203 008kgNH4(OH) 002 kg HAuCl4 23 kg γAl203 (9965) 485kgNH4(OH) 0008kgAu(035) 1101185kg H2 0001kg Cl2
0014 kg HAuCl4 493kgNH4(OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 002kgHAuCl4 x 324
32 032860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad de kg Au = 035 x kgAukg 00806599
32=
cantidad de kgCl2 = 0002kgAu x
24
4 00101000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 = 0008kgAu x
44
44 01401000
11
973341
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 56
UAM-I
APEacuteNDICE C ACCESORIOS EN EL DISENtildeO
Agitador
Agitadores de Heacutelice se escogioacute este tipo de agitador por ser tener las siguientes
caracteriacutesticas [3]
bull Es un agitador de flujo axial
bull Se emplea para liacutequidos pocos viscosos
bull Giran a toda la velocidad del motor
bull Las corrientes de flujo se mueven a traveacutes del liacutequido en una direccioacuten
determinada hasta que son desviadas por el fondo o las paredes del tanque
bull Las palas de la heacutelice cortan o friccionan vigorosamente el liacutequido
bull Los agitadores de heacutelice son eficaces para tanques de gran tamantildeo
Horno
bull El horno se escogioacute por ser tener las siguientes caracteriacutesticas [5]
bull El horno de construccioacuten metaacutelica
bull La caacutemara de combustioacuten estaacute construida mediante hormigones refractarios
de alta resistencia mecaacutenica
bull Las materias secar y calcinar se carga de forma manual
Ingenieriacutea Quiacutemica 57
UAM-I
Bomba
DISENtildeO Bomba centrifuga para operacioacuten horizontal o vertical del impulsor
cerrado succioacuten al extremo descarga hacia arriba tangencial simple succioacuten de un
paso con carcaza partida verticalmente [3]
ROTACIOacuteN En el sentido del reloj vista desde el cople
CARACTERIacuteSTICAS Conexiones brindadas con registro ubicado en la cabeza de
succioacuten para facilitar su limpieza
SERVICIO Debido a que es posible colocarla en posicioacuten horizontal o vertical tanto
en caacutercamos secos como huacutemedos y por el disentildeo de su impulsor que soacutelidos de
gran tamantildeo esta bomba es ideal para los procesos de tratamientos de agua y
manejo de liacutequidos en suspensioacuten en general
CAPACIDADES
GASTO Hasta 3000 GPM
CDT Hasta 80rsquo
PRESIOacuteN 106 Kgcmsup2
POTENCIA De 1 a 60 Hp
VELOCIDAD (1175 - 3550 RPM)
TEMPERATURA 125degC
Ingenieriacutea Quiacutemica 58
UAM-I
Bombas Centriacutefugas
Las maquinas centriacutefugas estaacuten constituidas por un impulsor o rodete formado por
una serie de aletas radiales diversas formas y curvaturas que giran dentro de una
caja circular El fluido penetra por el ojo o eje de rotacioacuten y se descarga maacutes o
menos radialmente en una caacutemara perifeacuterica a una elevada presioacuten que
corresponde a la suma de la fuerza centriacutefuga de la rotacioacuten maacutes la cineacutetica
comunicada al fluido por las aletas La parte moacutevil de la bomba es el rodete Las
aletas del rodete se extienden desde el centro de rotacioacuten hacia la periferia y las
bridas son los discos de refuerzo a cada lado de las aletas que las envuelven Las
aletas pueden ser radiales curvadas ligeramente hacia delante en el mismo sentido
de la rotacioacuten o estar curvadas al reveacutes en el caso maacutes comuacuten en el disentildeo se
determino el rodete siguiente por sus caracteriacutesticas Fig 1
Figura 1 Corte parcial de un rodete de centriacutefuga para grandes cargas y secciones
de paso estrechas empleando con liacutequidos corrosivos o suspensiones de pequentildeas
partiacuteculas[4]
Ingenieriacutea Quiacutemica 59
UAM-I
APENDICE D CALCULO DE POTENCIA DE BOMBAS (8)
Potencia de la bomba de la cisterna 1 que alimenta a los mezclador 4
Ecuacioacuten de Bernoulli
sum sumint =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛+++∆+∆i i
i
P
P
evvfDLvwdphgv 0
21
21
ˆ1
21 222
2
1ρ
a b c d e f
a Diferencia de velocidades
b Diferencia de alturas
c Diferencia de presiones
d Trabajo
e Perdidas de friccioacuten en tuberiacuteas
f Perdidas de friccioacuten en accesorios
En la ecuacioacuten anterior se pueden eliminar algunos teacuterminos
21 mts
6 mts 35 mts
Figura 1 Balance de cisterna 1 a mezclador 4
Se debe de tener dos puntos de referencia para la utilizacioacuten de la ecuacioacuten de
Bernoulli de los cuales se anotaron en la figura 2
Ingenieriacutea Quiacutemica 60
UAM-I
21 mts
2 1 6 mts 35 mts
Figura 2
Teniendo los puntos de referencia se analiza que las diferencias de velocidades son
cero en ambos puntos por lo tanto el termino 2
21 ν∆ es igual a cero
El termino de = (981hg∆ 2segm )(35m ndash 0) = 34335 2
2
segm
El termino de int2
1
1P
P
dpρ
se tiene que la cisterna y el tanque de mezclado ambos no
estaacuten cerrados y por lo tanto no originan un cambio de presioacuten y el termino es cero
De esta expresioacuten L longitud de tuberiacutea
tro de tuberiacutea
n el interior del tubo
v
Para la l radio del tubo que
sum ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
i
fDL2
21 ν
D diaacuteme
f perdidas de friccioacuten e
velocidad del flujo de agua
obtencioacuten de la velocidad se tiene el flujo volumeacutetrico y e
es de 32 cm =0032mts con la ecuacioacuten
Ingenieriacutea Quiacutemica 61
( )( ) sm
ms
m
RQ 761
032060min1)
min340(
2
3
2 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
==ππ
ν
UAM-I
Se reportan valores de perdida de fr
e reduce teacuterminos
iccioacuten en tubos que son igual a 005
Por lo tanto sustituyendo los teacuterminos en la ecuacioacuten de Bernoulli s
sum sumint =⎟⎠
⎜⎝
+⎟⎠
⎜⎝
+++∆+∆i i
iP
evvfD
vwdphgv 022
ˆ2
1ρ
⎞⎛⎞⎛ L 111 2222
or tanto el termino de trabajo queda expresado de la siguiente manera
tanto la bomba comunica al fluido que circula en el sistema un trabajo
+11727
P1
p w
sum sum ∆minus⎟⎠⎞
⎜⎝⎛minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛minus=
i ii
hgevvfDLvw 22
21
21
ˆ
( ) ( )
Este es el trabajo ( por unidad de masa) producido por el fluido en la bomba por lo
22
sm o 11727 981 = 1195
m
fKg
Kgm
La velocidad de flujo de masa es
Por lo tanto
1 )=6694
951)(675(ˆ =minus=minus WwW smkg f = 088Hp = 1Hp
Siendo esta ida para esta bomba El procedimiento anterior se
iguioacute para cada bomba de la planta
AP E
la potencia requer
s
EacuteNDICE
TOXICOLOGIacuteA DE MATERIAS PRIMAS [6]
( ) ( ) ( )( ) ( )( )msm
smmmm
sm 538192201150761
21050
032021536761
21
2
22minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ +minus⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ++
minus=wm
22
27117ˆ smw minus=
( )s
kgmkgQw m675100060340 3 === ρ
Ingenieriacutea Quiacutemica 62
UAM-I
HIDROacuteXIDO DE SODIO
Polvo corrosivo blanco delicuescente
Toxicidad
Concentracioacuten Maacutexima permisible 2mgm3 en aire
Signos y Siacutentomas Conjutivitis quemaduras corneales y de la piel Irritacioacuten
seas vomito dolor abdominal y diarrea a veces con
Lavado de las partes afectadas tranquilizantes sulfato de
decuada gafas protectoras o pantallas para
ignos y Siacutentomas Irritacioacuten de ojos quemaduras corneables tos dolores
l hemoptisis dolor de cabeza dolor epigaacutestrico nauseas y vomito
lmonar
Tratamiento lavado de ojos con agua reposo oxigeno con aparato de respiracioacuten
con onantes
ACIDO NITRICO
Liquido corrosivo sofocante de incoloro a amarillento
ioacuten maacutexima permisible 10ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
del tracto respiratorio nau
sangre
Tratamiento
morfina para el dolor y cortisona
Medidas preventivas Ventilacioacuten a
la cara completa mascarilla con filtro mecaacutenico guantes delantares botas de
goma y acentuar la limpieza personal
CLORO
Gas pasado amarillo verdoso
Toxicidad
Conc Maacutexima permisible 1 ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten
S
retrosterna
debilidad cianosis y edema pu
trolada bronco dilatadores y descongesti
Toxicidad
Concentrac
Ingenieriacutea Quiacutemica 63
UAM-I
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
Signos y siacutentomas Erosioacuten dental estornudo tos Dolor en el pecho bronquitis y
la las partes contaminadas del cuerpo con solucioacuten al 5 de
de las quemaduras con pantildeos
de triacuteo sulfato soacutelido si se a ingerido
vado de ojos con agua
ACIDO CLORIDRICO
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
ivitis necrosis corneal por inhalacioacuten rinitis erosioacuten
dolor de cabeza palpitacioacuten por ingestioacuten
s en la boca faringe esoacutefago estomago salivacioacuten vomito Soc
agua lavada de agua y jaboacuten de las partes
preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
AacuteC
El c
con o de hidroacutegeno una
concentracioacuten de 12 molLt Este aacutecido es un liacutequido incoloro con un olor aacutecido
bronconeumoniacutea
Tratamiento
bicarbonato soacutelido o con agua y jaboacuten Tratamiento
mojados con solucioacuten saturada
administracioacuten por viacutea oral de solucioacuten de jaboacuten Hidroacutexido caacutelcico o alumiacutenico u
oacutexido de magnesio
Medidas preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores excluir de la exposicioacuten
a los individuos con enfermedades de pulmones y rintildeones
Gas incoloro o liacutequido o a amarillento
Toxicidad
Concentracioacuten maacutexima permisible 5ppm en aire
Signos y siacutentomas conjunt
dental laringitis bronquitis neumoniacutea
quemadura
nefritis
Tratamiento lavado de ojos con
contaminantes del cuerpo tratamiento ordinario de quemaduras lavado gaacutestrico
se a ingerido con solucioacuten de bicarbonato soacutedico al 5 seguido de una instilacioacuten
de gel de hidroacutexido de aluminio
Medidas
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores
IDO CLORHIacuteDRICO
loruro de hidroacutegeno es en extremo soluble en agua de hecho el aacutecido clorhiacutedrico
centrado contiene cerca del 38 en masa de clorur
Ingenieriacutea Quiacutemica 64
UAM-I
pronunciado que se debe al equilibrio entre el cloruro de hidroacutegeno gaseoso y
ste con el aacutecido fluorhiacutedrico el aacutecido clorhiacutedrico es un aacutecido fuerte (pKa = -
7) y se ioniza casi totalmente
gar de aacutecido sulfuacuterico auque en menor grado Por
jemplo el zinc metaacutelico reacciona con aacutecido clorhiacutedrico para dar el ion zinc e
hidroacutegeno gaseoso
Zn(s) + 2HCl(ac) ZnCl2(ac) + H2(g)
l para producir aacutecido clorhiacutedrico en el laboratorio es generar
cloruro de hidroacutegen e sodio y el aacutecido
ulfuacuterico En el primer paso a 150degC se forma hidroacutegeno sulfato de sodio
NaHSO4(s) + HCl(g)
io y maacutes
loruro de hidroacutegeno gaseoso Luego el gas se disuelve en agua para formar el
aacutecido
NaHSO4(s) + NaCl(s) Na2SO4(s) + HCl(g)
acuoso
HCl(ac) HCl(g)
El reactivo de grado teacutecnico a menudo tiene un color amarillento por una impureza
del ion hierro (III)
En contra
HCl(ac) + H2O(l) H2O+(ac) + Cl -(ac)
Por ello a menudo se prefiere usar aacutecido clorhiacutedrico diluido en lugar de aacutecido niacutetrico
que es muy oxidante y en lu
e
Cuando el zinc reacciona con el aacutecido niacutetrico es comuacuten que se reduzca una parte
del ion nitrato para dar dioacutexido de nitroacutegeno
El meacutetodo tradiciona
o gaseoso por la reaccioacuten entre el cloruro d
s
NaCl(s) + H2SO4(l)
La mezcla se calienta a 550degC temperatura a la cual el hidroacutegeno sulfato de sodio
reacciona con un exceso de cloruro de sodio para formar sulfato de sod
c
∆
Este meacutetodo se usa tambieacuten en la industria otra forma de producir cloruro de
hidroacutegeno es por la combinacioacuten directa de dicloro y dihidroacutegenogaseosos
Ingenieriacutea Quiacutemica 65
UAM-I
H2(g) + Cl2(g) 2HCl(g)
La mayor cantidad de cloruro de hidroacutegeno que se produce actualmente es un
CH4(g) + 4Cl2(g) 4(l) + 4HCl(g)
riacuten de superficies de acero en un bantildeo aacutecido en la purificacioacuten de glucosa
y jarabe de maiacutez e s y de gas y en la
bricacioacuten de compuestos clorados El aacutecido se puedo comprar en muchas
nducida por la luz
4HNO3(ac) 4NO2(g) + O2(g) + 2H2O(l)
niacutetrico como disolvente)
H2NO3+ H2O + NO2
+
l siguiente
3HNO NO3 ndash
subproducto de otros procesos industriales como la siacutentesis de tetracloruro de
carbono
CCl
Se consumen cerca de 107 toneladas de aacutecido clorhiacutedrico cada antildeo en todo el
mundo Este aacutecido tiene una gama muy amplia de usos como aacutecido comuacuten para
eliminar o
n el tratamiento con aacutecido de pozos petrolero
fa
ferreteriacuteas con el arcaico nombre de aacutecido muriaacutetico sus principales usos caseros
son la limpieza de superficies de concreto y la eliminacioacuten de herrumbre Un nuacutemero
muy reducido de personas es incapaz de sintetizar suficiente jugo gaacutestrico y deben
de ingerir caacutepsulas de aacutecido clorhiacutedrico diluido con cada comida
AacuteCIDO NIacuteTRICO
El aacutecido niacutetrico un liacutequido aceitoso e incoloro en estado puro es sumamente
peligroso El aacutecido que funde a ndash42degC y hierve a +83degC tiene por lo general un
ligero color amarillo a causa de una reaccioacuten de descomposicioacuten i
En un estado puro el aacutecido niacutetrico liacutequido praacutecticamente no conduce la electricidad
Una pequentildea porcioacuten se ioniza como sigue (todas estas especies existen en el aacutecido
2HNO3(l) H2NO3+ + NO3
ndash
H2O + HNO3 H3O+ + NO3 ndash
Para dar la reaccioacuten globa
3 NO2+ + H3O + 2+
Ingenieriacutea Quiacutemica 66
UAM-I
El catioacuten nitrilo es importante en la nitracioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas por ejemplo la
obenceno C6H5NO2 una etapa importante en
umerosos procesos industriales orgaacutenicos
El aacutecido niacutetrico con en agua mientras
ue el ldquoaacutecido niacutetrico fumanterdquo un oxidante extremadamente poderoso es una
vez de ello se produce una mezcla de
sistema que da un orden de
vista industrial el
oceso
e lleva a cabo en tres etapas Primero se hace pasar una mezcla de amoniaco y de
dioxiacutegeno (o aire) un proceso muy
ficiente y exoteacutermico que hace que la malla se ponga al rojo Esta etapa se verifica
conversioacuten de benceno C6H6 en nitr
n
centrado es en realidad una solucioacuten al 70
q
solucioacuten roja de dioacutexido de nitroacutegeno en aacutecido niacutetrico puro Incluso cuando esta
diluido el aacutecido niacutetrico es un oxidante tan fuerte que rara vez desprende hidroacutegeno
cuando se pone en contacto con metales en
oacutexidos de nitroacutegeno y el metal se oxido a su catioacuten
Los enlaces O-N son mucho maacutes cortos (121 pm) que el enlace O-N unidos al aacutetomo
de hidroacutegeno (141 pm) Esta longitud de enlaces indica que hay enlaces muacuteltiples
entre el nitroacutegeno y los dos aacutetomos de oxiacutegeno terminales Ademas de los electrones
del sistema σ hay cuatro electrones que participan en el sistema π O-N-O dos de un
orbital enlazante y dos en un orbital no enlazante
enlace de 112 para cada uno de esos enlaces nitroacutegeno- oxiacutegeno
A veces se nos olvida hasta queacute punto nuestra experiencia depende de la
termodinaacutemica y la cineacutetica Por ejemplo la primera siacutentesis industrial de aacutecido
niacutetrico se llevaba ha cabo por simple combinacioacuten de diniacutetrogeno dioxiacutegeno y agua
utilizando un horno de arco eleacutectrico a fin de proporcionar la energiacutea necesaria par
superar la muy elevada barrera cineacutetica Aunque desde el punto de
factor cineacutetico constituiacutea un problema en realidad es una bendicioacuten por que sin esta
barrera cineacutetica hace mucho tiempo que todo el dioacutexido de la atmoacutesfera se abriacutea
transformado en aacutecido niacutetrico y nuestros mares serian de aacutecido niacutetrico diluido
frac12 N2(g) + 54O2(g) + 12H2O(g) HNO3(g)
Ahora se utiliza el proceso Ostwald para la siacutentesis de aacutecido niacutetrico Este proceso
consume gran parte del amoniaco que se produce por el proceso Haber El pr
s
a traveacutes de una malla de platino metaacutelico Eacuteste es
e
a baja presioacuten para aprovechar el efecto entropico es decir la formacioacuten de 10
moles de gas a partir de 9 moles de gas (una aplicacioacuten del principio de Le Chatelier)
para desplazar el equilibrio a la derecha
Ingenieriacutea Quiacutemica 67
UAM-I
4NH3(g) + 5O2(g) 4NO(g) + 6H2O(g)
Se agrega maacutes oxiacutegeno para oxidar el monoacutexido de nitroacutegeno a dioacutexido de nitroacutegeno
A fin de mejorar el rendimiento de esta reaccioacuten exoteacutermica se extrae calor de los
ases y la mezcla se somete a presioacuten
2HNO3(l) + NO(g)
Esta reaccioacuten tambieacuten es exoteacutermica y una vez maacutes se aplica enfriamiento y alta
la
egunda etapa para oxidarlo de nuevo
La contaminacioacuten s de aacutecido niacutetrico
as plantas maacutes antiguas eran faacutecilmente identificables por la fumarola cafeacute-
antas maacutes antiguas ahora mezcla cantidades
en Estados Unidos porque un 20
dedica ala produccioacuten de explosivos
or ultimo el aacutecido niacutetrico es un liacutequido que hierve a 826degC No existe como liacutequido
g
2NO(g) + O2(g) 2NO2(g)
El dioacutexido de nitroacutegeno se mezcla con agua para dar una solucioacuten de aacutecido niacutetrico
3NO2(g) + H2O(l)
presioacuten par obtener el maacuteximo rendimiento El monoacutexido de nitroacutegeno se vuelve a
s
soliacutea ser un problema importante de las planta
L
amarillento del dioacutexido de nitroacutegeno que escapaba por ellas Las plantas maacutes
antiguas eran faacutecilmente identificable por la fumadora cafeacute-amarillo del dioacutexido de
nitroacutegeno que escapaba de ellas Las pl
estequiomeacutetricas de amoniaco con las oacutexidos de nitroacutegeno con lo cual se obtiene
dinitroacutegeno y vapor de agua ambos inocuos
NO(g) + NO2 (g) + 2NH3(g) 2N2(g) + 3H2O(g)
En todo el mundo alrededor del 80 del aacutecido niacutetrico se utiliza en la produccioacuten de
fertilizantes Esta proporcioacuten es de solo el 65
se
P
puro porque en alguna medida se descompone espontaacuteneamente como sigue
4HNO3(l) 4NO2(g) + 2H2O(l) + O2(g)
Ingenieriacutea Quiacutemica 68
UAM-I
El aacutecido niacutetrico concentrado que se usa en el laboratorio estaacute al 68 en masa HNO3
(densidad 142 gcm3) lo que corresponde a 157 M
l aacutecido niacutetrico es un poderoso agente oxidante El nuacutemero de oxidacioacuten del N en el
) El aacutecido niacutetrico puede oxidar
nto a metales que estaacuten abajo del hidroacutegeno como aquellos que se encuentran
4Zn2+(ac) + NH4
+(ac) + 3H2O(l)
do no oxida al oro Sin embargo cuando se mezcla con
cido clorhiacutedrico concentrado en relacioacuten 13 en volumen (una parte de HNO3 a tres
partes al oro
omo sigue
APEacuteNDICE F
ETODO DE DEPOSICIOacuteN-PRECIPITACIOacuteN
E
HNO3 es + 5 Los productos maacutes comunes de la reduccioacuten del aacutecido niacutetrico son el
NO2 (N = + 4) el NO (N = + 2) y el NH4+ (N = - 3
ta
arriba en la serie de actividades Por ejemplo el cobre es oxidado por el aacutecido niacutetrico
concentrado como se mencionoacute antes
En presencia de reductores fuertes como el zinc metaacutelico el aacutecido niacutetrico se puede
reducir hasta ion amonio
4Zn(s) + 10H+(ac) + NO3
-(ac)
El aacutecido niacutetrico concentra
aacute
de HCl) la disolucioacuten resultante denominada agua regia puede oxidar
c
Au(s) + 3HNO3(ac) + 4HCl(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O(l) + 3NO2(g)
M
Ingenieriacutea Quiacutemica 69
UAM-I
APEacuteNDICE G
ISENtildeO DEL MEZCLADOR [4]
1) 100 ml H2O gr soporte
2) NH4(OH)
Ajustar a PH = 9 4) HAuCl4 (solucioacuten acuosa al 25E-3M)
6) Filtrado o centrifugado
3) En Agitacioacuten por 2 hr
8) Secado por 2hr a 80 degC
9 ) Calcinado por 4hr a 400 degC
7) Lavado
5) Antildeegamiento por 30 min
D
Ingenieriacutea Quiacutemica 70
UAM-I
El disentildeo de un tanque agitado dis n nuacutemero de elecciones sobre el
po y localizacioacuten del agitador las proporciones del tanque el nuacutemero y dimensiones
ada una de estas decisiones afectan a la velocidad
e circulacioacuten del liacutequido los modelos de velocidad y el consumo de potencia Como
pone de un gra
ti
de las placas deflectoras etc C
d
punto de partida en el disentildeo de los problemas ordinarios de agitacioacuten generalmente
se utiliza un agitador de turbina del tipo que se muestra en la figura 1 La proporcioacuten
tiacutepica es
31
=t
a
DD
1=tD
H 121
=tD
J 51
=aD
W 41
=aD
L
de estas ecuaciones se disentildeara el mezclador como datos se tiene el valor H que es
igual a 3 mts y el diaacutemetro del tanque D
Se determinara la medida de los reflectores
t que es igual 3 mts
121
=tD
J se despeja J
elacioacuten R31
=t
a
DD
se despeja Da
Relacioacuten
41
=aD
L se despeja L
elacioacuten se despeja W
( ) ( ) cmmtsmtsDJ 25250311==⎟
⎞⎜⎛=⎟
⎞⎜⎛= t 1212 ⎠⎝⎠⎝
( ) ( ) mtsmtsDD ta 1331
31
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=
( ) ( ) mtsmtsDL a 250141
41
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛= cm25=
51
=aD
WR
Ingenieriacutea Quiacutemica 71
UAM-I
Figura 2 a) Vista transversal del mezclador b) paletas del mezclador con la
donde se deposita el soporte
Figura 1 Medidas de un agitador de turbina
a) b)
s rejillas
H
J
E L
Da
D t
W
W
( ) ( ) cmmtsmtsDW a 2020151
5==⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎜⎝
=1 ⎞⎛
Ingenieriacutea Quiacutemica 72
UAM-I
El catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP alcanzoacute 100 de conversioacuten a 176 degC a
condiciones de exceso de O2 (Figura 5) esta conversioacuten se mantuvo por 24 h sin
presentar indicios de desactivacioacuten (Figura 6) KRuth [12] reporta desactivacioacuten del
catalizador 10-Auγ-TiO2 a partir de 80 minutos de operacioacuten con una velocidad
espacial de 1x104 h-1 El catalizador fue preparado por deposicioacuten y contiene nano-
particulas (2-5nm) soportadas en TiO2 Sin embargo el catalizador logra 100 de
conversioacuten a 0 degC Esto es debido a que los catalizadores AuTiO2 presentan mayor
actividad a temperaturas bajas La Figura 6 muestra tambieacuten la conversioacuten reportada
por Seung-Jae[11] del catalizador 043-Auγ-Al2O3-IMP en donde la temperatura de
operacioacuten es de 25 degC sin embargo se tiene una desactivacioacuten apreciable a partir de
150 minutos de operacioacuten con una velocidad especiales de 8x10 h-1
Figura 5 Conversioacuten del CO para los catalizadores de 007-Auγ-Al2O3-IMP 10-
os resultados de conversioacuten del hidroacutegeno (Figura 7) muestran conversioacuten del 100
10 a 035 es de 20 degC
Auγ-Al2O3-IMP y de 035-Auγ-Al2O3-DP en condiciones de operacioacuten en exceso de
O2 la tasa de temperatura es de 2degC por minuto Datos Referencia [10]
L
por debajo de 150 degC con el catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP mientras que el
catalizador 007-Auγ-Al2O3-IMP logra conversioacuten completa hasta 270oC y para el
catalizador 10-Auγ-Al2O3-IMP se tiene una conversioacuten del 100 hasta 310 degC lo
cual indica que los tres catalizador son activos para ambas reacciones y que se
mantiene la tendencia observada para la oxidacioacuten de CO La disminucioacuten en T50 al
aumentar el contenido de Au de 007 a 035 es de 140oC mientras que para la de
Catalizadores de Oro Soportado 19
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado 20
Figura 6 Variacioacuten de la conversioacuten con respecto al tiempo para la muestra de DP a
una temperatura de 180 degC Datos Referencia [11]
Figura 7 Oxidacioacuten de H sobre los catalizadores 035-Au2 γ-Al2O3-DP 007-Auγ-
Al2O3-IMP y 10-Auγ-Al2O3-IMP bajo condiciones de exceso de O2
La Figura 8 muestra como varia la temperatura de encendido con la cantidad de Au
en los catalizadores preparados en este trabajo Se observa un miacutenimo para el
catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP lo cual indica que la mayor actividad se logra a bajos
contenidos de Au y tamantildeos de partiacutecula menores que 5 nm
0
20
40
60
80
0 200 400 600 800 1000Tiempo (min)
Con
vers
ioacuten
de C
O (
) 100
035-Au -Al2O3-DP (176 degC)
043-Au -Al2O3-IMP (25 degC)
0
20
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Temperatura (degC)
40
60
Con
vers
ioacuten
de H
2 (
)
80
100
10-Au -Al2O3-IMP035-Au -Al2O3-DP007- Au -Al2O3-IMP50-Au -Al2O3-IMP
UAM-I
F
o
P
o
o
re
d
F
c
C
T50 (degC)
igura 8 Variacioacuten de la te
xidacioacuten de CO con respect
or ultimo se realizaron cu
peracioacuten pero variado la
btenidos se muestran en la
accioacuten presentan una tend
e catalizador
00000
00040
00080
00120
00160
00200
0
(-rc
o)
00000
igura 9 Velocidad de reac
ondiciones en exceso de O2
atalizadores de Oro Soportado
masa Au
mperatura de encendido a 50 de conversioacuten en la
o a la cantidad de Au en el catalizador
atro corridas maacutes bajo las mismas condiciones de
masa de catalizador Las velocidades de reaccioacuten
fig9En esta figura se observa que las velocidades de
encia lineal despueacutes de los 80degC al aumentar la masa
50 100 150 200 250 300T (degC)
3 gr cat
25 gr cat
2 gr cat
15 gr cat
1 gr cat
cioacuten de CO a diferentes masas de catalizador y bajo
21
UAM-I
Se tomo una temperatura de 125 degC debido a las mediciones realizadas en
diferentes calentadores domeacutesticos Se encontroacute que la temperatura media es la
mencionada A partir de los datos experimentales se determinoacute que el orden de
reaccioacuten es 13 y la constante cineacutetica k = 480945 (m3)13[(mol)03m3cat hr] (00012
mhr) y un coeficiente de transferencia de masa de 792 mhr (ver apeacutendices A) con
estos valores y usando los criterios de Weisz-Prater y Mears[14] (ver apeacutendice B) se
obtuvo que no existe resistencia interna ni externa a la transferencia de masa por lo
que la cineacutetica es la que controla
24 CONCLUSIOacuteN DE LA EXPERIMENTACIOacuteN El meacutetodo de DP es mucho maacutes adecuado que el de IMP para la preparacioacuten de
catalizador de Au soportados en γ-Al2O3 ya que permitioacute obtener catalizadores con
cinco veces maacutes oro que el preparado por el meacutetodo IMP bajo condiciones similares
de preparacioacuten En ambos casos el tamantildeo promedio de partiacutecula fue menor que 5
nm Debido a esto el catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP presenta una mayor actividad
en la oxidacioacuten de CO e H2 sin observarse desactivacioacuten durante un periodo de 24 h
Puesto que en ambas muestras se consiguioacute una gran dispersioacuten y un tamantildeo
similar de nanopartiacuteculas de oro se tiene entonces que la principal diferencia de
actividad cataliacutetica se debe principalmente a la cantidad de Au en el catalizador Sin
embargo el catalizador 10-Auγ-Al2O3 presenta una menor conversioacuten que el de
035-Auγ-Al2O3-DP a pesar de contener maacutes Au por lo que hasta el momento se
podriacutea decir que la cantidad de Au optima se encuentra por debajo de 10 wt y por
arriba de 007 wt no obstante se requiere de la caracterizacioacuten del catalizador 10-
Auγ-Al2O3 se para determinar de que manera influyen el tamantildeo de partiacuteculas la
distribucioacuten el volumen y el tamantildeo de poro en los resultados esta caracterizacioacuten
asiacute como la evaluacioacuten cataliacutetica del catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP bajo
condiciones estequiomeacutetricas se encuentran en proceso
Catalizadores de Oro Soportado 22
UAM-I
25 BIBLIOGRAFIacuteA [1] M Haruta CatalToday 36 (1997) 153
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Pretice may Tercera edicioacuten Impresa en Meacutexico DF
Catalizadores de Oro Soportado 23
UAM-I
C A P I T U L O III
D I S E Ntilde O D E L A P L A N T A I N D U S T R I A L
Catalizadores de Oro Soportado 24
UAM-I
31 INTRODUCCIOacuteN
Este capitulo esta enfocado al disentildeo de la planta industrial donde se produciraacuten
catalizadores de Auγ-Al2O3 por el meacutetodo de Deposicioacuten-Precipitacioacuten (DP) descrito
en el capitulo 2
Parte de la produccioacuten de los catalizadores se destinaraacute a su venta en masa y otra
parte se destinaraacute para el equipo de purificacioacuten de calentadores de agua esto con
la finalidad que el catalizador que esta contenido dentro del equipo de purificacioacuten
cuando se desactive pueda remplazarse por catalizador nuevo disponible en el
mercado De esta forma se tendraacuten ganancias tanto al vender el equipo purificador
como al vender catalizador como materia prima
32 DISENtildeO DEL EQUIPO PURIFICADOR PARA CALENTADORES DE AGUA DOMEacuteSTICOS El equipo purificador se ubicaraacute a la salida del efluente gaseoso del calentador como
un equipo adicional como se muestra en la Figura 1 Se plantea colocarlo en una
posicioacuten tal que oxide a baja temperatura hasta el 90 de CO Las dimensiones del
purificador se determinaron seguacuten las especificaciones de calentador y el balance de
materia en el sistema purificador Estos caacutelculos se presentan en el Apeacutendice A
Los tubos de las chimeneas de los calentadores son de latoacuten por lo que se decidioacute
utilizar este material para la parte exterior la parte donde se colocaraacute el catalizador
es de 35 cm de longitud para colocarlo en el tubo de la salida del flujo de gas se
dieron 2 cm maacutes en cada extremo para hacer un tipo cople de manera que el tubo
entre en los extremos
Catalizadores de Oro Soportado 25
UAM-I
C O 2 2 0 c m 7 c m c m G A S C O
3
2cm
75 cm 35 cm
Figura 1 Esquematizacioacuten del equipo purificador y su ubicacioacuten en los calefones
Las dimensiones obtenidas (Apeacutendice A) y las caracteriacutesticas del purificado se
presentan en la Tabla 1
Tabla 1 Especificaciones de purificador
Material Latoacuten
Longitud 35 cm
Diaacutemetro 20cm
Cantidad de
Catalizador
700 gr
Catalizadores de Oro Soportado 26
UAM-I
33 PRODUCCIOacuteN DE LA PLANTA INDUSTRIAL A partir de un estudio de mercado se encontroacute que en la Ciudad de Meacutexico hay
cuando menos cuatro empresas principales (CALOREX ELSA MAGAMEX y
CINSA) que fabrican calentadores de agua residenciales[1 2] Estas en promedio
producen 150 calefones diarios Por cada calefoacuten se requiere un equipo purificador
En este sentido de requieren idealmente 600 unidades de purificacioacuten por diacutea Esta
base se utilizoacute para el disentildeo de la planta
A partir del balance de masa en el purificador y empleado los resultados
experimentales a nivel laboratorio (ver apeacutendice A) se encontroacute que cada purificador
requiere 07 Kg de catalizador A partir de este resultado se requiere producir al
menos 420 Kg de catalizador para satisfacer la demanda en la produccioacuten de
calefones Con base en el balance de materia realizado en el mezclador se
determinoacute que la cantidad de catalizador obtenido despueacutes de cuatro lotes es de
570 Kg Tomando el resto de catalizador como reserva por cualquier contratiempo El
nuacutemero de lotes se determinoacute en base a que fuese rentable la recuperacioacuten de oro
34 DISENtildeO Y OPERACIOacuteN DE LA PLANTA
La fabricacioacuten del catalizador a nivel industrial esta basada en el escalamiento del
meacutetodo de siacutentesis descrito en la parte experimental Lo cual es una praacutectica comuacuten
en la fabricacioacuten de materiales cataliacuteticos
Para la produccioacuten de 570 Kg por diacutea se plantea utilizar cuatro mezcladores (ver
Figura 2) que operaran durante 8 h con cuatro intervalos (o cargas) de 2 h y
descansos de 30 min (dejando 30 min libres por contratiempos) Esta operacioacuten se
elige con base en las horas de trabajo y el meacutetodo de preparacioacuten del catalizador
Al igual que en la parte experimental el proceso requiere operacioacuten por lotes debido
a que se necesitan largos tiempos de contacto para obtener catalizadores eficientes
en la oxidacioacuten de CO a baja temperatura Se pretende utilizar un agitador tipo
Catalizadores de Oro Soportado 27
UAM-I
canastilla[4] el cual permite colocar dentro de las mismas el catalizador para tener
una mejor impregnacioacuten de partiacuteculas de Au y eliminar la atricioacuten Las dimensiones
del agitador asiacute como del mezclador se presentan en la Figura 6
Al teacutermino de la uacuteltima carga en los mezcladores el lote completo del diacutea pasa al
horno para secarlo a 80degC por 2 h y calcinarlo a 400degC durante 4 h Durante estos
procesos se concluye la preparacioacuten del catalizador Las temperaturas y tasas de
calentamiento estaacuten basadas en el meacutetodo de preparacioacuten experimental descrito en
el Capitulo ll Posteriormente el catalizador producido pasa a la seccioacuten donde se
embolsa para ser vendido como materia prima y la otra parte pasa a la seccioacuten de
ensamblaje para fabricar el purificador
Dimensiones de la industria
Las dimensiones de los equipos como mezcladores cisternas tanque de
tratamiento horno etc se tomaron como base para poder suponer espacios entre
equipos para tener seguridad del personal Se dio preferencia a los mezcladores ya
que son las partes importantes en la elaboracioacuten de los catalizadores La cisterna
estaraacute enterrada para facilitar su llenado en el caso de los contenedores de HAuCl4
y NH4OH estaraacuten encima de bases maacutes altas que los mezcladores para poder
abastecerlos por gravedad Esto debido a que el volumen es poco no se requiere de
grandes cantidades por lo que no se requiere alguna bomba Se estuvo analizando
la forma de acomodar los equipos y se obtuvo la siguiente distribucioacuten que se
muestra en la Figura 3
En la Figura 4 se presenta el plano de la industria con sus respectivos
departamentos en la parte sur se encuentra la entrada principal en ella se encuentra
vigilancia y la entrada de empleados y obreros posteriormente esta la zona de
oficinas lado izquierdo del lado derecho se encuentra el estacionamiento para
clientes y empleados en el almaceacuten se encontraraacuten refacciones de equipo y
reservas de materia primas para los catalizadores en la zona de produccioacuten se tiene
el estacionamiento de proveedores para facilitar la entrada y salida del producto
Catalizadores de Oro Soportado 28
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado 29
Debido a que en cada industria debe existir un espacio recreativo se plantea una
cancha de Baacutesquetbol para los obreros y una zona de jardines en la parte norte
Ubicacioacuten de la industria
Para poder ubicar una industria es importante analizar la zona geograacutefica Para lo
cual se deben considerar algunos factores importantes por ejemplo No ubicarla en
zona de siacutesmica Si la industria requiere de un gran volumen de agua no ubicarla en
una regioacuten deseacutertica Si el producto es muy sensible al calor y la humedad evitar
zonas muy caacutelidas y huacutemedas Si se piensa vender el producto en una zona
especifica ubicar la industria cerca de la zona de venta para evitar gastos de
transportacioacuten A partir de este tipo de razonamientos se planea que debido a que el
producto que se elaborara que es un purificador cataliacutetico para su venta en la ZMVM
ya en ella estaacuten ubicadas las principales industrias de calentadores y debido a que la
planta requiere de un volumen considerable de agua se escogioacute el estado de
Morelos porque no esta muy lejos de la ZMVM y tiene reservas de agua Asiacute el gasto
de transportacioacuten de materias primas y sobre todo del producto elaborado seriacutea
pequentildeo
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
Agua
Tanque tratamien
Figur
NH4OH
HAuCl4
Produccioacuten de catalizadores
Recuperacioacuten de agua
de to
a
MezcladoresMezcladores
Cuando se requiere limpieza
Horno
Producto almaceacuten
30
1 Diagrama de produccioacuten Recuperacioacuten de cloro
UAM-I
35 BALANCE DE MATERIA DIAGRAMA DE FLUJO PARA DIFERENTES LOTES DE SOPORTE EN UN SOLO MEZCLADOR
Catalizadores de Oro So
05 Kg Au
10
0
086 Kg HAuCl4(ac)014 Kg H2O
035 Kg NO2(g)
2
35 Kg NH4(OH)(ac) (01M)
10000 Kg H2O
100 Kg Al3O
100 Kg Al2O3 (9965) 035 Kg Au (035) 025 Kg Cl2
026 Kg HauCl4(ac)35 Kg NH4(OH)
1101035 Kg H2O
O MEZCLADOR (t0)
10035 Kg catalizador
86 KgHAuCl4(ac)101035 Kg H2O
037 Kg HCl (ac) (105 M) 048 Kg HNO3(ac) (152 M)
porta
Kg N
30 Kg Al2Cl3
101021 Kg H2
do
H4 (OH) (ac) (01M) 30 Kg Al2O3 (9965) 01 Kg Au (035)
007 Kg Cl2
)
3
)
301 Kg catalizador MEZCLADOR (t1)
009 Kg HauCl4(ac)45 Kg NH4(OH)
1101035 Kg H2O
MEZCLADOR 1054 Kg catalizador
105 Kg Al2O3
(t2)
105 Kg Al2O3 (9965)
035 Kg NH4 (OH) (ac) (01M
004 Kg Au (035) 003 Kg Cl2
23 Kg Al2O
MEZCLADOR
(t3)23 Kg Al2O3 (9965)
2308 Kg catalizador
008 m3 NH4(OH) (ac) (01M
002 Kg HauCl4(ac)485 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
0008 Kg Au (035) 0006 Kg Cl2
0003 Kg HauCl4(ac)493 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
31
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado 32
DIAGRAMA DE FLUJO PARA UN MEZCLADOR
MEZCLADOR
1101035 Kg H2O
1428 kg γ-Al2O3
086 Kg HAuCl4
493 Kg NH4(OH)
0003 Kg HauCl4(ac)493 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
1433 Kg Catalizador
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
36 DIAGRAMA DE LA INDUSTRIA
INDUSTRIA DE CATALIZADORES
TANQUE DE TRATAMIENTO HORNO
CISTERNA 1
CONTENEDORDE AuCl3 CONTENEDOR DE
NH4OH ZONA DE LLENADO
DE SAPORTE
SE LLEVA AL HORNO
MANUALMENTE
PRODUCTOALMACEacuteN
Contenedor de HAuCl4
Figura 2 Diagrama de la distribucioacuten del equipo dentro del aacuterea de produccioacuten
33
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
37 DIMENSIONES DEL EQUIPO Y TUBERIacuteA
2 mts
2 mts 2 mts 6 mts 4 mts 3 mts 5mts 5 mts 3 mts 6 mts 3
3mts 3 mts 3mts 3 mts 3 mts
4 mts 1 5 mts 1 5 mts 4mts 4 7mts 4 mts 21 mts 7 2mts 26 mts 2 mts 21 mts 6 mts
3 5 mts 14 mts 6 mts 8 mts 1 5 mts 3 mts 5 mts 13 mts 8 mts 20 mts 30 mts
IN D U ST R IA D E C A T A L IZ A D O R E S
T AN Q U E D E T R AT AM IE N T O H O R N O
C IST E R N A 1
C O N T EN ED O RD E Au C l3
C O N T EN E D O R D E N H 4O H
ZO N A D E L LEN AD O D E SO PO R T E
AG UA PAR A JAR D IN ES
M E Z C L A D O R E S 12 3 y 4
1 2 3 4
A L M A C Eacute N
Contenedor de HAuCl4
Figura 3 Dimensiones del equipo y tuberiacutea requerida
34
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
38 PLANO DE DISTRIBUCIOacuteN DE AacuteREAS
Figura 4 Aacutereas de trabajo dentro de la planta
35
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
DIMENSIONES DE LA INDUSTRIA
Figura 5 Dimensiones de cada aacuterea de la planta industrial
36
UAM-I
Ingenieriacutea Quiacutemica 37
10 cm 3mts 1 mts 25 cm 15cm 5 cm 5 cm 3mts 150 mts 10 cms 100 mts 20 cm
003 mts
Figura 6 Dimensiones del mezclador y del Agitador
UAM-I
Las dimensiones de las canastillas se determinaron a partir del balance de masa y la
produccioacuten requerida La carga de un contenedor de soporte que es de 100kg del
cual el agitador tiene 4 canastillas cada una corresponde 25 Kg la masa se obtuvo
del balance de materia y su densidad 600 Kgm3 con el que se obtuvo un volumen de
0043 m3
39 ANAacuteLISIS FINANCIERO
El costo de materias primas se muestra en la Tabla 2 en la que tambieacuten se incluyen
los flujos de alimentacioacuten requeridos para el proceso a partir de los cuales se
determinaron los costos diarios
Tabla 2 Costo de materias primas [5]
Compuesto
Alimentacioacuten
por diacutea
Costo
USDKg
Costo Total
USDdiacutea
Au 2 kg 10596 2119200
HCl 15 Kg 52 780
HNO3 20 Kg 022 044
-Al2O3 5712 Kg 034 19421
Canastillas 500 piezas 15 75000
NH3(OH) 200 Kg 034 680
H2O 440414 Kg 282 282
Total de Materia Prima 2215407
El costo se determinoacute considerando la cantidad de material el tamantildeo y el costo de
manufactura
El costo se determinoacute para uso industrial conforme establece la tesoreriacutea de
Meacutexico
Ingenieriacutea Quiacutemica 38
UAM-I
PERSONAL REQUERIDO PARA LA INDUSTRIA
La Tabla 3 establece los salarios mensuales anuales y las prestaciones del IMSS
para el personal de la planta
Tabla 3 Salarios y Prestaciones del Personal
Mano de Obra (USDmes)p
ersona
USDmes USDantildeo Prestaciones
IMSS
1 Gerente 2000 2000 24000
1 Administrador 1000 1000 12000
1 Secretaria 400 400 4800 1193
Total de Salarios
Administrativos
40800 1193 409193
9 Obrero 150 150 1800 448
1 Teacutecnico 200 200 2400 597
1 Policiacutea 200 200 2400 597
1 Mantenimiento 180 180 2160 538
1 Limpieza 150 150 1800 448
Total de Salarios
Proceso
10560 2628 108228
Los salarios se determinaron en base al salario miacutenimo vigente en la Ciudad de
Meacutexico (2003)[29]
Ingenieriacutea Quiacutemica 39
UAM-I
PERSONAL
Departamento de produccioacuten
Se tendraacute 2 obreros en el llenado de soporte en las rejillas un obrero encargado del
traslado de rejillas por medio de la banda de los motores a cada contenedor un
obrero en cada contenedor de NH4OH y HAuCl4 en cada mezclador se tiene 1
obrero para descargar y cargar las rejillas a la banda que se trasladaran al horno en
el horno se tiene 1 obrero encargado del secado y calcinado el producto se traslada
al almaceacuten donde estaraacuten 2 obreros que reciben el producto y materias primas de los
proveedores se tiene 1 teacutecnico supervisando los equipos un encargo del
mantenimiento de los equipos
Departamento de personal
Gerente de la industria un administrador encargado de compra y venta de materias
primas una secretaria
Ingenieriacutea Quiacutemica 40
UAM-I
CAPITAL FIJO
La Tabla 4 muestra el costo de los equipos requeridos en la planta asiacute como el
Capital Fijo y la Inversioacuten del Capital Total
Tabla 4 El equipo se costeo usando las correlaciones de Ulrich [6] y empleando el
programa de Capcost
EQUIPO USD
4 Contenedores 23584
4 Agitadores (456kW) 269760
1 Horno (25 kW) 15700
15 Bombas (1469kW) 43081
1 Motor (114 kW) 67440
Tuberiacuteas 42150
2 Cisternas 174183
Vaacutelvulas 1283
Accesorios
(codos 90ordm y de 45ordm te)
1474
CAPITAL FIJO 638655
Capital de Trabajo 9579825
INVERSIOacuteN DE
CAPITAL TOTAL
73445325
Los caacutelculos y las correlaciones empleadas para el costeo del equipo se anexan en
el Apeacutendice A
Ingenieriacutea Quiacutemica 41
UAM-I
GASTOS GENERALES
Tabla 5 Proporciona el total de gastos anuales con lo cual se estima el precio por
kilo de catalizador y por unidad purificadora
Tabla 5 Gastos Generales anuales
USDAntildeo
Materias Primas 531697680
Mano de Obra de Operacioacuten 1082280
Mano de Obra de Oficina 4091930
Servicios Electricidad 2620100
Total de Gastos Generales 539491990
CFE
Produccioacuten diaria de Catalizador = 574 Kg
Precio de Catalizador = 40 USDKg
Produccioacuten diaria de unidades purificadoras = 500
Precio por unidad = 50USD
Ganancia diaria = 22960 USD
Ganancia Anual = 5510400 USD
DETERMINACIOacuteN DE LA RENTABILIDAD DEL PROYECTO
TPI (Actual) = 10
PR (Factor de riesgo) = 25
TREMA = TPI + PR
TREMA = 35
TIR (del proyecto) = 90
TIR gt TREMA
Puesto que la TIR es mayor que la TREMA se tiene que el proyecto es rentable [6]
Ingenieriacutea Quiacutemica 42
UAM-I
310 CONCLUSIONES
En el desarrollo de la industria para la fabricacioacuten de catalizadores se tuvo un
resultado satisfactorio a pesar de la falta de informacioacuten disponible acerca de
industrias de catalizadores debido a que esta informacioacuten no es publica El proyecto
que elaboramos es novedoso en nuestro paiacutes ya que no existen registros de una
industria que produzca catalizadores de oro soportados en aluacutemina
Durante el desarrollo del proyecto se planteoacute trabajar con compuestos como NOx y
COVS sin embargo debido a la falta de tiempo no se logroacute concluir la
experimentacioacuten en estos campos Debido a esto se tomoacute la decisioacuten de trabajar en
la oxidacioacuten cataliacutetica de CO Esto debido a varios factores por ejemplo la
disponibilidad de gases y sobre todo los costos que esto implicaba
Para el desarrollo del catalizador se analizaron diferentes tipos de preparacioacuten y se
eligieron dos meacutetodos diferentes Deposicioacuten-precipitacioacuten e Impregnacioacuten Los
catalizadores se evaluaron bajo diversas condiciones en la oxidacioacuten de CO El
catalizador que presentoacute mayor conversioacuten con el catalizador a baja temperatura fue
el sintetizado por el meacutetodo de Deposicioacuten-precipitacioacuten el cual se utilizoacute para el
disentildeo de la Industria El disentildeo estaacute basado en la forma de preparacioacuten del
catalizador Por esto la parte maacutes importante de la planta es el tanque de mezclado
el cual se disentildeo tomando en cuenta los diferentes disentildeos de agitadores para tener
un mezclado oacuteptimo Se incorporo en la parte superior del agitador las canastillas
para las pastillas cataliacuteticas y el tipo de Horno que se usara para el secado y
posteriormente el calcinado Una parte importante es la produccioacuten de catalizador
para este problema se investigoacute en que parte se podriacutea utilizar a diferencia de los
catalizadores para automoacuteviles Se llego a la decisioacuten de poder desarrollar un
catalizador para los calentadores de agua se obtuvo informacioacuten de la fabrica de
calentadores cal-o-rex en la produccioacuten diaria de calentadores y de esta informacioacuten
se pudo calcular la posible demanda de nuestro producto Una parte importante en
las industrias son el tipo de bombas ya que existen diversos modelos en nuestro
disentildeo se escogioacute las bombas centriacutefugas con rodetes para agua que contiene
pequentildeas partiacuteculas de soacutelidos
En la parte de servicios para personal se investigo los sueldos de cada empleado Se
determinoacute el costo de los equipos y finalmente llegamos a la parte que nos interesa
Ingenieriacutea Quiacutemica 43
UAM-I
del disentilde es decir si el proyecto es rentable o no En este caso particular se tuvo un
valor aceptable y se definioacute que el disentildeo es rentable Esto indica que seria una
industria que tendriacutea ganancias y a la vez que el producto que se fabrique nos
ayudaraacute a todos a reducir la emisioacuten de CO en los hogares aportando una pequentildea
ayuda al medio ambiente
COMENTARIOS
Los conocimientos adquiridos durante este tiempo fueron provechosos en la parte
teoacuterica y praacutectica aclaramos dudas de como y porque se comportan las reacciones
quiacutemicas y los procesos de flujos Durante el desarrollo del proyecto aprendimos a
observar y la importancia de entender fiacutesicamente las algunos procesos relacionados
con la siacutentesis y caracterizacioacuten de materiales cataliacuteticos
Ingenieriacutea Quiacutemica 44
UAM-I
38 BIBLIOGRAFIacuteA
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UAM-I
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[29] Secretaria de Trabajo y Previsioacuten Social Comisioacuten de Salarios Miacutenimos
Ingenieriacutea Quiacutemica 46
UAM-I
APEacuteNDICE A
CRITERIOS PARA DETERMINAR QUIEacuteN CONTROLA EL PROCESO
Criterio de weisz para difusioacuten interna
Ec(12-16 Fogler) Los valores que se sustituyen en las siguientes ecuaciones fueron
tomados del catalizador que se analizo en el laboratorio
CWP = ( )
AS
cObsA
DeCRcr 2minus
lt 1
-rA(Obs) = velocidad de reaccioacuten observada molgcats Cc = concentracioacuten volumeacutetrica molm3
CAS = concertacioacuten en la superficie molm3
D= diaacutemetro del granulo m R = radio del granulo m De = difusividad efectiva m2s
d = 0149mm mxmm
m 4104911000
1 minus=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
CWP = ( )( )3
32
24
33
103470184200350
21049150800010681
minus
minusminus
=⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞⎜
⎝⎛
x
mmol
hrm
mxcatm
gcathgcat
molx
734x10-3 lt 1 No hay limitante por la difusioacuten interna
Ingenieriacutea Quiacutemica 47
UAM-I
Criterio de mears para difusioacuten interna Ec(12-62 Fogler)
Mm = 150ltAbc
bA
CkRnr ρminus
Mm =( )( )
0570
136000184200220
31110457508000106851
3
53
3
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ minusminus
hrs
mmol
sm
mxcatmgcat
hgcatmolx
0057 lt 015 no hay efecto de transferencia de masa externa Calculo de Dab para calcular el coeficiente de trasferencia de masa Ec(78 Lobo)
De =
KAAB DD11
1
+
DKA = 970X103 (80X10-8)(s
cmK 221 1090)
2400( =
DAB = 00018583ABAB
BA
PMMT
Ω
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ +
2
2123 11
γ
Para CO
0110=isin
Bk 0593 A=γ
Para O2
Ingenieriacutea Quiacutemica 48
UAM-I
0113=isin
Bk 0453 A=γ
( ) 51343359321
=+=ABγ
( )( )[ ] 21113110BAB k=isin A la temperatura de 400degK
( ) 583))113)(110((
40021 =
deg=
isin B
B
AB
B
KKKTK
Ω AB = 0907 Sustituyendo
DAB =s
cm2
2
2123
9730)9070()513(
)21281()400(00185830=
+
De = hrm
hrs
cmm
scm 222
03501
3600100
10980
10901
97301
1=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
+
Calculo de Kc Sh = (Re)12(Sc)13
Velocidad superficial
V = sm
shr
hrm
mxhr
m
Av
c
02036001976
1087
006025
3
0 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛== minus
Ingenieriacutea Quiacutemica 49
UAM-I
Re= ( ) 240)1062)(501(
)10491)(020(
1 25
4
=minus
=minus minus
minus
smx
mxsmvd p
νφ
Sc= 672)3600
1)(0350(
10622
25
==minus
shr
hrm
smx
Dv
AB
Sh= ( 024 )12 ( 267 )13 = 0679
Kc = Shdp
DAB⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛minusφ
φ1
Kc = ( )sm
mxs
mx02206790
10491
10729
50501
4
26
=⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛minus
minus
minus
Calculo de numero Thile con el radio que usara a nivel industrial
φ = L ( )DkCn n
AS
21 1minus+
L = 3R
Sustituyendo
φ = 66x10-4 m( )
( )
450
03502
018420
5480941311
3
30
3330
313
=
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+
catmhrm
mmol
hrcatmmolm
η = 1 con los resultados anteriores se observa que quieacuten limita es la velocidad de
reaccioacuten Por lo que se procede a calcular el peso y longitud de catalizador
necesaria para muestro purificador sustituyendo los valores del Boiler
Ingenieriacutea Quiacutemica 50
UAM-I
Peso del Catalizador w =
( ) grcatgcatLn
gcatm
mmol
hrcatmmolm
hrm
xLn
kCv
A
66476639401
1
6000001578
548094
19836
11
330
3330
313
3
0
0 asymp=minus
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
minus
g 664=w
33
3
1011
mg60000
g 664 mxwv minus===ρ
m 035003101011
2
33
==minus
mmxL
cm 531000350 == xL
Ingenieriacutea Quiacutemica 51
UAM-I
APEacuteNDICE B BALANCE DE MASA DE LA PREPARACIOacuteN DE HAUCL4 Au(g) + 3HNO3(ac) + 4HCL(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O + 3N02(g) (152 M) (105M)
cantidad de mol Au = 05 kg Au x molAu
grAumolAux
kggr 542
971961
11000
=
cantidad de kg HNO3 = ( ) 33
33 480
10001
1635423 kgHNO
grkgx
molHNOGRHNOxHNOmol =
cantidad de kgHCl = ( ) kgHClgr
kgxmolHCl
grHClHClxmol 3701000
11
5365424 =
cantidad de kgHAuCl4 = 254molHAuCl4 x 44
8601000
11
97339 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
gr=
cantidad de kgH2O = 3( 254mol)H20 x OkgHgr
kgxOmolHOgrH
22
2 1401000
1118
=
cantidad de Lt H20 = 762molHNO3 x OltHOkgHOLtH
22
2 14011
=
cantidad de Lt H20 = 1016 mol HNO3 x 050215
012
2 LtHmol
LtH=
cantidad de LtH20 = 1016mol HCl x OLtHLtHmolHCl
LtH22
2 010970510
01asymp=
cantidad de MHAUCl4 = ( ) ( ) ( ) MHltltlt
ClmolHAU 7210850490140
542
2
4 asymp++
cantidad de kg NO2(g) = 3( 254mol)NO2 x )(22
2 3501000
1146
SkgNOgr
kgxmolNO
grNO=
Ingenieriacutea Quiacutemica 52
UAM-I
05 kg Au 048 kgHNO3 035 kgNO2 101021 kgH20 (152M) 037 kgHCl(ac)
(105 m) 086 kg HAuCl4 (ac) 086 kg HAuCl4 (ac)
(17 M) 014 kgH20 (25x10-3M) 014kg H20 (L) 086kg HAuCl4 035kgNO2 (g) 101185kg H20 Cantidad de H20 = 086 kgHAuCl4
x 08510110101
105201
173341
11000
22
23
24 kgHLtHkgHx
MxltHx
grmolHAuClx
kggr
=minus
pero (101185 ndash 014 ndash 05 ndash 1) kg H20 = 101021 kg H20 100ml H20 por 1 gr soporte 35kg NH4 (OH)(AC) 10000kgH20 100 kg γAl203 (9965) 035kgAu (035) 100kg γAl203 025kgCl2 086kg HAuCl4 026kgHAuCl4
101185 kg H20 35kgNH4 (OH)(AC) 1101185kgH20 cantidad de kgHAuCl4 = 015kgAu x
44
4 2601000
11
973391
197196
147196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxgrAu
molxkg
gr=
cantidad de NH4(OH) = 100kg γ Al203 x
Ingenieriacutea Quiacutemica 53
UAM-I
kgNHxmol
grx
mlmol
xOAlgr
OHmlNHx
kg
gr53
10001
1
35
100010
1
)(10
1
1000
32
4=
γ4(OH)
30kg γAL2O3 1 kgNH4(OH)(AC) 30 kg γ Al203 (9965) 010 kg Au (035) 026kgHAuCl4 007kg Cl2 35kgNH4(OH) 1101185 kgH2O 0086kgHAuCl4 45 kg NH4(OH)(AC) 1101185 kg H20
cantidad de γ Al2O3 = 026kgHAuCl4 x 324
32 02330860
100 AlkgkgHAuCl
OAlkg γγ=
cantidad de kgAu = 035 x kgAukg 10506599
30=
cantidad de kg Cl2 = 01 kgAu x
22
2 07201000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de HAuCl4 = 005kgAu x
44
4 08601000
11
973391
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 54
UAM-I
cantidad de kgNO4(OH) = 30 kg γ Al203 x ( )OHkgNHAlkg
OHkgNO4
32
4 0510100
)(53=
γ
105 kg γ Al203 035 kg NH2(OH) 105 kg γ Al203 (9965) 004 kg Au (035) 009kg HAuCl4 003 kg Cl2 45kgNH4(OH) 1101185 kg H20 0017kgHAuCl4 485kgNH4 (OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 009 HAuCl4 x 324
32 04710860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad kg de NH4 (OH) = 105kg γ Al203 x ( ) )(3500100
534
32
4 OHkgNHAlkg
OHkgNH=
γ
cantidad de Cl2 = 004 kg Au x
22
2 02901000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
gAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 =
44
44 02001701000
11
973391
197196
11
1000010 kgHAukgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgr
molAuxkg
grkgAux asymp=
Ingenieriacutea Quiacutemica 55
UAM-I
23 kg γ Al203 008kgNH4(OH) 002 kg HAuCl4 23 kg γAl203 (9965) 485kgNH4(OH) 0008kgAu(035) 1101185kg H2 0001kg Cl2
0014 kg HAuCl4 493kgNH4(OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 002kgHAuCl4 x 324
32 032860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad de kg Au = 035 x kgAukg 00806599
32=
cantidad de kgCl2 = 0002kgAu x
24
4 00101000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 = 0008kgAu x
44
44 01401000
11
973341
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 56
UAM-I
APEacuteNDICE C ACCESORIOS EN EL DISENtildeO
Agitador
Agitadores de Heacutelice se escogioacute este tipo de agitador por ser tener las siguientes
caracteriacutesticas [3]
bull Es un agitador de flujo axial
bull Se emplea para liacutequidos pocos viscosos
bull Giran a toda la velocidad del motor
bull Las corrientes de flujo se mueven a traveacutes del liacutequido en una direccioacuten
determinada hasta que son desviadas por el fondo o las paredes del tanque
bull Las palas de la heacutelice cortan o friccionan vigorosamente el liacutequido
bull Los agitadores de heacutelice son eficaces para tanques de gran tamantildeo
Horno
bull El horno se escogioacute por ser tener las siguientes caracteriacutesticas [5]
bull El horno de construccioacuten metaacutelica
bull La caacutemara de combustioacuten estaacute construida mediante hormigones refractarios
de alta resistencia mecaacutenica
bull Las materias secar y calcinar se carga de forma manual
Ingenieriacutea Quiacutemica 57
UAM-I
Bomba
DISENtildeO Bomba centrifuga para operacioacuten horizontal o vertical del impulsor
cerrado succioacuten al extremo descarga hacia arriba tangencial simple succioacuten de un
paso con carcaza partida verticalmente [3]
ROTACIOacuteN En el sentido del reloj vista desde el cople
CARACTERIacuteSTICAS Conexiones brindadas con registro ubicado en la cabeza de
succioacuten para facilitar su limpieza
SERVICIO Debido a que es posible colocarla en posicioacuten horizontal o vertical tanto
en caacutercamos secos como huacutemedos y por el disentildeo de su impulsor que soacutelidos de
gran tamantildeo esta bomba es ideal para los procesos de tratamientos de agua y
manejo de liacutequidos en suspensioacuten en general
CAPACIDADES
GASTO Hasta 3000 GPM
CDT Hasta 80rsquo
PRESIOacuteN 106 Kgcmsup2
POTENCIA De 1 a 60 Hp
VELOCIDAD (1175 - 3550 RPM)
TEMPERATURA 125degC
Ingenieriacutea Quiacutemica 58
UAM-I
Bombas Centriacutefugas
Las maquinas centriacutefugas estaacuten constituidas por un impulsor o rodete formado por
una serie de aletas radiales diversas formas y curvaturas que giran dentro de una
caja circular El fluido penetra por el ojo o eje de rotacioacuten y se descarga maacutes o
menos radialmente en una caacutemara perifeacuterica a una elevada presioacuten que
corresponde a la suma de la fuerza centriacutefuga de la rotacioacuten maacutes la cineacutetica
comunicada al fluido por las aletas La parte moacutevil de la bomba es el rodete Las
aletas del rodete se extienden desde el centro de rotacioacuten hacia la periferia y las
bridas son los discos de refuerzo a cada lado de las aletas que las envuelven Las
aletas pueden ser radiales curvadas ligeramente hacia delante en el mismo sentido
de la rotacioacuten o estar curvadas al reveacutes en el caso maacutes comuacuten en el disentildeo se
determino el rodete siguiente por sus caracteriacutesticas Fig 1
Figura 1 Corte parcial de un rodete de centriacutefuga para grandes cargas y secciones
de paso estrechas empleando con liacutequidos corrosivos o suspensiones de pequentildeas
partiacuteculas[4]
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UAM-I
APENDICE D CALCULO DE POTENCIA DE BOMBAS (8)
Potencia de la bomba de la cisterna 1 que alimenta a los mezclador 4
Ecuacioacuten de Bernoulli
sum sumint =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛+++∆+∆i i
i
P
P
evvfDLvwdphgv 0
21
21
ˆ1
21 222
2
1ρ
a b c d e f
a Diferencia de velocidades
b Diferencia de alturas
c Diferencia de presiones
d Trabajo
e Perdidas de friccioacuten en tuberiacuteas
f Perdidas de friccioacuten en accesorios
En la ecuacioacuten anterior se pueden eliminar algunos teacuterminos
21 mts
6 mts 35 mts
Figura 1 Balance de cisterna 1 a mezclador 4
Se debe de tener dos puntos de referencia para la utilizacioacuten de la ecuacioacuten de
Bernoulli de los cuales se anotaron en la figura 2
Ingenieriacutea Quiacutemica 60
UAM-I
21 mts
2 1 6 mts 35 mts
Figura 2
Teniendo los puntos de referencia se analiza que las diferencias de velocidades son
cero en ambos puntos por lo tanto el termino 2
21 ν∆ es igual a cero
El termino de = (981hg∆ 2segm )(35m ndash 0) = 34335 2
2
segm
El termino de int2
1
1P
P
dpρ
se tiene que la cisterna y el tanque de mezclado ambos no
estaacuten cerrados y por lo tanto no originan un cambio de presioacuten y el termino es cero
De esta expresioacuten L longitud de tuberiacutea
tro de tuberiacutea
n el interior del tubo
v
Para la l radio del tubo que
sum ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
i
fDL2
21 ν
D diaacuteme
f perdidas de friccioacuten e
velocidad del flujo de agua
obtencioacuten de la velocidad se tiene el flujo volumeacutetrico y e
es de 32 cm =0032mts con la ecuacioacuten
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( )( ) sm
ms
m
RQ 761
032060min1)
min340(
2
3
2 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
==ππ
ν
UAM-I
Se reportan valores de perdida de fr
e reduce teacuterminos
iccioacuten en tubos que son igual a 005
Por lo tanto sustituyendo los teacuterminos en la ecuacioacuten de Bernoulli s
sum sumint =⎟⎠
⎜⎝
+⎟⎠
⎜⎝
+++∆+∆i i
iP
evvfD
vwdphgv 022
ˆ2
1ρ
⎞⎛⎞⎛ L 111 2222
or tanto el termino de trabajo queda expresado de la siguiente manera
tanto la bomba comunica al fluido que circula en el sistema un trabajo
+11727
P1
p w
sum sum ∆minus⎟⎠⎞
⎜⎝⎛minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛minus=
i ii
hgevvfDLvw 22
21
21
ˆ
( ) ( )
Este es el trabajo ( por unidad de masa) producido por el fluido en la bomba por lo
22
sm o 11727 981 = 1195
m
fKg
Kgm
La velocidad de flujo de masa es
Por lo tanto
1 )=6694
951)(675(ˆ =minus=minus WwW smkg f = 088Hp = 1Hp
Siendo esta ida para esta bomba El procedimiento anterior se
iguioacute para cada bomba de la planta
AP E
la potencia requer
s
EacuteNDICE
TOXICOLOGIacuteA DE MATERIAS PRIMAS [6]
( ) ( ) ( )( ) ( )( )msm
smmmm
sm 538192201150761
21050
032021536761
21
2
22minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ +minus⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ++
minus=wm
22
27117ˆ smw minus=
( )s
kgmkgQw m675100060340 3 === ρ
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HIDROacuteXIDO DE SODIO
Polvo corrosivo blanco delicuescente
Toxicidad
Concentracioacuten Maacutexima permisible 2mgm3 en aire
Signos y Siacutentomas Conjutivitis quemaduras corneales y de la piel Irritacioacuten
seas vomito dolor abdominal y diarrea a veces con
Lavado de las partes afectadas tranquilizantes sulfato de
decuada gafas protectoras o pantallas para
ignos y Siacutentomas Irritacioacuten de ojos quemaduras corneables tos dolores
l hemoptisis dolor de cabeza dolor epigaacutestrico nauseas y vomito
lmonar
Tratamiento lavado de ojos con agua reposo oxigeno con aparato de respiracioacuten
con onantes
ACIDO NITRICO
Liquido corrosivo sofocante de incoloro a amarillento
ioacuten maacutexima permisible 10ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
del tracto respiratorio nau
sangre
Tratamiento
morfina para el dolor y cortisona
Medidas preventivas Ventilacioacuten a
la cara completa mascarilla con filtro mecaacutenico guantes delantares botas de
goma y acentuar la limpieza personal
CLORO
Gas pasado amarillo verdoso
Toxicidad
Conc Maacutexima permisible 1 ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten
S
retrosterna
debilidad cianosis y edema pu
trolada bronco dilatadores y descongesti
Toxicidad
Concentrac
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Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
Signos y siacutentomas Erosioacuten dental estornudo tos Dolor en el pecho bronquitis y
la las partes contaminadas del cuerpo con solucioacuten al 5 de
de las quemaduras con pantildeos
de triacuteo sulfato soacutelido si se a ingerido
vado de ojos con agua
ACIDO CLORIDRICO
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
ivitis necrosis corneal por inhalacioacuten rinitis erosioacuten
dolor de cabeza palpitacioacuten por ingestioacuten
s en la boca faringe esoacutefago estomago salivacioacuten vomito Soc
agua lavada de agua y jaboacuten de las partes
preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
AacuteC
El c
con o de hidroacutegeno una
concentracioacuten de 12 molLt Este aacutecido es un liacutequido incoloro con un olor aacutecido
bronconeumoniacutea
Tratamiento
bicarbonato soacutelido o con agua y jaboacuten Tratamiento
mojados con solucioacuten saturada
administracioacuten por viacutea oral de solucioacuten de jaboacuten Hidroacutexido caacutelcico o alumiacutenico u
oacutexido de magnesio
Medidas preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores excluir de la exposicioacuten
a los individuos con enfermedades de pulmones y rintildeones
Gas incoloro o liacutequido o a amarillento
Toxicidad
Concentracioacuten maacutexima permisible 5ppm en aire
Signos y siacutentomas conjunt
dental laringitis bronquitis neumoniacutea
quemadura
nefritis
Tratamiento lavado de ojos con
contaminantes del cuerpo tratamiento ordinario de quemaduras lavado gaacutestrico
se a ingerido con solucioacuten de bicarbonato soacutedico al 5 seguido de una instilacioacuten
de gel de hidroacutexido de aluminio
Medidas
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores
IDO CLORHIacuteDRICO
loruro de hidroacutegeno es en extremo soluble en agua de hecho el aacutecido clorhiacutedrico
centrado contiene cerca del 38 en masa de clorur
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pronunciado que se debe al equilibrio entre el cloruro de hidroacutegeno gaseoso y
ste con el aacutecido fluorhiacutedrico el aacutecido clorhiacutedrico es un aacutecido fuerte (pKa = -
7) y se ioniza casi totalmente
gar de aacutecido sulfuacuterico auque en menor grado Por
jemplo el zinc metaacutelico reacciona con aacutecido clorhiacutedrico para dar el ion zinc e
hidroacutegeno gaseoso
Zn(s) + 2HCl(ac) ZnCl2(ac) + H2(g)
l para producir aacutecido clorhiacutedrico en el laboratorio es generar
cloruro de hidroacutegen e sodio y el aacutecido
ulfuacuterico En el primer paso a 150degC se forma hidroacutegeno sulfato de sodio
NaHSO4(s) + HCl(g)
io y maacutes
loruro de hidroacutegeno gaseoso Luego el gas se disuelve en agua para formar el
aacutecido
NaHSO4(s) + NaCl(s) Na2SO4(s) + HCl(g)
acuoso
HCl(ac) HCl(g)
El reactivo de grado teacutecnico a menudo tiene un color amarillento por una impureza
del ion hierro (III)
En contra
HCl(ac) + H2O(l) H2O+(ac) + Cl -(ac)
Por ello a menudo se prefiere usar aacutecido clorhiacutedrico diluido en lugar de aacutecido niacutetrico
que es muy oxidante y en lu
e
Cuando el zinc reacciona con el aacutecido niacutetrico es comuacuten que se reduzca una parte
del ion nitrato para dar dioacutexido de nitroacutegeno
El meacutetodo tradiciona
o gaseoso por la reaccioacuten entre el cloruro d
s
NaCl(s) + H2SO4(l)
La mezcla se calienta a 550degC temperatura a la cual el hidroacutegeno sulfato de sodio
reacciona con un exceso de cloruro de sodio para formar sulfato de sod
c
∆
Este meacutetodo se usa tambieacuten en la industria otra forma de producir cloruro de
hidroacutegeno es por la combinacioacuten directa de dicloro y dihidroacutegenogaseosos
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H2(g) + Cl2(g) 2HCl(g)
La mayor cantidad de cloruro de hidroacutegeno que se produce actualmente es un
CH4(g) + 4Cl2(g) 4(l) + 4HCl(g)
riacuten de superficies de acero en un bantildeo aacutecido en la purificacioacuten de glucosa
y jarabe de maiacutez e s y de gas y en la
bricacioacuten de compuestos clorados El aacutecido se puedo comprar en muchas
nducida por la luz
4HNO3(ac) 4NO2(g) + O2(g) + 2H2O(l)
niacutetrico como disolvente)
H2NO3+ H2O + NO2
+
l siguiente
3HNO NO3 ndash
subproducto de otros procesos industriales como la siacutentesis de tetracloruro de
carbono
CCl
Se consumen cerca de 107 toneladas de aacutecido clorhiacutedrico cada antildeo en todo el
mundo Este aacutecido tiene una gama muy amplia de usos como aacutecido comuacuten para
eliminar o
n el tratamiento con aacutecido de pozos petrolero
fa
ferreteriacuteas con el arcaico nombre de aacutecido muriaacutetico sus principales usos caseros
son la limpieza de superficies de concreto y la eliminacioacuten de herrumbre Un nuacutemero
muy reducido de personas es incapaz de sintetizar suficiente jugo gaacutestrico y deben
de ingerir caacutepsulas de aacutecido clorhiacutedrico diluido con cada comida
AacuteCIDO NIacuteTRICO
El aacutecido niacutetrico un liacutequido aceitoso e incoloro en estado puro es sumamente
peligroso El aacutecido que funde a ndash42degC y hierve a +83degC tiene por lo general un
ligero color amarillo a causa de una reaccioacuten de descomposicioacuten i
En un estado puro el aacutecido niacutetrico liacutequido praacutecticamente no conduce la electricidad
Una pequentildea porcioacuten se ioniza como sigue (todas estas especies existen en el aacutecido
2HNO3(l) H2NO3+ + NO3
ndash
H2O + HNO3 H3O+ + NO3 ndash
Para dar la reaccioacuten globa
3 NO2+ + H3O + 2+
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El catioacuten nitrilo es importante en la nitracioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas por ejemplo la
obenceno C6H5NO2 una etapa importante en
umerosos procesos industriales orgaacutenicos
El aacutecido niacutetrico con en agua mientras
ue el ldquoaacutecido niacutetrico fumanterdquo un oxidante extremadamente poderoso es una
vez de ello se produce una mezcla de
sistema que da un orden de
vista industrial el
oceso
e lleva a cabo en tres etapas Primero se hace pasar una mezcla de amoniaco y de
dioxiacutegeno (o aire) un proceso muy
ficiente y exoteacutermico que hace que la malla se ponga al rojo Esta etapa se verifica
conversioacuten de benceno C6H6 en nitr
n
centrado es en realidad una solucioacuten al 70
q
solucioacuten roja de dioacutexido de nitroacutegeno en aacutecido niacutetrico puro Incluso cuando esta
diluido el aacutecido niacutetrico es un oxidante tan fuerte que rara vez desprende hidroacutegeno
cuando se pone en contacto con metales en
oacutexidos de nitroacutegeno y el metal se oxido a su catioacuten
Los enlaces O-N son mucho maacutes cortos (121 pm) que el enlace O-N unidos al aacutetomo
de hidroacutegeno (141 pm) Esta longitud de enlaces indica que hay enlaces muacuteltiples
entre el nitroacutegeno y los dos aacutetomos de oxiacutegeno terminales Ademas de los electrones
del sistema σ hay cuatro electrones que participan en el sistema π O-N-O dos de un
orbital enlazante y dos en un orbital no enlazante
enlace de 112 para cada uno de esos enlaces nitroacutegeno- oxiacutegeno
A veces se nos olvida hasta queacute punto nuestra experiencia depende de la
termodinaacutemica y la cineacutetica Por ejemplo la primera siacutentesis industrial de aacutecido
niacutetrico se llevaba ha cabo por simple combinacioacuten de diniacutetrogeno dioxiacutegeno y agua
utilizando un horno de arco eleacutectrico a fin de proporcionar la energiacutea necesaria par
superar la muy elevada barrera cineacutetica Aunque desde el punto de
factor cineacutetico constituiacutea un problema en realidad es una bendicioacuten por que sin esta
barrera cineacutetica hace mucho tiempo que todo el dioacutexido de la atmoacutesfera se abriacutea
transformado en aacutecido niacutetrico y nuestros mares serian de aacutecido niacutetrico diluido
frac12 N2(g) + 54O2(g) + 12H2O(g) HNO3(g)
Ahora se utiliza el proceso Ostwald para la siacutentesis de aacutecido niacutetrico Este proceso
consume gran parte del amoniaco que se produce por el proceso Haber El pr
s
a traveacutes de una malla de platino metaacutelico Eacuteste es
e
a baja presioacuten para aprovechar el efecto entropico es decir la formacioacuten de 10
moles de gas a partir de 9 moles de gas (una aplicacioacuten del principio de Le Chatelier)
para desplazar el equilibrio a la derecha
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4NH3(g) + 5O2(g) 4NO(g) + 6H2O(g)
Se agrega maacutes oxiacutegeno para oxidar el monoacutexido de nitroacutegeno a dioacutexido de nitroacutegeno
A fin de mejorar el rendimiento de esta reaccioacuten exoteacutermica se extrae calor de los
ases y la mezcla se somete a presioacuten
2HNO3(l) + NO(g)
Esta reaccioacuten tambieacuten es exoteacutermica y una vez maacutes se aplica enfriamiento y alta
la
egunda etapa para oxidarlo de nuevo
La contaminacioacuten s de aacutecido niacutetrico
as plantas maacutes antiguas eran faacutecilmente identificables por la fumarola cafeacute-
antas maacutes antiguas ahora mezcla cantidades
en Estados Unidos porque un 20
dedica ala produccioacuten de explosivos
or ultimo el aacutecido niacutetrico es un liacutequido que hierve a 826degC No existe como liacutequido
g
2NO(g) + O2(g) 2NO2(g)
El dioacutexido de nitroacutegeno se mezcla con agua para dar una solucioacuten de aacutecido niacutetrico
3NO2(g) + H2O(l)
presioacuten par obtener el maacuteximo rendimiento El monoacutexido de nitroacutegeno se vuelve a
s
soliacutea ser un problema importante de las planta
L
amarillento del dioacutexido de nitroacutegeno que escapaba por ellas Las plantas maacutes
antiguas eran faacutecilmente identificable por la fumadora cafeacute-amarillo del dioacutexido de
nitroacutegeno que escapaba de ellas Las pl
estequiomeacutetricas de amoniaco con las oacutexidos de nitroacutegeno con lo cual se obtiene
dinitroacutegeno y vapor de agua ambos inocuos
NO(g) + NO2 (g) + 2NH3(g) 2N2(g) + 3H2O(g)
En todo el mundo alrededor del 80 del aacutecido niacutetrico se utiliza en la produccioacuten de
fertilizantes Esta proporcioacuten es de solo el 65
se
P
puro porque en alguna medida se descompone espontaacuteneamente como sigue
4HNO3(l) 4NO2(g) + 2H2O(l) + O2(g)
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UAM-I
El aacutecido niacutetrico concentrado que se usa en el laboratorio estaacute al 68 en masa HNO3
(densidad 142 gcm3) lo que corresponde a 157 M
l aacutecido niacutetrico es un poderoso agente oxidante El nuacutemero de oxidacioacuten del N en el
) El aacutecido niacutetrico puede oxidar
nto a metales que estaacuten abajo del hidroacutegeno como aquellos que se encuentran
4Zn2+(ac) + NH4
+(ac) + 3H2O(l)
do no oxida al oro Sin embargo cuando se mezcla con
cido clorhiacutedrico concentrado en relacioacuten 13 en volumen (una parte de HNO3 a tres
partes al oro
omo sigue
APEacuteNDICE F
ETODO DE DEPOSICIOacuteN-PRECIPITACIOacuteN
E
HNO3 es + 5 Los productos maacutes comunes de la reduccioacuten del aacutecido niacutetrico son el
NO2 (N = + 4) el NO (N = + 2) y el NH4+ (N = - 3
ta
arriba en la serie de actividades Por ejemplo el cobre es oxidado por el aacutecido niacutetrico
concentrado como se mencionoacute antes
En presencia de reductores fuertes como el zinc metaacutelico el aacutecido niacutetrico se puede
reducir hasta ion amonio
4Zn(s) + 10H+(ac) + NO3
-(ac)
El aacutecido niacutetrico concentra
aacute
de HCl) la disolucioacuten resultante denominada agua regia puede oxidar
c
Au(s) + 3HNO3(ac) + 4HCl(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O(l) + 3NO2(g)
M
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APEacuteNDICE G
ISENtildeO DEL MEZCLADOR [4]
1) 100 ml H2O gr soporte
2) NH4(OH)
Ajustar a PH = 9 4) HAuCl4 (solucioacuten acuosa al 25E-3M)
6) Filtrado o centrifugado
3) En Agitacioacuten por 2 hr
8) Secado por 2hr a 80 degC
9 ) Calcinado por 4hr a 400 degC
7) Lavado
5) Antildeegamiento por 30 min
D
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El disentildeo de un tanque agitado dis n nuacutemero de elecciones sobre el
po y localizacioacuten del agitador las proporciones del tanque el nuacutemero y dimensiones
ada una de estas decisiones afectan a la velocidad
e circulacioacuten del liacutequido los modelos de velocidad y el consumo de potencia Como
pone de un gra
ti
de las placas deflectoras etc C
d
punto de partida en el disentildeo de los problemas ordinarios de agitacioacuten generalmente
se utiliza un agitador de turbina del tipo que se muestra en la figura 1 La proporcioacuten
tiacutepica es
31
=t
a
DD
1=tD
H 121
=tD
J 51
=aD
W 41
=aD
L
de estas ecuaciones se disentildeara el mezclador como datos se tiene el valor H que es
igual a 3 mts y el diaacutemetro del tanque D
Se determinara la medida de los reflectores
t que es igual 3 mts
121
=tD
J se despeja J
elacioacuten R31
=t
a
DD
se despeja Da
Relacioacuten
41
=aD
L se despeja L
elacioacuten se despeja W
( ) ( ) cmmtsmtsDJ 25250311==⎟
⎞⎜⎛=⎟
⎞⎜⎛= t 1212 ⎠⎝⎠⎝
( ) ( ) mtsmtsDD ta 1331
31
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=
( ) ( ) mtsmtsDL a 250141
41
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛= cm25=
51
=aD
WR
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UAM-I
Figura 2 a) Vista transversal del mezclador b) paletas del mezclador con la
donde se deposita el soporte
Figura 1 Medidas de un agitador de turbina
a) b)
s rejillas
H
J
E L
Da
D t
W
W
( ) ( ) cmmtsmtsDW a 2020151
5==⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎜⎝
=1 ⎞⎛
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UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado 20
Figura 6 Variacioacuten de la conversioacuten con respecto al tiempo para la muestra de DP a
una temperatura de 180 degC Datos Referencia [11]
Figura 7 Oxidacioacuten de H sobre los catalizadores 035-Au2 γ-Al2O3-DP 007-Auγ-
Al2O3-IMP y 10-Auγ-Al2O3-IMP bajo condiciones de exceso de O2
La Figura 8 muestra como varia la temperatura de encendido con la cantidad de Au
en los catalizadores preparados en este trabajo Se observa un miacutenimo para el
catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP lo cual indica que la mayor actividad se logra a bajos
contenidos de Au y tamantildeos de partiacutecula menores que 5 nm
0
20
40
60
80
0 200 400 600 800 1000Tiempo (min)
Con
vers
ioacuten
de C
O (
) 100
035-Au -Al2O3-DP (176 degC)
043-Au -Al2O3-IMP (25 degC)
0
20
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Temperatura (degC)
40
60
Con
vers
ioacuten
de H
2 (
)
80
100
10-Au -Al2O3-IMP035-Au -Al2O3-DP007- Au -Al2O3-IMP50-Au -Al2O3-IMP
UAM-I
F
o
P
o
o
re
d
F
c
C
T50 (degC)
igura 8 Variacioacuten de la te
xidacioacuten de CO con respect
or ultimo se realizaron cu
peracioacuten pero variado la
btenidos se muestran en la
accioacuten presentan una tend
e catalizador
00000
00040
00080
00120
00160
00200
0
(-rc
o)
00000
igura 9 Velocidad de reac
ondiciones en exceso de O2
atalizadores de Oro Soportado
masa Au
mperatura de encendido a 50 de conversioacuten en la
o a la cantidad de Au en el catalizador
atro corridas maacutes bajo las mismas condiciones de
masa de catalizador Las velocidades de reaccioacuten
fig9En esta figura se observa que las velocidades de
encia lineal despueacutes de los 80degC al aumentar la masa
50 100 150 200 250 300T (degC)
3 gr cat
25 gr cat
2 gr cat
15 gr cat
1 gr cat
cioacuten de CO a diferentes masas de catalizador y bajo
21
UAM-I
Se tomo una temperatura de 125 degC debido a las mediciones realizadas en
diferentes calentadores domeacutesticos Se encontroacute que la temperatura media es la
mencionada A partir de los datos experimentales se determinoacute que el orden de
reaccioacuten es 13 y la constante cineacutetica k = 480945 (m3)13[(mol)03m3cat hr] (00012
mhr) y un coeficiente de transferencia de masa de 792 mhr (ver apeacutendices A) con
estos valores y usando los criterios de Weisz-Prater y Mears[14] (ver apeacutendice B) se
obtuvo que no existe resistencia interna ni externa a la transferencia de masa por lo
que la cineacutetica es la que controla
24 CONCLUSIOacuteN DE LA EXPERIMENTACIOacuteN El meacutetodo de DP es mucho maacutes adecuado que el de IMP para la preparacioacuten de
catalizador de Au soportados en γ-Al2O3 ya que permitioacute obtener catalizadores con
cinco veces maacutes oro que el preparado por el meacutetodo IMP bajo condiciones similares
de preparacioacuten En ambos casos el tamantildeo promedio de partiacutecula fue menor que 5
nm Debido a esto el catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP presenta una mayor actividad
en la oxidacioacuten de CO e H2 sin observarse desactivacioacuten durante un periodo de 24 h
Puesto que en ambas muestras se consiguioacute una gran dispersioacuten y un tamantildeo
similar de nanopartiacuteculas de oro se tiene entonces que la principal diferencia de
actividad cataliacutetica se debe principalmente a la cantidad de Au en el catalizador Sin
embargo el catalizador 10-Auγ-Al2O3 presenta una menor conversioacuten que el de
035-Auγ-Al2O3-DP a pesar de contener maacutes Au por lo que hasta el momento se
podriacutea decir que la cantidad de Au optima se encuentra por debajo de 10 wt y por
arriba de 007 wt no obstante se requiere de la caracterizacioacuten del catalizador 10-
Auγ-Al2O3 se para determinar de que manera influyen el tamantildeo de partiacuteculas la
distribucioacuten el volumen y el tamantildeo de poro en los resultados esta caracterizacioacuten
asiacute como la evaluacioacuten cataliacutetica del catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP bajo
condiciones estequiomeacutetricas se encuentran en proceso
Catalizadores de Oro Soportado 22
UAM-I
25 BIBLIOGRAFIacuteA [1] M Haruta CatalToday 36 (1997) 153
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Pretice may Tercera edicioacuten Impresa en Meacutexico DF
Catalizadores de Oro Soportado 23
UAM-I
C A P I T U L O III
D I S E Ntilde O D E L A P L A N T A I N D U S T R I A L
Catalizadores de Oro Soportado 24
UAM-I
31 INTRODUCCIOacuteN
Este capitulo esta enfocado al disentildeo de la planta industrial donde se produciraacuten
catalizadores de Auγ-Al2O3 por el meacutetodo de Deposicioacuten-Precipitacioacuten (DP) descrito
en el capitulo 2
Parte de la produccioacuten de los catalizadores se destinaraacute a su venta en masa y otra
parte se destinaraacute para el equipo de purificacioacuten de calentadores de agua esto con
la finalidad que el catalizador que esta contenido dentro del equipo de purificacioacuten
cuando se desactive pueda remplazarse por catalizador nuevo disponible en el
mercado De esta forma se tendraacuten ganancias tanto al vender el equipo purificador
como al vender catalizador como materia prima
32 DISENtildeO DEL EQUIPO PURIFICADOR PARA CALENTADORES DE AGUA DOMEacuteSTICOS El equipo purificador se ubicaraacute a la salida del efluente gaseoso del calentador como
un equipo adicional como se muestra en la Figura 1 Se plantea colocarlo en una
posicioacuten tal que oxide a baja temperatura hasta el 90 de CO Las dimensiones del
purificador se determinaron seguacuten las especificaciones de calentador y el balance de
materia en el sistema purificador Estos caacutelculos se presentan en el Apeacutendice A
Los tubos de las chimeneas de los calentadores son de latoacuten por lo que se decidioacute
utilizar este material para la parte exterior la parte donde se colocaraacute el catalizador
es de 35 cm de longitud para colocarlo en el tubo de la salida del flujo de gas se
dieron 2 cm maacutes en cada extremo para hacer un tipo cople de manera que el tubo
entre en los extremos
Catalizadores de Oro Soportado 25
UAM-I
C O 2 2 0 c m 7 c m c m G A S C O
3
2cm
75 cm 35 cm
Figura 1 Esquematizacioacuten del equipo purificador y su ubicacioacuten en los calefones
Las dimensiones obtenidas (Apeacutendice A) y las caracteriacutesticas del purificado se
presentan en la Tabla 1
Tabla 1 Especificaciones de purificador
Material Latoacuten
Longitud 35 cm
Diaacutemetro 20cm
Cantidad de
Catalizador
700 gr
Catalizadores de Oro Soportado 26
UAM-I
33 PRODUCCIOacuteN DE LA PLANTA INDUSTRIAL A partir de un estudio de mercado se encontroacute que en la Ciudad de Meacutexico hay
cuando menos cuatro empresas principales (CALOREX ELSA MAGAMEX y
CINSA) que fabrican calentadores de agua residenciales[1 2] Estas en promedio
producen 150 calefones diarios Por cada calefoacuten se requiere un equipo purificador
En este sentido de requieren idealmente 600 unidades de purificacioacuten por diacutea Esta
base se utilizoacute para el disentildeo de la planta
A partir del balance de masa en el purificador y empleado los resultados
experimentales a nivel laboratorio (ver apeacutendice A) se encontroacute que cada purificador
requiere 07 Kg de catalizador A partir de este resultado se requiere producir al
menos 420 Kg de catalizador para satisfacer la demanda en la produccioacuten de
calefones Con base en el balance de materia realizado en el mezclador se
determinoacute que la cantidad de catalizador obtenido despueacutes de cuatro lotes es de
570 Kg Tomando el resto de catalizador como reserva por cualquier contratiempo El
nuacutemero de lotes se determinoacute en base a que fuese rentable la recuperacioacuten de oro
34 DISENtildeO Y OPERACIOacuteN DE LA PLANTA
La fabricacioacuten del catalizador a nivel industrial esta basada en el escalamiento del
meacutetodo de siacutentesis descrito en la parte experimental Lo cual es una praacutectica comuacuten
en la fabricacioacuten de materiales cataliacuteticos
Para la produccioacuten de 570 Kg por diacutea se plantea utilizar cuatro mezcladores (ver
Figura 2) que operaran durante 8 h con cuatro intervalos (o cargas) de 2 h y
descansos de 30 min (dejando 30 min libres por contratiempos) Esta operacioacuten se
elige con base en las horas de trabajo y el meacutetodo de preparacioacuten del catalizador
Al igual que en la parte experimental el proceso requiere operacioacuten por lotes debido
a que se necesitan largos tiempos de contacto para obtener catalizadores eficientes
en la oxidacioacuten de CO a baja temperatura Se pretende utilizar un agitador tipo
Catalizadores de Oro Soportado 27
UAM-I
canastilla[4] el cual permite colocar dentro de las mismas el catalizador para tener
una mejor impregnacioacuten de partiacuteculas de Au y eliminar la atricioacuten Las dimensiones
del agitador asiacute como del mezclador se presentan en la Figura 6
Al teacutermino de la uacuteltima carga en los mezcladores el lote completo del diacutea pasa al
horno para secarlo a 80degC por 2 h y calcinarlo a 400degC durante 4 h Durante estos
procesos se concluye la preparacioacuten del catalizador Las temperaturas y tasas de
calentamiento estaacuten basadas en el meacutetodo de preparacioacuten experimental descrito en
el Capitulo ll Posteriormente el catalizador producido pasa a la seccioacuten donde se
embolsa para ser vendido como materia prima y la otra parte pasa a la seccioacuten de
ensamblaje para fabricar el purificador
Dimensiones de la industria
Las dimensiones de los equipos como mezcladores cisternas tanque de
tratamiento horno etc se tomaron como base para poder suponer espacios entre
equipos para tener seguridad del personal Se dio preferencia a los mezcladores ya
que son las partes importantes en la elaboracioacuten de los catalizadores La cisterna
estaraacute enterrada para facilitar su llenado en el caso de los contenedores de HAuCl4
y NH4OH estaraacuten encima de bases maacutes altas que los mezcladores para poder
abastecerlos por gravedad Esto debido a que el volumen es poco no se requiere de
grandes cantidades por lo que no se requiere alguna bomba Se estuvo analizando
la forma de acomodar los equipos y se obtuvo la siguiente distribucioacuten que se
muestra en la Figura 3
En la Figura 4 se presenta el plano de la industria con sus respectivos
departamentos en la parte sur se encuentra la entrada principal en ella se encuentra
vigilancia y la entrada de empleados y obreros posteriormente esta la zona de
oficinas lado izquierdo del lado derecho se encuentra el estacionamiento para
clientes y empleados en el almaceacuten se encontraraacuten refacciones de equipo y
reservas de materia primas para los catalizadores en la zona de produccioacuten se tiene
el estacionamiento de proveedores para facilitar la entrada y salida del producto
Catalizadores de Oro Soportado 28
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado 29
Debido a que en cada industria debe existir un espacio recreativo se plantea una
cancha de Baacutesquetbol para los obreros y una zona de jardines en la parte norte
Ubicacioacuten de la industria
Para poder ubicar una industria es importante analizar la zona geograacutefica Para lo
cual se deben considerar algunos factores importantes por ejemplo No ubicarla en
zona de siacutesmica Si la industria requiere de un gran volumen de agua no ubicarla en
una regioacuten deseacutertica Si el producto es muy sensible al calor y la humedad evitar
zonas muy caacutelidas y huacutemedas Si se piensa vender el producto en una zona
especifica ubicar la industria cerca de la zona de venta para evitar gastos de
transportacioacuten A partir de este tipo de razonamientos se planea que debido a que el
producto que se elaborara que es un purificador cataliacutetico para su venta en la ZMVM
ya en ella estaacuten ubicadas las principales industrias de calentadores y debido a que la
planta requiere de un volumen considerable de agua se escogioacute el estado de
Morelos porque no esta muy lejos de la ZMVM y tiene reservas de agua Asiacute el gasto
de transportacioacuten de materias primas y sobre todo del producto elaborado seriacutea
pequentildeo
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
Agua
Tanque tratamien
Figur
NH4OH
HAuCl4
Produccioacuten de catalizadores
Recuperacioacuten de agua
de to
a
MezcladoresMezcladores
Cuando se requiere limpieza
Horno
Producto almaceacuten
30
1 Diagrama de produccioacuten Recuperacioacuten de cloro
UAM-I
35 BALANCE DE MATERIA DIAGRAMA DE FLUJO PARA DIFERENTES LOTES DE SOPORTE EN UN SOLO MEZCLADOR
Catalizadores de Oro So
05 Kg Au
10
0
086 Kg HAuCl4(ac)014 Kg H2O
035 Kg NO2(g)
2
35 Kg NH4(OH)(ac) (01M)
10000 Kg H2O
100 Kg Al3O
100 Kg Al2O3 (9965) 035 Kg Au (035) 025 Kg Cl2
026 Kg HauCl4(ac)35 Kg NH4(OH)
1101035 Kg H2O
O MEZCLADOR (t0)
10035 Kg catalizador
86 KgHAuCl4(ac)101035 Kg H2O
037 Kg HCl (ac) (105 M) 048 Kg HNO3(ac) (152 M)
porta
Kg N
30 Kg Al2Cl3
101021 Kg H2
do
H4 (OH) (ac) (01M) 30 Kg Al2O3 (9965) 01 Kg Au (035)
007 Kg Cl2
)
3
)
301 Kg catalizador MEZCLADOR (t1)
009 Kg HauCl4(ac)45 Kg NH4(OH)
1101035 Kg H2O
MEZCLADOR 1054 Kg catalizador
105 Kg Al2O3
(t2)
105 Kg Al2O3 (9965)
035 Kg NH4 (OH) (ac) (01M
004 Kg Au (035) 003 Kg Cl2
23 Kg Al2O
MEZCLADOR
(t3)23 Kg Al2O3 (9965)
2308 Kg catalizador
008 m3 NH4(OH) (ac) (01M
002 Kg HauCl4(ac)485 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
0008 Kg Au (035) 0006 Kg Cl2
0003 Kg HauCl4(ac)493 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
31
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado 32
DIAGRAMA DE FLUJO PARA UN MEZCLADOR
MEZCLADOR
1101035 Kg H2O
1428 kg γ-Al2O3
086 Kg HAuCl4
493 Kg NH4(OH)
0003 Kg HauCl4(ac)493 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
1433 Kg Catalizador
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
36 DIAGRAMA DE LA INDUSTRIA
INDUSTRIA DE CATALIZADORES
TANQUE DE TRATAMIENTO HORNO
CISTERNA 1
CONTENEDORDE AuCl3 CONTENEDOR DE
NH4OH ZONA DE LLENADO
DE SAPORTE
SE LLEVA AL HORNO
MANUALMENTE
PRODUCTOALMACEacuteN
Contenedor de HAuCl4
Figura 2 Diagrama de la distribucioacuten del equipo dentro del aacuterea de produccioacuten
33
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
37 DIMENSIONES DEL EQUIPO Y TUBERIacuteA
2 mts
2 mts 2 mts 6 mts 4 mts 3 mts 5mts 5 mts 3 mts 6 mts 3
3mts 3 mts 3mts 3 mts 3 mts
4 mts 1 5 mts 1 5 mts 4mts 4 7mts 4 mts 21 mts 7 2mts 26 mts 2 mts 21 mts 6 mts
3 5 mts 14 mts 6 mts 8 mts 1 5 mts 3 mts 5 mts 13 mts 8 mts 20 mts 30 mts
IN D U ST R IA D E C A T A L IZ A D O R E S
T AN Q U E D E T R AT AM IE N T O H O R N O
C IST E R N A 1
C O N T EN ED O RD E Au C l3
C O N T EN E D O R D E N H 4O H
ZO N A D E L LEN AD O D E SO PO R T E
AG UA PAR A JAR D IN ES
M E Z C L A D O R E S 12 3 y 4
1 2 3 4
A L M A C Eacute N
Contenedor de HAuCl4
Figura 3 Dimensiones del equipo y tuberiacutea requerida
34
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
38 PLANO DE DISTRIBUCIOacuteN DE AacuteREAS
Figura 4 Aacutereas de trabajo dentro de la planta
35
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
DIMENSIONES DE LA INDUSTRIA
Figura 5 Dimensiones de cada aacuterea de la planta industrial
36
UAM-I
Ingenieriacutea Quiacutemica 37
10 cm 3mts 1 mts 25 cm 15cm 5 cm 5 cm 3mts 150 mts 10 cms 100 mts 20 cm
003 mts
Figura 6 Dimensiones del mezclador y del Agitador
UAM-I
Las dimensiones de las canastillas se determinaron a partir del balance de masa y la
produccioacuten requerida La carga de un contenedor de soporte que es de 100kg del
cual el agitador tiene 4 canastillas cada una corresponde 25 Kg la masa se obtuvo
del balance de materia y su densidad 600 Kgm3 con el que se obtuvo un volumen de
0043 m3
39 ANAacuteLISIS FINANCIERO
El costo de materias primas se muestra en la Tabla 2 en la que tambieacuten se incluyen
los flujos de alimentacioacuten requeridos para el proceso a partir de los cuales se
determinaron los costos diarios
Tabla 2 Costo de materias primas [5]
Compuesto
Alimentacioacuten
por diacutea
Costo
USDKg
Costo Total
USDdiacutea
Au 2 kg 10596 2119200
HCl 15 Kg 52 780
HNO3 20 Kg 022 044
-Al2O3 5712 Kg 034 19421
Canastillas 500 piezas 15 75000
NH3(OH) 200 Kg 034 680
H2O 440414 Kg 282 282
Total de Materia Prima 2215407
El costo se determinoacute considerando la cantidad de material el tamantildeo y el costo de
manufactura
El costo se determinoacute para uso industrial conforme establece la tesoreriacutea de
Meacutexico
Ingenieriacutea Quiacutemica 38
UAM-I
PERSONAL REQUERIDO PARA LA INDUSTRIA
La Tabla 3 establece los salarios mensuales anuales y las prestaciones del IMSS
para el personal de la planta
Tabla 3 Salarios y Prestaciones del Personal
Mano de Obra (USDmes)p
ersona
USDmes USDantildeo Prestaciones
IMSS
1 Gerente 2000 2000 24000
1 Administrador 1000 1000 12000
1 Secretaria 400 400 4800 1193
Total de Salarios
Administrativos
40800 1193 409193
9 Obrero 150 150 1800 448
1 Teacutecnico 200 200 2400 597
1 Policiacutea 200 200 2400 597
1 Mantenimiento 180 180 2160 538
1 Limpieza 150 150 1800 448
Total de Salarios
Proceso
10560 2628 108228
Los salarios se determinaron en base al salario miacutenimo vigente en la Ciudad de
Meacutexico (2003)[29]
Ingenieriacutea Quiacutemica 39
UAM-I
PERSONAL
Departamento de produccioacuten
Se tendraacute 2 obreros en el llenado de soporte en las rejillas un obrero encargado del
traslado de rejillas por medio de la banda de los motores a cada contenedor un
obrero en cada contenedor de NH4OH y HAuCl4 en cada mezclador se tiene 1
obrero para descargar y cargar las rejillas a la banda que se trasladaran al horno en
el horno se tiene 1 obrero encargado del secado y calcinado el producto se traslada
al almaceacuten donde estaraacuten 2 obreros que reciben el producto y materias primas de los
proveedores se tiene 1 teacutecnico supervisando los equipos un encargo del
mantenimiento de los equipos
Departamento de personal
Gerente de la industria un administrador encargado de compra y venta de materias
primas una secretaria
Ingenieriacutea Quiacutemica 40
UAM-I
CAPITAL FIJO
La Tabla 4 muestra el costo de los equipos requeridos en la planta asiacute como el
Capital Fijo y la Inversioacuten del Capital Total
Tabla 4 El equipo se costeo usando las correlaciones de Ulrich [6] y empleando el
programa de Capcost
EQUIPO USD
4 Contenedores 23584
4 Agitadores (456kW) 269760
1 Horno (25 kW) 15700
15 Bombas (1469kW) 43081
1 Motor (114 kW) 67440
Tuberiacuteas 42150
2 Cisternas 174183
Vaacutelvulas 1283
Accesorios
(codos 90ordm y de 45ordm te)
1474
CAPITAL FIJO 638655
Capital de Trabajo 9579825
INVERSIOacuteN DE
CAPITAL TOTAL
73445325
Los caacutelculos y las correlaciones empleadas para el costeo del equipo se anexan en
el Apeacutendice A
Ingenieriacutea Quiacutemica 41
UAM-I
GASTOS GENERALES
Tabla 5 Proporciona el total de gastos anuales con lo cual se estima el precio por
kilo de catalizador y por unidad purificadora
Tabla 5 Gastos Generales anuales
USDAntildeo
Materias Primas 531697680
Mano de Obra de Operacioacuten 1082280
Mano de Obra de Oficina 4091930
Servicios Electricidad 2620100
Total de Gastos Generales 539491990
CFE
Produccioacuten diaria de Catalizador = 574 Kg
Precio de Catalizador = 40 USDKg
Produccioacuten diaria de unidades purificadoras = 500
Precio por unidad = 50USD
Ganancia diaria = 22960 USD
Ganancia Anual = 5510400 USD
DETERMINACIOacuteN DE LA RENTABILIDAD DEL PROYECTO
TPI (Actual) = 10
PR (Factor de riesgo) = 25
TREMA = TPI + PR
TREMA = 35
TIR (del proyecto) = 90
TIR gt TREMA
Puesto que la TIR es mayor que la TREMA se tiene que el proyecto es rentable [6]
Ingenieriacutea Quiacutemica 42
UAM-I
310 CONCLUSIONES
En el desarrollo de la industria para la fabricacioacuten de catalizadores se tuvo un
resultado satisfactorio a pesar de la falta de informacioacuten disponible acerca de
industrias de catalizadores debido a que esta informacioacuten no es publica El proyecto
que elaboramos es novedoso en nuestro paiacutes ya que no existen registros de una
industria que produzca catalizadores de oro soportados en aluacutemina
Durante el desarrollo del proyecto se planteoacute trabajar con compuestos como NOx y
COVS sin embargo debido a la falta de tiempo no se logroacute concluir la
experimentacioacuten en estos campos Debido a esto se tomoacute la decisioacuten de trabajar en
la oxidacioacuten cataliacutetica de CO Esto debido a varios factores por ejemplo la
disponibilidad de gases y sobre todo los costos que esto implicaba
Para el desarrollo del catalizador se analizaron diferentes tipos de preparacioacuten y se
eligieron dos meacutetodos diferentes Deposicioacuten-precipitacioacuten e Impregnacioacuten Los
catalizadores se evaluaron bajo diversas condiciones en la oxidacioacuten de CO El
catalizador que presentoacute mayor conversioacuten con el catalizador a baja temperatura fue
el sintetizado por el meacutetodo de Deposicioacuten-precipitacioacuten el cual se utilizoacute para el
disentildeo de la Industria El disentildeo estaacute basado en la forma de preparacioacuten del
catalizador Por esto la parte maacutes importante de la planta es el tanque de mezclado
el cual se disentildeo tomando en cuenta los diferentes disentildeos de agitadores para tener
un mezclado oacuteptimo Se incorporo en la parte superior del agitador las canastillas
para las pastillas cataliacuteticas y el tipo de Horno que se usara para el secado y
posteriormente el calcinado Una parte importante es la produccioacuten de catalizador
para este problema se investigoacute en que parte se podriacutea utilizar a diferencia de los
catalizadores para automoacuteviles Se llego a la decisioacuten de poder desarrollar un
catalizador para los calentadores de agua se obtuvo informacioacuten de la fabrica de
calentadores cal-o-rex en la produccioacuten diaria de calentadores y de esta informacioacuten
se pudo calcular la posible demanda de nuestro producto Una parte importante en
las industrias son el tipo de bombas ya que existen diversos modelos en nuestro
disentildeo se escogioacute las bombas centriacutefugas con rodetes para agua que contiene
pequentildeas partiacuteculas de soacutelidos
En la parte de servicios para personal se investigo los sueldos de cada empleado Se
determinoacute el costo de los equipos y finalmente llegamos a la parte que nos interesa
Ingenieriacutea Quiacutemica 43
UAM-I
del disentilde es decir si el proyecto es rentable o no En este caso particular se tuvo un
valor aceptable y se definioacute que el disentildeo es rentable Esto indica que seria una
industria que tendriacutea ganancias y a la vez que el producto que se fabrique nos
ayudaraacute a todos a reducir la emisioacuten de CO en los hogares aportando una pequentildea
ayuda al medio ambiente
COMENTARIOS
Los conocimientos adquiridos durante este tiempo fueron provechosos en la parte
teoacuterica y praacutectica aclaramos dudas de como y porque se comportan las reacciones
quiacutemicas y los procesos de flujos Durante el desarrollo del proyecto aprendimos a
observar y la importancia de entender fiacutesicamente las algunos procesos relacionados
con la siacutentesis y caracterizacioacuten de materiales cataliacuteticos
Ingenieriacutea Quiacutemica 44
UAM-I
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Ingenieriacutea Quiacutemica 46
UAM-I
APEacuteNDICE A
CRITERIOS PARA DETERMINAR QUIEacuteN CONTROLA EL PROCESO
Criterio de weisz para difusioacuten interna
Ec(12-16 Fogler) Los valores que se sustituyen en las siguientes ecuaciones fueron
tomados del catalizador que se analizo en el laboratorio
CWP = ( )
AS
cObsA
DeCRcr 2minus
lt 1
-rA(Obs) = velocidad de reaccioacuten observada molgcats Cc = concentracioacuten volumeacutetrica molm3
CAS = concertacioacuten en la superficie molm3
D= diaacutemetro del granulo m R = radio del granulo m De = difusividad efectiva m2s
d = 0149mm mxmm
m 4104911000
1 minus=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
CWP = ( )( )3
32
24
33
103470184200350
21049150800010681
minus
minusminus
=⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞⎜
⎝⎛
x
mmol
hrm
mxcatm
gcathgcat
molx
734x10-3 lt 1 No hay limitante por la difusioacuten interna
Ingenieriacutea Quiacutemica 47
UAM-I
Criterio de mears para difusioacuten interna Ec(12-62 Fogler)
Mm = 150ltAbc
bA
CkRnr ρminus
Mm =( )( )
0570
136000184200220
31110457508000106851
3
53
3
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ minusminus
hrs
mmol
sm
mxcatmgcat
hgcatmolx
0057 lt 015 no hay efecto de transferencia de masa externa Calculo de Dab para calcular el coeficiente de trasferencia de masa Ec(78 Lobo)
De =
KAAB DD11
1
+
DKA = 970X103 (80X10-8)(s
cmK 221 1090)
2400( =
DAB = 00018583ABAB
BA
PMMT
Ω
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ +
2
2123 11
γ
Para CO
0110=isin
Bk 0593 A=γ
Para O2
Ingenieriacutea Quiacutemica 48
UAM-I
0113=isin
Bk 0453 A=γ
( ) 51343359321
=+=ABγ
( )( )[ ] 21113110BAB k=isin A la temperatura de 400degK
( ) 583))113)(110((
40021 =
deg=
isin B
B
AB
B
KKKTK
Ω AB = 0907 Sustituyendo
DAB =s
cm2
2
2123
9730)9070()513(
)21281()400(00185830=
+
De = hrm
hrs
cmm
scm 222
03501
3600100
10980
10901
97301
1=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
+
Calculo de Kc Sh = (Re)12(Sc)13
Velocidad superficial
V = sm
shr
hrm
mxhr
m
Av
c
02036001976
1087
006025
3
0 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛== minus
Ingenieriacutea Quiacutemica 49
UAM-I
Re= ( ) 240)1062)(501(
)10491)(020(
1 25
4
=minus
=minus minus
minus
smx
mxsmvd p
νφ
Sc= 672)3600
1)(0350(
10622
25
==minus
shr
hrm
smx
Dv
AB
Sh= ( 024 )12 ( 267 )13 = 0679
Kc = Shdp
DAB⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛minusφ
φ1
Kc = ( )sm
mxs
mx02206790
10491
10729
50501
4
26
=⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛minus
minus
minus
Calculo de numero Thile con el radio que usara a nivel industrial
φ = L ( )DkCn n
AS
21 1minus+
L = 3R
Sustituyendo
φ = 66x10-4 m( )
( )
450
03502
018420
5480941311
3
30
3330
313
=
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+
catmhrm
mmol
hrcatmmolm
η = 1 con los resultados anteriores se observa que quieacuten limita es la velocidad de
reaccioacuten Por lo que se procede a calcular el peso y longitud de catalizador
necesaria para muestro purificador sustituyendo los valores del Boiler
Ingenieriacutea Quiacutemica 50
UAM-I
Peso del Catalizador w =
( ) grcatgcatLn
gcatm
mmol
hrcatmmolm
hrm
xLn
kCv
A
66476639401
1
6000001578
548094
19836
11
330
3330
313
3
0
0 asymp=minus
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
minus
g 664=w
33
3
1011
mg60000
g 664 mxwv minus===ρ
m 035003101011
2
33
==minus
mmxL
cm 531000350 == xL
Ingenieriacutea Quiacutemica 51
UAM-I
APEacuteNDICE B BALANCE DE MASA DE LA PREPARACIOacuteN DE HAUCL4 Au(g) + 3HNO3(ac) + 4HCL(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O + 3N02(g) (152 M) (105M)
cantidad de mol Au = 05 kg Au x molAu
grAumolAux
kggr 542
971961
11000
=
cantidad de kg HNO3 = ( ) 33
33 480
10001
1635423 kgHNO
grkgx
molHNOGRHNOxHNOmol =
cantidad de kgHCl = ( ) kgHClgr
kgxmolHCl
grHClHClxmol 3701000
11
5365424 =
cantidad de kgHAuCl4 = 254molHAuCl4 x 44
8601000
11
97339 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
gr=
cantidad de kgH2O = 3( 254mol)H20 x OkgHgr
kgxOmolHOgrH
22
2 1401000
1118
=
cantidad de Lt H20 = 762molHNO3 x OltHOkgHOLtH
22
2 14011
=
cantidad de Lt H20 = 1016 mol HNO3 x 050215
012
2 LtHmol
LtH=
cantidad de LtH20 = 1016mol HCl x OLtHLtHmolHCl
LtH22
2 010970510
01asymp=
cantidad de MHAUCl4 = ( ) ( ) ( ) MHltltlt
ClmolHAU 7210850490140
542
2
4 asymp++
cantidad de kg NO2(g) = 3( 254mol)NO2 x )(22
2 3501000
1146
SkgNOgr
kgxmolNO
grNO=
Ingenieriacutea Quiacutemica 52
UAM-I
05 kg Au 048 kgHNO3 035 kgNO2 101021 kgH20 (152M) 037 kgHCl(ac)
(105 m) 086 kg HAuCl4 (ac) 086 kg HAuCl4 (ac)
(17 M) 014 kgH20 (25x10-3M) 014kg H20 (L) 086kg HAuCl4 035kgNO2 (g) 101185kg H20 Cantidad de H20 = 086 kgHAuCl4
x 08510110101
105201
173341
11000
22
23
24 kgHLtHkgHx
MxltHx
grmolHAuClx
kggr
=minus
pero (101185 ndash 014 ndash 05 ndash 1) kg H20 = 101021 kg H20 100ml H20 por 1 gr soporte 35kg NH4 (OH)(AC) 10000kgH20 100 kg γAl203 (9965) 035kgAu (035) 100kg γAl203 025kgCl2 086kg HAuCl4 026kgHAuCl4
101185 kg H20 35kgNH4 (OH)(AC) 1101185kgH20 cantidad de kgHAuCl4 = 015kgAu x
44
4 2601000
11
973391
197196
147196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxgrAu
molxkg
gr=
cantidad de NH4(OH) = 100kg γ Al203 x
Ingenieriacutea Quiacutemica 53
UAM-I
kgNHxmol
grx
mlmol
xOAlgr
OHmlNHx
kg
gr53
10001
1
35
100010
1
)(10
1
1000
32
4=
γ4(OH)
30kg γAL2O3 1 kgNH4(OH)(AC) 30 kg γ Al203 (9965) 010 kg Au (035) 026kgHAuCl4 007kg Cl2 35kgNH4(OH) 1101185 kgH2O 0086kgHAuCl4 45 kg NH4(OH)(AC) 1101185 kg H20
cantidad de γ Al2O3 = 026kgHAuCl4 x 324
32 02330860
100 AlkgkgHAuCl
OAlkg γγ=
cantidad de kgAu = 035 x kgAukg 10506599
30=
cantidad de kg Cl2 = 01 kgAu x
22
2 07201000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de HAuCl4 = 005kgAu x
44
4 08601000
11
973391
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 54
UAM-I
cantidad de kgNO4(OH) = 30 kg γ Al203 x ( )OHkgNHAlkg
OHkgNO4
32
4 0510100
)(53=
γ
105 kg γ Al203 035 kg NH2(OH) 105 kg γ Al203 (9965) 004 kg Au (035) 009kg HAuCl4 003 kg Cl2 45kgNH4(OH) 1101185 kg H20 0017kgHAuCl4 485kgNH4 (OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 009 HAuCl4 x 324
32 04710860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad kg de NH4 (OH) = 105kg γ Al203 x ( ) )(3500100
534
32
4 OHkgNHAlkg
OHkgNH=
γ
cantidad de Cl2 = 004 kg Au x
22
2 02901000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
gAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 =
44
44 02001701000
11
973391
197196
11
1000010 kgHAukgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgr
molAuxkg
grkgAux asymp=
Ingenieriacutea Quiacutemica 55
UAM-I
23 kg γ Al203 008kgNH4(OH) 002 kg HAuCl4 23 kg γAl203 (9965) 485kgNH4(OH) 0008kgAu(035) 1101185kg H2 0001kg Cl2
0014 kg HAuCl4 493kgNH4(OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 002kgHAuCl4 x 324
32 032860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad de kg Au = 035 x kgAukg 00806599
32=
cantidad de kgCl2 = 0002kgAu x
24
4 00101000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 = 0008kgAu x
44
44 01401000
11
973341
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 56
UAM-I
APEacuteNDICE C ACCESORIOS EN EL DISENtildeO
Agitador
Agitadores de Heacutelice se escogioacute este tipo de agitador por ser tener las siguientes
caracteriacutesticas [3]
bull Es un agitador de flujo axial
bull Se emplea para liacutequidos pocos viscosos
bull Giran a toda la velocidad del motor
bull Las corrientes de flujo se mueven a traveacutes del liacutequido en una direccioacuten
determinada hasta que son desviadas por el fondo o las paredes del tanque
bull Las palas de la heacutelice cortan o friccionan vigorosamente el liacutequido
bull Los agitadores de heacutelice son eficaces para tanques de gran tamantildeo
Horno
bull El horno se escogioacute por ser tener las siguientes caracteriacutesticas [5]
bull El horno de construccioacuten metaacutelica
bull La caacutemara de combustioacuten estaacute construida mediante hormigones refractarios
de alta resistencia mecaacutenica
bull Las materias secar y calcinar se carga de forma manual
Ingenieriacutea Quiacutemica 57
UAM-I
Bomba
DISENtildeO Bomba centrifuga para operacioacuten horizontal o vertical del impulsor
cerrado succioacuten al extremo descarga hacia arriba tangencial simple succioacuten de un
paso con carcaza partida verticalmente [3]
ROTACIOacuteN En el sentido del reloj vista desde el cople
CARACTERIacuteSTICAS Conexiones brindadas con registro ubicado en la cabeza de
succioacuten para facilitar su limpieza
SERVICIO Debido a que es posible colocarla en posicioacuten horizontal o vertical tanto
en caacutercamos secos como huacutemedos y por el disentildeo de su impulsor que soacutelidos de
gran tamantildeo esta bomba es ideal para los procesos de tratamientos de agua y
manejo de liacutequidos en suspensioacuten en general
CAPACIDADES
GASTO Hasta 3000 GPM
CDT Hasta 80rsquo
PRESIOacuteN 106 Kgcmsup2
POTENCIA De 1 a 60 Hp
VELOCIDAD (1175 - 3550 RPM)
TEMPERATURA 125degC
Ingenieriacutea Quiacutemica 58
UAM-I
Bombas Centriacutefugas
Las maquinas centriacutefugas estaacuten constituidas por un impulsor o rodete formado por
una serie de aletas radiales diversas formas y curvaturas que giran dentro de una
caja circular El fluido penetra por el ojo o eje de rotacioacuten y se descarga maacutes o
menos radialmente en una caacutemara perifeacuterica a una elevada presioacuten que
corresponde a la suma de la fuerza centriacutefuga de la rotacioacuten maacutes la cineacutetica
comunicada al fluido por las aletas La parte moacutevil de la bomba es el rodete Las
aletas del rodete se extienden desde el centro de rotacioacuten hacia la periferia y las
bridas son los discos de refuerzo a cada lado de las aletas que las envuelven Las
aletas pueden ser radiales curvadas ligeramente hacia delante en el mismo sentido
de la rotacioacuten o estar curvadas al reveacutes en el caso maacutes comuacuten en el disentildeo se
determino el rodete siguiente por sus caracteriacutesticas Fig 1
Figura 1 Corte parcial de un rodete de centriacutefuga para grandes cargas y secciones
de paso estrechas empleando con liacutequidos corrosivos o suspensiones de pequentildeas
partiacuteculas[4]
Ingenieriacutea Quiacutemica 59
UAM-I
APENDICE D CALCULO DE POTENCIA DE BOMBAS (8)
Potencia de la bomba de la cisterna 1 que alimenta a los mezclador 4
Ecuacioacuten de Bernoulli
sum sumint =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛+++∆+∆i i
i
P
P
evvfDLvwdphgv 0
21
21
ˆ1
21 222
2
1ρ
a b c d e f
a Diferencia de velocidades
b Diferencia de alturas
c Diferencia de presiones
d Trabajo
e Perdidas de friccioacuten en tuberiacuteas
f Perdidas de friccioacuten en accesorios
En la ecuacioacuten anterior se pueden eliminar algunos teacuterminos
21 mts
6 mts 35 mts
Figura 1 Balance de cisterna 1 a mezclador 4
Se debe de tener dos puntos de referencia para la utilizacioacuten de la ecuacioacuten de
Bernoulli de los cuales se anotaron en la figura 2
Ingenieriacutea Quiacutemica 60
UAM-I
21 mts
2 1 6 mts 35 mts
Figura 2
Teniendo los puntos de referencia se analiza que las diferencias de velocidades son
cero en ambos puntos por lo tanto el termino 2
21 ν∆ es igual a cero
El termino de = (981hg∆ 2segm )(35m ndash 0) = 34335 2
2
segm
El termino de int2
1
1P
P
dpρ
se tiene que la cisterna y el tanque de mezclado ambos no
estaacuten cerrados y por lo tanto no originan un cambio de presioacuten y el termino es cero
De esta expresioacuten L longitud de tuberiacutea
tro de tuberiacutea
n el interior del tubo
v
Para la l radio del tubo que
sum ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
i
fDL2
21 ν
D diaacuteme
f perdidas de friccioacuten e
velocidad del flujo de agua
obtencioacuten de la velocidad se tiene el flujo volumeacutetrico y e
es de 32 cm =0032mts con la ecuacioacuten
Ingenieriacutea Quiacutemica 61
( )( ) sm
ms
m
RQ 761
032060min1)
min340(
2
3
2 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
==ππ
ν
UAM-I
Se reportan valores de perdida de fr
e reduce teacuterminos
iccioacuten en tubos que son igual a 005
Por lo tanto sustituyendo los teacuterminos en la ecuacioacuten de Bernoulli s
sum sumint =⎟⎠
⎜⎝
+⎟⎠
⎜⎝
+++∆+∆i i
iP
evvfD
vwdphgv 022
ˆ2
1ρ
⎞⎛⎞⎛ L 111 2222
or tanto el termino de trabajo queda expresado de la siguiente manera
tanto la bomba comunica al fluido que circula en el sistema un trabajo
+11727
P1
p w
sum sum ∆minus⎟⎠⎞
⎜⎝⎛minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛minus=
i ii
hgevvfDLvw 22
21
21
ˆ
( ) ( )
Este es el trabajo ( por unidad de masa) producido por el fluido en la bomba por lo
22
sm o 11727 981 = 1195
m
fKg
Kgm
La velocidad de flujo de masa es
Por lo tanto
1 )=6694
951)(675(ˆ =minus=minus WwW smkg f = 088Hp = 1Hp
Siendo esta ida para esta bomba El procedimiento anterior se
iguioacute para cada bomba de la planta
AP E
la potencia requer
s
EacuteNDICE
TOXICOLOGIacuteA DE MATERIAS PRIMAS [6]
( ) ( ) ( )( ) ( )( )msm
smmmm
sm 538192201150761
21050
032021536761
21
2
22minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ +minus⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ++
minus=wm
22
27117ˆ smw minus=
( )s
kgmkgQw m675100060340 3 === ρ
Ingenieriacutea Quiacutemica 62
UAM-I
HIDROacuteXIDO DE SODIO
Polvo corrosivo blanco delicuescente
Toxicidad
Concentracioacuten Maacutexima permisible 2mgm3 en aire
Signos y Siacutentomas Conjutivitis quemaduras corneales y de la piel Irritacioacuten
seas vomito dolor abdominal y diarrea a veces con
Lavado de las partes afectadas tranquilizantes sulfato de
decuada gafas protectoras o pantallas para
ignos y Siacutentomas Irritacioacuten de ojos quemaduras corneables tos dolores
l hemoptisis dolor de cabeza dolor epigaacutestrico nauseas y vomito
lmonar
Tratamiento lavado de ojos con agua reposo oxigeno con aparato de respiracioacuten
con onantes
ACIDO NITRICO
Liquido corrosivo sofocante de incoloro a amarillento
ioacuten maacutexima permisible 10ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
del tracto respiratorio nau
sangre
Tratamiento
morfina para el dolor y cortisona
Medidas preventivas Ventilacioacuten a
la cara completa mascarilla con filtro mecaacutenico guantes delantares botas de
goma y acentuar la limpieza personal
CLORO
Gas pasado amarillo verdoso
Toxicidad
Conc Maacutexima permisible 1 ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten
S
retrosterna
debilidad cianosis y edema pu
trolada bronco dilatadores y descongesti
Toxicidad
Concentrac
Ingenieriacutea Quiacutemica 63
UAM-I
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
Signos y siacutentomas Erosioacuten dental estornudo tos Dolor en el pecho bronquitis y
la las partes contaminadas del cuerpo con solucioacuten al 5 de
de las quemaduras con pantildeos
de triacuteo sulfato soacutelido si se a ingerido
vado de ojos con agua
ACIDO CLORIDRICO
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
ivitis necrosis corneal por inhalacioacuten rinitis erosioacuten
dolor de cabeza palpitacioacuten por ingestioacuten
s en la boca faringe esoacutefago estomago salivacioacuten vomito Soc
agua lavada de agua y jaboacuten de las partes
preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
AacuteC
El c
con o de hidroacutegeno una
concentracioacuten de 12 molLt Este aacutecido es un liacutequido incoloro con un olor aacutecido
bronconeumoniacutea
Tratamiento
bicarbonato soacutelido o con agua y jaboacuten Tratamiento
mojados con solucioacuten saturada
administracioacuten por viacutea oral de solucioacuten de jaboacuten Hidroacutexido caacutelcico o alumiacutenico u
oacutexido de magnesio
Medidas preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores excluir de la exposicioacuten
a los individuos con enfermedades de pulmones y rintildeones
Gas incoloro o liacutequido o a amarillento
Toxicidad
Concentracioacuten maacutexima permisible 5ppm en aire
Signos y siacutentomas conjunt
dental laringitis bronquitis neumoniacutea
quemadura
nefritis
Tratamiento lavado de ojos con
contaminantes del cuerpo tratamiento ordinario de quemaduras lavado gaacutestrico
se a ingerido con solucioacuten de bicarbonato soacutedico al 5 seguido de una instilacioacuten
de gel de hidroacutexido de aluminio
Medidas
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores
IDO CLORHIacuteDRICO
loruro de hidroacutegeno es en extremo soluble en agua de hecho el aacutecido clorhiacutedrico
centrado contiene cerca del 38 en masa de clorur
Ingenieriacutea Quiacutemica 64
UAM-I
pronunciado que se debe al equilibrio entre el cloruro de hidroacutegeno gaseoso y
ste con el aacutecido fluorhiacutedrico el aacutecido clorhiacutedrico es un aacutecido fuerte (pKa = -
7) y se ioniza casi totalmente
gar de aacutecido sulfuacuterico auque en menor grado Por
jemplo el zinc metaacutelico reacciona con aacutecido clorhiacutedrico para dar el ion zinc e
hidroacutegeno gaseoso
Zn(s) + 2HCl(ac) ZnCl2(ac) + H2(g)
l para producir aacutecido clorhiacutedrico en el laboratorio es generar
cloruro de hidroacutegen e sodio y el aacutecido
ulfuacuterico En el primer paso a 150degC se forma hidroacutegeno sulfato de sodio
NaHSO4(s) + HCl(g)
io y maacutes
loruro de hidroacutegeno gaseoso Luego el gas se disuelve en agua para formar el
aacutecido
NaHSO4(s) + NaCl(s) Na2SO4(s) + HCl(g)
acuoso
HCl(ac) HCl(g)
El reactivo de grado teacutecnico a menudo tiene un color amarillento por una impureza
del ion hierro (III)
En contra
HCl(ac) + H2O(l) H2O+(ac) + Cl -(ac)
Por ello a menudo se prefiere usar aacutecido clorhiacutedrico diluido en lugar de aacutecido niacutetrico
que es muy oxidante y en lu
e
Cuando el zinc reacciona con el aacutecido niacutetrico es comuacuten que se reduzca una parte
del ion nitrato para dar dioacutexido de nitroacutegeno
El meacutetodo tradiciona
o gaseoso por la reaccioacuten entre el cloruro d
s
NaCl(s) + H2SO4(l)
La mezcla se calienta a 550degC temperatura a la cual el hidroacutegeno sulfato de sodio
reacciona con un exceso de cloruro de sodio para formar sulfato de sod
c
∆
Este meacutetodo se usa tambieacuten en la industria otra forma de producir cloruro de
hidroacutegeno es por la combinacioacuten directa de dicloro y dihidroacutegenogaseosos
Ingenieriacutea Quiacutemica 65
UAM-I
H2(g) + Cl2(g) 2HCl(g)
La mayor cantidad de cloruro de hidroacutegeno que se produce actualmente es un
CH4(g) + 4Cl2(g) 4(l) + 4HCl(g)
riacuten de superficies de acero en un bantildeo aacutecido en la purificacioacuten de glucosa
y jarabe de maiacutez e s y de gas y en la
bricacioacuten de compuestos clorados El aacutecido se puedo comprar en muchas
nducida por la luz
4HNO3(ac) 4NO2(g) + O2(g) + 2H2O(l)
niacutetrico como disolvente)
H2NO3+ H2O + NO2
+
l siguiente
3HNO NO3 ndash
subproducto de otros procesos industriales como la siacutentesis de tetracloruro de
carbono
CCl
Se consumen cerca de 107 toneladas de aacutecido clorhiacutedrico cada antildeo en todo el
mundo Este aacutecido tiene una gama muy amplia de usos como aacutecido comuacuten para
eliminar o
n el tratamiento con aacutecido de pozos petrolero
fa
ferreteriacuteas con el arcaico nombre de aacutecido muriaacutetico sus principales usos caseros
son la limpieza de superficies de concreto y la eliminacioacuten de herrumbre Un nuacutemero
muy reducido de personas es incapaz de sintetizar suficiente jugo gaacutestrico y deben
de ingerir caacutepsulas de aacutecido clorhiacutedrico diluido con cada comida
AacuteCIDO NIacuteTRICO
El aacutecido niacutetrico un liacutequido aceitoso e incoloro en estado puro es sumamente
peligroso El aacutecido que funde a ndash42degC y hierve a +83degC tiene por lo general un
ligero color amarillo a causa de una reaccioacuten de descomposicioacuten i
En un estado puro el aacutecido niacutetrico liacutequido praacutecticamente no conduce la electricidad
Una pequentildea porcioacuten se ioniza como sigue (todas estas especies existen en el aacutecido
2HNO3(l) H2NO3+ + NO3
ndash
H2O + HNO3 H3O+ + NO3 ndash
Para dar la reaccioacuten globa
3 NO2+ + H3O + 2+
Ingenieriacutea Quiacutemica 66
UAM-I
El catioacuten nitrilo es importante en la nitracioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas por ejemplo la
obenceno C6H5NO2 una etapa importante en
umerosos procesos industriales orgaacutenicos
El aacutecido niacutetrico con en agua mientras
ue el ldquoaacutecido niacutetrico fumanterdquo un oxidante extremadamente poderoso es una
vez de ello se produce una mezcla de
sistema que da un orden de
vista industrial el
oceso
e lleva a cabo en tres etapas Primero se hace pasar una mezcla de amoniaco y de
dioxiacutegeno (o aire) un proceso muy
ficiente y exoteacutermico que hace que la malla se ponga al rojo Esta etapa se verifica
conversioacuten de benceno C6H6 en nitr
n
centrado es en realidad una solucioacuten al 70
q
solucioacuten roja de dioacutexido de nitroacutegeno en aacutecido niacutetrico puro Incluso cuando esta
diluido el aacutecido niacutetrico es un oxidante tan fuerte que rara vez desprende hidroacutegeno
cuando se pone en contacto con metales en
oacutexidos de nitroacutegeno y el metal se oxido a su catioacuten
Los enlaces O-N son mucho maacutes cortos (121 pm) que el enlace O-N unidos al aacutetomo
de hidroacutegeno (141 pm) Esta longitud de enlaces indica que hay enlaces muacuteltiples
entre el nitroacutegeno y los dos aacutetomos de oxiacutegeno terminales Ademas de los electrones
del sistema σ hay cuatro electrones que participan en el sistema π O-N-O dos de un
orbital enlazante y dos en un orbital no enlazante
enlace de 112 para cada uno de esos enlaces nitroacutegeno- oxiacutegeno
A veces se nos olvida hasta queacute punto nuestra experiencia depende de la
termodinaacutemica y la cineacutetica Por ejemplo la primera siacutentesis industrial de aacutecido
niacutetrico se llevaba ha cabo por simple combinacioacuten de diniacutetrogeno dioxiacutegeno y agua
utilizando un horno de arco eleacutectrico a fin de proporcionar la energiacutea necesaria par
superar la muy elevada barrera cineacutetica Aunque desde el punto de
factor cineacutetico constituiacutea un problema en realidad es una bendicioacuten por que sin esta
barrera cineacutetica hace mucho tiempo que todo el dioacutexido de la atmoacutesfera se abriacutea
transformado en aacutecido niacutetrico y nuestros mares serian de aacutecido niacutetrico diluido
frac12 N2(g) + 54O2(g) + 12H2O(g) HNO3(g)
Ahora se utiliza el proceso Ostwald para la siacutentesis de aacutecido niacutetrico Este proceso
consume gran parte del amoniaco que se produce por el proceso Haber El pr
s
a traveacutes de una malla de platino metaacutelico Eacuteste es
e
a baja presioacuten para aprovechar el efecto entropico es decir la formacioacuten de 10
moles de gas a partir de 9 moles de gas (una aplicacioacuten del principio de Le Chatelier)
para desplazar el equilibrio a la derecha
Ingenieriacutea Quiacutemica 67
UAM-I
4NH3(g) + 5O2(g) 4NO(g) + 6H2O(g)
Se agrega maacutes oxiacutegeno para oxidar el monoacutexido de nitroacutegeno a dioacutexido de nitroacutegeno
A fin de mejorar el rendimiento de esta reaccioacuten exoteacutermica se extrae calor de los
ases y la mezcla se somete a presioacuten
2HNO3(l) + NO(g)
Esta reaccioacuten tambieacuten es exoteacutermica y una vez maacutes se aplica enfriamiento y alta
la
egunda etapa para oxidarlo de nuevo
La contaminacioacuten s de aacutecido niacutetrico
as plantas maacutes antiguas eran faacutecilmente identificables por la fumarola cafeacute-
antas maacutes antiguas ahora mezcla cantidades
en Estados Unidos porque un 20
dedica ala produccioacuten de explosivos
or ultimo el aacutecido niacutetrico es un liacutequido que hierve a 826degC No existe como liacutequido
g
2NO(g) + O2(g) 2NO2(g)
El dioacutexido de nitroacutegeno se mezcla con agua para dar una solucioacuten de aacutecido niacutetrico
3NO2(g) + H2O(l)
presioacuten par obtener el maacuteximo rendimiento El monoacutexido de nitroacutegeno se vuelve a
s
soliacutea ser un problema importante de las planta
L
amarillento del dioacutexido de nitroacutegeno que escapaba por ellas Las plantas maacutes
antiguas eran faacutecilmente identificable por la fumadora cafeacute-amarillo del dioacutexido de
nitroacutegeno que escapaba de ellas Las pl
estequiomeacutetricas de amoniaco con las oacutexidos de nitroacutegeno con lo cual se obtiene
dinitroacutegeno y vapor de agua ambos inocuos
NO(g) + NO2 (g) + 2NH3(g) 2N2(g) + 3H2O(g)
En todo el mundo alrededor del 80 del aacutecido niacutetrico se utiliza en la produccioacuten de
fertilizantes Esta proporcioacuten es de solo el 65
se
P
puro porque en alguna medida se descompone espontaacuteneamente como sigue
4HNO3(l) 4NO2(g) + 2H2O(l) + O2(g)
Ingenieriacutea Quiacutemica 68
UAM-I
El aacutecido niacutetrico concentrado que se usa en el laboratorio estaacute al 68 en masa HNO3
(densidad 142 gcm3) lo que corresponde a 157 M
l aacutecido niacutetrico es un poderoso agente oxidante El nuacutemero de oxidacioacuten del N en el
) El aacutecido niacutetrico puede oxidar
nto a metales que estaacuten abajo del hidroacutegeno como aquellos que se encuentran
4Zn2+(ac) + NH4
+(ac) + 3H2O(l)
do no oxida al oro Sin embargo cuando se mezcla con
cido clorhiacutedrico concentrado en relacioacuten 13 en volumen (una parte de HNO3 a tres
partes al oro
omo sigue
APEacuteNDICE F
ETODO DE DEPOSICIOacuteN-PRECIPITACIOacuteN
E
HNO3 es + 5 Los productos maacutes comunes de la reduccioacuten del aacutecido niacutetrico son el
NO2 (N = + 4) el NO (N = + 2) y el NH4+ (N = - 3
ta
arriba en la serie de actividades Por ejemplo el cobre es oxidado por el aacutecido niacutetrico
concentrado como se mencionoacute antes
En presencia de reductores fuertes como el zinc metaacutelico el aacutecido niacutetrico se puede
reducir hasta ion amonio
4Zn(s) + 10H+(ac) + NO3
-(ac)
El aacutecido niacutetrico concentra
aacute
de HCl) la disolucioacuten resultante denominada agua regia puede oxidar
c
Au(s) + 3HNO3(ac) + 4HCl(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O(l) + 3NO2(g)
M
Ingenieriacutea Quiacutemica 69
UAM-I
APEacuteNDICE G
ISENtildeO DEL MEZCLADOR [4]
1) 100 ml H2O gr soporte
2) NH4(OH)
Ajustar a PH = 9 4) HAuCl4 (solucioacuten acuosa al 25E-3M)
6) Filtrado o centrifugado
3) En Agitacioacuten por 2 hr
8) Secado por 2hr a 80 degC
9 ) Calcinado por 4hr a 400 degC
7) Lavado
5) Antildeegamiento por 30 min
D
Ingenieriacutea Quiacutemica 70
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El disentildeo de un tanque agitado dis n nuacutemero de elecciones sobre el
po y localizacioacuten del agitador las proporciones del tanque el nuacutemero y dimensiones
ada una de estas decisiones afectan a la velocidad
e circulacioacuten del liacutequido los modelos de velocidad y el consumo de potencia Como
pone de un gra
ti
de las placas deflectoras etc C
d
punto de partida en el disentildeo de los problemas ordinarios de agitacioacuten generalmente
se utiliza un agitador de turbina del tipo que se muestra en la figura 1 La proporcioacuten
tiacutepica es
31
=t
a
DD
1=tD
H 121
=tD
J 51
=aD
W 41
=aD
L
de estas ecuaciones se disentildeara el mezclador como datos se tiene el valor H que es
igual a 3 mts y el diaacutemetro del tanque D
Se determinara la medida de los reflectores
t que es igual 3 mts
121
=tD
J se despeja J
elacioacuten R31
=t
a
DD
se despeja Da
Relacioacuten
41
=aD
L se despeja L
elacioacuten se despeja W
( ) ( ) cmmtsmtsDJ 25250311==⎟
⎞⎜⎛=⎟
⎞⎜⎛= t 1212 ⎠⎝⎠⎝
( ) ( ) mtsmtsDD ta 1331
31
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=
( ) ( ) mtsmtsDL a 250141
41
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛= cm25=
51
=aD
WR
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UAM-I
Figura 2 a) Vista transversal del mezclador b) paletas del mezclador con la
donde se deposita el soporte
Figura 1 Medidas de un agitador de turbina
a) b)
s rejillas
H
J
E L
Da
D t
W
W
( ) ( ) cmmtsmtsDW a 2020151
5==⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎜⎝
=1 ⎞⎛
Ingenieriacutea Quiacutemica 72
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F
o
P
o
o
re
d
F
c
C
T50 (degC)
igura 8 Variacioacuten de la te
xidacioacuten de CO con respect
or ultimo se realizaron cu
peracioacuten pero variado la
btenidos se muestran en la
accioacuten presentan una tend
e catalizador
00000
00040
00080
00120
00160
00200
0
(-rc
o)
00000
igura 9 Velocidad de reac
ondiciones en exceso de O2
atalizadores de Oro Soportado
masa Au
mperatura de encendido a 50 de conversioacuten en la
o a la cantidad de Au en el catalizador
atro corridas maacutes bajo las mismas condiciones de
masa de catalizador Las velocidades de reaccioacuten
fig9En esta figura se observa que las velocidades de
encia lineal despueacutes de los 80degC al aumentar la masa
50 100 150 200 250 300T (degC)
3 gr cat
25 gr cat
2 gr cat
15 gr cat
1 gr cat
cioacuten de CO a diferentes masas de catalizador y bajo
21
UAM-I
Se tomo una temperatura de 125 degC debido a las mediciones realizadas en
diferentes calentadores domeacutesticos Se encontroacute que la temperatura media es la
mencionada A partir de los datos experimentales se determinoacute que el orden de
reaccioacuten es 13 y la constante cineacutetica k = 480945 (m3)13[(mol)03m3cat hr] (00012
mhr) y un coeficiente de transferencia de masa de 792 mhr (ver apeacutendices A) con
estos valores y usando los criterios de Weisz-Prater y Mears[14] (ver apeacutendice B) se
obtuvo que no existe resistencia interna ni externa a la transferencia de masa por lo
que la cineacutetica es la que controla
24 CONCLUSIOacuteN DE LA EXPERIMENTACIOacuteN El meacutetodo de DP es mucho maacutes adecuado que el de IMP para la preparacioacuten de
catalizador de Au soportados en γ-Al2O3 ya que permitioacute obtener catalizadores con
cinco veces maacutes oro que el preparado por el meacutetodo IMP bajo condiciones similares
de preparacioacuten En ambos casos el tamantildeo promedio de partiacutecula fue menor que 5
nm Debido a esto el catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP presenta una mayor actividad
en la oxidacioacuten de CO e H2 sin observarse desactivacioacuten durante un periodo de 24 h
Puesto que en ambas muestras se consiguioacute una gran dispersioacuten y un tamantildeo
similar de nanopartiacuteculas de oro se tiene entonces que la principal diferencia de
actividad cataliacutetica se debe principalmente a la cantidad de Au en el catalizador Sin
embargo el catalizador 10-Auγ-Al2O3 presenta una menor conversioacuten que el de
035-Auγ-Al2O3-DP a pesar de contener maacutes Au por lo que hasta el momento se
podriacutea decir que la cantidad de Au optima se encuentra por debajo de 10 wt y por
arriba de 007 wt no obstante se requiere de la caracterizacioacuten del catalizador 10-
Auγ-Al2O3 se para determinar de que manera influyen el tamantildeo de partiacuteculas la
distribucioacuten el volumen y el tamantildeo de poro en los resultados esta caracterizacioacuten
asiacute como la evaluacioacuten cataliacutetica del catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP bajo
condiciones estequiomeacutetricas se encuentran en proceso
Catalizadores de Oro Soportado 22
UAM-I
25 BIBLIOGRAFIacuteA [1] M Haruta CatalToday 36 (1997) 153
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Catalizadores de Oro Soportado 23
UAM-I
C A P I T U L O III
D I S E Ntilde O D E L A P L A N T A I N D U S T R I A L
Catalizadores de Oro Soportado 24
UAM-I
31 INTRODUCCIOacuteN
Este capitulo esta enfocado al disentildeo de la planta industrial donde se produciraacuten
catalizadores de Auγ-Al2O3 por el meacutetodo de Deposicioacuten-Precipitacioacuten (DP) descrito
en el capitulo 2
Parte de la produccioacuten de los catalizadores se destinaraacute a su venta en masa y otra
parte se destinaraacute para el equipo de purificacioacuten de calentadores de agua esto con
la finalidad que el catalizador que esta contenido dentro del equipo de purificacioacuten
cuando se desactive pueda remplazarse por catalizador nuevo disponible en el
mercado De esta forma se tendraacuten ganancias tanto al vender el equipo purificador
como al vender catalizador como materia prima
32 DISENtildeO DEL EQUIPO PURIFICADOR PARA CALENTADORES DE AGUA DOMEacuteSTICOS El equipo purificador se ubicaraacute a la salida del efluente gaseoso del calentador como
un equipo adicional como se muestra en la Figura 1 Se plantea colocarlo en una
posicioacuten tal que oxide a baja temperatura hasta el 90 de CO Las dimensiones del
purificador se determinaron seguacuten las especificaciones de calentador y el balance de
materia en el sistema purificador Estos caacutelculos se presentan en el Apeacutendice A
Los tubos de las chimeneas de los calentadores son de latoacuten por lo que se decidioacute
utilizar este material para la parte exterior la parte donde se colocaraacute el catalizador
es de 35 cm de longitud para colocarlo en el tubo de la salida del flujo de gas se
dieron 2 cm maacutes en cada extremo para hacer un tipo cople de manera que el tubo
entre en los extremos
Catalizadores de Oro Soportado 25
UAM-I
C O 2 2 0 c m 7 c m c m G A S C O
3
2cm
75 cm 35 cm
Figura 1 Esquematizacioacuten del equipo purificador y su ubicacioacuten en los calefones
Las dimensiones obtenidas (Apeacutendice A) y las caracteriacutesticas del purificado se
presentan en la Tabla 1
Tabla 1 Especificaciones de purificador
Material Latoacuten
Longitud 35 cm
Diaacutemetro 20cm
Cantidad de
Catalizador
700 gr
Catalizadores de Oro Soportado 26
UAM-I
33 PRODUCCIOacuteN DE LA PLANTA INDUSTRIAL A partir de un estudio de mercado se encontroacute que en la Ciudad de Meacutexico hay
cuando menos cuatro empresas principales (CALOREX ELSA MAGAMEX y
CINSA) que fabrican calentadores de agua residenciales[1 2] Estas en promedio
producen 150 calefones diarios Por cada calefoacuten se requiere un equipo purificador
En este sentido de requieren idealmente 600 unidades de purificacioacuten por diacutea Esta
base se utilizoacute para el disentildeo de la planta
A partir del balance de masa en el purificador y empleado los resultados
experimentales a nivel laboratorio (ver apeacutendice A) se encontroacute que cada purificador
requiere 07 Kg de catalizador A partir de este resultado se requiere producir al
menos 420 Kg de catalizador para satisfacer la demanda en la produccioacuten de
calefones Con base en el balance de materia realizado en el mezclador se
determinoacute que la cantidad de catalizador obtenido despueacutes de cuatro lotes es de
570 Kg Tomando el resto de catalizador como reserva por cualquier contratiempo El
nuacutemero de lotes se determinoacute en base a que fuese rentable la recuperacioacuten de oro
34 DISENtildeO Y OPERACIOacuteN DE LA PLANTA
La fabricacioacuten del catalizador a nivel industrial esta basada en el escalamiento del
meacutetodo de siacutentesis descrito en la parte experimental Lo cual es una praacutectica comuacuten
en la fabricacioacuten de materiales cataliacuteticos
Para la produccioacuten de 570 Kg por diacutea se plantea utilizar cuatro mezcladores (ver
Figura 2) que operaran durante 8 h con cuatro intervalos (o cargas) de 2 h y
descansos de 30 min (dejando 30 min libres por contratiempos) Esta operacioacuten se
elige con base en las horas de trabajo y el meacutetodo de preparacioacuten del catalizador
Al igual que en la parte experimental el proceso requiere operacioacuten por lotes debido
a que se necesitan largos tiempos de contacto para obtener catalizadores eficientes
en la oxidacioacuten de CO a baja temperatura Se pretende utilizar un agitador tipo
Catalizadores de Oro Soportado 27
UAM-I
canastilla[4] el cual permite colocar dentro de las mismas el catalizador para tener
una mejor impregnacioacuten de partiacuteculas de Au y eliminar la atricioacuten Las dimensiones
del agitador asiacute como del mezclador se presentan en la Figura 6
Al teacutermino de la uacuteltima carga en los mezcladores el lote completo del diacutea pasa al
horno para secarlo a 80degC por 2 h y calcinarlo a 400degC durante 4 h Durante estos
procesos se concluye la preparacioacuten del catalizador Las temperaturas y tasas de
calentamiento estaacuten basadas en el meacutetodo de preparacioacuten experimental descrito en
el Capitulo ll Posteriormente el catalizador producido pasa a la seccioacuten donde se
embolsa para ser vendido como materia prima y la otra parte pasa a la seccioacuten de
ensamblaje para fabricar el purificador
Dimensiones de la industria
Las dimensiones de los equipos como mezcladores cisternas tanque de
tratamiento horno etc se tomaron como base para poder suponer espacios entre
equipos para tener seguridad del personal Se dio preferencia a los mezcladores ya
que son las partes importantes en la elaboracioacuten de los catalizadores La cisterna
estaraacute enterrada para facilitar su llenado en el caso de los contenedores de HAuCl4
y NH4OH estaraacuten encima de bases maacutes altas que los mezcladores para poder
abastecerlos por gravedad Esto debido a que el volumen es poco no se requiere de
grandes cantidades por lo que no se requiere alguna bomba Se estuvo analizando
la forma de acomodar los equipos y se obtuvo la siguiente distribucioacuten que se
muestra en la Figura 3
En la Figura 4 se presenta el plano de la industria con sus respectivos
departamentos en la parte sur se encuentra la entrada principal en ella se encuentra
vigilancia y la entrada de empleados y obreros posteriormente esta la zona de
oficinas lado izquierdo del lado derecho se encuentra el estacionamiento para
clientes y empleados en el almaceacuten se encontraraacuten refacciones de equipo y
reservas de materia primas para los catalizadores en la zona de produccioacuten se tiene
el estacionamiento de proveedores para facilitar la entrada y salida del producto
Catalizadores de Oro Soportado 28
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado 29
Debido a que en cada industria debe existir un espacio recreativo se plantea una
cancha de Baacutesquetbol para los obreros y una zona de jardines en la parte norte
Ubicacioacuten de la industria
Para poder ubicar una industria es importante analizar la zona geograacutefica Para lo
cual se deben considerar algunos factores importantes por ejemplo No ubicarla en
zona de siacutesmica Si la industria requiere de un gran volumen de agua no ubicarla en
una regioacuten deseacutertica Si el producto es muy sensible al calor y la humedad evitar
zonas muy caacutelidas y huacutemedas Si se piensa vender el producto en una zona
especifica ubicar la industria cerca de la zona de venta para evitar gastos de
transportacioacuten A partir de este tipo de razonamientos se planea que debido a que el
producto que se elaborara que es un purificador cataliacutetico para su venta en la ZMVM
ya en ella estaacuten ubicadas las principales industrias de calentadores y debido a que la
planta requiere de un volumen considerable de agua se escogioacute el estado de
Morelos porque no esta muy lejos de la ZMVM y tiene reservas de agua Asiacute el gasto
de transportacioacuten de materias primas y sobre todo del producto elaborado seriacutea
pequentildeo
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Catalizadores de Oro Soportado
Agua
Tanque tratamien
Figur
NH4OH
HAuCl4
Produccioacuten de catalizadores
Recuperacioacuten de agua
de to
a
MezcladoresMezcladores
Cuando se requiere limpieza
Horno
Producto almaceacuten
30
1 Diagrama de produccioacuten Recuperacioacuten de cloro
UAM-I
35 BALANCE DE MATERIA DIAGRAMA DE FLUJO PARA DIFERENTES LOTES DE SOPORTE EN UN SOLO MEZCLADOR
Catalizadores de Oro So
05 Kg Au
10
0
086 Kg HAuCl4(ac)014 Kg H2O
035 Kg NO2(g)
2
35 Kg NH4(OH)(ac) (01M)
10000 Kg H2O
100 Kg Al3O
100 Kg Al2O3 (9965) 035 Kg Au (035) 025 Kg Cl2
026 Kg HauCl4(ac)35 Kg NH4(OH)
1101035 Kg H2O
O MEZCLADOR (t0)
10035 Kg catalizador
86 KgHAuCl4(ac)101035 Kg H2O
037 Kg HCl (ac) (105 M) 048 Kg HNO3(ac) (152 M)
porta
Kg N
30 Kg Al2Cl3
101021 Kg H2
do
H4 (OH) (ac) (01M) 30 Kg Al2O3 (9965) 01 Kg Au (035)
007 Kg Cl2
)
3
)
301 Kg catalizador MEZCLADOR (t1)
009 Kg HauCl4(ac)45 Kg NH4(OH)
1101035 Kg H2O
MEZCLADOR 1054 Kg catalizador
105 Kg Al2O3
(t2)
105 Kg Al2O3 (9965)
035 Kg NH4 (OH) (ac) (01M
004 Kg Au (035) 003 Kg Cl2
23 Kg Al2O
MEZCLADOR
(t3)23 Kg Al2O3 (9965)
2308 Kg catalizador
008 m3 NH4(OH) (ac) (01M
002 Kg HauCl4(ac)485 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
0008 Kg Au (035) 0006 Kg Cl2
0003 Kg HauCl4(ac)493 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
31
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado 32
DIAGRAMA DE FLUJO PARA UN MEZCLADOR
MEZCLADOR
1101035 Kg H2O
1428 kg γ-Al2O3
086 Kg HAuCl4
493 Kg NH4(OH)
0003 Kg HauCl4(ac)493 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
1433 Kg Catalizador
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
36 DIAGRAMA DE LA INDUSTRIA
INDUSTRIA DE CATALIZADORES
TANQUE DE TRATAMIENTO HORNO
CISTERNA 1
CONTENEDORDE AuCl3 CONTENEDOR DE
NH4OH ZONA DE LLENADO
DE SAPORTE
SE LLEVA AL HORNO
MANUALMENTE
PRODUCTOALMACEacuteN
Contenedor de HAuCl4
Figura 2 Diagrama de la distribucioacuten del equipo dentro del aacuterea de produccioacuten
33
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
37 DIMENSIONES DEL EQUIPO Y TUBERIacuteA
2 mts
2 mts 2 mts 6 mts 4 mts 3 mts 5mts 5 mts 3 mts 6 mts 3
3mts 3 mts 3mts 3 mts 3 mts
4 mts 1 5 mts 1 5 mts 4mts 4 7mts 4 mts 21 mts 7 2mts 26 mts 2 mts 21 mts 6 mts
3 5 mts 14 mts 6 mts 8 mts 1 5 mts 3 mts 5 mts 13 mts 8 mts 20 mts 30 mts
IN D U ST R IA D E C A T A L IZ A D O R E S
T AN Q U E D E T R AT AM IE N T O H O R N O
C IST E R N A 1
C O N T EN ED O RD E Au C l3
C O N T EN E D O R D E N H 4O H
ZO N A D E L LEN AD O D E SO PO R T E
AG UA PAR A JAR D IN ES
M E Z C L A D O R E S 12 3 y 4
1 2 3 4
A L M A C Eacute N
Contenedor de HAuCl4
Figura 3 Dimensiones del equipo y tuberiacutea requerida
34
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
38 PLANO DE DISTRIBUCIOacuteN DE AacuteREAS
Figura 4 Aacutereas de trabajo dentro de la planta
35
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
DIMENSIONES DE LA INDUSTRIA
Figura 5 Dimensiones de cada aacuterea de la planta industrial
36
UAM-I
Ingenieriacutea Quiacutemica 37
10 cm 3mts 1 mts 25 cm 15cm 5 cm 5 cm 3mts 150 mts 10 cms 100 mts 20 cm
003 mts
Figura 6 Dimensiones del mezclador y del Agitador
UAM-I
Las dimensiones de las canastillas se determinaron a partir del balance de masa y la
produccioacuten requerida La carga de un contenedor de soporte que es de 100kg del
cual el agitador tiene 4 canastillas cada una corresponde 25 Kg la masa se obtuvo
del balance de materia y su densidad 600 Kgm3 con el que se obtuvo un volumen de
0043 m3
39 ANAacuteLISIS FINANCIERO
El costo de materias primas se muestra en la Tabla 2 en la que tambieacuten se incluyen
los flujos de alimentacioacuten requeridos para el proceso a partir de los cuales se
determinaron los costos diarios
Tabla 2 Costo de materias primas [5]
Compuesto
Alimentacioacuten
por diacutea
Costo
USDKg
Costo Total
USDdiacutea
Au 2 kg 10596 2119200
HCl 15 Kg 52 780
HNO3 20 Kg 022 044
-Al2O3 5712 Kg 034 19421
Canastillas 500 piezas 15 75000
NH3(OH) 200 Kg 034 680
H2O 440414 Kg 282 282
Total de Materia Prima 2215407
El costo se determinoacute considerando la cantidad de material el tamantildeo y el costo de
manufactura
El costo se determinoacute para uso industrial conforme establece la tesoreriacutea de
Meacutexico
Ingenieriacutea Quiacutemica 38
UAM-I
PERSONAL REQUERIDO PARA LA INDUSTRIA
La Tabla 3 establece los salarios mensuales anuales y las prestaciones del IMSS
para el personal de la planta
Tabla 3 Salarios y Prestaciones del Personal
Mano de Obra (USDmes)p
ersona
USDmes USDantildeo Prestaciones
IMSS
1 Gerente 2000 2000 24000
1 Administrador 1000 1000 12000
1 Secretaria 400 400 4800 1193
Total de Salarios
Administrativos
40800 1193 409193
9 Obrero 150 150 1800 448
1 Teacutecnico 200 200 2400 597
1 Policiacutea 200 200 2400 597
1 Mantenimiento 180 180 2160 538
1 Limpieza 150 150 1800 448
Total de Salarios
Proceso
10560 2628 108228
Los salarios se determinaron en base al salario miacutenimo vigente en la Ciudad de
Meacutexico (2003)[29]
Ingenieriacutea Quiacutemica 39
UAM-I
PERSONAL
Departamento de produccioacuten
Se tendraacute 2 obreros en el llenado de soporte en las rejillas un obrero encargado del
traslado de rejillas por medio de la banda de los motores a cada contenedor un
obrero en cada contenedor de NH4OH y HAuCl4 en cada mezclador se tiene 1
obrero para descargar y cargar las rejillas a la banda que se trasladaran al horno en
el horno se tiene 1 obrero encargado del secado y calcinado el producto se traslada
al almaceacuten donde estaraacuten 2 obreros que reciben el producto y materias primas de los
proveedores se tiene 1 teacutecnico supervisando los equipos un encargo del
mantenimiento de los equipos
Departamento de personal
Gerente de la industria un administrador encargado de compra y venta de materias
primas una secretaria
Ingenieriacutea Quiacutemica 40
UAM-I
CAPITAL FIJO
La Tabla 4 muestra el costo de los equipos requeridos en la planta asiacute como el
Capital Fijo y la Inversioacuten del Capital Total
Tabla 4 El equipo se costeo usando las correlaciones de Ulrich [6] y empleando el
programa de Capcost
EQUIPO USD
4 Contenedores 23584
4 Agitadores (456kW) 269760
1 Horno (25 kW) 15700
15 Bombas (1469kW) 43081
1 Motor (114 kW) 67440
Tuberiacuteas 42150
2 Cisternas 174183
Vaacutelvulas 1283
Accesorios
(codos 90ordm y de 45ordm te)
1474
CAPITAL FIJO 638655
Capital de Trabajo 9579825
INVERSIOacuteN DE
CAPITAL TOTAL
73445325
Los caacutelculos y las correlaciones empleadas para el costeo del equipo se anexan en
el Apeacutendice A
Ingenieriacutea Quiacutemica 41
UAM-I
GASTOS GENERALES
Tabla 5 Proporciona el total de gastos anuales con lo cual se estima el precio por
kilo de catalizador y por unidad purificadora
Tabla 5 Gastos Generales anuales
USDAntildeo
Materias Primas 531697680
Mano de Obra de Operacioacuten 1082280
Mano de Obra de Oficina 4091930
Servicios Electricidad 2620100
Total de Gastos Generales 539491990
CFE
Produccioacuten diaria de Catalizador = 574 Kg
Precio de Catalizador = 40 USDKg
Produccioacuten diaria de unidades purificadoras = 500
Precio por unidad = 50USD
Ganancia diaria = 22960 USD
Ganancia Anual = 5510400 USD
DETERMINACIOacuteN DE LA RENTABILIDAD DEL PROYECTO
TPI (Actual) = 10
PR (Factor de riesgo) = 25
TREMA = TPI + PR
TREMA = 35
TIR (del proyecto) = 90
TIR gt TREMA
Puesto que la TIR es mayor que la TREMA se tiene que el proyecto es rentable [6]
Ingenieriacutea Quiacutemica 42
UAM-I
310 CONCLUSIONES
En el desarrollo de la industria para la fabricacioacuten de catalizadores se tuvo un
resultado satisfactorio a pesar de la falta de informacioacuten disponible acerca de
industrias de catalizadores debido a que esta informacioacuten no es publica El proyecto
que elaboramos es novedoso en nuestro paiacutes ya que no existen registros de una
industria que produzca catalizadores de oro soportados en aluacutemina
Durante el desarrollo del proyecto se planteoacute trabajar con compuestos como NOx y
COVS sin embargo debido a la falta de tiempo no se logroacute concluir la
experimentacioacuten en estos campos Debido a esto se tomoacute la decisioacuten de trabajar en
la oxidacioacuten cataliacutetica de CO Esto debido a varios factores por ejemplo la
disponibilidad de gases y sobre todo los costos que esto implicaba
Para el desarrollo del catalizador se analizaron diferentes tipos de preparacioacuten y se
eligieron dos meacutetodos diferentes Deposicioacuten-precipitacioacuten e Impregnacioacuten Los
catalizadores se evaluaron bajo diversas condiciones en la oxidacioacuten de CO El
catalizador que presentoacute mayor conversioacuten con el catalizador a baja temperatura fue
el sintetizado por el meacutetodo de Deposicioacuten-precipitacioacuten el cual se utilizoacute para el
disentildeo de la Industria El disentildeo estaacute basado en la forma de preparacioacuten del
catalizador Por esto la parte maacutes importante de la planta es el tanque de mezclado
el cual se disentildeo tomando en cuenta los diferentes disentildeos de agitadores para tener
un mezclado oacuteptimo Se incorporo en la parte superior del agitador las canastillas
para las pastillas cataliacuteticas y el tipo de Horno que se usara para el secado y
posteriormente el calcinado Una parte importante es la produccioacuten de catalizador
para este problema se investigoacute en que parte se podriacutea utilizar a diferencia de los
catalizadores para automoacuteviles Se llego a la decisioacuten de poder desarrollar un
catalizador para los calentadores de agua se obtuvo informacioacuten de la fabrica de
calentadores cal-o-rex en la produccioacuten diaria de calentadores y de esta informacioacuten
se pudo calcular la posible demanda de nuestro producto Una parte importante en
las industrias son el tipo de bombas ya que existen diversos modelos en nuestro
disentildeo se escogioacute las bombas centriacutefugas con rodetes para agua que contiene
pequentildeas partiacuteculas de soacutelidos
En la parte de servicios para personal se investigo los sueldos de cada empleado Se
determinoacute el costo de los equipos y finalmente llegamos a la parte que nos interesa
Ingenieriacutea Quiacutemica 43
UAM-I
del disentilde es decir si el proyecto es rentable o no En este caso particular se tuvo un
valor aceptable y se definioacute que el disentildeo es rentable Esto indica que seria una
industria que tendriacutea ganancias y a la vez que el producto que se fabrique nos
ayudaraacute a todos a reducir la emisioacuten de CO en los hogares aportando una pequentildea
ayuda al medio ambiente
COMENTARIOS
Los conocimientos adquiridos durante este tiempo fueron provechosos en la parte
teoacuterica y praacutectica aclaramos dudas de como y porque se comportan las reacciones
quiacutemicas y los procesos de flujos Durante el desarrollo del proyecto aprendimos a
observar y la importancia de entender fiacutesicamente las algunos procesos relacionados
con la siacutentesis y caracterizacioacuten de materiales cataliacuteticos
Ingenieriacutea Quiacutemica 44
UAM-I
38 BIBLIOGRAFIacuteA
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[29] Secretaria de Trabajo y Previsioacuten Social Comisioacuten de Salarios Miacutenimos
Ingenieriacutea Quiacutemica 46
UAM-I
APEacuteNDICE A
CRITERIOS PARA DETERMINAR QUIEacuteN CONTROLA EL PROCESO
Criterio de weisz para difusioacuten interna
Ec(12-16 Fogler) Los valores que se sustituyen en las siguientes ecuaciones fueron
tomados del catalizador que se analizo en el laboratorio
CWP = ( )
AS
cObsA
DeCRcr 2minus
lt 1
-rA(Obs) = velocidad de reaccioacuten observada molgcats Cc = concentracioacuten volumeacutetrica molm3
CAS = concertacioacuten en la superficie molm3
D= diaacutemetro del granulo m R = radio del granulo m De = difusividad efectiva m2s
d = 0149mm mxmm
m 4104911000
1 minus=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
CWP = ( )( )3
32
24
33
103470184200350
21049150800010681
minus
minusminus
=⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞⎜
⎝⎛
x
mmol
hrm
mxcatm
gcathgcat
molx
734x10-3 lt 1 No hay limitante por la difusioacuten interna
Ingenieriacutea Quiacutemica 47
UAM-I
Criterio de mears para difusioacuten interna Ec(12-62 Fogler)
Mm = 150ltAbc
bA
CkRnr ρminus
Mm =( )( )
0570
136000184200220
31110457508000106851
3
53
3
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ minusminus
hrs
mmol
sm
mxcatmgcat
hgcatmolx
0057 lt 015 no hay efecto de transferencia de masa externa Calculo de Dab para calcular el coeficiente de trasferencia de masa Ec(78 Lobo)
De =
KAAB DD11
1
+
DKA = 970X103 (80X10-8)(s
cmK 221 1090)
2400( =
DAB = 00018583ABAB
BA
PMMT
Ω
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ +
2
2123 11
γ
Para CO
0110=isin
Bk 0593 A=γ
Para O2
Ingenieriacutea Quiacutemica 48
UAM-I
0113=isin
Bk 0453 A=γ
( ) 51343359321
=+=ABγ
( )( )[ ] 21113110BAB k=isin A la temperatura de 400degK
( ) 583))113)(110((
40021 =
deg=
isin B
B
AB
B
KKKTK
Ω AB = 0907 Sustituyendo
DAB =s
cm2
2
2123
9730)9070()513(
)21281()400(00185830=
+
De = hrm
hrs
cmm
scm 222
03501
3600100
10980
10901
97301
1=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
+
Calculo de Kc Sh = (Re)12(Sc)13
Velocidad superficial
V = sm
shr
hrm
mxhr
m
Av
c
02036001976
1087
006025
3
0 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛== minus
Ingenieriacutea Quiacutemica 49
UAM-I
Re= ( ) 240)1062)(501(
)10491)(020(
1 25
4
=minus
=minus minus
minus
smx
mxsmvd p
νφ
Sc= 672)3600
1)(0350(
10622
25
==minus
shr
hrm
smx
Dv
AB
Sh= ( 024 )12 ( 267 )13 = 0679
Kc = Shdp
DAB⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛minusφ
φ1
Kc = ( )sm
mxs
mx02206790
10491
10729
50501
4
26
=⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛minus
minus
minus
Calculo de numero Thile con el radio que usara a nivel industrial
φ = L ( )DkCn n
AS
21 1minus+
L = 3R
Sustituyendo
φ = 66x10-4 m( )
( )
450
03502
018420
5480941311
3
30
3330
313
=
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+
catmhrm
mmol
hrcatmmolm
η = 1 con los resultados anteriores se observa que quieacuten limita es la velocidad de
reaccioacuten Por lo que se procede a calcular el peso y longitud de catalizador
necesaria para muestro purificador sustituyendo los valores del Boiler
Ingenieriacutea Quiacutemica 50
UAM-I
Peso del Catalizador w =
( ) grcatgcatLn
gcatm
mmol
hrcatmmolm
hrm
xLn
kCv
A
66476639401
1
6000001578
548094
19836
11
330
3330
313
3
0
0 asymp=minus
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
minus
g 664=w
33
3
1011
mg60000
g 664 mxwv minus===ρ
m 035003101011
2
33
==minus
mmxL
cm 531000350 == xL
Ingenieriacutea Quiacutemica 51
UAM-I
APEacuteNDICE B BALANCE DE MASA DE LA PREPARACIOacuteN DE HAUCL4 Au(g) + 3HNO3(ac) + 4HCL(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O + 3N02(g) (152 M) (105M)
cantidad de mol Au = 05 kg Au x molAu
grAumolAux
kggr 542
971961
11000
=
cantidad de kg HNO3 = ( ) 33
33 480
10001
1635423 kgHNO
grkgx
molHNOGRHNOxHNOmol =
cantidad de kgHCl = ( ) kgHClgr
kgxmolHCl
grHClHClxmol 3701000
11
5365424 =
cantidad de kgHAuCl4 = 254molHAuCl4 x 44
8601000
11
97339 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
gr=
cantidad de kgH2O = 3( 254mol)H20 x OkgHgr
kgxOmolHOgrH
22
2 1401000
1118
=
cantidad de Lt H20 = 762molHNO3 x OltHOkgHOLtH
22
2 14011
=
cantidad de Lt H20 = 1016 mol HNO3 x 050215
012
2 LtHmol
LtH=
cantidad de LtH20 = 1016mol HCl x OLtHLtHmolHCl
LtH22
2 010970510
01asymp=
cantidad de MHAUCl4 = ( ) ( ) ( ) MHltltlt
ClmolHAU 7210850490140
542
2
4 asymp++
cantidad de kg NO2(g) = 3( 254mol)NO2 x )(22
2 3501000
1146
SkgNOgr
kgxmolNO
grNO=
Ingenieriacutea Quiacutemica 52
UAM-I
05 kg Au 048 kgHNO3 035 kgNO2 101021 kgH20 (152M) 037 kgHCl(ac)
(105 m) 086 kg HAuCl4 (ac) 086 kg HAuCl4 (ac)
(17 M) 014 kgH20 (25x10-3M) 014kg H20 (L) 086kg HAuCl4 035kgNO2 (g) 101185kg H20 Cantidad de H20 = 086 kgHAuCl4
x 08510110101
105201
173341
11000
22
23
24 kgHLtHkgHx
MxltHx
grmolHAuClx
kggr
=minus
pero (101185 ndash 014 ndash 05 ndash 1) kg H20 = 101021 kg H20 100ml H20 por 1 gr soporte 35kg NH4 (OH)(AC) 10000kgH20 100 kg γAl203 (9965) 035kgAu (035) 100kg γAl203 025kgCl2 086kg HAuCl4 026kgHAuCl4
101185 kg H20 35kgNH4 (OH)(AC) 1101185kgH20 cantidad de kgHAuCl4 = 015kgAu x
44
4 2601000
11
973391
197196
147196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxgrAu
molxkg
gr=
cantidad de NH4(OH) = 100kg γ Al203 x
Ingenieriacutea Quiacutemica 53
UAM-I
kgNHxmol
grx
mlmol
xOAlgr
OHmlNHx
kg
gr53
10001
1
35
100010
1
)(10
1
1000
32
4=
γ4(OH)
30kg γAL2O3 1 kgNH4(OH)(AC) 30 kg γ Al203 (9965) 010 kg Au (035) 026kgHAuCl4 007kg Cl2 35kgNH4(OH) 1101185 kgH2O 0086kgHAuCl4 45 kg NH4(OH)(AC) 1101185 kg H20
cantidad de γ Al2O3 = 026kgHAuCl4 x 324
32 02330860
100 AlkgkgHAuCl
OAlkg γγ=
cantidad de kgAu = 035 x kgAukg 10506599
30=
cantidad de kg Cl2 = 01 kgAu x
22
2 07201000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de HAuCl4 = 005kgAu x
44
4 08601000
11
973391
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 54
UAM-I
cantidad de kgNO4(OH) = 30 kg γ Al203 x ( )OHkgNHAlkg
OHkgNO4
32
4 0510100
)(53=
γ
105 kg γ Al203 035 kg NH2(OH) 105 kg γ Al203 (9965) 004 kg Au (035) 009kg HAuCl4 003 kg Cl2 45kgNH4(OH) 1101185 kg H20 0017kgHAuCl4 485kgNH4 (OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 009 HAuCl4 x 324
32 04710860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad kg de NH4 (OH) = 105kg γ Al203 x ( ) )(3500100
534
32
4 OHkgNHAlkg
OHkgNH=
γ
cantidad de Cl2 = 004 kg Au x
22
2 02901000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
gAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 =
44
44 02001701000
11
973391
197196
11
1000010 kgHAukgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgr
molAuxkg
grkgAux asymp=
Ingenieriacutea Quiacutemica 55
UAM-I
23 kg γ Al203 008kgNH4(OH) 002 kg HAuCl4 23 kg γAl203 (9965) 485kgNH4(OH) 0008kgAu(035) 1101185kg H2 0001kg Cl2
0014 kg HAuCl4 493kgNH4(OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 002kgHAuCl4 x 324
32 032860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad de kg Au = 035 x kgAukg 00806599
32=
cantidad de kgCl2 = 0002kgAu x
24
4 00101000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 = 0008kgAu x
44
44 01401000
11
973341
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 56
UAM-I
APEacuteNDICE C ACCESORIOS EN EL DISENtildeO
Agitador
Agitadores de Heacutelice se escogioacute este tipo de agitador por ser tener las siguientes
caracteriacutesticas [3]
bull Es un agitador de flujo axial
bull Se emplea para liacutequidos pocos viscosos
bull Giran a toda la velocidad del motor
bull Las corrientes de flujo se mueven a traveacutes del liacutequido en una direccioacuten
determinada hasta que son desviadas por el fondo o las paredes del tanque
bull Las palas de la heacutelice cortan o friccionan vigorosamente el liacutequido
bull Los agitadores de heacutelice son eficaces para tanques de gran tamantildeo
Horno
bull El horno se escogioacute por ser tener las siguientes caracteriacutesticas [5]
bull El horno de construccioacuten metaacutelica
bull La caacutemara de combustioacuten estaacute construida mediante hormigones refractarios
de alta resistencia mecaacutenica
bull Las materias secar y calcinar se carga de forma manual
Ingenieriacutea Quiacutemica 57
UAM-I
Bomba
DISENtildeO Bomba centrifuga para operacioacuten horizontal o vertical del impulsor
cerrado succioacuten al extremo descarga hacia arriba tangencial simple succioacuten de un
paso con carcaza partida verticalmente [3]
ROTACIOacuteN En el sentido del reloj vista desde el cople
CARACTERIacuteSTICAS Conexiones brindadas con registro ubicado en la cabeza de
succioacuten para facilitar su limpieza
SERVICIO Debido a que es posible colocarla en posicioacuten horizontal o vertical tanto
en caacutercamos secos como huacutemedos y por el disentildeo de su impulsor que soacutelidos de
gran tamantildeo esta bomba es ideal para los procesos de tratamientos de agua y
manejo de liacutequidos en suspensioacuten en general
CAPACIDADES
GASTO Hasta 3000 GPM
CDT Hasta 80rsquo
PRESIOacuteN 106 Kgcmsup2
POTENCIA De 1 a 60 Hp
VELOCIDAD (1175 - 3550 RPM)
TEMPERATURA 125degC
Ingenieriacutea Quiacutemica 58
UAM-I
Bombas Centriacutefugas
Las maquinas centriacutefugas estaacuten constituidas por un impulsor o rodete formado por
una serie de aletas radiales diversas formas y curvaturas que giran dentro de una
caja circular El fluido penetra por el ojo o eje de rotacioacuten y se descarga maacutes o
menos radialmente en una caacutemara perifeacuterica a una elevada presioacuten que
corresponde a la suma de la fuerza centriacutefuga de la rotacioacuten maacutes la cineacutetica
comunicada al fluido por las aletas La parte moacutevil de la bomba es el rodete Las
aletas del rodete se extienden desde el centro de rotacioacuten hacia la periferia y las
bridas son los discos de refuerzo a cada lado de las aletas que las envuelven Las
aletas pueden ser radiales curvadas ligeramente hacia delante en el mismo sentido
de la rotacioacuten o estar curvadas al reveacutes en el caso maacutes comuacuten en el disentildeo se
determino el rodete siguiente por sus caracteriacutesticas Fig 1
Figura 1 Corte parcial de un rodete de centriacutefuga para grandes cargas y secciones
de paso estrechas empleando con liacutequidos corrosivos o suspensiones de pequentildeas
partiacuteculas[4]
Ingenieriacutea Quiacutemica 59
UAM-I
APENDICE D CALCULO DE POTENCIA DE BOMBAS (8)
Potencia de la bomba de la cisterna 1 que alimenta a los mezclador 4
Ecuacioacuten de Bernoulli
sum sumint =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛+++∆+∆i i
i
P
P
evvfDLvwdphgv 0
21
21
ˆ1
21 222
2
1ρ
a b c d e f
a Diferencia de velocidades
b Diferencia de alturas
c Diferencia de presiones
d Trabajo
e Perdidas de friccioacuten en tuberiacuteas
f Perdidas de friccioacuten en accesorios
En la ecuacioacuten anterior se pueden eliminar algunos teacuterminos
21 mts
6 mts 35 mts
Figura 1 Balance de cisterna 1 a mezclador 4
Se debe de tener dos puntos de referencia para la utilizacioacuten de la ecuacioacuten de
Bernoulli de los cuales se anotaron en la figura 2
Ingenieriacutea Quiacutemica 60
UAM-I
21 mts
2 1 6 mts 35 mts
Figura 2
Teniendo los puntos de referencia se analiza que las diferencias de velocidades son
cero en ambos puntos por lo tanto el termino 2
21 ν∆ es igual a cero
El termino de = (981hg∆ 2segm )(35m ndash 0) = 34335 2
2
segm
El termino de int2
1
1P
P
dpρ
se tiene que la cisterna y el tanque de mezclado ambos no
estaacuten cerrados y por lo tanto no originan un cambio de presioacuten y el termino es cero
De esta expresioacuten L longitud de tuberiacutea
tro de tuberiacutea
n el interior del tubo
v
Para la l radio del tubo que
sum ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
i
fDL2
21 ν
D diaacuteme
f perdidas de friccioacuten e
velocidad del flujo de agua
obtencioacuten de la velocidad se tiene el flujo volumeacutetrico y e
es de 32 cm =0032mts con la ecuacioacuten
Ingenieriacutea Quiacutemica 61
( )( ) sm
ms
m
RQ 761
032060min1)
min340(
2
3
2 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
==ππ
ν
UAM-I
Se reportan valores de perdida de fr
e reduce teacuterminos
iccioacuten en tubos que son igual a 005
Por lo tanto sustituyendo los teacuterminos en la ecuacioacuten de Bernoulli s
sum sumint =⎟⎠
⎜⎝
+⎟⎠
⎜⎝
+++∆+∆i i
iP
evvfD
vwdphgv 022
ˆ2
1ρ
⎞⎛⎞⎛ L 111 2222
or tanto el termino de trabajo queda expresado de la siguiente manera
tanto la bomba comunica al fluido que circula en el sistema un trabajo
+11727
P1
p w
sum sum ∆minus⎟⎠⎞
⎜⎝⎛minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛minus=
i ii
hgevvfDLvw 22
21
21
ˆ
( ) ( )
Este es el trabajo ( por unidad de masa) producido por el fluido en la bomba por lo
22
sm o 11727 981 = 1195
m
fKg
Kgm
La velocidad de flujo de masa es
Por lo tanto
1 )=6694
951)(675(ˆ =minus=minus WwW smkg f = 088Hp = 1Hp
Siendo esta ida para esta bomba El procedimiento anterior se
iguioacute para cada bomba de la planta
AP E
la potencia requer
s
EacuteNDICE
TOXICOLOGIacuteA DE MATERIAS PRIMAS [6]
( ) ( ) ( )( ) ( )( )msm
smmmm
sm 538192201150761
21050
032021536761
21
2
22minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ +minus⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ++
minus=wm
22
27117ˆ smw minus=
( )s
kgmkgQw m675100060340 3 === ρ
Ingenieriacutea Quiacutemica 62
UAM-I
HIDROacuteXIDO DE SODIO
Polvo corrosivo blanco delicuescente
Toxicidad
Concentracioacuten Maacutexima permisible 2mgm3 en aire
Signos y Siacutentomas Conjutivitis quemaduras corneales y de la piel Irritacioacuten
seas vomito dolor abdominal y diarrea a veces con
Lavado de las partes afectadas tranquilizantes sulfato de
decuada gafas protectoras o pantallas para
ignos y Siacutentomas Irritacioacuten de ojos quemaduras corneables tos dolores
l hemoptisis dolor de cabeza dolor epigaacutestrico nauseas y vomito
lmonar
Tratamiento lavado de ojos con agua reposo oxigeno con aparato de respiracioacuten
con onantes
ACIDO NITRICO
Liquido corrosivo sofocante de incoloro a amarillento
ioacuten maacutexima permisible 10ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
del tracto respiratorio nau
sangre
Tratamiento
morfina para el dolor y cortisona
Medidas preventivas Ventilacioacuten a
la cara completa mascarilla con filtro mecaacutenico guantes delantares botas de
goma y acentuar la limpieza personal
CLORO
Gas pasado amarillo verdoso
Toxicidad
Conc Maacutexima permisible 1 ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten
S
retrosterna
debilidad cianosis y edema pu
trolada bronco dilatadores y descongesti
Toxicidad
Concentrac
Ingenieriacutea Quiacutemica 63
UAM-I
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
Signos y siacutentomas Erosioacuten dental estornudo tos Dolor en el pecho bronquitis y
la las partes contaminadas del cuerpo con solucioacuten al 5 de
de las quemaduras con pantildeos
de triacuteo sulfato soacutelido si se a ingerido
vado de ojos con agua
ACIDO CLORIDRICO
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
ivitis necrosis corneal por inhalacioacuten rinitis erosioacuten
dolor de cabeza palpitacioacuten por ingestioacuten
s en la boca faringe esoacutefago estomago salivacioacuten vomito Soc
agua lavada de agua y jaboacuten de las partes
preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
AacuteC
El c
con o de hidroacutegeno una
concentracioacuten de 12 molLt Este aacutecido es un liacutequido incoloro con un olor aacutecido
bronconeumoniacutea
Tratamiento
bicarbonato soacutelido o con agua y jaboacuten Tratamiento
mojados con solucioacuten saturada
administracioacuten por viacutea oral de solucioacuten de jaboacuten Hidroacutexido caacutelcico o alumiacutenico u
oacutexido de magnesio
Medidas preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores excluir de la exposicioacuten
a los individuos con enfermedades de pulmones y rintildeones
Gas incoloro o liacutequido o a amarillento
Toxicidad
Concentracioacuten maacutexima permisible 5ppm en aire
Signos y siacutentomas conjunt
dental laringitis bronquitis neumoniacutea
quemadura
nefritis
Tratamiento lavado de ojos con
contaminantes del cuerpo tratamiento ordinario de quemaduras lavado gaacutestrico
se a ingerido con solucioacuten de bicarbonato soacutedico al 5 seguido de una instilacioacuten
de gel de hidroacutexido de aluminio
Medidas
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores
IDO CLORHIacuteDRICO
loruro de hidroacutegeno es en extremo soluble en agua de hecho el aacutecido clorhiacutedrico
centrado contiene cerca del 38 en masa de clorur
Ingenieriacutea Quiacutemica 64
UAM-I
pronunciado que se debe al equilibrio entre el cloruro de hidroacutegeno gaseoso y
ste con el aacutecido fluorhiacutedrico el aacutecido clorhiacutedrico es un aacutecido fuerte (pKa = -
7) y se ioniza casi totalmente
gar de aacutecido sulfuacuterico auque en menor grado Por
jemplo el zinc metaacutelico reacciona con aacutecido clorhiacutedrico para dar el ion zinc e
hidroacutegeno gaseoso
Zn(s) + 2HCl(ac) ZnCl2(ac) + H2(g)
l para producir aacutecido clorhiacutedrico en el laboratorio es generar
cloruro de hidroacutegen e sodio y el aacutecido
ulfuacuterico En el primer paso a 150degC se forma hidroacutegeno sulfato de sodio
NaHSO4(s) + HCl(g)
io y maacutes
loruro de hidroacutegeno gaseoso Luego el gas se disuelve en agua para formar el
aacutecido
NaHSO4(s) + NaCl(s) Na2SO4(s) + HCl(g)
acuoso
HCl(ac) HCl(g)
El reactivo de grado teacutecnico a menudo tiene un color amarillento por una impureza
del ion hierro (III)
En contra
HCl(ac) + H2O(l) H2O+(ac) + Cl -(ac)
Por ello a menudo se prefiere usar aacutecido clorhiacutedrico diluido en lugar de aacutecido niacutetrico
que es muy oxidante y en lu
e
Cuando el zinc reacciona con el aacutecido niacutetrico es comuacuten que se reduzca una parte
del ion nitrato para dar dioacutexido de nitroacutegeno
El meacutetodo tradiciona
o gaseoso por la reaccioacuten entre el cloruro d
s
NaCl(s) + H2SO4(l)
La mezcla se calienta a 550degC temperatura a la cual el hidroacutegeno sulfato de sodio
reacciona con un exceso de cloruro de sodio para formar sulfato de sod
c
∆
Este meacutetodo se usa tambieacuten en la industria otra forma de producir cloruro de
hidroacutegeno es por la combinacioacuten directa de dicloro y dihidroacutegenogaseosos
Ingenieriacutea Quiacutemica 65
UAM-I
H2(g) + Cl2(g) 2HCl(g)
La mayor cantidad de cloruro de hidroacutegeno que se produce actualmente es un
CH4(g) + 4Cl2(g) 4(l) + 4HCl(g)
riacuten de superficies de acero en un bantildeo aacutecido en la purificacioacuten de glucosa
y jarabe de maiacutez e s y de gas y en la
bricacioacuten de compuestos clorados El aacutecido se puedo comprar en muchas
nducida por la luz
4HNO3(ac) 4NO2(g) + O2(g) + 2H2O(l)
niacutetrico como disolvente)
H2NO3+ H2O + NO2
+
l siguiente
3HNO NO3 ndash
subproducto de otros procesos industriales como la siacutentesis de tetracloruro de
carbono
CCl
Se consumen cerca de 107 toneladas de aacutecido clorhiacutedrico cada antildeo en todo el
mundo Este aacutecido tiene una gama muy amplia de usos como aacutecido comuacuten para
eliminar o
n el tratamiento con aacutecido de pozos petrolero
fa
ferreteriacuteas con el arcaico nombre de aacutecido muriaacutetico sus principales usos caseros
son la limpieza de superficies de concreto y la eliminacioacuten de herrumbre Un nuacutemero
muy reducido de personas es incapaz de sintetizar suficiente jugo gaacutestrico y deben
de ingerir caacutepsulas de aacutecido clorhiacutedrico diluido con cada comida
AacuteCIDO NIacuteTRICO
El aacutecido niacutetrico un liacutequido aceitoso e incoloro en estado puro es sumamente
peligroso El aacutecido que funde a ndash42degC y hierve a +83degC tiene por lo general un
ligero color amarillo a causa de una reaccioacuten de descomposicioacuten i
En un estado puro el aacutecido niacutetrico liacutequido praacutecticamente no conduce la electricidad
Una pequentildea porcioacuten se ioniza como sigue (todas estas especies existen en el aacutecido
2HNO3(l) H2NO3+ + NO3
ndash
H2O + HNO3 H3O+ + NO3 ndash
Para dar la reaccioacuten globa
3 NO2+ + H3O + 2+
Ingenieriacutea Quiacutemica 66
UAM-I
El catioacuten nitrilo es importante en la nitracioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas por ejemplo la
obenceno C6H5NO2 una etapa importante en
umerosos procesos industriales orgaacutenicos
El aacutecido niacutetrico con en agua mientras
ue el ldquoaacutecido niacutetrico fumanterdquo un oxidante extremadamente poderoso es una
vez de ello se produce una mezcla de
sistema que da un orden de
vista industrial el
oceso
e lleva a cabo en tres etapas Primero se hace pasar una mezcla de amoniaco y de
dioxiacutegeno (o aire) un proceso muy
ficiente y exoteacutermico que hace que la malla se ponga al rojo Esta etapa se verifica
conversioacuten de benceno C6H6 en nitr
n
centrado es en realidad una solucioacuten al 70
q
solucioacuten roja de dioacutexido de nitroacutegeno en aacutecido niacutetrico puro Incluso cuando esta
diluido el aacutecido niacutetrico es un oxidante tan fuerte que rara vez desprende hidroacutegeno
cuando se pone en contacto con metales en
oacutexidos de nitroacutegeno y el metal se oxido a su catioacuten
Los enlaces O-N son mucho maacutes cortos (121 pm) que el enlace O-N unidos al aacutetomo
de hidroacutegeno (141 pm) Esta longitud de enlaces indica que hay enlaces muacuteltiples
entre el nitroacutegeno y los dos aacutetomos de oxiacutegeno terminales Ademas de los electrones
del sistema σ hay cuatro electrones que participan en el sistema π O-N-O dos de un
orbital enlazante y dos en un orbital no enlazante
enlace de 112 para cada uno de esos enlaces nitroacutegeno- oxiacutegeno
A veces se nos olvida hasta queacute punto nuestra experiencia depende de la
termodinaacutemica y la cineacutetica Por ejemplo la primera siacutentesis industrial de aacutecido
niacutetrico se llevaba ha cabo por simple combinacioacuten de diniacutetrogeno dioxiacutegeno y agua
utilizando un horno de arco eleacutectrico a fin de proporcionar la energiacutea necesaria par
superar la muy elevada barrera cineacutetica Aunque desde el punto de
factor cineacutetico constituiacutea un problema en realidad es una bendicioacuten por que sin esta
barrera cineacutetica hace mucho tiempo que todo el dioacutexido de la atmoacutesfera se abriacutea
transformado en aacutecido niacutetrico y nuestros mares serian de aacutecido niacutetrico diluido
frac12 N2(g) + 54O2(g) + 12H2O(g) HNO3(g)
Ahora se utiliza el proceso Ostwald para la siacutentesis de aacutecido niacutetrico Este proceso
consume gran parte del amoniaco que se produce por el proceso Haber El pr
s
a traveacutes de una malla de platino metaacutelico Eacuteste es
e
a baja presioacuten para aprovechar el efecto entropico es decir la formacioacuten de 10
moles de gas a partir de 9 moles de gas (una aplicacioacuten del principio de Le Chatelier)
para desplazar el equilibrio a la derecha
Ingenieriacutea Quiacutemica 67
UAM-I
4NH3(g) + 5O2(g) 4NO(g) + 6H2O(g)
Se agrega maacutes oxiacutegeno para oxidar el monoacutexido de nitroacutegeno a dioacutexido de nitroacutegeno
A fin de mejorar el rendimiento de esta reaccioacuten exoteacutermica se extrae calor de los
ases y la mezcla se somete a presioacuten
2HNO3(l) + NO(g)
Esta reaccioacuten tambieacuten es exoteacutermica y una vez maacutes se aplica enfriamiento y alta
la
egunda etapa para oxidarlo de nuevo
La contaminacioacuten s de aacutecido niacutetrico
as plantas maacutes antiguas eran faacutecilmente identificables por la fumarola cafeacute-
antas maacutes antiguas ahora mezcla cantidades
en Estados Unidos porque un 20
dedica ala produccioacuten de explosivos
or ultimo el aacutecido niacutetrico es un liacutequido que hierve a 826degC No existe como liacutequido
g
2NO(g) + O2(g) 2NO2(g)
El dioacutexido de nitroacutegeno se mezcla con agua para dar una solucioacuten de aacutecido niacutetrico
3NO2(g) + H2O(l)
presioacuten par obtener el maacuteximo rendimiento El monoacutexido de nitroacutegeno se vuelve a
s
soliacutea ser un problema importante de las planta
L
amarillento del dioacutexido de nitroacutegeno que escapaba por ellas Las plantas maacutes
antiguas eran faacutecilmente identificable por la fumadora cafeacute-amarillo del dioacutexido de
nitroacutegeno que escapaba de ellas Las pl
estequiomeacutetricas de amoniaco con las oacutexidos de nitroacutegeno con lo cual se obtiene
dinitroacutegeno y vapor de agua ambos inocuos
NO(g) + NO2 (g) + 2NH3(g) 2N2(g) + 3H2O(g)
En todo el mundo alrededor del 80 del aacutecido niacutetrico se utiliza en la produccioacuten de
fertilizantes Esta proporcioacuten es de solo el 65
se
P
puro porque en alguna medida se descompone espontaacuteneamente como sigue
4HNO3(l) 4NO2(g) + 2H2O(l) + O2(g)
Ingenieriacutea Quiacutemica 68
UAM-I
El aacutecido niacutetrico concentrado que se usa en el laboratorio estaacute al 68 en masa HNO3
(densidad 142 gcm3) lo que corresponde a 157 M
l aacutecido niacutetrico es un poderoso agente oxidante El nuacutemero de oxidacioacuten del N en el
) El aacutecido niacutetrico puede oxidar
nto a metales que estaacuten abajo del hidroacutegeno como aquellos que se encuentran
4Zn2+(ac) + NH4
+(ac) + 3H2O(l)
do no oxida al oro Sin embargo cuando se mezcla con
cido clorhiacutedrico concentrado en relacioacuten 13 en volumen (una parte de HNO3 a tres
partes al oro
omo sigue
APEacuteNDICE F
ETODO DE DEPOSICIOacuteN-PRECIPITACIOacuteN
E
HNO3 es + 5 Los productos maacutes comunes de la reduccioacuten del aacutecido niacutetrico son el
NO2 (N = + 4) el NO (N = + 2) y el NH4+ (N = - 3
ta
arriba en la serie de actividades Por ejemplo el cobre es oxidado por el aacutecido niacutetrico
concentrado como se mencionoacute antes
En presencia de reductores fuertes como el zinc metaacutelico el aacutecido niacutetrico se puede
reducir hasta ion amonio
4Zn(s) + 10H+(ac) + NO3
-(ac)
El aacutecido niacutetrico concentra
aacute
de HCl) la disolucioacuten resultante denominada agua regia puede oxidar
c
Au(s) + 3HNO3(ac) + 4HCl(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O(l) + 3NO2(g)
M
Ingenieriacutea Quiacutemica 69
UAM-I
APEacuteNDICE G
ISENtildeO DEL MEZCLADOR [4]
1) 100 ml H2O gr soporte
2) NH4(OH)
Ajustar a PH = 9 4) HAuCl4 (solucioacuten acuosa al 25E-3M)
6) Filtrado o centrifugado
3) En Agitacioacuten por 2 hr
8) Secado por 2hr a 80 degC
9 ) Calcinado por 4hr a 400 degC
7) Lavado
5) Antildeegamiento por 30 min
D
Ingenieriacutea Quiacutemica 70
UAM-I
El disentildeo de un tanque agitado dis n nuacutemero de elecciones sobre el
po y localizacioacuten del agitador las proporciones del tanque el nuacutemero y dimensiones
ada una de estas decisiones afectan a la velocidad
e circulacioacuten del liacutequido los modelos de velocidad y el consumo de potencia Como
pone de un gra
ti
de las placas deflectoras etc C
d
punto de partida en el disentildeo de los problemas ordinarios de agitacioacuten generalmente
se utiliza un agitador de turbina del tipo que se muestra en la figura 1 La proporcioacuten
tiacutepica es
31
=t
a
DD
1=tD
H 121
=tD
J 51
=aD
W 41
=aD
L
de estas ecuaciones se disentildeara el mezclador como datos se tiene el valor H que es
igual a 3 mts y el diaacutemetro del tanque D
Se determinara la medida de los reflectores
t que es igual 3 mts
121
=tD
J se despeja J
elacioacuten R31
=t
a
DD
se despeja Da
Relacioacuten
41
=aD
L se despeja L
elacioacuten se despeja W
( ) ( ) cmmtsmtsDJ 25250311==⎟
⎞⎜⎛=⎟
⎞⎜⎛= t 1212 ⎠⎝⎠⎝
( ) ( ) mtsmtsDD ta 1331
31
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=
( ) ( ) mtsmtsDL a 250141
41
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛= cm25=
51
=aD
WR
Ingenieriacutea Quiacutemica 71
UAM-I
Figura 2 a) Vista transversal del mezclador b) paletas del mezclador con la
donde se deposita el soporte
Figura 1 Medidas de un agitador de turbina
a) b)
s rejillas
H
J
E L
Da
D t
W
W
( ) ( ) cmmtsmtsDW a 2020151
5==⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎜⎝
=1 ⎞⎛
Ingenieriacutea Quiacutemica 72
UAM-I
Se tomo una temperatura de 125 degC debido a las mediciones realizadas en
diferentes calentadores domeacutesticos Se encontroacute que la temperatura media es la
mencionada A partir de los datos experimentales se determinoacute que el orden de
reaccioacuten es 13 y la constante cineacutetica k = 480945 (m3)13[(mol)03m3cat hr] (00012
mhr) y un coeficiente de transferencia de masa de 792 mhr (ver apeacutendices A) con
estos valores y usando los criterios de Weisz-Prater y Mears[14] (ver apeacutendice B) se
obtuvo que no existe resistencia interna ni externa a la transferencia de masa por lo
que la cineacutetica es la que controla
24 CONCLUSIOacuteN DE LA EXPERIMENTACIOacuteN El meacutetodo de DP es mucho maacutes adecuado que el de IMP para la preparacioacuten de
catalizador de Au soportados en γ-Al2O3 ya que permitioacute obtener catalizadores con
cinco veces maacutes oro que el preparado por el meacutetodo IMP bajo condiciones similares
de preparacioacuten En ambos casos el tamantildeo promedio de partiacutecula fue menor que 5
nm Debido a esto el catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP presenta una mayor actividad
en la oxidacioacuten de CO e H2 sin observarse desactivacioacuten durante un periodo de 24 h
Puesto que en ambas muestras se consiguioacute una gran dispersioacuten y un tamantildeo
similar de nanopartiacuteculas de oro se tiene entonces que la principal diferencia de
actividad cataliacutetica se debe principalmente a la cantidad de Au en el catalizador Sin
embargo el catalizador 10-Auγ-Al2O3 presenta una menor conversioacuten que el de
035-Auγ-Al2O3-DP a pesar de contener maacutes Au por lo que hasta el momento se
podriacutea decir que la cantidad de Au optima se encuentra por debajo de 10 wt y por
arriba de 007 wt no obstante se requiere de la caracterizacioacuten del catalizador 10-
Auγ-Al2O3 se para determinar de que manera influyen el tamantildeo de partiacuteculas la
distribucioacuten el volumen y el tamantildeo de poro en los resultados esta caracterizacioacuten
asiacute como la evaluacioacuten cataliacutetica del catalizador 035-Auγ-Al2O3-DP bajo
condiciones estequiomeacutetricas se encuentran en proceso
Catalizadores de Oro Soportado 22
UAM-I
25 BIBLIOGRAFIacuteA [1] M Haruta CatalToday 36 (1997) 153
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Pretice may Tercera edicioacuten Impresa en Meacutexico DF
Catalizadores de Oro Soportado 23
UAM-I
C A P I T U L O III
D I S E Ntilde O D E L A P L A N T A I N D U S T R I A L
Catalizadores de Oro Soportado 24
UAM-I
31 INTRODUCCIOacuteN
Este capitulo esta enfocado al disentildeo de la planta industrial donde se produciraacuten
catalizadores de Auγ-Al2O3 por el meacutetodo de Deposicioacuten-Precipitacioacuten (DP) descrito
en el capitulo 2
Parte de la produccioacuten de los catalizadores se destinaraacute a su venta en masa y otra
parte se destinaraacute para el equipo de purificacioacuten de calentadores de agua esto con
la finalidad que el catalizador que esta contenido dentro del equipo de purificacioacuten
cuando se desactive pueda remplazarse por catalizador nuevo disponible en el
mercado De esta forma se tendraacuten ganancias tanto al vender el equipo purificador
como al vender catalizador como materia prima
32 DISENtildeO DEL EQUIPO PURIFICADOR PARA CALENTADORES DE AGUA DOMEacuteSTICOS El equipo purificador se ubicaraacute a la salida del efluente gaseoso del calentador como
un equipo adicional como se muestra en la Figura 1 Se plantea colocarlo en una
posicioacuten tal que oxide a baja temperatura hasta el 90 de CO Las dimensiones del
purificador se determinaron seguacuten las especificaciones de calentador y el balance de
materia en el sistema purificador Estos caacutelculos se presentan en el Apeacutendice A
Los tubos de las chimeneas de los calentadores son de latoacuten por lo que se decidioacute
utilizar este material para la parte exterior la parte donde se colocaraacute el catalizador
es de 35 cm de longitud para colocarlo en el tubo de la salida del flujo de gas se
dieron 2 cm maacutes en cada extremo para hacer un tipo cople de manera que el tubo
entre en los extremos
Catalizadores de Oro Soportado 25
UAM-I
C O 2 2 0 c m 7 c m c m G A S C O
3
2cm
75 cm 35 cm
Figura 1 Esquematizacioacuten del equipo purificador y su ubicacioacuten en los calefones
Las dimensiones obtenidas (Apeacutendice A) y las caracteriacutesticas del purificado se
presentan en la Tabla 1
Tabla 1 Especificaciones de purificador
Material Latoacuten
Longitud 35 cm
Diaacutemetro 20cm
Cantidad de
Catalizador
700 gr
Catalizadores de Oro Soportado 26
UAM-I
33 PRODUCCIOacuteN DE LA PLANTA INDUSTRIAL A partir de un estudio de mercado se encontroacute que en la Ciudad de Meacutexico hay
cuando menos cuatro empresas principales (CALOREX ELSA MAGAMEX y
CINSA) que fabrican calentadores de agua residenciales[1 2] Estas en promedio
producen 150 calefones diarios Por cada calefoacuten se requiere un equipo purificador
En este sentido de requieren idealmente 600 unidades de purificacioacuten por diacutea Esta
base se utilizoacute para el disentildeo de la planta
A partir del balance de masa en el purificador y empleado los resultados
experimentales a nivel laboratorio (ver apeacutendice A) se encontroacute que cada purificador
requiere 07 Kg de catalizador A partir de este resultado se requiere producir al
menos 420 Kg de catalizador para satisfacer la demanda en la produccioacuten de
calefones Con base en el balance de materia realizado en el mezclador se
determinoacute que la cantidad de catalizador obtenido despueacutes de cuatro lotes es de
570 Kg Tomando el resto de catalizador como reserva por cualquier contratiempo El
nuacutemero de lotes se determinoacute en base a que fuese rentable la recuperacioacuten de oro
34 DISENtildeO Y OPERACIOacuteN DE LA PLANTA
La fabricacioacuten del catalizador a nivel industrial esta basada en el escalamiento del
meacutetodo de siacutentesis descrito en la parte experimental Lo cual es una praacutectica comuacuten
en la fabricacioacuten de materiales cataliacuteticos
Para la produccioacuten de 570 Kg por diacutea se plantea utilizar cuatro mezcladores (ver
Figura 2) que operaran durante 8 h con cuatro intervalos (o cargas) de 2 h y
descansos de 30 min (dejando 30 min libres por contratiempos) Esta operacioacuten se
elige con base en las horas de trabajo y el meacutetodo de preparacioacuten del catalizador
Al igual que en la parte experimental el proceso requiere operacioacuten por lotes debido
a que se necesitan largos tiempos de contacto para obtener catalizadores eficientes
en la oxidacioacuten de CO a baja temperatura Se pretende utilizar un agitador tipo
Catalizadores de Oro Soportado 27
UAM-I
canastilla[4] el cual permite colocar dentro de las mismas el catalizador para tener
una mejor impregnacioacuten de partiacuteculas de Au y eliminar la atricioacuten Las dimensiones
del agitador asiacute como del mezclador se presentan en la Figura 6
Al teacutermino de la uacuteltima carga en los mezcladores el lote completo del diacutea pasa al
horno para secarlo a 80degC por 2 h y calcinarlo a 400degC durante 4 h Durante estos
procesos se concluye la preparacioacuten del catalizador Las temperaturas y tasas de
calentamiento estaacuten basadas en el meacutetodo de preparacioacuten experimental descrito en
el Capitulo ll Posteriormente el catalizador producido pasa a la seccioacuten donde se
embolsa para ser vendido como materia prima y la otra parte pasa a la seccioacuten de
ensamblaje para fabricar el purificador
Dimensiones de la industria
Las dimensiones de los equipos como mezcladores cisternas tanque de
tratamiento horno etc se tomaron como base para poder suponer espacios entre
equipos para tener seguridad del personal Se dio preferencia a los mezcladores ya
que son las partes importantes en la elaboracioacuten de los catalizadores La cisterna
estaraacute enterrada para facilitar su llenado en el caso de los contenedores de HAuCl4
y NH4OH estaraacuten encima de bases maacutes altas que los mezcladores para poder
abastecerlos por gravedad Esto debido a que el volumen es poco no se requiere de
grandes cantidades por lo que no se requiere alguna bomba Se estuvo analizando
la forma de acomodar los equipos y se obtuvo la siguiente distribucioacuten que se
muestra en la Figura 3
En la Figura 4 se presenta el plano de la industria con sus respectivos
departamentos en la parte sur se encuentra la entrada principal en ella se encuentra
vigilancia y la entrada de empleados y obreros posteriormente esta la zona de
oficinas lado izquierdo del lado derecho se encuentra el estacionamiento para
clientes y empleados en el almaceacuten se encontraraacuten refacciones de equipo y
reservas de materia primas para los catalizadores en la zona de produccioacuten se tiene
el estacionamiento de proveedores para facilitar la entrada y salida del producto
Catalizadores de Oro Soportado 28
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado 29
Debido a que en cada industria debe existir un espacio recreativo se plantea una
cancha de Baacutesquetbol para los obreros y una zona de jardines en la parte norte
Ubicacioacuten de la industria
Para poder ubicar una industria es importante analizar la zona geograacutefica Para lo
cual se deben considerar algunos factores importantes por ejemplo No ubicarla en
zona de siacutesmica Si la industria requiere de un gran volumen de agua no ubicarla en
una regioacuten deseacutertica Si el producto es muy sensible al calor y la humedad evitar
zonas muy caacutelidas y huacutemedas Si se piensa vender el producto en una zona
especifica ubicar la industria cerca de la zona de venta para evitar gastos de
transportacioacuten A partir de este tipo de razonamientos se planea que debido a que el
producto que se elaborara que es un purificador cataliacutetico para su venta en la ZMVM
ya en ella estaacuten ubicadas las principales industrias de calentadores y debido a que la
planta requiere de un volumen considerable de agua se escogioacute el estado de
Morelos porque no esta muy lejos de la ZMVM y tiene reservas de agua Asiacute el gasto
de transportacioacuten de materias primas y sobre todo del producto elaborado seriacutea
pequentildeo
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
Agua
Tanque tratamien
Figur
NH4OH
HAuCl4
Produccioacuten de catalizadores
Recuperacioacuten de agua
de to
a
MezcladoresMezcladores
Cuando se requiere limpieza
Horno
Producto almaceacuten
30
1 Diagrama de produccioacuten Recuperacioacuten de cloro
UAM-I
35 BALANCE DE MATERIA DIAGRAMA DE FLUJO PARA DIFERENTES LOTES DE SOPORTE EN UN SOLO MEZCLADOR
Catalizadores de Oro So
05 Kg Au
10
0
086 Kg HAuCl4(ac)014 Kg H2O
035 Kg NO2(g)
2
35 Kg NH4(OH)(ac) (01M)
10000 Kg H2O
100 Kg Al3O
100 Kg Al2O3 (9965) 035 Kg Au (035) 025 Kg Cl2
026 Kg HauCl4(ac)35 Kg NH4(OH)
1101035 Kg H2O
O MEZCLADOR (t0)
10035 Kg catalizador
86 KgHAuCl4(ac)101035 Kg H2O
037 Kg HCl (ac) (105 M) 048 Kg HNO3(ac) (152 M)
porta
Kg N
30 Kg Al2Cl3
101021 Kg H2
do
H4 (OH) (ac) (01M) 30 Kg Al2O3 (9965) 01 Kg Au (035)
007 Kg Cl2
)
3
)
301 Kg catalizador MEZCLADOR (t1)
009 Kg HauCl4(ac)45 Kg NH4(OH)
1101035 Kg H2O
MEZCLADOR 1054 Kg catalizador
105 Kg Al2O3
(t2)
105 Kg Al2O3 (9965)
035 Kg NH4 (OH) (ac) (01M
004 Kg Au (035) 003 Kg Cl2
23 Kg Al2O
MEZCLADOR
(t3)23 Kg Al2O3 (9965)
2308 Kg catalizador
008 m3 NH4(OH) (ac) (01M
002 Kg HauCl4(ac)485 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
0008 Kg Au (035) 0006 Kg Cl2
0003 Kg HauCl4(ac)493 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
31
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado 32
DIAGRAMA DE FLUJO PARA UN MEZCLADOR
MEZCLADOR
1101035 Kg H2O
1428 kg γ-Al2O3
086 Kg HAuCl4
493 Kg NH4(OH)
0003 Kg HauCl4(ac)493 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
1433 Kg Catalizador
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
36 DIAGRAMA DE LA INDUSTRIA
INDUSTRIA DE CATALIZADORES
TANQUE DE TRATAMIENTO HORNO
CISTERNA 1
CONTENEDORDE AuCl3 CONTENEDOR DE
NH4OH ZONA DE LLENADO
DE SAPORTE
SE LLEVA AL HORNO
MANUALMENTE
PRODUCTOALMACEacuteN
Contenedor de HAuCl4
Figura 2 Diagrama de la distribucioacuten del equipo dentro del aacuterea de produccioacuten
33
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
37 DIMENSIONES DEL EQUIPO Y TUBERIacuteA
2 mts
2 mts 2 mts 6 mts 4 mts 3 mts 5mts 5 mts 3 mts 6 mts 3
3mts 3 mts 3mts 3 mts 3 mts
4 mts 1 5 mts 1 5 mts 4mts 4 7mts 4 mts 21 mts 7 2mts 26 mts 2 mts 21 mts 6 mts
3 5 mts 14 mts 6 mts 8 mts 1 5 mts 3 mts 5 mts 13 mts 8 mts 20 mts 30 mts
IN D U ST R IA D E C A T A L IZ A D O R E S
T AN Q U E D E T R AT AM IE N T O H O R N O
C IST E R N A 1
C O N T EN ED O RD E Au C l3
C O N T EN E D O R D E N H 4O H
ZO N A D E L LEN AD O D E SO PO R T E
AG UA PAR A JAR D IN ES
M E Z C L A D O R E S 12 3 y 4
1 2 3 4
A L M A C Eacute N
Contenedor de HAuCl4
Figura 3 Dimensiones del equipo y tuberiacutea requerida
34
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
38 PLANO DE DISTRIBUCIOacuteN DE AacuteREAS
Figura 4 Aacutereas de trabajo dentro de la planta
35
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
DIMENSIONES DE LA INDUSTRIA
Figura 5 Dimensiones de cada aacuterea de la planta industrial
36
UAM-I
Ingenieriacutea Quiacutemica 37
10 cm 3mts 1 mts 25 cm 15cm 5 cm 5 cm 3mts 150 mts 10 cms 100 mts 20 cm
003 mts
Figura 6 Dimensiones del mezclador y del Agitador
UAM-I
Las dimensiones de las canastillas se determinaron a partir del balance de masa y la
produccioacuten requerida La carga de un contenedor de soporte que es de 100kg del
cual el agitador tiene 4 canastillas cada una corresponde 25 Kg la masa se obtuvo
del balance de materia y su densidad 600 Kgm3 con el que se obtuvo un volumen de
0043 m3
39 ANAacuteLISIS FINANCIERO
El costo de materias primas se muestra en la Tabla 2 en la que tambieacuten se incluyen
los flujos de alimentacioacuten requeridos para el proceso a partir de los cuales se
determinaron los costos diarios
Tabla 2 Costo de materias primas [5]
Compuesto
Alimentacioacuten
por diacutea
Costo
USDKg
Costo Total
USDdiacutea
Au 2 kg 10596 2119200
HCl 15 Kg 52 780
HNO3 20 Kg 022 044
-Al2O3 5712 Kg 034 19421
Canastillas 500 piezas 15 75000
NH3(OH) 200 Kg 034 680
H2O 440414 Kg 282 282
Total de Materia Prima 2215407
El costo se determinoacute considerando la cantidad de material el tamantildeo y el costo de
manufactura
El costo se determinoacute para uso industrial conforme establece la tesoreriacutea de
Meacutexico
Ingenieriacutea Quiacutemica 38
UAM-I
PERSONAL REQUERIDO PARA LA INDUSTRIA
La Tabla 3 establece los salarios mensuales anuales y las prestaciones del IMSS
para el personal de la planta
Tabla 3 Salarios y Prestaciones del Personal
Mano de Obra (USDmes)p
ersona
USDmes USDantildeo Prestaciones
IMSS
1 Gerente 2000 2000 24000
1 Administrador 1000 1000 12000
1 Secretaria 400 400 4800 1193
Total de Salarios
Administrativos
40800 1193 409193
9 Obrero 150 150 1800 448
1 Teacutecnico 200 200 2400 597
1 Policiacutea 200 200 2400 597
1 Mantenimiento 180 180 2160 538
1 Limpieza 150 150 1800 448
Total de Salarios
Proceso
10560 2628 108228
Los salarios se determinaron en base al salario miacutenimo vigente en la Ciudad de
Meacutexico (2003)[29]
Ingenieriacutea Quiacutemica 39
UAM-I
PERSONAL
Departamento de produccioacuten
Se tendraacute 2 obreros en el llenado de soporte en las rejillas un obrero encargado del
traslado de rejillas por medio de la banda de los motores a cada contenedor un
obrero en cada contenedor de NH4OH y HAuCl4 en cada mezclador se tiene 1
obrero para descargar y cargar las rejillas a la banda que se trasladaran al horno en
el horno se tiene 1 obrero encargado del secado y calcinado el producto se traslada
al almaceacuten donde estaraacuten 2 obreros que reciben el producto y materias primas de los
proveedores se tiene 1 teacutecnico supervisando los equipos un encargo del
mantenimiento de los equipos
Departamento de personal
Gerente de la industria un administrador encargado de compra y venta de materias
primas una secretaria
Ingenieriacutea Quiacutemica 40
UAM-I
CAPITAL FIJO
La Tabla 4 muestra el costo de los equipos requeridos en la planta asiacute como el
Capital Fijo y la Inversioacuten del Capital Total
Tabla 4 El equipo se costeo usando las correlaciones de Ulrich [6] y empleando el
programa de Capcost
EQUIPO USD
4 Contenedores 23584
4 Agitadores (456kW) 269760
1 Horno (25 kW) 15700
15 Bombas (1469kW) 43081
1 Motor (114 kW) 67440
Tuberiacuteas 42150
2 Cisternas 174183
Vaacutelvulas 1283
Accesorios
(codos 90ordm y de 45ordm te)
1474
CAPITAL FIJO 638655
Capital de Trabajo 9579825
INVERSIOacuteN DE
CAPITAL TOTAL
73445325
Los caacutelculos y las correlaciones empleadas para el costeo del equipo se anexan en
el Apeacutendice A
Ingenieriacutea Quiacutemica 41
UAM-I
GASTOS GENERALES
Tabla 5 Proporciona el total de gastos anuales con lo cual se estima el precio por
kilo de catalizador y por unidad purificadora
Tabla 5 Gastos Generales anuales
USDAntildeo
Materias Primas 531697680
Mano de Obra de Operacioacuten 1082280
Mano de Obra de Oficina 4091930
Servicios Electricidad 2620100
Total de Gastos Generales 539491990
CFE
Produccioacuten diaria de Catalizador = 574 Kg
Precio de Catalizador = 40 USDKg
Produccioacuten diaria de unidades purificadoras = 500
Precio por unidad = 50USD
Ganancia diaria = 22960 USD
Ganancia Anual = 5510400 USD
DETERMINACIOacuteN DE LA RENTABILIDAD DEL PROYECTO
TPI (Actual) = 10
PR (Factor de riesgo) = 25
TREMA = TPI + PR
TREMA = 35
TIR (del proyecto) = 90
TIR gt TREMA
Puesto que la TIR es mayor que la TREMA se tiene que el proyecto es rentable [6]
Ingenieriacutea Quiacutemica 42
UAM-I
310 CONCLUSIONES
En el desarrollo de la industria para la fabricacioacuten de catalizadores se tuvo un
resultado satisfactorio a pesar de la falta de informacioacuten disponible acerca de
industrias de catalizadores debido a que esta informacioacuten no es publica El proyecto
que elaboramos es novedoso en nuestro paiacutes ya que no existen registros de una
industria que produzca catalizadores de oro soportados en aluacutemina
Durante el desarrollo del proyecto se planteoacute trabajar con compuestos como NOx y
COVS sin embargo debido a la falta de tiempo no se logroacute concluir la
experimentacioacuten en estos campos Debido a esto se tomoacute la decisioacuten de trabajar en
la oxidacioacuten cataliacutetica de CO Esto debido a varios factores por ejemplo la
disponibilidad de gases y sobre todo los costos que esto implicaba
Para el desarrollo del catalizador se analizaron diferentes tipos de preparacioacuten y se
eligieron dos meacutetodos diferentes Deposicioacuten-precipitacioacuten e Impregnacioacuten Los
catalizadores se evaluaron bajo diversas condiciones en la oxidacioacuten de CO El
catalizador que presentoacute mayor conversioacuten con el catalizador a baja temperatura fue
el sintetizado por el meacutetodo de Deposicioacuten-precipitacioacuten el cual se utilizoacute para el
disentildeo de la Industria El disentildeo estaacute basado en la forma de preparacioacuten del
catalizador Por esto la parte maacutes importante de la planta es el tanque de mezclado
el cual se disentildeo tomando en cuenta los diferentes disentildeos de agitadores para tener
un mezclado oacuteptimo Se incorporo en la parte superior del agitador las canastillas
para las pastillas cataliacuteticas y el tipo de Horno que se usara para el secado y
posteriormente el calcinado Una parte importante es la produccioacuten de catalizador
para este problema se investigoacute en que parte se podriacutea utilizar a diferencia de los
catalizadores para automoacuteviles Se llego a la decisioacuten de poder desarrollar un
catalizador para los calentadores de agua se obtuvo informacioacuten de la fabrica de
calentadores cal-o-rex en la produccioacuten diaria de calentadores y de esta informacioacuten
se pudo calcular la posible demanda de nuestro producto Una parte importante en
las industrias son el tipo de bombas ya que existen diversos modelos en nuestro
disentildeo se escogioacute las bombas centriacutefugas con rodetes para agua que contiene
pequentildeas partiacuteculas de soacutelidos
En la parte de servicios para personal se investigo los sueldos de cada empleado Se
determinoacute el costo de los equipos y finalmente llegamos a la parte que nos interesa
Ingenieriacutea Quiacutemica 43
UAM-I
del disentilde es decir si el proyecto es rentable o no En este caso particular se tuvo un
valor aceptable y se definioacute que el disentildeo es rentable Esto indica que seria una
industria que tendriacutea ganancias y a la vez que el producto que se fabrique nos
ayudaraacute a todos a reducir la emisioacuten de CO en los hogares aportando una pequentildea
ayuda al medio ambiente
COMENTARIOS
Los conocimientos adquiridos durante este tiempo fueron provechosos en la parte
teoacuterica y praacutectica aclaramos dudas de como y porque se comportan las reacciones
quiacutemicas y los procesos de flujos Durante el desarrollo del proyecto aprendimos a
observar y la importancia de entender fiacutesicamente las algunos procesos relacionados
con la siacutentesis y caracterizacioacuten de materiales cataliacuteticos
Ingenieriacutea Quiacutemica 44
UAM-I
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[26] ChangCH Chen YJ and Yeh CT Appl Catal A3 ( 1998) 74
[27] Bamwenda GR TsubotaS NakamuraT and Haruta M Catal Lett42 ( 1997) 83
[28] NA HodgeCJKiely Catalysis Today 72 ( 2002) 133
[29] Secretaria de Trabajo y Previsioacuten Social Comisioacuten de Salarios Miacutenimos
Ingenieriacutea Quiacutemica 46
UAM-I
APEacuteNDICE A
CRITERIOS PARA DETERMINAR QUIEacuteN CONTROLA EL PROCESO
Criterio de weisz para difusioacuten interna
Ec(12-16 Fogler) Los valores que se sustituyen en las siguientes ecuaciones fueron
tomados del catalizador que se analizo en el laboratorio
CWP = ( )
AS
cObsA
DeCRcr 2minus
lt 1
-rA(Obs) = velocidad de reaccioacuten observada molgcats Cc = concentracioacuten volumeacutetrica molm3
CAS = concertacioacuten en la superficie molm3
D= diaacutemetro del granulo m R = radio del granulo m De = difusividad efectiva m2s
d = 0149mm mxmm
m 4104911000
1 minus=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
CWP = ( )( )3
32
24
33
103470184200350
21049150800010681
minus
minusminus
=⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞⎜
⎝⎛
x
mmol
hrm
mxcatm
gcathgcat
molx
734x10-3 lt 1 No hay limitante por la difusioacuten interna
Ingenieriacutea Quiacutemica 47
UAM-I
Criterio de mears para difusioacuten interna Ec(12-62 Fogler)
Mm = 150ltAbc
bA
CkRnr ρminus
Mm =( )( )
0570
136000184200220
31110457508000106851
3
53
3
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ minusminus
hrs
mmol
sm
mxcatmgcat
hgcatmolx
0057 lt 015 no hay efecto de transferencia de masa externa Calculo de Dab para calcular el coeficiente de trasferencia de masa Ec(78 Lobo)
De =
KAAB DD11
1
+
DKA = 970X103 (80X10-8)(s
cmK 221 1090)
2400( =
DAB = 00018583ABAB
BA
PMMT
Ω
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ +
2
2123 11
γ
Para CO
0110=isin
Bk 0593 A=γ
Para O2
Ingenieriacutea Quiacutemica 48
UAM-I
0113=isin
Bk 0453 A=γ
( ) 51343359321
=+=ABγ
( )( )[ ] 21113110BAB k=isin A la temperatura de 400degK
( ) 583))113)(110((
40021 =
deg=
isin B
B
AB
B
KKKTK
Ω AB = 0907 Sustituyendo
DAB =s
cm2
2
2123
9730)9070()513(
)21281()400(00185830=
+
De = hrm
hrs
cmm
scm 222
03501
3600100
10980
10901
97301
1=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
+
Calculo de Kc Sh = (Re)12(Sc)13
Velocidad superficial
V = sm
shr
hrm
mxhr
m
Av
c
02036001976
1087
006025
3
0 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛== minus
Ingenieriacutea Quiacutemica 49
UAM-I
Re= ( ) 240)1062)(501(
)10491)(020(
1 25
4
=minus
=minus minus
minus
smx
mxsmvd p
νφ
Sc= 672)3600
1)(0350(
10622
25
==minus
shr
hrm
smx
Dv
AB
Sh= ( 024 )12 ( 267 )13 = 0679
Kc = Shdp
DAB⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛minusφ
φ1
Kc = ( )sm
mxs
mx02206790
10491
10729
50501
4
26
=⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛minus
minus
minus
Calculo de numero Thile con el radio que usara a nivel industrial
φ = L ( )DkCn n
AS
21 1minus+
L = 3R
Sustituyendo
φ = 66x10-4 m( )
( )
450
03502
018420
5480941311
3
30
3330
313
=
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+
catmhrm
mmol
hrcatmmolm
η = 1 con los resultados anteriores se observa que quieacuten limita es la velocidad de
reaccioacuten Por lo que se procede a calcular el peso y longitud de catalizador
necesaria para muestro purificador sustituyendo los valores del Boiler
Ingenieriacutea Quiacutemica 50
UAM-I
Peso del Catalizador w =
( ) grcatgcatLn
gcatm
mmol
hrcatmmolm
hrm
xLn
kCv
A
66476639401
1
6000001578
548094
19836
11
330
3330
313
3
0
0 asymp=minus
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
minus
g 664=w
33
3
1011
mg60000
g 664 mxwv minus===ρ
m 035003101011
2
33
==minus
mmxL
cm 531000350 == xL
Ingenieriacutea Quiacutemica 51
UAM-I
APEacuteNDICE B BALANCE DE MASA DE LA PREPARACIOacuteN DE HAUCL4 Au(g) + 3HNO3(ac) + 4HCL(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O + 3N02(g) (152 M) (105M)
cantidad de mol Au = 05 kg Au x molAu
grAumolAux
kggr 542
971961
11000
=
cantidad de kg HNO3 = ( ) 33
33 480
10001
1635423 kgHNO
grkgx
molHNOGRHNOxHNOmol =
cantidad de kgHCl = ( ) kgHClgr
kgxmolHCl
grHClHClxmol 3701000
11
5365424 =
cantidad de kgHAuCl4 = 254molHAuCl4 x 44
8601000
11
97339 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
gr=
cantidad de kgH2O = 3( 254mol)H20 x OkgHgr
kgxOmolHOgrH
22
2 1401000
1118
=
cantidad de Lt H20 = 762molHNO3 x OltHOkgHOLtH
22
2 14011
=
cantidad de Lt H20 = 1016 mol HNO3 x 050215
012
2 LtHmol
LtH=
cantidad de LtH20 = 1016mol HCl x OLtHLtHmolHCl
LtH22
2 010970510
01asymp=
cantidad de MHAUCl4 = ( ) ( ) ( ) MHltltlt
ClmolHAU 7210850490140
542
2
4 asymp++
cantidad de kg NO2(g) = 3( 254mol)NO2 x )(22
2 3501000
1146
SkgNOgr
kgxmolNO
grNO=
Ingenieriacutea Quiacutemica 52
UAM-I
05 kg Au 048 kgHNO3 035 kgNO2 101021 kgH20 (152M) 037 kgHCl(ac)
(105 m) 086 kg HAuCl4 (ac) 086 kg HAuCl4 (ac)
(17 M) 014 kgH20 (25x10-3M) 014kg H20 (L) 086kg HAuCl4 035kgNO2 (g) 101185kg H20 Cantidad de H20 = 086 kgHAuCl4
x 08510110101
105201
173341
11000
22
23
24 kgHLtHkgHx
MxltHx
grmolHAuClx
kggr
=minus
pero (101185 ndash 014 ndash 05 ndash 1) kg H20 = 101021 kg H20 100ml H20 por 1 gr soporte 35kg NH4 (OH)(AC) 10000kgH20 100 kg γAl203 (9965) 035kgAu (035) 100kg γAl203 025kgCl2 086kg HAuCl4 026kgHAuCl4
101185 kg H20 35kgNH4 (OH)(AC) 1101185kgH20 cantidad de kgHAuCl4 = 015kgAu x
44
4 2601000
11
973391
197196
147196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxgrAu
molxkg
gr=
cantidad de NH4(OH) = 100kg γ Al203 x
Ingenieriacutea Quiacutemica 53
UAM-I
kgNHxmol
grx
mlmol
xOAlgr
OHmlNHx
kg
gr53
10001
1
35
100010
1
)(10
1
1000
32
4=
γ4(OH)
30kg γAL2O3 1 kgNH4(OH)(AC) 30 kg γ Al203 (9965) 010 kg Au (035) 026kgHAuCl4 007kg Cl2 35kgNH4(OH) 1101185 kgH2O 0086kgHAuCl4 45 kg NH4(OH)(AC) 1101185 kg H20
cantidad de γ Al2O3 = 026kgHAuCl4 x 324
32 02330860
100 AlkgkgHAuCl
OAlkg γγ=
cantidad de kgAu = 035 x kgAukg 10506599
30=
cantidad de kg Cl2 = 01 kgAu x
22
2 07201000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de HAuCl4 = 005kgAu x
44
4 08601000
11
973391
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 54
UAM-I
cantidad de kgNO4(OH) = 30 kg γ Al203 x ( )OHkgNHAlkg
OHkgNO4
32
4 0510100
)(53=
γ
105 kg γ Al203 035 kg NH2(OH) 105 kg γ Al203 (9965) 004 kg Au (035) 009kg HAuCl4 003 kg Cl2 45kgNH4(OH) 1101185 kg H20 0017kgHAuCl4 485kgNH4 (OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 009 HAuCl4 x 324
32 04710860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad kg de NH4 (OH) = 105kg γ Al203 x ( ) )(3500100
534
32
4 OHkgNHAlkg
OHkgNH=
γ
cantidad de Cl2 = 004 kg Au x
22
2 02901000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
gAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 =
44
44 02001701000
11
973391
197196
11
1000010 kgHAukgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgr
molAuxkg
grkgAux asymp=
Ingenieriacutea Quiacutemica 55
UAM-I
23 kg γ Al203 008kgNH4(OH) 002 kg HAuCl4 23 kg γAl203 (9965) 485kgNH4(OH) 0008kgAu(035) 1101185kg H2 0001kg Cl2
0014 kg HAuCl4 493kgNH4(OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 002kgHAuCl4 x 324
32 032860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad de kg Au = 035 x kgAukg 00806599
32=
cantidad de kgCl2 = 0002kgAu x
24
4 00101000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 = 0008kgAu x
44
44 01401000
11
973341
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 56
UAM-I
APEacuteNDICE C ACCESORIOS EN EL DISENtildeO
Agitador
Agitadores de Heacutelice se escogioacute este tipo de agitador por ser tener las siguientes
caracteriacutesticas [3]
bull Es un agitador de flujo axial
bull Se emplea para liacutequidos pocos viscosos
bull Giran a toda la velocidad del motor
bull Las corrientes de flujo se mueven a traveacutes del liacutequido en una direccioacuten
determinada hasta que son desviadas por el fondo o las paredes del tanque
bull Las palas de la heacutelice cortan o friccionan vigorosamente el liacutequido
bull Los agitadores de heacutelice son eficaces para tanques de gran tamantildeo
Horno
bull El horno se escogioacute por ser tener las siguientes caracteriacutesticas [5]
bull El horno de construccioacuten metaacutelica
bull La caacutemara de combustioacuten estaacute construida mediante hormigones refractarios
de alta resistencia mecaacutenica
bull Las materias secar y calcinar se carga de forma manual
Ingenieriacutea Quiacutemica 57
UAM-I
Bomba
DISENtildeO Bomba centrifuga para operacioacuten horizontal o vertical del impulsor
cerrado succioacuten al extremo descarga hacia arriba tangencial simple succioacuten de un
paso con carcaza partida verticalmente [3]
ROTACIOacuteN En el sentido del reloj vista desde el cople
CARACTERIacuteSTICAS Conexiones brindadas con registro ubicado en la cabeza de
succioacuten para facilitar su limpieza
SERVICIO Debido a que es posible colocarla en posicioacuten horizontal o vertical tanto
en caacutercamos secos como huacutemedos y por el disentildeo de su impulsor que soacutelidos de
gran tamantildeo esta bomba es ideal para los procesos de tratamientos de agua y
manejo de liacutequidos en suspensioacuten en general
CAPACIDADES
GASTO Hasta 3000 GPM
CDT Hasta 80rsquo
PRESIOacuteN 106 Kgcmsup2
POTENCIA De 1 a 60 Hp
VELOCIDAD (1175 - 3550 RPM)
TEMPERATURA 125degC
Ingenieriacutea Quiacutemica 58
UAM-I
Bombas Centriacutefugas
Las maquinas centriacutefugas estaacuten constituidas por un impulsor o rodete formado por
una serie de aletas radiales diversas formas y curvaturas que giran dentro de una
caja circular El fluido penetra por el ojo o eje de rotacioacuten y se descarga maacutes o
menos radialmente en una caacutemara perifeacuterica a una elevada presioacuten que
corresponde a la suma de la fuerza centriacutefuga de la rotacioacuten maacutes la cineacutetica
comunicada al fluido por las aletas La parte moacutevil de la bomba es el rodete Las
aletas del rodete se extienden desde el centro de rotacioacuten hacia la periferia y las
bridas son los discos de refuerzo a cada lado de las aletas que las envuelven Las
aletas pueden ser radiales curvadas ligeramente hacia delante en el mismo sentido
de la rotacioacuten o estar curvadas al reveacutes en el caso maacutes comuacuten en el disentildeo se
determino el rodete siguiente por sus caracteriacutesticas Fig 1
Figura 1 Corte parcial de un rodete de centriacutefuga para grandes cargas y secciones
de paso estrechas empleando con liacutequidos corrosivos o suspensiones de pequentildeas
partiacuteculas[4]
Ingenieriacutea Quiacutemica 59
UAM-I
APENDICE D CALCULO DE POTENCIA DE BOMBAS (8)
Potencia de la bomba de la cisterna 1 que alimenta a los mezclador 4
Ecuacioacuten de Bernoulli
sum sumint =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛+++∆+∆i i
i
P
P
evvfDLvwdphgv 0
21
21
ˆ1
21 222
2
1ρ
a b c d e f
a Diferencia de velocidades
b Diferencia de alturas
c Diferencia de presiones
d Trabajo
e Perdidas de friccioacuten en tuberiacuteas
f Perdidas de friccioacuten en accesorios
En la ecuacioacuten anterior se pueden eliminar algunos teacuterminos
21 mts
6 mts 35 mts
Figura 1 Balance de cisterna 1 a mezclador 4
Se debe de tener dos puntos de referencia para la utilizacioacuten de la ecuacioacuten de
Bernoulli de los cuales se anotaron en la figura 2
Ingenieriacutea Quiacutemica 60
UAM-I
21 mts
2 1 6 mts 35 mts
Figura 2
Teniendo los puntos de referencia se analiza que las diferencias de velocidades son
cero en ambos puntos por lo tanto el termino 2
21 ν∆ es igual a cero
El termino de = (981hg∆ 2segm )(35m ndash 0) = 34335 2
2
segm
El termino de int2
1
1P
P
dpρ
se tiene que la cisterna y el tanque de mezclado ambos no
estaacuten cerrados y por lo tanto no originan un cambio de presioacuten y el termino es cero
De esta expresioacuten L longitud de tuberiacutea
tro de tuberiacutea
n el interior del tubo
v
Para la l radio del tubo que
sum ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
i
fDL2
21 ν
D diaacuteme
f perdidas de friccioacuten e
velocidad del flujo de agua
obtencioacuten de la velocidad se tiene el flujo volumeacutetrico y e
es de 32 cm =0032mts con la ecuacioacuten
Ingenieriacutea Quiacutemica 61
( )( ) sm
ms
m
RQ 761
032060min1)
min340(
2
3
2 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
==ππ
ν
UAM-I
Se reportan valores de perdida de fr
e reduce teacuterminos
iccioacuten en tubos que son igual a 005
Por lo tanto sustituyendo los teacuterminos en la ecuacioacuten de Bernoulli s
sum sumint =⎟⎠
⎜⎝
+⎟⎠
⎜⎝
+++∆+∆i i
iP
evvfD
vwdphgv 022
ˆ2
1ρ
⎞⎛⎞⎛ L 111 2222
or tanto el termino de trabajo queda expresado de la siguiente manera
tanto la bomba comunica al fluido que circula en el sistema un trabajo
+11727
P1
p w
sum sum ∆minus⎟⎠⎞
⎜⎝⎛minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛minus=
i ii
hgevvfDLvw 22
21
21
ˆ
( ) ( )
Este es el trabajo ( por unidad de masa) producido por el fluido en la bomba por lo
22
sm o 11727 981 = 1195
m
fKg
Kgm
La velocidad de flujo de masa es
Por lo tanto
1 )=6694
951)(675(ˆ =minus=minus WwW smkg f = 088Hp = 1Hp
Siendo esta ida para esta bomba El procedimiento anterior se
iguioacute para cada bomba de la planta
AP E
la potencia requer
s
EacuteNDICE
TOXICOLOGIacuteA DE MATERIAS PRIMAS [6]
( ) ( ) ( )( ) ( )( )msm
smmmm
sm 538192201150761
21050
032021536761
21
2
22minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ +minus⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ++
minus=wm
22
27117ˆ smw minus=
( )s
kgmkgQw m675100060340 3 === ρ
Ingenieriacutea Quiacutemica 62
UAM-I
HIDROacuteXIDO DE SODIO
Polvo corrosivo blanco delicuescente
Toxicidad
Concentracioacuten Maacutexima permisible 2mgm3 en aire
Signos y Siacutentomas Conjutivitis quemaduras corneales y de la piel Irritacioacuten
seas vomito dolor abdominal y diarrea a veces con
Lavado de las partes afectadas tranquilizantes sulfato de
decuada gafas protectoras o pantallas para
ignos y Siacutentomas Irritacioacuten de ojos quemaduras corneables tos dolores
l hemoptisis dolor de cabeza dolor epigaacutestrico nauseas y vomito
lmonar
Tratamiento lavado de ojos con agua reposo oxigeno con aparato de respiracioacuten
con onantes
ACIDO NITRICO
Liquido corrosivo sofocante de incoloro a amarillento
ioacuten maacutexima permisible 10ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
del tracto respiratorio nau
sangre
Tratamiento
morfina para el dolor y cortisona
Medidas preventivas Ventilacioacuten a
la cara completa mascarilla con filtro mecaacutenico guantes delantares botas de
goma y acentuar la limpieza personal
CLORO
Gas pasado amarillo verdoso
Toxicidad
Conc Maacutexima permisible 1 ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten
S
retrosterna
debilidad cianosis y edema pu
trolada bronco dilatadores y descongesti
Toxicidad
Concentrac
Ingenieriacutea Quiacutemica 63
UAM-I
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
Signos y siacutentomas Erosioacuten dental estornudo tos Dolor en el pecho bronquitis y
la las partes contaminadas del cuerpo con solucioacuten al 5 de
de las quemaduras con pantildeos
de triacuteo sulfato soacutelido si se a ingerido
vado de ojos con agua
ACIDO CLORIDRICO
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
ivitis necrosis corneal por inhalacioacuten rinitis erosioacuten
dolor de cabeza palpitacioacuten por ingestioacuten
s en la boca faringe esoacutefago estomago salivacioacuten vomito Soc
agua lavada de agua y jaboacuten de las partes
preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
AacuteC
El c
con o de hidroacutegeno una
concentracioacuten de 12 molLt Este aacutecido es un liacutequido incoloro con un olor aacutecido
bronconeumoniacutea
Tratamiento
bicarbonato soacutelido o con agua y jaboacuten Tratamiento
mojados con solucioacuten saturada
administracioacuten por viacutea oral de solucioacuten de jaboacuten Hidroacutexido caacutelcico o alumiacutenico u
oacutexido de magnesio
Medidas preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores excluir de la exposicioacuten
a los individuos con enfermedades de pulmones y rintildeones
Gas incoloro o liacutequido o a amarillento
Toxicidad
Concentracioacuten maacutexima permisible 5ppm en aire
Signos y siacutentomas conjunt
dental laringitis bronquitis neumoniacutea
quemadura
nefritis
Tratamiento lavado de ojos con
contaminantes del cuerpo tratamiento ordinario de quemaduras lavado gaacutestrico
se a ingerido con solucioacuten de bicarbonato soacutedico al 5 seguido de una instilacioacuten
de gel de hidroacutexido de aluminio
Medidas
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores
IDO CLORHIacuteDRICO
loruro de hidroacutegeno es en extremo soluble en agua de hecho el aacutecido clorhiacutedrico
centrado contiene cerca del 38 en masa de clorur
Ingenieriacutea Quiacutemica 64
UAM-I
pronunciado que se debe al equilibrio entre el cloruro de hidroacutegeno gaseoso y
ste con el aacutecido fluorhiacutedrico el aacutecido clorhiacutedrico es un aacutecido fuerte (pKa = -
7) y se ioniza casi totalmente
gar de aacutecido sulfuacuterico auque en menor grado Por
jemplo el zinc metaacutelico reacciona con aacutecido clorhiacutedrico para dar el ion zinc e
hidroacutegeno gaseoso
Zn(s) + 2HCl(ac) ZnCl2(ac) + H2(g)
l para producir aacutecido clorhiacutedrico en el laboratorio es generar
cloruro de hidroacutegen e sodio y el aacutecido
ulfuacuterico En el primer paso a 150degC se forma hidroacutegeno sulfato de sodio
NaHSO4(s) + HCl(g)
io y maacutes
loruro de hidroacutegeno gaseoso Luego el gas se disuelve en agua para formar el
aacutecido
NaHSO4(s) + NaCl(s) Na2SO4(s) + HCl(g)
acuoso
HCl(ac) HCl(g)
El reactivo de grado teacutecnico a menudo tiene un color amarillento por una impureza
del ion hierro (III)
En contra
HCl(ac) + H2O(l) H2O+(ac) + Cl -(ac)
Por ello a menudo se prefiere usar aacutecido clorhiacutedrico diluido en lugar de aacutecido niacutetrico
que es muy oxidante y en lu
e
Cuando el zinc reacciona con el aacutecido niacutetrico es comuacuten que se reduzca una parte
del ion nitrato para dar dioacutexido de nitroacutegeno
El meacutetodo tradiciona
o gaseoso por la reaccioacuten entre el cloruro d
s
NaCl(s) + H2SO4(l)
La mezcla se calienta a 550degC temperatura a la cual el hidroacutegeno sulfato de sodio
reacciona con un exceso de cloruro de sodio para formar sulfato de sod
c
∆
Este meacutetodo se usa tambieacuten en la industria otra forma de producir cloruro de
hidroacutegeno es por la combinacioacuten directa de dicloro y dihidroacutegenogaseosos
Ingenieriacutea Quiacutemica 65
UAM-I
H2(g) + Cl2(g) 2HCl(g)
La mayor cantidad de cloruro de hidroacutegeno que se produce actualmente es un
CH4(g) + 4Cl2(g) 4(l) + 4HCl(g)
riacuten de superficies de acero en un bantildeo aacutecido en la purificacioacuten de glucosa
y jarabe de maiacutez e s y de gas y en la
bricacioacuten de compuestos clorados El aacutecido se puedo comprar en muchas
nducida por la luz
4HNO3(ac) 4NO2(g) + O2(g) + 2H2O(l)
niacutetrico como disolvente)
H2NO3+ H2O + NO2
+
l siguiente
3HNO NO3 ndash
subproducto de otros procesos industriales como la siacutentesis de tetracloruro de
carbono
CCl
Se consumen cerca de 107 toneladas de aacutecido clorhiacutedrico cada antildeo en todo el
mundo Este aacutecido tiene una gama muy amplia de usos como aacutecido comuacuten para
eliminar o
n el tratamiento con aacutecido de pozos petrolero
fa
ferreteriacuteas con el arcaico nombre de aacutecido muriaacutetico sus principales usos caseros
son la limpieza de superficies de concreto y la eliminacioacuten de herrumbre Un nuacutemero
muy reducido de personas es incapaz de sintetizar suficiente jugo gaacutestrico y deben
de ingerir caacutepsulas de aacutecido clorhiacutedrico diluido con cada comida
AacuteCIDO NIacuteTRICO
El aacutecido niacutetrico un liacutequido aceitoso e incoloro en estado puro es sumamente
peligroso El aacutecido que funde a ndash42degC y hierve a +83degC tiene por lo general un
ligero color amarillo a causa de una reaccioacuten de descomposicioacuten i
En un estado puro el aacutecido niacutetrico liacutequido praacutecticamente no conduce la electricidad
Una pequentildea porcioacuten se ioniza como sigue (todas estas especies existen en el aacutecido
2HNO3(l) H2NO3+ + NO3
ndash
H2O + HNO3 H3O+ + NO3 ndash
Para dar la reaccioacuten globa
3 NO2+ + H3O + 2+
Ingenieriacutea Quiacutemica 66
UAM-I
El catioacuten nitrilo es importante en la nitracioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas por ejemplo la
obenceno C6H5NO2 una etapa importante en
umerosos procesos industriales orgaacutenicos
El aacutecido niacutetrico con en agua mientras
ue el ldquoaacutecido niacutetrico fumanterdquo un oxidante extremadamente poderoso es una
vez de ello se produce una mezcla de
sistema que da un orden de
vista industrial el
oceso
e lleva a cabo en tres etapas Primero se hace pasar una mezcla de amoniaco y de
dioxiacutegeno (o aire) un proceso muy
ficiente y exoteacutermico que hace que la malla se ponga al rojo Esta etapa se verifica
conversioacuten de benceno C6H6 en nitr
n
centrado es en realidad una solucioacuten al 70
q
solucioacuten roja de dioacutexido de nitroacutegeno en aacutecido niacutetrico puro Incluso cuando esta
diluido el aacutecido niacutetrico es un oxidante tan fuerte que rara vez desprende hidroacutegeno
cuando se pone en contacto con metales en
oacutexidos de nitroacutegeno y el metal se oxido a su catioacuten
Los enlaces O-N son mucho maacutes cortos (121 pm) que el enlace O-N unidos al aacutetomo
de hidroacutegeno (141 pm) Esta longitud de enlaces indica que hay enlaces muacuteltiples
entre el nitroacutegeno y los dos aacutetomos de oxiacutegeno terminales Ademas de los electrones
del sistema σ hay cuatro electrones que participan en el sistema π O-N-O dos de un
orbital enlazante y dos en un orbital no enlazante
enlace de 112 para cada uno de esos enlaces nitroacutegeno- oxiacutegeno
A veces se nos olvida hasta queacute punto nuestra experiencia depende de la
termodinaacutemica y la cineacutetica Por ejemplo la primera siacutentesis industrial de aacutecido
niacutetrico se llevaba ha cabo por simple combinacioacuten de diniacutetrogeno dioxiacutegeno y agua
utilizando un horno de arco eleacutectrico a fin de proporcionar la energiacutea necesaria par
superar la muy elevada barrera cineacutetica Aunque desde el punto de
factor cineacutetico constituiacutea un problema en realidad es una bendicioacuten por que sin esta
barrera cineacutetica hace mucho tiempo que todo el dioacutexido de la atmoacutesfera se abriacutea
transformado en aacutecido niacutetrico y nuestros mares serian de aacutecido niacutetrico diluido
frac12 N2(g) + 54O2(g) + 12H2O(g) HNO3(g)
Ahora se utiliza el proceso Ostwald para la siacutentesis de aacutecido niacutetrico Este proceso
consume gran parte del amoniaco que se produce por el proceso Haber El pr
s
a traveacutes de una malla de platino metaacutelico Eacuteste es
e
a baja presioacuten para aprovechar el efecto entropico es decir la formacioacuten de 10
moles de gas a partir de 9 moles de gas (una aplicacioacuten del principio de Le Chatelier)
para desplazar el equilibrio a la derecha
Ingenieriacutea Quiacutemica 67
UAM-I
4NH3(g) + 5O2(g) 4NO(g) + 6H2O(g)
Se agrega maacutes oxiacutegeno para oxidar el monoacutexido de nitroacutegeno a dioacutexido de nitroacutegeno
A fin de mejorar el rendimiento de esta reaccioacuten exoteacutermica se extrae calor de los
ases y la mezcla se somete a presioacuten
2HNO3(l) + NO(g)
Esta reaccioacuten tambieacuten es exoteacutermica y una vez maacutes se aplica enfriamiento y alta
la
egunda etapa para oxidarlo de nuevo
La contaminacioacuten s de aacutecido niacutetrico
as plantas maacutes antiguas eran faacutecilmente identificables por la fumarola cafeacute-
antas maacutes antiguas ahora mezcla cantidades
en Estados Unidos porque un 20
dedica ala produccioacuten de explosivos
or ultimo el aacutecido niacutetrico es un liacutequido que hierve a 826degC No existe como liacutequido
g
2NO(g) + O2(g) 2NO2(g)
El dioacutexido de nitroacutegeno se mezcla con agua para dar una solucioacuten de aacutecido niacutetrico
3NO2(g) + H2O(l)
presioacuten par obtener el maacuteximo rendimiento El monoacutexido de nitroacutegeno se vuelve a
s
soliacutea ser un problema importante de las planta
L
amarillento del dioacutexido de nitroacutegeno que escapaba por ellas Las plantas maacutes
antiguas eran faacutecilmente identificable por la fumadora cafeacute-amarillo del dioacutexido de
nitroacutegeno que escapaba de ellas Las pl
estequiomeacutetricas de amoniaco con las oacutexidos de nitroacutegeno con lo cual se obtiene
dinitroacutegeno y vapor de agua ambos inocuos
NO(g) + NO2 (g) + 2NH3(g) 2N2(g) + 3H2O(g)
En todo el mundo alrededor del 80 del aacutecido niacutetrico se utiliza en la produccioacuten de
fertilizantes Esta proporcioacuten es de solo el 65
se
P
puro porque en alguna medida se descompone espontaacuteneamente como sigue
4HNO3(l) 4NO2(g) + 2H2O(l) + O2(g)
Ingenieriacutea Quiacutemica 68
UAM-I
El aacutecido niacutetrico concentrado que se usa en el laboratorio estaacute al 68 en masa HNO3
(densidad 142 gcm3) lo que corresponde a 157 M
l aacutecido niacutetrico es un poderoso agente oxidante El nuacutemero de oxidacioacuten del N en el
) El aacutecido niacutetrico puede oxidar
nto a metales que estaacuten abajo del hidroacutegeno como aquellos que se encuentran
4Zn2+(ac) + NH4
+(ac) + 3H2O(l)
do no oxida al oro Sin embargo cuando se mezcla con
cido clorhiacutedrico concentrado en relacioacuten 13 en volumen (una parte de HNO3 a tres
partes al oro
omo sigue
APEacuteNDICE F
ETODO DE DEPOSICIOacuteN-PRECIPITACIOacuteN
E
HNO3 es + 5 Los productos maacutes comunes de la reduccioacuten del aacutecido niacutetrico son el
NO2 (N = + 4) el NO (N = + 2) y el NH4+ (N = - 3
ta
arriba en la serie de actividades Por ejemplo el cobre es oxidado por el aacutecido niacutetrico
concentrado como se mencionoacute antes
En presencia de reductores fuertes como el zinc metaacutelico el aacutecido niacutetrico se puede
reducir hasta ion amonio
4Zn(s) + 10H+(ac) + NO3
-(ac)
El aacutecido niacutetrico concentra
aacute
de HCl) la disolucioacuten resultante denominada agua regia puede oxidar
c
Au(s) + 3HNO3(ac) + 4HCl(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O(l) + 3NO2(g)
M
Ingenieriacutea Quiacutemica 69
UAM-I
APEacuteNDICE G
ISENtildeO DEL MEZCLADOR [4]
1) 100 ml H2O gr soporte
2) NH4(OH)
Ajustar a PH = 9 4) HAuCl4 (solucioacuten acuosa al 25E-3M)
6) Filtrado o centrifugado
3) En Agitacioacuten por 2 hr
8) Secado por 2hr a 80 degC
9 ) Calcinado por 4hr a 400 degC
7) Lavado
5) Antildeegamiento por 30 min
D
Ingenieriacutea Quiacutemica 70
UAM-I
El disentildeo de un tanque agitado dis n nuacutemero de elecciones sobre el
po y localizacioacuten del agitador las proporciones del tanque el nuacutemero y dimensiones
ada una de estas decisiones afectan a la velocidad
e circulacioacuten del liacutequido los modelos de velocidad y el consumo de potencia Como
pone de un gra
ti
de las placas deflectoras etc C
d
punto de partida en el disentildeo de los problemas ordinarios de agitacioacuten generalmente
se utiliza un agitador de turbina del tipo que se muestra en la figura 1 La proporcioacuten
tiacutepica es
31
=t
a
DD
1=tD
H 121
=tD
J 51
=aD
W 41
=aD
L
de estas ecuaciones se disentildeara el mezclador como datos se tiene el valor H que es
igual a 3 mts y el diaacutemetro del tanque D
Se determinara la medida de los reflectores
t que es igual 3 mts
121
=tD
J se despeja J
elacioacuten R31
=t
a
DD
se despeja Da
Relacioacuten
41
=aD
L se despeja L
elacioacuten se despeja W
( ) ( ) cmmtsmtsDJ 25250311==⎟
⎞⎜⎛=⎟
⎞⎜⎛= t 1212 ⎠⎝⎠⎝
( ) ( ) mtsmtsDD ta 1331
31
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=
( ) ( ) mtsmtsDL a 250141
41
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛= cm25=
51
=aD
WR
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UAM-I
Figura 2 a) Vista transversal del mezclador b) paletas del mezclador con la
donde se deposita el soporte
Figura 1 Medidas de un agitador de turbina
a) b)
s rejillas
H
J
E L
Da
D t
W
W
( ) ( ) cmmtsmtsDW a 2020151
5==⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎜⎝
=1 ⎞⎛
Ingenieriacutea Quiacutemica 72
UAM-I
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Pretice may Tercera edicioacuten Impresa en Meacutexico DF
Catalizadores de Oro Soportado 23
UAM-I
C A P I T U L O III
D I S E Ntilde O D E L A P L A N T A I N D U S T R I A L
Catalizadores de Oro Soportado 24
UAM-I
31 INTRODUCCIOacuteN
Este capitulo esta enfocado al disentildeo de la planta industrial donde se produciraacuten
catalizadores de Auγ-Al2O3 por el meacutetodo de Deposicioacuten-Precipitacioacuten (DP) descrito
en el capitulo 2
Parte de la produccioacuten de los catalizadores se destinaraacute a su venta en masa y otra
parte se destinaraacute para el equipo de purificacioacuten de calentadores de agua esto con
la finalidad que el catalizador que esta contenido dentro del equipo de purificacioacuten
cuando se desactive pueda remplazarse por catalizador nuevo disponible en el
mercado De esta forma se tendraacuten ganancias tanto al vender el equipo purificador
como al vender catalizador como materia prima
32 DISENtildeO DEL EQUIPO PURIFICADOR PARA CALENTADORES DE AGUA DOMEacuteSTICOS El equipo purificador se ubicaraacute a la salida del efluente gaseoso del calentador como
un equipo adicional como se muestra en la Figura 1 Se plantea colocarlo en una
posicioacuten tal que oxide a baja temperatura hasta el 90 de CO Las dimensiones del
purificador se determinaron seguacuten las especificaciones de calentador y el balance de
materia en el sistema purificador Estos caacutelculos se presentan en el Apeacutendice A
Los tubos de las chimeneas de los calentadores son de latoacuten por lo que se decidioacute
utilizar este material para la parte exterior la parte donde se colocaraacute el catalizador
es de 35 cm de longitud para colocarlo en el tubo de la salida del flujo de gas se
dieron 2 cm maacutes en cada extremo para hacer un tipo cople de manera que el tubo
entre en los extremos
Catalizadores de Oro Soportado 25
UAM-I
C O 2 2 0 c m 7 c m c m G A S C O
3
2cm
75 cm 35 cm
Figura 1 Esquematizacioacuten del equipo purificador y su ubicacioacuten en los calefones
Las dimensiones obtenidas (Apeacutendice A) y las caracteriacutesticas del purificado se
presentan en la Tabla 1
Tabla 1 Especificaciones de purificador
Material Latoacuten
Longitud 35 cm
Diaacutemetro 20cm
Cantidad de
Catalizador
700 gr
Catalizadores de Oro Soportado 26
UAM-I
33 PRODUCCIOacuteN DE LA PLANTA INDUSTRIAL A partir de un estudio de mercado se encontroacute que en la Ciudad de Meacutexico hay
cuando menos cuatro empresas principales (CALOREX ELSA MAGAMEX y
CINSA) que fabrican calentadores de agua residenciales[1 2] Estas en promedio
producen 150 calefones diarios Por cada calefoacuten se requiere un equipo purificador
En este sentido de requieren idealmente 600 unidades de purificacioacuten por diacutea Esta
base se utilizoacute para el disentildeo de la planta
A partir del balance de masa en el purificador y empleado los resultados
experimentales a nivel laboratorio (ver apeacutendice A) se encontroacute que cada purificador
requiere 07 Kg de catalizador A partir de este resultado se requiere producir al
menos 420 Kg de catalizador para satisfacer la demanda en la produccioacuten de
calefones Con base en el balance de materia realizado en el mezclador se
determinoacute que la cantidad de catalizador obtenido despueacutes de cuatro lotes es de
570 Kg Tomando el resto de catalizador como reserva por cualquier contratiempo El
nuacutemero de lotes se determinoacute en base a que fuese rentable la recuperacioacuten de oro
34 DISENtildeO Y OPERACIOacuteN DE LA PLANTA
La fabricacioacuten del catalizador a nivel industrial esta basada en el escalamiento del
meacutetodo de siacutentesis descrito en la parte experimental Lo cual es una praacutectica comuacuten
en la fabricacioacuten de materiales cataliacuteticos
Para la produccioacuten de 570 Kg por diacutea se plantea utilizar cuatro mezcladores (ver
Figura 2) que operaran durante 8 h con cuatro intervalos (o cargas) de 2 h y
descansos de 30 min (dejando 30 min libres por contratiempos) Esta operacioacuten se
elige con base en las horas de trabajo y el meacutetodo de preparacioacuten del catalizador
Al igual que en la parte experimental el proceso requiere operacioacuten por lotes debido
a que se necesitan largos tiempos de contacto para obtener catalizadores eficientes
en la oxidacioacuten de CO a baja temperatura Se pretende utilizar un agitador tipo
Catalizadores de Oro Soportado 27
UAM-I
canastilla[4] el cual permite colocar dentro de las mismas el catalizador para tener
una mejor impregnacioacuten de partiacuteculas de Au y eliminar la atricioacuten Las dimensiones
del agitador asiacute como del mezclador se presentan en la Figura 6
Al teacutermino de la uacuteltima carga en los mezcladores el lote completo del diacutea pasa al
horno para secarlo a 80degC por 2 h y calcinarlo a 400degC durante 4 h Durante estos
procesos se concluye la preparacioacuten del catalizador Las temperaturas y tasas de
calentamiento estaacuten basadas en el meacutetodo de preparacioacuten experimental descrito en
el Capitulo ll Posteriormente el catalizador producido pasa a la seccioacuten donde se
embolsa para ser vendido como materia prima y la otra parte pasa a la seccioacuten de
ensamblaje para fabricar el purificador
Dimensiones de la industria
Las dimensiones de los equipos como mezcladores cisternas tanque de
tratamiento horno etc se tomaron como base para poder suponer espacios entre
equipos para tener seguridad del personal Se dio preferencia a los mezcladores ya
que son las partes importantes en la elaboracioacuten de los catalizadores La cisterna
estaraacute enterrada para facilitar su llenado en el caso de los contenedores de HAuCl4
y NH4OH estaraacuten encima de bases maacutes altas que los mezcladores para poder
abastecerlos por gravedad Esto debido a que el volumen es poco no se requiere de
grandes cantidades por lo que no se requiere alguna bomba Se estuvo analizando
la forma de acomodar los equipos y se obtuvo la siguiente distribucioacuten que se
muestra en la Figura 3
En la Figura 4 se presenta el plano de la industria con sus respectivos
departamentos en la parte sur se encuentra la entrada principal en ella se encuentra
vigilancia y la entrada de empleados y obreros posteriormente esta la zona de
oficinas lado izquierdo del lado derecho se encuentra el estacionamiento para
clientes y empleados en el almaceacuten se encontraraacuten refacciones de equipo y
reservas de materia primas para los catalizadores en la zona de produccioacuten se tiene
el estacionamiento de proveedores para facilitar la entrada y salida del producto
Catalizadores de Oro Soportado 28
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado 29
Debido a que en cada industria debe existir un espacio recreativo se plantea una
cancha de Baacutesquetbol para los obreros y una zona de jardines en la parte norte
Ubicacioacuten de la industria
Para poder ubicar una industria es importante analizar la zona geograacutefica Para lo
cual se deben considerar algunos factores importantes por ejemplo No ubicarla en
zona de siacutesmica Si la industria requiere de un gran volumen de agua no ubicarla en
una regioacuten deseacutertica Si el producto es muy sensible al calor y la humedad evitar
zonas muy caacutelidas y huacutemedas Si se piensa vender el producto en una zona
especifica ubicar la industria cerca de la zona de venta para evitar gastos de
transportacioacuten A partir de este tipo de razonamientos se planea que debido a que el
producto que se elaborara que es un purificador cataliacutetico para su venta en la ZMVM
ya en ella estaacuten ubicadas las principales industrias de calentadores y debido a que la
planta requiere de un volumen considerable de agua se escogioacute el estado de
Morelos porque no esta muy lejos de la ZMVM y tiene reservas de agua Asiacute el gasto
de transportacioacuten de materias primas y sobre todo del producto elaborado seriacutea
pequentildeo
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
Agua
Tanque tratamien
Figur
NH4OH
HAuCl4
Produccioacuten de catalizadores
Recuperacioacuten de agua
de to
a
MezcladoresMezcladores
Cuando se requiere limpieza
Horno
Producto almaceacuten
30
1 Diagrama de produccioacuten Recuperacioacuten de cloro
UAM-I
35 BALANCE DE MATERIA DIAGRAMA DE FLUJO PARA DIFERENTES LOTES DE SOPORTE EN UN SOLO MEZCLADOR
Catalizadores de Oro So
05 Kg Au
10
0
086 Kg HAuCl4(ac)014 Kg H2O
035 Kg NO2(g)
2
35 Kg NH4(OH)(ac) (01M)
10000 Kg H2O
100 Kg Al3O
100 Kg Al2O3 (9965) 035 Kg Au (035) 025 Kg Cl2
026 Kg HauCl4(ac)35 Kg NH4(OH)
1101035 Kg H2O
O MEZCLADOR (t0)
10035 Kg catalizador
86 KgHAuCl4(ac)101035 Kg H2O
037 Kg HCl (ac) (105 M) 048 Kg HNO3(ac) (152 M)
porta
Kg N
30 Kg Al2Cl3
101021 Kg H2
do
H4 (OH) (ac) (01M) 30 Kg Al2O3 (9965) 01 Kg Au (035)
007 Kg Cl2
)
3
)
301 Kg catalizador MEZCLADOR (t1)
009 Kg HauCl4(ac)45 Kg NH4(OH)
1101035 Kg H2O
MEZCLADOR 1054 Kg catalizador
105 Kg Al2O3
(t2)
105 Kg Al2O3 (9965)
035 Kg NH4 (OH) (ac) (01M
004 Kg Au (035) 003 Kg Cl2
23 Kg Al2O
MEZCLADOR
(t3)23 Kg Al2O3 (9965)
2308 Kg catalizador
008 m3 NH4(OH) (ac) (01M
002 Kg HauCl4(ac)485 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
0008 Kg Au (035) 0006 Kg Cl2
0003 Kg HauCl4(ac)493 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
31
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado 32
DIAGRAMA DE FLUJO PARA UN MEZCLADOR
MEZCLADOR
1101035 Kg H2O
1428 kg γ-Al2O3
086 Kg HAuCl4
493 Kg NH4(OH)
0003 Kg HauCl4(ac)493 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
1433 Kg Catalizador
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
36 DIAGRAMA DE LA INDUSTRIA
INDUSTRIA DE CATALIZADORES
TANQUE DE TRATAMIENTO HORNO
CISTERNA 1
CONTENEDORDE AuCl3 CONTENEDOR DE
NH4OH ZONA DE LLENADO
DE SAPORTE
SE LLEVA AL HORNO
MANUALMENTE
PRODUCTOALMACEacuteN
Contenedor de HAuCl4
Figura 2 Diagrama de la distribucioacuten del equipo dentro del aacuterea de produccioacuten
33
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
37 DIMENSIONES DEL EQUIPO Y TUBERIacuteA
2 mts
2 mts 2 mts 6 mts 4 mts 3 mts 5mts 5 mts 3 mts 6 mts 3
3mts 3 mts 3mts 3 mts 3 mts
4 mts 1 5 mts 1 5 mts 4mts 4 7mts 4 mts 21 mts 7 2mts 26 mts 2 mts 21 mts 6 mts
3 5 mts 14 mts 6 mts 8 mts 1 5 mts 3 mts 5 mts 13 mts 8 mts 20 mts 30 mts
IN D U ST R IA D E C A T A L IZ A D O R E S
T AN Q U E D E T R AT AM IE N T O H O R N O
C IST E R N A 1
C O N T EN ED O RD E Au C l3
C O N T EN E D O R D E N H 4O H
ZO N A D E L LEN AD O D E SO PO R T E
AG UA PAR A JAR D IN ES
M E Z C L A D O R E S 12 3 y 4
1 2 3 4
A L M A C Eacute N
Contenedor de HAuCl4
Figura 3 Dimensiones del equipo y tuberiacutea requerida
34
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
38 PLANO DE DISTRIBUCIOacuteN DE AacuteREAS
Figura 4 Aacutereas de trabajo dentro de la planta
35
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
DIMENSIONES DE LA INDUSTRIA
Figura 5 Dimensiones de cada aacuterea de la planta industrial
36
UAM-I
Ingenieriacutea Quiacutemica 37
10 cm 3mts 1 mts 25 cm 15cm 5 cm 5 cm 3mts 150 mts 10 cms 100 mts 20 cm
003 mts
Figura 6 Dimensiones del mezclador y del Agitador
UAM-I
Las dimensiones de las canastillas se determinaron a partir del balance de masa y la
produccioacuten requerida La carga de un contenedor de soporte que es de 100kg del
cual el agitador tiene 4 canastillas cada una corresponde 25 Kg la masa se obtuvo
del balance de materia y su densidad 600 Kgm3 con el que se obtuvo un volumen de
0043 m3
39 ANAacuteLISIS FINANCIERO
El costo de materias primas se muestra en la Tabla 2 en la que tambieacuten se incluyen
los flujos de alimentacioacuten requeridos para el proceso a partir de los cuales se
determinaron los costos diarios
Tabla 2 Costo de materias primas [5]
Compuesto
Alimentacioacuten
por diacutea
Costo
USDKg
Costo Total
USDdiacutea
Au 2 kg 10596 2119200
HCl 15 Kg 52 780
HNO3 20 Kg 022 044
-Al2O3 5712 Kg 034 19421
Canastillas 500 piezas 15 75000
NH3(OH) 200 Kg 034 680
H2O 440414 Kg 282 282
Total de Materia Prima 2215407
El costo se determinoacute considerando la cantidad de material el tamantildeo y el costo de
manufactura
El costo se determinoacute para uso industrial conforme establece la tesoreriacutea de
Meacutexico
Ingenieriacutea Quiacutemica 38
UAM-I
PERSONAL REQUERIDO PARA LA INDUSTRIA
La Tabla 3 establece los salarios mensuales anuales y las prestaciones del IMSS
para el personal de la planta
Tabla 3 Salarios y Prestaciones del Personal
Mano de Obra (USDmes)p
ersona
USDmes USDantildeo Prestaciones
IMSS
1 Gerente 2000 2000 24000
1 Administrador 1000 1000 12000
1 Secretaria 400 400 4800 1193
Total de Salarios
Administrativos
40800 1193 409193
9 Obrero 150 150 1800 448
1 Teacutecnico 200 200 2400 597
1 Policiacutea 200 200 2400 597
1 Mantenimiento 180 180 2160 538
1 Limpieza 150 150 1800 448
Total de Salarios
Proceso
10560 2628 108228
Los salarios se determinaron en base al salario miacutenimo vigente en la Ciudad de
Meacutexico (2003)[29]
Ingenieriacutea Quiacutemica 39
UAM-I
PERSONAL
Departamento de produccioacuten
Se tendraacute 2 obreros en el llenado de soporte en las rejillas un obrero encargado del
traslado de rejillas por medio de la banda de los motores a cada contenedor un
obrero en cada contenedor de NH4OH y HAuCl4 en cada mezclador se tiene 1
obrero para descargar y cargar las rejillas a la banda que se trasladaran al horno en
el horno se tiene 1 obrero encargado del secado y calcinado el producto se traslada
al almaceacuten donde estaraacuten 2 obreros que reciben el producto y materias primas de los
proveedores se tiene 1 teacutecnico supervisando los equipos un encargo del
mantenimiento de los equipos
Departamento de personal
Gerente de la industria un administrador encargado de compra y venta de materias
primas una secretaria
Ingenieriacutea Quiacutemica 40
UAM-I
CAPITAL FIJO
La Tabla 4 muestra el costo de los equipos requeridos en la planta asiacute como el
Capital Fijo y la Inversioacuten del Capital Total
Tabla 4 El equipo se costeo usando las correlaciones de Ulrich [6] y empleando el
programa de Capcost
EQUIPO USD
4 Contenedores 23584
4 Agitadores (456kW) 269760
1 Horno (25 kW) 15700
15 Bombas (1469kW) 43081
1 Motor (114 kW) 67440
Tuberiacuteas 42150
2 Cisternas 174183
Vaacutelvulas 1283
Accesorios
(codos 90ordm y de 45ordm te)
1474
CAPITAL FIJO 638655
Capital de Trabajo 9579825
INVERSIOacuteN DE
CAPITAL TOTAL
73445325
Los caacutelculos y las correlaciones empleadas para el costeo del equipo se anexan en
el Apeacutendice A
Ingenieriacutea Quiacutemica 41
UAM-I
GASTOS GENERALES
Tabla 5 Proporciona el total de gastos anuales con lo cual se estima el precio por
kilo de catalizador y por unidad purificadora
Tabla 5 Gastos Generales anuales
USDAntildeo
Materias Primas 531697680
Mano de Obra de Operacioacuten 1082280
Mano de Obra de Oficina 4091930
Servicios Electricidad 2620100
Total de Gastos Generales 539491990
CFE
Produccioacuten diaria de Catalizador = 574 Kg
Precio de Catalizador = 40 USDKg
Produccioacuten diaria de unidades purificadoras = 500
Precio por unidad = 50USD
Ganancia diaria = 22960 USD
Ganancia Anual = 5510400 USD
DETERMINACIOacuteN DE LA RENTABILIDAD DEL PROYECTO
TPI (Actual) = 10
PR (Factor de riesgo) = 25
TREMA = TPI + PR
TREMA = 35
TIR (del proyecto) = 90
TIR gt TREMA
Puesto que la TIR es mayor que la TREMA se tiene que el proyecto es rentable [6]
Ingenieriacutea Quiacutemica 42
UAM-I
310 CONCLUSIONES
En el desarrollo de la industria para la fabricacioacuten de catalizadores se tuvo un
resultado satisfactorio a pesar de la falta de informacioacuten disponible acerca de
industrias de catalizadores debido a que esta informacioacuten no es publica El proyecto
que elaboramos es novedoso en nuestro paiacutes ya que no existen registros de una
industria que produzca catalizadores de oro soportados en aluacutemina
Durante el desarrollo del proyecto se planteoacute trabajar con compuestos como NOx y
COVS sin embargo debido a la falta de tiempo no se logroacute concluir la
experimentacioacuten en estos campos Debido a esto se tomoacute la decisioacuten de trabajar en
la oxidacioacuten cataliacutetica de CO Esto debido a varios factores por ejemplo la
disponibilidad de gases y sobre todo los costos que esto implicaba
Para el desarrollo del catalizador se analizaron diferentes tipos de preparacioacuten y se
eligieron dos meacutetodos diferentes Deposicioacuten-precipitacioacuten e Impregnacioacuten Los
catalizadores se evaluaron bajo diversas condiciones en la oxidacioacuten de CO El
catalizador que presentoacute mayor conversioacuten con el catalizador a baja temperatura fue
el sintetizado por el meacutetodo de Deposicioacuten-precipitacioacuten el cual se utilizoacute para el
disentildeo de la Industria El disentildeo estaacute basado en la forma de preparacioacuten del
catalizador Por esto la parte maacutes importante de la planta es el tanque de mezclado
el cual se disentildeo tomando en cuenta los diferentes disentildeos de agitadores para tener
un mezclado oacuteptimo Se incorporo en la parte superior del agitador las canastillas
para las pastillas cataliacuteticas y el tipo de Horno que se usara para el secado y
posteriormente el calcinado Una parte importante es la produccioacuten de catalizador
para este problema se investigoacute en que parte se podriacutea utilizar a diferencia de los
catalizadores para automoacuteviles Se llego a la decisioacuten de poder desarrollar un
catalizador para los calentadores de agua se obtuvo informacioacuten de la fabrica de
calentadores cal-o-rex en la produccioacuten diaria de calentadores y de esta informacioacuten
se pudo calcular la posible demanda de nuestro producto Una parte importante en
las industrias son el tipo de bombas ya que existen diversos modelos en nuestro
disentildeo se escogioacute las bombas centriacutefugas con rodetes para agua que contiene
pequentildeas partiacuteculas de soacutelidos
En la parte de servicios para personal se investigo los sueldos de cada empleado Se
determinoacute el costo de los equipos y finalmente llegamos a la parte que nos interesa
Ingenieriacutea Quiacutemica 43
UAM-I
del disentilde es decir si el proyecto es rentable o no En este caso particular se tuvo un
valor aceptable y se definioacute que el disentildeo es rentable Esto indica que seria una
industria que tendriacutea ganancias y a la vez que el producto que se fabrique nos
ayudaraacute a todos a reducir la emisioacuten de CO en los hogares aportando una pequentildea
ayuda al medio ambiente
COMENTARIOS
Los conocimientos adquiridos durante este tiempo fueron provechosos en la parte
teoacuterica y praacutectica aclaramos dudas de como y porque se comportan las reacciones
quiacutemicas y los procesos de flujos Durante el desarrollo del proyecto aprendimos a
observar y la importancia de entender fiacutesicamente las algunos procesos relacionados
con la siacutentesis y caracterizacioacuten de materiales cataliacuteticos
Ingenieriacutea Quiacutemica 44
UAM-I
38 BIBLIOGRAFIacuteA
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[29] Secretaria de Trabajo y Previsioacuten Social Comisioacuten de Salarios Miacutenimos
Ingenieriacutea Quiacutemica 46
UAM-I
APEacuteNDICE A
CRITERIOS PARA DETERMINAR QUIEacuteN CONTROLA EL PROCESO
Criterio de weisz para difusioacuten interna
Ec(12-16 Fogler) Los valores que se sustituyen en las siguientes ecuaciones fueron
tomados del catalizador que se analizo en el laboratorio
CWP = ( )
AS
cObsA
DeCRcr 2minus
lt 1
-rA(Obs) = velocidad de reaccioacuten observada molgcats Cc = concentracioacuten volumeacutetrica molm3
CAS = concertacioacuten en la superficie molm3
D= diaacutemetro del granulo m R = radio del granulo m De = difusividad efectiva m2s
d = 0149mm mxmm
m 4104911000
1 minus=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
CWP = ( )( )3
32
24
33
103470184200350
21049150800010681
minus
minusminus
=⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞⎜
⎝⎛
x
mmol
hrm
mxcatm
gcathgcat
molx
734x10-3 lt 1 No hay limitante por la difusioacuten interna
Ingenieriacutea Quiacutemica 47
UAM-I
Criterio de mears para difusioacuten interna Ec(12-62 Fogler)
Mm = 150ltAbc
bA
CkRnr ρminus
Mm =( )( )
0570
136000184200220
31110457508000106851
3
53
3
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ minusminus
hrs
mmol
sm
mxcatmgcat
hgcatmolx
0057 lt 015 no hay efecto de transferencia de masa externa Calculo de Dab para calcular el coeficiente de trasferencia de masa Ec(78 Lobo)
De =
KAAB DD11
1
+
DKA = 970X103 (80X10-8)(s
cmK 221 1090)
2400( =
DAB = 00018583ABAB
BA
PMMT
Ω
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ +
2
2123 11
γ
Para CO
0110=isin
Bk 0593 A=γ
Para O2
Ingenieriacutea Quiacutemica 48
UAM-I
0113=isin
Bk 0453 A=γ
( ) 51343359321
=+=ABγ
( )( )[ ] 21113110BAB k=isin A la temperatura de 400degK
( ) 583))113)(110((
40021 =
deg=
isin B
B
AB
B
KKKTK
Ω AB = 0907 Sustituyendo
DAB =s
cm2
2
2123
9730)9070()513(
)21281()400(00185830=
+
De = hrm
hrs
cmm
scm 222
03501
3600100
10980
10901
97301
1=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
+
Calculo de Kc Sh = (Re)12(Sc)13
Velocidad superficial
V = sm
shr
hrm
mxhr
m
Av
c
02036001976
1087
006025
3
0 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛== minus
Ingenieriacutea Quiacutemica 49
UAM-I
Re= ( ) 240)1062)(501(
)10491)(020(
1 25
4
=minus
=minus minus
minus
smx
mxsmvd p
νφ
Sc= 672)3600
1)(0350(
10622
25
==minus
shr
hrm
smx
Dv
AB
Sh= ( 024 )12 ( 267 )13 = 0679
Kc = Shdp
DAB⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛minusφ
φ1
Kc = ( )sm
mxs
mx02206790
10491
10729
50501
4
26
=⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛minus
minus
minus
Calculo de numero Thile con el radio que usara a nivel industrial
φ = L ( )DkCn n
AS
21 1minus+
L = 3R
Sustituyendo
φ = 66x10-4 m( )
( )
450
03502
018420
5480941311
3
30
3330
313
=
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+
catmhrm
mmol
hrcatmmolm
η = 1 con los resultados anteriores se observa que quieacuten limita es la velocidad de
reaccioacuten Por lo que se procede a calcular el peso y longitud de catalizador
necesaria para muestro purificador sustituyendo los valores del Boiler
Ingenieriacutea Quiacutemica 50
UAM-I
Peso del Catalizador w =
( ) grcatgcatLn
gcatm
mmol
hrcatmmolm
hrm
xLn
kCv
A
66476639401
1
6000001578
548094
19836
11
330
3330
313
3
0
0 asymp=minus
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
minus
g 664=w
33
3
1011
mg60000
g 664 mxwv minus===ρ
m 035003101011
2
33
==minus
mmxL
cm 531000350 == xL
Ingenieriacutea Quiacutemica 51
UAM-I
APEacuteNDICE B BALANCE DE MASA DE LA PREPARACIOacuteN DE HAUCL4 Au(g) + 3HNO3(ac) + 4HCL(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O + 3N02(g) (152 M) (105M)
cantidad de mol Au = 05 kg Au x molAu
grAumolAux
kggr 542
971961
11000
=
cantidad de kg HNO3 = ( ) 33
33 480
10001
1635423 kgHNO
grkgx
molHNOGRHNOxHNOmol =
cantidad de kgHCl = ( ) kgHClgr
kgxmolHCl
grHClHClxmol 3701000
11
5365424 =
cantidad de kgHAuCl4 = 254molHAuCl4 x 44
8601000
11
97339 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
gr=
cantidad de kgH2O = 3( 254mol)H20 x OkgHgr
kgxOmolHOgrH
22
2 1401000
1118
=
cantidad de Lt H20 = 762molHNO3 x OltHOkgHOLtH
22
2 14011
=
cantidad de Lt H20 = 1016 mol HNO3 x 050215
012
2 LtHmol
LtH=
cantidad de LtH20 = 1016mol HCl x OLtHLtHmolHCl
LtH22
2 010970510
01asymp=
cantidad de MHAUCl4 = ( ) ( ) ( ) MHltltlt
ClmolHAU 7210850490140
542
2
4 asymp++
cantidad de kg NO2(g) = 3( 254mol)NO2 x )(22
2 3501000
1146
SkgNOgr
kgxmolNO
grNO=
Ingenieriacutea Quiacutemica 52
UAM-I
05 kg Au 048 kgHNO3 035 kgNO2 101021 kgH20 (152M) 037 kgHCl(ac)
(105 m) 086 kg HAuCl4 (ac) 086 kg HAuCl4 (ac)
(17 M) 014 kgH20 (25x10-3M) 014kg H20 (L) 086kg HAuCl4 035kgNO2 (g) 101185kg H20 Cantidad de H20 = 086 kgHAuCl4
x 08510110101
105201
173341
11000
22
23
24 kgHLtHkgHx
MxltHx
grmolHAuClx
kggr
=minus
pero (101185 ndash 014 ndash 05 ndash 1) kg H20 = 101021 kg H20 100ml H20 por 1 gr soporte 35kg NH4 (OH)(AC) 10000kgH20 100 kg γAl203 (9965) 035kgAu (035) 100kg γAl203 025kgCl2 086kg HAuCl4 026kgHAuCl4
101185 kg H20 35kgNH4 (OH)(AC) 1101185kgH20 cantidad de kgHAuCl4 = 015kgAu x
44
4 2601000
11
973391
197196
147196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxgrAu
molxkg
gr=
cantidad de NH4(OH) = 100kg γ Al203 x
Ingenieriacutea Quiacutemica 53
UAM-I
kgNHxmol
grx
mlmol
xOAlgr
OHmlNHx
kg
gr53
10001
1
35
100010
1
)(10
1
1000
32
4=
γ4(OH)
30kg γAL2O3 1 kgNH4(OH)(AC) 30 kg γ Al203 (9965) 010 kg Au (035) 026kgHAuCl4 007kg Cl2 35kgNH4(OH) 1101185 kgH2O 0086kgHAuCl4 45 kg NH4(OH)(AC) 1101185 kg H20
cantidad de γ Al2O3 = 026kgHAuCl4 x 324
32 02330860
100 AlkgkgHAuCl
OAlkg γγ=
cantidad de kgAu = 035 x kgAukg 10506599
30=
cantidad de kg Cl2 = 01 kgAu x
22
2 07201000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de HAuCl4 = 005kgAu x
44
4 08601000
11
973391
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 54
UAM-I
cantidad de kgNO4(OH) = 30 kg γ Al203 x ( )OHkgNHAlkg
OHkgNO4
32
4 0510100
)(53=
γ
105 kg γ Al203 035 kg NH2(OH) 105 kg γ Al203 (9965) 004 kg Au (035) 009kg HAuCl4 003 kg Cl2 45kgNH4(OH) 1101185 kg H20 0017kgHAuCl4 485kgNH4 (OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 009 HAuCl4 x 324
32 04710860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad kg de NH4 (OH) = 105kg γ Al203 x ( ) )(3500100
534
32
4 OHkgNHAlkg
OHkgNH=
γ
cantidad de Cl2 = 004 kg Au x
22
2 02901000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
gAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 =
44
44 02001701000
11
973391
197196
11
1000010 kgHAukgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgr
molAuxkg
grkgAux asymp=
Ingenieriacutea Quiacutemica 55
UAM-I
23 kg γ Al203 008kgNH4(OH) 002 kg HAuCl4 23 kg γAl203 (9965) 485kgNH4(OH) 0008kgAu(035) 1101185kg H2 0001kg Cl2
0014 kg HAuCl4 493kgNH4(OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 002kgHAuCl4 x 324
32 032860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad de kg Au = 035 x kgAukg 00806599
32=
cantidad de kgCl2 = 0002kgAu x
24
4 00101000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 = 0008kgAu x
44
44 01401000
11
973341
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 56
UAM-I
APEacuteNDICE C ACCESORIOS EN EL DISENtildeO
Agitador
Agitadores de Heacutelice se escogioacute este tipo de agitador por ser tener las siguientes
caracteriacutesticas [3]
bull Es un agitador de flujo axial
bull Se emplea para liacutequidos pocos viscosos
bull Giran a toda la velocidad del motor
bull Las corrientes de flujo se mueven a traveacutes del liacutequido en una direccioacuten
determinada hasta que son desviadas por el fondo o las paredes del tanque
bull Las palas de la heacutelice cortan o friccionan vigorosamente el liacutequido
bull Los agitadores de heacutelice son eficaces para tanques de gran tamantildeo
Horno
bull El horno se escogioacute por ser tener las siguientes caracteriacutesticas [5]
bull El horno de construccioacuten metaacutelica
bull La caacutemara de combustioacuten estaacute construida mediante hormigones refractarios
de alta resistencia mecaacutenica
bull Las materias secar y calcinar se carga de forma manual
Ingenieriacutea Quiacutemica 57
UAM-I
Bomba
DISENtildeO Bomba centrifuga para operacioacuten horizontal o vertical del impulsor
cerrado succioacuten al extremo descarga hacia arriba tangencial simple succioacuten de un
paso con carcaza partida verticalmente [3]
ROTACIOacuteN En el sentido del reloj vista desde el cople
CARACTERIacuteSTICAS Conexiones brindadas con registro ubicado en la cabeza de
succioacuten para facilitar su limpieza
SERVICIO Debido a que es posible colocarla en posicioacuten horizontal o vertical tanto
en caacutercamos secos como huacutemedos y por el disentildeo de su impulsor que soacutelidos de
gran tamantildeo esta bomba es ideal para los procesos de tratamientos de agua y
manejo de liacutequidos en suspensioacuten en general
CAPACIDADES
GASTO Hasta 3000 GPM
CDT Hasta 80rsquo
PRESIOacuteN 106 Kgcmsup2
POTENCIA De 1 a 60 Hp
VELOCIDAD (1175 - 3550 RPM)
TEMPERATURA 125degC
Ingenieriacutea Quiacutemica 58
UAM-I
Bombas Centriacutefugas
Las maquinas centriacutefugas estaacuten constituidas por un impulsor o rodete formado por
una serie de aletas radiales diversas formas y curvaturas que giran dentro de una
caja circular El fluido penetra por el ojo o eje de rotacioacuten y se descarga maacutes o
menos radialmente en una caacutemara perifeacuterica a una elevada presioacuten que
corresponde a la suma de la fuerza centriacutefuga de la rotacioacuten maacutes la cineacutetica
comunicada al fluido por las aletas La parte moacutevil de la bomba es el rodete Las
aletas del rodete se extienden desde el centro de rotacioacuten hacia la periferia y las
bridas son los discos de refuerzo a cada lado de las aletas que las envuelven Las
aletas pueden ser radiales curvadas ligeramente hacia delante en el mismo sentido
de la rotacioacuten o estar curvadas al reveacutes en el caso maacutes comuacuten en el disentildeo se
determino el rodete siguiente por sus caracteriacutesticas Fig 1
Figura 1 Corte parcial de un rodete de centriacutefuga para grandes cargas y secciones
de paso estrechas empleando con liacutequidos corrosivos o suspensiones de pequentildeas
partiacuteculas[4]
Ingenieriacutea Quiacutemica 59
UAM-I
APENDICE D CALCULO DE POTENCIA DE BOMBAS (8)
Potencia de la bomba de la cisterna 1 que alimenta a los mezclador 4
Ecuacioacuten de Bernoulli
sum sumint =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛+++∆+∆i i
i
P
P
evvfDLvwdphgv 0
21
21
ˆ1
21 222
2
1ρ
a b c d e f
a Diferencia de velocidades
b Diferencia de alturas
c Diferencia de presiones
d Trabajo
e Perdidas de friccioacuten en tuberiacuteas
f Perdidas de friccioacuten en accesorios
En la ecuacioacuten anterior se pueden eliminar algunos teacuterminos
21 mts
6 mts 35 mts
Figura 1 Balance de cisterna 1 a mezclador 4
Se debe de tener dos puntos de referencia para la utilizacioacuten de la ecuacioacuten de
Bernoulli de los cuales se anotaron en la figura 2
Ingenieriacutea Quiacutemica 60
UAM-I
21 mts
2 1 6 mts 35 mts
Figura 2
Teniendo los puntos de referencia se analiza que las diferencias de velocidades son
cero en ambos puntos por lo tanto el termino 2
21 ν∆ es igual a cero
El termino de = (981hg∆ 2segm )(35m ndash 0) = 34335 2
2
segm
El termino de int2
1
1P
P
dpρ
se tiene que la cisterna y el tanque de mezclado ambos no
estaacuten cerrados y por lo tanto no originan un cambio de presioacuten y el termino es cero
De esta expresioacuten L longitud de tuberiacutea
tro de tuberiacutea
n el interior del tubo
v
Para la l radio del tubo que
sum ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
i
fDL2
21 ν
D diaacuteme
f perdidas de friccioacuten e
velocidad del flujo de agua
obtencioacuten de la velocidad se tiene el flujo volumeacutetrico y e
es de 32 cm =0032mts con la ecuacioacuten
Ingenieriacutea Quiacutemica 61
( )( ) sm
ms
m
RQ 761
032060min1)
min340(
2
3
2 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
==ππ
ν
UAM-I
Se reportan valores de perdida de fr
e reduce teacuterminos
iccioacuten en tubos que son igual a 005
Por lo tanto sustituyendo los teacuterminos en la ecuacioacuten de Bernoulli s
sum sumint =⎟⎠
⎜⎝
+⎟⎠
⎜⎝
+++∆+∆i i
iP
evvfD
vwdphgv 022
ˆ2
1ρ
⎞⎛⎞⎛ L 111 2222
or tanto el termino de trabajo queda expresado de la siguiente manera
tanto la bomba comunica al fluido que circula en el sistema un trabajo
+11727
P1
p w
sum sum ∆minus⎟⎠⎞
⎜⎝⎛minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛minus=
i ii
hgevvfDLvw 22
21
21
ˆ
( ) ( )
Este es el trabajo ( por unidad de masa) producido por el fluido en la bomba por lo
22
sm o 11727 981 = 1195
m
fKg
Kgm
La velocidad de flujo de masa es
Por lo tanto
1 )=6694
951)(675(ˆ =minus=minus WwW smkg f = 088Hp = 1Hp
Siendo esta ida para esta bomba El procedimiento anterior se
iguioacute para cada bomba de la planta
AP E
la potencia requer
s
EacuteNDICE
TOXICOLOGIacuteA DE MATERIAS PRIMAS [6]
( ) ( ) ( )( ) ( )( )msm
smmmm
sm 538192201150761
21050
032021536761
21
2
22minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ +minus⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ++
minus=wm
22
27117ˆ smw minus=
( )s
kgmkgQw m675100060340 3 === ρ
Ingenieriacutea Quiacutemica 62
UAM-I
HIDROacuteXIDO DE SODIO
Polvo corrosivo blanco delicuescente
Toxicidad
Concentracioacuten Maacutexima permisible 2mgm3 en aire
Signos y Siacutentomas Conjutivitis quemaduras corneales y de la piel Irritacioacuten
seas vomito dolor abdominal y diarrea a veces con
Lavado de las partes afectadas tranquilizantes sulfato de
decuada gafas protectoras o pantallas para
ignos y Siacutentomas Irritacioacuten de ojos quemaduras corneables tos dolores
l hemoptisis dolor de cabeza dolor epigaacutestrico nauseas y vomito
lmonar
Tratamiento lavado de ojos con agua reposo oxigeno con aparato de respiracioacuten
con onantes
ACIDO NITRICO
Liquido corrosivo sofocante de incoloro a amarillento
ioacuten maacutexima permisible 10ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
del tracto respiratorio nau
sangre
Tratamiento
morfina para el dolor y cortisona
Medidas preventivas Ventilacioacuten a
la cara completa mascarilla con filtro mecaacutenico guantes delantares botas de
goma y acentuar la limpieza personal
CLORO
Gas pasado amarillo verdoso
Toxicidad
Conc Maacutexima permisible 1 ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten
S
retrosterna
debilidad cianosis y edema pu
trolada bronco dilatadores y descongesti
Toxicidad
Concentrac
Ingenieriacutea Quiacutemica 63
UAM-I
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
Signos y siacutentomas Erosioacuten dental estornudo tos Dolor en el pecho bronquitis y
la las partes contaminadas del cuerpo con solucioacuten al 5 de
de las quemaduras con pantildeos
de triacuteo sulfato soacutelido si se a ingerido
vado de ojos con agua
ACIDO CLORIDRICO
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
ivitis necrosis corneal por inhalacioacuten rinitis erosioacuten
dolor de cabeza palpitacioacuten por ingestioacuten
s en la boca faringe esoacutefago estomago salivacioacuten vomito Soc
agua lavada de agua y jaboacuten de las partes
preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
AacuteC
El c
con o de hidroacutegeno una
concentracioacuten de 12 molLt Este aacutecido es un liacutequido incoloro con un olor aacutecido
bronconeumoniacutea
Tratamiento
bicarbonato soacutelido o con agua y jaboacuten Tratamiento
mojados con solucioacuten saturada
administracioacuten por viacutea oral de solucioacuten de jaboacuten Hidroacutexido caacutelcico o alumiacutenico u
oacutexido de magnesio
Medidas preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores excluir de la exposicioacuten
a los individuos con enfermedades de pulmones y rintildeones
Gas incoloro o liacutequido o a amarillento
Toxicidad
Concentracioacuten maacutexima permisible 5ppm en aire
Signos y siacutentomas conjunt
dental laringitis bronquitis neumoniacutea
quemadura
nefritis
Tratamiento lavado de ojos con
contaminantes del cuerpo tratamiento ordinario de quemaduras lavado gaacutestrico
se a ingerido con solucioacuten de bicarbonato soacutedico al 5 seguido de una instilacioacuten
de gel de hidroacutexido de aluminio
Medidas
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores
IDO CLORHIacuteDRICO
loruro de hidroacutegeno es en extremo soluble en agua de hecho el aacutecido clorhiacutedrico
centrado contiene cerca del 38 en masa de clorur
Ingenieriacutea Quiacutemica 64
UAM-I
pronunciado que se debe al equilibrio entre el cloruro de hidroacutegeno gaseoso y
ste con el aacutecido fluorhiacutedrico el aacutecido clorhiacutedrico es un aacutecido fuerte (pKa = -
7) y se ioniza casi totalmente
gar de aacutecido sulfuacuterico auque en menor grado Por
jemplo el zinc metaacutelico reacciona con aacutecido clorhiacutedrico para dar el ion zinc e
hidroacutegeno gaseoso
Zn(s) + 2HCl(ac) ZnCl2(ac) + H2(g)
l para producir aacutecido clorhiacutedrico en el laboratorio es generar
cloruro de hidroacutegen e sodio y el aacutecido
ulfuacuterico En el primer paso a 150degC se forma hidroacutegeno sulfato de sodio
NaHSO4(s) + HCl(g)
io y maacutes
loruro de hidroacutegeno gaseoso Luego el gas se disuelve en agua para formar el
aacutecido
NaHSO4(s) + NaCl(s) Na2SO4(s) + HCl(g)
acuoso
HCl(ac) HCl(g)
El reactivo de grado teacutecnico a menudo tiene un color amarillento por una impureza
del ion hierro (III)
En contra
HCl(ac) + H2O(l) H2O+(ac) + Cl -(ac)
Por ello a menudo se prefiere usar aacutecido clorhiacutedrico diluido en lugar de aacutecido niacutetrico
que es muy oxidante y en lu
e
Cuando el zinc reacciona con el aacutecido niacutetrico es comuacuten que se reduzca una parte
del ion nitrato para dar dioacutexido de nitroacutegeno
El meacutetodo tradiciona
o gaseoso por la reaccioacuten entre el cloruro d
s
NaCl(s) + H2SO4(l)
La mezcla se calienta a 550degC temperatura a la cual el hidroacutegeno sulfato de sodio
reacciona con un exceso de cloruro de sodio para formar sulfato de sod
c
∆
Este meacutetodo se usa tambieacuten en la industria otra forma de producir cloruro de
hidroacutegeno es por la combinacioacuten directa de dicloro y dihidroacutegenogaseosos
Ingenieriacutea Quiacutemica 65
UAM-I
H2(g) + Cl2(g) 2HCl(g)
La mayor cantidad de cloruro de hidroacutegeno que se produce actualmente es un
CH4(g) + 4Cl2(g) 4(l) + 4HCl(g)
riacuten de superficies de acero en un bantildeo aacutecido en la purificacioacuten de glucosa
y jarabe de maiacutez e s y de gas y en la
bricacioacuten de compuestos clorados El aacutecido se puedo comprar en muchas
nducida por la luz
4HNO3(ac) 4NO2(g) + O2(g) + 2H2O(l)
niacutetrico como disolvente)
H2NO3+ H2O + NO2
+
l siguiente
3HNO NO3 ndash
subproducto de otros procesos industriales como la siacutentesis de tetracloruro de
carbono
CCl
Se consumen cerca de 107 toneladas de aacutecido clorhiacutedrico cada antildeo en todo el
mundo Este aacutecido tiene una gama muy amplia de usos como aacutecido comuacuten para
eliminar o
n el tratamiento con aacutecido de pozos petrolero
fa
ferreteriacuteas con el arcaico nombre de aacutecido muriaacutetico sus principales usos caseros
son la limpieza de superficies de concreto y la eliminacioacuten de herrumbre Un nuacutemero
muy reducido de personas es incapaz de sintetizar suficiente jugo gaacutestrico y deben
de ingerir caacutepsulas de aacutecido clorhiacutedrico diluido con cada comida
AacuteCIDO NIacuteTRICO
El aacutecido niacutetrico un liacutequido aceitoso e incoloro en estado puro es sumamente
peligroso El aacutecido que funde a ndash42degC y hierve a +83degC tiene por lo general un
ligero color amarillo a causa de una reaccioacuten de descomposicioacuten i
En un estado puro el aacutecido niacutetrico liacutequido praacutecticamente no conduce la electricidad
Una pequentildea porcioacuten se ioniza como sigue (todas estas especies existen en el aacutecido
2HNO3(l) H2NO3+ + NO3
ndash
H2O + HNO3 H3O+ + NO3 ndash
Para dar la reaccioacuten globa
3 NO2+ + H3O + 2+
Ingenieriacutea Quiacutemica 66
UAM-I
El catioacuten nitrilo es importante en la nitracioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas por ejemplo la
obenceno C6H5NO2 una etapa importante en
umerosos procesos industriales orgaacutenicos
El aacutecido niacutetrico con en agua mientras
ue el ldquoaacutecido niacutetrico fumanterdquo un oxidante extremadamente poderoso es una
vez de ello se produce una mezcla de
sistema que da un orden de
vista industrial el
oceso
e lleva a cabo en tres etapas Primero se hace pasar una mezcla de amoniaco y de
dioxiacutegeno (o aire) un proceso muy
ficiente y exoteacutermico que hace que la malla se ponga al rojo Esta etapa se verifica
conversioacuten de benceno C6H6 en nitr
n
centrado es en realidad una solucioacuten al 70
q
solucioacuten roja de dioacutexido de nitroacutegeno en aacutecido niacutetrico puro Incluso cuando esta
diluido el aacutecido niacutetrico es un oxidante tan fuerte que rara vez desprende hidroacutegeno
cuando se pone en contacto con metales en
oacutexidos de nitroacutegeno y el metal se oxido a su catioacuten
Los enlaces O-N son mucho maacutes cortos (121 pm) que el enlace O-N unidos al aacutetomo
de hidroacutegeno (141 pm) Esta longitud de enlaces indica que hay enlaces muacuteltiples
entre el nitroacutegeno y los dos aacutetomos de oxiacutegeno terminales Ademas de los electrones
del sistema σ hay cuatro electrones que participan en el sistema π O-N-O dos de un
orbital enlazante y dos en un orbital no enlazante
enlace de 112 para cada uno de esos enlaces nitroacutegeno- oxiacutegeno
A veces se nos olvida hasta queacute punto nuestra experiencia depende de la
termodinaacutemica y la cineacutetica Por ejemplo la primera siacutentesis industrial de aacutecido
niacutetrico se llevaba ha cabo por simple combinacioacuten de diniacutetrogeno dioxiacutegeno y agua
utilizando un horno de arco eleacutectrico a fin de proporcionar la energiacutea necesaria par
superar la muy elevada barrera cineacutetica Aunque desde el punto de
factor cineacutetico constituiacutea un problema en realidad es una bendicioacuten por que sin esta
barrera cineacutetica hace mucho tiempo que todo el dioacutexido de la atmoacutesfera se abriacutea
transformado en aacutecido niacutetrico y nuestros mares serian de aacutecido niacutetrico diluido
frac12 N2(g) + 54O2(g) + 12H2O(g) HNO3(g)
Ahora se utiliza el proceso Ostwald para la siacutentesis de aacutecido niacutetrico Este proceso
consume gran parte del amoniaco que se produce por el proceso Haber El pr
s
a traveacutes de una malla de platino metaacutelico Eacuteste es
e
a baja presioacuten para aprovechar el efecto entropico es decir la formacioacuten de 10
moles de gas a partir de 9 moles de gas (una aplicacioacuten del principio de Le Chatelier)
para desplazar el equilibrio a la derecha
Ingenieriacutea Quiacutemica 67
UAM-I
4NH3(g) + 5O2(g) 4NO(g) + 6H2O(g)
Se agrega maacutes oxiacutegeno para oxidar el monoacutexido de nitroacutegeno a dioacutexido de nitroacutegeno
A fin de mejorar el rendimiento de esta reaccioacuten exoteacutermica se extrae calor de los
ases y la mezcla se somete a presioacuten
2HNO3(l) + NO(g)
Esta reaccioacuten tambieacuten es exoteacutermica y una vez maacutes se aplica enfriamiento y alta
la
egunda etapa para oxidarlo de nuevo
La contaminacioacuten s de aacutecido niacutetrico
as plantas maacutes antiguas eran faacutecilmente identificables por la fumarola cafeacute-
antas maacutes antiguas ahora mezcla cantidades
en Estados Unidos porque un 20
dedica ala produccioacuten de explosivos
or ultimo el aacutecido niacutetrico es un liacutequido que hierve a 826degC No existe como liacutequido
g
2NO(g) + O2(g) 2NO2(g)
El dioacutexido de nitroacutegeno se mezcla con agua para dar una solucioacuten de aacutecido niacutetrico
3NO2(g) + H2O(l)
presioacuten par obtener el maacuteximo rendimiento El monoacutexido de nitroacutegeno se vuelve a
s
soliacutea ser un problema importante de las planta
L
amarillento del dioacutexido de nitroacutegeno que escapaba por ellas Las plantas maacutes
antiguas eran faacutecilmente identificable por la fumadora cafeacute-amarillo del dioacutexido de
nitroacutegeno que escapaba de ellas Las pl
estequiomeacutetricas de amoniaco con las oacutexidos de nitroacutegeno con lo cual se obtiene
dinitroacutegeno y vapor de agua ambos inocuos
NO(g) + NO2 (g) + 2NH3(g) 2N2(g) + 3H2O(g)
En todo el mundo alrededor del 80 del aacutecido niacutetrico se utiliza en la produccioacuten de
fertilizantes Esta proporcioacuten es de solo el 65
se
P
puro porque en alguna medida se descompone espontaacuteneamente como sigue
4HNO3(l) 4NO2(g) + 2H2O(l) + O2(g)
Ingenieriacutea Quiacutemica 68
UAM-I
El aacutecido niacutetrico concentrado que se usa en el laboratorio estaacute al 68 en masa HNO3
(densidad 142 gcm3) lo que corresponde a 157 M
l aacutecido niacutetrico es un poderoso agente oxidante El nuacutemero de oxidacioacuten del N en el
) El aacutecido niacutetrico puede oxidar
nto a metales que estaacuten abajo del hidroacutegeno como aquellos que se encuentran
4Zn2+(ac) + NH4
+(ac) + 3H2O(l)
do no oxida al oro Sin embargo cuando se mezcla con
cido clorhiacutedrico concentrado en relacioacuten 13 en volumen (una parte de HNO3 a tres
partes al oro
omo sigue
APEacuteNDICE F
ETODO DE DEPOSICIOacuteN-PRECIPITACIOacuteN
E
HNO3 es + 5 Los productos maacutes comunes de la reduccioacuten del aacutecido niacutetrico son el
NO2 (N = + 4) el NO (N = + 2) y el NH4+ (N = - 3
ta
arriba en la serie de actividades Por ejemplo el cobre es oxidado por el aacutecido niacutetrico
concentrado como se mencionoacute antes
En presencia de reductores fuertes como el zinc metaacutelico el aacutecido niacutetrico se puede
reducir hasta ion amonio
4Zn(s) + 10H+(ac) + NO3
-(ac)
El aacutecido niacutetrico concentra
aacute
de HCl) la disolucioacuten resultante denominada agua regia puede oxidar
c
Au(s) + 3HNO3(ac) + 4HCl(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O(l) + 3NO2(g)
M
Ingenieriacutea Quiacutemica 69
UAM-I
APEacuteNDICE G
ISENtildeO DEL MEZCLADOR [4]
1) 100 ml H2O gr soporte
2) NH4(OH)
Ajustar a PH = 9 4) HAuCl4 (solucioacuten acuosa al 25E-3M)
6) Filtrado o centrifugado
3) En Agitacioacuten por 2 hr
8) Secado por 2hr a 80 degC
9 ) Calcinado por 4hr a 400 degC
7) Lavado
5) Antildeegamiento por 30 min
D
Ingenieriacutea Quiacutemica 70
UAM-I
El disentildeo de un tanque agitado dis n nuacutemero de elecciones sobre el
po y localizacioacuten del agitador las proporciones del tanque el nuacutemero y dimensiones
ada una de estas decisiones afectan a la velocidad
e circulacioacuten del liacutequido los modelos de velocidad y el consumo de potencia Como
pone de un gra
ti
de las placas deflectoras etc C
d
punto de partida en el disentildeo de los problemas ordinarios de agitacioacuten generalmente
se utiliza un agitador de turbina del tipo que se muestra en la figura 1 La proporcioacuten
tiacutepica es
31
=t
a
DD
1=tD
H 121
=tD
J 51
=aD
W 41
=aD
L
de estas ecuaciones se disentildeara el mezclador como datos se tiene el valor H que es
igual a 3 mts y el diaacutemetro del tanque D
Se determinara la medida de los reflectores
t que es igual 3 mts
121
=tD
J se despeja J
elacioacuten R31
=t
a
DD
se despeja Da
Relacioacuten
41
=aD
L se despeja L
elacioacuten se despeja W
( ) ( ) cmmtsmtsDJ 25250311==⎟
⎞⎜⎛=⎟
⎞⎜⎛= t 1212 ⎠⎝⎠⎝
( ) ( ) mtsmtsDD ta 1331
31
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=
( ) ( ) mtsmtsDL a 250141
41
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛= cm25=
51
=aD
WR
Ingenieriacutea Quiacutemica 71
UAM-I
Figura 2 a) Vista transversal del mezclador b) paletas del mezclador con la
donde se deposita el soporte
Figura 1 Medidas de un agitador de turbina
a) b)
s rejillas
H
J
E L
Da
D t
W
W
( ) ( ) cmmtsmtsDW a 2020151
5==⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎜⎝
=1 ⎞⎛
Ingenieriacutea Quiacutemica 72
UAM-I
C A P I T U L O III
D I S E Ntilde O D E L A P L A N T A I N D U S T R I A L
Catalizadores de Oro Soportado 24
UAM-I
31 INTRODUCCIOacuteN
Este capitulo esta enfocado al disentildeo de la planta industrial donde se produciraacuten
catalizadores de Auγ-Al2O3 por el meacutetodo de Deposicioacuten-Precipitacioacuten (DP) descrito
en el capitulo 2
Parte de la produccioacuten de los catalizadores se destinaraacute a su venta en masa y otra
parte se destinaraacute para el equipo de purificacioacuten de calentadores de agua esto con
la finalidad que el catalizador que esta contenido dentro del equipo de purificacioacuten
cuando se desactive pueda remplazarse por catalizador nuevo disponible en el
mercado De esta forma se tendraacuten ganancias tanto al vender el equipo purificador
como al vender catalizador como materia prima
32 DISENtildeO DEL EQUIPO PURIFICADOR PARA CALENTADORES DE AGUA DOMEacuteSTICOS El equipo purificador se ubicaraacute a la salida del efluente gaseoso del calentador como
un equipo adicional como se muestra en la Figura 1 Se plantea colocarlo en una
posicioacuten tal que oxide a baja temperatura hasta el 90 de CO Las dimensiones del
purificador se determinaron seguacuten las especificaciones de calentador y el balance de
materia en el sistema purificador Estos caacutelculos se presentan en el Apeacutendice A
Los tubos de las chimeneas de los calentadores son de latoacuten por lo que se decidioacute
utilizar este material para la parte exterior la parte donde se colocaraacute el catalizador
es de 35 cm de longitud para colocarlo en el tubo de la salida del flujo de gas se
dieron 2 cm maacutes en cada extremo para hacer un tipo cople de manera que el tubo
entre en los extremos
Catalizadores de Oro Soportado 25
UAM-I
C O 2 2 0 c m 7 c m c m G A S C O
3
2cm
75 cm 35 cm
Figura 1 Esquematizacioacuten del equipo purificador y su ubicacioacuten en los calefones
Las dimensiones obtenidas (Apeacutendice A) y las caracteriacutesticas del purificado se
presentan en la Tabla 1
Tabla 1 Especificaciones de purificador
Material Latoacuten
Longitud 35 cm
Diaacutemetro 20cm
Cantidad de
Catalizador
700 gr
Catalizadores de Oro Soportado 26
UAM-I
33 PRODUCCIOacuteN DE LA PLANTA INDUSTRIAL A partir de un estudio de mercado se encontroacute que en la Ciudad de Meacutexico hay
cuando menos cuatro empresas principales (CALOREX ELSA MAGAMEX y
CINSA) que fabrican calentadores de agua residenciales[1 2] Estas en promedio
producen 150 calefones diarios Por cada calefoacuten se requiere un equipo purificador
En este sentido de requieren idealmente 600 unidades de purificacioacuten por diacutea Esta
base se utilizoacute para el disentildeo de la planta
A partir del balance de masa en el purificador y empleado los resultados
experimentales a nivel laboratorio (ver apeacutendice A) se encontroacute que cada purificador
requiere 07 Kg de catalizador A partir de este resultado se requiere producir al
menos 420 Kg de catalizador para satisfacer la demanda en la produccioacuten de
calefones Con base en el balance de materia realizado en el mezclador se
determinoacute que la cantidad de catalizador obtenido despueacutes de cuatro lotes es de
570 Kg Tomando el resto de catalizador como reserva por cualquier contratiempo El
nuacutemero de lotes se determinoacute en base a que fuese rentable la recuperacioacuten de oro
34 DISENtildeO Y OPERACIOacuteN DE LA PLANTA
La fabricacioacuten del catalizador a nivel industrial esta basada en el escalamiento del
meacutetodo de siacutentesis descrito en la parte experimental Lo cual es una praacutectica comuacuten
en la fabricacioacuten de materiales cataliacuteticos
Para la produccioacuten de 570 Kg por diacutea se plantea utilizar cuatro mezcladores (ver
Figura 2) que operaran durante 8 h con cuatro intervalos (o cargas) de 2 h y
descansos de 30 min (dejando 30 min libres por contratiempos) Esta operacioacuten se
elige con base en las horas de trabajo y el meacutetodo de preparacioacuten del catalizador
Al igual que en la parte experimental el proceso requiere operacioacuten por lotes debido
a que se necesitan largos tiempos de contacto para obtener catalizadores eficientes
en la oxidacioacuten de CO a baja temperatura Se pretende utilizar un agitador tipo
Catalizadores de Oro Soportado 27
UAM-I
canastilla[4] el cual permite colocar dentro de las mismas el catalizador para tener
una mejor impregnacioacuten de partiacuteculas de Au y eliminar la atricioacuten Las dimensiones
del agitador asiacute como del mezclador se presentan en la Figura 6
Al teacutermino de la uacuteltima carga en los mezcladores el lote completo del diacutea pasa al
horno para secarlo a 80degC por 2 h y calcinarlo a 400degC durante 4 h Durante estos
procesos se concluye la preparacioacuten del catalizador Las temperaturas y tasas de
calentamiento estaacuten basadas en el meacutetodo de preparacioacuten experimental descrito en
el Capitulo ll Posteriormente el catalizador producido pasa a la seccioacuten donde se
embolsa para ser vendido como materia prima y la otra parte pasa a la seccioacuten de
ensamblaje para fabricar el purificador
Dimensiones de la industria
Las dimensiones de los equipos como mezcladores cisternas tanque de
tratamiento horno etc se tomaron como base para poder suponer espacios entre
equipos para tener seguridad del personal Se dio preferencia a los mezcladores ya
que son las partes importantes en la elaboracioacuten de los catalizadores La cisterna
estaraacute enterrada para facilitar su llenado en el caso de los contenedores de HAuCl4
y NH4OH estaraacuten encima de bases maacutes altas que los mezcladores para poder
abastecerlos por gravedad Esto debido a que el volumen es poco no se requiere de
grandes cantidades por lo que no se requiere alguna bomba Se estuvo analizando
la forma de acomodar los equipos y se obtuvo la siguiente distribucioacuten que se
muestra en la Figura 3
En la Figura 4 se presenta el plano de la industria con sus respectivos
departamentos en la parte sur se encuentra la entrada principal en ella se encuentra
vigilancia y la entrada de empleados y obreros posteriormente esta la zona de
oficinas lado izquierdo del lado derecho se encuentra el estacionamiento para
clientes y empleados en el almaceacuten se encontraraacuten refacciones de equipo y
reservas de materia primas para los catalizadores en la zona de produccioacuten se tiene
el estacionamiento de proveedores para facilitar la entrada y salida del producto
Catalizadores de Oro Soportado 28
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado 29
Debido a que en cada industria debe existir un espacio recreativo se plantea una
cancha de Baacutesquetbol para los obreros y una zona de jardines en la parte norte
Ubicacioacuten de la industria
Para poder ubicar una industria es importante analizar la zona geograacutefica Para lo
cual se deben considerar algunos factores importantes por ejemplo No ubicarla en
zona de siacutesmica Si la industria requiere de un gran volumen de agua no ubicarla en
una regioacuten deseacutertica Si el producto es muy sensible al calor y la humedad evitar
zonas muy caacutelidas y huacutemedas Si se piensa vender el producto en una zona
especifica ubicar la industria cerca de la zona de venta para evitar gastos de
transportacioacuten A partir de este tipo de razonamientos se planea que debido a que el
producto que se elaborara que es un purificador cataliacutetico para su venta en la ZMVM
ya en ella estaacuten ubicadas las principales industrias de calentadores y debido a que la
planta requiere de un volumen considerable de agua se escogioacute el estado de
Morelos porque no esta muy lejos de la ZMVM y tiene reservas de agua Asiacute el gasto
de transportacioacuten de materias primas y sobre todo del producto elaborado seriacutea
pequentildeo
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
Agua
Tanque tratamien
Figur
NH4OH
HAuCl4
Produccioacuten de catalizadores
Recuperacioacuten de agua
de to
a
MezcladoresMezcladores
Cuando se requiere limpieza
Horno
Producto almaceacuten
30
1 Diagrama de produccioacuten Recuperacioacuten de cloro
UAM-I
35 BALANCE DE MATERIA DIAGRAMA DE FLUJO PARA DIFERENTES LOTES DE SOPORTE EN UN SOLO MEZCLADOR
Catalizadores de Oro So
05 Kg Au
10
0
086 Kg HAuCl4(ac)014 Kg H2O
035 Kg NO2(g)
2
35 Kg NH4(OH)(ac) (01M)
10000 Kg H2O
100 Kg Al3O
100 Kg Al2O3 (9965) 035 Kg Au (035) 025 Kg Cl2
026 Kg HauCl4(ac)35 Kg NH4(OH)
1101035 Kg H2O
O MEZCLADOR (t0)
10035 Kg catalizador
86 KgHAuCl4(ac)101035 Kg H2O
037 Kg HCl (ac) (105 M) 048 Kg HNO3(ac) (152 M)
porta
Kg N
30 Kg Al2Cl3
101021 Kg H2
do
H4 (OH) (ac) (01M) 30 Kg Al2O3 (9965) 01 Kg Au (035)
007 Kg Cl2
)
3
)
301 Kg catalizador MEZCLADOR (t1)
009 Kg HauCl4(ac)45 Kg NH4(OH)
1101035 Kg H2O
MEZCLADOR 1054 Kg catalizador
105 Kg Al2O3
(t2)
105 Kg Al2O3 (9965)
035 Kg NH4 (OH) (ac) (01M
004 Kg Au (035) 003 Kg Cl2
23 Kg Al2O
MEZCLADOR
(t3)23 Kg Al2O3 (9965)
2308 Kg catalizador
008 m3 NH4(OH) (ac) (01M
002 Kg HauCl4(ac)485 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
0008 Kg Au (035) 0006 Kg Cl2
0003 Kg HauCl4(ac)493 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
31
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado 32
DIAGRAMA DE FLUJO PARA UN MEZCLADOR
MEZCLADOR
1101035 Kg H2O
1428 kg γ-Al2O3
086 Kg HAuCl4
493 Kg NH4(OH)
0003 Kg HauCl4(ac)493 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
1433 Kg Catalizador
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
36 DIAGRAMA DE LA INDUSTRIA
INDUSTRIA DE CATALIZADORES
TANQUE DE TRATAMIENTO HORNO
CISTERNA 1
CONTENEDORDE AuCl3 CONTENEDOR DE
NH4OH ZONA DE LLENADO
DE SAPORTE
SE LLEVA AL HORNO
MANUALMENTE
PRODUCTOALMACEacuteN
Contenedor de HAuCl4
Figura 2 Diagrama de la distribucioacuten del equipo dentro del aacuterea de produccioacuten
33
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
37 DIMENSIONES DEL EQUIPO Y TUBERIacuteA
2 mts
2 mts 2 mts 6 mts 4 mts 3 mts 5mts 5 mts 3 mts 6 mts 3
3mts 3 mts 3mts 3 mts 3 mts
4 mts 1 5 mts 1 5 mts 4mts 4 7mts 4 mts 21 mts 7 2mts 26 mts 2 mts 21 mts 6 mts
3 5 mts 14 mts 6 mts 8 mts 1 5 mts 3 mts 5 mts 13 mts 8 mts 20 mts 30 mts
IN D U ST R IA D E C A T A L IZ A D O R E S
T AN Q U E D E T R AT AM IE N T O H O R N O
C IST E R N A 1
C O N T EN ED O RD E Au C l3
C O N T EN E D O R D E N H 4O H
ZO N A D E L LEN AD O D E SO PO R T E
AG UA PAR A JAR D IN ES
M E Z C L A D O R E S 12 3 y 4
1 2 3 4
A L M A C Eacute N
Contenedor de HAuCl4
Figura 3 Dimensiones del equipo y tuberiacutea requerida
34
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
38 PLANO DE DISTRIBUCIOacuteN DE AacuteREAS
Figura 4 Aacutereas de trabajo dentro de la planta
35
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
DIMENSIONES DE LA INDUSTRIA
Figura 5 Dimensiones de cada aacuterea de la planta industrial
36
UAM-I
Ingenieriacutea Quiacutemica 37
10 cm 3mts 1 mts 25 cm 15cm 5 cm 5 cm 3mts 150 mts 10 cms 100 mts 20 cm
003 mts
Figura 6 Dimensiones del mezclador y del Agitador
UAM-I
Las dimensiones de las canastillas se determinaron a partir del balance de masa y la
produccioacuten requerida La carga de un contenedor de soporte que es de 100kg del
cual el agitador tiene 4 canastillas cada una corresponde 25 Kg la masa se obtuvo
del balance de materia y su densidad 600 Kgm3 con el que se obtuvo un volumen de
0043 m3
39 ANAacuteLISIS FINANCIERO
El costo de materias primas se muestra en la Tabla 2 en la que tambieacuten se incluyen
los flujos de alimentacioacuten requeridos para el proceso a partir de los cuales se
determinaron los costos diarios
Tabla 2 Costo de materias primas [5]
Compuesto
Alimentacioacuten
por diacutea
Costo
USDKg
Costo Total
USDdiacutea
Au 2 kg 10596 2119200
HCl 15 Kg 52 780
HNO3 20 Kg 022 044
-Al2O3 5712 Kg 034 19421
Canastillas 500 piezas 15 75000
NH3(OH) 200 Kg 034 680
H2O 440414 Kg 282 282
Total de Materia Prima 2215407
El costo se determinoacute considerando la cantidad de material el tamantildeo y el costo de
manufactura
El costo se determinoacute para uso industrial conforme establece la tesoreriacutea de
Meacutexico
Ingenieriacutea Quiacutemica 38
UAM-I
PERSONAL REQUERIDO PARA LA INDUSTRIA
La Tabla 3 establece los salarios mensuales anuales y las prestaciones del IMSS
para el personal de la planta
Tabla 3 Salarios y Prestaciones del Personal
Mano de Obra (USDmes)p
ersona
USDmes USDantildeo Prestaciones
IMSS
1 Gerente 2000 2000 24000
1 Administrador 1000 1000 12000
1 Secretaria 400 400 4800 1193
Total de Salarios
Administrativos
40800 1193 409193
9 Obrero 150 150 1800 448
1 Teacutecnico 200 200 2400 597
1 Policiacutea 200 200 2400 597
1 Mantenimiento 180 180 2160 538
1 Limpieza 150 150 1800 448
Total de Salarios
Proceso
10560 2628 108228
Los salarios se determinaron en base al salario miacutenimo vigente en la Ciudad de
Meacutexico (2003)[29]
Ingenieriacutea Quiacutemica 39
UAM-I
PERSONAL
Departamento de produccioacuten
Se tendraacute 2 obreros en el llenado de soporte en las rejillas un obrero encargado del
traslado de rejillas por medio de la banda de los motores a cada contenedor un
obrero en cada contenedor de NH4OH y HAuCl4 en cada mezclador se tiene 1
obrero para descargar y cargar las rejillas a la banda que se trasladaran al horno en
el horno se tiene 1 obrero encargado del secado y calcinado el producto se traslada
al almaceacuten donde estaraacuten 2 obreros que reciben el producto y materias primas de los
proveedores se tiene 1 teacutecnico supervisando los equipos un encargo del
mantenimiento de los equipos
Departamento de personal
Gerente de la industria un administrador encargado de compra y venta de materias
primas una secretaria
Ingenieriacutea Quiacutemica 40
UAM-I
CAPITAL FIJO
La Tabla 4 muestra el costo de los equipos requeridos en la planta asiacute como el
Capital Fijo y la Inversioacuten del Capital Total
Tabla 4 El equipo se costeo usando las correlaciones de Ulrich [6] y empleando el
programa de Capcost
EQUIPO USD
4 Contenedores 23584
4 Agitadores (456kW) 269760
1 Horno (25 kW) 15700
15 Bombas (1469kW) 43081
1 Motor (114 kW) 67440
Tuberiacuteas 42150
2 Cisternas 174183
Vaacutelvulas 1283
Accesorios
(codos 90ordm y de 45ordm te)
1474
CAPITAL FIJO 638655
Capital de Trabajo 9579825
INVERSIOacuteN DE
CAPITAL TOTAL
73445325
Los caacutelculos y las correlaciones empleadas para el costeo del equipo se anexan en
el Apeacutendice A
Ingenieriacutea Quiacutemica 41
UAM-I
GASTOS GENERALES
Tabla 5 Proporciona el total de gastos anuales con lo cual se estima el precio por
kilo de catalizador y por unidad purificadora
Tabla 5 Gastos Generales anuales
USDAntildeo
Materias Primas 531697680
Mano de Obra de Operacioacuten 1082280
Mano de Obra de Oficina 4091930
Servicios Electricidad 2620100
Total de Gastos Generales 539491990
CFE
Produccioacuten diaria de Catalizador = 574 Kg
Precio de Catalizador = 40 USDKg
Produccioacuten diaria de unidades purificadoras = 500
Precio por unidad = 50USD
Ganancia diaria = 22960 USD
Ganancia Anual = 5510400 USD
DETERMINACIOacuteN DE LA RENTABILIDAD DEL PROYECTO
TPI (Actual) = 10
PR (Factor de riesgo) = 25
TREMA = TPI + PR
TREMA = 35
TIR (del proyecto) = 90
TIR gt TREMA
Puesto que la TIR es mayor que la TREMA se tiene que el proyecto es rentable [6]
Ingenieriacutea Quiacutemica 42
UAM-I
310 CONCLUSIONES
En el desarrollo de la industria para la fabricacioacuten de catalizadores se tuvo un
resultado satisfactorio a pesar de la falta de informacioacuten disponible acerca de
industrias de catalizadores debido a que esta informacioacuten no es publica El proyecto
que elaboramos es novedoso en nuestro paiacutes ya que no existen registros de una
industria que produzca catalizadores de oro soportados en aluacutemina
Durante el desarrollo del proyecto se planteoacute trabajar con compuestos como NOx y
COVS sin embargo debido a la falta de tiempo no se logroacute concluir la
experimentacioacuten en estos campos Debido a esto se tomoacute la decisioacuten de trabajar en
la oxidacioacuten cataliacutetica de CO Esto debido a varios factores por ejemplo la
disponibilidad de gases y sobre todo los costos que esto implicaba
Para el desarrollo del catalizador se analizaron diferentes tipos de preparacioacuten y se
eligieron dos meacutetodos diferentes Deposicioacuten-precipitacioacuten e Impregnacioacuten Los
catalizadores se evaluaron bajo diversas condiciones en la oxidacioacuten de CO El
catalizador que presentoacute mayor conversioacuten con el catalizador a baja temperatura fue
el sintetizado por el meacutetodo de Deposicioacuten-precipitacioacuten el cual se utilizoacute para el
disentildeo de la Industria El disentildeo estaacute basado en la forma de preparacioacuten del
catalizador Por esto la parte maacutes importante de la planta es el tanque de mezclado
el cual se disentildeo tomando en cuenta los diferentes disentildeos de agitadores para tener
un mezclado oacuteptimo Se incorporo en la parte superior del agitador las canastillas
para las pastillas cataliacuteticas y el tipo de Horno que se usara para el secado y
posteriormente el calcinado Una parte importante es la produccioacuten de catalizador
para este problema se investigoacute en que parte se podriacutea utilizar a diferencia de los
catalizadores para automoacuteviles Se llego a la decisioacuten de poder desarrollar un
catalizador para los calentadores de agua se obtuvo informacioacuten de la fabrica de
calentadores cal-o-rex en la produccioacuten diaria de calentadores y de esta informacioacuten
se pudo calcular la posible demanda de nuestro producto Una parte importante en
las industrias son el tipo de bombas ya que existen diversos modelos en nuestro
disentildeo se escogioacute las bombas centriacutefugas con rodetes para agua que contiene
pequentildeas partiacuteculas de soacutelidos
En la parte de servicios para personal se investigo los sueldos de cada empleado Se
determinoacute el costo de los equipos y finalmente llegamos a la parte que nos interesa
Ingenieriacutea Quiacutemica 43
UAM-I
del disentilde es decir si el proyecto es rentable o no En este caso particular se tuvo un
valor aceptable y se definioacute que el disentildeo es rentable Esto indica que seria una
industria que tendriacutea ganancias y a la vez que el producto que se fabrique nos
ayudaraacute a todos a reducir la emisioacuten de CO en los hogares aportando una pequentildea
ayuda al medio ambiente
COMENTARIOS
Los conocimientos adquiridos durante este tiempo fueron provechosos en la parte
teoacuterica y praacutectica aclaramos dudas de como y porque se comportan las reacciones
quiacutemicas y los procesos de flujos Durante el desarrollo del proyecto aprendimos a
observar y la importancia de entender fiacutesicamente las algunos procesos relacionados
con la siacutentesis y caracterizacioacuten de materiales cataliacuteticos
Ingenieriacutea Quiacutemica 44
UAM-I
38 BIBLIOGRAFIacuteA
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Ingenieriacutea Quiacutemica 46
UAM-I
APEacuteNDICE A
CRITERIOS PARA DETERMINAR QUIEacuteN CONTROLA EL PROCESO
Criterio de weisz para difusioacuten interna
Ec(12-16 Fogler) Los valores que se sustituyen en las siguientes ecuaciones fueron
tomados del catalizador que se analizo en el laboratorio
CWP = ( )
AS
cObsA
DeCRcr 2minus
lt 1
-rA(Obs) = velocidad de reaccioacuten observada molgcats Cc = concentracioacuten volumeacutetrica molm3
CAS = concertacioacuten en la superficie molm3
D= diaacutemetro del granulo m R = radio del granulo m De = difusividad efectiva m2s
d = 0149mm mxmm
m 4104911000
1 minus=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
CWP = ( )( )3
32
24
33
103470184200350
21049150800010681
minus
minusminus
=⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞⎜
⎝⎛
x
mmol
hrm
mxcatm
gcathgcat
molx
734x10-3 lt 1 No hay limitante por la difusioacuten interna
Ingenieriacutea Quiacutemica 47
UAM-I
Criterio de mears para difusioacuten interna Ec(12-62 Fogler)
Mm = 150ltAbc
bA
CkRnr ρminus
Mm =( )( )
0570
136000184200220
31110457508000106851
3
53
3
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ minusminus
hrs
mmol
sm
mxcatmgcat
hgcatmolx
0057 lt 015 no hay efecto de transferencia de masa externa Calculo de Dab para calcular el coeficiente de trasferencia de masa Ec(78 Lobo)
De =
KAAB DD11
1
+
DKA = 970X103 (80X10-8)(s
cmK 221 1090)
2400( =
DAB = 00018583ABAB
BA
PMMT
Ω
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ +
2
2123 11
γ
Para CO
0110=isin
Bk 0593 A=γ
Para O2
Ingenieriacutea Quiacutemica 48
UAM-I
0113=isin
Bk 0453 A=γ
( ) 51343359321
=+=ABγ
( )( )[ ] 21113110BAB k=isin A la temperatura de 400degK
( ) 583))113)(110((
40021 =
deg=
isin B
B
AB
B
KKKTK
Ω AB = 0907 Sustituyendo
DAB =s
cm2
2
2123
9730)9070()513(
)21281()400(00185830=
+
De = hrm
hrs
cmm
scm 222
03501
3600100
10980
10901
97301
1=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
+
Calculo de Kc Sh = (Re)12(Sc)13
Velocidad superficial
V = sm
shr
hrm
mxhr
m
Av
c
02036001976
1087
006025
3
0 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛== minus
Ingenieriacutea Quiacutemica 49
UAM-I
Re= ( ) 240)1062)(501(
)10491)(020(
1 25
4
=minus
=minus minus
minus
smx
mxsmvd p
νφ
Sc= 672)3600
1)(0350(
10622
25
==minus
shr
hrm
smx
Dv
AB
Sh= ( 024 )12 ( 267 )13 = 0679
Kc = Shdp
DAB⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛minusφ
φ1
Kc = ( )sm
mxs
mx02206790
10491
10729
50501
4
26
=⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛minus
minus
minus
Calculo de numero Thile con el radio que usara a nivel industrial
φ = L ( )DkCn n
AS
21 1minus+
L = 3R
Sustituyendo
φ = 66x10-4 m( )
( )
450
03502
018420
5480941311
3
30
3330
313
=
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+
catmhrm
mmol
hrcatmmolm
η = 1 con los resultados anteriores se observa que quieacuten limita es la velocidad de
reaccioacuten Por lo que se procede a calcular el peso y longitud de catalizador
necesaria para muestro purificador sustituyendo los valores del Boiler
Ingenieriacutea Quiacutemica 50
UAM-I
Peso del Catalizador w =
( ) grcatgcatLn
gcatm
mmol
hrcatmmolm
hrm
xLn
kCv
A
66476639401
1
6000001578
548094
19836
11
330
3330
313
3
0
0 asymp=minus
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
minus
g 664=w
33
3
1011
mg60000
g 664 mxwv minus===ρ
m 035003101011
2
33
==minus
mmxL
cm 531000350 == xL
Ingenieriacutea Quiacutemica 51
UAM-I
APEacuteNDICE B BALANCE DE MASA DE LA PREPARACIOacuteN DE HAUCL4 Au(g) + 3HNO3(ac) + 4HCL(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O + 3N02(g) (152 M) (105M)
cantidad de mol Au = 05 kg Au x molAu
grAumolAux
kggr 542
971961
11000
=
cantidad de kg HNO3 = ( ) 33
33 480
10001
1635423 kgHNO
grkgx
molHNOGRHNOxHNOmol =
cantidad de kgHCl = ( ) kgHClgr
kgxmolHCl
grHClHClxmol 3701000
11
5365424 =
cantidad de kgHAuCl4 = 254molHAuCl4 x 44
8601000
11
97339 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
gr=
cantidad de kgH2O = 3( 254mol)H20 x OkgHgr
kgxOmolHOgrH
22
2 1401000
1118
=
cantidad de Lt H20 = 762molHNO3 x OltHOkgHOLtH
22
2 14011
=
cantidad de Lt H20 = 1016 mol HNO3 x 050215
012
2 LtHmol
LtH=
cantidad de LtH20 = 1016mol HCl x OLtHLtHmolHCl
LtH22
2 010970510
01asymp=
cantidad de MHAUCl4 = ( ) ( ) ( ) MHltltlt
ClmolHAU 7210850490140
542
2
4 asymp++
cantidad de kg NO2(g) = 3( 254mol)NO2 x )(22
2 3501000
1146
SkgNOgr
kgxmolNO
grNO=
Ingenieriacutea Quiacutemica 52
UAM-I
05 kg Au 048 kgHNO3 035 kgNO2 101021 kgH20 (152M) 037 kgHCl(ac)
(105 m) 086 kg HAuCl4 (ac) 086 kg HAuCl4 (ac)
(17 M) 014 kgH20 (25x10-3M) 014kg H20 (L) 086kg HAuCl4 035kgNO2 (g) 101185kg H20 Cantidad de H20 = 086 kgHAuCl4
x 08510110101
105201
173341
11000
22
23
24 kgHLtHkgHx
MxltHx
grmolHAuClx
kggr
=minus
pero (101185 ndash 014 ndash 05 ndash 1) kg H20 = 101021 kg H20 100ml H20 por 1 gr soporte 35kg NH4 (OH)(AC) 10000kgH20 100 kg γAl203 (9965) 035kgAu (035) 100kg γAl203 025kgCl2 086kg HAuCl4 026kgHAuCl4
101185 kg H20 35kgNH4 (OH)(AC) 1101185kgH20 cantidad de kgHAuCl4 = 015kgAu x
44
4 2601000
11
973391
197196
147196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxgrAu
molxkg
gr=
cantidad de NH4(OH) = 100kg γ Al203 x
Ingenieriacutea Quiacutemica 53
UAM-I
kgNHxmol
grx
mlmol
xOAlgr
OHmlNHx
kg
gr53
10001
1
35
100010
1
)(10
1
1000
32
4=
γ4(OH)
30kg γAL2O3 1 kgNH4(OH)(AC) 30 kg γ Al203 (9965) 010 kg Au (035) 026kgHAuCl4 007kg Cl2 35kgNH4(OH) 1101185 kgH2O 0086kgHAuCl4 45 kg NH4(OH)(AC) 1101185 kg H20
cantidad de γ Al2O3 = 026kgHAuCl4 x 324
32 02330860
100 AlkgkgHAuCl
OAlkg γγ=
cantidad de kgAu = 035 x kgAukg 10506599
30=
cantidad de kg Cl2 = 01 kgAu x
22
2 07201000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de HAuCl4 = 005kgAu x
44
4 08601000
11
973391
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 54
UAM-I
cantidad de kgNO4(OH) = 30 kg γ Al203 x ( )OHkgNHAlkg
OHkgNO4
32
4 0510100
)(53=
γ
105 kg γ Al203 035 kg NH2(OH) 105 kg γ Al203 (9965) 004 kg Au (035) 009kg HAuCl4 003 kg Cl2 45kgNH4(OH) 1101185 kg H20 0017kgHAuCl4 485kgNH4 (OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 009 HAuCl4 x 324
32 04710860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad kg de NH4 (OH) = 105kg γ Al203 x ( ) )(3500100
534
32
4 OHkgNHAlkg
OHkgNH=
γ
cantidad de Cl2 = 004 kg Au x
22
2 02901000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
gAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 =
44
44 02001701000
11
973391
197196
11
1000010 kgHAukgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgr
molAuxkg
grkgAux asymp=
Ingenieriacutea Quiacutemica 55
UAM-I
23 kg γ Al203 008kgNH4(OH) 002 kg HAuCl4 23 kg γAl203 (9965) 485kgNH4(OH) 0008kgAu(035) 1101185kg H2 0001kg Cl2
0014 kg HAuCl4 493kgNH4(OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 002kgHAuCl4 x 324
32 032860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad de kg Au = 035 x kgAukg 00806599
32=
cantidad de kgCl2 = 0002kgAu x
24
4 00101000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 = 0008kgAu x
44
44 01401000
11
973341
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 56
UAM-I
APEacuteNDICE C ACCESORIOS EN EL DISENtildeO
Agitador
Agitadores de Heacutelice se escogioacute este tipo de agitador por ser tener las siguientes
caracteriacutesticas [3]
bull Es un agitador de flujo axial
bull Se emplea para liacutequidos pocos viscosos
bull Giran a toda la velocidad del motor
bull Las corrientes de flujo se mueven a traveacutes del liacutequido en una direccioacuten
determinada hasta que son desviadas por el fondo o las paredes del tanque
bull Las palas de la heacutelice cortan o friccionan vigorosamente el liacutequido
bull Los agitadores de heacutelice son eficaces para tanques de gran tamantildeo
Horno
bull El horno se escogioacute por ser tener las siguientes caracteriacutesticas [5]
bull El horno de construccioacuten metaacutelica
bull La caacutemara de combustioacuten estaacute construida mediante hormigones refractarios
de alta resistencia mecaacutenica
bull Las materias secar y calcinar se carga de forma manual
Ingenieriacutea Quiacutemica 57
UAM-I
Bomba
DISENtildeO Bomba centrifuga para operacioacuten horizontal o vertical del impulsor
cerrado succioacuten al extremo descarga hacia arriba tangencial simple succioacuten de un
paso con carcaza partida verticalmente [3]
ROTACIOacuteN En el sentido del reloj vista desde el cople
CARACTERIacuteSTICAS Conexiones brindadas con registro ubicado en la cabeza de
succioacuten para facilitar su limpieza
SERVICIO Debido a que es posible colocarla en posicioacuten horizontal o vertical tanto
en caacutercamos secos como huacutemedos y por el disentildeo de su impulsor que soacutelidos de
gran tamantildeo esta bomba es ideal para los procesos de tratamientos de agua y
manejo de liacutequidos en suspensioacuten en general
CAPACIDADES
GASTO Hasta 3000 GPM
CDT Hasta 80rsquo
PRESIOacuteN 106 Kgcmsup2
POTENCIA De 1 a 60 Hp
VELOCIDAD (1175 - 3550 RPM)
TEMPERATURA 125degC
Ingenieriacutea Quiacutemica 58
UAM-I
Bombas Centriacutefugas
Las maquinas centriacutefugas estaacuten constituidas por un impulsor o rodete formado por
una serie de aletas radiales diversas formas y curvaturas que giran dentro de una
caja circular El fluido penetra por el ojo o eje de rotacioacuten y se descarga maacutes o
menos radialmente en una caacutemara perifeacuterica a una elevada presioacuten que
corresponde a la suma de la fuerza centriacutefuga de la rotacioacuten maacutes la cineacutetica
comunicada al fluido por las aletas La parte moacutevil de la bomba es el rodete Las
aletas del rodete se extienden desde el centro de rotacioacuten hacia la periferia y las
bridas son los discos de refuerzo a cada lado de las aletas que las envuelven Las
aletas pueden ser radiales curvadas ligeramente hacia delante en el mismo sentido
de la rotacioacuten o estar curvadas al reveacutes en el caso maacutes comuacuten en el disentildeo se
determino el rodete siguiente por sus caracteriacutesticas Fig 1
Figura 1 Corte parcial de un rodete de centriacutefuga para grandes cargas y secciones
de paso estrechas empleando con liacutequidos corrosivos o suspensiones de pequentildeas
partiacuteculas[4]
Ingenieriacutea Quiacutemica 59
UAM-I
APENDICE D CALCULO DE POTENCIA DE BOMBAS (8)
Potencia de la bomba de la cisterna 1 que alimenta a los mezclador 4
Ecuacioacuten de Bernoulli
sum sumint =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛+++∆+∆i i
i
P
P
evvfDLvwdphgv 0
21
21
ˆ1
21 222
2
1ρ
a b c d e f
a Diferencia de velocidades
b Diferencia de alturas
c Diferencia de presiones
d Trabajo
e Perdidas de friccioacuten en tuberiacuteas
f Perdidas de friccioacuten en accesorios
En la ecuacioacuten anterior se pueden eliminar algunos teacuterminos
21 mts
6 mts 35 mts
Figura 1 Balance de cisterna 1 a mezclador 4
Se debe de tener dos puntos de referencia para la utilizacioacuten de la ecuacioacuten de
Bernoulli de los cuales se anotaron en la figura 2
Ingenieriacutea Quiacutemica 60
UAM-I
21 mts
2 1 6 mts 35 mts
Figura 2
Teniendo los puntos de referencia se analiza que las diferencias de velocidades son
cero en ambos puntos por lo tanto el termino 2
21 ν∆ es igual a cero
El termino de = (981hg∆ 2segm )(35m ndash 0) = 34335 2
2
segm
El termino de int2
1
1P
P
dpρ
se tiene que la cisterna y el tanque de mezclado ambos no
estaacuten cerrados y por lo tanto no originan un cambio de presioacuten y el termino es cero
De esta expresioacuten L longitud de tuberiacutea
tro de tuberiacutea
n el interior del tubo
v
Para la l radio del tubo que
sum ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
i
fDL2
21 ν
D diaacuteme
f perdidas de friccioacuten e
velocidad del flujo de agua
obtencioacuten de la velocidad se tiene el flujo volumeacutetrico y e
es de 32 cm =0032mts con la ecuacioacuten
Ingenieriacutea Quiacutemica 61
( )( ) sm
ms
m
RQ 761
032060min1)
min340(
2
3
2 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
==ππ
ν
UAM-I
Se reportan valores de perdida de fr
e reduce teacuterminos
iccioacuten en tubos que son igual a 005
Por lo tanto sustituyendo los teacuterminos en la ecuacioacuten de Bernoulli s
sum sumint =⎟⎠
⎜⎝
+⎟⎠
⎜⎝
+++∆+∆i i
iP
evvfD
vwdphgv 022
ˆ2
1ρ
⎞⎛⎞⎛ L 111 2222
or tanto el termino de trabajo queda expresado de la siguiente manera
tanto la bomba comunica al fluido que circula en el sistema un trabajo
+11727
P1
p w
sum sum ∆minus⎟⎠⎞
⎜⎝⎛minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛minus=
i ii
hgevvfDLvw 22
21
21
ˆ
( ) ( )
Este es el trabajo ( por unidad de masa) producido por el fluido en la bomba por lo
22
sm o 11727 981 = 1195
m
fKg
Kgm
La velocidad de flujo de masa es
Por lo tanto
1 )=6694
951)(675(ˆ =minus=minus WwW smkg f = 088Hp = 1Hp
Siendo esta ida para esta bomba El procedimiento anterior se
iguioacute para cada bomba de la planta
AP E
la potencia requer
s
EacuteNDICE
TOXICOLOGIacuteA DE MATERIAS PRIMAS [6]
( ) ( ) ( )( ) ( )( )msm
smmmm
sm 538192201150761
21050
032021536761
21
2
22minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ +minus⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ++
minus=wm
22
27117ˆ smw minus=
( )s
kgmkgQw m675100060340 3 === ρ
Ingenieriacutea Quiacutemica 62
UAM-I
HIDROacuteXIDO DE SODIO
Polvo corrosivo blanco delicuescente
Toxicidad
Concentracioacuten Maacutexima permisible 2mgm3 en aire
Signos y Siacutentomas Conjutivitis quemaduras corneales y de la piel Irritacioacuten
seas vomito dolor abdominal y diarrea a veces con
Lavado de las partes afectadas tranquilizantes sulfato de
decuada gafas protectoras o pantallas para
ignos y Siacutentomas Irritacioacuten de ojos quemaduras corneables tos dolores
l hemoptisis dolor de cabeza dolor epigaacutestrico nauseas y vomito
lmonar
Tratamiento lavado de ojos con agua reposo oxigeno con aparato de respiracioacuten
con onantes
ACIDO NITRICO
Liquido corrosivo sofocante de incoloro a amarillento
ioacuten maacutexima permisible 10ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
del tracto respiratorio nau
sangre
Tratamiento
morfina para el dolor y cortisona
Medidas preventivas Ventilacioacuten a
la cara completa mascarilla con filtro mecaacutenico guantes delantares botas de
goma y acentuar la limpieza personal
CLORO
Gas pasado amarillo verdoso
Toxicidad
Conc Maacutexima permisible 1 ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten
S
retrosterna
debilidad cianosis y edema pu
trolada bronco dilatadores y descongesti
Toxicidad
Concentrac
Ingenieriacutea Quiacutemica 63
UAM-I
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
Signos y siacutentomas Erosioacuten dental estornudo tos Dolor en el pecho bronquitis y
la las partes contaminadas del cuerpo con solucioacuten al 5 de
de las quemaduras con pantildeos
de triacuteo sulfato soacutelido si se a ingerido
vado de ojos con agua
ACIDO CLORIDRICO
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
ivitis necrosis corneal por inhalacioacuten rinitis erosioacuten
dolor de cabeza palpitacioacuten por ingestioacuten
s en la boca faringe esoacutefago estomago salivacioacuten vomito Soc
agua lavada de agua y jaboacuten de las partes
preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
AacuteC
El c
con o de hidroacutegeno una
concentracioacuten de 12 molLt Este aacutecido es un liacutequido incoloro con un olor aacutecido
bronconeumoniacutea
Tratamiento
bicarbonato soacutelido o con agua y jaboacuten Tratamiento
mojados con solucioacuten saturada
administracioacuten por viacutea oral de solucioacuten de jaboacuten Hidroacutexido caacutelcico o alumiacutenico u
oacutexido de magnesio
Medidas preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores excluir de la exposicioacuten
a los individuos con enfermedades de pulmones y rintildeones
Gas incoloro o liacutequido o a amarillento
Toxicidad
Concentracioacuten maacutexima permisible 5ppm en aire
Signos y siacutentomas conjunt
dental laringitis bronquitis neumoniacutea
quemadura
nefritis
Tratamiento lavado de ojos con
contaminantes del cuerpo tratamiento ordinario de quemaduras lavado gaacutestrico
se a ingerido con solucioacuten de bicarbonato soacutedico al 5 seguido de una instilacioacuten
de gel de hidroacutexido de aluminio
Medidas
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores
IDO CLORHIacuteDRICO
loruro de hidroacutegeno es en extremo soluble en agua de hecho el aacutecido clorhiacutedrico
centrado contiene cerca del 38 en masa de clorur
Ingenieriacutea Quiacutemica 64
UAM-I
pronunciado que se debe al equilibrio entre el cloruro de hidroacutegeno gaseoso y
ste con el aacutecido fluorhiacutedrico el aacutecido clorhiacutedrico es un aacutecido fuerte (pKa = -
7) y se ioniza casi totalmente
gar de aacutecido sulfuacuterico auque en menor grado Por
jemplo el zinc metaacutelico reacciona con aacutecido clorhiacutedrico para dar el ion zinc e
hidroacutegeno gaseoso
Zn(s) + 2HCl(ac) ZnCl2(ac) + H2(g)
l para producir aacutecido clorhiacutedrico en el laboratorio es generar
cloruro de hidroacutegen e sodio y el aacutecido
ulfuacuterico En el primer paso a 150degC se forma hidroacutegeno sulfato de sodio
NaHSO4(s) + HCl(g)
io y maacutes
loruro de hidroacutegeno gaseoso Luego el gas se disuelve en agua para formar el
aacutecido
NaHSO4(s) + NaCl(s) Na2SO4(s) + HCl(g)
acuoso
HCl(ac) HCl(g)
El reactivo de grado teacutecnico a menudo tiene un color amarillento por una impureza
del ion hierro (III)
En contra
HCl(ac) + H2O(l) H2O+(ac) + Cl -(ac)
Por ello a menudo se prefiere usar aacutecido clorhiacutedrico diluido en lugar de aacutecido niacutetrico
que es muy oxidante y en lu
e
Cuando el zinc reacciona con el aacutecido niacutetrico es comuacuten que se reduzca una parte
del ion nitrato para dar dioacutexido de nitroacutegeno
El meacutetodo tradiciona
o gaseoso por la reaccioacuten entre el cloruro d
s
NaCl(s) + H2SO4(l)
La mezcla se calienta a 550degC temperatura a la cual el hidroacutegeno sulfato de sodio
reacciona con un exceso de cloruro de sodio para formar sulfato de sod
c
∆
Este meacutetodo se usa tambieacuten en la industria otra forma de producir cloruro de
hidroacutegeno es por la combinacioacuten directa de dicloro y dihidroacutegenogaseosos
Ingenieriacutea Quiacutemica 65
UAM-I
H2(g) + Cl2(g) 2HCl(g)
La mayor cantidad de cloruro de hidroacutegeno que se produce actualmente es un
CH4(g) + 4Cl2(g) 4(l) + 4HCl(g)
riacuten de superficies de acero en un bantildeo aacutecido en la purificacioacuten de glucosa
y jarabe de maiacutez e s y de gas y en la
bricacioacuten de compuestos clorados El aacutecido se puedo comprar en muchas
nducida por la luz
4HNO3(ac) 4NO2(g) + O2(g) + 2H2O(l)
niacutetrico como disolvente)
H2NO3+ H2O + NO2
+
l siguiente
3HNO NO3 ndash
subproducto de otros procesos industriales como la siacutentesis de tetracloruro de
carbono
CCl
Se consumen cerca de 107 toneladas de aacutecido clorhiacutedrico cada antildeo en todo el
mundo Este aacutecido tiene una gama muy amplia de usos como aacutecido comuacuten para
eliminar o
n el tratamiento con aacutecido de pozos petrolero
fa
ferreteriacuteas con el arcaico nombre de aacutecido muriaacutetico sus principales usos caseros
son la limpieza de superficies de concreto y la eliminacioacuten de herrumbre Un nuacutemero
muy reducido de personas es incapaz de sintetizar suficiente jugo gaacutestrico y deben
de ingerir caacutepsulas de aacutecido clorhiacutedrico diluido con cada comida
AacuteCIDO NIacuteTRICO
El aacutecido niacutetrico un liacutequido aceitoso e incoloro en estado puro es sumamente
peligroso El aacutecido que funde a ndash42degC y hierve a +83degC tiene por lo general un
ligero color amarillo a causa de una reaccioacuten de descomposicioacuten i
En un estado puro el aacutecido niacutetrico liacutequido praacutecticamente no conduce la electricidad
Una pequentildea porcioacuten se ioniza como sigue (todas estas especies existen en el aacutecido
2HNO3(l) H2NO3+ + NO3
ndash
H2O + HNO3 H3O+ + NO3 ndash
Para dar la reaccioacuten globa
3 NO2+ + H3O + 2+
Ingenieriacutea Quiacutemica 66
UAM-I
El catioacuten nitrilo es importante en la nitracioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas por ejemplo la
obenceno C6H5NO2 una etapa importante en
umerosos procesos industriales orgaacutenicos
El aacutecido niacutetrico con en agua mientras
ue el ldquoaacutecido niacutetrico fumanterdquo un oxidante extremadamente poderoso es una
vez de ello se produce una mezcla de
sistema que da un orden de
vista industrial el
oceso
e lleva a cabo en tres etapas Primero se hace pasar una mezcla de amoniaco y de
dioxiacutegeno (o aire) un proceso muy
ficiente y exoteacutermico que hace que la malla se ponga al rojo Esta etapa se verifica
conversioacuten de benceno C6H6 en nitr
n
centrado es en realidad una solucioacuten al 70
q
solucioacuten roja de dioacutexido de nitroacutegeno en aacutecido niacutetrico puro Incluso cuando esta
diluido el aacutecido niacutetrico es un oxidante tan fuerte que rara vez desprende hidroacutegeno
cuando se pone en contacto con metales en
oacutexidos de nitroacutegeno y el metal se oxido a su catioacuten
Los enlaces O-N son mucho maacutes cortos (121 pm) que el enlace O-N unidos al aacutetomo
de hidroacutegeno (141 pm) Esta longitud de enlaces indica que hay enlaces muacuteltiples
entre el nitroacutegeno y los dos aacutetomos de oxiacutegeno terminales Ademas de los electrones
del sistema σ hay cuatro electrones que participan en el sistema π O-N-O dos de un
orbital enlazante y dos en un orbital no enlazante
enlace de 112 para cada uno de esos enlaces nitroacutegeno- oxiacutegeno
A veces se nos olvida hasta queacute punto nuestra experiencia depende de la
termodinaacutemica y la cineacutetica Por ejemplo la primera siacutentesis industrial de aacutecido
niacutetrico se llevaba ha cabo por simple combinacioacuten de diniacutetrogeno dioxiacutegeno y agua
utilizando un horno de arco eleacutectrico a fin de proporcionar la energiacutea necesaria par
superar la muy elevada barrera cineacutetica Aunque desde el punto de
factor cineacutetico constituiacutea un problema en realidad es una bendicioacuten por que sin esta
barrera cineacutetica hace mucho tiempo que todo el dioacutexido de la atmoacutesfera se abriacutea
transformado en aacutecido niacutetrico y nuestros mares serian de aacutecido niacutetrico diluido
frac12 N2(g) + 54O2(g) + 12H2O(g) HNO3(g)
Ahora se utiliza el proceso Ostwald para la siacutentesis de aacutecido niacutetrico Este proceso
consume gran parte del amoniaco que se produce por el proceso Haber El pr
s
a traveacutes de una malla de platino metaacutelico Eacuteste es
e
a baja presioacuten para aprovechar el efecto entropico es decir la formacioacuten de 10
moles de gas a partir de 9 moles de gas (una aplicacioacuten del principio de Le Chatelier)
para desplazar el equilibrio a la derecha
Ingenieriacutea Quiacutemica 67
UAM-I
4NH3(g) + 5O2(g) 4NO(g) + 6H2O(g)
Se agrega maacutes oxiacutegeno para oxidar el monoacutexido de nitroacutegeno a dioacutexido de nitroacutegeno
A fin de mejorar el rendimiento de esta reaccioacuten exoteacutermica se extrae calor de los
ases y la mezcla se somete a presioacuten
2HNO3(l) + NO(g)
Esta reaccioacuten tambieacuten es exoteacutermica y una vez maacutes se aplica enfriamiento y alta
la
egunda etapa para oxidarlo de nuevo
La contaminacioacuten s de aacutecido niacutetrico
as plantas maacutes antiguas eran faacutecilmente identificables por la fumarola cafeacute-
antas maacutes antiguas ahora mezcla cantidades
en Estados Unidos porque un 20
dedica ala produccioacuten de explosivos
or ultimo el aacutecido niacutetrico es un liacutequido que hierve a 826degC No existe como liacutequido
g
2NO(g) + O2(g) 2NO2(g)
El dioacutexido de nitroacutegeno se mezcla con agua para dar una solucioacuten de aacutecido niacutetrico
3NO2(g) + H2O(l)
presioacuten par obtener el maacuteximo rendimiento El monoacutexido de nitroacutegeno se vuelve a
s
soliacutea ser un problema importante de las planta
L
amarillento del dioacutexido de nitroacutegeno que escapaba por ellas Las plantas maacutes
antiguas eran faacutecilmente identificable por la fumadora cafeacute-amarillo del dioacutexido de
nitroacutegeno que escapaba de ellas Las pl
estequiomeacutetricas de amoniaco con las oacutexidos de nitroacutegeno con lo cual se obtiene
dinitroacutegeno y vapor de agua ambos inocuos
NO(g) + NO2 (g) + 2NH3(g) 2N2(g) + 3H2O(g)
En todo el mundo alrededor del 80 del aacutecido niacutetrico se utiliza en la produccioacuten de
fertilizantes Esta proporcioacuten es de solo el 65
se
P
puro porque en alguna medida se descompone espontaacuteneamente como sigue
4HNO3(l) 4NO2(g) + 2H2O(l) + O2(g)
Ingenieriacutea Quiacutemica 68
UAM-I
El aacutecido niacutetrico concentrado que se usa en el laboratorio estaacute al 68 en masa HNO3
(densidad 142 gcm3) lo que corresponde a 157 M
l aacutecido niacutetrico es un poderoso agente oxidante El nuacutemero de oxidacioacuten del N en el
) El aacutecido niacutetrico puede oxidar
nto a metales que estaacuten abajo del hidroacutegeno como aquellos que se encuentran
4Zn2+(ac) + NH4
+(ac) + 3H2O(l)
do no oxida al oro Sin embargo cuando se mezcla con
cido clorhiacutedrico concentrado en relacioacuten 13 en volumen (una parte de HNO3 a tres
partes al oro
omo sigue
APEacuteNDICE F
ETODO DE DEPOSICIOacuteN-PRECIPITACIOacuteN
E
HNO3 es + 5 Los productos maacutes comunes de la reduccioacuten del aacutecido niacutetrico son el
NO2 (N = + 4) el NO (N = + 2) y el NH4+ (N = - 3
ta
arriba en la serie de actividades Por ejemplo el cobre es oxidado por el aacutecido niacutetrico
concentrado como se mencionoacute antes
En presencia de reductores fuertes como el zinc metaacutelico el aacutecido niacutetrico se puede
reducir hasta ion amonio
4Zn(s) + 10H+(ac) + NO3
-(ac)
El aacutecido niacutetrico concentra
aacute
de HCl) la disolucioacuten resultante denominada agua regia puede oxidar
c
Au(s) + 3HNO3(ac) + 4HCl(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O(l) + 3NO2(g)
M
Ingenieriacutea Quiacutemica 69
UAM-I
APEacuteNDICE G
ISENtildeO DEL MEZCLADOR [4]
1) 100 ml H2O gr soporte
2) NH4(OH)
Ajustar a PH = 9 4) HAuCl4 (solucioacuten acuosa al 25E-3M)
6) Filtrado o centrifugado
3) En Agitacioacuten por 2 hr
8) Secado por 2hr a 80 degC
9 ) Calcinado por 4hr a 400 degC
7) Lavado
5) Antildeegamiento por 30 min
D
Ingenieriacutea Quiacutemica 70
UAM-I
El disentildeo de un tanque agitado dis n nuacutemero de elecciones sobre el
po y localizacioacuten del agitador las proporciones del tanque el nuacutemero y dimensiones
ada una de estas decisiones afectan a la velocidad
e circulacioacuten del liacutequido los modelos de velocidad y el consumo de potencia Como
pone de un gra
ti
de las placas deflectoras etc C
d
punto de partida en el disentildeo de los problemas ordinarios de agitacioacuten generalmente
se utiliza un agitador de turbina del tipo que se muestra en la figura 1 La proporcioacuten
tiacutepica es
31
=t
a
DD
1=tD
H 121
=tD
J 51
=aD
W 41
=aD
L
de estas ecuaciones se disentildeara el mezclador como datos se tiene el valor H que es
igual a 3 mts y el diaacutemetro del tanque D
Se determinara la medida de los reflectores
t que es igual 3 mts
121
=tD
J se despeja J
elacioacuten R31
=t
a
DD
se despeja Da
Relacioacuten
41
=aD
L se despeja L
elacioacuten se despeja W
( ) ( ) cmmtsmtsDJ 25250311==⎟
⎞⎜⎛=⎟
⎞⎜⎛= t 1212 ⎠⎝⎠⎝
( ) ( ) mtsmtsDD ta 1331
31
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=
( ) ( ) mtsmtsDL a 250141
41
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛= cm25=
51
=aD
WR
Ingenieriacutea Quiacutemica 71
UAM-I
Figura 2 a) Vista transversal del mezclador b) paletas del mezclador con la
donde se deposita el soporte
Figura 1 Medidas de un agitador de turbina
a) b)
s rejillas
H
J
E L
Da
D t
W
W
( ) ( ) cmmtsmtsDW a 2020151
5==⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎜⎝
=1 ⎞⎛
Ingenieriacutea Quiacutemica 72
UAM-I
31 INTRODUCCIOacuteN
Este capitulo esta enfocado al disentildeo de la planta industrial donde se produciraacuten
catalizadores de Auγ-Al2O3 por el meacutetodo de Deposicioacuten-Precipitacioacuten (DP) descrito
en el capitulo 2
Parte de la produccioacuten de los catalizadores se destinaraacute a su venta en masa y otra
parte se destinaraacute para el equipo de purificacioacuten de calentadores de agua esto con
la finalidad que el catalizador que esta contenido dentro del equipo de purificacioacuten
cuando se desactive pueda remplazarse por catalizador nuevo disponible en el
mercado De esta forma se tendraacuten ganancias tanto al vender el equipo purificador
como al vender catalizador como materia prima
32 DISENtildeO DEL EQUIPO PURIFICADOR PARA CALENTADORES DE AGUA DOMEacuteSTICOS El equipo purificador se ubicaraacute a la salida del efluente gaseoso del calentador como
un equipo adicional como se muestra en la Figura 1 Se plantea colocarlo en una
posicioacuten tal que oxide a baja temperatura hasta el 90 de CO Las dimensiones del
purificador se determinaron seguacuten las especificaciones de calentador y el balance de
materia en el sistema purificador Estos caacutelculos se presentan en el Apeacutendice A
Los tubos de las chimeneas de los calentadores son de latoacuten por lo que se decidioacute
utilizar este material para la parte exterior la parte donde se colocaraacute el catalizador
es de 35 cm de longitud para colocarlo en el tubo de la salida del flujo de gas se
dieron 2 cm maacutes en cada extremo para hacer un tipo cople de manera que el tubo
entre en los extremos
Catalizadores de Oro Soportado 25
UAM-I
C O 2 2 0 c m 7 c m c m G A S C O
3
2cm
75 cm 35 cm
Figura 1 Esquematizacioacuten del equipo purificador y su ubicacioacuten en los calefones
Las dimensiones obtenidas (Apeacutendice A) y las caracteriacutesticas del purificado se
presentan en la Tabla 1
Tabla 1 Especificaciones de purificador
Material Latoacuten
Longitud 35 cm
Diaacutemetro 20cm
Cantidad de
Catalizador
700 gr
Catalizadores de Oro Soportado 26
UAM-I
33 PRODUCCIOacuteN DE LA PLANTA INDUSTRIAL A partir de un estudio de mercado se encontroacute que en la Ciudad de Meacutexico hay
cuando menos cuatro empresas principales (CALOREX ELSA MAGAMEX y
CINSA) que fabrican calentadores de agua residenciales[1 2] Estas en promedio
producen 150 calefones diarios Por cada calefoacuten se requiere un equipo purificador
En este sentido de requieren idealmente 600 unidades de purificacioacuten por diacutea Esta
base se utilizoacute para el disentildeo de la planta
A partir del balance de masa en el purificador y empleado los resultados
experimentales a nivel laboratorio (ver apeacutendice A) se encontroacute que cada purificador
requiere 07 Kg de catalizador A partir de este resultado se requiere producir al
menos 420 Kg de catalizador para satisfacer la demanda en la produccioacuten de
calefones Con base en el balance de materia realizado en el mezclador se
determinoacute que la cantidad de catalizador obtenido despueacutes de cuatro lotes es de
570 Kg Tomando el resto de catalizador como reserva por cualquier contratiempo El
nuacutemero de lotes se determinoacute en base a que fuese rentable la recuperacioacuten de oro
34 DISENtildeO Y OPERACIOacuteN DE LA PLANTA
La fabricacioacuten del catalizador a nivel industrial esta basada en el escalamiento del
meacutetodo de siacutentesis descrito en la parte experimental Lo cual es una praacutectica comuacuten
en la fabricacioacuten de materiales cataliacuteticos
Para la produccioacuten de 570 Kg por diacutea se plantea utilizar cuatro mezcladores (ver
Figura 2) que operaran durante 8 h con cuatro intervalos (o cargas) de 2 h y
descansos de 30 min (dejando 30 min libres por contratiempos) Esta operacioacuten se
elige con base en las horas de trabajo y el meacutetodo de preparacioacuten del catalizador
Al igual que en la parte experimental el proceso requiere operacioacuten por lotes debido
a que se necesitan largos tiempos de contacto para obtener catalizadores eficientes
en la oxidacioacuten de CO a baja temperatura Se pretende utilizar un agitador tipo
Catalizadores de Oro Soportado 27
UAM-I
canastilla[4] el cual permite colocar dentro de las mismas el catalizador para tener
una mejor impregnacioacuten de partiacuteculas de Au y eliminar la atricioacuten Las dimensiones
del agitador asiacute como del mezclador se presentan en la Figura 6
Al teacutermino de la uacuteltima carga en los mezcladores el lote completo del diacutea pasa al
horno para secarlo a 80degC por 2 h y calcinarlo a 400degC durante 4 h Durante estos
procesos se concluye la preparacioacuten del catalizador Las temperaturas y tasas de
calentamiento estaacuten basadas en el meacutetodo de preparacioacuten experimental descrito en
el Capitulo ll Posteriormente el catalizador producido pasa a la seccioacuten donde se
embolsa para ser vendido como materia prima y la otra parte pasa a la seccioacuten de
ensamblaje para fabricar el purificador
Dimensiones de la industria
Las dimensiones de los equipos como mezcladores cisternas tanque de
tratamiento horno etc se tomaron como base para poder suponer espacios entre
equipos para tener seguridad del personal Se dio preferencia a los mezcladores ya
que son las partes importantes en la elaboracioacuten de los catalizadores La cisterna
estaraacute enterrada para facilitar su llenado en el caso de los contenedores de HAuCl4
y NH4OH estaraacuten encima de bases maacutes altas que los mezcladores para poder
abastecerlos por gravedad Esto debido a que el volumen es poco no se requiere de
grandes cantidades por lo que no se requiere alguna bomba Se estuvo analizando
la forma de acomodar los equipos y se obtuvo la siguiente distribucioacuten que se
muestra en la Figura 3
En la Figura 4 se presenta el plano de la industria con sus respectivos
departamentos en la parte sur se encuentra la entrada principal en ella se encuentra
vigilancia y la entrada de empleados y obreros posteriormente esta la zona de
oficinas lado izquierdo del lado derecho se encuentra el estacionamiento para
clientes y empleados en el almaceacuten se encontraraacuten refacciones de equipo y
reservas de materia primas para los catalizadores en la zona de produccioacuten se tiene
el estacionamiento de proveedores para facilitar la entrada y salida del producto
Catalizadores de Oro Soportado 28
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado 29
Debido a que en cada industria debe existir un espacio recreativo se plantea una
cancha de Baacutesquetbol para los obreros y una zona de jardines en la parte norte
Ubicacioacuten de la industria
Para poder ubicar una industria es importante analizar la zona geograacutefica Para lo
cual se deben considerar algunos factores importantes por ejemplo No ubicarla en
zona de siacutesmica Si la industria requiere de un gran volumen de agua no ubicarla en
una regioacuten deseacutertica Si el producto es muy sensible al calor y la humedad evitar
zonas muy caacutelidas y huacutemedas Si se piensa vender el producto en una zona
especifica ubicar la industria cerca de la zona de venta para evitar gastos de
transportacioacuten A partir de este tipo de razonamientos se planea que debido a que el
producto que se elaborara que es un purificador cataliacutetico para su venta en la ZMVM
ya en ella estaacuten ubicadas las principales industrias de calentadores y debido a que la
planta requiere de un volumen considerable de agua se escogioacute el estado de
Morelos porque no esta muy lejos de la ZMVM y tiene reservas de agua Asiacute el gasto
de transportacioacuten de materias primas y sobre todo del producto elaborado seriacutea
pequentildeo
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
Agua
Tanque tratamien
Figur
NH4OH
HAuCl4
Produccioacuten de catalizadores
Recuperacioacuten de agua
de to
a
MezcladoresMezcladores
Cuando se requiere limpieza
Horno
Producto almaceacuten
30
1 Diagrama de produccioacuten Recuperacioacuten de cloro
UAM-I
35 BALANCE DE MATERIA DIAGRAMA DE FLUJO PARA DIFERENTES LOTES DE SOPORTE EN UN SOLO MEZCLADOR
Catalizadores de Oro So
05 Kg Au
10
0
086 Kg HAuCl4(ac)014 Kg H2O
035 Kg NO2(g)
2
35 Kg NH4(OH)(ac) (01M)
10000 Kg H2O
100 Kg Al3O
100 Kg Al2O3 (9965) 035 Kg Au (035) 025 Kg Cl2
026 Kg HauCl4(ac)35 Kg NH4(OH)
1101035 Kg H2O
O MEZCLADOR (t0)
10035 Kg catalizador
86 KgHAuCl4(ac)101035 Kg H2O
037 Kg HCl (ac) (105 M) 048 Kg HNO3(ac) (152 M)
porta
Kg N
30 Kg Al2Cl3
101021 Kg H2
do
H4 (OH) (ac) (01M) 30 Kg Al2O3 (9965) 01 Kg Au (035)
007 Kg Cl2
)
3
)
301 Kg catalizador MEZCLADOR (t1)
009 Kg HauCl4(ac)45 Kg NH4(OH)
1101035 Kg H2O
MEZCLADOR 1054 Kg catalizador
105 Kg Al2O3
(t2)
105 Kg Al2O3 (9965)
035 Kg NH4 (OH) (ac) (01M
004 Kg Au (035) 003 Kg Cl2
23 Kg Al2O
MEZCLADOR
(t3)23 Kg Al2O3 (9965)
2308 Kg catalizador
008 m3 NH4(OH) (ac) (01M
002 Kg HauCl4(ac)485 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
0008 Kg Au (035) 0006 Kg Cl2
0003 Kg HauCl4(ac)493 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
31
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado 32
DIAGRAMA DE FLUJO PARA UN MEZCLADOR
MEZCLADOR
1101035 Kg H2O
1428 kg γ-Al2O3
086 Kg HAuCl4
493 Kg NH4(OH)
0003 Kg HauCl4(ac)493 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
1433 Kg Catalizador
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
36 DIAGRAMA DE LA INDUSTRIA
INDUSTRIA DE CATALIZADORES
TANQUE DE TRATAMIENTO HORNO
CISTERNA 1
CONTENEDORDE AuCl3 CONTENEDOR DE
NH4OH ZONA DE LLENADO
DE SAPORTE
SE LLEVA AL HORNO
MANUALMENTE
PRODUCTOALMACEacuteN
Contenedor de HAuCl4
Figura 2 Diagrama de la distribucioacuten del equipo dentro del aacuterea de produccioacuten
33
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
37 DIMENSIONES DEL EQUIPO Y TUBERIacuteA
2 mts
2 mts 2 mts 6 mts 4 mts 3 mts 5mts 5 mts 3 mts 6 mts 3
3mts 3 mts 3mts 3 mts 3 mts
4 mts 1 5 mts 1 5 mts 4mts 4 7mts 4 mts 21 mts 7 2mts 26 mts 2 mts 21 mts 6 mts
3 5 mts 14 mts 6 mts 8 mts 1 5 mts 3 mts 5 mts 13 mts 8 mts 20 mts 30 mts
IN D U ST R IA D E C A T A L IZ A D O R E S
T AN Q U E D E T R AT AM IE N T O H O R N O
C IST E R N A 1
C O N T EN ED O RD E Au C l3
C O N T EN E D O R D E N H 4O H
ZO N A D E L LEN AD O D E SO PO R T E
AG UA PAR A JAR D IN ES
M E Z C L A D O R E S 12 3 y 4
1 2 3 4
A L M A C Eacute N
Contenedor de HAuCl4
Figura 3 Dimensiones del equipo y tuberiacutea requerida
34
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
38 PLANO DE DISTRIBUCIOacuteN DE AacuteREAS
Figura 4 Aacutereas de trabajo dentro de la planta
35
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
DIMENSIONES DE LA INDUSTRIA
Figura 5 Dimensiones de cada aacuterea de la planta industrial
36
UAM-I
Ingenieriacutea Quiacutemica 37
10 cm 3mts 1 mts 25 cm 15cm 5 cm 5 cm 3mts 150 mts 10 cms 100 mts 20 cm
003 mts
Figura 6 Dimensiones del mezclador y del Agitador
UAM-I
Las dimensiones de las canastillas se determinaron a partir del balance de masa y la
produccioacuten requerida La carga de un contenedor de soporte que es de 100kg del
cual el agitador tiene 4 canastillas cada una corresponde 25 Kg la masa se obtuvo
del balance de materia y su densidad 600 Kgm3 con el que se obtuvo un volumen de
0043 m3
39 ANAacuteLISIS FINANCIERO
El costo de materias primas se muestra en la Tabla 2 en la que tambieacuten se incluyen
los flujos de alimentacioacuten requeridos para el proceso a partir de los cuales se
determinaron los costos diarios
Tabla 2 Costo de materias primas [5]
Compuesto
Alimentacioacuten
por diacutea
Costo
USDKg
Costo Total
USDdiacutea
Au 2 kg 10596 2119200
HCl 15 Kg 52 780
HNO3 20 Kg 022 044
-Al2O3 5712 Kg 034 19421
Canastillas 500 piezas 15 75000
NH3(OH) 200 Kg 034 680
H2O 440414 Kg 282 282
Total de Materia Prima 2215407
El costo se determinoacute considerando la cantidad de material el tamantildeo y el costo de
manufactura
El costo se determinoacute para uso industrial conforme establece la tesoreriacutea de
Meacutexico
Ingenieriacutea Quiacutemica 38
UAM-I
PERSONAL REQUERIDO PARA LA INDUSTRIA
La Tabla 3 establece los salarios mensuales anuales y las prestaciones del IMSS
para el personal de la planta
Tabla 3 Salarios y Prestaciones del Personal
Mano de Obra (USDmes)p
ersona
USDmes USDantildeo Prestaciones
IMSS
1 Gerente 2000 2000 24000
1 Administrador 1000 1000 12000
1 Secretaria 400 400 4800 1193
Total de Salarios
Administrativos
40800 1193 409193
9 Obrero 150 150 1800 448
1 Teacutecnico 200 200 2400 597
1 Policiacutea 200 200 2400 597
1 Mantenimiento 180 180 2160 538
1 Limpieza 150 150 1800 448
Total de Salarios
Proceso
10560 2628 108228
Los salarios se determinaron en base al salario miacutenimo vigente en la Ciudad de
Meacutexico (2003)[29]
Ingenieriacutea Quiacutemica 39
UAM-I
PERSONAL
Departamento de produccioacuten
Se tendraacute 2 obreros en el llenado de soporte en las rejillas un obrero encargado del
traslado de rejillas por medio de la banda de los motores a cada contenedor un
obrero en cada contenedor de NH4OH y HAuCl4 en cada mezclador se tiene 1
obrero para descargar y cargar las rejillas a la banda que se trasladaran al horno en
el horno se tiene 1 obrero encargado del secado y calcinado el producto se traslada
al almaceacuten donde estaraacuten 2 obreros que reciben el producto y materias primas de los
proveedores se tiene 1 teacutecnico supervisando los equipos un encargo del
mantenimiento de los equipos
Departamento de personal
Gerente de la industria un administrador encargado de compra y venta de materias
primas una secretaria
Ingenieriacutea Quiacutemica 40
UAM-I
CAPITAL FIJO
La Tabla 4 muestra el costo de los equipos requeridos en la planta asiacute como el
Capital Fijo y la Inversioacuten del Capital Total
Tabla 4 El equipo se costeo usando las correlaciones de Ulrich [6] y empleando el
programa de Capcost
EQUIPO USD
4 Contenedores 23584
4 Agitadores (456kW) 269760
1 Horno (25 kW) 15700
15 Bombas (1469kW) 43081
1 Motor (114 kW) 67440
Tuberiacuteas 42150
2 Cisternas 174183
Vaacutelvulas 1283
Accesorios
(codos 90ordm y de 45ordm te)
1474
CAPITAL FIJO 638655
Capital de Trabajo 9579825
INVERSIOacuteN DE
CAPITAL TOTAL
73445325
Los caacutelculos y las correlaciones empleadas para el costeo del equipo se anexan en
el Apeacutendice A
Ingenieriacutea Quiacutemica 41
UAM-I
GASTOS GENERALES
Tabla 5 Proporciona el total de gastos anuales con lo cual se estima el precio por
kilo de catalizador y por unidad purificadora
Tabla 5 Gastos Generales anuales
USDAntildeo
Materias Primas 531697680
Mano de Obra de Operacioacuten 1082280
Mano de Obra de Oficina 4091930
Servicios Electricidad 2620100
Total de Gastos Generales 539491990
CFE
Produccioacuten diaria de Catalizador = 574 Kg
Precio de Catalizador = 40 USDKg
Produccioacuten diaria de unidades purificadoras = 500
Precio por unidad = 50USD
Ganancia diaria = 22960 USD
Ganancia Anual = 5510400 USD
DETERMINACIOacuteN DE LA RENTABILIDAD DEL PROYECTO
TPI (Actual) = 10
PR (Factor de riesgo) = 25
TREMA = TPI + PR
TREMA = 35
TIR (del proyecto) = 90
TIR gt TREMA
Puesto que la TIR es mayor que la TREMA se tiene que el proyecto es rentable [6]
Ingenieriacutea Quiacutemica 42
UAM-I
310 CONCLUSIONES
En el desarrollo de la industria para la fabricacioacuten de catalizadores se tuvo un
resultado satisfactorio a pesar de la falta de informacioacuten disponible acerca de
industrias de catalizadores debido a que esta informacioacuten no es publica El proyecto
que elaboramos es novedoso en nuestro paiacutes ya que no existen registros de una
industria que produzca catalizadores de oro soportados en aluacutemina
Durante el desarrollo del proyecto se planteoacute trabajar con compuestos como NOx y
COVS sin embargo debido a la falta de tiempo no se logroacute concluir la
experimentacioacuten en estos campos Debido a esto se tomoacute la decisioacuten de trabajar en
la oxidacioacuten cataliacutetica de CO Esto debido a varios factores por ejemplo la
disponibilidad de gases y sobre todo los costos que esto implicaba
Para el desarrollo del catalizador se analizaron diferentes tipos de preparacioacuten y se
eligieron dos meacutetodos diferentes Deposicioacuten-precipitacioacuten e Impregnacioacuten Los
catalizadores se evaluaron bajo diversas condiciones en la oxidacioacuten de CO El
catalizador que presentoacute mayor conversioacuten con el catalizador a baja temperatura fue
el sintetizado por el meacutetodo de Deposicioacuten-precipitacioacuten el cual se utilizoacute para el
disentildeo de la Industria El disentildeo estaacute basado en la forma de preparacioacuten del
catalizador Por esto la parte maacutes importante de la planta es el tanque de mezclado
el cual se disentildeo tomando en cuenta los diferentes disentildeos de agitadores para tener
un mezclado oacuteptimo Se incorporo en la parte superior del agitador las canastillas
para las pastillas cataliacuteticas y el tipo de Horno que se usara para el secado y
posteriormente el calcinado Una parte importante es la produccioacuten de catalizador
para este problema se investigoacute en que parte se podriacutea utilizar a diferencia de los
catalizadores para automoacuteviles Se llego a la decisioacuten de poder desarrollar un
catalizador para los calentadores de agua se obtuvo informacioacuten de la fabrica de
calentadores cal-o-rex en la produccioacuten diaria de calentadores y de esta informacioacuten
se pudo calcular la posible demanda de nuestro producto Una parte importante en
las industrias son el tipo de bombas ya que existen diversos modelos en nuestro
disentildeo se escogioacute las bombas centriacutefugas con rodetes para agua que contiene
pequentildeas partiacuteculas de soacutelidos
En la parte de servicios para personal se investigo los sueldos de cada empleado Se
determinoacute el costo de los equipos y finalmente llegamos a la parte que nos interesa
Ingenieriacutea Quiacutemica 43
UAM-I
del disentilde es decir si el proyecto es rentable o no En este caso particular se tuvo un
valor aceptable y se definioacute que el disentildeo es rentable Esto indica que seria una
industria que tendriacutea ganancias y a la vez que el producto que se fabrique nos
ayudaraacute a todos a reducir la emisioacuten de CO en los hogares aportando una pequentildea
ayuda al medio ambiente
COMENTARIOS
Los conocimientos adquiridos durante este tiempo fueron provechosos en la parte
teoacuterica y praacutectica aclaramos dudas de como y porque se comportan las reacciones
quiacutemicas y los procesos de flujos Durante el desarrollo del proyecto aprendimos a
observar y la importancia de entender fiacutesicamente las algunos procesos relacionados
con la siacutentesis y caracterizacioacuten de materiales cataliacuteticos
Ingenieriacutea Quiacutemica 44
UAM-I
38 BIBLIOGRAFIacuteA
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UAM-I
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Ingenieriacutea Quiacutemica 46
UAM-I
APEacuteNDICE A
CRITERIOS PARA DETERMINAR QUIEacuteN CONTROLA EL PROCESO
Criterio de weisz para difusioacuten interna
Ec(12-16 Fogler) Los valores que se sustituyen en las siguientes ecuaciones fueron
tomados del catalizador que se analizo en el laboratorio
CWP = ( )
AS
cObsA
DeCRcr 2minus
lt 1
-rA(Obs) = velocidad de reaccioacuten observada molgcats Cc = concentracioacuten volumeacutetrica molm3
CAS = concertacioacuten en la superficie molm3
D= diaacutemetro del granulo m R = radio del granulo m De = difusividad efectiva m2s
d = 0149mm mxmm
m 4104911000
1 minus=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
CWP = ( )( )3
32
24
33
103470184200350
21049150800010681
minus
minusminus
=⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞⎜
⎝⎛
x
mmol
hrm
mxcatm
gcathgcat
molx
734x10-3 lt 1 No hay limitante por la difusioacuten interna
Ingenieriacutea Quiacutemica 47
UAM-I
Criterio de mears para difusioacuten interna Ec(12-62 Fogler)
Mm = 150ltAbc
bA
CkRnr ρminus
Mm =( )( )
0570
136000184200220
31110457508000106851
3
53
3
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ minusminus
hrs
mmol
sm
mxcatmgcat
hgcatmolx
0057 lt 015 no hay efecto de transferencia de masa externa Calculo de Dab para calcular el coeficiente de trasferencia de masa Ec(78 Lobo)
De =
KAAB DD11
1
+
DKA = 970X103 (80X10-8)(s
cmK 221 1090)
2400( =
DAB = 00018583ABAB
BA
PMMT
Ω
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ +
2
2123 11
γ
Para CO
0110=isin
Bk 0593 A=γ
Para O2
Ingenieriacutea Quiacutemica 48
UAM-I
0113=isin
Bk 0453 A=γ
( ) 51343359321
=+=ABγ
( )( )[ ] 21113110BAB k=isin A la temperatura de 400degK
( ) 583))113)(110((
40021 =
deg=
isin B
B
AB
B
KKKTK
Ω AB = 0907 Sustituyendo
DAB =s
cm2
2
2123
9730)9070()513(
)21281()400(00185830=
+
De = hrm
hrs
cmm
scm 222
03501
3600100
10980
10901
97301
1=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
+
Calculo de Kc Sh = (Re)12(Sc)13
Velocidad superficial
V = sm
shr
hrm
mxhr
m
Av
c
02036001976
1087
006025
3
0 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛== minus
Ingenieriacutea Quiacutemica 49
UAM-I
Re= ( ) 240)1062)(501(
)10491)(020(
1 25
4
=minus
=minus minus
minus
smx
mxsmvd p
νφ
Sc= 672)3600
1)(0350(
10622
25
==minus
shr
hrm
smx
Dv
AB
Sh= ( 024 )12 ( 267 )13 = 0679
Kc = Shdp
DAB⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛minusφ
φ1
Kc = ( )sm
mxs
mx02206790
10491
10729
50501
4
26
=⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛minus
minus
minus
Calculo de numero Thile con el radio que usara a nivel industrial
φ = L ( )DkCn n
AS
21 1minus+
L = 3R
Sustituyendo
φ = 66x10-4 m( )
( )
450
03502
018420
5480941311
3
30
3330
313
=
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+
catmhrm
mmol
hrcatmmolm
η = 1 con los resultados anteriores se observa que quieacuten limita es la velocidad de
reaccioacuten Por lo que se procede a calcular el peso y longitud de catalizador
necesaria para muestro purificador sustituyendo los valores del Boiler
Ingenieriacutea Quiacutemica 50
UAM-I
Peso del Catalizador w =
( ) grcatgcatLn
gcatm
mmol
hrcatmmolm
hrm
xLn
kCv
A
66476639401
1
6000001578
548094
19836
11
330
3330
313
3
0
0 asymp=minus
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
minus
g 664=w
33
3
1011
mg60000
g 664 mxwv minus===ρ
m 035003101011
2
33
==minus
mmxL
cm 531000350 == xL
Ingenieriacutea Quiacutemica 51
UAM-I
APEacuteNDICE B BALANCE DE MASA DE LA PREPARACIOacuteN DE HAUCL4 Au(g) + 3HNO3(ac) + 4HCL(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O + 3N02(g) (152 M) (105M)
cantidad de mol Au = 05 kg Au x molAu
grAumolAux
kggr 542
971961
11000
=
cantidad de kg HNO3 = ( ) 33
33 480
10001
1635423 kgHNO
grkgx
molHNOGRHNOxHNOmol =
cantidad de kgHCl = ( ) kgHClgr
kgxmolHCl
grHClHClxmol 3701000
11
5365424 =
cantidad de kgHAuCl4 = 254molHAuCl4 x 44
8601000
11
97339 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
gr=
cantidad de kgH2O = 3( 254mol)H20 x OkgHgr
kgxOmolHOgrH
22
2 1401000
1118
=
cantidad de Lt H20 = 762molHNO3 x OltHOkgHOLtH
22
2 14011
=
cantidad de Lt H20 = 1016 mol HNO3 x 050215
012
2 LtHmol
LtH=
cantidad de LtH20 = 1016mol HCl x OLtHLtHmolHCl
LtH22
2 010970510
01asymp=
cantidad de MHAUCl4 = ( ) ( ) ( ) MHltltlt
ClmolHAU 7210850490140
542
2
4 asymp++
cantidad de kg NO2(g) = 3( 254mol)NO2 x )(22
2 3501000
1146
SkgNOgr
kgxmolNO
grNO=
Ingenieriacutea Quiacutemica 52
UAM-I
05 kg Au 048 kgHNO3 035 kgNO2 101021 kgH20 (152M) 037 kgHCl(ac)
(105 m) 086 kg HAuCl4 (ac) 086 kg HAuCl4 (ac)
(17 M) 014 kgH20 (25x10-3M) 014kg H20 (L) 086kg HAuCl4 035kgNO2 (g) 101185kg H20 Cantidad de H20 = 086 kgHAuCl4
x 08510110101
105201
173341
11000
22
23
24 kgHLtHkgHx
MxltHx
grmolHAuClx
kggr
=minus
pero (101185 ndash 014 ndash 05 ndash 1) kg H20 = 101021 kg H20 100ml H20 por 1 gr soporte 35kg NH4 (OH)(AC) 10000kgH20 100 kg γAl203 (9965) 035kgAu (035) 100kg γAl203 025kgCl2 086kg HAuCl4 026kgHAuCl4
101185 kg H20 35kgNH4 (OH)(AC) 1101185kgH20 cantidad de kgHAuCl4 = 015kgAu x
44
4 2601000
11
973391
197196
147196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxgrAu
molxkg
gr=
cantidad de NH4(OH) = 100kg γ Al203 x
Ingenieriacutea Quiacutemica 53
UAM-I
kgNHxmol
grx
mlmol
xOAlgr
OHmlNHx
kg
gr53
10001
1
35
100010
1
)(10
1
1000
32
4=
γ4(OH)
30kg γAL2O3 1 kgNH4(OH)(AC) 30 kg γ Al203 (9965) 010 kg Au (035) 026kgHAuCl4 007kg Cl2 35kgNH4(OH) 1101185 kgH2O 0086kgHAuCl4 45 kg NH4(OH)(AC) 1101185 kg H20
cantidad de γ Al2O3 = 026kgHAuCl4 x 324
32 02330860
100 AlkgkgHAuCl
OAlkg γγ=
cantidad de kgAu = 035 x kgAukg 10506599
30=
cantidad de kg Cl2 = 01 kgAu x
22
2 07201000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de HAuCl4 = 005kgAu x
44
4 08601000
11
973391
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 54
UAM-I
cantidad de kgNO4(OH) = 30 kg γ Al203 x ( )OHkgNHAlkg
OHkgNO4
32
4 0510100
)(53=
γ
105 kg γ Al203 035 kg NH2(OH) 105 kg γ Al203 (9965) 004 kg Au (035) 009kg HAuCl4 003 kg Cl2 45kgNH4(OH) 1101185 kg H20 0017kgHAuCl4 485kgNH4 (OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 009 HAuCl4 x 324
32 04710860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad kg de NH4 (OH) = 105kg γ Al203 x ( ) )(3500100
534
32
4 OHkgNHAlkg
OHkgNH=
γ
cantidad de Cl2 = 004 kg Au x
22
2 02901000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
gAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 =
44
44 02001701000
11
973391
197196
11
1000010 kgHAukgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgr
molAuxkg
grkgAux asymp=
Ingenieriacutea Quiacutemica 55
UAM-I
23 kg γ Al203 008kgNH4(OH) 002 kg HAuCl4 23 kg γAl203 (9965) 485kgNH4(OH) 0008kgAu(035) 1101185kg H2 0001kg Cl2
0014 kg HAuCl4 493kgNH4(OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 002kgHAuCl4 x 324
32 032860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad de kg Au = 035 x kgAukg 00806599
32=
cantidad de kgCl2 = 0002kgAu x
24
4 00101000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 = 0008kgAu x
44
44 01401000
11
973341
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 56
UAM-I
APEacuteNDICE C ACCESORIOS EN EL DISENtildeO
Agitador
Agitadores de Heacutelice se escogioacute este tipo de agitador por ser tener las siguientes
caracteriacutesticas [3]
bull Es un agitador de flujo axial
bull Se emplea para liacutequidos pocos viscosos
bull Giran a toda la velocidad del motor
bull Las corrientes de flujo se mueven a traveacutes del liacutequido en una direccioacuten
determinada hasta que son desviadas por el fondo o las paredes del tanque
bull Las palas de la heacutelice cortan o friccionan vigorosamente el liacutequido
bull Los agitadores de heacutelice son eficaces para tanques de gran tamantildeo
Horno
bull El horno se escogioacute por ser tener las siguientes caracteriacutesticas [5]
bull El horno de construccioacuten metaacutelica
bull La caacutemara de combustioacuten estaacute construida mediante hormigones refractarios
de alta resistencia mecaacutenica
bull Las materias secar y calcinar se carga de forma manual
Ingenieriacutea Quiacutemica 57
UAM-I
Bomba
DISENtildeO Bomba centrifuga para operacioacuten horizontal o vertical del impulsor
cerrado succioacuten al extremo descarga hacia arriba tangencial simple succioacuten de un
paso con carcaza partida verticalmente [3]
ROTACIOacuteN En el sentido del reloj vista desde el cople
CARACTERIacuteSTICAS Conexiones brindadas con registro ubicado en la cabeza de
succioacuten para facilitar su limpieza
SERVICIO Debido a que es posible colocarla en posicioacuten horizontal o vertical tanto
en caacutercamos secos como huacutemedos y por el disentildeo de su impulsor que soacutelidos de
gran tamantildeo esta bomba es ideal para los procesos de tratamientos de agua y
manejo de liacutequidos en suspensioacuten en general
CAPACIDADES
GASTO Hasta 3000 GPM
CDT Hasta 80rsquo
PRESIOacuteN 106 Kgcmsup2
POTENCIA De 1 a 60 Hp
VELOCIDAD (1175 - 3550 RPM)
TEMPERATURA 125degC
Ingenieriacutea Quiacutemica 58
UAM-I
Bombas Centriacutefugas
Las maquinas centriacutefugas estaacuten constituidas por un impulsor o rodete formado por
una serie de aletas radiales diversas formas y curvaturas que giran dentro de una
caja circular El fluido penetra por el ojo o eje de rotacioacuten y se descarga maacutes o
menos radialmente en una caacutemara perifeacuterica a una elevada presioacuten que
corresponde a la suma de la fuerza centriacutefuga de la rotacioacuten maacutes la cineacutetica
comunicada al fluido por las aletas La parte moacutevil de la bomba es el rodete Las
aletas del rodete se extienden desde el centro de rotacioacuten hacia la periferia y las
bridas son los discos de refuerzo a cada lado de las aletas que las envuelven Las
aletas pueden ser radiales curvadas ligeramente hacia delante en el mismo sentido
de la rotacioacuten o estar curvadas al reveacutes en el caso maacutes comuacuten en el disentildeo se
determino el rodete siguiente por sus caracteriacutesticas Fig 1
Figura 1 Corte parcial de un rodete de centriacutefuga para grandes cargas y secciones
de paso estrechas empleando con liacutequidos corrosivos o suspensiones de pequentildeas
partiacuteculas[4]
Ingenieriacutea Quiacutemica 59
UAM-I
APENDICE D CALCULO DE POTENCIA DE BOMBAS (8)
Potencia de la bomba de la cisterna 1 que alimenta a los mezclador 4
Ecuacioacuten de Bernoulli
sum sumint =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛+++∆+∆i i
i
P
P
evvfDLvwdphgv 0
21
21
ˆ1
21 222
2
1ρ
a b c d e f
a Diferencia de velocidades
b Diferencia de alturas
c Diferencia de presiones
d Trabajo
e Perdidas de friccioacuten en tuberiacuteas
f Perdidas de friccioacuten en accesorios
En la ecuacioacuten anterior se pueden eliminar algunos teacuterminos
21 mts
6 mts 35 mts
Figura 1 Balance de cisterna 1 a mezclador 4
Se debe de tener dos puntos de referencia para la utilizacioacuten de la ecuacioacuten de
Bernoulli de los cuales se anotaron en la figura 2
Ingenieriacutea Quiacutemica 60
UAM-I
21 mts
2 1 6 mts 35 mts
Figura 2
Teniendo los puntos de referencia se analiza que las diferencias de velocidades son
cero en ambos puntos por lo tanto el termino 2
21 ν∆ es igual a cero
El termino de = (981hg∆ 2segm )(35m ndash 0) = 34335 2
2
segm
El termino de int2
1
1P
P
dpρ
se tiene que la cisterna y el tanque de mezclado ambos no
estaacuten cerrados y por lo tanto no originan un cambio de presioacuten y el termino es cero
De esta expresioacuten L longitud de tuberiacutea
tro de tuberiacutea
n el interior del tubo
v
Para la l radio del tubo que
sum ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
i
fDL2
21 ν
D diaacuteme
f perdidas de friccioacuten e
velocidad del flujo de agua
obtencioacuten de la velocidad se tiene el flujo volumeacutetrico y e
es de 32 cm =0032mts con la ecuacioacuten
Ingenieriacutea Quiacutemica 61
( )( ) sm
ms
m
RQ 761
032060min1)
min340(
2
3
2 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
==ππ
ν
UAM-I
Se reportan valores de perdida de fr
e reduce teacuterminos
iccioacuten en tubos que son igual a 005
Por lo tanto sustituyendo los teacuterminos en la ecuacioacuten de Bernoulli s
sum sumint =⎟⎠
⎜⎝
+⎟⎠
⎜⎝
+++∆+∆i i
iP
evvfD
vwdphgv 022
ˆ2
1ρ
⎞⎛⎞⎛ L 111 2222
or tanto el termino de trabajo queda expresado de la siguiente manera
tanto la bomba comunica al fluido que circula en el sistema un trabajo
+11727
P1
p w
sum sum ∆minus⎟⎠⎞
⎜⎝⎛minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛minus=
i ii
hgevvfDLvw 22
21
21
ˆ
( ) ( )
Este es el trabajo ( por unidad de masa) producido por el fluido en la bomba por lo
22
sm o 11727 981 = 1195
m
fKg
Kgm
La velocidad de flujo de masa es
Por lo tanto
1 )=6694
951)(675(ˆ =minus=minus WwW smkg f = 088Hp = 1Hp
Siendo esta ida para esta bomba El procedimiento anterior se
iguioacute para cada bomba de la planta
AP E
la potencia requer
s
EacuteNDICE
TOXICOLOGIacuteA DE MATERIAS PRIMAS [6]
( ) ( ) ( )( ) ( )( )msm
smmmm
sm 538192201150761
21050
032021536761
21
2
22minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ +minus⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ++
minus=wm
22
27117ˆ smw minus=
( )s
kgmkgQw m675100060340 3 === ρ
Ingenieriacutea Quiacutemica 62
UAM-I
HIDROacuteXIDO DE SODIO
Polvo corrosivo blanco delicuescente
Toxicidad
Concentracioacuten Maacutexima permisible 2mgm3 en aire
Signos y Siacutentomas Conjutivitis quemaduras corneales y de la piel Irritacioacuten
seas vomito dolor abdominal y diarrea a veces con
Lavado de las partes afectadas tranquilizantes sulfato de
decuada gafas protectoras o pantallas para
ignos y Siacutentomas Irritacioacuten de ojos quemaduras corneables tos dolores
l hemoptisis dolor de cabeza dolor epigaacutestrico nauseas y vomito
lmonar
Tratamiento lavado de ojos con agua reposo oxigeno con aparato de respiracioacuten
con onantes
ACIDO NITRICO
Liquido corrosivo sofocante de incoloro a amarillento
ioacuten maacutexima permisible 10ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
del tracto respiratorio nau
sangre
Tratamiento
morfina para el dolor y cortisona
Medidas preventivas Ventilacioacuten a
la cara completa mascarilla con filtro mecaacutenico guantes delantares botas de
goma y acentuar la limpieza personal
CLORO
Gas pasado amarillo verdoso
Toxicidad
Conc Maacutexima permisible 1 ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten
S
retrosterna
debilidad cianosis y edema pu
trolada bronco dilatadores y descongesti
Toxicidad
Concentrac
Ingenieriacutea Quiacutemica 63
UAM-I
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
Signos y siacutentomas Erosioacuten dental estornudo tos Dolor en el pecho bronquitis y
la las partes contaminadas del cuerpo con solucioacuten al 5 de
de las quemaduras con pantildeos
de triacuteo sulfato soacutelido si se a ingerido
vado de ojos con agua
ACIDO CLORIDRICO
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
ivitis necrosis corneal por inhalacioacuten rinitis erosioacuten
dolor de cabeza palpitacioacuten por ingestioacuten
s en la boca faringe esoacutefago estomago salivacioacuten vomito Soc
agua lavada de agua y jaboacuten de las partes
preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
AacuteC
El c
con o de hidroacutegeno una
concentracioacuten de 12 molLt Este aacutecido es un liacutequido incoloro con un olor aacutecido
bronconeumoniacutea
Tratamiento
bicarbonato soacutelido o con agua y jaboacuten Tratamiento
mojados con solucioacuten saturada
administracioacuten por viacutea oral de solucioacuten de jaboacuten Hidroacutexido caacutelcico o alumiacutenico u
oacutexido de magnesio
Medidas preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores excluir de la exposicioacuten
a los individuos con enfermedades de pulmones y rintildeones
Gas incoloro o liacutequido o a amarillento
Toxicidad
Concentracioacuten maacutexima permisible 5ppm en aire
Signos y siacutentomas conjunt
dental laringitis bronquitis neumoniacutea
quemadura
nefritis
Tratamiento lavado de ojos con
contaminantes del cuerpo tratamiento ordinario de quemaduras lavado gaacutestrico
se a ingerido con solucioacuten de bicarbonato soacutedico al 5 seguido de una instilacioacuten
de gel de hidroacutexido de aluminio
Medidas
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores
IDO CLORHIacuteDRICO
loruro de hidroacutegeno es en extremo soluble en agua de hecho el aacutecido clorhiacutedrico
centrado contiene cerca del 38 en masa de clorur
Ingenieriacutea Quiacutemica 64
UAM-I
pronunciado que se debe al equilibrio entre el cloruro de hidroacutegeno gaseoso y
ste con el aacutecido fluorhiacutedrico el aacutecido clorhiacutedrico es un aacutecido fuerte (pKa = -
7) y se ioniza casi totalmente
gar de aacutecido sulfuacuterico auque en menor grado Por
jemplo el zinc metaacutelico reacciona con aacutecido clorhiacutedrico para dar el ion zinc e
hidroacutegeno gaseoso
Zn(s) + 2HCl(ac) ZnCl2(ac) + H2(g)
l para producir aacutecido clorhiacutedrico en el laboratorio es generar
cloruro de hidroacutegen e sodio y el aacutecido
ulfuacuterico En el primer paso a 150degC se forma hidroacutegeno sulfato de sodio
NaHSO4(s) + HCl(g)
io y maacutes
loruro de hidroacutegeno gaseoso Luego el gas se disuelve en agua para formar el
aacutecido
NaHSO4(s) + NaCl(s) Na2SO4(s) + HCl(g)
acuoso
HCl(ac) HCl(g)
El reactivo de grado teacutecnico a menudo tiene un color amarillento por una impureza
del ion hierro (III)
En contra
HCl(ac) + H2O(l) H2O+(ac) + Cl -(ac)
Por ello a menudo se prefiere usar aacutecido clorhiacutedrico diluido en lugar de aacutecido niacutetrico
que es muy oxidante y en lu
e
Cuando el zinc reacciona con el aacutecido niacutetrico es comuacuten que se reduzca una parte
del ion nitrato para dar dioacutexido de nitroacutegeno
El meacutetodo tradiciona
o gaseoso por la reaccioacuten entre el cloruro d
s
NaCl(s) + H2SO4(l)
La mezcla se calienta a 550degC temperatura a la cual el hidroacutegeno sulfato de sodio
reacciona con un exceso de cloruro de sodio para formar sulfato de sod
c
∆
Este meacutetodo se usa tambieacuten en la industria otra forma de producir cloruro de
hidroacutegeno es por la combinacioacuten directa de dicloro y dihidroacutegenogaseosos
Ingenieriacutea Quiacutemica 65
UAM-I
H2(g) + Cl2(g) 2HCl(g)
La mayor cantidad de cloruro de hidroacutegeno que se produce actualmente es un
CH4(g) + 4Cl2(g) 4(l) + 4HCl(g)
riacuten de superficies de acero en un bantildeo aacutecido en la purificacioacuten de glucosa
y jarabe de maiacutez e s y de gas y en la
bricacioacuten de compuestos clorados El aacutecido se puedo comprar en muchas
nducida por la luz
4HNO3(ac) 4NO2(g) + O2(g) + 2H2O(l)
niacutetrico como disolvente)
H2NO3+ H2O + NO2
+
l siguiente
3HNO NO3 ndash
subproducto de otros procesos industriales como la siacutentesis de tetracloruro de
carbono
CCl
Se consumen cerca de 107 toneladas de aacutecido clorhiacutedrico cada antildeo en todo el
mundo Este aacutecido tiene una gama muy amplia de usos como aacutecido comuacuten para
eliminar o
n el tratamiento con aacutecido de pozos petrolero
fa
ferreteriacuteas con el arcaico nombre de aacutecido muriaacutetico sus principales usos caseros
son la limpieza de superficies de concreto y la eliminacioacuten de herrumbre Un nuacutemero
muy reducido de personas es incapaz de sintetizar suficiente jugo gaacutestrico y deben
de ingerir caacutepsulas de aacutecido clorhiacutedrico diluido con cada comida
AacuteCIDO NIacuteTRICO
El aacutecido niacutetrico un liacutequido aceitoso e incoloro en estado puro es sumamente
peligroso El aacutecido que funde a ndash42degC y hierve a +83degC tiene por lo general un
ligero color amarillo a causa de una reaccioacuten de descomposicioacuten i
En un estado puro el aacutecido niacutetrico liacutequido praacutecticamente no conduce la electricidad
Una pequentildea porcioacuten se ioniza como sigue (todas estas especies existen en el aacutecido
2HNO3(l) H2NO3+ + NO3
ndash
H2O + HNO3 H3O+ + NO3 ndash
Para dar la reaccioacuten globa
3 NO2+ + H3O + 2+
Ingenieriacutea Quiacutemica 66
UAM-I
El catioacuten nitrilo es importante en la nitracioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas por ejemplo la
obenceno C6H5NO2 una etapa importante en
umerosos procesos industriales orgaacutenicos
El aacutecido niacutetrico con en agua mientras
ue el ldquoaacutecido niacutetrico fumanterdquo un oxidante extremadamente poderoso es una
vez de ello se produce una mezcla de
sistema que da un orden de
vista industrial el
oceso
e lleva a cabo en tres etapas Primero se hace pasar una mezcla de amoniaco y de
dioxiacutegeno (o aire) un proceso muy
ficiente y exoteacutermico que hace que la malla se ponga al rojo Esta etapa se verifica
conversioacuten de benceno C6H6 en nitr
n
centrado es en realidad una solucioacuten al 70
q
solucioacuten roja de dioacutexido de nitroacutegeno en aacutecido niacutetrico puro Incluso cuando esta
diluido el aacutecido niacutetrico es un oxidante tan fuerte que rara vez desprende hidroacutegeno
cuando se pone en contacto con metales en
oacutexidos de nitroacutegeno y el metal se oxido a su catioacuten
Los enlaces O-N son mucho maacutes cortos (121 pm) que el enlace O-N unidos al aacutetomo
de hidroacutegeno (141 pm) Esta longitud de enlaces indica que hay enlaces muacuteltiples
entre el nitroacutegeno y los dos aacutetomos de oxiacutegeno terminales Ademas de los electrones
del sistema σ hay cuatro electrones que participan en el sistema π O-N-O dos de un
orbital enlazante y dos en un orbital no enlazante
enlace de 112 para cada uno de esos enlaces nitroacutegeno- oxiacutegeno
A veces se nos olvida hasta queacute punto nuestra experiencia depende de la
termodinaacutemica y la cineacutetica Por ejemplo la primera siacutentesis industrial de aacutecido
niacutetrico se llevaba ha cabo por simple combinacioacuten de diniacutetrogeno dioxiacutegeno y agua
utilizando un horno de arco eleacutectrico a fin de proporcionar la energiacutea necesaria par
superar la muy elevada barrera cineacutetica Aunque desde el punto de
factor cineacutetico constituiacutea un problema en realidad es una bendicioacuten por que sin esta
barrera cineacutetica hace mucho tiempo que todo el dioacutexido de la atmoacutesfera se abriacutea
transformado en aacutecido niacutetrico y nuestros mares serian de aacutecido niacutetrico diluido
frac12 N2(g) + 54O2(g) + 12H2O(g) HNO3(g)
Ahora se utiliza el proceso Ostwald para la siacutentesis de aacutecido niacutetrico Este proceso
consume gran parte del amoniaco que se produce por el proceso Haber El pr
s
a traveacutes de una malla de platino metaacutelico Eacuteste es
e
a baja presioacuten para aprovechar el efecto entropico es decir la formacioacuten de 10
moles de gas a partir de 9 moles de gas (una aplicacioacuten del principio de Le Chatelier)
para desplazar el equilibrio a la derecha
Ingenieriacutea Quiacutemica 67
UAM-I
4NH3(g) + 5O2(g) 4NO(g) + 6H2O(g)
Se agrega maacutes oxiacutegeno para oxidar el monoacutexido de nitroacutegeno a dioacutexido de nitroacutegeno
A fin de mejorar el rendimiento de esta reaccioacuten exoteacutermica se extrae calor de los
ases y la mezcla se somete a presioacuten
2HNO3(l) + NO(g)
Esta reaccioacuten tambieacuten es exoteacutermica y una vez maacutes se aplica enfriamiento y alta
la
egunda etapa para oxidarlo de nuevo
La contaminacioacuten s de aacutecido niacutetrico
as plantas maacutes antiguas eran faacutecilmente identificables por la fumarola cafeacute-
antas maacutes antiguas ahora mezcla cantidades
en Estados Unidos porque un 20
dedica ala produccioacuten de explosivos
or ultimo el aacutecido niacutetrico es un liacutequido que hierve a 826degC No existe como liacutequido
g
2NO(g) + O2(g) 2NO2(g)
El dioacutexido de nitroacutegeno se mezcla con agua para dar una solucioacuten de aacutecido niacutetrico
3NO2(g) + H2O(l)
presioacuten par obtener el maacuteximo rendimiento El monoacutexido de nitroacutegeno se vuelve a
s
soliacutea ser un problema importante de las planta
L
amarillento del dioacutexido de nitroacutegeno que escapaba por ellas Las plantas maacutes
antiguas eran faacutecilmente identificable por la fumadora cafeacute-amarillo del dioacutexido de
nitroacutegeno que escapaba de ellas Las pl
estequiomeacutetricas de amoniaco con las oacutexidos de nitroacutegeno con lo cual se obtiene
dinitroacutegeno y vapor de agua ambos inocuos
NO(g) + NO2 (g) + 2NH3(g) 2N2(g) + 3H2O(g)
En todo el mundo alrededor del 80 del aacutecido niacutetrico se utiliza en la produccioacuten de
fertilizantes Esta proporcioacuten es de solo el 65
se
P
puro porque en alguna medida se descompone espontaacuteneamente como sigue
4HNO3(l) 4NO2(g) + 2H2O(l) + O2(g)
Ingenieriacutea Quiacutemica 68
UAM-I
El aacutecido niacutetrico concentrado que se usa en el laboratorio estaacute al 68 en masa HNO3
(densidad 142 gcm3) lo que corresponde a 157 M
l aacutecido niacutetrico es un poderoso agente oxidante El nuacutemero de oxidacioacuten del N en el
) El aacutecido niacutetrico puede oxidar
nto a metales que estaacuten abajo del hidroacutegeno como aquellos que se encuentran
4Zn2+(ac) + NH4
+(ac) + 3H2O(l)
do no oxida al oro Sin embargo cuando se mezcla con
cido clorhiacutedrico concentrado en relacioacuten 13 en volumen (una parte de HNO3 a tres
partes al oro
omo sigue
APEacuteNDICE F
ETODO DE DEPOSICIOacuteN-PRECIPITACIOacuteN
E
HNO3 es + 5 Los productos maacutes comunes de la reduccioacuten del aacutecido niacutetrico son el
NO2 (N = + 4) el NO (N = + 2) y el NH4+ (N = - 3
ta
arriba en la serie de actividades Por ejemplo el cobre es oxidado por el aacutecido niacutetrico
concentrado como se mencionoacute antes
En presencia de reductores fuertes como el zinc metaacutelico el aacutecido niacutetrico se puede
reducir hasta ion amonio
4Zn(s) + 10H+(ac) + NO3
-(ac)
El aacutecido niacutetrico concentra
aacute
de HCl) la disolucioacuten resultante denominada agua regia puede oxidar
c
Au(s) + 3HNO3(ac) + 4HCl(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O(l) + 3NO2(g)
M
Ingenieriacutea Quiacutemica 69
UAM-I
APEacuteNDICE G
ISENtildeO DEL MEZCLADOR [4]
1) 100 ml H2O gr soporte
2) NH4(OH)
Ajustar a PH = 9 4) HAuCl4 (solucioacuten acuosa al 25E-3M)
6) Filtrado o centrifugado
3) En Agitacioacuten por 2 hr
8) Secado por 2hr a 80 degC
9 ) Calcinado por 4hr a 400 degC
7) Lavado
5) Antildeegamiento por 30 min
D
Ingenieriacutea Quiacutemica 70
UAM-I
El disentildeo de un tanque agitado dis n nuacutemero de elecciones sobre el
po y localizacioacuten del agitador las proporciones del tanque el nuacutemero y dimensiones
ada una de estas decisiones afectan a la velocidad
e circulacioacuten del liacutequido los modelos de velocidad y el consumo de potencia Como
pone de un gra
ti
de las placas deflectoras etc C
d
punto de partida en el disentildeo de los problemas ordinarios de agitacioacuten generalmente
se utiliza un agitador de turbina del tipo que se muestra en la figura 1 La proporcioacuten
tiacutepica es
31
=t
a
DD
1=tD
H 121
=tD
J 51
=aD
W 41
=aD
L
de estas ecuaciones se disentildeara el mezclador como datos se tiene el valor H que es
igual a 3 mts y el diaacutemetro del tanque D
Se determinara la medida de los reflectores
t que es igual 3 mts
121
=tD
J se despeja J
elacioacuten R31
=t
a
DD
se despeja Da
Relacioacuten
41
=aD
L se despeja L
elacioacuten se despeja W
( ) ( ) cmmtsmtsDJ 25250311==⎟
⎞⎜⎛=⎟
⎞⎜⎛= t 1212 ⎠⎝⎠⎝
( ) ( ) mtsmtsDD ta 1331
31
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=
( ) ( ) mtsmtsDL a 250141
41
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛= cm25=
51
=aD
WR
Ingenieriacutea Quiacutemica 71
UAM-I
Figura 2 a) Vista transversal del mezclador b) paletas del mezclador con la
donde se deposita el soporte
Figura 1 Medidas de un agitador de turbina
a) b)
s rejillas
H
J
E L
Da
D t
W
W
( ) ( ) cmmtsmtsDW a 2020151
5==⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎜⎝
=1 ⎞⎛
Ingenieriacutea Quiacutemica 72
UAM-I
C O 2 2 0 c m 7 c m c m G A S C O
3
2cm
75 cm 35 cm
Figura 1 Esquematizacioacuten del equipo purificador y su ubicacioacuten en los calefones
Las dimensiones obtenidas (Apeacutendice A) y las caracteriacutesticas del purificado se
presentan en la Tabla 1
Tabla 1 Especificaciones de purificador
Material Latoacuten
Longitud 35 cm
Diaacutemetro 20cm
Cantidad de
Catalizador
700 gr
Catalizadores de Oro Soportado 26
UAM-I
33 PRODUCCIOacuteN DE LA PLANTA INDUSTRIAL A partir de un estudio de mercado se encontroacute que en la Ciudad de Meacutexico hay
cuando menos cuatro empresas principales (CALOREX ELSA MAGAMEX y
CINSA) que fabrican calentadores de agua residenciales[1 2] Estas en promedio
producen 150 calefones diarios Por cada calefoacuten se requiere un equipo purificador
En este sentido de requieren idealmente 600 unidades de purificacioacuten por diacutea Esta
base se utilizoacute para el disentildeo de la planta
A partir del balance de masa en el purificador y empleado los resultados
experimentales a nivel laboratorio (ver apeacutendice A) se encontroacute que cada purificador
requiere 07 Kg de catalizador A partir de este resultado se requiere producir al
menos 420 Kg de catalizador para satisfacer la demanda en la produccioacuten de
calefones Con base en el balance de materia realizado en el mezclador se
determinoacute que la cantidad de catalizador obtenido despueacutes de cuatro lotes es de
570 Kg Tomando el resto de catalizador como reserva por cualquier contratiempo El
nuacutemero de lotes se determinoacute en base a que fuese rentable la recuperacioacuten de oro
34 DISENtildeO Y OPERACIOacuteN DE LA PLANTA
La fabricacioacuten del catalizador a nivel industrial esta basada en el escalamiento del
meacutetodo de siacutentesis descrito en la parte experimental Lo cual es una praacutectica comuacuten
en la fabricacioacuten de materiales cataliacuteticos
Para la produccioacuten de 570 Kg por diacutea se plantea utilizar cuatro mezcladores (ver
Figura 2) que operaran durante 8 h con cuatro intervalos (o cargas) de 2 h y
descansos de 30 min (dejando 30 min libres por contratiempos) Esta operacioacuten se
elige con base en las horas de trabajo y el meacutetodo de preparacioacuten del catalizador
Al igual que en la parte experimental el proceso requiere operacioacuten por lotes debido
a que se necesitan largos tiempos de contacto para obtener catalizadores eficientes
en la oxidacioacuten de CO a baja temperatura Se pretende utilizar un agitador tipo
Catalizadores de Oro Soportado 27
UAM-I
canastilla[4] el cual permite colocar dentro de las mismas el catalizador para tener
una mejor impregnacioacuten de partiacuteculas de Au y eliminar la atricioacuten Las dimensiones
del agitador asiacute como del mezclador se presentan en la Figura 6
Al teacutermino de la uacuteltima carga en los mezcladores el lote completo del diacutea pasa al
horno para secarlo a 80degC por 2 h y calcinarlo a 400degC durante 4 h Durante estos
procesos se concluye la preparacioacuten del catalizador Las temperaturas y tasas de
calentamiento estaacuten basadas en el meacutetodo de preparacioacuten experimental descrito en
el Capitulo ll Posteriormente el catalizador producido pasa a la seccioacuten donde se
embolsa para ser vendido como materia prima y la otra parte pasa a la seccioacuten de
ensamblaje para fabricar el purificador
Dimensiones de la industria
Las dimensiones de los equipos como mezcladores cisternas tanque de
tratamiento horno etc se tomaron como base para poder suponer espacios entre
equipos para tener seguridad del personal Se dio preferencia a los mezcladores ya
que son las partes importantes en la elaboracioacuten de los catalizadores La cisterna
estaraacute enterrada para facilitar su llenado en el caso de los contenedores de HAuCl4
y NH4OH estaraacuten encima de bases maacutes altas que los mezcladores para poder
abastecerlos por gravedad Esto debido a que el volumen es poco no se requiere de
grandes cantidades por lo que no se requiere alguna bomba Se estuvo analizando
la forma de acomodar los equipos y se obtuvo la siguiente distribucioacuten que se
muestra en la Figura 3
En la Figura 4 se presenta el plano de la industria con sus respectivos
departamentos en la parte sur se encuentra la entrada principal en ella se encuentra
vigilancia y la entrada de empleados y obreros posteriormente esta la zona de
oficinas lado izquierdo del lado derecho se encuentra el estacionamiento para
clientes y empleados en el almaceacuten se encontraraacuten refacciones de equipo y
reservas de materia primas para los catalizadores en la zona de produccioacuten se tiene
el estacionamiento de proveedores para facilitar la entrada y salida del producto
Catalizadores de Oro Soportado 28
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado 29
Debido a que en cada industria debe existir un espacio recreativo se plantea una
cancha de Baacutesquetbol para los obreros y una zona de jardines en la parte norte
Ubicacioacuten de la industria
Para poder ubicar una industria es importante analizar la zona geograacutefica Para lo
cual se deben considerar algunos factores importantes por ejemplo No ubicarla en
zona de siacutesmica Si la industria requiere de un gran volumen de agua no ubicarla en
una regioacuten deseacutertica Si el producto es muy sensible al calor y la humedad evitar
zonas muy caacutelidas y huacutemedas Si se piensa vender el producto en una zona
especifica ubicar la industria cerca de la zona de venta para evitar gastos de
transportacioacuten A partir de este tipo de razonamientos se planea que debido a que el
producto que se elaborara que es un purificador cataliacutetico para su venta en la ZMVM
ya en ella estaacuten ubicadas las principales industrias de calentadores y debido a que la
planta requiere de un volumen considerable de agua se escogioacute el estado de
Morelos porque no esta muy lejos de la ZMVM y tiene reservas de agua Asiacute el gasto
de transportacioacuten de materias primas y sobre todo del producto elaborado seriacutea
pequentildeo
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
Agua
Tanque tratamien
Figur
NH4OH
HAuCl4
Produccioacuten de catalizadores
Recuperacioacuten de agua
de to
a
MezcladoresMezcladores
Cuando se requiere limpieza
Horno
Producto almaceacuten
30
1 Diagrama de produccioacuten Recuperacioacuten de cloro
UAM-I
35 BALANCE DE MATERIA DIAGRAMA DE FLUJO PARA DIFERENTES LOTES DE SOPORTE EN UN SOLO MEZCLADOR
Catalizadores de Oro So
05 Kg Au
10
0
086 Kg HAuCl4(ac)014 Kg H2O
035 Kg NO2(g)
2
35 Kg NH4(OH)(ac) (01M)
10000 Kg H2O
100 Kg Al3O
100 Kg Al2O3 (9965) 035 Kg Au (035) 025 Kg Cl2
026 Kg HauCl4(ac)35 Kg NH4(OH)
1101035 Kg H2O
O MEZCLADOR (t0)
10035 Kg catalizador
86 KgHAuCl4(ac)101035 Kg H2O
037 Kg HCl (ac) (105 M) 048 Kg HNO3(ac) (152 M)
porta
Kg N
30 Kg Al2Cl3
101021 Kg H2
do
H4 (OH) (ac) (01M) 30 Kg Al2O3 (9965) 01 Kg Au (035)
007 Kg Cl2
)
3
)
301 Kg catalizador MEZCLADOR (t1)
009 Kg HauCl4(ac)45 Kg NH4(OH)
1101035 Kg H2O
MEZCLADOR 1054 Kg catalizador
105 Kg Al2O3
(t2)
105 Kg Al2O3 (9965)
035 Kg NH4 (OH) (ac) (01M
004 Kg Au (035) 003 Kg Cl2
23 Kg Al2O
MEZCLADOR
(t3)23 Kg Al2O3 (9965)
2308 Kg catalizador
008 m3 NH4(OH) (ac) (01M
002 Kg HauCl4(ac)485 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
0008 Kg Au (035) 0006 Kg Cl2
0003 Kg HauCl4(ac)493 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
31
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado 32
DIAGRAMA DE FLUJO PARA UN MEZCLADOR
MEZCLADOR
1101035 Kg H2O
1428 kg γ-Al2O3
086 Kg HAuCl4
493 Kg NH4(OH)
0003 Kg HauCl4(ac)493 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
1433 Kg Catalizador
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
36 DIAGRAMA DE LA INDUSTRIA
INDUSTRIA DE CATALIZADORES
TANQUE DE TRATAMIENTO HORNO
CISTERNA 1
CONTENEDORDE AuCl3 CONTENEDOR DE
NH4OH ZONA DE LLENADO
DE SAPORTE
SE LLEVA AL HORNO
MANUALMENTE
PRODUCTOALMACEacuteN
Contenedor de HAuCl4
Figura 2 Diagrama de la distribucioacuten del equipo dentro del aacuterea de produccioacuten
33
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
37 DIMENSIONES DEL EQUIPO Y TUBERIacuteA
2 mts
2 mts 2 mts 6 mts 4 mts 3 mts 5mts 5 mts 3 mts 6 mts 3
3mts 3 mts 3mts 3 mts 3 mts
4 mts 1 5 mts 1 5 mts 4mts 4 7mts 4 mts 21 mts 7 2mts 26 mts 2 mts 21 mts 6 mts
3 5 mts 14 mts 6 mts 8 mts 1 5 mts 3 mts 5 mts 13 mts 8 mts 20 mts 30 mts
IN D U ST R IA D E C A T A L IZ A D O R E S
T AN Q U E D E T R AT AM IE N T O H O R N O
C IST E R N A 1
C O N T EN ED O RD E Au C l3
C O N T EN E D O R D E N H 4O H
ZO N A D E L LEN AD O D E SO PO R T E
AG UA PAR A JAR D IN ES
M E Z C L A D O R E S 12 3 y 4
1 2 3 4
A L M A C Eacute N
Contenedor de HAuCl4
Figura 3 Dimensiones del equipo y tuberiacutea requerida
34
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
38 PLANO DE DISTRIBUCIOacuteN DE AacuteREAS
Figura 4 Aacutereas de trabajo dentro de la planta
35
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
DIMENSIONES DE LA INDUSTRIA
Figura 5 Dimensiones de cada aacuterea de la planta industrial
36
UAM-I
Ingenieriacutea Quiacutemica 37
10 cm 3mts 1 mts 25 cm 15cm 5 cm 5 cm 3mts 150 mts 10 cms 100 mts 20 cm
003 mts
Figura 6 Dimensiones del mezclador y del Agitador
UAM-I
Las dimensiones de las canastillas se determinaron a partir del balance de masa y la
produccioacuten requerida La carga de un contenedor de soporte que es de 100kg del
cual el agitador tiene 4 canastillas cada una corresponde 25 Kg la masa se obtuvo
del balance de materia y su densidad 600 Kgm3 con el que se obtuvo un volumen de
0043 m3
39 ANAacuteLISIS FINANCIERO
El costo de materias primas se muestra en la Tabla 2 en la que tambieacuten se incluyen
los flujos de alimentacioacuten requeridos para el proceso a partir de los cuales se
determinaron los costos diarios
Tabla 2 Costo de materias primas [5]
Compuesto
Alimentacioacuten
por diacutea
Costo
USDKg
Costo Total
USDdiacutea
Au 2 kg 10596 2119200
HCl 15 Kg 52 780
HNO3 20 Kg 022 044
-Al2O3 5712 Kg 034 19421
Canastillas 500 piezas 15 75000
NH3(OH) 200 Kg 034 680
H2O 440414 Kg 282 282
Total de Materia Prima 2215407
El costo se determinoacute considerando la cantidad de material el tamantildeo y el costo de
manufactura
El costo se determinoacute para uso industrial conforme establece la tesoreriacutea de
Meacutexico
Ingenieriacutea Quiacutemica 38
UAM-I
PERSONAL REQUERIDO PARA LA INDUSTRIA
La Tabla 3 establece los salarios mensuales anuales y las prestaciones del IMSS
para el personal de la planta
Tabla 3 Salarios y Prestaciones del Personal
Mano de Obra (USDmes)p
ersona
USDmes USDantildeo Prestaciones
IMSS
1 Gerente 2000 2000 24000
1 Administrador 1000 1000 12000
1 Secretaria 400 400 4800 1193
Total de Salarios
Administrativos
40800 1193 409193
9 Obrero 150 150 1800 448
1 Teacutecnico 200 200 2400 597
1 Policiacutea 200 200 2400 597
1 Mantenimiento 180 180 2160 538
1 Limpieza 150 150 1800 448
Total de Salarios
Proceso
10560 2628 108228
Los salarios se determinaron en base al salario miacutenimo vigente en la Ciudad de
Meacutexico (2003)[29]
Ingenieriacutea Quiacutemica 39
UAM-I
PERSONAL
Departamento de produccioacuten
Se tendraacute 2 obreros en el llenado de soporte en las rejillas un obrero encargado del
traslado de rejillas por medio de la banda de los motores a cada contenedor un
obrero en cada contenedor de NH4OH y HAuCl4 en cada mezclador se tiene 1
obrero para descargar y cargar las rejillas a la banda que se trasladaran al horno en
el horno se tiene 1 obrero encargado del secado y calcinado el producto se traslada
al almaceacuten donde estaraacuten 2 obreros que reciben el producto y materias primas de los
proveedores se tiene 1 teacutecnico supervisando los equipos un encargo del
mantenimiento de los equipos
Departamento de personal
Gerente de la industria un administrador encargado de compra y venta de materias
primas una secretaria
Ingenieriacutea Quiacutemica 40
UAM-I
CAPITAL FIJO
La Tabla 4 muestra el costo de los equipos requeridos en la planta asiacute como el
Capital Fijo y la Inversioacuten del Capital Total
Tabla 4 El equipo se costeo usando las correlaciones de Ulrich [6] y empleando el
programa de Capcost
EQUIPO USD
4 Contenedores 23584
4 Agitadores (456kW) 269760
1 Horno (25 kW) 15700
15 Bombas (1469kW) 43081
1 Motor (114 kW) 67440
Tuberiacuteas 42150
2 Cisternas 174183
Vaacutelvulas 1283
Accesorios
(codos 90ordm y de 45ordm te)
1474
CAPITAL FIJO 638655
Capital de Trabajo 9579825
INVERSIOacuteN DE
CAPITAL TOTAL
73445325
Los caacutelculos y las correlaciones empleadas para el costeo del equipo se anexan en
el Apeacutendice A
Ingenieriacutea Quiacutemica 41
UAM-I
GASTOS GENERALES
Tabla 5 Proporciona el total de gastos anuales con lo cual se estima el precio por
kilo de catalizador y por unidad purificadora
Tabla 5 Gastos Generales anuales
USDAntildeo
Materias Primas 531697680
Mano de Obra de Operacioacuten 1082280
Mano de Obra de Oficina 4091930
Servicios Electricidad 2620100
Total de Gastos Generales 539491990
CFE
Produccioacuten diaria de Catalizador = 574 Kg
Precio de Catalizador = 40 USDKg
Produccioacuten diaria de unidades purificadoras = 500
Precio por unidad = 50USD
Ganancia diaria = 22960 USD
Ganancia Anual = 5510400 USD
DETERMINACIOacuteN DE LA RENTABILIDAD DEL PROYECTO
TPI (Actual) = 10
PR (Factor de riesgo) = 25
TREMA = TPI + PR
TREMA = 35
TIR (del proyecto) = 90
TIR gt TREMA
Puesto que la TIR es mayor que la TREMA se tiene que el proyecto es rentable [6]
Ingenieriacutea Quiacutemica 42
UAM-I
310 CONCLUSIONES
En el desarrollo de la industria para la fabricacioacuten de catalizadores se tuvo un
resultado satisfactorio a pesar de la falta de informacioacuten disponible acerca de
industrias de catalizadores debido a que esta informacioacuten no es publica El proyecto
que elaboramos es novedoso en nuestro paiacutes ya que no existen registros de una
industria que produzca catalizadores de oro soportados en aluacutemina
Durante el desarrollo del proyecto se planteoacute trabajar con compuestos como NOx y
COVS sin embargo debido a la falta de tiempo no se logroacute concluir la
experimentacioacuten en estos campos Debido a esto se tomoacute la decisioacuten de trabajar en
la oxidacioacuten cataliacutetica de CO Esto debido a varios factores por ejemplo la
disponibilidad de gases y sobre todo los costos que esto implicaba
Para el desarrollo del catalizador se analizaron diferentes tipos de preparacioacuten y se
eligieron dos meacutetodos diferentes Deposicioacuten-precipitacioacuten e Impregnacioacuten Los
catalizadores se evaluaron bajo diversas condiciones en la oxidacioacuten de CO El
catalizador que presentoacute mayor conversioacuten con el catalizador a baja temperatura fue
el sintetizado por el meacutetodo de Deposicioacuten-precipitacioacuten el cual se utilizoacute para el
disentildeo de la Industria El disentildeo estaacute basado en la forma de preparacioacuten del
catalizador Por esto la parte maacutes importante de la planta es el tanque de mezclado
el cual se disentildeo tomando en cuenta los diferentes disentildeos de agitadores para tener
un mezclado oacuteptimo Se incorporo en la parte superior del agitador las canastillas
para las pastillas cataliacuteticas y el tipo de Horno que se usara para el secado y
posteriormente el calcinado Una parte importante es la produccioacuten de catalizador
para este problema se investigoacute en que parte se podriacutea utilizar a diferencia de los
catalizadores para automoacuteviles Se llego a la decisioacuten de poder desarrollar un
catalizador para los calentadores de agua se obtuvo informacioacuten de la fabrica de
calentadores cal-o-rex en la produccioacuten diaria de calentadores y de esta informacioacuten
se pudo calcular la posible demanda de nuestro producto Una parte importante en
las industrias son el tipo de bombas ya que existen diversos modelos en nuestro
disentildeo se escogioacute las bombas centriacutefugas con rodetes para agua que contiene
pequentildeas partiacuteculas de soacutelidos
En la parte de servicios para personal se investigo los sueldos de cada empleado Se
determinoacute el costo de los equipos y finalmente llegamos a la parte que nos interesa
Ingenieriacutea Quiacutemica 43
UAM-I
del disentilde es decir si el proyecto es rentable o no En este caso particular se tuvo un
valor aceptable y se definioacute que el disentildeo es rentable Esto indica que seria una
industria que tendriacutea ganancias y a la vez que el producto que se fabrique nos
ayudaraacute a todos a reducir la emisioacuten de CO en los hogares aportando una pequentildea
ayuda al medio ambiente
COMENTARIOS
Los conocimientos adquiridos durante este tiempo fueron provechosos en la parte
teoacuterica y praacutectica aclaramos dudas de como y porque se comportan las reacciones
quiacutemicas y los procesos de flujos Durante el desarrollo del proyecto aprendimos a
observar y la importancia de entender fiacutesicamente las algunos procesos relacionados
con la siacutentesis y caracterizacioacuten de materiales cataliacuteticos
Ingenieriacutea Quiacutemica 44
UAM-I
38 BIBLIOGRAFIacuteA
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[29] Secretaria de Trabajo y Previsioacuten Social Comisioacuten de Salarios Miacutenimos
Ingenieriacutea Quiacutemica 46
UAM-I
APEacuteNDICE A
CRITERIOS PARA DETERMINAR QUIEacuteN CONTROLA EL PROCESO
Criterio de weisz para difusioacuten interna
Ec(12-16 Fogler) Los valores que se sustituyen en las siguientes ecuaciones fueron
tomados del catalizador que se analizo en el laboratorio
CWP = ( )
AS
cObsA
DeCRcr 2minus
lt 1
-rA(Obs) = velocidad de reaccioacuten observada molgcats Cc = concentracioacuten volumeacutetrica molm3
CAS = concertacioacuten en la superficie molm3
D= diaacutemetro del granulo m R = radio del granulo m De = difusividad efectiva m2s
d = 0149mm mxmm
m 4104911000
1 minus=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
CWP = ( )( )3
32
24
33
103470184200350
21049150800010681
minus
minusminus
=⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞⎜
⎝⎛
x
mmol
hrm
mxcatm
gcathgcat
molx
734x10-3 lt 1 No hay limitante por la difusioacuten interna
Ingenieriacutea Quiacutemica 47
UAM-I
Criterio de mears para difusioacuten interna Ec(12-62 Fogler)
Mm = 150ltAbc
bA
CkRnr ρminus
Mm =( )( )
0570
136000184200220
31110457508000106851
3
53
3
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ minusminus
hrs
mmol
sm
mxcatmgcat
hgcatmolx
0057 lt 015 no hay efecto de transferencia de masa externa Calculo de Dab para calcular el coeficiente de trasferencia de masa Ec(78 Lobo)
De =
KAAB DD11
1
+
DKA = 970X103 (80X10-8)(s
cmK 221 1090)
2400( =
DAB = 00018583ABAB
BA
PMMT
Ω
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ +
2
2123 11
γ
Para CO
0110=isin
Bk 0593 A=γ
Para O2
Ingenieriacutea Quiacutemica 48
UAM-I
0113=isin
Bk 0453 A=γ
( ) 51343359321
=+=ABγ
( )( )[ ] 21113110BAB k=isin A la temperatura de 400degK
( ) 583))113)(110((
40021 =
deg=
isin B
B
AB
B
KKKTK
Ω AB = 0907 Sustituyendo
DAB =s
cm2
2
2123
9730)9070()513(
)21281()400(00185830=
+
De = hrm
hrs
cmm
scm 222
03501
3600100
10980
10901
97301
1=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
+
Calculo de Kc Sh = (Re)12(Sc)13
Velocidad superficial
V = sm
shr
hrm
mxhr
m
Av
c
02036001976
1087
006025
3
0 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛== minus
Ingenieriacutea Quiacutemica 49
UAM-I
Re= ( ) 240)1062)(501(
)10491)(020(
1 25
4
=minus
=minus minus
minus
smx
mxsmvd p
νφ
Sc= 672)3600
1)(0350(
10622
25
==minus
shr
hrm
smx
Dv
AB
Sh= ( 024 )12 ( 267 )13 = 0679
Kc = Shdp
DAB⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛minusφ
φ1
Kc = ( )sm
mxs
mx02206790
10491
10729
50501
4
26
=⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛minus
minus
minus
Calculo de numero Thile con el radio que usara a nivel industrial
φ = L ( )DkCn n
AS
21 1minus+
L = 3R
Sustituyendo
φ = 66x10-4 m( )
( )
450
03502
018420
5480941311
3
30
3330
313
=
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+
catmhrm
mmol
hrcatmmolm
η = 1 con los resultados anteriores se observa que quieacuten limita es la velocidad de
reaccioacuten Por lo que se procede a calcular el peso y longitud de catalizador
necesaria para muestro purificador sustituyendo los valores del Boiler
Ingenieriacutea Quiacutemica 50
UAM-I
Peso del Catalizador w =
( ) grcatgcatLn
gcatm
mmol
hrcatmmolm
hrm
xLn
kCv
A
66476639401
1
6000001578
548094
19836
11
330
3330
313
3
0
0 asymp=minus
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
minus
g 664=w
33
3
1011
mg60000
g 664 mxwv minus===ρ
m 035003101011
2
33
==minus
mmxL
cm 531000350 == xL
Ingenieriacutea Quiacutemica 51
UAM-I
APEacuteNDICE B BALANCE DE MASA DE LA PREPARACIOacuteN DE HAUCL4 Au(g) + 3HNO3(ac) + 4HCL(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O + 3N02(g) (152 M) (105M)
cantidad de mol Au = 05 kg Au x molAu
grAumolAux
kggr 542
971961
11000
=
cantidad de kg HNO3 = ( ) 33
33 480
10001
1635423 kgHNO
grkgx
molHNOGRHNOxHNOmol =
cantidad de kgHCl = ( ) kgHClgr
kgxmolHCl
grHClHClxmol 3701000
11
5365424 =
cantidad de kgHAuCl4 = 254molHAuCl4 x 44
8601000
11
97339 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
gr=
cantidad de kgH2O = 3( 254mol)H20 x OkgHgr
kgxOmolHOgrH
22
2 1401000
1118
=
cantidad de Lt H20 = 762molHNO3 x OltHOkgHOLtH
22
2 14011
=
cantidad de Lt H20 = 1016 mol HNO3 x 050215
012
2 LtHmol
LtH=
cantidad de LtH20 = 1016mol HCl x OLtHLtHmolHCl
LtH22
2 010970510
01asymp=
cantidad de MHAUCl4 = ( ) ( ) ( ) MHltltlt
ClmolHAU 7210850490140
542
2
4 asymp++
cantidad de kg NO2(g) = 3( 254mol)NO2 x )(22
2 3501000
1146
SkgNOgr
kgxmolNO
grNO=
Ingenieriacutea Quiacutemica 52
UAM-I
05 kg Au 048 kgHNO3 035 kgNO2 101021 kgH20 (152M) 037 kgHCl(ac)
(105 m) 086 kg HAuCl4 (ac) 086 kg HAuCl4 (ac)
(17 M) 014 kgH20 (25x10-3M) 014kg H20 (L) 086kg HAuCl4 035kgNO2 (g) 101185kg H20 Cantidad de H20 = 086 kgHAuCl4
x 08510110101
105201
173341
11000
22
23
24 kgHLtHkgHx
MxltHx
grmolHAuClx
kggr
=minus
pero (101185 ndash 014 ndash 05 ndash 1) kg H20 = 101021 kg H20 100ml H20 por 1 gr soporte 35kg NH4 (OH)(AC) 10000kgH20 100 kg γAl203 (9965) 035kgAu (035) 100kg γAl203 025kgCl2 086kg HAuCl4 026kgHAuCl4
101185 kg H20 35kgNH4 (OH)(AC) 1101185kgH20 cantidad de kgHAuCl4 = 015kgAu x
44
4 2601000
11
973391
197196
147196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxgrAu
molxkg
gr=
cantidad de NH4(OH) = 100kg γ Al203 x
Ingenieriacutea Quiacutemica 53
UAM-I
kgNHxmol
grx
mlmol
xOAlgr
OHmlNHx
kg
gr53
10001
1
35
100010
1
)(10
1
1000
32
4=
γ4(OH)
30kg γAL2O3 1 kgNH4(OH)(AC) 30 kg γ Al203 (9965) 010 kg Au (035) 026kgHAuCl4 007kg Cl2 35kgNH4(OH) 1101185 kgH2O 0086kgHAuCl4 45 kg NH4(OH)(AC) 1101185 kg H20
cantidad de γ Al2O3 = 026kgHAuCl4 x 324
32 02330860
100 AlkgkgHAuCl
OAlkg γγ=
cantidad de kgAu = 035 x kgAukg 10506599
30=
cantidad de kg Cl2 = 01 kgAu x
22
2 07201000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de HAuCl4 = 005kgAu x
44
4 08601000
11
973391
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 54
UAM-I
cantidad de kgNO4(OH) = 30 kg γ Al203 x ( )OHkgNHAlkg
OHkgNO4
32
4 0510100
)(53=
γ
105 kg γ Al203 035 kg NH2(OH) 105 kg γ Al203 (9965) 004 kg Au (035) 009kg HAuCl4 003 kg Cl2 45kgNH4(OH) 1101185 kg H20 0017kgHAuCl4 485kgNH4 (OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 009 HAuCl4 x 324
32 04710860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad kg de NH4 (OH) = 105kg γ Al203 x ( ) )(3500100
534
32
4 OHkgNHAlkg
OHkgNH=
γ
cantidad de Cl2 = 004 kg Au x
22
2 02901000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
gAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 =
44
44 02001701000
11
973391
197196
11
1000010 kgHAukgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgr
molAuxkg
grkgAux asymp=
Ingenieriacutea Quiacutemica 55
UAM-I
23 kg γ Al203 008kgNH4(OH) 002 kg HAuCl4 23 kg γAl203 (9965) 485kgNH4(OH) 0008kgAu(035) 1101185kg H2 0001kg Cl2
0014 kg HAuCl4 493kgNH4(OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 002kgHAuCl4 x 324
32 032860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad de kg Au = 035 x kgAukg 00806599
32=
cantidad de kgCl2 = 0002kgAu x
24
4 00101000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 = 0008kgAu x
44
44 01401000
11
973341
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 56
UAM-I
APEacuteNDICE C ACCESORIOS EN EL DISENtildeO
Agitador
Agitadores de Heacutelice se escogioacute este tipo de agitador por ser tener las siguientes
caracteriacutesticas [3]
bull Es un agitador de flujo axial
bull Se emplea para liacutequidos pocos viscosos
bull Giran a toda la velocidad del motor
bull Las corrientes de flujo se mueven a traveacutes del liacutequido en una direccioacuten
determinada hasta que son desviadas por el fondo o las paredes del tanque
bull Las palas de la heacutelice cortan o friccionan vigorosamente el liacutequido
bull Los agitadores de heacutelice son eficaces para tanques de gran tamantildeo
Horno
bull El horno se escogioacute por ser tener las siguientes caracteriacutesticas [5]
bull El horno de construccioacuten metaacutelica
bull La caacutemara de combustioacuten estaacute construida mediante hormigones refractarios
de alta resistencia mecaacutenica
bull Las materias secar y calcinar se carga de forma manual
Ingenieriacutea Quiacutemica 57
UAM-I
Bomba
DISENtildeO Bomba centrifuga para operacioacuten horizontal o vertical del impulsor
cerrado succioacuten al extremo descarga hacia arriba tangencial simple succioacuten de un
paso con carcaza partida verticalmente [3]
ROTACIOacuteN En el sentido del reloj vista desde el cople
CARACTERIacuteSTICAS Conexiones brindadas con registro ubicado en la cabeza de
succioacuten para facilitar su limpieza
SERVICIO Debido a que es posible colocarla en posicioacuten horizontal o vertical tanto
en caacutercamos secos como huacutemedos y por el disentildeo de su impulsor que soacutelidos de
gran tamantildeo esta bomba es ideal para los procesos de tratamientos de agua y
manejo de liacutequidos en suspensioacuten en general
CAPACIDADES
GASTO Hasta 3000 GPM
CDT Hasta 80rsquo
PRESIOacuteN 106 Kgcmsup2
POTENCIA De 1 a 60 Hp
VELOCIDAD (1175 - 3550 RPM)
TEMPERATURA 125degC
Ingenieriacutea Quiacutemica 58
UAM-I
Bombas Centriacutefugas
Las maquinas centriacutefugas estaacuten constituidas por un impulsor o rodete formado por
una serie de aletas radiales diversas formas y curvaturas que giran dentro de una
caja circular El fluido penetra por el ojo o eje de rotacioacuten y se descarga maacutes o
menos radialmente en una caacutemara perifeacuterica a una elevada presioacuten que
corresponde a la suma de la fuerza centriacutefuga de la rotacioacuten maacutes la cineacutetica
comunicada al fluido por las aletas La parte moacutevil de la bomba es el rodete Las
aletas del rodete se extienden desde el centro de rotacioacuten hacia la periferia y las
bridas son los discos de refuerzo a cada lado de las aletas que las envuelven Las
aletas pueden ser radiales curvadas ligeramente hacia delante en el mismo sentido
de la rotacioacuten o estar curvadas al reveacutes en el caso maacutes comuacuten en el disentildeo se
determino el rodete siguiente por sus caracteriacutesticas Fig 1
Figura 1 Corte parcial de un rodete de centriacutefuga para grandes cargas y secciones
de paso estrechas empleando con liacutequidos corrosivos o suspensiones de pequentildeas
partiacuteculas[4]
Ingenieriacutea Quiacutemica 59
UAM-I
APENDICE D CALCULO DE POTENCIA DE BOMBAS (8)
Potencia de la bomba de la cisterna 1 que alimenta a los mezclador 4
Ecuacioacuten de Bernoulli
sum sumint =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛+++∆+∆i i
i
P
P
evvfDLvwdphgv 0
21
21
ˆ1
21 222
2
1ρ
a b c d e f
a Diferencia de velocidades
b Diferencia de alturas
c Diferencia de presiones
d Trabajo
e Perdidas de friccioacuten en tuberiacuteas
f Perdidas de friccioacuten en accesorios
En la ecuacioacuten anterior se pueden eliminar algunos teacuterminos
21 mts
6 mts 35 mts
Figura 1 Balance de cisterna 1 a mezclador 4
Se debe de tener dos puntos de referencia para la utilizacioacuten de la ecuacioacuten de
Bernoulli de los cuales se anotaron en la figura 2
Ingenieriacutea Quiacutemica 60
UAM-I
21 mts
2 1 6 mts 35 mts
Figura 2
Teniendo los puntos de referencia se analiza que las diferencias de velocidades son
cero en ambos puntos por lo tanto el termino 2
21 ν∆ es igual a cero
El termino de = (981hg∆ 2segm )(35m ndash 0) = 34335 2
2
segm
El termino de int2
1
1P
P
dpρ
se tiene que la cisterna y el tanque de mezclado ambos no
estaacuten cerrados y por lo tanto no originan un cambio de presioacuten y el termino es cero
De esta expresioacuten L longitud de tuberiacutea
tro de tuberiacutea
n el interior del tubo
v
Para la l radio del tubo que
sum ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
i
fDL2
21 ν
D diaacuteme
f perdidas de friccioacuten e
velocidad del flujo de agua
obtencioacuten de la velocidad se tiene el flujo volumeacutetrico y e
es de 32 cm =0032mts con la ecuacioacuten
Ingenieriacutea Quiacutemica 61
( )( ) sm
ms
m
RQ 761
032060min1)
min340(
2
3
2 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
==ππ
ν
UAM-I
Se reportan valores de perdida de fr
e reduce teacuterminos
iccioacuten en tubos que son igual a 005
Por lo tanto sustituyendo los teacuterminos en la ecuacioacuten de Bernoulli s
sum sumint =⎟⎠
⎜⎝
+⎟⎠
⎜⎝
+++∆+∆i i
iP
evvfD
vwdphgv 022
ˆ2
1ρ
⎞⎛⎞⎛ L 111 2222
or tanto el termino de trabajo queda expresado de la siguiente manera
tanto la bomba comunica al fluido que circula en el sistema un trabajo
+11727
P1
p w
sum sum ∆minus⎟⎠⎞
⎜⎝⎛minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛minus=
i ii
hgevvfDLvw 22
21
21
ˆ
( ) ( )
Este es el trabajo ( por unidad de masa) producido por el fluido en la bomba por lo
22
sm o 11727 981 = 1195
m
fKg
Kgm
La velocidad de flujo de masa es
Por lo tanto
1 )=6694
951)(675(ˆ =minus=minus WwW smkg f = 088Hp = 1Hp
Siendo esta ida para esta bomba El procedimiento anterior se
iguioacute para cada bomba de la planta
AP E
la potencia requer
s
EacuteNDICE
TOXICOLOGIacuteA DE MATERIAS PRIMAS [6]
( ) ( ) ( )( ) ( )( )msm
smmmm
sm 538192201150761
21050
032021536761
21
2
22minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ +minus⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ++
minus=wm
22
27117ˆ smw minus=
( )s
kgmkgQw m675100060340 3 === ρ
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UAM-I
HIDROacuteXIDO DE SODIO
Polvo corrosivo blanco delicuescente
Toxicidad
Concentracioacuten Maacutexima permisible 2mgm3 en aire
Signos y Siacutentomas Conjutivitis quemaduras corneales y de la piel Irritacioacuten
seas vomito dolor abdominal y diarrea a veces con
Lavado de las partes afectadas tranquilizantes sulfato de
decuada gafas protectoras o pantallas para
ignos y Siacutentomas Irritacioacuten de ojos quemaduras corneables tos dolores
l hemoptisis dolor de cabeza dolor epigaacutestrico nauseas y vomito
lmonar
Tratamiento lavado de ojos con agua reposo oxigeno con aparato de respiracioacuten
con onantes
ACIDO NITRICO
Liquido corrosivo sofocante de incoloro a amarillento
ioacuten maacutexima permisible 10ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
del tracto respiratorio nau
sangre
Tratamiento
morfina para el dolor y cortisona
Medidas preventivas Ventilacioacuten a
la cara completa mascarilla con filtro mecaacutenico guantes delantares botas de
goma y acentuar la limpieza personal
CLORO
Gas pasado amarillo verdoso
Toxicidad
Conc Maacutexima permisible 1 ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten
S
retrosterna
debilidad cianosis y edema pu
trolada bronco dilatadores y descongesti
Toxicidad
Concentrac
Ingenieriacutea Quiacutemica 63
UAM-I
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
Signos y siacutentomas Erosioacuten dental estornudo tos Dolor en el pecho bronquitis y
la las partes contaminadas del cuerpo con solucioacuten al 5 de
de las quemaduras con pantildeos
de triacuteo sulfato soacutelido si se a ingerido
vado de ojos con agua
ACIDO CLORIDRICO
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
ivitis necrosis corneal por inhalacioacuten rinitis erosioacuten
dolor de cabeza palpitacioacuten por ingestioacuten
s en la boca faringe esoacutefago estomago salivacioacuten vomito Soc
agua lavada de agua y jaboacuten de las partes
preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
AacuteC
El c
con o de hidroacutegeno una
concentracioacuten de 12 molLt Este aacutecido es un liacutequido incoloro con un olor aacutecido
bronconeumoniacutea
Tratamiento
bicarbonato soacutelido o con agua y jaboacuten Tratamiento
mojados con solucioacuten saturada
administracioacuten por viacutea oral de solucioacuten de jaboacuten Hidroacutexido caacutelcico o alumiacutenico u
oacutexido de magnesio
Medidas preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores excluir de la exposicioacuten
a los individuos con enfermedades de pulmones y rintildeones
Gas incoloro o liacutequido o a amarillento
Toxicidad
Concentracioacuten maacutexima permisible 5ppm en aire
Signos y siacutentomas conjunt
dental laringitis bronquitis neumoniacutea
quemadura
nefritis
Tratamiento lavado de ojos con
contaminantes del cuerpo tratamiento ordinario de quemaduras lavado gaacutestrico
se a ingerido con solucioacuten de bicarbonato soacutedico al 5 seguido de una instilacioacuten
de gel de hidroacutexido de aluminio
Medidas
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores
IDO CLORHIacuteDRICO
loruro de hidroacutegeno es en extremo soluble en agua de hecho el aacutecido clorhiacutedrico
centrado contiene cerca del 38 en masa de clorur
Ingenieriacutea Quiacutemica 64
UAM-I
pronunciado que se debe al equilibrio entre el cloruro de hidroacutegeno gaseoso y
ste con el aacutecido fluorhiacutedrico el aacutecido clorhiacutedrico es un aacutecido fuerte (pKa = -
7) y se ioniza casi totalmente
gar de aacutecido sulfuacuterico auque en menor grado Por
jemplo el zinc metaacutelico reacciona con aacutecido clorhiacutedrico para dar el ion zinc e
hidroacutegeno gaseoso
Zn(s) + 2HCl(ac) ZnCl2(ac) + H2(g)
l para producir aacutecido clorhiacutedrico en el laboratorio es generar
cloruro de hidroacutegen e sodio y el aacutecido
ulfuacuterico En el primer paso a 150degC se forma hidroacutegeno sulfato de sodio
NaHSO4(s) + HCl(g)
io y maacutes
loruro de hidroacutegeno gaseoso Luego el gas se disuelve en agua para formar el
aacutecido
NaHSO4(s) + NaCl(s) Na2SO4(s) + HCl(g)
acuoso
HCl(ac) HCl(g)
El reactivo de grado teacutecnico a menudo tiene un color amarillento por una impureza
del ion hierro (III)
En contra
HCl(ac) + H2O(l) H2O+(ac) + Cl -(ac)
Por ello a menudo se prefiere usar aacutecido clorhiacutedrico diluido en lugar de aacutecido niacutetrico
que es muy oxidante y en lu
e
Cuando el zinc reacciona con el aacutecido niacutetrico es comuacuten que se reduzca una parte
del ion nitrato para dar dioacutexido de nitroacutegeno
El meacutetodo tradiciona
o gaseoso por la reaccioacuten entre el cloruro d
s
NaCl(s) + H2SO4(l)
La mezcla se calienta a 550degC temperatura a la cual el hidroacutegeno sulfato de sodio
reacciona con un exceso de cloruro de sodio para formar sulfato de sod
c
∆
Este meacutetodo se usa tambieacuten en la industria otra forma de producir cloruro de
hidroacutegeno es por la combinacioacuten directa de dicloro y dihidroacutegenogaseosos
Ingenieriacutea Quiacutemica 65
UAM-I
H2(g) + Cl2(g) 2HCl(g)
La mayor cantidad de cloruro de hidroacutegeno que se produce actualmente es un
CH4(g) + 4Cl2(g) 4(l) + 4HCl(g)
riacuten de superficies de acero en un bantildeo aacutecido en la purificacioacuten de glucosa
y jarabe de maiacutez e s y de gas y en la
bricacioacuten de compuestos clorados El aacutecido se puedo comprar en muchas
nducida por la luz
4HNO3(ac) 4NO2(g) + O2(g) + 2H2O(l)
niacutetrico como disolvente)
H2NO3+ H2O + NO2
+
l siguiente
3HNO NO3 ndash
subproducto de otros procesos industriales como la siacutentesis de tetracloruro de
carbono
CCl
Se consumen cerca de 107 toneladas de aacutecido clorhiacutedrico cada antildeo en todo el
mundo Este aacutecido tiene una gama muy amplia de usos como aacutecido comuacuten para
eliminar o
n el tratamiento con aacutecido de pozos petrolero
fa
ferreteriacuteas con el arcaico nombre de aacutecido muriaacutetico sus principales usos caseros
son la limpieza de superficies de concreto y la eliminacioacuten de herrumbre Un nuacutemero
muy reducido de personas es incapaz de sintetizar suficiente jugo gaacutestrico y deben
de ingerir caacutepsulas de aacutecido clorhiacutedrico diluido con cada comida
AacuteCIDO NIacuteTRICO
El aacutecido niacutetrico un liacutequido aceitoso e incoloro en estado puro es sumamente
peligroso El aacutecido que funde a ndash42degC y hierve a +83degC tiene por lo general un
ligero color amarillo a causa de una reaccioacuten de descomposicioacuten i
En un estado puro el aacutecido niacutetrico liacutequido praacutecticamente no conduce la electricidad
Una pequentildea porcioacuten se ioniza como sigue (todas estas especies existen en el aacutecido
2HNO3(l) H2NO3+ + NO3
ndash
H2O + HNO3 H3O+ + NO3 ndash
Para dar la reaccioacuten globa
3 NO2+ + H3O + 2+
Ingenieriacutea Quiacutemica 66
UAM-I
El catioacuten nitrilo es importante en la nitracioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas por ejemplo la
obenceno C6H5NO2 una etapa importante en
umerosos procesos industriales orgaacutenicos
El aacutecido niacutetrico con en agua mientras
ue el ldquoaacutecido niacutetrico fumanterdquo un oxidante extremadamente poderoso es una
vez de ello se produce una mezcla de
sistema que da un orden de
vista industrial el
oceso
e lleva a cabo en tres etapas Primero se hace pasar una mezcla de amoniaco y de
dioxiacutegeno (o aire) un proceso muy
ficiente y exoteacutermico que hace que la malla se ponga al rojo Esta etapa se verifica
conversioacuten de benceno C6H6 en nitr
n
centrado es en realidad una solucioacuten al 70
q
solucioacuten roja de dioacutexido de nitroacutegeno en aacutecido niacutetrico puro Incluso cuando esta
diluido el aacutecido niacutetrico es un oxidante tan fuerte que rara vez desprende hidroacutegeno
cuando se pone en contacto con metales en
oacutexidos de nitroacutegeno y el metal se oxido a su catioacuten
Los enlaces O-N son mucho maacutes cortos (121 pm) que el enlace O-N unidos al aacutetomo
de hidroacutegeno (141 pm) Esta longitud de enlaces indica que hay enlaces muacuteltiples
entre el nitroacutegeno y los dos aacutetomos de oxiacutegeno terminales Ademas de los electrones
del sistema σ hay cuatro electrones que participan en el sistema π O-N-O dos de un
orbital enlazante y dos en un orbital no enlazante
enlace de 112 para cada uno de esos enlaces nitroacutegeno- oxiacutegeno
A veces se nos olvida hasta queacute punto nuestra experiencia depende de la
termodinaacutemica y la cineacutetica Por ejemplo la primera siacutentesis industrial de aacutecido
niacutetrico se llevaba ha cabo por simple combinacioacuten de diniacutetrogeno dioxiacutegeno y agua
utilizando un horno de arco eleacutectrico a fin de proporcionar la energiacutea necesaria par
superar la muy elevada barrera cineacutetica Aunque desde el punto de
factor cineacutetico constituiacutea un problema en realidad es una bendicioacuten por que sin esta
barrera cineacutetica hace mucho tiempo que todo el dioacutexido de la atmoacutesfera se abriacutea
transformado en aacutecido niacutetrico y nuestros mares serian de aacutecido niacutetrico diluido
frac12 N2(g) + 54O2(g) + 12H2O(g) HNO3(g)
Ahora se utiliza el proceso Ostwald para la siacutentesis de aacutecido niacutetrico Este proceso
consume gran parte del amoniaco que se produce por el proceso Haber El pr
s
a traveacutes de una malla de platino metaacutelico Eacuteste es
e
a baja presioacuten para aprovechar el efecto entropico es decir la formacioacuten de 10
moles de gas a partir de 9 moles de gas (una aplicacioacuten del principio de Le Chatelier)
para desplazar el equilibrio a la derecha
Ingenieriacutea Quiacutemica 67
UAM-I
4NH3(g) + 5O2(g) 4NO(g) + 6H2O(g)
Se agrega maacutes oxiacutegeno para oxidar el monoacutexido de nitroacutegeno a dioacutexido de nitroacutegeno
A fin de mejorar el rendimiento de esta reaccioacuten exoteacutermica se extrae calor de los
ases y la mezcla se somete a presioacuten
2HNO3(l) + NO(g)
Esta reaccioacuten tambieacuten es exoteacutermica y una vez maacutes se aplica enfriamiento y alta
la
egunda etapa para oxidarlo de nuevo
La contaminacioacuten s de aacutecido niacutetrico
as plantas maacutes antiguas eran faacutecilmente identificables por la fumarola cafeacute-
antas maacutes antiguas ahora mezcla cantidades
en Estados Unidos porque un 20
dedica ala produccioacuten de explosivos
or ultimo el aacutecido niacutetrico es un liacutequido que hierve a 826degC No existe como liacutequido
g
2NO(g) + O2(g) 2NO2(g)
El dioacutexido de nitroacutegeno se mezcla con agua para dar una solucioacuten de aacutecido niacutetrico
3NO2(g) + H2O(l)
presioacuten par obtener el maacuteximo rendimiento El monoacutexido de nitroacutegeno se vuelve a
s
soliacutea ser un problema importante de las planta
L
amarillento del dioacutexido de nitroacutegeno que escapaba por ellas Las plantas maacutes
antiguas eran faacutecilmente identificable por la fumadora cafeacute-amarillo del dioacutexido de
nitroacutegeno que escapaba de ellas Las pl
estequiomeacutetricas de amoniaco con las oacutexidos de nitroacutegeno con lo cual se obtiene
dinitroacutegeno y vapor de agua ambos inocuos
NO(g) + NO2 (g) + 2NH3(g) 2N2(g) + 3H2O(g)
En todo el mundo alrededor del 80 del aacutecido niacutetrico se utiliza en la produccioacuten de
fertilizantes Esta proporcioacuten es de solo el 65
se
P
puro porque en alguna medida se descompone espontaacuteneamente como sigue
4HNO3(l) 4NO2(g) + 2H2O(l) + O2(g)
Ingenieriacutea Quiacutemica 68
UAM-I
El aacutecido niacutetrico concentrado que se usa en el laboratorio estaacute al 68 en masa HNO3
(densidad 142 gcm3) lo que corresponde a 157 M
l aacutecido niacutetrico es un poderoso agente oxidante El nuacutemero de oxidacioacuten del N en el
) El aacutecido niacutetrico puede oxidar
nto a metales que estaacuten abajo del hidroacutegeno como aquellos que se encuentran
4Zn2+(ac) + NH4
+(ac) + 3H2O(l)
do no oxida al oro Sin embargo cuando se mezcla con
cido clorhiacutedrico concentrado en relacioacuten 13 en volumen (una parte de HNO3 a tres
partes al oro
omo sigue
APEacuteNDICE F
ETODO DE DEPOSICIOacuteN-PRECIPITACIOacuteN
E
HNO3 es + 5 Los productos maacutes comunes de la reduccioacuten del aacutecido niacutetrico son el
NO2 (N = + 4) el NO (N = + 2) y el NH4+ (N = - 3
ta
arriba en la serie de actividades Por ejemplo el cobre es oxidado por el aacutecido niacutetrico
concentrado como se mencionoacute antes
En presencia de reductores fuertes como el zinc metaacutelico el aacutecido niacutetrico se puede
reducir hasta ion amonio
4Zn(s) + 10H+(ac) + NO3
-(ac)
El aacutecido niacutetrico concentra
aacute
de HCl) la disolucioacuten resultante denominada agua regia puede oxidar
c
Au(s) + 3HNO3(ac) + 4HCl(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O(l) + 3NO2(g)
M
Ingenieriacutea Quiacutemica 69
UAM-I
APEacuteNDICE G
ISENtildeO DEL MEZCLADOR [4]
1) 100 ml H2O gr soporte
2) NH4(OH)
Ajustar a PH = 9 4) HAuCl4 (solucioacuten acuosa al 25E-3M)
6) Filtrado o centrifugado
3) En Agitacioacuten por 2 hr
8) Secado por 2hr a 80 degC
9 ) Calcinado por 4hr a 400 degC
7) Lavado
5) Antildeegamiento por 30 min
D
Ingenieriacutea Quiacutemica 70
UAM-I
El disentildeo de un tanque agitado dis n nuacutemero de elecciones sobre el
po y localizacioacuten del agitador las proporciones del tanque el nuacutemero y dimensiones
ada una de estas decisiones afectan a la velocidad
e circulacioacuten del liacutequido los modelos de velocidad y el consumo de potencia Como
pone de un gra
ti
de las placas deflectoras etc C
d
punto de partida en el disentildeo de los problemas ordinarios de agitacioacuten generalmente
se utiliza un agitador de turbina del tipo que se muestra en la figura 1 La proporcioacuten
tiacutepica es
31
=t
a
DD
1=tD
H 121
=tD
J 51
=aD
W 41
=aD
L
de estas ecuaciones se disentildeara el mezclador como datos se tiene el valor H que es
igual a 3 mts y el diaacutemetro del tanque D
Se determinara la medida de los reflectores
t que es igual 3 mts
121
=tD
J se despeja J
elacioacuten R31
=t
a
DD
se despeja Da
Relacioacuten
41
=aD
L se despeja L
elacioacuten se despeja W
( ) ( ) cmmtsmtsDJ 25250311==⎟
⎞⎜⎛=⎟
⎞⎜⎛= t 1212 ⎠⎝⎠⎝
( ) ( ) mtsmtsDD ta 1331
31
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=
( ) ( ) mtsmtsDL a 250141
41
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛= cm25=
51
=aD
WR
Ingenieriacutea Quiacutemica 71
UAM-I
Figura 2 a) Vista transversal del mezclador b) paletas del mezclador con la
donde se deposita el soporte
Figura 1 Medidas de un agitador de turbina
a) b)
s rejillas
H
J
E L
Da
D t
W
W
( ) ( ) cmmtsmtsDW a 2020151
5==⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎜⎝
=1 ⎞⎛
Ingenieriacutea Quiacutemica 72
UAM-I
33 PRODUCCIOacuteN DE LA PLANTA INDUSTRIAL A partir de un estudio de mercado se encontroacute que en la Ciudad de Meacutexico hay
cuando menos cuatro empresas principales (CALOREX ELSA MAGAMEX y
CINSA) que fabrican calentadores de agua residenciales[1 2] Estas en promedio
producen 150 calefones diarios Por cada calefoacuten se requiere un equipo purificador
En este sentido de requieren idealmente 600 unidades de purificacioacuten por diacutea Esta
base se utilizoacute para el disentildeo de la planta
A partir del balance de masa en el purificador y empleado los resultados
experimentales a nivel laboratorio (ver apeacutendice A) se encontroacute que cada purificador
requiere 07 Kg de catalizador A partir de este resultado se requiere producir al
menos 420 Kg de catalizador para satisfacer la demanda en la produccioacuten de
calefones Con base en el balance de materia realizado en el mezclador se
determinoacute que la cantidad de catalizador obtenido despueacutes de cuatro lotes es de
570 Kg Tomando el resto de catalizador como reserva por cualquier contratiempo El
nuacutemero de lotes se determinoacute en base a que fuese rentable la recuperacioacuten de oro
34 DISENtildeO Y OPERACIOacuteN DE LA PLANTA
La fabricacioacuten del catalizador a nivel industrial esta basada en el escalamiento del
meacutetodo de siacutentesis descrito en la parte experimental Lo cual es una praacutectica comuacuten
en la fabricacioacuten de materiales cataliacuteticos
Para la produccioacuten de 570 Kg por diacutea se plantea utilizar cuatro mezcladores (ver
Figura 2) que operaran durante 8 h con cuatro intervalos (o cargas) de 2 h y
descansos de 30 min (dejando 30 min libres por contratiempos) Esta operacioacuten se
elige con base en las horas de trabajo y el meacutetodo de preparacioacuten del catalizador
Al igual que en la parte experimental el proceso requiere operacioacuten por lotes debido
a que se necesitan largos tiempos de contacto para obtener catalizadores eficientes
en la oxidacioacuten de CO a baja temperatura Se pretende utilizar un agitador tipo
Catalizadores de Oro Soportado 27
UAM-I
canastilla[4] el cual permite colocar dentro de las mismas el catalizador para tener
una mejor impregnacioacuten de partiacuteculas de Au y eliminar la atricioacuten Las dimensiones
del agitador asiacute como del mezclador se presentan en la Figura 6
Al teacutermino de la uacuteltima carga en los mezcladores el lote completo del diacutea pasa al
horno para secarlo a 80degC por 2 h y calcinarlo a 400degC durante 4 h Durante estos
procesos se concluye la preparacioacuten del catalizador Las temperaturas y tasas de
calentamiento estaacuten basadas en el meacutetodo de preparacioacuten experimental descrito en
el Capitulo ll Posteriormente el catalizador producido pasa a la seccioacuten donde se
embolsa para ser vendido como materia prima y la otra parte pasa a la seccioacuten de
ensamblaje para fabricar el purificador
Dimensiones de la industria
Las dimensiones de los equipos como mezcladores cisternas tanque de
tratamiento horno etc se tomaron como base para poder suponer espacios entre
equipos para tener seguridad del personal Se dio preferencia a los mezcladores ya
que son las partes importantes en la elaboracioacuten de los catalizadores La cisterna
estaraacute enterrada para facilitar su llenado en el caso de los contenedores de HAuCl4
y NH4OH estaraacuten encima de bases maacutes altas que los mezcladores para poder
abastecerlos por gravedad Esto debido a que el volumen es poco no se requiere de
grandes cantidades por lo que no se requiere alguna bomba Se estuvo analizando
la forma de acomodar los equipos y se obtuvo la siguiente distribucioacuten que se
muestra en la Figura 3
En la Figura 4 se presenta el plano de la industria con sus respectivos
departamentos en la parte sur se encuentra la entrada principal en ella se encuentra
vigilancia y la entrada de empleados y obreros posteriormente esta la zona de
oficinas lado izquierdo del lado derecho se encuentra el estacionamiento para
clientes y empleados en el almaceacuten se encontraraacuten refacciones de equipo y
reservas de materia primas para los catalizadores en la zona de produccioacuten se tiene
el estacionamiento de proveedores para facilitar la entrada y salida del producto
Catalizadores de Oro Soportado 28
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado 29
Debido a que en cada industria debe existir un espacio recreativo se plantea una
cancha de Baacutesquetbol para los obreros y una zona de jardines en la parte norte
Ubicacioacuten de la industria
Para poder ubicar una industria es importante analizar la zona geograacutefica Para lo
cual se deben considerar algunos factores importantes por ejemplo No ubicarla en
zona de siacutesmica Si la industria requiere de un gran volumen de agua no ubicarla en
una regioacuten deseacutertica Si el producto es muy sensible al calor y la humedad evitar
zonas muy caacutelidas y huacutemedas Si se piensa vender el producto en una zona
especifica ubicar la industria cerca de la zona de venta para evitar gastos de
transportacioacuten A partir de este tipo de razonamientos se planea que debido a que el
producto que se elaborara que es un purificador cataliacutetico para su venta en la ZMVM
ya en ella estaacuten ubicadas las principales industrias de calentadores y debido a que la
planta requiere de un volumen considerable de agua se escogioacute el estado de
Morelos porque no esta muy lejos de la ZMVM y tiene reservas de agua Asiacute el gasto
de transportacioacuten de materias primas y sobre todo del producto elaborado seriacutea
pequentildeo
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
Agua
Tanque tratamien
Figur
NH4OH
HAuCl4
Produccioacuten de catalizadores
Recuperacioacuten de agua
de to
a
MezcladoresMezcladores
Cuando se requiere limpieza
Horno
Producto almaceacuten
30
1 Diagrama de produccioacuten Recuperacioacuten de cloro
UAM-I
35 BALANCE DE MATERIA DIAGRAMA DE FLUJO PARA DIFERENTES LOTES DE SOPORTE EN UN SOLO MEZCLADOR
Catalizadores de Oro So
05 Kg Au
10
0
086 Kg HAuCl4(ac)014 Kg H2O
035 Kg NO2(g)
2
35 Kg NH4(OH)(ac) (01M)
10000 Kg H2O
100 Kg Al3O
100 Kg Al2O3 (9965) 035 Kg Au (035) 025 Kg Cl2
026 Kg HauCl4(ac)35 Kg NH4(OH)
1101035 Kg H2O
O MEZCLADOR (t0)
10035 Kg catalizador
86 KgHAuCl4(ac)101035 Kg H2O
037 Kg HCl (ac) (105 M) 048 Kg HNO3(ac) (152 M)
porta
Kg N
30 Kg Al2Cl3
101021 Kg H2
do
H4 (OH) (ac) (01M) 30 Kg Al2O3 (9965) 01 Kg Au (035)
007 Kg Cl2
)
3
)
301 Kg catalizador MEZCLADOR (t1)
009 Kg HauCl4(ac)45 Kg NH4(OH)
1101035 Kg H2O
MEZCLADOR 1054 Kg catalizador
105 Kg Al2O3
(t2)
105 Kg Al2O3 (9965)
035 Kg NH4 (OH) (ac) (01M
004 Kg Au (035) 003 Kg Cl2
23 Kg Al2O
MEZCLADOR
(t3)23 Kg Al2O3 (9965)
2308 Kg catalizador
008 m3 NH4(OH) (ac) (01M
002 Kg HauCl4(ac)485 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
0008 Kg Au (035) 0006 Kg Cl2
0003 Kg HauCl4(ac)493 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
31
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado 32
DIAGRAMA DE FLUJO PARA UN MEZCLADOR
MEZCLADOR
1101035 Kg H2O
1428 kg γ-Al2O3
086 Kg HAuCl4
493 Kg NH4(OH)
0003 Kg HauCl4(ac)493 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
1433 Kg Catalizador
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
36 DIAGRAMA DE LA INDUSTRIA
INDUSTRIA DE CATALIZADORES
TANQUE DE TRATAMIENTO HORNO
CISTERNA 1
CONTENEDORDE AuCl3 CONTENEDOR DE
NH4OH ZONA DE LLENADO
DE SAPORTE
SE LLEVA AL HORNO
MANUALMENTE
PRODUCTOALMACEacuteN
Contenedor de HAuCl4
Figura 2 Diagrama de la distribucioacuten del equipo dentro del aacuterea de produccioacuten
33
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
37 DIMENSIONES DEL EQUIPO Y TUBERIacuteA
2 mts
2 mts 2 mts 6 mts 4 mts 3 mts 5mts 5 mts 3 mts 6 mts 3
3mts 3 mts 3mts 3 mts 3 mts
4 mts 1 5 mts 1 5 mts 4mts 4 7mts 4 mts 21 mts 7 2mts 26 mts 2 mts 21 mts 6 mts
3 5 mts 14 mts 6 mts 8 mts 1 5 mts 3 mts 5 mts 13 mts 8 mts 20 mts 30 mts
IN D U ST R IA D E C A T A L IZ A D O R E S
T AN Q U E D E T R AT AM IE N T O H O R N O
C IST E R N A 1
C O N T EN ED O RD E Au C l3
C O N T EN E D O R D E N H 4O H
ZO N A D E L LEN AD O D E SO PO R T E
AG UA PAR A JAR D IN ES
M E Z C L A D O R E S 12 3 y 4
1 2 3 4
A L M A C Eacute N
Contenedor de HAuCl4
Figura 3 Dimensiones del equipo y tuberiacutea requerida
34
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
38 PLANO DE DISTRIBUCIOacuteN DE AacuteREAS
Figura 4 Aacutereas de trabajo dentro de la planta
35
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
DIMENSIONES DE LA INDUSTRIA
Figura 5 Dimensiones de cada aacuterea de la planta industrial
36
UAM-I
Ingenieriacutea Quiacutemica 37
10 cm 3mts 1 mts 25 cm 15cm 5 cm 5 cm 3mts 150 mts 10 cms 100 mts 20 cm
003 mts
Figura 6 Dimensiones del mezclador y del Agitador
UAM-I
Las dimensiones de las canastillas se determinaron a partir del balance de masa y la
produccioacuten requerida La carga de un contenedor de soporte que es de 100kg del
cual el agitador tiene 4 canastillas cada una corresponde 25 Kg la masa se obtuvo
del balance de materia y su densidad 600 Kgm3 con el que se obtuvo un volumen de
0043 m3
39 ANAacuteLISIS FINANCIERO
El costo de materias primas se muestra en la Tabla 2 en la que tambieacuten se incluyen
los flujos de alimentacioacuten requeridos para el proceso a partir de los cuales se
determinaron los costos diarios
Tabla 2 Costo de materias primas [5]
Compuesto
Alimentacioacuten
por diacutea
Costo
USDKg
Costo Total
USDdiacutea
Au 2 kg 10596 2119200
HCl 15 Kg 52 780
HNO3 20 Kg 022 044
-Al2O3 5712 Kg 034 19421
Canastillas 500 piezas 15 75000
NH3(OH) 200 Kg 034 680
H2O 440414 Kg 282 282
Total de Materia Prima 2215407
El costo se determinoacute considerando la cantidad de material el tamantildeo y el costo de
manufactura
El costo se determinoacute para uso industrial conforme establece la tesoreriacutea de
Meacutexico
Ingenieriacutea Quiacutemica 38
UAM-I
PERSONAL REQUERIDO PARA LA INDUSTRIA
La Tabla 3 establece los salarios mensuales anuales y las prestaciones del IMSS
para el personal de la planta
Tabla 3 Salarios y Prestaciones del Personal
Mano de Obra (USDmes)p
ersona
USDmes USDantildeo Prestaciones
IMSS
1 Gerente 2000 2000 24000
1 Administrador 1000 1000 12000
1 Secretaria 400 400 4800 1193
Total de Salarios
Administrativos
40800 1193 409193
9 Obrero 150 150 1800 448
1 Teacutecnico 200 200 2400 597
1 Policiacutea 200 200 2400 597
1 Mantenimiento 180 180 2160 538
1 Limpieza 150 150 1800 448
Total de Salarios
Proceso
10560 2628 108228
Los salarios se determinaron en base al salario miacutenimo vigente en la Ciudad de
Meacutexico (2003)[29]
Ingenieriacutea Quiacutemica 39
UAM-I
PERSONAL
Departamento de produccioacuten
Se tendraacute 2 obreros en el llenado de soporte en las rejillas un obrero encargado del
traslado de rejillas por medio de la banda de los motores a cada contenedor un
obrero en cada contenedor de NH4OH y HAuCl4 en cada mezclador se tiene 1
obrero para descargar y cargar las rejillas a la banda que se trasladaran al horno en
el horno se tiene 1 obrero encargado del secado y calcinado el producto se traslada
al almaceacuten donde estaraacuten 2 obreros que reciben el producto y materias primas de los
proveedores se tiene 1 teacutecnico supervisando los equipos un encargo del
mantenimiento de los equipos
Departamento de personal
Gerente de la industria un administrador encargado de compra y venta de materias
primas una secretaria
Ingenieriacutea Quiacutemica 40
UAM-I
CAPITAL FIJO
La Tabla 4 muestra el costo de los equipos requeridos en la planta asiacute como el
Capital Fijo y la Inversioacuten del Capital Total
Tabla 4 El equipo se costeo usando las correlaciones de Ulrich [6] y empleando el
programa de Capcost
EQUIPO USD
4 Contenedores 23584
4 Agitadores (456kW) 269760
1 Horno (25 kW) 15700
15 Bombas (1469kW) 43081
1 Motor (114 kW) 67440
Tuberiacuteas 42150
2 Cisternas 174183
Vaacutelvulas 1283
Accesorios
(codos 90ordm y de 45ordm te)
1474
CAPITAL FIJO 638655
Capital de Trabajo 9579825
INVERSIOacuteN DE
CAPITAL TOTAL
73445325
Los caacutelculos y las correlaciones empleadas para el costeo del equipo se anexan en
el Apeacutendice A
Ingenieriacutea Quiacutemica 41
UAM-I
GASTOS GENERALES
Tabla 5 Proporciona el total de gastos anuales con lo cual se estima el precio por
kilo de catalizador y por unidad purificadora
Tabla 5 Gastos Generales anuales
USDAntildeo
Materias Primas 531697680
Mano de Obra de Operacioacuten 1082280
Mano de Obra de Oficina 4091930
Servicios Electricidad 2620100
Total de Gastos Generales 539491990
CFE
Produccioacuten diaria de Catalizador = 574 Kg
Precio de Catalizador = 40 USDKg
Produccioacuten diaria de unidades purificadoras = 500
Precio por unidad = 50USD
Ganancia diaria = 22960 USD
Ganancia Anual = 5510400 USD
DETERMINACIOacuteN DE LA RENTABILIDAD DEL PROYECTO
TPI (Actual) = 10
PR (Factor de riesgo) = 25
TREMA = TPI + PR
TREMA = 35
TIR (del proyecto) = 90
TIR gt TREMA
Puesto que la TIR es mayor que la TREMA se tiene que el proyecto es rentable [6]
Ingenieriacutea Quiacutemica 42
UAM-I
310 CONCLUSIONES
En el desarrollo de la industria para la fabricacioacuten de catalizadores se tuvo un
resultado satisfactorio a pesar de la falta de informacioacuten disponible acerca de
industrias de catalizadores debido a que esta informacioacuten no es publica El proyecto
que elaboramos es novedoso en nuestro paiacutes ya que no existen registros de una
industria que produzca catalizadores de oro soportados en aluacutemina
Durante el desarrollo del proyecto se planteoacute trabajar con compuestos como NOx y
COVS sin embargo debido a la falta de tiempo no se logroacute concluir la
experimentacioacuten en estos campos Debido a esto se tomoacute la decisioacuten de trabajar en
la oxidacioacuten cataliacutetica de CO Esto debido a varios factores por ejemplo la
disponibilidad de gases y sobre todo los costos que esto implicaba
Para el desarrollo del catalizador se analizaron diferentes tipos de preparacioacuten y se
eligieron dos meacutetodos diferentes Deposicioacuten-precipitacioacuten e Impregnacioacuten Los
catalizadores se evaluaron bajo diversas condiciones en la oxidacioacuten de CO El
catalizador que presentoacute mayor conversioacuten con el catalizador a baja temperatura fue
el sintetizado por el meacutetodo de Deposicioacuten-precipitacioacuten el cual se utilizoacute para el
disentildeo de la Industria El disentildeo estaacute basado en la forma de preparacioacuten del
catalizador Por esto la parte maacutes importante de la planta es el tanque de mezclado
el cual se disentildeo tomando en cuenta los diferentes disentildeos de agitadores para tener
un mezclado oacuteptimo Se incorporo en la parte superior del agitador las canastillas
para las pastillas cataliacuteticas y el tipo de Horno que se usara para el secado y
posteriormente el calcinado Una parte importante es la produccioacuten de catalizador
para este problema se investigoacute en que parte se podriacutea utilizar a diferencia de los
catalizadores para automoacuteviles Se llego a la decisioacuten de poder desarrollar un
catalizador para los calentadores de agua se obtuvo informacioacuten de la fabrica de
calentadores cal-o-rex en la produccioacuten diaria de calentadores y de esta informacioacuten
se pudo calcular la posible demanda de nuestro producto Una parte importante en
las industrias son el tipo de bombas ya que existen diversos modelos en nuestro
disentildeo se escogioacute las bombas centriacutefugas con rodetes para agua que contiene
pequentildeas partiacuteculas de soacutelidos
En la parte de servicios para personal se investigo los sueldos de cada empleado Se
determinoacute el costo de los equipos y finalmente llegamos a la parte que nos interesa
Ingenieriacutea Quiacutemica 43
UAM-I
del disentilde es decir si el proyecto es rentable o no En este caso particular se tuvo un
valor aceptable y se definioacute que el disentildeo es rentable Esto indica que seria una
industria que tendriacutea ganancias y a la vez que el producto que se fabrique nos
ayudaraacute a todos a reducir la emisioacuten de CO en los hogares aportando una pequentildea
ayuda al medio ambiente
COMENTARIOS
Los conocimientos adquiridos durante este tiempo fueron provechosos en la parte
teoacuterica y praacutectica aclaramos dudas de como y porque se comportan las reacciones
quiacutemicas y los procesos de flujos Durante el desarrollo del proyecto aprendimos a
observar y la importancia de entender fiacutesicamente las algunos procesos relacionados
con la siacutentesis y caracterizacioacuten de materiales cataliacuteticos
Ingenieriacutea Quiacutemica 44
UAM-I
38 BIBLIOGRAFIacuteA
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Ingenieriacutea Quiacutemica 46
UAM-I
APEacuteNDICE A
CRITERIOS PARA DETERMINAR QUIEacuteN CONTROLA EL PROCESO
Criterio de weisz para difusioacuten interna
Ec(12-16 Fogler) Los valores que se sustituyen en las siguientes ecuaciones fueron
tomados del catalizador que se analizo en el laboratorio
CWP = ( )
AS
cObsA
DeCRcr 2minus
lt 1
-rA(Obs) = velocidad de reaccioacuten observada molgcats Cc = concentracioacuten volumeacutetrica molm3
CAS = concertacioacuten en la superficie molm3
D= diaacutemetro del granulo m R = radio del granulo m De = difusividad efectiva m2s
d = 0149mm mxmm
m 4104911000
1 minus=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
CWP = ( )( )3
32
24
33
103470184200350
21049150800010681
minus
minusminus
=⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞⎜
⎝⎛
x
mmol
hrm
mxcatm
gcathgcat
molx
734x10-3 lt 1 No hay limitante por la difusioacuten interna
Ingenieriacutea Quiacutemica 47
UAM-I
Criterio de mears para difusioacuten interna Ec(12-62 Fogler)
Mm = 150ltAbc
bA
CkRnr ρminus
Mm =( )( )
0570
136000184200220
31110457508000106851
3
53
3
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ minusminus
hrs
mmol
sm
mxcatmgcat
hgcatmolx
0057 lt 015 no hay efecto de transferencia de masa externa Calculo de Dab para calcular el coeficiente de trasferencia de masa Ec(78 Lobo)
De =
KAAB DD11
1
+
DKA = 970X103 (80X10-8)(s
cmK 221 1090)
2400( =
DAB = 00018583ABAB
BA
PMMT
Ω
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ +
2
2123 11
γ
Para CO
0110=isin
Bk 0593 A=γ
Para O2
Ingenieriacutea Quiacutemica 48
UAM-I
0113=isin
Bk 0453 A=γ
( ) 51343359321
=+=ABγ
( )( )[ ] 21113110BAB k=isin A la temperatura de 400degK
( ) 583))113)(110((
40021 =
deg=
isin B
B
AB
B
KKKTK
Ω AB = 0907 Sustituyendo
DAB =s
cm2
2
2123
9730)9070()513(
)21281()400(00185830=
+
De = hrm
hrs
cmm
scm 222
03501
3600100
10980
10901
97301
1=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
+
Calculo de Kc Sh = (Re)12(Sc)13
Velocidad superficial
V = sm
shr
hrm
mxhr
m
Av
c
02036001976
1087
006025
3
0 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛== minus
Ingenieriacutea Quiacutemica 49
UAM-I
Re= ( ) 240)1062)(501(
)10491)(020(
1 25
4
=minus
=minus minus
minus
smx
mxsmvd p
νφ
Sc= 672)3600
1)(0350(
10622
25
==minus
shr
hrm
smx
Dv
AB
Sh= ( 024 )12 ( 267 )13 = 0679
Kc = Shdp
DAB⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛minusφ
φ1
Kc = ( )sm
mxs
mx02206790
10491
10729
50501
4
26
=⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛minus
minus
minus
Calculo de numero Thile con el radio que usara a nivel industrial
φ = L ( )DkCn n
AS
21 1minus+
L = 3R
Sustituyendo
φ = 66x10-4 m( )
( )
450
03502
018420
5480941311
3
30
3330
313
=
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+
catmhrm
mmol
hrcatmmolm
η = 1 con los resultados anteriores se observa que quieacuten limita es la velocidad de
reaccioacuten Por lo que se procede a calcular el peso y longitud de catalizador
necesaria para muestro purificador sustituyendo los valores del Boiler
Ingenieriacutea Quiacutemica 50
UAM-I
Peso del Catalizador w =
( ) grcatgcatLn
gcatm
mmol
hrcatmmolm
hrm
xLn
kCv
A
66476639401
1
6000001578
548094
19836
11
330
3330
313
3
0
0 asymp=minus
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
minus
g 664=w
33
3
1011
mg60000
g 664 mxwv minus===ρ
m 035003101011
2
33
==minus
mmxL
cm 531000350 == xL
Ingenieriacutea Quiacutemica 51
UAM-I
APEacuteNDICE B BALANCE DE MASA DE LA PREPARACIOacuteN DE HAUCL4 Au(g) + 3HNO3(ac) + 4HCL(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O + 3N02(g) (152 M) (105M)
cantidad de mol Au = 05 kg Au x molAu
grAumolAux
kggr 542
971961
11000
=
cantidad de kg HNO3 = ( ) 33
33 480
10001
1635423 kgHNO
grkgx
molHNOGRHNOxHNOmol =
cantidad de kgHCl = ( ) kgHClgr
kgxmolHCl
grHClHClxmol 3701000
11
5365424 =
cantidad de kgHAuCl4 = 254molHAuCl4 x 44
8601000
11
97339 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
gr=
cantidad de kgH2O = 3( 254mol)H20 x OkgHgr
kgxOmolHOgrH
22
2 1401000
1118
=
cantidad de Lt H20 = 762molHNO3 x OltHOkgHOLtH
22
2 14011
=
cantidad de Lt H20 = 1016 mol HNO3 x 050215
012
2 LtHmol
LtH=
cantidad de LtH20 = 1016mol HCl x OLtHLtHmolHCl
LtH22
2 010970510
01asymp=
cantidad de MHAUCl4 = ( ) ( ) ( ) MHltltlt
ClmolHAU 7210850490140
542
2
4 asymp++
cantidad de kg NO2(g) = 3( 254mol)NO2 x )(22
2 3501000
1146
SkgNOgr
kgxmolNO
grNO=
Ingenieriacutea Quiacutemica 52
UAM-I
05 kg Au 048 kgHNO3 035 kgNO2 101021 kgH20 (152M) 037 kgHCl(ac)
(105 m) 086 kg HAuCl4 (ac) 086 kg HAuCl4 (ac)
(17 M) 014 kgH20 (25x10-3M) 014kg H20 (L) 086kg HAuCl4 035kgNO2 (g) 101185kg H20 Cantidad de H20 = 086 kgHAuCl4
x 08510110101
105201
173341
11000
22
23
24 kgHLtHkgHx
MxltHx
grmolHAuClx
kggr
=minus
pero (101185 ndash 014 ndash 05 ndash 1) kg H20 = 101021 kg H20 100ml H20 por 1 gr soporte 35kg NH4 (OH)(AC) 10000kgH20 100 kg γAl203 (9965) 035kgAu (035) 100kg γAl203 025kgCl2 086kg HAuCl4 026kgHAuCl4
101185 kg H20 35kgNH4 (OH)(AC) 1101185kgH20 cantidad de kgHAuCl4 = 015kgAu x
44
4 2601000
11
973391
197196
147196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxgrAu
molxkg
gr=
cantidad de NH4(OH) = 100kg γ Al203 x
Ingenieriacutea Quiacutemica 53
UAM-I
kgNHxmol
grx
mlmol
xOAlgr
OHmlNHx
kg
gr53
10001
1
35
100010
1
)(10
1
1000
32
4=
γ4(OH)
30kg γAL2O3 1 kgNH4(OH)(AC) 30 kg γ Al203 (9965) 010 kg Au (035) 026kgHAuCl4 007kg Cl2 35kgNH4(OH) 1101185 kgH2O 0086kgHAuCl4 45 kg NH4(OH)(AC) 1101185 kg H20
cantidad de γ Al2O3 = 026kgHAuCl4 x 324
32 02330860
100 AlkgkgHAuCl
OAlkg γγ=
cantidad de kgAu = 035 x kgAukg 10506599
30=
cantidad de kg Cl2 = 01 kgAu x
22
2 07201000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de HAuCl4 = 005kgAu x
44
4 08601000
11
973391
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 54
UAM-I
cantidad de kgNO4(OH) = 30 kg γ Al203 x ( )OHkgNHAlkg
OHkgNO4
32
4 0510100
)(53=
γ
105 kg γ Al203 035 kg NH2(OH) 105 kg γ Al203 (9965) 004 kg Au (035) 009kg HAuCl4 003 kg Cl2 45kgNH4(OH) 1101185 kg H20 0017kgHAuCl4 485kgNH4 (OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 009 HAuCl4 x 324
32 04710860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad kg de NH4 (OH) = 105kg γ Al203 x ( ) )(3500100
534
32
4 OHkgNHAlkg
OHkgNH=
γ
cantidad de Cl2 = 004 kg Au x
22
2 02901000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
gAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 =
44
44 02001701000
11
973391
197196
11
1000010 kgHAukgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgr
molAuxkg
grkgAux asymp=
Ingenieriacutea Quiacutemica 55
UAM-I
23 kg γ Al203 008kgNH4(OH) 002 kg HAuCl4 23 kg γAl203 (9965) 485kgNH4(OH) 0008kgAu(035) 1101185kg H2 0001kg Cl2
0014 kg HAuCl4 493kgNH4(OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 002kgHAuCl4 x 324
32 032860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad de kg Au = 035 x kgAukg 00806599
32=
cantidad de kgCl2 = 0002kgAu x
24
4 00101000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 = 0008kgAu x
44
44 01401000
11
973341
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 56
UAM-I
APEacuteNDICE C ACCESORIOS EN EL DISENtildeO
Agitador
Agitadores de Heacutelice se escogioacute este tipo de agitador por ser tener las siguientes
caracteriacutesticas [3]
bull Es un agitador de flujo axial
bull Se emplea para liacutequidos pocos viscosos
bull Giran a toda la velocidad del motor
bull Las corrientes de flujo se mueven a traveacutes del liacutequido en una direccioacuten
determinada hasta que son desviadas por el fondo o las paredes del tanque
bull Las palas de la heacutelice cortan o friccionan vigorosamente el liacutequido
bull Los agitadores de heacutelice son eficaces para tanques de gran tamantildeo
Horno
bull El horno se escogioacute por ser tener las siguientes caracteriacutesticas [5]
bull El horno de construccioacuten metaacutelica
bull La caacutemara de combustioacuten estaacute construida mediante hormigones refractarios
de alta resistencia mecaacutenica
bull Las materias secar y calcinar se carga de forma manual
Ingenieriacutea Quiacutemica 57
UAM-I
Bomba
DISENtildeO Bomba centrifuga para operacioacuten horizontal o vertical del impulsor
cerrado succioacuten al extremo descarga hacia arriba tangencial simple succioacuten de un
paso con carcaza partida verticalmente [3]
ROTACIOacuteN En el sentido del reloj vista desde el cople
CARACTERIacuteSTICAS Conexiones brindadas con registro ubicado en la cabeza de
succioacuten para facilitar su limpieza
SERVICIO Debido a que es posible colocarla en posicioacuten horizontal o vertical tanto
en caacutercamos secos como huacutemedos y por el disentildeo de su impulsor que soacutelidos de
gran tamantildeo esta bomba es ideal para los procesos de tratamientos de agua y
manejo de liacutequidos en suspensioacuten en general
CAPACIDADES
GASTO Hasta 3000 GPM
CDT Hasta 80rsquo
PRESIOacuteN 106 Kgcmsup2
POTENCIA De 1 a 60 Hp
VELOCIDAD (1175 - 3550 RPM)
TEMPERATURA 125degC
Ingenieriacutea Quiacutemica 58
UAM-I
Bombas Centriacutefugas
Las maquinas centriacutefugas estaacuten constituidas por un impulsor o rodete formado por
una serie de aletas radiales diversas formas y curvaturas que giran dentro de una
caja circular El fluido penetra por el ojo o eje de rotacioacuten y se descarga maacutes o
menos radialmente en una caacutemara perifeacuterica a una elevada presioacuten que
corresponde a la suma de la fuerza centriacutefuga de la rotacioacuten maacutes la cineacutetica
comunicada al fluido por las aletas La parte moacutevil de la bomba es el rodete Las
aletas del rodete se extienden desde el centro de rotacioacuten hacia la periferia y las
bridas son los discos de refuerzo a cada lado de las aletas que las envuelven Las
aletas pueden ser radiales curvadas ligeramente hacia delante en el mismo sentido
de la rotacioacuten o estar curvadas al reveacutes en el caso maacutes comuacuten en el disentildeo se
determino el rodete siguiente por sus caracteriacutesticas Fig 1
Figura 1 Corte parcial de un rodete de centriacutefuga para grandes cargas y secciones
de paso estrechas empleando con liacutequidos corrosivos o suspensiones de pequentildeas
partiacuteculas[4]
Ingenieriacutea Quiacutemica 59
UAM-I
APENDICE D CALCULO DE POTENCIA DE BOMBAS (8)
Potencia de la bomba de la cisterna 1 que alimenta a los mezclador 4
Ecuacioacuten de Bernoulli
sum sumint =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛+++∆+∆i i
i
P
P
evvfDLvwdphgv 0
21
21
ˆ1
21 222
2
1ρ
a b c d e f
a Diferencia de velocidades
b Diferencia de alturas
c Diferencia de presiones
d Trabajo
e Perdidas de friccioacuten en tuberiacuteas
f Perdidas de friccioacuten en accesorios
En la ecuacioacuten anterior se pueden eliminar algunos teacuterminos
21 mts
6 mts 35 mts
Figura 1 Balance de cisterna 1 a mezclador 4
Se debe de tener dos puntos de referencia para la utilizacioacuten de la ecuacioacuten de
Bernoulli de los cuales se anotaron en la figura 2
Ingenieriacutea Quiacutemica 60
UAM-I
21 mts
2 1 6 mts 35 mts
Figura 2
Teniendo los puntos de referencia se analiza que las diferencias de velocidades son
cero en ambos puntos por lo tanto el termino 2
21 ν∆ es igual a cero
El termino de = (981hg∆ 2segm )(35m ndash 0) = 34335 2
2
segm
El termino de int2
1
1P
P
dpρ
se tiene que la cisterna y el tanque de mezclado ambos no
estaacuten cerrados y por lo tanto no originan un cambio de presioacuten y el termino es cero
De esta expresioacuten L longitud de tuberiacutea
tro de tuberiacutea
n el interior del tubo
v
Para la l radio del tubo que
sum ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
i
fDL2
21 ν
D diaacuteme
f perdidas de friccioacuten e
velocidad del flujo de agua
obtencioacuten de la velocidad se tiene el flujo volumeacutetrico y e
es de 32 cm =0032mts con la ecuacioacuten
Ingenieriacutea Quiacutemica 61
( )( ) sm
ms
m
RQ 761
032060min1)
min340(
2
3
2 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
==ππ
ν
UAM-I
Se reportan valores de perdida de fr
e reduce teacuterminos
iccioacuten en tubos que son igual a 005
Por lo tanto sustituyendo los teacuterminos en la ecuacioacuten de Bernoulli s
sum sumint =⎟⎠
⎜⎝
+⎟⎠
⎜⎝
+++∆+∆i i
iP
evvfD
vwdphgv 022
ˆ2
1ρ
⎞⎛⎞⎛ L 111 2222
or tanto el termino de trabajo queda expresado de la siguiente manera
tanto la bomba comunica al fluido que circula en el sistema un trabajo
+11727
P1
p w
sum sum ∆minus⎟⎠⎞
⎜⎝⎛minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛minus=
i ii
hgevvfDLvw 22
21
21
ˆ
( ) ( )
Este es el trabajo ( por unidad de masa) producido por el fluido en la bomba por lo
22
sm o 11727 981 = 1195
m
fKg
Kgm
La velocidad de flujo de masa es
Por lo tanto
1 )=6694
951)(675(ˆ =minus=minus WwW smkg f = 088Hp = 1Hp
Siendo esta ida para esta bomba El procedimiento anterior se
iguioacute para cada bomba de la planta
AP E
la potencia requer
s
EacuteNDICE
TOXICOLOGIacuteA DE MATERIAS PRIMAS [6]
( ) ( ) ( )( ) ( )( )msm
smmmm
sm 538192201150761
21050
032021536761
21
2
22minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ +minus⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ++
minus=wm
22
27117ˆ smw minus=
( )s
kgmkgQw m675100060340 3 === ρ
Ingenieriacutea Quiacutemica 62
UAM-I
HIDROacuteXIDO DE SODIO
Polvo corrosivo blanco delicuescente
Toxicidad
Concentracioacuten Maacutexima permisible 2mgm3 en aire
Signos y Siacutentomas Conjutivitis quemaduras corneales y de la piel Irritacioacuten
seas vomito dolor abdominal y diarrea a veces con
Lavado de las partes afectadas tranquilizantes sulfato de
decuada gafas protectoras o pantallas para
ignos y Siacutentomas Irritacioacuten de ojos quemaduras corneables tos dolores
l hemoptisis dolor de cabeza dolor epigaacutestrico nauseas y vomito
lmonar
Tratamiento lavado de ojos con agua reposo oxigeno con aparato de respiracioacuten
con onantes
ACIDO NITRICO
Liquido corrosivo sofocante de incoloro a amarillento
ioacuten maacutexima permisible 10ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
del tracto respiratorio nau
sangre
Tratamiento
morfina para el dolor y cortisona
Medidas preventivas Ventilacioacuten a
la cara completa mascarilla con filtro mecaacutenico guantes delantares botas de
goma y acentuar la limpieza personal
CLORO
Gas pasado amarillo verdoso
Toxicidad
Conc Maacutexima permisible 1 ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten
S
retrosterna
debilidad cianosis y edema pu
trolada bronco dilatadores y descongesti
Toxicidad
Concentrac
Ingenieriacutea Quiacutemica 63
UAM-I
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
Signos y siacutentomas Erosioacuten dental estornudo tos Dolor en el pecho bronquitis y
la las partes contaminadas del cuerpo con solucioacuten al 5 de
de las quemaduras con pantildeos
de triacuteo sulfato soacutelido si se a ingerido
vado de ojos con agua
ACIDO CLORIDRICO
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
ivitis necrosis corneal por inhalacioacuten rinitis erosioacuten
dolor de cabeza palpitacioacuten por ingestioacuten
s en la boca faringe esoacutefago estomago salivacioacuten vomito Soc
agua lavada de agua y jaboacuten de las partes
preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
AacuteC
El c
con o de hidroacutegeno una
concentracioacuten de 12 molLt Este aacutecido es un liacutequido incoloro con un olor aacutecido
bronconeumoniacutea
Tratamiento
bicarbonato soacutelido o con agua y jaboacuten Tratamiento
mojados con solucioacuten saturada
administracioacuten por viacutea oral de solucioacuten de jaboacuten Hidroacutexido caacutelcico o alumiacutenico u
oacutexido de magnesio
Medidas preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores excluir de la exposicioacuten
a los individuos con enfermedades de pulmones y rintildeones
Gas incoloro o liacutequido o a amarillento
Toxicidad
Concentracioacuten maacutexima permisible 5ppm en aire
Signos y siacutentomas conjunt
dental laringitis bronquitis neumoniacutea
quemadura
nefritis
Tratamiento lavado de ojos con
contaminantes del cuerpo tratamiento ordinario de quemaduras lavado gaacutestrico
se a ingerido con solucioacuten de bicarbonato soacutedico al 5 seguido de una instilacioacuten
de gel de hidroacutexido de aluminio
Medidas
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores
IDO CLORHIacuteDRICO
loruro de hidroacutegeno es en extremo soluble en agua de hecho el aacutecido clorhiacutedrico
centrado contiene cerca del 38 en masa de clorur
Ingenieriacutea Quiacutemica 64
UAM-I
pronunciado que se debe al equilibrio entre el cloruro de hidroacutegeno gaseoso y
ste con el aacutecido fluorhiacutedrico el aacutecido clorhiacutedrico es un aacutecido fuerte (pKa = -
7) y se ioniza casi totalmente
gar de aacutecido sulfuacuterico auque en menor grado Por
jemplo el zinc metaacutelico reacciona con aacutecido clorhiacutedrico para dar el ion zinc e
hidroacutegeno gaseoso
Zn(s) + 2HCl(ac) ZnCl2(ac) + H2(g)
l para producir aacutecido clorhiacutedrico en el laboratorio es generar
cloruro de hidroacutegen e sodio y el aacutecido
ulfuacuterico En el primer paso a 150degC se forma hidroacutegeno sulfato de sodio
NaHSO4(s) + HCl(g)
io y maacutes
loruro de hidroacutegeno gaseoso Luego el gas se disuelve en agua para formar el
aacutecido
NaHSO4(s) + NaCl(s) Na2SO4(s) + HCl(g)
acuoso
HCl(ac) HCl(g)
El reactivo de grado teacutecnico a menudo tiene un color amarillento por una impureza
del ion hierro (III)
En contra
HCl(ac) + H2O(l) H2O+(ac) + Cl -(ac)
Por ello a menudo se prefiere usar aacutecido clorhiacutedrico diluido en lugar de aacutecido niacutetrico
que es muy oxidante y en lu
e
Cuando el zinc reacciona con el aacutecido niacutetrico es comuacuten que se reduzca una parte
del ion nitrato para dar dioacutexido de nitroacutegeno
El meacutetodo tradiciona
o gaseoso por la reaccioacuten entre el cloruro d
s
NaCl(s) + H2SO4(l)
La mezcla se calienta a 550degC temperatura a la cual el hidroacutegeno sulfato de sodio
reacciona con un exceso de cloruro de sodio para formar sulfato de sod
c
∆
Este meacutetodo se usa tambieacuten en la industria otra forma de producir cloruro de
hidroacutegeno es por la combinacioacuten directa de dicloro y dihidroacutegenogaseosos
Ingenieriacutea Quiacutemica 65
UAM-I
H2(g) + Cl2(g) 2HCl(g)
La mayor cantidad de cloruro de hidroacutegeno que se produce actualmente es un
CH4(g) + 4Cl2(g) 4(l) + 4HCl(g)
riacuten de superficies de acero en un bantildeo aacutecido en la purificacioacuten de glucosa
y jarabe de maiacutez e s y de gas y en la
bricacioacuten de compuestos clorados El aacutecido se puedo comprar en muchas
nducida por la luz
4HNO3(ac) 4NO2(g) + O2(g) + 2H2O(l)
niacutetrico como disolvente)
H2NO3+ H2O + NO2
+
l siguiente
3HNO NO3 ndash
subproducto de otros procesos industriales como la siacutentesis de tetracloruro de
carbono
CCl
Se consumen cerca de 107 toneladas de aacutecido clorhiacutedrico cada antildeo en todo el
mundo Este aacutecido tiene una gama muy amplia de usos como aacutecido comuacuten para
eliminar o
n el tratamiento con aacutecido de pozos petrolero
fa
ferreteriacuteas con el arcaico nombre de aacutecido muriaacutetico sus principales usos caseros
son la limpieza de superficies de concreto y la eliminacioacuten de herrumbre Un nuacutemero
muy reducido de personas es incapaz de sintetizar suficiente jugo gaacutestrico y deben
de ingerir caacutepsulas de aacutecido clorhiacutedrico diluido con cada comida
AacuteCIDO NIacuteTRICO
El aacutecido niacutetrico un liacutequido aceitoso e incoloro en estado puro es sumamente
peligroso El aacutecido que funde a ndash42degC y hierve a +83degC tiene por lo general un
ligero color amarillo a causa de una reaccioacuten de descomposicioacuten i
En un estado puro el aacutecido niacutetrico liacutequido praacutecticamente no conduce la electricidad
Una pequentildea porcioacuten se ioniza como sigue (todas estas especies existen en el aacutecido
2HNO3(l) H2NO3+ + NO3
ndash
H2O + HNO3 H3O+ + NO3 ndash
Para dar la reaccioacuten globa
3 NO2+ + H3O + 2+
Ingenieriacutea Quiacutemica 66
UAM-I
El catioacuten nitrilo es importante en la nitracioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas por ejemplo la
obenceno C6H5NO2 una etapa importante en
umerosos procesos industriales orgaacutenicos
El aacutecido niacutetrico con en agua mientras
ue el ldquoaacutecido niacutetrico fumanterdquo un oxidante extremadamente poderoso es una
vez de ello se produce una mezcla de
sistema que da un orden de
vista industrial el
oceso
e lleva a cabo en tres etapas Primero se hace pasar una mezcla de amoniaco y de
dioxiacutegeno (o aire) un proceso muy
ficiente y exoteacutermico que hace que la malla se ponga al rojo Esta etapa se verifica
conversioacuten de benceno C6H6 en nitr
n
centrado es en realidad una solucioacuten al 70
q
solucioacuten roja de dioacutexido de nitroacutegeno en aacutecido niacutetrico puro Incluso cuando esta
diluido el aacutecido niacutetrico es un oxidante tan fuerte que rara vez desprende hidroacutegeno
cuando se pone en contacto con metales en
oacutexidos de nitroacutegeno y el metal se oxido a su catioacuten
Los enlaces O-N son mucho maacutes cortos (121 pm) que el enlace O-N unidos al aacutetomo
de hidroacutegeno (141 pm) Esta longitud de enlaces indica que hay enlaces muacuteltiples
entre el nitroacutegeno y los dos aacutetomos de oxiacutegeno terminales Ademas de los electrones
del sistema σ hay cuatro electrones que participan en el sistema π O-N-O dos de un
orbital enlazante y dos en un orbital no enlazante
enlace de 112 para cada uno de esos enlaces nitroacutegeno- oxiacutegeno
A veces se nos olvida hasta queacute punto nuestra experiencia depende de la
termodinaacutemica y la cineacutetica Por ejemplo la primera siacutentesis industrial de aacutecido
niacutetrico se llevaba ha cabo por simple combinacioacuten de diniacutetrogeno dioxiacutegeno y agua
utilizando un horno de arco eleacutectrico a fin de proporcionar la energiacutea necesaria par
superar la muy elevada barrera cineacutetica Aunque desde el punto de
factor cineacutetico constituiacutea un problema en realidad es una bendicioacuten por que sin esta
barrera cineacutetica hace mucho tiempo que todo el dioacutexido de la atmoacutesfera se abriacutea
transformado en aacutecido niacutetrico y nuestros mares serian de aacutecido niacutetrico diluido
frac12 N2(g) + 54O2(g) + 12H2O(g) HNO3(g)
Ahora se utiliza el proceso Ostwald para la siacutentesis de aacutecido niacutetrico Este proceso
consume gran parte del amoniaco que se produce por el proceso Haber El pr
s
a traveacutes de una malla de platino metaacutelico Eacuteste es
e
a baja presioacuten para aprovechar el efecto entropico es decir la formacioacuten de 10
moles de gas a partir de 9 moles de gas (una aplicacioacuten del principio de Le Chatelier)
para desplazar el equilibrio a la derecha
Ingenieriacutea Quiacutemica 67
UAM-I
4NH3(g) + 5O2(g) 4NO(g) + 6H2O(g)
Se agrega maacutes oxiacutegeno para oxidar el monoacutexido de nitroacutegeno a dioacutexido de nitroacutegeno
A fin de mejorar el rendimiento de esta reaccioacuten exoteacutermica se extrae calor de los
ases y la mezcla se somete a presioacuten
2HNO3(l) + NO(g)
Esta reaccioacuten tambieacuten es exoteacutermica y una vez maacutes se aplica enfriamiento y alta
la
egunda etapa para oxidarlo de nuevo
La contaminacioacuten s de aacutecido niacutetrico
as plantas maacutes antiguas eran faacutecilmente identificables por la fumarola cafeacute-
antas maacutes antiguas ahora mezcla cantidades
en Estados Unidos porque un 20
dedica ala produccioacuten de explosivos
or ultimo el aacutecido niacutetrico es un liacutequido que hierve a 826degC No existe como liacutequido
g
2NO(g) + O2(g) 2NO2(g)
El dioacutexido de nitroacutegeno se mezcla con agua para dar una solucioacuten de aacutecido niacutetrico
3NO2(g) + H2O(l)
presioacuten par obtener el maacuteximo rendimiento El monoacutexido de nitroacutegeno se vuelve a
s
soliacutea ser un problema importante de las planta
L
amarillento del dioacutexido de nitroacutegeno que escapaba por ellas Las plantas maacutes
antiguas eran faacutecilmente identificable por la fumadora cafeacute-amarillo del dioacutexido de
nitroacutegeno que escapaba de ellas Las pl
estequiomeacutetricas de amoniaco con las oacutexidos de nitroacutegeno con lo cual se obtiene
dinitroacutegeno y vapor de agua ambos inocuos
NO(g) + NO2 (g) + 2NH3(g) 2N2(g) + 3H2O(g)
En todo el mundo alrededor del 80 del aacutecido niacutetrico se utiliza en la produccioacuten de
fertilizantes Esta proporcioacuten es de solo el 65
se
P
puro porque en alguna medida se descompone espontaacuteneamente como sigue
4HNO3(l) 4NO2(g) + 2H2O(l) + O2(g)
Ingenieriacutea Quiacutemica 68
UAM-I
El aacutecido niacutetrico concentrado que se usa en el laboratorio estaacute al 68 en masa HNO3
(densidad 142 gcm3) lo que corresponde a 157 M
l aacutecido niacutetrico es un poderoso agente oxidante El nuacutemero de oxidacioacuten del N en el
) El aacutecido niacutetrico puede oxidar
nto a metales que estaacuten abajo del hidroacutegeno como aquellos que se encuentran
4Zn2+(ac) + NH4
+(ac) + 3H2O(l)
do no oxida al oro Sin embargo cuando se mezcla con
cido clorhiacutedrico concentrado en relacioacuten 13 en volumen (una parte de HNO3 a tres
partes al oro
omo sigue
APEacuteNDICE F
ETODO DE DEPOSICIOacuteN-PRECIPITACIOacuteN
E
HNO3 es + 5 Los productos maacutes comunes de la reduccioacuten del aacutecido niacutetrico son el
NO2 (N = + 4) el NO (N = + 2) y el NH4+ (N = - 3
ta
arriba en la serie de actividades Por ejemplo el cobre es oxidado por el aacutecido niacutetrico
concentrado como se mencionoacute antes
En presencia de reductores fuertes como el zinc metaacutelico el aacutecido niacutetrico se puede
reducir hasta ion amonio
4Zn(s) + 10H+(ac) + NO3
-(ac)
El aacutecido niacutetrico concentra
aacute
de HCl) la disolucioacuten resultante denominada agua regia puede oxidar
c
Au(s) + 3HNO3(ac) + 4HCl(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O(l) + 3NO2(g)
M
Ingenieriacutea Quiacutemica 69
UAM-I
APEacuteNDICE G
ISENtildeO DEL MEZCLADOR [4]
1) 100 ml H2O gr soporte
2) NH4(OH)
Ajustar a PH = 9 4) HAuCl4 (solucioacuten acuosa al 25E-3M)
6) Filtrado o centrifugado
3) En Agitacioacuten por 2 hr
8) Secado por 2hr a 80 degC
9 ) Calcinado por 4hr a 400 degC
7) Lavado
5) Antildeegamiento por 30 min
D
Ingenieriacutea Quiacutemica 70
UAM-I
El disentildeo de un tanque agitado dis n nuacutemero de elecciones sobre el
po y localizacioacuten del agitador las proporciones del tanque el nuacutemero y dimensiones
ada una de estas decisiones afectan a la velocidad
e circulacioacuten del liacutequido los modelos de velocidad y el consumo de potencia Como
pone de un gra
ti
de las placas deflectoras etc C
d
punto de partida en el disentildeo de los problemas ordinarios de agitacioacuten generalmente
se utiliza un agitador de turbina del tipo que se muestra en la figura 1 La proporcioacuten
tiacutepica es
31
=t
a
DD
1=tD
H 121
=tD
J 51
=aD
W 41
=aD
L
de estas ecuaciones se disentildeara el mezclador como datos se tiene el valor H que es
igual a 3 mts y el diaacutemetro del tanque D
Se determinara la medida de los reflectores
t que es igual 3 mts
121
=tD
J se despeja J
elacioacuten R31
=t
a
DD
se despeja Da
Relacioacuten
41
=aD
L se despeja L
elacioacuten se despeja W
( ) ( ) cmmtsmtsDJ 25250311==⎟
⎞⎜⎛=⎟
⎞⎜⎛= t 1212 ⎠⎝⎠⎝
( ) ( ) mtsmtsDD ta 1331
31
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=
( ) ( ) mtsmtsDL a 250141
41
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛= cm25=
51
=aD
WR
Ingenieriacutea Quiacutemica 71
UAM-I
Figura 2 a) Vista transversal del mezclador b) paletas del mezclador con la
donde se deposita el soporte
Figura 1 Medidas de un agitador de turbina
a) b)
s rejillas
H
J
E L
Da
D t
W
W
( ) ( ) cmmtsmtsDW a 2020151
5==⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎜⎝
=1 ⎞⎛
Ingenieriacutea Quiacutemica 72
UAM-I
canastilla[4] el cual permite colocar dentro de las mismas el catalizador para tener
una mejor impregnacioacuten de partiacuteculas de Au y eliminar la atricioacuten Las dimensiones
del agitador asiacute como del mezclador se presentan en la Figura 6
Al teacutermino de la uacuteltima carga en los mezcladores el lote completo del diacutea pasa al
horno para secarlo a 80degC por 2 h y calcinarlo a 400degC durante 4 h Durante estos
procesos se concluye la preparacioacuten del catalizador Las temperaturas y tasas de
calentamiento estaacuten basadas en el meacutetodo de preparacioacuten experimental descrito en
el Capitulo ll Posteriormente el catalizador producido pasa a la seccioacuten donde se
embolsa para ser vendido como materia prima y la otra parte pasa a la seccioacuten de
ensamblaje para fabricar el purificador
Dimensiones de la industria
Las dimensiones de los equipos como mezcladores cisternas tanque de
tratamiento horno etc se tomaron como base para poder suponer espacios entre
equipos para tener seguridad del personal Se dio preferencia a los mezcladores ya
que son las partes importantes en la elaboracioacuten de los catalizadores La cisterna
estaraacute enterrada para facilitar su llenado en el caso de los contenedores de HAuCl4
y NH4OH estaraacuten encima de bases maacutes altas que los mezcladores para poder
abastecerlos por gravedad Esto debido a que el volumen es poco no se requiere de
grandes cantidades por lo que no se requiere alguna bomba Se estuvo analizando
la forma de acomodar los equipos y se obtuvo la siguiente distribucioacuten que se
muestra en la Figura 3
En la Figura 4 se presenta el plano de la industria con sus respectivos
departamentos en la parte sur se encuentra la entrada principal en ella se encuentra
vigilancia y la entrada de empleados y obreros posteriormente esta la zona de
oficinas lado izquierdo del lado derecho se encuentra el estacionamiento para
clientes y empleados en el almaceacuten se encontraraacuten refacciones de equipo y
reservas de materia primas para los catalizadores en la zona de produccioacuten se tiene
el estacionamiento de proveedores para facilitar la entrada y salida del producto
Catalizadores de Oro Soportado 28
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado 29
Debido a que en cada industria debe existir un espacio recreativo se plantea una
cancha de Baacutesquetbol para los obreros y una zona de jardines en la parte norte
Ubicacioacuten de la industria
Para poder ubicar una industria es importante analizar la zona geograacutefica Para lo
cual se deben considerar algunos factores importantes por ejemplo No ubicarla en
zona de siacutesmica Si la industria requiere de un gran volumen de agua no ubicarla en
una regioacuten deseacutertica Si el producto es muy sensible al calor y la humedad evitar
zonas muy caacutelidas y huacutemedas Si se piensa vender el producto en una zona
especifica ubicar la industria cerca de la zona de venta para evitar gastos de
transportacioacuten A partir de este tipo de razonamientos se planea que debido a que el
producto que se elaborara que es un purificador cataliacutetico para su venta en la ZMVM
ya en ella estaacuten ubicadas las principales industrias de calentadores y debido a que la
planta requiere de un volumen considerable de agua se escogioacute el estado de
Morelos porque no esta muy lejos de la ZMVM y tiene reservas de agua Asiacute el gasto
de transportacioacuten de materias primas y sobre todo del producto elaborado seriacutea
pequentildeo
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
Agua
Tanque tratamien
Figur
NH4OH
HAuCl4
Produccioacuten de catalizadores
Recuperacioacuten de agua
de to
a
MezcladoresMezcladores
Cuando se requiere limpieza
Horno
Producto almaceacuten
30
1 Diagrama de produccioacuten Recuperacioacuten de cloro
UAM-I
35 BALANCE DE MATERIA DIAGRAMA DE FLUJO PARA DIFERENTES LOTES DE SOPORTE EN UN SOLO MEZCLADOR
Catalizadores de Oro So
05 Kg Au
10
0
086 Kg HAuCl4(ac)014 Kg H2O
035 Kg NO2(g)
2
35 Kg NH4(OH)(ac) (01M)
10000 Kg H2O
100 Kg Al3O
100 Kg Al2O3 (9965) 035 Kg Au (035) 025 Kg Cl2
026 Kg HauCl4(ac)35 Kg NH4(OH)
1101035 Kg H2O
O MEZCLADOR (t0)
10035 Kg catalizador
86 KgHAuCl4(ac)101035 Kg H2O
037 Kg HCl (ac) (105 M) 048 Kg HNO3(ac) (152 M)
porta
Kg N
30 Kg Al2Cl3
101021 Kg H2
do
H4 (OH) (ac) (01M) 30 Kg Al2O3 (9965) 01 Kg Au (035)
007 Kg Cl2
)
3
)
301 Kg catalizador MEZCLADOR (t1)
009 Kg HauCl4(ac)45 Kg NH4(OH)
1101035 Kg H2O
MEZCLADOR 1054 Kg catalizador
105 Kg Al2O3
(t2)
105 Kg Al2O3 (9965)
035 Kg NH4 (OH) (ac) (01M
004 Kg Au (035) 003 Kg Cl2
23 Kg Al2O
MEZCLADOR
(t3)23 Kg Al2O3 (9965)
2308 Kg catalizador
008 m3 NH4(OH) (ac) (01M
002 Kg HauCl4(ac)485 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
0008 Kg Au (035) 0006 Kg Cl2
0003 Kg HauCl4(ac)493 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
31
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado 32
DIAGRAMA DE FLUJO PARA UN MEZCLADOR
MEZCLADOR
1101035 Kg H2O
1428 kg γ-Al2O3
086 Kg HAuCl4
493 Kg NH4(OH)
0003 Kg HauCl4(ac)493 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
1433 Kg Catalizador
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
36 DIAGRAMA DE LA INDUSTRIA
INDUSTRIA DE CATALIZADORES
TANQUE DE TRATAMIENTO HORNO
CISTERNA 1
CONTENEDORDE AuCl3 CONTENEDOR DE
NH4OH ZONA DE LLENADO
DE SAPORTE
SE LLEVA AL HORNO
MANUALMENTE
PRODUCTOALMACEacuteN
Contenedor de HAuCl4
Figura 2 Diagrama de la distribucioacuten del equipo dentro del aacuterea de produccioacuten
33
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
37 DIMENSIONES DEL EQUIPO Y TUBERIacuteA
2 mts
2 mts 2 mts 6 mts 4 mts 3 mts 5mts 5 mts 3 mts 6 mts 3
3mts 3 mts 3mts 3 mts 3 mts
4 mts 1 5 mts 1 5 mts 4mts 4 7mts 4 mts 21 mts 7 2mts 26 mts 2 mts 21 mts 6 mts
3 5 mts 14 mts 6 mts 8 mts 1 5 mts 3 mts 5 mts 13 mts 8 mts 20 mts 30 mts
IN D U ST R IA D E C A T A L IZ A D O R E S
T AN Q U E D E T R AT AM IE N T O H O R N O
C IST E R N A 1
C O N T EN ED O RD E Au C l3
C O N T EN E D O R D E N H 4O H
ZO N A D E L LEN AD O D E SO PO R T E
AG UA PAR A JAR D IN ES
M E Z C L A D O R E S 12 3 y 4
1 2 3 4
A L M A C Eacute N
Contenedor de HAuCl4
Figura 3 Dimensiones del equipo y tuberiacutea requerida
34
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
38 PLANO DE DISTRIBUCIOacuteN DE AacuteREAS
Figura 4 Aacutereas de trabajo dentro de la planta
35
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
DIMENSIONES DE LA INDUSTRIA
Figura 5 Dimensiones de cada aacuterea de la planta industrial
36
UAM-I
Ingenieriacutea Quiacutemica 37
10 cm 3mts 1 mts 25 cm 15cm 5 cm 5 cm 3mts 150 mts 10 cms 100 mts 20 cm
003 mts
Figura 6 Dimensiones del mezclador y del Agitador
UAM-I
Las dimensiones de las canastillas se determinaron a partir del balance de masa y la
produccioacuten requerida La carga de un contenedor de soporte que es de 100kg del
cual el agitador tiene 4 canastillas cada una corresponde 25 Kg la masa se obtuvo
del balance de materia y su densidad 600 Kgm3 con el que se obtuvo un volumen de
0043 m3
39 ANAacuteLISIS FINANCIERO
El costo de materias primas se muestra en la Tabla 2 en la que tambieacuten se incluyen
los flujos de alimentacioacuten requeridos para el proceso a partir de los cuales se
determinaron los costos diarios
Tabla 2 Costo de materias primas [5]
Compuesto
Alimentacioacuten
por diacutea
Costo
USDKg
Costo Total
USDdiacutea
Au 2 kg 10596 2119200
HCl 15 Kg 52 780
HNO3 20 Kg 022 044
-Al2O3 5712 Kg 034 19421
Canastillas 500 piezas 15 75000
NH3(OH) 200 Kg 034 680
H2O 440414 Kg 282 282
Total de Materia Prima 2215407
El costo se determinoacute considerando la cantidad de material el tamantildeo y el costo de
manufactura
El costo se determinoacute para uso industrial conforme establece la tesoreriacutea de
Meacutexico
Ingenieriacutea Quiacutemica 38
UAM-I
PERSONAL REQUERIDO PARA LA INDUSTRIA
La Tabla 3 establece los salarios mensuales anuales y las prestaciones del IMSS
para el personal de la planta
Tabla 3 Salarios y Prestaciones del Personal
Mano de Obra (USDmes)p
ersona
USDmes USDantildeo Prestaciones
IMSS
1 Gerente 2000 2000 24000
1 Administrador 1000 1000 12000
1 Secretaria 400 400 4800 1193
Total de Salarios
Administrativos
40800 1193 409193
9 Obrero 150 150 1800 448
1 Teacutecnico 200 200 2400 597
1 Policiacutea 200 200 2400 597
1 Mantenimiento 180 180 2160 538
1 Limpieza 150 150 1800 448
Total de Salarios
Proceso
10560 2628 108228
Los salarios se determinaron en base al salario miacutenimo vigente en la Ciudad de
Meacutexico (2003)[29]
Ingenieriacutea Quiacutemica 39
UAM-I
PERSONAL
Departamento de produccioacuten
Se tendraacute 2 obreros en el llenado de soporte en las rejillas un obrero encargado del
traslado de rejillas por medio de la banda de los motores a cada contenedor un
obrero en cada contenedor de NH4OH y HAuCl4 en cada mezclador se tiene 1
obrero para descargar y cargar las rejillas a la banda que se trasladaran al horno en
el horno se tiene 1 obrero encargado del secado y calcinado el producto se traslada
al almaceacuten donde estaraacuten 2 obreros que reciben el producto y materias primas de los
proveedores se tiene 1 teacutecnico supervisando los equipos un encargo del
mantenimiento de los equipos
Departamento de personal
Gerente de la industria un administrador encargado de compra y venta de materias
primas una secretaria
Ingenieriacutea Quiacutemica 40
UAM-I
CAPITAL FIJO
La Tabla 4 muestra el costo de los equipos requeridos en la planta asiacute como el
Capital Fijo y la Inversioacuten del Capital Total
Tabla 4 El equipo se costeo usando las correlaciones de Ulrich [6] y empleando el
programa de Capcost
EQUIPO USD
4 Contenedores 23584
4 Agitadores (456kW) 269760
1 Horno (25 kW) 15700
15 Bombas (1469kW) 43081
1 Motor (114 kW) 67440
Tuberiacuteas 42150
2 Cisternas 174183
Vaacutelvulas 1283
Accesorios
(codos 90ordm y de 45ordm te)
1474
CAPITAL FIJO 638655
Capital de Trabajo 9579825
INVERSIOacuteN DE
CAPITAL TOTAL
73445325
Los caacutelculos y las correlaciones empleadas para el costeo del equipo se anexan en
el Apeacutendice A
Ingenieriacutea Quiacutemica 41
UAM-I
GASTOS GENERALES
Tabla 5 Proporciona el total de gastos anuales con lo cual se estima el precio por
kilo de catalizador y por unidad purificadora
Tabla 5 Gastos Generales anuales
USDAntildeo
Materias Primas 531697680
Mano de Obra de Operacioacuten 1082280
Mano de Obra de Oficina 4091930
Servicios Electricidad 2620100
Total de Gastos Generales 539491990
CFE
Produccioacuten diaria de Catalizador = 574 Kg
Precio de Catalizador = 40 USDKg
Produccioacuten diaria de unidades purificadoras = 500
Precio por unidad = 50USD
Ganancia diaria = 22960 USD
Ganancia Anual = 5510400 USD
DETERMINACIOacuteN DE LA RENTABILIDAD DEL PROYECTO
TPI (Actual) = 10
PR (Factor de riesgo) = 25
TREMA = TPI + PR
TREMA = 35
TIR (del proyecto) = 90
TIR gt TREMA
Puesto que la TIR es mayor que la TREMA se tiene que el proyecto es rentable [6]
Ingenieriacutea Quiacutemica 42
UAM-I
310 CONCLUSIONES
En el desarrollo de la industria para la fabricacioacuten de catalizadores se tuvo un
resultado satisfactorio a pesar de la falta de informacioacuten disponible acerca de
industrias de catalizadores debido a que esta informacioacuten no es publica El proyecto
que elaboramos es novedoso en nuestro paiacutes ya que no existen registros de una
industria que produzca catalizadores de oro soportados en aluacutemina
Durante el desarrollo del proyecto se planteoacute trabajar con compuestos como NOx y
COVS sin embargo debido a la falta de tiempo no se logroacute concluir la
experimentacioacuten en estos campos Debido a esto se tomoacute la decisioacuten de trabajar en
la oxidacioacuten cataliacutetica de CO Esto debido a varios factores por ejemplo la
disponibilidad de gases y sobre todo los costos que esto implicaba
Para el desarrollo del catalizador se analizaron diferentes tipos de preparacioacuten y se
eligieron dos meacutetodos diferentes Deposicioacuten-precipitacioacuten e Impregnacioacuten Los
catalizadores se evaluaron bajo diversas condiciones en la oxidacioacuten de CO El
catalizador que presentoacute mayor conversioacuten con el catalizador a baja temperatura fue
el sintetizado por el meacutetodo de Deposicioacuten-precipitacioacuten el cual se utilizoacute para el
disentildeo de la Industria El disentildeo estaacute basado en la forma de preparacioacuten del
catalizador Por esto la parte maacutes importante de la planta es el tanque de mezclado
el cual se disentildeo tomando en cuenta los diferentes disentildeos de agitadores para tener
un mezclado oacuteptimo Se incorporo en la parte superior del agitador las canastillas
para las pastillas cataliacuteticas y el tipo de Horno que se usara para el secado y
posteriormente el calcinado Una parte importante es la produccioacuten de catalizador
para este problema se investigoacute en que parte se podriacutea utilizar a diferencia de los
catalizadores para automoacuteviles Se llego a la decisioacuten de poder desarrollar un
catalizador para los calentadores de agua se obtuvo informacioacuten de la fabrica de
calentadores cal-o-rex en la produccioacuten diaria de calentadores y de esta informacioacuten
se pudo calcular la posible demanda de nuestro producto Una parte importante en
las industrias son el tipo de bombas ya que existen diversos modelos en nuestro
disentildeo se escogioacute las bombas centriacutefugas con rodetes para agua que contiene
pequentildeas partiacuteculas de soacutelidos
En la parte de servicios para personal se investigo los sueldos de cada empleado Se
determinoacute el costo de los equipos y finalmente llegamos a la parte que nos interesa
Ingenieriacutea Quiacutemica 43
UAM-I
del disentilde es decir si el proyecto es rentable o no En este caso particular se tuvo un
valor aceptable y se definioacute que el disentildeo es rentable Esto indica que seria una
industria que tendriacutea ganancias y a la vez que el producto que se fabrique nos
ayudaraacute a todos a reducir la emisioacuten de CO en los hogares aportando una pequentildea
ayuda al medio ambiente
COMENTARIOS
Los conocimientos adquiridos durante este tiempo fueron provechosos en la parte
teoacuterica y praacutectica aclaramos dudas de como y porque se comportan las reacciones
quiacutemicas y los procesos de flujos Durante el desarrollo del proyecto aprendimos a
observar y la importancia de entender fiacutesicamente las algunos procesos relacionados
con la siacutentesis y caracterizacioacuten de materiales cataliacuteticos
Ingenieriacutea Quiacutemica 44
UAM-I
38 BIBLIOGRAFIacuteA
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Ingenieriacutea Quiacutemica 46
UAM-I
APEacuteNDICE A
CRITERIOS PARA DETERMINAR QUIEacuteN CONTROLA EL PROCESO
Criterio de weisz para difusioacuten interna
Ec(12-16 Fogler) Los valores que se sustituyen en las siguientes ecuaciones fueron
tomados del catalizador que se analizo en el laboratorio
CWP = ( )
AS
cObsA
DeCRcr 2minus
lt 1
-rA(Obs) = velocidad de reaccioacuten observada molgcats Cc = concentracioacuten volumeacutetrica molm3
CAS = concertacioacuten en la superficie molm3
D= diaacutemetro del granulo m R = radio del granulo m De = difusividad efectiva m2s
d = 0149mm mxmm
m 4104911000
1 minus=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
CWP = ( )( )3
32
24
33
103470184200350
21049150800010681
minus
minusminus
=⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞⎜
⎝⎛
x
mmol
hrm
mxcatm
gcathgcat
molx
734x10-3 lt 1 No hay limitante por la difusioacuten interna
Ingenieriacutea Quiacutemica 47
UAM-I
Criterio de mears para difusioacuten interna Ec(12-62 Fogler)
Mm = 150ltAbc
bA
CkRnr ρminus
Mm =( )( )
0570
136000184200220
31110457508000106851
3
53
3
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ minusminus
hrs
mmol
sm
mxcatmgcat
hgcatmolx
0057 lt 015 no hay efecto de transferencia de masa externa Calculo de Dab para calcular el coeficiente de trasferencia de masa Ec(78 Lobo)
De =
KAAB DD11
1
+
DKA = 970X103 (80X10-8)(s
cmK 221 1090)
2400( =
DAB = 00018583ABAB
BA
PMMT
Ω
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ +
2
2123 11
γ
Para CO
0110=isin
Bk 0593 A=γ
Para O2
Ingenieriacutea Quiacutemica 48
UAM-I
0113=isin
Bk 0453 A=γ
( ) 51343359321
=+=ABγ
( )( )[ ] 21113110BAB k=isin A la temperatura de 400degK
( ) 583))113)(110((
40021 =
deg=
isin B
B
AB
B
KKKTK
Ω AB = 0907 Sustituyendo
DAB =s
cm2
2
2123
9730)9070()513(
)21281()400(00185830=
+
De = hrm
hrs
cmm
scm 222
03501
3600100
10980
10901
97301
1=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
+
Calculo de Kc Sh = (Re)12(Sc)13
Velocidad superficial
V = sm
shr
hrm
mxhr
m
Av
c
02036001976
1087
006025
3
0 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛== minus
Ingenieriacutea Quiacutemica 49
UAM-I
Re= ( ) 240)1062)(501(
)10491)(020(
1 25
4
=minus
=minus minus
minus
smx
mxsmvd p
νφ
Sc= 672)3600
1)(0350(
10622
25
==minus
shr
hrm
smx
Dv
AB
Sh= ( 024 )12 ( 267 )13 = 0679
Kc = Shdp
DAB⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛minusφ
φ1
Kc = ( )sm
mxs
mx02206790
10491
10729
50501
4
26
=⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛minus
minus
minus
Calculo de numero Thile con el radio que usara a nivel industrial
φ = L ( )DkCn n
AS
21 1minus+
L = 3R
Sustituyendo
φ = 66x10-4 m( )
( )
450
03502
018420
5480941311
3
30
3330
313
=
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+
catmhrm
mmol
hrcatmmolm
η = 1 con los resultados anteriores se observa que quieacuten limita es la velocidad de
reaccioacuten Por lo que se procede a calcular el peso y longitud de catalizador
necesaria para muestro purificador sustituyendo los valores del Boiler
Ingenieriacutea Quiacutemica 50
UAM-I
Peso del Catalizador w =
( ) grcatgcatLn
gcatm
mmol
hrcatmmolm
hrm
xLn
kCv
A
66476639401
1
6000001578
548094
19836
11
330
3330
313
3
0
0 asymp=minus
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
minus
g 664=w
33
3
1011
mg60000
g 664 mxwv minus===ρ
m 035003101011
2
33
==minus
mmxL
cm 531000350 == xL
Ingenieriacutea Quiacutemica 51
UAM-I
APEacuteNDICE B BALANCE DE MASA DE LA PREPARACIOacuteN DE HAUCL4 Au(g) + 3HNO3(ac) + 4HCL(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O + 3N02(g) (152 M) (105M)
cantidad de mol Au = 05 kg Au x molAu
grAumolAux
kggr 542
971961
11000
=
cantidad de kg HNO3 = ( ) 33
33 480
10001
1635423 kgHNO
grkgx
molHNOGRHNOxHNOmol =
cantidad de kgHCl = ( ) kgHClgr
kgxmolHCl
grHClHClxmol 3701000
11
5365424 =
cantidad de kgHAuCl4 = 254molHAuCl4 x 44
8601000
11
97339 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
gr=
cantidad de kgH2O = 3( 254mol)H20 x OkgHgr
kgxOmolHOgrH
22
2 1401000
1118
=
cantidad de Lt H20 = 762molHNO3 x OltHOkgHOLtH
22
2 14011
=
cantidad de Lt H20 = 1016 mol HNO3 x 050215
012
2 LtHmol
LtH=
cantidad de LtH20 = 1016mol HCl x OLtHLtHmolHCl
LtH22
2 010970510
01asymp=
cantidad de MHAUCl4 = ( ) ( ) ( ) MHltltlt
ClmolHAU 7210850490140
542
2
4 asymp++
cantidad de kg NO2(g) = 3( 254mol)NO2 x )(22
2 3501000
1146
SkgNOgr
kgxmolNO
grNO=
Ingenieriacutea Quiacutemica 52
UAM-I
05 kg Au 048 kgHNO3 035 kgNO2 101021 kgH20 (152M) 037 kgHCl(ac)
(105 m) 086 kg HAuCl4 (ac) 086 kg HAuCl4 (ac)
(17 M) 014 kgH20 (25x10-3M) 014kg H20 (L) 086kg HAuCl4 035kgNO2 (g) 101185kg H20 Cantidad de H20 = 086 kgHAuCl4
x 08510110101
105201
173341
11000
22
23
24 kgHLtHkgHx
MxltHx
grmolHAuClx
kggr
=minus
pero (101185 ndash 014 ndash 05 ndash 1) kg H20 = 101021 kg H20 100ml H20 por 1 gr soporte 35kg NH4 (OH)(AC) 10000kgH20 100 kg γAl203 (9965) 035kgAu (035) 100kg γAl203 025kgCl2 086kg HAuCl4 026kgHAuCl4
101185 kg H20 35kgNH4 (OH)(AC) 1101185kgH20 cantidad de kgHAuCl4 = 015kgAu x
44
4 2601000
11
973391
197196
147196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxgrAu
molxkg
gr=
cantidad de NH4(OH) = 100kg γ Al203 x
Ingenieriacutea Quiacutemica 53
UAM-I
kgNHxmol
grx
mlmol
xOAlgr
OHmlNHx
kg
gr53
10001
1
35
100010
1
)(10
1
1000
32
4=
γ4(OH)
30kg γAL2O3 1 kgNH4(OH)(AC) 30 kg γ Al203 (9965) 010 kg Au (035) 026kgHAuCl4 007kg Cl2 35kgNH4(OH) 1101185 kgH2O 0086kgHAuCl4 45 kg NH4(OH)(AC) 1101185 kg H20
cantidad de γ Al2O3 = 026kgHAuCl4 x 324
32 02330860
100 AlkgkgHAuCl
OAlkg γγ=
cantidad de kgAu = 035 x kgAukg 10506599
30=
cantidad de kg Cl2 = 01 kgAu x
22
2 07201000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de HAuCl4 = 005kgAu x
44
4 08601000
11
973391
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 54
UAM-I
cantidad de kgNO4(OH) = 30 kg γ Al203 x ( )OHkgNHAlkg
OHkgNO4
32
4 0510100
)(53=
γ
105 kg γ Al203 035 kg NH2(OH) 105 kg γ Al203 (9965) 004 kg Au (035) 009kg HAuCl4 003 kg Cl2 45kgNH4(OH) 1101185 kg H20 0017kgHAuCl4 485kgNH4 (OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 009 HAuCl4 x 324
32 04710860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad kg de NH4 (OH) = 105kg γ Al203 x ( ) )(3500100
534
32
4 OHkgNHAlkg
OHkgNH=
γ
cantidad de Cl2 = 004 kg Au x
22
2 02901000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
gAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 =
44
44 02001701000
11
973391
197196
11
1000010 kgHAukgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgr
molAuxkg
grkgAux asymp=
Ingenieriacutea Quiacutemica 55
UAM-I
23 kg γ Al203 008kgNH4(OH) 002 kg HAuCl4 23 kg γAl203 (9965) 485kgNH4(OH) 0008kgAu(035) 1101185kg H2 0001kg Cl2
0014 kg HAuCl4 493kgNH4(OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 002kgHAuCl4 x 324
32 032860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad de kg Au = 035 x kgAukg 00806599
32=
cantidad de kgCl2 = 0002kgAu x
24
4 00101000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 = 0008kgAu x
44
44 01401000
11
973341
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 56
UAM-I
APEacuteNDICE C ACCESORIOS EN EL DISENtildeO
Agitador
Agitadores de Heacutelice se escogioacute este tipo de agitador por ser tener las siguientes
caracteriacutesticas [3]
bull Es un agitador de flujo axial
bull Se emplea para liacutequidos pocos viscosos
bull Giran a toda la velocidad del motor
bull Las corrientes de flujo se mueven a traveacutes del liacutequido en una direccioacuten
determinada hasta que son desviadas por el fondo o las paredes del tanque
bull Las palas de la heacutelice cortan o friccionan vigorosamente el liacutequido
bull Los agitadores de heacutelice son eficaces para tanques de gran tamantildeo
Horno
bull El horno se escogioacute por ser tener las siguientes caracteriacutesticas [5]
bull El horno de construccioacuten metaacutelica
bull La caacutemara de combustioacuten estaacute construida mediante hormigones refractarios
de alta resistencia mecaacutenica
bull Las materias secar y calcinar se carga de forma manual
Ingenieriacutea Quiacutemica 57
UAM-I
Bomba
DISENtildeO Bomba centrifuga para operacioacuten horizontal o vertical del impulsor
cerrado succioacuten al extremo descarga hacia arriba tangencial simple succioacuten de un
paso con carcaza partida verticalmente [3]
ROTACIOacuteN En el sentido del reloj vista desde el cople
CARACTERIacuteSTICAS Conexiones brindadas con registro ubicado en la cabeza de
succioacuten para facilitar su limpieza
SERVICIO Debido a que es posible colocarla en posicioacuten horizontal o vertical tanto
en caacutercamos secos como huacutemedos y por el disentildeo de su impulsor que soacutelidos de
gran tamantildeo esta bomba es ideal para los procesos de tratamientos de agua y
manejo de liacutequidos en suspensioacuten en general
CAPACIDADES
GASTO Hasta 3000 GPM
CDT Hasta 80rsquo
PRESIOacuteN 106 Kgcmsup2
POTENCIA De 1 a 60 Hp
VELOCIDAD (1175 - 3550 RPM)
TEMPERATURA 125degC
Ingenieriacutea Quiacutemica 58
UAM-I
Bombas Centriacutefugas
Las maquinas centriacutefugas estaacuten constituidas por un impulsor o rodete formado por
una serie de aletas radiales diversas formas y curvaturas que giran dentro de una
caja circular El fluido penetra por el ojo o eje de rotacioacuten y se descarga maacutes o
menos radialmente en una caacutemara perifeacuterica a una elevada presioacuten que
corresponde a la suma de la fuerza centriacutefuga de la rotacioacuten maacutes la cineacutetica
comunicada al fluido por las aletas La parte moacutevil de la bomba es el rodete Las
aletas del rodete se extienden desde el centro de rotacioacuten hacia la periferia y las
bridas son los discos de refuerzo a cada lado de las aletas que las envuelven Las
aletas pueden ser radiales curvadas ligeramente hacia delante en el mismo sentido
de la rotacioacuten o estar curvadas al reveacutes en el caso maacutes comuacuten en el disentildeo se
determino el rodete siguiente por sus caracteriacutesticas Fig 1
Figura 1 Corte parcial de un rodete de centriacutefuga para grandes cargas y secciones
de paso estrechas empleando con liacutequidos corrosivos o suspensiones de pequentildeas
partiacuteculas[4]
Ingenieriacutea Quiacutemica 59
UAM-I
APENDICE D CALCULO DE POTENCIA DE BOMBAS (8)
Potencia de la bomba de la cisterna 1 que alimenta a los mezclador 4
Ecuacioacuten de Bernoulli
sum sumint =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛+++∆+∆i i
i
P
P
evvfDLvwdphgv 0
21
21
ˆ1
21 222
2
1ρ
a b c d e f
a Diferencia de velocidades
b Diferencia de alturas
c Diferencia de presiones
d Trabajo
e Perdidas de friccioacuten en tuberiacuteas
f Perdidas de friccioacuten en accesorios
En la ecuacioacuten anterior se pueden eliminar algunos teacuterminos
21 mts
6 mts 35 mts
Figura 1 Balance de cisterna 1 a mezclador 4
Se debe de tener dos puntos de referencia para la utilizacioacuten de la ecuacioacuten de
Bernoulli de los cuales se anotaron en la figura 2
Ingenieriacutea Quiacutemica 60
UAM-I
21 mts
2 1 6 mts 35 mts
Figura 2
Teniendo los puntos de referencia se analiza que las diferencias de velocidades son
cero en ambos puntos por lo tanto el termino 2
21 ν∆ es igual a cero
El termino de = (981hg∆ 2segm )(35m ndash 0) = 34335 2
2
segm
El termino de int2
1
1P
P
dpρ
se tiene que la cisterna y el tanque de mezclado ambos no
estaacuten cerrados y por lo tanto no originan un cambio de presioacuten y el termino es cero
De esta expresioacuten L longitud de tuberiacutea
tro de tuberiacutea
n el interior del tubo
v
Para la l radio del tubo que
sum ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
i
fDL2
21 ν
D diaacuteme
f perdidas de friccioacuten e
velocidad del flujo de agua
obtencioacuten de la velocidad se tiene el flujo volumeacutetrico y e
es de 32 cm =0032mts con la ecuacioacuten
Ingenieriacutea Quiacutemica 61
( )( ) sm
ms
m
RQ 761
032060min1)
min340(
2
3
2 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
==ππ
ν
UAM-I
Se reportan valores de perdida de fr
e reduce teacuterminos
iccioacuten en tubos que son igual a 005
Por lo tanto sustituyendo los teacuterminos en la ecuacioacuten de Bernoulli s
sum sumint =⎟⎠
⎜⎝
+⎟⎠
⎜⎝
+++∆+∆i i
iP
evvfD
vwdphgv 022
ˆ2
1ρ
⎞⎛⎞⎛ L 111 2222
or tanto el termino de trabajo queda expresado de la siguiente manera
tanto la bomba comunica al fluido que circula en el sistema un trabajo
+11727
P1
p w
sum sum ∆minus⎟⎠⎞
⎜⎝⎛minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛minus=
i ii
hgevvfDLvw 22
21
21
ˆ
( ) ( )
Este es el trabajo ( por unidad de masa) producido por el fluido en la bomba por lo
22
sm o 11727 981 = 1195
m
fKg
Kgm
La velocidad de flujo de masa es
Por lo tanto
1 )=6694
951)(675(ˆ =minus=minus WwW smkg f = 088Hp = 1Hp
Siendo esta ida para esta bomba El procedimiento anterior se
iguioacute para cada bomba de la planta
AP E
la potencia requer
s
EacuteNDICE
TOXICOLOGIacuteA DE MATERIAS PRIMAS [6]
( ) ( ) ( )( ) ( )( )msm
smmmm
sm 538192201150761
21050
032021536761
21
2
22minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ +minus⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ++
minus=wm
22
27117ˆ smw minus=
( )s
kgmkgQw m675100060340 3 === ρ
Ingenieriacutea Quiacutemica 62
UAM-I
HIDROacuteXIDO DE SODIO
Polvo corrosivo blanco delicuescente
Toxicidad
Concentracioacuten Maacutexima permisible 2mgm3 en aire
Signos y Siacutentomas Conjutivitis quemaduras corneales y de la piel Irritacioacuten
seas vomito dolor abdominal y diarrea a veces con
Lavado de las partes afectadas tranquilizantes sulfato de
decuada gafas protectoras o pantallas para
ignos y Siacutentomas Irritacioacuten de ojos quemaduras corneables tos dolores
l hemoptisis dolor de cabeza dolor epigaacutestrico nauseas y vomito
lmonar
Tratamiento lavado de ojos con agua reposo oxigeno con aparato de respiracioacuten
con onantes
ACIDO NITRICO
Liquido corrosivo sofocante de incoloro a amarillento
ioacuten maacutexima permisible 10ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
del tracto respiratorio nau
sangre
Tratamiento
morfina para el dolor y cortisona
Medidas preventivas Ventilacioacuten a
la cara completa mascarilla con filtro mecaacutenico guantes delantares botas de
goma y acentuar la limpieza personal
CLORO
Gas pasado amarillo verdoso
Toxicidad
Conc Maacutexima permisible 1 ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten
S
retrosterna
debilidad cianosis y edema pu
trolada bronco dilatadores y descongesti
Toxicidad
Concentrac
Ingenieriacutea Quiacutemica 63
UAM-I
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
Signos y siacutentomas Erosioacuten dental estornudo tos Dolor en el pecho bronquitis y
la las partes contaminadas del cuerpo con solucioacuten al 5 de
de las quemaduras con pantildeos
de triacuteo sulfato soacutelido si se a ingerido
vado de ojos con agua
ACIDO CLORIDRICO
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
ivitis necrosis corneal por inhalacioacuten rinitis erosioacuten
dolor de cabeza palpitacioacuten por ingestioacuten
s en la boca faringe esoacutefago estomago salivacioacuten vomito Soc
agua lavada de agua y jaboacuten de las partes
preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
AacuteC
El c
con o de hidroacutegeno una
concentracioacuten de 12 molLt Este aacutecido es un liacutequido incoloro con un olor aacutecido
bronconeumoniacutea
Tratamiento
bicarbonato soacutelido o con agua y jaboacuten Tratamiento
mojados con solucioacuten saturada
administracioacuten por viacutea oral de solucioacuten de jaboacuten Hidroacutexido caacutelcico o alumiacutenico u
oacutexido de magnesio
Medidas preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores excluir de la exposicioacuten
a los individuos con enfermedades de pulmones y rintildeones
Gas incoloro o liacutequido o a amarillento
Toxicidad
Concentracioacuten maacutexima permisible 5ppm en aire
Signos y siacutentomas conjunt
dental laringitis bronquitis neumoniacutea
quemadura
nefritis
Tratamiento lavado de ojos con
contaminantes del cuerpo tratamiento ordinario de quemaduras lavado gaacutestrico
se a ingerido con solucioacuten de bicarbonato soacutedico al 5 seguido de una instilacioacuten
de gel de hidroacutexido de aluminio
Medidas
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores
IDO CLORHIacuteDRICO
loruro de hidroacutegeno es en extremo soluble en agua de hecho el aacutecido clorhiacutedrico
centrado contiene cerca del 38 en masa de clorur
Ingenieriacutea Quiacutemica 64
UAM-I
pronunciado que se debe al equilibrio entre el cloruro de hidroacutegeno gaseoso y
ste con el aacutecido fluorhiacutedrico el aacutecido clorhiacutedrico es un aacutecido fuerte (pKa = -
7) y se ioniza casi totalmente
gar de aacutecido sulfuacuterico auque en menor grado Por
jemplo el zinc metaacutelico reacciona con aacutecido clorhiacutedrico para dar el ion zinc e
hidroacutegeno gaseoso
Zn(s) + 2HCl(ac) ZnCl2(ac) + H2(g)
l para producir aacutecido clorhiacutedrico en el laboratorio es generar
cloruro de hidroacutegen e sodio y el aacutecido
ulfuacuterico En el primer paso a 150degC se forma hidroacutegeno sulfato de sodio
NaHSO4(s) + HCl(g)
io y maacutes
loruro de hidroacutegeno gaseoso Luego el gas se disuelve en agua para formar el
aacutecido
NaHSO4(s) + NaCl(s) Na2SO4(s) + HCl(g)
acuoso
HCl(ac) HCl(g)
El reactivo de grado teacutecnico a menudo tiene un color amarillento por una impureza
del ion hierro (III)
En contra
HCl(ac) + H2O(l) H2O+(ac) + Cl -(ac)
Por ello a menudo se prefiere usar aacutecido clorhiacutedrico diluido en lugar de aacutecido niacutetrico
que es muy oxidante y en lu
e
Cuando el zinc reacciona con el aacutecido niacutetrico es comuacuten que se reduzca una parte
del ion nitrato para dar dioacutexido de nitroacutegeno
El meacutetodo tradiciona
o gaseoso por la reaccioacuten entre el cloruro d
s
NaCl(s) + H2SO4(l)
La mezcla se calienta a 550degC temperatura a la cual el hidroacutegeno sulfato de sodio
reacciona con un exceso de cloruro de sodio para formar sulfato de sod
c
∆
Este meacutetodo se usa tambieacuten en la industria otra forma de producir cloruro de
hidroacutegeno es por la combinacioacuten directa de dicloro y dihidroacutegenogaseosos
Ingenieriacutea Quiacutemica 65
UAM-I
H2(g) + Cl2(g) 2HCl(g)
La mayor cantidad de cloruro de hidroacutegeno que se produce actualmente es un
CH4(g) + 4Cl2(g) 4(l) + 4HCl(g)
riacuten de superficies de acero en un bantildeo aacutecido en la purificacioacuten de glucosa
y jarabe de maiacutez e s y de gas y en la
bricacioacuten de compuestos clorados El aacutecido se puedo comprar en muchas
nducida por la luz
4HNO3(ac) 4NO2(g) + O2(g) + 2H2O(l)
niacutetrico como disolvente)
H2NO3+ H2O + NO2
+
l siguiente
3HNO NO3 ndash
subproducto de otros procesos industriales como la siacutentesis de tetracloruro de
carbono
CCl
Se consumen cerca de 107 toneladas de aacutecido clorhiacutedrico cada antildeo en todo el
mundo Este aacutecido tiene una gama muy amplia de usos como aacutecido comuacuten para
eliminar o
n el tratamiento con aacutecido de pozos petrolero
fa
ferreteriacuteas con el arcaico nombre de aacutecido muriaacutetico sus principales usos caseros
son la limpieza de superficies de concreto y la eliminacioacuten de herrumbre Un nuacutemero
muy reducido de personas es incapaz de sintetizar suficiente jugo gaacutestrico y deben
de ingerir caacutepsulas de aacutecido clorhiacutedrico diluido con cada comida
AacuteCIDO NIacuteTRICO
El aacutecido niacutetrico un liacutequido aceitoso e incoloro en estado puro es sumamente
peligroso El aacutecido que funde a ndash42degC y hierve a +83degC tiene por lo general un
ligero color amarillo a causa de una reaccioacuten de descomposicioacuten i
En un estado puro el aacutecido niacutetrico liacutequido praacutecticamente no conduce la electricidad
Una pequentildea porcioacuten se ioniza como sigue (todas estas especies existen en el aacutecido
2HNO3(l) H2NO3+ + NO3
ndash
H2O + HNO3 H3O+ + NO3 ndash
Para dar la reaccioacuten globa
3 NO2+ + H3O + 2+
Ingenieriacutea Quiacutemica 66
UAM-I
El catioacuten nitrilo es importante en la nitracioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas por ejemplo la
obenceno C6H5NO2 una etapa importante en
umerosos procesos industriales orgaacutenicos
El aacutecido niacutetrico con en agua mientras
ue el ldquoaacutecido niacutetrico fumanterdquo un oxidante extremadamente poderoso es una
vez de ello se produce una mezcla de
sistema que da un orden de
vista industrial el
oceso
e lleva a cabo en tres etapas Primero se hace pasar una mezcla de amoniaco y de
dioxiacutegeno (o aire) un proceso muy
ficiente y exoteacutermico que hace que la malla se ponga al rojo Esta etapa se verifica
conversioacuten de benceno C6H6 en nitr
n
centrado es en realidad una solucioacuten al 70
q
solucioacuten roja de dioacutexido de nitroacutegeno en aacutecido niacutetrico puro Incluso cuando esta
diluido el aacutecido niacutetrico es un oxidante tan fuerte que rara vez desprende hidroacutegeno
cuando se pone en contacto con metales en
oacutexidos de nitroacutegeno y el metal se oxido a su catioacuten
Los enlaces O-N son mucho maacutes cortos (121 pm) que el enlace O-N unidos al aacutetomo
de hidroacutegeno (141 pm) Esta longitud de enlaces indica que hay enlaces muacuteltiples
entre el nitroacutegeno y los dos aacutetomos de oxiacutegeno terminales Ademas de los electrones
del sistema σ hay cuatro electrones que participan en el sistema π O-N-O dos de un
orbital enlazante y dos en un orbital no enlazante
enlace de 112 para cada uno de esos enlaces nitroacutegeno- oxiacutegeno
A veces se nos olvida hasta queacute punto nuestra experiencia depende de la
termodinaacutemica y la cineacutetica Por ejemplo la primera siacutentesis industrial de aacutecido
niacutetrico se llevaba ha cabo por simple combinacioacuten de diniacutetrogeno dioxiacutegeno y agua
utilizando un horno de arco eleacutectrico a fin de proporcionar la energiacutea necesaria par
superar la muy elevada barrera cineacutetica Aunque desde el punto de
factor cineacutetico constituiacutea un problema en realidad es una bendicioacuten por que sin esta
barrera cineacutetica hace mucho tiempo que todo el dioacutexido de la atmoacutesfera se abriacutea
transformado en aacutecido niacutetrico y nuestros mares serian de aacutecido niacutetrico diluido
frac12 N2(g) + 54O2(g) + 12H2O(g) HNO3(g)
Ahora se utiliza el proceso Ostwald para la siacutentesis de aacutecido niacutetrico Este proceso
consume gran parte del amoniaco que se produce por el proceso Haber El pr
s
a traveacutes de una malla de platino metaacutelico Eacuteste es
e
a baja presioacuten para aprovechar el efecto entropico es decir la formacioacuten de 10
moles de gas a partir de 9 moles de gas (una aplicacioacuten del principio de Le Chatelier)
para desplazar el equilibrio a la derecha
Ingenieriacutea Quiacutemica 67
UAM-I
4NH3(g) + 5O2(g) 4NO(g) + 6H2O(g)
Se agrega maacutes oxiacutegeno para oxidar el monoacutexido de nitroacutegeno a dioacutexido de nitroacutegeno
A fin de mejorar el rendimiento de esta reaccioacuten exoteacutermica se extrae calor de los
ases y la mezcla se somete a presioacuten
2HNO3(l) + NO(g)
Esta reaccioacuten tambieacuten es exoteacutermica y una vez maacutes se aplica enfriamiento y alta
la
egunda etapa para oxidarlo de nuevo
La contaminacioacuten s de aacutecido niacutetrico
as plantas maacutes antiguas eran faacutecilmente identificables por la fumarola cafeacute-
antas maacutes antiguas ahora mezcla cantidades
en Estados Unidos porque un 20
dedica ala produccioacuten de explosivos
or ultimo el aacutecido niacutetrico es un liacutequido que hierve a 826degC No existe como liacutequido
g
2NO(g) + O2(g) 2NO2(g)
El dioacutexido de nitroacutegeno se mezcla con agua para dar una solucioacuten de aacutecido niacutetrico
3NO2(g) + H2O(l)
presioacuten par obtener el maacuteximo rendimiento El monoacutexido de nitroacutegeno se vuelve a
s
soliacutea ser un problema importante de las planta
L
amarillento del dioacutexido de nitroacutegeno que escapaba por ellas Las plantas maacutes
antiguas eran faacutecilmente identificable por la fumadora cafeacute-amarillo del dioacutexido de
nitroacutegeno que escapaba de ellas Las pl
estequiomeacutetricas de amoniaco con las oacutexidos de nitroacutegeno con lo cual se obtiene
dinitroacutegeno y vapor de agua ambos inocuos
NO(g) + NO2 (g) + 2NH3(g) 2N2(g) + 3H2O(g)
En todo el mundo alrededor del 80 del aacutecido niacutetrico se utiliza en la produccioacuten de
fertilizantes Esta proporcioacuten es de solo el 65
se
P
puro porque en alguna medida se descompone espontaacuteneamente como sigue
4HNO3(l) 4NO2(g) + 2H2O(l) + O2(g)
Ingenieriacutea Quiacutemica 68
UAM-I
El aacutecido niacutetrico concentrado que se usa en el laboratorio estaacute al 68 en masa HNO3
(densidad 142 gcm3) lo que corresponde a 157 M
l aacutecido niacutetrico es un poderoso agente oxidante El nuacutemero de oxidacioacuten del N en el
) El aacutecido niacutetrico puede oxidar
nto a metales que estaacuten abajo del hidroacutegeno como aquellos que se encuentran
4Zn2+(ac) + NH4
+(ac) + 3H2O(l)
do no oxida al oro Sin embargo cuando se mezcla con
cido clorhiacutedrico concentrado en relacioacuten 13 en volumen (una parte de HNO3 a tres
partes al oro
omo sigue
APEacuteNDICE F
ETODO DE DEPOSICIOacuteN-PRECIPITACIOacuteN
E
HNO3 es + 5 Los productos maacutes comunes de la reduccioacuten del aacutecido niacutetrico son el
NO2 (N = + 4) el NO (N = + 2) y el NH4+ (N = - 3
ta
arriba en la serie de actividades Por ejemplo el cobre es oxidado por el aacutecido niacutetrico
concentrado como se mencionoacute antes
En presencia de reductores fuertes como el zinc metaacutelico el aacutecido niacutetrico se puede
reducir hasta ion amonio
4Zn(s) + 10H+(ac) + NO3
-(ac)
El aacutecido niacutetrico concentra
aacute
de HCl) la disolucioacuten resultante denominada agua regia puede oxidar
c
Au(s) + 3HNO3(ac) + 4HCl(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O(l) + 3NO2(g)
M
Ingenieriacutea Quiacutemica 69
UAM-I
APEacuteNDICE G
ISENtildeO DEL MEZCLADOR [4]
1) 100 ml H2O gr soporte
2) NH4(OH)
Ajustar a PH = 9 4) HAuCl4 (solucioacuten acuosa al 25E-3M)
6) Filtrado o centrifugado
3) En Agitacioacuten por 2 hr
8) Secado por 2hr a 80 degC
9 ) Calcinado por 4hr a 400 degC
7) Lavado
5) Antildeegamiento por 30 min
D
Ingenieriacutea Quiacutemica 70
UAM-I
El disentildeo de un tanque agitado dis n nuacutemero de elecciones sobre el
po y localizacioacuten del agitador las proporciones del tanque el nuacutemero y dimensiones
ada una de estas decisiones afectan a la velocidad
e circulacioacuten del liacutequido los modelos de velocidad y el consumo de potencia Como
pone de un gra
ti
de las placas deflectoras etc C
d
punto de partida en el disentildeo de los problemas ordinarios de agitacioacuten generalmente
se utiliza un agitador de turbina del tipo que se muestra en la figura 1 La proporcioacuten
tiacutepica es
31
=t
a
DD
1=tD
H 121
=tD
J 51
=aD
W 41
=aD
L
de estas ecuaciones se disentildeara el mezclador como datos se tiene el valor H que es
igual a 3 mts y el diaacutemetro del tanque D
Se determinara la medida de los reflectores
t que es igual 3 mts
121
=tD
J se despeja J
elacioacuten R31
=t
a
DD
se despeja Da
Relacioacuten
41
=aD
L se despeja L
elacioacuten se despeja W
( ) ( ) cmmtsmtsDJ 25250311==⎟
⎞⎜⎛=⎟
⎞⎜⎛= t 1212 ⎠⎝⎠⎝
( ) ( ) mtsmtsDD ta 1331
31
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=
( ) ( ) mtsmtsDL a 250141
41
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛= cm25=
51
=aD
WR
Ingenieriacutea Quiacutemica 71
UAM-I
Figura 2 a) Vista transversal del mezclador b) paletas del mezclador con la
donde se deposita el soporte
Figura 1 Medidas de un agitador de turbina
a) b)
s rejillas
H
J
E L
Da
D t
W
W
( ) ( ) cmmtsmtsDW a 2020151
5==⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎜⎝
=1 ⎞⎛
Ingenieriacutea Quiacutemica 72
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado 29
Debido a que en cada industria debe existir un espacio recreativo se plantea una
cancha de Baacutesquetbol para los obreros y una zona de jardines en la parte norte
Ubicacioacuten de la industria
Para poder ubicar una industria es importante analizar la zona geograacutefica Para lo
cual se deben considerar algunos factores importantes por ejemplo No ubicarla en
zona de siacutesmica Si la industria requiere de un gran volumen de agua no ubicarla en
una regioacuten deseacutertica Si el producto es muy sensible al calor y la humedad evitar
zonas muy caacutelidas y huacutemedas Si se piensa vender el producto en una zona
especifica ubicar la industria cerca de la zona de venta para evitar gastos de
transportacioacuten A partir de este tipo de razonamientos se planea que debido a que el
producto que se elaborara que es un purificador cataliacutetico para su venta en la ZMVM
ya en ella estaacuten ubicadas las principales industrias de calentadores y debido a que la
planta requiere de un volumen considerable de agua se escogioacute el estado de
Morelos porque no esta muy lejos de la ZMVM y tiene reservas de agua Asiacute el gasto
de transportacioacuten de materias primas y sobre todo del producto elaborado seriacutea
pequentildeo
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
Agua
Tanque tratamien
Figur
NH4OH
HAuCl4
Produccioacuten de catalizadores
Recuperacioacuten de agua
de to
a
MezcladoresMezcladores
Cuando se requiere limpieza
Horno
Producto almaceacuten
30
1 Diagrama de produccioacuten Recuperacioacuten de cloro
UAM-I
35 BALANCE DE MATERIA DIAGRAMA DE FLUJO PARA DIFERENTES LOTES DE SOPORTE EN UN SOLO MEZCLADOR
Catalizadores de Oro So
05 Kg Au
10
0
086 Kg HAuCl4(ac)014 Kg H2O
035 Kg NO2(g)
2
35 Kg NH4(OH)(ac) (01M)
10000 Kg H2O
100 Kg Al3O
100 Kg Al2O3 (9965) 035 Kg Au (035) 025 Kg Cl2
026 Kg HauCl4(ac)35 Kg NH4(OH)
1101035 Kg H2O
O MEZCLADOR (t0)
10035 Kg catalizador
86 KgHAuCl4(ac)101035 Kg H2O
037 Kg HCl (ac) (105 M) 048 Kg HNO3(ac) (152 M)
porta
Kg N
30 Kg Al2Cl3
101021 Kg H2
do
H4 (OH) (ac) (01M) 30 Kg Al2O3 (9965) 01 Kg Au (035)
007 Kg Cl2
)
3
)
301 Kg catalizador MEZCLADOR (t1)
009 Kg HauCl4(ac)45 Kg NH4(OH)
1101035 Kg H2O
MEZCLADOR 1054 Kg catalizador
105 Kg Al2O3
(t2)
105 Kg Al2O3 (9965)
035 Kg NH4 (OH) (ac) (01M
004 Kg Au (035) 003 Kg Cl2
23 Kg Al2O
MEZCLADOR
(t3)23 Kg Al2O3 (9965)
2308 Kg catalizador
008 m3 NH4(OH) (ac) (01M
002 Kg HauCl4(ac)485 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
0008 Kg Au (035) 0006 Kg Cl2
0003 Kg HauCl4(ac)493 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
31
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado 32
DIAGRAMA DE FLUJO PARA UN MEZCLADOR
MEZCLADOR
1101035 Kg H2O
1428 kg γ-Al2O3
086 Kg HAuCl4
493 Kg NH4(OH)
0003 Kg HauCl4(ac)493 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
1433 Kg Catalizador
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
36 DIAGRAMA DE LA INDUSTRIA
INDUSTRIA DE CATALIZADORES
TANQUE DE TRATAMIENTO HORNO
CISTERNA 1
CONTENEDORDE AuCl3 CONTENEDOR DE
NH4OH ZONA DE LLENADO
DE SAPORTE
SE LLEVA AL HORNO
MANUALMENTE
PRODUCTOALMACEacuteN
Contenedor de HAuCl4
Figura 2 Diagrama de la distribucioacuten del equipo dentro del aacuterea de produccioacuten
33
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
37 DIMENSIONES DEL EQUIPO Y TUBERIacuteA
2 mts
2 mts 2 mts 6 mts 4 mts 3 mts 5mts 5 mts 3 mts 6 mts 3
3mts 3 mts 3mts 3 mts 3 mts
4 mts 1 5 mts 1 5 mts 4mts 4 7mts 4 mts 21 mts 7 2mts 26 mts 2 mts 21 mts 6 mts
3 5 mts 14 mts 6 mts 8 mts 1 5 mts 3 mts 5 mts 13 mts 8 mts 20 mts 30 mts
IN D U ST R IA D E C A T A L IZ A D O R E S
T AN Q U E D E T R AT AM IE N T O H O R N O
C IST E R N A 1
C O N T EN ED O RD E Au C l3
C O N T EN E D O R D E N H 4O H
ZO N A D E L LEN AD O D E SO PO R T E
AG UA PAR A JAR D IN ES
M E Z C L A D O R E S 12 3 y 4
1 2 3 4
A L M A C Eacute N
Contenedor de HAuCl4
Figura 3 Dimensiones del equipo y tuberiacutea requerida
34
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
38 PLANO DE DISTRIBUCIOacuteN DE AacuteREAS
Figura 4 Aacutereas de trabajo dentro de la planta
35
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
DIMENSIONES DE LA INDUSTRIA
Figura 5 Dimensiones de cada aacuterea de la planta industrial
36
UAM-I
Ingenieriacutea Quiacutemica 37
10 cm 3mts 1 mts 25 cm 15cm 5 cm 5 cm 3mts 150 mts 10 cms 100 mts 20 cm
003 mts
Figura 6 Dimensiones del mezclador y del Agitador
UAM-I
Las dimensiones de las canastillas se determinaron a partir del balance de masa y la
produccioacuten requerida La carga de un contenedor de soporte que es de 100kg del
cual el agitador tiene 4 canastillas cada una corresponde 25 Kg la masa se obtuvo
del balance de materia y su densidad 600 Kgm3 con el que se obtuvo un volumen de
0043 m3
39 ANAacuteLISIS FINANCIERO
El costo de materias primas se muestra en la Tabla 2 en la que tambieacuten se incluyen
los flujos de alimentacioacuten requeridos para el proceso a partir de los cuales se
determinaron los costos diarios
Tabla 2 Costo de materias primas [5]
Compuesto
Alimentacioacuten
por diacutea
Costo
USDKg
Costo Total
USDdiacutea
Au 2 kg 10596 2119200
HCl 15 Kg 52 780
HNO3 20 Kg 022 044
-Al2O3 5712 Kg 034 19421
Canastillas 500 piezas 15 75000
NH3(OH) 200 Kg 034 680
H2O 440414 Kg 282 282
Total de Materia Prima 2215407
El costo se determinoacute considerando la cantidad de material el tamantildeo y el costo de
manufactura
El costo se determinoacute para uso industrial conforme establece la tesoreriacutea de
Meacutexico
Ingenieriacutea Quiacutemica 38
UAM-I
PERSONAL REQUERIDO PARA LA INDUSTRIA
La Tabla 3 establece los salarios mensuales anuales y las prestaciones del IMSS
para el personal de la planta
Tabla 3 Salarios y Prestaciones del Personal
Mano de Obra (USDmes)p
ersona
USDmes USDantildeo Prestaciones
IMSS
1 Gerente 2000 2000 24000
1 Administrador 1000 1000 12000
1 Secretaria 400 400 4800 1193
Total de Salarios
Administrativos
40800 1193 409193
9 Obrero 150 150 1800 448
1 Teacutecnico 200 200 2400 597
1 Policiacutea 200 200 2400 597
1 Mantenimiento 180 180 2160 538
1 Limpieza 150 150 1800 448
Total de Salarios
Proceso
10560 2628 108228
Los salarios se determinaron en base al salario miacutenimo vigente en la Ciudad de
Meacutexico (2003)[29]
Ingenieriacutea Quiacutemica 39
UAM-I
PERSONAL
Departamento de produccioacuten
Se tendraacute 2 obreros en el llenado de soporte en las rejillas un obrero encargado del
traslado de rejillas por medio de la banda de los motores a cada contenedor un
obrero en cada contenedor de NH4OH y HAuCl4 en cada mezclador se tiene 1
obrero para descargar y cargar las rejillas a la banda que se trasladaran al horno en
el horno se tiene 1 obrero encargado del secado y calcinado el producto se traslada
al almaceacuten donde estaraacuten 2 obreros que reciben el producto y materias primas de los
proveedores se tiene 1 teacutecnico supervisando los equipos un encargo del
mantenimiento de los equipos
Departamento de personal
Gerente de la industria un administrador encargado de compra y venta de materias
primas una secretaria
Ingenieriacutea Quiacutemica 40
UAM-I
CAPITAL FIJO
La Tabla 4 muestra el costo de los equipos requeridos en la planta asiacute como el
Capital Fijo y la Inversioacuten del Capital Total
Tabla 4 El equipo se costeo usando las correlaciones de Ulrich [6] y empleando el
programa de Capcost
EQUIPO USD
4 Contenedores 23584
4 Agitadores (456kW) 269760
1 Horno (25 kW) 15700
15 Bombas (1469kW) 43081
1 Motor (114 kW) 67440
Tuberiacuteas 42150
2 Cisternas 174183
Vaacutelvulas 1283
Accesorios
(codos 90ordm y de 45ordm te)
1474
CAPITAL FIJO 638655
Capital de Trabajo 9579825
INVERSIOacuteN DE
CAPITAL TOTAL
73445325
Los caacutelculos y las correlaciones empleadas para el costeo del equipo se anexan en
el Apeacutendice A
Ingenieriacutea Quiacutemica 41
UAM-I
GASTOS GENERALES
Tabla 5 Proporciona el total de gastos anuales con lo cual se estima el precio por
kilo de catalizador y por unidad purificadora
Tabla 5 Gastos Generales anuales
USDAntildeo
Materias Primas 531697680
Mano de Obra de Operacioacuten 1082280
Mano de Obra de Oficina 4091930
Servicios Electricidad 2620100
Total de Gastos Generales 539491990
CFE
Produccioacuten diaria de Catalizador = 574 Kg
Precio de Catalizador = 40 USDKg
Produccioacuten diaria de unidades purificadoras = 500
Precio por unidad = 50USD
Ganancia diaria = 22960 USD
Ganancia Anual = 5510400 USD
DETERMINACIOacuteN DE LA RENTABILIDAD DEL PROYECTO
TPI (Actual) = 10
PR (Factor de riesgo) = 25
TREMA = TPI + PR
TREMA = 35
TIR (del proyecto) = 90
TIR gt TREMA
Puesto que la TIR es mayor que la TREMA se tiene que el proyecto es rentable [6]
Ingenieriacutea Quiacutemica 42
UAM-I
310 CONCLUSIONES
En el desarrollo de la industria para la fabricacioacuten de catalizadores se tuvo un
resultado satisfactorio a pesar de la falta de informacioacuten disponible acerca de
industrias de catalizadores debido a que esta informacioacuten no es publica El proyecto
que elaboramos es novedoso en nuestro paiacutes ya que no existen registros de una
industria que produzca catalizadores de oro soportados en aluacutemina
Durante el desarrollo del proyecto se planteoacute trabajar con compuestos como NOx y
COVS sin embargo debido a la falta de tiempo no se logroacute concluir la
experimentacioacuten en estos campos Debido a esto se tomoacute la decisioacuten de trabajar en
la oxidacioacuten cataliacutetica de CO Esto debido a varios factores por ejemplo la
disponibilidad de gases y sobre todo los costos que esto implicaba
Para el desarrollo del catalizador se analizaron diferentes tipos de preparacioacuten y se
eligieron dos meacutetodos diferentes Deposicioacuten-precipitacioacuten e Impregnacioacuten Los
catalizadores se evaluaron bajo diversas condiciones en la oxidacioacuten de CO El
catalizador que presentoacute mayor conversioacuten con el catalizador a baja temperatura fue
el sintetizado por el meacutetodo de Deposicioacuten-precipitacioacuten el cual se utilizoacute para el
disentildeo de la Industria El disentildeo estaacute basado en la forma de preparacioacuten del
catalizador Por esto la parte maacutes importante de la planta es el tanque de mezclado
el cual se disentildeo tomando en cuenta los diferentes disentildeos de agitadores para tener
un mezclado oacuteptimo Se incorporo en la parte superior del agitador las canastillas
para las pastillas cataliacuteticas y el tipo de Horno que se usara para el secado y
posteriormente el calcinado Una parte importante es la produccioacuten de catalizador
para este problema se investigoacute en que parte se podriacutea utilizar a diferencia de los
catalizadores para automoacuteviles Se llego a la decisioacuten de poder desarrollar un
catalizador para los calentadores de agua se obtuvo informacioacuten de la fabrica de
calentadores cal-o-rex en la produccioacuten diaria de calentadores y de esta informacioacuten
se pudo calcular la posible demanda de nuestro producto Una parte importante en
las industrias son el tipo de bombas ya que existen diversos modelos en nuestro
disentildeo se escogioacute las bombas centriacutefugas con rodetes para agua que contiene
pequentildeas partiacuteculas de soacutelidos
En la parte de servicios para personal se investigo los sueldos de cada empleado Se
determinoacute el costo de los equipos y finalmente llegamos a la parte que nos interesa
Ingenieriacutea Quiacutemica 43
UAM-I
del disentilde es decir si el proyecto es rentable o no En este caso particular se tuvo un
valor aceptable y se definioacute que el disentildeo es rentable Esto indica que seria una
industria que tendriacutea ganancias y a la vez que el producto que se fabrique nos
ayudaraacute a todos a reducir la emisioacuten de CO en los hogares aportando una pequentildea
ayuda al medio ambiente
COMENTARIOS
Los conocimientos adquiridos durante este tiempo fueron provechosos en la parte
teoacuterica y praacutectica aclaramos dudas de como y porque se comportan las reacciones
quiacutemicas y los procesos de flujos Durante el desarrollo del proyecto aprendimos a
observar y la importancia de entender fiacutesicamente las algunos procesos relacionados
con la siacutentesis y caracterizacioacuten de materiales cataliacuteticos
Ingenieriacutea Quiacutemica 44
UAM-I
38 BIBLIOGRAFIacuteA
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Ingenieriacutea Quiacutemica 45
UAM-I
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[28] NA HodgeCJKiely Catalysis Today 72 ( 2002) 133
[29] Secretaria de Trabajo y Previsioacuten Social Comisioacuten de Salarios Miacutenimos
Ingenieriacutea Quiacutemica 46
UAM-I
APEacuteNDICE A
CRITERIOS PARA DETERMINAR QUIEacuteN CONTROLA EL PROCESO
Criterio de weisz para difusioacuten interna
Ec(12-16 Fogler) Los valores que se sustituyen en las siguientes ecuaciones fueron
tomados del catalizador que se analizo en el laboratorio
CWP = ( )
AS
cObsA
DeCRcr 2minus
lt 1
-rA(Obs) = velocidad de reaccioacuten observada molgcats Cc = concentracioacuten volumeacutetrica molm3
CAS = concertacioacuten en la superficie molm3
D= diaacutemetro del granulo m R = radio del granulo m De = difusividad efectiva m2s
d = 0149mm mxmm
m 4104911000
1 minus=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
CWP = ( )( )3
32
24
33
103470184200350
21049150800010681
minus
minusminus
=⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞⎜
⎝⎛
x
mmol
hrm
mxcatm
gcathgcat
molx
734x10-3 lt 1 No hay limitante por la difusioacuten interna
Ingenieriacutea Quiacutemica 47
UAM-I
Criterio de mears para difusioacuten interna Ec(12-62 Fogler)
Mm = 150ltAbc
bA
CkRnr ρminus
Mm =( )( )
0570
136000184200220
31110457508000106851
3
53
3
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ minusminus
hrs
mmol
sm
mxcatmgcat
hgcatmolx
0057 lt 015 no hay efecto de transferencia de masa externa Calculo de Dab para calcular el coeficiente de trasferencia de masa Ec(78 Lobo)
De =
KAAB DD11
1
+
DKA = 970X103 (80X10-8)(s
cmK 221 1090)
2400( =
DAB = 00018583ABAB
BA
PMMT
Ω
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ +
2
2123 11
γ
Para CO
0110=isin
Bk 0593 A=γ
Para O2
Ingenieriacutea Quiacutemica 48
UAM-I
0113=isin
Bk 0453 A=γ
( ) 51343359321
=+=ABγ
( )( )[ ] 21113110BAB k=isin A la temperatura de 400degK
( ) 583))113)(110((
40021 =
deg=
isin B
B
AB
B
KKKTK
Ω AB = 0907 Sustituyendo
DAB =s
cm2
2
2123
9730)9070()513(
)21281()400(00185830=
+
De = hrm
hrs
cmm
scm 222
03501
3600100
10980
10901
97301
1=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
+
Calculo de Kc Sh = (Re)12(Sc)13
Velocidad superficial
V = sm
shr
hrm
mxhr
m
Av
c
02036001976
1087
006025
3
0 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛== minus
Ingenieriacutea Quiacutemica 49
UAM-I
Re= ( ) 240)1062)(501(
)10491)(020(
1 25
4
=minus
=minus minus
minus
smx
mxsmvd p
νφ
Sc= 672)3600
1)(0350(
10622
25
==minus
shr
hrm
smx
Dv
AB
Sh= ( 024 )12 ( 267 )13 = 0679
Kc = Shdp
DAB⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛minusφ
φ1
Kc = ( )sm
mxs
mx02206790
10491
10729
50501
4
26
=⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛minus
minus
minus
Calculo de numero Thile con el radio que usara a nivel industrial
φ = L ( )DkCn n
AS
21 1minus+
L = 3R
Sustituyendo
φ = 66x10-4 m( )
( )
450
03502
018420
5480941311
3
30
3330
313
=
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+
catmhrm
mmol
hrcatmmolm
η = 1 con los resultados anteriores se observa que quieacuten limita es la velocidad de
reaccioacuten Por lo que se procede a calcular el peso y longitud de catalizador
necesaria para muestro purificador sustituyendo los valores del Boiler
Ingenieriacutea Quiacutemica 50
UAM-I
Peso del Catalizador w =
( ) grcatgcatLn
gcatm
mmol
hrcatmmolm
hrm
xLn
kCv
A
66476639401
1
6000001578
548094
19836
11
330
3330
313
3
0
0 asymp=minus
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
minus
g 664=w
33
3
1011
mg60000
g 664 mxwv minus===ρ
m 035003101011
2
33
==minus
mmxL
cm 531000350 == xL
Ingenieriacutea Quiacutemica 51
UAM-I
APEacuteNDICE B BALANCE DE MASA DE LA PREPARACIOacuteN DE HAUCL4 Au(g) + 3HNO3(ac) + 4HCL(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O + 3N02(g) (152 M) (105M)
cantidad de mol Au = 05 kg Au x molAu
grAumolAux
kggr 542
971961
11000
=
cantidad de kg HNO3 = ( ) 33
33 480
10001
1635423 kgHNO
grkgx
molHNOGRHNOxHNOmol =
cantidad de kgHCl = ( ) kgHClgr
kgxmolHCl
grHClHClxmol 3701000
11
5365424 =
cantidad de kgHAuCl4 = 254molHAuCl4 x 44
8601000
11
97339 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
gr=
cantidad de kgH2O = 3( 254mol)H20 x OkgHgr
kgxOmolHOgrH
22
2 1401000
1118
=
cantidad de Lt H20 = 762molHNO3 x OltHOkgHOLtH
22
2 14011
=
cantidad de Lt H20 = 1016 mol HNO3 x 050215
012
2 LtHmol
LtH=
cantidad de LtH20 = 1016mol HCl x OLtHLtHmolHCl
LtH22
2 010970510
01asymp=
cantidad de MHAUCl4 = ( ) ( ) ( ) MHltltlt
ClmolHAU 7210850490140
542
2
4 asymp++
cantidad de kg NO2(g) = 3( 254mol)NO2 x )(22
2 3501000
1146
SkgNOgr
kgxmolNO
grNO=
Ingenieriacutea Quiacutemica 52
UAM-I
05 kg Au 048 kgHNO3 035 kgNO2 101021 kgH20 (152M) 037 kgHCl(ac)
(105 m) 086 kg HAuCl4 (ac) 086 kg HAuCl4 (ac)
(17 M) 014 kgH20 (25x10-3M) 014kg H20 (L) 086kg HAuCl4 035kgNO2 (g) 101185kg H20 Cantidad de H20 = 086 kgHAuCl4
x 08510110101
105201
173341
11000
22
23
24 kgHLtHkgHx
MxltHx
grmolHAuClx
kggr
=minus
pero (101185 ndash 014 ndash 05 ndash 1) kg H20 = 101021 kg H20 100ml H20 por 1 gr soporte 35kg NH4 (OH)(AC) 10000kgH20 100 kg γAl203 (9965) 035kgAu (035) 100kg γAl203 025kgCl2 086kg HAuCl4 026kgHAuCl4
101185 kg H20 35kgNH4 (OH)(AC) 1101185kgH20 cantidad de kgHAuCl4 = 015kgAu x
44
4 2601000
11
973391
197196
147196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxgrAu
molxkg
gr=
cantidad de NH4(OH) = 100kg γ Al203 x
Ingenieriacutea Quiacutemica 53
UAM-I
kgNHxmol
grx
mlmol
xOAlgr
OHmlNHx
kg
gr53
10001
1
35
100010
1
)(10
1
1000
32
4=
γ4(OH)
30kg γAL2O3 1 kgNH4(OH)(AC) 30 kg γ Al203 (9965) 010 kg Au (035) 026kgHAuCl4 007kg Cl2 35kgNH4(OH) 1101185 kgH2O 0086kgHAuCl4 45 kg NH4(OH)(AC) 1101185 kg H20
cantidad de γ Al2O3 = 026kgHAuCl4 x 324
32 02330860
100 AlkgkgHAuCl
OAlkg γγ=
cantidad de kgAu = 035 x kgAukg 10506599
30=
cantidad de kg Cl2 = 01 kgAu x
22
2 07201000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de HAuCl4 = 005kgAu x
44
4 08601000
11
973391
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 54
UAM-I
cantidad de kgNO4(OH) = 30 kg γ Al203 x ( )OHkgNHAlkg
OHkgNO4
32
4 0510100
)(53=
γ
105 kg γ Al203 035 kg NH2(OH) 105 kg γ Al203 (9965) 004 kg Au (035) 009kg HAuCl4 003 kg Cl2 45kgNH4(OH) 1101185 kg H20 0017kgHAuCl4 485kgNH4 (OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 009 HAuCl4 x 324
32 04710860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad kg de NH4 (OH) = 105kg γ Al203 x ( ) )(3500100
534
32
4 OHkgNHAlkg
OHkgNH=
γ
cantidad de Cl2 = 004 kg Au x
22
2 02901000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
gAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 =
44
44 02001701000
11
973391
197196
11
1000010 kgHAukgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgr
molAuxkg
grkgAux asymp=
Ingenieriacutea Quiacutemica 55
UAM-I
23 kg γ Al203 008kgNH4(OH) 002 kg HAuCl4 23 kg γAl203 (9965) 485kgNH4(OH) 0008kgAu(035) 1101185kg H2 0001kg Cl2
0014 kg HAuCl4 493kgNH4(OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 002kgHAuCl4 x 324
32 032860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad de kg Au = 035 x kgAukg 00806599
32=
cantidad de kgCl2 = 0002kgAu x
24
4 00101000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 = 0008kgAu x
44
44 01401000
11
973341
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 56
UAM-I
APEacuteNDICE C ACCESORIOS EN EL DISENtildeO
Agitador
Agitadores de Heacutelice se escogioacute este tipo de agitador por ser tener las siguientes
caracteriacutesticas [3]
bull Es un agitador de flujo axial
bull Se emplea para liacutequidos pocos viscosos
bull Giran a toda la velocidad del motor
bull Las corrientes de flujo se mueven a traveacutes del liacutequido en una direccioacuten
determinada hasta que son desviadas por el fondo o las paredes del tanque
bull Las palas de la heacutelice cortan o friccionan vigorosamente el liacutequido
bull Los agitadores de heacutelice son eficaces para tanques de gran tamantildeo
Horno
bull El horno se escogioacute por ser tener las siguientes caracteriacutesticas [5]
bull El horno de construccioacuten metaacutelica
bull La caacutemara de combustioacuten estaacute construida mediante hormigones refractarios
de alta resistencia mecaacutenica
bull Las materias secar y calcinar se carga de forma manual
Ingenieriacutea Quiacutemica 57
UAM-I
Bomba
DISENtildeO Bomba centrifuga para operacioacuten horizontal o vertical del impulsor
cerrado succioacuten al extremo descarga hacia arriba tangencial simple succioacuten de un
paso con carcaza partida verticalmente [3]
ROTACIOacuteN En el sentido del reloj vista desde el cople
CARACTERIacuteSTICAS Conexiones brindadas con registro ubicado en la cabeza de
succioacuten para facilitar su limpieza
SERVICIO Debido a que es posible colocarla en posicioacuten horizontal o vertical tanto
en caacutercamos secos como huacutemedos y por el disentildeo de su impulsor que soacutelidos de
gran tamantildeo esta bomba es ideal para los procesos de tratamientos de agua y
manejo de liacutequidos en suspensioacuten en general
CAPACIDADES
GASTO Hasta 3000 GPM
CDT Hasta 80rsquo
PRESIOacuteN 106 Kgcmsup2
POTENCIA De 1 a 60 Hp
VELOCIDAD (1175 - 3550 RPM)
TEMPERATURA 125degC
Ingenieriacutea Quiacutemica 58
UAM-I
Bombas Centriacutefugas
Las maquinas centriacutefugas estaacuten constituidas por un impulsor o rodete formado por
una serie de aletas radiales diversas formas y curvaturas que giran dentro de una
caja circular El fluido penetra por el ojo o eje de rotacioacuten y se descarga maacutes o
menos radialmente en una caacutemara perifeacuterica a una elevada presioacuten que
corresponde a la suma de la fuerza centriacutefuga de la rotacioacuten maacutes la cineacutetica
comunicada al fluido por las aletas La parte moacutevil de la bomba es el rodete Las
aletas del rodete se extienden desde el centro de rotacioacuten hacia la periferia y las
bridas son los discos de refuerzo a cada lado de las aletas que las envuelven Las
aletas pueden ser radiales curvadas ligeramente hacia delante en el mismo sentido
de la rotacioacuten o estar curvadas al reveacutes en el caso maacutes comuacuten en el disentildeo se
determino el rodete siguiente por sus caracteriacutesticas Fig 1
Figura 1 Corte parcial de un rodete de centriacutefuga para grandes cargas y secciones
de paso estrechas empleando con liacutequidos corrosivos o suspensiones de pequentildeas
partiacuteculas[4]
Ingenieriacutea Quiacutemica 59
UAM-I
APENDICE D CALCULO DE POTENCIA DE BOMBAS (8)
Potencia de la bomba de la cisterna 1 que alimenta a los mezclador 4
Ecuacioacuten de Bernoulli
sum sumint =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛+++∆+∆i i
i
P
P
evvfDLvwdphgv 0
21
21
ˆ1
21 222
2
1ρ
a b c d e f
a Diferencia de velocidades
b Diferencia de alturas
c Diferencia de presiones
d Trabajo
e Perdidas de friccioacuten en tuberiacuteas
f Perdidas de friccioacuten en accesorios
En la ecuacioacuten anterior se pueden eliminar algunos teacuterminos
21 mts
6 mts 35 mts
Figura 1 Balance de cisterna 1 a mezclador 4
Se debe de tener dos puntos de referencia para la utilizacioacuten de la ecuacioacuten de
Bernoulli de los cuales se anotaron en la figura 2
Ingenieriacutea Quiacutemica 60
UAM-I
21 mts
2 1 6 mts 35 mts
Figura 2
Teniendo los puntos de referencia se analiza que las diferencias de velocidades son
cero en ambos puntos por lo tanto el termino 2
21 ν∆ es igual a cero
El termino de = (981hg∆ 2segm )(35m ndash 0) = 34335 2
2
segm
El termino de int2
1
1P
P
dpρ
se tiene que la cisterna y el tanque de mezclado ambos no
estaacuten cerrados y por lo tanto no originan un cambio de presioacuten y el termino es cero
De esta expresioacuten L longitud de tuberiacutea
tro de tuberiacutea
n el interior del tubo
v
Para la l radio del tubo que
sum ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
i
fDL2
21 ν
D diaacuteme
f perdidas de friccioacuten e
velocidad del flujo de agua
obtencioacuten de la velocidad se tiene el flujo volumeacutetrico y e
es de 32 cm =0032mts con la ecuacioacuten
Ingenieriacutea Quiacutemica 61
( )( ) sm
ms
m
RQ 761
032060min1)
min340(
2
3
2 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
==ππ
ν
UAM-I
Se reportan valores de perdida de fr
e reduce teacuterminos
iccioacuten en tubos que son igual a 005
Por lo tanto sustituyendo los teacuterminos en la ecuacioacuten de Bernoulli s
sum sumint =⎟⎠
⎜⎝
+⎟⎠
⎜⎝
+++∆+∆i i
iP
evvfD
vwdphgv 022
ˆ2
1ρ
⎞⎛⎞⎛ L 111 2222
or tanto el termino de trabajo queda expresado de la siguiente manera
tanto la bomba comunica al fluido que circula en el sistema un trabajo
+11727
P1
p w
sum sum ∆minus⎟⎠⎞
⎜⎝⎛minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛minus=
i ii
hgevvfDLvw 22
21
21
ˆ
( ) ( )
Este es el trabajo ( por unidad de masa) producido por el fluido en la bomba por lo
22
sm o 11727 981 = 1195
m
fKg
Kgm
La velocidad de flujo de masa es
Por lo tanto
1 )=6694
951)(675(ˆ =minus=minus WwW smkg f = 088Hp = 1Hp
Siendo esta ida para esta bomba El procedimiento anterior se
iguioacute para cada bomba de la planta
AP E
la potencia requer
s
EacuteNDICE
TOXICOLOGIacuteA DE MATERIAS PRIMAS [6]
( ) ( ) ( )( ) ( )( )msm
smmmm
sm 538192201150761
21050
032021536761
21
2
22minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ +minus⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ++
minus=wm
22
27117ˆ smw minus=
( )s
kgmkgQw m675100060340 3 === ρ
Ingenieriacutea Quiacutemica 62
UAM-I
HIDROacuteXIDO DE SODIO
Polvo corrosivo blanco delicuescente
Toxicidad
Concentracioacuten Maacutexima permisible 2mgm3 en aire
Signos y Siacutentomas Conjutivitis quemaduras corneales y de la piel Irritacioacuten
seas vomito dolor abdominal y diarrea a veces con
Lavado de las partes afectadas tranquilizantes sulfato de
decuada gafas protectoras o pantallas para
ignos y Siacutentomas Irritacioacuten de ojos quemaduras corneables tos dolores
l hemoptisis dolor de cabeza dolor epigaacutestrico nauseas y vomito
lmonar
Tratamiento lavado de ojos con agua reposo oxigeno con aparato de respiracioacuten
con onantes
ACIDO NITRICO
Liquido corrosivo sofocante de incoloro a amarillento
ioacuten maacutexima permisible 10ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
del tracto respiratorio nau
sangre
Tratamiento
morfina para el dolor y cortisona
Medidas preventivas Ventilacioacuten a
la cara completa mascarilla con filtro mecaacutenico guantes delantares botas de
goma y acentuar la limpieza personal
CLORO
Gas pasado amarillo verdoso
Toxicidad
Conc Maacutexima permisible 1 ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten
S
retrosterna
debilidad cianosis y edema pu
trolada bronco dilatadores y descongesti
Toxicidad
Concentrac
Ingenieriacutea Quiacutemica 63
UAM-I
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
Signos y siacutentomas Erosioacuten dental estornudo tos Dolor en el pecho bronquitis y
la las partes contaminadas del cuerpo con solucioacuten al 5 de
de las quemaduras con pantildeos
de triacuteo sulfato soacutelido si se a ingerido
vado de ojos con agua
ACIDO CLORIDRICO
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
ivitis necrosis corneal por inhalacioacuten rinitis erosioacuten
dolor de cabeza palpitacioacuten por ingestioacuten
s en la boca faringe esoacutefago estomago salivacioacuten vomito Soc
agua lavada de agua y jaboacuten de las partes
preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
AacuteC
El c
con o de hidroacutegeno una
concentracioacuten de 12 molLt Este aacutecido es un liacutequido incoloro con un olor aacutecido
bronconeumoniacutea
Tratamiento
bicarbonato soacutelido o con agua y jaboacuten Tratamiento
mojados con solucioacuten saturada
administracioacuten por viacutea oral de solucioacuten de jaboacuten Hidroacutexido caacutelcico o alumiacutenico u
oacutexido de magnesio
Medidas preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores excluir de la exposicioacuten
a los individuos con enfermedades de pulmones y rintildeones
Gas incoloro o liacutequido o a amarillento
Toxicidad
Concentracioacuten maacutexima permisible 5ppm en aire
Signos y siacutentomas conjunt
dental laringitis bronquitis neumoniacutea
quemadura
nefritis
Tratamiento lavado de ojos con
contaminantes del cuerpo tratamiento ordinario de quemaduras lavado gaacutestrico
se a ingerido con solucioacuten de bicarbonato soacutedico al 5 seguido de una instilacioacuten
de gel de hidroacutexido de aluminio
Medidas
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores
IDO CLORHIacuteDRICO
loruro de hidroacutegeno es en extremo soluble en agua de hecho el aacutecido clorhiacutedrico
centrado contiene cerca del 38 en masa de clorur
Ingenieriacutea Quiacutemica 64
UAM-I
pronunciado que se debe al equilibrio entre el cloruro de hidroacutegeno gaseoso y
ste con el aacutecido fluorhiacutedrico el aacutecido clorhiacutedrico es un aacutecido fuerte (pKa = -
7) y se ioniza casi totalmente
gar de aacutecido sulfuacuterico auque en menor grado Por
jemplo el zinc metaacutelico reacciona con aacutecido clorhiacutedrico para dar el ion zinc e
hidroacutegeno gaseoso
Zn(s) + 2HCl(ac) ZnCl2(ac) + H2(g)
l para producir aacutecido clorhiacutedrico en el laboratorio es generar
cloruro de hidroacutegen e sodio y el aacutecido
ulfuacuterico En el primer paso a 150degC se forma hidroacutegeno sulfato de sodio
NaHSO4(s) + HCl(g)
io y maacutes
loruro de hidroacutegeno gaseoso Luego el gas se disuelve en agua para formar el
aacutecido
NaHSO4(s) + NaCl(s) Na2SO4(s) + HCl(g)
acuoso
HCl(ac) HCl(g)
El reactivo de grado teacutecnico a menudo tiene un color amarillento por una impureza
del ion hierro (III)
En contra
HCl(ac) + H2O(l) H2O+(ac) + Cl -(ac)
Por ello a menudo se prefiere usar aacutecido clorhiacutedrico diluido en lugar de aacutecido niacutetrico
que es muy oxidante y en lu
e
Cuando el zinc reacciona con el aacutecido niacutetrico es comuacuten que se reduzca una parte
del ion nitrato para dar dioacutexido de nitroacutegeno
El meacutetodo tradiciona
o gaseoso por la reaccioacuten entre el cloruro d
s
NaCl(s) + H2SO4(l)
La mezcla se calienta a 550degC temperatura a la cual el hidroacutegeno sulfato de sodio
reacciona con un exceso de cloruro de sodio para formar sulfato de sod
c
∆
Este meacutetodo se usa tambieacuten en la industria otra forma de producir cloruro de
hidroacutegeno es por la combinacioacuten directa de dicloro y dihidroacutegenogaseosos
Ingenieriacutea Quiacutemica 65
UAM-I
H2(g) + Cl2(g) 2HCl(g)
La mayor cantidad de cloruro de hidroacutegeno que se produce actualmente es un
CH4(g) + 4Cl2(g) 4(l) + 4HCl(g)
riacuten de superficies de acero en un bantildeo aacutecido en la purificacioacuten de glucosa
y jarabe de maiacutez e s y de gas y en la
bricacioacuten de compuestos clorados El aacutecido se puedo comprar en muchas
nducida por la luz
4HNO3(ac) 4NO2(g) + O2(g) + 2H2O(l)
niacutetrico como disolvente)
H2NO3+ H2O + NO2
+
l siguiente
3HNO NO3 ndash
subproducto de otros procesos industriales como la siacutentesis de tetracloruro de
carbono
CCl
Se consumen cerca de 107 toneladas de aacutecido clorhiacutedrico cada antildeo en todo el
mundo Este aacutecido tiene una gama muy amplia de usos como aacutecido comuacuten para
eliminar o
n el tratamiento con aacutecido de pozos petrolero
fa
ferreteriacuteas con el arcaico nombre de aacutecido muriaacutetico sus principales usos caseros
son la limpieza de superficies de concreto y la eliminacioacuten de herrumbre Un nuacutemero
muy reducido de personas es incapaz de sintetizar suficiente jugo gaacutestrico y deben
de ingerir caacutepsulas de aacutecido clorhiacutedrico diluido con cada comida
AacuteCIDO NIacuteTRICO
El aacutecido niacutetrico un liacutequido aceitoso e incoloro en estado puro es sumamente
peligroso El aacutecido que funde a ndash42degC y hierve a +83degC tiene por lo general un
ligero color amarillo a causa de una reaccioacuten de descomposicioacuten i
En un estado puro el aacutecido niacutetrico liacutequido praacutecticamente no conduce la electricidad
Una pequentildea porcioacuten se ioniza como sigue (todas estas especies existen en el aacutecido
2HNO3(l) H2NO3+ + NO3
ndash
H2O + HNO3 H3O+ + NO3 ndash
Para dar la reaccioacuten globa
3 NO2+ + H3O + 2+
Ingenieriacutea Quiacutemica 66
UAM-I
El catioacuten nitrilo es importante en la nitracioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas por ejemplo la
obenceno C6H5NO2 una etapa importante en
umerosos procesos industriales orgaacutenicos
El aacutecido niacutetrico con en agua mientras
ue el ldquoaacutecido niacutetrico fumanterdquo un oxidante extremadamente poderoso es una
vez de ello se produce una mezcla de
sistema que da un orden de
vista industrial el
oceso
e lleva a cabo en tres etapas Primero se hace pasar una mezcla de amoniaco y de
dioxiacutegeno (o aire) un proceso muy
ficiente y exoteacutermico que hace que la malla se ponga al rojo Esta etapa se verifica
conversioacuten de benceno C6H6 en nitr
n
centrado es en realidad una solucioacuten al 70
q
solucioacuten roja de dioacutexido de nitroacutegeno en aacutecido niacutetrico puro Incluso cuando esta
diluido el aacutecido niacutetrico es un oxidante tan fuerte que rara vez desprende hidroacutegeno
cuando se pone en contacto con metales en
oacutexidos de nitroacutegeno y el metal se oxido a su catioacuten
Los enlaces O-N son mucho maacutes cortos (121 pm) que el enlace O-N unidos al aacutetomo
de hidroacutegeno (141 pm) Esta longitud de enlaces indica que hay enlaces muacuteltiples
entre el nitroacutegeno y los dos aacutetomos de oxiacutegeno terminales Ademas de los electrones
del sistema σ hay cuatro electrones que participan en el sistema π O-N-O dos de un
orbital enlazante y dos en un orbital no enlazante
enlace de 112 para cada uno de esos enlaces nitroacutegeno- oxiacutegeno
A veces se nos olvida hasta queacute punto nuestra experiencia depende de la
termodinaacutemica y la cineacutetica Por ejemplo la primera siacutentesis industrial de aacutecido
niacutetrico se llevaba ha cabo por simple combinacioacuten de diniacutetrogeno dioxiacutegeno y agua
utilizando un horno de arco eleacutectrico a fin de proporcionar la energiacutea necesaria par
superar la muy elevada barrera cineacutetica Aunque desde el punto de
factor cineacutetico constituiacutea un problema en realidad es una bendicioacuten por que sin esta
barrera cineacutetica hace mucho tiempo que todo el dioacutexido de la atmoacutesfera se abriacutea
transformado en aacutecido niacutetrico y nuestros mares serian de aacutecido niacutetrico diluido
frac12 N2(g) + 54O2(g) + 12H2O(g) HNO3(g)
Ahora se utiliza el proceso Ostwald para la siacutentesis de aacutecido niacutetrico Este proceso
consume gran parte del amoniaco que se produce por el proceso Haber El pr
s
a traveacutes de una malla de platino metaacutelico Eacuteste es
e
a baja presioacuten para aprovechar el efecto entropico es decir la formacioacuten de 10
moles de gas a partir de 9 moles de gas (una aplicacioacuten del principio de Le Chatelier)
para desplazar el equilibrio a la derecha
Ingenieriacutea Quiacutemica 67
UAM-I
4NH3(g) + 5O2(g) 4NO(g) + 6H2O(g)
Se agrega maacutes oxiacutegeno para oxidar el monoacutexido de nitroacutegeno a dioacutexido de nitroacutegeno
A fin de mejorar el rendimiento de esta reaccioacuten exoteacutermica se extrae calor de los
ases y la mezcla se somete a presioacuten
2HNO3(l) + NO(g)
Esta reaccioacuten tambieacuten es exoteacutermica y una vez maacutes se aplica enfriamiento y alta
la
egunda etapa para oxidarlo de nuevo
La contaminacioacuten s de aacutecido niacutetrico
as plantas maacutes antiguas eran faacutecilmente identificables por la fumarola cafeacute-
antas maacutes antiguas ahora mezcla cantidades
en Estados Unidos porque un 20
dedica ala produccioacuten de explosivos
or ultimo el aacutecido niacutetrico es un liacutequido que hierve a 826degC No existe como liacutequido
g
2NO(g) + O2(g) 2NO2(g)
El dioacutexido de nitroacutegeno se mezcla con agua para dar una solucioacuten de aacutecido niacutetrico
3NO2(g) + H2O(l)
presioacuten par obtener el maacuteximo rendimiento El monoacutexido de nitroacutegeno se vuelve a
s
soliacutea ser un problema importante de las planta
L
amarillento del dioacutexido de nitroacutegeno que escapaba por ellas Las plantas maacutes
antiguas eran faacutecilmente identificable por la fumadora cafeacute-amarillo del dioacutexido de
nitroacutegeno que escapaba de ellas Las pl
estequiomeacutetricas de amoniaco con las oacutexidos de nitroacutegeno con lo cual se obtiene
dinitroacutegeno y vapor de agua ambos inocuos
NO(g) + NO2 (g) + 2NH3(g) 2N2(g) + 3H2O(g)
En todo el mundo alrededor del 80 del aacutecido niacutetrico se utiliza en la produccioacuten de
fertilizantes Esta proporcioacuten es de solo el 65
se
P
puro porque en alguna medida se descompone espontaacuteneamente como sigue
4HNO3(l) 4NO2(g) + 2H2O(l) + O2(g)
Ingenieriacutea Quiacutemica 68
UAM-I
El aacutecido niacutetrico concentrado que se usa en el laboratorio estaacute al 68 en masa HNO3
(densidad 142 gcm3) lo que corresponde a 157 M
l aacutecido niacutetrico es un poderoso agente oxidante El nuacutemero de oxidacioacuten del N en el
) El aacutecido niacutetrico puede oxidar
nto a metales que estaacuten abajo del hidroacutegeno como aquellos que se encuentran
4Zn2+(ac) + NH4
+(ac) + 3H2O(l)
do no oxida al oro Sin embargo cuando se mezcla con
cido clorhiacutedrico concentrado en relacioacuten 13 en volumen (una parte de HNO3 a tres
partes al oro
omo sigue
APEacuteNDICE F
ETODO DE DEPOSICIOacuteN-PRECIPITACIOacuteN
E
HNO3 es + 5 Los productos maacutes comunes de la reduccioacuten del aacutecido niacutetrico son el
NO2 (N = + 4) el NO (N = + 2) y el NH4+ (N = - 3
ta
arriba en la serie de actividades Por ejemplo el cobre es oxidado por el aacutecido niacutetrico
concentrado como se mencionoacute antes
En presencia de reductores fuertes como el zinc metaacutelico el aacutecido niacutetrico se puede
reducir hasta ion amonio
4Zn(s) + 10H+(ac) + NO3
-(ac)
El aacutecido niacutetrico concentra
aacute
de HCl) la disolucioacuten resultante denominada agua regia puede oxidar
c
Au(s) + 3HNO3(ac) + 4HCl(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O(l) + 3NO2(g)
M
Ingenieriacutea Quiacutemica 69
UAM-I
APEacuteNDICE G
ISENtildeO DEL MEZCLADOR [4]
1) 100 ml H2O gr soporte
2) NH4(OH)
Ajustar a PH = 9 4) HAuCl4 (solucioacuten acuosa al 25E-3M)
6) Filtrado o centrifugado
3) En Agitacioacuten por 2 hr
8) Secado por 2hr a 80 degC
9 ) Calcinado por 4hr a 400 degC
7) Lavado
5) Antildeegamiento por 30 min
D
Ingenieriacutea Quiacutemica 70
UAM-I
El disentildeo de un tanque agitado dis n nuacutemero de elecciones sobre el
po y localizacioacuten del agitador las proporciones del tanque el nuacutemero y dimensiones
ada una de estas decisiones afectan a la velocidad
e circulacioacuten del liacutequido los modelos de velocidad y el consumo de potencia Como
pone de un gra
ti
de las placas deflectoras etc C
d
punto de partida en el disentildeo de los problemas ordinarios de agitacioacuten generalmente
se utiliza un agitador de turbina del tipo que se muestra en la figura 1 La proporcioacuten
tiacutepica es
31
=t
a
DD
1=tD
H 121
=tD
J 51
=aD
W 41
=aD
L
de estas ecuaciones se disentildeara el mezclador como datos se tiene el valor H que es
igual a 3 mts y el diaacutemetro del tanque D
Se determinara la medida de los reflectores
t que es igual 3 mts
121
=tD
J se despeja J
elacioacuten R31
=t
a
DD
se despeja Da
Relacioacuten
41
=aD
L se despeja L
elacioacuten se despeja W
( ) ( ) cmmtsmtsDJ 25250311==⎟
⎞⎜⎛=⎟
⎞⎜⎛= t 1212 ⎠⎝⎠⎝
( ) ( ) mtsmtsDD ta 1331
31
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=
( ) ( ) mtsmtsDL a 250141
41
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛= cm25=
51
=aD
WR
Ingenieriacutea Quiacutemica 71
UAM-I
Figura 2 a) Vista transversal del mezclador b) paletas del mezclador con la
donde se deposita el soporte
Figura 1 Medidas de un agitador de turbina
a) b)
s rejillas
H
J
E L
Da
D t
W
W
( ) ( ) cmmtsmtsDW a 2020151
5==⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎜⎝
=1 ⎞⎛
Ingenieriacutea Quiacutemica 72
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
Agua
Tanque tratamien
Figur
NH4OH
HAuCl4
Produccioacuten de catalizadores
Recuperacioacuten de agua
de to
a
MezcladoresMezcladores
Cuando se requiere limpieza
Horno
Producto almaceacuten
30
1 Diagrama de produccioacuten Recuperacioacuten de cloro
UAM-I
35 BALANCE DE MATERIA DIAGRAMA DE FLUJO PARA DIFERENTES LOTES DE SOPORTE EN UN SOLO MEZCLADOR
Catalizadores de Oro So
05 Kg Au
10
0
086 Kg HAuCl4(ac)014 Kg H2O
035 Kg NO2(g)
2
35 Kg NH4(OH)(ac) (01M)
10000 Kg H2O
100 Kg Al3O
100 Kg Al2O3 (9965) 035 Kg Au (035) 025 Kg Cl2
026 Kg HauCl4(ac)35 Kg NH4(OH)
1101035 Kg H2O
O MEZCLADOR (t0)
10035 Kg catalizador
86 KgHAuCl4(ac)101035 Kg H2O
037 Kg HCl (ac) (105 M) 048 Kg HNO3(ac) (152 M)
porta
Kg N
30 Kg Al2Cl3
101021 Kg H2
do
H4 (OH) (ac) (01M) 30 Kg Al2O3 (9965) 01 Kg Au (035)
007 Kg Cl2
)
3
)
301 Kg catalizador MEZCLADOR (t1)
009 Kg HauCl4(ac)45 Kg NH4(OH)
1101035 Kg H2O
MEZCLADOR 1054 Kg catalizador
105 Kg Al2O3
(t2)
105 Kg Al2O3 (9965)
035 Kg NH4 (OH) (ac) (01M
004 Kg Au (035) 003 Kg Cl2
23 Kg Al2O
MEZCLADOR
(t3)23 Kg Al2O3 (9965)
2308 Kg catalizador
008 m3 NH4(OH) (ac) (01M
002 Kg HauCl4(ac)485 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
0008 Kg Au (035) 0006 Kg Cl2
0003 Kg HauCl4(ac)493 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
31
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado 32
DIAGRAMA DE FLUJO PARA UN MEZCLADOR
MEZCLADOR
1101035 Kg H2O
1428 kg γ-Al2O3
086 Kg HAuCl4
493 Kg NH4(OH)
0003 Kg HauCl4(ac)493 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
1433 Kg Catalizador
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
36 DIAGRAMA DE LA INDUSTRIA
INDUSTRIA DE CATALIZADORES
TANQUE DE TRATAMIENTO HORNO
CISTERNA 1
CONTENEDORDE AuCl3 CONTENEDOR DE
NH4OH ZONA DE LLENADO
DE SAPORTE
SE LLEVA AL HORNO
MANUALMENTE
PRODUCTOALMACEacuteN
Contenedor de HAuCl4
Figura 2 Diagrama de la distribucioacuten del equipo dentro del aacuterea de produccioacuten
33
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
37 DIMENSIONES DEL EQUIPO Y TUBERIacuteA
2 mts
2 mts 2 mts 6 mts 4 mts 3 mts 5mts 5 mts 3 mts 6 mts 3
3mts 3 mts 3mts 3 mts 3 mts
4 mts 1 5 mts 1 5 mts 4mts 4 7mts 4 mts 21 mts 7 2mts 26 mts 2 mts 21 mts 6 mts
3 5 mts 14 mts 6 mts 8 mts 1 5 mts 3 mts 5 mts 13 mts 8 mts 20 mts 30 mts
IN D U ST R IA D E C A T A L IZ A D O R E S
T AN Q U E D E T R AT AM IE N T O H O R N O
C IST E R N A 1
C O N T EN ED O RD E Au C l3
C O N T EN E D O R D E N H 4O H
ZO N A D E L LEN AD O D E SO PO R T E
AG UA PAR A JAR D IN ES
M E Z C L A D O R E S 12 3 y 4
1 2 3 4
A L M A C Eacute N
Contenedor de HAuCl4
Figura 3 Dimensiones del equipo y tuberiacutea requerida
34
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
38 PLANO DE DISTRIBUCIOacuteN DE AacuteREAS
Figura 4 Aacutereas de trabajo dentro de la planta
35
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
DIMENSIONES DE LA INDUSTRIA
Figura 5 Dimensiones de cada aacuterea de la planta industrial
36
UAM-I
Ingenieriacutea Quiacutemica 37
10 cm 3mts 1 mts 25 cm 15cm 5 cm 5 cm 3mts 150 mts 10 cms 100 mts 20 cm
003 mts
Figura 6 Dimensiones del mezclador y del Agitador
UAM-I
Las dimensiones de las canastillas se determinaron a partir del balance de masa y la
produccioacuten requerida La carga de un contenedor de soporte que es de 100kg del
cual el agitador tiene 4 canastillas cada una corresponde 25 Kg la masa se obtuvo
del balance de materia y su densidad 600 Kgm3 con el que se obtuvo un volumen de
0043 m3
39 ANAacuteLISIS FINANCIERO
El costo de materias primas se muestra en la Tabla 2 en la que tambieacuten se incluyen
los flujos de alimentacioacuten requeridos para el proceso a partir de los cuales se
determinaron los costos diarios
Tabla 2 Costo de materias primas [5]
Compuesto
Alimentacioacuten
por diacutea
Costo
USDKg
Costo Total
USDdiacutea
Au 2 kg 10596 2119200
HCl 15 Kg 52 780
HNO3 20 Kg 022 044
-Al2O3 5712 Kg 034 19421
Canastillas 500 piezas 15 75000
NH3(OH) 200 Kg 034 680
H2O 440414 Kg 282 282
Total de Materia Prima 2215407
El costo se determinoacute considerando la cantidad de material el tamantildeo y el costo de
manufactura
El costo se determinoacute para uso industrial conforme establece la tesoreriacutea de
Meacutexico
Ingenieriacutea Quiacutemica 38
UAM-I
PERSONAL REQUERIDO PARA LA INDUSTRIA
La Tabla 3 establece los salarios mensuales anuales y las prestaciones del IMSS
para el personal de la planta
Tabla 3 Salarios y Prestaciones del Personal
Mano de Obra (USDmes)p
ersona
USDmes USDantildeo Prestaciones
IMSS
1 Gerente 2000 2000 24000
1 Administrador 1000 1000 12000
1 Secretaria 400 400 4800 1193
Total de Salarios
Administrativos
40800 1193 409193
9 Obrero 150 150 1800 448
1 Teacutecnico 200 200 2400 597
1 Policiacutea 200 200 2400 597
1 Mantenimiento 180 180 2160 538
1 Limpieza 150 150 1800 448
Total de Salarios
Proceso
10560 2628 108228
Los salarios se determinaron en base al salario miacutenimo vigente en la Ciudad de
Meacutexico (2003)[29]
Ingenieriacutea Quiacutemica 39
UAM-I
PERSONAL
Departamento de produccioacuten
Se tendraacute 2 obreros en el llenado de soporte en las rejillas un obrero encargado del
traslado de rejillas por medio de la banda de los motores a cada contenedor un
obrero en cada contenedor de NH4OH y HAuCl4 en cada mezclador se tiene 1
obrero para descargar y cargar las rejillas a la banda que se trasladaran al horno en
el horno se tiene 1 obrero encargado del secado y calcinado el producto se traslada
al almaceacuten donde estaraacuten 2 obreros que reciben el producto y materias primas de los
proveedores se tiene 1 teacutecnico supervisando los equipos un encargo del
mantenimiento de los equipos
Departamento de personal
Gerente de la industria un administrador encargado de compra y venta de materias
primas una secretaria
Ingenieriacutea Quiacutemica 40
UAM-I
CAPITAL FIJO
La Tabla 4 muestra el costo de los equipos requeridos en la planta asiacute como el
Capital Fijo y la Inversioacuten del Capital Total
Tabla 4 El equipo se costeo usando las correlaciones de Ulrich [6] y empleando el
programa de Capcost
EQUIPO USD
4 Contenedores 23584
4 Agitadores (456kW) 269760
1 Horno (25 kW) 15700
15 Bombas (1469kW) 43081
1 Motor (114 kW) 67440
Tuberiacuteas 42150
2 Cisternas 174183
Vaacutelvulas 1283
Accesorios
(codos 90ordm y de 45ordm te)
1474
CAPITAL FIJO 638655
Capital de Trabajo 9579825
INVERSIOacuteN DE
CAPITAL TOTAL
73445325
Los caacutelculos y las correlaciones empleadas para el costeo del equipo se anexan en
el Apeacutendice A
Ingenieriacutea Quiacutemica 41
UAM-I
GASTOS GENERALES
Tabla 5 Proporciona el total de gastos anuales con lo cual se estima el precio por
kilo de catalizador y por unidad purificadora
Tabla 5 Gastos Generales anuales
USDAntildeo
Materias Primas 531697680
Mano de Obra de Operacioacuten 1082280
Mano de Obra de Oficina 4091930
Servicios Electricidad 2620100
Total de Gastos Generales 539491990
CFE
Produccioacuten diaria de Catalizador = 574 Kg
Precio de Catalizador = 40 USDKg
Produccioacuten diaria de unidades purificadoras = 500
Precio por unidad = 50USD
Ganancia diaria = 22960 USD
Ganancia Anual = 5510400 USD
DETERMINACIOacuteN DE LA RENTABILIDAD DEL PROYECTO
TPI (Actual) = 10
PR (Factor de riesgo) = 25
TREMA = TPI + PR
TREMA = 35
TIR (del proyecto) = 90
TIR gt TREMA
Puesto que la TIR es mayor que la TREMA se tiene que el proyecto es rentable [6]
Ingenieriacutea Quiacutemica 42
UAM-I
310 CONCLUSIONES
En el desarrollo de la industria para la fabricacioacuten de catalizadores se tuvo un
resultado satisfactorio a pesar de la falta de informacioacuten disponible acerca de
industrias de catalizadores debido a que esta informacioacuten no es publica El proyecto
que elaboramos es novedoso en nuestro paiacutes ya que no existen registros de una
industria que produzca catalizadores de oro soportados en aluacutemina
Durante el desarrollo del proyecto se planteoacute trabajar con compuestos como NOx y
COVS sin embargo debido a la falta de tiempo no se logroacute concluir la
experimentacioacuten en estos campos Debido a esto se tomoacute la decisioacuten de trabajar en
la oxidacioacuten cataliacutetica de CO Esto debido a varios factores por ejemplo la
disponibilidad de gases y sobre todo los costos que esto implicaba
Para el desarrollo del catalizador se analizaron diferentes tipos de preparacioacuten y se
eligieron dos meacutetodos diferentes Deposicioacuten-precipitacioacuten e Impregnacioacuten Los
catalizadores se evaluaron bajo diversas condiciones en la oxidacioacuten de CO El
catalizador que presentoacute mayor conversioacuten con el catalizador a baja temperatura fue
el sintetizado por el meacutetodo de Deposicioacuten-precipitacioacuten el cual se utilizoacute para el
disentildeo de la Industria El disentildeo estaacute basado en la forma de preparacioacuten del
catalizador Por esto la parte maacutes importante de la planta es el tanque de mezclado
el cual se disentildeo tomando en cuenta los diferentes disentildeos de agitadores para tener
un mezclado oacuteptimo Se incorporo en la parte superior del agitador las canastillas
para las pastillas cataliacuteticas y el tipo de Horno que se usara para el secado y
posteriormente el calcinado Una parte importante es la produccioacuten de catalizador
para este problema se investigoacute en que parte se podriacutea utilizar a diferencia de los
catalizadores para automoacuteviles Se llego a la decisioacuten de poder desarrollar un
catalizador para los calentadores de agua se obtuvo informacioacuten de la fabrica de
calentadores cal-o-rex en la produccioacuten diaria de calentadores y de esta informacioacuten
se pudo calcular la posible demanda de nuestro producto Una parte importante en
las industrias son el tipo de bombas ya que existen diversos modelos en nuestro
disentildeo se escogioacute las bombas centriacutefugas con rodetes para agua que contiene
pequentildeas partiacuteculas de soacutelidos
En la parte de servicios para personal se investigo los sueldos de cada empleado Se
determinoacute el costo de los equipos y finalmente llegamos a la parte que nos interesa
Ingenieriacutea Quiacutemica 43
UAM-I
del disentilde es decir si el proyecto es rentable o no En este caso particular se tuvo un
valor aceptable y se definioacute que el disentildeo es rentable Esto indica que seria una
industria que tendriacutea ganancias y a la vez que el producto que se fabrique nos
ayudaraacute a todos a reducir la emisioacuten de CO en los hogares aportando una pequentildea
ayuda al medio ambiente
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Los conocimientos adquiridos durante este tiempo fueron provechosos en la parte
teoacuterica y praacutectica aclaramos dudas de como y porque se comportan las reacciones
quiacutemicas y los procesos de flujos Durante el desarrollo del proyecto aprendimos a
observar y la importancia de entender fiacutesicamente las algunos procesos relacionados
con la siacutentesis y caracterizacioacuten de materiales cataliacuteticos
Ingenieriacutea Quiacutemica 44
UAM-I
38 BIBLIOGRAFIacuteA
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Ingenieriacutea Quiacutemica 45
UAM-I
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Ingenieriacutea Quiacutemica 46
UAM-I
APEacuteNDICE A
CRITERIOS PARA DETERMINAR QUIEacuteN CONTROLA EL PROCESO
Criterio de weisz para difusioacuten interna
Ec(12-16 Fogler) Los valores que se sustituyen en las siguientes ecuaciones fueron
tomados del catalizador que se analizo en el laboratorio
CWP = ( )
AS
cObsA
DeCRcr 2minus
lt 1
-rA(Obs) = velocidad de reaccioacuten observada molgcats Cc = concentracioacuten volumeacutetrica molm3
CAS = concertacioacuten en la superficie molm3
D= diaacutemetro del granulo m R = radio del granulo m De = difusividad efectiva m2s
d = 0149mm mxmm
m 4104911000
1 minus=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
CWP = ( )( )3
32
24
33
103470184200350
21049150800010681
minus
minusminus
=⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞⎜
⎝⎛
x
mmol
hrm
mxcatm
gcathgcat
molx
734x10-3 lt 1 No hay limitante por la difusioacuten interna
Ingenieriacutea Quiacutemica 47
UAM-I
Criterio de mears para difusioacuten interna Ec(12-62 Fogler)
Mm = 150ltAbc
bA
CkRnr ρminus
Mm =( )( )
0570
136000184200220
31110457508000106851
3
53
3
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ minusminus
hrs
mmol
sm
mxcatmgcat
hgcatmolx
0057 lt 015 no hay efecto de transferencia de masa externa Calculo de Dab para calcular el coeficiente de trasferencia de masa Ec(78 Lobo)
De =
KAAB DD11
1
+
DKA = 970X103 (80X10-8)(s
cmK 221 1090)
2400( =
DAB = 00018583ABAB
BA
PMMT
Ω
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ +
2
2123 11
γ
Para CO
0110=isin
Bk 0593 A=γ
Para O2
Ingenieriacutea Quiacutemica 48
UAM-I
0113=isin
Bk 0453 A=γ
( ) 51343359321
=+=ABγ
( )( )[ ] 21113110BAB k=isin A la temperatura de 400degK
( ) 583))113)(110((
40021 =
deg=
isin B
B
AB
B
KKKTK
Ω AB = 0907 Sustituyendo
DAB =s
cm2
2
2123
9730)9070()513(
)21281()400(00185830=
+
De = hrm
hrs
cmm
scm 222
03501
3600100
10980
10901
97301
1=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
+
Calculo de Kc Sh = (Re)12(Sc)13
Velocidad superficial
V = sm
shr
hrm
mxhr
m
Av
c
02036001976
1087
006025
3
0 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛== minus
Ingenieriacutea Quiacutemica 49
UAM-I
Re= ( ) 240)1062)(501(
)10491)(020(
1 25
4
=minus
=minus minus
minus
smx
mxsmvd p
νφ
Sc= 672)3600
1)(0350(
10622
25
==minus
shr
hrm
smx
Dv
AB
Sh= ( 024 )12 ( 267 )13 = 0679
Kc = Shdp
DAB⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛minusφ
φ1
Kc = ( )sm
mxs
mx02206790
10491
10729
50501
4
26
=⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛minus
minus
minus
Calculo de numero Thile con el radio que usara a nivel industrial
φ = L ( )DkCn n
AS
21 1minus+
L = 3R
Sustituyendo
φ = 66x10-4 m( )
( )
450
03502
018420
5480941311
3
30
3330
313
=
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+
catmhrm
mmol
hrcatmmolm
η = 1 con los resultados anteriores se observa que quieacuten limita es la velocidad de
reaccioacuten Por lo que se procede a calcular el peso y longitud de catalizador
necesaria para muestro purificador sustituyendo los valores del Boiler
Ingenieriacutea Quiacutemica 50
UAM-I
Peso del Catalizador w =
( ) grcatgcatLn
gcatm
mmol
hrcatmmolm
hrm
xLn
kCv
A
66476639401
1
6000001578
548094
19836
11
330
3330
313
3
0
0 asymp=minus
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
minus
g 664=w
33
3
1011
mg60000
g 664 mxwv minus===ρ
m 035003101011
2
33
==minus
mmxL
cm 531000350 == xL
Ingenieriacutea Quiacutemica 51
UAM-I
APEacuteNDICE B BALANCE DE MASA DE LA PREPARACIOacuteN DE HAUCL4 Au(g) + 3HNO3(ac) + 4HCL(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O + 3N02(g) (152 M) (105M)
cantidad de mol Au = 05 kg Au x molAu
grAumolAux
kggr 542
971961
11000
=
cantidad de kg HNO3 = ( ) 33
33 480
10001
1635423 kgHNO
grkgx
molHNOGRHNOxHNOmol =
cantidad de kgHCl = ( ) kgHClgr
kgxmolHCl
grHClHClxmol 3701000
11
5365424 =
cantidad de kgHAuCl4 = 254molHAuCl4 x 44
8601000
11
97339 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
gr=
cantidad de kgH2O = 3( 254mol)H20 x OkgHgr
kgxOmolHOgrH
22
2 1401000
1118
=
cantidad de Lt H20 = 762molHNO3 x OltHOkgHOLtH
22
2 14011
=
cantidad de Lt H20 = 1016 mol HNO3 x 050215
012
2 LtHmol
LtH=
cantidad de LtH20 = 1016mol HCl x OLtHLtHmolHCl
LtH22
2 010970510
01asymp=
cantidad de MHAUCl4 = ( ) ( ) ( ) MHltltlt
ClmolHAU 7210850490140
542
2
4 asymp++
cantidad de kg NO2(g) = 3( 254mol)NO2 x )(22
2 3501000
1146
SkgNOgr
kgxmolNO
grNO=
Ingenieriacutea Quiacutemica 52
UAM-I
05 kg Au 048 kgHNO3 035 kgNO2 101021 kgH20 (152M) 037 kgHCl(ac)
(105 m) 086 kg HAuCl4 (ac) 086 kg HAuCl4 (ac)
(17 M) 014 kgH20 (25x10-3M) 014kg H20 (L) 086kg HAuCl4 035kgNO2 (g) 101185kg H20 Cantidad de H20 = 086 kgHAuCl4
x 08510110101
105201
173341
11000
22
23
24 kgHLtHkgHx
MxltHx
grmolHAuClx
kggr
=minus
pero (101185 ndash 014 ndash 05 ndash 1) kg H20 = 101021 kg H20 100ml H20 por 1 gr soporte 35kg NH4 (OH)(AC) 10000kgH20 100 kg γAl203 (9965) 035kgAu (035) 100kg γAl203 025kgCl2 086kg HAuCl4 026kgHAuCl4
101185 kg H20 35kgNH4 (OH)(AC) 1101185kgH20 cantidad de kgHAuCl4 = 015kgAu x
44
4 2601000
11
973391
197196
147196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxgrAu
molxkg
gr=
cantidad de NH4(OH) = 100kg γ Al203 x
Ingenieriacutea Quiacutemica 53
UAM-I
kgNHxmol
grx
mlmol
xOAlgr
OHmlNHx
kg
gr53
10001
1
35
100010
1
)(10
1
1000
32
4=
γ4(OH)
30kg γAL2O3 1 kgNH4(OH)(AC) 30 kg γ Al203 (9965) 010 kg Au (035) 026kgHAuCl4 007kg Cl2 35kgNH4(OH) 1101185 kgH2O 0086kgHAuCl4 45 kg NH4(OH)(AC) 1101185 kg H20
cantidad de γ Al2O3 = 026kgHAuCl4 x 324
32 02330860
100 AlkgkgHAuCl
OAlkg γγ=
cantidad de kgAu = 035 x kgAukg 10506599
30=
cantidad de kg Cl2 = 01 kgAu x
22
2 07201000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de HAuCl4 = 005kgAu x
44
4 08601000
11
973391
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 54
UAM-I
cantidad de kgNO4(OH) = 30 kg γ Al203 x ( )OHkgNHAlkg
OHkgNO4
32
4 0510100
)(53=
γ
105 kg γ Al203 035 kg NH2(OH) 105 kg γ Al203 (9965) 004 kg Au (035) 009kg HAuCl4 003 kg Cl2 45kgNH4(OH) 1101185 kg H20 0017kgHAuCl4 485kgNH4 (OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 009 HAuCl4 x 324
32 04710860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad kg de NH4 (OH) = 105kg γ Al203 x ( ) )(3500100
534
32
4 OHkgNHAlkg
OHkgNH=
γ
cantidad de Cl2 = 004 kg Au x
22
2 02901000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
gAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 =
44
44 02001701000
11
973391
197196
11
1000010 kgHAukgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgr
molAuxkg
grkgAux asymp=
Ingenieriacutea Quiacutemica 55
UAM-I
23 kg γ Al203 008kgNH4(OH) 002 kg HAuCl4 23 kg γAl203 (9965) 485kgNH4(OH) 0008kgAu(035) 1101185kg H2 0001kg Cl2
0014 kg HAuCl4 493kgNH4(OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 002kgHAuCl4 x 324
32 032860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad de kg Au = 035 x kgAukg 00806599
32=
cantidad de kgCl2 = 0002kgAu x
24
4 00101000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 = 0008kgAu x
44
44 01401000
11
973341
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 56
UAM-I
APEacuteNDICE C ACCESORIOS EN EL DISENtildeO
Agitador
Agitadores de Heacutelice se escogioacute este tipo de agitador por ser tener las siguientes
caracteriacutesticas [3]
bull Es un agitador de flujo axial
bull Se emplea para liacutequidos pocos viscosos
bull Giran a toda la velocidad del motor
bull Las corrientes de flujo se mueven a traveacutes del liacutequido en una direccioacuten
determinada hasta que son desviadas por el fondo o las paredes del tanque
bull Las palas de la heacutelice cortan o friccionan vigorosamente el liacutequido
bull Los agitadores de heacutelice son eficaces para tanques de gran tamantildeo
Horno
bull El horno se escogioacute por ser tener las siguientes caracteriacutesticas [5]
bull El horno de construccioacuten metaacutelica
bull La caacutemara de combustioacuten estaacute construida mediante hormigones refractarios
de alta resistencia mecaacutenica
bull Las materias secar y calcinar se carga de forma manual
Ingenieriacutea Quiacutemica 57
UAM-I
Bomba
DISENtildeO Bomba centrifuga para operacioacuten horizontal o vertical del impulsor
cerrado succioacuten al extremo descarga hacia arriba tangencial simple succioacuten de un
paso con carcaza partida verticalmente [3]
ROTACIOacuteN En el sentido del reloj vista desde el cople
CARACTERIacuteSTICAS Conexiones brindadas con registro ubicado en la cabeza de
succioacuten para facilitar su limpieza
SERVICIO Debido a que es posible colocarla en posicioacuten horizontal o vertical tanto
en caacutercamos secos como huacutemedos y por el disentildeo de su impulsor que soacutelidos de
gran tamantildeo esta bomba es ideal para los procesos de tratamientos de agua y
manejo de liacutequidos en suspensioacuten en general
CAPACIDADES
GASTO Hasta 3000 GPM
CDT Hasta 80rsquo
PRESIOacuteN 106 Kgcmsup2
POTENCIA De 1 a 60 Hp
VELOCIDAD (1175 - 3550 RPM)
TEMPERATURA 125degC
Ingenieriacutea Quiacutemica 58
UAM-I
Bombas Centriacutefugas
Las maquinas centriacutefugas estaacuten constituidas por un impulsor o rodete formado por
una serie de aletas radiales diversas formas y curvaturas que giran dentro de una
caja circular El fluido penetra por el ojo o eje de rotacioacuten y se descarga maacutes o
menos radialmente en una caacutemara perifeacuterica a una elevada presioacuten que
corresponde a la suma de la fuerza centriacutefuga de la rotacioacuten maacutes la cineacutetica
comunicada al fluido por las aletas La parte moacutevil de la bomba es el rodete Las
aletas del rodete se extienden desde el centro de rotacioacuten hacia la periferia y las
bridas son los discos de refuerzo a cada lado de las aletas que las envuelven Las
aletas pueden ser radiales curvadas ligeramente hacia delante en el mismo sentido
de la rotacioacuten o estar curvadas al reveacutes en el caso maacutes comuacuten en el disentildeo se
determino el rodete siguiente por sus caracteriacutesticas Fig 1
Figura 1 Corte parcial de un rodete de centriacutefuga para grandes cargas y secciones
de paso estrechas empleando con liacutequidos corrosivos o suspensiones de pequentildeas
partiacuteculas[4]
Ingenieriacutea Quiacutemica 59
UAM-I
APENDICE D CALCULO DE POTENCIA DE BOMBAS (8)
Potencia de la bomba de la cisterna 1 que alimenta a los mezclador 4
Ecuacioacuten de Bernoulli
sum sumint =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛+++∆+∆i i
i
P
P
evvfDLvwdphgv 0
21
21
ˆ1
21 222
2
1ρ
a b c d e f
a Diferencia de velocidades
b Diferencia de alturas
c Diferencia de presiones
d Trabajo
e Perdidas de friccioacuten en tuberiacuteas
f Perdidas de friccioacuten en accesorios
En la ecuacioacuten anterior se pueden eliminar algunos teacuterminos
21 mts
6 mts 35 mts
Figura 1 Balance de cisterna 1 a mezclador 4
Se debe de tener dos puntos de referencia para la utilizacioacuten de la ecuacioacuten de
Bernoulli de los cuales se anotaron en la figura 2
Ingenieriacutea Quiacutemica 60
UAM-I
21 mts
2 1 6 mts 35 mts
Figura 2
Teniendo los puntos de referencia se analiza que las diferencias de velocidades son
cero en ambos puntos por lo tanto el termino 2
21 ν∆ es igual a cero
El termino de = (981hg∆ 2segm )(35m ndash 0) = 34335 2
2
segm
El termino de int2
1
1P
P
dpρ
se tiene que la cisterna y el tanque de mezclado ambos no
estaacuten cerrados y por lo tanto no originan un cambio de presioacuten y el termino es cero
De esta expresioacuten L longitud de tuberiacutea
tro de tuberiacutea
n el interior del tubo
v
Para la l radio del tubo que
sum ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
i
fDL2
21 ν
D diaacuteme
f perdidas de friccioacuten e
velocidad del flujo de agua
obtencioacuten de la velocidad se tiene el flujo volumeacutetrico y e
es de 32 cm =0032mts con la ecuacioacuten
Ingenieriacutea Quiacutemica 61
( )( ) sm
ms
m
RQ 761
032060min1)
min340(
2
3
2 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
==ππ
ν
UAM-I
Se reportan valores de perdida de fr
e reduce teacuterminos
iccioacuten en tubos que son igual a 005
Por lo tanto sustituyendo los teacuterminos en la ecuacioacuten de Bernoulli s
sum sumint =⎟⎠
⎜⎝
+⎟⎠
⎜⎝
+++∆+∆i i
iP
evvfD
vwdphgv 022
ˆ2
1ρ
⎞⎛⎞⎛ L 111 2222
or tanto el termino de trabajo queda expresado de la siguiente manera
tanto la bomba comunica al fluido que circula en el sistema un trabajo
+11727
P1
p w
sum sum ∆minus⎟⎠⎞
⎜⎝⎛minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛minus=
i ii
hgevvfDLvw 22
21
21
ˆ
( ) ( )
Este es el trabajo ( por unidad de masa) producido por el fluido en la bomba por lo
22
sm o 11727 981 = 1195
m
fKg
Kgm
La velocidad de flujo de masa es
Por lo tanto
1 )=6694
951)(675(ˆ =minus=minus WwW smkg f = 088Hp = 1Hp
Siendo esta ida para esta bomba El procedimiento anterior se
iguioacute para cada bomba de la planta
AP E
la potencia requer
s
EacuteNDICE
TOXICOLOGIacuteA DE MATERIAS PRIMAS [6]
( ) ( ) ( )( ) ( )( )msm
smmmm
sm 538192201150761
21050
032021536761
21
2
22minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ +minus⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ++
minus=wm
22
27117ˆ smw minus=
( )s
kgmkgQw m675100060340 3 === ρ
Ingenieriacutea Quiacutemica 62
UAM-I
HIDROacuteXIDO DE SODIO
Polvo corrosivo blanco delicuescente
Toxicidad
Concentracioacuten Maacutexima permisible 2mgm3 en aire
Signos y Siacutentomas Conjutivitis quemaduras corneales y de la piel Irritacioacuten
seas vomito dolor abdominal y diarrea a veces con
Lavado de las partes afectadas tranquilizantes sulfato de
decuada gafas protectoras o pantallas para
ignos y Siacutentomas Irritacioacuten de ojos quemaduras corneables tos dolores
l hemoptisis dolor de cabeza dolor epigaacutestrico nauseas y vomito
lmonar
Tratamiento lavado de ojos con agua reposo oxigeno con aparato de respiracioacuten
con onantes
ACIDO NITRICO
Liquido corrosivo sofocante de incoloro a amarillento
ioacuten maacutexima permisible 10ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
del tracto respiratorio nau
sangre
Tratamiento
morfina para el dolor y cortisona
Medidas preventivas Ventilacioacuten a
la cara completa mascarilla con filtro mecaacutenico guantes delantares botas de
goma y acentuar la limpieza personal
CLORO
Gas pasado amarillo verdoso
Toxicidad
Conc Maacutexima permisible 1 ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten
S
retrosterna
debilidad cianosis y edema pu
trolada bronco dilatadores y descongesti
Toxicidad
Concentrac
Ingenieriacutea Quiacutemica 63
UAM-I
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
Signos y siacutentomas Erosioacuten dental estornudo tos Dolor en el pecho bronquitis y
la las partes contaminadas del cuerpo con solucioacuten al 5 de
de las quemaduras con pantildeos
de triacuteo sulfato soacutelido si se a ingerido
vado de ojos con agua
ACIDO CLORIDRICO
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
ivitis necrosis corneal por inhalacioacuten rinitis erosioacuten
dolor de cabeza palpitacioacuten por ingestioacuten
s en la boca faringe esoacutefago estomago salivacioacuten vomito Soc
agua lavada de agua y jaboacuten de las partes
preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
AacuteC
El c
con o de hidroacutegeno una
concentracioacuten de 12 molLt Este aacutecido es un liacutequido incoloro con un olor aacutecido
bronconeumoniacutea
Tratamiento
bicarbonato soacutelido o con agua y jaboacuten Tratamiento
mojados con solucioacuten saturada
administracioacuten por viacutea oral de solucioacuten de jaboacuten Hidroacutexido caacutelcico o alumiacutenico u
oacutexido de magnesio
Medidas preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores excluir de la exposicioacuten
a los individuos con enfermedades de pulmones y rintildeones
Gas incoloro o liacutequido o a amarillento
Toxicidad
Concentracioacuten maacutexima permisible 5ppm en aire
Signos y siacutentomas conjunt
dental laringitis bronquitis neumoniacutea
quemadura
nefritis
Tratamiento lavado de ojos con
contaminantes del cuerpo tratamiento ordinario de quemaduras lavado gaacutestrico
se a ingerido con solucioacuten de bicarbonato soacutedico al 5 seguido de una instilacioacuten
de gel de hidroacutexido de aluminio
Medidas
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores
IDO CLORHIacuteDRICO
loruro de hidroacutegeno es en extremo soluble en agua de hecho el aacutecido clorhiacutedrico
centrado contiene cerca del 38 en masa de clorur
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UAM-I
pronunciado que se debe al equilibrio entre el cloruro de hidroacutegeno gaseoso y
ste con el aacutecido fluorhiacutedrico el aacutecido clorhiacutedrico es un aacutecido fuerte (pKa = -
7) y se ioniza casi totalmente
gar de aacutecido sulfuacuterico auque en menor grado Por
jemplo el zinc metaacutelico reacciona con aacutecido clorhiacutedrico para dar el ion zinc e
hidroacutegeno gaseoso
Zn(s) + 2HCl(ac) ZnCl2(ac) + H2(g)
l para producir aacutecido clorhiacutedrico en el laboratorio es generar
cloruro de hidroacutegen e sodio y el aacutecido
ulfuacuterico En el primer paso a 150degC se forma hidroacutegeno sulfato de sodio
NaHSO4(s) + HCl(g)
io y maacutes
loruro de hidroacutegeno gaseoso Luego el gas se disuelve en agua para formar el
aacutecido
NaHSO4(s) + NaCl(s) Na2SO4(s) + HCl(g)
acuoso
HCl(ac) HCl(g)
El reactivo de grado teacutecnico a menudo tiene un color amarillento por una impureza
del ion hierro (III)
En contra
HCl(ac) + H2O(l) H2O+(ac) + Cl -(ac)
Por ello a menudo se prefiere usar aacutecido clorhiacutedrico diluido en lugar de aacutecido niacutetrico
que es muy oxidante y en lu
e
Cuando el zinc reacciona con el aacutecido niacutetrico es comuacuten que se reduzca una parte
del ion nitrato para dar dioacutexido de nitroacutegeno
El meacutetodo tradiciona
o gaseoso por la reaccioacuten entre el cloruro d
s
NaCl(s) + H2SO4(l)
La mezcla se calienta a 550degC temperatura a la cual el hidroacutegeno sulfato de sodio
reacciona con un exceso de cloruro de sodio para formar sulfato de sod
c
∆
Este meacutetodo se usa tambieacuten en la industria otra forma de producir cloruro de
hidroacutegeno es por la combinacioacuten directa de dicloro y dihidroacutegenogaseosos
Ingenieriacutea Quiacutemica 65
UAM-I
H2(g) + Cl2(g) 2HCl(g)
La mayor cantidad de cloruro de hidroacutegeno que se produce actualmente es un
CH4(g) + 4Cl2(g) 4(l) + 4HCl(g)
riacuten de superficies de acero en un bantildeo aacutecido en la purificacioacuten de glucosa
y jarabe de maiacutez e s y de gas y en la
bricacioacuten de compuestos clorados El aacutecido se puedo comprar en muchas
nducida por la luz
4HNO3(ac) 4NO2(g) + O2(g) + 2H2O(l)
niacutetrico como disolvente)
H2NO3+ H2O + NO2
+
l siguiente
3HNO NO3 ndash
subproducto de otros procesos industriales como la siacutentesis de tetracloruro de
carbono
CCl
Se consumen cerca de 107 toneladas de aacutecido clorhiacutedrico cada antildeo en todo el
mundo Este aacutecido tiene una gama muy amplia de usos como aacutecido comuacuten para
eliminar o
n el tratamiento con aacutecido de pozos petrolero
fa
ferreteriacuteas con el arcaico nombre de aacutecido muriaacutetico sus principales usos caseros
son la limpieza de superficies de concreto y la eliminacioacuten de herrumbre Un nuacutemero
muy reducido de personas es incapaz de sintetizar suficiente jugo gaacutestrico y deben
de ingerir caacutepsulas de aacutecido clorhiacutedrico diluido con cada comida
AacuteCIDO NIacuteTRICO
El aacutecido niacutetrico un liacutequido aceitoso e incoloro en estado puro es sumamente
peligroso El aacutecido que funde a ndash42degC y hierve a +83degC tiene por lo general un
ligero color amarillo a causa de una reaccioacuten de descomposicioacuten i
En un estado puro el aacutecido niacutetrico liacutequido praacutecticamente no conduce la electricidad
Una pequentildea porcioacuten se ioniza como sigue (todas estas especies existen en el aacutecido
2HNO3(l) H2NO3+ + NO3
ndash
H2O + HNO3 H3O+ + NO3 ndash
Para dar la reaccioacuten globa
3 NO2+ + H3O + 2+
Ingenieriacutea Quiacutemica 66
UAM-I
El catioacuten nitrilo es importante en la nitracioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas por ejemplo la
obenceno C6H5NO2 una etapa importante en
umerosos procesos industriales orgaacutenicos
El aacutecido niacutetrico con en agua mientras
ue el ldquoaacutecido niacutetrico fumanterdquo un oxidante extremadamente poderoso es una
vez de ello se produce una mezcla de
sistema que da un orden de
vista industrial el
oceso
e lleva a cabo en tres etapas Primero se hace pasar una mezcla de amoniaco y de
dioxiacutegeno (o aire) un proceso muy
ficiente y exoteacutermico que hace que la malla se ponga al rojo Esta etapa se verifica
conversioacuten de benceno C6H6 en nitr
n
centrado es en realidad una solucioacuten al 70
q
solucioacuten roja de dioacutexido de nitroacutegeno en aacutecido niacutetrico puro Incluso cuando esta
diluido el aacutecido niacutetrico es un oxidante tan fuerte que rara vez desprende hidroacutegeno
cuando se pone en contacto con metales en
oacutexidos de nitroacutegeno y el metal se oxido a su catioacuten
Los enlaces O-N son mucho maacutes cortos (121 pm) que el enlace O-N unidos al aacutetomo
de hidroacutegeno (141 pm) Esta longitud de enlaces indica que hay enlaces muacuteltiples
entre el nitroacutegeno y los dos aacutetomos de oxiacutegeno terminales Ademas de los electrones
del sistema σ hay cuatro electrones que participan en el sistema π O-N-O dos de un
orbital enlazante y dos en un orbital no enlazante
enlace de 112 para cada uno de esos enlaces nitroacutegeno- oxiacutegeno
A veces se nos olvida hasta queacute punto nuestra experiencia depende de la
termodinaacutemica y la cineacutetica Por ejemplo la primera siacutentesis industrial de aacutecido
niacutetrico se llevaba ha cabo por simple combinacioacuten de diniacutetrogeno dioxiacutegeno y agua
utilizando un horno de arco eleacutectrico a fin de proporcionar la energiacutea necesaria par
superar la muy elevada barrera cineacutetica Aunque desde el punto de
factor cineacutetico constituiacutea un problema en realidad es una bendicioacuten por que sin esta
barrera cineacutetica hace mucho tiempo que todo el dioacutexido de la atmoacutesfera se abriacutea
transformado en aacutecido niacutetrico y nuestros mares serian de aacutecido niacutetrico diluido
frac12 N2(g) + 54O2(g) + 12H2O(g) HNO3(g)
Ahora se utiliza el proceso Ostwald para la siacutentesis de aacutecido niacutetrico Este proceso
consume gran parte del amoniaco que se produce por el proceso Haber El pr
s
a traveacutes de una malla de platino metaacutelico Eacuteste es
e
a baja presioacuten para aprovechar el efecto entropico es decir la formacioacuten de 10
moles de gas a partir de 9 moles de gas (una aplicacioacuten del principio de Le Chatelier)
para desplazar el equilibrio a la derecha
Ingenieriacutea Quiacutemica 67
UAM-I
4NH3(g) + 5O2(g) 4NO(g) + 6H2O(g)
Se agrega maacutes oxiacutegeno para oxidar el monoacutexido de nitroacutegeno a dioacutexido de nitroacutegeno
A fin de mejorar el rendimiento de esta reaccioacuten exoteacutermica se extrae calor de los
ases y la mezcla se somete a presioacuten
2HNO3(l) + NO(g)
Esta reaccioacuten tambieacuten es exoteacutermica y una vez maacutes se aplica enfriamiento y alta
la
egunda etapa para oxidarlo de nuevo
La contaminacioacuten s de aacutecido niacutetrico
as plantas maacutes antiguas eran faacutecilmente identificables por la fumarola cafeacute-
antas maacutes antiguas ahora mezcla cantidades
en Estados Unidos porque un 20
dedica ala produccioacuten de explosivos
or ultimo el aacutecido niacutetrico es un liacutequido que hierve a 826degC No existe como liacutequido
g
2NO(g) + O2(g) 2NO2(g)
El dioacutexido de nitroacutegeno se mezcla con agua para dar una solucioacuten de aacutecido niacutetrico
3NO2(g) + H2O(l)
presioacuten par obtener el maacuteximo rendimiento El monoacutexido de nitroacutegeno se vuelve a
s
soliacutea ser un problema importante de las planta
L
amarillento del dioacutexido de nitroacutegeno que escapaba por ellas Las plantas maacutes
antiguas eran faacutecilmente identificable por la fumadora cafeacute-amarillo del dioacutexido de
nitroacutegeno que escapaba de ellas Las pl
estequiomeacutetricas de amoniaco con las oacutexidos de nitroacutegeno con lo cual se obtiene
dinitroacutegeno y vapor de agua ambos inocuos
NO(g) + NO2 (g) + 2NH3(g) 2N2(g) + 3H2O(g)
En todo el mundo alrededor del 80 del aacutecido niacutetrico se utiliza en la produccioacuten de
fertilizantes Esta proporcioacuten es de solo el 65
se
P
puro porque en alguna medida se descompone espontaacuteneamente como sigue
4HNO3(l) 4NO2(g) + 2H2O(l) + O2(g)
Ingenieriacutea Quiacutemica 68
UAM-I
El aacutecido niacutetrico concentrado que se usa en el laboratorio estaacute al 68 en masa HNO3
(densidad 142 gcm3) lo que corresponde a 157 M
l aacutecido niacutetrico es un poderoso agente oxidante El nuacutemero de oxidacioacuten del N en el
) El aacutecido niacutetrico puede oxidar
nto a metales que estaacuten abajo del hidroacutegeno como aquellos que se encuentran
4Zn2+(ac) + NH4
+(ac) + 3H2O(l)
do no oxida al oro Sin embargo cuando se mezcla con
cido clorhiacutedrico concentrado en relacioacuten 13 en volumen (una parte de HNO3 a tres
partes al oro
omo sigue
APEacuteNDICE F
ETODO DE DEPOSICIOacuteN-PRECIPITACIOacuteN
E
HNO3 es + 5 Los productos maacutes comunes de la reduccioacuten del aacutecido niacutetrico son el
NO2 (N = + 4) el NO (N = + 2) y el NH4+ (N = - 3
ta
arriba en la serie de actividades Por ejemplo el cobre es oxidado por el aacutecido niacutetrico
concentrado como se mencionoacute antes
En presencia de reductores fuertes como el zinc metaacutelico el aacutecido niacutetrico se puede
reducir hasta ion amonio
4Zn(s) + 10H+(ac) + NO3
-(ac)
El aacutecido niacutetrico concentra
aacute
de HCl) la disolucioacuten resultante denominada agua regia puede oxidar
c
Au(s) + 3HNO3(ac) + 4HCl(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O(l) + 3NO2(g)
M
Ingenieriacutea Quiacutemica 69
UAM-I
APEacuteNDICE G
ISENtildeO DEL MEZCLADOR [4]
1) 100 ml H2O gr soporte
2) NH4(OH)
Ajustar a PH = 9 4) HAuCl4 (solucioacuten acuosa al 25E-3M)
6) Filtrado o centrifugado
3) En Agitacioacuten por 2 hr
8) Secado por 2hr a 80 degC
9 ) Calcinado por 4hr a 400 degC
7) Lavado
5) Antildeegamiento por 30 min
D
Ingenieriacutea Quiacutemica 70
UAM-I
El disentildeo de un tanque agitado dis n nuacutemero de elecciones sobre el
po y localizacioacuten del agitador las proporciones del tanque el nuacutemero y dimensiones
ada una de estas decisiones afectan a la velocidad
e circulacioacuten del liacutequido los modelos de velocidad y el consumo de potencia Como
pone de un gra
ti
de las placas deflectoras etc C
d
punto de partida en el disentildeo de los problemas ordinarios de agitacioacuten generalmente
se utiliza un agitador de turbina del tipo que se muestra en la figura 1 La proporcioacuten
tiacutepica es
31
=t
a
DD
1=tD
H 121
=tD
J 51
=aD
W 41
=aD
L
de estas ecuaciones se disentildeara el mezclador como datos se tiene el valor H que es
igual a 3 mts y el diaacutemetro del tanque D
Se determinara la medida de los reflectores
t que es igual 3 mts
121
=tD
J se despeja J
elacioacuten R31
=t
a
DD
se despeja Da
Relacioacuten
41
=aD
L se despeja L
elacioacuten se despeja W
( ) ( ) cmmtsmtsDJ 25250311==⎟
⎞⎜⎛=⎟
⎞⎜⎛= t 1212 ⎠⎝⎠⎝
( ) ( ) mtsmtsDD ta 1331
31
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=
( ) ( ) mtsmtsDL a 250141
41
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛= cm25=
51
=aD
WR
Ingenieriacutea Quiacutemica 71
UAM-I
Figura 2 a) Vista transversal del mezclador b) paletas del mezclador con la
donde se deposita el soporte
Figura 1 Medidas de un agitador de turbina
a) b)
s rejillas
H
J
E L
Da
D t
W
W
( ) ( ) cmmtsmtsDW a 2020151
5==⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎜⎝
=1 ⎞⎛
Ingenieriacutea Quiacutemica 72
UAM-I
35 BALANCE DE MATERIA DIAGRAMA DE FLUJO PARA DIFERENTES LOTES DE SOPORTE EN UN SOLO MEZCLADOR
Catalizadores de Oro So
05 Kg Au
10
0
086 Kg HAuCl4(ac)014 Kg H2O
035 Kg NO2(g)
2
35 Kg NH4(OH)(ac) (01M)
10000 Kg H2O
100 Kg Al3O
100 Kg Al2O3 (9965) 035 Kg Au (035) 025 Kg Cl2
026 Kg HauCl4(ac)35 Kg NH4(OH)
1101035 Kg H2O
O MEZCLADOR (t0)
10035 Kg catalizador
86 KgHAuCl4(ac)101035 Kg H2O
037 Kg HCl (ac) (105 M) 048 Kg HNO3(ac) (152 M)
porta
Kg N
30 Kg Al2Cl3
101021 Kg H2
do
H4 (OH) (ac) (01M) 30 Kg Al2O3 (9965) 01 Kg Au (035)
007 Kg Cl2
)
3
)
301 Kg catalizador MEZCLADOR (t1)
009 Kg HauCl4(ac)45 Kg NH4(OH)
1101035 Kg H2O
MEZCLADOR 1054 Kg catalizador
105 Kg Al2O3
(t2)
105 Kg Al2O3 (9965)
035 Kg NH4 (OH) (ac) (01M
004 Kg Au (035) 003 Kg Cl2
23 Kg Al2O
MEZCLADOR
(t3)23 Kg Al2O3 (9965)
2308 Kg catalizador
008 m3 NH4(OH) (ac) (01M
002 Kg HauCl4(ac)485 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
0008 Kg Au (035) 0006 Kg Cl2
0003 Kg HauCl4(ac)493 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
31
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado 32
DIAGRAMA DE FLUJO PARA UN MEZCLADOR
MEZCLADOR
1101035 Kg H2O
1428 kg γ-Al2O3
086 Kg HAuCl4
493 Kg NH4(OH)
0003 Kg HauCl4(ac)493 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
1433 Kg Catalizador
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
36 DIAGRAMA DE LA INDUSTRIA
INDUSTRIA DE CATALIZADORES
TANQUE DE TRATAMIENTO HORNO
CISTERNA 1
CONTENEDORDE AuCl3 CONTENEDOR DE
NH4OH ZONA DE LLENADO
DE SAPORTE
SE LLEVA AL HORNO
MANUALMENTE
PRODUCTOALMACEacuteN
Contenedor de HAuCl4
Figura 2 Diagrama de la distribucioacuten del equipo dentro del aacuterea de produccioacuten
33
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
37 DIMENSIONES DEL EQUIPO Y TUBERIacuteA
2 mts
2 mts 2 mts 6 mts 4 mts 3 mts 5mts 5 mts 3 mts 6 mts 3
3mts 3 mts 3mts 3 mts 3 mts
4 mts 1 5 mts 1 5 mts 4mts 4 7mts 4 mts 21 mts 7 2mts 26 mts 2 mts 21 mts 6 mts
3 5 mts 14 mts 6 mts 8 mts 1 5 mts 3 mts 5 mts 13 mts 8 mts 20 mts 30 mts
IN D U ST R IA D E C A T A L IZ A D O R E S
T AN Q U E D E T R AT AM IE N T O H O R N O
C IST E R N A 1
C O N T EN ED O RD E Au C l3
C O N T EN E D O R D E N H 4O H
ZO N A D E L LEN AD O D E SO PO R T E
AG UA PAR A JAR D IN ES
M E Z C L A D O R E S 12 3 y 4
1 2 3 4
A L M A C Eacute N
Contenedor de HAuCl4
Figura 3 Dimensiones del equipo y tuberiacutea requerida
34
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
38 PLANO DE DISTRIBUCIOacuteN DE AacuteREAS
Figura 4 Aacutereas de trabajo dentro de la planta
35
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
DIMENSIONES DE LA INDUSTRIA
Figura 5 Dimensiones de cada aacuterea de la planta industrial
36
UAM-I
Ingenieriacutea Quiacutemica 37
10 cm 3mts 1 mts 25 cm 15cm 5 cm 5 cm 3mts 150 mts 10 cms 100 mts 20 cm
003 mts
Figura 6 Dimensiones del mezclador y del Agitador
UAM-I
Las dimensiones de las canastillas se determinaron a partir del balance de masa y la
produccioacuten requerida La carga de un contenedor de soporte que es de 100kg del
cual el agitador tiene 4 canastillas cada una corresponde 25 Kg la masa se obtuvo
del balance de materia y su densidad 600 Kgm3 con el que se obtuvo un volumen de
0043 m3
39 ANAacuteLISIS FINANCIERO
El costo de materias primas se muestra en la Tabla 2 en la que tambieacuten se incluyen
los flujos de alimentacioacuten requeridos para el proceso a partir de los cuales se
determinaron los costos diarios
Tabla 2 Costo de materias primas [5]
Compuesto
Alimentacioacuten
por diacutea
Costo
USDKg
Costo Total
USDdiacutea
Au 2 kg 10596 2119200
HCl 15 Kg 52 780
HNO3 20 Kg 022 044
-Al2O3 5712 Kg 034 19421
Canastillas 500 piezas 15 75000
NH3(OH) 200 Kg 034 680
H2O 440414 Kg 282 282
Total de Materia Prima 2215407
El costo se determinoacute considerando la cantidad de material el tamantildeo y el costo de
manufactura
El costo se determinoacute para uso industrial conforme establece la tesoreriacutea de
Meacutexico
Ingenieriacutea Quiacutemica 38
UAM-I
PERSONAL REQUERIDO PARA LA INDUSTRIA
La Tabla 3 establece los salarios mensuales anuales y las prestaciones del IMSS
para el personal de la planta
Tabla 3 Salarios y Prestaciones del Personal
Mano de Obra (USDmes)p
ersona
USDmes USDantildeo Prestaciones
IMSS
1 Gerente 2000 2000 24000
1 Administrador 1000 1000 12000
1 Secretaria 400 400 4800 1193
Total de Salarios
Administrativos
40800 1193 409193
9 Obrero 150 150 1800 448
1 Teacutecnico 200 200 2400 597
1 Policiacutea 200 200 2400 597
1 Mantenimiento 180 180 2160 538
1 Limpieza 150 150 1800 448
Total de Salarios
Proceso
10560 2628 108228
Los salarios se determinaron en base al salario miacutenimo vigente en la Ciudad de
Meacutexico (2003)[29]
Ingenieriacutea Quiacutemica 39
UAM-I
PERSONAL
Departamento de produccioacuten
Se tendraacute 2 obreros en el llenado de soporte en las rejillas un obrero encargado del
traslado de rejillas por medio de la banda de los motores a cada contenedor un
obrero en cada contenedor de NH4OH y HAuCl4 en cada mezclador se tiene 1
obrero para descargar y cargar las rejillas a la banda que se trasladaran al horno en
el horno se tiene 1 obrero encargado del secado y calcinado el producto se traslada
al almaceacuten donde estaraacuten 2 obreros que reciben el producto y materias primas de los
proveedores se tiene 1 teacutecnico supervisando los equipos un encargo del
mantenimiento de los equipos
Departamento de personal
Gerente de la industria un administrador encargado de compra y venta de materias
primas una secretaria
Ingenieriacutea Quiacutemica 40
UAM-I
CAPITAL FIJO
La Tabla 4 muestra el costo de los equipos requeridos en la planta asiacute como el
Capital Fijo y la Inversioacuten del Capital Total
Tabla 4 El equipo se costeo usando las correlaciones de Ulrich [6] y empleando el
programa de Capcost
EQUIPO USD
4 Contenedores 23584
4 Agitadores (456kW) 269760
1 Horno (25 kW) 15700
15 Bombas (1469kW) 43081
1 Motor (114 kW) 67440
Tuberiacuteas 42150
2 Cisternas 174183
Vaacutelvulas 1283
Accesorios
(codos 90ordm y de 45ordm te)
1474
CAPITAL FIJO 638655
Capital de Trabajo 9579825
INVERSIOacuteN DE
CAPITAL TOTAL
73445325
Los caacutelculos y las correlaciones empleadas para el costeo del equipo se anexan en
el Apeacutendice A
Ingenieriacutea Quiacutemica 41
UAM-I
GASTOS GENERALES
Tabla 5 Proporciona el total de gastos anuales con lo cual se estima el precio por
kilo de catalizador y por unidad purificadora
Tabla 5 Gastos Generales anuales
USDAntildeo
Materias Primas 531697680
Mano de Obra de Operacioacuten 1082280
Mano de Obra de Oficina 4091930
Servicios Electricidad 2620100
Total de Gastos Generales 539491990
CFE
Produccioacuten diaria de Catalizador = 574 Kg
Precio de Catalizador = 40 USDKg
Produccioacuten diaria de unidades purificadoras = 500
Precio por unidad = 50USD
Ganancia diaria = 22960 USD
Ganancia Anual = 5510400 USD
DETERMINACIOacuteN DE LA RENTABILIDAD DEL PROYECTO
TPI (Actual) = 10
PR (Factor de riesgo) = 25
TREMA = TPI + PR
TREMA = 35
TIR (del proyecto) = 90
TIR gt TREMA
Puesto que la TIR es mayor que la TREMA se tiene que el proyecto es rentable [6]
Ingenieriacutea Quiacutemica 42
UAM-I
310 CONCLUSIONES
En el desarrollo de la industria para la fabricacioacuten de catalizadores se tuvo un
resultado satisfactorio a pesar de la falta de informacioacuten disponible acerca de
industrias de catalizadores debido a que esta informacioacuten no es publica El proyecto
que elaboramos es novedoso en nuestro paiacutes ya que no existen registros de una
industria que produzca catalizadores de oro soportados en aluacutemina
Durante el desarrollo del proyecto se planteoacute trabajar con compuestos como NOx y
COVS sin embargo debido a la falta de tiempo no se logroacute concluir la
experimentacioacuten en estos campos Debido a esto se tomoacute la decisioacuten de trabajar en
la oxidacioacuten cataliacutetica de CO Esto debido a varios factores por ejemplo la
disponibilidad de gases y sobre todo los costos que esto implicaba
Para el desarrollo del catalizador se analizaron diferentes tipos de preparacioacuten y se
eligieron dos meacutetodos diferentes Deposicioacuten-precipitacioacuten e Impregnacioacuten Los
catalizadores se evaluaron bajo diversas condiciones en la oxidacioacuten de CO El
catalizador que presentoacute mayor conversioacuten con el catalizador a baja temperatura fue
el sintetizado por el meacutetodo de Deposicioacuten-precipitacioacuten el cual se utilizoacute para el
disentildeo de la Industria El disentildeo estaacute basado en la forma de preparacioacuten del
catalizador Por esto la parte maacutes importante de la planta es el tanque de mezclado
el cual se disentildeo tomando en cuenta los diferentes disentildeos de agitadores para tener
un mezclado oacuteptimo Se incorporo en la parte superior del agitador las canastillas
para las pastillas cataliacuteticas y el tipo de Horno que se usara para el secado y
posteriormente el calcinado Una parte importante es la produccioacuten de catalizador
para este problema se investigoacute en que parte se podriacutea utilizar a diferencia de los
catalizadores para automoacuteviles Se llego a la decisioacuten de poder desarrollar un
catalizador para los calentadores de agua se obtuvo informacioacuten de la fabrica de
calentadores cal-o-rex en la produccioacuten diaria de calentadores y de esta informacioacuten
se pudo calcular la posible demanda de nuestro producto Una parte importante en
las industrias son el tipo de bombas ya que existen diversos modelos en nuestro
disentildeo se escogioacute las bombas centriacutefugas con rodetes para agua que contiene
pequentildeas partiacuteculas de soacutelidos
En la parte de servicios para personal se investigo los sueldos de cada empleado Se
determinoacute el costo de los equipos y finalmente llegamos a la parte que nos interesa
Ingenieriacutea Quiacutemica 43
UAM-I
del disentilde es decir si el proyecto es rentable o no En este caso particular se tuvo un
valor aceptable y se definioacute que el disentildeo es rentable Esto indica que seria una
industria que tendriacutea ganancias y a la vez que el producto que se fabrique nos
ayudaraacute a todos a reducir la emisioacuten de CO en los hogares aportando una pequentildea
ayuda al medio ambiente
COMENTARIOS
Los conocimientos adquiridos durante este tiempo fueron provechosos en la parte
teoacuterica y praacutectica aclaramos dudas de como y porque se comportan las reacciones
quiacutemicas y los procesos de flujos Durante el desarrollo del proyecto aprendimos a
observar y la importancia de entender fiacutesicamente las algunos procesos relacionados
con la siacutentesis y caracterizacioacuten de materiales cataliacuteticos
Ingenieriacutea Quiacutemica 44
UAM-I
38 BIBLIOGRAFIacuteA
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UAM-I
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Ingenieriacutea Quiacutemica 46
UAM-I
APEacuteNDICE A
CRITERIOS PARA DETERMINAR QUIEacuteN CONTROLA EL PROCESO
Criterio de weisz para difusioacuten interna
Ec(12-16 Fogler) Los valores que se sustituyen en las siguientes ecuaciones fueron
tomados del catalizador que se analizo en el laboratorio
CWP = ( )
AS
cObsA
DeCRcr 2minus
lt 1
-rA(Obs) = velocidad de reaccioacuten observada molgcats Cc = concentracioacuten volumeacutetrica molm3
CAS = concertacioacuten en la superficie molm3
D= diaacutemetro del granulo m R = radio del granulo m De = difusividad efectiva m2s
d = 0149mm mxmm
m 4104911000
1 minus=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
CWP = ( )( )3
32
24
33
103470184200350
21049150800010681
minus
minusminus
=⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞⎜
⎝⎛
x
mmol
hrm
mxcatm
gcathgcat
molx
734x10-3 lt 1 No hay limitante por la difusioacuten interna
Ingenieriacutea Quiacutemica 47
UAM-I
Criterio de mears para difusioacuten interna Ec(12-62 Fogler)
Mm = 150ltAbc
bA
CkRnr ρminus
Mm =( )( )
0570
136000184200220
31110457508000106851
3
53
3
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ minusminus
hrs
mmol
sm
mxcatmgcat
hgcatmolx
0057 lt 015 no hay efecto de transferencia de masa externa Calculo de Dab para calcular el coeficiente de trasferencia de masa Ec(78 Lobo)
De =
KAAB DD11
1
+
DKA = 970X103 (80X10-8)(s
cmK 221 1090)
2400( =
DAB = 00018583ABAB
BA
PMMT
Ω
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ +
2
2123 11
γ
Para CO
0110=isin
Bk 0593 A=γ
Para O2
Ingenieriacutea Quiacutemica 48
UAM-I
0113=isin
Bk 0453 A=γ
( ) 51343359321
=+=ABγ
( )( )[ ] 21113110BAB k=isin A la temperatura de 400degK
( ) 583))113)(110((
40021 =
deg=
isin B
B
AB
B
KKKTK
Ω AB = 0907 Sustituyendo
DAB =s
cm2
2
2123
9730)9070()513(
)21281()400(00185830=
+
De = hrm
hrs
cmm
scm 222
03501
3600100
10980
10901
97301
1=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
+
Calculo de Kc Sh = (Re)12(Sc)13
Velocidad superficial
V = sm
shr
hrm
mxhr
m
Av
c
02036001976
1087
006025
3
0 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛== minus
Ingenieriacutea Quiacutemica 49
UAM-I
Re= ( ) 240)1062)(501(
)10491)(020(
1 25
4
=minus
=minus minus
minus
smx
mxsmvd p
νφ
Sc= 672)3600
1)(0350(
10622
25
==minus
shr
hrm
smx
Dv
AB
Sh= ( 024 )12 ( 267 )13 = 0679
Kc = Shdp
DAB⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛minusφ
φ1
Kc = ( )sm
mxs
mx02206790
10491
10729
50501
4
26
=⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛minus
minus
minus
Calculo de numero Thile con el radio que usara a nivel industrial
φ = L ( )DkCn n
AS
21 1minus+
L = 3R
Sustituyendo
φ = 66x10-4 m( )
( )
450
03502
018420
5480941311
3
30
3330
313
=
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+
catmhrm
mmol
hrcatmmolm
η = 1 con los resultados anteriores se observa que quieacuten limita es la velocidad de
reaccioacuten Por lo que se procede a calcular el peso y longitud de catalizador
necesaria para muestro purificador sustituyendo los valores del Boiler
Ingenieriacutea Quiacutemica 50
UAM-I
Peso del Catalizador w =
( ) grcatgcatLn
gcatm
mmol
hrcatmmolm
hrm
xLn
kCv
A
66476639401
1
6000001578
548094
19836
11
330
3330
313
3
0
0 asymp=minus
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
minus
g 664=w
33
3
1011
mg60000
g 664 mxwv minus===ρ
m 035003101011
2
33
==minus
mmxL
cm 531000350 == xL
Ingenieriacutea Quiacutemica 51
UAM-I
APEacuteNDICE B BALANCE DE MASA DE LA PREPARACIOacuteN DE HAUCL4 Au(g) + 3HNO3(ac) + 4HCL(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O + 3N02(g) (152 M) (105M)
cantidad de mol Au = 05 kg Au x molAu
grAumolAux
kggr 542
971961
11000
=
cantidad de kg HNO3 = ( ) 33
33 480
10001
1635423 kgHNO
grkgx
molHNOGRHNOxHNOmol =
cantidad de kgHCl = ( ) kgHClgr
kgxmolHCl
grHClHClxmol 3701000
11
5365424 =
cantidad de kgHAuCl4 = 254molHAuCl4 x 44
8601000
11
97339 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
gr=
cantidad de kgH2O = 3( 254mol)H20 x OkgHgr
kgxOmolHOgrH
22
2 1401000
1118
=
cantidad de Lt H20 = 762molHNO3 x OltHOkgHOLtH
22
2 14011
=
cantidad de Lt H20 = 1016 mol HNO3 x 050215
012
2 LtHmol
LtH=
cantidad de LtH20 = 1016mol HCl x OLtHLtHmolHCl
LtH22
2 010970510
01asymp=
cantidad de MHAUCl4 = ( ) ( ) ( ) MHltltlt
ClmolHAU 7210850490140
542
2
4 asymp++
cantidad de kg NO2(g) = 3( 254mol)NO2 x )(22
2 3501000
1146
SkgNOgr
kgxmolNO
grNO=
Ingenieriacutea Quiacutemica 52
UAM-I
05 kg Au 048 kgHNO3 035 kgNO2 101021 kgH20 (152M) 037 kgHCl(ac)
(105 m) 086 kg HAuCl4 (ac) 086 kg HAuCl4 (ac)
(17 M) 014 kgH20 (25x10-3M) 014kg H20 (L) 086kg HAuCl4 035kgNO2 (g) 101185kg H20 Cantidad de H20 = 086 kgHAuCl4
x 08510110101
105201
173341
11000
22
23
24 kgHLtHkgHx
MxltHx
grmolHAuClx
kggr
=minus
pero (101185 ndash 014 ndash 05 ndash 1) kg H20 = 101021 kg H20 100ml H20 por 1 gr soporte 35kg NH4 (OH)(AC) 10000kgH20 100 kg γAl203 (9965) 035kgAu (035) 100kg γAl203 025kgCl2 086kg HAuCl4 026kgHAuCl4
101185 kg H20 35kgNH4 (OH)(AC) 1101185kgH20 cantidad de kgHAuCl4 = 015kgAu x
44
4 2601000
11
973391
197196
147196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxgrAu
molxkg
gr=
cantidad de NH4(OH) = 100kg γ Al203 x
Ingenieriacutea Quiacutemica 53
UAM-I
kgNHxmol
grx
mlmol
xOAlgr
OHmlNHx
kg
gr53
10001
1
35
100010
1
)(10
1
1000
32
4=
γ4(OH)
30kg γAL2O3 1 kgNH4(OH)(AC) 30 kg γ Al203 (9965) 010 kg Au (035) 026kgHAuCl4 007kg Cl2 35kgNH4(OH) 1101185 kgH2O 0086kgHAuCl4 45 kg NH4(OH)(AC) 1101185 kg H20
cantidad de γ Al2O3 = 026kgHAuCl4 x 324
32 02330860
100 AlkgkgHAuCl
OAlkg γγ=
cantidad de kgAu = 035 x kgAukg 10506599
30=
cantidad de kg Cl2 = 01 kgAu x
22
2 07201000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de HAuCl4 = 005kgAu x
44
4 08601000
11
973391
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 54
UAM-I
cantidad de kgNO4(OH) = 30 kg γ Al203 x ( )OHkgNHAlkg
OHkgNO4
32
4 0510100
)(53=
γ
105 kg γ Al203 035 kg NH2(OH) 105 kg γ Al203 (9965) 004 kg Au (035) 009kg HAuCl4 003 kg Cl2 45kgNH4(OH) 1101185 kg H20 0017kgHAuCl4 485kgNH4 (OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 009 HAuCl4 x 324
32 04710860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad kg de NH4 (OH) = 105kg γ Al203 x ( ) )(3500100
534
32
4 OHkgNHAlkg
OHkgNH=
γ
cantidad de Cl2 = 004 kg Au x
22
2 02901000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
gAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 =
44
44 02001701000
11
973391
197196
11
1000010 kgHAukgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgr
molAuxkg
grkgAux asymp=
Ingenieriacutea Quiacutemica 55
UAM-I
23 kg γ Al203 008kgNH4(OH) 002 kg HAuCl4 23 kg γAl203 (9965) 485kgNH4(OH) 0008kgAu(035) 1101185kg H2 0001kg Cl2
0014 kg HAuCl4 493kgNH4(OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 002kgHAuCl4 x 324
32 032860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad de kg Au = 035 x kgAukg 00806599
32=
cantidad de kgCl2 = 0002kgAu x
24
4 00101000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 = 0008kgAu x
44
44 01401000
11
973341
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 56
UAM-I
APEacuteNDICE C ACCESORIOS EN EL DISENtildeO
Agitador
Agitadores de Heacutelice se escogioacute este tipo de agitador por ser tener las siguientes
caracteriacutesticas [3]
bull Es un agitador de flujo axial
bull Se emplea para liacutequidos pocos viscosos
bull Giran a toda la velocidad del motor
bull Las corrientes de flujo se mueven a traveacutes del liacutequido en una direccioacuten
determinada hasta que son desviadas por el fondo o las paredes del tanque
bull Las palas de la heacutelice cortan o friccionan vigorosamente el liacutequido
bull Los agitadores de heacutelice son eficaces para tanques de gran tamantildeo
Horno
bull El horno se escogioacute por ser tener las siguientes caracteriacutesticas [5]
bull El horno de construccioacuten metaacutelica
bull La caacutemara de combustioacuten estaacute construida mediante hormigones refractarios
de alta resistencia mecaacutenica
bull Las materias secar y calcinar se carga de forma manual
Ingenieriacutea Quiacutemica 57
UAM-I
Bomba
DISENtildeO Bomba centrifuga para operacioacuten horizontal o vertical del impulsor
cerrado succioacuten al extremo descarga hacia arriba tangencial simple succioacuten de un
paso con carcaza partida verticalmente [3]
ROTACIOacuteN En el sentido del reloj vista desde el cople
CARACTERIacuteSTICAS Conexiones brindadas con registro ubicado en la cabeza de
succioacuten para facilitar su limpieza
SERVICIO Debido a que es posible colocarla en posicioacuten horizontal o vertical tanto
en caacutercamos secos como huacutemedos y por el disentildeo de su impulsor que soacutelidos de
gran tamantildeo esta bomba es ideal para los procesos de tratamientos de agua y
manejo de liacutequidos en suspensioacuten en general
CAPACIDADES
GASTO Hasta 3000 GPM
CDT Hasta 80rsquo
PRESIOacuteN 106 Kgcmsup2
POTENCIA De 1 a 60 Hp
VELOCIDAD (1175 - 3550 RPM)
TEMPERATURA 125degC
Ingenieriacutea Quiacutemica 58
UAM-I
Bombas Centriacutefugas
Las maquinas centriacutefugas estaacuten constituidas por un impulsor o rodete formado por
una serie de aletas radiales diversas formas y curvaturas que giran dentro de una
caja circular El fluido penetra por el ojo o eje de rotacioacuten y se descarga maacutes o
menos radialmente en una caacutemara perifeacuterica a una elevada presioacuten que
corresponde a la suma de la fuerza centriacutefuga de la rotacioacuten maacutes la cineacutetica
comunicada al fluido por las aletas La parte moacutevil de la bomba es el rodete Las
aletas del rodete se extienden desde el centro de rotacioacuten hacia la periferia y las
bridas son los discos de refuerzo a cada lado de las aletas que las envuelven Las
aletas pueden ser radiales curvadas ligeramente hacia delante en el mismo sentido
de la rotacioacuten o estar curvadas al reveacutes en el caso maacutes comuacuten en el disentildeo se
determino el rodete siguiente por sus caracteriacutesticas Fig 1
Figura 1 Corte parcial de un rodete de centriacutefuga para grandes cargas y secciones
de paso estrechas empleando con liacutequidos corrosivos o suspensiones de pequentildeas
partiacuteculas[4]
Ingenieriacutea Quiacutemica 59
UAM-I
APENDICE D CALCULO DE POTENCIA DE BOMBAS (8)
Potencia de la bomba de la cisterna 1 que alimenta a los mezclador 4
Ecuacioacuten de Bernoulli
sum sumint =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛+++∆+∆i i
i
P
P
evvfDLvwdphgv 0
21
21
ˆ1
21 222
2
1ρ
a b c d e f
a Diferencia de velocidades
b Diferencia de alturas
c Diferencia de presiones
d Trabajo
e Perdidas de friccioacuten en tuberiacuteas
f Perdidas de friccioacuten en accesorios
En la ecuacioacuten anterior se pueden eliminar algunos teacuterminos
21 mts
6 mts 35 mts
Figura 1 Balance de cisterna 1 a mezclador 4
Se debe de tener dos puntos de referencia para la utilizacioacuten de la ecuacioacuten de
Bernoulli de los cuales se anotaron en la figura 2
Ingenieriacutea Quiacutemica 60
UAM-I
21 mts
2 1 6 mts 35 mts
Figura 2
Teniendo los puntos de referencia se analiza que las diferencias de velocidades son
cero en ambos puntos por lo tanto el termino 2
21 ν∆ es igual a cero
El termino de = (981hg∆ 2segm )(35m ndash 0) = 34335 2
2
segm
El termino de int2
1
1P
P
dpρ
se tiene que la cisterna y el tanque de mezclado ambos no
estaacuten cerrados y por lo tanto no originan un cambio de presioacuten y el termino es cero
De esta expresioacuten L longitud de tuberiacutea
tro de tuberiacutea
n el interior del tubo
v
Para la l radio del tubo que
sum ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
i
fDL2
21 ν
D diaacuteme
f perdidas de friccioacuten e
velocidad del flujo de agua
obtencioacuten de la velocidad se tiene el flujo volumeacutetrico y e
es de 32 cm =0032mts con la ecuacioacuten
Ingenieriacutea Quiacutemica 61
( )( ) sm
ms
m
RQ 761
032060min1)
min340(
2
3
2 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
==ππ
ν
UAM-I
Se reportan valores de perdida de fr
e reduce teacuterminos
iccioacuten en tubos que son igual a 005
Por lo tanto sustituyendo los teacuterminos en la ecuacioacuten de Bernoulli s
sum sumint =⎟⎠
⎜⎝
+⎟⎠
⎜⎝
+++∆+∆i i
iP
evvfD
vwdphgv 022
ˆ2
1ρ
⎞⎛⎞⎛ L 111 2222
or tanto el termino de trabajo queda expresado de la siguiente manera
tanto la bomba comunica al fluido que circula en el sistema un trabajo
+11727
P1
p w
sum sum ∆minus⎟⎠⎞
⎜⎝⎛minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛minus=
i ii
hgevvfDLvw 22
21
21
ˆ
( ) ( )
Este es el trabajo ( por unidad de masa) producido por el fluido en la bomba por lo
22
sm o 11727 981 = 1195
m
fKg
Kgm
La velocidad de flujo de masa es
Por lo tanto
1 )=6694
951)(675(ˆ =minus=minus WwW smkg f = 088Hp = 1Hp
Siendo esta ida para esta bomba El procedimiento anterior se
iguioacute para cada bomba de la planta
AP E
la potencia requer
s
EacuteNDICE
TOXICOLOGIacuteA DE MATERIAS PRIMAS [6]
( ) ( ) ( )( ) ( )( )msm
smmmm
sm 538192201150761
21050
032021536761
21
2
22minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ +minus⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ++
minus=wm
22
27117ˆ smw minus=
( )s
kgmkgQw m675100060340 3 === ρ
Ingenieriacutea Quiacutemica 62
UAM-I
HIDROacuteXIDO DE SODIO
Polvo corrosivo blanco delicuescente
Toxicidad
Concentracioacuten Maacutexima permisible 2mgm3 en aire
Signos y Siacutentomas Conjutivitis quemaduras corneales y de la piel Irritacioacuten
seas vomito dolor abdominal y diarrea a veces con
Lavado de las partes afectadas tranquilizantes sulfato de
decuada gafas protectoras o pantallas para
ignos y Siacutentomas Irritacioacuten de ojos quemaduras corneables tos dolores
l hemoptisis dolor de cabeza dolor epigaacutestrico nauseas y vomito
lmonar
Tratamiento lavado de ojos con agua reposo oxigeno con aparato de respiracioacuten
con onantes
ACIDO NITRICO
Liquido corrosivo sofocante de incoloro a amarillento
ioacuten maacutexima permisible 10ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
del tracto respiratorio nau
sangre
Tratamiento
morfina para el dolor y cortisona
Medidas preventivas Ventilacioacuten a
la cara completa mascarilla con filtro mecaacutenico guantes delantares botas de
goma y acentuar la limpieza personal
CLORO
Gas pasado amarillo verdoso
Toxicidad
Conc Maacutexima permisible 1 ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten
S
retrosterna
debilidad cianosis y edema pu
trolada bronco dilatadores y descongesti
Toxicidad
Concentrac
Ingenieriacutea Quiacutemica 63
UAM-I
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
Signos y siacutentomas Erosioacuten dental estornudo tos Dolor en el pecho bronquitis y
la las partes contaminadas del cuerpo con solucioacuten al 5 de
de las quemaduras con pantildeos
de triacuteo sulfato soacutelido si se a ingerido
vado de ojos con agua
ACIDO CLORIDRICO
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
ivitis necrosis corneal por inhalacioacuten rinitis erosioacuten
dolor de cabeza palpitacioacuten por ingestioacuten
s en la boca faringe esoacutefago estomago salivacioacuten vomito Soc
agua lavada de agua y jaboacuten de las partes
preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
AacuteC
El c
con o de hidroacutegeno una
concentracioacuten de 12 molLt Este aacutecido es un liacutequido incoloro con un olor aacutecido
bronconeumoniacutea
Tratamiento
bicarbonato soacutelido o con agua y jaboacuten Tratamiento
mojados con solucioacuten saturada
administracioacuten por viacutea oral de solucioacuten de jaboacuten Hidroacutexido caacutelcico o alumiacutenico u
oacutexido de magnesio
Medidas preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores excluir de la exposicioacuten
a los individuos con enfermedades de pulmones y rintildeones
Gas incoloro o liacutequido o a amarillento
Toxicidad
Concentracioacuten maacutexima permisible 5ppm en aire
Signos y siacutentomas conjunt
dental laringitis bronquitis neumoniacutea
quemadura
nefritis
Tratamiento lavado de ojos con
contaminantes del cuerpo tratamiento ordinario de quemaduras lavado gaacutestrico
se a ingerido con solucioacuten de bicarbonato soacutedico al 5 seguido de una instilacioacuten
de gel de hidroacutexido de aluminio
Medidas
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores
IDO CLORHIacuteDRICO
loruro de hidroacutegeno es en extremo soluble en agua de hecho el aacutecido clorhiacutedrico
centrado contiene cerca del 38 en masa de clorur
Ingenieriacutea Quiacutemica 64
UAM-I
pronunciado que se debe al equilibrio entre el cloruro de hidroacutegeno gaseoso y
ste con el aacutecido fluorhiacutedrico el aacutecido clorhiacutedrico es un aacutecido fuerte (pKa = -
7) y se ioniza casi totalmente
gar de aacutecido sulfuacuterico auque en menor grado Por
jemplo el zinc metaacutelico reacciona con aacutecido clorhiacutedrico para dar el ion zinc e
hidroacutegeno gaseoso
Zn(s) + 2HCl(ac) ZnCl2(ac) + H2(g)
l para producir aacutecido clorhiacutedrico en el laboratorio es generar
cloruro de hidroacutegen e sodio y el aacutecido
ulfuacuterico En el primer paso a 150degC se forma hidroacutegeno sulfato de sodio
NaHSO4(s) + HCl(g)
io y maacutes
loruro de hidroacutegeno gaseoso Luego el gas se disuelve en agua para formar el
aacutecido
NaHSO4(s) + NaCl(s) Na2SO4(s) + HCl(g)
acuoso
HCl(ac) HCl(g)
El reactivo de grado teacutecnico a menudo tiene un color amarillento por una impureza
del ion hierro (III)
En contra
HCl(ac) + H2O(l) H2O+(ac) + Cl -(ac)
Por ello a menudo se prefiere usar aacutecido clorhiacutedrico diluido en lugar de aacutecido niacutetrico
que es muy oxidante y en lu
e
Cuando el zinc reacciona con el aacutecido niacutetrico es comuacuten que se reduzca una parte
del ion nitrato para dar dioacutexido de nitroacutegeno
El meacutetodo tradiciona
o gaseoso por la reaccioacuten entre el cloruro d
s
NaCl(s) + H2SO4(l)
La mezcla se calienta a 550degC temperatura a la cual el hidroacutegeno sulfato de sodio
reacciona con un exceso de cloruro de sodio para formar sulfato de sod
c
∆
Este meacutetodo se usa tambieacuten en la industria otra forma de producir cloruro de
hidroacutegeno es por la combinacioacuten directa de dicloro y dihidroacutegenogaseosos
Ingenieriacutea Quiacutemica 65
UAM-I
H2(g) + Cl2(g) 2HCl(g)
La mayor cantidad de cloruro de hidroacutegeno que se produce actualmente es un
CH4(g) + 4Cl2(g) 4(l) + 4HCl(g)
riacuten de superficies de acero en un bantildeo aacutecido en la purificacioacuten de glucosa
y jarabe de maiacutez e s y de gas y en la
bricacioacuten de compuestos clorados El aacutecido se puedo comprar en muchas
nducida por la luz
4HNO3(ac) 4NO2(g) + O2(g) + 2H2O(l)
niacutetrico como disolvente)
H2NO3+ H2O + NO2
+
l siguiente
3HNO NO3 ndash
subproducto de otros procesos industriales como la siacutentesis de tetracloruro de
carbono
CCl
Se consumen cerca de 107 toneladas de aacutecido clorhiacutedrico cada antildeo en todo el
mundo Este aacutecido tiene una gama muy amplia de usos como aacutecido comuacuten para
eliminar o
n el tratamiento con aacutecido de pozos petrolero
fa
ferreteriacuteas con el arcaico nombre de aacutecido muriaacutetico sus principales usos caseros
son la limpieza de superficies de concreto y la eliminacioacuten de herrumbre Un nuacutemero
muy reducido de personas es incapaz de sintetizar suficiente jugo gaacutestrico y deben
de ingerir caacutepsulas de aacutecido clorhiacutedrico diluido con cada comida
AacuteCIDO NIacuteTRICO
El aacutecido niacutetrico un liacutequido aceitoso e incoloro en estado puro es sumamente
peligroso El aacutecido que funde a ndash42degC y hierve a +83degC tiene por lo general un
ligero color amarillo a causa de una reaccioacuten de descomposicioacuten i
En un estado puro el aacutecido niacutetrico liacutequido praacutecticamente no conduce la electricidad
Una pequentildea porcioacuten se ioniza como sigue (todas estas especies existen en el aacutecido
2HNO3(l) H2NO3+ + NO3
ndash
H2O + HNO3 H3O+ + NO3 ndash
Para dar la reaccioacuten globa
3 NO2+ + H3O + 2+
Ingenieriacutea Quiacutemica 66
UAM-I
El catioacuten nitrilo es importante en la nitracioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas por ejemplo la
obenceno C6H5NO2 una etapa importante en
umerosos procesos industriales orgaacutenicos
El aacutecido niacutetrico con en agua mientras
ue el ldquoaacutecido niacutetrico fumanterdquo un oxidante extremadamente poderoso es una
vez de ello se produce una mezcla de
sistema que da un orden de
vista industrial el
oceso
e lleva a cabo en tres etapas Primero se hace pasar una mezcla de amoniaco y de
dioxiacutegeno (o aire) un proceso muy
ficiente y exoteacutermico que hace que la malla se ponga al rojo Esta etapa se verifica
conversioacuten de benceno C6H6 en nitr
n
centrado es en realidad una solucioacuten al 70
q
solucioacuten roja de dioacutexido de nitroacutegeno en aacutecido niacutetrico puro Incluso cuando esta
diluido el aacutecido niacutetrico es un oxidante tan fuerte que rara vez desprende hidroacutegeno
cuando se pone en contacto con metales en
oacutexidos de nitroacutegeno y el metal se oxido a su catioacuten
Los enlaces O-N son mucho maacutes cortos (121 pm) que el enlace O-N unidos al aacutetomo
de hidroacutegeno (141 pm) Esta longitud de enlaces indica que hay enlaces muacuteltiples
entre el nitroacutegeno y los dos aacutetomos de oxiacutegeno terminales Ademas de los electrones
del sistema σ hay cuatro electrones que participan en el sistema π O-N-O dos de un
orbital enlazante y dos en un orbital no enlazante
enlace de 112 para cada uno de esos enlaces nitroacutegeno- oxiacutegeno
A veces se nos olvida hasta queacute punto nuestra experiencia depende de la
termodinaacutemica y la cineacutetica Por ejemplo la primera siacutentesis industrial de aacutecido
niacutetrico se llevaba ha cabo por simple combinacioacuten de diniacutetrogeno dioxiacutegeno y agua
utilizando un horno de arco eleacutectrico a fin de proporcionar la energiacutea necesaria par
superar la muy elevada barrera cineacutetica Aunque desde el punto de
factor cineacutetico constituiacutea un problema en realidad es una bendicioacuten por que sin esta
barrera cineacutetica hace mucho tiempo que todo el dioacutexido de la atmoacutesfera se abriacutea
transformado en aacutecido niacutetrico y nuestros mares serian de aacutecido niacutetrico diluido
frac12 N2(g) + 54O2(g) + 12H2O(g) HNO3(g)
Ahora se utiliza el proceso Ostwald para la siacutentesis de aacutecido niacutetrico Este proceso
consume gran parte del amoniaco que se produce por el proceso Haber El pr
s
a traveacutes de una malla de platino metaacutelico Eacuteste es
e
a baja presioacuten para aprovechar el efecto entropico es decir la formacioacuten de 10
moles de gas a partir de 9 moles de gas (una aplicacioacuten del principio de Le Chatelier)
para desplazar el equilibrio a la derecha
Ingenieriacutea Quiacutemica 67
UAM-I
4NH3(g) + 5O2(g) 4NO(g) + 6H2O(g)
Se agrega maacutes oxiacutegeno para oxidar el monoacutexido de nitroacutegeno a dioacutexido de nitroacutegeno
A fin de mejorar el rendimiento de esta reaccioacuten exoteacutermica se extrae calor de los
ases y la mezcla se somete a presioacuten
2HNO3(l) + NO(g)
Esta reaccioacuten tambieacuten es exoteacutermica y una vez maacutes se aplica enfriamiento y alta
la
egunda etapa para oxidarlo de nuevo
La contaminacioacuten s de aacutecido niacutetrico
as plantas maacutes antiguas eran faacutecilmente identificables por la fumarola cafeacute-
antas maacutes antiguas ahora mezcla cantidades
en Estados Unidos porque un 20
dedica ala produccioacuten de explosivos
or ultimo el aacutecido niacutetrico es un liacutequido que hierve a 826degC No existe como liacutequido
g
2NO(g) + O2(g) 2NO2(g)
El dioacutexido de nitroacutegeno se mezcla con agua para dar una solucioacuten de aacutecido niacutetrico
3NO2(g) + H2O(l)
presioacuten par obtener el maacuteximo rendimiento El monoacutexido de nitroacutegeno se vuelve a
s
soliacutea ser un problema importante de las planta
L
amarillento del dioacutexido de nitroacutegeno que escapaba por ellas Las plantas maacutes
antiguas eran faacutecilmente identificable por la fumadora cafeacute-amarillo del dioacutexido de
nitroacutegeno que escapaba de ellas Las pl
estequiomeacutetricas de amoniaco con las oacutexidos de nitroacutegeno con lo cual se obtiene
dinitroacutegeno y vapor de agua ambos inocuos
NO(g) + NO2 (g) + 2NH3(g) 2N2(g) + 3H2O(g)
En todo el mundo alrededor del 80 del aacutecido niacutetrico se utiliza en la produccioacuten de
fertilizantes Esta proporcioacuten es de solo el 65
se
P
puro porque en alguna medida se descompone espontaacuteneamente como sigue
4HNO3(l) 4NO2(g) + 2H2O(l) + O2(g)
Ingenieriacutea Quiacutemica 68
UAM-I
El aacutecido niacutetrico concentrado que se usa en el laboratorio estaacute al 68 en masa HNO3
(densidad 142 gcm3) lo que corresponde a 157 M
l aacutecido niacutetrico es un poderoso agente oxidante El nuacutemero de oxidacioacuten del N en el
) El aacutecido niacutetrico puede oxidar
nto a metales que estaacuten abajo del hidroacutegeno como aquellos que se encuentran
4Zn2+(ac) + NH4
+(ac) + 3H2O(l)
do no oxida al oro Sin embargo cuando se mezcla con
cido clorhiacutedrico concentrado en relacioacuten 13 en volumen (una parte de HNO3 a tres
partes al oro
omo sigue
APEacuteNDICE F
ETODO DE DEPOSICIOacuteN-PRECIPITACIOacuteN
E
HNO3 es + 5 Los productos maacutes comunes de la reduccioacuten del aacutecido niacutetrico son el
NO2 (N = + 4) el NO (N = + 2) y el NH4+ (N = - 3
ta
arriba en la serie de actividades Por ejemplo el cobre es oxidado por el aacutecido niacutetrico
concentrado como se mencionoacute antes
En presencia de reductores fuertes como el zinc metaacutelico el aacutecido niacutetrico se puede
reducir hasta ion amonio
4Zn(s) + 10H+(ac) + NO3
-(ac)
El aacutecido niacutetrico concentra
aacute
de HCl) la disolucioacuten resultante denominada agua regia puede oxidar
c
Au(s) + 3HNO3(ac) + 4HCl(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O(l) + 3NO2(g)
M
Ingenieriacutea Quiacutemica 69
UAM-I
APEacuteNDICE G
ISENtildeO DEL MEZCLADOR [4]
1) 100 ml H2O gr soporte
2) NH4(OH)
Ajustar a PH = 9 4) HAuCl4 (solucioacuten acuosa al 25E-3M)
6) Filtrado o centrifugado
3) En Agitacioacuten por 2 hr
8) Secado por 2hr a 80 degC
9 ) Calcinado por 4hr a 400 degC
7) Lavado
5) Antildeegamiento por 30 min
D
Ingenieriacutea Quiacutemica 70
UAM-I
El disentildeo de un tanque agitado dis n nuacutemero de elecciones sobre el
po y localizacioacuten del agitador las proporciones del tanque el nuacutemero y dimensiones
ada una de estas decisiones afectan a la velocidad
e circulacioacuten del liacutequido los modelos de velocidad y el consumo de potencia Como
pone de un gra
ti
de las placas deflectoras etc C
d
punto de partida en el disentildeo de los problemas ordinarios de agitacioacuten generalmente
se utiliza un agitador de turbina del tipo que se muestra en la figura 1 La proporcioacuten
tiacutepica es
31
=t
a
DD
1=tD
H 121
=tD
J 51
=aD
W 41
=aD
L
de estas ecuaciones se disentildeara el mezclador como datos se tiene el valor H que es
igual a 3 mts y el diaacutemetro del tanque D
Se determinara la medida de los reflectores
t que es igual 3 mts
121
=tD
J se despeja J
elacioacuten R31
=t
a
DD
se despeja Da
Relacioacuten
41
=aD
L se despeja L
elacioacuten se despeja W
( ) ( ) cmmtsmtsDJ 25250311==⎟
⎞⎜⎛=⎟
⎞⎜⎛= t 1212 ⎠⎝⎠⎝
( ) ( ) mtsmtsDD ta 1331
31
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=
( ) ( ) mtsmtsDL a 250141
41
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛= cm25=
51
=aD
WR
Ingenieriacutea Quiacutemica 71
UAM-I
Figura 2 a) Vista transversal del mezclador b) paletas del mezclador con la
donde se deposita el soporte
Figura 1 Medidas de un agitador de turbina
a) b)
s rejillas
H
J
E L
Da
D t
W
W
( ) ( ) cmmtsmtsDW a 2020151
5==⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎜⎝
=1 ⎞⎛
Ingenieriacutea Quiacutemica 72
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado 32
DIAGRAMA DE FLUJO PARA UN MEZCLADOR
MEZCLADOR
1101035 Kg H2O
1428 kg γ-Al2O3
086 Kg HAuCl4
493 Kg NH4(OH)
0003 Kg HauCl4(ac)493 Kg NH4(OH) 1101035 Kg H2O
1433 Kg Catalizador
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
36 DIAGRAMA DE LA INDUSTRIA
INDUSTRIA DE CATALIZADORES
TANQUE DE TRATAMIENTO HORNO
CISTERNA 1
CONTENEDORDE AuCl3 CONTENEDOR DE
NH4OH ZONA DE LLENADO
DE SAPORTE
SE LLEVA AL HORNO
MANUALMENTE
PRODUCTOALMACEacuteN
Contenedor de HAuCl4
Figura 2 Diagrama de la distribucioacuten del equipo dentro del aacuterea de produccioacuten
33
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
37 DIMENSIONES DEL EQUIPO Y TUBERIacuteA
2 mts
2 mts 2 mts 6 mts 4 mts 3 mts 5mts 5 mts 3 mts 6 mts 3
3mts 3 mts 3mts 3 mts 3 mts
4 mts 1 5 mts 1 5 mts 4mts 4 7mts 4 mts 21 mts 7 2mts 26 mts 2 mts 21 mts 6 mts
3 5 mts 14 mts 6 mts 8 mts 1 5 mts 3 mts 5 mts 13 mts 8 mts 20 mts 30 mts
IN D U ST R IA D E C A T A L IZ A D O R E S
T AN Q U E D E T R AT AM IE N T O H O R N O
C IST E R N A 1
C O N T EN ED O RD E Au C l3
C O N T EN E D O R D E N H 4O H
ZO N A D E L LEN AD O D E SO PO R T E
AG UA PAR A JAR D IN ES
M E Z C L A D O R E S 12 3 y 4
1 2 3 4
A L M A C Eacute N
Contenedor de HAuCl4
Figura 3 Dimensiones del equipo y tuberiacutea requerida
34
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
38 PLANO DE DISTRIBUCIOacuteN DE AacuteREAS
Figura 4 Aacutereas de trabajo dentro de la planta
35
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
DIMENSIONES DE LA INDUSTRIA
Figura 5 Dimensiones de cada aacuterea de la planta industrial
36
UAM-I
Ingenieriacutea Quiacutemica 37
10 cm 3mts 1 mts 25 cm 15cm 5 cm 5 cm 3mts 150 mts 10 cms 100 mts 20 cm
003 mts
Figura 6 Dimensiones del mezclador y del Agitador
UAM-I
Las dimensiones de las canastillas se determinaron a partir del balance de masa y la
produccioacuten requerida La carga de un contenedor de soporte que es de 100kg del
cual el agitador tiene 4 canastillas cada una corresponde 25 Kg la masa se obtuvo
del balance de materia y su densidad 600 Kgm3 con el que se obtuvo un volumen de
0043 m3
39 ANAacuteLISIS FINANCIERO
El costo de materias primas se muestra en la Tabla 2 en la que tambieacuten se incluyen
los flujos de alimentacioacuten requeridos para el proceso a partir de los cuales se
determinaron los costos diarios
Tabla 2 Costo de materias primas [5]
Compuesto
Alimentacioacuten
por diacutea
Costo
USDKg
Costo Total
USDdiacutea
Au 2 kg 10596 2119200
HCl 15 Kg 52 780
HNO3 20 Kg 022 044
-Al2O3 5712 Kg 034 19421
Canastillas 500 piezas 15 75000
NH3(OH) 200 Kg 034 680
H2O 440414 Kg 282 282
Total de Materia Prima 2215407
El costo se determinoacute considerando la cantidad de material el tamantildeo y el costo de
manufactura
El costo se determinoacute para uso industrial conforme establece la tesoreriacutea de
Meacutexico
Ingenieriacutea Quiacutemica 38
UAM-I
PERSONAL REQUERIDO PARA LA INDUSTRIA
La Tabla 3 establece los salarios mensuales anuales y las prestaciones del IMSS
para el personal de la planta
Tabla 3 Salarios y Prestaciones del Personal
Mano de Obra (USDmes)p
ersona
USDmes USDantildeo Prestaciones
IMSS
1 Gerente 2000 2000 24000
1 Administrador 1000 1000 12000
1 Secretaria 400 400 4800 1193
Total de Salarios
Administrativos
40800 1193 409193
9 Obrero 150 150 1800 448
1 Teacutecnico 200 200 2400 597
1 Policiacutea 200 200 2400 597
1 Mantenimiento 180 180 2160 538
1 Limpieza 150 150 1800 448
Total de Salarios
Proceso
10560 2628 108228
Los salarios se determinaron en base al salario miacutenimo vigente en la Ciudad de
Meacutexico (2003)[29]
Ingenieriacutea Quiacutemica 39
UAM-I
PERSONAL
Departamento de produccioacuten
Se tendraacute 2 obreros en el llenado de soporte en las rejillas un obrero encargado del
traslado de rejillas por medio de la banda de los motores a cada contenedor un
obrero en cada contenedor de NH4OH y HAuCl4 en cada mezclador se tiene 1
obrero para descargar y cargar las rejillas a la banda que se trasladaran al horno en
el horno se tiene 1 obrero encargado del secado y calcinado el producto se traslada
al almaceacuten donde estaraacuten 2 obreros que reciben el producto y materias primas de los
proveedores se tiene 1 teacutecnico supervisando los equipos un encargo del
mantenimiento de los equipos
Departamento de personal
Gerente de la industria un administrador encargado de compra y venta de materias
primas una secretaria
Ingenieriacutea Quiacutemica 40
UAM-I
CAPITAL FIJO
La Tabla 4 muestra el costo de los equipos requeridos en la planta asiacute como el
Capital Fijo y la Inversioacuten del Capital Total
Tabla 4 El equipo se costeo usando las correlaciones de Ulrich [6] y empleando el
programa de Capcost
EQUIPO USD
4 Contenedores 23584
4 Agitadores (456kW) 269760
1 Horno (25 kW) 15700
15 Bombas (1469kW) 43081
1 Motor (114 kW) 67440
Tuberiacuteas 42150
2 Cisternas 174183
Vaacutelvulas 1283
Accesorios
(codos 90ordm y de 45ordm te)
1474
CAPITAL FIJO 638655
Capital de Trabajo 9579825
INVERSIOacuteN DE
CAPITAL TOTAL
73445325
Los caacutelculos y las correlaciones empleadas para el costeo del equipo se anexan en
el Apeacutendice A
Ingenieriacutea Quiacutemica 41
UAM-I
GASTOS GENERALES
Tabla 5 Proporciona el total de gastos anuales con lo cual se estima el precio por
kilo de catalizador y por unidad purificadora
Tabla 5 Gastos Generales anuales
USDAntildeo
Materias Primas 531697680
Mano de Obra de Operacioacuten 1082280
Mano de Obra de Oficina 4091930
Servicios Electricidad 2620100
Total de Gastos Generales 539491990
CFE
Produccioacuten diaria de Catalizador = 574 Kg
Precio de Catalizador = 40 USDKg
Produccioacuten diaria de unidades purificadoras = 500
Precio por unidad = 50USD
Ganancia diaria = 22960 USD
Ganancia Anual = 5510400 USD
DETERMINACIOacuteN DE LA RENTABILIDAD DEL PROYECTO
TPI (Actual) = 10
PR (Factor de riesgo) = 25
TREMA = TPI + PR
TREMA = 35
TIR (del proyecto) = 90
TIR gt TREMA
Puesto que la TIR es mayor que la TREMA se tiene que el proyecto es rentable [6]
Ingenieriacutea Quiacutemica 42
UAM-I
310 CONCLUSIONES
En el desarrollo de la industria para la fabricacioacuten de catalizadores se tuvo un
resultado satisfactorio a pesar de la falta de informacioacuten disponible acerca de
industrias de catalizadores debido a que esta informacioacuten no es publica El proyecto
que elaboramos es novedoso en nuestro paiacutes ya que no existen registros de una
industria que produzca catalizadores de oro soportados en aluacutemina
Durante el desarrollo del proyecto se planteoacute trabajar con compuestos como NOx y
COVS sin embargo debido a la falta de tiempo no se logroacute concluir la
experimentacioacuten en estos campos Debido a esto se tomoacute la decisioacuten de trabajar en
la oxidacioacuten cataliacutetica de CO Esto debido a varios factores por ejemplo la
disponibilidad de gases y sobre todo los costos que esto implicaba
Para el desarrollo del catalizador se analizaron diferentes tipos de preparacioacuten y se
eligieron dos meacutetodos diferentes Deposicioacuten-precipitacioacuten e Impregnacioacuten Los
catalizadores se evaluaron bajo diversas condiciones en la oxidacioacuten de CO El
catalizador que presentoacute mayor conversioacuten con el catalizador a baja temperatura fue
el sintetizado por el meacutetodo de Deposicioacuten-precipitacioacuten el cual se utilizoacute para el
disentildeo de la Industria El disentildeo estaacute basado en la forma de preparacioacuten del
catalizador Por esto la parte maacutes importante de la planta es el tanque de mezclado
el cual se disentildeo tomando en cuenta los diferentes disentildeos de agitadores para tener
un mezclado oacuteptimo Se incorporo en la parte superior del agitador las canastillas
para las pastillas cataliacuteticas y el tipo de Horno que se usara para el secado y
posteriormente el calcinado Una parte importante es la produccioacuten de catalizador
para este problema se investigoacute en que parte se podriacutea utilizar a diferencia de los
catalizadores para automoacuteviles Se llego a la decisioacuten de poder desarrollar un
catalizador para los calentadores de agua se obtuvo informacioacuten de la fabrica de
calentadores cal-o-rex en la produccioacuten diaria de calentadores y de esta informacioacuten
se pudo calcular la posible demanda de nuestro producto Una parte importante en
las industrias son el tipo de bombas ya que existen diversos modelos en nuestro
disentildeo se escogioacute las bombas centriacutefugas con rodetes para agua que contiene
pequentildeas partiacuteculas de soacutelidos
En la parte de servicios para personal se investigo los sueldos de cada empleado Se
determinoacute el costo de los equipos y finalmente llegamos a la parte que nos interesa
Ingenieriacutea Quiacutemica 43
UAM-I
del disentilde es decir si el proyecto es rentable o no En este caso particular se tuvo un
valor aceptable y se definioacute que el disentildeo es rentable Esto indica que seria una
industria que tendriacutea ganancias y a la vez que el producto que se fabrique nos
ayudaraacute a todos a reducir la emisioacuten de CO en los hogares aportando una pequentildea
ayuda al medio ambiente
COMENTARIOS
Los conocimientos adquiridos durante este tiempo fueron provechosos en la parte
teoacuterica y praacutectica aclaramos dudas de como y porque se comportan las reacciones
quiacutemicas y los procesos de flujos Durante el desarrollo del proyecto aprendimos a
observar y la importancia de entender fiacutesicamente las algunos procesos relacionados
con la siacutentesis y caracterizacioacuten de materiales cataliacuteticos
Ingenieriacutea Quiacutemica 44
UAM-I
38 BIBLIOGRAFIacuteA
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Ingenieriacutea Quiacutemica 46
UAM-I
APEacuteNDICE A
CRITERIOS PARA DETERMINAR QUIEacuteN CONTROLA EL PROCESO
Criterio de weisz para difusioacuten interna
Ec(12-16 Fogler) Los valores que se sustituyen en las siguientes ecuaciones fueron
tomados del catalizador que se analizo en el laboratorio
CWP = ( )
AS
cObsA
DeCRcr 2minus
lt 1
-rA(Obs) = velocidad de reaccioacuten observada molgcats Cc = concentracioacuten volumeacutetrica molm3
CAS = concertacioacuten en la superficie molm3
D= diaacutemetro del granulo m R = radio del granulo m De = difusividad efectiva m2s
d = 0149mm mxmm
m 4104911000
1 minus=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
CWP = ( )( )3
32
24
33
103470184200350
21049150800010681
minus
minusminus
=⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞⎜
⎝⎛
x
mmol
hrm
mxcatm
gcathgcat
molx
734x10-3 lt 1 No hay limitante por la difusioacuten interna
Ingenieriacutea Quiacutemica 47
UAM-I
Criterio de mears para difusioacuten interna Ec(12-62 Fogler)
Mm = 150ltAbc
bA
CkRnr ρminus
Mm =( )( )
0570
136000184200220
31110457508000106851
3
53
3
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ minusminus
hrs
mmol
sm
mxcatmgcat
hgcatmolx
0057 lt 015 no hay efecto de transferencia de masa externa Calculo de Dab para calcular el coeficiente de trasferencia de masa Ec(78 Lobo)
De =
KAAB DD11
1
+
DKA = 970X103 (80X10-8)(s
cmK 221 1090)
2400( =
DAB = 00018583ABAB
BA
PMMT
Ω
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ +
2
2123 11
γ
Para CO
0110=isin
Bk 0593 A=γ
Para O2
Ingenieriacutea Quiacutemica 48
UAM-I
0113=isin
Bk 0453 A=γ
( ) 51343359321
=+=ABγ
( )( )[ ] 21113110BAB k=isin A la temperatura de 400degK
( ) 583))113)(110((
40021 =
deg=
isin B
B
AB
B
KKKTK
Ω AB = 0907 Sustituyendo
DAB =s
cm2
2
2123
9730)9070()513(
)21281()400(00185830=
+
De = hrm
hrs
cmm
scm 222
03501
3600100
10980
10901
97301
1=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
+
Calculo de Kc Sh = (Re)12(Sc)13
Velocidad superficial
V = sm
shr
hrm
mxhr
m
Av
c
02036001976
1087
006025
3
0 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛== minus
Ingenieriacutea Quiacutemica 49
UAM-I
Re= ( ) 240)1062)(501(
)10491)(020(
1 25
4
=minus
=minus minus
minus
smx
mxsmvd p
νφ
Sc= 672)3600
1)(0350(
10622
25
==minus
shr
hrm
smx
Dv
AB
Sh= ( 024 )12 ( 267 )13 = 0679
Kc = Shdp
DAB⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛minusφ
φ1
Kc = ( )sm
mxs
mx02206790
10491
10729
50501
4
26
=⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛minus
minus
minus
Calculo de numero Thile con el radio que usara a nivel industrial
φ = L ( )DkCn n
AS
21 1minus+
L = 3R
Sustituyendo
φ = 66x10-4 m( )
( )
450
03502
018420
5480941311
3
30
3330
313
=
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+
catmhrm
mmol
hrcatmmolm
η = 1 con los resultados anteriores se observa que quieacuten limita es la velocidad de
reaccioacuten Por lo que se procede a calcular el peso y longitud de catalizador
necesaria para muestro purificador sustituyendo los valores del Boiler
Ingenieriacutea Quiacutemica 50
UAM-I
Peso del Catalizador w =
( ) grcatgcatLn
gcatm
mmol
hrcatmmolm
hrm
xLn
kCv
A
66476639401
1
6000001578
548094
19836
11
330
3330
313
3
0
0 asymp=minus
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
minus
g 664=w
33
3
1011
mg60000
g 664 mxwv minus===ρ
m 035003101011
2
33
==minus
mmxL
cm 531000350 == xL
Ingenieriacutea Quiacutemica 51
UAM-I
APEacuteNDICE B BALANCE DE MASA DE LA PREPARACIOacuteN DE HAUCL4 Au(g) + 3HNO3(ac) + 4HCL(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O + 3N02(g) (152 M) (105M)
cantidad de mol Au = 05 kg Au x molAu
grAumolAux
kggr 542
971961
11000
=
cantidad de kg HNO3 = ( ) 33
33 480
10001
1635423 kgHNO
grkgx
molHNOGRHNOxHNOmol =
cantidad de kgHCl = ( ) kgHClgr
kgxmolHCl
grHClHClxmol 3701000
11
5365424 =
cantidad de kgHAuCl4 = 254molHAuCl4 x 44
8601000
11
97339 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
gr=
cantidad de kgH2O = 3( 254mol)H20 x OkgHgr
kgxOmolHOgrH
22
2 1401000
1118
=
cantidad de Lt H20 = 762molHNO3 x OltHOkgHOLtH
22
2 14011
=
cantidad de Lt H20 = 1016 mol HNO3 x 050215
012
2 LtHmol
LtH=
cantidad de LtH20 = 1016mol HCl x OLtHLtHmolHCl
LtH22
2 010970510
01asymp=
cantidad de MHAUCl4 = ( ) ( ) ( ) MHltltlt
ClmolHAU 7210850490140
542
2
4 asymp++
cantidad de kg NO2(g) = 3( 254mol)NO2 x )(22
2 3501000
1146
SkgNOgr
kgxmolNO
grNO=
Ingenieriacutea Quiacutemica 52
UAM-I
05 kg Au 048 kgHNO3 035 kgNO2 101021 kgH20 (152M) 037 kgHCl(ac)
(105 m) 086 kg HAuCl4 (ac) 086 kg HAuCl4 (ac)
(17 M) 014 kgH20 (25x10-3M) 014kg H20 (L) 086kg HAuCl4 035kgNO2 (g) 101185kg H20 Cantidad de H20 = 086 kgHAuCl4
x 08510110101
105201
173341
11000
22
23
24 kgHLtHkgHx
MxltHx
grmolHAuClx
kggr
=minus
pero (101185 ndash 014 ndash 05 ndash 1) kg H20 = 101021 kg H20 100ml H20 por 1 gr soporte 35kg NH4 (OH)(AC) 10000kgH20 100 kg γAl203 (9965) 035kgAu (035) 100kg γAl203 025kgCl2 086kg HAuCl4 026kgHAuCl4
101185 kg H20 35kgNH4 (OH)(AC) 1101185kgH20 cantidad de kgHAuCl4 = 015kgAu x
44
4 2601000
11
973391
197196
147196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxgrAu
molxkg
gr=
cantidad de NH4(OH) = 100kg γ Al203 x
Ingenieriacutea Quiacutemica 53
UAM-I
kgNHxmol
grx
mlmol
xOAlgr
OHmlNHx
kg
gr53
10001
1
35
100010
1
)(10
1
1000
32
4=
γ4(OH)
30kg γAL2O3 1 kgNH4(OH)(AC) 30 kg γ Al203 (9965) 010 kg Au (035) 026kgHAuCl4 007kg Cl2 35kgNH4(OH) 1101185 kgH2O 0086kgHAuCl4 45 kg NH4(OH)(AC) 1101185 kg H20
cantidad de γ Al2O3 = 026kgHAuCl4 x 324
32 02330860
100 AlkgkgHAuCl
OAlkg γγ=
cantidad de kgAu = 035 x kgAukg 10506599
30=
cantidad de kg Cl2 = 01 kgAu x
22
2 07201000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de HAuCl4 = 005kgAu x
44
4 08601000
11
973391
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 54
UAM-I
cantidad de kgNO4(OH) = 30 kg γ Al203 x ( )OHkgNHAlkg
OHkgNO4
32
4 0510100
)(53=
γ
105 kg γ Al203 035 kg NH2(OH) 105 kg γ Al203 (9965) 004 kg Au (035) 009kg HAuCl4 003 kg Cl2 45kgNH4(OH) 1101185 kg H20 0017kgHAuCl4 485kgNH4 (OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 009 HAuCl4 x 324
32 04710860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad kg de NH4 (OH) = 105kg γ Al203 x ( ) )(3500100
534
32
4 OHkgNHAlkg
OHkgNH=
γ
cantidad de Cl2 = 004 kg Au x
22
2 02901000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
gAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 =
44
44 02001701000
11
973391
197196
11
1000010 kgHAukgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgr
molAuxkg
grkgAux asymp=
Ingenieriacutea Quiacutemica 55
UAM-I
23 kg γ Al203 008kgNH4(OH) 002 kg HAuCl4 23 kg γAl203 (9965) 485kgNH4(OH) 0008kgAu(035) 1101185kg H2 0001kg Cl2
0014 kg HAuCl4 493kgNH4(OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 002kgHAuCl4 x 324
32 032860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad de kg Au = 035 x kgAukg 00806599
32=
cantidad de kgCl2 = 0002kgAu x
24
4 00101000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 = 0008kgAu x
44
44 01401000
11
973341
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 56
UAM-I
APEacuteNDICE C ACCESORIOS EN EL DISENtildeO
Agitador
Agitadores de Heacutelice se escogioacute este tipo de agitador por ser tener las siguientes
caracteriacutesticas [3]
bull Es un agitador de flujo axial
bull Se emplea para liacutequidos pocos viscosos
bull Giran a toda la velocidad del motor
bull Las corrientes de flujo se mueven a traveacutes del liacutequido en una direccioacuten
determinada hasta que son desviadas por el fondo o las paredes del tanque
bull Las palas de la heacutelice cortan o friccionan vigorosamente el liacutequido
bull Los agitadores de heacutelice son eficaces para tanques de gran tamantildeo
Horno
bull El horno se escogioacute por ser tener las siguientes caracteriacutesticas [5]
bull El horno de construccioacuten metaacutelica
bull La caacutemara de combustioacuten estaacute construida mediante hormigones refractarios
de alta resistencia mecaacutenica
bull Las materias secar y calcinar se carga de forma manual
Ingenieriacutea Quiacutemica 57
UAM-I
Bomba
DISENtildeO Bomba centrifuga para operacioacuten horizontal o vertical del impulsor
cerrado succioacuten al extremo descarga hacia arriba tangencial simple succioacuten de un
paso con carcaza partida verticalmente [3]
ROTACIOacuteN En el sentido del reloj vista desde el cople
CARACTERIacuteSTICAS Conexiones brindadas con registro ubicado en la cabeza de
succioacuten para facilitar su limpieza
SERVICIO Debido a que es posible colocarla en posicioacuten horizontal o vertical tanto
en caacutercamos secos como huacutemedos y por el disentildeo de su impulsor que soacutelidos de
gran tamantildeo esta bomba es ideal para los procesos de tratamientos de agua y
manejo de liacutequidos en suspensioacuten en general
CAPACIDADES
GASTO Hasta 3000 GPM
CDT Hasta 80rsquo
PRESIOacuteN 106 Kgcmsup2
POTENCIA De 1 a 60 Hp
VELOCIDAD (1175 - 3550 RPM)
TEMPERATURA 125degC
Ingenieriacutea Quiacutemica 58
UAM-I
Bombas Centriacutefugas
Las maquinas centriacutefugas estaacuten constituidas por un impulsor o rodete formado por
una serie de aletas radiales diversas formas y curvaturas que giran dentro de una
caja circular El fluido penetra por el ojo o eje de rotacioacuten y se descarga maacutes o
menos radialmente en una caacutemara perifeacuterica a una elevada presioacuten que
corresponde a la suma de la fuerza centriacutefuga de la rotacioacuten maacutes la cineacutetica
comunicada al fluido por las aletas La parte moacutevil de la bomba es el rodete Las
aletas del rodete se extienden desde el centro de rotacioacuten hacia la periferia y las
bridas son los discos de refuerzo a cada lado de las aletas que las envuelven Las
aletas pueden ser radiales curvadas ligeramente hacia delante en el mismo sentido
de la rotacioacuten o estar curvadas al reveacutes en el caso maacutes comuacuten en el disentildeo se
determino el rodete siguiente por sus caracteriacutesticas Fig 1
Figura 1 Corte parcial de un rodete de centriacutefuga para grandes cargas y secciones
de paso estrechas empleando con liacutequidos corrosivos o suspensiones de pequentildeas
partiacuteculas[4]
Ingenieriacutea Quiacutemica 59
UAM-I
APENDICE D CALCULO DE POTENCIA DE BOMBAS (8)
Potencia de la bomba de la cisterna 1 que alimenta a los mezclador 4
Ecuacioacuten de Bernoulli
sum sumint =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛+++∆+∆i i
i
P
P
evvfDLvwdphgv 0
21
21
ˆ1
21 222
2
1ρ
a b c d e f
a Diferencia de velocidades
b Diferencia de alturas
c Diferencia de presiones
d Trabajo
e Perdidas de friccioacuten en tuberiacuteas
f Perdidas de friccioacuten en accesorios
En la ecuacioacuten anterior se pueden eliminar algunos teacuterminos
21 mts
6 mts 35 mts
Figura 1 Balance de cisterna 1 a mezclador 4
Se debe de tener dos puntos de referencia para la utilizacioacuten de la ecuacioacuten de
Bernoulli de los cuales se anotaron en la figura 2
Ingenieriacutea Quiacutemica 60
UAM-I
21 mts
2 1 6 mts 35 mts
Figura 2
Teniendo los puntos de referencia se analiza que las diferencias de velocidades son
cero en ambos puntos por lo tanto el termino 2
21 ν∆ es igual a cero
El termino de = (981hg∆ 2segm )(35m ndash 0) = 34335 2
2
segm
El termino de int2
1
1P
P
dpρ
se tiene que la cisterna y el tanque de mezclado ambos no
estaacuten cerrados y por lo tanto no originan un cambio de presioacuten y el termino es cero
De esta expresioacuten L longitud de tuberiacutea
tro de tuberiacutea
n el interior del tubo
v
Para la l radio del tubo que
sum ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
i
fDL2
21 ν
D diaacuteme
f perdidas de friccioacuten e
velocidad del flujo de agua
obtencioacuten de la velocidad se tiene el flujo volumeacutetrico y e
es de 32 cm =0032mts con la ecuacioacuten
Ingenieriacutea Quiacutemica 61
( )( ) sm
ms
m
RQ 761
032060min1)
min340(
2
3
2 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
==ππ
ν
UAM-I
Se reportan valores de perdida de fr
e reduce teacuterminos
iccioacuten en tubos que son igual a 005
Por lo tanto sustituyendo los teacuterminos en la ecuacioacuten de Bernoulli s
sum sumint =⎟⎠
⎜⎝
+⎟⎠
⎜⎝
+++∆+∆i i
iP
evvfD
vwdphgv 022
ˆ2
1ρ
⎞⎛⎞⎛ L 111 2222
or tanto el termino de trabajo queda expresado de la siguiente manera
tanto la bomba comunica al fluido que circula en el sistema un trabajo
+11727
P1
p w
sum sum ∆minus⎟⎠⎞
⎜⎝⎛minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛minus=
i ii
hgevvfDLvw 22
21
21
ˆ
( ) ( )
Este es el trabajo ( por unidad de masa) producido por el fluido en la bomba por lo
22
sm o 11727 981 = 1195
m
fKg
Kgm
La velocidad de flujo de masa es
Por lo tanto
1 )=6694
951)(675(ˆ =minus=minus WwW smkg f = 088Hp = 1Hp
Siendo esta ida para esta bomba El procedimiento anterior se
iguioacute para cada bomba de la planta
AP E
la potencia requer
s
EacuteNDICE
TOXICOLOGIacuteA DE MATERIAS PRIMAS [6]
( ) ( ) ( )( ) ( )( )msm
smmmm
sm 538192201150761
21050
032021536761
21
2
22minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ +minus⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ++
minus=wm
22
27117ˆ smw minus=
( )s
kgmkgQw m675100060340 3 === ρ
Ingenieriacutea Quiacutemica 62
UAM-I
HIDROacuteXIDO DE SODIO
Polvo corrosivo blanco delicuescente
Toxicidad
Concentracioacuten Maacutexima permisible 2mgm3 en aire
Signos y Siacutentomas Conjutivitis quemaduras corneales y de la piel Irritacioacuten
seas vomito dolor abdominal y diarrea a veces con
Lavado de las partes afectadas tranquilizantes sulfato de
decuada gafas protectoras o pantallas para
ignos y Siacutentomas Irritacioacuten de ojos quemaduras corneables tos dolores
l hemoptisis dolor de cabeza dolor epigaacutestrico nauseas y vomito
lmonar
Tratamiento lavado de ojos con agua reposo oxigeno con aparato de respiracioacuten
con onantes
ACIDO NITRICO
Liquido corrosivo sofocante de incoloro a amarillento
ioacuten maacutexima permisible 10ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
del tracto respiratorio nau
sangre
Tratamiento
morfina para el dolor y cortisona
Medidas preventivas Ventilacioacuten a
la cara completa mascarilla con filtro mecaacutenico guantes delantares botas de
goma y acentuar la limpieza personal
CLORO
Gas pasado amarillo verdoso
Toxicidad
Conc Maacutexima permisible 1 ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten
S
retrosterna
debilidad cianosis y edema pu
trolada bronco dilatadores y descongesti
Toxicidad
Concentrac
Ingenieriacutea Quiacutemica 63
UAM-I
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
Signos y siacutentomas Erosioacuten dental estornudo tos Dolor en el pecho bronquitis y
la las partes contaminadas del cuerpo con solucioacuten al 5 de
de las quemaduras con pantildeos
de triacuteo sulfato soacutelido si se a ingerido
vado de ojos con agua
ACIDO CLORIDRICO
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
ivitis necrosis corneal por inhalacioacuten rinitis erosioacuten
dolor de cabeza palpitacioacuten por ingestioacuten
s en la boca faringe esoacutefago estomago salivacioacuten vomito Soc
agua lavada de agua y jaboacuten de las partes
preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
AacuteC
El c
con o de hidroacutegeno una
concentracioacuten de 12 molLt Este aacutecido es un liacutequido incoloro con un olor aacutecido
bronconeumoniacutea
Tratamiento
bicarbonato soacutelido o con agua y jaboacuten Tratamiento
mojados con solucioacuten saturada
administracioacuten por viacutea oral de solucioacuten de jaboacuten Hidroacutexido caacutelcico o alumiacutenico u
oacutexido de magnesio
Medidas preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores excluir de la exposicioacuten
a los individuos con enfermedades de pulmones y rintildeones
Gas incoloro o liacutequido o a amarillento
Toxicidad
Concentracioacuten maacutexima permisible 5ppm en aire
Signos y siacutentomas conjunt
dental laringitis bronquitis neumoniacutea
quemadura
nefritis
Tratamiento lavado de ojos con
contaminantes del cuerpo tratamiento ordinario de quemaduras lavado gaacutestrico
se a ingerido con solucioacuten de bicarbonato soacutedico al 5 seguido de una instilacioacuten
de gel de hidroacutexido de aluminio
Medidas
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores
IDO CLORHIacuteDRICO
loruro de hidroacutegeno es en extremo soluble en agua de hecho el aacutecido clorhiacutedrico
centrado contiene cerca del 38 en masa de clorur
Ingenieriacutea Quiacutemica 64
UAM-I
pronunciado que se debe al equilibrio entre el cloruro de hidroacutegeno gaseoso y
ste con el aacutecido fluorhiacutedrico el aacutecido clorhiacutedrico es un aacutecido fuerte (pKa = -
7) y se ioniza casi totalmente
gar de aacutecido sulfuacuterico auque en menor grado Por
jemplo el zinc metaacutelico reacciona con aacutecido clorhiacutedrico para dar el ion zinc e
hidroacutegeno gaseoso
Zn(s) + 2HCl(ac) ZnCl2(ac) + H2(g)
l para producir aacutecido clorhiacutedrico en el laboratorio es generar
cloruro de hidroacutegen e sodio y el aacutecido
ulfuacuterico En el primer paso a 150degC se forma hidroacutegeno sulfato de sodio
NaHSO4(s) + HCl(g)
io y maacutes
loruro de hidroacutegeno gaseoso Luego el gas se disuelve en agua para formar el
aacutecido
NaHSO4(s) + NaCl(s) Na2SO4(s) + HCl(g)
acuoso
HCl(ac) HCl(g)
El reactivo de grado teacutecnico a menudo tiene un color amarillento por una impureza
del ion hierro (III)
En contra
HCl(ac) + H2O(l) H2O+(ac) + Cl -(ac)
Por ello a menudo se prefiere usar aacutecido clorhiacutedrico diluido en lugar de aacutecido niacutetrico
que es muy oxidante y en lu
e
Cuando el zinc reacciona con el aacutecido niacutetrico es comuacuten que se reduzca una parte
del ion nitrato para dar dioacutexido de nitroacutegeno
El meacutetodo tradiciona
o gaseoso por la reaccioacuten entre el cloruro d
s
NaCl(s) + H2SO4(l)
La mezcla se calienta a 550degC temperatura a la cual el hidroacutegeno sulfato de sodio
reacciona con un exceso de cloruro de sodio para formar sulfato de sod
c
∆
Este meacutetodo se usa tambieacuten en la industria otra forma de producir cloruro de
hidroacutegeno es por la combinacioacuten directa de dicloro y dihidroacutegenogaseosos
Ingenieriacutea Quiacutemica 65
UAM-I
H2(g) + Cl2(g) 2HCl(g)
La mayor cantidad de cloruro de hidroacutegeno que se produce actualmente es un
CH4(g) + 4Cl2(g) 4(l) + 4HCl(g)
riacuten de superficies de acero en un bantildeo aacutecido en la purificacioacuten de glucosa
y jarabe de maiacutez e s y de gas y en la
bricacioacuten de compuestos clorados El aacutecido se puedo comprar en muchas
nducida por la luz
4HNO3(ac) 4NO2(g) + O2(g) + 2H2O(l)
niacutetrico como disolvente)
H2NO3+ H2O + NO2
+
l siguiente
3HNO NO3 ndash
subproducto de otros procesos industriales como la siacutentesis de tetracloruro de
carbono
CCl
Se consumen cerca de 107 toneladas de aacutecido clorhiacutedrico cada antildeo en todo el
mundo Este aacutecido tiene una gama muy amplia de usos como aacutecido comuacuten para
eliminar o
n el tratamiento con aacutecido de pozos petrolero
fa
ferreteriacuteas con el arcaico nombre de aacutecido muriaacutetico sus principales usos caseros
son la limpieza de superficies de concreto y la eliminacioacuten de herrumbre Un nuacutemero
muy reducido de personas es incapaz de sintetizar suficiente jugo gaacutestrico y deben
de ingerir caacutepsulas de aacutecido clorhiacutedrico diluido con cada comida
AacuteCIDO NIacuteTRICO
El aacutecido niacutetrico un liacutequido aceitoso e incoloro en estado puro es sumamente
peligroso El aacutecido que funde a ndash42degC y hierve a +83degC tiene por lo general un
ligero color amarillo a causa de una reaccioacuten de descomposicioacuten i
En un estado puro el aacutecido niacutetrico liacutequido praacutecticamente no conduce la electricidad
Una pequentildea porcioacuten se ioniza como sigue (todas estas especies existen en el aacutecido
2HNO3(l) H2NO3+ + NO3
ndash
H2O + HNO3 H3O+ + NO3 ndash
Para dar la reaccioacuten globa
3 NO2+ + H3O + 2+
Ingenieriacutea Quiacutemica 66
UAM-I
El catioacuten nitrilo es importante en la nitracioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas por ejemplo la
obenceno C6H5NO2 una etapa importante en
umerosos procesos industriales orgaacutenicos
El aacutecido niacutetrico con en agua mientras
ue el ldquoaacutecido niacutetrico fumanterdquo un oxidante extremadamente poderoso es una
vez de ello se produce una mezcla de
sistema que da un orden de
vista industrial el
oceso
e lleva a cabo en tres etapas Primero se hace pasar una mezcla de amoniaco y de
dioxiacutegeno (o aire) un proceso muy
ficiente y exoteacutermico que hace que la malla se ponga al rojo Esta etapa se verifica
conversioacuten de benceno C6H6 en nitr
n
centrado es en realidad una solucioacuten al 70
q
solucioacuten roja de dioacutexido de nitroacutegeno en aacutecido niacutetrico puro Incluso cuando esta
diluido el aacutecido niacutetrico es un oxidante tan fuerte que rara vez desprende hidroacutegeno
cuando se pone en contacto con metales en
oacutexidos de nitroacutegeno y el metal se oxido a su catioacuten
Los enlaces O-N son mucho maacutes cortos (121 pm) que el enlace O-N unidos al aacutetomo
de hidroacutegeno (141 pm) Esta longitud de enlaces indica que hay enlaces muacuteltiples
entre el nitroacutegeno y los dos aacutetomos de oxiacutegeno terminales Ademas de los electrones
del sistema σ hay cuatro electrones que participan en el sistema π O-N-O dos de un
orbital enlazante y dos en un orbital no enlazante
enlace de 112 para cada uno de esos enlaces nitroacutegeno- oxiacutegeno
A veces se nos olvida hasta queacute punto nuestra experiencia depende de la
termodinaacutemica y la cineacutetica Por ejemplo la primera siacutentesis industrial de aacutecido
niacutetrico se llevaba ha cabo por simple combinacioacuten de diniacutetrogeno dioxiacutegeno y agua
utilizando un horno de arco eleacutectrico a fin de proporcionar la energiacutea necesaria par
superar la muy elevada barrera cineacutetica Aunque desde el punto de
factor cineacutetico constituiacutea un problema en realidad es una bendicioacuten por que sin esta
barrera cineacutetica hace mucho tiempo que todo el dioacutexido de la atmoacutesfera se abriacutea
transformado en aacutecido niacutetrico y nuestros mares serian de aacutecido niacutetrico diluido
frac12 N2(g) + 54O2(g) + 12H2O(g) HNO3(g)
Ahora se utiliza el proceso Ostwald para la siacutentesis de aacutecido niacutetrico Este proceso
consume gran parte del amoniaco que se produce por el proceso Haber El pr
s
a traveacutes de una malla de platino metaacutelico Eacuteste es
e
a baja presioacuten para aprovechar el efecto entropico es decir la formacioacuten de 10
moles de gas a partir de 9 moles de gas (una aplicacioacuten del principio de Le Chatelier)
para desplazar el equilibrio a la derecha
Ingenieriacutea Quiacutemica 67
UAM-I
4NH3(g) + 5O2(g) 4NO(g) + 6H2O(g)
Se agrega maacutes oxiacutegeno para oxidar el monoacutexido de nitroacutegeno a dioacutexido de nitroacutegeno
A fin de mejorar el rendimiento de esta reaccioacuten exoteacutermica se extrae calor de los
ases y la mezcla se somete a presioacuten
2HNO3(l) + NO(g)
Esta reaccioacuten tambieacuten es exoteacutermica y una vez maacutes se aplica enfriamiento y alta
la
egunda etapa para oxidarlo de nuevo
La contaminacioacuten s de aacutecido niacutetrico
as plantas maacutes antiguas eran faacutecilmente identificables por la fumarola cafeacute-
antas maacutes antiguas ahora mezcla cantidades
en Estados Unidos porque un 20
dedica ala produccioacuten de explosivos
or ultimo el aacutecido niacutetrico es un liacutequido que hierve a 826degC No existe como liacutequido
g
2NO(g) + O2(g) 2NO2(g)
El dioacutexido de nitroacutegeno se mezcla con agua para dar una solucioacuten de aacutecido niacutetrico
3NO2(g) + H2O(l)
presioacuten par obtener el maacuteximo rendimiento El monoacutexido de nitroacutegeno se vuelve a
s
soliacutea ser un problema importante de las planta
L
amarillento del dioacutexido de nitroacutegeno que escapaba por ellas Las plantas maacutes
antiguas eran faacutecilmente identificable por la fumadora cafeacute-amarillo del dioacutexido de
nitroacutegeno que escapaba de ellas Las pl
estequiomeacutetricas de amoniaco con las oacutexidos de nitroacutegeno con lo cual se obtiene
dinitroacutegeno y vapor de agua ambos inocuos
NO(g) + NO2 (g) + 2NH3(g) 2N2(g) + 3H2O(g)
En todo el mundo alrededor del 80 del aacutecido niacutetrico se utiliza en la produccioacuten de
fertilizantes Esta proporcioacuten es de solo el 65
se
P
puro porque en alguna medida se descompone espontaacuteneamente como sigue
4HNO3(l) 4NO2(g) + 2H2O(l) + O2(g)
Ingenieriacutea Quiacutemica 68
UAM-I
El aacutecido niacutetrico concentrado que se usa en el laboratorio estaacute al 68 en masa HNO3
(densidad 142 gcm3) lo que corresponde a 157 M
l aacutecido niacutetrico es un poderoso agente oxidante El nuacutemero de oxidacioacuten del N en el
) El aacutecido niacutetrico puede oxidar
nto a metales que estaacuten abajo del hidroacutegeno como aquellos que se encuentran
4Zn2+(ac) + NH4
+(ac) + 3H2O(l)
do no oxida al oro Sin embargo cuando se mezcla con
cido clorhiacutedrico concentrado en relacioacuten 13 en volumen (una parte de HNO3 a tres
partes al oro
omo sigue
APEacuteNDICE F
ETODO DE DEPOSICIOacuteN-PRECIPITACIOacuteN
E
HNO3 es + 5 Los productos maacutes comunes de la reduccioacuten del aacutecido niacutetrico son el
NO2 (N = + 4) el NO (N = + 2) y el NH4+ (N = - 3
ta
arriba en la serie de actividades Por ejemplo el cobre es oxidado por el aacutecido niacutetrico
concentrado como se mencionoacute antes
En presencia de reductores fuertes como el zinc metaacutelico el aacutecido niacutetrico se puede
reducir hasta ion amonio
4Zn(s) + 10H+(ac) + NO3
-(ac)
El aacutecido niacutetrico concentra
aacute
de HCl) la disolucioacuten resultante denominada agua regia puede oxidar
c
Au(s) + 3HNO3(ac) + 4HCl(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O(l) + 3NO2(g)
M
Ingenieriacutea Quiacutemica 69
UAM-I
APEacuteNDICE G
ISENtildeO DEL MEZCLADOR [4]
1) 100 ml H2O gr soporte
2) NH4(OH)
Ajustar a PH = 9 4) HAuCl4 (solucioacuten acuosa al 25E-3M)
6) Filtrado o centrifugado
3) En Agitacioacuten por 2 hr
8) Secado por 2hr a 80 degC
9 ) Calcinado por 4hr a 400 degC
7) Lavado
5) Antildeegamiento por 30 min
D
Ingenieriacutea Quiacutemica 70
UAM-I
El disentildeo de un tanque agitado dis n nuacutemero de elecciones sobre el
po y localizacioacuten del agitador las proporciones del tanque el nuacutemero y dimensiones
ada una de estas decisiones afectan a la velocidad
e circulacioacuten del liacutequido los modelos de velocidad y el consumo de potencia Como
pone de un gra
ti
de las placas deflectoras etc C
d
punto de partida en el disentildeo de los problemas ordinarios de agitacioacuten generalmente
se utiliza un agitador de turbina del tipo que se muestra en la figura 1 La proporcioacuten
tiacutepica es
31
=t
a
DD
1=tD
H 121
=tD
J 51
=aD
W 41
=aD
L
de estas ecuaciones se disentildeara el mezclador como datos se tiene el valor H que es
igual a 3 mts y el diaacutemetro del tanque D
Se determinara la medida de los reflectores
t que es igual 3 mts
121
=tD
J se despeja J
elacioacuten R31
=t
a
DD
se despeja Da
Relacioacuten
41
=aD
L se despeja L
elacioacuten se despeja W
( ) ( ) cmmtsmtsDJ 25250311==⎟
⎞⎜⎛=⎟
⎞⎜⎛= t 1212 ⎠⎝⎠⎝
( ) ( ) mtsmtsDD ta 1331
31
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=
( ) ( ) mtsmtsDL a 250141
41
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛= cm25=
51
=aD
WR
Ingenieriacutea Quiacutemica 71
UAM-I
Figura 2 a) Vista transversal del mezclador b) paletas del mezclador con la
donde se deposita el soporte
Figura 1 Medidas de un agitador de turbina
a) b)
s rejillas
H
J
E L
Da
D t
W
W
( ) ( ) cmmtsmtsDW a 2020151
5==⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎜⎝
=1 ⎞⎛
Ingenieriacutea Quiacutemica 72
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
36 DIAGRAMA DE LA INDUSTRIA
INDUSTRIA DE CATALIZADORES
TANQUE DE TRATAMIENTO HORNO
CISTERNA 1
CONTENEDORDE AuCl3 CONTENEDOR DE
NH4OH ZONA DE LLENADO
DE SAPORTE
SE LLEVA AL HORNO
MANUALMENTE
PRODUCTOALMACEacuteN
Contenedor de HAuCl4
Figura 2 Diagrama de la distribucioacuten del equipo dentro del aacuterea de produccioacuten
33
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
37 DIMENSIONES DEL EQUIPO Y TUBERIacuteA
2 mts
2 mts 2 mts 6 mts 4 mts 3 mts 5mts 5 mts 3 mts 6 mts 3
3mts 3 mts 3mts 3 mts 3 mts
4 mts 1 5 mts 1 5 mts 4mts 4 7mts 4 mts 21 mts 7 2mts 26 mts 2 mts 21 mts 6 mts
3 5 mts 14 mts 6 mts 8 mts 1 5 mts 3 mts 5 mts 13 mts 8 mts 20 mts 30 mts
IN D U ST R IA D E C A T A L IZ A D O R E S
T AN Q U E D E T R AT AM IE N T O H O R N O
C IST E R N A 1
C O N T EN ED O RD E Au C l3
C O N T EN E D O R D E N H 4O H
ZO N A D E L LEN AD O D E SO PO R T E
AG UA PAR A JAR D IN ES
M E Z C L A D O R E S 12 3 y 4
1 2 3 4
A L M A C Eacute N
Contenedor de HAuCl4
Figura 3 Dimensiones del equipo y tuberiacutea requerida
34
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
38 PLANO DE DISTRIBUCIOacuteN DE AacuteREAS
Figura 4 Aacutereas de trabajo dentro de la planta
35
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
DIMENSIONES DE LA INDUSTRIA
Figura 5 Dimensiones de cada aacuterea de la planta industrial
36
UAM-I
Ingenieriacutea Quiacutemica 37
10 cm 3mts 1 mts 25 cm 15cm 5 cm 5 cm 3mts 150 mts 10 cms 100 mts 20 cm
003 mts
Figura 6 Dimensiones del mezclador y del Agitador
UAM-I
Las dimensiones de las canastillas se determinaron a partir del balance de masa y la
produccioacuten requerida La carga de un contenedor de soporte que es de 100kg del
cual el agitador tiene 4 canastillas cada una corresponde 25 Kg la masa se obtuvo
del balance de materia y su densidad 600 Kgm3 con el que se obtuvo un volumen de
0043 m3
39 ANAacuteLISIS FINANCIERO
El costo de materias primas se muestra en la Tabla 2 en la que tambieacuten se incluyen
los flujos de alimentacioacuten requeridos para el proceso a partir de los cuales se
determinaron los costos diarios
Tabla 2 Costo de materias primas [5]
Compuesto
Alimentacioacuten
por diacutea
Costo
USDKg
Costo Total
USDdiacutea
Au 2 kg 10596 2119200
HCl 15 Kg 52 780
HNO3 20 Kg 022 044
-Al2O3 5712 Kg 034 19421
Canastillas 500 piezas 15 75000
NH3(OH) 200 Kg 034 680
H2O 440414 Kg 282 282
Total de Materia Prima 2215407
El costo se determinoacute considerando la cantidad de material el tamantildeo y el costo de
manufactura
El costo se determinoacute para uso industrial conforme establece la tesoreriacutea de
Meacutexico
Ingenieriacutea Quiacutemica 38
UAM-I
PERSONAL REQUERIDO PARA LA INDUSTRIA
La Tabla 3 establece los salarios mensuales anuales y las prestaciones del IMSS
para el personal de la planta
Tabla 3 Salarios y Prestaciones del Personal
Mano de Obra (USDmes)p
ersona
USDmes USDantildeo Prestaciones
IMSS
1 Gerente 2000 2000 24000
1 Administrador 1000 1000 12000
1 Secretaria 400 400 4800 1193
Total de Salarios
Administrativos
40800 1193 409193
9 Obrero 150 150 1800 448
1 Teacutecnico 200 200 2400 597
1 Policiacutea 200 200 2400 597
1 Mantenimiento 180 180 2160 538
1 Limpieza 150 150 1800 448
Total de Salarios
Proceso
10560 2628 108228
Los salarios se determinaron en base al salario miacutenimo vigente en la Ciudad de
Meacutexico (2003)[29]
Ingenieriacutea Quiacutemica 39
UAM-I
PERSONAL
Departamento de produccioacuten
Se tendraacute 2 obreros en el llenado de soporte en las rejillas un obrero encargado del
traslado de rejillas por medio de la banda de los motores a cada contenedor un
obrero en cada contenedor de NH4OH y HAuCl4 en cada mezclador se tiene 1
obrero para descargar y cargar las rejillas a la banda que se trasladaran al horno en
el horno se tiene 1 obrero encargado del secado y calcinado el producto se traslada
al almaceacuten donde estaraacuten 2 obreros que reciben el producto y materias primas de los
proveedores se tiene 1 teacutecnico supervisando los equipos un encargo del
mantenimiento de los equipos
Departamento de personal
Gerente de la industria un administrador encargado de compra y venta de materias
primas una secretaria
Ingenieriacutea Quiacutemica 40
UAM-I
CAPITAL FIJO
La Tabla 4 muestra el costo de los equipos requeridos en la planta asiacute como el
Capital Fijo y la Inversioacuten del Capital Total
Tabla 4 El equipo se costeo usando las correlaciones de Ulrich [6] y empleando el
programa de Capcost
EQUIPO USD
4 Contenedores 23584
4 Agitadores (456kW) 269760
1 Horno (25 kW) 15700
15 Bombas (1469kW) 43081
1 Motor (114 kW) 67440
Tuberiacuteas 42150
2 Cisternas 174183
Vaacutelvulas 1283
Accesorios
(codos 90ordm y de 45ordm te)
1474
CAPITAL FIJO 638655
Capital de Trabajo 9579825
INVERSIOacuteN DE
CAPITAL TOTAL
73445325
Los caacutelculos y las correlaciones empleadas para el costeo del equipo se anexan en
el Apeacutendice A
Ingenieriacutea Quiacutemica 41
UAM-I
GASTOS GENERALES
Tabla 5 Proporciona el total de gastos anuales con lo cual se estima el precio por
kilo de catalizador y por unidad purificadora
Tabla 5 Gastos Generales anuales
USDAntildeo
Materias Primas 531697680
Mano de Obra de Operacioacuten 1082280
Mano de Obra de Oficina 4091930
Servicios Electricidad 2620100
Total de Gastos Generales 539491990
CFE
Produccioacuten diaria de Catalizador = 574 Kg
Precio de Catalizador = 40 USDKg
Produccioacuten diaria de unidades purificadoras = 500
Precio por unidad = 50USD
Ganancia diaria = 22960 USD
Ganancia Anual = 5510400 USD
DETERMINACIOacuteN DE LA RENTABILIDAD DEL PROYECTO
TPI (Actual) = 10
PR (Factor de riesgo) = 25
TREMA = TPI + PR
TREMA = 35
TIR (del proyecto) = 90
TIR gt TREMA
Puesto que la TIR es mayor que la TREMA se tiene que el proyecto es rentable [6]
Ingenieriacutea Quiacutemica 42
UAM-I
310 CONCLUSIONES
En el desarrollo de la industria para la fabricacioacuten de catalizadores se tuvo un
resultado satisfactorio a pesar de la falta de informacioacuten disponible acerca de
industrias de catalizadores debido a que esta informacioacuten no es publica El proyecto
que elaboramos es novedoso en nuestro paiacutes ya que no existen registros de una
industria que produzca catalizadores de oro soportados en aluacutemina
Durante el desarrollo del proyecto se planteoacute trabajar con compuestos como NOx y
COVS sin embargo debido a la falta de tiempo no se logroacute concluir la
experimentacioacuten en estos campos Debido a esto se tomoacute la decisioacuten de trabajar en
la oxidacioacuten cataliacutetica de CO Esto debido a varios factores por ejemplo la
disponibilidad de gases y sobre todo los costos que esto implicaba
Para el desarrollo del catalizador se analizaron diferentes tipos de preparacioacuten y se
eligieron dos meacutetodos diferentes Deposicioacuten-precipitacioacuten e Impregnacioacuten Los
catalizadores se evaluaron bajo diversas condiciones en la oxidacioacuten de CO El
catalizador que presentoacute mayor conversioacuten con el catalizador a baja temperatura fue
el sintetizado por el meacutetodo de Deposicioacuten-precipitacioacuten el cual se utilizoacute para el
disentildeo de la Industria El disentildeo estaacute basado en la forma de preparacioacuten del
catalizador Por esto la parte maacutes importante de la planta es el tanque de mezclado
el cual se disentildeo tomando en cuenta los diferentes disentildeos de agitadores para tener
un mezclado oacuteptimo Se incorporo en la parte superior del agitador las canastillas
para las pastillas cataliacuteticas y el tipo de Horno que se usara para el secado y
posteriormente el calcinado Una parte importante es la produccioacuten de catalizador
para este problema se investigoacute en que parte se podriacutea utilizar a diferencia de los
catalizadores para automoacuteviles Se llego a la decisioacuten de poder desarrollar un
catalizador para los calentadores de agua se obtuvo informacioacuten de la fabrica de
calentadores cal-o-rex en la produccioacuten diaria de calentadores y de esta informacioacuten
se pudo calcular la posible demanda de nuestro producto Una parte importante en
las industrias son el tipo de bombas ya que existen diversos modelos en nuestro
disentildeo se escogioacute las bombas centriacutefugas con rodetes para agua que contiene
pequentildeas partiacuteculas de soacutelidos
En la parte de servicios para personal se investigo los sueldos de cada empleado Se
determinoacute el costo de los equipos y finalmente llegamos a la parte que nos interesa
Ingenieriacutea Quiacutemica 43
UAM-I
del disentilde es decir si el proyecto es rentable o no En este caso particular se tuvo un
valor aceptable y se definioacute que el disentildeo es rentable Esto indica que seria una
industria que tendriacutea ganancias y a la vez que el producto que se fabrique nos
ayudaraacute a todos a reducir la emisioacuten de CO en los hogares aportando una pequentildea
ayuda al medio ambiente
COMENTARIOS
Los conocimientos adquiridos durante este tiempo fueron provechosos en la parte
teoacuterica y praacutectica aclaramos dudas de como y porque se comportan las reacciones
quiacutemicas y los procesos de flujos Durante el desarrollo del proyecto aprendimos a
observar y la importancia de entender fiacutesicamente las algunos procesos relacionados
con la siacutentesis y caracterizacioacuten de materiales cataliacuteticos
Ingenieriacutea Quiacutemica 44
UAM-I
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UAM-I
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Ingenieriacutea Quiacutemica 46
UAM-I
APEacuteNDICE A
CRITERIOS PARA DETERMINAR QUIEacuteN CONTROLA EL PROCESO
Criterio de weisz para difusioacuten interna
Ec(12-16 Fogler) Los valores que se sustituyen en las siguientes ecuaciones fueron
tomados del catalizador que se analizo en el laboratorio
CWP = ( )
AS
cObsA
DeCRcr 2minus
lt 1
-rA(Obs) = velocidad de reaccioacuten observada molgcats Cc = concentracioacuten volumeacutetrica molm3
CAS = concertacioacuten en la superficie molm3
D= diaacutemetro del granulo m R = radio del granulo m De = difusividad efectiva m2s
d = 0149mm mxmm
m 4104911000
1 minus=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
CWP = ( )( )3
32
24
33
103470184200350
21049150800010681
minus
minusminus
=⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞⎜
⎝⎛
x
mmol
hrm
mxcatm
gcathgcat
molx
734x10-3 lt 1 No hay limitante por la difusioacuten interna
Ingenieriacutea Quiacutemica 47
UAM-I
Criterio de mears para difusioacuten interna Ec(12-62 Fogler)
Mm = 150ltAbc
bA
CkRnr ρminus
Mm =( )( )
0570
136000184200220
31110457508000106851
3
53
3
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ minusminus
hrs
mmol
sm
mxcatmgcat
hgcatmolx
0057 lt 015 no hay efecto de transferencia de masa externa Calculo de Dab para calcular el coeficiente de trasferencia de masa Ec(78 Lobo)
De =
KAAB DD11
1
+
DKA = 970X103 (80X10-8)(s
cmK 221 1090)
2400( =
DAB = 00018583ABAB
BA
PMMT
Ω
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ +
2
2123 11
γ
Para CO
0110=isin
Bk 0593 A=γ
Para O2
Ingenieriacutea Quiacutemica 48
UAM-I
0113=isin
Bk 0453 A=γ
( ) 51343359321
=+=ABγ
( )( )[ ] 21113110BAB k=isin A la temperatura de 400degK
( ) 583))113)(110((
40021 =
deg=
isin B
B
AB
B
KKKTK
Ω AB = 0907 Sustituyendo
DAB =s
cm2
2
2123
9730)9070()513(
)21281()400(00185830=
+
De = hrm
hrs
cmm
scm 222
03501
3600100
10980
10901
97301
1=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
+
Calculo de Kc Sh = (Re)12(Sc)13
Velocidad superficial
V = sm
shr
hrm
mxhr
m
Av
c
02036001976
1087
006025
3
0 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛== minus
Ingenieriacutea Quiacutemica 49
UAM-I
Re= ( ) 240)1062)(501(
)10491)(020(
1 25
4
=minus
=minus minus
minus
smx
mxsmvd p
νφ
Sc= 672)3600
1)(0350(
10622
25
==minus
shr
hrm
smx
Dv
AB
Sh= ( 024 )12 ( 267 )13 = 0679
Kc = Shdp
DAB⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛minusφ
φ1
Kc = ( )sm
mxs
mx02206790
10491
10729
50501
4
26
=⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛minus
minus
minus
Calculo de numero Thile con el radio que usara a nivel industrial
φ = L ( )DkCn n
AS
21 1minus+
L = 3R
Sustituyendo
φ = 66x10-4 m( )
( )
450
03502
018420
5480941311
3
30
3330
313
=
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+
catmhrm
mmol
hrcatmmolm
η = 1 con los resultados anteriores se observa que quieacuten limita es la velocidad de
reaccioacuten Por lo que se procede a calcular el peso y longitud de catalizador
necesaria para muestro purificador sustituyendo los valores del Boiler
Ingenieriacutea Quiacutemica 50
UAM-I
Peso del Catalizador w =
( ) grcatgcatLn
gcatm
mmol
hrcatmmolm
hrm
xLn
kCv
A
66476639401
1
6000001578
548094
19836
11
330
3330
313
3
0
0 asymp=minus
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
minus
g 664=w
33
3
1011
mg60000
g 664 mxwv minus===ρ
m 035003101011
2
33
==minus
mmxL
cm 531000350 == xL
Ingenieriacutea Quiacutemica 51
UAM-I
APEacuteNDICE B BALANCE DE MASA DE LA PREPARACIOacuteN DE HAUCL4 Au(g) + 3HNO3(ac) + 4HCL(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O + 3N02(g) (152 M) (105M)
cantidad de mol Au = 05 kg Au x molAu
grAumolAux
kggr 542
971961
11000
=
cantidad de kg HNO3 = ( ) 33
33 480
10001
1635423 kgHNO
grkgx
molHNOGRHNOxHNOmol =
cantidad de kgHCl = ( ) kgHClgr
kgxmolHCl
grHClHClxmol 3701000
11
5365424 =
cantidad de kgHAuCl4 = 254molHAuCl4 x 44
8601000
11
97339 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
gr=
cantidad de kgH2O = 3( 254mol)H20 x OkgHgr
kgxOmolHOgrH
22
2 1401000
1118
=
cantidad de Lt H20 = 762molHNO3 x OltHOkgHOLtH
22
2 14011
=
cantidad de Lt H20 = 1016 mol HNO3 x 050215
012
2 LtHmol
LtH=
cantidad de LtH20 = 1016mol HCl x OLtHLtHmolHCl
LtH22
2 010970510
01asymp=
cantidad de MHAUCl4 = ( ) ( ) ( ) MHltltlt
ClmolHAU 7210850490140
542
2
4 asymp++
cantidad de kg NO2(g) = 3( 254mol)NO2 x )(22
2 3501000
1146
SkgNOgr
kgxmolNO
grNO=
Ingenieriacutea Quiacutemica 52
UAM-I
05 kg Au 048 kgHNO3 035 kgNO2 101021 kgH20 (152M) 037 kgHCl(ac)
(105 m) 086 kg HAuCl4 (ac) 086 kg HAuCl4 (ac)
(17 M) 014 kgH20 (25x10-3M) 014kg H20 (L) 086kg HAuCl4 035kgNO2 (g) 101185kg H20 Cantidad de H20 = 086 kgHAuCl4
x 08510110101
105201
173341
11000
22
23
24 kgHLtHkgHx
MxltHx
grmolHAuClx
kggr
=minus
pero (101185 ndash 014 ndash 05 ndash 1) kg H20 = 101021 kg H20 100ml H20 por 1 gr soporte 35kg NH4 (OH)(AC) 10000kgH20 100 kg γAl203 (9965) 035kgAu (035) 100kg γAl203 025kgCl2 086kg HAuCl4 026kgHAuCl4
101185 kg H20 35kgNH4 (OH)(AC) 1101185kgH20 cantidad de kgHAuCl4 = 015kgAu x
44
4 2601000
11
973391
197196
147196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxgrAu
molxkg
gr=
cantidad de NH4(OH) = 100kg γ Al203 x
Ingenieriacutea Quiacutemica 53
UAM-I
kgNHxmol
grx
mlmol
xOAlgr
OHmlNHx
kg
gr53
10001
1
35
100010
1
)(10
1
1000
32
4=
γ4(OH)
30kg γAL2O3 1 kgNH4(OH)(AC) 30 kg γ Al203 (9965) 010 kg Au (035) 026kgHAuCl4 007kg Cl2 35kgNH4(OH) 1101185 kgH2O 0086kgHAuCl4 45 kg NH4(OH)(AC) 1101185 kg H20
cantidad de γ Al2O3 = 026kgHAuCl4 x 324
32 02330860
100 AlkgkgHAuCl
OAlkg γγ=
cantidad de kgAu = 035 x kgAukg 10506599
30=
cantidad de kg Cl2 = 01 kgAu x
22
2 07201000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de HAuCl4 = 005kgAu x
44
4 08601000
11
973391
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 54
UAM-I
cantidad de kgNO4(OH) = 30 kg γ Al203 x ( )OHkgNHAlkg
OHkgNO4
32
4 0510100
)(53=
γ
105 kg γ Al203 035 kg NH2(OH) 105 kg γ Al203 (9965) 004 kg Au (035) 009kg HAuCl4 003 kg Cl2 45kgNH4(OH) 1101185 kg H20 0017kgHAuCl4 485kgNH4 (OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 009 HAuCl4 x 324
32 04710860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad kg de NH4 (OH) = 105kg γ Al203 x ( ) )(3500100
534
32
4 OHkgNHAlkg
OHkgNH=
γ
cantidad de Cl2 = 004 kg Au x
22
2 02901000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
gAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 =
44
44 02001701000
11
973391
197196
11
1000010 kgHAukgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgr
molAuxkg
grkgAux asymp=
Ingenieriacutea Quiacutemica 55
UAM-I
23 kg γ Al203 008kgNH4(OH) 002 kg HAuCl4 23 kg γAl203 (9965) 485kgNH4(OH) 0008kgAu(035) 1101185kg H2 0001kg Cl2
0014 kg HAuCl4 493kgNH4(OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 002kgHAuCl4 x 324
32 032860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad de kg Au = 035 x kgAukg 00806599
32=
cantidad de kgCl2 = 0002kgAu x
24
4 00101000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 = 0008kgAu x
44
44 01401000
11
973341
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 56
UAM-I
APEacuteNDICE C ACCESORIOS EN EL DISENtildeO
Agitador
Agitadores de Heacutelice se escogioacute este tipo de agitador por ser tener las siguientes
caracteriacutesticas [3]
bull Es un agitador de flujo axial
bull Se emplea para liacutequidos pocos viscosos
bull Giran a toda la velocidad del motor
bull Las corrientes de flujo se mueven a traveacutes del liacutequido en una direccioacuten
determinada hasta que son desviadas por el fondo o las paredes del tanque
bull Las palas de la heacutelice cortan o friccionan vigorosamente el liacutequido
bull Los agitadores de heacutelice son eficaces para tanques de gran tamantildeo
Horno
bull El horno se escogioacute por ser tener las siguientes caracteriacutesticas [5]
bull El horno de construccioacuten metaacutelica
bull La caacutemara de combustioacuten estaacute construida mediante hormigones refractarios
de alta resistencia mecaacutenica
bull Las materias secar y calcinar se carga de forma manual
Ingenieriacutea Quiacutemica 57
UAM-I
Bomba
DISENtildeO Bomba centrifuga para operacioacuten horizontal o vertical del impulsor
cerrado succioacuten al extremo descarga hacia arriba tangencial simple succioacuten de un
paso con carcaza partida verticalmente [3]
ROTACIOacuteN En el sentido del reloj vista desde el cople
CARACTERIacuteSTICAS Conexiones brindadas con registro ubicado en la cabeza de
succioacuten para facilitar su limpieza
SERVICIO Debido a que es posible colocarla en posicioacuten horizontal o vertical tanto
en caacutercamos secos como huacutemedos y por el disentildeo de su impulsor que soacutelidos de
gran tamantildeo esta bomba es ideal para los procesos de tratamientos de agua y
manejo de liacutequidos en suspensioacuten en general
CAPACIDADES
GASTO Hasta 3000 GPM
CDT Hasta 80rsquo
PRESIOacuteN 106 Kgcmsup2
POTENCIA De 1 a 60 Hp
VELOCIDAD (1175 - 3550 RPM)
TEMPERATURA 125degC
Ingenieriacutea Quiacutemica 58
UAM-I
Bombas Centriacutefugas
Las maquinas centriacutefugas estaacuten constituidas por un impulsor o rodete formado por
una serie de aletas radiales diversas formas y curvaturas que giran dentro de una
caja circular El fluido penetra por el ojo o eje de rotacioacuten y se descarga maacutes o
menos radialmente en una caacutemara perifeacuterica a una elevada presioacuten que
corresponde a la suma de la fuerza centriacutefuga de la rotacioacuten maacutes la cineacutetica
comunicada al fluido por las aletas La parte moacutevil de la bomba es el rodete Las
aletas del rodete se extienden desde el centro de rotacioacuten hacia la periferia y las
bridas son los discos de refuerzo a cada lado de las aletas que las envuelven Las
aletas pueden ser radiales curvadas ligeramente hacia delante en el mismo sentido
de la rotacioacuten o estar curvadas al reveacutes en el caso maacutes comuacuten en el disentildeo se
determino el rodete siguiente por sus caracteriacutesticas Fig 1
Figura 1 Corte parcial de un rodete de centriacutefuga para grandes cargas y secciones
de paso estrechas empleando con liacutequidos corrosivos o suspensiones de pequentildeas
partiacuteculas[4]
Ingenieriacutea Quiacutemica 59
UAM-I
APENDICE D CALCULO DE POTENCIA DE BOMBAS (8)
Potencia de la bomba de la cisterna 1 que alimenta a los mezclador 4
Ecuacioacuten de Bernoulli
sum sumint =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛+++∆+∆i i
i
P
P
evvfDLvwdphgv 0
21
21
ˆ1
21 222
2
1ρ
a b c d e f
a Diferencia de velocidades
b Diferencia de alturas
c Diferencia de presiones
d Trabajo
e Perdidas de friccioacuten en tuberiacuteas
f Perdidas de friccioacuten en accesorios
En la ecuacioacuten anterior se pueden eliminar algunos teacuterminos
21 mts
6 mts 35 mts
Figura 1 Balance de cisterna 1 a mezclador 4
Se debe de tener dos puntos de referencia para la utilizacioacuten de la ecuacioacuten de
Bernoulli de los cuales se anotaron en la figura 2
Ingenieriacutea Quiacutemica 60
UAM-I
21 mts
2 1 6 mts 35 mts
Figura 2
Teniendo los puntos de referencia se analiza que las diferencias de velocidades son
cero en ambos puntos por lo tanto el termino 2
21 ν∆ es igual a cero
El termino de = (981hg∆ 2segm )(35m ndash 0) = 34335 2
2
segm
El termino de int2
1
1P
P
dpρ
se tiene que la cisterna y el tanque de mezclado ambos no
estaacuten cerrados y por lo tanto no originan un cambio de presioacuten y el termino es cero
De esta expresioacuten L longitud de tuberiacutea
tro de tuberiacutea
n el interior del tubo
v
Para la l radio del tubo que
sum ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
i
fDL2
21 ν
D diaacuteme
f perdidas de friccioacuten e
velocidad del flujo de agua
obtencioacuten de la velocidad se tiene el flujo volumeacutetrico y e
es de 32 cm =0032mts con la ecuacioacuten
Ingenieriacutea Quiacutemica 61
( )( ) sm
ms
m
RQ 761
032060min1)
min340(
2
3
2 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
==ππ
ν
UAM-I
Se reportan valores de perdida de fr
e reduce teacuterminos
iccioacuten en tubos que son igual a 005
Por lo tanto sustituyendo los teacuterminos en la ecuacioacuten de Bernoulli s
sum sumint =⎟⎠
⎜⎝
+⎟⎠
⎜⎝
+++∆+∆i i
iP
evvfD
vwdphgv 022
ˆ2
1ρ
⎞⎛⎞⎛ L 111 2222
or tanto el termino de trabajo queda expresado de la siguiente manera
tanto la bomba comunica al fluido que circula en el sistema un trabajo
+11727
P1
p w
sum sum ∆minus⎟⎠⎞
⎜⎝⎛minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛minus=
i ii
hgevvfDLvw 22
21
21
ˆ
( ) ( )
Este es el trabajo ( por unidad de masa) producido por el fluido en la bomba por lo
22
sm o 11727 981 = 1195
m
fKg
Kgm
La velocidad de flujo de masa es
Por lo tanto
1 )=6694
951)(675(ˆ =minus=minus WwW smkg f = 088Hp = 1Hp
Siendo esta ida para esta bomba El procedimiento anterior se
iguioacute para cada bomba de la planta
AP E
la potencia requer
s
EacuteNDICE
TOXICOLOGIacuteA DE MATERIAS PRIMAS [6]
( ) ( ) ( )( ) ( )( )msm
smmmm
sm 538192201150761
21050
032021536761
21
2
22minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ +minus⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ++
minus=wm
22
27117ˆ smw minus=
( )s
kgmkgQw m675100060340 3 === ρ
Ingenieriacutea Quiacutemica 62
UAM-I
HIDROacuteXIDO DE SODIO
Polvo corrosivo blanco delicuescente
Toxicidad
Concentracioacuten Maacutexima permisible 2mgm3 en aire
Signos y Siacutentomas Conjutivitis quemaduras corneales y de la piel Irritacioacuten
seas vomito dolor abdominal y diarrea a veces con
Lavado de las partes afectadas tranquilizantes sulfato de
decuada gafas protectoras o pantallas para
ignos y Siacutentomas Irritacioacuten de ojos quemaduras corneables tos dolores
l hemoptisis dolor de cabeza dolor epigaacutestrico nauseas y vomito
lmonar
Tratamiento lavado de ojos con agua reposo oxigeno con aparato de respiracioacuten
con onantes
ACIDO NITRICO
Liquido corrosivo sofocante de incoloro a amarillento
ioacuten maacutexima permisible 10ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
del tracto respiratorio nau
sangre
Tratamiento
morfina para el dolor y cortisona
Medidas preventivas Ventilacioacuten a
la cara completa mascarilla con filtro mecaacutenico guantes delantares botas de
goma y acentuar la limpieza personal
CLORO
Gas pasado amarillo verdoso
Toxicidad
Conc Maacutexima permisible 1 ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten
S
retrosterna
debilidad cianosis y edema pu
trolada bronco dilatadores y descongesti
Toxicidad
Concentrac
Ingenieriacutea Quiacutemica 63
UAM-I
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
Signos y siacutentomas Erosioacuten dental estornudo tos Dolor en el pecho bronquitis y
la las partes contaminadas del cuerpo con solucioacuten al 5 de
de las quemaduras con pantildeos
de triacuteo sulfato soacutelido si se a ingerido
vado de ojos con agua
ACIDO CLORIDRICO
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
ivitis necrosis corneal por inhalacioacuten rinitis erosioacuten
dolor de cabeza palpitacioacuten por ingestioacuten
s en la boca faringe esoacutefago estomago salivacioacuten vomito Soc
agua lavada de agua y jaboacuten de las partes
preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
AacuteC
El c
con o de hidroacutegeno una
concentracioacuten de 12 molLt Este aacutecido es un liacutequido incoloro con un olor aacutecido
bronconeumoniacutea
Tratamiento
bicarbonato soacutelido o con agua y jaboacuten Tratamiento
mojados con solucioacuten saturada
administracioacuten por viacutea oral de solucioacuten de jaboacuten Hidroacutexido caacutelcico o alumiacutenico u
oacutexido de magnesio
Medidas preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores excluir de la exposicioacuten
a los individuos con enfermedades de pulmones y rintildeones
Gas incoloro o liacutequido o a amarillento
Toxicidad
Concentracioacuten maacutexima permisible 5ppm en aire
Signos y siacutentomas conjunt
dental laringitis bronquitis neumoniacutea
quemadura
nefritis
Tratamiento lavado de ojos con
contaminantes del cuerpo tratamiento ordinario de quemaduras lavado gaacutestrico
se a ingerido con solucioacuten de bicarbonato soacutedico al 5 seguido de una instilacioacuten
de gel de hidroacutexido de aluminio
Medidas
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores
IDO CLORHIacuteDRICO
loruro de hidroacutegeno es en extremo soluble en agua de hecho el aacutecido clorhiacutedrico
centrado contiene cerca del 38 en masa de clorur
Ingenieriacutea Quiacutemica 64
UAM-I
pronunciado que se debe al equilibrio entre el cloruro de hidroacutegeno gaseoso y
ste con el aacutecido fluorhiacutedrico el aacutecido clorhiacutedrico es un aacutecido fuerte (pKa = -
7) y se ioniza casi totalmente
gar de aacutecido sulfuacuterico auque en menor grado Por
jemplo el zinc metaacutelico reacciona con aacutecido clorhiacutedrico para dar el ion zinc e
hidroacutegeno gaseoso
Zn(s) + 2HCl(ac) ZnCl2(ac) + H2(g)
l para producir aacutecido clorhiacutedrico en el laboratorio es generar
cloruro de hidroacutegen e sodio y el aacutecido
ulfuacuterico En el primer paso a 150degC se forma hidroacutegeno sulfato de sodio
NaHSO4(s) + HCl(g)
io y maacutes
loruro de hidroacutegeno gaseoso Luego el gas se disuelve en agua para formar el
aacutecido
NaHSO4(s) + NaCl(s) Na2SO4(s) + HCl(g)
acuoso
HCl(ac) HCl(g)
El reactivo de grado teacutecnico a menudo tiene un color amarillento por una impureza
del ion hierro (III)
En contra
HCl(ac) + H2O(l) H2O+(ac) + Cl -(ac)
Por ello a menudo se prefiere usar aacutecido clorhiacutedrico diluido en lugar de aacutecido niacutetrico
que es muy oxidante y en lu
e
Cuando el zinc reacciona con el aacutecido niacutetrico es comuacuten que se reduzca una parte
del ion nitrato para dar dioacutexido de nitroacutegeno
El meacutetodo tradiciona
o gaseoso por la reaccioacuten entre el cloruro d
s
NaCl(s) + H2SO4(l)
La mezcla se calienta a 550degC temperatura a la cual el hidroacutegeno sulfato de sodio
reacciona con un exceso de cloruro de sodio para formar sulfato de sod
c
∆
Este meacutetodo se usa tambieacuten en la industria otra forma de producir cloruro de
hidroacutegeno es por la combinacioacuten directa de dicloro y dihidroacutegenogaseosos
Ingenieriacutea Quiacutemica 65
UAM-I
H2(g) + Cl2(g) 2HCl(g)
La mayor cantidad de cloruro de hidroacutegeno que se produce actualmente es un
CH4(g) + 4Cl2(g) 4(l) + 4HCl(g)
riacuten de superficies de acero en un bantildeo aacutecido en la purificacioacuten de glucosa
y jarabe de maiacutez e s y de gas y en la
bricacioacuten de compuestos clorados El aacutecido se puedo comprar en muchas
nducida por la luz
4HNO3(ac) 4NO2(g) + O2(g) + 2H2O(l)
niacutetrico como disolvente)
H2NO3+ H2O + NO2
+
l siguiente
3HNO NO3 ndash
subproducto de otros procesos industriales como la siacutentesis de tetracloruro de
carbono
CCl
Se consumen cerca de 107 toneladas de aacutecido clorhiacutedrico cada antildeo en todo el
mundo Este aacutecido tiene una gama muy amplia de usos como aacutecido comuacuten para
eliminar o
n el tratamiento con aacutecido de pozos petrolero
fa
ferreteriacuteas con el arcaico nombre de aacutecido muriaacutetico sus principales usos caseros
son la limpieza de superficies de concreto y la eliminacioacuten de herrumbre Un nuacutemero
muy reducido de personas es incapaz de sintetizar suficiente jugo gaacutestrico y deben
de ingerir caacutepsulas de aacutecido clorhiacutedrico diluido con cada comida
AacuteCIDO NIacuteTRICO
El aacutecido niacutetrico un liacutequido aceitoso e incoloro en estado puro es sumamente
peligroso El aacutecido que funde a ndash42degC y hierve a +83degC tiene por lo general un
ligero color amarillo a causa de una reaccioacuten de descomposicioacuten i
En un estado puro el aacutecido niacutetrico liacutequido praacutecticamente no conduce la electricidad
Una pequentildea porcioacuten se ioniza como sigue (todas estas especies existen en el aacutecido
2HNO3(l) H2NO3+ + NO3
ndash
H2O + HNO3 H3O+ + NO3 ndash
Para dar la reaccioacuten globa
3 NO2+ + H3O + 2+
Ingenieriacutea Quiacutemica 66
UAM-I
El catioacuten nitrilo es importante en la nitracioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas por ejemplo la
obenceno C6H5NO2 una etapa importante en
umerosos procesos industriales orgaacutenicos
El aacutecido niacutetrico con en agua mientras
ue el ldquoaacutecido niacutetrico fumanterdquo un oxidante extremadamente poderoso es una
vez de ello se produce una mezcla de
sistema que da un orden de
vista industrial el
oceso
e lleva a cabo en tres etapas Primero se hace pasar una mezcla de amoniaco y de
dioxiacutegeno (o aire) un proceso muy
ficiente y exoteacutermico que hace que la malla se ponga al rojo Esta etapa se verifica
conversioacuten de benceno C6H6 en nitr
n
centrado es en realidad una solucioacuten al 70
q
solucioacuten roja de dioacutexido de nitroacutegeno en aacutecido niacutetrico puro Incluso cuando esta
diluido el aacutecido niacutetrico es un oxidante tan fuerte que rara vez desprende hidroacutegeno
cuando se pone en contacto con metales en
oacutexidos de nitroacutegeno y el metal se oxido a su catioacuten
Los enlaces O-N son mucho maacutes cortos (121 pm) que el enlace O-N unidos al aacutetomo
de hidroacutegeno (141 pm) Esta longitud de enlaces indica que hay enlaces muacuteltiples
entre el nitroacutegeno y los dos aacutetomos de oxiacutegeno terminales Ademas de los electrones
del sistema σ hay cuatro electrones que participan en el sistema π O-N-O dos de un
orbital enlazante y dos en un orbital no enlazante
enlace de 112 para cada uno de esos enlaces nitroacutegeno- oxiacutegeno
A veces se nos olvida hasta queacute punto nuestra experiencia depende de la
termodinaacutemica y la cineacutetica Por ejemplo la primera siacutentesis industrial de aacutecido
niacutetrico se llevaba ha cabo por simple combinacioacuten de diniacutetrogeno dioxiacutegeno y agua
utilizando un horno de arco eleacutectrico a fin de proporcionar la energiacutea necesaria par
superar la muy elevada barrera cineacutetica Aunque desde el punto de
factor cineacutetico constituiacutea un problema en realidad es una bendicioacuten por que sin esta
barrera cineacutetica hace mucho tiempo que todo el dioacutexido de la atmoacutesfera se abriacutea
transformado en aacutecido niacutetrico y nuestros mares serian de aacutecido niacutetrico diluido
frac12 N2(g) + 54O2(g) + 12H2O(g) HNO3(g)
Ahora se utiliza el proceso Ostwald para la siacutentesis de aacutecido niacutetrico Este proceso
consume gran parte del amoniaco que se produce por el proceso Haber El pr
s
a traveacutes de una malla de platino metaacutelico Eacuteste es
e
a baja presioacuten para aprovechar el efecto entropico es decir la formacioacuten de 10
moles de gas a partir de 9 moles de gas (una aplicacioacuten del principio de Le Chatelier)
para desplazar el equilibrio a la derecha
Ingenieriacutea Quiacutemica 67
UAM-I
4NH3(g) + 5O2(g) 4NO(g) + 6H2O(g)
Se agrega maacutes oxiacutegeno para oxidar el monoacutexido de nitroacutegeno a dioacutexido de nitroacutegeno
A fin de mejorar el rendimiento de esta reaccioacuten exoteacutermica se extrae calor de los
ases y la mezcla se somete a presioacuten
2HNO3(l) + NO(g)
Esta reaccioacuten tambieacuten es exoteacutermica y una vez maacutes se aplica enfriamiento y alta
la
egunda etapa para oxidarlo de nuevo
La contaminacioacuten s de aacutecido niacutetrico
as plantas maacutes antiguas eran faacutecilmente identificables por la fumarola cafeacute-
antas maacutes antiguas ahora mezcla cantidades
en Estados Unidos porque un 20
dedica ala produccioacuten de explosivos
or ultimo el aacutecido niacutetrico es un liacutequido que hierve a 826degC No existe como liacutequido
g
2NO(g) + O2(g) 2NO2(g)
El dioacutexido de nitroacutegeno se mezcla con agua para dar una solucioacuten de aacutecido niacutetrico
3NO2(g) + H2O(l)
presioacuten par obtener el maacuteximo rendimiento El monoacutexido de nitroacutegeno se vuelve a
s
soliacutea ser un problema importante de las planta
L
amarillento del dioacutexido de nitroacutegeno que escapaba por ellas Las plantas maacutes
antiguas eran faacutecilmente identificable por la fumadora cafeacute-amarillo del dioacutexido de
nitroacutegeno que escapaba de ellas Las pl
estequiomeacutetricas de amoniaco con las oacutexidos de nitroacutegeno con lo cual se obtiene
dinitroacutegeno y vapor de agua ambos inocuos
NO(g) + NO2 (g) + 2NH3(g) 2N2(g) + 3H2O(g)
En todo el mundo alrededor del 80 del aacutecido niacutetrico se utiliza en la produccioacuten de
fertilizantes Esta proporcioacuten es de solo el 65
se
P
puro porque en alguna medida se descompone espontaacuteneamente como sigue
4HNO3(l) 4NO2(g) + 2H2O(l) + O2(g)
Ingenieriacutea Quiacutemica 68
UAM-I
El aacutecido niacutetrico concentrado que se usa en el laboratorio estaacute al 68 en masa HNO3
(densidad 142 gcm3) lo que corresponde a 157 M
l aacutecido niacutetrico es un poderoso agente oxidante El nuacutemero de oxidacioacuten del N en el
) El aacutecido niacutetrico puede oxidar
nto a metales que estaacuten abajo del hidroacutegeno como aquellos que se encuentran
4Zn2+(ac) + NH4
+(ac) + 3H2O(l)
do no oxida al oro Sin embargo cuando se mezcla con
cido clorhiacutedrico concentrado en relacioacuten 13 en volumen (una parte de HNO3 a tres
partes al oro
omo sigue
APEacuteNDICE F
ETODO DE DEPOSICIOacuteN-PRECIPITACIOacuteN
E
HNO3 es + 5 Los productos maacutes comunes de la reduccioacuten del aacutecido niacutetrico son el
NO2 (N = + 4) el NO (N = + 2) y el NH4+ (N = - 3
ta
arriba en la serie de actividades Por ejemplo el cobre es oxidado por el aacutecido niacutetrico
concentrado como se mencionoacute antes
En presencia de reductores fuertes como el zinc metaacutelico el aacutecido niacutetrico se puede
reducir hasta ion amonio
4Zn(s) + 10H+(ac) + NO3
-(ac)
El aacutecido niacutetrico concentra
aacute
de HCl) la disolucioacuten resultante denominada agua regia puede oxidar
c
Au(s) + 3HNO3(ac) + 4HCl(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O(l) + 3NO2(g)
M
Ingenieriacutea Quiacutemica 69
UAM-I
APEacuteNDICE G
ISENtildeO DEL MEZCLADOR [4]
1) 100 ml H2O gr soporte
2) NH4(OH)
Ajustar a PH = 9 4) HAuCl4 (solucioacuten acuosa al 25E-3M)
6) Filtrado o centrifugado
3) En Agitacioacuten por 2 hr
8) Secado por 2hr a 80 degC
9 ) Calcinado por 4hr a 400 degC
7) Lavado
5) Antildeegamiento por 30 min
D
Ingenieriacutea Quiacutemica 70
UAM-I
El disentildeo de un tanque agitado dis n nuacutemero de elecciones sobre el
po y localizacioacuten del agitador las proporciones del tanque el nuacutemero y dimensiones
ada una de estas decisiones afectan a la velocidad
e circulacioacuten del liacutequido los modelos de velocidad y el consumo de potencia Como
pone de un gra
ti
de las placas deflectoras etc C
d
punto de partida en el disentildeo de los problemas ordinarios de agitacioacuten generalmente
se utiliza un agitador de turbina del tipo que se muestra en la figura 1 La proporcioacuten
tiacutepica es
31
=t
a
DD
1=tD
H 121
=tD
J 51
=aD
W 41
=aD
L
de estas ecuaciones se disentildeara el mezclador como datos se tiene el valor H que es
igual a 3 mts y el diaacutemetro del tanque D
Se determinara la medida de los reflectores
t que es igual 3 mts
121
=tD
J se despeja J
elacioacuten R31
=t
a
DD
se despeja Da
Relacioacuten
41
=aD
L se despeja L
elacioacuten se despeja W
( ) ( ) cmmtsmtsDJ 25250311==⎟
⎞⎜⎛=⎟
⎞⎜⎛= t 1212 ⎠⎝⎠⎝
( ) ( ) mtsmtsDD ta 1331
31
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=
( ) ( ) mtsmtsDL a 250141
41
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛= cm25=
51
=aD
WR
Ingenieriacutea Quiacutemica 71
UAM-I
Figura 2 a) Vista transversal del mezclador b) paletas del mezclador con la
donde se deposita el soporte
Figura 1 Medidas de un agitador de turbina
a) b)
s rejillas
H
J
E L
Da
D t
W
W
( ) ( ) cmmtsmtsDW a 2020151
5==⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎜⎝
=1 ⎞⎛
Ingenieriacutea Quiacutemica 72
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
37 DIMENSIONES DEL EQUIPO Y TUBERIacuteA
2 mts
2 mts 2 mts 6 mts 4 mts 3 mts 5mts 5 mts 3 mts 6 mts 3
3mts 3 mts 3mts 3 mts 3 mts
4 mts 1 5 mts 1 5 mts 4mts 4 7mts 4 mts 21 mts 7 2mts 26 mts 2 mts 21 mts 6 mts
3 5 mts 14 mts 6 mts 8 mts 1 5 mts 3 mts 5 mts 13 mts 8 mts 20 mts 30 mts
IN D U ST R IA D E C A T A L IZ A D O R E S
T AN Q U E D E T R AT AM IE N T O H O R N O
C IST E R N A 1
C O N T EN ED O RD E Au C l3
C O N T EN E D O R D E N H 4O H
ZO N A D E L LEN AD O D E SO PO R T E
AG UA PAR A JAR D IN ES
M E Z C L A D O R E S 12 3 y 4
1 2 3 4
A L M A C Eacute N
Contenedor de HAuCl4
Figura 3 Dimensiones del equipo y tuberiacutea requerida
34
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
38 PLANO DE DISTRIBUCIOacuteN DE AacuteREAS
Figura 4 Aacutereas de trabajo dentro de la planta
35
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
DIMENSIONES DE LA INDUSTRIA
Figura 5 Dimensiones de cada aacuterea de la planta industrial
36
UAM-I
Ingenieriacutea Quiacutemica 37
10 cm 3mts 1 mts 25 cm 15cm 5 cm 5 cm 3mts 150 mts 10 cms 100 mts 20 cm
003 mts
Figura 6 Dimensiones del mezclador y del Agitador
UAM-I
Las dimensiones de las canastillas se determinaron a partir del balance de masa y la
produccioacuten requerida La carga de un contenedor de soporte que es de 100kg del
cual el agitador tiene 4 canastillas cada una corresponde 25 Kg la masa se obtuvo
del balance de materia y su densidad 600 Kgm3 con el que se obtuvo un volumen de
0043 m3
39 ANAacuteLISIS FINANCIERO
El costo de materias primas se muestra en la Tabla 2 en la que tambieacuten se incluyen
los flujos de alimentacioacuten requeridos para el proceso a partir de los cuales se
determinaron los costos diarios
Tabla 2 Costo de materias primas [5]
Compuesto
Alimentacioacuten
por diacutea
Costo
USDKg
Costo Total
USDdiacutea
Au 2 kg 10596 2119200
HCl 15 Kg 52 780
HNO3 20 Kg 022 044
-Al2O3 5712 Kg 034 19421
Canastillas 500 piezas 15 75000
NH3(OH) 200 Kg 034 680
H2O 440414 Kg 282 282
Total de Materia Prima 2215407
El costo se determinoacute considerando la cantidad de material el tamantildeo y el costo de
manufactura
El costo se determinoacute para uso industrial conforme establece la tesoreriacutea de
Meacutexico
Ingenieriacutea Quiacutemica 38
UAM-I
PERSONAL REQUERIDO PARA LA INDUSTRIA
La Tabla 3 establece los salarios mensuales anuales y las prestaciones del IMSS
para el personal de la planta
Tabla 3 Salarios y Prestaciones del Personal
Mano de Obra (USDmes)p
ersona
USDmes USDantildeo Prestaciones
IMSS
1 Gerente 2000 2000 24000
1 Administrador 1000 1000 12000
1 Secretaria 400 400 4800 1193
Total de Salarios
Administrativos
40800 1193 409193
9 Obrero 150 150 1800 448
1 Teacutecnico 200 200 2400 597
1 Policiacutea 200 200 2400 597
1 Mantenimiento 180 180 2160 538
1 Limpieza 150 150 1800 448
Total de Salarios
Proceso
10560 2628 108228
Los salarios se determinaron en base al salario miacutenimo vigente en la Ciudad de
Meacutexico (2003)[29]
Ingenieriacutea Quiacutemica 39
UAM-I
PERSONAL
Departamento de produccioacuten
Se tendraacute 2 obreros en el llenado de soporte en las rejillas un obrero encargado del
traslado de rejillas por medio de la banda de los motores a cada contenedor un
obrero en cada contenedor de NH4OH y HAuCl4 en cada mezclador se tiene 1
obrero para descargar y cargar las rejillas a la banda que se trasladaran al horno en
el horno se tiene 1 obrero encargado del secado y calcinado el producto se traslada
al almaceacuten donde estaraacuten 2 obreros que reciben el producto y materias primas de los
proveedores se tiene 1 teacutecnico supervisando los equipos un encargo del
mantenimiento de los equipos
Departamento de personal
Gerente de la industria un administrador encargado de compra y venta de materias
primas una secretaria
Ingenieriacutea Quiacutemica 40
UAM-I
CAPITAL FIJO
La Tabla 4 muestra el costo de los equipos requeridos en la planta asiacute como el
Capital Fijo y la Inversioacuten del Capital Total
Tabla 4 El equipo se costeo usando las correlaciones de Ulrich [6] y empleando el
programa de Capcost
EQUIPO USD
4 Contenedores 23584
4 Agitadores (456kW) 269760
1 Horno (25 kW) 15700
15 Bombas (1469kW) 43081
1 Motor (114 kW) 67440
Tuberiacuteas 42150
2 Cisternas 174183
Vaacutelvulas 1283
Accesorios
(codos 90ordm y de 45ordm te)
1474
CAPITAL FIJO 638655
Capital de Trabajo 9579825
INVERSIOacuteN DE
CAPITAL TOTAL
73445325
Los caacutelculos y las correlaciones empleadas para el costeo del equipo se anexan en
el Apeacutendice A
Ingenieriacutea Quiacutemica 41
UAM-I
GASTOS GENERALES
Tabla 5 Proporciona el total de gastos anuales con lo cual se estima el precio por
kilo de catalizador y por unidad purificadora
Tabla 5 Gastos Generales anuales
USDAntildeo
Materias Primas 531697680
Mano de Obra de Operacioacuten 1082280
Mano de Obra de Oficina 4091930
Servicios Electricidad 2620100
Total de Gastos Generales 539491990
CFE
Produccioacuten diaria de Catalizador = 574 Kg
Precio de Catalizador = 40 USDKg
Produccioacuten diaria de unidades purificadoras = 500
Precio por unidad = 50USD
Ganancia diaria = 22960 USD
Ganancia Anual = 5510400 USD
DETERMINACIOacuteN DE LA RENTABILIDAD DEL PROYECTO
TPI (Actual) = 10
PR (Factor de riesgo) = 25
TREMA = TPI + PR
TREMA = 35
TIR (del proyecto) = 90
TIR gt TREMA
Puesto que la TIR es mayor que la TREMA se tiene que el proyecto es rentable [6]
Ingenieriacutea Quiacutemica 42
UAM-I
310 CONCLUSIONES
En el desarrollo de la industria para la fabricacioacuten de catalizadores se tuvo un
resultado satisfactorio a pesar de la falta de informacioacuten disponible acerca de
industrias de catalizadores debido a que esta informacioacuten no es publica El proyecto
que elaboramos es novedoso en nuestro paiacutes ya que no existen registros de una
industria que produzca catalizadores de oro soportados en aluacutemina
Durante el desarrollo del proyecto se planteoacute trabajar con compuestos como NOx y
COVS sin embargo debido a la falta de tiempo no se logroacute concluir la
experimentacioacuten en estos campos Debido a esto se tomoacute la decisioacuten de trabajar en
la oxidacioacuten cataliacutetica de CO Esto debido a varios factores por ejemplo la
disponibilidad de gases y sobre todo los costos que esto implicaba
Para el desarrollo del catalizador se analizaron diferentes tipos de preparacioacuten y se
eligieron dos meacutetodos diferentes Deposicioacuten-precipitacioacuten e Impregnacioacuten Los
catalizadores se evaluaron bajo diversas condiciones en la oxidacioacuten de CO El
catalizador que presentoacute mayor conversioacuten con el catalizador a baja temperatura fue
el sintetizado por el meacutetodo de Deposicioacuten-precipitacioacuten el cual se utilizoacute para el
disentildeo de la Industria El disentildeo estaacute basado en la forma de preparacioacuten del
catalizador Por esto la parte maacutes importante de la planta es el tanque de mezclado
el cual se disentildeo tomando en cuenta los diferentes disentildeos de agitadores para tener
un mezclado oacuteptimo Se incorporo en la parte superior del agitador las canastillas
para las pastillas cataliacuteticas y el tipo de Horno que se usara para el secado y
posteriormente el calcinado Una parte importante es la produccioacuten de catalizador
para este problema se investigoacute en que parte se podriacutea utilizar a diferencia de los
catalizadores para automoacuteviles Se llego a la decisioacuten de poder desarrollar un
catalizador para los calentadores de agua se obtuvo informacioacuten de la fabrica de
calentadores cal-o-rex en la produccioacuten diaria de calentadores y de esta informacioacuten
se pudo calcular la posible demanda de nuestro producto Una parte importante en
las industrias son el tipo de bombas ya que existen diversos modelos en nuestro
disentildeo se escogioacute las bombas centriacutefugas con rodetes para agua que contiene
pequentildeas partiacuteculas de soacutelidos
En la parte de servicios para personal se investigo los sueldos de cada empleado Se
determinoacute el costo de los equipos y finalmente llegamos a la parte que nos interesa
Ingenieriacutea Quiacutemica 43
UAM-I
del disentilde es decir si el proyecto es rentable o no En este caso particular se tuvo un
valor aceptable y se definioacute que el disentildeo es rentable Esto indica que seria una
industria que tendriacutea ganancias y a la vez que el producto que se fabrique nos
ayudaraacute a todos a reducir la emisioacuten de CO en los hogares aportando una pequentildea
ayuda al medio ambiente
COMENTARIOS
Los conocimientos adquiridos durante este tiempo fueron provechosos en la parte
teoacuterica y praacutectica aclaramos dudas de como y porque se comportan las reacciones
quiacutemicas y los procesos de flujos Durante el desarrollo del proyecto aprendimos a
observar y la importancia de entender fiacutesicamente las algunos procesos relacionados
con la siacutentesis y caracterizacioacuten de materiales cataliacuteticos
Ingenieriacutea Quiacutemica 44
UAM-I
38 BIBLIOGRAFIacuteA
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UAM-I
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Ingenieriacutea Quiacutemica 46
UAM-I
APEacuteNDICE A
CRITERIOS PARA DETERMINAR QUIEacuteN CONTROLA EL PROCESO
Criterio de weisz para difusioacuten interna
Ec(12-16 Fogler) Los valores que se sustituyen en las siguientes ecuaciones fueron
tomados del catalizador que se analizo en el laboratorio
CWP = ( )
AS
cObsA
DeCRcr 2minus
lt 1
-rA(Obs) = velocidad de reaccioacuten observada molgcats Cc = concentracioacuten volumeacutetrica molm3
CAS = concertacioacuten en la superficie molm3
D= diaacutemetro del granulo m R = radio del granulo m De = difusividad efectiva m2s
d = 0149mm mxmm
m 4104911000
1 minus=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
CWP = ( )( )3
32
24
33
103470184200350
21049150800010681
minus
minusminus
=⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞⎜
⎝⎛
x
mmol
hrm
mxcatm
gcathgcat
molx
734x10-3 lt 1 No hay limitante por la difusioacuten interna
Ingenieriacutea Quiacutemica 47
UAM-I
Criterio de mears para difusioacuten interna Ec(12-62 Fogler)
Mm = 150ltAbc
bA
CkRnr ρminus
Mm =( )( )
0570
136000184200220
31110457508000106851
3
53
3
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ minusminus
hrs
mmol
sm
mxcatmgcat
hgcatmolx
0057 lt 015 no hay efecto de transferencia de masa externa Calculo de Dab para calcular el coeficiente de trasferencia de masa Ec(78 Lobo)
De =
KAAB DD11
1
+
DKA = 970X103 (80X10-8)(s
cmK 221 1090)
2400( =
DAB = 00018583ABAB
BA
PMMT
Ω
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ +
2
2123 11
γ
Para CO
0110=isin
Bk 0593 A=γ
Para O2
Ingenieriacutea Quiacutemica 48
UAM-I
0113=isin
Bk 0453 A=γ
( ) 51343359321
=+=ABγ
( )( )[ ] 21113110BAB k=isin A la temperatura de 400degK
( ) 583))113)(110((
40021 =
deg=
isin B
B
AB
B
KKKTK
Ω AB = 0907 Sustituyendo
DAB =s
cm2
2
2123
9730)9070()513(
)21281()400(00185830=
+
De = hrm
hrs
cmm
scm 222
03501
3600100
10980
10901
97301
1=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
+
Calculo de Kc Sh = (Re)12(Sc)13
Velocidad superficial
V = sm
shr
hrm
mxhr
m
Av
c
02036001976
1087
006025
3
0 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛== minus
Ingenieriacutea Quiacutemica 49
UAM-I
Re= ( ) 240)1062)(501(
)10491)(020(
1 25
4
=minus
=minus minus
minus
smx
mxsmvd p
νφ
Sc= 672)3600
1)(0350(
10622
25
==minus
shr
hrm
smx
Dv
AB
Sh= ( 024 )12 ( 267 )13 = 0679
Kc = Shdp
DAB⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛minusφ
φ1
Kc = ( )sm
mxs
mx02206790
10491
10729
50501
4
26
=⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛minus
minus
minus
Calculo de numero Thile con el radio que usara a nivel industrial
φ = L ( )DkCn n
AS
21 1minus+
L = 3R
Sustituyendo
φ = 66x10-4 m( )
( )
450
03502
018420
5480941311
3
30
3330
313
=
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+
catmhrm
mmol
hrcatmmolm
η = 1 con los resultados anteriores se observa que quieacuten limita es la velocidad de
reaccioacuten Por lo que se procede a calcular el peso y longitud de catalizador
necesaria para muestro purificador sustituyendo los valores del Boiler
Ingenieriacutea Quiacutemica 50
UAM-I
Peso del Catalizador w =
( ) grcatgcatLn
gcatm
mmol
hrcatmmolm
hrm
xLn
kCv
A
66476639401
1
6000001578
548094
19836
11
330
3330
313
3
0
0 asymp=minus
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
minus
g 664=w
33
3
1011
mg60000
g 664 mxwv minus===ρ
m 035003101011
2
33
==minus
mmxL
cm 531000350 == xL
Ingenieriacutea Quiacutemica 51
UAM-I
APEacuteNDICE B BALANCE DE MASA DE LA PREPARACIOacuteN DE HAUCL4 Au(g) + 3HNO3(ac) + 4HCL(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O + 3N02(g) (152 M) (105M)
cantidad de mol Au = 05 kg Au x molAu
grAumolAux
kggr 542
971961
11000
=
cantidad de kg HNO3 = ( ) 33
33 480
10001
1635423 kgHNO
grkgx
molHNOGRHNOxHNOmol =
cantidad de kgHCl = ( ) kgHClgr
kgxmolHCl
grHClHClxmol 3701000
11
5365424 =
cantidad de kgHAuCl4 = 254molHAuCl4 x 44
8601000
11
97339 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
gr=
cantidad de kgH2O = 3( 254mol)H20 x OkgHgr
kgxOmolHOgrH
22
2 1401000
1118
=
cantidad de Lt H20 = 762molHNO3 x OltHOkgHOLtH
22
2 14011
=
cantidad de Lt H20 = 1016 mol HNO3 x 050215
012
2 LtHmol
LtH=
cantidad de LtH20 = 1016mol HCl x OLtHLtHmolHCl
LtH22
2 010970510
01asymp=
cantidad de MHAUCl4 = ( ) ( ) ( ) MHltltlt
ClmolHAU 7210850490140
542
2
4 asymp++
cantidad de kg NO2(g) = 3( 254mol)NO2 x )(22
2 3501000
1146
SkgNOgr
kgxmolNO
grNO=
Ingenieriacutea Quiacutemica 52
UAM-I
05 kg Au 048 kgHNO3 035 kgNO2 101021 kgH20 (152M) 037 kgHCl(ac)
(105 m) 086 kg HAuCl4 (ac) 086 kg HAuCl4 (ac)
(17 M) 014 kgH20 (25x10-3M) 014kg H20 (L) 086kg HAuCl4 035kgNO2 (g) 101185kg H20 Cantidad de H20 = 086 kgHAuCl4
x 08510110101
105201
173341
11000
22
23
24 kgHLtHkgHx
MxltHx
grmolHAuClx
kggr
=minus
pero (101185 ndash 014 ndash 05 ndash 1) kg H20 = 101021 kg H20 100ml H20 por 1 gr soporte 35kg NH4 (OH)(AC) 10000kgH20 100 kg γAl203 (9965) 035kgAu (035) 100kg γAl203 025kgCl2 086kg HAuCl4 026kgHAuCl4
101185 kg H20 35kgNH4 (OH)(AC) 1101185kgH20 cantidad de kgHAuCl4 = 015kgAu x
44
4 2601000
11
973391
197196
147196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxgrAu
molxkg
gr=
cantidad de NH4(OH) = 100kg γ Al203 x
Ingenieriacutea Quiacutemica 53
UAM-I
kgNHxmol
grx
mlmol
xOAlgr
OHmlNHx
kg
gr53
10001
1
35
100010
1
)(10
1
1000
32
4=
γ4(OH)
30kg γAL2O3 1 kgNH4(OH)(AC) 30 kg γ Al203 (9965) 010 kg Au (035) 026kgHAuCl4 007kg Cl2 35kgNH4(OH) 1101185 kgH2O 0086kgHAuCl4 45 kg NH4(OH)(AC) 1101185 kg H20
cantidad de γ Al2O3 = 026kgHAuCl4 x 324
32 02330860
100 AlkgkgHAuCl
OAlkg γγ=
cantidad de kgAu = 035 x kgAukg 10506599
30=
cantidad de kg Cl2 = 01 kgAu x
22
2 07201000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de HAuCl4 = 005kgAu x
44
4 08601000
11
973391
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 54
UAM-I
cantidad de kgNO4(OH) = 30 kg γ Al203 x ( )OHkgNHAlkg
OHkgNO4
32
4 0510100
)(53=
γ
105 kg γ Al203 035 kg NH2(OH) 105 kg γ Al203 (9965) 004 kg Au (035) 009kg HAuCl4 003 kg Cl2 45kgNH4(OH) 1101185 kg H20 0017kgHAuCl4 485kgNH4 (OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 009 HAuCl4 x 324
32 04710860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad kg de NH4 (OH) = 105kg γ Al203 x ( ) )(3500100
534
32
4 OHkgNHAlkg
OHkgNH=
γ
cantidad de Cl2 = 004 kg Au x
22
2 02901000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
gAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 =
44
44 02001701000
11
973391
197196
11
1000010 kgHAukgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgr
molAuxkg
grkgAux asymp=
Ingenieriacutea Quiacutemica 55
UAM-I
23 kg γ Al203 008kgNH4(OH) 002 kg HAuCl4 23 kg γAl203 (9965) 485kgNH4(OH) 0008kgAu(035) 1101185kg H2 0001kg Cl2
0014 kg HAuCl4 493kgNH4(OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 002kgHAuCl4 x 324
32 032860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad de kg Au = 035 x kgAukg 00806599
32=
cantidad de kgCl2 = 0002kgAu x
24
4 00101000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 = 0008kgAu x
44
44 01401000
11
973341
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 56
UAM-I
APEacuteNDICE C ACCESORIOS EN EL DISENtildeO
Agitador
Agitadores de Heacutelice se escogioacute este tipo de agitador por ser tener las siguientes
caracteriacutesticas [3]
bull Es un agitador de flujo axial
bull Se emplea para liacutequidos pocos viscosos
bull Giran a toda la velocidad del motor
bull Las corrientes de flujo se mueven a traveacutes del liacutequido en una direccioacuten
determinada hasta que son desviadas por el fondo o las paredes del tanque
bull Las palas de la heacutelice cortan o friccionan vigorosamente el liacutequido
bull Los agitadores de heacutelice son eficaces para tanques de gran tamantildeo
Horno
bull El horno se escogioacute por ser tener las siguientes caracteriacutesticas [5]
bull El horno de construccioacuten metaacutelica
bull La caacutemara de combustioacuten estaacute construida mediante hormigones refractarios
de alta resistencia mecaacutenica
bull Las materias secar y calcinar se carga de forma manual
Ingenieriacutea Quiacutemica 57
UAM-I
Bomba
DISENtildeO Bomba centrifuga para operacioacuten horizontal o vertical del impulsor
cerrado succioacuten al extremo descarga hacia arriba tangencial simple succioacuten de un
paso con carcaza partida verticalmente [3]
ROTACIOacuteN En el sentido del reloj vista desde el cople
CARACTERIacuteSTICAS Conexiones brindadas con registro ubicado en la cabeza de
succioacuten para facilitar su limpieza
SERVICIO Debido a que es posible colocarla en posicioacuten horizontal o vertical tanto
en caacutercamos secos como huacutemedos y por el disentildeo de su impulsor que soacutelidos de
gran tamantildeo esta bomba es ideal para los procesos de tratamientos de agua y
manejo de liacutequidos en suspensioacuten en general
CAPACIDADES
GASTO Hasta 3000 GPM
CDT Hasta 80rsquo
PRESIOacuteN 106 Kgcmsup2
POTENCIA De 1 a 60 Hp
VELOCIDAD (1175 - 3550 RPM)
TEMPERATURA 125degC
Ingenieriacutea Quiacutemica 58
UAM-I
Bombas Centriacutefugas
Las maquinas centriacutefugas estaacuten constituidas por un impulsor o rodete formado por
una serie de aletas radiales diversas formas y curvaturas que giran dentro de una
caja circular El fluido penetra por el ojo o eje de rotacioacuten y se descarga maacutes o
menos radialmente en una caacutemara perifeacuterica a una elevada presioacuten que
corresponde a la suma de la fuerza centriacutefuga de la rotacioacuten maacutes la cineacutetica
comunicada al fluido por las aletas La parte moacutevil de la bomba es el rodete Las
aletas del rodete se extienden desde el centro de rotacioacuten hacia la periferia y las
bridas son los discos de refuerzo a cada lado de las aletas que las envuelven Las
aletas pueden ser radiales curvadas ligeramente hacia delante en el mismo sentido
de la rotacioacuten o estar curvadas al reveacutes en el caso maacutes comuacuten en el disentildeo se
determino el rodete siguiente por sus caracteriacutesticas Fig 1
Figura 1 Corte parcial de un rodete de centriacutefuga para grandes cargas y secciones
de paso estrechas empleando con liacutequidos corrosivos o suspensiones de pequentildeas
partiacuteculas[4]
Ingenieriacutea Quiacutemica 59
UAM-I
APENDICE D CALCULO DE POTENCIA DE BOMBAS (8)
Potencia de la bomba de la cisterna 1 que alimenta a los mezclador 4
Ecuacioacuten de Bernoulli
sum sumint =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛+++∆+∆i i
i
P
P
evvfDLvwdphgv 0
21
21
ˆ1
21 222
2
1ρ
a b c d e f
a Diferencia de velocidades
b Diferencia de alturas
c Diferencia de presiones
d Trabajo
e Perdidas de friccioacuten en tuberiacuteas
f Perdidas de friccioacuten en accesorios
En la ecuacioacuten anterior se pueden eliminar algunos teacuterminos
21 mts
6 mts 35 mts
Figura 1 Balance de cisterna 1 a mezclador 4
Se debe de tener dos puntos de referencia para la utilizacioacuten de la ecuacioacuten de
Bernoulli de los cuales se anotaron en la figura 2
Ingenieriacutea Quiacutemica 60
UAM-I
21 mts
2 1 6 mts 35 mts
Figura 2
Teniendo los puntos de referencia se analiza que las diferencias de velocidades son
cero en ambos puntos por lo tanto el termino 2
21 ν∆ es igual a cero
El termino de = (981hg∆ 2segm )(35m ndash 0) = 34335 2
2
segm
El termino de int2
1
1P
P
dpρ
se tiene que la cisterna y el tanque de mezclado ambos no
estaacuten cerrados y por lo tanto no originan un cambio de presioacuten y el termino es cero
De esta expresioacuten L longitud de tuberiacutea
tro de tuberiacutea
n el interior del tubo
v
Para la l radio del tubo que
sum ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
i
fDL2
21 ν
D diaacuteme
f perdidas de friccioacuten e
velocidad del flujo de agua
obtencioacuten de la velocidad se tiene el flujo volumeacutetrico y e
es de 32 cm =0032mts con la ecuacioacuten
Ingenieriacutea Quiacutemica 61
( )( ) sm
ms
m
RQ 761
032060min1)
min340(
2
3
2 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
==ππ
ν
UAM-I
Se reportan valores de perdida de fr
e reduce teacuterminos
iccioacuten en tubos que son igual a 005
Por lo tanto sustituyendo los teacuterminos en la ecuacioacuten de Bernoulli s
sum sumint =⎟⎠
⎜⎝
+⎟⎠
⎜⎝
+++∆+∆i i
iP
evvfD
vwdphgv 022
ˆ2
1ρ
⎞⎛⎞⎛ L 111 2222
or tanto el termino de trabajo queda expresado de la siguiente manera
tanto la bomba comunica al fluido que circula en el sistema un trabajo
+11727
P1
p w
sum sum ∆minus⎟⎠⎞
⎜⎝⎛minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛minus=
i ii
hgevvfDLvw 22
21
21
ˆ
( ) ( )
Este es el trabajo ( por unidad de masa) producido por el fluido en la bomba por lo
22
sm o 11727 981 = 1195
m
fKg
Kgm
La velocidad de flujo de masa es
Por lo tanto
1 )=6694
951)(675(ˆ =minus=minus WwW smkg f = 088Hp = 1Hp
Siendo esta ida para esta bomba El procedimiento anterior se
iguioacute para cada bomba de la planta
AP E
la potencia requer
s
EacuteNDICE
TOXICOLOGIacuteA DE MATERIAS PRIMAS [6]
( ) ( ) ( )( ) ( )( )msm
smmmm
sm 538192201150761
21050
032021536761
21
2
22minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ +minus⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ++
minus=wm
22
27117ˆ smw minus=
( )s
kgmkgQw m675100060340 3 === ρ
Ingenieriacutea Quiacutemica 62
UAM-I
HIDROacuteXIDO DE SODIO
Polvo corrosivo blanco delicuescente
Toxicidad
Concentracioacuten Maacutexima permisible 2mgm3 en aire
Signos y Siacutentomas Conjutivitis quemaduras corneales y de la piel Irritacioacuten
seas vomito dolor abdominal y diarrea a veces con
Lavado de las partes afectadas tranquilizantes sulfato de
decuada gafas protectoras o pantallas para
ignos y Siacutentomas Irritacioacuten de ojos quemaduras corneables tos dolores
l hemoptisis dolor de cabeza dolor epigaacutestrico nauseas y vomito
lmonar
Tratamiento lavado de ojos con agua reposo oxigeno con aparato de respiracioacuten
con onantes
ACIDO NITRICO
Liquido corrosivo sofocante de incoloro a amarillento
ioacuten maacutexima permisible 10ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
del tracto respiratorio nau
sangre
Tratamiento
morfina para el dolor y cortisona
Medidas preventivas Ventilacioacuten a
la cara completa mascarilla con filtro mecaacutenico guantes delantares botas de
goma y acentuar la limpieza personal
CLORO
Gas pasado amarillo verdoso
Toxicidad
Conc Maacutexima permisible 1 ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten
S
retrosterna
debilidad cianosis y edema pu
trolada bronco dilatadores y descongesti
Toxicidad
Concentrac
Ingenieriacutea Quiacutemica 63
UAM-I
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
Signos y siacutentomas Erosioacuten dental estornudo tos Dolor en el pecho bronquitis y
la las partes contaminadas del cuerpo con solucioacuten al 5 de
de las quemaduras con pantildeos
de triacuteo sulfato soacutelido si se a ingerido
vado de ojos con agua
ACIDO CLORIDRICO
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
ivitis necrosis corneal por inhalacioacuten rinitis erosioacuten
dolor de cabeza palpitacioacuten por ingestioacuten
s en la boca faringe esoacutefago estomago salivacioacuten vomito Soc
agua lavada de agua y jaboacuten de las partes
preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
AacuteC
El c
con o de hidroacutegeno una
concentracioacuten de 12 molLt Este aacutecido es un liacutequido incoloro con un olor aacutecido
bronconeumoniacutea
Tratamiento
bicarbonato soacutelido o con agua y jaboacuten Tratamiento
mojados con solucioacuten saturada
administracioacuten por viacutea oral de solucioacuten de jaboacuten Hidroacutexido caacutelcico o alumiacutenico u
oacutexido de magnesio
Medidas preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores excluir de la exposicioacuten
a los individuos con enfermedades de pulmones y rintildeones
Gas incoloro o liacutequido o a amarillento
Toxicidad
Concentracioacuten maacutexima permisible 5ppm en aire
Signos y siacutentomas conjunt
dental laringitis bronquitis neumoniacutea
quemadura
nefritis
Tratamiento lavado de ojos con
contaminantes del cuerpo tratamiento ordinario de quemaduras lavado gaacutestrico
se a ingerido con solucioacuten de bicarbonato soacutedico al 5 seguido de una instilacioacuten
de gel de hidroacutexido de aluminio
Medidas
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores
IDO CLORHIacuteDRICO
loruro de hidroacutegeno es en extremo soluble en agua de hecho el aacutecido clorhiacutedrico
centrado contiene cerca del 38 en masa de clorur
Ingenieriacutea Quiacutemica 64
UAM-I
pronunciado que se debe al equilibrio entre el cloruro de hidroacutegeno gaseoso y
ste con el aacutecido fluorhiacutedrico el aacutecido clorhiacutedrico es un aacutecido fuerte (pKa = -
7) y se ioniza casi totalmente
gar de aacutecido sulfuacuterico auque en menor grado Por
jemplo el zinc metaacutelico reacciona con aacutecido clorhiacutedrico para dar el ion zinc e
hidroacutegeno gaseoso
Zn(s) + 2HCl(ac) ZnCl2(ac) + H2(g)
l para producir aacutecido clorhiacutedrico en el laboratorio es generar
cloruro de hidroacutegen e sodio y el aacutecido
ulfuacuterico En el primer paso a 150degC se forma hidroacutegeno sulfato de sodio
NaHSO4(s) + HCl(g)
io y maacutes
loruro de hidroacutegeno gaseoso Luego el gas se disuelve en agua para formar el
aacutecido
NaHSO4(s) + NaCl(s) Na2SO4(s) + HCl(g)
acuoso
HCl(ac) HCl(g)
El reactivo de grado teacutecnico a menudo tiene un color amarillento por una impureza
del ion hierro (III)
En contra
HCl(ac) + H2O(l) H2O+(ac) + Cl -(ac)
Por ello a menudo se prefiere usar aacutecido clorhiacutedrico diluido en lugar de aacutecido niacutetrico
que es muy oxidante y en lu
e
Cuando el zinc reacciona con el aacutecido niacutetrico es comuacuten que se reduzca una parte
del ion nitrato para dar dioacutexido de nitroacutegeno
El meacutetodo tradiciona
o gaseoso por la reaccioacuten entre el cloruro d
s
NaCl(s) + H2SO4(l)
La mezcla se calienta a 550degC temperatura a la cual el hidroacutegeno sulfato de sodio
reacciona con un exceso de cloruro de sodio para formar sulfato de sod
c
∆
Este meacutetodo se usa tambieacuten en la industria otra forma de producir cloruro de
hidroacutegeno es por la combinacioacuten directa de dicloro y dihidroacutegenogaseosos
Ingenieriacutea Quiacutemica 65
UAM-I
H2(g) + Cl2(g) 2HCl(g)
La mayor cantidad de cloruro de hidroacutegeno que se produce actualmente es un
CH4(g) + 4Cl2(g) 4(l) + 4HCl(g)
riacuten de superficies de acero en un bantildeo aacutecido en la purificacioacuten de glucosa
y jarabe de maiacutez e s y de gas y en la
bricacioacuten de compuestos clorados El aacutecido se puedo comprar en muchas
nducida por la luz
4HNO3(ac) 4NO2(g) + O2(g) + 2H2O(l)
niacutetrico como disolvente)
H2NO3+ H2O + NO2
+
l siguiente
3HNO NO3 ndash
subproducto de otros procesos industriales como la siacutentesis de tetracloruro de
carbono
CCl
Se consumen cerca de 107 toneladas de aacutecido clorhiacutedrico cada antildeo en todo el
mundo Este aacutecido tiene una gama muy amplia de usos como aacutecido comuacuten para
eliminar o
n el tratamiento con aacutecido de pozos petrolero
fa
ferreteriacuteas con el arcaico nombre de aacutecido muriaacutetico sus principales usos caseros
son la limpieza de superficies de concreto y la eliminacioacuten de herrumbre Un nuacutemero
muy reducido de personas es incapaz de sintetizar suficiente jugo gaacutestrico y deben
de ingerir caacutepsulas de aacutecido clorhiacutedrico diluido con cada comida
AacuteCIDO NIacuteTRICO
El aacutecido niacutetrico un liacutequido aceitoso e incoloro en estado puro es sumamente
peligroso El aacutecido que funde a ndash42degC y hierve a +83degC tiene por lo general un
ligero color amarillo a causa de una reaccioacuten de descomposicioacuten i
En un estado puro el aacutecido niacutetrico liacutequido praacutecticamente no conduce la electricidad
Una pequentildea porcioacuten se ioniza como sigue (todas estas especies existen en el aacutecido
2HNO3(l) H2NO3+ + NO3
ndash
H2O + HNO3 H3O+ + NO3 ndash
Para dar la reaccioacuten globa
3 NO2+ + H3O + 2+
Ingenieriacutea Quiacutemica 66
UAM-I
El catioacuten nitrilo es importante en la nitracioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas por ejemplo la
obenceno C6H5NO2 una etapa importante en
umerosos procesos industriales orgaacutenicos
El aacutecido niacutetrico con en agua mientras
ue el ldquoaacutecido niacutetrico fumanterdquo un oxidante extremadamente poderoso es una
vez de ello se produce una mezcla de
sistema que da un orden de
vista industrial el
oceso
e lleva a cabo en tres etapas Primero se hace pasar una mezcla de amoniaco y de
dioxiacutegeno (o aire) un proceso muy
ficiente y exoteacutermico que hace que la malla se ponga al rojo Esta etapa se verifica
conversioacuten de benceno C6H6 en nitr
n
centrado es en realidad una solucioacuten al 70
q
solucioacuten roja de dioacutexido de nitroacutegeno en aacutecido niacutetrico puro Incluso cuando esta
diluido el aacutecido niacutetrico es un oxidante tan fuerte que rara vez desprende hidroacutegeno
cuando se pone en contacto con metales en
oacutexidos de nitroacutegeno y el metal se oxido a su catioacuten
Los enlaces O-N son mucho maacutes cortos (121 pm) que el enlace O-N unidos al aacutetomo
de hidroacutegeno (141 pm) Esta longitud de enlaces indica que hay enlaces muacuteltiples
entre el nitroacutegeno y los dos aacutetomos de oxiacutegeno terminales Ademas de los electrones
del sistema σ hay cuatro electrones que participan en el sistema π O-N-O dos de un
orbital enlazante y dos en un orbital no enlazante
enlace de 112 para cada uno de esos enlaces nitroacutegeno- oxiacutegeno
A veces se nos olvida hasta queacute punto nuestra experiencia depende de la
termodinaacutemica y la cineacutetica Por ejemplo la primera siacutentesis industrial de aacutecido
niacutetrico se llevaba ha cabo por simple combinacioacuten de diniacutetrogeno dioxiacutegeno y agua
utilizando un horno de arco eleacutectrico a fin de proporcionar la energiacutea necesaria par
superar la muy elevada barrera cineacutetica Aunque desde el punto de
factor cineacutetico constituiacutea un problema en realidad es una bendicioacuten por que sin esta
barrera cineacutetica hace mucho tiempo que todo el dioacutexido de la atmoacutesfera se abriacutea
transformado en aacutecido niacutetrico y nuestros mares serian de aacutecido niacutetrico diluido
frac12 N2(g) + 54O2(g) + 12H2O(g) HNO3(g)
Ahora se utiliza el proceso Ostwald para la siacutentesis de aacutecido niacutetrico Este proceso
consume gran parte del amoniaco que se produce por el proceso Haber El pr
s
a traveacutes de una malla de platino metaacutelico Eacuteste es
e
a baja presioacuten para aprovechar el efecto entropico es decir la formacioacuten de 10
moles de gas a partir de 9 moles de gas (una aplicacioacuten del principio de Le Chatelier)
para desplazar el equilibrio a la derecha
Ingenieriacutea Quiacutemica 67
UAM-I
4NH3(g) + 5O2(g) 4NO(g) + 6H2O(g)
Se agrega maacutes oxiacutegeno para oxidar el monoacutexido de nitroacutegeno a dioacutexido de nitroacutegeno
A fin de mejorar el rendimiento de esta reaccioacuten exoteacutermica se extrae calor de los
ases y la mezcla se somete a presioacuten
2HNO3(l) + NO(g)
Esta reaccioacuten tambieacuten es exoteacutermica y una vez maacutes se aplica enfriamiento y alta
la
egunda etapa para oxidarlo de nuevo
La contaminacioacuten s de aacutecido niacutetrico
as plantas maacutes antiguas eran faacutecilmente identificables por la fumarola cafeacute-
antas maacutes antiguas ahora mezcla cantidades
en Estados Unidos porque un 20
dedica ala produccioacuten de explosivos
or ultimo el aacutecido niacutetrico es un liacutequido que hierve a 826degC No existe como liacutequido
g
2NO(g) + O2(g) 2NO2(g)
El dioacutexido de nitroacutegeno se mezcla con agua para dar una solucioacuten de aacutecido niacutetrico
3NO2(g) + H2O(l)
presioacuten par obtener el maacuteximo rendimiento El monoacutexido de nitroacutegeno se vuelve a
s
soliacutea ser un problema importante de las planta
L
amarillento del dioacutexido de nitroacutegeno que escapaba por ellas Las plantas maacutes
antiguas eran faacutecilmente identificable por la fumadora cafeacute-amarillo del dioacutexido de
nitroacutegeno que escapaba de ellas Las pl
estequiomeacutetricas de amoniaco con las oacutexidos de nitroacutegeno con lo cual se obtiene
dinitroacutegeno y vapor de agua ambos inocuos
NO(g) + NO2 (g) + 2NH3(g) 2N2(g) + 3H2O(g)
En todo el mundo alrededor del 80 del aacutecido niacutetrico se utiliza en la produccioacuten de
fertilizantes Esta proporcioacuten es de solo el 65
se
P
puro porque en alguna medida se descompone espontaacuteneamente como sigue
4HNO3(l) 4NO2(g) + 2H2O(l) + O2(g)
Ingenieriacutea Quiacutemica 68
UAM-I
El aacutecido niacutetrico concentrado que se usa en el laboratorio estaacute al 68 en masa HNO3
(densidad 142 gcm3) lo que corresponde a 157 M
l aacutecido niacutetrico es un poderoso agente oxidante El nuacutemero de oxidacioacuten del N en el
) El aacutecido niacutetrico puede oxidar
nto a metales que estaacuten abajo del hidroacutegeno como aquellos que se encuentran
4Zn2+(ac) + NH4
+(ac) + 3H2O(l)
do no oxida al oro Sin embargo cuando se mezcla con
cido clorhiacutedrico concentrado en relacioacuten 13 en volumen (una parte de HNO3 a tres
partes al oro
omo sigue
APEacuteNDICE F
ETODO DE DEPOSICIOacuteN-PRECIPITACIOacuteN
E
HNO3 es + 5 Los productos maacutes comunes de la reduccioacuten del aacutecido niacutetrico son el
NO2 (N = + 4) el NO (N = + 2) y el NH4+ (N = - 3
ta
arriba en la serie de actividades Por ejemplo el cobre es oxidado por el aacutecido niacutetrico
concentrado como se mencionoacute antes
En presencia de reductores fuertes como el zinc metaacutelico el aacutecido niacutetrico se puede
reducir hasta ion amonio
4Zn(s) + 10H+(ac) + NO3
-(ac)
El aacutecido niacutetrico concentra
aacute
de HCl) la disolucioacuten resultante denominada agua regia puede oxidar
c
Au(s) + 3HNO3(ac) + 4HCl(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O(l) + 3NO2(g)
M
Ingenieriacutea Quiacutemica 69
UAM-I
APEacuteNDICE G
ISENtildeO DEL MEZCLADOR [4]
1) 100 ml H2O gr soporte
2) NH4(OH)
Ajustar a PH = 9 4) HAuCl4 (solucioacuten acuosa al 25E-3M)
6) Filtrado o centrifugado
3) En Agitacioacuten por 2 hr
8) Secado por 2hr a 80 degC
9 ) Calcinado por 4hr a 400 degC
7) Lavado
5) Antildeegamiento por 30 min
D
Ingenieriacutea Quiacutemica 70
UAM-I
El disentildeo de un tanque agitado dis n nuacutemero de elecciones sobre el
po y localizacioacuten del agitador las proporciones del tanque el nuacutemero y dimensiones
ada una de estas decisiones afectan a la velocidad
e circulacioacuten del liacutequido los modelos de velocidad y el consumo de potencia Como
pone de un gra
ti
de las placas deflectoras etc C
d
punto de partida en el disentildeo de los problemas ordinarios de agitacioacuten generalmente
se utiliza un agitador de turbina del tipo que se muestra en la figura 1 La proporcioacuten
tiacutepica es
31
=t
a
DD
1=tD
H 121
=tD
J 51
=aD
W 41
=aD
L
de estas ecuaciones se disentildeara el mezclador como datos se tiene el valor H que es
igual a 3 mts y el diaacutemetro del tanque D
Se determinara la medida de los reflectores
t que es igual 3 mts
121
=tD
J se despeja J
elacioacuten R31
=t
a
DD
se despeja Da
Relacioacuten
41
=aD
L se despeja L
elacioacuten se despeja W
( ) ( ) cmmtsmtsDJ 25250311==⎟
⎞⎜⎛=⎟
⎞⎜⎛= t 1212 ⎠⎝⎠⎝
( ) ( ) mtsmtsDD ta 1331
31
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=
( ) ( ) mtsmtsDL a 250141
41
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛= cm25=
51
=aD
WR
Ingenieriacutea Quiacutemica 71
UAM-I
Figura 2 a) Vista transversal del mezclador b) paletas del mezclador con la
donde se deposita el soporte
Figura 1 Medidas de un agitador de turbina
a) b)
s rejillas
H
J
E L
Da
D t
W
W
( ) ( ) cmmtsmtsDW a 2020151
5==⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎜⎝
=1 ⎞⎛
Ingenieriacutea Quiacutemica 72
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
38 PLANO DE DISTRIBUCIOacuteN DE AacuteREAS
Figura 4 Aacutereas de trabajo dentro de la planta
35
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
DIMENSIONES DE LA INDUSTRIA
Figura 5 Dimensiones de cada aacuterea de la planta industrial
36
UAM-I
Ingenieriacutea Quiacutemica 37
10 cm 3mts 1 mts 25 cm 15cm 5 cm 5 cm 3mts 150 mts 10 cms 100 mts 20 cm
003 mts
Figura 6 Dimensiones del mezclador y del Agitador
UAM-I
Las dimensiones de las canastillas se determinaron a partir del balance de masa y la
produccioacuten requerida La carga de un contenedor de soporte que es de 100kg del
cual el agitador tiene 4 canastillas cada una corresponde 25 Kg la masa se obtuvo
del balance de materia y su densidad 600 Kgm3 con el que se obtuvo un volumen de
0043 m3
39 ANAacuteLISIS FINANCIERO
El costo de materias primas se muestra en la Tabla 2 en la que tambieacuten se incluyen
los flujos de alimentacioacuten requeridos para el proceso a partir de los cuales se
determinaron los costos diarios
Tabla 2 Costo de materias primas [5]
Compuesto
Alimentacioacuten
por diacutea
Costo
USDKg
Costo Total
USDdiacutea
Au 2 kg 10596 2119200
HCl 15 Kg 52 780
HNO3 20 Kg 022 044
-Al2O3 5712 Kg 034 19421
Canastillas 500 piezas 15 75000
NH3(OH) 200 Kg 034 680
H2O 440414 Kg 282 282
Total de Materia Prima 2215407
El costo se determinoacute considerando la cantidad de material el tamantildeo y el costo de
manufactura
El costo se determinoacute para uso industrial conforme establece la tesoreriacutea de
Meacutexico
Ingenieriacutea Quiacutemica 38
UAM-I
PERSONAL REQUERIDO PARA LA INDUSTRIA
La Tabla 3 establece los salarios mensuales anuales y las prestaciones del IMSS
para el personal de la planta
Tabla 3 Salarios y Prestaciones del Personal
Mano de Obra (USDmes)p
ersona
USDmes USDantildeo Prestaciones
IMSS
1 Gerente 2000 2000 24000
1 Administrador 1000 1000 12000
1 Secretaria 400 400 4800 1193
Total de Salarios
Administrativos
40800 1193 409193
9 Obrero 150 150 1800 448
1 Teacutecnico 200 200 2400 597
1 Policiacutea 200 200 2400 597
1 Mantenimiento 180 180 2160 538
1 Limpieza 150 150 1800 448
Total de Salarios
Proceso
10560 2628 108228
Los salarios se determinaron en base al salario miacutenimo vigente en la Ciudad de
Meacutexico (2003)[29]
Ingenieriacutea Quiacutemica 39
UAM-I
PERSONAL
Departamento de produccioacuten
Se tendraacute 2 obreros en el llenado de soporte en las rejillas un obrero encargado del
traslado de rejillas por medio de la banda de los motores a cada contenedor un
obrero en cada contenedor de NH4OH y HAuCl4 en cada mezclador se tiene 1
obrero para descargar y cargar las rejillas a la banda que se trasladaran al horno en
el horno se tiene 1 obrero encargado del secado y calcinado el producto se traslada
al almaceacuten donde estaraacuten 2 obreros que reciben el producto y materias primas de los
proveedores se tiene 1 teacutecnico supervisando los equipos un encargo del
mantenimiento de los equipos
Departamento de personal
Gerente de la industria un administrador encargado de compra y venta de materias
primas una secretaria
Ingenieriacutea Quiacutemica 40
UAM-I
CAPITAL FIJO
La Tabla 4 muestra el costo de los equipos requeridos en la planta asiacute como el
Capital Fijo y la Inversioacuten del Capital Total
Tabla 4 El equipo se costeo usando las correlaciones de Ulrich [6] y empleando el
programa de Capcost
EQUIPO USD
4 Contenedores 23584
4 Agitadores (456kW) 269760
1 Horno (25 kW) 15700
15 Bombas (1469kW) 43081
1 Motor (114 kW) 67440
Tuberiacuteas 42150
2 Cisternas 174183
Vaacutelvulas 1283
Accesorios
(codos 90ordm y de 45ordm te)
1474
CAPITAL FIJO 638655
Capital de Trabajo 9579825
INVERSIOacuteN DE
CAPITAL TOTAL
73445325
Los caacutelculos y las correlaciones empleadas para el costeo del equipo se anexan en
el Apeacutendice A
Ingenieriacutea Quiacutemica 41
UAM-I
GASTOS GENERALES
Tabla 5 Proporciona el total de gastos anuales con lo cual se estima el precio por
kilo de catalizador y por unidad purificadora
Tabla 5 Gastos Generales anuales
USDAntildeo
Materias Primas 531697680
Mano de Obra de Operacioacuten 1082280
Mano de Obra de Oficina 4091930
Servicios Electricidad 2620100
Total de Gastos Generales 539491990
CFE
Produccioacuten diaria de Catalizador = 574 Kg
Precio de Catalizador = 40 USDKg
Produccioacuten diaria de unidades purificadoras = 500
Precio por unidad = 50USD
Ganancia diaria = 22960 USD
Ganancia Anual = 5510400 USD
DETERMINACIOacuteN DE LA RENTABILIDAD DEL PROYECTO
TPI (Actual) = 10
PR (Factor de riesgo) = 25
TREMA = TPI + PR
TREMA = 35
TIR (del proyecto) = 90
TIR gt TREMA
Puesto que la TIR es mayor que la TREMA se tiene que el proyecto es rentable [6]
Ingenieriacutea Quiacutemica 42
UAM-I
310 CONCLUSIONES
En el desarrollo de la industria para la fabricacioacuten de catalizadores se tuvo un
resultado satisfactorio a pesar de la falta de informacioacuten disponible acerca de
industrias de catalizadores debido a que esta informacioacuten no es publica El proyecto
que elaboramos es novedoso en nuestro paiacutes ya que no existen registros de una
industria que produzca catalizadores de oro soportados en aluacutemina
Durante el desarrollo del proyecto se planteoacute trabajar con compuestos como NOx y
COVS sin embargo debido a la falta de tiempo no se logroacute concluir la
experimentacioacuten en estos campos Debido a esto se tomoacute la decisioacuten de trabajar en
la oxidacioacuten cataliacutetica de CO Esto debido a varios factores por ejemplo la
disponibilidad de gases y sobre todo los costos que esto implicaba
Para el desarrollo del catalizador se analizaron diferentes tipos de preparacioacuten y se
eligieron dos meacutetodos diferentes Deposicioacuten-precipitacioacuten e Impregnacioacuten Los
catalizadores se evaluaron bajo diversas condiciones en la oxidacioacuten de CO El
catalizador que presentoacute mayor conversioacuten con el catalizador a baja temperatura fue
el sintetizado por el meacutetodo de Deposicioacuten-precipitacioacuten el cual se utilizoacute para el
disentildeo de la Industria El disentildeo estaacute basado en la forma de preparacioacuten del
catalizador Por esto la parte maacutes importante de la planta es el tanque de mezclado
el cual se disentildeo tomando en cuenta los diferentes disentildeos de agitadores para tener
un mezclado oacuteptimo Se incorporo en la parte superior del agitador las canastillas
para las pastillas cataliacuteticas y el tipo de Horno que se usara para el secado y
posteriormente el calcinado Una parte importante es la produccioacuten de catalizador
para este problema se investigoacute en que parte se podriacutea utilizar a diferencia de los
catalizadores para automoacuteviles Se llego a la decisioacuten de poder desarrollar un
catalizador para los calentadores de agua se obtuvo informacioacuten de la fabrica de
calentadores cal-o-rex en la produccioacuten diaria de calentadores y de esta informacioacuten
se pudo calcular la posible demanda de nuestro producto Una parte importante en
las industrias son el tipo de bombas ya que existen diversos modelos en nuestro
disentildeo se escogioacute las bombas centriacutefugas con rodetes para agua que contiene
pequentildeas partiacuteculas de soacutelidos
En la parte de servicios para personal se investigo los sueldos de cada empleado Se
determinoacute el costo de los equipos y finalmente llegamos a la parte que nos interesa
Ingenieriacutea Quiacutemica 43
UAM-I
del disentilde es decir si el proyecto es rentable o no En este caso particular se tuvo un
valor aceptable y se definioacute que el disentildeo es rentable Esto indica que seria una
industria que tendriacutea ganancias y a la vez que el producto que se fabrique nos
ayudaraacute a todos a reducir la emisioacuten de CO en los hogares aportando una pequentildea
ayuda al medio ambiente
COMENTARIOS
Los conocimientos adquiridos durante este tiempo fueron provechosos en la parte
teoacuterica y praacutectica aclaramos dudas de como y porque se comportan las reacciones
quiacutemicas y los procesos de flujos Durante el desarrollo del proyecto aprendimos a
observar y la importancia de entender fiacutesicamente las algunos procesos relacionados
con la siacutentesis y caracterizacioacuten de materiales cataliacuteticos
Ingenieriacutea Quiacutemica 44
UAM-I
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UAM-I
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Ingenieriacutea Quiacutemica 46
UAM-I
APEacuteNDICE A
CRITERIOS PARA DETERMINAR QUIEacuteN CONTROLA EL PROCESO
Criterio de weisz para difusioacuten interna
Ec(12-16 Fogler) Los valores que se sustituyen en las siguientes ecuaciones fueron
tomados del catalizador que se analizo en el laboratorio
CWP = ( )
AS
cObsA
DeCRcr 2minus
lt 1
-rA(Obs) = velocidad de reaccioacuten observada molgcats Cc = concentracioacuten volumeacutetrica molm3
CAS = concertacioacuten en la superficie molm3
D= diaacutemetro del granulo m R = radio del granulo m De = difusividad efectiva m2s
d = 0149mm mxmm
m 4104911000
1 minus=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
CWP = ( )( )3
32
24
33
103470184200350
21049150800010681
minus
minusminus
=⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞⎜
⎝⎛
x
mmol
hrm
mxcatm
gcathgcat
molx
734x10-3 lt 1 No hay limitante por la difusioacuten interna
Ingenieriacutea Quiacutemica 47
UAM-I
Criterio de mears para difusioacuten interna Ec(12-62 Fogler)
Mm = 150ltAbc
bA
CkRnr ρminus
Mm =( )( )
0570
136000184200220
31110457508000106851
3
53
3
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ minusminus
hrs
mmol
sm
mxcatmgcat
hgcatmolx
0057 lt 015 no hay efecto de transferencia de masa externa Calculo de Dab para calcular el coeficiente de trasferencia de masa Ec(78 Lobo)
De =
KAAB DD11
1
+
DKA = 970X103 (80X10-8)(s
cmK 221 1090)
2400( =
DAB = 00018583ABAB
BA
PMMT
Ω
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ +
2
2123 11
γ
Para CO
0110=isin
Bk 0593 A=γ
Para O2
Ingenieriacutea Quiacutemica 48
UAM-I
0113=isin
Bk 0453 A=γ
( ) 51343359321
=+=ABγ
( )( )[ ] 21113110BAB k=isin A la temperatura de 400degK
( ) 583))113)(110((
40021 =
deg=
isin B
B
AB
B
KKKTK
Ω AB = 0907 Sustituyendo
DAB =s
cm2
2
2123
9730)9070()513(
)21281()400(00185830=
+
De = hrm
hrs
cmm
scm 222
03501
3600100
10980
10901
97301
1=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
+
Calculo de Kc Sh = (Re)12(Sc)13
Velocidad superficial
V = sm
shr
hrm
mxhr
m
Av
c
02036001976
1087
006025
3
0 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛== minus
Ingenieriacutea Quiacutemica 49
UAM-I
Re= ( ) 240)1062)(501(
)10491)(020(
1 25
4
=minus
=minus minus
minus
smx
mxsmvd p
νφ
Sc= 672)3600
1)(0350(
10622
25
==minus
shr
hrm
smx
Dv
AB
Sh= ( 024 )12 ( 267 )13 = 0679
Kc = Shdp
DAB⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛minusφ
φ1
Kc = ( )sm
mxs
mx02206790
10491
10729
50501
4
26
=⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛minus
minus
minus
Calculo de numero Thile con el radio que usara a nivel industrial
φ = L ( )DkCn n
AS
21 1minus+
L = 3R
Sustituyendo
φ = 66x10-4 m( )
( )
450
03502
018420
5480941311
3
30
3330
313
=
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+
catmhrm
mmol
hrcatmmolm
η = 1 con los resultados anteriores se observa que quieacuten limita es la velocidad de
reaccioacuten Por lo que se procede a calcular el peso y longitud de catalizador
necesaria para muestro purificador sustituyendo los valores del Boiler
Ingenieriacutea Quiacutemica 50
UAM-I
Peso del Catalizador w =
( ) grcatgcatLn
gcatm
mmol
hrcatmmolm
hrm
xLn
kCv
A
66476639401
1
6000001578
548094
19836
11
330
3330
313
3
0
0 asymp=minus
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
minus
g 664=w
33
3
1011
mg60000
g 664 mxwv minus===ρ
m 035003101011
2
33
==minus
mmxL
cm 531000350 == xL
Ingenieriacutea Quiacutemica 51
UAM-I
APEacuteNDICE B BALANCE DE MASA DE LA PREPARACIOacuteN DE HAUCL4 Au(g) + 3HNO3(ac) + 4HCL(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O + 3N02(g) (152 M) (105M)
cantidad de mol Au = 05 kg Au x molAu
grAumolAux
kggr 542
971961
11000
=
cantidad de kg HNO3 = ( ) 33
33 480
10001
1635423 kgHNO
grkgx
molHNOGRHNOxHNOmol =
cantidad de kgHCl = ( ) kgHClgr
kgxmolHCl
grHClHClxmol 3701000
11
5365424 =
cantidad de kgHAuCl4 = 254molHAuCl4 x 44
8601000
11
97339 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
gr=
cantidad de kgH2O = 3( 254mol)H20 x OkgHgr
kgxOmolHOgrH
22
2 1401000
1118
=
cantidad de Lt H20 = 762molHNO3 x OltHOkgHOLtH
22
2 14011
=
cantidad de Lt H20 = 1016 mol HNO3 x 050215
012
2 LtHmol
LtH=
cantidad de LtH20 = 1016mol HCl x OLtHLtHmolHCl
LtH22
2 010970510
01asymp=
cantidad de MHAUCl4 = ( ) ( ) ( ) MHltltlt
ClmolHAU 7210850490140
542
2
4 asymp++
cantidad de kg NO2(g) = 3( 254mol)NO2 x )(22
2 3501000
1146
SkgNOgr
kgxmolNO
grNO=
Ingenieriacutea Quiacutemica 52
UAM-I
05 kg Au 048 kgHNO3 035 kgNO2 101021 kgH20 (152M) 037 kgHCl(ac)
(105 m) 086 kg HAuCl4 (ac) 086 kg HAuCl4 (ac)
(17 M) 014 kgH20 (25x10-3M) 014kg H20 (L) 086kg HAuCl4 035kgNO2 (g) 101185kg H20 Cantidad de H20 = 086 kgHAuCl4
x 08510110101
105201
173341
11000
22
23
24 kgHLtHkgHx
MxltHx
grmolHAuClx
kggr
=minus
pero (101185 ndash 014 ndash 05 ndash 1) kg H20 = 101021 kg H20 100ml H20 por 1 gr soporte 35kg NH4 (OH)(AC) 10000kgH20 100 kg γAl203 (9965) 035kgAu (035) 100kg γAl203 025kgCl2 086kg HAuCl4 026kgHAuCl4
101185 kg H20 35kgNH4 (OH)(AC) 1101185kgH20 cantidad de kgHAuCl4 = 015kgAu x
44
4 2601000
11
973391
197196
147196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxgrAu
molxkg
gr=
cantidad de NH4(OH) = 100kg γ Al203 x
Ingenieriacutea Quiacutemica 53
UAM-I
kgNHxmol
grx
mlmol
xOAlgr
OHmlNHx
kg
gr53
10001
1
35
100010
1
)(10
1
1000
32
4=
γ4(OH)
30kg γAL2O3 1 kgNH4(OH)(AC) 30 kg γ Al203 (9965) 010 kg Au (035) 026kgHAuCl4 007kg Cl2 35kgNH4(OH) 1101185 kgH2O 0086kgHAuCl4 45 kg NH4(OH)(AC) 1101185 kg H20
cantidad de γ Al2O3 = 026kgHAuCl4 x 324
32 02330860
100 AlkgkgHAuCl
OAlkg γγ=
cantidad de kgAu = 035 x kgAukg 10506599
30=
cantidad de kg Cl2 = 01 kgAu x
22
2 07201000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de HAuCl4 = 005kgAu x
44
4 08601000
11
973391
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 54
UAM-I
cantidad de kgNO4(OH) = 30 kg γ Al203 x ( )OHkgNHAlkg
OHkgNO4
32
4 0510100
)(53=
γ
105 kg γ Al203 035 kg NH2(OH) 105 kg γ Al203 (9965) 004 kg Au (035) 009kg HAuCl4 003 kg Cl2 45kgNH4(OH) 1101185 kg H20 0017kgHAuCl4 485kgNH4 (OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 009 HAuCl4 x 324
32 04710860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad kg de NH4 (OH) = 105kg γ Al203 x ( ) )(3500100
534
32
4 OHkgNHAlkg
OHkgNH=
γ
cantidad de Cl2 = 004 kg Au x
22
2 02901000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
gAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 =
44
44 02001701000
11
973391
197196
11
1000010 kgHAukgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgr
molAuxkg
grkgAux asymp=
Ingenieriacutea Quiacutemica 55
UAM-I
23 kg γ Al203 008kgNH4(OH) 002 kg HAuCl4 23 kg γAl203 (9965) 485kgNH4(OH) 0008kgAu(035) 1101185kg H2 0001kg Cl2
0014 kg HAuCl4 493kgNH4(OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 002kgHAuCl4 x 324
32 032860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad de kg Au = 035 x kgAukg 00806599
32=
cantidad de kgCl2 = 0002kgAu x
24
4 00101000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 = 0008kgAu x
44
44 01401000
11
973341
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 56
UAM-I
APEacuteNDICE C ACCESORIOS EN EL DISENtildeO
Agitador
Agitadores de Heacutelice se escogioacute este tipo de agitador por ser tener las siguientes
caracteriacutesticas [3]
bull Es un agitador de flujo axial
bull Se emplea para liacutequidos pocos viscosos
bull Giran a toda la velocidad del motor
bull Las corrientes de flujo se mueven a traveacutes del liacutequido en una direccioacuten
determinada hasta que son desviadas por el fondo o las paredes del tanque
bull Las palas de la heacutelice cortan o friccionan vigorosamente el liacutequido
bull Los agitadores de heacutelice son eficaces para tanques de gran tamantildeo
Horno
bull El horno se escogioacute por ser tener las siguientes caracteriacutesticas [5]
bull El horno de construccioacuten metaacutelica
bull La caacutemara de combustioacuten estaacute construida mediante hormigones refractarios
de alta resistencia mecaacutenica
bull Las materias secar y calcinar se carga de forma manual
Ingenieriacutea Quiacutemica 57
UAM-I
Bomba
DISENtildeO Bomba centrifuga para operacioacuten horizontal o vertical del impulsor
cerrado succioacuten al extremo descarga hacia arriba tangencial simple succioacuten de un
paso con carcaza partida verticalmente [3]
ROTACIOacuteN En el sentido del reloj vista desde el cople
CARACTERIacuteSTICAS Conexiones brindadas con registro ubicado en la cabeza de
succioacuten para facilitar su limpieza
SERVICIO Debido a que es posible colocarla en posicioacuten horizontal o vertical tanto
en caacutercamos secos como huacutemedos y por el disentildeo de su impulsor que soacutelidos de
gran tamantildeo esta bomba es ideal para los procesos de tratamientos de agua y
manejo de liacutequidos en suspensioacuten en general
CAPACIDADES
GASTO Hasta 3000 GPM
CDT Hasta 80rsquo
PRESIOacuteN 106 Kgcmsup2
POTENCIA De 1 a 60 Hp
VELOCIDAD (1175 - 3550 RPM)
TEMPERATURA 125degC
Ingenieriacutea Quiacutemica 58
UAM-I
Bombas Centriacutefugas
Las maquinas centriacutefugas estaacuten constituidas por un impulsor o rodete formado por
una serie de aletas radiales diversas formas y curvaturas que giran dentro de una
caja circular El fluido penetra por el ojo o eje de rotacioacuten y se descarga maacutes o
menos radialmente en una caacutemara perifeacuterica a una elevada presioacuten que
corresponde a la suma de la fuerza centriacutefuga de la rotacioacuten maacutes la cineacutetica
comunicada al fluido por las aletas La parte moacutevil de la bomba es el rodete Las
aletas del rodete se extienden desde el centro de rotacioacuten hacia la periferia y las
bridas son los discos de refuerzo a cada lado de las aletas que las envuelven Las
aletas pueden ser radiales curvadas ligeramente hacia delante en el mismo sentido
de la rotacioacuten o estar curvadas al reveacutes en el caso maacutes comuacuten en el disentildeo se
determino el rodete siguiente por sus caracteriacutesticas Fig 1
Figura 1 Corte parcial de un rodete de centriacutefuga para grandes cargas y secciones
de paso estrechas empleando con liacutequidos corrosivos o suspensiones de pequentildeas
partiacuteculas[4]
Ingenieriacutea Quiacutemica 59
UAM-I
APENDICE D CALCULO DE POTENCIA DE BOMBAS (8)
Potencia de la bomba de la cisterna 1 que alimenta a los mezclador 4
Ecuacioacuten de Bernoulli
sum sumint =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛+++∆+∆i i
i
P
P
evvfDLvwdphgv 0
21
21
ˆ1
21 222
2
1ρ
a b c d e f
a Diferencia de velocidades
b Diferencia de alturas
c Diferencia de presiones
d Trabajo
e Perdidas de friccioacuten en tuberiacuteas
f Perdidas de friccioacuten en accesorios
En la ecuacioacuten anterior se pueden eliminar algunos teacuterminos
21 mts
6 mts 35 mts
Figura 1 Balance de cisterna 1 a mezclador 4
Se debe de tener dos puntos de referencia para la utilizacioacuten de la ecuacioacuten de
Bernoulli de los cuales se anotaron en la figura 2
Ingenieriacutea Quiacutemica 60
UAM-I
21 mts
2 1 6 mts 35 mts
Figura 2
Teniendo los puntos de referencia se analiza que las diferencias de velocidades son
cero en ambos puntos por lo tanto el termino 2
21 ν∆ es igual a cero
El termino de = (981hg∆ 2segm )(35m ndash 0) = 34335 2
2
segm
El termino de int2
1
1P
P
dpρ
se tiene que la cisterna y el tanque de mezclado ambos no
estaacuten cerrados y por lo tanto no originan un cambio de presioacuten y el termino es cero
De esta expresioacuten L longitud de tuberiacutea
tro de tuberiacutea
n el interior del tubo
v
Para la l radio del tubo que
sum ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
i
fDL2
21 ν
D diaacuteme
f perdidas de friccioacuten e
velocidad del flujo de agua
obtencioacuten de la velocidad se tiene el flujo volumeacutetrico y e
es de 32 cm =0032mts con la ecuacioacuten
Ingenieriacutea Quiacutemica 61
( )( ) sm
ms
m
RQ 761
032060min1)
min340(
2
3
2 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
==ππ
ν
UAM-I
Se reportan valores de perdida de fr
e reduce teacuterminos
iccioacuten en tubos que son igual a 005
Por lo tanto sustituyendo los teacuterminos en la ecuacioacuten de Bernoulli s
sum sumint =⎟⎠
⎜⎝
+⎟⎠
⎜⎝
+++∆+∆i i
iP
evvfD
vwdphgv 022
ˆ2
1ρ
⎞⎛⎞⎛ L 111 2222
or tanto el termino de trabajo queda expresado de la siguiente manera
tanto la bomba comunica al fluido que circula en el sistema un trabajo
+11727
P1
p w
sum sum ∆minus⎟⎠⎞
⎜⎝⎛minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛minus=
i ii
hgevvfDLvw 22
21
21
ˆ
( ) ( )
Este es el trabajo ( por unidad de masa) producido por el fluido en la bomba por lo
22
sm o 11727 981 = 1195
m
fKg
Kgm
La velocidad de flujo de masa es
Por lo tanto
1 )=6694
951)(675(ˆ =minus=minus WwW smkg f = 088Hp = 1Hp
Siendo esta ida para esta bomba El procedimiento anterior se
iguioacute para cada bomba de la planta
AP E
la potencia requer
s
EacuteNDICE
TOXICOLOGIacuteA DE MATERIAS PRIMAS [6]
( ) ( ) ( )( ) ( )( )msm
smmmm
sm 538192201150761
21050
032021536761
21
2
22minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ +minus⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ++
minus=wm
22
27117ˆ smw minus=
( )s
kgmkgQw m675100060340 3 === ρ
Ingenieriacutea Quiacutemica 62
UAM-I
HIDROacuteXIDO DE SODIO
Polvo corrosivo blanco delicuescente
Toxicidad
Concentracioacuten Maacutexima permisible 2mgm3 en aire
Signos y Siacutentomas Conjutivitis quemaduras corneales y de la piel Irritacioacuten
seas vomito dolor abdominal y diarrea a veces con
Lavado de las partes afectadas tranquilizantes sulfato de
decuada gafas protectoras o pantallas para
ignos y Siacutentomas Irritacioacuten de ojos quemaduras corneables tos dolores
l hemoptisis dolor de cabeza dolor epigaacutestrico nauseas y vomito
lmonar
Tratamiento lavado de ojos con agua reposo oxigeno con aparato de respiracioacuten
con onantes
ACIDO NITRICO
Liquido corrosivo sofocante de incoloro a amarillento
ioacuten maacutexima permisible 10ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
del tracto respiratorio nau
sangre
Tratamiento
morfina para el dolor y cortisona
Medidas preventivas Ventilacioacuten a
la cara completa mascarilla con filtro mecaacutenico guantes delantares botas de
goma y acentuar la limpieza personal
CLORO
Gas pasado amarillo verdoso
Toxicidad
Conc Maacutexima permisible 1 ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten
S
retrosterna
debilidad cianosis y edema pu
trolada bronco dilatadores y descongesti
Toxicidad
Concentrac
Ingenieriacutea Quiacutemica 63
UAM-I
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
Signos y siacutentomas Erosioacuten dental estornudo tos Dolor en el pecho bronquitis y
la las partes contaminadas del cuerpo con solucioacuten al 5 de
de las quemaduras con pantildeos
de triacuteo sulfato soacutelido si se a ingerido
vado de ojos con agua
ACIDO CLORIDRICO
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
ivitis necrosis corneal por inhalacioacuten rinitis erosioacuten
dolor de cabeza palpitacioacuten por ingestioacuten
s en la boca faringe esoacutefago estomago salivacioacuten vomito Soc
agua lavada de agua y jaboacuten de las partes
preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
AacuteC
El c
con o de hidroacutegeno una
concentracioacuten de 12 molLt Este aacutecido es un liacutequido incoloro con un olor aacutecido
bronconeumoniacutea
Tratamiento
bicarbonato soacutelido o con agua y jaboacuten Tratamiento
mojados con solucioacuten saturada
administracioacuten por viacutea oral de solucioacuten de jaboacuten Hidroacutexido caacutelcico o alumiacutenico u
oacutexido de magnesio
Medidas preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores excluir de la exposicioacuten
a los individuos con enfermedades de pulmones y rintildeones
Gas incoloro o liacutequido o a amarillento
Toxicidad
Concentracioacuten maacutexima permisible 5ppm en aire
Signos y siacutentomas conjunt
dental laringitis bronquitis neumoniacutea
quemadura
nefritis
Tratamiento lavado de ojos con
contaminantes del cuerpo tratamiento ordinario de quemaduras lavado gaacutestrico
se a ingerido con solucioacuten de bicarbonato soacutedico al 5 seguido de una instilacioacuten
de gel de hidroacutexido de aluminio
Medidas
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores
IDO CLORHIacuteDRICO
loruro de hidroacutegeno es en extremo soluble en agua de hecho el aacutecido clorhiacutedrico
centrado contiene cerca del 38 en masa de clorur
Ingenieriacutea Quiacutemica 64
UAM-I
pronunciado que se debe al equilibrio entre el cloruro de hidroacutegeno gaseoso y
ste con el aacutecido fluorhiacutedrico el aacutecido clorhiacutedrico es un aacutecido fuerte (pKa = -
7) y se ioniza casi totalmente
gar de aacutecido sulfuacuterico auque en menor grado Por
jemplo el zinc metaacutelico reacciona con aacutecido clorhiacutedrico para dar el ion zinc e
hidroacutegeno gaseoso
Zn(s) + 2HCl(ac) ZnCl2(ac) + H2(g)
l para producir aacutecido clorhiacutedrico en el laboratorio es generar
cloruro de hidroacutegen e sodio y el aacutecido
ulfuacuterico En el primer paso a 150degC se forma hidroacutegeno sulfato de sodio
NaHSO4(s) + HCl(g)
io y maacutes
loruro de hidroacutegeno gaseoso Luego el gas se disuelve en agua para formar el
aacutecido
NaHSO4(s) + NaCl(s) Na2SO4(s) + HCl(g)
acuoso
HCl(ac) HCl(g)
El reactivo de grado teacutecnico a menudo tiene un color amarillento por una impureza
del ion hierro (III)
En contra
HCl(ac) + H2O(l) H2O+(ac) + Cl -(ac)
Por ello a menudo se prefiere usar aacutecido clorhiacutedrico diluido en lugar de aacutecido niacutetrico
que es muy oxidante y en lu
e
Cuando el zinc reacciona con el aacutecido niacutetrico es comuacuten que se reduzca una parte
del ion nitrato para dar dioacutexido de nitroacutegeno
El meacutetodo tradiciona
o gaseoso por la reaccioacuten entre el cloruro d
s
NaCl(s) + H2SO4(l)
La mezcla se calienta a 550degC temperatura a la cual el hidroacutegeno sulfato de sodio
reacciona con un exceso de cloruro de sodio para formar sulfato de sod
c
∆
Este meacutetodo se usa tambieacuten en la industria otra forma de producir cloruro de
hidroacutegeno es por la combinacioacuten directa de dicloro y dihidroacutegenogaseosos
Ingenieriacutea Quiacutemica 65
UAM-I
H2(g) + Cl2(g) 2HCl(g)
La mayor cantidad de cloruro de hidroacutegeno que se produce actualmente es un
CH4(g) + 4Cl2(g) 4(l) + 4HCl(g)
riacuten de superficies de acero en un bantildeo aacutecido en la purificacioacuten de glucosa
y jarabe de maiacutez e s y de gas y en la
bricacioacuten de compuestos clorados El aacutecido se puedo comprar en muchas
nducida por la luz
4HNO3(ac) 4NO2(g) + O2(g) + 2H2O(l)
niacutetrico como disolvente)
H2NO3+ H2O + NO2
+
l siguiente
3HNO NO3 ndash
subproducto de otros procesos industriales como la siacutentesis de tetracloruro de
carbono
CCl
Se consumen cerca de 107 toneladas de aacutecido clorhiacutedrico cada antildeo en todo el
mundo Este aacutecido tiene una gama muy amplia de usos como aacutecido comuacuten para
eliminar o
n el tratamiento con aacutecido de pozos petrolero
fa
ferreteriacuteas con el arcaico nombre de aacutecido muriaacutetico sus principales usos caseros
son la limpieza de superficies de concreto y la eliminacioacuten de herrumbre Un nuacutemero
muy reducido de personas es incapaz de sintetizar suficiente jugo gaacutestrico y deben
de ingerir caacutepsulas de aacutecido clorhiacutedrico diluido con cada comida
AacuteCIDO NIacuteTRICO
El aacutecido niacutetrico un liacutequido aceitoso e incoloro en estado puro es sumamente
peligroso El aacutecido que funde a ndash42degC y hierve a +83degC tiene por lo general un
ligero color amarillo a causa de una reaccioacuten de descomposicioacuten i
En un estado puro el aacutecido niacutetrico liacutequido praacutecticamente no conduce la electricidad
Una pequentildea porcioacuten se ioniza como sigue (todas estas especies existen en el aacutecido
2HNO3(l) H2NO3+ + NO3
ndash
H2O + HNO3 H3O+ + NO3 ndash
Para dar la reaccioacuten globa
3 NO2+ + H3O + 2+
Ingenieriacutea Quiacutemica 66
UAM-I
El catioacuten nitrilo es importante en la nitracioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas por ejemplo la
obenceno C6H5NO2 una etapa importante en
umerosos procesos industriales orgaacutenicos
El aacutecido niacutetrico con en agua mientras
ue el ldquoaacutecido niacutetrico fumanterdquo un oxidante extremadamente poderoso es una
vez de ello se produce una mezcla de
sistema que da un orden de
vista industrial el
oceso
e lleva a cabo en tres etapas Primero se hace pasar una mezcla de amoniaco y de
dioxiacutegeno (o aire) un proceso muy
ficiente y exoteacutermico que hace que la malla se ponga al rojo Esta etapa se verifica
conversioacuten de benceno C6H6 en nitr
n
centrado es en realidad una solucioacuten al 70
q
solucioacuten roja de dioacutexido de nitroacutegeno en aacutecido niacutetrico puro Incluso cuando esta
diluido el aacutecido niacutetrico es un oxidante tan fuerte que rara vez desprende hidroacutegeno
cuando se pone en contacto con metales en
oacutexidos de nitroacutegeno y el metal se oxido a su catioacuten
Los enlaces O-N son mucho maacutes cortos (121 pm) que el enlace O-N unidos al aacutetomo
de hidroacutegeno (141 pm) Esta longitud de enlaces indica que hay enlaces muacuteltiples
entre el nitroacutegeno y los dos aacutetomos de oxiacutegeno terminales Ademas de los electrones
del sistema σ hay cuatro electrones que participan en el sistema π O-N-O dos de un
orbital enlazante y dos en un orbital no enlazante
enlace de 112 para cada uno de esos enlaces nitroacutegeno- oxiacutegeno
A veces se nos olvida hasta queacute punto nuestra experiencia depende de la
termodinaacutemica y la cineacutetica Por ejemplo la primera siacutentesis industrial de aacutecido
niacutetrico se llevaba ha cabo por simple combinacioacuten de diniacutetrogeno dioxiacutegeno y agua
utilizando un horno de arco eleacutectrico a fin de proporcionar la energiacutea necesaria par
superar la muy elevada barrera cineacutetica Aunque desde el punto de
factor cineacutetico constituiacutea un problema en realidad es una bendicioacuten por que sin esta
barrera cineacutetica hace mucho tiempo que todo el dioacutexido de la atmoacutesfera se abriacutea
transformado en aacutecido niacutetrico y nuestros mares serian de aacutecido niacutetrico diluido
frac12 N2(g) + 54O2(g) + 12H2O(g) HNO3(g)
Ahora se utiliza el proceso Ostwald para la siacutentesis de aacutecido niacutetrico Este proceso
consume gran parte del amoniaco que se produce por el proceso Haber El pr
s
a traveacutes de una malla de platino metaacutelico Eacuteste es
e
a baja presioacuten para aprovechar el efecto entropico es decir la formacioacuten de 10
moles de gas a partir de 9 moles de gas (una aplicacioacuten del principio de Le Chatelier)
para desplazar el equilibrio a la derecha
Ingenieriacutea Quiacutemica 67
UAM-I
4NH3(g) + 5O2(g) 4NO(g) + 6H2O(g)
Se agrega maacutes oxiacutegeno para oxidar el monoacutexido de nitroacutegeno a dioacutexido de nitroacutegeno
A fin de mejorar el rendimiento de esta reaccioacuten exoteacutermica se extrae calor de los
ases y la mezcla se somete a presioacuten
2HNO3(l) + NO(g)
Esta reaccioacuten tambieacuten es exoteacutermica y una vez maacutes se aplica enfriamiento y alta
la
egunda etapa para oxidarlo de nuevo
La contaminacioacuten s de aacutecido niacutetrico
as plantas maacutes antiguas eran faacutecilmente identificables por la fumarola cafeacute-
antas maacutes antiguas ahora mezcla cantidades
en Estados Unidos porque un 20
dedica ala produccioacuten de explosivos
or ultimo el aacutecido niacutetrico es un liacutequido que hierve a 826degC No existe como liacutequido
g
2NO(g) + O2(g) 2NO2(g)
El dioacutexido de nitroacutegeno se mezcla con agua para dar una solucioacuten de aacutecido niacutetrico
3NO2(g) + H2O(l)
presioacuten par obtener el maacuteximo rendimiento El monoacutexido de nitroacutegeno se vuelve a
s
soliacutea ser un problema importante de las planta
L
amarillento del dioacutexido de nitroacutegeno que escapaba por ellas Las plantas maacutes
antiguas eran faacutecilmente identificable por la fumadora cafeacute-amarillo del dioacutexido de
nitroacutegeno que escapaba de ellas Las pl
estequiomeacutetricas de amoniaco con las oacutexidos de nitroacutegeno con lo cual se obtiene
dinitroacutegeno y vapor de agua ambos inocuos
NO(g) + NO2 (g) + 2NH3(g) 2N2(g) + 3H2O(g)
En todo el mundo alrededor del 80 del aacutecido niacutetrico se utiliza en la produccioacuten de
fertilizantes Esta proporcioacuten es de solo el 65
se
P
puro porque en alguna medida se descompone espontaacuteneamente como sigue
4HNO3(l) 4NO2(g) + 2H2O(l) + O2(g)
Ingenieriacutea Quiacutemica 68
UAM-I
El aacutecido niacutetrico concentrado que se usa en el laboratorio estaacute al 68 en masa HNO3
(densidad 142 gcm3) lo que corresponde a 157 M
l aacutecido niacutetrico es un poderoso agente oxidante El nuacutemero de oxidacioacuten del N en el
) El aacutecido niacutetrico puede oxidar
nto a metales que estaacuten abajo del hidroacutegeno como aquellos que se encuentran
4Zn2+(ac) + NH4
+(ac) + 3H2O(l)
do no oxida al oro Sin embargo cuando se mezcla con
cido clorhiacutedrico concentrado en relacioacuten 13 en volumen (una parte de HNO3 a tres
partes al oro
omo sigue
APEacuteNDICE F
ETODO DE DEPOSICIOacuteN-PRECIPITACIOacuteN
E
HNO3 es + 5 Los productos maacutes comunes de la reduccioacuten del aacutecido niacutetrico son el
NO2 (N = + 4) el NO (N = + 2) y el NH4+ (N = - 3
ta
arriba en la serie de actividades Por ejemplo el cobre es oxidado por el aacutecido niacutetrico
concentrado como se mencionoacute antes
En presencia de reductores fuertes como el zinc metaacutelico el aacutecido niacutetrico se puede
reducir hasta ion amonio
4Zn(s) + 10H+(ac) + NO3
-(ac)
El aacutecido niacutetrico concentra
aacute
de HCl) la disolucioacuten resultante denominada agua regia puede oxidar
c
Au(s) + 3HNO3(ac) + 4HCl(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O(l) + 3NO2(g)
M
Ingenieriacutea Quiacutemica 69
UAM-I
APEacuteNDICE G
ISENtildeO DEL MEZCLADOR [4]
1) 100 ml H2O gr soporte
2) NH4(OH)
Ajustar a PH = 9 4) HAuCl4 (solucioacuten acuosa al 25E-3M)
6) Filtrado o centrifugado
3) En Agitacioacuten por 2 hr
8) Secado por 2hr a 80 degC
9 ) Calcinado por 4hr a 400 degC
7) Lavado
5) Antildeegamiento por 30 min
D
Ingenieriacutea Quiacutemica 70
UAM-I
El disentildeo de un tanque agitado dis n nuacutemero de elecciones sobre el
po y localizacioacuten del agitador las proporciones del tanque el nuacutemero y dimensiones
ada una de estas decisiones afectan a la velocidad
e circulacioacuten del liacutequido los modelos de velocidad y el consumo de potencia Como
pone de un gra
ti
de las placas deflectoras etc C
d
punto de partida en el disentildeo de los problemas ordinarios de agitacioacuten generalmente
se utiliza un agitador de turbina del tipo que se muestra en la figura 1 La proporcioacuten
tiacutepica es
31
=t
a
DD
1=tD
H 121
=tD
J 51
=aD
W 41
=aD
L
de estas ecuaciones se disentildeara el mezclador como datos se tiene el valor H que es
igual a 3 mts y el diaacutemetro del tanque D
Se determinara la medida de los reflectores
t que es igual 3 mts
121
=tD
J se despeja J
elacioacuten R31
=t
a
DD
se despeja Da
Relacioacuten
41
=aD
L se despeja L
elacioacuten se despeja W
( ) ( ) cmmtsmtsDJ 25250311==⎟
⎞⎜⎛=⎟
⎞⎜⎛= t 1212 ⎠⎝⎠⎝
( ) ( ) mtsmtsDD ta 1331
31
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=
( ) ( ) mtsmtsDL a 250141
41
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛= cm25=
51
=aD
WR
Ingenieriacutea Quiacutemica 71
UAM-I
Figura 2 a) Vista transversal del mezclador b) paletas del mezclador con la
donde se deposita el soporte
Figura 1 Medidas de un agitador de turbina
a) b)
s rejillas
H
J
E L
Da
D t
W
W
( ) ( ) cmmtsmtsDW a 2020151
5==⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎜⎝
=1 ⎞⎛
Ingenieriacutea Quiacutemica 72
UAM-I
Catalizadores de Oro Soportado
DIMENSIONES DE LA INDUSTRIA
Figura 5 Dimensiones de cada aacuterea de la planta industrial
36
UAM-I
Ingenieriacutea Quiacutemica 37
10 cm 3mts 1 mts 25 cm 15cm 5 cm 5 cm 3mts 150 mts 10 cms 100 mts 20 cm
003 mts
Figura 6 Dimensiones del mezclador y del Agitador
UAM-I
Las dimensiones de las canastillas se determinaron a partir del balance de masa y la
produccioacuten requerida La carga de un contenedor de soporte que es de 100kg del
cual el agitador tiene 4 canastillas cada una corresponde 25 Kg la masa se obtuvo
del balance de materia y su densidad 600 Kgm3 con el que se obtuvo un volumen de
0043 m3
39 ANAacuteLISIS FINANCIERO
El costo de materias primas se muestra en la Tabla 2 en la que tambieacuten se incluyen
los flujos de alimentacioacuten requeridos para el proceso a partir de los cuales se
determinaron los costos diarios
Tabla 2 Costo de materias primas [5]
Compuesto
Alimentacioacuten
por diacutea
Costo
USDKg
Costo Total
USDdiacutea
Au 2 kg 10596 2119200
HCl 15 Kg 52 780
HNO3 20 Kg 022 044
-Al2O3 5712 Kg 034 19421
Canastillas 500 piezas 15 75000
NH3(OH) 200 Kg 034 680
H2O 440414 Kg 282 282
Total de Materia Prima 2215407
El costo se determinoacute considerando la cantidad de material el tamantildeo y el costo de
manufactura
El costo se determinoacute para uso industrial conforme establece la tesoreriacutea de
Meacutexico
Ingenieriacutea Quiacutemica 38
UAM-I
PERSONAL REQUERIDO PARA LA INDUSTRIA
La Tabla 3 establece los salarios mensuales anuales y las prestaciones del IMSS
para el personal de la planta
Tabla 3 Salarios y Prestaciones del Personal
Mano de Obra (USDmes)p
ersona
USDmes USDantildeo Prestaciones
IMSS
1 Gerente 2000 2000 24000
1 Administrador 1000 1000 12000
1 Secretaria 400 400 4800 1193
Total de Salarios
Administrativos
40800 1193 409193
9 Obrero 150 150 1800 448
1 Teacutecnico 200 200 2400 597
1 Policiacutea 200 200 2400 597
1 Mantenimiento 180 180 2160 538
1 Limpieza 150 150 1800 448
Total de Salarios
Proceso
10560 2628 108228
Los salarios se determinaron en base al salario miacutenimo vigente en la Ciudad de
Meacutexico (2003)[29]
Ingenieriacutea Quiacutemica 39
UAM-I
PERSONAL
Departamento de produccioacuten
Se tendraacute 2 obreros en el llenado de soporte en las rejillas un obrero encargado del
traslado de rejillas por medio de la banda de los motores a cada contenedor un
obrero en cada contenedor de NH4OH y HAuCl4 en cada mezclador se tiene 1
obrero para descargar y cargar las rejillas a la banda que se trasladaran al horno en
el horno se tiene 1 obrero encargado del secado y calcinado el producto se traslada
al almaceacuten donde estaraacuten 2 obreros que reciben el producto y materias primas de los
proveedores se tiene 1 teacutecnico supervisando los equipos un encargo del
mantenimiento de los equipos
Departamento de personal
Gerente de la industria un administrador encargado de compra y venta de materias
primas una secretaria
Ingenieriacutea Quiacutemica 40
UAM-I
CAPITAL FIJO
La Tabla 4 muestra el costo de los equipos requeridos en la planta asiacute como el
Capital Fijo y la Inversioacuten del Capital Total
Tabla 4 El equipo se costeo usando las correlaciones de Ulrich [6] y empleando el
programa de Capcost
EQUIPO USD
4 Contenedores 23584
4 Agitadores (456kW) 269760
1 Horno (25 kW) 15700
15 Bombas (1469kW) 43081
1 Motor (114 kW) 67440
Tuberiacuteas 42150
2 Cisternas 174183
Vaacutelvulas 1283
Accesorios
(codos 90ordm y de 45ordm te)
1474
CAPITAL FIJO 638655
Capital de Trabajo 9579825
INVERSIOacuteN DE
CAPITAL TOTAL
73445325
Los caacutelculos y las correlaciones empleadas para el costeo del equipo se anexan en
el Apeacutendice A
Ingenieriacutea Quiacutemica 41
UAM-I
GASTOS GENERALES
Tabla 5 Proporciona el total de gastos anuales con lo cual se estima el precio por
kilo de catalizador y por unidad purificadora
Tabla 5 Gastos Generales anuales
USDAntildeo
Materias Primas 531697680
Mano de Obra de Operacioacuten 1082280
Mano de Obra de Oficina 4091930
Servicios Electricidad 2620100
Total de Gastos Generales 539491990
CFE
Produccioacuten diaria de Catalizador = 574 Kg
Precio de Catalizador = 40 USDKg
Produccioacuten diaria de unidades purificadoras = 500
Precio por unidad = 50USD
Ganancia diaria = 22960 USD
Ganancia Anual = 5510400 USD
DETERMINACIOacuteN DE LA RENTABILIDAD DEL PROYECTO
TPI (Actual) = 10
PR (Factor de riesgo) = 25
TREMA = TPI + PR
TREMA = 35
TIR (del proyecto) = 90
TIR gt TREMA
Puesto que la TIR es mayor que la TREMA se tiene que el proyecto es rentable [6]
Ingenieriacutea Quiacutemica 42
UAM-I
310 CONCLUSIONES
En el desarrollo de la industria para la fabricacioacuten de catalizadores se tuvo un
resultado satisfactorio a pesar de la falta de informacioacuten disponible acerca de
industrias de catalizadores debido a que esta informacioacuten no es publica El proyecto
que elaboramos es novedoso en nuestro paiacutes ya que no existen registros de una
industria que produzca catalizadores de oro soportados en aluacutemina
Durante el desarrollo del proyecto se planteoacute trabajar con compuestos como NOx y
COVS sin embargo debido a la falta de tiempo no se logroacute concluir la
experimentacioacuten en estos campos Debido a esto se tomoacute la decisioacuten de trabajar en
la oxidacioacuten cataliacutetica de CO Esto debido a varios factores por ejemplo la
disponibilidad de gases y sobre todo los costos que esto implicaba
Para el desarrollo del catalizador se analizaron diferentes tipos de preparacioacuten y se
eligieron dos meacutetodos diferentes Deposicioacuten-precipitacioacuten e Impregnacioacuten Los
catalizadores se evaluaron bajo diversas condiciones en la oxidacioacuten de CO El
catalizador que presentoacute mayor conversioacuten con el catalizador a baja temperatura fue
el sintetizado por el meacutetodo de Deposicioacuten-precipitacioacuten el cual se utilizoacute para el
disentildeo de la Industria El disentildeo estaacute basado en la forma de preparacioacuten del
catalizador Por esto la parte maacutes importante de la planta es el tanque de mezclado
el cual se disentildeo tomando en cuenta los diferentes disentildeos de agitadores para tener
un mezclado oacuteptimo Se incorporo en la parte superior del agitador las canastillas
para las pastillas cataliacuteticas y el tipo de Horno que se usara para el secado y
posteriormente el calcinado Una parte importante es la produccioacuten de catalizador
para este problema se investigoacute en que parte se podriacutea utilizar a diferencia de los
catalizadores para automoacuteviles Se llego a la decisioacuten de poder desarrollar un
catalizador para los calentadores de agua se obtuvo informacioacuten de la fabrica de
calentadores cal-o-rex en la produccioacuten diaria de calentadores y de esta informacioacuten
se pudo calcular la posible demanda de nuestro producto Una parte importante en
las industrias son el tipo de bombas ya que existen diversos modelos en nuestro
disentildeo se escogioacute las bombas centriacutefugas con rodetes para agua que contiene
pequentildeas partiacuteculas de soacutelidos
En la parte de servicios para personal se investigo los sueldos de cada empleado Se
determinoacute el costo de los equipos y finalmente llegamos a la parte que nos interesa
Ingenieriacutea Quiacutemica 43
UAM-I
del disentilde es decir si el proyecto es rentable o no En este caso particular se tuvo un
valor aceptable y se definioacute que el disentildeo es rentable Esto indica que seria una
industria que tendriacutea ganancias y a la vez que el producto que se fabrique nos
ayudaraacute a todos a reducir la emisioacuten de CO en los hogares aportando una pequentildea
ayuda al medio ambiente
COMENTARIOS
Los conocimientos adquiridos durante este tiempo fueron provechosos en la parte
teoacuterica y praacutectica aclaramos dudas de como y porque se comportan las reacciones
quiacutemicas y los procesos de flujos Durante el desarrollo del proyecto aprendimos a
observar y la importancia de entender fiacutesicamente las algunos procesos relacionados
con la siacutentesis y caracterizacioacuten de materiales cataliacuteticos
Ingenieriacutea Quiacutemica 44
UAM-I
38 BIBLIOGRAFIacuteA
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Ingenieriacutea Quiacutemica 45
UAM-I
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[29] Secretaria de Trabajo y Previsioacuten Social Comisioacuten de Salarios Miacutenimos
Ingenieriacutea Quiacutemica 46
UAM-I
APEacuteNDICE A
CRITERIOS PARA DETERMINAR QUIEacuteN CONTROLA EL PROCESO
Criterio de weisz para difusioacuten interna
Ec(12-16 Fogler) Los valores que se sustituyen en las siguientes ecuaciones fueron
tomados del catalizador que se analizo en el laboratorio
CWP = ( )
AS
cObsA
DeCRcr 2minus
lt 1
-rA(Obs) = velocidad de reaccioacuten observada molgcats Cc = concentracioacuten volumeacutetrica molm3
CAS = concertacioacuten en la superficie molm3
D= diaacutemetro del granulo m R = radio del granulo m De = difusividad efectiva m2s
d = 0149mm mxmm
m 4104911000
1 minus=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
CWP = ( )( )3
32
24
33
103470184200350
21049150800010681
minus
minusminus
=⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞⎜
⎝⎛
x
mmol
hrm
mxcatm
gcathgcat
molx
734x10-3 lt 1 No hay limitante por la difusioacuten interna
Ingenieriacutea Quiacutemica 47
UAM-I
Criterio de mears para difusioacuten interna Ec(12-62 Fogler)
Mm = 150ltAbc
bA
CkRnr ρminus
Mm =( )( )
0570
136000184200220
31110457508000106851
3
53
3
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ minusminus
hrs
mmol
sm
mxcatmgcat
hgcatmolx
0057 lt 015 no hay efecto de transferencia de masa externa Calculo de Dab para calcular el coeficiente de trasferencia de masa Ec(78 Lobo)
De =
KAAB DD11
1
+
DKA = 970X103 (80X10-8)(s
cmK 221 1090)
2400( =
DAB = 00018583ABAB
BA
PMMT
Ω
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ +
2
2123 11
γ
Para CO
0110=isin
Bk 0593 A=γ
Para O2
Ingenieriacutea Quiacutemica 48
UAM-I
0113=isin
Bk 0453 A=γ
( ) 51343359321
=+=ABγ
( )( )[ ] 21113110BAB k=isin A la temperatura de 400degK
( ) 583))113)(110((
40021 =
deg=
isin B
B
AB
B
KKKTK
Ω AB = 0907 Sustituyendo
DAB =s
cm2
2
2123
9730)9070()513(
)21281()400(00185830=
+
De = hrm
hrs
cmm
scm 222
03501
3600100
10980
10901
97301
1=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
+
Calculo de Kc Sh = (Re)12(Sc)13
Velocidad superficial
V = sm
shr
hrm
mxhr
m
Av
c
02036001976
1087
006025
3
0 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛== minus
Ingenieriacutea Quiacutemica 49
UAM-I
Re= ( ) 240)1062)(501(
)10491)(020(
1 25
4
=minus
=minus minus
minus
smx
mxsmvd p
νφ
Sc= 672)3600
1)(0350(
10622
25
==minus
shr
hrm
smx
Dv
AB
Sh= ( 024 )12 ( 267 )13 = 0679
Kc = Shdp
DAB⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛minusφ
φ1
Kc = ( )sm
mxs
mx02206790
10491
10729
50501
4
26
=⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛minus
minus
minus
Calculo de numero Thile con el radio que usara a nivel industrial
φ = L ( )DkCn n
AS
21 1minus+
L = 3R
Sustituyendo
φ = 66x10-4 m( )
( )
450
03502
018420
5480941311
3
30
3330
313
=
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+
catmhrm
mmol
hrcatmmolm
η = 1 con los resultados anteriores se observa que quieacuten limita es la velocidad de
reaccioacuten Por lo que se procede a calcular el peso y longitud de catalizador
necesaria para muestro purificador sustituyendo los valores del Boiler
Ingenieriacutea Quiacutemica 50
UAM-I
Peso del Catalizador w =
( ) grcatgcatLn
gcatm
mmol
hrcatmmolm
hrm
xLn
kCv
A
66476639401
1
6000001578
548094
19836
11
330
3330
313
3
0
0 asymp=minus
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
minus
g 664=w
33
3
1011
mg60000
g 664 mxwv minus===ρ
m 035003101011
2
33
==minus
mmxL
cm 531000350 == xL
Ingenieriacutea Quiacutemica 51
UAM-I
APEacuteNDICE B BALANCE DE MASA DE LA PREPARACIOacuteN DE HAUCL4 Au(g) + 3HNO3(ac) + 4HCL(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O + 3N02(g) (152 M) (105M)
cantidad de mol Au = 05 kg Au x molAu
grAumolAux
kggr 542
971961
11000
=
cantidad de kg HNO3 = ( ) 33
33 480
10001
1635423 kgHNO
grkgx
molHNOGRHNOxHNOmol =
cantidad de kgHCl = ( ) kgHClgr
kgxmolHCl
grHClHClxmol 3701000
11
5365424 =
cantidad de kgHAuCl4 = 254molHAuCl4 x 44
8601000
11
97339 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
gr=
cantidad de kgH2O = 3( 254mol)H20 x OkgHgr
kgxOmolHOgrH
22
2 1401000
1118
=
cantidad de Lt H20 = 762molHNO3 x OltHOkgHOLtH
22
2 14011
=
cantidad de Lt H20 = 1016 mol HNO3 x 050215
012
2 LtHmol
LtH=
cantidad de LtH20 = 1016mol HCl x OLtHLtHmolHCl
LtH22
2 010970510
01asymp=
cantidad de MHAUCl4 = ( ) ( ) ( ) MHltltlt
ClmolHAU 7210850490140
542
2
4 asymp++
cantidad de kg NO2(g) = 3( 254mol)NO2 x )(22
2 3501000
1146
SkgNOgr
kgxmolNO
grNO=
Ingenieriacutea Quiacutemica 52
UAM-I
05 kg Au 048 kgHNO3 035 kgNO2 101021 kgH20 (152M) 037 kgHCl(ac)
(105 m) 086 kg HAuCl4 (ac) 086 kg HAuCl4 (ac)
(17 M) 014 kgH20 (25x10-3M) 014kg H20 (L) 086kg HAuCl4 035kgNO2 (g) 101185kg H20 Cantidad de H20 = 086 kgHAuCl4
x 08510110101
105201
173341
11000
22
23
24 kgHLtHkgHx
MxltHx
grmolHAuClx
kggr
=minus
pero (101185 ndash 014 ndash 05 ndash 1) kg H20 = 101021 kg H20 100ml H20 por 1 gr soporte 35kg NH4 (OH)(AC) 10000kgH20 100 kg γAl203 (9965) 035kgAu (035) 100kg γAl203 025kgCl2 086kg HAuCl4 026kgHAuCl4
101185 kg H20 35kgNH4 (OH)(AC) 1101185kgH20 cantidad de kgHAuCl4 = 015kgAu x
44
4 2601000
11
973391
197196
147196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxgrAu
molxkg
gr=
cantidad de NH4(OH) = 100kg γ Al203 x
Ingenieriacutea Quiacutemica 53
UAM-I
kgNHxmol
grx
mlmol
xOAlgr
OHmlNHx
kg
gr53
10001
1
35
100010
1
)(10
1
1000
32
4=
γ4(OH)
30kg γAL2O3 1 kgNH4(OH)(AC) 30 kg γ Al203 (9965) 010 kg Au (035) 026kgHAuCl4 007kg Cl2 35kgNH4(OH) 1101185 kgH2O 0086kgHAuCl4 45 kg NH4(OH)(AC) 1101185 kg H20
cantidad de γ Al2O3 = 026kgHAuCl4 x 324
32 02330860
100 AlkgkgHAuCl
OAlkg γγ=
cantidad de kgAu = 035 x kgAukg 10506599
30=
cantidad de kg Cl2 = 01 kgAu x
22
2 07201000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de HAuCl4 = 005kgAu x
44
4 08601000
11
973391
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 54
UAM-I
cantidad de kgNO4(OH) = 30 kg γ Al203 x ( )OHkgNHAlkg
OHkgNO4
32
4 0510100
)(53=
γ
105 kg γ Al203 035 kg NH2(OH) 105 kg γ Al203 (9965) 004 kg Au (035) 009kg HAuCl4 003 kg Cl2 45kgNH4(OH) 1101185 kg H20 0017kgHAuCl4 485kgNH4 (OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 009 HAuCl4 x 324
32 04710860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad kg de NH4 (OH) = 105kg γ Al203 x ( ) )(3500100
534
32
4 OHkgNHAlkg
OHkgNH=
γ
cantidad de Cl2 = 004 kg Au x
22
2 02901000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
gAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 =
44
44 02001701000
11
973391
197196
11
1000010 kgHAukgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgr
molAuxkg
grkgAux asymp=
Ingenieriacutea Quiacutemica 55
UAM-I
23 kg γ Al203 008kgNH4(OH) 002 kg HAuCl4 23 kg γAl203 (9965) 485kgNH4(OH) 0008kgAu(035) 1101185kg H2 0001kg Cl2
0014 kg HAuCl4 493kgNH4(OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 002kgHAuCl4 x 324
32 032860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad de kg Au = 035 x kgAukg 00806599
32=
cantidad de kgCl2 = 0002kgAu x
24
4 00101000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 = 0008kgAu x
44
44 01401000
11
973341
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 56
UAM-I
APEacuteNDICE C ACCESORIOS EN EL DISENtildeO
Agitador
Agitadores de Heacutelice se escogioacute este tipo de agitador por ser tener las siguientes
caracteriacutesticas [3]
bull Es un agitador de flujo axial
bull Se emplea para liacutequidos pocos viscosos
bull Giran a toda la velocidad del motor
bull Las corrientes de flujo se mueven a traveacutes del liacutequido en una direccioacuten
determinada hasta que son desviadas por el fondo o las paredes del tanque
bull Las palas de la heacutelice cortan o friccionan vigorosamente el liacutequido
bull Los agitadores de heacutelice son eficaces para tanques de gran tamantildeo
Horno
bull El horno se escogioacute por ser tener las siguientes caracteriacutesticas [5]
bull El horno de construccioacuten metaacutelica
bull La caacutemara de combustioacuten estaacute construida mediante hormigones refractarios
de alta resistencia mecaacutenica
bull Las materias secar y calcinar se carga de forma manual
Ingenieriacutea Quiacutemica 57
UAM-I
Bomba
DISENtildeO Bomba centrifuga para operacioacuten horizontal o vertical del impulsor
cerrado succioacuten al extremo descarga hacia arriba tangencial simple succioacuten de un
paso con carcaza partida verticalmente [3]
ROTACIOacuteN En el sentido del reloj vista desde el cople
CARACTERIacuteSTICAS Conexiones brindadas con registro ubicado en la cabeza de
succioacuten para facilitar su limpieza
SERVICIO Debido a que es posible colocarla en posicioacuten horizontal o vertical tanto
en caacutercamos secos como huacutemedos y por el disentildeo de su impulsor que soacutelidos de
gran tamantildeo esta bomba es ideal para los procesos de tratamientos de agua y
manejo de liacutequidos en suspensioacuten en general
CAPACIDADES
GASTO Hasta 3000 GPM
CDT Hasta 80rsquo
PRESIOacuteN 106 Kgcmsup2
POTENCIA De 1 a 60 Hp
VELOCIDAD (1175 - 3550 RPM)
TEMPERATURA 125degC
Ingenieriacutea Quiacutemica 58
UAM-I
Bombas Centriacutefugas
Las maquinas centriacutefugas estaacuten constituidas por un impulsor o rodete formado por
una serie de aletas radiales diversas formas y curvaturas que giran dentro de una
caja circular El fluido penetra por el ojo o eje de rotacioacuten y se descarga maacutes o
menos radialmente en una caacutemara perifeacuterica a una elevada presioacuten que
corresponde a la suma de la fuerza centriacutefuga de la rotacioacuten maacutes la cineacutetica
comunicada al fluido por las aletas La parte moacutevil de la bomba es el rodete Las
aletas del rodete se extienden desde el centro de rotacioacuten hacia la periferia y las
bridas son los discos de refuerzo a cada lado de las aletas que las envuelven Las
aletas pueden ser radiales curvadas ligeramente hacia delante en el mismo sentido
de la rotacioacuten o estar curvadas al reveacutes en el caso maacutes comuacuten en el disentildeo se
determino el rodete siguiente por sus caracteriacutesticas Fig 1
Figura 1 Corte parcial de un rodete de centriacutefuga para grandes cargas y secciones
de paso estrechas empleando con liacutequidos corrosivos o suspensiones de pequentildeas
partiacuteculas[4]
Ingenieriacutea Quiacutemica 59
UAM-I
APENDICE D CALCULO DE POTENCIA DE BOMBAS (8)
Potencia de la bomba de la cisterna 1 que alimenta a los mezclador 4
Ecuacioacuten de Bernoulli
sum sumint =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛+++∆+∆i i
i
P
P
evvfDLvwdphgv 0
21
21
ˆ1
21 222
2
1ρ
a b c d e f
a Diferencia de velocidades
b Diferencia de alturas
c Diferencia de presiones
d Trabajo
e Perdidas de friccioacuten en tuberiacuteas
f Perdidas de friccioacuten en accesorios
En la ecuacioacuten anterior se pueden eliminar algunos teacuterminos
21 mts
6 mts 35 mts
Figura 1 Balance de cisterna 1 a mezclador 4
Se debe de tener dos puntos de referencia para la utilizacioacuten de la ecuacioacuten de
Bernoulli de los cuales se anotaron en la figura 2
Ingenieriacutea Quiacutemica 60
UAM-I
21 mts
2 1 6 mts 35 mts
Figura 2
Teniendo los puntos de referencia se analiza que las diferencias de velocidades son
cero en ambos puntos por lo tanto el termino 2
21 ν∆ es igual a cero
El termino de = (981hg∆ 2segm )(35m ndash 0) = 34335 2
2
segm
El termino de int2
1
1P
P
dpρ
se tiene que la cisterna y el tanque de mezclado ambos no
estaacuten cerrados y por lo tanto no originan un cambio de presioacuten y el termino es cero
De esta expresioacuten L longitud de tuberiacutea
tro de tuberiacutea
n el interior del tubo
v
Para la l radio del tubo que
sum ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
i
fDL2
21 ν
D diaacuteme
f perdidas de friccioacuten e
velocidad del flujo de agua
obtencioacuten de la velocidad se tiene el flujo volumeacutetrico y e
es de 32 cm =0032mts con la ecuacioacuten
Ingenieriacutea Quiacutemica 61
( )( ) sm
ms
m
RQ 761
032060min1)
min340(
2
3
2 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
==ππ
ν
UAM-I
Se reportan valores de perdida de fr
e reduce teacuterminos
iccioacuten en tubos que son igual a 005
Por lo tanto sustituyendo los teacuterminos en la ecuacioacuten de Bernoulli s
sum sumint =⎟⎠
⎜⎝
+⎟⎠
⎜⎝
+++∆+∆i i
iP
evvfD
vwdphgv 022
ˆ2
1ρ
⎞⎛⎞⎛ L 111 2222
or tanto el termino de trabajo queda expresado de la siguiente manera
tanto la bomba comunica al fluido que circula en el sistema un trabajo
+11727
P1
p w
sum sum ∆minus⎟⎠⎞
⎜⎝⎛minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛minus=
i ii
hgevvfDLvw 22
21
21
ˆ
( ) ( )
Este es el trabajo ( por unidad de masa) producido por el fluido en la bomba por lo
22
sm o 11727 981 = 1195
m
fKg
Kgm
La velocidad de flujo de masa es
Por lo tanto
1 )=6694
951)(675(ˆ =minus=minus WwW smkg f = 088Hp = 1Hp
Siendo esta ida para esta bomba El procedimiento anterior se
iguioacute para cada bomba de la planta
AP E
la potencia requer
s
EacuteNDICE
TOXICOLOGIacuteA DE MATERIAS PRIMAS [6]
( ) ( ) ( )( ) ( )( )msm
smmmm
sm 538192201150761
21050
032021536761
21
2
22minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ +minus⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ++
minus=wm
22
27117ˆ smw minus=
( )s
kgmkgQw m675100060340 3 === ρ
Ingenieriacutea Quiacutemica 62
UAM-I
HIDROacuteXIDO DE SODIO
Polvo corrosivo blanco delicuescente
Toxicidad
Concentracioacuten Maacutexima permisible 2mgm3 en aire
Signos y Siacutentomas Conjutivitis quemaduras corneales y de la piel Irritacioacuten
seas vomito dolor abdominal y diarrea a veces con
Lavado de las partes afectadas tranquilizantes sulfato de
decuada gafas protectoras o pantallas para
ignos y Siacutentomas Irritacioacuten de ojos quemaduras corneables tos dolores
l hemoptisis dolor de cabeza dolor epigaacutestrico nauseas y vomito
lmonar
Tratamiento lavado de ojos con agua reposo oxigeno con aparato de respiracioacuten
con onantes
ACIDO NITRICO
Liquido corrosivo sofocante de incoloro a amarillento
ioacuten maacutexima permisible 10ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
del tracto respiratorio nau
sangre
Tratamiento
morfina para el dolor y cortisona
Medidas preventivas Ventilacioacuten a
la cara completa mascarilla con filtro mecaacutenico guantes delantares botas de
goma y acentuar la limpieza personal
CLORO
Gas pasado amarillo verdoso
Toxicidad
Conc Maacutexima permisible 1 ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten
S
retrosterna
debilidad cianosis y edema pu
trolada bronco dilatadores y descongesti
Toxicidad
Concentrac
Ingenieriacutea Quiacutemica 63
UAM-I
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
Signos y siacutentomas Erosioacuten dental estornudo tos Dolor en el pecho bronquitis y
la las partes contaminadas del cuerpo con solucioacuten al 5 de
de las quemaduras con pantildeos
de triacuteo sulfato soacutelido si se a ingerido
vado de ojos con agua
ACIDO CLORIDRICO
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
ivitis necrosis corneal por inhalacioacuten rinitis erosioacuten
dolor de cabeza palpitacioacuten por ingestioacuten
s en la boca faringe esoacutefago estomago salivacioacuten vomito Soc
agua lavada de agua y jaboacuten de las partes
preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
AacuteC
El c
con o de hidroacutegeno una
concentracioacuten de 12 molLt Este aacutecido es un liacutequido incoloro con un olor aacutecido
bronconeumoniacutea
Tratamiento
bicarbonato soacutelido o con agua y jaboacuten Tratamiento
mojados con solucioacuten saturada
administracioacuten por viacutea oral de solucioacuten de jaboacuten Hidroacutexido caacutelcico o alumiacutenico u
oacutexido de magnesio
Medidas preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores excluir de la exposicioacuten
a los individuos con enfermedades de pulmones y rintildeones
Gas incoloro o liacutequido o a amarillento
Toxicidad
Concentracioacuten maacutexima permisible 5ppm en aire
Signos y siacutentomas conjunt
dental laringitis bronquitis neumoniacutea
quemadura
nefritis
Tratamiento lavado de ojos con
contaminantes del cuerpo tratamiento ordinario de quemaduras lavado gaacutestrico
se a ingerido con solucioacuten de bicarbonato soacutedico al 5 seguido de una instilacioacuten
de gel de hidroacutexido de aluminio
Medidas
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores
IDO CLORHIacuteDRICO
loruro de hidroacutegeno es en extremo soluble en agua de hecho el aacutecido clorhiacutedrico
centrado contiene cerca del 38 en masa de clorur
Ingenieriacutea Quiacutemica 64
UAM-I
pronunciado que se debe al equilibrio entre el cloruro de hidroacutegeno gaseoso y
ste con el aacutecido fluorhiacutedrico el aacutecido clorhiacutedrico es un aacutecido fuerte (pKa = -
7) y se ioniza casi totalmente
gar de aacutecido sulfuacuterico auque en menor grado Por
jemplo el zinc metaacutelico reacciona con aacutecido clorhiacutedrico para dar el ion zinc e
hidroacutegeno gaseoso
Zn(s) + 2HCl(ac) ZnCl2(ac) + H2(g)
l para producir aacutecido clorhiacutedrico en el laboratorio es generar
cloruro de hidroacutegen e sodio y el aacutecido
ulfuacuterico En el primer paso a 150degC se forma hidroacutegeno sulfato de sodio
NaHSO4(s) + HCl(g)
io y maacutes
loruro de hidroacutegeno gaseoso Luego el gas se disuelve en agua para formar el
aacutecido
NaHSO4(s) + NaCl(s) Na2SO4(s) + HCl(g)
acuoso
HCl(ac) HCl(g)
El reactivo de grado teacutecnico a menudo tiene un color amarillento por una impureza
del ion hierro (III)
En contra
HCl(ac) + H2O(l) H2O+(ac) + Cl -(ac)
Por ello a menudo se prefiere usar aacutecido clorhiacutedrico diluido en lugar de aacutecido niacutetrico
que es muy oxidante y en lu
e
Cuando el zinc reacciona con el aacutecido niacutetrico es comuacuten que se reduzca una parte
del ion nitrato para dar dioacutexido de nitroacutegeno
El meacutetodo tradiciona
o gaseoso por la reaccioacuten entre el cloruro d
s
NaCl(s) + H2SO4(l)
La mezcla se calienta a 550degC temperatura a la cual el hidroacutegeno sulfato de sodio
reacciona con un exceso de cloruro de sodio para formar sulfato de sod
c
∆
Este meacutetodo se usa tambieacuten en la industria otra forma de producir cloruro de
hidroacutegeno es por la combinacioacuten directa de dicloro y dihidroacutegenogaseosos
Ingenieriacutea Quiacutemica 65
UAM-I
H2(g) + Cl2(g) 2HCl(g)
La mayor cantidad de cloruro de hidroacutegeno que se produce actualmente es un
CH4(g) + 4Cl2(g) 4(l) + 4HCl(g)
riacuten de superficies de acero en un bantildeo aacutecido en la purificacioacuten de glucosa
y jarabe de maiacutez e s y de gas y en la
bricacioacuten de compuestos clorados El aacutecido se puedo comprar en muchas
nducida por la luz
4HNO3(ac) 4NO2(g) + O2(g) + 2H2O(l)
niacutetrico como disolvente)
H2NO3+ H2O + NO2
+
l siguiente
3HNO NO3 ndash
subproducto de otros procesos industriales como la siacutentesis de tetracloruro de
carbono
CCl
Se consumen cerca de 107 toneladas de aacutecido clorhiacutedrico cada antildeo en todo el
mundo Este aacutecido tiene una gama muy amplia de usos como aacutecido comuacuten para
eliminar o
n el tratamiento con aacutecido de pozos petrolero
fa
ferreteriacuteas con el arcaico nombre de aacutecido muriaacutetico sus principales usos caseros
son la limpieza de superficies de concreto y la eliminacioacuten de herrumbre Un nuacutemero
muy reducido de personas es incapaz de sintetizar suficiente jugo gaacutestrico y deben
de ingerir caacutepsulas de aacutecido clorhiacutedrico diluido con cada comida
AacuteCIDO NIacuteTRICO
El aacutecido niacutetrico un liacutequido aceitoso e incoloro en estado puro es sumamente
peligroso El aacutecido que funde a ndash42degC y hierve a +83degC tiene por lo general un
ligero color amarillo a causa de una reaccioacuten de descomposicioacuten i
En un estado puro el aacutecido niacutetrico liacutequido praacutecticamente no conduce la electricidad
Una pequentildea porcioacuten se ioniza como sigue (todas estas especies existen en el aacutecido
2HNO3(l) H2NO3+ + NO3
ndash
H2O + HNO3 H3O+ + NO3 ndash
Para dar la reaccioacuten globa
3 NO2+ + H3O + 2+
Ingenieriacutea Quiacutemica 66
UAM-I
El catioacuten nitrilo es importante en la nitracioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas por ejemplo la
obenceno C6H5NO2 una etapa importante en
umerosos procesos industriales orgaacutenicos
El aacutecido niacutetrico con en agua mientras
ue el ldquoaacutecido niacutetrico fumanterdquo un oxidante extremadamente poderoso es una
vez de ello se produce una mezcla de
sistema que da un orden de
vista industrial el
oceso
e lleva a cabo en tres etapas Primero se hace pasar una mezcla de amoniaco y de
dioxiacutegeno (o aire) un proceso muy
ficiente y exoteacutermico que hace que la malla se ponga al rojo Esta etapa se verifica
conversioacuten de benceno C6H6 en nitr
n
centrado es en realidad una solucioacuten al 70
q
solucioacuten roja de dioacutexido de nitroacutegeno en aacutecido niacutetrico puro Incluso cuando esta
diluido el aacutecido niacutetrico es un oxidante tan fuerte que rara vez desprende hidroacutegeno
cuando se pone en contacto con metales en
oacutexidos de nitroacutegeno y el metal se oxido a su catioacuten
Los enlaces O-N son mucho maacutes cortos (121 pm) que el enlace O-N unidos al aacutetomo
de hidroacutegeno (141 pm) Esta longitud de enlaces indica que hay enlaces muacuteltiples
entre el nitroacutegeno y los dos aacutetomos de oxiacutegeno terminales Ademas de los electrones
del sistema σ hay cuatro electrones que participan en el sistema π O-N-O dos de un
orbital enlazante y dos en un orbital no enlazante
enlace de 112 para cada uno de esos enlaces nitroacutegeno- oxiacutegeno
A veces se nos olvida hasta queacute punto nuestra experiencia depende de la
termodinaacutemica y la cineacutetica Por ejemplo la primera siacutentesis industrial de aacutecido
niacutetrico se llevaba ha cabo por simple combinacioacuten de diniacutetrogeno dioxiacutegeno y agua
utilizando un horno de arco eleacutectrico a fin de proporcionar la energiacutea necesaria par
superar la muy elevada barrera cineacutetica Aunque desde el punto de
factor cineacutetico constituiacutea un problema en realidad es una bendicioacuten por que sin esta
barrera cineacutetica hace mucho tiempo que todo el dioacutexido de la atmoacutesfera se abriacutea
transformado en aacutecido niacutetrico y nuestros mares serian de aacutecido niacutetrico diluido
frac12 N2(g) + 54O2(g) + 12H2O(g) HNO3(g)
Ahora se utiliza el proceso Ostwald para la siacutentesis de aacutecido niacutetrico Este proceso
consume gran parte del amoniaco que se produce por el proceso Haber El pr
s
a traveacutes de una malla de platino metaacutelico Eacuteste es
e
a baja presioacuten para aprovechar el efecto entropico es decir la formacioacuten de 10
moles de gas a partir de 9 moles de gas (una aplicacioacuten del principio de Le Chatelier)
para desplazar el equilibrio a la derecha
Ingenieriacutea Quiacutemica 67
UAM-I
4NH3(g) + 5O2(g) 4NO(g) + 6H2O(g)
Se agrega maacutes oxiacutegeno para oxidar el monoacutexido de nitroacutegeno a dioacutexido de nitroacutegeno
A fin de mejorar el rendimiento de esta reaccioacuten exoteacutermica se extrae calor de los
ases y la mezcla se somete a presioacuten
2HNO3(l) + NO(g)
Esta reaccioacuten tambieacuten es exoteacutermica y una vez maacutes se aplica enfriamiento y alta
la
egunda etapa para oxidarlo de nuevo
La contaminacioacuten s de aacutecido niacutetrico
as plantas maacutes antiguas eran faacutecilmente identificables por la fumarola cafeacute-
antas maacutes antiguas ahora mezcla cantidades
en Estados Unidos porque un 20
dedica ala produccioacuten de explosivos
or ultimo el aacutecido niacutetrico es un liacutequido que hierve a 826degC No existe como liacutequido
g
2NO(g) + O2(g) 2NO2(g)
El dioacutexido de nitroacutegeno se mezcla con agua para dar una solucioacuten de aacutecido niacutetrico
3NO2(g) + H2O(l)
presioacuten par obtener el maacuteximo rendimiento El monoacutexido de nitroacutegeno se vuelve a
s
soliacutea ser un problema importante de las planta
L
amarillento del dioacutexido de nitroacutegeno que escapaba por ellas Las plantas maacutes
antiguas eran faacutecilmente identificable por la fumadora cafeacute-amarillo del dioacutexido de
nitroacutegeno que escapaba de ellas Las pl
estequiomeacutetricas de amoniaco con las oacutexidos de nitroacutegeno con lo cual se obtiene
dinitroacutegeno y vapor de agua ambos inocuos
NO(g) + NO2 (g) + 2NH3(g) 2N2(g) + 3H2O(g)
En todo el mundo alrededor del 80 del aacutecido niacutetrico se utiliza en la produccioacuten de
fertilizantes Esta proporcioacuten es de solo el 65
se
P
puro porque en alguna medida se descompone espontaacuteneamente como sigue
4HNO3(l) 4NO2(g) + 2H2O(l) + O2(g)
Ingenieriacutea Quiacutemica 68
UAM-I
El aacutecido niacutetrico concentrado que se usa en el laboratorio estaacute al 68 en masa HNO3
(densidad 142 gcm3) lo que corresponde a 157 M
l aacutecido niacutetrico es un poderoso agente oxidante El nuacutemero de oxidacioacuten del N en el
) El aacutecido niacutetrico puede oxidar
nto a metales que estaacuten abajo del hidroacutegeno como aquellos que se encuentran
4Zn2+(ac) + NH4
+(ac) + 3H2O(l)
do no oxida al oro Sin embargo cuando se mezcla con
cido clorhiacutedrico concentrado en relacioacuten 13 en volumen (una parte de HNO3 a tres
partes al oro
omo sigue
APEacuteNDICE F
ETODO DE DEPOSICIOacuteN-PRECIPITACIOacuteN
E
HNO3 es + 5 Los productos maacutes comunes de la reduccioacuten del aacutecido niacutetrico son el
NO2 (N = + 4) el NO (N = + 2) y el NH4+ (N = - 3
ta
arriba en la serie de actividades Por ejemplo el cobre es oxidado por el aacutecido niacutetrico
concentrado como se mencionoacute antes
En presencia de reductores fuertes como el zinc metaacutelico el aacutecido niacutetrico se puede
reducir hasta ion amonio
4Zn(s) + 10H+(ac) + NO3
-(ac)
El aacutecido niacutetrico concentra
aacute
de HCl) la disolucioacuten resultante denominada agua regia puede oxidar
c
Au(s) + 3HNO3(ac) + 4HCl(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O(l) + 3NO2(g)
M
Ingenieriacutea Quiacutemica 69
UAM-I
APEacuteNDICE G
ISENtildeO DEL MEZCLADOR [4]
1) 100 ml H2O gr soporte
2) NH4(OH)
Ajustar a PH = 9 4) HAuCl4 (solucioacuten acuosa al 25E-3M)
6) Filtrado o centrifugado
3) En Agitacioacuten por 2 hr
8) Secado por 2hr a 80 degC
9 ) Calcinado por 4hr a 400 degC
7) Lavado
5) Antildeegamiento por 30 min
D
Ingenieriacutea Quiacutemica 70
UAM-I
El disentildeo de un tanque agitado dis n nuacutemero de elecciones sobre el
po y localizacioacuten del agitador las proporciones del tanque el nuacutemero y dimensiones
ada una de estas decisiones afectan a la velocidad
e circulacioacuten del liacutequido los modelos de velocidad y el consumo de potencia Como
pone de un gra
ti
de las placas deflectoras etc C
d
punto de partida en el disentildeo de los problemas ordinarios de agitacioacuten generalmente
se utiliza un agitador de turbina del tipo que se muestra en la figura 1 La proporcioacuten
tiacutepica es
31
=t
a
DD
1=tD
H 121
=tD
J 51
=aD
W 41
=aD
L
de estas ecuaciones se disentildeara el mezclador como datos se tiene el valor H que es
igual a 3 mts y el diaacutemetro del tanque D
Se determinara la medida de los reflectores
t que es igual 3 mts
121
=tD
J se despeja J
elacioacuten R31
=t
a
DD
se despeja Da
Relacioacuten
41
=aD
L se despeja L
elacioacuten se despeja W
( ) ( ) cmmtsmtsDJ 25250311==⎟
⎞⎜⎛=⎟
⎞⎜⎛= t 1212 ⎠⎝⎠⎝
( ) ( ) mtsmtsDD ta 1331
31
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=
( ) ( ) mtsmtsDL a 250141
41
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛= cm25=
51
=aD
WR
Ingenieriacutea Quiacutemica 71
UAM-I
Figura 2 a) Vista transversal del mezclador b) paletas del mezclador con la
donde se deposita el soporte
Figura 1 Medidas de un agitador de turbina
a) b)
s rejillas
H
J
E L
Da
D t
W
W
( ) ( ) cmmtsmtsDW a 2020151
5==⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎜⎝
=1 ⎞⎛
Ingenieriacutea Quiacutemica 72
UAM-I
Ingenieriacutea Quiacutemica 37
10 cm 3mts 1 mts 25 cm 15cm 5 cm 5 cm 3mts 150 mts 10 cms 100 mts 20 cm
003 mts
Figura 6 Dimensiones del mezclador y del Agitador
UAM-I
Las dimensiones de las canastillas se determinaron a partir del balance de masa y la
produccioacuten requerida La carga de un contenedor de soporte que es de 100kg del
cual el agitador tiene 4 canastillas cada una corresponde 25 Kg la masa se obtuvo
del balance de materia y su densidad 600 Kgm3 con el que se obtuvo un volumen de
0043 m3
39 ANAacuteLISIS FINANCIERO
El costo de materias primas se muestra en la Tabla 2 en la que tambieacuten se incluyen
los flujos de alimentacioacuten requeridos para el proceso a partir de los cuales se
determinaron los costos diarios
Tabla 2 Costo de materias primas [5]
Compuesto
Alimentacioacuten
por diacutea
Costo
USDKg
Costo Total
USDdiacutea
Au 2 kg 10596 2119200
HCl 15 Kg 52 780
HNO3 20 Kg 022 044
-Al2O3 5712 Kg 034 19421
Canastillas 500 piezas 15 75000
NH3(OH) 200 Kg 034 680
H2O 440414 Kg 282 282
Total de Materia Prima 2215407
El costo se determinoacute considerando la cantidad de material el tamantildeo y el costo de
manufactura
El costo se determinoacute para uso industrial conforme establece la tesoreriacutea de
Meacutexico
Ingenieriacutea Quiacutemica 38
UAM-I
PERSONAL REQUERIDO PARA LA INDUSTRIA
La Tabla 3 establece los salarios mensuales anuales y las prestaciones del IMSS
para el personal de la planta
Tabla 3 Salarios y Prestaciones del Personal
Mano de Obra (USDmes)p
ersona
USDmes USDantildeo Prestaciones
IMSS
1 Gerente 2000 2000 24000
1 Administrador 1000 1000 12000
1 Secretaria 400 400 4800 1193
Total de Salarios
Administrativos
40800 1193 409193
9 Obrero 150 150 1800 448
1 Teacutecnico 200 200 2400 597
1 Policiacutea 200 200 2400 597
1 Mantenimiento 180 180 2160 538
1 Limpieza 150 150 1800 448
Total de Salarios
Proceso
10560 2628 108228
Los salarios se determinaron en base al salario miacutenimo vigente en la Ciudad de
Meacutexico (2003)[29]
Ingenieriacutea Quiacutemica 39
UAM-I
PERSONAL
Departamento de produccioacuten
Se tendraacute 2 obreros en el llenado de soporte en las rejillas un obrero encargado del
traslado de rejillas por medio de la banda de los motores a cada contenedor un
obrero en cada contenedor de NH4OH y HAuCl4 en cada mezclador se tiene 1
obrero para descargar y cargar las rejillas a la banda que se trasladaran al horno en
el horno se tiene 1 obrero encargado del secado y calcinado el producto se traslada
al almaceacuten donde estaraacuten 2 obreros que reciben el producto y materias primas de los
proveedores se tiene 1 teacutecnico supervisando los equipos un encargo del
mantenimiento de los equipos
Departamento de personal
Gerente de la industria un administrador encargado de compra y venta de materias
primas una secretaria
Ingenieriacutea Quiacutemica 40
UAM-I
CAPITAL FIJO
La Tabla 4 muestra el costo de los equipos requeridos en la planta asiacute como el
Capital Fijo y la Inversioacuten del Capital Total
Tabla 4 El equipo se costeo usando las correlaciones de Ulrich [6] y empleando el
programa de Capcost
EQUIPO USD
4 Contenedores 23584
4 Agitadores (456kW) 269760
1 Horno (25 kW) 15700
15 Bombas (1469kW) 43081
1 Motor (114 kW) 67440
Tuberiacuteas 42150
2 Cisternas 174183
Vaacutelvulas 1283
Accesorios
(codos 90ordm y de 45ordm te)
1474
CAPITAL FIJO 638655
Capital de Trabajo 9579825
INVERSIOacuteN DE
CAPITAL TOTAL
73445325
Los caacutelculos y las correlaciones empleadas para el costeo del equipo se anexan en
el Apeacutendice A
Ingenieriacutea Quiacutemica 41
UAM-I
GASTOS GENERALES
Tabla 5 Proporciona el total de gastos anuales con lo cual se estima el precio por
kilo de catalizador y por unidad purificadora
Tabla 5 Gastos Generales anuales
USDAntildeo
Materias Primas 531697680
Mano de Obra de Operacioacuten 1082280
Mano de Obra de Oficina 4091930
Servicios Electricidad 2620100
Total de Gastos Generales 539491990
CFE
Produccioacuten diaria de Catalizador = 574 Kg
Precio de Catalizador = 40 USDKg
Produccioacuten diaria de unidades purificadoras = 500
Precio por unidad = 50USD
Ganancia diaria = 22960 USD
Ganancia Anual = 5510400 USD
DETERMINACIOacuteN DE LA RENTABILIDAD DEL PROYECTO
TPI (Actual) = 10
PR (Factor de riesgo) = 25
TREMA = TPI + PR
TREMA = 35
TIR (del proyecto) = 90
TIR gt TREMA
Puesto que la TIR es mayor que la TREMA se tiene que el proyecto es rentable [6]
Ingenieriacutea Quiacutemica 42
UAM-I
310 CONCLUSIONES
En el desarrollo de la industria para la fabricacioacuten de catalizadores se tuvo un
resultado satisfactorio a pesar de la falta de informacioacuten disponible acerca de
industrias de catalizadores debido a que esta informacioacuten no es publica El proyecto
que elaboramos es novedoso en nuestro paiacutes ya que no existen registros de una
industria que produzca catalizadores de oro soportados en aluacutemina
Durante el desarrollo del proyecto se planteoacute trabajar con compuestos como NOx y
COVS sin embargo debido a la falta de tiempo no se logroacute concluir la
experimentacioacuten en estos campos Debido a esto se tomoacute la decisioacuten de trabajar en
la oxidacioacuten cataliacutetica de CO Esto debido a varios factores por ejemplo la
disponibilidad de gases y sobre todo los costos que esto implicaba
Para el desarrollo del catalizador se analizaron diferentes tipos de preparacioacuten y se
eligieron dos meacutetodos diferentes Deposicioacuten-precipitacioacuten e Impregnacioacuten Los
catalizadores se evaluaron bajo diversas condiciones en la oxidacioacuten de CO El
catalizador que presentoacute mayor conversioacuten con el catalizador a baja temperatura fue
el sintetizado por el meacutetodo de Deposicioacuten-precipitacioacuten el cual se utilizoacute para el
disentildeo de la Industria El disentildeo estaacute basado en la forma de preparacioacuten del
catalizador Por esto la parte maacutes importante de la planta es el tanque de mezclado
el cual se disentildeo tomando en cuenta los diferentes disentildeos de agitadores para tener
un mezclado oacuteptimo Se incorporo en la parte superior del agitador las canastillas
para las pastillas cataliacuteticas y el tipo de Horno que se usara para el secado y
posteriormente el calcinado Una parte importante es la produccioacuten de catalizador
para este problema se investigoacute en que parte se podriacutea utilizar a diferencia de los
catalizadores para automoacuteviles Se llego a la decisioacuten de poder desarrollar un
catalizador para los calentadores de agua se obtuvo informacioacuten de la fabrica de
calentadores cal-o-rex en la produccioacuten diaria de calentadores y de esta informacioacuten
se pudo calcular la posible demanda de nuestro producto Una parte importante en
las industrias son el tipo de bombas ya que existen diversos modelos en nuestro
disentildeo se escogioacute las bombas centriacutefugas con rodetes para agua que contiene
pequentildeas partiacuteculas de soacutelidos
En la parte de servicios para personal se investigo los sueldos de cada empleado Se
determinoacute el costo de los equipos y finalmente llegamos a la parte que nos interesa
Ingenieriacutea Quiacutemica 43
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del disentilde es decir si el proyecto es rentable o no En este caso particular se tuvo un
valor aceptable y se definioacute que el disentildeo es rentable Esto indica que seria una
industria que tendriacutea ganancias y a la vez que el producto que se fabrique nos
ayudaraacute a todos a reducir la emisioacuten de CO en los hogares aportando una pequentildea
ayuda al medio ambiente
COMENTARIOS
Los conocimientos adquiridos durante este tiempo fueron provechosos en la parte
teoacuterica y praacutectica aclaramos dudas de como y porque se comportan las reacciones
quiacutemicas y los procesos de flujos Durante el desarrollo del proyecto aprendimos a
observar y la importancia de entender fiacutesicamente las algunos procesos relacionados
con la siacutentesis y caracterizacioacuten de materiales cataliacuteticos
Ingenieriacutea Quiacutemica 44
UAM-I
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Ingenieriacutea Quiacutemica 46
UAM-I
APEacuteNDICE A
CRITERIOS PARA DETERMINAR QUIEacuteN CONTROLA EL PROCESO
Criterio de weisz para difusioacuten interna
Ec(12-16 Fogler) Los valores que se sustituyen en las siguientes ecuaciones fueron
tomados del catalizador que se analizo en el laboratorio
CWP = ( )
AS
cObsA
DeCRcr 2minus
lt 1
-rA(Obs) = velocidad de reaccioacuten observada molgcats Cc = concentracioacuten volumeacutetrica molm3
CAS = concertacioacuten en la superficie molm3
D= diaacutemetro del granulo m R = radio del granulo m De = difusividad efectiva m2s
d = 0149mm mxmm
m 4104911000
1 minus=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
CWP = ( )( )3
32
24
33
103470184200350
21049150800010681
minus
minusminus
=⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞⎜
⎝⎛
x
mmol
hrm
mxcatm
gcathgcat
molx
734x10-3 lt 1 No hay limitante por la difusioacuten interna
Ingenieriacutea Quiacutemica 47
UAM-I
Criterio de mears para difusioacuten interna Ec(12-62 Fogler)
Mm = 150ltAbc
bA
CkRnr ρminus
Mm =( )( )
0570
136000184200220
31110457508000106851
3
53
3
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ minusminus
hrs
mmol
sm
mxcatmgcat
hgcatmolx
0057 lt 015 no hay efecto de transferencia de masa externa Calculo de Dab para calcular el coeficiente de trasferencia de masa Ec(78 Lobo)
De =
KAAB DD11
1
+
DKA = 970X103 (80X10-8)(s
cmK 221 1090)
2400( =
DAB = 00018583ABAB
BA
PMMT
Ω
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ +
2
2123 11
γ
Para CO
0110=isin
Bk 0593 A=γ
Para O2
Ingenieriacutea Quiacutemica 48
UAM-I
0113=isin
Bk 0453 A=γ
( ) 51343359321
=+=ABγ
( )( )[ ] 21113110BAB k=isin A la temperatura de 400degK
( ) 583))113)(110((
40021 =
deg=
isin B
B
AB
B
KKKTK
Ω AB = 0907 Sustituyendo
DAB =s
cm2
2
2123
9730)9070()513(
)21281()400(00185830=
+
De = hrm
hrs
cmm
scm 222
03501
3600100
10980
10901
97301
1=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
+
Calculo de Kc Sh = (Re)12(Sc)13
Velocidad superficial
V = sm
shr
hrm
mxhr
m
Av
c
02036001976
1087
006025
3
0 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛== minus
Ingenieriacutea Quiacutemica 49
UAM-I
Re= ( ) 240)1062)(501(
)10491)(020(
1 25
4
=minus
=minus minus
minus
smx
mxsmvd p
νφ
Sc= 672)3600
1)(0350(
10622
25
==minus
shr
hrm
smx
Dv
AB
Sh= ( 024 )12 ( 267 )13 = 0679
Kc = Shdp
DAB⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛minusφ
φ1
Kc = ( )sm
mxs
mx02206790
10491
10729
50501
4
26
=⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛minus
minus
minus
Calculo de numero Thile con el radio que usara a nivel industrial
φ = L ( )DkCn n
AS
21 1minus+
L = 3R
Sustituyendo
φ = 66x10-4 m( )
( )
450
03502
018420
5480941311
3
30
3330
313
=
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+
catmhrm
mmol
hrcatmmolm
η = 1 con los resultados anteriores se observa que quieacuten limita es la velocidad de
reaccioacuten Por lo que se procede a calcular el peso y longitud de catalizador
necesaria para muestro purificador sustituyendo los valores del Boiler
Ingenieriacutea Quiacutemica 50
UAM-I
Peso del Catalizador w =
( ) grcatgcatLn
gcatm
mmol
hrcatmmolm
hrm
xLn
kCv
A
66476639401
1
6000001578
548094
19836
11
330
3330
313
3
0
0 asymp=minus
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
minus
g 664=w
33
3
1011
mg60000
g 664 mxwv minus===ρ
m 035003101011
2
33
==minus
mmxL
cm 531000350 == xL
Ingenieriacutea Quiacutemica 51
UAM-I
APEacuteNDICE B BALANCE DE MASA DE LA PREPARACIOacuteN DE HAUCL4 Au(g) + 3HNO3(ac) + 4HCL(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O + 3N02(g) (152 M) (105M)
cantidad de mol Au = 05 kg Au x molAu
grAumolAux
kggr 542
971961
11000
=
cantidad de kg HNO3 = ( ) 33
33 480
10001
1635423 kgHNO
grkgx
molHNOGRHNOxHNOmol =
cantidad de kgHCl = ( ) kgHClgr
kgxmolHCl
grHClHClxmol 3701000
11
5365424 =
cantidad de kgHAuCl4 = 254molHAuCl4 x 44
8601000
11
97339 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
gr=
cantidad de kgH2O = 3( 254mol)H20 x OkgHgr
kgxOmolHOgrH
22
2 1401000
1118
=
cantidad de Lt H20 = 762molHNO3 x OltHOkgHOLtH
22
2 14011
=
cantidad de Lt H20 = 1016 mol HNO3 x 050215
012
2 LtHmol
LtH=
cantidad de LtH20 = 1016mol HCl x OLtHLtHmolHCl
LtH22
2 010970510
01asymp=
cantidad de MHAUCl4 = ( ) ( ) ( ) MHltltlt
ClmolHAU 7210850490140
542
2
4 asymp++
cantidad de kg NO2(g) = 3( 254mol)NO2 x )(22
2 3501000
1146
SkgNOgr
kgxmolNO
grNO=
Ingenieriacutea Quiacutemica 52
UAM-I
05 kg Au 048 kgHNO3 035 kgNO2 101021 kgH20 (152M) 037 kgHCl(ac)
(105 m) 086 kg HAuCl4 (ac) 086 kg HAuCl4 (ac)
(17 M) 014 kgH20 (25x10-3M) 014kg H20 (L) 086kg HAuCl4 035kgNO2 (g) 101185kg H20 Cantidad de H20 = 086 kgHAuCl4
x 08510110101
105201
173341
11000
22
23
24 kgHLtHkgHx
MxltHx
grmolHAuClx
kggr
=minus
pero (101185 ndash 014 ndash 05 ndash 1) kg H20 = 101021 kg H20 100ml H20 por 1 gr soporte 35kg NH4 (OH)(AC) 10000kgH20 100 kg γAl203 (9965) 035kgAu (035) 100kg γAl203 025kgCl2 086kg HAuCl4 026kgHAuCl4
101185 kg H20 35kgNH4 (OH)(AC) 1101185kgH20 cantidad de kgHAuCl4 = 015kgAu x
44
4 2601000
11
973391
197196
147196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxgrAu
molxkg
gr=
cantidad de NH4(OH) = 100kg γ Al203 x
Ingenieriacutea Quiacutemica 53
UAM-I
kgNHxmol
grx
mlmol
xOAlgr
OHmlNHx
kg
gr53
10001
1
35
100010
1
)(10
1
1000
32
4=
γ4(OH)
30kg γAL2O3 1 kgNH4(OH)(AC) 30 kg γ Al203 (9965) 010 kg Au (035) 026kgHAuCl4 007kg Cl2 35kgNH4(OH) 1101185 kgH2O 0086kgHAuCl4 45 kg NH4(OH)(AC) 1101185 kg H20
cantidad de γ Al2O3 = 026kgHAuCl4 x 324
32 02330860
100 AlkgkgHAuCl
OAlkg γγ=
cantidad de kgAu = 035 x kgAukg 10506599
30=
cantidad de kg Cl2 = 01 kgAu x
22
2 07201000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de HAuCl4 = 005kgAu x
44
4 08601000
11
973391
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 54
UAM-I
cantidad de kgNO4(OH) = 30 kg γ Al203 x ( )OHkgNHAlkg
OHkgNO4
32
4 0510100
)(53=
γ
105 kg γ Al203 035 kg NH2(OH) 105 kg γ Al203 (9965) 004 kg Au (035) 009kg HAuCl4 003 kg Cl2 45kgNH4(OH) 1101185 kg H20 0017kgHAuCl4 485kgNH4 (OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 009 HAuCl4 x 324
32 04710860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad kg de NH4 (OH) = 105kg γ Al203 x ( ) )(3500100
534
32
4 OHkgNHAlkg
OHkgNH=
γ
cantidad de Cl2 = 004 kg Au x
22
2 02901000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
gAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 =
44
44 02001701000
11
973391
197196
11
1000010 kgHAukgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgr
molAuxkg
grkgAux asymp=
Ingenieriacutea Quiacutemica 55
UAM-I
23 kg γ Al203 008kgNH4(OH) 002 kg HAuCl4 23 kg γAl203 (9965) 485kgNH4(OH) 0008kgAu(035) 1101185kg H2 0001kg Cl2
0014 kg HAuCl4 493kgNH4(OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 002kgHAuCl4 x 324
32 032860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad de kg Au = 035 x kgAukg 00806599
32=
cantidad de kgCl2 = 0002kgAu x
24
4 00101000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 = 0008kgAu x
44
44 01401000
11
973341
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 56
UAM-I
APEacuteNDICE C ACCESORIOS EN EL DISENtildeO
Agitador
Agitadores de Heacutelice se escogioacute este tipo de agitador por ser tener las siguientes
caracteriacutesticas [3]
bull Es un agitador de flujo axial
bull Se emplea para liacutequidos pocos viscosos
bull Giran a toda la velocidad del motor
bull Las corrientes de flujo se mueven a traveacutes del liacutequido en una direccioacuten
determinada hasta que son desviadas por el fondo o las paredes del tanque
bull Las palas de la heacutelice cortan o friccionan vigorosamente el liacutequido
bull Los agitadores de heacutelice son eficaces para tanques de gran tamantildeo
Horno
bull El horno se escogioacute por ser tener las siguientes caracteriacutesticas [5]
bull El horno de construccioacuten metaacutelica
bull La caacutemara de combustioacuten estaacute construida mediante hormigones refractarios
de alta resistencia mecaacutenica
bull Las materias secar y calcinar se carga de forma manual
Ingenieriacutea Quiacutemica 57
UAM-I
Bomba
DISENtildeO Bomba centrifuga para operacioacuten horizontal o vertical del impulsor
cerrado succioacuten al extremo descarga hacia arriba tangencial simple succioacuten de un
paso con carcaza partida verticalmente [3]
ROTACIOacuteN En el sentido del reloj vista desde el cople
CARACTERIacuteSTICAS Conexiones brindadas con registro ubicado en la cabeza de
succioacuten para facilitar su limpieza
SERVICIO Debido a que es posible colocarla en posicioacuten horizontal o vertical tanto
en caacutercamos secos como huacutemedos y por el disentildeo de su impulsor que soacutelidos de
gran tamantildeo esta bomba es ideal para los procesos de tratamientos de agua y
manejo de liacutequidos en suspensioacuten en general
CAPACIDADES
GASTO Hasta 3000 GPM
CDT Hasta 80rsquo
PRESIOacuteN 106 Kgcmsup2
POTENCIA De 1 a 60 Hp
VELOCIDAD (1175 - 3550 RPM)
TEMPERATURA 125degC
Ingenieriacutea Quiacutemica 58
UAM-I
Bombas Centriacutefugas
Las maquinas centriacutefugas estaacuten constituidas por un impulsor o rodete formado por
una serie de aletas radiales diversas formas y curvaturas que giran dentro de una
caja circular El fluido penetra por el ojo o eje de rotacioacuten y se descarga maacutes o
menos radialmente en una caacutemara perifeacuterica a una elevada presioacuten que
corresponde a la suma de la fuerza centriacutefuga de la rotacioacuten maacutes la cineacutetica
comunicada al fluido por las aletas La parte moacutevil de la bomba es el rodete Las
aletas del rodete se extienden desde el centro de rotacioacuten hacia la periferia y las
bridas son los discos de refuerzo a cada lado de las aletas que las envuelven Las
aletas pueden ser radiales curvadas ligeramente hacia delante en el mismo sentido
de la rotacioacuten o estar curvadas al reveacutes en el caso maacutes comuacuten en el disentildeo se
determino el rodete siguiente por sus caracteriacutesticas Fig 1
Figura 1 Corte parcial de un rodete de centriacutefuga para grandes cargas y secciones
de paso estrechas empleando con liacutequidos corrosivos o suspensiones de pequentildeas
partiacuteculas[4]
Ingenieriacutea Quiacutemica 59
UAM-I
APENDICE D CALCULO DE POTENCIA DE BOMBAS (8)
Potencia de la bomba de la cisterna 1 que alimenta a los mezclador 4
Ecuacioacuten de Bernoulli
sum sumint =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛+++∆+∆i i
i
P
P
evvfDLvwdphgv 0
21
21
ˆ1
21 222
2
1ρ
a b c d e f
a Diferencia de velocidades
b Diferencia de alturas
c Diferencia de presiones
d Trabajo
e Perdidas de friccioacuten en tuberiacuteas
f Perdidas de friccioacuten en accesorios
En la ecuacioacuten anterior se pueden eliminar algunos teacuterminos
21 mts
6 mts 35 mts
Figura 1 Balance de cisterna 1 a mezclador 4
Se debe de tener dos puntos de referencia para la utilizacioacuten de la ecuacioacuten de
Bernoulli de los cuales se anotaron en la figura 2
Ingenieriacutea Quiacutemica 60
UAM-I
21 mts
2 1 6 mts 35 mts
Figura 2
Teniendo los puntos de referencia se analiza que las diferencias de velocidades son
cero en ambos puntos por lo tanto el termino 2
21 ν∆ es igual a cero
El termino de = (981hg∆ 2segm )(35m ndash 0) = 34335 2
2
segm
El termino de int2
1
1P
P
dpρ
se tiene que la cisterna y el tanque de mezclado ambos no
estaacuten cerrados y por lo tanto no originan un cambio de presioacuten y el termino es cero
De esta expresioacuten L longitud de tuberiacutea
tro de tuberiacutea
n el interior del tubo
v
Para la l radio del tubo que
sum ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
i
fDL2
21 ν
D diaacuteme
f perdidas de friccioacuten e
velocidad del flujo de agua
obtencioacuten de la velocidad se tiene el flujo volumeacutetrico y e
es de 32 cm =0032mts con la ecuacioacuten
Ingenieriacutea Quiacutemica 61
( )( ) sm
ms
m
RQ 761
032060min1)
min340(
2
3
2 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
==ππ
ν
UAM-I
Se reportan valores de perdida de fr
e reduce teacuterminos
iccioacuten en tubos que son igual a 005
Por lo tanto sustituyendo los teacuterminos en la ecuacioacuten de Bernoulli s
sum sumint =⎟⎠
⎜⎝
+⎟⎠
⎜⎝
+++∆+∆i i
iP
evvfD
vwdphgv 022
ˆ2
1ρ
⎞⎛⎞⎛ L 111 2222
or tanto el termino de trabajo queda expresado de la siguiente manera
tanto la bomba comunica al fluido que circula en el sistema un trabajo
+11727
P1
p w
sum sum ∆minus⎟⎠⎞
⎜⎝⎛minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛minus=
i ii
hgevvfDLvw 22
21
21
ˆ
( ) ( )
Este es el trabajo ( por unidad de masa) producido por el fluido en la bomba por lo
22
sm o 11727 981 = 1195
m
fKg
Kgm
La velocidad de flujo de masa es
Por lo tanto
1 )=6694
951)(675(ˆ =minus=minus WwW smkg f = 088Hp = 1Hp
Siendo esta ida para esta bomba El procedimiento anterior se
iguioacute para cada bomba de la planta
AP E
la potencia requer
s
EacuteNDICE
TOXICOLOGIacuteA DE MATERIAS PRIMAS [6]
( ) ( ) ( )( ) ( )( )msm
smmmm
sm 538192201150761
21050
032021536761
21
2
22minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ +minus⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ++
minus=wm
22
27117ˆ smw minus=
( )s
kgmkgQw m675100060340 3 === ρ
Ingenieriacutea Quiacutemica 62
UAM-I
HIDROacuteXIDO DE SODIO
Polvo corrosivo blanco delicuescente
Toxicidad
Concentracioacuten Maacutexima permisible 2mgm3 en aire
Signos y Siacutentomas Conjutivitis quemaduras corneales y de la piel Irritacioacuten
seas vomito dolor abdominal y diarrea a veces con
Lavado de las partes afectadas tranquilizantes sulfato de
decuada gafas protectoras o pantallas para
ignos y Siacutentomas Irritacioacuten de ojos quemaduras corneables tos dolores
l hemoptisis dolor de cabeza dolor epigaacutestrico nauseas y vomito
lmonar
Tratamiento lavado de ojos con agua reposo oxigeno con aparato de respiracioacuten
con onantes
ACIDO NITRICO
Liquido corrosivo sofocante de incoloro a amarillento
ioacuten maacutexima permisible 10ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
del tracto respiratorio nau
sangre
Tratamiento
morfina para el dolor y cortisona
Medidas preventivas Ventilacioacuten a
la cara completa mascarilla con filtro mecaacutenico guantes delantares botas de
goma y acentuar la limpieza personal
CLORO
Gas pasado amarillo verdoso
Toxicidad
Conc Maacutexima permisible 1 ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten
S
retrosterna
debilidad cianosis y edema pu
trolada bronco dilatadores y descongesti
Toxicidad
Concentrac
Ingenieriacutea Quiacutemica 63
UAM-I
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
Signos y siacutentomas Erosioacuten dental estornudo tos Dolor en el pecho bronquitis y
la las partes contaminadas del cuerpo con solucioacuten al 5 de
de las quemaduras con pantildeos
de triacuteo sulfato soacutelido si se a ingerido
vado de ojos con agua
ACIDO CLORIDRICO
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
ivitis necrosis corneal por inhalacioacuten rinitis erosioacuten
dolor de cabeza palpitacioacuten por ingestioacuten
s en la boca faringe esoacutefago estomago salivacioacuten vomito Soc
agua lavada de agua y jaboacuten de las partes
preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
AacuteC
El c
con o de hidroacutegeno una
concentracioacuten de 12 molLt Este aacutecido es un liacutequido incoloro con un olor aacutecido
bronconeumoniacutea
Tratamiento
bicarbonato soacutelido o con agua y jaboacuten Tratamiento
mojados con solucioacuten saturada
administracioacuten por viacutea oral de solucioacuten de jaboacuten Hidroacutexido caacutelcico o alumiacutenico u
oacutexido de magnesio
Medidas preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores excluir de la exposicioacuten
a los individuos con enfermedades de pulmones y rintildeones
Gas incoloro o liacutequido o a amarillento
Toxicidad
Concentracioacuten maacutexima permisible 5ppm en aire
Signos y siacutentomas conjunt
dental laringitis bronquitis neumoniacutea
quemadura
nefritis
Tratamiento lavado de ojos con
contaminantes del cuerpo tratamiento ordinario de quemaduras lavado gaacutestrico
se a ingerido con solucioacuten de bicarbonato soacutedico al 5 seguido de una instilacioacuten
de gel de hidroacutexido de aluminio
Medidas
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores
IDO CLORHIacuteDRICO
loruro de hidroacutegeno es en extremo soluble en agua de hecho el aacutecido clorhiacutedrico
centrado contiene cerca del 38 en masa de clorur
Ingenieriacutea Quiacutemica 64
UAM-I
pronunciado que se debe al equilibrio entre el cloruro de hidroacutegeno gaseoso y
ste con el aacutecido fluorhiacutedrico el aacutecido clorhiacutedrico es un aacutecido fuerte (pKa = -
7) y se ioniza casi totalmente
gar de aacutecido sulfuacuterico auque en menor grado Por
jemplo el zinc metaacutelico reacciona con aacutecido clorhiacutedrico para dar el ion zinc e
hidroacutegeno gaseoso
Zn(s) + 2HCl(ac) ZnCl2(ac) + H2(g)
l para producir aacutecido clorhiacutedrico en el laboratorio es generar
cloruro de hidroacutegen e sodio y el aacutecido
ulfuacuterico En el primer paso a 150degC se forma hidroacutegeno sulfato de sodio
NaHSO4(s) + HCl(g)
io y maacutes
loruro de hidroacutegeno gaseoso Luego el gas se disuelve en agua para formar el
aacutecido
NaHSO4(s) + NaCl(s) Na2SO4(s) + HCl(g)
acuoso
HCl(ac) HCl(g)
El reactivo de grado teacutecnico a menudo tiene un color amarillento por una impureza
del ion hierro (III)
En contra
HCl(ac) + H2O(l) H2O+(ac) + Cl -(ac)
Por ello a menudo se prefiere usar aacutecido clorhiacutedrico diluido en lugar de aacutecido niacutetrico
que es muy oxidante y en lu
e
Cuando el zinc reacciona con el aacutecido niacutetrico es comuacuten que se reduzca una parte
del ion nitrato para dar dioacutexido de nitroacutegeno
El meacutetodo tradiciona
o gaseoso por la reaccioacuten entre el cloruro d
s
NaCl(s) + H2SO4(l)
La mezcla se calienta a 550degC temperatura a la cual el hidroacutegeno sulfato de sodio
reacciona con un exceso de cloruro de sodio para formar sulfato de sod
c
∆
Este meacutetodo se usa tambieacuten en la industria otra forma de producir cloruro de
hidroacutegeno es por la combinacioacuten directa de dicloro y dihidroacutegenogaseosos
Ingenieriacutea Quiacutemica 65
UAM-I
H2(g) + Cl2(g) 2HCl(g)
La mayor cantidad de cloruro de hidroacutegeno que se produce actualmente es un
CH4(g) + 4Cl2(g) 4(l) + 4HCl(g)
riacuten de superficies de acero en un bantildeo aacutecido en la purificacioacuten de glucosa
y jarabe de maiacutez e s y de gas y en la
bricacioacuten de compuestos clorados El aacutecido se puedo comprar en muchas
nducida por la luz
4HNO3(ac) 4NO2(g) + O2(g) + 2H2O(l)
niacutetrico como disolvente)
H2NO3+ H2O + NO2
+
l siguiente
3HNO NO3 ndash
subproducto de otros procesos industriales como la siacutentesis de tetracloruro de
carbono
CCl
Se consumen cerca de 107 toneladas de aacutecido clorhiacutedrico cada antildeo en todo el
mundo Este aacutecido tiene una gama muy amplia de usos como aacutecido comuacuten para
eliminar o
n el tratamiento con aacutecido de pozos petrolero
fa
ferreteriacuteas con el arcaico nombre de aacutecido muriaacutetico sus principales usos caseros
son la limpieza de superficies de concreto y la eliminacioacuten de herrumbre Un nuacutemero
muy reducido de personas es incapaz de sintetizar suficiente jugo gaacutestrico y deben
de ingerir caacutepsulas de aacutecido clorhiacutedrico diluido con cada comida
AacuteCIDO NIacuteTRICO
El aacutecido niacutetrico un liacutequido aceitoso e incoloro en estado puro es sumamente
peligroso El aacutecido que funde a ndash42degC y hierve a +83degC tiene por lo general un
ligero color amarillo a causa de una reaccioacuten de descomposicioacuten i
En un estado puro el aacutecido niacutetrico liacutequido praacutecticamente no conduce la electricidad
Una pequentildea porcioacuten se ioniza como sigue (todas estas especies existen en el aacutecido
2HNO3(l) H2NO3+ + NO3
ndash
H2O + HNO3 H3O+ + NO3 ndash
Para dar la reaccioacuten globa
3 NO2+ + H3O + 2+
Ingenieriacutea Quiacutemica 66
UAM-I
El catioacuten nitrilo es importante en la nitracioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas por ejemplo la
obenceno C6H5NO2 una etapa importante en
umerosos procesos industriales orgaacutenicos
El aacutecido niacutetrico con en agua mientras
ue el ldquoaacutecido niacutetrico fumanterdquo un oxidante extremadamente poderoso es una
vez de ello se produce una mezcla de
sistema que da un orden de
vista industrial el
oceso
e lleva a cabo en tres etapas Primero se hace pasar una mezcla de amoniaco y de
dioxiacutegeno (o aire) un proceso muy
ficiente y exoteacutermico que hace que la malla se ponga al rojo Esta etapa se verifica
conversioacuten de benceno C6H6 en nitr
n
centrado es en realidad una solucioacuten al 70
q
solucioacuten roja de dioacutexido de nitroacutegeno en aacutecido niacutetrico puro Incluso cuando esta
diluido el aacutecido niacutetrico es un oxidante tan fuerte que rara vez desprende hidroacutegeno
cuando se pone en contacto con metales en
oacutexidos de nitroacutegeno y el metal se oxido a su catioacuten
Los enlaces O-N son mucho maacutes cortos (121 pm) que el enlace O-N unidos al aacutetomo
de hidroacutegeno (141 pm) Esta longitud de enlaces indica que hay enlaces muacuteltiples
entre el nitroacutegeno y los dos aacutetomos de oxiacutegeno terminales Ademas de los electrones
del sistema σ hay cuatro electrones que participan en el sistema π O-N-O dos de un
orbital enlazante y dos en un orbital no enlazante
enlace de 112 para cada uno de esos enlaces nitroacutegeno- oxiacutegeno
A veces se nos olvida hasta queacute punto nuestra experiencia depende de la
termodinaacutemica y la cineacutetica Por ejemplo la primera siacutentesis industrial de aacutecido
niacutetrico se llevaba ha cabo por simple combinacioacuten de diniacutetrogeno dioxiacutegeno y agua
utilizando un horno de arco eleacutectrico a fin de proporcionar la energiacutea necesaria par
superar la muy elevada barrera cineacutetica Aunque desde el punto de
factor cineacutetico constituiacutea un problema en realidad es una bendicioacuten por que sin esta
barrera cineacutetica hace mucho tiempo que todo el dioacutexido de la atmoacutesfera se abriacutea
transformado en aacutecido niacutetrico y nuestros mares serian de aacutecido niacutetrico diluido
frac12 N2(g) + 54O2(g) + 12H2O(g) HNO3(g)
Ahora se utiliza el proceso Ostwald para la siacutentesis de aacutecido niacutetrico Este proceso
consume gran parte del amoniaco que se produce por el proceso Haber El pr
s
a traveacutes de una malla de platino metaacutelico Eacuteste es
e
a baja presioacuten para aprovechar el efecto entropico es decir la formacioacuten de 10
moles de gas a partir de 9 moles de gas (una aplicacioacuten del principio de Le Chatelier)
para desplazar el equilibrio a la derecha
Ingenieriacutea Quiacutemica 67
UAM-I
4NH3(g) + 5O2(g) 4NO(g) + 6H2O(g)
Se agrega maacutes oxiacutegeno para oxidar el monoacutexido de nitroacutegeno a dioacutexido de nitroacutegeno
A fin de mejorar el rendimiento de esta reaccioacuten exoteacutermica se extrae calor de los
ases y la mezcla se somete a presioacuten
2HNO3(l) + NO(g)
Esta reaccioacuten tambieacuten es exoteacutermica y una vez maacutes se aplica enfriamiento y alta
la
egunda etapa para oxidarlo de nuevo
La contaminacioacuten s de aacutecido niacutetrico
as plantas maacutes antiguas eran faacutecilmente identificables por la fumarola cafeacute-
antas maacutes antiguas ahora mezcla cantidades
en Estados Unidos porque un 20
dedica ala produccioacuten de explosivos
or ultimo el aacutecido niacutetrico es un liacutequido que hierve a 826degC No existe como liacutequido
g
2NO(g) + O2(g) 2NO2(g)
El dioacutexido de nitroacutegeno se mezcla con agua para dar una solucioacuten de aacutecido niacutetrico
3NO2(g) + H2O(l)
presioacuten par obtener el maacuteximo rendimiento El monoacutexido de nitroacutegeno se vuelve a
s
soliacutea ser un problema importante de las planta
L
amarillento del dioacutexido de nitroacutegeno que escapaba por ellas Las plantas maacutes
antiguas eran faacutecilmente identificable por la fumadora cafeacute-amarillo del dioacutexido de
nitroacutegeno que escapaba de ellas Las pl
estequiomeacutetricas de amoniaco con las oacutexidos de nitroacutegeno con lo cual se obtiene
dinitroacutegeno y vapor de agua ambos inocuos
NO(g) + NO2 (g) + 2NH3(g) 2N2(g) + 3H2O(g)
En todo el mundo alrededor del 80 del aacutecido niacutetrico se utiliza en la produccioacuten de
fertilizantes Esta proporcioacuten es de solo el 65
se
P
puro porque en alguna medida se descompone espontaacuteneamente como sigue
4HNO3(l) 4NO2(g) + 2H2O(l) + O2(g)
Ingenieriacutea Quiacutemica 68
UAM-I
El aacutecido niacutetrico concentrado que se usa en el laboratorio estaacute al 68 en masa HNO3
(densidad 142 gcm3) lo que corresponde a 157 M
l aacutecido niacutetrico es un poderoso agente oxidante El nuacutemero de oxidacioacuten del N en el
) El aacutecido niacutetrico puede oxidar
nto a metales que estaacuten abajo del hidroacutegeno como aquellos que se encuentran
4Zn2+(ac) + NH4
+(ac) + 3H2O(l)
do no oxida al oro Sin embargo cuando se mezcla con
cido clorhiacutedrico concentrado en relacioacuten 13 en volumen (una parte de HNO3 a tres
partes al oro
omo sigue
APEacuteNDICE F
ETODO DE DEPOSICIOacuteN-PRECIPITACIOacuteN
E
HNO3 es + 5 Los productos maacutes comunes de la reduccioacuten del aacutecido niacutetrico son el
NO2 (N = + 4) el NO (N = + 2) y el NH4+ (N = - 3
ta
arriba en la serie de actividades Por ejemplo el cobre es oxidado por el aacutecido niacutetrico
concentrado como se mencionoacute antes
En presencia de reductores fuertes como el zinc metaacutelico el aacutecido niacutetrico se puede
reducir hasta ion amonio
4Zn(s) + 10H+(ac) + NO3
-(ac)
El aacutecido niacutetrico concentra
aacute
de HCl) la disolucioacuten resultante denominada agua regia puede oxidar
c
Au(s) + 3HNO3(ac) + 4HCl(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O(l) + 3NO2(g)
M
Ingenieriacutea Quiacutemica 69
UAM-I
APEacuteNDICE G
ISENtildeO DEL MEZCLADOR [4]
1) 100 ml H2O gr soporte
2) NH4(OH)
Ajustar a PH = 9 4) HAuCl4 (solucioacuten acuosa al 25E-3M)
6) Filtrado o centrifugado
3) En Agitacioacuten por 2 hr
8) Secado por 2hr a 80 degC
9 ) Calcinado por 4hr a 400 degC
7) Lavado
5) Antildeegamiento por 30 min
D
Ingenieriacutea Quiacutemica 70
UAM-I
El disentildeo de un tanque agitado dis n nuacutemero de elecciones sobre el
po y localizacioacuten del agitador las proporciones del tanque el nuacutemero y dimensiones
ada una de estas decisiones afectan a la velocidad
e circulacioacuten del liacutequido los modelos de velocidad y el consumo de potencia Como
pone de un gra
ti
de las placas deflectoras etc C
d
punto de partida en el disentildeo de los problemas ordinarios de agitacioacuten generalmente
se utiliza un agitador de turbina del tipo que se muestra en la figura 1 La proporcioacuten
tiacutepica es
31
=t
a
DD
1=tD
H 121
=tD
J 51
=aD
W 41
=aD
L
de estas ecuaciones se disentildeara el mezclador como datos se tiene el valor H que es
igual a 3 mts y el diaacutemetro del tanque D
Se determinara la medida de los reflectores
t que es igual 3 mts
121
=tD
J se despeja J
elacioacuten R31
=t
a
DD
se despeja Da
Relacioacuten
41
=aD
L se despeja L
elacioacuten se despeja W
( ) ( ) cmmtsmtsDJ 25250311==⎟
⎞⎜⎛=⎟
⎞⎜⎛= t 1212 ⎠⎝⎠⎝
( ) ( ) mtsmtsDD ta 1331
31
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=
( ) ( ) mtsmtsDL a 250141
41
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛= cm25=
51
=aD
WR
Ingenieriacutea Quiacutemica 71
UAM-I
Figura 2 a) Vista transversal del mezclador b) paletas del mezclador con la
donde se deposita el soporte
Figura 1 Medidas de un agitador de turbina
a) b)
s rejillas
H
J
E L
Da
D t
W
W
( ) ( ) cmmtsmtsDW a 2020151
5==⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎜⎝
=1 ⎞⎛
Ingenieriacutea Quiacutemica 72
UAM-I
Las dimensiones de las canastillas se determinaron a partir del balance de masa y la
produccioacuten requerida La carga de un contenedor de soporte que es de 100kg del
cual el agitador tiene 4 canastillas cada una corresponde 25 Kg la masa se obtuvo
del balance de materia y su densidad 600 Kgm3 con el que se obtuvo un volumen de
0043 m3
39 ANAacuteLISIS FINANCIERO
El costo de materias primas se muestra en la Tabla 2 en la que tambieacuten se incluyen
los flujos de alimentacioacuten requeridos para el proceso a partir de los cuales se
determinaron los costos diarios
Tabla 2 Costo de materias primas [5]
Compuesto
Alimentacioacuten
por diacutea
Costo
USDKg
Costo Total
USDdiacutea
Au 2 kg 10596 2119200
HCl 15 Kg 52 780
HNO3 20 Kg 022 044
-Al2O3 5712 Kg 034 19421
Canastillas 500 piezas 15 75000
NH3(OH) 200 Kg 034 680
H2O 440414 Kg 282 282
Total de Materia Prima 2215407
El costo se determinoacute considerando la cantidad de material el tamantildeo y el costo de
manufactura
El costo se determinoacute para uso industrial conforme establece la tesoreriacutea de
Meacutexico
Ingenieriacutea Quiacutemica 38
UAM-I
PERSONAL REQUERIDO PARA LA INDUSTRIA
La Tabla 3 establece los salarios mensuales anuales y las prestaciones del IMSS
para el personal de la planta
Tabla 3 Salarios y Prestaciones del Personal
Mano de Obra (USDmes)p
ersona
USDmes USDantildeo Prestaciones
IMSS
1 Gerente 2000 2000 24000
1 Administrador 1000 1000 12000
1 Secretaria 400 400 4800 1193
Total de Salarios
Administrativos
40800 1193 409193
9 Obrero 150 150 1800 448
1 Teacutecnico 200 200 2400 597
1 Policiacutea 200 200 2400 597
1 Mantenimiento 180 180 2160 538
1 Limpieza 150 150 1800 448
Total de Salarios
Proceso
10560 2628 108228
Los salarios se determinaron en base al salario miacutenimo vigente en la Ciudad de
Meacutexico (2003)[29]
Ingenieriacutea Quiacutemica 39
UAM-I
PERSONAL
Departamento de produccioacuten
Se tendraacute 2 obreros en el llenado de soporte en las rejillas un obrero encargado del
traslado de rejillas por medio de la banda de los motores a cada contenedor un
obrero en cada contenedor de NH4OH y HAuCl4 en cada mezclador se tiene 1
obrero para descargar y cargar las rejillas a la banda que se trasladaran al horno en
el horno se tiene 1 obrero encargado del secado y calcinado el producto se traslada
al almaceacuten donde estaraacuten 2 obreros que reciben el producto y materias primas de los
proveedores se tiene 1 teacutecnico supervisando los equipos un encargo del
mantenimiento de los equipos
Departamento de personal
Gerente de la industria un administrador encargado de compra y venta de materias
primas una secretaria
Ingenieriacutea Quiacutemica 40
UAM-I
CAPITAL FIJO
La Tabla 4 muestra el costo de los equipos requeridos en la planta asiacute como el
Capital Fijo y la Inversioacuten del Capital Total
Tabla 4 El equipo se costeo usando las correlaciones de Ulrich [6] y empleando el
programa de Capcost
EQUIPO USD
4 Contenedores 23584
4 Agitadores (456kW) 269760
1 Horno (25 kW) 15700
15 Bombas (1469kW) 43081
1 Motor (114 kW) 67440
Tuberiacuteas 42150
2 Cisternas 174183
Vaacutelvulas 1283
Accesorios
(codos 90ordm y de 45ordm te)
1474
CAPITAL FIJO 638655
Capital de Trabajo 9579825
INVERSIOacuteN DE
CAPITAL TOTAL
73445325
Los caacutelculos y las correlaciones empleadas para el costeo del equipo se anexan en
el Apeacutendice A
Ingenieriacutea Quiacutemica 41
UAM-I
GASTOS GENERALES
Tabla 5 Proporciona el total de gastos anuales con lo cual se estima el precio por
kilo de catalizador y por unidad purificadora
Tabla 5 Gastos Generales anuales
USDAntildeo
Materias Primas 531697680
Mano de Obra de Operacioacuten 1082280
Mano de Obra de Oficina 4091930
Servicios Electricidad 2620100
Total de Gastos Generales 539491990
CFE
Produccioacuten diaria de Catalizador = 574 Kg
Precio de Catalizador = 40 USDKg
Produccioacuten diaria de unidades purificadoras = 500
Precio por unidad = 50USD
Ganancia diaria = 22960 USD
Ganancia Anual = 5510400 USD
DETERMINACIOacuteN DE LA RENTABILIDAD DEL PROYECTO
TPI (Actual) = 10
PR (Factor de riesgo) = 25
TREMA = TPI + PR
TREMA = 35
TIR (del proyecto) = 90
TIR gt TREMA
Puesto que la TIR es mayor que la TREMA se tiene que el proyecto es rentable [6]
Ingenieriacutea Quiacutemica 42
UAM-I
310 CONCLUSIONES
En el desarrollo de la industria para la fabricacioacuten de catalizadores se tuvo un
resultado satisfactorio a pesar de la falta de informacioacuten disponible acerca de
industrias de catalizadores debido a que esta informacioacuten no es publica El proyecto
que elaboramos es novedoso en nuestro paiacutes ya que no existen registros de una
industria que produzca catalizadores de oro soportados en aluacutemina
Durante el desarrollo del proyecto se planteoacute trabajar con compuestos como NOx y
COVS sin embargo debido a la falta de tiempo no se logroacute concluir la
experimentacioacuten en estos campos Debido a esto se tomoacute la decisioacuten de trabajar en
la oxidacioacuten cataliacutetica de CO Esto debido a varios factores por ejemplo la
disponibilidad de gases y sobre todo los costos que esto implicaba
Para el desarrollo del catalizador se analizaron diferentes tipos de preparacioacuten y se
eligieron dos meacutetodos diferentes Deposicioacuten-precipitacioacuten e Impregnacioacuten Los
catalizadores se evaluaron bajo diversas condiciones en la oxidacioacuten de CO El
catalizador que presentoacute mayor conversioacuten con el catalizador a baja temperatura fue
el sintetizado por el meacutetodo de Deposicioacuten-precipitacioacuten el cual se utilizoacute para el
disentildeo de la Industria El disentildeo estaacute basado en la forma de preparacioacuten del
catalizador Por esto la parte maacutes importante de la planta es el tanque de mezclado
el cual se disentildeo tomando en cuenta los diferentes disentildeos de agitadores para tener
un mezclado oacuteptimo Se incorporo en la parte superior del agitador las canastillas
para las pastillas cataliacuteticas y el tipo de Horno que se usara para el secado y
posteriormente el calcinado Una parte importante es la produccioacuten de catalizador
para este problema se investigoacute en que parte se podriacutea utilizar a diferencia de los
catalizadores para automoacuteviles Se llego a la decisioacuten de poder desarrollar un
catalizador para los calentadores de agua se obtuvo informacioacuten de la fabrica de
calentadores cal-o-rex en la produccioacuten diaria de calentadores y de esta informacioacuten
se pudo calcular la posible demanda de nuestro producto Una parte importante en
las industrias son el tipo de bombas ya que existen diversos modelos en nuestro
disentildeo se escogioacute las bombas centriacutefugas con rodetes para agua que contiene
pequentildeas partiacuteculas de soacutelidos
En la parte de servicios para personal se investigo los sueldos de cada empleado Se
determinoacute el costo de los equipos y finalmente llegamos a la parte que nos interesa
Ingenieriacutea Quiacutemica 43
UAM-I
del disentilde es decir si el proyecto es rentable o no En este caso particular se tuvo un
valor aceptable y se definioacute que el disentildeo es rentable Esto indica que seria una
industria que tendriacutea ganancias y a la vez que el producto que se fabrique nos
ayudaraacute a todos a reducir la emisioacuten de CO en los hogares aportando una pequentildea
ayuda al medio ambiente
COMENTARIOS
Los conocimientos adquiridos durante este tiempo fueron provechosos en la parte
teoacuterica y praacutectica aclaramos dudas de como y porque se comportan las reacciones
quiacutemicas y los procesos de flujos Durante el desarrollo del proyecto aprendimos a
observar y la importancia de entender fiacutesicamente las algunos procesos relacionados
con la siacutentesis y caracterizacioacuten de materiales cataliacuteticos
Ingenieriacutea Quiacutemica 44
UAM-I
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Ingenieriacutea Quiacutemica 46
UAM-I
APEacuteNDICE A
CRITERIOS PARA DETERMINAR QUIEacuteN CONTROLA EL PROCESO
Criterio de weisz para difusioacuten interna
Ec(12-16 Fogler) Los valores que se sustituyen en las siguientes ecuaciones fueron
tomados del catalizador que se analizo en el laboratorio
CWP = ( )
AS
cObsA
DeCRcr 2minus
lt 1
-rA(Obs) = velocidad de reaccioacuten observada molgcats Cc = concentracioacuten volumeacutetrica molm3
CAS = concertacioacuten en la superficie molm3
D= diaacutemetro del granulo m R = radio del granulo m De = difusividad efectiva m2s
d = 0149mm mxmm
m 4104911000
1 minus=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
CWP = ( )( )3
32
24
33
103470184200350
21049150800010681
minus
minusminus
=⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞⎜
⎝⎛
x
mmol
hrm
mxcatm
gcathgcat
molx
734x10-3 lt 1 No hay limitante por la difusioacuten interna
Ingenieriacutea Quiacutemica 47
UAM-I
Criterio de mears para difusioacuten interna Ec(12-62 Fogler)
Mm = 150ltAbc
bA
CkRnr ρminus
Mm =( )( )
0570
136000184200220
31110457508000106851
3
53
3
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ minusminus
hrs
mmol
sm
mxcatmgcat
hgcatmolx
0057 lt 015 no hay efecto de transferencia de masa externa Calculo de Dab para calcular el coeficiente de trasferencia de masa Ec(78 Lobo)
De =
KAAB DD11
1
+
DKA = 970X103 (80X10-8)(s
cmK 221 1090)
2400( =
DAB = 00018583ABAB
BA
PMMT
Ω
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ +
2
2123 11
γ
Para CO
0110=isin
Bk 0593 A=γ
Para O2
Ingenieriacutea Quiacutemica 48
UAM-I
0113=isin
Bk 0453 A=γ
( ) 51343359321
=+=ABγ
( )( )[ ] 21113110BAB k=isin A la temperatura de 400degK
( ) 583))113)(110((
40021 =
deg=
isin B
B
AB
B
KKKTK
Ω AB = 0907 Sustituyendo
DAB =s
cm2
2
2123
9730)9070()513(
)21281()400(00185830=
+
De = hrm
hrs
cmm
scm 222
03501
3600100
10980
10901
97301
1=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
+
Calculo de Kc Sh = (Re)12(Sc)13
Velocidad superficial
V = sm
shr
hrm
mxhr
m
Av
c
02036001976
1087
006025
3
0 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛== minus
Ingenieriacutea Quiacutemica 49
UAM-I
Re= ( ) 240)1062)(501(
)10491)(020(
1 25
4
=minus
=minus minus
minus
smx
mxsmvd p
νφ
Sc= 672)3600
1)(0350(
10622
25
==minus
shr
hrm
smx
Dv
AB
Sh= ( 024 )12 ( 267 )13 = 0679
Kc = Shdp
DAB⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛minusφ
φ1
Kc = ( )sm
mxs
mx02206790
10491
10729
50501
4
26
=⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛minus
minus
minus
Calculo de numero Thile con el radio que usara a nivel industrial
φ = L ( )DkCn n
AS
21 1minus+
L = 3R
Sustituyendo
φ = 66x10-4 m( )
( )
450
03502
018420
5480941311
3
30
3330
313
=
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+
catmhrm
mmol
hrcatmmolm
η = 1 con los resultados anteriores se observa que quieacuten limita es la velocidad de
reaccioacuten Por lo que se procede a calcular el peso y longitud de catalizador
necesaria para muestro purificador sustituyendo los valores del Boiler
Ingenieriacutea Quiacutemica 50
UAM-I
Peso del Catalizador w =
( ) grcatgcatLn
gcatm
mmol
hrcatmmolm
hrm
xLn
kCv
A
66476639401
1
6000001578
548094
19836
11
330
3330
313
3
0
0 asymp=minus
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
minus
g 664=w
33
3
1011
mg60000
g 664 mxwv minus===ρ
m 035003101011
2
33
==minus
mmxL
cm 531000350 == xL
Ingenieriacutea Quiacutemica 51
UAM-I
APEacuteNDICE B BALANCE DE MASA DE LA PREPARACIOacuteN DE HAUCL4 Au(g) + 3HNO3(ac) + 4HCL(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O + 3N02(g) (152 M) (105M)
cantidad de mol Au = 05 kg Au x molAu
grAumolAux
kggr 542
971961
11000
=
cantidad de kg HNO3 = ( ) 33
33 480
10001
1635423 kgHNO
grkgx
molHNOGRHNOxHNOmol =
cantidad de kgHCl = ( ) kgHClgr
kgxmolHCl
grHClHClxmol 3701000
11
5365424 =
cantidad de kgHAuCl4 = 254molHAuCl4 x 44
8601000
11
97339 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
gr=
cantidad de kgH2O = 3( 254mol)H20 x OkgHgr
kgxOmolHOgrH
22
2 1401000
1118
=
cantidad de Lt H20 = 762molHNO3 x OltHOkgHOLtH
22
2 14011
=
cantidad de Lt H20 = 1016 mol HNO3 x 050215
012
2 LtHmol
LtH=
cantidad de LtH20 = 1016mol HCl x OLtHLtHmolHCl
LtH22
2 010970510
01asymp=
cantidad de MHAUCl4 = ( ) ( ) ( ) MHltltlt
ClmolHAU 7210850490140
542
2
4 asymp++
cantidad de kg NO2(g) = 3( 254mol)NO2 x )(22
2 3501000
1146
SkgNOgr
kgxmolNO
grNO=
Ingenieriacutea Quiacutemica 52
UAM-I
05 kg Au 048 kgHNO3 035 kgNO2 101021 kgH20 (152M) 037 kgHCl(ac)
(105 m) 086 kg HAuCl4 (ac) 086 kg HAuCl4 (ac)
(17 M) 014 kgH20 (25x10-3M) 014kg H20 (L) 086kg HAuCl4 035kgNO2 (g) 101185kg H20 Cantidad de H20 = 086 kgHAuCl4
x 08510110101
105201
173341
11000
22
23
24 kgHLtHkgHx
MxltHx
grmolHAuClx
kggr
=minus
pero (101185 ndash 014 ndash 05 ndash 1) kg H20 = 101021 kg H20 100ml H20 por 1 gr soporte 35kg NH4 (OH)(AC) 10000kgH20 100 kg γAl203 (9965) 035kgAu (035) 100kg γAl203 025kgCl2 086kg HAuCl4 026kgHAuCl4
101185 kg H20 35kgNH4 (OH)(AC) 1101185kgH20 cantidad de kgHAuCl4 = 015kgAu x
44
4 2601000
11
973391
197196
147196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxgrAu
molxkg
gr=
cantidad de NH4(OH) = 100kg γ Al203 x
Ingenieriacutea Quiacutemica 53
UAM-I
kgNHxmol
grx
mlmol
xOAlgr
OHmlNHx
kg
gr53
10001
1
35
100010
1
)(10
1
1000
32
4=
γ4(OH)
30kg γAL2O3 1 kgNH4(OH)(AC) 30 kg γ Al203 (9965) 010 kg Au (035) 026kgHAuCl4 007kg Cl2 35kgNH4(OH) 1101185 kgH2O 0086kgHAuCl4 45 kg NH4(OH)(AC) 1101185 kg H20
cantidad de γ Al2O3 = 026kgHAuCl4 x 324
32 02330860
100 AlkgkgHAuCl
OAlkg γγ=
cantidad de kgAu = 035 x kgAukg 10506599
30=
cantidad de kg Cl2 = 01 kgAu x
22
2 07201000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de HAuCl4 = 005kgAu x
44
4 08601000
11
973391
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 54
UAM-I
cantidad de kgNO4(OH) = 30 kg γ Al203 x ( )OHkgNHAlkg
OHkgNO4
32
4 0510100
)(53=
γ
105 kg γ Al203 035 kg NH2(OH) 105 kg γ Al203 (9965) 004 kg Au (035) 009kg HAuCl4 003 kg Cl2 45kgNH4(OH) 1101185 kg H20 0017kgHAuCl4 485kgNH4 (OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 009 HAuCl4 x 324
32 04710860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad kg de NH4 (OH) = 105kg γ Al203 x ( ) )(3500100
534
32
4 OHkgNHAlkg
OHkgNH=
γ
cantidad de Cl2 = 004 kg Au x
22
2 02901000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
gAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 =
44
44 02001701000
11
973391
197196
11
1000010 kgHAukgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgr
molAuxkg
grkgAux asymp=
Ingenieriacutea Quiacutemica 55
UAM-I
23 kg γ Al203 008kgNH4(OH) 002 kg HAuCl4 23 kg γAl203 (9965) 485kgNH4(OH) 0008kgAu(035) 1101185kg H2 0001kg Cl2
0014 kg HAuCl4 493kgNH4(OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 002kgHAuCl4 x 324
32 032860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad de kg Au = 035 x kgAukg 00806599
32=
cantidad de kgCl2 = 0002kgAu x
24
4 00101000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 = 0008kgAu x
44
44 01401000
11
973341
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 56
UAM-I
APEacuteNDICE C ACCESORIOS EN EL DISENtildeO
Agitador
Agitadores de Heacutelice se escogioacute este tipo de agitador por ser tener las siguientes
caracteriacutesticas [3]
bull Es un agitador de flujo axial
bull Se emplea para liacutequidos pocos viscosos
bull Giran a toda la velocidad del motor
bull Las corrientes de flujo se mueven a traveacutes del liacutequido en una direccioacuten
determinada hasta que son desviadas por el fondo o las paredes del tanque
bull Las palas de la heacutelice cortan o friccionan vigorosamente el liacutequido
bull Los agitadores de heacutelice son eficaces para tanques de gran tamantildeo
Horno
bull El horno se escogioacute por ser tener las siguientes caracteriacutesticas [5]
bull El horno de construccioacuten metaacutelica
bull La caacutemara de combustioacuten estaacute construida mediante hormigones refractarios
de alta resistencia mecaacutenica
bull Las materias secar y calcinar se carga de forma manual
Ingenieriacutea Quiacutemica 57
UAM-I
Bomba
DISENtildeO Bomba centrifuga para operacioacuten horizontal o vertical del impulsor
cerrado succioacuten al extremo descarga hacia arriba tangencial simple succioacuten de un
paso con carcaza partida verticalmente [3]
ROTACIOacuteN En el sentido del reloj vista desde el cople
CARACTERIacuteSTICAS Conexiones brindadas con registro ubicado en la cabeza de
succioacuten para facilitar su limpieza
SERVICIO Debido a que es posible colocarla en posicioacuten horizontal o vertical tanto
en caacutercamos secos como huacutemedos y por el disentildeo de su impulsor que soacutelidos de
gran tamantildeo esta bomba es ideal para los procesos de tratamientos de agua y
manejo de liacutequidos en suspensioacuten en general
CAPACIDADES
GASTO Hasta 3000 GPM
CDT Hasta 80rsquo
PRESIOacuteN 106 Kgcmsup2
POTENCIA De 1 a 60 Hp
VELOCIDAD (1175 - 3550 RPM)
TEMPERATURA 125degC
Ingenieriacutea Quiacutemica 58
UAM-I
Bombas Centriacutefugas
Las maquinas centriacutefugas estaacuten constituidas por un impulsor o rodete formado por
una serie de aletas radiales diversas formas y curvaturas que giran dentro de una
caja circular El fluido penetra por el ojo o eje de rotacioacuten y se descarga maacutes o
menos radialmente en una caacutemara perifeacuterica a una elevada presioacuten que
corresponde a la suma de la fuerza centriacutefuga de la rotacioacuten maacutes la cineacutetica
comunicada al fluido por las aletas La parte moacutevil de la bomba es el rodete Las
aletas del rodete se extienden desde el centro de rotacioacuten hacia la periferia y las
bridas son los discos de refuerzo a cada lado de las aletas que las envuelven Las
aletas pueden ser radiales curvadas ligeramente hacia delante en el mismo sentido
de la rotacioacuten o estar curvadas al reveacutes en el caso maacutes comuacuten en el disentildeo se
determino el rodete siguiente por sus caracteriacutesticas Fig 1
Figura 1 Corte parcial de un rodete de centriacutefuga para grandes cargas y secciones
de paso estrechas empleando con liacutequidos corrosivos o suspensiones de pequentildeas
partiacuteculas[4]
Ingenieriacutea Quiacutemica 59
UAM-I
APENDICE D CALCULO DE POTENCIA DE BOMBAS (8)
Potencia de la bomba de la cisterna 1 que alimenta a los mezclador 4
Ecuacioacuten de Bernoulli
sum sumint =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛+++∆+∆i i
i
P
P
evvfDLvwdphgv 0
21
21
ˆ1
21 222
2
1ρ
a b c d e f
a Diferencia de velocidades
b Diferencia de alturas
c Diferencia de presiones
d Trabajo
e Perdidas de friccioacuten en tuberiacuteas
f Perdidas de friccioacuten en accesorios
En la ecuacioacuten anterior se pueden eliminar algunos teacuterminos
21 mts
6 mts 35 mts
Figura 1 Balance de cisterna 1 a mezclador 4
Se debe de tener dos puntos de referencia para la utilizacioacuten de la ecuacioacuten de
Bernoulli de los cuales se anotaron en la figura 2
Ingenieriacutea Quiacutemica 60
UAM-I
21 mts
2 1 6 mts 35 mts
Figura 2
Teniendo los puntos de referencia se analiza que las diferencias de velocidades son
cero en ambos puntos por lo tanto el termino 2
21 ν∆ es igual a cero
El termino de = (981hg∆ 2segm )(35m ndash 0) = 34335 2
2
segm
El termino de int2
1
1P
P
dpρ
se tiene que la cisterna y el tanque de mezclado ambos no
estaacuten cerrados y por lo tanto no originan un cambio de presioacuten y el termino es cero
De esta expresioacuten L longitud de tuberiacutea
tro de tuberiacutea
n el interior del tubo
v
Para la l radio del tubo que
sum ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
i
fDL2
21 ν
D diaacuteme
f perdidas de friccioacuten e
velocidad del flujo de agua
obtencioacuten de la velocidad se tiene el flujo volumeacutetrico y e
es de 32 cm =0032mts con la ecuacioacuten
Ingenieriacutea Quiacutemica 61
( )( ) sm
ms
m
RQ 761
032060min1)
min340(
2
3
2 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
==ππ
ν
UAM-I
Se reportan valores de perdida de fr
e reduce teacuterminos
iccioacuten en tubos que son igual a 005
Por lo tanto sustituyendo los teacuterminos en la ecuacioacuten de Bernoulli s
sum sumint =⎟⎠
⎜⎝
+⎟⎠
⎜⎝
+++∆+∆i i
iP
evvfD
vwdphgv 022
ˆ2
1ρ
⎞⎛⎞⎛ L 111 2222
or tanto el termino de trabajo queda expresado de la siguiente manera
tanto la bomba comunica al fluido que circula en el sistema un trabajo
+11727
P1
p w
sum sum ∆minus⎟⎠⎞
⎜⎝⎛minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛minus=
i ii
hgevvfDLvw 22
21
21
ˆ
( ) ( )
Este es el trabajo ( por unidad de masa) producido por el fluido en la bomba por lo
22
sm o 11727 981 = 1195
m
fKg
Kgm
La velocidad de flujo de masa es
Por lo tanto
1 )=6694
951)(675(ˆ =minus=minus WwW smkg f = 088Hp = 1Hp
Siendo esta ida para esta bomba El procedimiento anterior se
iguioacute para cada bomba de la planta
AP E
la potencia requer
s
EacuteNDICE
TOXICOLOGIacuteA DE MATERIAS PRIMAS [6]
( ) ( ) ( )( ) ( )( )msm
smmmm
sm 538192201150761
21050
032021536761
21
2
22minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ +minus⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ++
minus=wm
22
27117ˆ smw minus=
( )s
kgmkgQw m675100060340 3 === ρ
Ingenieriacutea Quiacutemica 62
UAM-I
HIDROacuteXIDO DE SODIO
Polvo corrosivo blanco delicuescente
Toxicidad
Concentracioacuten Maacutexima permisible 2mgm3 en aire
Signos y Siacutentomas Conjutivitis quemaduras corneales y de la piel Irritacioacuten
seas vomito dolor abdominal y diarrea a veces con
Lavado de las partes afectadas tranquilizantes sulfato de
decuada gafas protectoras o pantallas para
ignos y Siacutentomas Irritacioacuten de ojos quemaduras corneables tos dolores
l hemoptisis dolor de cabeza dolor epigaacutestrico nauseas y vomito
lmonar
Tratamiento lavado de ojos con agua reposo oxigeno con aparato de respiracioacuten
con onantes
ACIDO NITRICO
Liquido corrosivo sofocante de incoloro a amarillento
ioacuten maacutexima permisible 10ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
del tracto respiratorio nau
sangre
Tratamiento
morfina para el dolor y cortisona
Medidas preventivas Ventilacioacuten a
la cara completa mascarilla con filtro mecaacutenico guantes delantares botas de
goma y acentuar la limpieza personal
CLORO
Gas pasado amarillo verdoso
Toxicidad
Conc Maacutexima permisible 1 ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten
S
retrosterna
debilidad cianosis y edema pu
trolada bronco dilatadores y descongesti
Toxicidad
Concentrac
Ingenieriacutea Quiacutemica 63
UAM-I
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
Signos y siacutentomas Erosioacuten dental estornudo tos Dolor en el pecho bronquitis y
la las partes contaminadas del cuerpo con solucioacuten al 5 de
de las quemaduras con pantildeos
de triacuteo sulfato soacutelido si se a ingerido
vado de ojos con agua
ACIDO CLORIDRICO
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
ivitis necrosis corneal por inhalacioacuten rinitis erosioacuten
dolor de cabeza palpitacioacuten por ingestioacuten
s en la boca faringe esoacutefago estomago salivacioacuten vomito Soc
agua lavada de agua y jaboacuten de las partes
preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
AacuteC
El c
con o de hidroacutegeno una
concentracioacuten de 12 molLt Este aacutecido es un liacutequido incoloro con un olor aacutecido
bronconeumoniacutea
Tratamiento
bicarbonato soacutelido o con agua y jaboacuten Tratamiento
mojados con solucioacuten saturada
administracioacuten por viacutea oral de solucioacuten de jaboacuten Hidroacutexido caacutelcico o alumiacutenico u
oacutexido de magnesio
Medidas preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores excluir de la exposicioacuten
a los individuos con enfermedades de pulmones y rintildeones
Gas incoloro o liacutequido o a amarillento
Toxicidad
Concentracioacuten maacutexima permisible 5ppm en aire
Signos y siacutentomas conjunt
dental laringitis bronquitis neumoniacutea
quemadura
nefritis
Tratamiento lavado de ojos con
contaminantes del cuerpo tratamiento ordinario de quemaduras lavado gaacutestrico
se a ingerido con solucioacuten de bicarbonato soacutedico al 5 seguido de una instilacioacuten
de gel de hidroacutexido de aluminio
Medidas
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores
IDO CLORHIacuteDRICO
loruro de hidroacutegeno es en extremo soluble en agua de hecho el aacutecido clorhiacutedrico
centrado contiene cerca del 38 en masa de clorur
Ingenieriacutea Quiacutemica 64
UAM-I
pronunciado que se debe al equilibrio entre el cloruro de hidroacutegeno gaseoso y
ste con el aacutecido fluorhiacutedrico el aacutecido clorhiacutedrico es un aacutecido fuerte (pKa = -
7) y se ioniza casi totalmente
gar de aacutecido sulfuacuterico auque en menor grado Por
jemplo el zinc metaacutelico reacciona con aacutecido clorhiacutedrico para dar el ion zinc e
hidroacutegeno gaseoso
Zn(s) + 2HCl(ac) ZnCl2(ac) + H2(g)
l para producir aacutecido clorhiacutedrico en el laboratorio es generar
cloruro de hidroacutegen e sodio y el aacutecido
ulfuacuterico En el primer paso a 150degC se forma hidroacutegeno sulfato de sodio
NaHSO4(s) + HCl(g)
io y maacutes
loruro de hidroacutegeno gaseoso Luego el gas se disuelve en agua para formar el
aacutecido
NaHSO4(s) + NaCl(s) Na2SO4(s) + HCl(g)
acuoso
HCl(ac) HCl(g)
El reactivo de grado teacutecnico a menudo tiene un color amarillento por una impureza
del ion hierro (III)
En contra
HCl(ac) + H2O(l) H2O+(ac) + Cl -(ac)
Por ello a menudo se prefiere usar aacutecido clorhiacutedrico diluido en lugar de aacutecido niacutetrico
que es muy oxidante y en lu
e
Cuando el zinc reacciona con el aacutecido niacutetrico es comuacuten que se reduzca una parte
del ion nitrato para dar dioacutexido de nitroacutegeno
El meacutetodo tradiciona
o gaseoso por la reaccioacuten entre el cloruro d
s
NaCl(s) + H2SO4(l)
La mezcla se calienta a 550degC temperatura a la cual el hidroacutegeno sulfato de sodio
reacciona con un exceso de cloruro de sodio para formar sulfato de sod
c
∆
Este meacutetodo se usa tambieacuten en la industria otra forma de producir cloruro de
hidroacutegeno es por la combinacioacuten directa de dicloro y dihidroacutegenogaseosos
Ingenieriacutea Quiacutemica 65
UAM-I
H2(g) + Cl2(g) 2HCl(g)
La mayor cantidad de cloruro de hidroacutegeno que se produce actualmente es un
CH4(g) + 4Cl2(g) 4(l) + 4HCl(g)
riacuten de superficies de acero en un bantildeo aacutecido en la purificacioacuten de glucosa
y jarabe de maiacutez e s y de gas y en la
bricacioacuten de compuestos clorados El aacutecido se puedo comprar en muchas
nducida por la luz
4HNO3(ac) 4NO2(g) + O2(g) + 2H2O(l)
niacutetrico como disolvente)
H2NO3+ H2O + NO2
+
l siguiente
3HNO NO3 ndash
subproducto de otros procesos industriales como la siacutentesis de tetracloruro de
carbono
CCl
Se consumen cerca de 107 toneladas de aacutecido clorhiacutedrico cada antildeo en todo el
mundo Este aacutecido tiene una gama muy amplia de usos como aacutecido comuacuten para
eliminar o
n el tratamiento con aacutecido de pozos petrolero
fa
ferreteriacuteas con el arcaico nombre de aacutecido muriaacutetico sus principales usos caseros
son la limpieza de superficies de concreto y la eliminacioacuten de herrumbre Un nuacutemero
muy reducido de personas es incapaz de sintetizar suficiente jugo gaacutestrico y deben
de ingerir caacutepsulas de aacutecido clorhiacutedrico diluido con cada comida
AacuteCIDO NIacuteTRICO
El aacutecido niacutetrico un liacutequido aceitoso e incoloro en estado puro es sumamente
peligroso El aacutecido que funde a ndash42degC y hierve a +83degC tiene por lo general un
ligero color amarillo a causa de una reaccioacuten de descomposicioacuten i
En un estado puro el aacutecido niacutetrico liacutequido praacutecticamente no conduce la electricidad
Una pequentildea porcioacuten se ioniza como sigue (todas estas especies existen en el aacutecido
2HNO3(l) H2NO3+ + NO3
ndash
H2O + HNO3 H3O+ + NO3 ndash
Para dar la reaccioacuten globa
3 NO2+ + H3O + 2+
Ingenieriacutea Quiacutemica 66
UAM-I
El catioacuten nitrilo es importante en la nitracioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas por ejemplo la
obenceno C6H5NO2 una etapa importante en
umerosos procesos industriales orgaacutenicos
El aacutecido niacutetrico con en agua mientras
ue el ldquoaacutecido niacutetrico fumanterdquo un oxidante extremadamente poderoso es una
vez de ello se produce una mezcla de
sistema que da un orden de
vista industrial el
oceso
e lleva a cabo en tres etapas Primero se hace pasar una mezcla de amoniaco y de
dioxiacutegeno (o aire) un proceso muy
ficiente y exoteacutermico que hace que la malla se ponga al rojo Esta etapa se verifica
conversioacuten de benceno C6H6 en nitr
n
centrado es en realidad una solucioacuten al 70
q
solucioacuten roja de dioacutexido de nitroacutegeno en aacutecido niacutetrico puro Incluso cuando esta
diluido el aacutecido niacutetrico es un oxidante tan fuerte que rara vez desprende hidroacutegeno
cuando se pone en contacto con metales en
oacutexidos de nitroacutegeno y el metal se oxido a su catioacuten
Los enlaces O-N son mucho maacutes cortos (121 pm) que el enlace O-N unidos al aacutetomo
de hidroacutegeno (141 pm) Esta longitud de enlaces indica que hay enlaces muacuteltiples
entre el nitroacutegeno y los dos aacutetomos de oxiacutegeno terminales Ademas de los electrones
del sistema σ hay cuatro electrones que participan en el sistema π O-N-O dos de un
orbital enlazante y dos en un orbital no enlazante
enlace de 112 para cada uno de esos enlaces nitroacutegeno- oxiacutegeno
A veces se nos olvida hasta queacute punto nuestra experiencia depende de la
termodinaacutemica y la cineacutetica Por ejemplo la primera siacutentesis industrial de aacutecido
niacutetrico se llevaba ha cabo por simple combinacioacuten de diniacutetrogeno dioxiacutegeno y agua
utilizando un horno de arco eleacutectrico a fin de proporcionar la energiacutea necesaria par
superar la muy elevada barrera cineacutetica Aunque desde el punto de
factor cineacutetico constituiacutea un problema en realidad es una bendicioacuten por que sin esta
barrera cineacutetica hace mucho tiempo que todo el dioacutexido de la atmoacutesfera se abriacutea
transformado en aacutecido niacutetrico y nuestros mares serian de aacutecido niacutetrico diluido
frac12 N2(g) + 54O2(g) + 12H2O(g) HNO3(g)
Ahora se utiliza el proceso Ostwald para la siacutentesis de aacutecido niacutetrico Este proceso
consume gran parte del amoniaco que se produce por el proceso Haber El pr
s
a traveacutes de una malla de platino metaacutelico Eacuteste es
e
a baja presioacuten para aprovechar el efecto entropico es decir la formacioacuten de 10
moles de gas a partir de 9 moles de gas (una aplicacioacuten del principio de Le Chatelier)
para desplazar el equilibrio a la derecha
Ingenieriacutea Quiacutemica 67
UAM-I
4NH3(g) + 5O2(g) 4NO(g) + 6H2O(g)
Se agrega maacutes oxiacutegeno para oxidar el monoacutexido de nitroacutegeno a dioacutexido de nitroacutegeno
A fin de mejorar el rendimiento de esta reaccioacuten exoteacutermica se extrae calor de los
ases y la mezcla se somete a presioacuten
2HNO3(l) + NO(g)
Esta reaccioacuten tambieacuten es exoteacutermica y una vez maacutes se aplica enfriamiento y alta
la
egunda etapa para oxidarlo de nuevo
La contaminacioacuten s de aacutecido niacutetrico
as plantas maacutes antiguas eran faacutecilmente identificables por la fumarola cafeacute-
antas maacutes antiguas ahora mezcla cantidades
en Estados Unidos porque un 20
dedica ala produccioacuten de explosivos
or ultimo el aacutecido niacutetrico es un liacutequido que hierve a 826degC No existe como liacutequido
g
2NO(g) + O2(g) 2NO2(g)
El dioacutexido de nitroacutegeno se mezcla con agua para dar una solucioacuten de aacutecido niacutetrico
3NO2(g) + H2O(l)
presioacuten par obtener el maacuteximo rendimiento El monoacutexido de nitroacutegeno se vuelve a
s
soliacutea ser un problema importante de las planta
L
amarillento del dioacutexido de nitroacutegeno que escapaba por ellas Las plantas maacutes
antiguas eran faacutecilmente identificable por la fumadora cafeacute-amarillo del dioacutexido de
nitroacutegeno que escapaba de ellas Las pl
estequiomeacutetricas de amoniaco con las oacutexidos de nitroacutegeno con lo cual se obtiene
dinitroacutegeno y vapor de agua ambos inocuos
NO(g) + NO2 (g) + 2NH3(g) 2N2(g) + 3H2O(g)
En todo el mundo alrededor del 80 del aacutecido niacutetrico se utiliza en la produccioacuten de
fertilizantes Esta proporcioacuten es de solo el 65
se
P
puro porque en alguna medida se descompone espontaacuteneamente como sigue
4HNO3(l) 4NO2(g) + 2H2O(l) + O2(g)
Ingenieriacutea Quiacutemica 68
UAM-I
El aacutecido niacutetrico concentrado que se usa en el laboratorio estaacute al 68 en masa HNO3
(densidad 142 gcm3) lo que corresponde a 157 M
l aacutecido niacutetrico es un poderoso agente oxidante El nuacutemero de oxidacioacuten del N en el
) El aacutecido niacutetrico puede oxidar
nto a metales que estaacuten abajo del hidroacutegeno como aquellos que se encuentran
4Zn2+(ac) + NH4
+(ac) + 3H2O(l)
do no oxida al oro Sin embargo cuando se mezcla con
cido clorhiacutedrico concentrado en relacioacuten 13 en volumen (una parte de HNO3 a tres
partes al oro
omo sigue
APEacuteNDICE F
ETODO DE DEPOSICIOacuteN-PRECIPITACIOacuteN
E
HNO3 es + 5 Los productos maacutes comunes de la reduccioacuten del aacutecido niacutetrico son el
NO2 (N = + 4) el NO (N = + 2) y el NH4+ (N = - 3
ta
arriba en la serie de actividades Por ejemplo el cobre es oxidado por el aacutecido niacutetrico
concentrado como se mencionoacute antes
En presencia de reductores fuertes como el zinc metaacutelico el aacutecido niacutetrico se puede
reducir hasta ion amonio
4Zn(s) + 10H+(ac) + NO3
-(ac)
El aacutecido niacutetrico concentra
aacute
de HCl) la disolucioacuten resultante denominada agua regia puede oxidar
c
Au(s) + 3HNO3(ac) + 4HCl(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O(l) + 3NO2(g)
M
Ingenieriacutea Quiacutemica 69
UAM-I
APEacuteNDICE G
ISENtildeO DEL MEZCLADOR [4]
1) 100 ml H2O gr soporte
2) NH4(OH)
Ajustar a PH = 9 4) HAuCl4 (solucioacuten acuosa al 25E-3M)
6) Filtrado o centrifugado
3) En Agitacioacuten por 2 hr
8) Secado por 2hr a 80 degC
9 ) Calcinado por 4hr a 400 degC
7) Lavado
5) Antildeegamiento por 30 min
D
Ingenieriacutea Quiacutemica 70
UAM-I
El disentildeo de un tanque agitado dis n nuacutemero de elecciones sobre el
po y localizacioacuten del agitador las proporciones del tanque el nuacutemero y dimensiones
ada una de estas decisiones afectan a la velocidad
e circulacioacuten del liacutequido los modelos de velocidad y el consumo de potencia Como
pone de un gra
ti
de las placas deflectoras etc C
d
punto de partida en el disentildeo de los problemas ordinarios de agitacioacuten generalmente
se utiliza un agitador de turbina del tipo que se muestra en la figura 1 La proporcioacuten
tiacutepica es
31
=t
a
DD
1=tD
H 121
=tD
J 51
=aD
W 41
=aD
L
de estas ecuaciones se disentildeara el mezclador como datos se tiene el valor H que es
igual a 3 mts y el diaacutemetro del tanque D
Se determinara la medida de los reflectores
t que es igual 3 mts
121
=tD
J se despeja J
elacioacuten R31
=t
a
DD
se despeja Da
Relacioacuten
41
=aD
L se despeja L
elacioacuten se despeja W
( ) ( ) cmmtsmtsDJ 25250311==⎟
⎞⎜⎛=⎟
⎞⎜⎛= t 1212 ⎠⎝⎠⎝
( ) ( ) mtsmtsDD ta 1331
31
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=
( ) ( ) mtsmtsDL a 250141
41
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛= cm25=
51
=aD
WR
Ingenieriacutea Quiacutemica 71
UAM-I
Figura 2 a) Vista transversal del mezclador b) paletas del mezclador con la
donde se deposita el soporte
Figura 1 Medidas de un agitador de turbina
a) b)
s rejillas
H
J
E L
Da
D t
W
W
( ) ( ) cmmtsmtsDW a 2020151
5==⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎜⎝
=1 ⎞⎛
Ingenieriacutea Quiacutemica 72
UAM-I
PERSONAL REQUERIDO PARA LA INDUSTRIA
La Tabla 3 establece los salarios mensuales anuales y las prestaciones del IMSS
para el personal de la planta
Tabla 3 Salarios y Prestaciones del Personal
Mano de Obra (USDmes)p
ersona
USDmes USDantildeo Prestaciones
IMSS
1 Gerente 2000 2000 24000
1 Administrador 1000 1000 12000
1 Secretaria 400 400 4800 1193
Total de Salarios
Administrativos
40800 1193 409193
9 Obrero 150 150 1800 448
1 Teacutecnico 200 200 2400 597
1 Policiacutea 200 200 2400 597
1 Mantenimiento 180 180 2160 538
1 Limpieza 150 150 1800 448
Total de Salarios
Proceso
10560 2628 108228
Los salarios se determinaron en base al salario miacutenimo vigente en la Ciudad de
Meacutexico (2003)[29]
Ingenieriacutea Quiacutemica 39
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PERSONAL
Departamento de produccioacuten
Se tendraacute 2 obreros en el llenado de soporte en las rejillas un obrero encargado del
traslado de rejillas por medio de la banda de los motores a cada contenedor un
obrero en cada contenedor de NH4OH y HAuCl4 en cada mezclador se tiene 1
obrero para descargar y cargar las rejillas a la banda que se trasladaran al horno en
el horno se tiene 1 obrero encargado del secado y calcinado el producto se traslada
al almaceacuten donde estaraacuten 2 obreros que reciben el producto y materias primas de los
proveedores se tiene 1 teacutecnico supervisando los equipos un encargo del
mantenimiento de los equipos
Departamento de personal
Gerente de la industria un administrador encargado de compra y venta de materias
primas una secretaria
Ingenieriacutea Quiacutemica 40
UAM-I
CAPITAL FIJO
La Tabla 4 muestra el costo de los equipos requeridos en la planta asiacute como el
Capital Fijo y la Inversioacuten del Capital Total
Tabla 4 El equipo se costeo usando las correlaciones de Ulrich [6] y empleando el
programa de Capcost
EQUIPO USD
4 Contenedores 23584
4 Agitadores (456kW) 269760
1 Horno (25 kW) 15700
15 Bombas (1469kW) 43081
1 Motor (114 kW) 67440
Tuberiacuteas 42150
2 Cisternas 174183
Vaacutelvulas 1283
Accesorios
(codos 90ordm y de 45ordm te)
1474
CAPITAL FIJO 638655
Capital de Trabajo 9579825
INVERSIOacuteN DE
CAPITAL TOTAL
73445325
Los caacutelculos y las correlaciones empleadas para el costeo del equipo se anexan en
el Apeacutendice A
Ingenieriacutea Quiacutemica 41
UAM-I
GASTOS GENERALES
Tabla 5 Proporciona el total de gastos anuales con lo cual se estima el precio por
kilo de catalizador y por unidad purificadora
Tabla 5 Gastos Generales anuales
USDAntildeo
Materias Primas 531697680
Mano de Obra de Operacioacuten 1082280
Mano de Obra de Oficina 4091930
Servicios Electricidad 2620100
Total de Gastos Generales 539491990
CFE
Produccioacuten diaria de Catalizador = 574 Kg
Precio de Catalizador = 40 USDKg
Produccioacuten diaria de unidades purificadoras = 500
Precio por unidad = 50USD
Ganancia diaria = 22960 USD
Ganancia Anual = 5510400 USD
DETERMINACIOacuteN DE LA RENTABILIDAD DEL PROYECTO
TPI (Actual) = 10
PR (Factor de riesgo) = 25
TREMA = TPI + PR
TREMA = 35
TIR (del proyecto) = 90
TIR gt TREMA
Puesto que la TIR es mayor que la TREMA se tiene que el proyecto es rentable [6]
Ingenieriacutea Quiacutemica 42
UAM-I
310 CONCLUSIONES
En el desarrollo de la industria para la fabricacioacuten de catalizadores se tuvo un
resultado satisfactorio a pesar de la falta de informacioacuten disponible acerca de
industrias de catalizadores debido a que esta informacioacuten no es publica El proyecto
que elaboramos es novedoso en nuestro paiacutes ya que no existen registros de una
industria que produzca catalizadores de oro soportados en aluacutemina
Durante el desarrollo del proyecto se planteoacute trabajar con compuestos como NOx y
COVS sin embargo debido a la falta de tiempo no se logroacute concluir la
experimentacioacuten en estos campos Debido a esto se tomoacute la decisioacuten de trabajar en
la oxidacioacuten cataliacutetica de CO Esto debido a varios factores por ejemplo la
disponibilidad de gases y sobre todo los costos que esto implicaba
Para el desarrollo del catalizador se analizaron diferentes tipos de preparacioacuten y se
eligieron dos meacutetodos diferentes Deposicioacuten-precipitacioacuten e Impregnacioacuten Los
catalizadores se evaluaron bajo diversas condiciones en la oxidacioacuten de CO El
catalizador que presentoacute mayor conversioacuten con el catalizador a baja temperatura fue
el sintetizado por el meacutetodo de Deposicioacuten-precipitacioacuten el cual se utilizoacute para el
disentildeo de la Industria El disentildeo estaacute basado en la forma de preparacioacuten del
catalizador Por esto la parte maacutes importante de la planta es el tanque de mezclado
el cual se disentildeo tomando en cuenta los diferentes disentildeos de agitadores para tener
un mezclado oacuteptimo Se incorporo en la parte superior del agitador las canastillas
para las pastillas cataliacuteticas y el tipo de Horno que se usara para el secado y
posteriormente el calcinado Una parte importante es la produccioacuten de catalizador
para este problema se investigoacute en que parte se podriacutea utilizar a diferencia de los
catalizadores para automoacuteviles Se llego a la decisioacuten de poder desarrollar un
catalizador para los calentadores de agua se obtuvo informacioacuten de la fabrica de
calentadores cal-o-rex en la produccioacuten diaria de calentadores y de esta informacioacuten
se pudo calcular la posible demanda de nuestro producto Una parte importante en
las industrias son el tipo de bombas ya que existen diversos modelos en nuestro
disentildeo se escogioacute las bombas centriacutefugas con rodetes para agua que contiene
pequentildeas partiacuteculas de soacutelidos
En la parte de servicios para personal se investigo los sueldos de cada empleado Se
determinoacute el costo de los equipos y finalmente llegamos a la parte que nos interesa
Ingenieriacutea Quiacutemica 43
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del disentilde es decir si el proyecto es rentable o no En este caso particular se tuvo un
valor aceptable y se definioacute que el disentildeo es rentable Esto indica que seria una
industria que tendriacutea ganancias y a la vez que el producto que se fabrique nos
ayudaraacute a todos a reducir la emisioacuten de CO en los hogares aportando una pequentildea
ayuda al medio ambiente
COMENTARIOS
Los conocimientos adquiridos durante este tiempo fueron provechosos en la parte
teoacuterica y praacutectica aclaramos dudas de como y porque se comportan las reacciones
quiacutemicas y los procesos de flujos Durante el desarrollo del proyecto aprendimos a
observar y la importancia de entender fiacutesicamente las algunos procesos relacionados
con la siacutentesis y caracterizacioacuten de materiales cataliacuteticos
Ingenieriacutea Quiacutemica 44
UAM-I
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Ingenieriacutea Quiacutemica 46
UAM-I
APEacuteNDICE A
CRITERIOS PARA DETERMINAR QUIEacuteN CONTROLA EL PROCESO
Criterio de weisz para difusioacuten interna
Ec(12-16 Fogler) Los valores que se sustituyen en las siguientes ecuaciones fueron
tomados del catalizador que se analizo en el laboratorio
CWP = ( )
AS
cObsA
DeCRcr 2minus
lt 1
-rA(Obs) = velocidad de reaccioacuten observada molgcats Cc = concentracioacuten volumeacutetrica molm3
CAS = concertacioacuten en la superficie molm3
D= diaacutemetro del granulo m R = radio del granulo m De = difusividad efectiva m2s
d = 0149mm mxmm
m 4104911000
1 minus=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
CWP = ( )( )3
32
24
33
103470184200350
21049150800010681
minus
minusminus
=⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞⎜
⎝⎛
x
mmol
hrm
mxcatm
gcathgcat
molx
734x10-3 lt 1 No hay limitante por la difusioacuten interna
Ingenieriacutea Quiacutemica 47
UAM-I
Criterio de mears para difusioacuten interna Ec(12-62 Fogler)
Mm = 150ltAbc
bA
CkRnr ρminus
Mm =( )( )
0570
136000184200220
31110457508000106851
3
53
3
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ minusminus
hrs
mmol
sm
mxcatmgcat
hgcatmolx
0057 lt 015 no hay efecto de transferencia de masa externa Calculo de Dab para calcular el coeficiente de trasferencia de masa Ec(78 Lobo)
De =
KAAB DD11
1
+
DKA = 970X103 (80X10-8)(s
cmK 221 1090)
2400( =
DAB = 00018583ABAB
BA
PMMT
Ω
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ +
2
2123 11
γ
Para CO
0110=isin
Bk 0593 A=γ
Para O2
Ingenieriacutea Quiacutemica 48
UAM-I
0113=isin
Bk 0453 A=γ
( ) 51343359321
=+=ABγ
( )( )[ ] 21113110BAB k=isin A la temperatura de 400degK
( ) 583))113)(110((
40021 =
deg=
isin B
B
AB
B
KKKTK
Ω AB = 0907 Sustituyendo
DAB =s
cm2
2
2123
9730)9070()513(
)21281()400(00185830=
+
De = hrm
hrs
cmm
scm 222
03501
3600100
10980
10901
97301
1=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
+
Calculo de Kc Sh = (Re)12(Sc)13
Velocidad superficial
V = sm
shr
hrm
mxhr
m
Av
c
02036001976
1087
006025
3
0 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛== minus
Ingenieriacutea Quiacutemica 49
UAM-I
Re= ( ) 240)1062)(501(
)10491)(020(
1 25
4
=minus
=minus minus
minus
smx
mxsmvd p
νφ
Sc= 672)3600
1)(0350(
10622
25
==minus
shr
hrm
smx
Dv
AB
Sh= ( 024 )12 ( 267 )13 = 0679
Kc = Shdp
DAB⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛minusφ
φ1
Kc = ( )sm
mxs
mx02206790
10491
10729
50501
4
26
=⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛minus
minus
minus
Calculo de numero Thile con el radio que usara a nivel industrial
φ = L ( )DkCn n
AS
21 1minus+
L = 3R
Sustituyendo
φ = 66x10-4 m( )
( )
450
03502
018420
5480941311
3
30
3330
313
=
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+
catmhrm
mmol
hrcatmmolm
η = 1 con los resultados anteriores se observa que quieacuten limita es la velocidad de
reaccioacuten Por lo que se procede a calcular el peso y longitud de catalizador
necesaria para muestro purificador sustituyendo los valores del Boiler
Ingenieriacutea Quiacutemica 50
UAM-I
Peso del Catalizador w =
( ) grcatgcatLn
gcatm
mmol
hrcatmmolm
hrm
xLn
kCv
A
66476639401
1
6000001578
548094
19836
11
330
3330
313
3
0
0 asymp=minus
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
minus
g 664=w
33
3
1011
mg60000
g 664 mxwv minus===ρ
m 035003101011
2
33
==minus
mmxL
cm 531000350 == xL
Ingenieriacutea Quiacutemica 51
UAM-I
APEacuteNDICE B BALANCE DE MASA DE LA PREPARACIOacuteN DE HAUCL4 Au(g) + 3HNO3(ac) + 4HCL(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O + 3N02(g) (152 M) (105M)
cantidad de mol Au = 05 kg Au x molAu
grAumolAux
kggr 542
971961
11000
=
cantidad de kg HNO3 = ( ) 33
33 480
10001
1635423 kgHNO
grkgx
molHNOGRHNOxHNOmol =
cantidad de kgHCl = ( ) kgHClgr
kgxmolHCl
grHClHClxmol 3701000
11
5365424 =
cantidad de kgHAuCl4 = 254molHAuCl4 x 44
8601000
11
97339 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
gr=
cantidad de kgH2O = 3( 254mol)H20 x OkgHgr
kgxOmolHOgrH
22
2 1401000
1118
=
cantidad de Lt H20 = 762molHNO3 x OltHOkgHOLtH
22
2 14011
=
cantidad de Lt H20 = 1016 mol HNO3 x 050215
012
2 LtHmol
LtH=
cantidad de LtH20 = 1016mol HCl x OLtHLtHmolHCl
LtH22
2 010970510
01asymp=
cantidad de MHAUCl4 = ( ) ( ) ( ) MHltltlt
ClmolHAU 7210850490140
542
2
4 asymp++
cantidad de kg NO2(g) = 3( 254mol)NO2 x )(22
2 3501000
1146
SkgNOgr
kgxmolNO
grNO=
Ingenieriacutea Quiacutemica 52
UAM-I
05 kg Au 048 kgHNO3 035 kgNO2 101021 kgH20 (152M) 037 kgHCl(ac)
(105 m) 086 kg HAuCl4 (ac) 086 kg HAuCl4 (ac)
(17 M) 014 kgH20 (25x10-3M) 014kg H20 (L) 086kg HAuCl4 035kgNO2 (g) 101185kg H20 Cantidad de H20 = 086 kgHAuCl4
x 08510110101
105201
173341
11000
22
23
24 kgHLtHkgHx
MxltHx
grmolHAuClx
kggr
=minus
pero (101185 ndash 014 ndash 05 ndash 1) kg H20 = 101021 kg H20 100ml H20 por 1 gr soporte 35kg NH4 (OH)(AC) 10000kgH20 100 kg γAl203 (9965) 035kgAu (035) 100kg γAl203 025kgCl2 086kg HAuCl4 026kgHAuCl4
101185 kg H20 35kgNH4 (OH)(AC) 1101185kgH20 cantidad de kgHAuCl4 = 015kgAu x
44
4 2601000
11
973391
197196
147196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxgrAu
molxkg
gr=
cantidad de NH4(OH) = 100kg γ Al203 x
Ingenieriacutea Quiacutemica 53
UAM-I
kgNHxmol
grx
mlmol
xOAlgr
OHmlNHx
kg
gr53
10001
1
35
100010
1
)(10
1
1000
32
4=
γ4(OH)
30kg γAL2O3 1 kgNH4(OH)(AC) 30 kg γ Al203 (9965) 010 kg Au (035) 026kgHAuCl4 007kg Cl2 35kgNH4(OH) 1101185 kgH2O 0086kgHAuCl4 45 kg NH4(OH)(AC) 1101185 kg H20
cantidad de γ Al2O3 = 026kgHAuCl4 x 324
32 02330860
100 AlkgkgHAuCl
OAlkg γγ=
cantidad de kgAu = 035 x kgAukg 10506599
30=
cantidad de kg Cl2 = 01 kgAu x
22
2 07201000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de HAuCl4 = 005kgAu x
44
4 08601000
11
973391
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 54
UAM-I
cantidad de kgNO4(OH) = 30 kg γ Al203 x ( )OHkgNHAlkg
OHkgNO4
32
4 0510100
)(53=
γ
105 kg γ Al203 035 kg NH2(OH) 105 kg γ Al203 (9965) 004 kg Au (035) 009kg HAuCl4 003 kg Cl2 45kgNH4(OH) 1101185 kg H20 0017kgHAuCl4 485kgNH4 (OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 009 HAuCl4 x 324
32 04710860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad kg de NH4 (OH) = 105kg γ Al203 x ( ) )(3500100
534
32
4 OHkgNHAlkg
OHkgNH=
γ
cantidad de Cl2 = 004 kg Au x
22
2 02901000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
gAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 =
44
44 02001701000
11
973391
197196
11
1000010 kgHAukgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgr
molAuxkg
grkgAux asymp=
Ingenieriacutea Quiacutemica 55
UAM-I
23 kg γ Al203 008kgNH4(OH) 002 kg HAuCl4 23 kg γAl203 (9965) 485kgNH4(OH) 0008kgAu(035) 1101185kg H2 0001kg Cl2
0014 kg HAuCl4 493kgNH4(OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 002kgHAuCl4 x 324
32 032860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad de kg Au = 035 x kgAukg 00806599
32=
cantidad de kgCl2 = 0002kgAu x
24
4 00101000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 = 0008kgAu x
44
44 01401000
11
973341
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 56
UAM-I
APEacuteNDICE C ACCESORIOS EN EL DISENtildeO
Agitador
Agitadores de Heacutelice se escogioacute este tipo de agitador por ser tener las siguientes
caracteriacutesticas [3]
bull Es un agitador de flujo axial
bull Se emplea para liacutequidos pocos viscosos
bull Giran a toda la velocidad del motor
bull Las corrientes de flujo se mueven a traveacutes del liacutequido en una direccioacuten
determinada hasta que son desviadas por el fondo o las paredes del tanque
bull Las palas de la heacutelice cortan o friccionan vigorosamente el liacutequido
bull Los agitadores de heacutelice son eficaces para tanques de gran tamantildeo
Horno
bull El horno se escogioacute por ser tener las siguientes caracteriacutesticas [5]
bull El horno de construccioacuten metaacutelica
bull La caacutemara de combustioacuten estaacute construida mediante hormigones refractarios
de alta resistencia mecaacutenica
bull Las materias secar y calcinar se carga de forma manual
Ingenieriacutea Quiacutemica 57
UAM-I
Bomba
DISENtildeO Bomba centrifuga para operacioacuten horizontal o vertical del impulsor
cerrado succioacuten al extremo descarga hacia arriba tangencial simple succioacuten de un
paso con carcaza partida verticalmente [3]
ROTACIOacuteN En el sentido del reloj vista desde el cople
CARACTERIacuteSTICAS Conexiones brindadas con registro ubicado en la cabeza de
succioacuten para facilitar su limpieza
SERVICIO Debido a que es posible colocarla en posicioacuten horizontal o vertical tanto
en caacutercamos secos como huacutemedos y por el disentildeo de su impulsor que soacutelidos de
gran tamantildeo esta bomba es ideal para los procesos de tratamientos de agua y
manejo de liacutequidos en suspensioacuten en general
CAPACIDADES
GASTO Hasta 3000 GPM
CDT Hasta 80rsquo
PRESIOacuteN 106 Kgcmsup2
POTENCIA De 1 a 60 Hp
VELOCIDAD (1175 - 3550 RPM)
TEMPERATURA 125degC
Ingenieriacutea Quiacutemica 58
UAM-I
Bombas Centriacutefugas
Las maquinas centriacutefugas estaacuten constituidas por un impulsor o rodete formado por
una serie de aletas radiales diversas formas y curvaturas que giran dentro de una
caja circular El fluido penetra por el ojo o eje de rotacioacuten y se descarga maacutes o
menos radialmente en una caacutemara perifeacuterica a una elevada presioacuten que
corresponde a la suma de la fuerza centriacutefuga de la rotacioacuten maacutes la cineacutetica
comunicada al fluido por las aletas La parte moacutevil de la bomba es el rodete Las
aletas del rodete se extienden desde el centro de rotacioacuten hacia la periferia y las
bridas son los discos de refuerzo a cada lado de las aletas que las envuelven Las
aletas pueden ser radiales curvadas ligeramente hacia delante en el mismo sentido
de la rotacioacuten o estar curvadas al reveacutes en el caso maacutes comuacuten en el disentildeo se
determino el rodete siguiente por sus caracteriacutesticas Fig 1
Figura 1 Corte parcial de un rodete de centriacutefuga para grandes cargas y secciones
de paso estrechas empleando con liacutequidos corrosivos o suspensiones de pequentildeas
partiacuteculas[4]
Ingenieriacutea Quiacutemica 59
UAM-I
APENDICE D CALCULO DE POTENCIA DE BOMBAS (8)
Potencia de la bomba de la cisterna 1 que alimenta a los mezclador 4
Ecuacioacuten de Bernoulli
sum sumint =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛+++∆+∆i i
i
P
P
evvfDLvwdphgv 0
21
21
ˆ1
21 222
2
1ρ
a b c d e f
a Diferencia de velocidades
b Diferencia de alturas
c Diferencia de presiones
d Trabajo
e Perdidas de friccioacuten en tuberiacuteas
f Perdidas de friccioacuten en accesorios
En la ecuacioacuten anterior se pueden eliminar algunos teacuterminos
21 mts
6 mts 35 mts
Figura 1 Balance de cisterna 1 a mezclador 4
Se debe de tener dos puntos de referencia para la utilizacioacuten de la ecuacioacuten de
Bernoulli de los cuales se anotaron en la figura 2
Ingenieriacutea Quiacutemica 60
UAM-I
21 mts
2 1 6 mts 35 mts
Figura 2
Teniendo los puntos de referencia se analiza que las diferencias de velocidades son
cero en ambos puntos por lo tanto el termino 2
21 ν∆ es igual a cero
El termino de = (981hg∆ 2segm )(35m ndash 0) = 34335 2
2
segm
El termino de int2
1
1P
P
dpρ
se tiene que la cisterna y el tanque de mezclado ambos no
estaacuten cerrados y por lo tanto no originan un cambio de presioacuten y el termino es cero
De esta expresioacuten L longitud de tuberiacutea
tro de tuberiacutea
n el interior del tubo
v
Para la l radio del tubo que
sum ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
i
fDL2
21 ν
D diaacuteme
f perdidas de friccioacuten e
velocidad del flujo de agua
obtencioacuten de la velocidad se tiene el flujo volumeacutetrico y e
es de 32 cm =0032mts con la ecuacioacuten
Ingenieriacutea Quiacutemica 61
( )( ) sm
ms
m
RQ 761
032060min1)
min340(
2
3
2 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
==ππ
ν
UAM-I
Se reportan valores de perdida de fr
e reduce teacuterminos
iccioacuten en tubos que son igual a 005
Por lo tanto sustituyendo los teacuterminos en la ecuacioacuten de Bernoulli s
sum sumint =⎟⎠
⎜⎝
+⎟⎠
⎜⎝
+++∆+∆i i
iP
evvfD
vwdphgv 022
ˆ2
1ρ
⎞⎛⎞⎛ L 111 2222
or tanto el termino de trabajo queda expresado de la siguiente manera
tanto la bomba comunica al fluido que circula en el sistema un trabajo
+11727
P1
p w
sum sum ∆minus⎟⎠⎞
⎜⎝⎛minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛minus=
i ii
hgevvfDLvw 22
21
21
ˆ
( ) ( )
Este es el trabajo ( por unidad de masa) producido por el fluido en la bomba por lo
22
sm o 11727 981 = 1195
m
fKg
Kgm
La velocidad de flujo de masa es
Por lo tanto
1 )=6694
951)(675(ˆ =minus=minus WwW smkg f = 088Hp = 1Hp
Siendo esta ida para esta bomba El procedimiento anterior se
iguioacute para cada bomba de la planta
AP E
la potencia requer
s
EacuteNDICE
TOXICOLOGIacuteA DE MATERIAS PRIMAS [6]
( ) ( ) ( )( ) ( )( )msm
smmmm
sm 538192201150761
21050
032021536761
21
2
22minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ +minus⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ++
minus=wm
22
27117ˆ smw minus=
( )s
kgmkgQw m675100060340 3 === ρ
Ingenieriacutea Quiacutemica 62
UAM-I
HIDROacuteXIDO DE SODIO
Polvo corrosivo blanco delicuescente
Toxicidad
Concentracioacuten Maacutexima permisible 2mgm3 en aire
Signos y Siacutentomas Conjutivitis quemaduras corneales y de la piel Irritacioacuten
seas vomito dolor abdominal y diarrea a veces con
Lavado de las partes afectadas tranquilizantes sulfato de
decuada gafas protectoras o pantallas para
ignos y Siacutentomas Irritacioacuten de ojos quemaduras corneables tos dolores
l hemoptisis dolor de cabeza dolor epigaacutestrico nauseas y vomito
lmonar
Tratamiento lavado de ojos con agua reposo oxigeno con aparato de respiracioacuten
con onantes
ACIDO NITRICO
Liquido corrosivo sofocante de incoloro a amarillento
ioacuten maacutexima permisible 10ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
del tracto respiratorio nau
sangre
Tratamiento
morfina para el dolor y cortisona
Medidas preventivas Ventilacioacuten a
la cara completa mascarilla con filtro mecaacutenico guantes delantares botas de
goma y acentuar la limpieza personal
CLORO
Gas pasado amarillo verdoso
Toxicidad
Conc Maacutexima permisible 1 ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten
S
retrosterna
debilidad cianosis y edema pu
trolada bronco dilatadores y descongesti
Toxicidad
Concentrac
Ingenieriacutea Quiacutemica 63
UAM-I
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
Signos y siacutentomas Erosioacuten dental estornudo tos Dolor en el pecho bronquitis y
la las partes contaminadas del cuerpo con solucioacuten al 5 de
de las quemaduras con pantildeos
de triacuteo sulfato soacutelido si se a ingerido
vado de ojos con agua
ACIDO CLORIDRICO
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
ivitis necrosis corneal por inhalacioacuten rinitis erosioacuten
dolor de cabeza palpitacioacuten por ingestioacuten
s en la boca faringe esoacutefago estomago salivacioacuten vomito Soc
agua lavada de agua y jaboacuten de las partes
preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
AacuteC
El c
con o de hidroacutegeno una
concentracioacuten de 12 molLt Este aacutecido es un liacutequido incoloro con un olor aacutecido
bronconeumoniacutea
Tratamiento
bicarbonato soacutelido o con agua y jaboacuten Tratamiento
mojados con solucioacuten saturada
administracioacuten por viacutea oral de solucioacuten de jaboacuten Hidroacutexido caacutelcico o alumiacutenico u
oacutexido de magnesio
Medidas preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores excluir de la exposicioacuten
a los individuos con enfermedades de pulmones y rintildeones
Gas incoloro o liacutequido o a amarillento
Toxicidad
Concentracioacuten maacutexima permisible 5ppm en aire
Signos y siacutentomas conjunt
dental laringitis bronquitis neumoniacutea
quemadura
nefritis
Tratamiento lavado de ojos con
contaminantes del cuerpo tratamiento ordinario de quemaduras lavado gaacutestrico
se a ingerido con solucioacuten de bicarbonato soacutedico al 5 seguido de una instilacioacuten
de gel de hidroacutexido de aluminio
Medidas
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores
IDO CLORHIacuteDRICO
loruro de hidroacutegeno es en extremo soluble en agua de hecho el aacutecido clorhiacutedrico
centrado contiene cerca del 38 en masa de clorur
Ingenieriacutea Quiacutemica 64
UAM-I
pronunciado que se debe al equilibrio entre el cloruro de hidroacutegeno gaseoso y
ste con el aacutecido fluorhiacutedrico el aacutecido clorhiacutedrico es un aacutecido fuerte (pKa = -
7) y se ioniza casi totalmente
gar de aacutecido sulfuacuterico auque en menor grado Por
jemplo el zinc metaacutelico reacciona con aacutecido clorhiacutedrico para dar el ion zinc e
hidroacutegeno gaseoso
Zn(s) + 2HCl(ac) ZnCl2(ac) + H2(g)
l para producir aacutecido clorhiacutedrico en el laboratorio es generar
cloruro de hidroacutegen e sodio y el aacutecido
ulfuacuterico En el primer paso a 150degC se forma hidroacutegeno sulfato de sodio
NaHSO4(s) + HCl(g)
io y maacutes
loruro de hidroacutegeno gaseoso Luego el gas se disuelve en agua para formar el
aacutecido
NaHSO4(s) + NaCl(s) Na2SO4(s) + HCl(g)
acuoso
HCl(ac) HCl(g)
El reactivo de grado teacutecnico a menudo tiene un color amarillento por una impureza
del ion hierro (III)
En contra
HCl(ac) + H2O(l) H2O+(ac) + Cl -(ac)
Por ello a menudo se prefiere usar aacutecido clorhiacutedrico diluido en lugar de aacutecido niacutetrico
que es muy oxidante y en lu
e
Cuando el zinc reacciona con el aacutecido niacutetrico es comuacuten que se reduzca una parte
del ion nitrato para dar dioacutexido de nitroacutegeno
El meacutetodo tradiciona
o gaseoso por la reaccioacuten entre el cloruro d
s
NaCl(s) + H2SO4(l)
La mezcla se calienta a 550degC temperatura a la cual el hidroacutegeno sulfato de sodio
reacciona con un exceso de cloruro de sodio para formar sulfato de sod
c
∆
Este meacutetodo se usa tambieacuten en la industria otra forma de producir cloruro de
hidroacutegeno es por la combinacioacuten directa de dicloro y dihidroacutegenogaseosos
Ingenieriacutea Quiacutemica 65
UAM-I
H2(g) + Cl2(g) 2HCl(g)
La mayor cantidad de cloruro de hidroacutegeno que se produce actualmente es un
CH4(g) + 4Cl2(g) 4(l) + 4HCl(g)
riacuten de superficies de acero en un bantildeo aacutecido en la purificacioacuten de glucosa
y jarabe de maiacutez e s y de gas y en la
bricacioacuten de compuestos clorados El aacutecido se puedo comprar en muchas
nducida por la luz
4HNO3(ac) 4NO2(g) + O2(g) + 2H2O(l)
niacutetrico como disolvente)
H2NO3+ H2O + NO2
+
l siguiente
3HNO NO3 ndash
subproducto de otros procesos industriales como la siacutentesis de tetracloruro de
carbono
CCl
Se consumen cerca de 107 toneladas de aacutecido clorhiacutedrico cada antildeo en todo el
mundo Este aacutecido tiene una gama muy amplia de usos como aacutecido comuacuten para
eliminar o
n el tratamiento con aacutecido de pozos petrolero
fa
ferreteriacuteas con el arcaico nombre de aacutecido muriaacutetico sus principales usos caseros
son la limpieza de superficies de concreto y la eliminacioacuten de herrumbre Un nuacutemero
muy reducido de personas es incapaz de sintetizar suficiente jugo gaacutestrico y deben
de ingerir caacutepsulas de aacutecido clorhiacutedrico diluido con cada comida
AacuteCIDO NIacuteTRICO
El aacutecido niacutetrico un liacutequido aceitoso e incoloro en estado puro es sumamente
peligroso El aacutecido que funde a ndash42degC y hierve a +83degC tiene por lo general un
ligero color amarillo a causa de una reaccioacuten de descomposicioacuten i
En un estado puro el aacutecido niacutetrico liacutequido praacutecticamente no conduce la electricidad
Una pequentildea porcioacuten se ioniza como sigue (todas estas especies existen en el aacutecido
2HNO3(l) H2NO3+ + NO3
ndash
H2O + HNO3 H3O+ + NO3 ndash
Para dar la reaccioacuten globa
3 NO2+ + H3O + 2+
Ingenieriacutea Quiacutemica 66
UAM-I
El catioacuten nitrilo es importante en la nitracioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas por ejemplo la
obenceno C6H5NO2 una etapa importante en
umerosos procesos industriales orgaacutenicos
El aacutecido niacutetrico con en agua mientras
ue el ldquoaacutecido niacutetrico fumanterdquo un oxidante extremadamente poderoso es una
vez de ello se produce una mezcla de
sistema que da un orden de
vista industrial el
oceso
e lleva a cabo en tres etapas Primero se hace pasar una mezcla de amoniaco y de
dioxiacutegeno (o aire) un proceso muy
ficiente y exoteacutermico que hace que la malla se ponga al rojo Esta etapa se verifica
conversioacuten de benceno C6H6 en nitr
n
centrado es en realidad una solucioacuten al 70
q
solucioacuten roja de dioacutexido de nitroacutegeno en aacutecido niacutetrico puro Incluso cuando esta
diluido el aacutecido niacutetrico es un oxidante tan fuerte que rara vez desprende hidroacutegeno
cuando se pone en contacto con metales en
oacutexidos de nitroacutegeno y el metal se oxido a su catioacuten
Los enlaces O-N son mucho maacutes cortos (121 pm) que el enlace O-N unidos al aacutetomo
de hidroacutegeno (141 pm) Esta longitud de enlaces indica que hay enlaces muacuteltiples
entre el nitroacutegeno y los dos aacutetomos de oxiacutegeno terminales Ademas de los electrones
del sistema σ hay cuatro electrones que participan en el sistema π O-N-O dos de un
orbital enlazante y dos en un orbital no enlazante
enlace de 112 para cada uno de esos enlaces nitroacutegeno- oxiacutegeno
A veces se nos olvida hasta queacute punto nuestra experiencia depende de la
termodinaacutemica y la cineacutetica Por ejemplo la primera siacutentesis industrial de aacutecido
niacutetrico se llevaba ha cabo por simple combinacioacuten de diniacutetrogeno dioxiacutegeno y agua
utilizando un horno de arco eleacutectrico a fin de proporcionar la energiacutea necesaria par
superar la muy elevada barrera cineacutetica Aunque desde el punto de
factor cineacutetico constituiacutea un problema en realidad es una bendicioacuten por que sin esta
barrera cineacutetica hace mucho tiempo que todo el dioacutexido de la atmoacutesfera se abriacutea
transformado en aacutecido niacutetrico y nuestros mares serian de aacutecido niacutetrico diluido
frac12 N2(g) + 54O2(g) + 12H2O(g) HNO3(g)
Ahora se utiliza el proceso Ostwald para la siacutentesis de aacutecido niacutetrico Este proceso
consume gran parte del amoniaco que se produce por el proceso Haber El pr
s
a traveacutes de una malla de platino metaacutelico Eacuteste es
e
a baja presioacuten para aprovechar el efecto entropico es decir la formacioacuten de 10
moles de gas a partir de 9 moles de gas (una aplicacioacuten del principio de Le Chatelier)
para desplazar el equilibrio a la derecha
Ingenieriacutea Quiacutemica 67
UAM-I
4NH3(g) + 5O2(g) 4NO(g) + 6H2O(g)
Se agrega maacutes oxiacutegeno para oxidar el monoacutexido de nitroacutegeno a dioacutexido de nitroacutegeno
A fin de mejorar el rendimiento de esta reaccioacuten exoteacutermica se extrae calor de los
ases y la mezcla se somete a presioacuten
2HNO3(l) + NO(g)
Esta reaccioacuten tambieacuten es exoteacutermica y una vez maacutes se aplica enfriamiento y alta
la
egunda etapa para oxidarlo de nuevo
La contaminacioacuten s de aacutecido niacutetrico
as plantas maacutes antiguas eran faacutecilmente identificables por la fumarola cafeacute-
antas maacutes antiguas ahora mezcla cantidades
en Estados Unidos porque un 20
dedica ala produccioacuten de explosivos
or ultimo el aacutecido niacutetrico es un liacutequido que hierve a 826degC No existe como liacutequido
g
2NO(g) + O2(g) 2NO2(g)
El dioacutexido de nitroacutegeno se mezcla con agua para dar una solucioacuten de aacutecido niacutetrico
3NO2(g) + H2O(l)
presioacuten par obtener el maacuteximo rendimiento El monoacutexido de nitroacutegeno se vuelve a
s
soliacutea ser un problema importante de las planta
L
amarillento del dioacutexido de nitroacutegeno que escapaba por ellas Las plantas maacutes
antiguas eran faacutecilmente identificable por la fumadora cafeacute-amarillo del dioacutexido de
nitroacutegeno que escapaba de ellas Las pl
estequiomeacutetricas de amoniaco con las oacutexidos de nitroacutegeno con lo cual se obtiene
dinitroacutegeno y vapor de agua ambos inocuos
NO(g) + NO2 (g) + 2NH3(g) 2N2(g) + 3H2O(g)
En todo el mundo alrededor del 80 del aacutecido niacutetrico se utiliza en la produccioacuten de
fertilizantes Esta proporcioacuten es de solo el 65
se
P
puro porque en alguna medida se descompone espontaacuteneamente como sigue
4HNO3(l) 4NO2(g) + 2H2O(l) + O2(g)
Ingenieriacutea Quiacutemica 68
UAM-I
El aacutecido niacutetrico concentrado que se usa en el laboratorio estaacute al 68 en masa HNO3
(densidad 142 gcm3) lo que corresponde a 157 M
l aacutecido niacutetrico es un poderoso agente oxidante El nuacutemero de oxidacioacuten del N en el
) El aacutecido niacutetrico puede oxidar
nto a metales que estaacuten abajo del hidroacutegeno como aquellos que se encuentran
4Zn2+(ac) + NH4
+(ac) + 3H2O(l)
do no oxida al oro Sin embargo cuando se mezcla con
cido clorhiacutedrico concentrado en relacioacuten 13 en volumen (una parte de HNO3 a tres
partes al oro
omo sigue
APEacuteNDICE F
ETODO DE DEPOSICIOacuteN-PRECIPITACIOacuteN
E
HNO3 es + 5 Los productos maacutes comunes de la reduccioacuten del aacutecido niacutetrico son el
NO2 (N = + 4) el NO (N = + 2) y el NH4+ (N = - 3
ta
arriba en la serie de actividades Por ejemplo el cobre es oxidado por el aacutecido niacutetrico
concentrado como se mencionoacute antes
En presencia de reductores fuertes como el zinc metaacutelico el aacutecido niacutetrico se puede
reducir hasta ion amonio
4Zn(s) + 10H+(ac) + NO3
-(ac)
El aacutecido niacutetrico concentra
aacute
de HCl) la disolucioacuten resultante denominada agua regia puede oxidar
c
Au(s) + 3HNO3(ac) + 4HCl(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O(l) + 3NO2(g)
M
Ingenieriacutea Quiacutemica 69
UAM-I
APEacuteNDICE G
ISENtildeO DEL MEZCLADOR [4]
1) 100 ml H2O gr soporte
2) NH4(OH)
Ajustar a PH = 9 4) HAuCl4 (solucioacuten acuosa al 25E-3M)
6) Filtrado o centrifugado
3) En Agitacioacuten por 2 hr
8) Secado por 2hr a 80 degC
9 ) Calcinado por 4hr a 400 degC
7) Lavado
5) Antildeegamiento por 30 min
D
Ingenieriacutea Quiacutemica 70
UAM-I
El disentildeo de un tanque agitado dis n nuacutemero de elecciones sobre el
po y localizacioacuten del agitador las proporciones del tanque el nuacutemero y dimensiones
ada una de estas decisiones afectan a la velocidad
e circulacioacuten del liacutequido los modelos de velocidad y el consumo de potencia Como
pone de un gra
ti
de las placas deflectoras etc C
d
punto de partida en el disentildeo de los problemas ordinarios de agitacioacuten generalmente
se utiliza un agitador de turbina del tipo que se muestra en la figura 1 La proporcioacuten
tiacutepica es
31
=t
a
DD
1=tD
H 121
=tD
J 51
=aD
W 41
=aD
L
de estas ecuaciones se disentildeara el mezclador como datos se tiene el valor H que es
igual a 3 mts y el diaacutemetro del tanque D
Se determinara la medida de los reflectores
t que es igual 3 mts
121
=tD
J se despeja J
elacioacuten R31
=t
a
DD
se despeja Da
Relacioacuten
41
=aD
L se despeja L
elacioacuten se despeja W
( ) ( ) cmmtsmtsDJ 25250311==⎟
⎞⎜⎛=⎟
⎞⎜⎛= t 1212 ⎠⎝⎠⎝
( ) ( ) mtsmtsDD ta 1331
31
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=
( ) ( ) mtsmtsDL a 250141
41
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛= cm25=
51
=aD
WR
Ingenieriacutea Quiacutemica 71
UAM-I
Figura 2 a) Vista transversal del mezclador b) paletas del mezclador con la
donde se deposita el soporte
Figura 1 Medidas de un agitador de turbina
a) b)
s rejillas
H
J
E L
Da
D t
W
W
( ) ( ) cmmtsmtsDW a 2020151
5==⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎜⎝
=1 ⎞⎛
Ingenieriacutea Quiacutemica 72
UAM-I
PERSONAL
Departamento de produccioacuten
Se tendraacute 2 obreros en el llenado de soporte en las rejillas un obrero encargado del
traslado de rejillas por medio de la banda de los motores a cada contenedor un
obrero en cada contenedor de NH4OH y HAuCl4 en cada mezclador se tiene 1
obrero para descargar y cargar las rejillas a la banda que se trasladaran al horno en
el horno se tiene 1 obrero encargado del secado y calcinado el producto se traslada
al almaceacuten donde estaraacuten 2 obreros que reciben el producto y materias primas de los
proveedores se tiene 1 teacutecnico supervisando los equipos un encargo del
mantenimiento de los equipos
Departamento de personal
Gerente de la industria un administrador encargado de compra y venta de materias
primas una secretaria
Ingenieriacutea Quiacutemica 40
UAM-I
CAPITAL FIJO
La Tabla 4 muestra el costo de los equipos requeridos en la planta asiacute como el
Capital Fijo y la Inversioacuten del Capital Total
Tabla 4 El equipo se costeo usando las correlaciones de Ulrich [6] y empleando el
programa de Capcost
EQUIPO USD
4 Contenedores 23584
4 Agitadores (456kW) 269760
1 Horno (25 kW) 15700
15 Bombas (1469kW) 43081
1 Motor (114 kW) 67440
Tuberiacuteas 42150
2 Cisternas 174183
Vaacutelvulas 1283
Accesorios
(codos 90ordm y de 45ordm te)
1474
CAPITAL FIJO 638655
Capital de Trabajo 9579825
INVERSIOacuteN DE
CAPITAL TOTAL
73445325
Los caacutelculos y las correlaciones empleadas para el costeo del equipo se anexan en
el Apeacutendice A
Ingenieriacutea Quiacutemica 41
UAM-I
GASTOS GENERALES
Tabla 5 Proporciona el total de gastos anuales con lo cual se estima el precio por
kilo de catalizador y por unidad purificadora
Tabla 5 Gastos Generales anuales
USDAntildeo
Materias Primas 531697680
Mano de Obra de Operacioacuten 1082280
Mano de Obra de Oficina 4091930
Servicios Electricidad 2620100
Total de Gastos Generales 539491990
CFE
Produccioacuten diaria de Catalizador = 574 Kg
Precio de Catalizador = 40 USDKg
Produccioacuten diaria de unidades purificadoras = 500
Precio por unidad = 50USD
Ganancia diaria = 22960 USD
Ganancia Anual = 5510400 USD
DETERMINACIOacuteN DE LA RENTABILIDAD DEL PROYECTO
TPI (Actual) = 10
PR (Factor de riesgo) = 25
TREMA = TPI + PR
TREMA = 35
TIR (del proyecto) = 90
TIR gt TREMA
Puesto que la TIR es mayor que la TREMA se tiene que el proyecto es rentable [6]
Ingenieriacutea Quiacutemica 42
UAM-I
310 CONCLUSIONES
En el desarrollo de la industria para la fabricacioacuten de catalizadores se tuvo un
resultado satisfactorio a pesar de la falta de informacioacuten disponible acerca de
industrias de catalizadores debido a que esta informacioacuten no es publica El proyecto
que elaboramos es novedoso en nuestro paiacutes ya que no existen registros de una
industria que produzca catalizadores de oro soportados en aluacutemina
Durante el desarrollo del proyecto se planteoacute trabajar con compuestos como NOx y
COVS sin embargo debido a la falta de tiempo no se logroacute concluir la
experimentacioacuten en estos campos Debido a esto se tomoacute la decisioacuten de trabajar en
la oxidacioacuten cataliacutetica de CO Esto debido a varios factores por ejemplo la
disponibilidad de gases y sobre todo los costos que esto implicaba
Para el desarrollo del catalizador se analizaron diferentes tipos de preparacioacuten y se
eligieron dos meacutetodos diferentes Deposicioacuten-precipitacioacuten e Impregnacioacuten Los
catalizadores se evaluaron bajo diversas condiciones en la oxidacioacuten de CO El
catalizador que presentoacute mayor conversioacuten con el catalizador a baja temperatura fue
el sintetizado por el meacutetodo de Deposicioacuten-precipitacioacuten el cual se utilizoacute para el
disentildeo de la Industria El disentildeo estaacute basado en la forma de preparacioacuten del
catalizador Por esto la parte maacutes importante de la planta es el tanque de mezclado
el cual se disentildeo tomando en cuenta los diferentes disentildeos de agitadores para tener
un mezclado oacuteptimo Se incorporo en la parte superior del agitador las canastillas
para las pastillas cataliacuteticas y el tipo de Horno que se usara para el secado y
posteriormente el calcinado Una parte importante es la produccioacuten de catalizador
para este problema se investigoacute en que parte se podriacutea utilizar a diferencia de los
catalizadores para automoacuteviles Se llego a la decisioacuten de poder desarrollar un
catalizador para los calentadores de agua se obtuvo informacioacuten de la fabrica de
calentadores cal-o-rex en la produccioacuten diaria de calentadores y de esta informacioacuten
se pudo calcular la posible demanda de nuestro producto Una parte importante en
las industrias son el tipo de bombas ya que existen diversos modelos en nuestro
disentildeo se escogioacute las bombas centriacutefugas con rodetes para agua que contiene
pequentildeas partiacuteculas de soacutelidos
En la parte de servicios para personal se investigo los sueldos de cada empleado Se
determinoacute el costo de los equipos y finalmente llegamos a la parte que nos interesa
Ingenieriacutea Quiacutemica 43
UAM-I
del disentilde es decir si el proyecto es rentable o no En este caso particular se tuvo un
valor aceptable y se definioacute que el disentildeo es rentable Esto indica que seria una
industria que tendriacutea ganancias y a la vez que el producto que se fabrique nos
ayudaraacute a todos a reducir la emisioacuten de CO en los hogares aportando una pequentildea
ayuda al medio ambiente
COMENTARIOS
Los conocimientos adquiridos durante este tiempo fueron provechosos en la parte
teoacuterica y praacutectica aclaramos dudas de como y porque se comportan las reacciones
quiacutemicas y los procesos de flujos Durante el desarrollo del proyecto aprendimos a
observar y la importancia de entender fiacutesicamente las algunos procesos relacionados
con la siacutentesis y caracterizacioacuten de materiales cataliacuteticos
Ingenieriacutea Quiacutemica 44
UAM-I
38 BIBLIOGRAFIacuteA
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Ingenieriacutea Quiacutemica 46
UAM-I
APEacuteNDICE A
CRITERIOS PARA DETERMINAR QUIEacuteN CONTROLA EL PROCESO
Criterio de weisz para difusioacuten interna
Ec(12-16 Fogler) Los valores que se sustituyen en las siguientes ecuaciones fueron
tomados del catalizador que se analizo en el laboratorio
CWP = ( )
AS
cObsA
DeCRcr 2minus
lt 1
-rA(Obs) = velocidad de reaccioacuten observada molgcats Cc = concentracioacuten volumeacutetrica molm3
CAS = concertacioacuten en la superficie molm3
D= diaacutemetro del granulo m R = radio del granulo m De = difusividad efectiva m2s
d = 0149mm mxmm
m 4104911000
1 minus=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
CWP = ( )( )3
32
24
33
103470184200350
21049150800010681
minus
minusminus
=⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞⎜
⎝⎛
x
mmol
hrm
mxcatm
gcathgcat
molx
734x10-3 lt 1 No hay limitante por la difusioacuten interna
Ingenieriacutea Quiacutemica 47
UAM-I
Criterio de mears para difusioacuten interna Ec(12-62 Fogler)
Mm = 150ltAbc
bA
CkRnr ρminus
Mm =( )( )
0570
136000184200220
31110457508000106851
3
53
3
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ minusminus
hrs
mmol
sm
mxcatmgcat
hgcatmolx
0057 lt 015 no hay efecto de transferencia de masa externa Calculo de Dab para calcular el coeficiente de trasferencia de masa Ec(78 Lobo)
De =
KAAB DD11
1
+
DKA = 970X103 (80X10-8)(s
cmK 221 1090)
2400( =
DAB = 00018583ABAB
BA
PMMT
Ω
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ +
2
2123 11
γ
Para CO
0110=isin
Bk 0593 A=γ
Para O2
Ingenieriacutea Quiacutemica 48
UAM-I
0113=isin
Bk 0453 A=γ
( ) 51343359321
=+=ABγ
( )( )[ ] 21113110BAB k=isin A la temperatura de 400degK
( ) 583))113)(110((
40021 =
deg=
isin B
B
AB
B
KKKTK
Ω AB = 0907 Sustituyendo
DAB =s
cm2
2
2123
9730)9070()513(
)21281()400(00185830=
+
De = hrm
hrs
cmm
scm 222
03501
3600100
10980
10901
97301
1=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
+
Calculo de Kc Sh = (Re)12(Sc)13
Velocidad superficial
V = sm
shr
hrm
mxhr
m
Av
c
02036001976
1087
006025
3
0 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛== minus
Ingenieriacutea Quiacutemica 49
UAM-I
Re= ( ) 240)1062)(501(
)10491)(020(
1 25
4
=minus
=minus minus
minus
smx
mxsmvd p
νφ
Sc= 672)3600
1)(0350(
10622
25
==minus
shr
hrm
smx
Dv
AB
Sh= ( 024 )12 ( 267 )13 = 0679
Kc = Shdp
DAB⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛minusφ
φ1
Kc = ( )sm
mxs
mx02206790
10491
10729
50501
4
26
=⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛minus
minus
minus
Calculo de numero Thile con el radio que usara a nivel industrial
φ = L ( )DkCn n
AS
21 1minus+
L = 3R
Sustituyendo
φ = 66x10-4 m( )
( )
450
03502
018420
5480941311
3
30
3330
313
=
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+
catmhrm
mmol
hrcatmmolm
η = 1 con los resultados anteriores se observa que quieacuten limita es la velocidad de
reaccioacuten Por lo que se procede a calcular el peso y longitud de catalizador
necesaria para muestro purificador sustituyendo los valores del Boiler
Ingenieriacutea Quiacutemica 50
UAM-I
Peso del Catalizador w =
( ) grcatgcatLn
gcatm
mmol
hrcatmmolm
hrm
xLn
kCv
A
66476639401
1
6000001578
548094
19836
11
330
3330
313
3
0
0 asymp=minus
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
minus
g 664=w
33
3
1011
mg60000
g 664 mxwv minus===ρ
m 035003101011
2
33
==minus
mmxL
cm 531000350 == xL
Ingenieriacutea Quiacutemica 51
UAM-I
APEacuteNDICE B BALANCE DE MASA DE LA PREPARACIOacuteN DE HAUCL4 Au(g) + 3HNO3(ac) + 4HCL(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O + 3N02(g) (152 M) (105M)
cantidad de mol Au = 05 kg Au x molAu
grAumolAux
kggr 542
971961
11000
=
cantidad de kg HNO3 = ( ) 33
33 480
10001
1635423 kgHNO
grkgx
molHNOGRHNOxHNOmol =
cantidad de kgHCl = ( ) kgHClgr
kgxmolHCl
grHClHClxmol 3701000
11
5365424 =
cantidad de kgHAuCl4 = 254molHAuCl4 x 44
8601000
11
97339 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
gr=
cantidad de kgH2O = 3( 254mol)H20 x OkgHgr
kgxOmolHOgrH
22
2 1401000
1118
=
cantidad de Lt H20 = 762molHNO3 x OltHOkgHOLtH
22
2 14011
=
cantidad de Lt H20 = 1016 mol HNO3 x 050215
012
2 LtHmol
LtH=
cantidad de LtH20 = 1016mol HCl x OLtHLtHmolHCl
LtH22
2 010970510
01asymp=
cantidad de MHAUCl4 = ( ) ( ) ( ) MHltltlt
ClmolHAU 7210850490140
542
2
4 asymp++
cantidad de kg NO2(g) = 3( 254mol)NO2 x )(22
2 3501000
1146
SkgNOgr
kgxmolNO
grNO=
Ingenieriacutea Quiacutemica 52
UAM-I
05 kg Au 048 kgHNO3 035 kgNO2 101021 kgH20 (152M) 037 kgHCl(ac)
(105 m) 086 kg HAuCl4 (ac) 086 kg HAuCl4 (ac)
(17 M) 014 kgH20 (25x10-3M) 014kg H20 (L) 086kg HAuCl4 035kgNO2 (g) 101185kg H20 Cantidad de H20 = 086 kgHAuCl4
x 08510110101
105201
173341
11000
22
23
24 kgHLtHkgHx
MxltHx
grmolHAuClx
kggr
=minus
pero (101185 ndash 014 ndash 05 ndash 1) kg H20 = 101021 kg H20 100ml H20 por 1 gr soporte 35kg NH4 (OH)(AC) 10000kgH20 100 kg γAl203 (9965) 035kgAu (035) 100kg γAl203 025kgCl2 086kg HAuCl4 026kgHAuCl4
101185 kg H20 35kgNH4 (OH)(AC) 1101185kgH20 cantidad de kgHAuCl4 = 015kgAu x
44
4 2601000
11
973391
197196
147196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxgrAu
molxkg
gr=
cantidad de NH4(OH) = 100kg γ Al203 x
Ingenieriacutea Quiacutemica 53
UAM-I
kgNHxmol
grx
mlmol
xOAlgr
OHmlNHx
kg
gr53
10001
1
35
100010
1
)(10
1
1000
32
4=
γ4(OH)
30kg γAL2O3 1 kgNH4(OH)(AC) 30 kg γ Al203 (9965) 010 kg Au (035) 026kgHAuCl4 007kg Cl2 35kgNH4(OH) 1101185 kgH2O 0086kgHAuCl4 45 kg NH4(OH)(AC) 1101185 kg H20
cantidad de γ Al2O3 = 026kgHAuCl4 x 324
32 02330860
100 AlkgkgHAuCl
OAlkg γγ=
cantidad de kgAu = 035 x kgAukg 10506599
30=
cantidad de kg Cl2 = 01 kgAu x
22
2 07201000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de HAuCl4 = 005kgAu x
44
4 08601000
11
973391
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 54
UAM-I
cantidad de kgNO4(OH) = 30 kg γ Al203 x ( )OHkgNHAlkg
OHkgNO4
32
4 0510100
)(53=
γ
105 kg γ Al203 035 kg NH2(OH) 105 kg γ Al203 (9965) 004 kg Au (035) 009kg HAuCl4 003 kg Cl2 45kgNH4(OH) 1101185 kg H20 0017kgHAuCl4 485kgNH4 (OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 009 HAuCl4 x 324
32 04710860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad kg de NH4 (OH) = 105kg γ Al203 x ( ) )(3500100
534
32
4 OHkgNHAlkg
OHkgNH=
γ
cantidad de Cl2 = 004 kg Au x
22
2 02901000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
gAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 =
44
44 02001701000
11
973391
197196
11
1000010 kgHAukgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgr
molAuxkg
grkgAux asymp=
Ingenieriacutea Quiacutemica 55
UAM-I
23 kg γ Al203 008kgNH4(OH) 002 kg HAuCl4 23 kg γAl203 (9965) 485kgNH4(OH) 0008kgAu(035) 1101185kg H2 0001kg Cl2
0014 kg HAuCl4 493kgNH4(OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 002kgHAuCl4 x 324
32 032860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad de kg Au = 035 x kgAukg 00806599
32=
cantidad de kgCl2 = 0002kgAu x
24
4 00101000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 = 0008kgAu x
44
44 01401000
11
973341
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 56
UAM-I
APEacuteNDICE C ACCESORIOS EN EL DISENtildeO
Agitador
Agitadores de Heacutelice se escogioacute este tipo de agitador por ser tener las siguientes
caracteriacutesticas [3]
bull Es un agitador de flujo axial
bull Se emplea para liacutequidos pocos viscosos
bull Giran a toda la velocidad del motor
bull Las corrientes de flujo se mueven a traveacutes del liacutequido en una direccioacuten
determinada hasta que son desviadas por el fondo o las paredes del tanque
bull Las palas de la heacutelice cortan o friccionan vigorosamente el liacutequido
bull Los agitadores de heacutelice son eficaces para tanques de gran tamantildeo
Horno
bull El horno se escogioacute por ser tener las siguientes caracteriacutesticas [5]
bull El horno de construccioacuten metaacutelica
bull La caacutemara de combustioacuten estaacute construida mediante hormigones refractarios
de alta resistencia mecaacutenica
bull Las materias secar y calcinar se carga de forma manual
Ingenieriacutea Quiacutemica 57
UAM-I
Bomba
DISENtildeO Bomba centrifuga para operacioacuten horizontal o vertical del impulsor
cerrado succioacuten al extremo descarga hacia arriba tangencial simple succioacuten de un
paso con carcaza partida verticalmente [3]
ROTACIOacuteN En el sentido del reloj vista desde el cople
CARACTERIacuteSTICAS Conexiones brindadas con registro ubicado en la cabeza de
succioacuten para facilitar su limpieza
SERVICIO Debido a que es posible colocarla en posicioacuten horizontal o vertical tanto
en caacutercamos secos como huacutemedos y por el disentildeo de su impulsor que soacutelidos de
gran tamantildeo esta bomba es ideal para los procesos de tratamientos de agua y
manejo de liacutequidos en suspensioacuten en general
CAPACIDADES
GASTO Hasta 3000 GPM
CDT Hasta 80rsquo
PRESIOacuteN 106 Kgcmsup2
POTENCIA De 1 a 60 Hp
VELOCIDAD (1175 - 3550 RPM)
TEMPERATURA 125degC
Ingenieriacutea Quiacutemica 58
UAM-I
Bombas Centriacutefugas
Las maquinas centriacutefugas estaacuten constituidas por un impulsor o rodete formado por
una serie de aletas radiales diversas formas y curvaturas que giran dentro de una
caja circular El fluido penetra por el ojo o eje de rotacioacuten y se descarga maacutes o
menos radialmente en una caacutemara perifeacuterica a una elevada presioacuten que
corresponde a la suma de la fuerza centriacutefuga de la rotacioacuten maacutes la cineacutetica
comunicada al fluido por las aletas La parte moacutevil de la bomba es el rodete Las
aletas del rodete se extienden desde el centro de rotacioacuten hacia la periferia y las
bridas son los discos de refuerzo a cada lado de las aletas que las envuelven Las
aletas pueden ser radiales curvadas ligeramente hacia delante en el mismo sentido
de la rotacioacuten o estar curvadas al reveacutes en el caso maacutes comuacuten en el disentildeo se
determino el rodete siguiente por sus caracteriacutesticas Fig 1
Figura 1 Corte parcial de un rodete de centriacutefuga para grandes cargas y secciones
de paso estrechas empleando con liacutequidos corrosivos o suspensiones de pequentildeas
partiacuteculas[4]
Ingenieriacutea Quiacutemica 59
UAM-I
APENDICE D CALCULO DE POTENCIA DE BOMBAS (8)
Potencia de la bomba de la cisterna 1 que alimenta a los mezclador 4
Ecuacioacuten de Bernoulli
sum sumint =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛+++∆+∆i i
i
P
P
evvfDLvwdphgv 0
21
21
ˆ1
21 222
2
1ρ
a b c d e f
a Diferencia de velocidades
b Diferencia de alturas
c Diferencia de presiones
d Trabajo
e Perdidas de friccioacuten en tuberiacuteas
f Perdidas de friccioacuten en accesorios
En la ecuacioacuten anterior se pueden eliminar algunos teacuterminos
21 mts
6 mts 35 mts
Figura 1 Balance de cisterna 1 a mezclador 4
Se debe de tener dos puntos de referencia para la utilizacioacuten de la ecuacioacuten de
Bernoulli de los cuales se anotaron en la figura 2
Ingenieriacutea Quiacutemica 60
UAM-I
21 mts
2 1 6 mts 35 mts
Figura 2
Teniendo los puntos de referencia se analiza que las diferencias de velocidades son
cero en ambos puntos por lo tanto el termino 2
21 ν∆ es igual a cero
El termino de = (981hg∆ 2segm )(35m ndash 0) = 34335 2
2
segm
El termino de int2
1
1P
P
dpρ
se tiene que la cisterna y el tanque de mezclado ambos no
estaacuten cerrados y por lo tanto no originan un cambio de presioacuten y el termino es cero
De esta expresioacuten L longitud de tuberiacutea
tro de tuberiacutea
n el interior del tubo
v
Para la l radio del tubo que
sum ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
i
fDL2
21 ν
D diaacuteme
f perdidas de friccioacuten e
velocidad del flujo de agua
obtencioacuten de la velocidad se tiene el flujo volumeacutetrico y e
es de 32 cm =0032mts con la ecuacioacuten
Ingenieriacutea Quiacutemica 61
( )( ) sm
ms
m
RQ 761
032060min1)
min340(
2
3
2 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
==ππ
ν
UAM-I
Se reportan valores de perdida de fr
e reduce teacuterminos
iccioacuten en tubos que son igual a 005
Por lo tanto sustituyendo los teacuterminos en la ecuacioacuten de Bernoulli s
sum sumint =⎟⎠
⎜⎝
+⎟⎠
⎜⎝
+++∆+∆i i
iP
evvfD
vwdphgv 022
ˆ2
1ρ
⎞⎛⎞⎛ L 111 2222
or tanto el termino de trabajo queda expresado de la siguiente manera
tanto la bomba comunica al fluido que circula en el sistema un trabajo
+11727
P1
p w
sum sum ∆minus⎟⎠⎞
⎜⎝⎛minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛minus=
i ii
hgevvfDLvw 22
21
21
ˆ
( ) ( )
Este es el trabajo ( por unidad de masa) producido por el fluido en la bomba por lo
22
sm o 11727 981 = 1195
m
fKg
Kgm
La velocidad de flujo de masa es
Por lo tanto
1 )=6694
951)(675(ˆ =minus=minus WwW smkg f = 088Hp = 1Hp
Siendo esta ida para esta bomba El procedimiento anterior se
iguioacute para cada bomba de la planta
AP E
la potencia requer
s
EacuteNDICE
TOXICOLOGIacuteA DE MATERIAS PRIMAS [6]
( ) ( ) ( )( ) ( )( )msm
smmmm
sm 538192201150761
21050
032021536761
21
2
22minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ +minus⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ++
minus=wm
22
27117ˆ smw minus=
( )s
kgmkgQw m675100060340 3 === ρ
Ingenieriacutea Quiacutemica 62
UAM-I
HIDROacuteXIDO DE SODIO
Polvo corrosivo blanco delicuescente
Toxicidad
Concentracioacuten Maacutexima permisible 2mgm3 en aire
Signos y Siacutentomas Conjutivitis quemaduras corneales y de la piel Irritacioacuten
seas vomito dolor abdominal y diarrea a veces con
Lavado de las partes afectadas tranquilizantes sulfato de
decuada gafas protectoras o pantallas para
ignos y Siacutentomas Irritacioacuten de ojos quemaduras corneables tos dolores
l hemoptisis dolor de cabeza dolor epigaacutestrico nauseas y vomito
lmonar
Tratamiento lavado de ojos con agua reposo oxigeno con aparato de respiracioacuten
con onantes
ACIDO NITRICO
Liquido corrosivo sofocante de incoloro a amarillento
ioacuten maacutexima permisible 10ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
del tracto respiratorio nau
sangre
Tratamiento
morfina para el dolor y cortisona
Medidas preventivas Ventilacioacuten a
la cara completa mascarilla con filtro mecaacutenico guantes delantares botas de
goma y acentuar la limpieza personal
CLORO
Gas pasado amarillo verdoso
Toxicidad
Conc Maacutexima permisible 1 ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten
S
retrosterna
debilidad cianosis y edema pu
trolada bronco dilatadores y descongesti
Toxicidad
Concentrac
Ingenieriacutea Quiacutemica 63
UAM-I
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
Signos y siacutentomas Erosioacuten dental estornudo tos Dolor en el pecho bronquitis y
la las partes contaminadas del cuerpo con solucioacuten al 5 de
de las quemaduras con pantildeos
de triacuteo sulfato soacutelido si se a ingerido
vado de ojos con agua
ACIDO CLORIDRICO
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
ivitis necrosis corneal por inhalacioacuten rinitis erosioacuten
dolor de cabeza palpitacioacuten por ingestioacuten
s en la boca faringe esoacutefago estomago salivacioacuten vomito Soc
agua lavada de agua y jaboacuten de las partes
preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
AacuteC
El c
con o de hidroacutegeno una
concentracioacuten de 12 molLt Este aacutecido es un liacutequido incoloro con un olor aacutecido
bronconeumoniacutea
Tratamiento
bicarbonato soacutelido o con agua y jaboacuten Tratamiento
mojados con solucioacuten saturada
administracioacuten por viacutea oral de solucioacuten de jaboacuten Hidroacutexido caacutelcico o alumiacutenico u
oacutexido de magnesio
Medidas preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores excluir de la exposicioacuten
a los individuos con enfermedades de pulmones y rintildeones
Gas incoloro o liacutequido o a amarillento
Toxicidad
Concentracioacuten maacutexima permisible 5ppm en aire
Signos y siacutentomas conjunt
dental laringitis bronquitis neumoniacutea
quemadura
nefritis
Tratamiento lavado de ojos con
contaminantes del cuerpo tratamiento ordinario de quemaduras lavado gaacutestrico
se a ingerido con solucioacuten de bicarbonato soacutedico al 5 seguido de una instilacioacuten
de gel de hidroacutexido de aluminio
Medidas
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores
IDO CLORHIacuteDRICO
loruro de hidroacutegeno es en extremo soluble en agua de hecho el aacutecido clorhiacutedrico
centrado contiene cerca del 38 en masa de clorur
Ingenieriacutea Quiacutemica 64
UAM-I
pronunciado que se debe al equilibrio entre el cloruro de hidroacutegeno gaseoso y
ste con el aacutecido fluorhiacutedrico el aacutecido clorhiacutedrico es un aacutecido fuerte (pKa = -
7) y se ioniza casi totalmente
gar de aacutecido sulfuacuterico auque en menor grado Por
jemplo el zinc metaacutelico reacciona con aacutecido clorhiacutedrico para dar el ion zinc e
hidroacutegeno gaseoso
Zn(s) + 2HCl(ac) ZnCl2(ac) + H2(g)
l para producir aacutecido clorhiacutedrico en el laboratorio es generar
cloruro de hidroacutegen e sodio y el aacutecido
ulfuacuterico En el primer paso a 150degC se forma hidroacutegeno sulfato de sodio
NaHSO4(s) + HCl(g)
io y maacutes
loruro de hidroacutegeno gaseoso Luego el gas se disuelve en agua para formar el
aacutecido
NaHSO4(s) + NaCl(s) Na2SO4(s) + HCl(g)
acuoso
HCl(ac) HCl(g)
El reactivo de grado teacutecnico a menudo tiene un color amarillento por una impureza
del ion hierro (III)
En contra
HCl(ac) + H2O(l) H2O+(ac) + Cl -(ac)
Por ello a menudo se prefiere usar aacutecido clorhiacutedrico diluido en lugar de aacutecido niacutetrico
que es muy oxidante y en lu
e
Cuando el zinc reacciona con el aacutecido niacutetrico es comuacuten que se reduzca una parte
del ion nitrato para dar dioacutexido de nitroacutegeno
El meacutetodo tradiciona
o gaseoso por la reaccioacuten entre el cloruro d
s
NaCl(s) + H2SO4(l)
La mezcla se calienta a 550degC temperatura a la cual el hidroacutegeno sulfato de sodio
reacciona con un exceso de cloruro de sodio para formar sulfato de sod
c
∆
Este meacutetodo se usa tambieacuten en la industria otra forma de producir cloruro de
hidroacutegeno es por la combinacioacuten directa de dicloro y dihidroacutegenogaseosos
Ingenieriacutea Quiacutemica 65
UAM-I
H2(g) + Cl2(g) 2HCl(g)
La mayor cantidad de cloruro de hidroacutegeno que se produce actualmente es un
CH4(g) + 4Cl2(g) 4(l) + 4HCl(g)
riacuten de superficies de acero en un bantildeo aacutecido en la purificacioacuten de glucosa
y jarabe de maiacutez e s y de gas y en la
bricacioacuten de compuestos clorados El aacutecido se puedo comprar en muchas
nducida por la luz
4HNO3(ac) 4NO2(g) + O2(g) + 2H2O(l)
niacutetrico como disolvente)
H2NO3+ H2O + NO2
+
l siguiente
3HNO NO3 ndash
subproducto de otros procesos industriales como la siacutentesis de tetracloruro de
carbono
CCl
Se consumen cerca de 107 toneladas de aacutecido clorhiacutedrico cada antildeo en todo el
mundo Este aacutecido tiene una gama muy amplia de usos como aacutecido comuacuten para
eliminar o
n el tratamiento con aacutecido de pozos petrolero
fa
ferreteriacuteas con el arcaico nombre de aacutecido muriaacutetico sus principales usos caseros
son la limpieza de superficies de concreto y la eliminacioacuten de herrumbre Un nuacutemero
muy reducido de personas es incapaz de sintetizar suficiente jugo gaacutestrico y deben
de ingerir caacutepsulas de aacutecido clorhiacutedrico diluido con cada comida
AacuteCIDO NIacuteTRICO
El aacutecido niacutetrico un liacutequido aceitoso e incoloro en estado puro es sumamente
peligroso El aacutecido que funde a ndash42degC y hierve a +83degC tiene por lo general un
ligero color amarillo a causa de una reaccioacuten de descomposicioacuten i
En un estado puro el aacutecido niacutetrico liacutequido praacutecticamente no conduce la electricidad
Una pequentildea porcioacuten se ioniza como sigue (todas estas especies existen en el aacutecido
2HNO3(l) H2NO3+ + NO3
ndash
H2O + HNO3 H3O+ + NO3 ndash
Para dar la reaccioacuten globa
3 NO2+ + H3O + 2+
Ingenieriacutea Quiacutemica 66
UAM-I
El catioacuten nitrilo es importante en la nitracioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas por ejemplo la
obenceno C6H5NO2 una etapa importante en
umerosos procesos industriales orgaacutenicos
El aacutecido niacutetrico con en agua mientras
ue el ldquoaacutecido niacutetrico fumanterdquo un oxidante extremadamente poderoso es una
vez de ello se produce una mezcla de
sistema que da un orden de
vista industrial el
oceso
e lleva a cabo en tres etapas Primero se hace pasar una mezcla de amoniaco y de
dioxiacutegeno (o aire) un proceso muy
ficiente y exoteacutermico que hace que la malla se ponga al rojo Esta etapa se verifica
conversioacuten de benceno C6H6 en nitr
n
centrado es en realidad una solucioacuten al 70
q
solucioacuten roja de dioacutexido de nitroacutegeno en aacutecido niacutetrico puro Incluso cuando esta
diluido el aacutecido niacutetrico es un oxidante tan fuerte que rara vez desprende hidroacutegeno
cuando se pone en contacto con metales en
oacutexidos de nitroacutegeno y el metal se oxido a su catioacuten
Los enlaces O-N son mucho maacutes cortos (121 pm) que el enlace O-N unidos al aacutetomo
de hidroacutegeno (141 pm) Esta longitud de enlaces indica que hay enlaces muacuteltiples
entre el nitroacutegeno y los dos aacutetomos de oxiacutegeno terminales Ademas de los electrones
del sistema σ hay cuatro electrones que participan en el sistema π O-N-O dos de un
orbital enlazante y dos en un orbital no enlazante
enlace de 112 para cada uno de esos enlaces nitroacutegeno- oxiacutegeno
A veces se nos olvida hasta queacute punto nuestra experiencia depende de la
termodinaacutemica y la cineacutetica Por ejemplo la primera siacutentesis industrial de aacutecido
niacutetrico se llevaba ha cabo por simple combinacioacuten de diniacutetrogeno dioxiacutegeno y agua
utilizando un horno de arco eleacutectrico a fin de proporcionar la energiacutea necesaria par
superar la muy elevada barrera cineacutetica Aunque desde el punto de
factor cineacutetico constituiacutea un problema en realidad es una bendicioacuten por que sin esta
barrera cineacutetica hace mucho tiempo que todo el dioacutexido de la atmoacutesfera se abriacutea
transformado en aacutecido niacutetrico y nuestros mares serian de aacutecido niacutetrico diluido
frac12 N2(g) + 54O2(g) + 12H2O(g) HNO3(g)
Ahora se utiliza el proceso Ostwald para la siacutentesis de aacutecido niacutetrico Este proceso
consume gran parte del amoniaco que se produce por el proceso Haber El pr
s
a traveacutes de una malla de platino metaacutelico Eacuteste es
e
a baja presioacuten para aprovechar el efecto entropico es decir la formacioacuten de 10
moles de gas a partir de 9 moles de gas (una aplicacioacuten del principio de Le Chatelier)
para desplazar el equilibrio a la derecha
Ingenieriacutea Quiacutemica 67
UAM-I
4NH3(g) + 5O2(g) 4NO(g) + 6H2O(g)
Se agrega maacutes oxiacutegeno para oxidar el monoacutexido de nitroacutegeno a dioacutexido de nitroacutegeno
A fin de mejorar el rendimiento de esta reaccioacuten exoteacutermica se extrae calor de los
ases y la mezcla se somete a presioacuten
2HNO3(l) + NO(g)
Esta reaccioacuten tambieacuten es exoteacutermica y una vez maacutes se aplica enfriamiento y alta
la
egunda etapa para oxidarlo de nuevo
La contaminacioacuten s de aacutecido niacutetrico
as plantas maacutes antiguas eran faacutecilmente identificables por la fumarola cafeacute-
antas maacutes antiguas ahora mezcla cantidades
en Estados Unidos porque un 20
dedica ala produccioacuten de explosivos
or ultimo el aacutecido niacutetrico es un liacutequido que hierve a 826degC No existe como liacutequido
g
2NO(g) + O2(g) 2NO2(g)
El dioacutexido de nitroacutegeno se mezcla con agua para dar una solucioacuten de aacutecido niacutetrico
3NO2(g) + H2O(l)
presioacuten par obtener el maacuteximo rendimiento El monoacutexido de nitroacutegeno se vuelve a
s
soliacutea ser un problema importante de las planta
L
amarillento del dioacutexido de nitroacutegeno que escapaba por ellas Las plantas maacutes
antiguas eran faacutecilmente identificable por la fumadora cafeacute-amarillo del dioacutexido de
nitroacutegeno que escapaba de ellas Las pl
estequiomeacutetricas de amoniaco con las oacutexidos de nitroacutegeno con lo cual se obtiene
dinitroacutegeno y vapor de agua ambos inocuos
NO(g) + NO2 (g) + 2NH3(g) 2N2(g) + 3H2O(g)
En todo el mundo alrededor del 80 del aacutecido niacutetrico se utiliza en la produccioacuten de
fertilizantes Esta proporcioacuten es de solo el 65
se
P
puro porque en alguna medida se descompone espontaacuteneamente como sigue
4HNO3(l) 4NO2(g) + 2H2O(l) + O2(g)
Ingenieriacutea Quiacutemica 68
UAM-I
El aacutecido niacutetrico concentrado que se usa en el laboratorio estaacute al 68 en masa HNO3
(densidad 142 gcm3) lo que corresponde a 157 M
l aacutecido niacutetrico es un poderoso agente oxidante El nuacutemero de oxidacioacuten del N en el
) El aacutecido niacutetrico puede oxidar
nto a metales que estaacuten abajo del hidroacutegeno como aquellos que se encuentran
4Zn2+(ac) + NH4
+(ac) + 3H2O(l)
do no oxida al oro Sin embargo cuando se mezcla con
cido clorhiacutedrico concentrado en relacioacuten 13 en volumen (una parte de HNO3 a tres
partes al oro
omo sigue
APEacuteNDICE F
ETODO DE DEPOSICIOacuteN-PRECIPITACIOacuteN
E
HNO3 es + 5 Los productos maacutes comunes de la reduccioacuten del aacutecido niacutetrico son el
NO2 (N = + 4) el NO (N = + 2) y el NH4+ (N = - 3
ta
arriba en la serie de actividades Por ejemplo el cobre es oxidado por el aacutecido niacutetrico
concentrado como se mencionoacute antes
En presencia de reductores fuertes como el zinc metaacutelico el aacutecido niacutetrico se puede
reducir hasta ion amonio
4Zn(s) + 10H+(ac) + NO3
-(ac)
El aacutecido niacutetrico concentra
aacute
de HCl) la disolucioacuten resultante denominada agua regia puede oxidar
c
Au(s) + 3HNO3(ac) + 4HCl(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O(l) + 3NO2(g)
M
Ingenieriacutea Quiacutemica 69
UAM-I
APEacuteNDICE G
ISENtildeO DEL MEZCLADOR [4]
1) 100 ml H2O gr soporte
2) NH4(OH)
Ajustar a PH = 9 4) HAuCl4 (solucioacuten acuosa al 25E-3M)
6) Filtrado o centrifugado
3) En Agitacioacuten por 2 hr
8) Secado por 2hr a 80 degC
9 ) Calcinado por 4hr a 400 degC
7) Lavado
5) Antildeegamiento por 30 min
D
Ingenieriacutea Quiacutemica 70
UAM-I
El disentildeo de un tanque agitado dis n nuacutemero de elecciones sobre el
po y localizacioacuten del agitador las proporciones del tanque el nuacutemero y dimensiones
ada una de estas decisiones afectan a la velocidad
e circulacioacuten del liacutequido los modelos de velocidad y el consumo de potencia Como
pone de un gra
ti
de las placas deflectoras etc C
d
punto de partida en el disentildeo de los problemas ordinarios de agitacioacuten generalmente
se utiliza un agitador de turbina del tipo que se muestra en la figura 1 La proporcioacuten
tiacutepica es
31
=t
a
DD
1=tD
H 121
=tD
J 51
=aD
W 41
=aD
L
de estas ecuaciones se disentildeara el mezclador como datos se tiene el valor H que es
igual a 3 mts y el diaacutemetro del tanque D
Se determinara la medida de los reflectores
t que es igual 3 mts
121
=tD
J se despeja J
elacioacuten R31
=t
a
DD
se despeja Da
Relacioacuten
41
=aD
L se despeja L
elacioacuten se despeja W
( ) ( ) cmmtsmtsDJ 25250311==⎟
⎞⎜⎛=⎟
⎞⎜⎛= t 1212 ⎠⎝⎠⎝
( ) ( ) mtsmtsDD ta 1331
31
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=
( ) ( ) mtsmtsDL a 250141
41
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛= cm25=
51
=aD
WR
Ingenieriacutea Quiacutemica 71
UAM-I
Figura 2 a) Vista transversal del mezclador b) paletas del mezclador con la
donde se deposita el soporte
Figura 1 Medidas de un agitador de turbina
a) b)
s rejillas
H
J
E L
Da
D t
W
W
( ) ( ) cmmtsmtsDW a 2020151
5==⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎜⎝
=1 ⎞⎛
Ingenieriacutea Quiacutemica 72
UAM-I
CAPITAL FIJO
La Tabla 4 muestra el costo de los equipos requeridos en la planta asiacute como el
Capital Fijo y la Inversioacuten del Capital Total
Tabla 4 El equipo se costeo usando las correlaciones de Ulrich [6] y empleando el
programa de Capcost
EQUIPO USD
4 Contenedores 23584
4 Agitadores (456kW) 269760
1 Horno (25 kW) 15700
15 Bombas (1469kW) 43081
1 Motor (114 kW) 67440
Tuberiacuteas 42150
2 Cisternas 174183
Vaacutelvulas 1283
Accesorios
(codos 90ordm y de 45ordm te)
1474
CAPITAL FIJO 638655
Capital de Trabajo 9579825
INVERSIOacuteN DE
CAPITAL TOTAL
73445325
Los caacutelculos y las correlaciones empleadas para el costeo del equipo se anexan en
el Apeacutendice A
Ingenieriacutea Quiacutemica 41
UAM-I
GASTOS GENERALES
Tabla 5 Proporciona el total de gastos anuales con lo cual se estima el precio por
kilo de catalizador y por unidad purificadora
Tabla 5 Gastos Generales anuales
USDAntildeo
Materias Primas 531697680
Mano de Obra de Operacioacuten 1082280
Mano de Obra de Oficina 4091930
Servicios Electricidad 2620100
Total de Gastos Generales 539491990
CFE
Produccioacuten diaria de Catalizador = 574 Kg
Precio de Catalizador = 40 USDKg
Produccioacuten diaria de unidades purificadoras = 500
Precio por unidad = 50USD
Ganancia diaria = 22960 USD
Ganancia Anual = 5510400 USD
DETERMINACIOacuteN DE LA RENTABILIDAD DEL PROYECTO
TPI (Actual) = 10
PR (Factor de riesgo) = 25
TREMA = TPI + PR
TREMA = 35
TIR (del proyecto) = 90
TIR gt TREMA
Puesto que la TIR es mayor que la TREMA se tiene que el proyecto es rentable [6]
Ingenieriacutea Quiacutemica 42
UAM-I
310 CONCLUSIONES
En el desarrollo de la industria para la fabricacioacuten de catalizadores se tuvo un
resultado satisfactorio a pesar de la falta de informacioacuten disponible acerca de
industrias de catalizadores debido a que esta informacioacuten no es publica El proyecto
que elaboramos es novedoso en nuestro paiacutes ya que no existen registros de una
industria que produzca catalizadores de oro soportados en aluacutemina
Durante el desarrollo del proyecto se planteoacute trabajar con compuestos como NOx y
COVS sin embargo debido a la falta de tiempo no se logroacute concluir la
experimentacioacuten en estos campos Debido a esto se tomoacute la decisioacuten de trabajar en
la oxidacioacuten cataliacutetica de CO Esto debido a varios factores por ejemplo la
disponibilidad de gases y sobre todo los costos que esto implicaba
Para el desarrollo del catalizador se analizaron diferentes tipos de preparacioacuten y se
eligieron dos meacutetodos diferentes Deposicioacuten-precipitacioacuten e Impregnacioacuten Los
catalizadores se evaluaron bajo diversas condiciones en la oxidacioacuten de CO El
catalizador que presentoacute mayor conversioacuten con el catalizador a baja temperatura fue
el sintetizado por el meacutetodo de Deposicioacuten-precipitacioacuten el cual se utilizoacute para el
disentildeo de la Industria El disentildeo estaacute basado en la forma de preparacioacuten del
catalizador Por esto la parte maacutes importante de la planta es el tanque de mezclado
el cual se disentildeo tomando en cuenta los diferentes disentildeos de agitadores para tener
un mezclado oacuteptimo Se incorporo en la parte superior del agitador las canastillas
para las pastillas cataliacuteticas y el tipo de Horno que se usara para el secado y
posteriormente el calcinado Una parte importante es la produccioacuten de catalizador
para este problema se investigoacute en que parte se podriacutea utilizar a diferencia de los
catalizadores para automoacuteviles Se llego a la decisioacuten de poder desarrollar un
catalizador para los calentadores de agua se obtuvo informacioacuten de la fabrica de
calentadores cal-o-rex en la produccioacuten diaria de calentadores y de esta informacioacuten
se pudo calcular la posible demanda de nuestro producto Una parte importante en
las industrias son el tipo de bombas ya que existen diversos modelos en nuestro
disentildeo se escogioacute las bombas centriacutefugas con rodetes para agua que contiene
pequentildeas partiacuteculas de soacutelidos
En la parte de servicios para personal se investigo los sueldos de cada empleado Se
determinoacute el costo de los equipos y finalmente llegamos a la parte que nos interesa
Ingenieriacutea Quiacutemica 43
UAM-I
del disentilde es decir si el proyecto es rentable o no En este caso particular se tuvo un
valor aceptable y se definioacute que el disentildeo es rentable Esto indica que seria una
industria que tendriacutea ganancias y a la vez que el producto que se fabrique nos
ayudaraacute a todos a reducir la emisioacuten de CO en los hogares aportando una pequentildea
ayuda al medio ambiente
COMENTARIOS
Los conocimientos adquiridos durante este tiempo fueron provechosos en la parte
teoacuterica y praacutectica aclaramos dudas de como y porque se comportan las reacciones
quiacutemicas y los procesos de flujos Durante el desarrollo del proyecto aprendimos a
observar y la importancia de entender fiacutesicamente las algunos procesos relacionados
con la siacutentesis y caracterizacioacuten de materiales cataliacuteticos
Ingenieriacutea Quiacutemica 44
UAM-I
38 BIBLIOGRAFIacuteA
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UAM-I
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[29] Secretaria de Trabajo y Previsioacuten Social Comisioacuten de Salarios Miacutenimos
Ingenieriacutea Quiacutemica 46
UAM-I
APEacuteNDICE A
CRITERIOS PARA DETERMINAR QUIEacuteN CONTROLA EL PROCESO
Criterio de weisz para difusioacuten interna
Ec(12-16 Fogler) Los valores que se sustituyen en las siguientes ecuaciones fueron
tomados del catalizador que se analizo en el laboratorio
CWP = ( )
AS
cObsA
DeCRcr 2minus
lt 1
-rA(Obs) = velocidad de reaccioacuten observada molgcats Cc = concentracioacuten volumeacutetrica molm3
CAS = concertacioacuten en la superficie molm3
D= diaacutemetro del granulo m R = radio del granulo m De = difusividad efectiva m2s
d = 0149mm mxmm
m 4104911000
1 minus=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
CWP = ( )( )3
32
24
33
103470184200350
21049150800010681
minus
minusminus
=⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞⎜
⎝⎛
x
mmol
hrm
mxcatm
gcathgcat
molx
734x10-3 lt 1 No hay limitante por la difusioacuten interna
Ingenieriacutea Quiacutemica 47
UAM-I
Criterio de mears para difusioacuten interna Ec(12-62 Fogler)
Mm = 150ltAbc
bA
CkRnr ρminus
Mm =( )( )
0570
136000184200220
31110457508000106851
3
53
3
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ minusminus
hrs
mmol
sm
mxcatmgcat
hgcatmolx
0057 lt 015 no hay efecto de transferencia de masa externa Calculo de Dab para calcular el coeficiente de trasferencia de masa Ec(78 Lobo)
De =
KAAB DD11
1
+
DKA = 970X103 (80X10-8)(s
cmK 221 1090)
2400( =
DAB = 00018583ABAB
BA
PMMT
Ω
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ +
2
2123 11
γ
Para CO
0110=isin
Bk 0593 A=γ
Para O2
Ingenieriacutea Quiacutemica 48
UAM-I
0113=isin
Bk 0453 A=γ
( ) 51343359321
=+=ABγ
( )( )[ ] 21113110BAB k=isin A la temperatura de 400degK
( ) 583))113)(110((
40021 =
deg=
isin B
B
AB
B
KKKTK
Ω AB = 0907 Sustituyendo
DAB =s
cm2
2
2123
9730)9070()513(
)21281()400(00185830=
+
De = hrm
hrs
cmm
scm 222
03501
3600100
10980
10901
97301
1=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
+
Calculo de Kc Sh = (Re)12(Sc)13
Velocidad superficial
V = sm
shr
hrm
mxhr
m
Av
c
02036001976
1087
006025
3
0 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛== minus
Ingenieriacutea Quiacutemica 49
UAM-I
Re= ( ) 240)1062)(501(
)10491)(020(
1 25
4
=minus
=minus minus
minus
smx
mxsmvd p
νφ
Sc= 672)3600
1)(0350(
10622
25
==minus
shr
hrm
smx
Dv
AB
Sh= ( 024 )12 ( 267 )13 = 0679
Kc = Shdp
DAB⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛minusφ
φ1
Kc = ( )sm
mxs
mx02206790
10491
10729
50501
4
26
=⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛minus
minus
minus
Calculo de numero Thile con el radio que usara a nivel industrial
φ = L ( )DkCn n
AS
21 1minus+
L = 3R
Sustituyendo
φ = 66x10-4 m( )
( )
450
03502
018420
5480941311
3
30
3330
313
=
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+
catmhrm
mmol
hrcatmmolm
η = 1 con los resultados anteriores se observa que quieacuten limita es la velocidad de
reaccioacuten Por lo que se procede a calcular el peso y longitud de catalizador
necesaria para muestro purificador sustituyendo los valores del Boiler
Ingenieriacutea Quiacutemica 50
UAM-I
Peso del Catalizador w =
( ) grcatgcatLn
gcatm
mmol
hrcatmmolm
hrm
xLn
kCv
A
66476639401
1
6000001578
548094
19836
11
330
3330
313
3
0
0 asymp=minus
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
minus
g 664=w
33
3
1011
mg60000
g 664 mxwv minus===ρ
m 035003101011
2
33
==minus
mmxL
cm 531000350 == xL
Ingenieriacutea Quiacutemica 51
UAM-I
APEacuteNDICE B BALANCE DE MASA DE LA PREPARACIOacuteN DE HAUCL4 Au(g) + 3HNO3(ac) + 4HCL(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O + 3N02(g) (152 M) (105M)
cantidad de mol Au = 05 kg Au x molAu
grAumolAux
kggr 542
971961
11000
=
cantidad de kg HNO3 = ( ) 33
33 480
10001
1635423 kgHNO
grkgx
molHNOGRHNOxHNOmol =
cantidad de kgHCl = ( ) kgHClgr
kgxmolHCl
grHClHClxmol 3701000
11
5365424 =
cantidad de kgHAuCl4 = 254molHAuCl4 x 44
8601000
11
97339 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
gr=
cantidad de kgH2O = 3( 254mol)H20 x OkgHgr
kgxOmolHOgrH
22
2 1401000
1118
=
cantidad de Lt H20 = 762molHNO3 x OltHOkgHOLtH
22
2 14011
=
cantidad de Lt H20 = 1016 mol HNO3 x 050215
012
2 LtHmol
LtH=
cantidad de LtH20 = 1016mol HCl x OLtHLtHmolHCl
LtH22
2 010970510
01asymp=
cantidad de MHAUCl4 = ( ) ( ) ( ) MHltltlt
ClmolHAU 7210850490140
542
2
4 asymp++
cantidad de kg NO2(g) = 3( 254mol)NO2 x )(22
2 3501000
1146
SkgNOgr
kgxmolNO
grNO=
Ingenieriacutea Quiacutemica 52
UAM-I
05 kg Au 048 kgHNO3 035 kgNO2 101021 kgH20 (152M) 037 kgHCl(ac)
(105 m) 086 kg HAuCl4 (ac) 086 kg HAuCl4 (ac)
(17 M) 014 kgH20 (25x10-3M) 014kg H20 (L) 086kg HAuCl4 035kgNO2 (g) 101185kg H20 Cantidad de H20 = 086 kgHAuCl4
x 08510110101
105201
173341
11000
22
23
24 kgHLtHkgHx
MxltHx
grmolHAuClx
kggr
=minus
pero (101185 ndash 014 ndash 05 ndash 1) kg H20 = 101021 kg H20 100ml H20 por 1 gr soporte 35kg NH4 (OH)(AC) 10000kgH20 100 kg γAl203 (9965) 035kgAu (035) 100kg γAl203 025kgCl2 086kg HAuCl4 026kgHAuCl4
101185 kg H20 35kgNH4 (OH)(AC) 1101185kgH20 cantidad de kgHAuCl4 = 015kgAu x
44
4 2601000
11
973391
197196
147196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxgrAu
molxkg
gr=
cantidad de NH4(OH) = 100kg γ Al203 x
Ingenieriacutea Quiacutemica 53
UAM-I
kgNHxmol
grx
mlmol
xOAlgr
OHmlNHx
kg
gr53
10001
1
35
100010
1
)(10
1
1000
32
4=
γ4(OH)
30kg γAL2O3 1 kgNH4(OH)(AC) 30 kg γ Al203 (9965) 010 kg Au (035) 026kgHAuCl4 007kg Cl2 35kgNH4(OH) 1101185 kgH2O 0086kgHAuCl4 45 kg NH4(OH)(AC) 1101185 kg H20
cantidad de γ Al2O3 = 026kgHAuCl4 x 324
32 02330860
100 AlkgkgHAuCl
OAlkg γγ=
cantidad de kgAu = 035 x kgAukg 10506599
30=
cantidad de kg Cl2 = 01 kgAu x
22
2 07201000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de HAuCl4 = 005kgAu x
44
4 08601000
11
973391
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 54
UAM-I
cantidad de kgNO4(OH) = 30 kg γ Al203 x ( )OHkgNHAlkg
OHkgNO4
32
4 0510100
)(53=
γ
105 kg γ Al203 035 kg NH2(OH) 105 kg γ Al203 (9965) 004 kg Au (035) 009kg HAuCl4 003 kg Cl2 45kgNH4(OH) 1101185 kg H20 0017kgHAuCl4 485kgNH4 (OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 009 HAuCl4 x 324
32 04710860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad kg de NH4 (OH) = 105kg γ Al203 x ( ) )(3500100
534
32
4 OHkgNHAlkg
OHkgNH=
γ
cantidad de Cl2 = 004 kg Au x
22
2 02901000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
gAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 =
44
44 02001701000
11
973391
197196
11
1000010 kgHAukgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgr
molAuxkg
grkgAux asymp=
Ingenieriacutea Quiacutemica 55
UAM-I
23 kg γ Al203 008kgNH4(OH) 002 kg HAuCl4 23 kg γAl203 (9965) 485kgNH4(OH) 0008kgAu(035) 1101185kg H2 0001kg Cl2
0014 kg HAuCl4 493kgNH4(OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 002kgHAuCl4 x 324
32 032860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad de kg Au = 035 x kgAukg 00806599
32=
cantidad de kgCl2 = 0002kgAu x
24
4 00101000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 = 0008kgAu x
44
44 01401000
11
973341
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 56
UAM-I
APEacuteNDICE C ACCESORIOS EN EL DISENtildeO
Agitador
Agitadores de Heacutelice se escogioacute este tipo de agitador por ser tener las siguientes
caracteriacutesticas [3]
bull Es un agitador de flujo axial
bull Se emplea para liacutequidos pocos viscosos
bull Giran a toda la velocidad del motor
bull Las corrientes de flujo se mueven a traveacutes del liacutequido en una direccioacuten
determinada hasta que son desviadas por el fondo o las paredes del tanque
bull Las palas de la heacutelice cortan o friccionan vigorosamente el liacutequido
bull Los agitadores de heacutelice son eficaces para tanques de gran tamantildeo
Horno
bull El horno se escogioacute por ser tener las siguientes caracteriacutesticas [5]
bull El horno de construccioacuten metaacutelica
bull La caacutemara de combustioacuten estaacute construida mediante hormigones refractarios
de alta resistencia mecaacutenica
bull Las materias secar y calcinar se carga de forma manual
Ingenieriacutea Quiacutemica 57
UAM-I
Bomba
DISENtildeO Bomba centrifuga para operacioacuten horizontal o vertical del impulsor
cerrado succioacuten al extremo descarga hacia arriba tangencial simple succioacuten de un
paso con carcaza partida verticalmente [3]
ROTACIOacuteN En el sentido del reloj vista desde el cople
CARACTERIacuteSTICAS Conexiones brindadas con registro ubicado en la cabeza de
succioacuten para facilitar su limpieza
SERVICIO Debido a que es posible colocarla en posicioacuten horizontal o vertical tanto
en caacutercamos secos como huacutemedos y por el disentildeo de su impulsor que soacutelidos de
gran tamantildeo esta bomba es ideal para los procesos de tratamientos de agua y
manejo de liacutequidos en suspensioacuten en general
CAPACIDADES
GASTO Hasta 3000 GPM
CDT Hasta 80rsquo
PRESIOacuteN 106 Kgcmsup2
POTENCIA De 1 a 60 Hp
VELOCIDAD (1175 - 3550 RPM)
TEMPERATURA 125degC
Ingenieriacutea Quiacutemica 58
UAM-I
Bombas Centriacutefugas
Las maquinas centriacutefugas estaacuten constituidas por un impulsor o rodete formado por
una serie de aletas radiales diversas formas y curvaturas que giran dentro de una
caja circular El fluido penetra por el ojo o eje de rotacioacuten y se descarga maacutes o
menos radialmente en una caacutemara perifeacuterica a una elevada presioacuten que
corresponde a la suma de la fuerza centriacutefuga de la rotacioacuten maacutes la cineacutetica
comunicada al fluido por las aletas La parte moacutevil de la bomba es el rodete Las
aletas del rodete se extienden desde el centro de rotacioacuten hacia la periferia y las
bridas son los discos de refuerzo a cada lado de las aletas que las envuelven Las
aletas pueden ser radiales curvadas ligeramente hacia delante en el mismo sentido
de la rotacioacuten o estar curvadas al reveacutes en el caso maacutes comuacuten en el disentildeo se
determino el rodete siguiente por sus caracteriacutesticas Fig 1
Figura 1 Corte parcial de un rodete de centriacutefuga para grandes cargas y secciones
de paso estrechas empleando con liacutequidos corrosivos o suspensiones de pequentildeas
partiacuteculas[4]
Ingenieriacutea Quiacutemica 59
UAM-I
APENDICE D CALCULO DE POTENCIA DE BOMBAS (8)
Potencia de la bomba de la cisterna 1 que alimenta a los mezclador 4
Ecuacioacuten de Bernoulli
sum sumint =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛+++∆+∆i i
i
P
P
evvfDLvwdphgv 0
21
21
ˆ1
21 222
2
1ρ
a b c d e f
a Diferencia de velocidades
b Diferencia de alturas
c Diferencia de presiones
d Trabajo
e Perdidas de friccioacuten en tuberiacuteas
f Perdidas de friccioacuten en accesorios
En la ecuacioacuten anterior se pueden eliminar algunos teacuterminos
21 mts
6 mts 35 mts
Figura 1 Balance de cisterna 1 a mezclador 4
Se debe de tener dos puntos de referencia para la utilizacioacuten de la ecuacioacuten de
Bernoulli de los cuales se anotaron en la figura 2
Ingenieriacutea Quiacutemica 60
UAM-I
21 mts
2 1 6 mts 35 mts
Figura 2
Teniendo los puntos de referencia se analiza que las diferencias de velocidades son
cero en ambos puntos por lo tanto el termino 2
21 ν∆ es igual a cero
El termino de = (981hg∆ 2segm )(35m ndash 0) = 34335 2
2
segm
El termino de int2
1
1P
P
dpρ
se tiene que la cisterna y el tanque de mezclado ambos no
estaacuten cerrados y por lo tanto no originan un cambio de presioacuten y el termino es cero
De esta expresioacuten L longitud de tuberiacutea
tro de tuberiacutea
n el interior del tubo
v
Para la l radio del tubo que
sum ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
i
fDL2
21 ν
D diaacuteme
f perdidas de friccioacuten e
velocidad del flujo de agua
obtencioacuten de la velocidad se tiene el flujo volumeacutetrico y e
es de 32 cm =0032mts con la ecuacioacuten
Ingenieriacutea Quiacutemica 61
( )( ) sm
ms
m
RQ 761
032060min1)
min340(
2
3
2 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
==ππ
ν
UAM-I
Se reportan valores de perdida de fr
e reduce teacuterminos
iccioacuten en tubos que son igual a 005
Por lo tanto sustituyendo los teacuterminos en la ecuacioacuten de Bernoulli s
sum sumint =⎟⎠
⎜⎝
+⎟⎠
⎜⎝
+++∆+∆i i
iP
evvfD
vwdphgv 022
ˆ2
1ρ
⎞⎛⎞⎛ L 111 2222
or tanto el termino de trabajo queda expresado de la siguiente manera
tanto la bomba comunica al fluido que circula en el sistema un trabajo
+11727
P1
p w
sum sum ∆minus⎟⎠⎞
⎜⎝⎛minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛minus=
i ii
hgevvfDLvw 22
21
21
ˆ
( ) ( )
Este es el trabajo ( por unidad de masa) producido por el fluido en la bomba por lo
22
sm o 11727 981 = 1195
m
fKg
Kgm
La velocidad de flujo de masa es
Por lo tanto
1 )=6694
951)(675(ˆ =minus=minus WwW smkg f = 088Hp = 1Hp
Siendo esta ida para esta bomba El procedimiento anterior se
iguioacute para cada bomba de la planta
AP E
la potencia requer
s
EacuteNDICE
TOXICOLOGIacuteA DE MATERIAS PRIMAS [6]
( ) ( ) ( )( ) ( )( )msm
smmmm
sm 538192201150761
21050
032021536761
21
2
22minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ +minus⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ++
minus=wm
22
27117ˆ smw minus=
( )s
kgmkgQw m675100060340 3 === ρ
Ingenieriacutea Quiacutemica 62
UAM-I
HIDROacuteXIDO DE SODIO
Polvo corrosivo blanco delicuescente
Toxicidad
Concentracioacuten Maacutexima permisible 2mgm3 en aire
Signos y Siacutentomas Conjutivitis quemaduras corneales y de la piel Irritacioacuten
seas vomito dolor abdominal y diarrea a veces con
Lavado de las partes afectadas tranquilizantes sulfato de
decuada gafas protectoras o pantallas para
ignos y Siacutentomas Irritacioacuten de ojos quemaduras corneables tos dolores
l hemoptisis dolor de cabeza dolor epigaacutestrico nauseas y vomito
lmonar
Tratamiento lavado de ojos con agua reposo oxigeno con aparato de respiracioacuten
con onantes
ACIDO NITRICO
Liquido corrosivo sofocante de incoloro a amarillento
ioacuten maacutexima permisible 10ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
del tracto respiratorio nau
sangre
Tratamiento
morfina para el dolor y cortisona
Medidas preventivas Ventilacioacuten a
la cara completa mascarilla con filtro mecaacutenico guantes delantares botas de
goma y acentuar la limpieza personal
CLORO
Gas pasado amarillo verdoso
Toxicidad
Conc Maacutexima permisible 1 ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten
S
retrosterna
debilidad cianosis y edema pu
trolada bronco dilatadores y descongesti
Toxicidad
Concentrac
Ingenieriacutea Quiacutemica 63
UAM-I
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
Signos y siacutentomas Erosioacuten dental estornudo tos Dolor en el pecho bronquitis y
la las partes contaminadas del cuerpo con solucioacuten al 5 de
de las quemaduras con pantildeos
de triacuteo sulfato soacutelido si se a ingerido
vado de ojos con agua
ACIDO CLORIDRICO
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
ivitis necrosis corneal por inhalacioacuten rinitis erosioacuten
dolor de cabeza palpitacioacuten por ingestioacuten
s en la boca faringe esoacutefago estomago salivacioacuten vomito Soc
agua lavada de agua y jaboacuten de las partes
preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
AacuteC
El c
con o de hidroacutegeno una
concentracioacuten de 12 molLt Este aacutecido es un liacutequido incoloro con un olor aacutecido
bronconeumoniacutea
Tratamiento
bicarbonato soacutelido o con agua y jaboacuten Tratamiento
mojados con solucioacuten saturada
administracioacuten por viacutea oral de solucioacuten de jaboacuten Hidroacutexido caacutelcico o alumiacutenico u
oacutexido de magnesio
Medidas preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores excluir de la exposicioacuten
a los individuos con enfermedades de pulmones y rintildeones
Gas incoloro o liacutequido o a amarillento
Toxicidad
Concentracioacuten maacutexima permisible 5ppm en aire
Signos y siacutentomas conjunt
dental laringitis bronquitis neumoniacutea
quemadura
nefritis
Tratamiento lavado de ojos con
contaminantes del cuerpo tratamiento ordinario de quemaduras lavado gaacutestrico
se a ingerido con solucioacuten de bicarbonato soacutedico al 5 seguido de una instilacioacuten
de gel de hidroacutexido de aluminio
Medidas
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores
IDO CLORHIacuteDRICO
loruro de hidroacutegeno es en extremo soluble en agua de hecho el aacutecido clorhiacutedrico
centrado contiene cerca del 38 en masa de clorur
Ingenieriacutea Quiacutemica 64
UAM-I
pronunciado que se debe al equilibrio entre el cloruro de hidroacutegeno gaseoso y
ste con el aacutecido fluorhiacutedrico el aacutecido clorhiacutedrico es un aacutecido fuerte (pKa = -
7) y se ioniza casi totalmente
gar de aacutecido sulfuacuterico auque en menor grado Por
jemplo el zinc metaacutelico reacciona con aacutecido clorhiacutedrico para dar el ion zinc e
hidroacutegeno gaseoso
Zn(s) + 2HCl(ac) ZnCl2(ac) + H2(g)
l para producir aacutecido clorhiacutedrico en el laboratorio es generar
cloruro de hidroacutegen e sodio y el aacutecido
ulfuacuterico En el primer paso a 150degC se forma hidroacutegeno sulfato de sodio
NaHSO4(s) + HCl(g)
io y maacutes
loruro de hidroacutegeno gaseoso Luego el gas se disuelve en agua para formar el
aacutecido
NaHSO4(s) + NaCl(s) Na2SO4(s) + HCl(g)
acuoso
HCl(ac) HCl(g)
El reactivo de grado teacutecnico a menudo tiene un color amarillento por una impureza
del ion hierro (III)
En contra
HCl(ac) + H2O(l) H2O+(ac) + Cl -(ac)
Por ello a menudo se prefiere usar aacutecido clorhiacutedrico diluido en lugar de aacutecido niacutetrico
que es muy oxidante y en lu
e
Cuando el zinc reacciona con el aacutecido niacutetrico es comuacuten que se reduzca una parte
del ion nitrato para dar dioacutexido de nitroacutegeno
El meacutetodo tradiciona
o gaseoso por la reaccioacuten entre el cloruro d
s
NaCl(s) + H2SO4(l)
La mezcla se calienta a 550degC temperatura a la cual el hidroacutegeno sulfato de sodio
reacciona con un exceso de cloruro de sodio para formar sulfato de sod
c
∆
Este meacutetodo se usa tambieacuten en la industria otra forma de producir cloruro de
hidroacutegeno es por la combinacioacuten directa de dicloro y dihidroacutegenogaseosos
Ingenieriacutea Quiacutemica 65
UAM-I
H2(g) + Cl2(g) 2HCl(g)
La mayor cantidad de cloruro de hidroacutegeno que se produce actualmente es un
CH4(g) + 4Cl2(g) 4(l) + 4HCl(g)
riacuten de superficies de acero en un bantildeo aacutecido en la purificacioacuten de glucosa
y jarabe de maiacutez e s y de gas y en la
bricacioacuten de compuestos clorados El aacutecido se puedo comprar en muchas
nducida por la luz
4HNO3(ac) 4NO2(g) + O2(g) + 2H2O(l)
niacutetrico como disolvente)
H2NO3+ H2O + NO2
+
l siguiente
3HNO NO3 ndash
subproducto de otros procesos industriales como la siacutentesis de tetracloruro de
carbono
CCl
Se consumen cerca de 107 toneladas de aacutecido clorhiacutedrico cada antildeo en todo el
mundo Este aacutecido tiene una gama muy amplia de usos como aacutecido comuacuten para
eliminar o
n el tratamiento con aacutecido de pozos petrolero
fa
ferreteriacuteas con el arcaico nombre de aacutecido muriaacutetico sus principales usos caseros
son la limpieza de superficies de concreto y la eliminacioacuten de herrumbre Un nuacutemero
muy reducido de personas es incapaz de sintetizar suficiente jugo gaacutestrico y deben
de ingerir caacutepsulas de aacutecido clorhiacutedrico diluido con cada comida
AacuteCIDO NIacuteTRICO
El aacutecido niacutetrico un liacutequido aceitoso e incoloro en estado puro es sumamente
peligroso El aacutecido que funde a ndash42degC y hierve a +83degC tiene por lo general un
ligero color amarillo a causa de una reaccioacuten de descomposicioacuten i
En un estado puro el aacutecido niacutetrico liacutequido praacutecticamente no conduce la electricidad
Una pequentildea porcioacuten se ioniza como sigue (todas estas especies existen en el aacutecido
2HNO3(l) H2NO3+ + NO3
ndash
H2O + HNO3 H3O+ + NO3 ndash
Para dar la reaccioacuten globa
3 NO2+ + H3O + 2+
Ingenieriacutea Quiacutemica 66
UAM-I
El catioacuten nitrilo es importante en la nitracioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas por ejemplo la
obenceno C6H5NO2 una etapa importante en
umerosos procesos industriales orgaacutenicos
El aacutecido niacutetrico con en agua mientras
ue el ldquoaacutecido niacutetrico fumanterdquo un oxidante extremadamente poderoso es una
vez de ello se produce una mezcla de
sistema que da un orden de
vista industrial el
oceso
e lleva a cabo en tres etapas Primero se hace pasar una mezcla de amoniaco y de
dioxiacutegeno (o aire) un proceso muy
ficiente y exoteacutermico que hace que la malla se ponga al rojo Esta etapa se verifica
conversioacuten de benceno C6H6 en nitr
n
centrado es en realidad una solucioacuten al 70
q
solucioacuten roja de dioacutexido de nitroacutegeno en aacutecido niacutetrico puro Incluso cuando esta
diluido el aacutecido niacutetrico es un oxidante tan fuerte que rara vez desprende hidroacutegeno
cuando se pone en contacto con metales en
oacutexidos de nitroacutegeno y el metal se oxido a su catioacuten
Los enlaces O-N son mucho maacutes cortos (121 pm) que el enlace O-N unidos al aacutetomo
de hidroacutegeno (141 pm) Esta longitud de enlaces indica que hay enlaces muacuteltiples
entre el nitroacutegeno y los dos aacutetomos de oxiacutegeno terminales Ademas de los electrones
del sistema σ hay cuatro electrones que participan en el sistema π O-N-O dos de un
orbital enlazante y dos en un orbital no enlazante
enlace de 112 para cada uno de esos enlaces nitroacutegeno- oxiacutegeno
A veces se nos olvida hasta queacute punto nuestra experiencia depende de la
termodinaacutemica y la cineacutetica Por ejemplo la primera siacutentesis industrial de aacutecido
niacutetrico se llevaba ha cabo por simple combinacioacuten de diniacutetrogeno dioxiacutegeno y agua
utilizando un horno de arco eleacutectrico a fin de proporcionar la energiacutea necesaria par
superar la muy elevada barrera cineacutetica Aunque desde el punto de
factor cineacutetico constituiacutea un problema en realidad es una bendicioacuten por que sin esta
barrera cineacutetica hace mucho tiempo que todo el dioacutexido de la atmoacutesfera se abriacutea
transformado en aacutecido niacutetrico y nuestros mares serian de aacutecido niacutetrico diluido
frac12 N2(g) + 54O2(g) + 12H2O(g) HNO3(g)
Ahora se utiliza el proceso Ostwald para la siacutentesis de aacutecido niacutetrico Este proceso
consume gran parte del amoniaco que se produce por el proceso Haber El pr
s
a traveacutes de una malla de platino metaacutelico Eacuteste es
e
a baja presioacuten para aprovechar el efecto entropico es decir la formacioacuten de 10
moles de gas a partir de 9 moles de gas (una aplicacioacuten del principio de Le Chatelier)
para desplazar el equilibrio a la derecha
Ingenieriacutea Quiacutemica 67
UAM-I
4NH3(g) + 5O2(g) 4NO(g) + 6H2O(g)
Se agrega maacutes oxiacutegeno para oxidar el monoacutexido de nitroacutegeno a dioacutexido de nitroacutegeno
A fin de mejorar el rendimiento de esta reaccioacuten exoteacutermica se extrae calor de los
ases y la mezcla se somete a presioacuten
2HNO3(l) + NO(g)
Esta reaccioacuten tambieacuten es exoteacutermica y una vez maacutes se aplica enfriamiento y alta
la
egunda etapa para oxidarlo de nuevo
La contaminacioacuten s de aacutecido niacutetrico
as plantas maacutes antiguas eran faacutecilmente identificables por la fumarola cafeacute-
antas maacutes antiguas ahora mezcla cantidades
en Estados Unidos porque un 20
dedica ala produccioacuten de explosivos
or ultimo el aacutecido niacutetrico es un liacutequido que hierve a 826degC No existe como liacutequido
g
2NO(g) + O2(g) 2NO2(g)
El dioacutexido de nitroacutegeno se mezcla con agua para dar una solucioacuten de aacutecido niacutetrico
3NO2(g) + H2O(l)
presioacuten par obtener el maacuteximo rendimiento El monoacutexido de nitroacutegeno se vuelve a
s
soliacutea ser un problema importante de las planta
L
amarillento del dioacutexido de nitroacutegeno que escapaba por ellas Las plantas maacutes
antiguas eran faacutecilmente identificable por la fumadora cafeacute-amarillo del dioacutexido de
nitroacutegeno que escapaba de ellas Las pl
estequiomeacutetricas de amoniaco con las oacutexidos de nitroacutegeno con lo cual se obtiene
dinitroacutegeno y vapor de agua ambos inocuos
NO(g) + NO2 (g) + 2NH3(g) 2N2(g) + 3H2O(g)
En todo el mundo alrededor del 80 del aacutecido niacutetrico se utiliza en la produccioacuten de
fertilizantes Esta proporcioacuten es de solo el 65
se
P
puro porque en alguna medida se descompone espontaacuteneamente como sigue
4HNO3(l) 4NO2(g) + 2H2O(l) + O2(g)
Ingenieriacutea Quiacutemica 68
UAM-I
El aacutecido niacutetrico concentrado que se usa en el laboratorio estaacute al 68 en masa HNO3
(densidad 142 gcm3) lo que corresponde a 157 M
l aacutecido niacutetrico es un poderoso agente oxidante El nuacutemero de oxidacioacuten del N en el
) El aacutecido niacutetrico puede oxidar
nto a metales que estaacuten abajo del hidroacutegeno como aquellos que se encuentran
4Zn2+(ac) + NH4
+(ac) + 3H2O(l)
do no oxida al oro Sin embargo cuando se mezcla con
cido clorhiacutedrico concentrado en relacioacuten 13 en volumen (una parte de HNO3 a tres
partes al oro
omo sigue
APEacuteNDICE F
ETODO DE DEPOSICIOacuteN-PRECIPITACIOacuteN
E
HNO3 es + 5 Los productos maacutes comunes de la reduccioacuten del aacutecido niacutetrico son el
NO2 (N = + 4) el NO (N = + 2) y el NH4+ (N = - 3
ta
arriba en la serie de actividades Por ejemplo el cobre es oxidado por el aacutecido niacutetrico
concentrado como se mencionoacute antes
En presencia de reductores fuertes como el zinc metaacutelico el aacutecido niacutetrico se puede
reducir hasta ion amonio
4Zn(s) + 10H+(ac) + NO3
-(ac)
El aacutecido niacutetrico concentra
aacute
de HCl) la disolucioacuten resultante denominada agua regia puede oxidar
c
Au(s) + 3HNO3(ac) + 4HCl(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O(l) + 3NO2(g)
M
Ingenieriacutea Quiacutemica 69
UAM-I
APEacuteNDICE G
ISENtildeO DEL MEZCLADOR [4]
1) 100 ml H2O gr soporte
2) NH4(OH)
Ajustar a PH = 9 4) HAuCl4 (solucioacuten acuosa al 25E-3M)
6) Filtrado o centrifugado
3) En Agitacioacuten por 2 hr
8) Secado por 2hr a 80 degC
9 ) Calcinado por 4hr a 400 degC
7) Lavado
5) Antildeegamiento por 30 min
D
Ingenieriacutea Quiacutemica 70
UAM-I
El disentildeo de un tanque agitado dis n nuacutemero de elecciones sobre el
po y localizacioacuten del agitador las proporciones del tanque el nuacutemero y dimensiones
ada una de estas decisiones afectan a la velocidad
e circulacioacuten del liacutequido los modelos de velocidad y el consumo de potencia Como
pone de un gra
ti
de las placas deflectoras etc C
d
punto de partida en el disentildeo de los problemas ordinarios de agitacioacuten generalmente
se utiliza un agitador de turbina del tipo que se muestra en la figura 1 La proporcioacuten
tiacutepica es
31
=t
a
DD
1=tD
H 121
=tD
J 51
=aD
W 41
=aD
L
de estas ecuaciones se disentildeara el mezclador como datos se tiene el valor H que es
igual a 3 mts y el diaacutemetro del tanque D
Se determinara la medida de los reflectores
t que es igual 3 mts
121
=tD
J se despeja J
elacioacuten R31
=t
a
DD
se despeja Da
Relacioacuten
41
=aD
L se despeja L
elacioacuten se despeja W
( ) ( ) cmmtsmtsDJ 25250311==⎟
⎞⎜⎛=⎟
⎞⎜⎛= t 1212 ⎠⎝⎠⎝
( ) ( ) mtsmtsDD ta 1331
31
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=
( ) ( ) mtsmtsDL a 250141
41
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛= cm25=
51
=aD
WR
Ingenieriacutea Quiacutemica 71
UAM-I
Figura 2 a) Vista transversal del mezclador b) paletas del mezclador con la
donde se deposita el soporte
Figura 1 Medidas de un agitador de turbina
a) b)
s rejillas
H
J
E L
Da
D t
W
W
( ) ( ) cmmtsmtsDW a 2020151
5==⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎜⎝
=1 ⎞⎛
Ingenieriacutea Quiacutemica 72
UAM-I
GASTOS GENERALES
Tabla 5 Proporciona el total de gastos anuales con lo cual se estima el precio por
kilo de catalizador y por unidad purificadora
Tabla 5 Gastos Generales anuales
USDAntildeo
Materias Primas 531697680
Mano de Obra de Operacioacuten 1082280
Mano de Obra de Oficina 4091930
Servicios Electricidad 2620100
Total de Gastos Generales 539491990
CFE
Produccioacuten diaria de Catalizador = 574 Kg
Precio de Catalizador = 40 USDKg
Produccioacuten diaria de unidades purificadoras = 500
Precio por unidad = 50USD
Ganancia diaria = 22960 USD
Ganancia Anual = 5510400 USD
DETERMINACIOacuteN DE LA RENTABILIDAD DEL PROYECTO
TPI (Actual) = 10
PR (Factor de riesgo) = 25
TREMA = TPI + PR
TREMA = 35
TIR (del proyecto) = 90
TIR gt TREMA
Puesto que la TIR es mayor que la TREMA se tiene que el proyecto es rentable [6]
Ingenieriacutea Quiacutemica 42
UAM-I
310 CONCLUSIONES
En el desarrollo de la industria para la fabricacioacuten de catalizadores se tuvo un
resultado satisfactorio a pesar de la falta de informacioacuten disponible acerca de
industrias de catalizadores debido a que esta informacioacuten no es publica El proyecto
que elaboramos es novedoso en nuestro paiacutes ya que no existen registros de una
industria que produzca catalizadores de oro soportados en aluacutemina
Durante el desarrollo del proyecto se planteoacute trabajar con compuestos como NOx y
COVS sin embargo debido a la falta de tiempo no se logroacute concluir la
experimentacioacuten en estos campos Debido a esto se tomoacute la decisioacuten de trabajar en
la oxidacioacuten cataliacutetica de CO Esto debido a varios factores por ejemplo la
disponibilidad de gases y sobre todo los costos que esto implicaba
Para el desarrollo del catalizador se analizaron diferentes tipos de preparacioacuten y se
eligieron dos meacutetodos diferentes Deposicioacuten-precipitacioacuten e Impregnacioacuten Los
catalizadores se evaluaron bajo diversas condiciones en la oxidacioacuten de CO El
catalizador que presentoacute mayor conversioacuten con el catalizador a baja temperatura fue
el sintetizado por el meacutetodo de Deposicioacuten-precipitacioacuten el cual se utilizoacute para el
disentildeo de la Industria El disentildeo estaacute basado en la forma de preparacioacuten del
catalizador Por esto la parte maacutes importante de la planta es el tanque de mezclado
el cual se disentildeo tomando en cuenta los diferentes disentildeos de agitadores para tener
un mezclado oacuteptimo Se incorporo en la parte superior del agitador las canastillas
para las pastillas cataliacuteticas y el tipo de Horno que se usara para el secado y
posteriormente el calcinado Una parte importante es la produccioacuten de catalizador
para este problema se investigoacute en que parte se podriacutea utilizar a diferencia de los
catalizadores para automoacuteviles Se llego a la decisioacuten de poder desarrollar un
catalizador para los calentadores de agua se obtuvo informacioacuten de la fabrica de
calentadores cal-o-rex en la produccioacuten diaria de calentadores y de esta informacioacuten
se pudo calcular la posible demanda de nuestro producto Una parte importante en
las industrias son el tipo de bombas ya que existen diversos modelos en nuestro
disentildeo se escogioacute las bombas centriacutefugas con rodetes para agua que contiene
pequentildeas partiacuteculas de soacutelidos
En la parte de servicios para personal se investigo los sueldos de cada empleado Se
determinoacute el costo de los equipos y finalmente llegamos a la parte que nos interesa
Ingenieriacutea Quiacutemica 43
UAM-I
del disentilde es decir si el proyecto es rentable o no En este caso particular se tuvo un
valor aceptable y se definioacute que el disentildeo es rentable Esto indica que seria una
industria que tendriacutea ganancias y a la vez que el producto que se fabrique nos
ayudaraacute a todos a reducir la emisioacuten de CO en los hogares aportando una pequentildea
ayuda al medio ambiente
COMENTARIOS
Los conocimientos adquiridos durante este tiempo fueron provechosos en la parte
teoacuterica y praacutectica aclaramos dudas de como y porque se comportan las reacciones
quiacutemicas y los procesos de flujos Durante el desarrollo del proyecto aprendimos a
observar y la importancia de entender fiacutesicamente las algunos procesos relacionados
con la siacutentesis y caracterizacioacuten de materiales cataliacuteticos
Ingenieriacutea Quiacutemica 44
UAM-I
38 BIBLIOGRAFIacuteA
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UAM-I
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[29] Secretaria de Trabajo y Previsioacuten Social Comisioacuten de Salarios Miacutenimos
Ingenieriacutea Quiacutemica 46
UAM-I
APEacuteNDICE A
CRITERIOS PARA DETERMINAR QUIEacuteN CONTROLA EL PROCESO
Criterio de weisz para difusioacuten interna
Ec(12-16 Fogler) Los valores que se sustituyen en las siguientes ecuaciones fueron
tomados del catalizador que se analizo en el laboratorio
CWP = ( )
AS
cObsA
DeCRcr 2minus
lt 1
-rA(Obs) = velocidad de reaccioacuten observada molgcats Cc = concentracioacuten volumeacutetrica molm3
CAS = concertacioacuten en la superficie molm3
D= diaacutemetro del granulo m R = radio del granulo m De = difusividad efectiva m2s
d = 0149mm mxmm
m 4104911000
1 minus=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
CWP = ( )( )3
32
24
33
103470184200350
21049150800010681
minus
minusminus
=⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞⎜
⎝⎛
x
mmol
hrm
mxcatm
gcathgcat
molx
734x10-3 lt 1 No hay limitante por la difusioacuten interna
Ingenieriacutea Quiacutemica 47
UAM-I
Criterio de mears para difusioacuten interna Ec(12-62 Fogler)
Mm = 150ltAbc
bA
CkRnr ρminus
Mm =( )( )
0570
136000184200220
31110457508000106851
3
53
3
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ minusminus
hrs
mmol
sm
mxcatmgcat
hgcatmolx
0057 lt 015 no hay efecto de transferencia de masa externa Calculo de Dab para calcular el coeficiente de trasferencia de masa Ec(78 Lobo)
De =
KAAB DD11
1
+
DKA = 970X103 (80X10-8)(s
cmK 221 1090)
2400( =
DAB = 00018583ABAB
BA
PMMT
Ω
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ +
2
2123 11
γ
Para CO
0110=isin
Bk 0593 A=γ
Para O2
Ingenieriacutea Quiacutemica 48
UAM-I
0113=isin
Bk 0453 A=γ
( ) 51343359321
=+=ABγ
( )( )[ ] 21113110BAB k=isin A la temperatura de 400degK
( ) 583))113)(110((
40021 =
deg=
isin B
B
AB
B
KKKTK
Ω AB = 0907 Sustituyendo
DAB =s
cm2
2
2123
9730)9070()513(
)21281()400(00185830=
+
De = hrm
hrs
cmm
scm 222
03501
3600100
10980
10901
97301
1=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
+
Calculo de Kc Sh = (Re)12(Sc)13
Velocidad superficial
V = sm
shr
hrm
mxhr
m
Av
c
02036001976
1087
006025
3
0 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛== minus
Ingenieriacutea Quiacutemica 49
UAM-I
Re= ( ) 240)1062)(501(
)10491)(020(
1 25
4
=minus
=minus minus
minus
smx
mxsmvd p
νφ
Sc= 672)3600
1)(0350(
10622
25
==minus
shr
hrm
smx
Dv
AB
Sh= ( 024 )12 ( 267 )13 = 0679
Kc = Shdp
DAB⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛minusφ
φ1
Kc = ( )sm
mxs
mx02206790
10491
10729
50501
4
26
=⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛minus
minus
minus
Calculo de numero Thile con el radio que usara a nivel industrial
φ = L ( )DkCn n
AS
21 1minus+
L = 3R
Sustituyendo
φ = 66x10-4 m( )
( )
450
03502
018420
5480941311
3
30
3330
313
=
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+
catmhrm
mmol
hrcatmmolm
η = 1 con los resultados anteriores se observa que quieacuten limita es la velocidad de
reaccioacuten Por lo que se procede a calcular el peso y longitud de catalizador
necesaria para muestro purificador sustituyendo los valores del Boiler
Ingenieriacutea Quiacutemica 50
UAM-I
Peso del Catalizador w =
( ) grcatgcatLn
gcatm
mmol
hrcatmmolm
hrm
xLn
kCv
A
66476639401
1
6000001578
548094
19836
11
330
3330
313
3
0
0 asymp=minus
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
minus
g 664=w
33
3
1011
mg60000
g 664 mxwv minus===ρ
m 035003101011
2
33
==minus
mmxL
cm 531000350 == xL
Ingenieriacutea Quiacutemica 51
UAM-I
APEacuteNDICE B BALANCE DE MASA DE LA PREPARACIOacuteN DE HAUCL4 Au(g) + 3HNO3(ac) + 4HCL(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O + 3N02(g) (152 M) (105M)
cantidad de mol Au = 05 kg Au x molAu
grAumolAux
kggr 542
971961
11000
=
cantidad de kg HNO3 = ( ) 33
33 480
10001
1635423 kgHNO
grkgx
molHNOGRHNOxHNOmol =
cantidad de kgHCl = ( ) kgHClgr
kgxmolHCl
grHClHClxmol 3701000
11
5365424 =
cantidad de kgHAuCl4 = 254molHAuCl4 x 44
8601000
11
97339 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
gr=
cantidad de kgH2O = 3( 254mol)H20 x OkgHgr
kgxOmolHOgrH
22
2 1401000
1118
=
cantidad de Lt H20 = 762molHNO3 x OltHOkgHOLtH
22
2 14011
=
cantidad de Lt H20 = 1016 mol HNO3 x 050215
012
2 LtHmol
LtH=
cantidad de LtH20 = 1016mol HCl x OLtHLtHmolHCl
LtH22
2 010970510
01asymp=
cantidad de MHAUCl4 = ( ) ( ) ( ) MHltltlt
ClmolHAU 7210850490140
542
2
4 asymp++
cantidad de kg NO2(g) = 3( 254mol)NO2 x )(22
2 3501000
1146
SkgNOgr
kgxmolNO
grNO=
Ingenieriacutea Quiacutemica 52
UAM-I
05 kg Au 048 kgHNO3 035 kgNO2 101021 kgH20 (152M) 037 kgHCl(ac)
(105 m) 086 kg HAuCl4 (ac) 086 kg HAuCl4 (ac)
(17 M) 014 kgH20 (25x10-3M) 014kg H20 (L) 086kg HAuCl4 035kgNO2 (g) 101185kg H20 Cantidad de H20 = 086 kgHAuCl4
x 08510110101
105201
173341
11000
22
23
24 kgHLtHkgHx
MxltHx
grmolHAuClx
kggr
=minus
pero (101185 ndash 014 ndash 05 ndash 1) kg H20 = 101021 kg H20 100ml H20 por 1 gr soporte 35kg NH4 (OH)(AC) 10000kgH20 100 kg γAl203 (9965) 035kgAu (035) 100kg γAl203 025kgCl2 086kg HAuCl4 026kgHAuCl4
101185 kg H20 35kgNH4 (OH)(AC) 1101185kgH20 cantidad de kgHAuCl4 = 015kgAu x
44
4 2601000
11
973391
197196
147196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxgrAu
molxkg
gr=
cantidad de NH4(OH) = 100kg γ Al203 x
Ingenieriacutea Quiacutemica 53
UAM-I
kgNHxmol
grx
mlmol
xOAlgr
OHmlNHx
kg
gr53
10001
1
35
100010
1
)(10
1
1000
32
4=
γ4(OH)
30kg γAL2O3 1 kgNH4(OH)(AC) 30 kg γ Al203 (9965) 010 kg Au (035) 026kgHAuCl4 007kg Cl2 35kgNH4(OH) 1101185 kgH2O 0086kgHAuCl4 45 kg NH4(OH)(AC) 1101185 kg H20
cantidad de γ Al2O3 = 026kgHAuCl4 x 324
32 02330860
100 AlkgkgHAuCl
OAlkg γγ=
cantidad de kgAu = 035 x kgAukg 10506599
30=
cantidad de kg Cl2 = 01 kgAu x
22
2 07201000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de HAuCl4 = 005kgAu x
44
4 08601000
11
973391
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 54
UAM-I
cantidad de kgNO4(OH) = 30 kg γ Al203 x ( )OHkgNHAlkg
OHkgNO4
32
4 0510100
)(53=
γ
105 kg γ Al203 035 kg NH2(OH) 105 kg γ Al203 (9965) 004 kg Au (035) 009kg HAuCl4 003 kg Cl2 45kgNH4(OH) 1101185 kg H20 0017kgHAuCl4 485kgNH4 (OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 009 HAuCl4 x 324
32 04710860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad kg de NH4 (OH) = 105kg γ Al203 x ( ) )(3500100
534
32
4 OHkgNHAlkg
OHkgNH=
γ
cantidad de Cl2 = 004 kg Au x
22
2 02901000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
gAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 =
44
44 02001701000
11
973391
197196
11
1000010 kgHAukgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgr
molAuxkg
grkgAux asymp=
Ingenieriacutea Quiacutemica 55
UAM-I
23 kg γ Al203 008kgNH4(OH) 002 kg HAuCl4 23 kg γAl203 (9965) 485kgNH4(OH) 0008kgAu(035) 1101185kg H2 0001kg Cl2
0014 kg HAuCl4 493kgNH4(OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 002kgHAuCl4 x 324
32 032860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad de kg Au = 035 x kgAukg 00806599
32=
cantidad de kgCl2 = 0002kgAu x
24
4 00101000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 = 0008kgAu x
44
44 01401000
11
973341
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 56
UAM-I
APEacuteNDICE C ACCESORIOS EN EL DISENtildeO
Agitador
Agitadores de Heacutelice se escogioacute este tipo de agitador por ser tener las siguientes
caracteriacutesticas [3]
bull Es un agitador de flujo axial
bull Se emplea para liacutequidos pocos viscosos
bull Giran a toda la velocidad del motor
bull Las corrientes de flujo se mueven a traveacutes del liacutequido en una direccioacuten
determinada hasta que son desviadas por el fondo o las paredes del tanque
bull Las palas de la heacutelice cortan o friccionan vigorosamente el liacutequido
bull Los agitadores de heacutelice son eficaces para tanques de gran tamantildeo
Horno
bull El horno se escogioacute por ser tener las siguientes caracteriacutesticas [5]
bull El horno de construccioacuten metaacutelica
bull La caacutemara de combustioacuten estaacute construida mediante hormigones refractarios
de alta resistencia mecaacutenica
bull Las materias secar y calcinar se carga de forma manual
Ingenieriacutea Quiacutemica 57
UAM-I
Bomba
DISENtildeO Bomba centrifuga para operacioacuten horizontal o vertical del impulsor
cerrado succioacuten al extremo descarga hacia arriba tangencial simple succioacuten de un
paso con carcaza partida verticalmente [3]
ROTACIOacuteN En el sentido del reloj vista desde el cople
CARACTERIacuteSTICAS Conexiones brindadas con registro ubicado en la cabeza de
succioacuten para facilitar su limpieza
SERVICIO Debido a que es posible colocarla en posicioacuten horizontal o vertical tanto
en caacutercamos secos como huacutemedos y por el disentildeo de su impulsor que soacutelidos de
gran tamantildeo esta bomba es ideal para los procesos de tratamientos de agua y
manejo de liacutequidos en suspensioacuten en general
CAPACIDADES
GASTO Hasta 3000 GPM
CDT Hasta 80rsquo
PRESIOacuteN 106 Kgcmsup2
POTENCIA De 1 a 60 Hp
VELOCIDAD (1175 - 3550 RPM)
TEMPERATURA 125degC
Ingenieriacutea Quiacutemica 58
UAM-I
Bombas Centriacutefugas
Las maquinas centriacutefugas estaacuten constituidas por un impulsor o rodete formado por
una serie de aletas radiales diversas formas y curvaturas que giran dentro de una
caja circular El fluido penetra por el ojo o eje de rotacioacuten y se descarga maacutes o
menos radialmente en una caacutemara perifeacuterica a una elevada presioacuten que
corresponde a la suma de la fuerza centriacutefuga de la rotacioacuten maacutes la cineacutetica
comunicada al fluido por las aletas La parte moacutevil de la bomba es el rodete Las
aletas del rodete se extienden desde el centro de rotacioacuten hacia la periferia y las
bridas son los discos de refuerzo a cada lado de las aletas que las envuelven Las
aletas pueden ser radiales curvadas ligeramente hacia delante en el mismo sentido
de la rotacioacuten o estar curvadas al reveacutes en el caso maacutes comuacuten en el disentildeo se
determino el rodete siguiente por sus caracteriacutesticas Fig 1
Figura 1 Corte parcial de un rodete de centriacutefuga para grandes cargas y secciones
de paso estrechas empleando con liacutequidos corrosivos o suspensiones de pequentildeas
partiacuteculas[4]
Ingenieriacutea Quiacutemica 59
UAM-I
APENDICE D CALCULO DE POTENCIA DE BOMBAS (8)
Potencia de la bomba de la cisterna 1 que alimenta a los mezclador 4
Ecuacioacuten de Bernoulli
sum sumint =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛+++∆+∆i i
i
P
P
evvfDLvwdphgv 0
21
21
ˆ1
21 222
2
1ρ
a b c d e f
a Diferencia de velocidades
b Diferencia de alturas
c Diferencia de presiones
d Trabajo
e Perdidas de friccioacuten en tuberiacuteas
f Perdidas de friccioacuten en accesorios
En la ecuacioacuten anterior se pueden eliminar algunos teacuterminos
21 mts
6 mts 35 mts
Figura 1 Balance de cisterna 1 a mezclador 4
Se debe de tener dos puntos de referencia para la utilizacioacuten de la ecuacioacuten de
Bernoulli de los cuales se anotaron en la figura 2
Ingenieriacutea Quiacutemica 60
UAM-I
21 mts
2 1 6 mts 35 mts
Figura 2
Teniendo los puntos de referencia se analiza que las diferencias de velocidades son
cero en ambos puntos por lo tanto el termino 2
21 ν∆ es igual a cero
El termino de = (981hg∆ 2segm )(35m ndash 0) = 34335 2
2
segm
El termino de int2
1
1P
P
dpρ
se tiene que la cisterna y el tanque de mezclado ambos no
estaacuten cerrados y por lo tanto no originan un cambio de presioacuten y el termino es cero
De esta expresioacuten L longitud de tuberiacutea
tro de tuberiacutea
n el interior del tubo
v
Para la l radio del tubo que
sum ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
i
fDL2
21 ν
D diaacuteme
f perdidas de friccioacuten e
velocidad del flujo de agua
obtencioacuten de la velocidad se tiene el flujo volumeacutetrico y e
es de 32 cm =0032mts con la ecuacioacuten
Ingenieriacutea Quiacutemica 61
( )( ) sm
ms
m
RQ 761
032060min1)
min340(
2
3
2 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
==ππ
ν
UAM-I
Se reportan valores de perdida de fr
e reduce teacuterminos
iccioacuten en tubos que son igual a 005
Por lo tanto sustituyendo los teacuterminos en la ecuacioacuten de Bernoulli s
sum sumint =⎟⎠
⎜⎝
+⎟⎠
⎜⎝
+++∆+∆i i
iP
evvfD
vwdphgv 022
ˆ2
1ρ
⎞⎛⎞⎛ L 111 2222
or tanto el termino de trabajo queda expresado de la siguiente manera
tanto la bomba comunica al fluido que circula en el sistema un trabajo
+11727
P1
p w
sum sum ∆minus⎟⎠⎞
⎜⎝⎛minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛minus=
i ii
hgevvfDLvw 22
21
21
ˆ
( ) ( )
Este es el trabajo ( por unidad de masa) producido por el fluido en la bomba por lo
22
sm o 11727 981 = 1195
m
fKg
Kgm
La velocidad de flujo de masa es
Por lo tanto
1 )=6694
951)(675(ˆ =minus=minus WwW smkg f = 088Hp = 1Hp
Siendo esta ida para esta bomba El procedimiento anterior se
iguioacute para cada bomba de la planta
AP E
la potencia requer
s
EacuteNDICE
TOXICOLOGIacuteA DE MATERIAS PRIMAS [6]
( ) ( ) ( )( ) ( )( )msm
smmmm
sm 538192201150761
21050
032021536761
21
2
22minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ +minus⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ++
minus=wm
22
27117ˆ smw minus=
( )s
kgmkgQw m675100060340 3 === ρ
Ingenieriacutea Quiacutemica 62
UAM-I
HIDROacuteXIDO DE SODIO
Polvo corrosivo blanco delicuescente
Toxicidad
Concentracioacuten Maacutexima permisible 2mgm3 en aire
Signos y Siacutentomas Conjutivitis quemaduras corneales y de la piel Irritacioacuten
seas vomito dolor abdominal y diarrea a veces con
Lavado de las partes afectadas tranquilizantes sulfato de
decuada gafas protectoras o pantallas para
ignos y Siacutentomas Irritacioacuten de ojos quemaduras corneables tos dolores
l hemoptisis dolor de cabeza dolor epigaacutestrico nauseas y vomito
lmonar
Tratamiento lavado de ojos con agua reposo oxigeno con aparato de respiracioacuten
con onantes
ACIDO NITRICO
Liquido corrosivo sofocante de incoloro a amarillento
ioacuten maacutexima permisible 10ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
del tracto respiratorio nau
sangre
Tratamiento
morfina para el dolor y cortisona
Medidas preventivas Ventilacioacuten a
la cara completa mascarilla con filtro mecaacutenico guantes delantares botas de
goma y acentuar la limpieza personal
CLORO
Gas pasado amarillo verdoso
Toxicidad
Conc Maacutexima permisible 1 ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten
S
retrosterna
debilidad cianosis y edema pu
trolada bronco dilatadores y descongesti
Toxicidad
Concentrac
Ingenieriacutea Quiacutemica 63
UAM-I
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
Signos y siacutentomas Erosioacuten dental estornudo tos Dolor en el pecho bronquitis y
la las partes contaminadas del cuerpo con solucioacuten al 5 de
de las quemaduras con pantildeos
de triacuteo sulfato soacutelido si se a ingerido
vado de ojos con agua
ACIDO CLORIDRICO
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
ivitis necrosis corneal por inhalacioacuten rinitis erosioacuten
dolor de cabeza palpitacioacuten por ingestioacuten
s en la boca faringe esoacutefago estomago salivacioacuten vomito Soc
agua lavada de agua y jaboacuten de las partes
preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
AacuteC
El c
con o de hidroacutegeno una
concentracioacuten de 12 molLt Este aacutecido es un liacutequido incoloro con un olor aacutecido
bronconeumoniacutea
Tratamiento
bicarbonato soacutelido o con agua y jaboacuten Tratamiento
mojados con solucioacuten saturada
administracioacuten por viacutea oral de solucioacuten de jaboacuten Hidroacutexido caacutelcico o alumiacutenico u
oacutexido de magnesio
Medidas preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores excluir de la exposicioacuten
a los individuos con enfermedades de pulmones y rintildeones
Gas incoloro o liacutequido o a amarillento
Toxicidad
Concentracioacuten maacutexima permisible 5ppm en aire
Signos y siacutentomas conjunt
dental laringitis bronquitis neumoniacutea
quemadura
nefritis
Tratamiento lavado de ojos con
contaminantes del cuerpo tratamiento ordinario de quemaduras lavado gaacutestrico
se a ingerido con solucioacuten de bicarbonato soacutedico al 5 seguido de una instilacioacuten
de gel de hidroacutexido de aluminio
Medidas
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores
IDO CLORHIacuteDRICO
loruro de hidroacutegeno es en extremo soluble en agua de hecho el aacutecido clorhiacutedrico
centrado contiene cerca del 38 en masa de clorur
Ingenieriacutea Quiacutemica 64
UAM-I
pronunciado que se debe al equilibrio entre el cloruro de hidroacutegeno gaseoso y
ste con el aacutecido fluorhiacutedrico el aacutecido clorhiacutedrico es un aacutecido fuerte (pKa = -
7) y se ioniza casi totalmente
gar de aacutecido sulfuacuterico auque en menor grado Por
jemplo el zinc metaacutelico reacciona con aacutecido clorhiacutedrico para dar el ion zinc e
hidroacutegeno gaseoso
Zn(s) + 2HCl(ac) ZnCl2(ac) + H2(g)
l para producir aacutecido clorhiacutedrico en el laboratorio es generar
cloruro de hidroacutegen e sodio y el aacutecido
ulfuacuterico En el primer paso a 150degC se forma hidroacutegeno sulfato de sodio
NaHSO4(s) + HCl(g)
io y maacutes
loruro de hidroacutegeno gaseoso Luego el gas se disuelve en agua para formar el
aacutecido
NaHSO4(s) + NaCl(s) Na2SO4(s) + HCl(g)
acuoso
HCl(ac) HCl(g)
El reactivo de grado teacutecnico a menudo tiene un color amarillento por una impureza
del ion hierro (III)
En contra
HCl(ac) + H2O(l) H2O+(ac) + Cl -(ac)
Por ello a menudo se prefiere usar aacutecido clorhiacutedrico diluido en lugar de aacutecido niacutetrico
que es muy oxidante y en lu
e
Cuando el zinc reacciona con el aacutecido niacutetrico es comuacuten que se reduzca una parte
del ion nitrato para dar dioacutexido de nitroacutegeno
El meacutetodo tradiciona
o gaseoso por la reaccioacuten entre el cloruro d
s
NaCl(s) + H2SO4(l)
La mezcla se calienta a 550degC temperatura a la cual el hidroacutegeno sulfato de sodio
reacciona con un exceso de cloruro de sodio para formar sulfato de sod
c
∆
Este meacutetodo se usa tambieacuten en la industria otra forma de producir cloruro de
hidroacutegeno es por la combinacioacuten directa de dicloro y dihidroacutegenogaseosos
Ingenieriacutea Quiacutemica 65
UAM-I
H2(g) + Cl2(g) 2HCl(g)
La mayor cantidad de cloruro de hidroacutegeno que se produce actualmente es un
CH4(g) + 4Cl2(g) 4(l) + 4HCl(g)
riacuten de superficies de acero en un bantildeo aacutecido en la purificacioacuten de glucosa
y jarabe de maiacutez e s y de gas y en la
bricacioacuten de compuestos clorados El aacutecido se puedo comprar en muchas
nducida por la luz
4HNO3(ac) 4NO2(g) + O2(g) + 2H2O(l)
niacutetrico como disolvente)
H2NO3+ H2O + NO2
+
l siguiente
3HNO NO3 ndash
subproducto de otros procesos industriales como la siacutentesis de tetracloruro de
carbono
CCl
Se consumen cerca de 107 toneladas de aacutecido clorhiacutedrico cada antildeo en todo el
mundo Este aacutecido tiene una gama muy amplia de usos como aacutecido comuacuten para
eliminar o
n el tratamiento con aacutecido de pozos petrolero
fa
ferreteriacuteas con el arcaico nombre de aacutecido muriaacutetico sus principales usos caseros
son la limpieza de superficies de concreto y la eliminacioacuten de herrumbre Un nuacutemero
muy reducido de personas es incapaz de sintetizar suficiente jugo gaacutestrico y deben
de ingerir caacutepsulas de aacutecido clorhiacutedrico diluido con cada comida
AacuteCIDO NIacuteTRICO
El aacutecido niacutetrico un liacutequido aceitoso e incoloro en estado puro es sumamente
peligroso El aacutecido que funde a ndash42degC y hierve a +83degC tiene por lo general un
ligero color amarillo a causa de una reaccioacuten de descomposicioacuten i
En un estado puro el aacutecido niacutetrico liacutequido praacutecticamente no conduce la electricidad
Una pequentildea porcioacuten se ioniza como sigue (todas estas especies existen en el aacutecido
2HNO3(l) H2NO3+ + NO3
ndash
H2O + HNO3 H3O+ + NO3 ndash
Para dar la reaccioacuten globa
3 NO2+ + H3O + 2+
Ingenieriacutea Quiacutemica 66
UAM-I
El catioacuten nitrilo es importante en la nitracioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas por ejemplo la
obenceno C6H5NO2 una etapa importante en
umerosos procesos industriales orgaacutenicos
El aacutecido niacutetrico con en agua mientras
ue el ldquoaacutecido niacutetrico fumanterdquo un oxidante extremadamente poderoso es una
vez de ello se produce una mezcla de
sistema que da un orden de
vista industrial el
oceso
e lleva a cabo en tres etapas Primero se hace pasar una mezcla de amoniaco y de
dioxiacutegeno (o aire) un proceso muy
ficiente y exoteacutermico que hace que la malla se ponga al rojo Esta etapa se verifica
conversioacuten de benceno C6H6 en nitr
n
centrado es en realidad una solucioacuten al 70
q
solucioacuten roja de dioacutexido de nitroacutegeno en aacutecido niacutetrico puro Incluso cuando esta
diluido el aacutecido niacutetrico es un oxidante tan fuerte que rara vez desprende hidroacutegeno
cuando se pone en contacto con metales en
oacutexidos de nitroacutegeno y el metal se oxido a su catioacuten
Los enlaces O-N son mucho maacutes cortos (121 pm) que el enlace O-N unidos al aacutetomo
de hidroacutegeno (141 pm) Esta longitud de enlaces indica que hay enlaces muacuteltiples
entre el nitroacutegeno y los dos aacutetomos de oxiacutegeno terminales Ademas de los electrones
del sistema σ hay cuatro electrones que participan en el sistema π O-N-O dos de un
orbital enlazante y dos en un orbital no enlazante
enlace de 112 para cada uno de esos enlaces nitroacutegeno- oxiacutegeno
A veces se nos olvida hasta queacute punto nuestra experiencia depende de la
termodinaacutemica y la cineacutetica Por ejemplo la primera siacutentesis industrial de aacutecido
niacutetrico se llevaba ha cabo por simple combinacioacuten de diniacutetrogeno dioxiacutegeno y agua
utilizando un horno de arco eleacutectrico a fin de proporcionar la energiacutea necesaria par
superar la muy elevada barrera cineacutetica Aunque desde el punto de
factor cineacutetico constituiacutea un problema en realidad es una bendicioacuten por que sin esta
barrera cineacutetica hace mucho tiempo que todo el dioacutexido de la atmoacutesfera se abriacutea
transformado en aacutecido niacutetrico y nuestros mares serian de aacutecido niacutetrico diluido
frac12 N2(g) + 54O2(g) + 12H2O(g) HNO3(g)
Ahora se utiliza el proceso Ostwald para la siacutentesis de aacutecido niacutetrico Este proceso
consume gran parte del amoniaco que se produce por el proceso Haber El pr
s
a traveacutes de una malla de platino metaacutelico Eacuteste es
e
a baja presioacuten para aprovechar el efecto entropico es decir la formacioacuten de 10
moles de gas a partir de 9 moles de gas (una aplicacioacuten del principio de Le Chatelier)
para desplazar el equilibrio a la derecha
Ingenieriacutea Quiacutemica 67
UAM-I
4NH3(g) + 5O2(g) 4NO(g) + 6H2O(g)
Se agrega maacutes oxiacutegeno para oxidar el monoacutexido de nitroacutegeno a dioacutexido de nitroacutegeno
A fin de mejorar el rendimiento de esta reaccioacuten exoteacutermica se extrae calor de los
ases y la mezcla se somete a presioacuten
2HNO3(l) + NO(g)
Esta reaccioacuten tambieacuten es exoteacutermica y una vez maacutes se aplica enfriamiento y alta
la
egunda etapa para oxidarlo de nuevo
La contaminacioacuten s de aacutecido niacutetrico
as plantas maacutes antiguas eran faacutecilmente identificables por la fumarola cafeacute-
antas maacutes antiguas ahora mezcla cantidades
en Estados Unidos porque un 20
dedica ala produccioacuten de explosivos
or ultimo el aacutecido niacutetrico es un liacutequido que hierve a 826degC No existe como liacutequido
g
2NO(g) + O2(g) 2NO2(g)
El dioacutexido de nitroacutegeno se mezcla con agua para dar una solucioacuten de aacutecido niacutetrico
3NO2(g) + H2O(l)
presioacuten par obtener el maacuteximo rendimiento El monoacutexido de nitroacutegeno se vuelve a
s
soliacutea ser un problema importante de las planta
L
amarillento del dioacutexido de nitroacutegeno que escapaba por ellas Las plantas maacutes
antiguas eran faacutecilmente identificable por la fumadora cafeacute-amarillo del dioacutexido de
nitroacutegeno que escapaba de ellas Las pl
estequiomeacutetricas de amoniaco con las oacutexidos de nitroacutegeno con lo cual se obtiene
dinitroacutegeno y vapor de agua ambos inocuos
NO(g) + NO2 (g) + 2NH3(g) 2N2(g) + 3H2O(g)
En todo el mundo alrededor del 80 del aacutecido niacutetrico se utiliza en la produccioacuten de
fertilizantes Esta proporcioacuten es de solo el 65
se
P
puro porque en alguna medida se descompone espontaacuteneamente como sigue
4HNO3(l) 4NO2(g) + 2H2O(l) + O2(g)
Ingenieriacutea Quiacutemica 68
UAM-I
El aacutecido niacutetrico concentrado que se usa en el laboratorio estaacute al 68 en masa HNO3
(densidad 142 gcm3) lo que corresponde a 157 M
l aacutecido niacutetrico es un poderoso agente oxidante El nuacutemero de oxidacioacuten del N en el
) El aacutecido niacutetrico puede oxidar
nto a metales que estaacuten abajo del hidroacutegeno como aquellos que se encuentran
4Zn2+(ac) + NH4
+(ac) + 3H2O(l)
do no oxida al oro Sin embargo cuando se mezcla con
cido clorhiacutedrico concentrado en relacioacuten 13 en volumen (una parte de HNO3 a tres
partes al oro
omo sigue
APEacuteNDICE F
ETODO DE DEPOSICIOacuteN-PRECIPITACIOacuteN
E
HNO3 es + 5 Los productos maacutes comunes de la reduccioacuten del aacutecido niacutetrico son el
NO2 (N = + 4) el NO (N = + 2) y el NH4+ (N = - 3
ta
arriba en la serie de actividades Por ejemplo el cobre es oxidado por el aacutecido niacutetrico
concentrado como se mencionoacute antes
En presencia de reductores fuertes como el zinc metaacutelico el aacutecido niacutetrico se puede
reducir hasta ion amonio
4Zn(s) + 10H+(ac) + NO3
-(ac)
El aacutecido niacutetrico concentra
aacute
de HCl) la disolucioacuten resultante denominada agua regia puede oxidar
c
Au(s) + 3HNO3(ac) + 4HCl(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O(l) + 3NO2(g)
M
Ingenieriacutea Quiacutemica 69
UAM-I
APEacuteNDICE G
ISENtildeO DEL MEZCLADOR [4]
1) 100 ml H2O gr soporte
2) NH4(OH)
Ajustar a PH = 9 4) HAuCl4 (solucioacuten acuosa al 25E-3M)
6) Filtrado o centrifugado
3) En Agitacioacuten por 2 hr
8) Secado por 2hr a 80 degC
9 ) Calcinado por 4hr a 400 degC
7) Lavado
5) Antildeegamiento por 30 min
D
Ingenieriacutea Quiacutemica 70
UAM-I
El disentildeo de un tanque agitado dis n nuacutemero de elecciones sobre el
po y localizacioacuten del agitador las proporciones del tanque el nuacutemero y dimensiones
ada una de estas decisiones afectan a la velocidad
e circulacioacuten del liacutequido los modelos de velocidad y el consumo de potencia Como
pone de un gra
ti
de las placas deflectoras etc C
d
punto de partida en el disentildeo de los problemas ordinarios de agitacioacuten generalmente
se utiliza un agitador de turbina del tipo que se muestra en la figura 1 La proporcioacuten
tiacutepica es
31
=t
a
DD
1=tD
H 121
=tD
J 51
=aD
W 41
=aD
L
de estas ecuaciones se disentildeara el mezclador como datos se tiene el valor H que es
igual a 3 mts y el diaacutemetro del tanque D
Se determinara la medida de los reflectores
t que es igual 3 mts
121
=tD
J se despeja J
elacioacuten R31
=t
a
DD
se despeja Da
Relacioacuten
41
=aD
L se despeja L
elacioacuten se despeja W
( ) ( ) cmmtsmtsDJ 25250311==⎟
⎞⎜⎛=⎟
⎞⎜⎛= t 1212 ⎠⎝⎠⎝
( ) ( ) mtsmtsDD ta 1331
31
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=
( ) ( ) mtsmtsDL a 250141
41
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛= cm25=
51
=aD
WR
Ingenieriacutea Quiacutemica 71
UAM-I
Figura 2 a) Vista transversal del mezclador b) paletas del mezclador con la
donde se deposita el soporte
Figura 1 Medidas de un agitador de turbina
a) b)
s rejillas
H
J
E L
Da
D t
W
W
( ) ( ) cmmtsmtsDW a 2020151
5==⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎜⎝
=1 ⎞⎛
Ingenieriacutea Quiacutemica 72
UAM-I
310 CONCLUSIONES
En el desarrollo de la industria para la fabricacioacuten de catalizadores se tuvo un
resultado satisfactorio a pesar de la falta de informacioacuten disponible acerca de
industrias de catalizadores debido a que esta informacioacuten no es publica El proyecto
que elaboramos es novedoso en nuestro paiacutes ya que no existen registros de una
industria que produzca catalizadores de oro soportados en aluacutemina
Durante el desarrollo del proyecto se planteoacute trabajar con compuestos como NOx y
COVS sin embargo debido a la falta de tiempo no se logroacute concluir la
experimentacioacuten en estos campos Debido a esto se tomoacute la decisioacuten de trabajar en
la oxidacioacuten cataliacutetica de CO Esto debido a varios factores por ejemplo la
disponibilidad de gases y sobre todo los costos que esto implicaba
Para el desarrollo del catalizador se analizaron diferentes tipos de preparacioacuten y se
eligieron dos meacutetodos diferentes Deposicioacuten-precipitacioacuten e Impregnacioacuten Los
catalizadores se evaluaron bajo diversas condiciones en la oxidacioacuten de CO El
catalizador que presentoacute mayor conversioacuten con el catalizador a baja temperatura fue
el sintetizado por el meacutetodo de Deposicioacuten-precipitacioacuten el cual se utilizoacute para el
disentildeo de la Industria El disentildeo estaacute basado en la forma de preparacioacuten del
catalizador Por esto la parte maacutes importante de la planta es el tanque de mezclado
el cual se disentildeo tomando en cuenta los diferentes disentildeos de agitadores para tener
un mezclado oacuteptimo Se incorporo en la parte superior del agitador las canastillas
para las pastillas cataliacuteticas y el tipo de Horno que se usara para el secado y
posteriormente el calcinado Una parte importante es la produccioacuten de catalizador
para este problema se investigoacute en que parte se podriacutea utilizar a diferencia de los
catalizadores para automoacuteviles Se llego a la decisioacuten de poder desarrollar un
catalizador para los calentadores de agua se obtuvo informacioacuten de la fabrica de
calentadores cal-o-rex en la produccioacuten diaria de calentadores y de esta informacioacuten
se pudo calcular la posible demanda de nuestro producto Una parte importante en
las industrias son el tipo de bombas ya que existen diversos modelos en nuestro
disentildeo se escogioacute las bombas centriacutefugas con rodetes para agua que contiene
pequentildeas partiacuteculas de soacutelidos
En la parte de servicios para personal se investigo los sueldos de cada empleado Se
determinoacute el costo de los equipos y finalmente llegamos a la parte que nos interesa
Ingenieriacutea Quiacutemica 43
UAM-I
del disentilde es decir si el proyecto es rentable o no En este caso particular se tuvo un
valor aceptable y se definioacute que el disentildeo es rentable Esto indica que seria una
industria que tendriacutea ganancias y a la vez que el producto que se fabrique nos
ayudaraacute a todos a reducir la emisioacuten de CO en los hogares aportando una pequentildea
ayuda al medio ambiente
COMENTARIOS
Los conocimientos adquiridos durante este tiempo fueron provechosos en la parte
teoacuterica y praacutectica aclaramos dudas de como y porque se comportan las reacciones
quiacutemicas y los procesos de flujos Durante el desarrollo del proyecto aprendimos a
observar y la importancia de entender fiacutesicamente las algunos procesos relacionados
con la siacutentesis y caracterizacioacuten de materiales cataliacuteticos
Ingenieriacutea Quiacutemica 44
UAM-I
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Ingenieriacutea Quiacutemica 46
UAM-I
APEacuteNDICE A
CRITERIOS PARA DETERMINAR QUIEacuteN CONTROLA EL PROCESO
Criterio de weisz para difusioacuten interna
Ec(12-16 Fogler) Los valores que se sustituyen en las siguientes ecuaciones fueron
tomados del catalizador que se analizo en el laboratorio
CWP = ( )
AS
cObsA
DeCRcr 2minus
lt 1
-rA(Obs) = velocidad de reaccioacuten observada molgcats Cc = concentracioacuten volumeacutetrica molm3
CAS = concertacioacuten en la superficie molm3
D= diaacutemetro del granulo m R = radio del granulo m De = difusividad efectiva m2s
d = 0149mm mxmm
m 4104911000
1 minus=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
CWP = ( )( )3
32
24
33
103470184200350
21049150800010681
minus
minusminus
=⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞⎜
⎝⎛
x
mmol
hrm
mxcatm
gcathgcat
molx
734x10-3 lt 1 No hay limitante por la difusioacuten interna
Ingenieriacutea Quiacutemica 47
UAM-I
Criterio de mears para difusioacuten interna Ec(12-62 Fogler)
Mm = 150ltAbc
bA
CkRnr ρminus
Mm =( )( )
0570
136000184200220
31110457508000106851
3
53
3
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ minusminus
hrs
mmol
sm
mxcatmgcat
hgcatmolx
0057 lt 015 no hay efecto de transferencia de masa externa Calculo de Dab para calcular el coeficiente de trasferencia de masa Ec(78 Lobo)
De =
KAAB DD11
1
+
DKA = 970X103 (80X10-8)(s
cmK 221 1090)
2400( =
DAB = 00018583ABAB
BA
PMMT
Ω
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ +
2
2123 11
γ
Para CO
0110=isin
Bk 0593 A=γ
Para O2
Ingenieriacutea Quiacutemica 48
UAM-I
0113=isin
Bk 0453 A=γ
( ) 51343359321
=+=ABγ
( )( )[ ] 21113110BAB k=isin A la temperatura de 400degK
( ) 583))113)(110((
40021 =
deg=
isin B
B
AB
B
KKKTK
Ω AB = 0907 Sustituyendo
DAB =s
cm2
2
2123
9730)9070()513(
)21281()400(00185830=
+
De = hrm
hrs
cmm
scm 222
03501
3600100
10980
10901
97301
1=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
+
Calculo de Kc Sh = (Re)12(Sc)13
Velocidad superficial
V = sm
shr
hrm
mxhr
m
Av
c
02036001976
1087
006025
3
0 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛== minus
Ingenieriacutea Quiacutemica 49
UAM-I
Re= ( ) 240)1062)(501(
)10491)(020(
1 25
4
=minus
=minus minus
minus
smx
mxsmvd p
νφ
Sc= 672)3600
1)(0350(
10622
25
==minus
shr
hrm
smx
Dv
AB
Sh= ( 024 )12 ( 267 )13 = 0679
Kc = Shdp
DAB⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛minusφ
φ1
Kc = ( )sm
mxs
mx02206790
10491
10729
50501
4
26
=⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛minus
minus
minus
Calculo de numero Thile con el radio que usara a nivel industrial
φ = L ( )DkCn n
AS
21 1minus+
L = 3R
Sustituyendo
φ = 66x10-4 m( )
( )
450
03502
018420
5480941311
3
30
3330
313
=
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+
catmhrm
mmol
hrcatmmolm
η = 1 con los resultados anteriores se observa que quieacuten limita es la velocidad de
reaccioacuten Por lo que se procede a calcular el peso y longitud de catalizador
necesaria para muestro purificador sustituyendo los valores del Boiler
Ingenieriacutea Quiacutemica 50
UAM-I
Peso del Catalizador w =
( ) grcatgcatLn
gcatm
mmol
hrcatmmolm
hrm
xLn
kCv
A
66476639401
1
6000001578
548094
19836
11
330
3330
313
3
0
0 asymp=minus
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
minus
g 664=w
33
3
1011
mg60000
g 664 mxwv minus===ρ
m 035003101011
2
33
==minus
mmxL
cm 531000350 == xL
Ingenieriacutea Quiacutemica 51
UAM-I
APEacuteNDICE B BALANCE DE MASA DE LA PREPARACIOacuteN DE HAUCL4 Au(g) + 3HNO3(ac) + 4HCL(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O + 3N02(g) (152 M) (105M)
cantidad de mol Au = 05 kg Au x molAu
grAumolAux
kggr 542
971961
11000
=
cantidad de kg HNO3 = ( ) 33
33 480
10001
1635423 kgHNO
grkgx
molHNOGRHNOxHNOmol =
cantidad de kgHCl = ( ) kgHClgr
kgxmolHCl
grHClHClxmol 3701000
11
5365424 =
cantidad de kgHAuCl4 = 254molHAuCl4 x 44
8601000
11
97339 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
gr=
cantidad de kgH2O = 3( 254mol)H20 x OkgHgr
kgxOmolHOgrH
22
2 1401000
1118
=
cantidad de Lt H20 = 762molHNO3 x OltHOkgHOLtH
22
2 14011
=
cantidad de Lt H20 = 1016 mol HNO3 x 050215
012
2 LtHmol
LtH=
cantidad de LtH20 = 1016mol HCl x OLtHLtHmolHCl
LtH22
2 010970510
01asymp=
cantidad de MHAUCl4 = ( ) ( ) ( ) MHltltlt
ClmolHAU 7210850490140
542
2
4 asymp++
cantidad de kg NO2(g) = 3( 254mol)NO2 x )(22
2 3501000
1146
SkgNOgr
kgxmolNO
grNO=
Ingenieriacutea Quiacutemica 52
UAM-I
05 kg Au 048 kgHNO3 035 kgNO2 101021 kgH20 (152M) 037 kgHCl(ac)
(105 m) 086 kg HAuCl4 (ac) 086 kg HAuCl4 (ac)
(17 M) 014 kgH20 (25x10-3M) 014kg H20 (L) 086kg HAuCl4 035kgNO2 (g) 101185kg H20 Cantidad de H20 = 086 kgHAuCl4
x 08510110101
105201
173341
11000
22
23
24 kgHLtHkgHx
MxltHx
grmolHAuClx
kggr
=minus
pero (101185 ndash 014 ndash 05 ndash 1) kg H20 = 101021 kg H20 100ml H20 por 1 gr soporte 35kg NH4 (OH)(AC) 10000kgH20 100 kg γAl203 (9965) 035kgAu (035) 100kg γAl203 025kgCl2 086kg HAuCl4 026kgHAuCl4
101185 kg H20 35kgNH4 (OH)(AC) 1101185kgH20 cantidad de kgHAuCl4 = 015kgAu x
44
4 2601000
11
973391
197196
147196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxgrAu
molxkg
gr=
cantidad de NH4(OH) = 100kg γ Al203 x
Ingenieriacutea Quiacutemica 53
UAM-I
kgNHxmol
grx
mlmol
xOAlgr
OHmlNHx
kg
gr53
10001
1
35
100010
1
)(10
1
1000
32
4=
γ4(OH)
30kg γAL2O3 1 kgNH4(OH)(AC) 30 kg γ Al203 (9965) 010 kg Au (035) 026kgHAuCl4 007kg Cl2 35kgNH4(OH) 1101185 kgH2O 0086kgHAuCl4 45 kg NH4(OH)(AC) 1101185 kg H20
cantidad de γ Al2O3 = 026kgHAuCl4 x 324
32 02330860
100 AlkgkgHAuCl
OAlkg γγ=
cantidad de kgAu = 035 x kgAukg 10506599
30=
cantidad de kg Cl2 = 01 kgAu x
22
2 07201000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de HAuCl4 = 005kgAu x
44
4 08601000
11
973391
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 54
UAM-I
cantidad de kgNO4(OH) = 30 kg γ Al203 x ( )OHkgNHAlkg
OHkgNO4
32
4 0510100
)(53=
γ
105 kg γ Al203 035 kg NH2(OH) 105 kg γ Al203 (9965) 004 kg Au (035) 009kg HAuCl4 003 kg Cl2 45kgNH4(OH) 1101185 kg H20 0017kgHAuCl4 485kgNH4 (OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 009 HAuCl4 x 324
32 04710860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad kg de NH4 (OH) = 105kg γ Al203 x ( ) )(3500100
534
32
4 OHkgNHAlkg
OHkgNH=
γ
cantidad de Cl2 = 004 kg Au x
22
2 02901000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
gAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 =
44
44 02001701000
11
973391
197196
11
1000010 kgHAukgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgr
molAuxkg
grkgAux asymp=
Ingenieriacutea Quiacutemica 55
UAM-I
23 kg γ Al203 008kgNH4(OH) 002 kg HAuCl4 23 kg γAl203 (9965) 485kgNH4(OH) 0008kgAu(035) 1101185kg H2 0001kg Cl2
0014 kg HAuCl4 493kgNH4(OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 002kgHAuCl4 x 324
32 032860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad de kg Au = 035 x kgAukg 00806599
32=
cantidad de kgCl2 = 0002kgAu x
24
4 00101000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 = 0008kgAu x
44
44 01401000
11
973341
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 56
UAM-I
APEacuteNDICE C ACCESORIOS EN EL DISENtildeO
Agitador
Agitadores de Heacutelice se escogioacute este tipo de agitador por ser tener las siguientes
caracteriacutesticas [3]
bull Es un agitador de flujo axial
bull Se emplea para liacutequidos pocos viscosos
bull Giran a toda la velocidad del motor
bull Las corrientes de flujo se mueven a traveacutes del liacutequido en una direccioacuten
determinada hasta que son desviadas por el fondo o las paredes del tanque
bull Las palas de la heacutelice cortan o friccionan vigorosamente el liacutequido
bull Los agitadores de heacutelice son eficaces para tanques de gran tamantildeo
Horno
bull El horno se escogioacute por ser tener las siguientes caracteriacutesticas [5]
bull El horno de construccioacuten metaacutelica
bull La caacutemara de combustioacuten estaacute construida mediante hormigones refractarios
de alta resistencia mecaacutenica
bull Las materias secar y calcinar se carga de forma manual
Ingenieriacutea Quiacutemica 57
UAM-I
Bomba
DISENtildeO Bomba centrifuga para operacioacuten horizontal o vertical del impulsor
cerrado succioacuten al extremo descarga hacia arriba tangencial simple succioacuten de un
paso con carcaza partida verticalmente [3]
ROTACIOacuteN En el sentido del reloj vista desde el cople
CARACTERIacuteSTICAS Conexiones brindadas con registro ubicado en la cabeza de
succioacuten para facilitar su limpieza
SERVICIO Debido a que es posible colocarla en posicioacuten horizontal o vertical tanto
en caacutercamos secos como huacutemedos y por el disentildeo de su impulsor que soacutelidos de
gran tamantildeo esta bomba es ideal para los procesos de tratamientos de agua y
manejo de liacutequidos en suspensioacuten en general
CAPACIDADES
GASTO Hasta 3000 GPM
CDT Hasta 80rsquo
PRESIOacuteN 106 Kgcmsup2
POTENCIA De 1 a 60 Hp
VELOCIDAD (1175 - 3550 RPM)
TEMPERATURA 125degC
Ingenieriacutea Quiacutemica 58
UAM-I
Bombas Centriacutefugas
Las maquinas centriacutefugas estaacuten constituidas por un impulsor o rodete formado por
una serie de aletas radiales diversas formas y curvaturas que giran dentro de una
caja circular El fluido penetra por el ojo o eje de rotacioacuten y se descarga maacutes o
menos radialmente en una caacutemara perifeacuterica a una elevada presioacuten que
corresponde a la suma de la fuerza centriacutefuga de la rotacioacuten maacutes la cineacutetica
comunicada al fluido por las aletas La parte moacutevil de la bomba es el rodete Las
aletas del rodete se extienden desde el centro de rotacioacuten hacia la periferia y las
bridas son los discos de refuerzo a cada lado de las aletas que las envuelven Las
aletas pueden ser radiales curvadas ligeramente hacia delante en el mismo sentido
de la rotacioacuten o estar curvadas al reveacutes en el caso maacutes comuacuten en el disentildeo se
determino el rodete siguiente por sus caracteriacutesticas Fig 1
Figura 1 Corte parcial de un rodete de centriacutefuga para grandes cargas y secciones
de paso estrechas empleando con liacutequidos corrosivos o suspensiones de pequentildeas
partiacuteculas[4]
Ingenieriacutea Quiacutemica 59
UAM-I
APENDICE D CALCULO DE POTENCIA DE BOMBAS (8)
Potencia de la bomba de la cisterna 1 que alimenta a los mezclador 4
Ecuacioacuten de Bernoulli
sum sumint =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛+++∆+∆i i
i
P
P
evvfDLvwdphgv 0
21
21
ˆ1
21 222
2
1ρ
a b c d e f
a Diferencia de velocidades
b Diferencia de alturas
c Diferencia de presiones
d Trabajo
e Perdidas de friccioacuten en tuberiacuteas
f Perdidas de friccioacuten en accesorios
En la ecuacioacuten anterior se pueden eliminar algunos teacuterminos
21 mts
6 mts 35 mts
Figura 1 Balance de cisterna 1 a mezclador 4
Se debe de tener dos puntos de referencia para la utilizacioacuten de la ecuacioacuten de
Bernoulli de los cuales se anotaron en la figura 2
Ingenieriacutea Quiacutemica 60
UAM-I
21 mts
2 1 6 mts 35 mts
Figura 2
Teniendo los puntos de referencia se analiza que las diferencias de velocidades son
cero en ambos puntos por lo tanto el termino 2
21 ν∆ es igual a cero
El termino de = (981hg∆ 2segm )(35m ndash 0) = 34335 2
2
segm
El termino de int2
1
1P
P
dpρ
se tiene que la cisterna y el tanque de mezclado ambos no
estaacuten cerrados y por lo tanto no originan un cambio de presioacuten y el termino es cero
De esta expresioacuten L longitud de tuberiacutea
tro de tuberiacutea
n el interior del tubo
v
Para la l radio del tubo que
sum ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
i
fDL2
21 ν
D diaacuteme
f perdidas de friccioacuten e
velocidad del flujo de agua
obtencioacuten de la velocidad se tiene el flujo volumeacutetrico y e
es de 32 cm =0032mts con la ecuacioacuten
Ingenieriacutea Quiacutemica 61
( )( ) sm
ms
m
RQ 761
032060min1)
min340(
2
3
2 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
==ππ
ν
UAM-I
Se reportan valores de perdida de fr
e reduce teacuterminos
iccioacuten en tubos que son igual a 005
Por lo tanto sustituyendo los teacuterminos en la ecuacioacuten de Bernoulli s
sum sumint =⎟⎠
⎜⎝
+⎟⎠
⎜⎝
+++∆+∆i i
iP
evvfD
vwdphgv 022
ˆ2
1ρ
⎞⎛⎞⎛ L 111 2222
or tanto el termino de trabajo queda expresado de la siguiente manera
tanto la bomba comunica al fluido que circula en el sistema un trabajo
+11727
P1
p w
sum sum ∆minus⎟⎠⎞
⎜⎝⎛minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛minus=
i ii
hgevvfDLvw 22
21
21
ˆ
( ) ( )
Este es el trabajo ( por unidad de masa) producido por el fluido en la bomba por lo
22
sm o 11727 981 = 1195
m
fKg
Kgm
La velocidad de flujo de masa es
Por lo tanto
1 )=6694
951)(675(ˆ =minus=minus WwW smkg f = 088Hp = 1Hp
Siendo esta ida para esta bomba El procedimiento anterior se
iguioacute para cada bomba de la planta
AP E
la potencia requer
s
EacuteNDICE
TOXICOLOGIacuteA DE MATERIAS PRIMAS [6]
( ) ( ) ( )( ) ( )( )msm
smmmm
sm 538192201150761
21050
032021536761
21
2
22minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ +minus⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ++
minus=wm
22
27117ˆ smw minus=
( )s
kgmkgQw m675100060340 3 === ρ
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UAM-I
HIDROacuteXIDO DE SODIO
Polvo corrosivo blanco delicuescente
Toxicidad
Concentracioacuten Maacutexima permisible 2mgm3 en aire
Signos y Siacutentomas Conjutivitis quemaduras corneales y de la piel Irritacioacuten
seas vomito dolor abdominal y diarrea a veces con
Lavado de las partes afectadas tranquilizantes sulfato de
decuada gafas protectoras o pantallas para
ignos y Siacutentomas Irritacioacuten de ojos quemaduras corneables tos dolores
l hemoptisis dolor de cabeza dolor epigaacutestrico nauseas y vomito
lmonar
Tratamiento lavado de ojos con agua reposo oxigeno con aparato de respiracioacuten
con onantes
ACIDO NITRICO
Liquido corrosivo sofocante de incoloro a amarillento
ioacuten maacutexima permisible 10ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
del tracto respiratorio nau
sangre
Tratamiento
morfina para el dolor y cortisona
Medidas preventivas Ventilacioacuten a
la cara completa mascarilla con filtro mecaacutenico guantes delantares botas de
goma y acentuar la limpieza personal
CLORO
Gas pasado amarillo verdoso
Toxicidad
Conc Maacutexima permisible 1 ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten
S
retrosterna
debilidad cianosis y edema pu
trolada bronco dilatadores y descongesti
Toxicidad
Concentrac
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UAM-I
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
Signos y siacutentomas Erosioacuten dental estornudo tos Dolor en el pecho bronquitis y
la las partes contaminadas del cuerpo con solucioacuten al 5 de
de las quemaduras con pantildeos
de triacuteo sulfato soacutelido si se a ingerido
vado de ojos con agua
ACIDO CLORIDRICO
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
ivitis necrosis corneal por inhalacioacuten rinitis erosioacuten
dolor de cabeza palpitacioacuten por ingestioacuten
s en la boca faringe esoacutefago estomago salivacioacuten vomito Soc
agua lavada de agua y jaboacuten de las partes
preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
AacuteC
El c
con o de hidroacutegeno una
concentracioacuten de 12 molLt Este aacutecido es un liacutequido incoloro con un olor aacutecido
bronconeumoniacutea
Tratamiento
bicarbonato soacutelido o con agua y jaboacuten Tratamiento
mojados con solucioacuten saturada
administracioacuten por viacutea oral de solucioacuten de jaboacuten Hidroacutexido caacutelcico o alumiacutenico u
oacutexido de magnesio
Medidas preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores excluir de la exposicioacuten
a los individuos con enfermedades de pulmones y rintildeones
Gas incoloro o liacutequido o a amarillento
Toxicidad
Concentracioacuten maacutexima permisible 5ppm en aire
Signos y siacutentomas conjunt
dental laringitis bronquitis neumoniacutea
quemadura
nefritis
Tratamiento lavado de ojos con
contaminantes del cuerpo tratamiento ordinario de quemaduras lavado gaacutestrico
se a ingerido con solucioacuten de bicarbonato soacutedico al 5 seguido de una instilacioacuten
de gel de hidroacutexido de aluminio
Medidas
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores
IDO CLORHIacuteDRICO
loruro de hidroacutegeno es en extremo soluble en agua de hecho el aacutecido clorhiacutedrico
centrado contiene cerca del 38 en masa de clorur
Ingenieriacutea Quiacutemica 64
UAM-I
pronunciado que se debe al equilibrio entre el cloruro de hidroacutegeno gaseoso y
ste con el aacutecido fluorhiacutedrico el aacutecido clorhiacutedrico es un aacutecido fuerte (pKa = -
7) y se ioniza casi totalmente
gar de aacutecido sulfuacuterico auque en menor grado Por
jemplo el zinc metaacutelico reacciona con aacutecido clorhiacutedrico para dar el ion zinc e
hidroacutegeno gaseoso
Zn(s) + 2HCl(ac) ZnCl2(ac) + H2(g)
l para producir aacutecido clorhiacutedrico en el laboratorio es generar
cloruro de hidroacutegen e sodio y el aacutecido
ulfuacuterico En el primer paso a 150degC se forma hidroacutegeno sulfato de sodio
NaHSO4(s) + HCl(g)
io y maacutes
loruro de hidroacutegeno gaseoso Luego el gas se disuelve en agua para formar el
aacutecido
NaHSO4(s) + NaCl(s) Na2SO4(s) + HCl(g)
acuoso
HCl(ac) HCl(g)
El reactivo de grado teacutecnico a menudo tiene un color amarillento por una impureza
del ion hierro (III)
En contra
HCl(ac) + H2O(l) H2O+(ac) + Cl -(ac)
Por ello a menudo se prefiere usar aacutecido clorhiacutedrico diluido en lugar de aacutecido niacutetrico
que es muy oxidante y en lu
e
Cuando el zinc reacciona con el aacutecido niacutetrico es comuacuten que se reduzca una parte
del ion nitrato para dar dioacutexido de nitroacutegeno
El meacutetodo tradiciona
o gaseoso por la reaccioacuten entre el cloruro d
s
NaCl(s) + H2SO4(l)
La mezcla se calienta a 550degC temperatura a la cual el hidroacutegeno sulfato de sodio
reacciona con un exceso de cloruro de sodio para formar sulfato de sod
c
∆
Este meacutetodo se usa tambieacuten en la industria otra forma de producir cloruro de
hidroacutegeno es por la combinacioacuten directa de dicloro y dihidroacutegenogaseosos
Ingenieriacutea Quiacutemica 65
UAM-I
H2(g) + Cl2(g) 2HCl(g)
La mayor cantidad de cloruro de hidroacutegeno que se produce actualmente es un
CH4(g) + 4Cl2(g) 4(l) + 4HCl(g)
riacuten de superficies de acero en un bantildeo aacutecido en la purificacioacuten de glucosa
y jarabe de maiacutez e s y de gas y en la
bricacioacuten de compuestos clorados El aacutecido se puedo comprar en muchas
nducida por la luz
4HNO3(ac) 4NO2(g) + O2(g) + 2H2O(l)
niacutetrico como disolvente)
H2NO3+ H2O + NO2
+
l siguiente
3HNO NO3 ndash
subproducto de otros procesos industriales como la siacutentesis de tetracloruro de
carbono
CCl
Se consumen cerca de 107 toneladas de aacutecido clorhiacutedrico cada antildeo en todo el
mundo Este aacutecido tiene una gama muy amplia de usos como aacutecido comuacuten para
eliminar o
n el tratamiento con aacutecido de pozos petrolero
fa
ferreteriacuteas con el arcaico nombre de aacutecido muriaacutetico sus principales usos caseros
son la limpieza de superficies de concreto y la eliminacioacuten de herrumbre Un nuacutemero
muy reducido de personas es incapaz de sintetizar suficiente jugo gaacutestrico y deben
de ingerir caacutepsulas de aacutecido clorhiacutedrico diluido con cada comida
AacuteCIDO NIacuteTRICO
El aacutecido niacutetrico un liacutequido aceitoso e incoloro en estado puro es sumamente
peligroso El aacutecido que funde a ndash42degC y hierve a +83degC tiene por lo general un
ligero color amarillo a causa de una reaccioacuten de descomposicioacuten i
En un estado puro el aacutecido niacutetrico liacutequido praacutecticamente no conduce la electricidad
Una pequentildea porcioacuten se ioniza como sigue (todas estas especies existen en el aacutecido
2HNO3(l) H2NO3+ + NO3
ndash
H2O + HNO3 H3O+ + NO3 ndash
Para dar la reaccioacuten globa
3 NO2+ + H3O + 2+
Ingenieriacutea Quiacutemica 66
UAM-I
El catioacuten nitrilo es importante en la nitracioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas por ejemplo la
obenceno C6H5NO2 una etapa importante en
umerosos procesos industriales orgaacutenicos
El aacutecido niacutetrico con en agua mientras
ue el ldquoaacutecido niacutetrico fumanterdquo un oxidante extremadamente poderoso es una
vez de ello se produce una mezcla de
sistema que da un orden de
vista industrial el
oceso
e lleva a cabo en tres etapas Primero se hace pasar una mezcla de amoniaco y de
dioxiacutegeno (o aire) un proceso muy
ficiente y exoteacutermico que hace que la malla se ponga al rojo Esta etapa se verifica
conversioacuten de benceno C6H6 en nitr
n
centrado es en realidad una solucioacuten al 70
q
solucioacuten roja de dioacutexido de nitroacutegeno en aacutecido niacutetrico puro Incluso cuando esta
diluido el aacutecido niacutetrico es un oxidante tan fuerte que rara vez desprende hidroacutegeno
cuando se pone en contacto con metales en
oacutexidos de nitroacutegeno y el metal se oxido a su catioacuten
Los enlaces O-N son mucho maacutes cortos (121 pm) que el enlace O-N unidos al aacutetomo
de hidroacutegeno (141 pm) Esta longitud de enlaces indica que hay enlaces muacuteltiples
entre el nitroacutegeno y los dos aacutetomos de oxiacutegeno terminales Ademas de los electrones
del sistema σ hay cuatro electrones que participan en el sistema π O-N-O dos de un
orbital enlazante y dos en un orbital no enlazante
enlace de 112 para cada uno de esos enlaces nitroacutegeno- oxiacutegeno
A veces se nos olvida hasta queacute punto nuestra experiencia depende de la
termodinaacutemica y la cineacutetica Por ejemplo la primera siacutentesis industrial de aacutecido
niacutetrico se llevaba ha cabo por simple combinacioacuten de diniacutetrogeno dioxiacutegeno y agua
utilizando un horno de arco eleacutectrico a fin de proporcionar la energiacutea necesaria par
superar la muy elevada barrera cineacutetica Aunque desde el punto de
factor cineacutetico constituiacutea un problema en realidad es una bendicioacuten por que sin esta
barrera cineacutetica hace mucho tiempo que todo el dioacutexido de la atmoacutesfera se abriacutea
transformado en aacutecido niacutetrico y nuestros mares serian de aacutecido niacutetrico diluido
frac12 N2(g) + 54O2(g) + 12H2O(g) HNO3(g)
Ahora se utiliza el proceso Ostwald para la siacutentesis de aacutecido niacutetrico Este proceso
consume gran parte del amoniaco que se produce por el proceso Haber El pr
s
a traveacutes de una malla de platino metaacutelico Eacuteste es
e
a baja presioacuten para aprovechar el efecto entropico es decir la formacioacuten de 10
moles de gas a partir de 9 moles de gas (una aplicacioacuten del principio de Le Chatelier)
para desplazar el equilibrio a la derecha
Ingenieriacutea Quiacutemica 67
UAM-I
4NH3(g) + 5O2(g) 4NO(g) + 6H2O(g)
Se agrega maacutes oxiacutegeno para oxidar el monoacutexido de nitroacutegeno a dioacutexido de nitroacutegeno
A fin de mejorar el rendimiento de esta reaccioacuten exoteacutermica se extrae calor de los
ases y la mezcla se somete a presioacuten
2HNO3(l) + NO(g)
Esta reaccioacuten tambieacuten es exoteacutermica y una vez maacutes se aplica enfriamiento y alta
la
egunda etapa para oxidarlo de nuevo
La contaminacioacuten s de aacutecido niacutetrico
as plantas maacutes antiguas eran faacutecilmente identificables por la fumarola cafeacute-
antas maacutes antiguas ahora mezcla cantidades
en Estados Unidos porque un 20
dedica ala produccioacuten de explosivos
or ultimo el aacutecido niacutetrico es un liacutequido que hierve a 826degC No existe como liacutequido
g
2NO(g) + O2(g) 2NO2(g)
El dioacutexido de nitroacutegeno se mezcla con agua para dar una solucioacuten de aacutecido niacutetrico
3NO2(g) + H2O(l)
presioacuten par obtener el maacuteximo rendimiento El monoacutexido de nitroacutegeno se vuelve a
s
soliacutea ser un problema importante de las planta
L
amarillento del dioacutexido de nitroacutegeno que escapaba por ellas Las plantas maacutes
antiguas eran faacutecilmente identificable por la fumadora cafeacute-amarillo del dioacutexido de
nitroacutegeno que escapaba de ellas Las pl
estequiomeacutetricas de amoniaco con las oacutexidos de nitroacutegeno con lo cual se obtiene
dinitroacutegeno y vapor de agua ambos inocuos
NO(g) + NO2 (g) + 2NH3(g) 2N2(g) + 3H2O(g)
En todo el mundo alrededor del 80 del aacutecido niacutetrico se utiliza en la produccioacuten de
fertilizantes Esta proporcioacuten es de solo el 65
se
P
puro porque en alguna medida se descompone espontaacuteneamente como sigue
4HNO3(l) 4NO2(g) + 2H2O(l) + O2(g)
Ingenieriacutea Quiacutemica 68
UAM-I
El aacutecido niacutetrico concentrado que se usa en el laboratorio estaacute al 68 en masa HNO3
(densidad 142 gcm3) lo que corresponde a 157 M
l aacutecido niacutetrico es un poderoso agente oxidante El nuacutemero de oxidacioacuten del N en el
) El aacutecido niacutetrico puede oxidar
nto a metales que estaacuten abajo del hidroacutegeno como aquellos que se encuentran
4Zn2+(ac) + NH4
+(ac) + 3H2O(l)
do no oxida al oro Sin embargo cuando se mezcla con
cido clorhiacutedrico concentrado en relacioacuten 13 en volumen (una parte de HNO3 a tres
partes al oro
omo sigue
APEacuteNDICE F
ETODO DE DEPOSICIOacuteN-PRECIPITACIOacuteN
E
HNO3 es + 5 Los productos maacutes comunes de la reduccioacuten del aacutecido niacutetrico son el
NO2 (N = + 4) el NO (N = + 2) y el NH4+ (N = - 3
ta
arriba en la serie de actividades Por ejemplo el cobre es oxidado por el aacutecido niacutetrico
concentrado como se mencionoacute antes
En presencia de reductores fuertes como el zinc metaacutelico el aacutecido niacutetrico se puede
reducir hasta ion amonio
4Zn(s) + 10H+(ac) + NO3
-(ac)
El aacutecido niacutetrico concentra
aacute
de HCl) la disolucioacuten resultante denominada agua regia puede oxidar
c
Au(s) + 3HNO3(ac) + 4HCl(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O(l) + 3NO2(g)
M
Ingenieriacutea Quiacutemica 69
UAM-I
APEacuteNDICE G
ISENtildeO DEL MEZCLADOR [4]
1) 100 ml H2O gr soporte
2) NH4(OH)
Ajustar a PH = 9 4) HAuCl4 (solucioacuten acuosa al 25E-3M)
6) Filtrado o centrifugado
3) En Agitacioacuten por 2 hr
8) Secado por 2hr a 80 degC
9 ) Calcinado por 4hr a 400 degC
7) Lavado
5) Antildeegamiento por 30 min
D
Ingenieriacutea Quiacutemica 70
UAM-I
El disentildeo de un tanque agitado dis n nuacutemero de elecciones sobre el
po y localizacioacuten del agitador las proporciones del tanque el nuacutemero y dimensiones
ada una de estas decisiones afectan a la velocidad
e circulacioacuten del liacutequido los modelos de velocidad y el consumo de potencia Como
pone de un gra
ti
de las placas deflectoras etc C
d
punto de partida en el disentildeo de los problemas ordinarios de agitacioacuten generalmente
se utiliza un agitador de turbina del tipo que se muestra en la figura 1 La proporcioacuten
tiacutepica es
31
=t
a
DD
1=tD
H 121
=tD
J 51
=aD
W 41
=aD
L
de estas ecuaciones se disentildeara el mezclador como datos se tiene el valor H que es
igual a 3 mts y el diaacutemetro del tanque D
Se determinara la medida de los reflectores
t que es igual 3 mts
121
=tD
J se despeja J
elacioacuten R31
=t
a
DD
se despeja Da
Relacioacuten
41
=aD
L se despeja L
elacioacuten se despeja W
( ) ( ) cmmtsmtsDJ 25250311==⎟
⎞⎜⎛=⎟
⎞⎜⎛= t 1212 ⎠⎝⎠⎝
( ) ( ) mtsmtsDD ta 1331
31
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=
( ) ( ) mtsmtsDL a 250141
41
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛= cm25=
51
=aD
WR
Ingenieriacutea Quiacutemica 71
UAM-I
Figura 2 a) Vista transversal del mezclador b) paletas del mezclador con la
donde se deposita el soporte
Figura 1 Medidas de un agitador de turbina
a) b)
s rejillas
H
J
E L
Da
D t
W
W
( ) ( ) cmmtsmtsDW a 2020151
5==⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎜⎝
=1 ⎞⎛
Ingenieriacutea Quiacutemica 72
UAM-I
del disentilde es decir si el proyecto es rentable o no En este caso particular se tuvo un
valor aceptable y se definioacute que el disentildeo es rentable Esto indica que seria una
industria que tendriacutea ganancias y a la vez que el producto que se fabrique nos
ayudaraacute a todos a reducir la emisioacuten de CO en los hogares aportando una pequentildea
ayuda al medio ambiente
COMENTARIOS
Los conocimientos adquiridos durante este tiempo fueron provechosos en la parte
teoacuterica y praacutectica aclaramos dudas de como y porque se comportan las reacciones
quiacutemicas y los procesos de flujos Durante el desarrollo del proyecto aprendimos a
observar y la importancia de entender fiacutesicamente las algunos procesos relacionados
con la siacutentesis y caracterizacioacuten de materiales cataliacuteticos
Ingenieriacutea Quiacutemica 44
UAM-I
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Ingenieriacutea Quiacutemica 46
UAM-I
APEacuteNDICE A
CRITERIOS PARA DETERMINAR QUIEacuteN CONTROLA EL PROCESO
Criterio de weisz para difusioacuten interna
Ec(12-16 Fogler) Los valores que se sustituyen en las siguientes ecuaciones fueron
tomados del catalizador que se analizo en el laboratorio
CWP = ( )
AS
cObsA
DeCRcr 2minus
lt 1
-rA(Obs) = velocidad de reaccioacuten observada molgcats Cc = concentracioacuten volumeacutetrica molm3
CAS = concertacioacuten en la superficie molm3
D= diaacutemetro del granulo m R = radio del granulo m De = difusividad efectiva m2s
d = 0149mm mxmm
m 4104911000
1 minus=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
CWP = ( )( )3
32
24
33
103470184200350
21049150800010681
minus
minusminus
=⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞⎜
⎝⎛
x
mmol
hrm
mxcatm
gcathgcat
molx
734x10-3 lt 1 No hay limitante por la difusioacuten interna
Ingenieriacutea Quiacutemica 47
UAM-I
Criterio de mears para difusioacuten interna Ec(12-62 Fogler)
Mm = 150ltAbc
bA
CkRnr ρminus
Mm =( )( )
0570
136000184200220
31110457508000106851
3
53
3
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ minusminus
hrs
mmol
sm
mxcatmgcat
hgcatmolx
0057 lt 015 no hay efecto de transferencia de masa externa Calculo de Dab para calcular el coeficiente de trasferencia de masa Ec(78 Lobo)
De =
KAAB DD11
1
+
DKA = 970X103 (80X10-8)(s
cmK 221 1090)
2400( =
DAB = 00018583ABAB
BA
PMMT
Ω
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ +
2
2123 11
γ
Para CO
0110=isin
Bk 0593 A=γ
Para O2
Ingenieriacutea Quiacutemica 48
UAM-I
0113=isin
Bk 0453 A=γ
( ) 51343359321
=+=ABγ
( )( )[ ] 21113110BAB k=isin A la temperatura de 400degK
( ) 583))113)(110((
40021 =
deg=
isin B
B
AB
B
KKKTK
Ω AB = 0907 Sustituyendo
DAB =s
cm2
2
2123
9730)9070()513(
)21281()400(00185830=
+
De = hrm
hrs
cmm
scm 222
03501
3600100
10980
10901
97301
1=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
+
Calculo de Kc Sh = (Re)12(Sc)13
Velocidad superficial
V = sm
shr
hrm
mxhr
m
Av
c
02036001976
1087
006025
3
0 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛== minus
Ingenieriacutea Quiacutemica 49
UAM-I
Re= ( ) 240)1062)(501(
)10491)(020(
1 25
4
=minus
=minus minus
minus
smx
mxsmvd p
νφ
Sc= 672)3600
1)(0350(
10622
25
==minus
shr
hrm
smx
Dv
AB
Sh= ( 024 )12 ( 267 )13 = 0679
Kc = Shdp
DAB⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛minusφ
φ1
Kc = ( )sm
mxs
mx02206790
10491
10729
50501
4
26
=⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛minus
minus
minus
Calculo de numero Thile con el radio que usara a nivel industrial
φ = L ( )DkCn n
AS
21 1minus+
L = 3R
Sustituyendo
φ = 66x10-4 m( )
( )
450
03502
018420
5480941311
3
30
3330
313
=
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+
catmhrm
mmol
hrcatmmolm
η = 1 con los resultados anteriores se observa que quieacuten limita es la velocidad de
reaccioacuten Por lo que se procede a calcular el peso y longitud de catalizador
necesaria para muestro purificador sustituyendo los valores del Boiler
Ingenieriacutea Quiacutemica 50
UAM-I
Peso del Catalizador w =
( ) grcatgcatLn
gcatm
mmol
hrcatmmolm
hrm
xLn
kCv
A
66476639401
1
6000001578
548094
19836
11
330
3330
313
3
0
0 asymp=minus
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
minus
g 664=w
33
3
1011
mg60000
g 664 mxwv minus===ρ
m 035003101011
2
33
==minus
mmxL
cm 531000350 == xL
Ingenieriacutea Quiacutemica 51
UAM-I
APEacuteNDICE B BALANCE DE MASA DE LA PREPARACIOacuteN DE HAUCL4 Au(g) + 3HNO3(ac) + 4HCL(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O + 3N02(g) (152 M) (105M)
cantidad de mol Au = 05 kg Au x molAu
grAumolAux
kggr 542
971961
11000
=
cantidad de kg HNO3 = ( ) 33
33 480
10001
1635423 kgHNO
grkgx
molHNOGRHNOxHNOmol =
cantidad de kgHCl = ( ) kgHClgr
kgxmolHCl
grHClHClxmol 3701000
11
5365424 =
cantidad de kgHAuCl4 = 254molHAuCl4 x 44
8601000
11
97339 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
gr=
cantidad de kgH2O = 3( 254mol)H20 x OkgHgr
kgxOmolHOgrH
22
2 1401000
1118
=
cantidad de Lt H20 = 762molHNO3 x OltHOkgHOLtH
22
2 14011
=
cantidad de Lt H20 = 1016 mol HNO3 x 050215
012
2 LtHmol
LtH=
cantidad de LtH20 = 1016mol HCl x OLtHLtHmolHCl
LtH22
2 010970510
01asymp=
cantidad de MHAUCl4 = ( ) ( ) ( ) MHltltlt
ClmolHAU 7210850490140
542
2
4 asymp++
cantidad de kg NO2(g) = 3( 254mol)NO2 x )(22
2 3501000
1146
SkgNOgr
kgxmolNO
grNO=
Ingenieriacutea Quiacutemica 52
UAM-I
05 kg Au 048 kgHNO3 035 kgNO2 101021 kgH20 (152M) 037 kgHCl(ac)
(105 m) 086 kg HAuCl4 (ac) 086 kg HAuCl4 (ac)
(17 M) 014 kgH20 (25x10-3M) 014kg H20 (L) 086kg HAuCl4 035kgNO2 (g) 101185kg H20 Cantidad de H20 = 086 kgHAuCl4
x 08510110101
105201
173341
11000
22
23
24 kgHLtHkgHx
MxltHx
grmolHAuClx
kggr
=minus
pero (101185 ndash 014 ndash 05 ndash 1) kg H20 = 101021 kg H20 100ml H20 por 1 gr soporte 35kg NH4 (OH)(AC) 10000kgH20 100 kg γAl203 (9965) 035kgAu (035) 100kg γAl203 025kgCl2 086kg HAuCl4 026kgHAuCl4
101185 kg H20 35kgNH4 (OH)(AC) 1101185kgH20 cantidad de kgHAuCl4 = 015kgAu x
44
4 2601000
11
973391
197196
147196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxgrAu
molxkg
gr=
cantidad de NH4(OH) = 100kg γ Al203 x
Ingenieriacutea Quiacutemica 53
UAM-I
kgNHxmol
grx
mlmol
xOAlgr
OHmlNHx
kg
gr53
10001
1
35
100010
1
)(10
1
1000
32
4=
γ4(OH)
30kg γAL2O3 1 kgNH4(OH)(AC) 30 kg γ Al203 (9965) 010 kg Au (035) 026kgHAuCl4 007kg Cl2 35kgNH4(OH) 1101185 kgH2O 0086kgHAuCl4 45 kg NH4(OH)(AC) 1101185 kg H20
cantidad de γ Al2O3 = 026kgHAuCl4 x 324
32 02330860
100 AlkgkgHAuCl
OAlkg γγ=
cantidad de kgAu = 035 x kgAukg 10506599
30=
cantidad de kg Cl2 = 01 kgAu x
22
2 07201000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de HAuCl4 = 005kgAu x
44
4 08601000
11
973391
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 54
UAM-I
cantidad de kgNO4(OH) = 30 kg γ Al203 x ( )OHkgNHAlkg
OHkgNO4
32
4 0510100
)(53=
γ
105 kg γ Al203 035 kg NH2(OH) 105 kg γ Al203 (9965) 004 kg Au (035) 009kg HAuCl4 003 kg Cl2 45kgNH4(OH) 1101185 kg H20 0017kgHAuCl4 485kgNH4 (OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 009 HAuCl4 x 324
32 04710860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad kg de NH4 (OH) = 105kg γ Al203 x ( ) )(3500100
534
32
4 OHkgNHAlkg
OHkgNH=
γ
cantidad de Cl2 = 004 kg Au x
22
2 02901000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
gAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 =
44
44 02001701000
11
973391
197196
11
1000010 kgHAukgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgr
molAuxkg
grkgAux asymp=
Ingenieriacutea Quiacutemica 55
UAM-I
23 kg γ Al203 008kgNH4(OH) 002 kg HAuCl4 23 kg γAl203 (9965) 485kgNH4(OH) 0008kgAu(035) 1101185kg H2 0001kg Cl2
0014 kg HAuCl4 493kgNH4(OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 002kgHAuCl4 x 324
32 032860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad de kg Au = 035 x kgAukg 00806599
32=
cantidad de kgCl2 = 0002kgAu x
24
4 00101000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 = 0008kgAu x
44
44 01401000
11
973341
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 56
UAM-I
APEacuteNDICE C ACCESORIOS EN EL DISENtildeO
Agitador
Agitadores de Heacutelice se escogioacute este tipo de agitador por ser tener las siguientes
caracteriacutesticas [3]
bull Es un agitador de flujo axial
bull Se emplea para liacutequidos pocos viscosos
bull Giran a toda la velocidad del motor
bull Las corrientes de flujo se mueven a traveacutes del liacutequido en una direccioacuten
determinada hasta que son desviadas por el fondo o las paredes del tanque
bull Las palas de la heacutelice cortan o friccionan vigorosamente el liacutequido
bull Los agitadores de heacutelice son eficaces para tanques de gran tamantildeo
Horno
bull El horno se escogioacute por ser tener las siguientes caracteriacutesticas [5]
bull El horno de construccioacuten metaacutelica
bull La caacutemara de combustioacuten estaacute construida mediante hormigones refractarios
de alta resistencia mecaacutenica
bull Las materias secar y calcinar se carga de forma manual
Ingenieriacutea Quiacutemica 57
UAM-I
Bomba
DISENtildeO Bomba centrifuga para operacioacuten horizontal o vertical del impulsor
cerrado succioacuten al extremo descarga hacia arriba tangencial simple succioacuten de un
paso con carcaza partida verticalmente [3]
ROTACIOacuteN En el sentido del reloj vista desde el cople
CARACTERIacuteSTICAS Conexiones brindadas con registro ubicado en la cabeza de
succioacuten para facilitar su limpieza
SERVICIO Debido a que es posible colocarla en posicioacuten horizontal o vertical tanto
en caacutercamos secos como huacutemedos y por el disentildeo de su impulsor que soacutelidos de
gran tamantildeo esta bomba es ideal para los procesos de tratamientos de agua y
manejo de liacutequidos en suspensioacuten en general
CAPACIDADES
GASTO Hasta 3000 GPM
CDT Hasta 80rsquo
PRESIOacuteN 106 Kgcmsup2
POTENCIA De 1 a 60 Hp
VELOCIDAD (1175 - 3550 RPM)
TEMPERATURA 125degC
Ingenieriacutea Quiacutemica 58
UAM-I
Bombas Centriacutefugas
Las maquinas centriacutefugas estaacuten constituidas por un impulsor o rodete formado por
una serie de aletas radiales diversas formas y curvaturas que giran dentro de una
caja circular El fluido penetra por el ojo o eje de rotacioacuten y se descarga maacutes o
menos radialmente en una caacutemara perifeacuterica a una elevada presioacuten que
corresponde a la suma de la fuerza centriacutefuga de la rotacioacuten maacutes la cineacutetica
comunicada al fluido por las aletas La parte moacutevil de la bomba es el rodete Las
aletas del rodete se extienden desde el centro de rotacioacuten hacia la periferia y las
bridas son los discos de refuerzo a cada lado de las aletas que las envuelven Las
aletas pueden ser radiales curvadas ligeramente hacia delante en el mismo sentido
de la rotacioacuten o estar curvadas al reveacutes en el caso maacutes comuacuten en el disentildeo se
determino el rodete siguiente por sus caracteriacutesticas Fig 1
Figura 1 Corte parcial de un rodete de centriacutefuga para grandes cargas y secciones
de paso estrechas empleando con liacutequidos corrosivos o suspensiones de pequentildeas
partiacuteculas[4]
Ingenieriacutea Quiacutemica 59
UAM-I
APENDICE D CALCULO DE POTENCIA DE BOMBAS (8)
Potencia de la bomba de la cisterna 1 que alimenta a los mezclador 4
Ecuacioacuten de Bernoulli
sum sumint =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛+++∆+∆i i
i
P
P
evvfDLvwdphgv 0
21
21
ˆ1
21 222
2
1ρ
a b c d e f
a Diferencia de velocidades
b Diferencia de alturas
c Diferencia de presiones
d Trabajo
e Perdidas de friccioacuten en tuberiacuteas
f Perdidas de friccioacuten en accesorios
En la ecuacioacuten anterior se pueden eliminar algunos teacuterminos
21 mts
6 mts 35 mts
Figura 1 Balance de cisterna 1 a mezclador 4
Se debe de tener dos puntos de referencia para la utilizacioacuten de la ecuacioacuten de
Bernoulli de los cuales se anotaron en la figura 2
Ingenieriacutea Quiacutemica 60
UAM-I
21 mts
2 1 6 mts 35 mts
Figura 2
Teniendo los puntos de referencia se analiza que las diferencias de velocidades son
cero en ambos puntos por lo tanto el termino 2
21 ν∆ es igual a cero
El termino de = (981hg∆ 2segm )(35m ndash 0) = 34335 2
2
segm
El termino de int2
1
1P
P
dpρ
se tiene que la cisterna y el tanque de mezclado ambos no
estaacuten cerrados y por lo tanto no originan un cambio de presioacuten y el termino es cero
De esta expresioacuten L longitud de tuberiacutea
tro de tuberiacutea
n el interior del tubo
v
Para la l radio del tubo que
sum ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
i
fDL2
21 ν
D diaacuteme
f perdidas de friccioacuten e
velocidad del flujo de agua
obtencioacuten de la velocidad se tiene el flujo volumeacutetrico y e
es de 32 cm =0032mts con la ecuacioacuten
Ingenieriacutea Quiacutemica 61
( )( ) sm
ms
m
RQ 761
032060min1)
min340(
2
3
2 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
==ππ
ν
UAM-I
Se reportan valores de perdida de fr
e reduce teacuterminos
iccioacuten en tubos que son igual a 005
Por lo tanto sustituyendo los teacuterminos en la ecuacioacuten de Bernoulli s
sum sumint =⎟⎠
⎜⎝
+⎟⎠
⎜⎝
+++∆+∆i i
iP
evvfD
vwdphgv 022
ˆ2
1ρ
⎞⎛⎞⎛ L 111 2222
or tanto el termino de trabajo queda expresado de la siguiente manera
tanto la bomba comunica al fluido que circula en el sistema un trabajo
+11727
P1
p w
sum sum ∆minus⎟⎠⎞
⎜⎝⎛minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛minus=
i ii
hgevvfDLvw 22
21
21
ˆ
( ) ( )
Este es el trabajo ( por unidad de masa) producido por el fluido en la bomba por lo
22
sm o 11727 981 = 1195
m
fKg
Kgm
La velocidad de flujo de masa es
Por lo tanto
1 )=6694
951)(675(ˆ =minus=minus WwW smkg f = 088Hp = 1Hp
Siendo esta ida para esta bomba El procedimiento anterior se
iguioacute para cada bomba de la planta
AP E
la potencia requer
s
EacuteNDICE
TOXICOLOGIacuteA DE MATERIAS PRIMAS [6]
( ) ( ) ( )( ) ( )( )msm
smmmm
sm 538192201150761
21050
032021536761
21
2
22minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ +minus⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ++
minus=wm
22
27117ˆ smw minus=
( )s
kgmkgQw m675100060340 3 === ρ
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UAM-I
HIDROacuteXIDO DE SODIO
Polvo corrosivo blanco delicuescente
Toxicidad
Concentracioacuten Maacutexima permisible 2mgm3 en aire
Signos y Siacutentomas Conjutivitis quemaduras corneales y de la piel Irritacioacuten
seas vomito dolor abdominal y diarrea a veces con
Lavado de las partes afectadas tranquilizantes sulfato de
decuada gafas protectoras o pantallas para
ignos y Siacutentomas Irritacioacuten de ojos quemaduras corneables tos dolores
l hemoptisis dolor de cabeza dolor epigaacutestrico nauseas y vomito
lmonar
Tratamiento lavado de ojos con agua reposo oxigeno con aparato de respiracioacuten
con onantes
ACIDO NITRICO
Liquido corrosivo sofocante de incoloro a amarillento
ioacuten maacutexima permisible 10ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
del tracto respiratorio nau
sangre
Tratamiento
morfina para el dolor y cortisona
Medidas preventivas Ventilacioacuten a
la cara completa mascarilla con filtro mecaacutenico guantes delantares botas de
goma y acentuar la limpieza personal
CLORO
Gas pasado amarillo verdoso
Toxicidad
Conc Maacutexima permisible 1 ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten
S
retrosterna
debilidad cianosis y edema pu
trolada bronco dilatadores y descongesti
Toxicidad
Concentrac
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UAM-I
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
Signos y siacutentomas Erosioacuten dental estornudo tos Dolor en el pecho bronquitis y
la las partes contaminadas del cuerpo con solucioacuten al 5 de
de las quemaduras con pantildeos
de triacuteo sulfato soacutelido si se a ingerido
vado de ojos con agua
ACIDO CLORIDRICO
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
ivitis necrosis corneal por inhalacioacuten rinitis erosioacuten
dolor de cabeza palpitacioacuten por ingestioacuten
s en la boca faringe esoacutefago estomago salivacioacuten vomito Soc
agua lavada de agua y jaboacuten de las partes
preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
AacuteC
El c
con o de hidroacutegeno una
concentracioacuten de 12 molLt Este aacutecido es un liacutequido incoloro con un olor aacutecido
bronconeumoniacutea
Tratamiento
bicarbonato soacutelido o con agua y jaboacuten Tratamiento
mojados con solucioacuten saturada
administracioacuten por viacutea oral de solucioacuten de jaboacuten Hidroacutexido caacutelcico o alumiacutenico u
oacutexido de magnesio
Medidas preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores excluir de la exposicioacuten
a los individuos con enfermedades de pulmones y rintildeones
Gas incoloro o liacutequido o a amarillento
Toxicidad
Concentracioacuten maacutexima permisible 5ppm en aire
Signos y siacutentomas conjunt
dental laringitis bronquitis neumoniacutea
quemadura
nefritis
Tratamiento lavado de ojos con
contaminantes del cuerpo tratamiento ordinario de quemaduras lavado gaacutestrico
se a ingerido con solucioacuten de bicarbonato soacutedico al 5 seguido de una instilacioacuten
de gel de hidroacutexido de aluminio
Medidas
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores
IDO CLORHIacuteDRICO
loruro de hidroacutegeno es en extremo soluble en agua de hecho el aacutecido clorhiacutedrico
centrado contiene cerca del 38 en masa de clorur
Ingenieriacutea Quiacutemica 64
UAM-I
pronunciado que se debe al equilibrio entre el cloruro de hidroacutegeno gaseoso y
ste con el aacutecido fluorhiacutedrico el aacutecido clorhiacutedrico es un aacutecido fuerte (pKa = -
7) y se ioniza casi totalmente
gar de aacutecido sulfuacuterico auque en menor grado Por
jemplo el zinc metaacutelico reacciona con aacutecido clorhiacutedrico para dar el ion zinc e
hidroacutegeno gaseoso
Zn(s) + 2HCl(ac) ZnCl2(ac) + H2(g)
l para producir aacutecido clorhiacutedrico en el laboratorio es generar
cloruro de hidroacutegen e sodio y el aacutecido
ulfuacuterico En el primer paso a 150degC se forma hidroacutegeno sulfato de sodio
NaHSO4(s) + HCl(g)
io y maacutes
loruro de hidroacutegeno gaseoso Luego el gas se disuelve en agua para formar el
aacutecido
NaHSO4(s) + NaCl(s) Na2SO4(s) + HCl(g)
acuoso
HCl(ac) HCl(g)
El reactivo de grado teacutecnico a menudo tiene un color amarillento por una impureza
del ion hierro (III)
En contra
HCl(ac) + H2O(l) H2O+(ac) + Cl -(ac)
Por ello a menudo se prefiere usar aacutecido clorhiacutedrico diluido en lugar de aacutecido niacutetrico
que es muy oxidante y en lu
e
Cuando el zinc reacciona con el aacutecido niacutetrico es comuacuten que se reduzca una parte
del ion nitrato para dar dioacutexido de nitroacutegeno
El meacutetodo tradiciona
o gaseoso por la reaccioacuten entre el cloruro d
s
NaCl(s) + H2SO4(l)
La mezcla se calienta a 550degC temperatura a la cual el hidroacutegeno sulfato de sodio
reacciona con un exceso de cloruro de sodio para formar sulfato de sod
c
∆
Este meacutetodo se usa tambieacuten en la industria otra forma de producir cloruro de
hidroacutegeno es por la combinacioacuten directa de dicloro y dihidroacutegenogaseosos
Ingenieriacutea Quiacutemica 65
UAM-I
H2(g) + Cl2(g) 2HCl(g)
La mayor cantidad de cloruro de hidroacutegeno que se produce actualmente es un
CH4(g) + 4Cl2(g) 4(l) + 4HCl(g)
riacuten de superficies de acero en un bantildeo aacutecido en la purificacioacuten de glucosa
y jarabe de maiacutez e s y de gas y en la
bricacioacuten de compuestos clorados El aacutecido se puedo comprar en muchas
nducida por la luz
4HNO3(ac) 4NO2(g) + O2(g) + 2H2O(l)
niacutetrico como disolvente)
H2NO3+ H2O + NO2
+
l siguiente
3HNO NO3 ndash
subproducto de otros procesos industriales como la siacutentesis de tetracloruro de
carbono
CCl
Se consumen cerca de 107 toneladas de aacutecido clorhiacutedrico cada antildeo en todo el
mundo Este aacutecido tiene una gama muy amplia de usos como aacutecido comuacuten para
eliminar o
n el tratamiento con aacutecido de pozos petrolero
fa
ferreteriacuteas con el arcaico nombre de aacutecido muriaacutetico sus principales usos caseros
son la limpieza de superficies de concreto y la eliminacioacuten de herrumbre Un nuacutemero
muy reducido de personas es incapaz de sintetizar suficiente jugo gaacutestrico y deben
de ingerir caacutepsulas de aacutecido clorhiacutedrico diluido con cada comida
AacuteCIDO NIacuteTRICO
El aacutecido niacutetrico un liacutequido aceitoso e incoloro en estado puro es sumamente
peligroso El aacutecido que funde a ndash42degC y hierve a +83degC tiene por lo general un
ligero color amarillo a causa de una reaccioacuten de descomposicioacuten i
En un estado puro el aacutecido niacutetrico liacutequido praacutecticamente no conduce la electricidad
Una pequentildea porcioacuten se ioniza como sigue (todas estas especies existen en el aacutecido
2HNO3(l) H2NO3+ + NO3
ndash
H2O + HNO3 H3O+ + NO3 ndash
Para dar la reaccioacuten globa
3 NO2+ + H3O + 2+
Ingenieriacutea Quiacutemica 66
UAM-I
El catioacuten nitrilo es importante en la nitracioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas por ejemplo la
obenceno C6H5NO2 una etapa importante en
umerosos procesos industriales orgaacutenicos
El aacutecido niacutetrico con en agua mientras
ue el ldquoaacutecido niacutetrico fumanterdquo un oxidante extremadamente poderoso es una
vez de ello se produce una mezcla de
sistema que da un orden de
vista industrial el
oceso
e lleva a cabo en tres etapas Primero se hace pasar una mezcla de amoniaco y de
dioxiacutegeno (o aire) un proceso muy
ficiente y exoteacutermico que hace que la malla se ponga al rojo Esta etapa se verifica
conversioacuten de benceno C6H6 en nitr
n
centrado es en realidad una solucioacuten al 70
q
solucioacuten roja de dioacutexido de nitroacutegeno en aacutecido niacutetrico puro Incluso cuando esta
diluido el aacutecido niacutetrico es un oxidante tan fuerte que rara vez desprende hidroacutegeno
cuando se pone en contacto con metales en
oacutexidos de nitroacutegeno y el metal se oxido a su catioacuten
Los enlaces O-N son mucho maacutes cortos (121 pm) que el enlace O-N unidos al aacutetomo
de hidroacutegeno (141 pm) Esta longitud de enlaces indica que hay enlaces muacuteltiples
entre el nitroacutegeno y los dos aacutetomos de oxiacutegeno terminales Ademas de los electrones
del sistema σ hay cuatro electrones que participan en el sistema π O-N-O dos de un
orbital enlazante y dos en un orbital no enlazante
enlace de 112 para cada uno de esos enlaces nitroacutegeno- oxiacutegeno
A veces se nos olvida hasta queacute punto nuestra experiencia depende de la
termodinaacutemica y la cineacutetica Por ejemplo la primera siacutentesis industrial de aacutecido
niacutetrico se llevaba ha cabo por simple combinacioacuten de diniacutetrogeno dioxiacutegeno y agua
utilizando un horno de arco eleacutectrico a fin de proporcionar la energiacutea necesaria par
superar la muy elevada barrera cineacutetica Aunque desde el punto de
factor cineacutetico constituiacutea un problema en realidad es una bendicioacuten por que sin esta
barrera cineacutetica hace mucho tiempo que todo el dioacutexido de la atmoacutesfera se abriacutea
transformado en aacutecido niacutetrico y nuestros mares serian de aacutecido niacutetrico diluido
frac12 N2(g) + 54O2(g) + 12H2O(g) HNO3(g)
Ahora se utiliza el proceso Ostwald para la siacutentesis de aacutecido niacutetrico Este proceso
consume gran parte del amoniaco que se produce por el proceso Haber El pr
s
a traveacutes de una malla de platino metaacutelico Eacuteste es
e
a baja presioacuten para aprovechar el efecto entropico es decir la formacioacuten de 10
moles de gas a partir de 9 moles de gas (una aplicacioacuten del principio de Le Chatelier)
para desplazar el equilibrio a la derecha
Ingenieriacutea Quiacutemica 67
UAM-I
4NH3(g) + 5O2(g) 4NO(g) + 6H2O(g)
Se agrega maacutes oxiacutegeno para oxidar el monoacutexido de nitroacutegeno a dioacutexido de nitroacutegeno
A fin de mejorar el rendimiento de esta reaccioacuten exoteacutermica se extrae calor de los
ases y la mezcla se somete a presioacuten
2HNO3(l) + NO(g)
Esta reaccioacuten tambieacuten es exoteacutermica y una vez maacutes se aplica enfriamiento y alta
la
egunda etapa para oxidarlo de nuevo
La contaminacioacuten s de aacutecido niacutetrico
as plantas maacutes antiguas eran faacutecilmente identificables por la fumarola cafeacute-
antas maacutes antiguas ahora mezcla cantidades
en Estados Unidos porque un 20
dedica ala produccioacuten de explosivos
or ultimo el aacutecido niacutetrico es un liacutequido que hierve a 826degC No existe como liacutequido
g
2NO(g) + O2(g) 2NO2(g)
El dioacutexido de nitroacutegeno se mezcla con agua para dar una solucioacuten de aacutecido niacutetrico
3NO2(g) + H2O(l)
presioacuten par obtener el maacuteximo rendimiento El monoacutexido de nitroacutegeno se vuelve a
s
soliacutea ser un problema importante de las planta
L
amarillento del dioacutexido de nitroacutegeno que escapaba por ellas Las plantas maacutes
antiguas eran faacutecilmente identificable por la fumadora cafeacute-amarillo del dioacutexido de
nitroacutegeno que escapaba de ellas Las pl
estequiomeacutetricas de amoniaco con las oacutexidos de nitroacutegeno con lo cual se obtiene
dinitroacutegeno y vapor de agua ambos inocuos
NO(g) + NO2 (g) + 2NH3(g) 2N2(g) + 3H2O(g)
En todo el mundo alrededor del 80 del aacutecido niacutetrico se utiliza en la produccioacuten de
fertilizantes Esta proporcioacuten es de solo el 65
se
P
puro porque en alguna medida se descompone espontaacuteneamente como sigue
4HNO3(l) 4NO2(g) + 2H2O(l) + O2(g)
Ingenieriacutea Quiacutemica 68
UAM-I
El aacutecido niacutetrico concentrado que se usa en el laboratorio estaacute al 68 en masa HNO3
(densidad 142 gcm3) lo que corresponde a 157 M
l aacutecido niacutetrico es un poderoso agente oxidante El nuacutemero de oxidacioacuten del N en el
) El aacutecido niacutetrico puede oxidar
nto a metales que estaacuten abajo del hidroacutegeno como aquellos que se encuentran
4Zn2+(ac) + NH4
+(ac) + 3H2O(l)
do no oxida al oro Sin embargo cuando se mezcla con
cido clorhiacutedrico concentrado en relacioacuten 13 en volumen (una parte de HNO3 a tres
partes al oro
omo sigue
APEacuteNDICE F
ETODO DE DEPOSICIOacuteN-PRECIPITACIOacuteN
E
HNO3 es + 5 Los productos maacutes comunes de la reduccioacuten del aacutecido niacutetrico son el
NO2 (N = + 4) el NO (N = + 2) y el NH4+ (N = - 3
ta
arriba en la serie de actividades Por ejemplo el cobre es oxidado por el aacutecido niacutetrico
concentrado como se mencionoacute antes
En presencia de reductores fuertes como el zinc metaacutelico el aacutecido niacutetrico se puede
reducir hasta ion amonio
4Zn(s) + 10H+(ac) + NO3
-(ac)
El aacutecido niacutetrico concentra
aacute
de HCl) la disolucioacuten resultante denominada agua regia puede oxidar
c
Au(s) + 3HNO3(ac) + 4HCl(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O(l) + 3NO2(g)
M
Ingenieriacutea Quiacutemica 69
UAM-I
APEacuteNDICE G
ISENtildeO DEL MEZCLADOR [4]
1) 100 ml H2O gr soporte
2) NH4(OH)
Ajustar a PH = 9 4) HAuCl4 (solucioacuten acuosa al 25E-3M)
6) Filtrado o centrifugado
3) En Agitacioacuten por 2 hr
8) Secado por 2hr a 80 degC
9 ) Calcinado por 4hr a 400 degC
7) Lavado
5) Antildeegamiento por 30 min
D
Ingenieriacutea Quiacutemica 70
UAM-I
El disentildeo de un tanque agitado dis n nuacutemero de elecciones sobre el
po y localizacioacuten del agitador las proporciones del tanque el nuacutemero y dimensiones
ada una de estas decisiones afectan a la velocidad
e circulacioacuten del liacutequido los modelos de velocidad y el consumo de potencia Como
pone de un gra
ti
de las placas deflectoras etc C
d
punto de partida en el disentildeo de los problemas ordinarios de agitacioacuten generalmente
se utiliza un agitador de turbina del tipo que se muestra en la figura 1 La proporcioacuten
tiacutepica es
31
=t
a
DD
1=tD
H 121
=tD
J 51
=aD
W 41
=aD
L
de estas ecuaciones se disentildeara el mezclador como datos se tiene el valor H que es
igual a 3 mts y el diaacutemetro del tanque D
Se determinara la medida de los reflectores
t que es igual 3 mts
121
=tD
J se despeja J
elacioacuten R31
=t
a
DD
se despeja Da
Relacioacuten
41
=aD
L se despeja L
elacioacuten se despeja W
( ) ( ) cmmtsmtsDJ 25250311==⎟
⎞⎜⎛=⎟
⎞⎜⎛= t 1212 ⎠⎝⎠⎝
( ) ( ) mtsmtsDD ta 1331
31
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=
( ) ( ) mtsmtsDL a 250141
41
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛= cm25=
51
=aD
WR
Ingenieriacutea Quiacutemica 71
UAM-I
Figura 2 a) Vista transversal del mezclador b) paletas del mezclador con la
donde se deposita el soporte
Figura 1 Medidas de un agitador de turbina
a) b)
s rejillas
H
J
E L
Da
D t
W
W
( ) ( ) cmmtsmtsDW a 2020151
5==⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎜⎝
=1 ⎞⎛
Ingenieriacutea Quiacutemica 72
UAM-I
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[28] NA HodgeCJKiely Catalysis Today 72 ( 2002) 133
[29] Secretaria de Trabajo y Previsioacuten Social Comisioacuten de Salarios Miacutenimos
Ingenieriacutea Quiacutemica 46
UAM-I
APEacuteNDICE A
CRITERIOS PARA DETERMINAR QUIEacuteN CONTROLA EL PROCESO
Criterio de weisz para difusioacuten interna
Ec(12-16 Fogler) Los valores que se sustituyen en las siguientes ecuaciones fueron
tomados del catalizador que se analizo en el laboratorio
CWP = ( )
AS
cObsA
DeCRcr 2minus
lt 1
-rA(Obs) = velocidad de reaccioacuten observada molgcats Cc = concentracioacuten volumeacutetrica molm3
CAS = concertacioacuten en la superficie molm3
D= diaacutemetro del granulo m R = radio del granulo m De = difusividad efectiva m2s
d = 0149mm mxmm
m 4104911000
1 minus=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
CWP = ( )( )3
32
24
33
103470184200350
21049150800010681
minus
minusminus
=⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞⎜
⎝⎛
x
mmol
hrm
mxcatm
gcathgcat
molx
734x10-3 lt 1 No hay limitante por la difusioacuten interna
Ingenieriacutea Quiacutemica 47
UAM-I
Criterio de mears para difusioacuten interna Ec(12-62 Fogler)
Mm = 150ltAbc
bA
CkRnr ρminus
Mm =( )( )
0570
136000184200220
31110457508000106851
3
53
3
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ minusminus
hrs
mmol
sm
mxcatmgcat
hgcatmolx
0057 lt 015 no hay efecto de transferencia de masa externa Calculo de Dab para calcular el coeficiente de trasferencia de masa Ec(78 Lobo)
De =
KAAB DD11
1
+
DKA = 970X103 (80X10-8)(s
cmK 221 1090)
2400( =
DAB = 00018583ABAB
BA
PMMT
Ω
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ +
2
2123 11
γ
Para CO
0110=isin
Bk 0593 A=γ
Para O2
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UAM-I
0113=isin
Bk 0453 A=γ
( ) 51343359321
=+=ABγ
( )( )[ ] 21113110BAB k=isin A la temperatura de 400degK
( ) 583))113)(110((
40021 =
deg=
isin B
B
AB
B
KKKTK
Ω AB = 0907 Sustituyendo
DAB =s
cm2
2
2123
9730)9070()513(
)21281()400(00185830=
+
De = hrm
hrs
cmm
scm 222
03501
3600100
10980
10901
97301
1=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
+
Calculo de Kc Sh = (Re)12(Sc)13
Velocidad superficial
V = sm
shr
hrm
mxhr
m
Av
c
02036001976
1087
006025
3
0 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛== minus
Ingenieriacutea Quiacutemica 49
UAM-I
Re= ( ) 240)1062)(501(
)10491)(020(
1 25
4
=minus
=minus minus
minus
smx
mxsmvd p
νφ
Sc= 672)3600
1)(0350(
10622
25
==minus
shr
hrm
smx
Dv
AB
Sh= ( 024 )12 ( 267 )13 = 0679
Kc = Shdp
DAB⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛minusφ
φ1
Kc = ( )sm
mxs
mx02206790
10491
10729
50501
4
26
=⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛minus
minus
minus
Calculo de numero Thile con el radio que usara a nivel industrial
φ = L ( )DkCn n
AS
21 1minus+
L = 3R
Sustituyendo
φ = 66x10-4 m( )
( )
450
03502
018420
5480941311
3
30
3330
313
=
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+
catmhrm
mmol
hrcatmmolm
η = 1 con los resultados anteriores se observa que quieacuten limita es la velocidad de
reaccioacuten Por lo que se procede a calcular el peso y longitud de catalizador
necesaria para muestro purificador sustituyendo los valores del Boiler
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Peso del Catalizador w =
( ) grcatgcatLn
gcatm
mmol
hrcatmmolm
hrm
xLn
kCv
A
66476639401
1
6000001578
548094
19836
11
330
3330
313
3
0
0 asymp=minus
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
minus
g 664=w
33
3
1011
mg60000
g 664 mxwv minus===ρ
m 035003101011
2
33
==minus
mmxL
cm 531000350 == xL
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APEacuteNDICE B BALANCE DE MASA DE LA PREPARACIOacuteN DE HAUCL4 Au(g) + 3HNO3(ac) + 4HCL(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O + 3N02(g) (152 M) (105M)
cantidad de mol Au = 05 kg Au x molAu
grAumolAux
kggr 542
971961
11000
=
cantidad de kg HNO3 = ( ) 33
33 480
10001
1635423 kgHNO
grkgx
molHNOGRHNOxHNOmol =
cantidad de kgHCl = ( ) kgHClgr
kgxmolHCl
grHClHClxmol 3701000
11
5365424 =
cantidad de kgHAuCl4 = 254molHAuCl4 x 44
8601000
11
97339 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
gr=
cantidad de kgH2O = 3( 254mol)H20 x OkgHgr
kgxOmolHOgrH
22
2 1401000
1118
=
cantidad de Lt H20 = 762molHNO3 x OltHOkgHOLtH
22
2 14011
=
cantidad de Lt H20 = 1016 mol HNO3 x 050215
012
2 LtHmol
LtH=
cantidad de LtH20 = 1016mol HCl x OLtHLtHmolHCl
LtH22
2 010970510
01asymp=
cantidad de MHAUCl4 = ( ) ( ) ( ) MHltltlt
ClmolHAU 7210850490140
542
2
4 asymp++
cantidad de kg NO2(g) = 3( 254mol)NO2 x )(22
2 3501000
1146
SkgNOgr
kgxmolNO
grNO=
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05 kg Au 048 kgHNO3 035 kgNO2 101021 kgH20 (152M) 037 kgHCl(ac)
(105 m) 086 kg HAuCl4 (ac) 086 kg HAuCl4 (ac)
(17 M) 014 kgH20 (25x10-3M) 014kg H20 (L) 086kg HAuCl4 035kgNO2 (g) 101185kg H20 Cantidad de H20 = 086 kgHAuCl4
x 08510110101
105201
173341
11000
22
23
24 kgHLtHkgHx
MxltHx
grmolHAuClx
kggr
=minus
pero (101185 ndash 014 ndash 05 ndash 1) kg H20 = 101021 kg H20 100ml H20 por 1 gr soporte 35kg NH4 (OH)(AC) 10000kgH20 100 kg γAl203 (9965) 035kgAu (035) 100kg γAl203 025kgCl2 086kg HAuCl4 026kgHAuCl4
101185 kg H20 35kgNH4 (OH)(AC) 1101185kgH20 cantidad de kgHAuCl4 = 015kgAu x
44
4 2601000
11
973391
197196
147196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxgrAu
molxkg
gr=
cantidad de NH4(OH) = 100kg γ Al203 x
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UAM-I
kgNHxmol
grx
mlmol
xOAlgr
OHmlNHx
kg
gr53
10001
1
35
100010
1
)(10
1
1000
32
4=
γ4(OH)
30kg γAL2O3 1 kgNH4(OH)(AC) 30 kg γ Al203 (9965) 010 kg Au (035) 026kgHAuCl4 007kg Cl2 35kgNH4(OH) 1101185 kgH2O 0086kgHAuCl4 45 kg NH4(OH)(AC) 1101185 kg H20
cantidad de γ Al2O3 = 026kgHAuCl4 x 324
32 02330860
100 AlkgkgHAuCl
OAlkg γγ=
cantidad de kgAu = 035 x kgAukg 10506599
30=
cantidad de kg Cl2 = 01 kgAu x
22
2 07201000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de HAuCl4 = 005kgAu x
44
4 08601000
11
973391
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 54
UAM-I
cantidad de kgNO4(OH) = 30 kg γ Al203 x ( )OHkgNHAlkg
OHkgNO4
32
4 0510100
)(53=
γ
105 kg γ Al203 035 kg NH2(OH) 105 kg γ Al203 (9965) 004 kg Au (035) 009kg HAuCl4 003 kg Cl2 45kgNH4(OH) 1101185 kg H20 0017kgHAuCl4 485kgNH4 (OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 009 HAuCl4 x 324
32 04710860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad kg de NH4 (OH) = 105kg γ Al203 x ( ) )(3500100
534
32
4 OHkgNHAlkg
OHkgNH=
γ
cantidad de Cl2 = 004 kg Au x
22
2 02901000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
gAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 =
44
44 02001701000
11
973391
197196
11
1000010 kgHAukgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgr
molAuxkg
grkgAux asymp=
Ingenieriacutea Quiacutemica 55
UAM-I
23 kg γ Al203 008kgNH4(OH) 002 kg HAuCl4 23 kg γAl203 (9965) 485kgNH4(OH) 0008kgAu(035) 1101185kg H2 0001kg Cl2
0014 kg HAuCl4 493kgNH4(OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 002kgHAuCl4 x 324
32 032860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad de kg Au = 035 x kgAukg 00806599
32=
cantidad de kgCl2 = 0002kgAu x
24
4 00101000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 = 0008kgAu x
44
44 01401000
11
973341
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 56
UAM-I
APEacuteNDICE C ACCESORIOS EN EL DISENtildeO
Agitador
Agitadores de Heacutelice se escogioacute este tipo de agitador por ser tener las siguientes
caracteriacutesticas [3]
bull Es un agitador de flujo axial
bull Se emplea para liacutequidos pocos viscosos
bull Giran a toda la velocidad del motor
bull Las corrientes de flujo se mueven a traveacutes del liacutequido en una direccioacuten
determinada hasta que son desviadas por el fondo o las paredes del tanque
bull Las palas de la heacutelice cortan o friccionan vigorosamente el liacutequido
bull Los agitadores de heacutelice son eficaces para tanques de gran tamantildeo
Horno
bull El horno se escogioacute por ser tener las siguientes caracteriacutesticas [5]
bull El horno de construccioacuten metaacutelica
bull La caacutemara de combustioacuten estaacute construida mediante hormigones refractarios
de alta resistencia mecaacutenica
bull Las materias secar y calcinar se carga de forma manual
Ingenieriacutea Quiacutemica 57
UAM-I
Bomba
DISENtildeO Bomba centrifuga para operacioacuten horizontal o vertical del impulsor
cerrado succioacuten al extremo descarga hacia arriba tangencial simple succioacuten de un
paso con carcaza partida verticalmente [3]
ROTACIOacuteN En el sentido del reloj vista desde el cople
CARACTERIacuteSTICAS Conexiones brindadas con registro ubicado en la cabeza de
succioacuten para facilitar su limpieza
SERVICIO Debido a que es posible colocarla en posicioacuten horizontal o vertical tanto
en caacutercamos secos como huacutemedos y por el disentildeo de su impulsor que soacutelidos de
gran tamantildeo esta bomba es ideal para los procesos de tratamientos de agua y
manejo de liacutequidos en suspensioacuten en general
CAPACIDADES
GASTO Hasta 3000 GPM
CDT Hasta 80rsquo
PRESIOacuteN 106 Kgcmsup2
POTENCIA De 1 a 60 Hp
VELOCIDAD (1175 - 3550 RPM)
TEMPERATURA 125degC
Ingenieriacutea Quiacutemica 58
UAM-I
Bombas Centriacutefugas
Las maquinas centriacutefugas estaacuten constituidas por un impulsor o rodete formado por
una serie de aletas radiales diversas formas y curvaturas que giran dentro de una
caja circular El fluido penetra por el ojo o eje de rotacioacuten y se descarga maacutes o
menos radialmente en una caacutemara perifeacuterica a una elevada presioacuten que
corresponde a la suma de la fuerza centriacutefuga de la rotacioacuten maacutes la cineacutetica
comunicada al fluido por las aletas La parte moacutevil de la bomba es el rodete Las
aletas del rodete se extienden desde el centro de rotacioacuten hacia la periferia y las
bridas son los discos de refuerzo a cada lado de las aletas que las envuelven Las
aletas pueden ser radiales curvadas ligeramente hacia delante en el mismo sentido
de la rotacioacuten o estar curvadas al reveacutes en el caso maacutes comuacuten en el disentildeo se
determino el rodete siguiente por sus caracteriacutesticas Fig 1
Figura 1 Corte parcial de un rodete de centriacutefuga para grandes cargas y secciones
de paso estrechas empleando con liacutequidos corrosivos o suspensiones de pequentildeas
partiacuteculas[4]
Ingenieriacutea Quiacutemica 59
UAM-I
APENDICE D CALCULO DE POTENCIA DE BOMBAS (8)
Potencia de la bomba de la cisterna 1 que alimenta a los mezclador 4
Ecuacioacuten de Bernoulli
sum sumint =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛+++∆+∆i i
i
P
P
evvfDLvwdphgv 0
21
21
ˆ1
21 222
2
1ρ
a b c d e f
a Diferencia de velocidades
b Diferencia de alturas
c Diferencia de presiones
d Trabajo
e Perdidas de friccioacuten en tuberiacuteas
f Perdidas de friccioacuten en accesorios
En la ecuacioacuten anterior se pueden eliminar algunos teacuterminos
21 mts
6 mts 35 mts
Figura 1 Balance de cisterna 1 a mezclador 4
Se debe de tener dos puntos de referencia para la utilizacioacuten de la ecuacioacuten de
Bernoulli de los cuales se anotaron en la figura 2
Ingenieriacutea Quiacutemica 60
UAM-I
21 mts
2 1 6 mts 35 mts
Figura 2
Teniendo los puntos de referencia se analiza que las diferencias de velocidades son
cero en ambos puntos por lo tanto el termino 2
21 ν∆ es igual a cero
El termino de = (981hg∆ 2segm )(35m ndash 0) = 34335 2
2
segm
El termino de int2
1
1P
P
dpρ
se tiene que la cisterna y el tanque de mezclado ambos no
estaacuten cerrados y por lo tanto no originan un cambio de presioacuten y el termino es cero
De esta expresioacuten L longitud de tuberiacutea
tro de tuberiacutea
n el interior del tubo
v
Para la l radio del tubo que
sum ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
i
fDL2
21 ν
D diaacuteme
f perdidas de friccioacuten e
velocidad del flujo de agua
obtencioacuten de la velocidad se tiene el flujo volumeacutetrico y e
es de 32 cm =0032mts con la ecuacioacuten
Ingenieriacutea Quiacutemica 61
( )( ) sm
ms
m
RQ 761
032060min1)
min340(
2
3
2 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
==ππ
ν
UAM-I
Se reportan valores de perdida de fr
e reduce teacuterminos
iccioacuten en tubos que son igual a 005
Por lo tanto sustituyendo los teacuterminos en la ecuacioacuten de Bernoulli s
sum sumint =⎟⎠
⎜⎝
+⎟⎠
⎜⎝
+++∆+∆i i
iP
evvfD
vwdphgv 022
ˆ2
1ρ
⎞⎛⎞⎛ L 111 2222
or tanto el termino de trabajo queda expresado de la siguiente manera
tanto la bomba comunica al fluido que circula en el sistema un trabajo
+11727
P1
p w
sum sum ∆minus⎟⎠⎞
⎜⎝⎛minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛minus=
i ii
hgevvfDLvw 22
21
21
ˆ
( ) ( )
Este es el trabajo ( por unidad de masa) producido por el fluido en la bomba por lo
22
sm o 11727 981 = 1195
m
fKg
Kgm
La velocidad de flujo de masa es
Por lo tanto
1 )=6694
951)(675(ˆ =minus=minus WwW smkg f = 088Hp = 1Hp
Siendo esta ida para esta bomba El procedimiento anterior se
iguioacute para cada bomba de la planta
AP E
la potencia requer
s
EacuteNDICE
TOXICOLOGIacuteA DE MATERIAS PRIMAS [6]
( ) ( ) ( )( ) ( )( )msm
smmmm
sm 538192201150761
21050
032021536761
21
2
22minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ +minus⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ++
minus=wm
22
27117ˆ smw minus=
( )s
kgmkgQw m675100060340 3 === ρ
Ingenieriacutea Quiacutemica 62
UAM-I
HIDROacuteXIDO DE SODIO
Polvo corrosivo blanco delicuescente
Toxicidad
Concentracioacuten Maacutexima permisible 2mgm3 en aire
Signos y Siacutentomas Conjutivitis quemaduras corneales y de la piel Irritacioacuten
seas vomito dolor abdominal y diarrea a veces con
Lavado de las partes afectadas tranquilizantes sulfato de
decuada gafas protectoras o pantallas para
ignos y Siacutentomas Irritacioacuten de ojos quemaduras corneables tos dolores
l hemoptisis dolor de cabeza dolor epigaacutestrico nauseas y vomito
lmonar
Tratamiento lavado de ojos con agua reposo oxigeno con aparato de respiracioacuten
con onantes
ACIDO NITRICO
Liquido corrosivo sofocante de incoloro a amarillento
ioacuten maacutexima permisible 10ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
del tracto respiratorio nau
sangre
Tratamiento
morfina para el dolor y cortisona
Medidas preventivas Ventilacioacuten a
la cara completa mascarilla con filtro mecaacutenico guantes delantares botas de
goma y acentuar la limpieza personal
CLORO
Gas pasado amarillo verdoso
Toxicidad
Conc Maacutexima permisible 1 ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten
S
retrosterna
debilidad cianosis y edema pu
trolada bronco dilatadores y descongesti
Toxicidad
Concentrac
Ingenieriacutea Quiacutemica 63
UAM-I
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
Signos y siacutentomas Erosioacuten dental estornudo tos Dolor en el pecho bronquitis y
la las partes contaminadas del cuerpo con solucioacuten al 5 de
de las quemaduras con pantildeos
de triacuteo sulfato soacutelido si se a ingerido
vado de ojos con agua
ACIDO CLORIDRICO
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
ivitis necrosis corneal por inhalacioacuten rinitis erosioacuten
dolor de cabeza palpitacioacuten por ingestioacuten
s en la boca faringe esoacutefago estomago salivacioacuten vomito Soc
agua lavada de agua y jaboacuten de las partes
preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
AacuteC
El c
con o de hidroacutegeno una
concentracioacuten de 12 molLt Este aacutecido es un liacutequido incoloro con un olor aacutecido
bronconeumoniacutea
Tratamiento
bicarbonato soacutelido o con agua y jaboacuten Tratamiento
mojados con solucioacuten saturada
administracioacuten por viacutea oral de solucioacuten de jaboacuten Hidroacutexido caacutelcico o alumiacutenico u
oacutexido de magnesio
Medidas preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores excluir de la exposicioacuten
a los individuos con enfermedades de pulmones y rintildeones
Gas incoloro o liacutequido o a amarillento
Toxicidad
Concentracioacuten maacutexima permisible 5ppm en aire
Signos y siacutentomas conjunt
dental laringitis bronquitis neumoniacutea
quemadura
nefritis
Tratamiento lavado de ojos con
contaminantes del cuerpo tratamiento ordinario de quemaduras lavado gaacutestrico
se a ingerido con solucioacuten de bicarbonato soacutedico al 5 seguido de una instilacioacuten
de gel de hidroacutexido de aluminio
Medidas
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores
IDO CLORHIacuteDRICO
loruro de hidroacutegeno es en extremo soluble en agua de hecho el aacutecido clorhiacutedrico
centrado contiene cerca del 38 en masa de clorur
Ingenieriacutea Quiacutemica 64
UAM-I
pronunciado que se debe al equilibrio entre el cloruro de hidroacutegeno gaseoso y
ste con el aacutecido fluorhiacutedrico el aacutecido clorhiacutedrico es un aacutecido fuerte (pKa = -
7) y se ioniza casi totalmente
gar de aacutecido sulfuacuterico auque en menor grado Por
jemplo el zinc metaacutelico reacciona con aacutecido clorhiacutedrico para dar el ion zinc e
hidroacutegeno gaseoso
Zn(s) + 2HCl(ac) ZnCl2(ac) + H2(g)
l para producir aacutecido clorhiacutedrico en el laboratorio es generar
cloruro de hidroacutegen e sodio y el aacutecido
ulfuacuterico En el primer paso a 150degC se forma hidroacutegeno sulfato de sodio
NaHSO4(s) + HCl(g)
io y maacutes
loruro de hidroacutegeno gaseoso Luego el gas se disuelve en agua para formar el
aacutecido
NaHSO4(s) + NaCl(s) Na2SO4(s) + HCl(g)
acuoso
HCl(ac) HCl(g)
El reactivo de grado teacutecnico a menudo tiene un color amarillento por una impureza
del ion hierro (III)
En contra
HCl(ac) + H2O(l) H2O+(ac) + Cl -(ac)
Por ello a menudo se prefiere usar aacutecido clorhiacutedrico diluido en lugar de aacutecido niacutetrico
que es muy oxidante y en lu
e
Cuando el zinc reacciona con el aacutecido niacutetrico es comuacuten que se reduzca una parte
del ion nitrato para dar dioacutexido de nitroacutegeno
El meacutetodo tradiciona
o gaseoso por la reaccioacuten entre el cloruro d
s
NaCl(s) + H2SO4(l)
La mezcla se calienta a 550degC temperatura a la cual el hidroacutegeno sulfato de sodio
reacciona con un exceso de cloruro de sodio para formar sulfato de sod
c
∆
Este meacutetodo se usa tambieacuten en la industria otra forma de producir cloruro de
hidroacutegeno es por la combinacioacuten directa de dicloro y dihidroacutegenogaseosos
Ingenieriacutea Quiacutemica 65
UAM-I
H2(g) + Cl2(g) 2HCl(g)
La mayor cantidad de cloruro de hidroacutegeno que se produce actualmente es un
CH4(g) + 4Cl2(g) 4(l) + 4HCl(g)
riacuten de superficies de acero en un bantildeo aacutecido en la purificacioacuten de glucosa
y jarabe de maiacutez e s y de gas y en la
bricacioacuten de compuestos clorados El aacutecido se puedo comprar en muchas
nducida por la luz
4HNO3(ac) 4NO2(g) + O2(g) + 2H2O(l)
niacutetrico como disolvente)
H2NO3+ H2O + NO2
+
l siguiente
3HNO NO3 ndash
subproducto de otros procesos industriales como la siacutentesis de tetracloruro de
carbono
CCl
Se consumen cerca de 107 toneladas de aacutecido clorhiacutedrico cada antildeo en todo el
mundo Este aacutecido tiene una gama muy amplia de usos como aacutecido comuacuten para
eliminar o
n el tratamiento con aacutecido de pozos petrolero
fa
ferreteriacuteas con el arcaico nombre de aacutecido muriaacutetico sus principales usos caseros
son la limpieza de superficies de concreto y la eliminacioacuten de herrumbre Un nuacutemero
muy reducido de personas es incapaz de sintetizar suficiente jugo gaacutestrico y deben
de ingerir caacutepsulas de aacutecido clorhiacutedrico diluido con cada comida
AacuteCIDO NIacuteTRICO
El aacutecido niacutetrico un liacutequido aceitoso e incoloro en estado puro es sumamente
peligroso El aacutecido que funde a ndash42degC y hierve a +83degC tiene por lo general un
ligero color amarillo a causa de una reaccioacuten de descomposicioacuten i
En un estado puro el aacutecido niacutetrico liacutequido praacutecticamente no conduce la electricidad
Una pequentildea porcioacuten se ioniza como sigue (todas estas especies existen en el aacutecido
2HNO3(l) H2NO3+ + NO3
ndash
H2O + HNO3 H3O+ + NO3 ndash
Para dar la reaccioacuten globa
3 NO2+ + H3O + 2+
Ingenieriacutea Quiacutemica 66
UAM-I
El catioacuten nitrilo es importante en la nitracioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas por ejemplo la
obenceno C6H5NO2 una etapa importante en
umerosos procesos industriales orgaacutenicos
El aacutecido niacutetrico con en agua mientras
ue el ldquoaacutecido niacutetrico fumanterdquo un oxidante extremadamente poderoso es una
vez de ello se produce una mezcla de
sistema que da un orden de
vista industrial el
oceso
e lleva a cabo en tres etapas Primero se hace pasar una mezcla de amoniaco y de
dioxiacutegeno (o aire) un proceso muy
ficiente y exoteacutermico que hace que la malla se ponga al rojo Esta etapa se verifica
conversioacuten de benceno C6H6 en nitr
n
centrado es en realidad una solucioacuten al 70
q
solucioacuten roja de dioacutexido de nitroacutegeno en aacutecido niacutetrico puro Incluso cuando esta
diluido el aacutecido niacutetrico es un oxidante tan fuerte que rara vez desprende hidroacutegeno
cuando se pone en contacto con metales en
oacutexidos de nitroacutegeno y el metal se oxido a su catioacuten
Los enlaces O-N son mucho maacutes cortos (121 pm) que el enlace O-N unidos al aacutetomo
de hidroacutegeno (141 pm) Esta longitud de enlaces indica que hay enlaces muacuteltiples
entre el nitroacutegeno y los dos aacutetomos de oxiacutegeno terminales Ademas de los electrones
del sistema σ hay cuatro electrones que participan en el sistema π O-N-O dos de un
orbital enlazante y dos en un orbital no enlazante
enlace de 112 para cada uno de esos enlaces nitroacutegeno- oxiacutegeno
A veces se nos olvida hasta queacute punto nuestra experiencia depende de la
termodinaacutemica y la cineacutetica Por ejemplo la primera siacutentesis industrial de aacutecido
niacutetrico se llevaba ha cabo por simple combinacioacuten de diniacutetrogeno dioxiacutegeno y agua
utilizando un horno de arco eleacutectrico a fin de proporcionar la energiacutea necesaria par
superar la muy elevada barrera cineacutetica Aunque desde el punto de
factor cineacutetico constituiacutea un problema en realidad es una bendicioacuten por que sin esta
barrera cineacutetica hace mucho tiempo que todo el dioacutexido de la atmoacutesfera se abriacutea
transformado en aacutecido niacutetrico y nuestros mares serian de aacutecido niacutetrico diluido
frac12 N2(g) + 54O2(g) + 12H2O(g) HNO3(g)
Ahora se utiliza el proceso Ostwald para la siacutentesis de aacutecido niacutetrico Este proceso
consume gran parte del amoniaco que se produce por el proceso Haber El pr
s
a traveacutes de una malla de platino metaacutelico Eacuteste es
e
a baja presioacuten para aprovechar el efecto entropico es decir la formacioacuten de 10
moles de gas a partir de 9 moles de gas (una aplicacioacuten del principio de Le Chatelier)
para desplazar el equilibrio a la derecha
Ingenieriacutea Quiacutemica 67
UAM-I
4NH3(g) + 5O2(g) 4NO(g) + 6H2O(g)
Se agrega maacutes oxiacutegeno para oxidar el monoacutexido de nitroacutegeno a dioacutexido de nitroacutegeno
A fin de mejorar el rendimiento de esta reaccioacuten exoteacutermica se extrae calor de los
ases y la mezcla se somete a presioacuten
2HNO3(l) + NO(g)
Esta reaccioacuten tambieacuten es exoteacutermica y una vez maacutes se aplica enfriamiento y alta
la
egunda etapa para oxidarlo de nuevo
La contaminacioacuten s de aacutecido niacutetrico
as plantas maacutes antiguas eran faacutecilmente identificables por la fumarola cafeacute-
antas maacutes antiguas ahora mezcla cantidades
en Estados Unidos porque un 20
dedica ala produccioacuten de explosivos
or ultimo el aacutecido niacutetrico es un liacutequido que hierve a 826degC No existe como liacutequido
g
2NO(g) + O2(g) 2NO2(g)
El dioacutexido de nitroacutegeno se mezcla con agua para dar una solucioacuten de aacutecido niacutetrico
3NO2(g) + H2O(l)
presioacuten par obtener el maacuteximo rendimiento El monoacutexido de nitroacutegeno se vuelve a
s
soliacutea ser un problema importante de las planta
L
amarillento del dioacutexido de nitroacutegeno que escapaba por ellas Las plantas maacutes
antiguas eran faacutecilmente identificable por la fumadora cafeacute-amarillo del dioacutexido de
nitroacutegeno que escapaba de ellas Las pl
estequiomeacutetricas de amoniaco con las oacutexidos de nitroacutegeno con lo cual se obtiene
dinitroacutegeno y vapor de agua ambos inocuos
NO(g) + NO2 (g) + 2NH3(g) 2N2(g) + 3H2O(g)
En todo el mundo alrededor del 80 del aacutecido niacutetrico se utiliza en la produccioacuten de
fertilizantes Esta proporcioacuten es de solo el 65
se
P
puro porque en alguna medida se descompone espontaacuteneamente como sigue
4HNO3(l) 4NO2(g) + 2H2O(l) + O2(g)
Ingenieriacutea Quiacutemica 68
UAM-I
El aacutecido niacutetrico concentrado que se usa en el laboratorio estaacute al 68 en masa HNO3
(densidad 142 gcm3) lo que corresponde a 157 M
l aacutecido niacutetrico es un poderoso agente oxidante El nuacutemero de oxidacioacuten del N en el
) El aacutecido niacutetrico puede oxidar
nto a metales que estaacuten abajo del hidroacutegeno como aquellos que se encuentran
4Zn2+(ac) + NH4
+(ac) + 3H2O(l)
do no oxida al oro Sin embargo cuando se mezcla con
cido clorhiacutedrico concentrado en relacioacuten 13 en volumen (una parte de HNO3 a tres
partes al oro
omo sigue
APEacuteNDICE F
ETODO DE DEPOSICIOacuteN-PRECIPITACIOacuteN
E
HNO3 es + 5 Los productos maacutes comunes de la reduccioacuten del aacutecido niacutetrico son el
NO2 (N = + 4) el NO (N = + 2) y el NH4+ (N = - 3
ta
arriba en la serie de actividades Por ejemplo el cobre es oxidado por el aacutecido niacutetrico
concentrado como se mencionoacute antes
En presencia de reductores fuertes como el zinc metaacutelico el aacutecido niacutetrico se puede
reducir hasta ion amonio
4Zn(s) + 10H+(ac) + NO3
-(ac)
El aacutecido niacutetrico concentra
aacute
de HCl) la disolucioacuten resultante denominada agua regia puede oxidar
c
Au(s) + 3HNO3(ac) + 4HCl(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O(l) + 3NO2(g)
M
Ingenieriacutea Quiacutemica 69
UAM-I
APEacuteNDICE G
ISENtildeO DEL MEZCLADOR [4]
1) 100 ml H2O gr soporte
2) NH4(OH)
Ajustar a PH = 9 4) HAuCl4 (solucioacuten acuosa al 25E-3M)
6) Filtrado o centrifugado
3) En Agitacioacuten por 2 hr
8) Secado por 2hr a 80 degC
9 ) Calcinado por 4hr a 400 degC
7) Lavado
5) Antildeegamiento por 30 min
D
Ingenieriacutea Quiacutemica 70
UAM-I
El disentildeo de un tanque agitado dis n nuacutemero de elecciones sobre el
po y localizacioacuten del agitador las proporciones del tanque el nuacutemero y dimensiones
ada una de estas decisiones afectan a la velocidad
e circulacioacuten del liacutequido los modelos de velocidad y el consumo de potencia Como
pone de un gra
ti
de las placas deflectoras etc C
d
punto de partida en el disentildeo de los problemas ordinarios de agitacioacuten generalmente
se utiliza un agitador de turbina del tipo que se muestra en la figura 1 La proporcioacuten
tiacutepica es
31
=t
a
DD
1=tD
H 121
=tD
J 51
=aD
W 41
=aD
L
de estas ecuaciones se disentildeara el mezclador como datos se tiene el valor H que es
igual a 3 mts y el diaacutemetro del tanque D
Se determinara la medida de los reflectores
t que es igual 3 mts
121
=tD
J se despeja J
elacioacuten R31
=t
a
DD
se despeja Da
Relacioacuten
41
=aD
L se despeja L
elacioacuten se despeja W
( ) ( ) cmmtsmtsDJ 25250311==⎟
⎞⎜⎛=⎟
⎞⎜⎛= t 1212 ⎠⎝⎠⎝
( ) ( ) mtsmtsDD ta 1331
31
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=
( ) ( ) mtsmtsDL a 250141
41
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛= cm25=
51
=aD
WR
Ingenieriacutea Quiacutemica 71
UAM-I
Figura 2 a) Vista transversal del mezclador b) paletas del mezclador con la
donde se deposita el soporte
Figura 1 Medidas de un agitador de turbina
a) b)
s rejillas
H
J
E L
Da
D t
W
W
( ) ( ) cmmtsmtsDW a 2020151
5==⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎜⎝
=1 ⎞⎛
Ingenieriacutea Quiacutemica 72
UAM-I
[20] MHaruta and SanoH IntJ Hydrogen Energy 6 (1982) 601 y 7 (1982) 801
[21] MHarutaTsubotaSand Kobayasshi T Ueda Aand Nakahara T in
ldquoPreparation of Catalysis Vrdquo (GPonceletPGrangeand PAJacobaEds) ElsevierAmsterdam
(1991) 695
[22] HoflundGBGuanerSD SchtyerDR Upchurch BT and KielinEJ Appl
CatalB 6 (1995) 117
[23] FinchRMHodgeNA HutchingsGJMeagherAPankhurtsQA Siddiqui
MRH WasnerFEand WhymanRPhysChem Phys 1 (1999) 485
[24] BethkeGKand WhymanRPhysChem Chem Phys1 (1999) 485
[25] ParkED and LeeJSJ Catal ( 1999) 186 y (1999) 2531
[26] ChangCH Chen YJ and Yeh CT Appl Catal A3 ( 1998) 74
[27] Bamwenda GR TsubotaS NakamuraT and Haruta M Catal Lett42 ( 1997) 83
[28] NA HodgeCJKiely Catalysis Today 72 ( 2002) 133
[29] Secretaria de Trabajo y Previsioacuten Social Comisioacuten de Salarios Miacutenimos
Ingenieriacutea Quiacutemica 46
UAM-I
APEacuteNDICE A
CRITERIOS PARA DETERMINAR QUIEacuteN CONTROLA EL PROCESO
Criterio de weisz para difusioacuten interna
Ec(12-16 Fogler) Los valores que se sustituyen en las siguientes ecuaciones fueron
tomados del catalizador que se analizo en el laboratorio
CWP = ( )
AS
cObsA
DeCRcr 2minus
lt 1
-rA(Obs) = velocidad de reaccioacuten observada molgcats Cc = concentracioacuten volumeacutetrica molm3
CAS = concertacioacuten en la superficie molm3
D= diaacutemetro del granulo m R = radio del granulo m De = difusividad efectiva m2s
d = 0149mm mxmm
m 4104911000
1 minus=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
CWP = ( )( )3
32
24
33
103470184200350
21049150800010681
minus
minusminus
=⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞⎜
⎝⎛
x
mmol
hrm
mxcatm
gcathgcat
molx
734x10-3 lt 1 No hay limitante por la difusioacuten interna
Ingenieriacutea Quiacutemica 47
UAM-I
Criterio de mears para difusioacuten interna Ec(12-62 Fogler)
Mm = 150ltAbc
bA
CkRnr ρminus
Mm =( )( )
0570
136000184200220
31110457508000106851
3
53
3
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ minusminus
hrs
mmol
sm
mxcatmgcat
hgcatmolx
0057 lt 015 no hay efecto de transferencia de masa externa Calculo de Dab para calcular el coeficiente de trasferencia de masa Ec(78 Lobo)
De =
KAAB DD11
1
+
DKA = 970X103 (80X10-8)(s
cmK 221 1090)
2400( =
DAB = 00018583ABAB
BA
PMMT
Ω
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ +
2
2123 11
γ
Para CO
0110=isin
Bk 0593 A=γ
Para O2
Ingenieriacutea Quiacutemica 48
UAM-I
0113=isin
Bk 0453 A=γ
( ) 51343359321
=+=ABγ
( )( )[ ] 21113110BAB k=isin A la temperatura de 400degK
( ) 583))113)(110((
40021 =
deg=
isin B
B
AB
B
KKKTK
Ω AB = 0907 Sustituyendo
DAB =s
cm2
2
2123
9730)9070()513(
)21281()400(00185830=
+
De = hrm
hrs
cmm
scm 222
03501
3600100
10980
10901
97301
1=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
+
Calculo de Kc Sh = (Re)12(Sc)13
Velocidad superficial
V = sm
shr
hrm
mxhr
m
Av
c
02036001976
1087
006025
3
0 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛== minus
Ingenieriacutea Quiacutemica 49
UAM-I
Re= ( ) 240)1062)(501(
)10491)(020(
1 25
4
=minus
=minus minus
minus
smx
mxsmvd p
νφ
Sc= 672)3600
1)(0350(
10622
25
==minus
shr
hrm
smx
Dv
AB
Sh= ( 024 )12 ( 267 )13 = 0679
Kc = Shdp
DAB⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛minusφ
φ1
Kc = ( )sm
mxs
mx02206790
10491
10729
50501
4
26
=⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛minus
minus
minus
Calculo de numero Thile con el radio que usara a nivel industrial
φ = L ( )DkCn n
AS
21 1minus+
L = 3R
Sustituyendo
φ = 66x10-4 m( )
( )
450
03502
018420
5480941311
3
30
3330
313
=
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+
catmhrm
mmol
hrcatmmolm
η = 1 con los resultados anteriores se observa que quieacuten limita es la velocidad de
reaccioacuten Por lo que se procede a calcular el peso y longitud de catalizador
necesaria para muestro purificador sustituyendo los valores del Boiler
Ingenieriacutea Quiacutemica 50
UAM-I
Peso del Catalizador w =
( ) grcatgcatLn
gcatm
mmol
hrcatmmolm
hrm
xLn
kCv
A
66476639401
1
6000001578
548094
19836
11
330
3330
313
3
0
0 asymp=minus
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
minus
g 664=w
33
3
1011
mg60000
g 664 mxwv minus===ρ
m 035003101011
2
33
==minus
mmxL
cm 531000350 == xL
Ingenieriacutea Quiacutemica 51
UAM-I
APEacuteNDICE B BALANCE DE MASA DE LA PREPARACIOacuteN DE HAUCL4 Au(g) + 3HNO3(ac) + 4HCL(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O + 3N02(g) (152 M) (105M)
cantidad de mol Au = 05 kg Au x molAu
grAumolAux
kggr 542
971961
11000
=
cantidad de kg HNO3 = ( ) 33
33 480
10001
1635423 kgHNO
grkgx
molHNOGRHNOxHNOmol =
cantidad de kgHCl = ( ) kgHClgr
kgxmolHCl
grHClHClxmol 3701000
11
5365424 =
cantidad de kgHAuCl4 = 254molHAuCl4 x 44
8601000
11
97339 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
gr=
cantidad de kgH2O = 3( 254mol)H20 x OkgHgr
kgxOmolHOgrH
22
2 1401000
1118
=
cantidad de Lt H20 = 762molHNO3 x OltHOkgHOLtH
22
2 14011
=
cantidad de Lt H20 = 1016 mol HNO3 x 050215
012
2 LtHmol
LtH=
cantidad de LtH20 = 1016mol HCl x OLtHLtHmolHCl
LtH22
2 010970510
01asymp=
cantidad de MHAUCl4 = ( ) ( ) ( ) MHltltlt
ClmolHAU 7210850490140
542
2
4 asymp++
cantidad de kg NO2(g) = 3( 254mol)NO2 x )(22
2 3501000
1146
SkgNOgr
kgxmolNO
grNO=
Ingenieriacutea Quiacutemica 52
UAM-I
05 kg Au 048 kgHNO3 035 kgNO2 101021 kgH20 (152M) 037 kgHCl(ac)
(105 m) 086 kg HAuCl4 (ac) 086 kg HAuCl4 (ac)
(17 M) 014 kgH20 (25x10-3M) 014kg H20 (L) 086kg HAuCl4 035kgNO2 (g) 101185kg H20 Cantidad de H20 = 086 kgHAuCl4
x 08510110101
105201
173341
11000
22
23
24 kgHLtHkgHx
MxltHx
grmolHAuClx
kggr
=minus
pero (101185 ndash 014 ndash 05 ndash 1) kg H20 = 101021 kg H20 100ml H20 por 1 gr soporte 35kg NH4 (OH)(AC) 10000kgH20 100 kg γAl203 (9965) 035kgAu (035) 100kg γAl203 025kgCl2 086kg HAuCl4 026kgHAuCl4
101185 kg H20 35kgNH4 (OH)(AC) 1101185kgH20 cantidad de kgHAuCl4 = 015kgAu x
44
4 2601000
11
973391
197196
147196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxgrAu
molxkg
gr=
cantidad de NH4(OH) = 100kg γ Al203 x
Ingenieriacutea Quiacutemica 53
UAM-I
kgNHxmol
grx
mlmol
xOAlgr
OHmlNHx
kg
gr53
10001
1
35
100010
1
)(10
1
1000
32
4=
γ4(OH)
30kg γAL2O3 1 kgNH4(OH)(AC) 30 kg γ Al203 (9965) 010 kg Au (035) 026kgHAuCl4 007kg Cl2 35kgNH4(OH) 1101185 kgH2O 0086kgHAuCl4 45 kg NH4(OH)(AC) 1101185 kg H20
cantidad de γ Al2O3 = 026kgHAuCl4 x 324
32 02330860
100 AlkgkgHAuCl
OAlkg γγ=
cantidad de kgAu = 035 x kgAukg 10506599
30=
cantidad de kg Cl2 = 01 kgAu x
22
2 07201000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de HAuCl4 = 005kgAu x
44
4 08601000
11
973391
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 54
UAM-I
cantidad de kgNO4(OH) = 30 kg γ Al203 x ( )OHkgNHAlkg
OHkgNO4
32
4 0510100
)(53=
γ
105 kg γ Al203 035 kg NH2(OH) 105 kg γ Al203 (9965) 004 kg Au (035) 009kg HAuCl4 003 kg Cl2 45kgNH4(OH) 1101185 kg H20 0017kgHAuCl4 485kgNH4 (OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 009 HAuCl4 x 324
32 04710860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad kg de NH4 (OH) = 105kg γ Al203 x ( ) )(3500100
534
32
4 OHkgNHAlkg
OHkgNH=
γ
cantidad de Cl2 = 004 kg Au x
22
2 02901000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
gAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 =
44
44 02001701000
11
973391
197196
11
1000010 kgHAukgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgr
molAuxkg
grkgAux asymp=
Ingenieriacutea Quiacutemica 55
UAM-I
23 kg γ Al203 008kgNH4(OH) 002 kg HAuCl4 23 kg γAl203 (9965) 485kgNH4(OH) 0008kgAu(035) 1101185kg H2 0001kg Cl2
0014 kg HAuCl4 493kgNH4(OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 002kgHAuCl4 x 324
32 032860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad de kg Au = 035 x kgAukg 00806599
32=
cantidad de kgCl2 = 0002kgAu x
24
4 00101000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 = 0008kgAu x
44
44 01401000
11
973341
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 56
UAM-I
APEacuteNDICE C ACCESORIOS EN EL DISENtildeO
Agitador
Agitadores de Heacutelice se escogioacute este tipo de agitador por ser tener las siguientes
caracteriacutesticas [3]
bull Es un agitador de flujo axial
bull Se emplea para liacutequidos pocos viscosos
bull Giran a toda la velocidad del motor
bull Las corrientes de flujo se mueven a traveacutes del liacutequido en una direccioacuten
determinada hasta que son desviadas por el fondo o las paredes del tanque
bull Las palas de la heacutelice cortan o friccionan vigorosamente el liacutequido
bull Los agitadores de heacutelice son eficaces para tanques de gran tamantildeo
Horno
bull El horno se escogioacute por ser tener las siguientes caracteriacutesticas [5]
bull El horno de construccioacuten metaacutelica
bull La caacutemara de combustioacuten estaacute construida mediante hormigones refractarios
de alta resistencia mecaacutenica
bull Las materias secar y calcinar se carga de forma manual
Ingenieriacutea Quiacutemica 57
UAM-I
Bomba
DISENtildeO Bomba centrifuga para operacioacuten horizontal o vertical del impulsor
cerrado succioacuten al extremo descarga hacia arriba tangencial simple succioacuten de un
paso con carcaza partida verticalmente [3]
ROTACIOacuteN En el sentido del reloj vista desde el cople
CARACTERIacuteSTICAS Conexiones brindadas con registro ubicado en la cabeza de
succioacuten para facilitar su limpieza
SERVICIO Debido a que es posible colocarla en posicioacuten horizontal o vertical tanto
en caacutercamos secos como huacutemedos y por el disentildeo de su impulsor que soacutelidos de
gran tamantildeo esta bomba es ideal para los procesos de tratamientos de agua y
manejo de liacutequidos en suspensioacuten en general
CAPACIDADES
GASTO Hasta 3000 GPM
CDT Hasta 80rsquo
PRESIOacuteN 106 Kgcmsup2
POTENCIA De 1 a 60 Hp
VELOCIDAD (1175 - 3550 RPM)
TEMPERATURA 125degC
Ingenieriacutea Quiacutemica 58
UAM-I
Bombas Centriacutefugas
Las maquinas centriacutefugas estaacuten constituidas por un impulsor o rodete formado por
una serie de aletas radiales diversas formas y curvaturas que giran dentro de una
caja circular El fluido penetra por el ojo o eje de rotacioacuten y se descarga maacutes o
menos radialmente en una caacutemara perifeacuterica a una elevada presioacuten que
corresponde a la suma de la fuerza centriacutefuga de la rotacioacuten maacutes la cineacutetica
comunicada al fluido por las aletas La parte moacutevil de la bomba es el rodete Las
aletas del rodete se extienden desde el centro de rotacioacuten hacia la periferia y las
bridas son los discos de refuerzo a cada lado de las aletas que las envuelven Las
aletas pueden ser radiales curvadas ligeramente hacia delante en el mismo sentido
de la rotacioacuten o estar curvadas al reveacutes en el caso maacutes comuacuten en el disentildeo se
determino el rodete siguiente por sus caracteriacutesticas Fig 1
Figura 1 Corte parcial de un rodete de centriacutefuga para grandes cargas y secciones
de paso estrechas empleando con liacutequidos corrosivos o suspensiones de pequentildeas
partiacuteculas[4]
Ingenieriacutea Quiacutemica 59
UAM-I
APENDICE D CALCULO DE POTENCIA DE BOMBAS (8)
Potencia de la bomba de la cisterna 1 que alimenta a los mezclador 4
Ecuacioacuten de Bernoulli
sum sumint =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛+++∆+∆i i
i
P
P
evvfDLvwdphgv 0
21
21
ˆ1
21 222
2
1ρ
a b c d e f
a Diferencia de velocidades
b Diferencia de alturas
c Diferencia de presiones
d Trabajo
e Perdidas de friccioacuten en tuberiacuteas
f Perdidas de friccioacuten en accesorios
En la ecuacioacuten anterior se pueden eliminar algunos teacuterminos
21 mts
6 mts 35 mts
Figura 1 Balance de cisterna 1 a mezclador 4
Se debe de tener dos puntos de referencia para la utilizacioacuten de la ecuacioacuten de
Bernoulli de los cuales se anotaron en la figura 2
Ingenieriacutea Quiacutemica 60
UAM-I
21 mts
2 1 6 mts 35 mts
Figura 2
Teniendo los puntos de referencia se analiza que las diferencias de velocidades son
cero en ambos puntos por lo tanto el termino 2
21 ν∆ es igual a cero
El termino de = (981hg∆ 2segm )(35m ndash 0) = 34335 2
2
segm
El termino de int2
1
1P
P
dpρ
se tiene que la cisterna y el tanque de mezclado ambos no
estaacuten cerrados y por lo tanto no originan un cambio de presioacuten y el termino es cero
De esta expresioacuten L longitud de tuberiacutea
tro de tuberiacutea
n el interior del tubo
v
Para la l radio del tubo que
sum ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
i
fDL2
21 ν
D diaacuteme
f perdidas de friccioacuten e
velocidad del flujo de agua
obtencioacuten de la velocidad se tiene el flujo volumeacutetrico y e
es de 32 cm =0032mts con la ecuacioacuten
Ingenieriacutea Quiacutemica 61
( )( ) sm
ms
m
RQ 761
032060min1)
min340(
2
3
2 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
==ππ
ν
UAM-I
Se reportan valores de perdida de fr
e reduce teacuterminos
iccioacuten en tubos que son igual a 005
Por lo tanto sustituyendo los teacuterminos en la ecuacioacuten de Bernoulli s
sum sumint =⎟⎠
⎜⎝
+⎟⎠
⎜⎝
+++∆+∆i i
iP
evvfD
vwdphgv 022
ˆ2
1ρ
⎞⎛⎞⎛ L 111 2222
or tanto el termino de trabajo queda expresado de la siguiente manera
tanto la bomba comunica al fluido que circula en el sistema un trabajo
+11727
P1
p w
sum sum ∆minus⎟⎠⎞
⎜⎝⎛minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛minus=
i ii
hgevvfDLvw 22
21
21
ˆ
( ) ( )
Este es el trabajo ( por unidad de masa) producido por el fluido en la bomba por lo
22
sm o 11727 981 = 1195
m
fKg
Kgm
La velocidad de flujo de masa es
Por lo tanto
1 )=6694
951)(675(ˆ =minus=minus WwW smkg f = 088Hp = 1Hp
Siendo esta ida para esta bomba El procedimiento anterior se
iguioacute para cada bomba de la planta
AP E
la potencia requer
s
EacuteNDICE
TOXICOLOGIacuteA DE MATERIAS PRIMAS [6]
( ) ( ) ( )( ) ( )( )msm
smmmm
sm 538192201150761
21050
032021536761
21
2
22minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ +minus⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ++
minus=wm
22
27117ˆ smw minus=
( )s
kgmkgQw m675100060340 3 === ρ
Ingenieriacutea Quiacutemica 62
UAM-I
HIDROacuteXIDO DE SODIO
Polvo corrosivo blanco delicuescente
Toxicidad
Concentracioacuten Maacutexima permisible 2mgm3 en aire
Signos y Siacutentomas Conjutivitis quemaduras corneales y de la piel Irritacioacuten
seas vomito dolor abdominal y diarrea a veces con
Lavado de las partes afectadas tranquilizantes sulfato de
decuada gafas protectoras o pantallas para
ignos y Siacutentomas Irritacioacuten de ojos quemaduras corneables tos dolores
l hemoptisis dolor de cabeza dolor epigaacutestrico nauseas y vomito
lmonar
Tratamiento lavado de ojos con agua reposo oxigeno con aparato de respiracioacuten
con onantes
ACIDO NITRICO
Liquido corrosivo sofocante de incoloro a amarillento
ioacuten maacutexima permisible 10ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
del tracto respiratorio nau
sangre
Tratamiento
morfina para el dolor y cortisona
Medidas preventivas Ventilacioacuten a
la cara completa mascarilla con filtro mecaacutenico guantes delantares botas de
goma y acentuar la limpieza personal
CLORO
Gas pasado amarillo verdoso
Toxicidad
Conc Maacutexima permisible 1 ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten
S
retrosterna
debilidad cianosis y edema pu
trolada bronco dilatadores y descongesti
Toxicidad
Concentrac
Ingenieriacutea Quiacutemica 63
UAM-I
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
Signos y siacutentomas Erosioacuten dental estornudo tos Dolor en el pecho bronquitis y
la las partes contaminadas del cuerpo con solucioacuten al 5 de
de las quemaduras con pantildeos
de triacuteo sulfato soacutelido si se a ingerido
vado de ojos con agua
ACIDO CLORIDRICO
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
ivitis necrosis corneal por inhalacioacuten rinitis erosioacuten
dolor de cabeza palpitacioacuten por ingestioacuten
s en la boca faringe esoacutefago estomago salivacioacuten vomito Soc
agua lavada de agua y jaboacuten de las partes
preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
AacuteC
El c
con o de hidroacutegeno una
concentracioacuten de 12 molLt Este aacutecido es un liacutequido incoloro con un olor aacutecido
bronconeumoniacutea
Tratamiento
bicarbonato soacutelido o con agua y jaboacuten Tratamiento
mojados con solucioacuten saturada
administracioacuten por viacutea oral de solucioacuten de jaboacuten Hidroacutexido caacutelcico o alumiacutenico u
oacutexido de magnesio
Medidas preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores excluir de la exposicioacuten
a los individuos con enfermedades de pulmones y rintildeones
Gas incoloro o liacutequido o a amarillento
Toxicidad
Concentracioacuten maacutexima permisible 5ppm en aire
Signos y siacutentomas conjunt
dental laringitis bronquitis neumoniacutea
quemadura
nefritis
Tratamiento lavado de ojos con
contaminantes del cuerpo tratamiento ordinario de quemaduras lavado gaacutestrico
se a ingerido con solucioacuten de bicarbonato soacutedico al 5 seguido de una instilacioacuten
de gel de hidroacutexido de aluminio
Medidas
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores
IDO CLORHIacuteDRICO
loruro de hidroacutegeno es en extremo soluble en agua de hecho el aacutecido clorhiacutedrico
centrado contiene cerca del 38 en masa de clorur
Ingenieriacutea Quiacutemica 64
UAM-I
pronunciado que se debe al equilibrio entre el cloruro de hidroacutegeno gaseoso y
ste con el aacutecido fluorhiacutedrico el aacutecido clorhiacutedrico es un aacutecido fuerte (pKa = -
7) y se ioniza casi totalmente
gar de aacutecido sulfuacuterico auque en menor grado Por
jemplo el zinc metaacutelico reacciona con aacutecido clorhiacutedrico para dar el ion zinc e
hidroacutegeno gaseoso
Zn(s) + 2HCl(ac) ZnCl2(ac) + H2(g)
l para producir aacutecido clorhiacutedrico en el laboratorio es generar
cloruro de hidroacutegen e sodio y el aacutecido
ulfuacuterico En el primer paso a 150degC se forma hidroacutegeno sulfato de sodio
NaHSO4(s) + HCl(g)
io y maacutes
loruro de hidroacutegeno gaseoso Luego el gas se disuelve en agua para formar el
aacutecido
NaHSO4(s) + NaCl(s) Na2SO4(s) + HCl(g)
acuoso
HCl(ac) HCl(g)
El reactivo de grado teacutecnico a menudo tiene un color amarillento por una impureza
del ion hierro (III)
En contra
HCl(ac) + H2O(l) H2O+(ac) + Cl -(ac)
Por ello a menudo se prefiere usar aacutecido clorhiacutedrico diluido en lugar de aacutecido niacutetrico
que es muy oxidante y en lu
e
Cuando el zinc reacciona con el aacutecido niacutetrico es comuacuten que se reduzca una parte
del ion nitrato para dar dioacutexido de nitroacutegeno
El meacutetodo tradiciona
o gaseoso por la reaccioacuten entre el cloruro d
s
NaCl(s) + H2SO4(l)
La mezcla se calienta a 550degC temperatura a la cual el hidroacutegeno sulfato de sodio
reacciona con un exceso de cloruro de sodio para formar sulfato de sod
c
∆
Este meacutetodo se usa tambieacuten en la industria otra forma de producir cloruro de
hidroacutegeno es por la combinacioacuten directa de dicloro y dihidroacutegenogaseosos
Ingenieriacutea Quiacutemica 65
UAM-I
H2(g) + Cl2(g) 2HCl(g)
La mayor cantidad de cloruro de hidroacutegeno que se produce actualmente es un
CH4(g) + 4Cl2(g) 4(l) + 4HCl(g)
riacuten de superficies de acero en un bantildeo aacutecido en la purificacioacuten de glucosa
y jarabe de maiacutez e s y de gas y en la
bricacioacuten de compuestos clorados El aacutecido se puedo comprar en muchas
nducida por la luz
4HNO3(ac) 4NO2(g) + O2(g) + 2H2O(l)
niacutetrico como disolvente)
H2NO3+ H2O + NO2
+
l siguiente
3HNO NO3 ndash
subproducto de otros procesos industriales como la siacutentesis de tetracloruro de
carbono
CCl
Se consumen cerca de 107 toneladas de aacutecido clorhiacutedrico cada antildeo en todo el
mundo Este aacutecido tiene una gama muy amplia de usos como aacutecido comuacuten para
eliminar o
n el tratamiento con aacutecido de pozos petrolero
fa
ferreteriacuteas con el arcaico nombre de aacutecido muriaacutetico sus principales usos caseros
son la limpieza de superficies de concreto y la eliminacioacuten de herrumbre Un nuacutemero
muy reducido de personas es incapaz de sintetizar suficiente jugo gaacutestrico y deben
de ingerir caacutepsulas de aacutecido clorhiacutedrico diluido con cada comida
AacuteCIDO NIacuteTRICO
El aacutecido niacutetrico un liacutequido aceitoso e incoloro en estado puro es sumamente
peligroso El aacutecido que funde a ndash42degC y hierve a +83degC tiene por lo general un
ligero color amarillo a causa de una reaccioacuten de descomposicioacuten i
En un estado puro el aacutecido niacutetrico liacutequido praacutecticamente no conduce la electricidad
Una pequentildea porcioacuten se ioniza como sigue (todas estas especies existen en el aacutecido
2HNO3(l) H2NO3+ + NO3
ndash
H2O + HNO3 H3O+ + NO3 ndash
Para dar la reaccioacuten globa
3 NO2+ + H3O + 2+
Ingenieriacutea Quiacutemica 66
UAM-I
El catioacuten nitrilo es importante en la nitracioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas por ejemplo la
obenceno C6H5NO2 una etapa importante en
umerosos procesos industriales orgaacutenicos
El aacutecido niacutetrico con en agua mientras
ue el ldquoaacutecido niacutetrico fumanterdquo un oxidante extremadamente poderoso es una
vez de ello se produce una mezcla de
sistema que da un orden de
vista industrial el
oceso
e lleva a cabo en tres etapas Primero se hace pasar una mezcla de amoniaco y de
dioxiacutegeno (o aire) un proceso muy
ficiente y exoteacutermico que hace que la malla se ponga al rojo Esta etapa se verifica
conversioacuten de benceno C6H6 en nitr
n
centrado es en realidad una solucioacuten al 70
q
solucioacuten roja de dioacutexido de nitroacutegeno en aacutecido niacutetrico puro Incluso cuando esta
diluido el aacutecido niacutetrico es un oxidante tan fuerte que rara vez desprende hidroacutegeno
cuando se pone en contacto con metales en
oacutexidos de nitroacutegeno y el metal se oxido a su catioacuten
Los enlaces O-N son mucho maacutes cortos (121 pm) que el enlace O-N unidos al aacutetomo
de hidroacutegeno (141 pm) Esta longitud de enlaces indica que hay enlaces muacuteltiples
entre el nitroacutegeno y los dos aacutetomos de oxiacutegeno terminales Ademas de los electrones
del sistema σ hay cuatro electrones que participan en el sistema π O-N-O dos de un
orbital enlazante y dos en un orbital no enlazante
enlace de 112 para cada uno de esos enlaces nitroacutegeno- oxiacutegeno
A veces se nos olvida hasta queacute punto nuestra experiencia depende de la
termodinaacutemica y la cineacutetica Por ejemplo la primera siacutentesis industrial de aacutecido
niacutetrico se llevaba ha cabo por simple combinacioacuten de diniacutetrogeno dioxiacutegeno y agua
utilizando un horno de arco eleacutectrico a fin de proporcionar la energiacutea necesaria par
superar la muy elevada barrera cineacutetica Aunque desde el punto de
factor cineacutetico constituiacutea un problema en realidad es una bendicioacuten por que sin esta
barrera cineacutetica hace mucho tiempo que todo el dioacutexido de la atmoacutesfera se abriacutea
transformado en aacutecido niacutetrico y nuestros mares serian de aacutecido niacutetrico diluido
frac12 N2(g) + 54O2(g) + 12H2O(g) HNO3(g)
Ahora se utiliza el proceso Ostwald para la siacutentesis de aacutecido niacutetrico Este proceso
consume gran parte del amoniaco que se produce por el proceso Haber El pr
s
a traveacutes de una malla de platino metaacutelico Eacuteste es
e
a baja presioacuten para aprovechar el efecto entropico es decir la formacioacuten de 10
moles de gas a partir de 9 moles de gas (una aplicacioacuten del principio de Le Chatelier)
para desplazar el equilibrio a la derecha
Ingenieriacutea Quiacutemica 67
UAM-I
4NH3(g) + 5O2(g) 4NO(g) + 6H2O(g)
Se agrega maacutes oxiacutegeno para oxidar el monoacutexido de nitroacutegeno a dioacutexido de nitroacutegeno
A fin de mejorar el rendimiento de esta reaccioacuten exoteacutermica se extrae calor de los
ases y la mezcla se somete a presioacuten
2HNO3(l) + NO(g)
Esta reaccioacuten tambieacuten es exoteacutermica y una vez maacutes se aplica enfriamiento y alta
la
egunda etapa para oxidarlo de nuevo
La contaminacioacuten s de aacutecido niacutetrico
as plantas maacutes antiguas eran faacutecilmente identificables por la fumarola cafeacute-
antas maacutes antiguas ahora mezcla cantidades
en Estados Unidos porque un 20
dedica ala produccioacuten de explosivos
or ultimo el aacutecido niacutetrico es un liacutequido que hierve a 826degC No existe como liacutequido
g
2NO(g) + O2(g) 2NO2(g)
El dioacutexido de nitroacutegeno se mezcla con agua para dar una solucioacuten de aacutecido niacutetrico
3NO2(g) + H2O(l)
presioacuten par obtener el maacuteximo rendimiento El monoacutexido de nitroacutegeno se vuelve a
s
soliacutea ser un problema importante de las planta
L
amarillento del dioacutexido de nitroacutegeno que escapaba por ellas Las plantas maacutes
antiguas eran faacutecilmente identificable por la fumadora cafeacute-amarillo del dioacutexido de
nitroacutegeno que escapaba de ellas Las pl
estequiomeacutetricas de amoniaco con las oacutexidos de nitroacutegeno con lo cual se obtiene
dinitroacutegeno y vapor de agua ambos inocuos
NO(g) + NO2 (g) + 2NH3(g) 2N2(g) + 3H2O(g)
En todo el mundo alrededor del 80 del aacutecido niacutetrico se utiliza en la produccioacuten de
fertilizantes Esta proporcioacuten es de solo el 65
se
P
puro porque en alguna medida se descompone espontaacuteneamente como sigue
4HNO3(l) 4NO2(g) + 2H2O(l) + O2(g)
Ingenieriacutea Quiacutemica 68
UAM-I
El aacutecido niacutetrico concentrado que se usa en el laboratorio estaacute al 68 en masa HNO3
(densidad 142 gcm3) lo que corresponde a 157 M
l aacutecido niacutetrico es un poderoso agente oxidante El nuacutemero de oxidacioacuten del N en el
) El aacutecido niacutetrico puede oxidar
nto a metales que estaacuten abajo del hidroacutegeno como aquellos que se encuentran
4Zn2+(ac) + NH4
+(ac) + 3H2O(l)
do no oxida al oro Sin embargo cuando se mezcla con
cido clorhiacutedrico concentrado en relacioacuten 13 en volumen (una parte de HNO3 a tres
partes al oro
omo sigue
APEacuteNDICE F
ETODO DE DEPOSICIOacuteN-PRECIPITACIOacuteN
E
HNO3 es + 5 Los productos maacutes comunes de la reduccioacuten del aacutecido niacutetrico son el
NO2 (N = + 4) el NO (N = + 2) y el NH4+ (N = - 3
ta
arriba en la serie de actividades Por ejemplo el cobre es oxidado por el aacutecido niacutetrico
concentrado como se mencionoacute antes
En presencia de reductores fuertes como el zinc metaacutelico el aacutecido niacutetrico se puede
reducir hasta ion amonio
4Zn(s) + 10H+(ac) + NO3
-(ac)
El aacutecido niacutetrico concentra
aacute
de HCl) la disolucioacuten resultante denominada agua regia puede oxidar
c
Au(s) + 3HNO3(ac) + 4HCl(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O(l) + 3NO2(g)
M
Ingenieriacutea Quiacutemica 69
UAM-I
APEacuteNDICE G
ISENtildeO DEL MEZCLADOR [4]
1) 100 ml H2O gr soporte
2) NH4(OH)
Ajustar a PH = 9 4) HAuCl4 (solucioacuten acuosa al 25E-3M)
6) Filtrado o centrifugado
3) En Agitacioacuten por 2 hr
8) Secado por 2hr a 80 degC
9 ) Calcinado por 4hr a 400 degC
7) Lavado
5) Antildeegamiento por 30 min
D
Ingenieriacutea Quiacutemica 70
UAM-I
El disentildeo de un tanque agitado dis n nuacutemero de elecciones sobre el
po y localizacioacuten del agitador las proporciones del tanque el nuacutemero y dimensiones
ada una de estas decisiones afectan a la velocidad
e circulacioacuten del liacutequido los modelos de velocidad y el consumo de potencia Como
pone de un gra
ti
de las placas deflectoras etc C
d
punto de partida en el disentildeo de los problemas ordinarios de agitacioacuten generalmente
se utiliza un agitador de turbina del tipo que se muestra en la figura 1 La proporcioacuten
tiacutepica es
31
=t
a
DD
1=tD
H 121
=tD
J 51
=aD
W 41
=aD
L
de estas ecuaciones se disentildeara el mezclador como datos se tiene el valor H que es
igual a 3 mts y el diaacutemetro del tanque D
Se determinara la medida de los reflectores
t que es igual 3 mts
121
=tD
J se despeja J
elacioacuten R31
=t
a
DD
se despeja Da
Relacioacuten
41
=aD
L se despeja L
elacioacuten se despeja W
( ) ( ) cmmtsmtsDJ 25250311==⎟
⎞⎜⎛=⎟
⎞⎜⎛= t 1212 ⎠⎝⎠⎝
( ) ( ) mtsmtsDD ta 1331
31
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=
( ) ( ) mtsmtsDL a 250141
41
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛= cm25=
51
=aD
WR
Ingenieriacutea Quiacutemica 71
UAM-I
Figura 2 a) Vista transversal del mezclador b) paletas del mezclador con la
donde se deposita el soporte
Figura 1 Medidas de un agitador de turbina
a) b)
s rejillas
H
J
E L
Da
D t
W
W
( ) ( ) cmmtsmtsDW a 2020151
5==⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎜⎝
=1 ⎞⎛
Ingenieriacutea Quiacutemica 72
UAM-I
APEacuteNDICE A
CRITERIOS PARA DETERMINAR QUIEacuteN CONTROLA EL PROCESO
Criterio de weisz para difusioacuten interna
Ec(12-16 Fogler) Los valores que se sustituyen en las siguientes ecuaciones fueron
tomados del catalizador que se analizo en el laboratorio
CWP = ( )
AS
cObsA
DeCRcr 2minus
lt 1
-rA(Obs) = velocidad de reaccioacuten observada molgcats Cc = concentracioacuten volumeacutetrica molm3
CAS = concertacioacuten en la superficie molm3
D= diaacutemetro del granulo m R = radio del granulo m De = difusividad efectiva m2s
d = 0149mm mxmm
m 4104911000
1 minus=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
CWP = ( )( )3
32
24
33
103470184200350
21049150800010681
minus
minusminus
=⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞⎜
⎝⎛
x
mmol
hrm
mxcatm
gcathgcat
molx
734x10-3 lt 1 No hay limitante por la difusioacuten interna
Ingenieriacutea Quiacutemica 47
UAM-I
Criterio de mears para difusioacuten interna Ec(12-62 Fogler)
Mm = 150ltAbc
bA
CkRnr ρminus
Mm =( )( )
0570
136000184200220
31110457508000106851
3
53
3
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ minusminus
hrs
mmol
sm
mxcatmgcat
hgcatmolx
0057 lt 015 no hay efecto de transferencia de masa externa Calculo de Dab para calcular el coeficiente de trasferencia de masa Ec(78 Lobo)
De =
KAAB DD11
1
+
DKA = 970X103 (80X10-8)(s
cmK 221 1090)
2400( =
DAB = 00018583ABAB
BA
PMMT
Ω
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ +
2
2123 11
γ
Para CO
0110=isin
Bk 0593 A=γ
Para O2
Ingenieriacutea Quiacutemica 48
UAM-I
0113=isin
Bk 0453 A=γ
( ) 51343359321
=+=ABγ
( )( )[ ] 21113110BAB k=isin A la temperatura de 400degK
( ) 583))113)(110((
40021 =
deg=
isin B
B
AB
B
KKKTK
Ω AB = 0907 Sustituyendo
DAB =s
cm2
2
2123
9730)9070()513(
)21281()400(00185830=
+
De = hrm
hrs
cmm
scm 222
03501
3600100
10980
10901
97301
1=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
+
Calculo de Kc Sh = (Re)12(Sc)13
Velocidad superficial
V = sm
shr
hrm
mxhr
m
Av
c
02036001976
1087
006025
3
0 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛== minus
Ingenieriacutea Quiacutemica 49
UAM-I
Re= ( ) 240)1062)(501(
)10491)(020(
1 25
4
=minus
=minus minus
minus
smx
mxsmvd p
νφ
Sc= 672)3600
1)(0350(
10622
25
==minus
shr
hrm
smx
Dv
AB
Sh= ( 024 )12 ( 267 )13 = 0679
Kc = Shdp
DAB⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛minusφ
φ1
Kc = ( )sm
mxs
mx02206790
10491
10729
50501
4
26
=⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛minus
minus
minus
Calculo de numero Thile con el radio que usara a nivel industrial
φ = L ( )DkCn n
AS
21 1minus+
L = 3R
Sustituyendo
φ = 66x10-4 m( )
( )
450
03502
018420
5480941311
3
30
3330
313
=
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+
catmhrm
mmol
hrcatmmolm
η = 1 con los resultados anteriores se observa que quieacuten limita es la velocidad de
reaccioacuten Por lo que se procede a calcular el peso y longitud de catalizador
necesaria para muestro purificador sustituyendo los valores del Boiler
Ingenieriacutea Quiacutemica 50
UAM-I
Peso del Catalizador w =
( ) grcatgcatLn
gcatm
mmol
hrcatmmolm
hrm
xLn
kCv
A
66476639401
1
6000001578
548094
19836
11
330
3330
313
3
0
0 asymp=minus
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
minus
g 664=w
33
3
1011
mg60000
g 664 mxwv minus===ρ
m 035003101011
2
33
==minus
mmxL
cm 531000350 == xL
Ingenieriacutea Quiacutemica 51
UAM-I
APEacuteNDICE B BALANCE DE MASA DE LA PREPARACIOacuteN DE HAUCL4 Au(g) + 3HNO3(ac) + 4HCL(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O + 3N02(g) (152 M) (105M)
cantidad de mol Au = 05 kg Au x molAu
grAumolAux
kggr 542
971961
11000
=
cantidad de kg HNO3 = ( ) 33
33 480
10001
1635423 kgHNO
grkgx
molHNOGRHNOxHNOmol =
cantidad de kgHCl = ( ) kgHClgr
kgxmolHCl
grHClHClxmol 3701000
11
5365424 =
cantidad de kgHAuCl4 = 254molHAuCl4 x 44
8601000
11
97339 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
gr=
cantidad de kgH2O = 3( 254mol)H20 x OkgHgr
kgxOmolHOgrH
22
2 1401000
1118
=
cantidad de Lt H20 = 762molHNO3 x OltHOkgHOLtH
22
2 14011
=
cantidad de Lt H20 = 1016 mol HNO3 x 050215
012
2 LtHmol
LtH=
cantidad de LtH20 = 1016mol HCl x OLtHLtHmolHCl
LtH22
2 010970510
01asymp=
cantidad de MHAUCl4 = ( ) ( ) ( ) MHltltlt
ClmolHAU 7210850490140
542
2
4 asymp++
cantidad de kg NO2(g) = 3( 254mol)NO2 x )(22
2 3501000
1146
SkgNOgr
kgxmolNO
grNO=
Ingenieriacutea Quiacutemica 52
UAM-I
05 kg Au 048 kgHNO3 035 kgNO2 101021 kgH20 (152M) 037 kgHCl(ac)
(105 m) 086 kg HAuCl4 (ac) 086 kg HAuCl4 (ac)
(17 M) 014 kgH20 (25x10-3M) 014kg H20 (L) 086kg HAuCl4 035kgNO2 (g) 101185kg H20 Cantidad de H20 = 086 kgHAuCl4
x 08510110101
105201
173341
11000
22
23
24 kgHLtHkgHx
MxltHx
grmolHAuClx
kggr
=minus
pero (101185 ndash 014 ndash 05 ndash 1) kg H20 = 101021 kg H20 100ml H20 por 1 gr soporte 35kg NH4 (OH)(AC) 10000kgH20 100 kg γAl203 (9965) 035kgAu (035) 100kg γAl203 025kgCl2 086kg HAuCl4 026kgHAuCl4
101185 kg H20 35kgNH4 (OH)(AC) 1101185kgH20 cantidad de kgHAuCl4 = 015kgAu x
44
4 2601000
11
973391
197196
147196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxgrAu
molxkg
gr=
cantidad de NH4(OH) = 100kg γ Al203 x
Ingenieriacutea Quiacutemica 53
UAM-I
kgNHxmol
grx
mlmol
xOAlgr
OHmlNHx
kg
gr53
10001
1
35
100010
1
)(10
1
1000
32
4=
γ4(OH)
30kg γAL2O3 1 kgNH4(OH)(AC) 30 kg γ Al203 (9965) 010 kg Au (035) 026kgHAuCl4 007kg Cl2 35kgNH4(OH) 1101185 kgH2O 0086kgHAuCl4 45 kg NH4(OH)(AC) 1101185 kg H20
cantidad de γ Al2O3 = 026kgHAuCl4 x 324
32 02330860
100 AlkgkgHAuCl
OAlkg γγ=
cantidad de kgAu = 035 x kgAukg 10506599
30=
cantidad de kg Cl2 = 01 kgAu x
22
2 07201000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de HAuCl4 = 005kgAu x
44
4 08601000
11
973391
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 54
UAM-I
cantidad de kgNO4(OH) = 30 kg γ Al203 x ( )OHkgNHAlkg
OHkgNO4
32
4 0510100
)(53=
γ
105 kg γ Al203 035 kg NH2(OH) 105 kg γ Al203 (9965) 004 kg Au (035) 009kg HAuCl4 003 kg Cl2 45kgNH4(OH) 1101185 kg H20 0017kgHAuCl4 485kgNH4 (OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 009 HAuCl4 x 324
32 04710860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad kg de NH4 (OH) = 105kg γ Al203 x ( ) )(3500100
534
32
4 OHkgNHAlkg
OHkgNH=
γ
cantidad de Cl2 = 004 kg Au x
22
2 02901000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
gAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 =
44
44 02001701000
11
973391
197196
11
1000010 kgHAukgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgr
molAuxkg
grkgAux asymp=
Ingenieriacutea Quiacutemica 55
UAM-I
23 kg γ Al203 008kgNH4(OH) 002 kg HAuCl4 23 kg γAl203 (9965) 485kgNH4(OH) 0008kgAu(035) 1101185kg H2 0001kg Cl2
0014 kg HAuCl4 493kgNH4(OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 002kgHAuCl4 x 324
32 032860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad de kg Au = 035 x kgAukg 00806599
32=
cantidad de kgCl2 = 0002kgAu x
24
4 00101000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 = 0008kgAu x
44
44 01401000
11
973341
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 56
UAM-I
APEacuteNDICE C ACCESORIOS EN EL DISENtildeO
Agitador
Agitadores de Heacutelice se escogioacute este tipo de agitador por ser tener las siguientes
caracteriacutesticas [3]
bull Es un agitador de flujo axial
bull Se emplea para liacutequidos pocos viscosos
bull Giran a toda la velocidad del motor
bull Las corrientes de flujo se mueven a traveacutes del liacutequido en una direccioacuten
determinada hasta que son desviadas por el fondo o las paredes del tanque
bull Las palas de la heacutelice cortan o friccionan vigorosamente el liacutequido
bull Los agitadores de heacutelice son eficaces para tanques de gran tamantildeo
Horno
bull El horno se escogioacute por ser tener las siguientes caracteriacutesticas [5]
bull El horno de construccioacuten metaacutelica
bull La caacutemara de combustioacuten estaacute construida mediante hormigones refractarios
de alta resistencia mecaacutenica
bull Las materias secar y calcinar se carga de forma manual
Ingenieriacutea Quiacutemica 57
UAM-I
Bomba
DISENtildeO Bomba centrifuga para operacioacuten horizontal o vertical del impulsor
cerrado succioacuten al extremo descarga hacia arriba tangencial simple succioacuten de un
paso con carcaza partida verticalmente [3]
ROTACIOacuteN En el sentido del reloj vista desde el cople
CARACTERIacuteSTICAS Conexiones brindadas con registro ubicado en la cabeza de
succioacuten para facilitar su limpieza
SERVICIO Debido a que es posible colocarla en posicioacuten horizontal o vertical tanto
en caacutercamos secos como huacutemedos y por el disentildeo de su impulsor que soacutelidos de
gran tamantildeo esta bomba es ideal para los procesos de tratamientos de agua y
manejo de liacutequidos en suspensioacuten en general
CAPACIDADES
GASTO Hasta 3000 GPM
CDT Hasta 80rsquo
PRESIOacuteN 106 Kgcmsup2
POTENCIA De 1 a 60 Hp
VELOCIDAD (1175 - 3550 RPM)
TEMPERATURA 125degC
Ingenieriacutea Quiacutemica 58
UAM-I
Bombas Centriacutefugas
Las maquinas centriacutefugas estaacuten constituidas por un impulsor o rodete formado por
una serie de aletas radiales diversas formas y curvaturas que giran dentro de una
caja circular El fluido penetra por el ojo o eje de rotacioacuten y se descarga maacutes o
menos radialmente en una caacutemara perifeacuterica a una elevada presioacuten que
corresponde a la suma de la fuerza centriacutefuga de la rotacioacuten maacutes la cineacutetica
comunicada al fluido por las aletas La parte moacutevil de la bomba es el rodete Las
aletas del rodete se extienden desde el centro de rotacioacuten hacia la periferia y las
bridas son los discos de refuerzo a cada lado de las aletas que las envuelven Las
aletas pueden ser radiales curvadas ligeramente hacia delante en el mismo sentido
de la rotacioacuten o estar curvadas al reveacutes en el caso maacutes comuacuten en el disentildeo se
determino el rodete siguiente por sus caracteriacutesticas Fig 1
Figura 1 Corte parcial de un rodete de centriacutefuga para grandes cargas y secciones
de paso estrechas empleando con liacutequidos corrosivos o suspensiones de pequentildeas
partiacuteculas[4]
Ingenieriacutea Quiacutemica 59
UAM-I
APENDICE D CALCULO DE POTENCIA DE BOMBAS (8)
Potencia de la bomba de la cisterna 1 que alimenta a los mezclador 4
Ecuacioacuten de Bernoulli
sum sumint =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛+++∆+∆i i
i
P
P
evvfDLvwdphgv 0
21
21
ˆ1
21 222
2
1ρ
a b c d e f
a Diferencia de velocidades
b Diferencia de alturas
c Diferencia de presiones
d Trabajo
e Perdidas de friccioacuten en tuberiacuteas
f Perdidas de friccioacuten en accesorios
En la ecuacioacuten anterior se pueden eliminar algunos teacuterminos
21 mts
6 mts 35 mts
Figura 1 Balance de cisterna 1 a mezclador 4
Se debe de tener dos puntos de referencia para la utilizacioacuten de la ecuacioacuten de
Bernoulli de los cuales se anotaron en la figura 2
Ingenieriacutea Quiacutemica 60
UAM-I
21 mts
2 1 6 mts 35 mts
Figura 2
Teniendo los puntos de referencia se analiza que las diferencias de velocidades son
cero en ambos puntos por lo tanto el termino 2
21 ν∆ es igual a cero
El termino de = (981hg∆ 2segm )(35m ndash 0) = 34335 2
2
segm
El termino de int2
1
1P
P
dpρ
se tiene que la cisterna y el tanque de mezclado ambos no
estaacuten cerrados y por lo tanto no originan un cambio de presioacuten y el termino es cero
De esta expresioacuten L longitud de tuberiacutea
tro de tuberiacutea
n el interior del tubo
v
Para la l radio del tubo que
sum ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
i
fDL2
21 ν
D diaacuteme
f perdidas de friccioacuten e
velocidad del flujo de agua
obtencioacuten de la velocidad se tiene el flujo volumeacutetrico y e
es de 32 cm =0032mts con la ecuacioacuten
Ingenieriacutea Quiacutemica 61
( )( ) sm
ms
m
RQ 761
032060min1)
min340(
2
3
2 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
==ππ
ν
UAM-I
Se reportan valores de perdida de fr
e reduce teacuterminos
iccioacuten en tubos que son igual a 005
Por lo tanto sustituyendo los teacuterminos en la ecuacioacuten de Bernoulli s
sum sumint =⎟⎠
⎜⎝
+⎟⎠
⎜⎝
+++∆+∆i i
iP
evvfD
vwdphgv 022
ˆ2
1ρ
⎞⎛⎞⎛ L 111 2222
or tanto el termino de trabajo queda expresado de la siguiente manera
tanto la bomba comunica al fluido que circula en el sistema un trabajo
+11727
P1
p w
sum sum ∆minus⎟⎠⎞
⎜⎝⎛minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛minus=
i ii
hgevvfDLvw 22
21
21
ˆ
( ) ( )
Este es el trabajo ( por unidad de masa) producido por el fluido en la bomba por lo
22
sm o 11727 981 = 1195
m
fKg
Kgm
La velocidad de flujo de masa es
Por lo tanto
1 )=6694
951)(675(ˆ =minus=minus WwW smkg f = 088Hp = 1Hp
Siendo esta ida para esta bomba El procedimiento anterior se
iguioacute para cada bomba de la planta
AP E
la potencia requer
s
EacuteNDICE
TOXICOLOGIacuteA DE MATERIAS PRIMAS [6]
( ) ( ) ( )( ) ( )( )msm
smmmm
sm 538192201150761
21050
032021536761
21
2
22minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ +minus⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ++
minus=wm
22
27117ˆ smw minus=
( )s
kgmkgQw m675100060340 3 === ρ
Ingenieriacutea Quiacutemica 62
UAM-I
HIDROacuteXIDO DE SODIO
Polvo corrosivo blanco delicuescente
Toxicidad
Concentracioacuten Maacutexima permisible 2mgm3 en aire
Signos y Siacutentomas Conjutivitis quemaduras corneales y de la piel Irritacioacuten
seas vomito dolor abdominal y diarrea a veces con
Lavado de las partes afectadas tranquilizantes sulfato de
decuada gafas protectoras o pantallas para
ignos y Siacutentomas Irritacioacuten de ojos quemaduras corneables tos dolores
l hemoptisis dolor de cabeza dolor epigaacutestrico nauseas y vomito
lmonar
Tratamiento lavado de ojos con agua reposo oxigeno con aparato de respiracioacuten
con onantes
ACIDO NITRICO
Liquido corrosivo sofocante de incoloro a amarillento
ioacuten maacutexima permisible 10ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
del tracto respiratorio nau
sangre
Tratamiento
morfina para el dolor y cortisona
Medidas preventivas Ventilacioacuten a
la cara completa mascarilla con filtro mecaacutenico guantes delantares botas de
goma y acentuar la limpieza personal
CLORO
Gas pasado amarillo verdoso
Toxicidad
Conc Maacutexima permisible 1 ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten
S
retrosterna
debilidad cianosis y edema pu
trolada bronco dilatadores y descongesti
Toxicidad
Concentrac
Ingenieriacutea Quiacutemica 63
UAM-I
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
Signos y siacutentomas Erosioacuten dental estornudo tos Dolor en el pecho bronquitis y
la las partes contaminadas del cuerpo con solucioacuten al 5 de
de las quemaduras con pantildeos
de triacuteo sulfato soacutelido si se a ingerido
vado de ojos con agua
ACIDO CLORIDRICO
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
ivitis necrosis corneal por inhalacioacuten rinitis erosioacuten
dolor de cabeza palpitacioacuten por ingestioacuten
s en la boca faringe esoacutefago estomago salivacioacuten vomito Soc
agua lavada de agua y jaboacuten de las partes
preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
AacuteC
El c
con o de hidroacutegeno una
concentracioacuten de 12 molLt Este aacutecido es un liacutequido incoloro con un olor aacutecido
bronconeumoniacutea
Tratamiento
bicarbonato soacutelido o con agua y jaboacuten Tratamiento
mojados con solucioacuten saturada
administracioacuten por viacutea oral de solucioacuten de jaboacuten Hidroacutexido caacutelcico o alumiacutenico u
oacutexido de magnesio
Medidas preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores excluir de la exposicioacuten
a los individuos con enfermedades de pulmones y rintildeones
Gas incoloro o liacutequido o a amarillento
Toxicidad
Concentracioacuten maacutexima permisible 5ppm en aire
Signos y siacutentomas conjunt
dental laringitis bronquitis neumoniacutea
quemadura
nefritis
Tratamiento lavado de ojos con
contaminantes del cuerpo tratamiento ordinario de quemaduras lavado gaacutestrico
se a ingerido con solucioacuten de bicarbonato soacutedico al 5 seguido de una instilacioacuten
de gel de hidroacutexido de aluminio
Medidas
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores
IDO CLORHIacuteDRICO
loruro de hidroacutegeno es en extremo soluble en agua de hecho el aacutecido clorhiacutedrico
centrado contiene cerca del 38 en masa de clorur
Ingenieriacutea Quiacutemica 64
UAM-I
pronunciado que se debe al equilibrio entre el cloruro de hidroacutegeno gaseoso y
ste con el aacutecido fluorhiacutedrico el aacutecido clorhiacutedrico es un aacutecido fuerte (pKa = -
7) y se ioniza casi totalmente
gar de aacutecido sulfuacuterico auque en menor grado Por
jemplo el zinc metaacutelico reacciona con aacutecido clorhiacutedrico para dar el ion zinc e
hidroacutegeno gaseoso
Zn(s) + 2HCl(ac) ZnCl2(ac) + H2(g)
l para producir aacutecido clorhiacutedrico en el laboratorio es generar
cloruro de hidroacutegen e sodio y el aacutecido
ulfuacuterico En el primer paso a 150degC se forma hidroacutegeno sulfato de sodio
NaHSO4(s) + HCl(g)
io y maacutes
loruro de hidroacutegeno gaseoso Luego el gas se disuelve en agua para formar el
aacutecido
NaHSO4(s) + NaCl(s) Na2SO4(s) + HCl(g)
acuoso
HCl(ac) HCl(g)
El reactivo de grado teacutecnico a menudo tiene un color amarillento por una impureza
del ion hierro (III)
En contra
HCl(ac) + H2O(l) H2O+(ac) + Cl -(ac)
Por ello a menudo se prefiere usar aacutecido clorhiacutedrico diluido en lugar de aacutecido niacutetrico
que es muy oxidante y en lu
e
Cuando el zinc reacciona con el aacutecido niacutetrico es comuacuten que se reduzca una parte
del ion nitrato para dar dioacutexido de nitroacutegeno
El meacutetodo tradiciona
o gaseoso por la reaccioacuten entre el cloruro d
s
NaCl(s) + H2SO4(l)
La mezcla se calienta a 550degC temperatura a la cual el hidroacutegeno sulfato de sodio
reacciona con un exceso de cloruro de sodio para formar sulfato de sod
c
∆
Este meacutetodo se usa tambieacuten en la industria otra forma de producir cloruro de
hidroacutegeno es por la combinacioacuten directa de dicloro y dihidroacutegenogaseosos
Ingenieriacutea Quiacutemica 65
UAM-I
H2(g) + Cl2(g) 2HCl(g)
La mayor cantidad de cloruro de hidroacutegeno que se produce actualmente es un
CH4(g) + 4Cl2(g) 4(l) + 4HCl(g)
riacuten de superficies de acero en un bantildeo aacutecido en la purificacioacuten de glucosa
y jarabe de maiacutez e s y de gas y en la
bricacioacuten de compuestos clorados El aacutecido se puedo comprar en muchas
nducida por la luz
4HNO3(ac) 4NO2(g) + O2(g) + 2H2O(l)
niacutetrico como disolvente)
H2NO3+ H2O + NO2
+
l siguiente
3HNO NO3 ndash
subproducto de otros procesos industriales como la siacutentesis de tetracloruro de
carbono
CCl
Se consumen cerca de 107 toneladas de aacutecido clorhiacutedrico cada antildeo en todo el
mundo Este aacutecido tiene una gama muy amplia de usos como aacutecido comuacuten para
eliminar o
n el tratamiento con aacutecido de pozos petrolero
fa
ferreteriacuteas con el arcaico nombre de aacutecido muriaacutetico sus principales usos caseros
son la limpieza de superficies de concreto y la eliminacioacuten de herrumbre Un nuacutemero
muy reducido de personas es incapaz de sintetizar suficiente jugo gaacutestrico y deben
de ingerir caacutepsulas de aacutecido clorhiacutedrico diluido con cada comida
AacuteCIDO NIacuteTRICO
El aacutecido niacutetrico un liacutequido aceitoso e incoloro en estado puro es sumamente
peligroso El aacutecido que funde a ndash42degC y hierve a +83degC tiene por lo general un
ligero color amarillo a causa de una reaccioacuten de descomposicioacuten i
En un estado puro el aacutecido niacutetrico liacutequido praacutecticamente no conduce la electricidad
Una pequentildea porcioacuten se ioniza como sigue (todas estas especies existen en el aacutecido
2HNO3(l) H2NO3+ + NO3
ndash
H2O + HNO3 H3O+ + NO3 ndash
Para dar la reaccioacuten globa
3 NO2+ + H3O + 2+
Ingenieriacutea Quiacutemica 66
UAM-I
El catioacuten nitrilo es importante en la nitracioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas por ejemplo la
obenceno C6H5NO2 una etapa importante en
umerosos procesos industriales orgaacutenicos
El aacutecido niacutetrico con en agua mientras
ue el ldquoaacutecido niacutetrico fumanterdquo un oxidante extremadamente poderoso es una
vez de ello se produce una mezcla de
sistema que da un orden de
vista industrial el
oceso
e lleva a cabo en tres etapas Primero se hace pasar una mezcla de amoniaco y de
dioxiacutegeno (o aire) un proceso muy
ficiente y exoteacutermico que hace que la malla se ponga al rojo Esta etapa se verifica
conversioacuten de benceno C6H6 en nitr
n
centrado es en realidad una solucioacuten al 70
q
solucioacuten roja de dioacutexido de nitroacutegeno en aacutecido niacutetrico puro Incluso cuando esta
diluido el aacutecido niacutetrico es un oxidante tan fuerte que rara vez desprende hidroacutegeno
cuando se pone en contacto con metales en
oacutexidos de nitroacutegeno y el metal se oxido a su catioacuten
Los enlaces O-N son mucho maacutes cortos (121 pm) que el enlace O-N unidos al aacutetomo
de hidroacutegeno (141 pm) Esta longitud de enlaces indica que hay enlaces muacuteltiples
entre el nitroacutegeno y los dos aacutetomos de oxiacutegeno terminales Ademas de los electrones
del sistema σ hay cuatro electrones que participan en el sistema π O-N-O dos de un
orbital enlazante y dos en un orbital no enlazante
enlace de 112 para cada uno de esos enlaces nitroacutegeno- oxiacutegeno
A veces se nos olvida hasta queacute punto nuestra experiencia depende de la
termodinaacutemica y la cineacutetica Por ejemplo la primera siacutentesis industrial de aacutecido
niacutetrico se llevaba ha cabo por simple combinacioacuten de diniacutetrogeno dioxiacutegeno y agua
utilizando un horno de arco eleacutectrico a fin de proporcionar la energiacutea necesaria par
superar la muy elevada barrera cineacutetica Aunque desde el punto de
factor cineacutetico constituiacutea un problema en realidad es una bendicioacuten por que sin esta
barrera cineacutetica hace mucho tiempo que todo el dioacutexido de la atmoacutesfera se abriacutea
transformado en aacutecido niacutetrico y nuestros mares serian de aacutecido niacutetrico diluido
frac12 N2(g) + 54O2(g) + 12H2O(g) HNO3(g)
Ahora se utiliza el proceso Ostwald para la siacutentesis de aacutecido niacutetrico Este proceso
consume gran parte del amoniaco que se produce por el proceso Haber El pr
s
a traveacutes de una malla de platino metaacutelico Eacuteste es
e
a baja presioacuten para aprovechar el efecto entropico es decir la formacioacuten de 10
moles de gas a partir de 9 moles de gas (una aplicacioacuten del principio de Le Chatelier)
para desplazar el equilibrio a la derecha
Ingenieriacutea Quiacutemica 67
UAM-I
4NH3(g) + 5O2(g) 4NO(g) + 6H2O(g)
Se agrega maacutes oxiacutegeno para oxidar el monoacutexido de nitroacutegeno a dioacutexido de nitroacutegeno
A fin de mejorar el rendimiento de esta reaccioacuten exoteacutermica se extrae calor de los
ases y la mezcla se somete a presioacuten
2HNO3(l) + NO(g)
Esta reaccioacuten tambieacuten es exoteacutermica y una vez maacutes se aplica enfriamiento y alta
la
egunda etapa para oxidarlo de nuevo
La contaminacioacuten s de aacutecido niacutetrico
as plantas maacutes antiguas eran faacutecilmente identificables por la fumarola cafeacute-
antas maacutes antiguas ahora mezcla cantidades
en Estados Unidos porque un 20
dedica ala produccioacuten de explosivos
or ultimo el aacutecido niacutetrico es un liacutequido que hierve a 826degC No existe como liacutequido
g
2NO(g) + O2(g) 2NO2(g)
El dioacutexido de nitroacutegeno se mezcla con agua para dar una solucioacuten de aacutecido niacutetrico
3NO2(g) + H2O(l)
presioacuten par obtener el maacuteximo rendimiento El monoacutexido de nitroacutegeno se vuelve a
s
soliacutea ser un problema importante de las planta
L
amarillento del dioacutexido de nitroacutegeno que escapaba por ellas Las plantas maacutes
antiguas eran faacutecilmente identificable por la fumadora cafeacute-amarillo del dioacutexido de
nitroacutegeno que escapaba de ellas Las pl
estequiomeacutetricas de amoniaco con las oacutexidos de nitroacutegeno con lo cual se obtiene
dinitroacutegeno y vapor de agua ambos inocuos
NO(g) + NO2 (g) + 2NH3(g) 2N2(g) + 3H2O(g)
En todo el mundo alrededor del 80 del aacutecido niacutetrico se utiliza en la produccioacuten de
fertilizantes Esta proporcioacuten es de solo el 65
se
P
puro porque en alguna medida se descompone espontaacuteneamente como sigue
4HNO3(l) 4NO2(g) + 2H2O(l) + O2(g)
Ingenieriacutea Quiacutemica 68
UAM-I
El aacutecido niacutetrico concentrado que se usa en el laboratorio estaacute al 68 en masa HNO3
(densidad 142 gcm3) lo que corresponde a 157 M
l aacutecido niacutetrico es un poderoso agente oxidante El nuacutemero de oxidacioacuten del N en el
) El aacutecido niacutetrico puede oxidar
nto a metales que estaacuten abajo del hidroacutegeno como aquellos que se encuentran
4Zn2+(ac) + NH4
+(ac) + 3H2O(l)
do no oxida al oro Sin embargo cuando se mezcla con
cido clorhiacutedrico concentrado en relacioacuten 13 en volumen (una parte de HNO3 a tres
partes al oro
omo sigue
APEacuteNDICE F
ETODO DE DEPOSICIOacuteN-PRECIPITACIOacuteN
E
HNO3 es + 5 Los productos maacutes comunes de la reduccioacuten del aacutecido niacutetrico son el
NO2 (N = + 4) el NO (N = + 2) y el NH4+ (N = - 3
ta
arriba en la serie de actividades Por ejemplo el cobre es oxidado por el aacutecido niacutetrico
concentrado como se mencionoacute antes
En presencia de reductores fuertes como el zinc metaacutelico el aacutecido niacutetrico se puede
reducir hasta ion amonio
4Zn(s) + 10H+(ac) + NO3
-(ac)
El aacutecido niacutetrico concentra
aacute
de HCl) la disolucioacuten resultante denominada agua regia puede oxidar
c
Au(s) + 3HNO3(ac) + 4HCl(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O(l) + 3NO2(g)
M
Ingenieriacutea Quiacutemica 69
UAM-I
APEacuteNDICE G
ISENtildeO DEL MEZCLADOR [4]
1) 100 ml H2O gr soporte
2) NH4(OH)
Ajustar a PH = 9 4) HAuCl4 (solucioacuten acuosa al 25E-3M)
6) Filtrado o centrifugado
3) En Agitacioacuten por 2 hr
8) Secado por 2hr a 80 degC
9 ) Calcinado por 4hr a 400 degC
7) Lavado
5) Antildeegamiento por 30 min
D
Ingenieriacutea Quiacutemica 70
UAM-I
El disentildeo de un tanque agitado dis n nuacutemero de elecciones sobre el
po y localizacioacuten del agitador las proporciones del tanque el nuacutemero y dimensiones
ada una de estas decisiones afectan a la velocidad
e circulacioacuten del liacutequido los modelos de velocidad y el consumo de potencia Como
pone de un gra
ti
de las placas deflectoras etc C
d
punto de partida en el disentildeo de los problemas ordinarios de agitacioacuten generalmente
se utiliza un agitador de turbina del tipo que se muestra en la figura 1 La proporcioacuten
tiacutepica es
31
=t
a
DD
1=tD
H 121
=tD
J 51
=aD
W 41
=aD
L
de estas ecuaciones se disentildeara el mezclador como datos se tiene el valor H que es
igual a 3 mts y el diaacutemetro del tanque D
Se determinara la medida de los reflectores
t que es igual 3 mts
121
=tD
J se despeja J
elacioacuten R31
=t
a
DD
se despeja Da
Relacioacuten
41
=aD
L se despeja L
elacioacuten se despeja W
( ) ( ) cmmtsmtsDJ 25250311==⎟
⎞⎜⎛=⎟
⎞⎜⎛= t 1212 ⎠⎝⎠⎝
( ) ( ) mtsmtsDD ta 1331
31
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=
( ) ( ) mtsmtsDL a 250141
41
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛= cm25=
51
=aD
WR
Ingenieriacutea Quiacutemica 71
UAM-I
Figura 2 a) Vista transversal del mezclador b) paletas del mezclador con la
donde se deposita el soporte
Figura 1 Medidas de un agitador de turbina
a) b)
s rejillas
H
J
E L
Da
D t
W
W
( ) ( ) cmmtsmtsDW a 2020151
5==⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎜⎝
=1 ⎞⎛
Ingenieriacutea Quiacutemica 72
UAM-I
Criterio de mears para difusioacuten interna Ec(12-62 Fogler)
Mm = 150ltAbc
bA
CkRnr ρminus
Mm =( )( )
0570
136000184200220
31110457508000106851
3
53
3
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ minusminus
hrs
mmol
sm
mxcatmgcat
hgcatmolx
0057 lt 015 no hay efecto de transferencia de masa externa Calculo de Dab para calcular el coeficiente de trasferencia de masa Ec(78 Lobo)
De =
KAAB DD11
1
+
DKA = 970X103 (80X10-8)(s
cmK 221 1090)
2400( =
DAB = 00018583ABAB
BA
PMMT
Ω
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ +
2
2123 11
γ
Para CO
0110=isin
Bk 0593 A=γ
Para O2
Ingenieriacutea Quiacutemica 48
UAM-I
0113=isin
Bk 0453 A=γ
( ) 51343359321
=+=ABγ
( )( )[ ] 21113110BAB k=isin A la temperatura de 400degK
( ) 583))113)(110((
40021 =
deg=
isin B
B
AB
B
KKKTK
Ω AB = 0907 Sustituyendo
DAB =s
cm2
2
2123
9730)9070()513(
)21281()400(00185830=
+
De = hrm
hrs
cmm
scm 222
03501
3600100
10980
10901
97301
1=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
+
Calculo de Kc Sh = (Re)12(Sc)13
Velocidad superficial
V = sm
shr
hrm
mxhr
m
Av
c
02036001976
1087
006025
3
0 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛== minus
Ingenieriacutea Quiacutemica 49
UAM-I
Re= ( ) 240)1062)(501(
)10491)(020(
1 25
4
=minus
=minus minus
minus
smx
mxsmvd p
νφ
Sc= 672)3600
1)(0350(
10622
25
==minus
shr
hrm
smx
Dv
AB
Sh= ( 024 )12 ( 267 )13 = 0679
Kc = Shdp
DAB⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛minusφ
φ1
Kc = ( )sm
mxs
mx02206790
10491
10729
50501
4
26
=⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛minus
minus
minus
Calculo de numero Thile con el radio que usara a nivel industrial
φ = L ( )DkCn n
AS
21 1minus+
L = 3R
Sustituyendo
φ = 66x10-4 m( )
( )
450
03502
018420
5480941311
3
30
3330
313
=
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+
catmhrm
mmol
hrcatmmolm
η = 1 con los resultados anteriores se observa que quieacuten limita es la velocidad de
reaccioacuten Por lo que se procede a calcular el peso y longitud de catalizador
necesaria para muestro purificador sustituyendo los valores del Boiler
Ingenieriacutea Quiacutemica 50
UAM-I
Peso del Catalizador w =
( ) grcatgcatLn
gcatm
mmol
hrcatmmolm
hrm
xLn
kCv
A
66476639401
1
6000001578
548094
19836
11
330
3330
313
3
0
0 asymp=minus
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
minus
g 664=w
33
3
1011
mg60000
g 664 mxwv minus===ρ
m 035003101011
2
33
==minus
mmxL
cm 531000350 == xL
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UAM-I
APEacuteNDICE B BALANCE DE MASA DE LA PREPARACIOacuteN DE HAUCL4 Au(g) + 3HNO3(ac) + 4HCL(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O + 3N02(g) (152 M) (105M)
cantidad de mol Au = 05 kg Au x molAu
grAumolAux
kggr 542
971961
11000
=
cantidad de kg HNO3 = ( ) 33
33 480
10001
1635423 kgHNO
grkgx
molHNOGRHNOxHNOmol =
cantidad de kgHCl = ( ) kgHClgr
kgxmolHCl
grHClHClxmol 3701000
11
5365424 =
cantidad de kgHAuCl4 = 254molHAuCl4 x 44
8601000
11
97339 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
gr=
cantidad de kgH2O = 3( 254mol)H20 x OkgHgr
kgxOmolHOgrH
22
2 1401000
1118
=
cantidad de Lt H20 = 762molHNO3 x OltHOkgHOLtH
22
2 14011
=
cantidad de Lt H20 = 1016 mol HNO3 x 050215
012
2 LtHmol
LtH=
cantidad de LtH20 = 1016mol HCl x OLtHLtHmolHCl
LtH22
2 010970510
01asymp=
cantidad de MHAUCl4 = ( ) ( ) ( ) MHltltlt
ClmolHAU 7210850490140
542
2
4 asymp++
cantidad de kg NO2(g) = 3( 254mol)NO2 x )(22
2 3501000
1146
SkgNOgr
kgxmolNO
grNO=
Ingenieriacutea Quiacutemica 52
UAM-I
05 kg Au 048 kgHNO3 035 kgNO2 101021 kgH20 (152M) 037 kgHCl(ac)
(105 m) 086 kg HAuCl4 (ac) 086 kg HAuCl4 (ac)
(17 M) 014 kgH20 (25x10-3M) 014kg H20 (L) 086kg HAuCl4 035kgNO2 (g) 101185kg H20 Cantidad de H20 = 086 kgHAuCl4
x 08510110101
105201
173341
11000
22
23
24 kgHLtHkgHx
MxltHx
grmolHAuClx
kggr
=minus
pero (101185 ndash 014 ndash 05 ndash 1) kg H20 = 101021 kg H20 100ml H20 por 1 gr soporte 35kg NH4 (OH)(AC) 10000kgH20 100 kg γAl203 (9965) 035kgAu (035) 100kg γAl203 025kgCl2 086kg HAuCl4 026kgHAuCl4
101185 kg H20 35kgNH4 (OH)(AC) 1101185kgH20 cantidad de kgHAuCl4 = 015kgAu x
44
4 2601000
11
973391
197196
147196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxgrAu
molxkg
gr=
cantidad de NH4(OH) = 100kg γ Al203 x
Ingenieriacutea Quiacutemica 53
UAM-I
kgNHxmol
grx
mlmol
xOAlgr
OHmlNHx
kg
gr53
10001
1
35
100010
1
)(10
1
1000
32
4=
γ4(OH)
30kg γAL2O3 1 kgNH4(OH)(AC) 30 kg γ Al203 (9965) 010 kg Au (035) 026kgHAuCl4 007kg Cl2 35kgNH4(OH) 1101185 kgH2O 0086kgHAuCl4 45 kg NH4(OH)(AC) 1101185 kg H20
cantidad de γ Al2O3 = 026kgHAuCl4 x 324
32 02330860
100 AlkgkgHAuCl
OAlkg γγ=
cantidad de kgAu = 035 x kgAukg 10506599
30=
cantidad de kg Cl2 = 01 kgAu x
22
2 07201000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de HAuCl4 = 005kgAu x
44
4 08601000
11
973391
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 54
UAM-I
cantidad de kgNO4(OH) = 30 kg γ Al203 x ( )OHkgNHAlkg
OHkgNO4
32
4 0510100
)(53=
γ
105 kg γ Al203 035 kg NH2(OH) 105 kg γ Al203 (9965) 004 kg Au (035) 009kg HAuCl4 003 kg Cl2 45kgNH4(OH) 1101185 kg H20 0017kgHAuCl4 485kgNH4 (OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 009 HAuCl4 x 324
32 04710860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad kg de NH4 (OH) = 105kg γ Al203 x ( ) )(3500100
534
32
4 OHkgNHAlkg
OHkgNH=
γ
cantidad de Cl2 = 004 kg Au x
22
2 02901000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
gAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 =
44
44 02001701000
11
973391
197196
11
1000010 kgHAukgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgr
molAuxkg
grkgAux asymp=
Ingenieriacutea Quiacutemica 55
UAM-I
23 kg γ Al203 008kgNH4(OH) 002 kg HAuCl4 23 kg γAl203 (9965) 485kgNH4(OH) 0008kgAu(035) 1101185kg H2 0001kg Cl2
0014 kg HAuCl4 493kgNH4(OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 002kgHAuCl4 x 324
32 032860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad de kg Au = 035 x kgAukg 00806599
32=
cantidad de kgCl2 = 0002kgAu x
24
4 00101000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 = 0008kgAu x
44
44 01401000
11
973341
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 56
UAM-I
APEacuteNDICE C ACCESORIOS EN EL DISENtildeO
Agitador
Agitadores de Heacutelice se escogioacute este tipo de agitador por ser tener las siguientes
caracteriacutesticas [3]
bull Es un agitador de flujo axial
bull Se emplea para liacutequidos pocos viscosos
bull Giran a toda la velocidad del motor
bull Las corrientes de flujo se mueven a traveacutes del liacutequido en una direccioacuten
determinada hasta que son desviadas por el fondo o las paredes del tanque
bull Las palas de la heacutelice cortan o friccionan vigorosamente el liacutequido
bull Los agitadores de heacutelice son eficaces para tanques de gran tamantildeo
Horno
bull El horno se escogioacute por ser tener las siguientes caracteriacutesticas [5]
bull El horno de construccioacuten metaacutelica
bull La caacutemara de combustioacuten estaacute construida mediante hormigones refractarios
de alta resistencia mecaacutenica
bull Las materias secar y calcinar se carga de forma manual
Ingenieriacutea Quiacutemica 57
UAM-I
Bomba
DISENtildeO Bomba centrifuga para operacioacuten horizontal o vertical del impulsor
cerrado succioacuten al extremo descarga hacia arriba tangencial simple succioacuten de un
paso con carcaza partida verticalmente [3]
ROTACIOacuteN En el sentido del reloj vista desde el cople
CARACTERIacuteSTICAS Conexiones brindadas con registro ubicado en la cabeza de
succioacuten para facilitar su limpieza
SERVICIO Debido a que es posible colocarla en posicioacuten horizontal o vertical tanto
en caacutercamos secos como huacutemedos y por el disentildeo de su impulsor que soacutelidos de
gran tamantildeo esta bomba es ideal para los procesos de tratamientos de agua y
manejo de liacutequidos en suspensioacuten en general
CAPACIDADES
GASTO Hasta 3000 GPM
CDT Hasta 80rsquo
PRESIOacuteN 106 Kgcmsup2
POTENCIA De 1 a 60 Hp
VELOCIDAD (1175 - 3550 RPM)
TEMPERATURA 125degC
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UAM-I
Bombas Centriacutefugas
Las maquinas centriacutefugas estaacuten constituidas por un impulsor o rodete formado por
una serie de aletas radiales diversas formas y curvaturas que giran dentro de una
caja circular El fluido penetra por el ojo o eje de rotacioacuten y se descarga maacutes o
menos radialmente en una caacutemara perifeacuterica a una elevada presioacuten que
corresponde a la suma de la fuerza centriacutefuga de la rotacioacuten maacutes la cineacutetica
comunicada al fluido por las aletas La parte moacutevil de la bomba es el rodete Las
aletas del rodete se extienden desde el centro de rotacioacuten hacia la periferia y las
bridas son los discos de refuerzo a cada lado de las aletas que las envuelven Las
aletas pueden ser radiales curvadas ligeramente hacia delante en el mismo sentido
de la rotacioacuten o estar curvadas al reveacutes en el caso maacutes comuacuten en el disentildeo se
determino el rodete siguiente por sus caracteriacutesticas Fig 1
Figura 1 Corte parcial de un rodete de centriacutefuga para grandes cargas y secciones
de paso estrechas empleando con liacutequidos corrosivos o suspensiones de pequentildeas
partiacuteculas[4]
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UAM-I
APENDICE D CALCULO DE POTENCIA DE BOMBAS (8)
Potencia de la bomba de la cisterna 1 que alimenta a los mezclador 4
Ecuacioacuten de Bernoulli
sum sumint =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛+++∆+∆i i
i
P
P
evvfDLvwdphgv 0
21
21
ˆ1
21 222
2
1ρ
a b c d e f
a Diferencia de velocidades
b Diferencia de alturas
c Diferencia de presiones
d Trabajo
e Perdidas de friccioacuten en tuberiacuteas
f Perdidas de friccioacuten en accesorios
En la ecuacioacuten anterior se pueden eliminar algunos teacuterminos
21 mts
6 mts 35 mts
Figura 1 Balance de cisterna 1 a mezclador 4
Se debe de tener dos puntos de referencia para la utilizacioacuten de la ecuacioacuten de
Bernoulli de los cuales se anotaron en la figura 2
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UAM-I
21 mts
2 1 6 mts 35 mts
Figura 2
Teniendo los puntos de referencia se analiza que las diferencias de velocidades son
cero en ambos puntos por lo tanto el termino 2
21 ν∆ es igual a cero
El termino de = (981hg∆ 2segm )(35m ndash 0) = 34335 2
2
segm
El termino de int2
1
1P
P
dpρ
se tiene que la cisterna y el tanque de mezclado ambos no
estaacuten cerrados y por lo tanto no originan un cambio de presioacuten y el termino es cero
De esta expresioacuten L longitud de tuberiacutea
tro de tuberiacutea
n el interior del tubo
v
Para la l radio del tubo que
sum ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
i
fDL2
21 ν
D diaacuteme
f perdidas de friccioacuten e
velocidad del flujo de agua
obtencioacuten de la velocidad se tiene el flujo volumeacutetrico y e
es de 32 cm =0032mts con la ecuacioacuten
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( )( ) sm
ms
m
RQ 761
032060min1)
min340(
2
3
2 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
==ππ
ν
UAM-I
Se reportan valores de perdida de fr
e reduce teacuterminos
iccioacuten en tubos que son igual a 005
Por lo tanto sustituyendo los teacuterminos en la ecuacioacuten de Bernoulli s
sum sumint =⎟⎠
⎜⎝
+⎟⎠
⎜⎝
+++∆+∆i i
iP
evvfD
vwdphgv 022
ˆ2
1ρ
⎞⎛⎞⎛ L 111 2222
or tanto el termino de trabajo queda expresado de la siguiente manera
tanto la bomba comunica al fluido que circula en el sistema un trabajo
+11727
P1
p w
sum sum ∆minus⎟⎠⎞
⎜⎝⎛minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛minus=
i ii
hgevvfDLvw 22
21
21
ˆ
( ) ( )
Este es el trabajo ( por unidad de masa) producido por el fluido en la bomba por lo
22
sm o 11727 981 = 1195
m
fKg
Kgm
La velocidad de flujo de masa es
Por lo tanto
1 )=6694
951)(675(ˆ =minus=minus WwW smkg f = 088Hp = 1Hp
Siendo esta ida para esta bomba El procedimiento anterior se
iguioacute para cada bomba de la planta
AP E
la potencia requer
s
EacuteNDICE
TOXICOLOGIacuteA DE MATERIAS PRIMAS [6]
( ) ( ) ( )( ) ( )( )msm
smmmm
sm 538192201150761
21050
032021536761
21
2
22minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ +minus⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ++
minus=wm
22
27117ˆ smw minus=
( )s
kgmkgQw m675100060340 3 === ρ
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HIDROacuteXIDO DE SODIO
Polvo corrosivo blanco delicuescente
Toxicidad
Concentracioacuten Maacutexima permisible 2mgm3 en aire
Signos y Siacutentomas Conjutivitis quemaduras corneales y de la piel Irritacioacuten
seas vomito dolor abdominal y diarrea a veces con
Lavado de las partes afectadas tranquilizantes sulfato de
decuada gafas protectoras o pantallas para
ignos y Siacutentomas Irritacioacuten de ojos quemaduras corneables tos dolores
l hemoptisis dolor de cabeza dolor epigaacutestrico nauseas y vomito
lmonar
Tratamiento lavado de ojos con agua reposo oxigeno con aparato de respiracioacuten
con onantes
ACIDO NITRICO
Liquido corrosivo sofocante de incoloro a amarillento
ioacuten maacutexima permisible 10ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
del tracto respiratorio nau
sangre
Tratamiento
morfina para el dolor y cortisona
Medidas preventivas Ventilacioacuten a
la cara completa mascarilla con filtro mecaacutenico guantes delantares botas de
goma y acentuar la limpieza personal
CLORO
Gas pasado amarillo verdoso
Toxicidad
Conc Maacutexima permisible 1 ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten
S
retrosterna
debilidad cianosis y edema pu
trolada bronco dilatadores y descongesti
Toxicidad
Concentrac
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Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
Signos y siacutentomas Erosioacuten dental estornudo tos Dolor en el pecho bronquitis y
la las partes contaminadas del cuerpo con solucioacuten al 5 de
de las quemaduras con pantildeos
de triacuteo sulfato soacutelido si se a ingerido
vado de ojos con agua
ACIDO CLORIDRICO
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
ivitis necrosis corneal por inhalacioacuten rinitis erosioacuten
dolor de cabeza palpitacioacuten por ingestioacuten
s en la boca faringe esoacutefago estomago salivacioacuten vomito Soc
agua lavada de agua y jaboacuten de las partes
preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
AacuteC
El c
con o de hidroacutegeno una
concentracioacuten de 12 molLt Este aacutecido es un liacutequido incoloro con un olor aacutecido
bronconeumoniacutea
Tratamiento
bicarbonato soacutelido o con agua y jaboacuten Tratamiento
mojados con solucioacuten saturada
administracioacuten por viacutea oral de solucioacuten de jaboacuten Hidroacutexido caacutelcico o alumiacutenico u
oacutexido de magnesio
Medidas preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores excluir de la exposicioacuten
a los individuos con enfermedades de pulmones y rintildeones
Gas incoloro o liacutequido o a amarillento
Toxicidad
Concentracioacuten maacutexima permisible 5ppm en aire
Signos y siacutentomas conjunt
dental laringitis bronquitis neumoniacutea
quemadura
nefritis
Tratamiento lavado de ojos con
contaminantes del cuerpo tratamiento ordinario de quemaduras lavado gaacutestrico
se a ingerido con solucioacuten de bicarbonato soacutedico al 5 seguido de una instilacioacuten
de gel de hidroacutexido de aluminio
Medidas
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores
IDO CLORHIacuteDRICO
loruro de hidroacutegeno es en extremo soluble en agua de hecho el aacutecido clorhiacutedrico
centrado contiene cerca del 38 en masa de clorur
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pronunciado que se debe al equilibrio entre el cloruro de hidroacutegeno gaseoso y
ste con el aacutecido fluorhiacutedrico el aacutecido clorhiacutedrico es un aacutecido fuerte (pKa = -
7) y se ioniza casi totalmente
gar de aacutecido sulfuacuterico auque en menor grado Por
jemplo el zinc metaacutelico reacciona con aacutecido clorhiacutedrico para dar el ion zinc e
hidroacutegeno gaseoso
Zn(s) + 2HCl(ac) ZnCl2(ac) + H2(g)
l para producir aacutecido clorhiacutedrico en el laboratorio es generar
cloruro de hidroacutegen e sodio y el aacutecido
ulfuacuterico En el primer paso a 150degC se forma hidroacutegeno sulfato de sodio
NaHSO4(s) + HCl(g)
io y maacutes
loruro de hidroacutegeno gaseoso Luego el gas se disuelve en agua para formar el
aacutecido
NaHSO4(s) + NaCl(s) Na2SO4(s) + HCl(g)
acuoso
HCl(ac) HCl(g)
El reactivo de grado teacutecnico a menudo tiene un color amarillento por una impureza
del ion hierro (III)
En contra
HCl(ac) + H2O(l) H2O+(ac) + Cl -(ac)
Por ello a menudo se prefiere usar aacutecido clorhiacutedrico diluido en lugar de aacutecido niacutetrico
que es muy oxidante y en lu
e
Cuando el zinc reacciona con el aacutecido niacutetrico es comuacuten que se reduzca una parte
del ion nitrato para dar dioacutexido de nitroacutegeno
El meacutetodo tradiciona
o gaseoso por la reaccioacuten entre el cloruro d
s
NaCl(s) + H2SO4(l)
La mezcla se calienta a 550degC temperatura a la cual el hidroacutegeno sulfato de sodio
reacciona con un exceso de cloruro de sodio para formar sulfato de sod
c
∆
Este meacutetodo se usa tambieacuten en la industria otra forma de producir cloruro de
hidroacutegeno es por la combinacioacuten directa de dicloro y dihidroacutegenogaseosos
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H2(g) + Cl2(g) 2HCl(g)
La mayor cantidad de cloruro de hidroacutegeno que se produce actualmente es un
CH4(g) + 4Cl2(g) 4(l) + 4HCl(g)
riacuten de superficies de acero en un bantildeo aacutecido en la purificacioacuten de glucosa
y jarabe de maiacutez e s y de gas y en la
bricacioacuten de compuestos clorados El aacutecido se puedo comprar en muchas
nducida por la luz
4HNO3(ac) 4NO2(g) + O2(g) + 2H2O(l)
niacutetrico como disolvente)
H2NO3+ H2O + NO2
+
l siguiente
3HNO NO3 ndash
subproducto de otros procesos industriales como la siacutentesis de tetracloruro de
carbono
CCl
Se consumen cerca de 107 toneladas de aacutecido clorhiacutedrico cada antildeo en todo el
mundo Este aacutecido tiene una gama muy amplia de usos como aacutecido comuacuten para
eliminar o
n el tratamiento con aacutecido de pozos petrolero
fa
ferreteriacuteas con el arcaico nombre de aacutecido muriaacutetico sus principales usos caseros
son la limpieza de superficies de concreto y la eliminacioacuten de herrumbre Un nuacutemero
muy reducido de personas es incapaz de sintetizar suficiente jugo gaacutestrico y deben
de ingerir caacutepsulas de aacutecido clorhiacutedrico diluido con cada comida
AacuteCIDO NIacuteTRICO
El aacutecido niacutetrico un liacutequido aceitoso e incoloro en estado puro es sumamente
peligroso El aacutecido que funde a ndash42degC y hierve a +83degC tiene por lo general un
ligero color amarillo a causa de una reaccioacuten de descomposicioacuten i
En un estado puro el aacutecido niacutetrico liacutequido praacutecticamente no conduce la electricidad
Una pequentildea porcioacuten se ioniza como sigue (todas estas especies existen en el aacutecido
2HNO3(l) H2NO3+ + NO3
ndash
H2O + HNO3 H3O+ + NO3 ndash
Para dar la reaccioacuten globa
3 NO2+ + H3O + 2+
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El catioacuten nitrilo es importante en la nitracioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas por ejemplo la
obenceno C6H5NO2 una etapa importante en
umerosos procesos industriales orgaacutenicos
El aacutecido niacutetrico con en agua mientras
ue el ldquoaacutecido niacutetrico fumanterdquo un oxidante extremadamente poderoso es una
vez de ello se produce una mezcla de
sistema que da un orden de
vista industrial el
oceso
e lleva a cabo en tres etapas Primero se hace pasar una mezcla de amoniaco y de
dioxiacutegeno (o aire) un proceso muy
ficiente y exoteacutermico que hace que la malla se ponga al rojo Esta etapa se verifica
conversioacuten de benceno C6H6 en nitr
n
centrado es en realidad una solucioacuten al 70
q
solucioacuten roja de dioacutexido de nitroacutegeno en aacutecido niacutetrico puro Incluso cuando esta
diluido el aacutecido niacutetrico es un oxidante tan fuerte que rara vez desprende hidroacutegeno
cuando se pone en contacto con metales en
oacutexidos de nitroacutegeno y el metal se oxido a su catioacuten
Los enlaces O-N son mucho maacutes cortos (121 pm) que el enlace O-N unidos al aacutetomo
de hidroacutegeno (141 pm) Esta longitud de enlaces indica que hay enlaces muacuteltiples
entre el nitroacutegeno y los dos aacutetomos de oxiacutegeno terminales Ademas de los electrones
del sistema σ hay cuatro electrones que participan en el sistema π O-N-O dos de un
orbital enlazante y dos en un orbital no enlazante
enlace de 112 para cada uno de esos enlaces nitroacutegeno- oxiacutegeno
A veces se nos olvida hasta queacute punto nuestra experiencia depende de la
termodinaacutemica y la cineacutetica Por ejemplo la primera siacutentesis industrial de aacutecido
niacutetrico se llevaba ha cabo por simple combinacioacuten de diniacutetrogeno dioxiacutegeno y agua
utilizando un horno de arco eleacutectrico a fin de proporcionar la energiacutea necesaria par
superar la muy elevada barrera cineacutetica Aunque desde el punto de
factor cineacutetico constituiacutea un problema en realidad es una bendicioacuten por que sin esta
barrera cineacutetica hace mucho tiempo que todo el dioacutexido de la atmoacutesfera se abriacutea
transformado en aacutecido niacutetrico y nuestros mares serian de aacutecido niacutetrico diluido
frac12 N2(g) + 54O2(g) + 12H2O(g) HNO3(g)
Ahora se utiliza el proceso Ostwald para la siacutentesis de aacutecido niacutetrico Este proceso
consume gran parte del amoniaco que se produce por el proceso Haber El pr
s
a traveacutes de una malla de platino metaacutelico Eacuteste es
e
a baja presioacuten para aprovechar el efecto entropico es decir la formacioacuten de 10
moles de gas a partir de 9 moles de gas (una aplicacioacuten del principio de Le Chatelier)
para desplazar el equilibrio a la derecha
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4NH3(g) + 5O2(g) 4NO(g) + 6H2O(g)
Se agrega maacutes oxiacutegeno para oxidar el monoacutexido de nitroacutegeno a dioacutexido de nitroacutegeno
A fin de mejorar el rendimiento de esta reaccioacuten exoteacutermica se extrae calor de los
ases y la mezcla se somete a presioacuten
2HNO3(l) + NO(g)
Esta reaccioacuten tambieacuten es exoteacutermica y una vez maacutes se aplica enfriamiento y alta
la
egunda etapa para oxidarlo de nuevo
La contaminacioacuten s de aacutecido niacutetrico
as plantas maacutes antiguas eran faacutecilmente identificables por la fumarola cafeacute-
antas maacutes antiguas ahora mezcla cantidades
en Estados Unidos porque un 20
dedica ala produccioacuten de explosivos
or ultimo el aacutecido niacutetrico es un liacutequido que hierve a 826degC No existe como liacutequido
g
2NO(g) + O2(g) 2NO2(g)
El dioacutexido de nitroacutegeno se mezcla con agua para dar una solucioacuten de aacutecido niacutetrico
3NO2(g) + H2O(l)
presioacuten par obtener el maacuteximo rendimiento El monoacutexido de nitroacutegeno se vuelve a
s
soliacutea ser un problema importante de las planta
L
amarillento del dioacutexido de nitroacutegeno que escapaba por ellas Las plantas maacutes
antiguas eran faacutecilmente identificable por la fumadora cafeacute-amarillo del dioacutexido de
nitroacutegeno que escapaba de ellas Las pl
estequiomeacutetricas de amoniaco con las oacutexidos de nitroacutegeno con lo cual se obtiene
dinitroacutegeno y vapor de agua ambos inocuos
NO(g) + NO2 (g) + 2NH3(g) 2N2(g) + 3H2O(g)
En todo el mundo alrededor del 80 del aacutecido niacutetrico se utiliza en la produccioacuten de
fertilizantes Esta proporcioacuten es de solo el 65
se
P
puro porque en alguna medida se descompone espontaacuteneamente como sigue
4HNO3(l) 4NO2(g) + 2H2O(l) + O2(g)
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UAM-I
El aacutecido niacutetrico concentrado que se usa en el laboratorio estaacute al 68 en masa HNO3
(densidad 142 gcm3) lo que corresponde a 157 M
l aacutecido niacutetrico es un poderoso agente oxidante El nuacutemero de oxidacioacuten del N en el
) El aacutecido niacutetrico puede oxidar
nto a metales que estaacuten abajo del hidroacutegeno como aquellos que se encuentran
4Zn2+(ac) + NH4
+(ac) + 3H2O(l)
do no oxida al oro Sin embargo cuando se mezcla con
cido clorhiacutedrico concentrado en relacioacuten 13 en volumen (una parte de HNO3 a tres
partes al oro
omo sigue
APEacuteNDICE F
ETODO DE DEPOSICIOacuteN-PRECIPITACIOacuteN
E
HNO3 es + 5 Los productos maacutes comunes de la reduccioacuten del aacutecido niacutetrico son el
NO2 (N = + 4) el NO (N = + 2) y el NH4+ (N = - 3
ta
arriba en la serie de actividades Por ejemplo el cobre es oxidado por el aacutecido niacutetrico
concentrado como se mencionoacute antes
En presencia de reductores fuertes como el zinc metaacutelico el aacutecido niacutetrico se puede
reducir hasta ion amonio
4Zn(s) + 10H+(ac) + NO3
-(ac)
El aacutecido niacutetrico concentra
aacute
de HCl) la disolucioacuten resultante denominada agua regia puede oxidar
c
Au(s) + 3HNO3(ac) + 4HCl(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O(l) + 3NO2(g)
M
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APEacuteNDICE G
ISENtildeO DEL MEZCLADOR [4]
1) 100 ml H2O gr soporte
2) NH4(OH)
Ajustar a PH = 9 4) HAuCl4 (solucioacuten acuosa al 25E-3M)
6) Filtrado o centrifugado
3) En Agitacioacuten por 2 hr
8) Secado por 2hr a 80 degC
9 ) Calcinado por 4hr a 400 degC
7) Lavado
5) Antildeegamiento por 30 min
D
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El disentildeo de un tanque agitado dis n nuacutemero de elecciones sobre el
po y localizacioacuten del agitador las proporciones del tanque el nuacutemero y dimensiones
ada una de estas decisiones afectan a la velocidad
e circulacioacuten del liacutequido los modelos de velocidad y el consumo de potencia Como
pone de un gra
ti
de las placas deflectoras etc C
d
punto de partida en el disentildeo de los problemas ordinarios de agitacioacuten generalmente
se utiliza un agitador de turbina del tipo que se muestra en la figura 1 La proporcioacuten
tiacutepica es
31
=t
a
DD
1=tD
H 121
=tD
J 51
=aD
W 41
=aD
L
de estas ecuaciones se disentildeara el mezclador como datos se tiene el valor H que es
igual a 3 mts y el diaacutemetro del tanque D
Se determinara la medida de los reflectores
t que es igual 3 mts
121
=tD
J se despeja J
elacioacuten R31
=t
a
DD
se despeja Da
Relacioacuten
41
=aD
L se despeja L
elacioacuten se despeja W
( ) ( ) cmmtsmtsDJ 25250311==⎟
⎞⎜⎛=⎟
⎞⎜⎛= t 1212 ⎠⎝⎠⎝
( ) ( ) mtsmtsDD ta 1331
31
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=
( ) ( ) mtsmtsDL a 250141
41
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛= cm25=
51
=aD
WR
Ingenieriacutea Quiacutemica 71
UAM-I
Figura 2 a) Vista transversal del mezclador b) paletas del mezclador con la
donde se deposita el soporte
Figura 1 Medidas de un agitador de turbina
a) b)
s rejillas
H
J
E L
Da
D t
W
W
( ) ( ) cmmtsmtsDW a 2020151
5==⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎜⎝
=1 ⎞⎛
Ingenieriacutea Quiacutemica 72
UAM-I
0113=isin
Bk 0453 A=γ
( ) 51343359321
=+=ABγ
( )( )[ ] 21113110BAB k=isin A la temperatura de 400degK
( ) 583))113)(110((
40021 =
deg=
isin B
B
AB
B
KKKTK
Ω AB = 0907 Sustituyendo
DAB =s
cm2
2
2123
9730)9070()513(
)21281()400(00185830=
+
De = hrm
hrs
cmm
scm 222
03501
3600100
10980
10901
97301
1=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
+
Calculo de Kc Sh = (Re)12(Sc)13
Velocidad superficial
V = sm
shr
hrm
mxhr
m
Av
c
02036001976
1087
006025
3
0 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛== minus
Ingenieriacutea Quiacutemica 49
UAM-I
Re= ( ) 240)1062)(501(
)10491)(020(
1 25
4
=minus
=minus minus
minus
smx
mxsmvd p
νφ
Sc= 672)3600
1)(0350(
10622
25
==minus
shr
hrm
smx
Dv
AB
Sh= ( 024 )12 ( 267 )13 = 0679
Kc = Shdp
DAB⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛minusφ
φ1
Kc = ( )sm
mxs
mx02206790
10491
10729
50501
4
26
=⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛minus
minus
minus
Calculo de numero Thile con el radio que usara a nivel industrial
φ = L ( )DkCn n
AS
21 1minus+
L = 3R
Sustituyendo
φ = 66x10-4 m( )
( )
450
03502
018420
5480941311
3
30
3330
313
=
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+
catmhrm
mmol
hrcatmmolm
η = 1 con los resultados anteriores se observa que quieacuten limita es la velocidad de
reaccioacuten Por lo que se procede a calcular el peso y longitud de catalizador
necesaria para muestro purificador sustituyendo los valores del Boiler
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Peso del Catalizador w =
( ) grcatgcatLn
gcatm
mmol
hrcatmmolm
hrm
xLn
kCv
A
66476639401
1
6000001578
548094
19836
11
330
3330
313
3
0
0 asymp=minus
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
minus
g 664=w
33
3
1011
mg60000
g 664 mxwv minus===ρ
m 035003101011
2
33
==minus
mmxL
cm 531000350 == xL
Ingenieriacutea Quiacutemica 51
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APEacuteNDICE B BALANCE DE MASA DE LA PREPARACIOacuteN DE HAUCL4 Au(g) + 3HNO3(ac) + 4HCL(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O + 3N02(g) (152 M) (105M)
cantidad de mol Au = 05 kg Au x molAu
grAumolAux
kggr 542
971961
11000
=
cantidad de kg HNO3 = ( ) 33
33 480
10001
1635423 kgHNO
grkgx
molHNOGRHNOxHNOmol =
cantidad de kgHCl = ( ) kgHClgr
kgxmolHCl
grHClHClxmol 3701000
11
5365424 =
cantidad de kgHAuCl4 = 254molHAuCl4 x 44
8601000
11
97339 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
gr=
cantidad de kgH2O = 3( 254mol)H20 x OkgHgr
kgxOmolHOgrH
22
2 1401000
1118
=
cantidad de Lt H20 = 762molHNO3 x OltHOkgHOLtH
22
2 14011
=
cantidad de Lt H20 = 1016 mol HNO3 x 050215
012
2 LtHmol
LtH=
cantidad de LtH20 = 1016mol HCl x OLtHLtHmolHCl
LtH22
2 010970510
01asymp=
cantidad de MHAUCl4 = ( ) ( ) ( ) MHltltlt
ClmolHAU 7210850490140
542
2
4 asymp++
cantidad de kg NO2(g) = 3( 254mol)NO2 x )(22
2 3501000
1146
SkgNOgr
kgxmolNO
grNO=
Ingenieriacutea Quiacutemica 52
UAM-I
05 kg Au 048 kgHNO3 035 kgNO2 101021 kgH20 (152M) 037 kgHCl(ac)
(105 m) 086 kg HAuCl4 (ac) 086 kg HAuCl4 (ac)
(17 M) 014 kgH20 (25x10-3M) 014kg H20 (L) 086kg HAuCl4 035kgNO2 (g) 101185kg H20 Cantidad de H20 = 086 kgHAuCl4
x 08510110101
105201
173341
11000
22
23
24 kgHLtHkgHx
MxltHx
grmolHAuClx
kggr
=minus
pero (101185 ndash 014 ndash 05 ndash 1) kg H20 = 101021 kg H20 100ml H20 por 1 gr soporte 35kg NH4 (OH)(AC) 10000kgH20 100 kg γAl203 (9965) 035kgAu (035) 100kg γAl203 025kgCl2 086kg HAuCl4 026kgHAuCl4
101185 kg H20 35kgNH4 (OH)(AC) 1101185kgH20 cantidad de kgHAuCl4 = 015kgAu x
44
4 2601000
11
973391
197196
147196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxgrAu
molxkg
gr=
cantidad de NH4(OH) = 100kg γ Al203 x
Ingenieriacutea Quiacutemica 53
UAM-I
kgNHxmol
grx
mlmol
xOAlgr
OHmlNHx
kg
gr53
10001
1
35
100010
1
)(10
1
1000
32
4=
γ4(OH)
30kg γAL2O3 1 kgNH4(OH)(AC) 30 kg γ Al203 (9965) 010 kg Au (035) 026kgHAuCl4 007kg Cl2 35kgNH4(OH) 1101185 kgH2O 0086kgHAuCl4 45 kg NH4(OH)(AC) 1101185 kg H20
cantidad de γ Al2O3 = 026kgHAuCl4 x 324
32 02330860
100 AlkgkgHAuCl
OAlkg γγ=
cantidad de kgAu = 035 x kgAukg 10506599
30=
cantidad de kg Cl2 = 01 kgAu x
22
2 07201000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de HAuCl4 = 005kgAu x
44
4 08601000
11
973391
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 54
UAM-I
cantidad de kgNO4(OH) = 30 kg γ Al203 x ( )OHkgNHAlkg
OHkgNO4
32
4 0510100
)(53=
γ
105 kg γ Al203 035 kg NH2(OH) 105 kg γ Al203 (9965) 004 kg Au (035) 009kg HAuCl4 003 kg Cl2 45kgNH4(OH) 1101185 kg H20 0017kgHAuCl4 485kgNH4 (OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 009 HAuCl4 x 324
32 04710860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad kg de NH4 (OH) = 105kg γ Al203 x ( ) )(3500100
534
32
4 OHkgNHAlkg
OHkgNH=
γ
cantidad de Cl2 = 004 kg Au x
22
2 02901000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
gAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 =
44
44 02001701000
11
973391
197196
11
1000010 kgHAukgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgr
molAuxkg
grkgAux asymp=
Ingenieriacutea Quiacutemica 55
UAM-I
23 kg γ Al203 008kgNH4(OH) 002 kg HAuCl4 23 kg γAl203 (9965) 485kgNH4(OH) 0008kgAu(035) 1101185kg H2 0001kg Cl2
0014 kg HAuCl4 493kgNH4(OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 002kgHAuCl4 x 324
32 032860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad de kg Au = 035 x kgAukg 00806599
32=
cantidad de kgCl2 = 0002kgAu x
24
4 00101000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 = 0008kgAu x
44
44 01401000
11
973341
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 56
UAM-I
APEacuteNDICE C ACCESORIOS EN EL DISENtildeO
Agitador
Agitadores de Heacutelice se escogioacute este tipo de agitador por ser tener las siguientes
caracteriacutesticas [3]
bull Es un agitador de flujo axial
bull Se emplea para liacutequidos pocos viscosos
bull Giran a toda la velocidad del motor
bull Las corrientes de flujo se mueven a traveacutes del liacutequido en una direccioacuten
determinada hasta que son desviadas por el fondo o las paredes del tanque
bull Las palas de la heacutelice cortan o friccionan vigorosamente el liacutequido
bull Los agitadores de heacutelice son eficaces para tanques de gran tamantildeo
Horno
bull El horno se escogioacute por ser tener las siguientes caracteriacutesticas [5]
bull El horno de construccioacuten metaacutelica
bull La caacutemara de combustioacuten estaacute construida mediante hormigones refractarios
de alta resistencia mecaacutenica
bull Las materias secar y calcinar se carga de forma manual
Ingenieriacutea Quiacutemica 57
UAM-I
Bomba
DISENtildeO Bomba centrifuga para operacioacuten horizontal o vertical del impulsor
cerrado succioacuten al extremo descarga hacia arriba tangencial simple succioacuten de un
paso con carcaza partida verticalmente [3]
ROTACIOacuteN En el sentido del reloj vista desde el cople
CARACTERIacuteSTICAS Conexiones brindadas con registro ubicado en la cabeza de
succioacuten para facilitar su limpieza
SERVICIO Debido a que es posible colocarla en posicioacuten horizontal o vertical tanto
en caacutercamos secos como huacutemedos y por el disentildeo de su impulsor que soacutelidos de
gran tamantildeo esta bomba es ideal para los procesos de tratamientos de agua y
manejo de liacutequidos en suspensioacuten en general
CAPACIDADES
GASTO Hasta 3000 GPM
CDT Hasta 80rsquo
PRESIOacuteN 106 Kgcmsup2
POTENCIA De 1 a 60 Hp
VELOCIDAD (1175 - 3550 RPM)
TEMPERATURA 125degC
Ingenieriacutea Quiacutemica 58
UAM-I
Bombas Centriacutefugas
Las maquinas centriacutefugas estaacuten constituidas por un impulsor o rodete formado por
una serie de aletas radiales diversas formas y curvaturas que giran dentro de una
caja circular El fluido penetra por el ojo o eje de rotacioacuten y se descarga maacutes o
menos radialmente en una caacutemara perifeacuterica a una elevada presioacuten que
corresponde a la suma de la fuerza centriacutefuga de la rotacioacuten maacutes la cineacutetica
comunicada al fluido por las aletas La parte moacutevil de la bomba es el rodete Las
aletas del rodete se extienden desde el centro de rotacioacuten hacia la periferia y las
bridas son los discos de refuerzo a cada lado de las aletas que las envuelven Las
aletas pueden ser radiales curvadas ligeramente hacia delante en el mismo sentido
de la rotacioacuten o estar curvadas al reveacutes en el caso maacutes comuacuten en el disentildeo se
determino el rodete siguiente por sus caracteriacutesticas Fig 1
Figura 1 Corte parcial de un rodete de centriacutefuga para grandes cargas y secciones
de paso estrechas empleando con liacutequidos corrosivos o suspensiones de pequentildeas
partiacuteculas[4]
Ingenieriacutea Quiacutemica 59
UAM-I
APENDICE D CALCULO DE POTENCIA DE BOMBAS (8)
Potencia de la bomba de la cisterna 1 que alimenta a los mezclador 4
Ecuacioacuten de Bernoulli
sum sumint =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛+++∆+∆i i
i
P
P
evvfDLvwdphgv 0
21
21
ˆ1
21 222
2
1ρ
a b c d e f
a Diferencia de velocidades
b Diferencia de alturas
c Diferencia de presiones
d Trabajo
e Perdidas de friccioacuten en tuberiacuteas
f Perdidas de friccioacuten en accesorios
En la ecuacioacuten anterior se pueden eliminar algunos teacuterminos
21 mts
6 mts 35 mts
Figura 1 Balance de cisterna 1 a mezclador 4
Se debe de tener dos puntos de referencia para la utilizacioacuten de la ecuacioacuten de
Bernoulli de los cuales se anotaron en la figura 2
Ingenieriacutea Quiacutemica 60
UAM-I
21 mts
2 1 6 mts 35 mts
Figura 2
Teniendo los puntos de referencia se analiza que las diferencias de velocidades son
cero en ambos puntos por lo tanto el termino 2
21 ν∆ es igual a cero
El termino de = (981hg∆ 2segm )(35m ndash 0) = 34335 2
2
segm
El termino de int2
1
1P
P
dpρ
se tiene que la cisterna y el tanque de mezclado ambos no
estaacuten cerrados y por lo tanto no originan un cambio de presioacuten y el termino es cero
De esta expresioacuten L longitud de tuberiacutea
tro de tuberiacutea
n el interior del tubo
v
Para la l radio del tubo que
sum ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
i
fDL2
21 ν
D diaacuteme
f perdidas de friccioacuten e
velocidad del flujo de agua
obtencioacuten de la velocidad se tiene el flujo volumeacutetrico y e
es de 32 cm =0032mts con la ecuacioacuten
Ingenieriacutea Quiacutemica 61
( )( ) sm
ms
m
RQ 761
032060min1)
min340(
2
3
2 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
==ππ
ν
UAM-I
Se reportan valores de perdida de fr
e reduce teacuterminos
iccioacuten en tubos que son igual a 005
Por lo tanto sustituyendo los teacuterminos en la ecuacioacuten de Bernoulli s
sum sumint =⎟⎠
⎜⎝
+⎟⎠
⎜⎝
+++∆+∆i i
iP
evvfD
vwdphgv 022
ˆ2
1ρ
⎞⎛⎞⎛ L 111 2222
or tanto el termino de trabajo queda expresado de la siguiente manera
tanto la bomba comunica al fluido que circula en el sistema un trabajo
+11727
P1
p w
sum sum ∆minus⎟⎠⎞
⎜⎝⎛minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛minus=
i ii
hgevvfDLvw 22
21
21
ˆ
( ) ( )
Este es el trabajo ( por unidad de masa) producido por el fluido en la bomba por lo
22
sm o 11727 981 = 1195
m
fKg
Kgm
La velocidad de flujo de masa es
Por lo tanto
1 )=6694
951)(675(ˆ =minus=minus WwW smkg f = 088Hp = 1Hp
Siendo esta ida para esta bomba El procedimiento anterior se
iguioacute para cada bomba de la planta
AP E
la potencia requer
s
EacuteNDICE
TOXICOLOGIacuteA DE MATERIAS PRIMAS [6]
( ) ( ) ( )( ) ( )( )msm
smmmm
sm 538192201150761
21050
032021536761
21
2
22minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ +minus⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ++
minus=wm
22
27117ˆ smw minus=
( )s
kgmkgQw m675100060340 3 === ρ
Ingenieriacutea Quiacutemica 62
UAM-I
HIDROacuteXIDO DE SODIO
Polvo corrosivo blanco delicuescente
Toxicidad
Concentracioacuten Maacutexima permisible 2mgm3 en aire
Signos y Siacutentomas Conjutivitis quemaduras corneales y de la piel Irritacioacuten
seas vomito dolor abdominal y diarrea a veces con
Lavado de las partes afectadas tranquilizantes sulfato de
decuada gafas protectoras o pantallas para
ignos y Siacutentomas Irritacioacuten de ojos quemaduras corneables tos dolores
l hemoptisis dolor de cabeza dolor epigaacutestrico nauseas y vomito
lmonar
Tratamiento lavado de ojos con agua reposo oxigeno con aparato de respiracioacuten
con onantes
ACIDO NITRICO
Liquido corrosivo sofocante de incoloro a amarillento
ioacuten maacutexima permisible 10ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
del tracto respiratorio nau
sangre
Tratamiento
morfina para el dolor y cortisona
Medidas preventivas Ventilacioacuten a
la cara completa mascarilla con filtro mecaacutenico guantes delantares botas de
goma y acentuar la limpieza personal
CLORO
Gas pasado amarillo verdoso
Toxicidad
Conc Maacutexima permisible 1 ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten
S
retrosterna
debilidad cianosis y edema pu
trolada bronco dilatadores y descongesti
Toxicidad
Concentrac
Ingenieriacutea Quiacutemica 63
UAM-I
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
Signos y siacutentomas Erosioacuten dental estornudo tos Dolor en el pecho bronquitis y
la las partes contaminadas del cuerpo con solucioacuten al 5 de
de las quemaduras con pantildeos
de triacuteo sulfato soacutelido si se a ingerido
vado de ojos con agua
ACIDO CLORIDRICO
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
ivitis necrosis corneal por inhalacioacuten rinitis erosioacuten
dolor de cabeza palpitacioacuten por ingestioacuten
s en la boca faringe esoacutefago estomago salivacioacuten vomito Soc
agua lavada de agua y jaboacuten de las partes
preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
AacuteC
El c
con o de hidroacutegeno una
concentracioacuten de 12 molLt Este aacutecido es un liacutequido incoloro con un olor aacutecido
bronconeumoniacutea
Tratamiento
bicarbonato soacutelido o con agua y jaboacuten Tratamiento
mojados con solucioacuten saturada
administracioacuten por viacutea oral de solucioacuten de jaboacuten Hidroacutexido caacutelcico o alumiacutenico u
oacutexido de magnesio
Medidas preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores excluir de la exposicioacuten
a los individuos con enfermedades de pulmones y rintildeones
Gas incoloro o liacutequido o a amarillento
Toxicidad
Concentracioacuten maacutexima permisible 5ppm en aire
Signos y siacutentomas conjunt
dental laringitis bronquitis neumoniacutea
quemadura
nefritis
Tratamiento lavado de ojos con
contaminantes del cuerpo tratamiento ordinario de quemaduras lavado gaacutestrico
se a ingerido con solucioacuten de bicarbonato soacutedico al 5 seguido de una instilacioacuten
de gel de hidroacutexido de aluminio
Medidas
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores
IDO CLORHIacuteDRICO
loruro de hidroacutegeno es en extremo soluble en agua de hecho el aacutecido clorhiacutedrico
centrado contiene cerca del 38 en masa de clorur
Ingenieriacutea Quiacutemica 64
UAM-I
pronunciado que se debe al equilibrio entre el cloruro de hidroacutegeno gaseoso y
ste con el aacutecido fluorhiacutedrico el aacutecido clorhiacutedrico es un aacutecido fuerte (pKa = -
7) y se ioniza casi totalmente
gar de aacutecido sulfuacuterico auque en menor grado Por
jemplo el zinc metaacutelico reacciona con aacutecido clorhiacutedrico para dar el ion zinc e
hidroacutegeno gaseoso
Zn(s) + 2HCl(ac) ZnCl2(ac) + H2(g)
l para producir aacutecido clorhiacutedrico en el laboratorio es generar
cloruro de hidroacutegen e sodio y el aacutecido
ulfuacuterico En el primer paso a 150degC se forma hidroacutegeno sulfato de sodio
NaHSO4(s) + HCl(g)
io y maacutes
loruro de hidroacutegeno gaseoso Luego el gas se disuelve en agua para formar el
aacutecido
NaHSO4(s) + NaCl(s) Na2SO4(s) + HCl(g)
acuoso
HCl(ac) HCl(g)
El reactivo de grado teacutecnico a menudo tiene un color amarillento por una impureza
del ion hierro (III)
En contra
HCl(ac) + H2O(l) H2O+(ac) + Cl -(ac)
Por ello a menudo se prefiere usar aacutecido clorhiacutedrico diluido en lugar de aacutecido niacutetrico
que es muy oxidante y en lu
e
Cuando el zinc reacciona con el aacutecido niacutetrico es comuacuten que se reduzca una parte
del ion nitrato para dar dioacutexido de nitroacutegeno
El meacutetodo tradiciona
o gaseoso por la reaccioacuten entre el cloruro d
s
NaCl(s) + H2SO4(l)
La mezcla se calienta a 550degC temperatura a la cual el hidroacutegeno sulfato de sodio
reacciona con un exceso de cloruro de sodio para formar sulfato de sod
c
∆
Este meacutetodo se usa tambieacuten en la industria otra forma de producir cloruro de
hidroacutegeno es por la combinacioacuten directa de dicloro y dihidroacutegenogaseosos
Ingenieriacutea Quiacutemica 65
UAM-I
H2(g) + Cl2(g) 2HCl(g)
La mayor cantidad de cloruro de hidroacutegeno que se produce actualmente es un
CH4(g) + 4Cl2(g) 4(l) + 4HCl(g)
riacuten de superficies de acero en un bantildeo aacutecido en la purificacioacuten de glucosa
y jarabe de maiacutez e s y de gas y en la
bricacioacuten de compuestos clorados El aacutecido se puedo comprar en muchas
nducida por la luz
4HNO3(ac) 4NO2(g) + O2(g) + 2H2O(l)
niacutetrico como disolvente)
H2NO3+ H2O + NO2
+
l siguiente
3HNO NO3 ndash
subproducto de otros procesos industriales como la siacutentesis de tetracloruro de
carbono
CCl
Se consumen cerca de 107 toneladas de aacutecido clorhiacutedrico cada antildeo en todo el
mundo Este aacutecido tiene una gama muy amplia de usos como aacutecido comuacuten para
eliminar o
n el tratamiento con aacutecido de pozos petrolero
fa
ferreteriacuteas con el arcaico nombre de aacutecido muriaacutetico sus principales usos caseros
son la limpieza de superficies de concreto y la eliminacioacuten de herrumbre Un nuacutemero
muy reducido de personas es incapaz de sintetizar suficiente jugo gaacutestrico y deben
de ingerir caacutepsulas de aacutecido clorhiacutedrico diluido con cada comida
AacuteCIDO NIacuteTRICO
El aacutecido niacutetrico un liacutequido aceitoso e incoloro en estado puro es sumamente
peligroso El aacutecido que funde a ndash42degC y hierve a +83degC tiene por lo general un
ligero color amarillo a causa de una reaccioacuten de descomposicioacuten i
En un estado puro el aacutecido niacutetrico liacutequido praacutecticamente no conduce la electricidad
Una pequentildea porcioacuten se ioniza como sigue (todas estas especies existen en el aacutecido
2HNO3(l) H2NO3+ + NO3
ndash
H2O + HNO3 H3O+ + NO3 ndash
Para dar la reaccioacuten globa
3 NO2+ + H3O + 2+
Ingenieriacutea Quiacutemica 66
UAM-I
El catioacuten nitrilo es importante en la nitracioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas por ejemplo la
obenceno C6H5NO2 una etapa importante en
umerosos procesos industriales orgaacutenicos
El aacutecido niacutetrico con en agua mientras
ue el ldquoaacutecido niacutetrico fumanterdquo un oxidante extremadamente poderoso es una
vez de ello se produce una mezcla de
sistema que da un orden de
vista industrial el
oceso
e lleva a cabo en tres etapas Primero se hace pasar una mezcla de amoniaco y de
dioxiacutegeno (o aire) un proceso muy
ficiente y exoteacutermico que hace que la malla se ponga al rojo Esta etapa se verifica
conversioacuten de benceno C6H6 en nitr
n
centrado es en realidad una solucioacuten al 70
q
solucioacuten roja de dioacutexido de nitroacutegeno en aacutecido niacutetrico puro Incluso cuando esta
diluido el aacutecido niacutetrico es un oxidante tan fuerte que rara vez desprende hidroacutegeno
cuando se pone en contacto con metales en
oacutexidos de nitroacutegeno y el metal se oxido a su catioacuten
Los enlaces O-N son mucho maacutes cortos (121 pm) que el enlace O-N unidos al aacutetomo
de hidroacutegeno (141 pm) Esta longitud de enlaces indica que hay enlaces muacuteltiples
entre el nitroacutegeno y los dos aacutetomos de oxiacutegeno terminales Ademas de los electrones
del sistema σ hay cuatro electrones que participan en el sistema π O-N-O dos de un
orbital enlazante y dos en un orbital no enlazante
enlace de 112 para cada uno de esos enlaces nitroacutegeno- oxiacutegeno
A veces se nos olvida hasta queacute punto nuestra experiencia depende de la
termodinaacutemica y la cineacutetica Por ejemplo la primera siacutentesis industrial de aacutecido
niacutetrico se llevaba ha cabo por simple combinacioacuten de diniacutetrogeno dioxiacutegeno y agua
utilizando un horno de arco eleacutectrico a fin de proporcionar la energiacutea necesaria par
superar la muy elevada barrera cineacutetica Aunque desde el punto de
factor cineacutetico constituiacutea un problema en realidad es una bendicioacuten por que sin esta
barrera cineacutetica hace mucho tiempo que todo el dioacutexido de la atmoacutesfera se abriacutea
transformado en aacutecido niacutetrico y nuestros mares serian de aacutecido niacutetrico diluido
frac12 N2(g) + 54O2(g) + 12H2O(g) HNO3(g)
Ahora se utiliza el proceso Ostwald para la siacutentesis de aacutecido niacutetrico Este proceso
consume gran parte del amoniaco que se produce por el proceso Haber El pr
s
a traveacutes de una malla de platino metaacutelico Eacuteste es
e
a baja presioacuten para aprovechar el efecto entropico es decir la formacioacuten de 10
moles de gas a partir de 9 moles de gas (una aplicacioacuten del principio de Le Chatelier)
para desplazar el equilibrio a la derecha
Ingenieriacutea Quiacutemica 67
UAM-I
4NH3(g) + 5O2(g) 4NO(g) + 6H2O(g)
Se agrega maacutes oxiacutegeno para oxidar el monoacutexido de nitroacutegeno a dioacutexido de nitroacutegeno
A fin de mejorar el rendimiento de esta reaccioacuten exoteacutermica se extrae calor de los
ases y la mezcla se somete a presioacuten
2HNO3(l) + NO(g)
Esta reaccioacuten tambieacuten es exoteacutermica y una vez maacutes se aplica enfriamiento y alta
la
egunda etapa para oxidarlo de nuevo
La contaminacioacuten s de aacutecido niacutetrico
as plantas maacutes antiguas eran faacutecilmente identificables por la fumarola cafeacute-
antas maacutes antiguas ahora mezcla cantidades
en Estados Unidos porque un 20
dedica ala produccioacuten de explosivos
or ultimo el aacutecido niacutetrico es un liacutequido que hierve a 826degC No existe como liacutequido
g
2NO(g) + O2(g) 2NO2(g)
El dioacutexido de nitroacutegeno se mezcla con agua para dar una solucioacuten de aacutecido niacutetrico
3NO2(g) + H2O(l)
presioacuten par obtener el maacuteximo rendimiento El monoacutexido de nitroacutegeno se vuelve a
s
soliacutea ser un problema importante de las planta
L
amarillento del dioacutexido de nitroacutegeno que escapaba por ellas Las plantas maacutes
antiguas eran faacutecilmente identificable por la fumadora cafeacute-amarillo del dioacutexido de
nitroacutegeno que escapaba de ellas Las pl
estequiomeacutetricas de amoniaco con las oacutexidos de nitroacutegeno con lo cual se obtiene
dinitroacutegeno y vapor de agua ambos inocuos
NO(g) + NO2 (g) + 2NH3(g) 2N2(g) + 3H2O(g)
En todo el mundo alrededor del 80 del aacutecido niacutetrico se utiliza en la produccioacuten de
fertilizantes Esta proporcioacuten es de solo el 65
se
P
puro porque en alguna medida se descompone espontaacuteneamente como sigue
4HNO3(l) 4NO2(g) + 2H2O(l) + O2(g)
Ingenieriacutea Quiacutemica 68
UAM-I
El aacutecido niacutetrico concentrado que se usa en el laboratorio estaacute al 68 en masa HNO3
(densidad 142 gcm3) lo que corresponde a 157 M
l aacutecido niacutetrico es un poderoso agente oxidante El nuacutemero de oxidacioacuten del N en el
) El aacutecido niacutetrico puede oxidar
nto a metales que estaacuten abajo del hidroacutegeno como aquellos que se encuentran
4Zn2+(ac) + NH4
+(ac) + 3H2O(l)
do no oxida al oro Sin embargo cuando se mezcla con
cido clorhiacutedrico concentrado en relacioacuten 13 en volumen (una parte de HNO3 a tres
partes al oro
omo sigue
APEacuteNDICE F
ETODO DE DEPOSICIOacuteN-PRECIPITACIOacuteN
E
HNO3 es + 5 Los productos maacutes comunes de la reduccioacuten del aacutecido niacutetrico son el
NO2 (N = + 4) el NO (N = + 2) y el NH4+ (N = - 3
ta
arriba en la serie de actividades Por ejemplo el cobre es oxidado por el aacutecido niacutetrico
concentrado como se mencionoacute antes
En presencia de reductores fuertes como el zinc metaacutelico el aacutecido niacutetrico se puede
reducir hasta ion amonio
4Zn(s) + 10H+(ac) + NO3
-(ac)
El aacutecido niacutetrico concentra
aacute
de HCl) la disolucioacuten resultante denominada agua regia puede oxidar
c
Au(s) + 3HNO3(ac) + 4HCl(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O(l) + 3NO2(g)
M
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APEacuteNDICE G
ISENtildeO DEL MEZCLADOR [4]
1) 100 ml H2O gr soporte
2) NH4(OH)
Ajustar a PH = 9 4) HAuCl4 (solucioacuten acuosa al 25E-3M)
6) Filtrado o centrifugado
3) En Agitacioacuten por 2 hr
8) Secado por 2hr a 80 degC
9 ) Calcinado por 4hr a 400 degC
7) Lavado
5) Antildeegamiento por 30 min
D
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El disentildeo de un tanque agitado dis n nuacutemero de elecciones sobre el
po y localizacioacuten del agitador las proporciones del tanque el nuacutemero y dimensiones
ada una de estas decisiones afectan a la velocidad
e circulacioacuten del liacutequido los modelos de velocidad y el consumo de potencia Como
pone de un gra
ti
de las placas deflectoras etc C
d
punto de partida en el disentildeo de los problemas ordinarios de agitacioacuten generalmente
se utiliza un agitador de turbina del tipo que se muestra en la figura 1 La proporcioacuten
tiacutepica es
31
=t
a
DD
1=tD
H 121
=tD
J 51
=aD
W 41
=aD
L
de estas ecuaciones se disentildeara el mezclador como datos se tiene el valor H que es
igual a 3 mts y el diaacutemetro del tanque D
Se determinara la medida de los reflectores
t que es igual 3 mts
121
=tD
J se despeja J
elacioacuten R31
=t
a
DD
se despeja Da
Relacioacuten
41
=aD
L se despeja L
elacioacuten se despeja W
( ) ( ) cmmtsmtsDJ 25250311==⎟
⎞⎜⎛=⎟
⎞⎜⎛= t 1212 ⎠⎝⎠⎝
( ) ( ) mtsmtsDD ta 1331
31
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=
( ) ( ) mtsmtsDL a 250141
41
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛= cm25=
51
=aD
WR
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Figura 2 a) Vista transversal del mezclador b) paletas del mezclador con la
donde se deposita el soporte
Figura 1 Medidas de un agitador de turbina
a) b)
s rejillas
H
J
E L
Da
D t
W
W
( ) ( ) cmmtsmtsDW a 2020151
5==⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎜⎝
=1 ⎞⎛
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Re= ( ) 240)1062)(501(
)10491)(020(
1 25
4
=minus
=minus minus
minus
smx
mxsmvd p
νφ
Sc= 672)3600
1)(0350(
10622
25
==minus
shr
hrm
smx
Dv
AB
Sh= ( 024 )12 ( 267 )13 = 0679
Kc = Shdp
DAB⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛minusφ
φ1
Kc = ( )sm
mxs
mx02206790
10491
10729
50501
4
26
=⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛minus
minus
minus
Calculo de numero Thile con el radio que usara a nivel industrial
φ = L ( )DkCn n
AS
21 1minus+
L = 3R
Sustituyendo
φ = 66x10-4 m( )
( )
450
03502
018420
5480941311
3
30
3330
313
=
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+
catmhrm
mmol
hrcatmmolm
η = 1 con los resultados anteriores se observa que quieacuten limita es la velocidad de
reaccioacuten Por lo que se procede a calcular el peso y longitud de catalizador
necesaria para muestro purificador sustituyendo los valores del Boiler
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Peso del Catalizador w =
( ) grcatgcatLn
gcatm
mmol
hrcatmmolm
hrm
xLn
kCv
A
66476639401
1
6000001578
548094
19836
11
330
3330
313
3
0
0 asymp=minus
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
minus
g 664=w
33
3
1011
mg60000
g 664 mxwv minus===ρ
m 035003101011
2
33
==minus
mmxL
cm 531000350 == xL
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APEacuteNDICE B BALANCE DE MASA DE LA PREPARACIOacuteN DE HAUCL4 Au(g) + 3HNO3(ac) + 4HCL(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O + 3N02(g) (152 M) (105M)
cantidad de mol Au = 05 kg Au x molAu
grAumolAux
kggr 542
971961
11000
=
cantidad de kg HNO3 = ( ) 33
33 480
10001
1635423 kgHNO
grkgx
molHNOGRHNOxHNOmol =
cantidad de kgHCl = ( ) kgHClgr
kgxmolHCl
grHClHClxmol 3701000
11
5365424 =
cantidad de kgHAuCl4 = 254molHAuCl4 x 44
8601000
11
97339 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
gr=
cantidad de kgH2O = 3( 254mol)H20 x OkgHgr
kgxOmolHOgrH
22
2 1401000
1118
=
cantidad de Lt H20 = 762molHNO3 x OltHOkgHOLtH
22
2 14011
=
cantidad de Lt H20 = 1016 mol HNO3 x 050215
012
2 LtHmol
LtH=
cantidad de LtH20 = 1016mol HCl x OLtHLtHmolHCl
LtH22
2 010970510
01asymp=
cantidad de MHAUCl4 = ( ) ( ) ( ) MHltltlt
ClmolHAU 7210850490140
542
2
4 asymp++
cantidad de kg NO2(g) = 3( 254mol)NO2 x )(22
2 3501000
1146
SkgNOgr
kgxmolNO
grNO=
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05 kg Au 048 kgHNO3 035 kgNO2 101021 kgH20 (152M) 037 kgHCl(ac)
(105 m) 086 kg HAuCl4 (ac) 086 kg HAuCl4 (ac)
(17 M) 014 kgH20 (25x10-3M) 014kg H20 (L) 086kg HAuCl4 035kgNO2 (g) 101185kg H20 Cantidad de H20 = 086 kgHAuCl4
x 08510110101
105201
173341
11000
22
23
24 kgHLtHkgHx
MxltHx
grmolHAuClx
kggr
=minus
pero (101185 ndash 014 ndash 05 ndash 1) kg H20 = 101021 kg H20 100ml H20 por 1 gr soporte 35kg NH4 (OH)(AC) 10000kgH20 100 kg γAl203 (9965) 035kgAu (035) 100kg γAl203 025kgCl2 086kg HAuCl4 026kgHAuCl4
101185 kg H20 35kgNH4 (OH)(AC) 1101185kgH20 cantidad de kgHAuCl4 = 015kgAu x
44
4 2601000
11
973391
197196
147196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxgrAu
molxkg
gr=
cantidad de NH4(OH) = 100kg γ Al203 x
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kgNHxmol
grx
mlmol
xOAlgr
OHmlNHx
kg
gr53
10001
1
35
100010
1
)(10
1
1000
32
4=
γ4(OH)
30kg γAL2O3 1 kgNH4(OH)(AC) 30 kg γ Al203 (9965) 010 kg Au (035) 026kgHAuCl4 007kg Cl2 35kgNH4(OH) 1101185 kgH2O 0086kgHAuCl4 45 kg NH4(OH)(AC) 1101185 kg H20
cantidad de γ Al2O3 = 026kgHAuCl4 x 324
32 02330860
100 AlkgkgHAuCl
OAlkg γγ=
cantidad de kgAu = 035 x kgAukg 10506599
30=
cantidad de kg Cl2 = 01 kgAu x
22
2 07201000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de HAuCl4 = 005kgAu x
44
4 08601000
11
973391
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
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cantidad de kgNO4(OH) = 30 kg γ Al203 x ( )OHkgNHAlkg
OHkgNO4
32
4 0510100
)(53=
γ
105 kg γ Al203 035 kg NH2(OH) 105 kg γ Al203 (9965) 004 kg Au (035) 009kg HAuCl4 003 kg Cl2 45kgNH4(OH) 1101185 kg H20 0017kgHAuCl4 485kgNH4 (OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 009 HAuCl4 x 324
32 04710860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad kg de NH4 (OH) = 105kg γ Al203 x ( ) )(3500100
534
32
4 OHkgNHAlkg
OHkgNH=
γ
cantidad de Cl2 = 004 kg Au x
22
2 02901000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
gAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 =
44
44 02001701000
11
973391
197196
11
1000010 kgHAukgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgr
molAuxkg
grkgAux asymp=
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23 kg γ Al203 008kgNH4(OH) 002 kg HAuCl4 23 kg γAl203 (9965) 485kgNH4(OH) 0008kgAu(035) 1101185kg H2 0001kg Cl2
0014 kg HAuCl4 493kgNH4(OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 002kgHAuCl4 x 324
32 032860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad de kg Au = 035 x kgAukg 00806599
32=
cantidad de kgCl2 = 0002kgAu x
24
4 00101000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 = 0008kgAu x
44
44 01401000
11
973341
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 56
UAM-I
APEacuteNDICE C ACCESORIOS EN EL DISENtildeO
Agitador
Agitadores de Heacutelice se escogioacute este tipo de agitador por ser tener las siguientes
caracteriacutesticas [3]
bull Es un agitador de flujo axial
bull Se emplea para liacutequidos pocos viscosos
bull Giran a toda la velocidad del motor
bull Las corrientes de flujo se mueven a traveacutes del liacutequido en una direccioacuten
determinada hasta que son desviadas por el fondo o las paredes del tanque
bull Las palas de la heacutelice cortan o friccionan vigorosamente el liacutequido
bull Los agitadores de heacutelice son eficaces para tanques de gran tamantildeo
Horno
bull El horno se escogioacute por ser tener las siguientes caracteriacutesticas [5]
bull El horno de construccioacuten metaacutelica
bull La caacutemara de combustioacuten estaacute construida mediante hormigones refractarios
de alta resistencia mecaacutenica
bull Las materias secar y calcinar se carga de forma manual
Ingenieriacutea Quiacutemica 57
UAM-I
Bomba
DISENtildeO Bomba centrifuga para operacioacuten horizontal o vertical del impulsor
cerrado succioacuten al extremo descarga hacia arriba tangencial simple succioacuten de un
paso con carcaza partida verticalmente [3]
ROTACIOacuteN En el sentido del reloj vista desde el cople
CARACTERIacuteSTICAS Conexiones brindadas con registro ubicado en la cabeza de
succioacuten para facilitar su limpieza
SERVICIO Debido a que es posible colocarla en posicioacuten horizontal o vertical tanto
en caacutercamos secos como huacutemedos y por el disentildeo de su impulsor que soacutelidos de
gran tamantildeo esta bomba es ideal para los procesos de tratamientos de agua y
manejo de liacutequidos en suspensioacuten en general
CAPACIDADES
GASTO Hasta 3000 GPM
CDT Hasta 80rsquo
PRESIOacuteN 106 Kgcmsup2
POTENCIA De 1 a 60 Hp
VELOCIDAD (1175 - 3550 RPM)
TEMPERATURA 125degC
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UAM-I
Bombas Centriacutefugas
Las maquinas centriacutefugas estaacuten constituidas por un impulsor o rodete formado por
una serie de aletas radiales diversas formas y curvaturas que giran dentro de una
caja circular El fluido penetra por el ojo o eje de rotacioacuten y se descarga maacutes o
menos radialmente en una caacutemara perifeacuterica a una elevada presioacuten que
corresponde a la suma de la fuerza centriacutefuga de la rotacioacuten maacutes la cineacutetica
comunicada al fluido por las aletas La parte moacutevil de la bomba es el rodete Las
aletas del rodete se extienden desde el centro de rotacioacuten hacia la periferia y las
bridas son los discos de refuerzo a cada lado de las aletas que las envuelven Las
aletas pueden ser radiales curvadas ligeramente hacia delante en el mismo sentido
de la rotacioacuten o estar curvadas al reveacutes en el caso maacutes comuacuten en el disentildeo se
determino el rodete siguiente por sus caracteriacutesticas Fig 1
Figura 1 Corte parcial de un rodete de centriacutefuga para grandes cargas y secciones
de paso estrechas empleando con liacutequidos corrosivos o suspensiones de pequentildeas
partiacuteculas[4]
Ingenieriacutea Quiacutemica 59
UAM-I
APENDICE D CALCULO DE POTENCIA DE BOMBAS (8)
Potencia de la bomba de la cisterna 1 que alimenta a los mezclador 4
Ecuacioacuten de Bernoulli
sum sumint =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛+++∆+∆i i
i
P
P
evvfDLvwdphgv 0
21
21
ˆ1
21 222
2
1ρ
a b c d e f
a Diferencia de velocidades
b Diferencia de alturas
c Diferencia de presiones
d Trabajo
e Perdidas de friccioacuten en tuberiacuteas
f Perdidas de friccioacuten en accesorios
En la ecuacioacuten anterior se pueden eliminar algunos teacuterminos
21 mts
6 mts 35 mts
Figura 1 Balance de cisterna 1 a mezclador 4
Se debe de tener dos puntos de referencia para la utilizacioacuten de la ecuacioacuten de
Bernoulli de los cuales se anotaron en la figura 2
Ingenieriacutea Quiacutemica 60
UAM-I
21 mts
2 1 6 mts 35 mts
Figura 2
Teniendo los puntos de referencia se analiza que las diferencias de velocidades son
cero en ambos puntos por lo tanto el termino 2
21 ν∆ es igual a cero
El termino de = (981hg∆ 2segm )(35m ndash 0) = 34335 2
2
segm
El termino de int2
1
1P
P
dpρ
se tiene que la cisterna y el tanque de mezclado ambos no
estaacuten cerrados y por lo tanto no originan un cambio de presioacuten y el termino es cero
De esta expresioacuten L longitud de tuberiacutea
tro de tuberiacutea
n el interior del tubo
v
Para la l radio del tubo que
sum ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
i
fDL2
21 ν
D diaacuteme
f perdidas de friccioacuten e
velocidad del flujo de agua
obtencioacuten de la velocidad se tiene el flujo volumeacutetrico y e
es de 32 cm =0032mts con la ecuacioacuten
Ingenieriacutea Quiacutemica 61
( )( ) sm
ms
m
RQ 761
032060min1)
min340(
2
3
2 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
==ππ
ν
UAM-I
Se reportan valores de perdida de fr
e reduce teacuterminos
iccioacuten en tubos que son igual a 005
Por lo tanto sustituyendo los teacuterminos en la ecuacioacuten de Bernoulli s
sum sumint =⎟⎠
⎜⎝
+⎟⎠
⎜⎝
+++∆+∆i i
iP
evvfD
vwdphgv 022
ˆ2
1ρ
⎞⎛⎞⎛ L 111 2222
or tanto el termino de trabajo queda expresado de la siguiente manera
tanto la bomba comunica al fluido que circula en el sistema un trabajo
+11727
P1
p w
sum sum ∆minus⎟⎠⎞
⎜⎝⎛minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛minus=
i ii
hgevvfDLvw 22
21
21
ˆ
( ) ( )
Este es el trabajo ( por unidad de masa) producido por el fluido en la bomba por lo
22
sm o 11727 981 = 1195
m
fKg
Kgm
La velocidad de flujo de masa es
Por lo tanto
1 )=6694
951)(675(ˆ =minus=minus WwW smkg f = 088Hp = 1Hp
Siendo esta ida para esta bomba El procedimiento anterior se
iguioacute para cada bomba de la planta
AP E
la potencia requer
s
EacuteNDICE
TOXICOLOGIacuteA DE MATERIAS PRIMAS [6]
( ) ( ) ( )( ) ( )( )msm
smmmm
sm 538192201150761
21050
032021536761
21
2
22minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ +minus⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ++
minus=wm
22
27117ˆ smw minus=
( )s
kgmkgQw m675100060340 3 === ρ
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UAM-I
HIDROacuteXIDO DE SODIO
Polvo corrosivo blanco delicuescente
Toxicidad
Concentracioacuten Maacutexima permisible 2mgm3 en aire
Signos y Siacutentomas Conjutivitis quemaduras corneales y de la piel Irritacioacuten
seas vomito dolor abdominal y diarrea a veces con
Lavado de las partes afectadas tranquilizantes sulfato de
decuada gafas protectoras o pantallas para
ignos y Siacutentomas Irritacioacuten de ojos quemaduras corneables tos dolores
l hemoptisis dolor de cabeza dolor epigaacutestrico nauseas y vomito
lmonar
Tratamiento lavado de ojos con agua reposo oxigeno con aparato de respiracioacuten
con onantes
ACIDO NITRICO
Liquido corrosivo sofocante de incoloro a amarillento
ioacuten maacutexima permisible 10ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
del tracto respiratorio nau
sangre
Tratamiento
morfina para el dolor y cortisona
Medidas preventivas Ventilacioacuten a
la cara completa mascarilla con filtro mecaacutenico guantes delantares botas de
goma y acentuar la limpieza personal
CLORO
Gas pasado amarillo verdoso
Toxicidad
Conc Maacutexima permisible 1 ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten
S
retrosterna
debilidad cianosis y edema pu
trolada bronco dilatadores y descongesti
Toxicidad
Concentrac
Ingenieriacutea Quiacutemica 63
UAM-I
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
Signos y siacutentomas Erosioacuten dental estornudo tos Dolor en el pecho bronquitis y
la las partes contaminadas del cuerpo con solucioacuten al 5 de
de las quemaduras con pantildeos
de triacuteo sulfato soacutelido si se a ingerido
vado de ojos con agua
ACIDO CLORIDRICO
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
ivitis necrosis corneal por inhalacioacuten rinitis erosioacuten
dolor de cabeza palpitacioacuten por ingestioacuten
s en la boca faringe esoacutefago estomago salivacioacuten vomito Soc
agua lavada de agua y jaboacuten de las partes
preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
AacuteC
El c
con o de hidroacutegeno una
concentracioacuten de 12 molLt Este aacutecido es un liacutequido incoloro con un olor aacutecido
bronconeumoniacutea
Tratamiento
bicarbonato soacutelido o con agua y jaboacuten Tratamiento
mojados con solucioacuten saturada
administracioacuten por viacutea oral de solucioacuten de jaboacuten Hidroacutexido caacutelcico o alumiacutenico u
oacutexido de magnesio
Medidas preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores excluir de la exposicioacuten
a los individuos con enfermedades de pulmones y rintildeones
Gas incoloro o liacutequido o a amarillento
Toxicidad
Concentracioacuten maacutexima permisible 5ppm en aire
Signos y siacutentomas conjunt
dental laringitis bronquitis neumoniacutea
quemadura
nefritis
Tratamiento lavado de ojos con
contaminantes del cuerpo tratamiento ordinario de quemaduras lavado gaacutestrico
se a ingerido con solucioacuten de bicarbonato soacutedico al 5 seguido de una instilacioacuten
de gel de hidroacutexido de aluminio
Medidas
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores
IDO CLORHIacuteDRICO
loruro de hidroacutegeno es en extremo soluble en agua de hecho el aacutecido clorhiacutedrico
centrado contiene cerca del 38 en masa de clorur
Ingenieriacutea Quiacutemica 64
UAM-I
pronunciado que se debe al equilibrio entre el cloruro de hidroacutegeno gaseoso y
ste con el aacutecido fluorhiacutedrico el aacutecido clorhiacutedrico es un aacutecido fuerte (pKa = -
7) y se ioniza casi totalmente
gar de aacutecido sulfuacuterico auque en menor grado Por
jemplo el zinc metaacutelico reacciona con aacutecido clorhiacutedrico para dar el ion zinc e
hidroacutegeno gaseoso
Zn(s) + 2HCl(ac) ZnCl2(ac) + H2(g)
l para producir aacutecido clorhiacutedrico en el laboratorio es generar
cloruro de hidroacutegen e sodio y el aacutecido
ulfuacuterico En el primer paso a 150degC se forma hidroacutegeno sulfato de sodio
NaHSO4(s) + HCl(g)
io y maacutes
loruro de hidroacutegeno gaseoso Luego el gas se disuelve en agua para formar el
aacutecido
NaHSO4(s) + NaCl(s) Na2SO4(s) + HCl(g)
acuoso
HCl(ac) HCl(g)
El reactivo de grado teacutecnico a menudo tiene un color amarillento por una impureza
del ion hierro (III)
En contra
HCl(ac) + H2O(l) H2O+(ac) + Cl -(ac)
Por ello a menudo se prefiere usar aacutecido clorhiacutedrico diluido en lugar de aacutecido niacutetrico
que es muy oxidante y en lu
e
Cuando el zinc reacciona con el aacutecido niacutetrico es comuacuten que se reduzca una parte
del ion nitrato para dar dioacutexido de nitroacutegeno
El meacutetodo tradiciona
o gaseoso por la reaccioacuten entre el cloruro d
s
NaCl(s) + H2SO4(l)
La mezcla se calienta a 550degC temperatura a la cual el hidroacutegeno sulfato de sodio
reacciona con un exceso de cloruro de sodio para formar sulfato de sod
c
∆
Este meacutetodo se usa tambieacuten en la industria otra forma de producir cloruro de
hidroacutegeno es por la combinacioacuten directa de dicloro y dihidroacutegenogaseosos
Ingenieriacutea Quiacutemica 65
UAM-I
H2(g) + Cl2(g) 2HCl(g)
La mayor cantidad de cloruro de hidroacutegeno que se produce actualmente es un
CH4(g) + 4Cl2(g) 4(l) + 4HCl(g)
riacuten de superficies de acero en un bantildeo aacutecido en la purificacioacuten de glucosa
y jarabe de maiacutez e s y de gas y en la
bricacioacuten de compuestos clorados El aacutecido se puedo comprar en muchas
nducida por la luz
4HNO3(ac) 4NO2(g) + O2(g) + 2H2O(l)
niacutetrico como disolvente)
H2NO3+ H2O + NO2
+
l siguiente
3HNO NO3 ndash
subproducto de otros procesos industriales como la siacutentesis de tetracloruro de
carbono
CCl
Se consumen cerca de 107 toneladas de aacutecido clorhiacutedrico cada antildeo en todo el
mundo Este aacutecido tiene una gama muy amplia de usos como aacutecido comuacuten para
eliminar o
n el tratamiento con aacutecido de pozos petrolero
fa
ferreteriacuteas con el arcaico nombre de aacutecido muriaacutetico sus principales usos caseros
son la limpieza de superficies de concreto y la eliminacioacuten de herrumbre Un nuacutemero
muy reducido de personas es incapaz de sintetizar suficiente jugo gaacutestrico y deben
de ingerir caacutepsulas de aacutecido clorhiacutedrico diluido con cada comida
AacuteCIDO NIacuteTRICO
El aacutecido niacutetrico un liacutequido aceitoso e incoloro en estado puro es sumamente
peligroso El aacutecido que funde a ndash42degC y hierve a +83degC tiene por lo general un
ligero color amarillo a causa de una reaccioacuten de descomposicioacuten i
En un estado puro el aacutecido niacutetrico liacutequido praacutecticamente no conduce la electricidad
Una pequentildea porcioacuten se ioniza como sigue (todas estas especies existen en el aacutecido
2HNO3(l) H2NO3+ + NO3
ndash
H2O + HNO3 H3O+ + NO3 ndash
Para dar la reaccioacuten globa
3 NO2+ + H3O + 2+
Ingenieriacutea Quiacutemica 66
UAM-I
El catioacuten nitrilo es importante en la nitracioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas por ejemplo la
obenceno C6H5NO2 una etapa importante en
umerosos procesos industriales orgaacutenicos
El aacutecido niacutetrico con en agua mientras
ue el ldquoaacutecido niacutetrico fumanterdquo un oxidante extremadamente poderoso es una
vez de ello se produce una mezcla de
sistema que da un orden de
vista industrial el
oceso
e lleva a cabo en tres etapas Primero se hace pasar una mezcla de amoniaco y de
dioxiacutegeno (o aire) un proceso muy
ficiente y exoteacutermico que hace que la malla se ponga al rojo Esta etapa se verifica
conversioacuten de benceno C6H6 en nitr
n
centrado es en realidad una solucioacuten al 70
q
solucioacuten roja de dioacutexido de nitroacutegeno en aacutecido niacutetrico puro Incluso cuando esta
diluido el aacutecido niacutetrico es un oxidante tan fuerte que rara vez desprende hidroacutegeno
cuando se pone en contacto con metales en
oacutexidos de nitroacutegeno y el metal se oxido a su catioacuten
Los enlaces O-N son mucho maacutes cortos (121 pm) que el enlace O-N unidos al aacutetomo
de hidroacutegeno (141 pm) Esta longitud de enlaces indica que hay enlaces muacuteltiples
entre el nitroacutegeno y los dos aacutetomos de oxiacutegeno terminales Ademas de los electrones
del sistema σ hay cuatro electrones que participan en el sistema π O-N-O dos de un
orbital enlazante y dos en un orbital no enlazante
enlace de 112 para cada uno de esos enlaces nitroacutegeno- oxiacutegeno
A veces se nos olvida hasta queacute punto nuestra experiencia depende de la
termodinaacutemica y la cineacutetica Por ejemplo la primera siacutentesis industrial de aacutecido
niacutetrico se llevaba ha cabo por simple combinacioacuten de diniacutetrogeno dioxiacutegeno y agua
utilizando un horno de arco eleacutectrico a fin de proporcionar la energiacutea necesaria par
superar la muy elevada barrera cineacutetica Aunque desde el punto de
factor cineacutetico constituiacutea un problema en realidad es una bendicioacuten por que sin esta
barrera cineacutetica hace mucho tiempo que todo el dioacutexido de la atmoacutesfera se abriacutea
transformado en aacutecido niacutetrico y nuestros mares serian de aacutecido niacutetrico diluido
frac12 N2(g) + 54O2(g) + 12H2O(g) HNO3(g)
Ahora se utiliza el proceso Ostwald para la siacutentesis de aacutecido niacutetrico Este proceso
consume gran parte del amoniaco que se produce por el proceso Haber El pr
s
a traveacutes de una malla de platino metaacutelico Eacuteste es
e
a baja presioacuten para aprovechar el efecto entropico es decir la formacioacuten de 10
moles de gas a partir de 9 moles de gas (una aplicacioacuten del principio de Le Chatelier)
para desplazar el equilibrio a la derecha
Ingenieriacutea Quiacutemica 67
UAM-I
4NH3(g) + 5O2(g) 4NO(g) + 6H2O(g)
Se agrega maacutes oxiacutegeno para oxidar el monoacutexido de nitroacutegeno a dioacutexido de nitroacutegeno
A fin de mejorar el rendimiento de esta reaccioacuten exoteacutermica se extrae calor de los
ases y la mezcla se somete a presioacuten
2HNO3(l) + NO(g)
Esta reaccioacuten tambieacuten es exoteacutermica y una vez maacutes se aplica enfriamiento y alta
la
egunda etapa para oxidarlo de nuevo
La contaminacioacuten s de aacutecido niacutetrico
as plantas maacutes antiguas eran faacutecilmente identificables por la fumarola cafeacute-
antas maacutes antiguas ahora mezcla cantidades
en Estados Unidos porque un 20
dedica ala produccioacuten de explosivos
or ultimo el aacutecido niacutetrico es un liacutequido que hierve a 826degC No existe como liacutequido
g
2NO(g) + O2(g) 2NO2(g)
El dioacutexido de nitroacutegeno se mezcla con agua para dar una solucioacuten de aacutecido niacutetrico
3NO2(g) + H2O(l)
presioacuten par obtener el maacuteximo rendimiento El monoacutexido de nitroacutegeno se vuelve a
s
soliacutea ser un problema importante de las planta
L
amarillento del dioacutexido de nitroacutegeno que escapaba por ellas Las plantas maacutes
antiguas eran faacutecilmente identificable por la fumadora cafeacute-amarillo del dioacutexido de
nitroacutegeno que escapaba de ellas Las pl
estequiomeacutetricas de amoniaco con las oacutexidos de nitroacutegeno con lo cual se obtiene
dinitroacutegeno y vapor de agua ambos inocuos
NO(g) + NO2 (g) + 2NH3(g) 2N2(g) + 3H2O(g)
En todo el mundo alrededor del 80 del aacutecido niacutetrico se utiliza en la produccioacuten de
fertilizantes Esta proporcioacuten es de solo el 65
se
P
puro porque en alguna medida se descompone espontaacuteneamente como sigue
4HNO3(l) 4NO2(g) + 2H2O(l) + O2(g)
Ingenieriacutea Quiacutemica 68
UAM-I
El aacutecido niacutetrico concentrado que se usa en el laboratorio estaacute al 68 en masa HNO3
(densidad 142 gcm3) lo que corresponde a 157 M
l aacutecido niacutetrico es un poderoso agente oxidante El nuacutemero de oxidacioacuten del N en el
) El aacutecido niacutetrico puede oxidar
nto a metales que estaacuten abajo del hidroacutegeno como aquellos que se encuentran
4Zn2+(ac) + NH4
+(ac) + 3H2O(l)
do no oxida al oro Sin embargo cuando se mezcla con
cido clorhiacutedrico concentrado en relacioacuten 13 en volumen (una parte de HNO3 a tres
partes al oro
omo sigue
APEacuteNDICE F
ETODO DE DEPOSICIOacuteN-PRECIPITACIOacuteN
E
HNO3 es + 5 Los productos maacutes comunes de la reduccioacuten del aacutecido niacutetrico son el
NO2 (N = + 4) el NO (N = + 2) y el NH4+ (N = - 3
ta
arriba en la serie de actividades Por ejemplo el cobre es oxidado por el aacutecido niacutetrico
concentrado como se mencionoacute antes
En presencia de reductores fuertes como el zinc metaacutelico el aacutecido niacutetrico se puede
reducir hasta ion amonio
4Zn(s) + 10H+(ac) + NO3
-(ac)
El aacutecido niacutetrico concentra
aacute
de HCl) la disolucioacuten resultante denominada agua regia puede oxidar
c
Au(s) + 3HNO3(ac) + 4HCl(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O(l) + 3NO2(g)
M
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UAM-I
APEacuteNDICE G
ISENtildeO DEL MEZCLADOR [4]
1) 100 ml H2O gr soporte
2) NH4(OH)
Ajustar a PH = 9 4) HAuCl4 (solucioacuten acuosa al 25E-3M)
6) Filtrado o centrifugado
3) En Agitacioacuten por 2 hr
8) Secado por 2hr a 80 degC
9 ) Calcinado por 4hr a 400 degC
7) Lavado
5) Antildeegamiento por 30 min
D
Ingenieriacutea Quiacutemica 70
UAM-I
El disentildeo de un tanque agitado dis n nuacutemero de elecciones sobre el
po y localizacioacuten del agitador las proporciones del tanque el nuacutemero y dimensiones
ada una de estas decisiones afectan a la velocidad
e circulacioacuten del liacutequido los modelos de velocidad y el consumo de potencia Como
pone de un gra
ti
de las placas deflectoras etc C
d
punto de partida en el disentildeo de los problemas ordinarios de agitacioacuten generalmente
se utiliza un agitador de turbina del tipo que se muestra en la figura 1 La proporcioacuten
tiacutepica es
31
=t
a
DD
1=tD
H 121
=tD
J 51
=aD
W 41
=aD
L
de estas ecuaciones se disentildeara el mezclador como datos se tiene el valor H que es
igual a 3 mts y el diaacutemetro del tanque D
Se determinara la medida de los reflectores
t que es igual 3 mts
121
=tD
J se despeja J
elacioacuten R31
=t
a
DD
se despeja Da
Relacioacuten
41
=aD
L se despeja L
elacioacuten se despeja W
( ) ( ) cmmtsmtsDJ 25250311==⎟
⎞⎜⎛=⎟
⎞⎜⎛= t 1212 ⎠⎝⎠⎝
( ) ( ) mtsmtsDD ta 1331
31
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=
( ) ( ) mtsmtsDL a 250141
41
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛= cm25=
51
=aD
WR
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UAM-I
Figura 2 a) Vista transversal del mezclador b) paletas del mezclador con la
donde se deposita el soporte
Figura 1 Medidas de un agitador de turbina
a) b)
s rejillas
H
J
E L
Da
D t
W
W
( ) ( ) cmmtsmtsDW a 2020151
5==⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎜⎝
=1 ⎞⎛
Ingenieriacutea Quiacutemica 72
UAM-I
Peso del Catalizador w =
( ) grcatgcatLn
gcatm
mmol
hrcatmmolm
hrm
xLn
kCv
A
66476639401
1
6000001578
548094
19836
11
330
3330
313
3
0
0 asymp=minus
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
minus
g 664=w
33
3
1011
mg60000
g 664 mxwv minus===ρ
m 035003101011
2
33
==minus
mmxL
cm 531000350 == xL
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UAM-I
APEacuteNDICE B BALANCE DE MASA DE LA PREPARACIOacuteN DE HAUCL4 Au(g) + 3HNO3(ac) + 4HCL(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O + 3N02(g) (152 M) (105M)
cantidad de mol Au = 05 kg Au x molAu
grAumolAux
kggr 542
971961
11000
=
cantidad de kg HNO3 = ( ) 33
33 480
10001
1635423 kgHNO
grkgx
molHNOGRHNOxHNOmol =
cantidad de kgHCl = ( ) kgHClgr
kgxmolHCl
grHClHClxmol 3701000
11
5365424 =
cantidad de kgHAuCl4 = 254molHAuCl4 x 44
8601000
11
97339 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
gr=
cantidad de kgH2O = 3( 254mol)H20 x OkgHgr
kgxOmolHOgrH
22
2 1401000
1118
=
cantidad de Lt H20 = 762molHNO3 x OltHOkgHOLtH
22
2 14011
=
cantidad de Lt H20 = 1016 mol HNO3 x 050215
012
2 LtHmol
LtH=
cantidad de LtH20 = 1016mol HCl x OLtHLtHmolHCl
LtH22
2 010970510
01asymp=
cantidad de MHAUCl4 = ( ) ( ) ( ) MHltltlt
ClmolHAU 7210850490140
542
2
4 asymp++
cantidad de kg NO2(g) = 3( 254mol)NO2 x )(22
2 3501000
1146
SkgNOgr
kgxmolNO
grNO=
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UAM-I
05 kg Au 048 kgHNO3 035 kgNO2 101021 kgH20 (152M) 037 kgHCl(ac)
(105 m) 086 kg HAuCl4 (ac) 086 kg HAuCl4 (ac)
(17 M) 014 kgH20 (25x10-3M) 014kg H20 (L) 086kg HAuCl4 035kgNO2 (g) 101185kg H20 Cantidad de H20 = 086 kgHAuCl4
x 08510110101
105201
173341
11000
22
23
24 kgHLtHkgHx
MxltHx
grmolHAuClx
kggr
=minus
pero (101185 ndash 014 ndash 05 ndash 1) kg H20 = 101021 kg H20 100ml H20 por 1 gr soporte 35kg NH4 (OH)(AC) 10000kgH20 100 kg γAl203 (9965) 035kgAu (035) 100kg γAl203 025kgCl2 086kg HAuCl4 026kgHAuCl4
101185 kg H20 35kgNH4 (OH)(AC) 1101185kgH20 cantidad de kgHAuCl4 = 015kgAu x
44
4 2601000
11
973391
197196
147196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxgrAu
molxkg
gr=
cantidad de NH4(OH) = 100kg γ Al203 x
Ingenieriacutea Quiacutemica 53
UAM-I
kgNHxmol
grx
mlmol
xOAlgr
OHmlNHx
kg
gr53
10001
1
35
100010
1
)(10
1
1000
32
4=
γ4(OH)
30kg γAL2O3 1 kgNH4(OH)(AC) 30 kg γ Al203 (9965) 010 kg Au (035) 026kgHAuCl4 007kg Cl2 35kgNH4(OH) 1101185 kgH2O 0086kgHAuCl4 45 kg NH4(OH)(AC) 1101185 kg H20
cantidad de γ Al2O3 = 026kgHAuCl4 x 324
32 02330860
100 AlkgkgHAuCl
OAlkg γγ=
cantidad de kgAu = 035 x kgAukg 10506599
30=
cantidad de kg Cl2 = 01 kgAu x
22
2 07201000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de HAuCl4 = 005kgAu x
44
4 08601000
11
973391
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 54
UAM-I
cantidad de kgNO4(OH) = 30 kg γ Al203 x ( )OHkgNHAlkg
OHkgNO4
32
4 0510100
)(53=
γ
105 kg γ Al203 035 kg NH2(OH) 105 kg γ Al203 (9965) 004 kg Au (035) 009kg HAuCl4 003 kg Cl2 45kgNH4(OH) 1101185 kg H20 0017kgHAuCl4 485kgNH4 (OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 009 HAuCl4 x 324
32 04710860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad kg de NH4 (OH) = 105kg γ Al203 x ( ) )(3500100
534
32
4 OHkgNHAlkg
OHkgNH=
γ
cantidad de Cl2 = 004 kg Au x
22
2 02901000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
gAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 =
44
44 02001701000
11
973391
197196
11
1000010 kgHAukgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgr
molAuxkg
grkgAux asymp=
Ingenieriacutea Quiacutemica 55
UAM-I
23 kg γ Al203 008kgNH4(OH) 002 kg HAuCl4 23 kg γAl203 (9965) 485kgNH4(OH) 0008kgAu(035) 1101185kg H2 0001kg Cl2
0014 kg HAuCl4 493kgNH4(OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 002kgHAuCl4 x 324
32 032860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad de kg Au = 035 x kgAukg 00806599
32=
cantidad de kgCl2 = 0002kgAu x
24
4 00101000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 = 0008kgAu x
44
44 01401000
11
973341
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 56
UAM-I
APEacuteNDICE C ACCESORIOS EN EL DISENtildeO
Agitador
Agitadores de Heacutelice se escogioacute este tipo de agitador por ser tener las siguientes
caracteriacutesticas [3]
bull Es un agitador de flujo axial
bull Se emplea para liacutequidos pocos viscosos
bull Giran a toda la velocidad del motor
bull Las corrientes de flujo se mueven a traveacutes del liacutequido en una direccioacuten
determinada hasta que son desviadas por el fondo o las paredes del tanque
bull Las palas de la heacutelice cortan o friccionan vigorosamente el liacutequido
bull Los agitadores de heacutelice son eficaces para tanques de gran tamantildeo
Horno
bull El horno se escogioacute por ser tener las siguientes caracteriacutesticas [5]
bull El horno de construccioacuten metaacutelica
bull La caacutemara de combustioacuten estaacute construida mediante hormigones refractarios
de alta resistencia mecaacutenica
bull Las materias secar y calcinar se carga de forma manual
Ingenieriacutea Quiacutemica 57
UAM-I
Bomba
DISENtildeO Bomba centrifuga para operacioacuten horizontal o vertical del impulsor
cerrado succioacuten al extremo descarga hacia arriba tangencial simple succioacuten de un
paso con carcaza partida verticalmente [3]
ROTACIOacuteN En el sentido del reloj vista desde el cople
CARACTERIacuteSTICAS Conexiones brindadas con registro ubicado en la cabeza de
succioacuten para facilitar su limpieza
SERVICIO Debido a que es posible colocarla en posicioacuten horizontal o vertical tanto
en caacutercamos secos como huacutemedos y por el disentildeo de su impulsor que soacutelidos de
gran tamantildeo esta bomba es ideal para los procesos de tratamientos de agua y
manejo de liacutequidos en suspensioacuten en general
CAPACIDADES
GASTO Hasta 3000 GPM
CDT Hasta 80rsquo
PRESIOacuteN 106 Kgcmsup2
POTENCIA De 1 a 60 Hp
VELOCIDAD (1175 - 3550 RPM)
TEMPERATURA 125degC
Ingenieriacutea Quiacutemica 58
UAM-I
Bombas Centriacutefugas
Las maquinas centriacutefugas estaacuten constituidas por un impulsor o rodete formado por
una serie de aletas radiales diversas formas y curvaturas que giran dentro de una
caja circular El fluido penetra por el ojo o eje de rotacioacuten y se descarga maacutes o
menos radialmente en una caacutemara perifeacuterica a una elevada presioacuten que
corresponde a la suma de la fuerza centriacutefuga de la rotacioacuten maacutes la cineacutetica
comunicada al fluido por las aletas La parte moacutevil de la bomba es el rodete Las
aletas del rodete se extienden desde el centro de rotacioacuten hacia la periferia y las
bridas son los discos de refuerzo a cada lado de las aletas que las envuelven Las
aletas pueden ser radiales curvadas ligeramente hacia delante en el mismo sentido
de la rotacioacuten o estar curvadas al reveacutes en el caso maacutes comuacuten en el disentildeo se
determino el rodete siguiente por sus caracteriacutesticas Fig 1
Figura 1 Corte parcial de un rodete de centriacutefuga para grandes cargas y secciones
de paso estrechas empleando con liacutequidos corrosivos o suspensiones de pequentildeas
partiacuteculas[4]
Ingenieriacutea Quiacutemica 59
UAM-I
APENDICE D CALCULO DE POTENCIA DE BOMBAS (8)
Potencia de la bomba de la cisterna 1 que alimenta a los mezclador 4
Ecuacioacuten de Bernoulli
sum sumint =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛+++∆+∆i i
i
P
P
evvfDLvwdphgv 0
21
21
ˆ1
21 222
2
1ρ
a b c d e f
a Diferencia de velocidades
b Diferencia de alturas
c Diferencia de presiones
d Trabajo
e Perdidas de friccioacuten en tuberiacuteas
f Perdidas de friccioacuten en accesorios
En la ecuacioacuten anterior se pueden eliminar algunos teacuterminos
21 mts
6 mts 35 mts
Figura 1 Balance de cisterna 1 a mezclador 4
Se debe de tener dos puntos de referencia para la utilizacioacuten de la ecuacioacuten de
Bernoulli de los cuales se anotaron en la figura 2
Ingenieriacutea Quiacutemica 60
UAM-I
21 mts
2 1 6 mts 35 mts
Figura 2
Teniendo los puntos de referencia se analiza que las diferencias de velocidades son
cero en ambos puntos por lo tanto el termino 2
21 ν∆ es igual a cero
El termino de = (981hg∆ 2segm )(35m ndash 0) = 34335 2
2
segm
El termino de int2
1
1P
P
dpρ
se tiene que la cisterna y el tanque de mezclado ambos no
estaacuten cerrados y por lo tanto no originan un cambio de presioacuten y el termino es cero
De esta expresioacuten L longitud de tuberiacutea
tro de tuberiacutea
n el interior del tubo
v
Para la l radio del tubo que
sum ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
i
fDL2
21 ν
D diaacuteme
f perdidas de friccioacuten e
velocidad del flujo de agua
obtencioacuten de la velocidad se tiene el flujo volumeacutetrico y e
es de 32 cm =0032mts con la ecuacioacuten
Ingenieriacutea Quiacutemica 61
( )( ) sm
ms
m
RQ 761
032060min1)
min340(
2
3
2 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
==ππ
ν
UAM-I
Se reportan valores de perdida de fr
e reduce teacuterminos
iccioacuten en tubos que son igual a 005
Por lo tanto sustituyendo los teacuterminos en la ecuacioacuten de Bernoulli s
sum sumint =⎟⎠
⎜⎝
+⎟⎠
⎜⎝
+++∆+∆i i
iP
evvfD
vwdphgv 022
ˆ2
1ρ
⎞⎛⎞⎛ L 111 2222
or tanto el termino de trabajo queda expresado de la siguiente manera
tanto la bomba comunica al fluido que circula en el sistema un trabajo
+11727
P1
p w
sum sum ∆minus⎟⎠⎞
⎜⎝⎛minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛minus=
i ii
hgevvfDLvw 22
21
21
ˆ
( ) ( )
Este es el trabajo ( por unidad de masa) producido por el fluido en la bomba por lo
22
sm o 11727 981 = 1195
m
fKg
Kgm
La velocidad de flujo de masa es
Por lo tanto
1 )=6694
951)(675(ˆ =minus=minus WwW smkg f = 088Hp = 1Hp
Siendo esta ida para esta bomba El procedimiento anterior se
iguioacute para cada bomba de la planta
AP E
la potencia requer
s
EacuteNDICE
TOXICOLOGIacuteA DE MATERIAS PRIMAS [6]
( ) ( ) ( )( ) ( )( )msm
smmmm
sm 538192201150761
21050
032021536761
21
2
22minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ +minus⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ++
minus=wm
22
27117ˆ smw minus=
( )s
kgmkgQw m675100060340 3 === ρ
Ingenieriacutea Quiacutemica 62
UAM-I
HIDROacuteXIDO DE SODIO
Polvo corrosivo blanco delicuescente
Toxicidad
Concentracioacuten Maacutexima permisible 2mgm3 en aire
Signos y Siacutentomas Conjutivitis quemaduras corneales y de la piel Irritacioacuten
seas vomito dolor abdominal y diarrea a veces con
Lavado de las partes afectadas tranquilizantes sulfato de
decuada gafas protectoras o pantallas para
ignos y Siacutentomas Irritacioacuten de ojos quemaduras corneables tos dolores
l hemoptisis dolor de cabeza dolor epigaacutestrico nauseas y vomito
lmonar
Tratamiento lavado de ojos con agua reposo oxigeno con aparato de respiracioacuten
con onantes
ACIDO NITRICO
Liquido corrosivo sofocante de incoloro a amarillento
ioacuten maacutexima permisible 10ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
del tracto respiratorio nau
sangre
Tratamiento
morfina para el dolor y cortisona
Medidas preventivas Ventilacioacuten a
la cara completa mascarilla con filtro mecaacutenico guantes delantares botas de
goma y acentuar la limpieza personal
CLORO
Gas pasado amarillo verdoso
Toxicidad
Conc Maacutexima permisible 1 ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten
S
retrosterna
debilidad cianosis y edema pu
trolada bronco dilatadores y descongesti
Toxicidad
Concentrac
Ingenieriacutea Quiacutemica 63
UAM-I
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
Signos y siacutentomas Erosioacuten dental estornudo tos Dolor en el pecho bronquitis y
la las partes contaminadas del cuerpo con solucioacuten al 5 de
de las quemaduras con pantildeos
de triacuteo sulfato soacutelido si se a ingerido
vado de ojos con agua
ACIDO CLORIDRICO
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
ivitis necrosis corneal por inhalacioacuten rinitis erosioacuten
dolor de cabeza palpitacioacuten por ingestioacuten
s en la boca faringe esoacutefago estomago salivacioacuten vomito Soc
agua lavada de agua y jaboacuten de las partes
preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
AacuteC
El c
con o de hidroacutegeno una
concentracioacuten de 12 molLt Este aacutecido es un liacutequido incoloro con un olor aacutecido
bronconeumoniacutea
Tratamiento
bicarbonato soacutelido o con agua y jaboacuten Tratamiento
mojados con solucioacuten saturada
administracioacuten por viacutea oral de solucioacuten de jaboacuten Hidroacutexido caacutelcico o alumiacutenico u
oacutexido de magnesio
Medidas preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores excluir de la exposicioacuten
a los individuos con enfermedades de pulmones y rintildeones
Gas incoloro o liacutequido o a amarillento
Toxicidad
Concentracioacuten maacutexima permisible 5ppm en aire
Signos y siacutentomas conjunt
dental laringitis bronquitis neumoniacutea
quemadura
nefritis
Tratamiento lavado de ojos con
contaminantes del cuerpo tratamiento ordinario de quemaduras lavado gaacutestrico
se a ingerido con solucioacuten de bicarbonato soacutedico al 5 seguido de una instilacioacuten
de gel de hidroacutexido de aluminio
Medidas
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores
IDO CLORHIacuteDRICO
loruro de hidroacutegeno es en extremo soluble en agua de hecho el aacutecido clorhiacutedrico
centrado contiene cerca del 38 en masa de clorur
Ingenieriacutea Quiacutemica 64
UAM-I
pronunciado que se debe al equilibrio entre el cloruro de hidroacutegeno gaseoso y
ste con el aacutecido fluorhiacutedrico el aacutecido clorhiacutedrico es un aacutecido fuerte (pKa = -
7) y se ioniza casi totalmente
gar de aacutecido sulfuacuterico auque en menor grado Por
jemplo el zinc metaacutelico reacciona con aacutecido clorhiacutedrico para dar el ion zinc e
hidroacutegeno gaseoso
Zn(s) + 2HCl(ac) ZnCl2(ac) + H2(g)
l para producir aacutecido clorhiacutedrico en el laboratorio es generar
cloruro de hidroacutegen e sodio y el aacutecido
ulfuacuterico En el primer paso a 150degC se forma hidroacutegeno sulfato de sodio
NaHSO4(s) + HCl(g)
io y maacutes
loruro de hidroacutegeno gaseoso Luego el gas se disuelve en agua para formar el
aacutecido
NaHSO4(s) + NaCl(s) Na2SO4(s) + HCl(g)
acuoso
HCl(ac) HCl(g)
El reactivo de grado teacutecnico a menudo tiene un color amarillento por una impureza
del ion hierro (III)
En contra
HCl(ac) + H2O(l) H2O+(ac) + Cl -(ac)
Por ello a menudo se prefiere usar aacutecido clorhiacutedrico diluido en lugar de aacutecido niacutetrico
que es muy oxidante y en lu
e
Cuando el zinc reacciona con el aacutecido niacutetrico es comuacuten que se reduzca una parte
del ion nitrato para dar dioacutexido de nitroacutegeno
El meacutetodo tradiciona
o gaseoso por la reaccioacuten entre el cloruro d
s
NaCl(s) + H2SO4(l)
La mezcla se calienta a 550degC temperatura a la cual el hidroacutegeno sulfato de sodio
reacciona con un exceso de cloruro de sodio para formar sulfato de sod
c
∆
Este meacutetodo se usa tambieacuten en la industria otra forma de producir cloruro de
hidroacutegeno es por la combinacioacuten directa de dicloro y dihidroacutegenogaseosos
Ingenieriacutea Quiacutemica 65
UAM-I
H2(g) + Cl2(g) 2HCl(g)
La mayor cantidad de cloruro de hidroacutegeno que se produce actualmente es un
CH4(g) + 4Cl2(g) 4(l) + 4HCl(g)
riacuten de superficies de acero en un bantildeo aacutecido en la purificacioacuten de glucosa
y jarabe de maiacutez e s y de gas y en la
bricacioacuten de compuestos clorados El aacutecido se puedo comprar en muchas
nducida por la luz
4HNO3(ac) 4NO2(g) + O2(g) + 2H2O(l)
niacutetrico como disolvente)
H2NO3+ H2O + NO2
+
l siguiente
3HNO NO3 ndash
subproducto de otros procesos industriales como la siacutentesis de tetracloruro de
carbono
CCl
Se consumen cerca de 107 toneladas de aacutecido clorhiacutedrico cada antildeo en todo el
mundo Este aacutecido tiene una gama muy amplia de usos como aacutecido comuacuten para
eliminar o
n el tratamiento con aacutecido de pozos petrolero
fa
ferreteriacuteas con el arcaico nombre de aacutecido muriaacutetico sus principales usos caseros
son la limpieza de superficies de concreto y la eliminacioacuten de herrumbre Un nuacutemero
muy reducido de personas es incapaz de sintetizar suficiente jugo gaacutestrico y deben
de ingerir caacutepsulas de aacutecido clorhiacutedrico diluido con cada comida
AacuteCIDO NIacuteTRICO
El aacutecido niacutetrico un liacutequido aceitoso e incoloro en estado puro es sumamente
peligroso El aacutecido que funde a ndash42degC y hierve a +83degC tiene por lo general un
ligero color amarillo a causa de una reaccioacuten de descomposicioacuten i
En un estado puro el aacutecido niacutetrico liacutequido praacutecticamente no conduce la electricidad
Una pequentildea porcioacuten se ioniza como sigue (todas estas especies existen en el aacutecido
2HNO3(l) H2NO3+ + NO3
ndash
H2O + HNO3 H3O+ + NO3 ndash
Para dar la reaccioacuten globa
3 NO2+ + H3O + 2+
Ingenieriacutea Quiacutemica 66
UAM-I
El catioacuten nitrilo es importante en la nitracioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas por ejemplo la
obenceno C6H5NO2 una etapa importante en
umerosos procesos industriales orgaacutenicos
El aacutecido niacutetrico con en agua mientras
ue el ldquoaacutecido niacutetrico fumanterdquo un oxidante extremadamente poderoso es una
vez de ello se produce una mezcla de
sistema que da un orden de
vista industrial el
oceso
e lleva a cabo en tres etapas Primero se hace pasar una mezcla de amoniaco y de
dioxiacutegeno (o aire) un proceso muy
ficiente y exoteacutermico que hace que la malla se ponga al rojo Esta etapa se verifica
conversioacuten de benceno C6H6 en nitr
n
centrado es en realidad una solucioacuten al 70
q
solucioacuten roja de dioacutexido de nitroacutegeno en aacutecido niacutetrico puro Incluso cuando esta
diluido el aacutecido niacutetrico es un oxidante tan fuerte que rara vez desprende hidroacutegeno
cuando se pone en contacto con metales en
oacutexidos de nitroacutegeno y el metal se oxido a su catioacuten
Los enlaces O-N son mucho maacutes cortos (121 pm) que el enlace O-N unidos al aacutetomo
de hidroacutegeno (141 pm) Esta longitud de enlaces indica que hay enlaces muacuteltiples
entre el nitroacutegeno y los dos aacutetomos de oxiacutegeno terminales Ademas de los electrones
del sistema σ hay cuatro electrones que participan en el sistema π O-N-O dos de un
orbital enlazante y dos en un orbital no enlazante
enlace de 112 para cada uno de esos enlaces nitroacutegeno- oxiacutegeno
A veces se nos olvida hasta queacute punto nuestra experiencia depende de la
termodinaacutemica y la cineacutetica Por ejemplo la primera siacutentesis industrial de aacutecido
niacutetrico se llevaba ha cabo por simple combinacioacuten de diniacutetrogeno dioxiacutegeno y agua
utilizando un horno de arco eleacutectrico a fin de proporcionar la energiacutea necesaria par
superar la muy elevada barrera cineacutetica Aunque desde el punto de
factor cineacutetico constituiacutea un problema en realidad es una bendicioacuten por que sin esta
barrera cineacutetica hace mucho tiempo que todo el dioacutexido de la atmoacutesfera se abriacutea
transformado en aacutecido niacutetrico y nuestros mares serian de aacutecido niacutetrico diluido
frac12 N2(g) + 54O2(g) + 12H2O(g) HNO3(g)
Ahora se utiliza el proceso Ostwald para la siacutentesis de aacutecido niacutetrico Este proceso
consume gran parte del amoniaco que se produce por el proceso Haber El pr
s
a traveacutes de una malla de platino metaacutelico Eacuteste es
e
a baja presioacuten para aprovechar el efecto entropico es decir la formacioacuten de 10
moles de gas a partir de 9 moles de gas (una aplicacioacuten del principio de Le Chatelier)
para desplazar el equilibrio a la derecha
Ingenieriacutea Quiacutemica 67
UAM-I
4NH3(g) + 5O2(g) 4NO(g) + 6H2O(g)
Se agrega maacutes oxiacutegeno para oxidar el monoacutexido de nitroacutegeno a dioacutexido de nitroacutegeno
A fin de mejorar el rendimiento de esta reaccioacuten exoteacutermica se extrae calor de los
ases y la mezcla se somete a presioacuten
2HNO3(l) + NO(g)
Esta reaccioacuten tambieacuten es exoteacutermica y una vez maacutes se aplica enfriamiento y alta
la
egunda etapa para oxidarlo de nuevo
La contaminacioacuten s de aacutecido niacutetrico
as plantas maacutes antiguas eran faacutecilmente identificables por la fumarola cafeacute-
antas maacutes antiguas ahora mezcla cantidades
en Estados Unidos porque un 20
dedica ala produccioacuten de explosivos
or ultimo el aacutecido niacutetrico es un liacutequido que hierve a 826degC No existe como liacutequido
g
2NO(g) + O2(g) 2NO2(g)
El dioacutexido de nitroacutegeno se mezcla con agua para dar una solucioacuten de aacutecido niacutetrico
3NO2(g) + H2O(l)
presioacuten par obtener el maacuteximo rendimiento El monoacutexido de nitroacutegeno se vuelve a
s
soliacutea ser un problema importante de las planta
L
amarillento del dioacutexido de nitroacutegeno que escapaba por ellas Las plantas maacutes
antiguas eran faacutecilmente identificable por la fumadora cafeacute-amarillo del dioacutexido de
nitroacutegeno que escapaba de ellas Las pl
estequiomeacutetricas de amoniaco con las oacutexidos de nitroacutegeno con lo cual se obtiene
dinitroacutegeno y vapor de agua ambos inocuos
NO(g) + NO2 (g) + 2NH3(g) 2N2(g) + 3H2O(g)
En todo el mundo alrededor del 80 del aacutecido niacutetrico se utiliza en la produccioacuten de
fertilizantes Esta proporcioacuten es de solo el 65
se
P
puro porque en alguna medida se descompone espontaacuteneamente como sigue
4HNO3(l) 4NO2(g) + 2H2O(l) + O2(g)
Ingenieriacutea Quiacutemica 68
UAM-I
El aacutecido niacutetrico concentrado que se usa en el laboratorio estaacute al 68 en masa HNO3
(densidad 142 gcm3) lo que corresponde a 157 M
l aacutecido niacutetrico es un poderoso agente oxidante El nuacutemero de oxidacioacuten del N en el
) El aacutecido niacutetrico puede oxidar
nto a metales que estaacuten abajo del hidroacutegeno como aquellos que se encuentran
4Zn2+(ac) + NH4
+(ac) + 3H2O(l)
do no oxida al oro Sin embargo cuando se mezcla con
cido clorhiacutedrico concentrado en relacioacuten 13 en volumen (una parte de HNO3 a tres
partes al oro
omo sigue
APEacuteNDICE F
ETODO DE DEPOSICIOacuteN-PRECIPITACIOacuteN
E
HNO3 es + 5 Los productos maacutes comunes de la reduccioacuten del aacutecido niacutetrico son el
NO2 (N = + 4) el NO (N = + 2) y el NH4+ (N = - 3
ta
arriba en la serie de actividades Por ejemplo el cobre es oxidado por el aacutecido niacutetrico
concentrado como se mencionoacute antes
En presencia de reductores fuertes como el zinc metaacutelico el aacutecido niacutetrico se puede
reducir hasta ion amonio
4Zn(s) + 10H+(ac) + NO3
-(ac)
El aacutecido niacutetrico concentra
aacute
de HCl) la disolucioacuten resultante denominada agua regia puede oxidar
c
Au(s) + 3HNO3(ac) + 4HCl(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O(l) + 3NO2(g)
M
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UAM-I
APEacuteNDICE G
ISENtildeO DEL MEZCLADOR [4]
1) 100 ml H2O gr soporte
2) NH4(OH)
Ajustar a PH = 9 4) HAuCl4 (solucioacuten acuosa al 25E-3M)
6) Filtrado o centrifugado
3) En Agitacioacuten por 2 hr
8) Secado por 2hr a 80 degC
9 ) Calcinado por 4hr a 400 degC
7) Lavado
5) Antildeegamiento por 30 min
D
Ingenieriacutea Quiacutemica 70
UAM-I
El disentildeo de un tanque agitado dis n nuacutemero de elecciones sobre el
po y localizacioacuten del agitador las proporciones del tanque el nuacutemero y dimensiones
ada una de estas decisiones afectan a la velocidad
e circulacioacuten del liacutequido los modelos de velocidad y el consumo de potencia Como
pone de un gra
ti
de las placas deflectoras etc C
d
punto de partida en el disentildeo de los problemas ordinarios de agitacioacuten generalmente
se utiliza un agitador de turbina del tipo que se muestra en la figura 1 La proporcioacuten
tiacutepica es
31
=t
a
DD
1=tD
H 121
=tD
J 51
=aD
W 41
=aD
L
de estas ecuaciones se disentildeara el mezclador como datos se tiene el valor H que es
igual a 3 mts y el diaacutemetro del tanque D
Se determinara la medida de los reflectores
t que es igual 3 mts
121
=tD
J se despeja J
elacioacuten R31
=t
a
DD
se despeja Da
Relacioacuten
41
=aD
L se despeja L
elacioacuten se despeja W
( ) ( ) cmmtsmtsDJ 25250311==⎟
⎞⎜⎛=⎟
⎞⎜⎛= t 1212 ⎠⎝⎠⎝
( ) ( ) mtsmtsDD ta 1331
31
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=
( ) ( ) mtsmtsDL a 250141
41
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛= cm25=
51
=aD
WR
Ingenieriacutea Quiacutemica 71
UAM-I
Figura 2 a) Vista transversal del mezclador b) paletas del mezclador con la
donde se deposita el soporte
Figura 1 Medidas de un agitador de turbina
a) b)
s rejillas
H
J
E L
Da
D t
W
W
( ) ( ) cmmtsmtsDW a 2020151
5==⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎜⎝
=1 ⎞⎛
Ingenieriacutea Quiacutemica 72
UAM-I
APEacuteNDICE B BALANCE DE MASA DE LA PREPARACIOacuteN DE HAUCL4 Au(g) + 3HNO3(ac) + 4HCL(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O + 3N02(g) (152 M) (105M)
cantidad de mol Au = 05 kg Au x molAu
grAumolAux
kggr 542
971961
11000
=
cantidad de kg HNO3 = ( ) 33
33 480
10001
1635423 kgHNO
grkgx
molHNOGRHNOxHNOmol =
cantidad de kgHCl = ( ) kgHClgr
kgxmolHCl
grHClHClxmol 3701000
11
5365424 =
cantidad de kgHAuCl4 = 254molHAuCl4 x 44
8601000
11
97339 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
gr=
cantidad de kgH2O = 3( 254mol)H20 x OkgHgr
kgxOmolHOgrH
22
2 1401000
1118
=
cantidad de Lt H20 = 762molHNO3 x OltHOkgHOLtH
22
2 14011
=
cantidad de Lt H20 = 1016 mol HNO3 x 050215
012
2 LtHmol
LtH=
cantidad de LtH20 = 1016mol HCl x OLtHLtHmolHCl
LtH22
2 010970510
01asymp=
cantidad de MHAUCl4 = ( ) ( ) ( ) MHltltlt
ClmolHAU 7210850490140
542
2
4 asymp++
cantidad de kg NO2(g) = 3( 254mol)NO2 x )(22
2 3501000
1146
SkgNOgr
kgxmolNO
grNO=
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UAM-I
05 kg Au 048 kgHNO3 035 kgNO2 101021 kgH20 (152M) 037 kgHCl(ac)
(105 m) 086 kg HAuCl4 (ac) 086 kg HAuCl4 (ac)
(17 M) 014 kgH20 (25x10-3M) 014kg H20 (L) 086kg HAuCl4 035kgNO2 (g) 101185kg H20 Cantidad de H20 = 086 kgHAuCl4
x 08510110101
105201
173341
11000
22
23
24 kgHLtHkgHx
MxltHx
grmolHAuClx
kggr
=minus
pero (101185 ndash 014 ndash 05 ndash 1) kg H20 = 101021 kg H20 100ml H20 por 1 gr soporte 35kg NH4 (OH)(AC) 10000kgH20 100 kg γAl203 (9965) 035kgAu (035) 100kg γAl203 025kgCl2 086kg HAuCl4 026kgHAuCl4
101185 kg H20 35kgNH4 (OH)(AC) 1101185kgH20 cantidad de kgHAuCl4 = 015kgAu x
44
4 2601000
11
973391
197196
147196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxgrAu
molxkg
gr=
cantidad de NH4(OH) = 100kg γ Al203 x
Ingenieriacutea Quiacutemica 53
UAM-I
kgNHxmol
grx
mlmol
xOAlgr
OHmlNHx
kg
gr53
10001
1
35
100010
1
)(10
1
1000
32
4=
γ4(OH)
30kg γAL2O3 1 kgNH4(OH)(AC) 30 kg γ Al203 (9965) 010 kg Au (035) 026kgHAuCl4 007kg Cl2 35kgNH4(OH) 1101185 kgH2O 0086kgHAuCl4 45 kg NH4(OH)(AC) 1101185 kg H20
cantidad de γ Al2O3 = 026kgHAuCl4 x 324
32 02330860
100 AlkgkgHAuCl
OAlkg γγ=
cantidad de kgAu = 035 x kgAukg 10506599
30=
cantidad de kg Cl2 = 01 kgAu x
22
2 07201000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de HAuCl4 = 005kgAu x
44
4 08601000
11
973391
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 54
UAM-I
cantidad de kgNO4(OH) = 30 kg γ Al203 x ( )OHkgNHAlkg
OHkgNO4
32
4 0510100
)(53=
γ
105 kg γ Al203 035 kg NH2(OH) 105 kg γ Al203 (9965) 004 kg Au (035) 009kg HAuCl4 003 kg Cl2 45kgNH4(OH) 1101185 kg H20 0017kgHAuCl4 485kgNH4 (OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 009 HAuCl4 x 324
32 04710860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad kg de NH4 (OH) = 105kg γ Al203 x ( ) )(3500100
534
32
4 OHkgNHAlkg
OHkgNH=
γ
cantidad de Cl2 = 004 kg Au x
22
2 02901000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
gAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 =
44
44 02001701000
11
973391
197196
11
1000010 kgHAukgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgr
molAuxkg
grkgAux asymp=
Ingenieriacutea Quiacutemica 55
UAM-I
23 kg γ Al203 008kgNH4(OH) 002 kg HAuCl4 23 kg γAl203 (9965) 485kgNH4(OH) 0008kgAu(035) 1101185kg H2 0001kg Cl2
0014 kg HAuCl4 493kgNH4(OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 002kgHAuCl4 x 324
32 032860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad de kg Au = 035 x kgAukg 00806599
32=
cantidad de kgCl2 = 0002kgAu x
24
4 00101000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 = 0008kgAu x
44
44 01401000
11
973341
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 56
UAM-I
APEacuteNDICE C ACCESORIOS EN EL DISENtildeO
Agitador
Agitadores de Heacutelice se escogioacute este tipo de agitador por ser tener las siguientes
caracteriacutesticas [3]
bull Es un agitador de flujo axial
bull Se emplea para liacutequidos pocos viscosos
bull Giran a toda la velocidad del motor
bull Las corrientes de flujo se mueven a traveacutes del liacutequido en una direccioacuten
determinada hasta que son desviadas por el fondo o las paredes del tanque
bull Las palas de la heacutelice cortan o friccionan vigorosamente el liacutequido
bull Los agitadores de heacutelice son eficaces para tanques de gran tamantildeo
Horno
bull El horno se escogioacute por ser tener las siguientes caracteriacutesticas [5]
bull El horno de construccioacuten metaacutelica
bull La caacutemara de combustioacuten estaacute construida mediante hormigones refractarios
de alta resistencia mecaacutenica
bull Las materias secar y calcinar se carga de forma manual
Ingenieriacutea Quiacutemica 57
UAM-I
Bomba
DISENtildeO Bomba centrifuga para operacioacuten horizontal o vertical del impulsor
cerrado succioacuten al extremo descarga hacia arriba tangencial simple succioacuten de un
paso con carcaza partida verticalmente [3]
ROTACIOacuteN En el sentido del reloj vista desde el cople
CARACTERIacuteSTICAS Conexiones brindadas con registro ubicado en la cabeza de
succioacuten para facilitar su limpieza
SERVICIO Debido a que es posible colocarla en posicioacuten horizontal o vertical tanto
en caacutercamos secos como huacutemedos y por el disentildeo de su impulsor que soacutelidos de
gran tamantildeo esta bomba es ideal para los procesos de tratamientos de agua y
manejo de liacutequidos en suspensioacuten en general
CAPACIDADES
GASTO Hasta 3000 GPM
CDT Hasta 80rsquo
PRESIOacuteN 106 Kgcmsup2
POTENCIA De 1 a 60 Hp
VELOCIDAD (1175 - 3550 RPM)
TEMPERATURA 125degC
Ingenieriacutea Quiacutemica 58
UAM-I
Bombas Centriacutefugas
Las maquinas centriacutefugas estaacuten constituidas por un impulsor o rodete formado por
una serie de aletas radiales diversas formas y curvaturas que giran dentro de una
caja circular El fluido penetra por el ojo o eje de rotacioacuten y se descarga maacutes o
menos radialmente en una caacutemara perifeacuterica a una elevada presioacuten que
corresponde a la suma de la fuerza centriacutefuga de la rotacioacuten maacutes la cineacutetica
comunicada al fluido por las aletas La parte moacutevil de la bomba es el rodete Las
aletas del rodete se extienden desde el centro de rotacioacuten hacia la periferia y las
bridas son los discos de refuerzo a cada lado de las aletas que las envuelven Las
aletas pueden ser radiales curvadas ligeramente hacia delante en el mismo sentido
de la rotacioacuten o estar curvadas al reveacutes en el caso maacutes comuacuten en el disentildeo se
determino el rodete siguiente por sus caracteriacutesticas Fig 1
Figura 1 Corte parcial de un rodete de centriacutefuga para grandes cargas y secciones
de paso estrechas empleando con liacutequidos corrosivos o suspensiones de pequentildeas
partiacuteculas[4]
Ingenieriacutea Quiacutemica 59
UAM-I
APENDICE D CALCULO DE POTENCIA DE BOMBAS (8)
Potencia de la bomba de la cisterna 1 que alimenta a los mezclador 4
Ecuacioacuten de Bernoulli
sum sumint =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛+++∆+∆i i
i
P
P
evvfDLvwdphgv 0
21
21
ˆ1
21 222
2
1ρ
a b c d e f
a Diferencia de velocidades
b Diferencia de alturas
c Diferencia de presiones
d Trabajo
e Perdidas de friccioacuten en tuberiacuteas
f Perdidas de friccioacuten en accesorios
En la ecuacioacuten anterior se pueden eliminar algunos teacuterminos
21 mts
6 mts 35 mts
Figura 1 Balance de cisterna 1 a mezclador 4
Se debe de tener dos puntos de referencia para la utilizacioacuten de la ecuacioacuten de
Bernoulli de los cuales se anotaron en la figura 2
Ingenieriacutea Quiacutemica 60
UAM-I
21 mts
2 1 6 mts 35 mts
Figura 2
Teniendo los puntos de referencia se analiza que las diferencias de velocidades son
cero en ambos puntos por lo tanto el termino 2
21 ν∆ es igual a cero
El termino de = (981hg∆ 2segm )(35m ndash 0) = 34335 2
2
segm
El termino de int2
1
1P
P
dpρ
se tiene que la cisterna y el tanque de mezclado ambos no
estaacuten cerrados y por lo tanto no originan un cambio de presioacuten y el termino es cero
De esta expresioacuten L longitud de tuberiacutea
tro de tuberiacutea
n el interior del tubo
v
Para la l radio del tubo que
sum ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
i
fDL2
21 ν
D diaacuteme
f perdidas de friccioacuten e
velocidad del flujo de agua
obtencioacuten de la velocidad se tiene el flujo volumeacutetrico y e
es de 32 cm =0032mts con la ecuacioacuten
Ingenieriacutea Quiacutemica 61
( )( ) sm
ms
m
RQ 761
032060min1)
min340(
2
3
2 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
==ππ
ν
UAM-I
Se reportan valores de perdida de fr
e reduce teacuterminos
iccioacuten en tubos que son igual a 005
Por lo tanto sustituyendo los teacuterminos en la ecuacioacuten de Bernoulli s
sum sumint =⎟⎠
⎜⎝
+⎟⎠
⎜⎝
+++∆+∆i i
iP
evvfD
vwdphgv 022
ˆ2
1ρ
⎞⎛⎞⎛ L 111 2222
or tanto el termino de trabajo queda expresado de la siguiente manera
tanto la bomba comunica al fluido que circula en el sistema un trabajo
+11727
P1
p w
sum sum ∆minus⎟⎠⎞
⎜⎝⎛minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛minus=
i ii
hgevvfDLvw 22
21
21
ˆ
( ) ( )
Este es el trabajo ( por unidad de masa) producido por el fluido en la bomba por lo
22
sm o 11727 981 = 1195
m
fKg
Kgm
La velocidad de flujo de masa es
Por lo tanto
1 )=6694
951)(675(ˆ =minus=minus WwW smkg f = 088Hp = 1Hp
Siendo esta ida para esta bomba El procedimiento anterior se
iguioacute para cada bomba de la planta
AP E
la potencia requer
s
EacuteNDICE
TOXICOLOGIacuteA DE MATERIAS PRIMAS [6]
( ) ( ) ( )( ) ( )( )msm
smmmm
sm 538192201150761
21050
032021536761
21
2
22minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ +minus⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ++
minus=wm
22
27117ˆ smw minus=
( )s
kgmkgQw m675100060340 3 === ρ
Ingenieriacutea Quiacutemica 62
UAM-I
HIDROacuteXIDO DE SODIO
Polvo corrosivo blanco delicuescente
Toxicidad
Concentracioacuten Maacutexima permisible 2mgm3 en aire
Signos y Siacutentomas Conjutivitis quemaduras corneales y de la piel Irritacioacuten
seas vomito dolor abdominal y diarrea a veces con
Lavado de las partes afectadas tranquilizantes sulfato de
decuada gafas protectoras o pantallas para
ignos y Siacutentomas Irritacioacuten de ojos quemaduras corneables tos dolores
l hemoptisis dolor de cabeza dolor epigaacutestrico nauseas y vomito
lmonar
Tratamiento lavado de ojos con agua reposo oxigeno con aparato de respiracioacuten
con onantes
ACIDO NITRICO
Liquido corrosivo sofocante de incoloro a amarillento
ioacuten maacutexima permisible 10ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
del tracto respiratorio nau
sangre
Tratamiento
morfina para el dolor y cortisona
Medidas preventivas Ventilacioacuten a
la cara completa mascarilla con filtro mecaacutenico guantes delantares botas de
goma y acentuar la limpieza personal
CLORO
Gas pasado amarillo verdoso
Toxicidad
Conc Maacutexima permisible 1 ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten
S
retrosterna
debilidad cianosis y edema pu
trolada bronco dilatadores y descongesti
Toxicidad
Concentrac
Ingenieriacutea Quiacutemica 63
UAM-I
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
Signos y siacutentomas Erosioacuten dental estornudo tos Dolor en el pecho bronquitis y
la las partes contaminadas del cuerpo con solucioacuten al 5 de
de las quemaduras con pantildeos
de triacuteo sulfato soacutelido si se a ingerido
vado de ojos con agua
ACIDO CLORIDRICO
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
ivitis necrosis corneal por inhalacioacuten rinitis erosioacuten
dolor de cabeza palpitacioacuten por ingestioacuten
s en la boca faringe esoacutefago estomago salivacioacuten vomito Soc
agua lavada de agua y jaboacuten de las partes
preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
AacuteC
El c
con o de hidroacutegeno una
concentracioacuten de 12 molLt Este aacutecido es un liacutequido incoloro con un olor aacutecido
bronconeumoniacutea
Tratamiento
bicarbonato soacutelido o con agua y jaboacuten Tratamiento
mojados con solucioacuten saturada
administracioacuten por viacutea oral de solucioacuten de jaboacuten Hidroacutexido caacutelcico o alumiacutenico u
oacutexido de magnesio
Medidas preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores excluir de la exposicioacuten
a los individuos con enfermedades de pulmones y rintildeones
Gas incoloro o liacutequido o a amarillento
Toxicidad
Concentracioacuten maacutexima permisible 5ppm en aire
Signos y siacutentomas conjunt
dental laringitis bronquitis neumoniacutea
quemadura
nefritis
Tratamiento lavado de ojos con
contaminantes del cuerpo tratamiento ordinario de quemaduras lavado gaacutestrico
se a ingerido con solucioacuten de bicarbonato soacutedico al 5 seguido de una instilacioacuten
de gel de hidroacutexido de aluminio
Medidas
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores
IDO CLORHIacuteDRICO
loruro de hidroacutegeno es en extremo soluble en agua de hecho el aacutecido clorhiacutedrico
centrado contiene cerca del 38 en masa de clorur
Ingenieriacutea Quiacutemica 64
UAM-I
pronunciado que se debe al equilibrio entre el cloruro de hidroacutegeno gaseoso y
ste con el aacutecido fluorhiacutedrico el aacutecido clorhiacutedrico es un aacutecido fuerte (pKa = -
7) y se ioniza casi totalmente
gar de aacutecido sulfuacuterico auque en menor grado Por
jemplo el zinc metaacutelico reacciona con aacutecido clorhiacutedrico para dar el ion zinc e
hidroacutegeno gaseoso
Zn(s) + 2HCl(ac) ZnCl2(ac) + H2(g)
l para producir aacutecido clorhiacutedrico en el laboratorio es generar
cloruro de hidroacutegen e sodio y el aacutecido
ulfuacuterico En el primer paso a 150degC se forma hidroacutegeno sulfato de sodio
NaHSO4(s) + HCl(g)
io y maacutes
loruro de hidroacutegeno gaseoso Luego el gas se disuelve en agua para formar el
aacutecido
NaHSO4(s) + NaCl(s) Na2SO4(s) + HCl(g)
acuoso
HCl(ac) HCl(g)
El reactivo de grado teacutecnico a menudo tiene un color amarillento por una impureza
del ion hierro (III)
En contra
HCl(ac) + H2O(l) H2O+(ac) + Cl -(ac)
Por ello a menudo se prefiere usar aacutecido clorhiacutedrico diluido en lugar de aacutecido niacutetrico
que es muy oxidante y en lu
e
Cuando el zinc reacciona con el aacutecido niacutetrico es comuacuten que se reduzca una parte
del ion nitrato para dar dioacutexido de nitroacutegeno
El meacutetodo tradiciona
o gaseoso por la reaccioacuten entre el cloruro d
s
NaCl(s) + H2SO4(l)
La mezcla se calienta a 550degC temperatura a la cual el hidroacutegeno sulfato de sodio
reacciona con un exceso de cloruro de sodio para formar sulfato de sod
c
∆
Este meacutetodo se usa tambieacuten en la industria otra forma de producir cloruro de
hidroacutegeno es por la combinacioacuten directa de dicloro y dihidroacutegenogaseosos
Ingenieriacutea Quiacutemica 65
UAM-I
H2(g) + Cl2(g) 2HCl(g)
La mayor cantidad de cloruro de hidroacutegeno que se produce actualmente es un
CH4(g) + 4Cl2(g) 4(l) + 4HCl(g)
riacuten de superficies de acero en un bantildeo aacutecido en la purificacioacuten de glucosa
y jarabe de maiacutez e s y de gas y en la
bricacioacuten de compuestos clorados El aacutecido se puedo comprar en muchas
nducida por la luz
4HNO3(ac) 4NO2(g) + O2(g) + 2H2O(l)
niacutetrico como disolvente)
H2NO3+ H2O + NO2
+
l siguiente
3HNO NO3 ndash
subproducto de otros procesos industriales como la siacutentesis de tetracloruro de
carbono
CCl
Se consumen cerca de 107 toneladas de aacutecido clorhiacutedrico cada antildeo en todo el
mundo Este aacutecido tiene una gama muy amplia de usos como aacutecido comuacuten para
eliminar o
n el tratamiento con aacutecido de pozos petrolero
fa
ferreteriacuteas con el arcaico nombre de aacutecido muriaacutetico sus principales usos caseros
son la limpieza de superficies de concreto y la eliminacioacuten de herrumbre Un nuacutemero
muy reducido de personas es incapaz de sintetizar suficiente jugo gaacutestrico y deben
de ingerir caacutepsulas de aacutecido clorhiacutedrico diluido con cada comida
AacuteCIDO NIacuteTRICO
El aacutecido niacutetrico un liacutequido aceitoso e incoloro en estado puro es sumamente
peligroso El aacutecido que funde a ndash42degC y hierve a +83degC tiene por lo general un
ligero color amarillo a causa de una reaccioacuten de descomposicioacuten i
En un estado puro el aacutecido niacutetrico liacutequido praacutecticamente no conduce la electricidad
Una pequentildea porcioacuten se ioniza como sigue (todas estas especies existen en el aacutecido
2HNO3(l) H2NO3+ + NO3
ndash
H2O + HNO3 H3O+ + NO3 ndash
Para dar la reaccioacuten globa
3 NO2+ + H3O + 2+
Ingenieriacutea Quiacutemica 66
UAM-I
El catioacuten nitrilo es importante en la nitracioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas por ejemplo la
obenceno C6H5NO2 una etapa importante en
umerosos procesos industriales orgaacutenicos
El aacutecido niacutetrico con en agua mientras
ue el ldquoaacutecido niacutetrico fumanterdquo un oxidante extremadamente poderoso es una
vez de ello se produce una mezcla de
sistema que da un orden de
vista industrial el
oceso
e lleva a cabo en tres etapas Primero se hace pasar una mezcla de amoniaco y de
dioxiacutegeno (o aire) un proceso muy
ficiente y exoteacutermico que hace que la malla se ponga al rojo Esta etapa se verifica
conversioacuten de benceno C6H6 en nitr
n
centrado es en realidad una solucioacuten al 70
q
solucioacuten roja de dioacutexido de nitroacutegeno en aacutecido niacutetrico puro Incluso cuando esta
diluido el aacutecido niacutetrico es un oxidante tan fuerte que rara vez desprende hidroacutegeno
cuando se pone en contacto con metales en
oacutexidos de nitroacutegeno y el metal se oxido a su catioacuten
Los enlaces O-N son mucho maacutes cortos (121 pm) que el enlace O-N unidos al aacutetomo
de hidroacutegeno (141 pm) Esta longitud de enlaces indica que hay enlaces muacuteltiples
entre el nitroacutegeno y los dos aacutetomos de oxiacutegeno terminales Ademas de los electrones
del sistema σ hay cuatro electrones que participan en el sistema π O-N-O dos de un
orbital enlazante y dos en un orbital no enlazante
enlace de 112 para cada uno de esos enlaces nitroacutegeno- oxiacutegeno
A veces se nos olvida hasta queacute punto nuestra experiencia depende de la
termodinaacutemica y la cineacutetica Por ejemplo la primera siacutentesis industrial de aacutecido
niacutetrico se llevaba ha cabo por simple combinacioacuten de diniacutetrogeno dioxiacutegeno y agua
utilizando un horno de arco eleacutectrico a fin de proporcionar la energiacutea necesaria par
superar la muy elevada barrera cineacutetica Aunque desde el punto de
factor cineacutetico constituiacutea un problema en realidad es una bendicioacuten por que sin esta
barrera cineacutetica hace mucho tiempo que todo el dioacutexido de la atmoacutesfera se abriacutea
transformado en aacutecido niacutetrico y nuestros mares serian de aacutecido niacutetrico diluido
frac12 N2(g) + 54O2(g) + 12H2O(g) HNO3(g)
Ahora se utiliza el proceso Ostwald para la siacutentesis de aacutecido niacutetrico Este proceso
consume gran parte del amoniaco que se produce por el proceso Haber El pr
s
a traveacutes de una malla de platino metaacutelico Eacuteste es
e
a baja presioacuten para aprovechar el efecto entropico es decir la formacioacuten de 10
moles de gas a partir de 9 moles de gas (una aplicacioacuten del principio de Le Chatelier)
para desplazar el equilibrio a la derecha
Ingenieriacutea Quiacutemica 67
UAM-I
4NH3(g) + 5O2(g) 4NO(g) + 6H2O(g)
Se agrega maacutes oxiacutegeno para oxidar el monoacutexido de nitroacutegeno a dioacutexido de nitroacutegeno
A fin de mejorar el rendimiento de esta reaccioacuten exoteacutermica se extrae calor de los
ases y la mezcla se somete a presioacuten
2HNO3(l) + NO(g)
Esta reaccioacuten tambieacuten es exoteacutermica y una vez maacutes se aplica enfriamiento y alta
la
egunda etapa para oxidarlo de nuevo
La contaminacioacuten s de aacutecido niacutetrico
as plantas maacutes antiguas eran faacutecilmente identificables por la fumarola cafeacute-
antas maacutes antiguas ahora mezcla cantidades
en Estados Unidos porque un 20
dedica ala produccioacuten de explosivos
or ultimo el aacutecido niacutetrico es un liacutequido que hierve a 826degC No existe como liacutequido
g
2NO(g) + O2(g) 2NO2(g)
El dioacutexido de nitroacutegeno se mezcla con agua para dar una solucioacuten de aacutecido niacutetrico
3NO2(g) + H2O(l)
presioacuten par obtener el maacuteximo rendimiento El monoacutexido de nitroacutegeno se vuelve a
s
soliacutea ser un problema importante de las planta
L
amarillento del dioacutexido de nitroacutegeno que escapaba por ellas Las plantas maacutes
antiguas eran faacutecilmente identificable por la fumadora cafeacute-amarillo del dioacutexido de
nitroacutegeno que escapaba de ellas Las pl
estequiomeacutetricas de amoniaco con las oacutexidos de nitroacutegeno con lo cual se obtiene
dinitroacutegeno y vapor de agua ambos inocuos
NO(g) + NO2 (g) + 2NH3(g) 2N2(g) + 3H2O(g)
En todo el mundo alrededor del 80 del aacutecido niacutetrico se utiliza en la produccioacuten de
fertilizantes Esta proporcioacuten es de solo el 65
se
P
puro porque en alguna medida se descompone espontaacuteneamente como sigue
4HNO3(l) 4NO2(g) + 2H2O(l) + O2(g)
Ingenieriacutea Quiacutemica 68
UAM-I
El aacutecido niacutetrico concentrado que se usa en el laboratorio estaacute al 68 en masa HNO3
(densidad 142 gcm3) lo que corresponde a 157 M
l aacutecido niacutetrico es un poderoso agente oxidante El nuacutemero de oxidacioacuten del N en el
) El aacutecido niacutetrico puede oxidar
nto a metales que estaacuten abajo del hidroacutegeno como aquellos que se encuentran
4Zn2+(ac) + NH4
+(ac) + 3H2O(l)
do no oxida al oro Sin embargo cuando se mezcla con
cido clorhiacutedrico concentrado en relacioacuten 13 en volumen (una parte de HNO3 a tres
partes al oro
omo sigue
APEacuteNDICE F
ETODO DE DEPOSICIOacuteN-PRECIPITACIOacuteN
E
HNO3 es + 5 Los productos maacutes comunes de la reduccioacuten del aacutecido niacutetrico son el
NO2 (N = + 4) el NO (N = + 2) y el NH4+ (N = - 3
ta
arriba en la serie de actividades Por ejemplo el cobre es oxidado por el aacutecido niacutetrico
concentrado como se mencionoacute antes
En presencia de reductores fuertes como el zinc metaacutelico el aacutecido niacutetrico se puede
reducir hasta ion amonio
4Zn(s) + 10H+(ac) + NO3
-(ac)
El aacutecido niacutetrico concentra
aacute
de HCl) la disolucioacuten resultante denominada agua regia puede oxidar
c
Au(s) + 3HNO3(ac) + 4HCl(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O(l) + 3NO2(g)
M
Ingenieriacutea Quiacutemica 69
UAM-I
APEacuteNDICE G
ISENtildeO DEL MEZCLADOR [4]
1) 100 ml H2O gr soporte
2) NH4(OH)
Ajustar a PH = 9 4) HAuCl4 (solucioacuten acuosa al 25E-3M)
6) Filtrado o centrifugado
3) En Agitacioacuten por 2 hr
8) Secado por 2hr a 80 degC
9 ) Calcinado por 4hr a 400 degC
7) Lavado
5) Antildeegamiento por 30 min
D
Ingenieriacutea Quiacutemica 70
UAM-I
El disentildeo de un tanque agitado dis n nuacutemero de elecciones sobre el
po y localizacioacuten del agitador las proporciones del tanque el nuacutemero y dimensiones
ada una de estas decisiones afectan a la velocidad
e circulacioacuten del liacutequido los modelos de velocidad y el consumo de potencia Como
pone de un gra
ti
de las placas deflectoras etc C
d
punto de partida en el disentildeo de los problemas ordinarios de agitacioacuten generalmente
se utiliza un agitador de turbina del tipo que se muestra en la figura 1 La proporcioacuten
tiacutepica es
31
=t
a
DD
1=tD
H 121
=tD
J 51
=aD
W 41
=aD
L
de estas ecuaciones se disentildeara el mezclador como datos se tiene el valor H que es
igual a 3 mts y el diaacutemetro del tanque D
Se determinara la medida de los reflectores
t que es igual 3 mts
121
=tD
J se despeja J
elacioacuten R31
=t
a
DD
se despeja Da
Relacioacuten
41
=aD
L se despeja L
elacioacuten se despeja W
( ) ( ) cmmtsmtsDJ 25250311==⎟
⎞⎜⎛=⎟
⎞⎜⎛= t 1212 ⎠⎝⎠⎝
( ) ( ) mtsmtsDD ta 1331
31
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=
( ) ( ) mtsmtsDL a 250141
41
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛= cm25=
51
=aD
WR
Ingenieriacutea Quiacutemica 71
UAM-I
Figura 2 a) Vista transversal del mezclador b) paletas del mezclador con la
donde se deposita el soporte
Figura 1 Medidas de un agitador de turbina
a) b)
s rejillas
H
J
E L
Da
D t
W
W
( ) ( ) cmmtsmtsDW a 2020151
5==⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎜⎝
=1 ⎞⎛
Ingenieriacutea Quiacutemica 72
UAM-I
05 kg Au 048 kgHNO3 035 kgNO2 101021 kgH20 (152M) 037 kgHCl(ac)
(105 m) 086 kg HAuCl4 (ac) 086 kg HAuCl4 (ac)
(17 M) 014 kgH20 (25x10-3M) 014kg H20 (L) 086kg HAuCl4 035kgNO2 (g) 101185kg H20 Cantidad de H20 = 086 kgHAuCl4
x 08510110101
105201
173341
11000
22
23
24 kgHLtHkgHx
MxltHx
grmolHAuClx
kggr
=minus
pero (101185 ndash 014 ndash 05 ndash 1) kg H20 = 101021 kg H20 100ml H20 por 1 gr soporte 35kg NH4 (OH)(AC) 10000kgH20 100 kg γAl203 (9965) 035kgAu (035) 100kg γAl203 025kgCl2 086kg HAuCl4 026kgHAuCl4
101185 kg H20 35kgNH4 (OH)(AC) 1101185kgH20 cantidad de kgHAuCl4 = 015kgAu x
44
4 2601000
11
973391
197196
147196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxgrAu
molxkg
gr=
cantidad de NH4(OH) = 100kg γ Al203 x
Ingenieriacutea Quiacutemica 53
UAM-I
kgNHxmol
grx
mlmol
xOAlgr
OHmlNHx
kg
gr53
10001
1
35
100010
1
)(10
1
1000
32
4=
γ4(OH)
30kg γAL2O3 1 kgNH4(OH)(AC) 30 kg γ Al203 (9965) 010 kg Au (035) 026kgHAuCl4 007kg Cl2 35kgNH4(OH) 1101185 kgH2O 0086kgHAuCl4 45 kg NH4(OH)(AC) 1101185 kg H20
cantidad de γ Al2O3 = 026kgHAuCl4 x 324
32 02330860
100 AlkgkgHAuCl
OAlkg γγ=
cantidad de kgAu = 035 x kgAukg 10506599
30=
cantidad de kg Cl2 = 01 kgAu x
22
2 07201000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de HAuCl4 = 005kgAu x
44
4 08601000
11
973391
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 54
UAM-I
cantidad de kgNO4(OH) = 30 kg γ Al203 x ( )OHkgNHAlkg
OHkgNO4
32
4 0510100
)(53=
γ
105 kg γ Al203 035 kg NH2(OH) 105 kg γ Al203 (9965) 004 kg Au (035) 009kg HAuCl4 003 kg Cl2 45kgNH4(OH) 1101185 kg H20 0017kgHAuCl4 485kgNH4 (OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 009 HAuCl4 x 324
32 04710860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad kg de NH4 (OH) = 105kg γ Al203 x ( ) )(3500100
534
32
4 OHkgNHAlkg
OHkgNH=
γ
cantidad de Cl2 = 004 kg Au x
22
2 02901000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
gAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 =
44
44 02001701000
11
973391
197196
11
1000010 kgHAukgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgr
molAuxkg
grkgAux asymp=
Ingenieriacutea Quiacutemica 55
UAM-I
23 kg γ Al203 008kgNH4(OH) 002 kg HAuCl4 23 kg γAl203 (9965) 485kgNH4(OH) 0008kgAu(035) 1101185kg H2 0001kg Cl2
0014 kg HAuCl4 493kgNH4(OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 002kgHAuCl4 x 324
32 032860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad de kg Au = 035 x kgAukg 00806599
32=
cantidad de kgCl2 = 0002kgAu x
24
4 00101000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 = 0008kgAu x
44
44 01401000
11
973341
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 56
UAM-I
APEacuteNDICE C ACCESORIOS EN EL DISENtildeO
Agitador
Agitadores de Heacutelice se escogioacute este tipo de agitador por ser tener las siguientes
caracteriacutesticas [3]
bull Es un agitador de flujo axial
bull Se emplea para liacutequidos pocos viscosos
bull Giran a toda la velocidad del motor
bull Las corrientes de flujo se mueven a traveacutes del liacutequido en una direccioacuten
determinada hasta que son desviadas por el fondo o las paredes del tanque
bull Las palas de la heacutelice cortan o friccionan vigorosamente el liacutequido
bull Los agitadores de heacutelice son eficaces para tanques de gran tamantildeo
Horno
bull El horno se escogioacute por ser tener las siguientes caracteriacutesticas [5]
bull El horno de construccioacuten metaacutelica
bull La caacutemara de combustioacuten estaacute construida mediante hormigones refractarios
de alta resistencia mecaacutenica
bull Las materias secar y calcinar se carga de forma manual
Ingenieriacutea Quiacutemica 57
UAM-I
Bomba
DISENtildeO Bomba centrifuga para operacioacuten horizontal o vertical del impulsor
cerrado succioacuten al extremo descarga hacia arriba tangencial simple succioacuten de un
paso con carcaza partida verticalmente [3]
ROTACIOacuteN En el sentido del reloj vista desde el cople
CARACTERIacuteSTICAS Conexiones brindadas con registro ubicado en la cabeza de
succioacuten para facilitar su limpieza
SERVICIO Debido a que es posible colocarla en posicioacuten horizontal o vertical tanto
en caacutercamos secos como huacutemedos y por el disentildeo de su impulsor que soacutelidos de
gran tamantildeo esta bomba es ideal para los procesos de tratamientos de agua y
manejo de liacutequidos en suspensioacuten en general
CAPACIDADES
GASTO Hasta 3000 GPM
CDT Hasta 80rsquo
PRESIOacuteN 106 Kgcmsup2
POTENCIA De 1 a 60 Hp
VELOCIDAD (1175 - 3550 RPM)
TEMPERATURA 125degC
Ingenieriacutea Quiacutemica 58
UAM-I
Bombas Centriacutefugas
Las maquinas centriacutefugas estaacuten constituidas por un impulsor o rodete formado por
una serie de aletas radiales diversas formas y curvaturas que giran dentro de una
caja circular El fluido penetra por el ojo o eje de rotacioacuten y se descarga maacutes o
menos radialmente en una caacutemara perifeacuterica a una elevada presioacuten que
corresponde a la suma de la fuerza centriacutefuga de la rotacioacuten maacutes la cineacutetica
comunicada al fluido por las aletas La parte moacutevil de la bomba es el rodete Las
aletas del rodete se extienden desde el centro de rotacioacuten hacia la periferia y las
bridas son los discos de refuerzo a cada lado de las aletas que las envuelven Las
aletas pueden ser radiales curvadas ligeramente hacia delante en el mismo sentido
de la rotacioacuten o estar curvadas al reveacutes en el caso maacutes comuacuten en el disentildeo se
determino el rodete siguiente por sus caracteriacutesticas Fig 1
Figura 1 Corte parcial de un rodete de centriacutefuga para grandes cargas y secciones
de paso estrechas empleando con liacutequidos corrosivos o suspensiones de pequentildeas
partiacuteculas[4]
Ingenieriacutea Quiacutemica 59
UAM-I
APENDICE D CALCULO DE POTENCIA DE BOMBAS (8)
Potencia de la bomba de la cisterna 1 que alimenta a los mezclador 4
Ecuacioacuten de Bernoulli
sum sumint =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛+++∆+∆i i
i
P
P
evvfDLvwdphgv 0
21
21
ˆ1
21 222
2
1ρ
a b c d e f
a Diferencia de velocidades
b Diferencia de alturas
c Diferencia de presiones
d Trabajo
e Perdidas de friccioacuten en tuberiacuteas
f Perdidas de friccioacuten en accesorios
En la ecuacioacuten anterior se pueden eliminar algunos teacuterminos
21 mts
6 mts 35 mts
Figura 1 Balance de cisterna 1 a mezclador 4
Se debe de tener dos puntos de referencia para la utilizacioacuten de la ecuacioacuten de
Bernoulli de los cuales se anotaron en la figura 2
Ingenieriacutea Quiacutemica 60
UAM-I
21 mts
2 1 6 mts 35 mts
Figura 2
Teniendo los puntos de referencia se analiza que las diferencias de velocidades son
cero en ambos puntos por lo tanto el termino 2
21 ν∆ es igual a cero
El termino de = (981hg∆ 2segm )(35m ndash 0) = 34335 2
2
segm
El termino de int2
1
1P
P
dpρ
se tiene que la cisterna y el tanque de mezclado ambos no
estaacuten cerrados y por lo tanto no originan un cambio de presioacuten y el termino es cero
De esta expresioacuten L longitud de tuberiacutea
tro de tuberiacutea
n el interior del tubo
v
Para la l radio del tubo que
sum ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
i
fDL2
21 ν
D diaacuteme
f perdidas de friccioacuten e
velocidad del flujo de agua
obtencioacuten de la velocidad se tiene el flujo volumeacutetrico y e
es de 32 cm =0032mts con la ecuacioacuten
Ingenieriacutea Quiacutemica 61
( )( ) sm
ms
m
RQ 761
032060min1)
min340(
2
3
2 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
==ππ
ν
UAM-I
Se reportan valores de perdida de fr
e reduce teacuterminos
iccioacuten en tubos que son igual a 005
Por lo tanto sustituyendo los teacuterminos en la ecuacioacuten de Bernoulli s
sum sumint =⎟⎠
⎜⎝
+⎟⎠
⎜⎝
+++∆+∆i i
iP
evvfD
vwdphgv 022
ˆ2
1ρ
⎞⎛⎞⎛ L 111 2222
or tanto el termino de trabajo queda expresado de la siguiente manera
tanto la bomba comunica al fluido que circula en el sistema un trabajo
+11727
P1
p w
sum sum ∆minus⎟⎠⎞
⎜⎝⎛minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛minus=
i ii
hgevvfDLvw 22
21
21
ˆ
( ) ( )
Este es el trabajo ( por unidad de masa) producido por el fluido en la bomba por lo
22
sm o 11727 981 = 1195
m
fKg
Kgm
La velocidad de flujo de masa es
Por lo tanto
1 )=6694
951)(675(ˆ =minus=minus WwW smkg f = 088Hp = 1Hp
Siendo esta ida para esta bomba El procedimiento anterior se
iguioacute para cada bomba de la planta
AP E
la potencia requer
s
EacuteNDICE
TOXICOLOGIacuteA DE MATERIAS PRIMAS [6]
( ) ( ) ( )( ) ( )( )msm
smmmm
sm 538192201150761
21050
032021536761
21
2
22minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ +minus⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ++
minus=wm
22
27117ˆ smw minus=
( )s
kgmkgQw m675100060340 3 === ρ
Ingenieriacutea Quiacutemica 62
UAM-I
HIDROacuteXIDO DE SODIO
Polvo corrosivo blanco delicuescente
Toxicidad
Concentracioacuten Maacutexima permisible 2mgm3 en aire
Signos y Siacutentomas Conjutivitis quemaduras corneales y de la piel Irritacioacuten
seas vomito dolor abdominal y diarrea a veces con
Lavado de las partes afectadas tranquilizantes sulfato de
decuada gafas protectoras o pantallas para
ignos y Siacutentomas Irritacioacuten de ojos quemaduras corneables tos dolores
l hemoptisis dolor de cabeza dolor epigaacutestrico nauseas y vomito
lmonar
Tratamiento lavado de ojos con agua reposo oxigeno con aparato de respiracioacuten
con onantes
ACIDO NITRICO
Liquido corrosivo sofocante de incoloro a amarillento
ioacuten maacutexima permisible 10ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
del tracto respiratorio nau
sangre
Tratamiento
morfina para el dolor y cortisona
Medidas preventivas Ventilacioacuten a
la cara completa mascarilla con filtro mecaacutenico guantes delantares botas de
goma y acentuar la limpieza personal
CLORO
Gas pasado amarillo verdoso
Toxicidad
Conc Maacutexima permisible 1 ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten
S
retrosterna
debilidad cianosis y edema pu
trolada bronco dilatadores y descongesti
Toxicidad
Concentrac
Ingenieriacutea Quiacutemica 63
UAM-I
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
Signos y siacutentomas Erosioacuten dental estornudo tos Dolor en el pecho bronquitis y
la las partes contaminadas del cuerpo con solucioacuten al 5 de
de las quemaduras con pantildeos
de triacuteo sulfato soacutelido si se a ingerido
vado de ojos con agua
ACIDO CLORIDRICO
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
ivitis necrosis corneal por inhalacioacuten rinitis erosioacuten
dolor de cabeza palpitacioacuten por ingestioacuten
s en la boca faringe esoacutefago estomago salivacioacuten vomito Soc
agua lavada de agua y jaboacuten de las partes
preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
AacuteC
El c
con o de hidroacutegeno una
concentracioacuten de 12 molLt Este aacutecido es un liacutequido incoloro con un olor aacutecido
bronconeumoniacutea
Tratamiento
bicarbonato soacutelido o con agua y jaboacuten Tratamiento
mojados con solucioacuten saturada
administracioacuten por viacutea oral de solucioacuten de jaboacuten Hidroacutexido caacutelcico o alumiacutenico u
oacutexido de magnesio
Medidas preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores excluir de la exposicioacuten
a los individuos con enfermedades de pulmones y rintildeones
Gas incoloro o liacutequido o a amarillento
Toxicidad
Concentracioacuten maacutexima permisible 5ppm en aire
Signos y siacutentomas conjunt
dental laringitis bronquitis neumoniacutea
quemadura
nefritis
Tratamiento lavado de ojos con
contaminantes del cuerpo tratamiento ordinario de quemaduras lavado gaacutestrico
se a ingerido con solucioacuten de bicarbonato soacutedico al 5 seguido de una instilacioacuten
de gel de hidroacutexido de aluminio
Medidas
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores
IDO CLORHIacuteDRICO
loruro de hidroacutegeno es en extremo soluble en agua de hecho el aacutecido clorhiacutedrico
centrado contiene cerca del 38 en masa de clorur
Ingenieriacutea Quiacutemica 64
UAM-I
pronunciado que se debe al equilibrio entre el cloruro de hidroacutegeno gaseoso y
ste con el aacutecido fluorhiacutedrico el aacutecido clorhiacutedrico es un aacutecido fuerte (pKa = -
7) y se ioniza casi totalmente
gar de aacutecido sulfuacuterico auque en menor grado Por
jemplo el zinc metaacutelico reacciona con aacutecido clorhiacutedrico para dar el ion zinc e
hidroacutegeno gaseoso
Zn(s) + 2HCl(ac) ZnCl2(ac) + H2(g)
l para producir aacutecido clorhiacutedrico en el laboratorio es generar
cloruro de hidroacutegen e sodio y el aacutecido
ulfuacuterico En el primer paso a 150degC se forma hidroacutegeno sulfato de sodio
NaHSO4(s) + HCl(g)
io y maacutes
loruro de hidroacutegeno gaseoso Luego el gas se disuelve en agua para formar el
aacutecido
NaHSO4(s) + NaCl(s) Na2SO4(s) + HCl(g)
acuoso
HCl(ac) HCl(g)
El reactivo de grado teacutecnico a menudo tiene un color amarillento por una impureza
del ion hierro (III)
En contra
HCl(ac) + H2O(l) H2O+(ac) + Cl -(ac)
Por ello a menudo se prefiere usar aacutecido clorhiacutedrico diluido en lugar de aacutecido niacutetrico
que es muy oxidante y en lu
e
Cuando el zinc reacciona con el aacutecido niacutetrico es comuacuten que se reduzca una parte
del ion nitrato para dar dioacutexido de nitroacutegeno
El meacutetodo tradiciona
o gaseoso por la reaccioacuten entre el cloruro d
s
NaCl(s) + H2SO4(l)
La mezcla se calienta a 550degC temperatura a la cual el hidroacutegeno sulfato de sodio
reacciona con un exceso de cloruro de sodio para formar sulfato de sod
c
∆
Este meacutetodo se usa tambieacuten en la industria otra forma de producir cloruro de
hidroacutegeno es por la combinacioacuten directa de dicloro y dihidroacutegenogaseosos
Ingenieriacutea Quiacutemica 65
UAM-I
H2(g) + Cl2(g) 2HCl(g)
La mayor cantidad de cloruro de hidroacutegeno que se produce actualmente es un
CH4(g) + 4Cl2(g) 4(l) + 4HCl(g)
riacuten de superficies de acero en un bantildeo aacutecido en la purificacioacuten de glucosa
y jarabe de maiacutez e s y de gas y en la
bricacioacuten de compuestos clorados El aacutecido se puedo comprar en muchas
nducida por la luz
4HNO3(ac) 4NO2(g) + O2(g) + 2H2O(l)
niacutetrico como disolvente)
H2NO3+ H2O + NO2
+
l siguiente
3HNO NO3 ndash
subproducto de otros procesos industriales como la siacutentesis de tetracloruro de
carbono
CCl
Se consumen cerca de 107 toneladas de aacutecido clorhiacutedrico cada antildeo en todo el
mundo Este aacutecido tiene una gama muy amplia de usos como aacutecido comuacuten para
eliminar o
n el tratamiento con aacutecido de pozos petrolero
fa
ferreteriacuteas con el arcaico nombre de aacutecido muriaacutetico sus principales usos caseros
son la limpieza de superficies de concreto y la eliminacioacuten de herrumbre Un nuacutemero
muy reducido de personas es incapaz de sintetizar suficiente jugo gaacutestrico y deben
de ingerir caacutepsulas de aacutecido clorhiacutedrico diluido con cada comida
AacuteCIDO NIacuteTRICO
El aacutecido niacutetrico un liacutequido aceitoso e incoloro en estado puro es sumamente
peligroso El aacutecido que funde a ndash42degC y hierve a +83degC tiene por lo general un
ligero color amarillo a causa de una reaccioacuten de descomposicioacuten i
En un estado puro el aacutecido niacutetrico liacutequido praacutecticamente no conduce la electricidad
Una pequentildea porcioacuten se ioniza como sigue (todas estas especies existen en el aacutecido
2HNO3(l) H2NO3+ + NO3
ndash
H2O + HNO3 H3O+ + NO3 ndash
Para dar la reaccioacuten globa
3 NO2+ + H3O + 2+
Ingenieriacutea Quiacutemica 66
UAM-I
El catioacuten nitrilo es importante en la nitracioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas por ejemplo la
obenceno C6H5NO2 una etapa importante en
umerosos procesos industriales orgaacutenicos
El aacutecido niacutetrico con en agua mientras
ue el ldquoaacutecido niacutetrico fumanterdquo un oxidante extremadamente poderoso es una
vez de ello se produce una mezcla de
sistema que da un orden de
vista industrial el
oceso
e lleva a cabo en tres etapas Primero se hace pasar una mezcla de amoniaco y de
dioxiacutegeno (o aire) un proceso muy
ficiente y exoteacutermico que hace que la malla se ponga al rojo Esta etapa se verifica
conversioacuten de benceno C6H6 en nitr
n
centrado es en realidad una solucioacuten al 70
q
solucioacuten roja de dioacutexido de nitroacutegeno en aacutecido niacutetrico puro Incluso cuando esta
diluido el aacutecido niacutetrico es un oxidante tan fuerte que rara vez desprende hidroacutegeno
cuando se pone en contacto con metales en
oacutexidos de nitroacutegeno y el metal se oxido a su catioacuten
Los enlaces O-N son mucho maacutes cortos (121 pm) que el enlace O-N unidos al aacutetomo
de hidroacutegeno (141 pm) Esta longitud de enlaces indica que hay enlaces muacuteltiples
entre el nitroacutegeno y los dos aacutetomos de oxiacutegeno terminales Ademas de los electrones
del sistema σ hay cuatro electrones que participan en el sistema π O-N-O dos de un
orbital enlazante y dos en un orbital no enlazante
enlace de 112 para cada uno de esos enlaces nitroacutegeno- oxiacutegeno
A veces se nos olvida hasta queacute punto nuestra experiencia depende de la
termodinaacutemica y la cineacutetica Por ejemplo la primera siacutentesis industrial de aacutecido
niacutetrico se llevaba ha cabo por simple combinacioacuten de diniacutetrogeno dioxiacutegeno y agua
utilizando un horno de arco eleacutectrico a fin de proporcionar la energiacutea necesaria par
superar la muy elevada barrera cineacutetica Aunque desde el punto de
factor cineacutetico constituiacutea un problema en realidad es una bendicioacuten por que sin esta
barrera cineacutetica hace mucho tiempo que todo el dioacutexido de la atmoacutesfera se abriacutea
transformado en aacutecido niacutetrico y nuestros mares serian de aacutecido niacutetrico diluido
frac12 N2(g) + 54O2(g) + 12H2O(g) HNO3(g)
Ahora se utiliza el proceso Ostwald para la siacutentesis de aacutecido niacutetrico Este proceso
consume gran parte del amoniaco que se produce por el proceso Haber El pr
s
a traveacutes de una malla de platino metaacutelico Eacuteste es
e
a baja presioacuten para aprovechar el efecto entropico es decir la formacioacuten de 10
moles de gas a partir de 9 moles de gas (una aplicacioacuten del principio de Le Chatelier)
para desplazar el equilibrio a la derecha
Ingenieriacutea Quiacutemica 67
UAM-I
4NH3(g) + 5O2(g) 4NO(g) + 6H2O(g)
Se agrega maacutes oxiacutegeno para oxidar el monoacutexido de nitroacutegeno a dioacutexido de nitroacutegeno
A fin de mejorar el rendimiento de esta reaccioacuten exoteacutermica se extrae calor de los
ases y la mezcla se somete a presioacuten
2HNO3(l) + NO(g)
Esta reaccioacuten tambieacuten es exoteacutermica y una vez maacutes se aplica enfriamiento y alta
la
egunda etapa para oxidarlo de nuevo
La contaminacioacuten s de aacutecido niacutetrico
as plantas maacutes antiguas eran faacutecilmente identificables por la fumarola cafeacute-
antas maacutes antiguas ahora mezcla cantidades
en Estados Unidos porque un 20
dedica ala produccioacuten de explosivos
or ultimo el aacutecido niacutetrico es un liacutequido que hierve a 826degC No existe como liacutequido
g
2NO(g) + O2(g) 2NO2(g)
El dioacutexido de nitroacutegeno se mezcla con agua para dar una solucioacuten de aacutecido niacutetrico
3NO2(g) + H2O(l)
presioacuten par obtener el maacuteximo rendimiento El monoacutexido de nitroacutegeno se vuelve a
s
soliacutea ser un problema importante de las planta
L
amarillento del dioacutexido de nitroacutegeno que escapaba por ellas Las plantas maacutes
antiguas eran faacutecilmente identificable por la fumadora cafeacute-amarillo del dioacutexido de
nitroacutegeno que escapaba de ellas Las pl
estequiomeacutetricas de amoniaco con las oacutexidos de nitroacutegeno con lo cual se obtiene
dinitroacutegeno y vapor de agua ambos inocuos
NO(g) + NO2 (g) + 2NH3(g) 2N2(g) + 3H2O(g)
En todo el mundo alrededor del 80 del aacutecido niacutetrico se utiliza en la produccioacuten de
fertilizantes Esta proporcioacuten es de solo el 65
se
P
puro porque en alguna medida se descompone espontaacuteneamente como sigue
4HNO3(l) 4NO2(g) + 2H2O(l) + O2(g)
Ingenieriacutea Quiacutemica 68
UAM-I
El aacutecido niacutetrico concentrado que se usa en el laboratorio estaacute al 68 en masa HNO3
(densidad 142 gcm3) lo que corresponde a 157 M
l aacutecido niacutetrico es un poderoso agente oxidante El nuacutemero de oxidacioacuten del N en el
) El aacutecido niacutetrico puede oxidar
nto a metales que estaacuten abajo del hidroacutegeno como aquellos que se encuentran
4Zn2+(ac) + NH4
+(ac) + 3H2O(l)
do no oxida al oro Sin embargo cuando se mezcla con
cido clorhiacutedrico concentrado en relacioacuten 13 en volumen (una parte de HNO3 a tres
partes al oro
omo sigue
APEacuteNDICE F
ETODO DE DEPOSICIOacuteN-PRECIPITACIOacuteN
E
HNO3 es + 5 Los productos maacutes comunes de la reduccioacuten del aacutecido niacutetrico son el
NO2 (N = + 4) el NO (N = + 2) y el NH4+ (N = - 3
ta
arriba en la serie de actividades Por ejemplo el cobre es oxidado por el aacutecido niacutetrico
concentrado como se mencionoacute antes
En presencia de reductores fuertes como el zinc metaacutelico el aacutecido niacutetrico se puede
reducir hasta ion amonio
4Zn(s) + 10H+(ac) + NO3
-(ac)
El aacutecido niacutetrico concentra
aacute
de HCl) la disolucioacuten resultante denominada agua regia puede oxidar
c
Au(s) + 3HNO3(ac) + 4HCl(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O(l) + 3NO2(g)
M
Ingenieriacutea Quiacutemica 69
UAM-I
APEacuteNDICE G
ISENtildeO DEL MEZCLADOR [4]
1) 100 ml H2O gr soporte
2) NH4(OH)
Ajustar a PH = 9 4) HAuCl4 (solucioacuten acuosa al 25E-3M)
6) Filtrado o centrifugado
3) En Agitacioacuten por 2 hr
8) Secado por 2hr a 80 degC
9 ) Calcinado por 4hr a 400 degC
7) Lavado
5) Antildeegamiento por 30 min
D
Ingenieriacutea Quiacutemica 70
UAM-I
El disentildeo de un tanque agitado dis n nuacutemero de elecciones sobre el
po y localizacioacuten del agitador las proporciones del tanque el nuacutemero y dimensiones
ada una de estas decisiones afectan a la velocidad
e circulacioacuten del liacutequido los modelos de velocidad y el consumo de potencia Como
pone de un gra
ti
de las placas deflectoras etc C
d
punto de partida en el disentildeo de los problemas ordinarios de agitacioacuten generalmente
se utiliza un agitador de turbina del tipo que se muestra en la figura 1 La proporcioacuten
tiacutepica es
31
=t
a
DD
1=tD
H 121
=tD
J 51
=aD
W 41
=aD
L
de estas ecuaciones se disentildeara el mezclador como datos se tiene el valor H que es
igual a 3 mts y el diaacutemetro del tanque D
Se determinara la medida de los reflectores
t que es igual 3 mts
121
=tD
J se despeja J
elacioacuten R31
=t
a
DD
se despeja Da
Relacioacuten
41
=aD
L se despeja L
elacioacuten se despeja W
( ) ( ) cmmtsmtsDJ 25250311==⎟
⎞⎜⎛=⎟
⎞⎜⎛= t 1212 ⎠⎝⎠⎝
( ) ( ) mtsmtsDD ta 1331
31
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=
( ) ( ) mtsmtsDL a 250141
41
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛= cm25=
51
=aD
WR
Ingenieriacutea Quiacutemica 71
UAM-I
Figura 2 a) Vista transversal del mezclador b) paletas del mezclador con la
donde se deposita el soporte
Figura 1 Medidas de un agitador de turbina
a) b)
s rejillas
H
J
E L
Da
D t
W
W
( ) ( ) cmmtsmtsDW a 2020151
5==⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎜⎝
=1 ⎞⎛
Ingenieriacutea Quiacutemica 72
UAM-I
kgNHxmol
grx
mlmol
xOAlgr
OHmlNHx
kg
gr53
10001
1
35
100010
1
)(10
1
1000
32
4=
γ4(OH)
30kg γAL2O3 1 kgNH4(OH)(AC) 30 kg γ Al203 (9965) 010 kg Au (035) 026kgHAuCl4 007kg Cl2 35kgNH4(OH) 1101185 kgH2O 0086kgHAuCl4 45 kg NH4(OH)(AC) 1101185 kg H20
cantidad de γ Al2O3 = 026kgHAuCl4 x 324
32 02330860
100 AlkgkgHAuCl
OAlkg γγ=
cantidad de kgAu = 035 x kgAukg 10506599
30=
cantidad de kg Cl2 = 01 kgAu x
22
2 07201000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de HAuCl4 = 005kgAu x
44
4 08601000
11
973391
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 54
UAM-I
cantidad de kgNO4(OH) = 30 kg γ Al203 x ( )OHkgNHAlkg
OHkgNO4
32
4 0510100
)(53=
γ
105 kg γ Al203 035 kg NH2(OH) 105 kg γ Al203 (9965) 004 kg Au (035) 009kg HAuCl4 003 kg Cl2 45kgNH4(OH) 1101185 kg H20 0017kgHAuCl4 485kgNH4 (OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 009 HAuCl4 x 324
32 04710860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad kg de NH4 (OH) = 105kg γ Al203 x ( ) )(3500100
534
32
4 OHkgNHAlkg
OHkgNH=
γ
cantidad de Cl2 = 004 kg Au x
22
2 02901000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
gAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 =
44
44 02001701000
11
973391
197196
11
1000010 kgHAukgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgr
molAuxkg
grkgAux asymp=
Ingenieriacutea Quiacutemica 55
UAM-I
23 kg γ Al203 008kgNH4(OH) 002 kg HAuCl4 23 kg γAl203 (9965) 485kgNH4(OH) 0008kgAu(035) 1101185kg H2 0001kg Cl2
0014 kg HAuCl4 493kgNH4(OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 002kgHAuCl4 x 324
32 032860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad de kg Au = 035 x kgAukg 00806599
32=
cantidad de kgCl2 = 0002kgAu x
24
4 00101000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 = 0008kgAu x
44
44 01401000
11
973341
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 56
UAM-I
APEacuteNDICE C ACCESORIOS EN EL DISENtildeO
Agitador
Agitadores de Heacutelice se escogioacute este tipo de agitador por ser tener las siguientes
caracteriacutesticas [3]
bull Es un agitador de flujo axial
bull Se emplea para liacutequidos pocos viscosos
bull Giran a toda la velocidad del motor
bull Las corrientes de flujo se mueven a traveacutes del liacutequido en una direccioacuten
determinada hasta que son desviadas por el fondo o las paredes del tanque
bull Las palas de la heacutelice cortan o friccionan vigorosamente el liacutequido
bull Los agitadores de heacutelice son eficaces para tanques de gran tamantildeo
Horno
bull El horno se escogioacute por ser tener las siguientes caracteriacutesticas [5]
bull El horno de construccioacuten metaacutelica
bull La caacutemara de combustioacuten estaacute construida mediante hormigones refractarios
de alta resistencia mecaacutenica
bull Las materias secar y calcinar se carga de forma manual
Ingenieriacutea Quiacutemica 57
UAM-I
Bomba
DISENtildeO Bomba centrifuga para operacioacuten horizontal o vertical del impulsor
cerrado succioacuten al extremo descarga hacia arriba tangencial simple succioacuten de un
paso con carcaza partida verticalmente [3]
ROTACIOacuteN En el sentido del reloj vista desde el cople
CARACTERIacuteSTICAS Conexiones brindadas con registro ubicado en la cabeza de
succioacuten para facilitar su limpieza
SERVICIO Debido a que es posible colocarla en posicioacuten horizontal o vertical tanto
en caacutercamos secos como huacutemedos y por el disentildeo de su impulsor que soacutelidos de
gran tamantildeo esta bomba es ideal para los procesos de tratamientos de agua y
manejo de liacutequidos en suspensioacuten en general
CAPACIDADES
GASTO Hasta 3000 GPM
CDT Hasta 80rsquo
PRESIOacuteN 106 Kgcmsup2
POTENCIA De 1 a 60 Hp
VELOCIDAD (1175 - 3550 RPM)
TEMPERATURA 125degC
Ingenieriacutea Quiacutemica 58
UAM-I
Bombas Centriacutefugas
Las maquinas centriacutefugas estaacuten constituidas por un impulsor o rodete formado por
una serie de aletas radiales diversas formas y curvaturas que giran dentro de una
caja circular El fluido penetra por el ojo o eje de rotacioacuten y se descarga maacutes o
menos radialmente en una caacutemara perifeacuterica a una elevada presioacuten que
corresponde a la suma de la fuerza centriacutefuga de la rotacioacuten maacutes la cineacutetica
comunicada al fluido por las aletas La parte moacutevil de la bomba es el rodete Las
aletas del rodete se extienden desde el centro de rotacioacuten hacia la periferia y las
bridas son los discos de refuerzo a cada lado de las aletas que las envuelven Las
aletas pueden ser radiales curvadas ligeramente hacia delante en el mismo sentido
de la rotacioacuten o estar curvadas al reveacutes en el caso maacutes comuacuten en el disentildeo se
determino el rodete siguiente por sus caracteriacutesticas Fig 1
Figura 1 Corte parcial de un rodete de centriacutefuga para grandes cargas y secciones
de paso estrechas empleando con liacutequidos corrosivos o suspensiones de pequentildeas
partiacuteculas[4]
Ingenieriacutea Quiacutemica 59
UAM-I
APENDICE D CALCULO DE POTENCIA DE BOMBAS (8)
Potencia de la bomba de la cisterna 1 que alimenta a los mezclador 4
Ecuacioacuten de Bernoulli
sum sumint =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛+++∆+∆i i
i
P
P
evvfDLvwdphgv 0
21
21
ˆ1
21 222
2
1ρ
a b c d e f
a Diferencia de velocidades
b Diferencia de alturas
c Diferencia de presiones
d Trabajo
e Perdidas de friccioacuten en tuberiacuteas
f Perdidas de friccioacuten en accesorios
En la ecuacioacuten anterior se pueden eliminar algunos teacuterminos
21 mts
6 mts 35 mts
Figura 1 Balance de cisterna 1 a mezclador 4
Se debe de tener dos puntos de referencia para la utilizacioacuten de la ecuacioacuten de
Bernoulli de los cuales se anotaron en la figura 2
Ingenieriacutea Quiacutemica 60
UAM-I
21 mts
2 1 6 mts 35 mts
Figura 2
Teniendo los puntos de referencia se analiza que las diferencias de velocidades son
cero en ambos puntos por lo tanto el termino 2
21 ν∆ es igual a cero
El termino de = (981hg∆ 2segm )(35m ndash 0) = 34335 2
2
segm
El termino de int2
1
1P
P
dpρ
se tiene que la cisterna y el tanque de mezclado ambos no
estaacuten cerrados y por lo tanto no originan un cambio de presioacuten y el termino es cero
De esta expresioacuten L longitud de tuberiacutea
tro de tuberiacutea
n el interior del tubo
v
Para la l radio del tubo que
sum ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
i
fDL2
21 ν
D diaacuteme
f perdidas de friccioacuten e
velocidad del flujo de agua
obtencioacuten de la velocidad se tiene el flujo volumeacutetrico y e
es de 32 cm =0032mts con la ecuacioacuten
Ingenieriacutea Quiacutemica 61
( )( ) sm
ms
m
RQ 761
032060min1)
min340(
2
3
2 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
==ππ
ν
UAM-I
Se reportan valores de perdida de fr
e reduce teacuterminos
iccioacuten en tubos que son igual a 005
Por lo tanto sustituyendo los teacuterminos en la ecuacioacuten de Bernoulli s
sum sumint =⎟⎠
⎜⎝
+⎟⎠
⎜⎝
+++∆+∆i i
iP
evvfD
vwdphgv 022
ˆ2
1ρ
⎞⎛⎞⎛ L 111 2222
or tanto el termino de trabajo queda expresado de la siguiente manera
tanto la bomba comunica al fluido que circula en el sistema un trabajo
+11727
P1
p w
sum sum ∆minus⎟⎠⎞
⎜⎝⎛minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛minus=
i ii
hgevvfDLvw 22
21
21
ˆ
( ) ( )
Este es el trabajo ( por unidad de masa) producido por el fluido en la bomba por lo
22
sm o 11727 981 = 1195
m
fKg
Kgm
La velocidad de flujo de masa es
Por lo tanto
1 )=6694
951)(675(ˆ =minus=minus WwW smkg f = 088Hp = 1Hp
Siendo esta ida para esta bomba El procedimiento anterior se
iguioacute para cada bomba de la planta
AP E
la potencia requer
s
EacuteNDICE
TOXICOLOGIacuteA DE MATERIAS PRIMAS [6]
( ) ( ) ( )( ) ( )( )msm
smmmm
sm 538192201150761
21050
032021536761
21
2
22minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ +minus⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ++
minus=wm
22
27117ˆ smw minus=
( )s
kgmkgQw m675100060340 3 === ρ
Ingenieriacutea Quiacutemica 62
UAM-I
HIDROacuteXIDO DE SODIO
Polvo corrosivo blanco delicuescente
Toxicidad
Concentracioacuten Maacutexima permisible 2mgm3 en aire
Signos y Siacutentomas Conjutivitis quemaduras corneales y de la piel Irritacioacuten
seas vomito dolor abdominal y diarrea a veces con
Lavado de las partes afectadas tranquilizantes sulfato de
decuada gafas protectoras o pantallas para
ignos y Siacutentomas Irritacioacuten de ojos quemaduras corneables tos dolores
l hemoptisis dolor de cabeza dolor epigaacutestrico nauseas y vomito
lmonar
Tratamiento lavado de ojos con agua reposo oxigeno con aparato de respiracioacuten
con onantes
ACIDO NITRICO
Liquido corrosivo sofocante de incoloro a amarillento
ioacuten maacutexima permisible 10ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
del tracto respiratorio nau
sangre
Tratamiento
morfina para el dolor y cortisona
Medidas preventivas Ventilacioacuten a
la cara completa mascarilla con filtro mecaacutenico guantes delantares botas de
goma y acentuar la limpieza personal
CLORO
Gas pasado amarillo verdoso
Toxicidad
Conc Maacutexima permisible 1 ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten
S
retrosterna
debilidad cianosis y edema pu
trolada bronco dilatadores y descongesti
Toxicidad
Concentrac
Ingenieriacutea Quiacutemica 63
UAM-I
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
Signos y siacutentomas Erosioacuten dental estornudo tos Dolor en el pecho bronquitis y
la las partes contaminadas del cuerpo con solucioacuten al 5 de
de las quemaduras con pantildeos
de triacuteo sulfato soacutelido si se a ingerido
vado de ojos con agua
ACIDO CLORIDRICO
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
ivitis necrosis corneal por inhalacioacuten rinitis erosioacuten
dolor de cabeza palpitacioacuten por ingestioacuten
s en la boca faringe esoacutefago estomago salivacioacuten vomito Soc
agua lavada de agua y jaboacuten de las partes
preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
AacuteC
El c
con o de hidroacutegeno una
concentracioacuten de 12 molLt Este aacutecido es un liacutequido incoloro con un olor aacutecido
bronconeumoniacutea
Tratamiento
bicarbonato soacutelido o con agua y jaboacuten Tratamiento
mojados con solucioacuten saturada
administracioacuten por viacutea oral de solucioacuten de jaboacuten Hidroacutexido caacutelcico o alumiacutenico u
oacutexido de magnesio
Medidas preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores excluir de la exposicioacuten
a los individuos con enfermedades de pulmones y rintildeones
Gas incoloro o liacutequido o a amarillento
Toxicidad
Concentracioacuten maacutexima permisible 5ppm en aire
Signos y siacutentomas conjunt
dental laringitis bronquitis neumoniacutea
quemadura
nefritis
Tratamiento lavado de ojos con
contaminantes del cuerpo tratamiento ordinario de quemaduras lavado gaacutestrico
se a ingerido con solucioacuten de bicarbonato soacutedico al 5 seguido de una instilacioacuten
de gel de hidroacutexido de aluminio
Medidas
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores
IDO CLORHIacuteDRICO
loruro de hidroacutegeno es en extremo soluble en agua de hecho el aacutecido clorhiacutedrico
centrado contiene cerca del 38 en masa de clorur
Ingenieriacutea Quiacutemica 64
UAM-I
pronunciado que se debe al equilibrio entre el cloruro de hidroacutegeno gaseoso y
ste con el aacutecido fluorhiacutedrico el aacutecido clorhiacutedrico es un aacutecido fuerte (pKa = -
7) y se ioniza casi totalmente
gar de aacutecido sulfuacuterico auque en menor grado Por
jemplo el zinc metaacutelico reacciona con aacutecido clorhiacutedrico para dar el ion zinc e
hidroacutegeno gaseoso
Zn(s) + 2HCl(ac) ZnCl2(ac) + H2(g)
l para producir aacutecido clorhiacutedrico en el laboratorio es generar
cloruro de hidroacutegen e sodio y el aacutecido
ulfuacuterico En el primer paso a 150degC se forma hidroacutegeno sulfato de sodio
NaHSO4(s) + HCl(g)
io y maacutes
loruro de hidroacutegeno gaseoso Luego el gas se disuelve en agua para formar el
aacutecido
NaHSO4(s) + NaCl(s) Na2SO4(s) + HCl(g)
acuoso
HCl(ac) HCl(g)
El reactivo de grado teacutecnico a menudo tiene un color amarillento por una impureza
del ion hierro (III)
En contra
HCl(ac) + H2O(l) H2O+(ac) + Cl -(ac)
Por ello a menudo se prefiere usar aacutecido clorhiacutedrico diluido en lugar de aacutecido niacutetrico
que es muy oxidante y en lu
e
Cuando el zinc reacciona con el aacutecido niacutetrico es comuacuten que se reduzca una parte
del ion nitrato para dar dioacutexido de nitroacutegeno
El meacutetodo tradiciona
o gaseoso por la reaccioacuten entre el cloruro d
s
NaCl(s) + H2SO4(l)
La mezcla se calienta a 550degC temperatura a la cual el hidroacutegeno sulfato de sodio
reacciona con un exceso de cloruro de sodio para formar sulfato de sod
c
∆
Este meacutetodo se usa tambieacuten en la industria otra forma de producir cloruro de
hidroacutegeno es por la combinacioacuten directa de dicloro y dihidroacutegenogaseosos
Ingenieriacutea Quiacutemica 65
UAM-I
H2(g) + Cl2(g) 2HCl(g)
La mayor cantidad de cloruro de hidroacutegeno que se produce actualmente es un
CH4(g) + 4Cl2(g) 4(l) + 4HCl(g)
riacuten de superficies de acero en un bantildeo aacutecido en la purificacioacuten de glucosa
y jarabe de maiacutez e s y de gas y en la
bricacioacuten de compuestos clorados El aacutecido se puedo comprar en muchas
nducida por la luz
4HNO3(ac) 4NO2(g) + O2(g) + 2H2O(l)
niacutetrico como disolvente)
H2NO3+ H2O + NO2
+
l siguiente
3HNO NO3 ndash
subproducto de otros procesos industriales como la siacutentesis de tetracloruro de
carbono
CCl
Se consumen cerca de 107 toneladas de aacutecido clorhiacutedrico cada antildeo en todo el
mundo Este aacutecido tiene una gama muy amplia de usos como aacutecido comuacuten para
eliminar o
n el tratamiento con aacutecido de pozos petrolero
fa
ferreteriacuteas con el arcaico nombre de aacutecido muriaacutetico sus principales usos caseros
son la limpieza de superficies de concreto y la eliminacioacuten de herrumbre Un nuacutemero
muy reducido de personas es incapaz de sintetizar suficiente jugo gaacutestrico y deben
de ingerir caacutepsulas de aacutecido clorhiacutedrico diluido con cada comida
AacuteCIDO NIacuteTRICO
El aacutecido niacutetrico un liacutequido aceitoso e incoloro en estado puro es sumamente
peligroso El aacutecido que funde a ndash42degC y hierve a +83degC tiene por lo general un
ligero color amarillo a causa de una reaccioacuten de descomposicioacuten i
En un estado puro el aacutecido niacutetrico liacutequido praacutecticamente no conduce la electricidad
Una pequentildea porcioacuten se ioniza como sigue (todas estas especies existen en el aacutecido
2HNO3(l) H2NO3+ + NO3
ndash
H2O + HNO3 H3O+ + NO3 ndash
Para dar la reaccioacuten globa
3 NO2+ + H3O + 2+
Ingenieriacutea Quiacutemica 66
UAM-I
El catioacuten nitrilo es importante en la nitracioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas por ejemplo la
obenceno C6H5NO2 una etapa importante en
umerosos procesos industriales orgaacutenicos
El aacutecido niacutetrico con en agua mientras
ue el ldquoaacutecido niacutetrico fumanterdquo un oxidante extremadamente poderoso es una
vez de ello se produce una mezcla de
sistema que da un orden de
vista industrial el
oceso
e lleva a cabo en tres etapas Primero se hace pasar una mezcla de amoniaco y de
dioxiacutegeno (o aire) un proceso muy
ficiente y exoteacutermico que hace que la malla se ponga al rojo Esta etapa se verifica
conversioacuten de benceno C6H6 en nitr
n
centrado es en realidad una solucioacuten al 70
q
solucioacuten roja de dioacutexido de nitroacutegeno en aacutecido niacutetrico puro Incluso cuando esta
diluido el aacutecido niacutetrico es un oxidante tan fuerte que rara vez desprende hidroacutegeno
cuando se pone en contacto con metales en
oacutexidos de nitroacutegeno y el metal se oxido a su catioacuten
Los enlaces O-N son mucho maacutes cortos (121 pm) que el enlace O-N unidos al aacutetomo
de hidroacutegeno (141 pm) Esta longitud de enlaces indica que hay enlaces muacuteltiples
entre el nitroacutegeno y los dos aacutetomos de oxiacutegeno terminales Ademas de los electrones
del sistema σ hay cuatro electrones que participan en el sistema π O-N-O dos de un
orbital enlazante y dos en un orbital no enlazante
enlace de 112 para cada uno de esos enlaces nitroacutegeno- oxiacutegeno
A veces se nos olvida hasta queacute punto nuestra experiencia depende de la
termodinaacutemica y la cineacutetica Por ejemplo la primera siacutentesis industrial de aacutecido
niacutetrico se llevaba ha cabo por simple combinacioacuten de diniacutetrogeno dioxiacutegeno y agua
utilizando un horno de arco eleacutectrico a fin de proporcionar la energiacutea necesaria par
superar la muy elevada barrera cineacutetica Aunque desde el punto de
factor cineacutetico constituiacutea un problema en realidad es una bendicioacuten por que sin esta
barrera cineacutetica hace mucho tiempo que todo el dioacutexido de la atmoacutesfera se abriacutea
transformado en aacutecido niacutetrico y nuestros mares serian de aacutecido niacutetrico diluido
frac12 N2(g) + 54O2(g) + 12H2O(g) HNO3(g)
Ahora se utiliza el proceso Ostwald para la siacutentesis de aacutecido niacutetrico Este proceso
consume gran parte del amoniaco que se produce por el proceso Haber El pr
s
a traveacutes de una malla de platino metaacutelico Eacuteste es
e
a baja presioacuten para aprovechar el efecto entropico es decir la formacioacuten de 10
moles de gas a partir de 9 moles de gas (una aplicacioacuten del principio de Le Chatelier)
para desplazar el equilibrio a la derecha
Ingenieriacutea Quiacutemica 67
UAM-I
4NH3(g) + 5O2(g) 4NO(g) + 6H2O(g)
Se agrega maacutes oxiacutegeno para oxidar el monoacutexido de nitroacutegeno a dioacutexido de nitroacutegeno
A fin de mejorar el rendimiento de esta reaccioacuten exoteacutermica se extrae calor de los
ases y la mezcla se somete a presioacuten
2HNO3(l) + NO(g)
Esta reaccioacuten tambieacuten es exoteacutermica y una vez maacutes se aplica enfriamiento y alta
la
egunda etapa para oxidarlo de nuevo
La contaminacioacuten s de aacutecido niacutetrico
as plantas maacutes antiguas eran faacutecilmente identificables por la fumarola cafeacute-
antas maacutes antiguas ahora mezcla cantidades
en Estados Unidos porque un 20
dedica ala produccioacuten de explosivos
or ultimo el aacutecido niacutetrico es un liacutequido que hierve a 826degC No existe como liacutequido
g
2NO(g) + O2(g) 2NO2(g)
El dioacutexido de nitroacutegeno se mezcla con agua para dar una solucioacuten de aacutecido niacutetrico
3NO2(g) + H2O(l)
presioacuten par obtener el maacuteximo rendimiento El monoacutexido de nitroacutegeno se vuelve a
s
soliacutea ser un problema importante de las planta
L
amarillento del dioacutexido de nitroacutegeno que escapaba por ellas Las plantas maacutes
antiguas eran faacutecilmente identificable por la fumadora cafeacute-amarillo del dioacutexido de
nitroacutegeno que escapaba de ellas Las pl
estequiomeacutetricas de amoniaco con las oacutexidos de nitroacutegeno con lo cual se obtiene
dinitroacutegeno y vapor de agua ambos inocuos
NO(g) + NO2 (g) + 2NH3(g) 2N2(g) + 3H2O(g)
En todo el mundo alrededor del 80 del aacutecido niacutetrico se utiliza en la produccioacuten de
fertilizantes Esta proporcioacuten es de solo el 65
se
P
puro porque en alguna medida se descompone espontaacuteneamente como sigue
4HNO3(l) 4NO2(g) + 2H2O(l) + O2(g)
Ingenieriacutea Quiacutemica 68
UAM-I
El aacutecido niacutetrico concentrado que se usa en el laboratorio estaacute al 68 en masa HNO3
(densidad 142 gcm3) lo que corresponde a 157 M
l aacutecido niacutetrico es un poderoso agente oxidante El nuacutemero de oxidacioacuten del N en el
) El aacutecido niacutetrico puede oxidar
nto a metales que estaacuten abajo del hidroacutegeno como aquellos que se encuentran
4Zn2+(ac) + NH4
+(ac) + 3H2O(l)
do no oxida al oro Sin embargo cuando se mezcla con
cido clorhiacutedrico concentrado en relacioacuten 13 en volumen (una parte de HNO3 a tres
partes al oro
omo sigue
APEacuteNDICE F
ETODO DE DEPOSICIOacuteN-PRECIPITACIOacuteN
E
HNO3 es + 5 Los productos maacutes comunes de la reduccioacuten del aacutecido niacutetrico son el
NO2 (N = + 4) el NO (N = + 2) y el NH4+ (N = - 3
ta
arriba en la serie de actividades Por ejemplo el cobre es oxidado por el aacutecido niacutetrico
concentrado como se mencionoacute antes
En presencia de reductores fuertes como el zinc metaacutelico el aacutecido niacutetrico se puede
reducir hasta ion amonio
4Zn(s) + 10H+(ac) + NO3
-(ac)
El aacutecido niacutetrico concentra
aacute
de HCl) la disolucioacuten resultante denominada agua regia puede oxidar
c
Au(s) + 3HNO3(ac) + 4HCl(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O(l) + 3NO2(g)
M
Ingenieriacutea Quiacutemica 69
UAM-I
APEacuteNDICE G
ISENtildeO DEL MEZCLADOR [4]
1) 100 ml H2O gr soporte
2) NH4(OH)
Ajustar a PH = 9 4) HAuCl4 (solucioacuten acuosa al 25E-3M)
6) Filtrado o centrifugado
3) En Agitacioacuten por 2 hr
8) Secado por 2hr a 80 degC
9 ) Calcinado por 4hr a 400 degC
7) Lavado
5) Antildeegamiento por 30 min
D
Ingenieriacutea Quiacutemica 70
UAM-I
El disentildeo de un tanque agitado dis n nuacutemero de elecciones sobre el
po y localizacioacuten del agitador las proporciones del tanque el nuacutemero y dimensiones
ada una de estas decisiones afectan a la velocidad
e circulacioacuten del liacutequido los modelos de velocidad y el consumo de potencia Como
pone de un gra
ti
de las placas deflectoras etc C
d
punto de partida en el disentildeo de los problemas ordinarios de agitacioacuten generalmente
se utiliza un agitador de turbina del tipo que se muestra en la figura 1 La proporcioacuten
tiacutepica es
31
=t
a
DD
1=tD
H 121
=tD
J 51
=aD
W 41
=aD
L
de estas ecuaciones se disentildeara el mezclador como datos se tiene el valor H que es
igual a 3 mts y el diaacutemetro del tanque D
Se determinara la medida de los reflectores
t que es igual 3 mts
121
=tD
J se despeja J
elacioacuten R31
=t
a
DD
se despeja Da
Relacioacuten
41
=aD
L se despeja L
elacioacuten se despeja W
( ) ( ) cmmtsmtsDJ 25250311==⎟
⎞⎜⎛=⎟
⎞⎜⎛= t 1212 ⎠⎝⎠⎝
( ) ( ) mtsmtsDD ta 1331
31
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=
( ) ( ) mtsmtsDL a 250141
41
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛= cm25=
51
=aD
WR
Ingenieriacutea Quiacutemica 71
UAM-I
Figura 2 a) Vista transversal del mezclador b) paletas del mezclador con la
donde se deposita el soporte
Figura 1 Medidas de un agitador de turbina
a) b)
s rejillas
H
J
E L
Da
D t
W
W
( ) ( ) cmmtsmtsDW a 2020151
5==⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎜⎝
=1 ⎞⎛
Ingenieriacutea Quiacutemica 72
UAM-I
cantidad de kgNO4(OH) = 30 kg γ Al203 x ( )OHkgNHAlkg
OHkgNO4
32
4 0510100
)(53=
γ
105 kg γ Al203 035 kg NH2(OH) 105 kg γ Al203 (9965) 004 kg Au (035) 009kg HAuCl4 003 kg Cl2 45kgNH4(OH) 1101185 kg H20 0017kgHAuCl4 485kgNH4 (OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 009 HAuCl4 x 324
32 04710860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad kg de NH4 (OH) = 105kg γ Al203 x ( ) )(3500100
534
32
4 OHkgNHAlkg
OHkgNH=
γ
cantidad de Cl2 = 004 kg Au x
22
2 02901000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
gAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 =
44
44 02001701000
11
973391
197196
11
1000010 kgHAukgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgr
molAuxkg
grkgAux asymp=
Ingenieriacutea Quiacutemica 55
UAM-I
23 kg γ Al203 008kgNH4(OH) 002 kg HAuCl4 23 kg γAl203 (9965) 485kgNH4(OH) 0008kgAu(035) 1101185kg H2 0001kg Cl2
0014 kg HAuCl4 493kgNH4(OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 002kgHAuCl4 x 324
32 032860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad de kg Au = 035 x kgAukg 00806599
32=
cantidad de kgCl2 = 0002kgAu x
24
4 00101000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 = 0008kgAu x
44
44 01401000
11
973341
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 56
UAM-I
APEacuteNDICE C ACCESORIOS EN EL DISENtildeO
Agitador
Agitadores de Heacutelice se escogioacute este tipo de agitador por ser tener las siguientes
caracteriacutesticas [3]
bull Es un agitador de flujo axial
bull Se emplea para liacutequidos pocos viscosos
bull Giran a toda la velocidad del motor
bull Las corrientes de flujo se mueven a traveacutes del liacutequido en una direccioacuten
determinada hasta que son desviadas por el fondo o las paredes del tanque
bull Las palas de la heacutelice cortan o friccionan vigorosamente el liacutequido
bull Los agitadores de heacutelice son eficaces para tanques de gran tamantildeo
Horno
bull El horno se escogioacute por ser tener las siguientes caracteriacutesticas [5]
bull El horno de construccioacuten metaacutelica
bull La caacutemara de combustioacuten estaacute construida mediante hormigones refractarios
de alta resistencia mecaacutenica
bull Las materias secar y calcinar se carga de forma manual
Ingenieriacutea Quiacutemica 57
UAM-I
Bomba
DISENtildeO Bomba centrifuga para operacioacuten horizontal o vertical del impulsor
cerrado succioacuten al extremo descarga hacia arriba tangencial simple succioacuten de un
paso con carcaza partida verticalmente [3]
ROTACIOacuteN En el sentido del reloj vista desde el cople
CARACTERIacuteSTICAS Conexiones brindadas con registro ubicado en la cabeza de
succioacuten para facilitar su limpieza
SERVICIO Debido a que es posible colocarla en posicioacuten horizontal o vertical tanto
en caacutercamos secos como huacutemedos y por el disentildeo de su impulsor que soacutelidos de
gran tamantildeo esta bomba es ideal para los procesos de tratamientos de agua y
manejo de liacutequidos en suspensioacuten en general
CAPACIDADES
GASTO Hasta 3000 GPM
CDT Hasta 80rsquo
PRESIOacuteN 106 Kgcmsup2
POTENCIA De 1 a 60 Hp
VELOCIDAD (1175 - 3550 RPM)
TEMPERATURA 125degC
Ingenieriacutea Quiacutemica 58
UAM-I
Bombas Centriacutefugas
Las maquinas centriacutefugas estaacuten constituidas por un impulsor o rodete formado por
una serie de aletas radiales diversas formas y curvaturas que giran dentro de una
caja circular El fluido penetra por el ojo o eje de rotacioacuten y se descarga maacutes o
menos radialmente en una caacutemara perifeacuterica a una elevada presioacuten que
corresponde a la suma de la fuerza centriacutefuga de la rotacioacuten maacutes la cineacutetica
comunicada al fluido por las aletas La parte moacutevil de la bomba es el rodete Las
aletas del rodete se extienden desde el centro de rotacioacuten hacia la periferia y las
bridas son los discos de refuerzo a cada lado de las aletas que las envuelven Las
aletas pueden ser radiales curvadas ligeramente hacia delante en el mismo sentido
de la rotacioacuten o estar curvadas al reveacutes en el caso maacutes comuacuten en el disentildeo se
determino el rodete siguiente por sus caracteriacutesticas Fig 1
Figura 1 Corte parcial de un rodete de centriacutefuga para grandes cargas y secciones
de paso estrechas empleando con liacutequidos corrosivos o suspensiones de pequentildeas
partiacuteculas[4]
Ingenieriacutea Quiacutemica 59
UAM-I
APENDICE D CALCULO DE POTENCIA DE BOMBAS (8)
Potencia de la bomba de la cisterna 1 que alimenta a los mezclador 4
Ecuacioacuten de Bernoulli
sum sumint =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛+++∆+∆i i
i
P
P
evvfDLvwdphgv 0
21
21
ˆ1
21 222
2
1ρ
a b c d e f
a Diferencia de velocidades
b Diferencia de alturas
c Diferencia de presiones
d Trabajo
e Perdidas de friccioacuten en tuberiacuteas
f Perdidas de friccioacuten en accesorios
En la ecuacioacuten anterior se pueden eliminar algunos teacuterminos
21 mts
6 mts 35 mts
Figura 1 Balance de cisterna 1 a mezclador 4
Se debe de tener dos puntos de referencia para la utilizacioacuten de la ecuacioacuten de
Bernoulli de los cuales se anotaron en la figura 2
Ingenieriacutea Quiacutemica 60
UAM-I
21 mts
2 1 6 mts 35 mts
Figura 2
Teniendo los puntos de referencia se analiza que las diferencias de velocidades son
cero en ambos puntos por lo tanto el termino 2
21 ν∆ es igual a cero
El termino de = (981hg∆ 2segm )(35m ndash 0) = 34335 2
2
segm
El termino de int2
1
1P
P
dpρ
se tiene que la cisterna y el tanque de mezclado ambos no
estaacuten cerrados y por lo tanto no originan un cambio de presioacuten y el termino es cero
De esta expresioacuten L longitud de tuberiacutea
tro de tuberiacutea
n el interior del tubo
v
Para la l radio del tubo que
sum ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
i
fDL2
21 ν
D diaacuteme
f perdidas de friccioacuten e
velocidad del flujo de agua
obtencioacuten de la velocidad se tiene el flujo volumeacutetrico y e
es de 32 cm =0032mts con la ecuacioacuten
Ingenieriacutea Quiacutemica 61
( )( ) sm
ms
m
RQ 761
032060min1)
min340(
2
3
2 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
==ππ
ν
UAM-I
Se reportan valores de perdida de fr
e reduce teacuterminos
iccioacuten en tubos que son igual a 005
Por lo tanto sustituyendo los teacuterminos en la ecuacioacuten de Bernoulli s
sum sumint =⎟⎠
⎜⎝
+⎟⎠
⎜⎝
+++∆+∆i i
iP
evvfD
vwdphgv 022
ˆ2
1ρ
⎞⎛⎞⎛ L 111 2222
or tanto el termino de trabajo queda expresado de la siguiente manera
tanto la bomba comunica al fluido que circula en el sistema un trabajo
+11727
P1
p w
sum sum ∆minus⎟⎠⎞
⎜⎝⎛minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛minus=
i ii
hgevvfDLvw 22
21
21
ˆ
( ) ( )
Este es el trabajo ( por unidad de masa) producido por el fluido en la bomba por lo
22
sm o 11727 981 = 1195
m
fKg
Kgm
La velocidad de flujo de masa es
Por lo tanto
1 )=6694
951)(675(ˆ =minus=minus WwW smkg f = 088Hp = 1Hp
Siendo esta ida para esta bomba El procedimiento anterior se
iguioacute para cada bomba de la planta
AP E
la potencia requer
s
EacuteNDICE
TOXICOLOGIacuteA DE MATERIAS PRIMAS [6]
( ) ( ) ( )( ) ( )( )msm
smmmm
sm 538192201150761
21050
032021536761
21
2
22minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ +minus⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ++
minus=wm
22
27117ˆ smw minus=
( )s
kgmkgQw m675100060340 3 === ρ
Ingenieriacutea Quiacutemica 62
UAM-I
HIDROacuteXIDO DE SODIO
Polvo corrosivo blanco delicuescente
Toxicidad
Concentracioacuten Maacutexima permisible 2mgm3 en aire
Signos y Siacutentomas Conjutivitis quemaduras corneales y de la piel Irritacioacuten
seas vomito dolor abdominal y diarrea a veces con
Lavado de las partes afectadas tranquilizantes sulfato de
decuada gafas protectoras o pantallas para
ignos y Siacutentomas Irritacioacuten de ojos quemaduras corneables tos dolores
l hemoptisis dolor de cabeza dolor epigaacutestrico nauseas y vomito
lmonar
Tratamiento lavado de ojos con agua reposo oxigeno con aparato de respiracioacuten
con onantes
ACIDO NITRICO
Liquido corrosivo sofocante de incoloro a amarillento
ioacuten maacutexima permisible 10ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
del tracto respiratorio nau
sangre
Tratamiento
morfina para el dolor y cortisona
Medidas preventivas Ventilacioacuten a
la cara completa mascarilla con filtro mecaacutenico guantes delantares botas de
goma y acentuar la limpieza personal
CLORO
Gas pasado amarillo verdoso
Toxicidad
Conc Maacutexima permisible 1 ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten
S
retrosterna
debilidad cianosis y edema pu
trolada bronco dilatadores y descongesti
Toxicidad
Concentrac
Ingenieriacutea Quiacutemica 63
UAM-I
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
Signos y siacutentomas Erosioacuten dental estornudo tos Dolor en el pecho bronquitis y
la las partes contaminadas del cuerpo con solucioacuten al 5 de
de las quemaduras con pantildeos
de triacuteo sulfato soacutelido si se a ingerido
vado de ojos con agua
ACIDO CLORIDRICO
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
ivitis necrosis corneal por inhalacioacuten rinitis erosioacuten
dolor de cabeza palpitacioacuten por ingestioacuten
s en la boca faringe esoacutefago estomago salivacioacuten vomito Soc
agua lavada de agua y jaboacuten de las partes
preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
AacuteC
El c
con o de hidroacutegeno una
concentracioacuten de 12 molLt Este aacutecido es un liacutequido incoloro con un olor aacutecido
bronconeumoniacutea
Tratamiento
bicarbonato soacutelido o con agua y jaboacuten Tratamiento
mojados con solucioacuten saturada
administracioacuten por viacutea oral de solucioacuten de jaboacuten Hidroacutexido caacutelcico o alumiacutenico u
oacutexido de magnesio
Medidas preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores excluir de la exposicioacuten
a los individuos con enfermedades de pulmones y rintildeones
Gas incoloro o liacutequido o a amarillento
Toxicidad
Concentracioacuten maacutexima permisible 5ppm en aire
Signos y siacutentomas conjunt
dental laringitis bronquitis neumoniacutea
quemadura
nefritis
Tratamiento lavado de ojos con
contaminantes del cuerpo tratamiento ordinario de quemaduras lavado gaacutestrico
se a ingerido con solucioacuten de bicarbonato soacutedico al 5 seguido de una instilacioacuten
de gel de hidroacutexido de aluminio
Medidas
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores
IDO CLORHIacuteDRICO
loruro de hidroacutegeno es en extremo soluble en agua de hecho el aacutecido clorhiacutedrico
centrado contiene cerca del 38 en masa de clorur
Ingenieriacutea Quiacutemica 64
UAM-I
pronunciado que se debe al equilibrio entre el cloruro de hidroacutegeno gaseoso y
ste con el aacutecido fluorhiacutedrico el aacutecido clorhiacutedrico es un aacutecido fuerte (pKa = -
7) y se ioniza casi totalmente
gar de aacutecido sulfuacuterico auque en menor grado Por
jemplo el zinc metaacutelico reacciona con aacutecido clorhiacutedrico para dar el ion zinc e
hidroacutegeno gaseoso
Zn(s) + 2HCl(ac) ZnCl2(ac) + H2(g)
l para producir aacutecido clorhiacutedrico en el laboratorio es generar
cloruro de hidroacutegen e sodio y el aacutecido
ulfuacuterico En el primer paso a 150degC se forma hidroacutegeno sulfato de sodio
NaHSO4(s) + HCl(g)
io y maacutes
loruro de hidroacutegeno gaseoso Luego el gas se disuelve en agua para formar el
aacutecido
NaHSO4(s) + NaCl(s) Na2SO4(s) + HCl(g)
acuoso
HCl(ac) HCl(g)
El reactivo de grado teacutecnico a menudo tiene un color amarillento por una impureza
del ion hierro (III)
En contra
HCl(ac) + H2O(l) H2O+(ac) + Cl -(ac)
Por ello a menudo se prefiere usar aacutecido clorhiacutedrico diluido en lugar de aacutecido niacutetrico
que es muy oxidante y en lu
e
Cuando el zinc reacciona con el aacutecido niacutetrico es comuacuten que se reduzca una parte
del ion nitrato para dar dioacutexido de nitroacutegeno
El meacutetodo tradiciona
o gaseoso por la reaccioacuten entre el cloruro d
s
NaCl(s) + H2SO4(l)
La mezcla se calienta a 550degC temperatura a la cual el hidroacutegeno sulfato de sodio
reacciona con un exceso de cloruro de sodio para formar sulfato de sod
c
∆
Este meacutetodo se usa tambieacuten en la industria otra forma de producir cloruro de
hidroacutegeno es por la combinacioacuten directa de dicloro y dihidroacutegenogaseosos
Ingenieriacutea Quiacutemica 65
UAM-I
H2(g) + Cl2(g) 2HCl(g)
La mayor cantidad de cloruro de hidroacutegeno que se produce actualmente es un
CH4(g) + 4Cl2(g) 4(l) + 4HCl(g)
riacuten de superficies de acero en un bantildeo aacutecido en la purificacioacuten de glucosa
y jarabe de maiacutez e s y de gas y en la
bricacioacuten de compuestos clorados El aacutecido se puedo comprar en muchas
nducida por la luz
4HNO3(ac) 4NO2(g) + O2(g) + 2H2O(l)
niacutetrico como disolvente)
H2NO3+ H2O + NO2
+
l siguiente
3HNO NO3 ndash
subproducto de otros procesos industriales como la siacutentesis de tetracloruro de
carbono
CCl
Se consumen cerca de 107 toneladas de aacutecido clorhiacutedrico cada antildeo en todo el
mundo Este aacutecido tiene una gama muy amplia de usos como aacutecido comuacuten para
eliminar o
n el tratamiento con aacutecido de pozos petrolero
fa
ferreteriacuteas con el arcaico nombre de aacutecido muriaacutetico sus principales usos caseros
son la limpieza de superficies de concreto y la eliminacioacuten de herrumbre Un nuacutemero
muy reducido de personas es incapaz de sintetizar suficiente jugo gaacutestrico y deben
de ingerir caacutepsulas de aacutecido clorhiacutedrico diluido con cada comida
AacuteCIDO NIacuteTRICO
El aacutecido niacutetrico un liacutequido aceitoso e incoloro en estado puro es sumamente
peligroso El aacutecido que funde a ndash42degC y hierve a +83degC tiene por lo general un
ligero color amarillo a causa de una reaccioacuten de descomposicioacuten i
En un estado puro el aacutecido niacutetrico liacutequido praacutecticamente no conduce la electricidad
Una pequentildea porcioacuten se ioniza como sigue (todas estas especies existen en el aacutecido
2HNO3(l) H2NO3+ + NO3
ndash
H2O + HNO3 H3O+ + NO3 ndash
Para dar la reaccioacuten globa
3 NO2+ + H3O + 2+
Ingenieriacutea Quiacutemica 66
UAM-I
El catioacuten nitrilo es importante en la nitracioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas por ejemplo la
obenceno C6H5NO2 una etapa importante en
umerosos procesos industriales orgaacutenicos
El aacutecido niacutetrico con en agua mientras
ue el ldquoaacutecido niacutetrico fumanterdquo un oxidante extremadamente poderoso es una
vez de ello se produce una mezcla de
sistema que da un orden de
vista industrial el
oceso
e lleva a cabo en tres etapas Primero se hace pasar una mezcla de amoniaco y de
dioxiacutegeno (o aire) un proceso muy
ficiente y exoteacutermico que hace que la malla se ponga al rojo Esta etapa se verifica
conversioacuten de benceno C6H6 en nitr
n
centrado es en realidad una solucioacuten al 70
q
solucioacuten roja de dioacutexido de nitroacutegeno en aacutecido niacutetrico puro Incluso cuando esta
diluido el aacutecido niacutetrico es un oxidante tan fuerte que rara vez desprende hidroacutegeno
cuando se pone en contacto con metales en
oacutexidos de nitroacutegeno y el metal se oxido a su catioacuten
Los enlaces O-N son mucho maacutes cortos (121 pm) que el enlace O-N unidos al aacutetomo
de hidroacutegeno (141 pm) Esta longitud de enlaces indica que hay enlaces muacuteltiples
entre el nitroacutegeno y los dos aacutetomos de oxiacutegeno terminales Ademas de los electrones
del sistema σ hay cuatro electrones que participan en el sistema π O-N-O dos de un
orbital enlazante y dos en un orbital no enlazante
enlace de 112 para cada uno de esos enlaces nitroacutegeno- oxiacutegeno
A veces se nos olvida hasta queacute punto nuestra experiencia depende de la
termodinaacutemica y la cineacutetica Por ejemplo la primera siacutentesis industrial de aacutecido
niacutetrico se llevaba ha cabo por simple combinacioacuten de diniacutetrogeno dioxiacutegeno y agua
utilizando un horno de arco eleacutectrico a fin de proporcionar la energiacutea necesaria par
superar la muy elevada barrera cineacutetica Aunque desde el punto de
factor cineacutetico constituiacutea un problema en realidad es una bendicioacuten por que sin esta
barrera cineacutetica hace mucho tiempo que todo el dioacutexido de la atmoacutesfera se abriacutea
transformado en aacutecido niacutetrico y nuestros mares serian de aacutecido niacutetrico diluido
frac12 N2(g) + 54O2(g) + 12H2O(g) HNO3(g)
Ahora se utiliza el proceso Ostwald para la siacutentesis de aacutecido niacutetrico Este proceso
consume gran parte del amoniaco que se produce por el proceso Haber El pr
s
a traveacutes de una malla de platino metaacutelico Eacuteste es
e
a baja presioacuten para aprovechar el efecto entropico es decir la formacioacuten de 10
moles de gas a partir de 9 moles de gas (una aplicacioacuten del principio de Le Chatelier)
para desplazar el equilibrio a la derecha
Ingenieriacutea Quiacutemica 67
UAM-I
4NH3(g) + 5O2(g) 4NO(g) + 6H2O(g)
Se agrega maacutes oxiacutegeno para oxidar el monoacutexido de nitroacutegeno a dioacutexido de nitroacutegeno
A fin de mejorar el rendimiento de esta reaccioacuten exoteacutermica se extrae calor de los
ases y la mezcla se somete a presioacuten
2HNO3(l) + NO(g)
Esta reaccioacuten tambieacuten es exoteacutermica y una vez maacutes se aplica enfriamiento y alta
la
egunda etapa para oxidarlo de nuevo
La contaminacioacuten s de aacutecido niacutetrico
as plantas maacutes antiguas eran faacutecilmente identificables por la fumarola cafeacute-
antas maacutes antiguas ahora mezcla cantidades
en Estados Unidos porque un 20
dedica ala produccioacuten de explosivos
or ultimo el aacutecido niacutetrico es un liacutequido que hierve a 826degC No existe como liacutequido
g
2NO(g) + O2(g) 2NO2(g)
El dioacutexido de nitroacutegeno se mezcla con agua para dar una solucioacuten de aacutecido niacutetrico
3NO2(g) + H2O(l)
presioacuten par obtener el maacuteximo rendimiento El monoacutexido de nitroacutegeno se vuelve a
s
soliacutea ser un problema importante de las planta
L
amarillento del dioacutexido de nitroacutegeno que escapaba por ellas Las plantas maacutes
antiguas eran faacutecilmente identificable por la fumadora cafeacute-amarillo del dioacutexido de
nitroacutegeno que escapaba de ellas Las pl
estequiomeacutetricas de amoniaco con las oacutexidos de nitroacutegeno con lo cual se obtiene
dinitroacutegeno y vapor de agua ambos inocuos
NO(g) + NO2 (g) + 2NH3(g) 2N2(g) + 3H2O(g)
En todo el mundo alrededor del 80 del aacutecido niacutetrico se utiliza en la produccioacuten de
fertilizantes Esta proporcioacuten es de solo el 65
se
P
puro porque en alguna medida se descompone espontaacuteneamente como sigue
4HNO3(l) 4NO2(g) + 2H2O(l) + O2(g)
Ingenieriacutea Quiacutemica 68
UAM-I
El aacutecido niacutetrico concentrado que se usa en el laboratorio estaacute al 68 en masa HNO3
(densidad 142 gcm3) lo que corresponde a 157 M
l aacutecido niacutetrico es un poderoso agente oxidante El nuacutemero de oxidacioacuten del N en el
) El aacutecido niacutetrico puede oxidar
nto a metales que estaacuten abajo del hidroacutegeno como aquellos que se encuentran
4Zn2+(ac) + NH4
+(ac) + 3H2O(l)
do no oxida al oro Sin embargo cuando se mezcla con
cido clorhiacutedrico concentrado en relacioacuten 13 en volumen (una parte de HNO3 a tres
partes al oro
omo sigue
APEacuteNDICE F
ETODO DE DEPOSICIOacuteN-PRECIPITACIOacuteN
E
HNO3 es + 5 Los productos maacutes comunes de la reduccioacuten del aacutecido niacutetrico son el
NO2 (N = + 4) el NO (N = + 2) y el NH4+ (N = - 3
ta
arriba en la serie de actividades Por ejemplo el cobre es oxidado por el aacutecido niacutetrico
concentrado como se mencionoacute antes
En presencia de reductores fuertes como el zinc metaacutelico el aacutecido niacutetrico se puede
reducir hasta ion amonio
4Zn(s) + 10H+(ac) + NO3
-(ac)
El aacutecido niacutetrico concentra
aacute
de HCl) la disolucioacuten resultante denominada agua regia puede oxidar
c
Au(s) + 3HNO3(ac) + 4HCl(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O(l) + 3NO2(g)
M
Ingenieriacutea Quiacutemica 69
UAM-I
APEacuteNDICE G
ISENtildeO DEL MEZCLADOR [4]
1) 100 ml H2O gr soporte
2) NH4(OH)
Ajustar a PH = 9 4) HAuCl4 (solucioacuten acuosa al 25E-3M)
6) Filtrado o centrifugado
3) En Agitacioacuten por 2 hr
8) Secado por 2hr a 80 degC
9 ) Calcinado por 4hr a 400 degC
7) Lavado
5) Antildeegamiento por 30 min
D
Ingenieriacutea Quiacutemica 70
UAM-I
El disentildeo de un tanque agitado dis n nuacutemero de elecciones sobre el
po y localizacioacuten del agitador las proporciones del tanque el nuacutemero y dimensiones
ada una de estas decisiones afectan a la velocidad
e circulacioacuten del liacutequido los modelos de velocidad y el consumo de potencia Como
pone de un gra
ti
de las placas deflectoras etc C
d
punto de partida en el disentildeo de los problemas ordinarios de agitacioacuten generalmente
se utiliza un agitador de turbina del tipo que se muestra en la figura 1 La proporcioacuten
tiacutepica es
31
=t
a
DD
1=tD
H 121
=tD
J 51
=aD
W 41
=aD
L
de estas ecuaciones se disentildeara el mezclador como datos se tiene el valor H que es
igual a 3 mts y el diaacutemetro del tanque D
Se determinara la medida de los reflectores
t que es igual 3 mts
121
=tD
J se despeja J
elacioacuten R31
=t
a
DD
se despeja Da
Relacioacuten
41
=aD
L se despeja L
elacioacuten se despeja W
( ) ( ) cmmtsmtsDJ 25250311==⎟
⎞⎜⎛=⎟
⎞⎜⎛= t 1212 ⎠⎝⎠⎝
( ) ( ) mtsmtsDD ta 1331
31
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=
( ) ( ) mtsmtsDL a 250141
41
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛= cm25=
51
=aD
WR
Ingenieriacutea Quiacutemica 71
UAM-I
Figura 2 a) Vista transversal del mezclador b) paletas del mezclador con la
donde se deposita el soporte
Figura 1 Medidas de un agitador de turbina
a) b)
s rejillas
H
J
E L
Da
D t
W
W
( ) ( ) cmmtsmtsDW a 2020151
5==⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎜⎝
=1 ⎞⎛
Ingenieriacutea Quiacutemica 72
UAM-I
23 kg γ Al203 008kgNH4(OH) 002 kg HAuCl4 23 kg γAl203 (9965) 485kgNH4(OH) 0008kgAu(035) 1101185kg H2 0001kg Cl2
0014 kg HAuCl4 493kgNH4(OH) 1101185 kg H20
cantidad de kg γAl203 = 002kgHAuCl4 x 324
32 032860
0100 AlkgkgHAuCl
Alkg γγ=
cantidad de kg Au = 035 x kgAukg 00806599
32=
cantidad de kgCl2 = 0002kgAu x
24
4 00101000
11
53514
971961
11000 kgCl
grkgx
molClgrx
molAumolClx
grAumolAux
kggr
=
cantidad de kgHAuCl4 = 0008kgAu x
44
44 01401000
11
973341
197196
11
1000 kgHAuClgr
kgxmolHAuCl
grHAuClxmolAu
molHAuClxgrAu
molAuxkg
gr=
Ingenieriacutea Quiacutemica 56
UAM-I
APEacuteNDICE C ACCESORIOS EN EL DISENtildeO
Agitador
Agitadores de Heacutelice se escogioacute este tipo de agitador por ser tener las siguientes
caracteriacutesticas [3]
bull Es un agitador de flujo axial
bull Se emplea para liacutequidos pocos viscosos
bull Giran a toda la velocidad del motor
bull Las corrientes de flujo se mueven a traveacutes del liacutequido en una direccioacuten
determinada hasta que son desviadas por el fondo o las paredes del tanque
bull Las palas de la heacutelice cortan o friccionan vigorosamente el liacutequido
bull Los agitadores de heacutelice son eficaces para tanques de gran tamantildeo
Horno
bull El horno se escogioacute por ser tener las siguientes caracteriacutesticas [5]
bull El horno de construccioacuten metaacutelica
bull La caacutemara de combustioacuten estaacute construida mediante hormigones refractarios
de alta resistencia mecaacutenica
bull Las materias secar y calcinar se carga de forma manual
Ingenieriacutea Quiacutemica 57
UAM-I
Bomba
DISENtildeO Bomba centrifuga para operacioacuten horizontal o vertical del impulsor
cerrado succioacuten al extremo descarga hacia arriba tangencial simple succioacuten de un
paso con carcaza partida verticalmente [3]
ROTACIOacuteN En el sentido del reloj vista desde el cople
CARACTERIacuteSTICAS Conexiones brindadas con registro ubicado en la cabeza de
succioacuten para facilitar su limpieza
SERVICIO Debido a que es posible colocarla en posicioacuten horizontal o vertical tanto
en caacutercamos secos como huacutemedos y por el disentildeo de su impulsor que soacutelidos de
gran tamantildeo esta bomba es ideal para los procesos de tratamientos de agua y
manejo de liacutequidos en suspensioacuten en general
CAPACIDADES
GASTO Hasta 3000 GPM
CDT Hasta 80rsquo
PRESIOacuteN 106 Kgcmsup2
POTENCIA De 1 a 60 Hp
VELOCIDAD (1175 - 3550 RPM)
TEMPERATURA 125degC
Ingenieriacutea Quiacutemica 58
UAM-I
Bombas Centriacutefugas
Las maquinas centriacutefugas estaacuten constituidas por un impulsor o rodete formado por
una serie de aletas radiales diversas formas y curvaturas que giran dentro de una
caja circular El fluido penetra por el ojo o eje de rotacioacuten y se descarga maacutes o
menos radialmente en una caacutemara perifeacuterica a una elevada presioacuten que
corresponde a la suma de la fuerza centriacutefuga de la rotacioacuten maacutes la cineacutetica
comunicada al fluido por las aletas La parte moacutevil de la bomba es el rodete Las
aletas del rodete se extienden desde el centro de rotacioacuten hacia la periferia y las
bridas son los discos de refuerzo a cada lado de las aletas que las envuelven Las
aletas pueden ser radiales curvadas ligeramente hacia delante en el mismo sentido
de la rotacioacuten o estar curvadas al reveacutes en el caso maacutes comuacuten en el disentildeo se
determino el rodete siguiente por sus caracteriacutesticas Fig 1
Figura 1 Corte parcial de un rodete de centriacutefuga para grandes cargas y secciones
de paso estrechas empleando con liacutequidos corrosivos o suspensiones de pequentildeas
partiacuteculas[4]
Ingenieriacutea Quiacutemica 59
UAM-I
APENDICE D CALCULO DE POTENCIA DE BOMBAS (8)
Potencia de la bomba de la cisterna 1 que alimenta a los mezclador 4
Ecuacioacuten de Bernoulli
sum sumint =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛+++∆+∆i i
i
P
P
evvfDLvwdphgv 0
21
21
ˆ1
21 222
2
1ρ
a b c d e f
a Diferencia de velocidades
b Diferencia de alturas
c Diferencia de presiones
d Trabajo
e Perdidas de friccioacuten en tuberiacuteas
f Perdidas de friccioacuten en accesorios
En la ecuacioacuten anterior se pueden eliminar algunos teacuterminos
21 mts
6 mts 35 mts
Figura 1 Balance de cisterna 1 a mezclador 4
Se debe de tener dos puntos de referencia para la utilizacioacuten de la ecuacioacuten de
Bernoulli de los cuales se anotaron en la figura 2
Ingenieriacutea Quiacutemica 60
UAM-I
21 mts
2 1 6 mts 35 mts
Figura 2
Teniendo los puntos de referencia se analiza que las diferencias de velocidades son
cero en ambos puntos por lo tanto el termino 2
21 ν∆ es igual a cero
El termino de = (981hg∆ 2segm )(35m ndash 0) = 34335 2
2
segm
El termino de int2
1
1P
P
dpρ
se tiene que la cisterna y el tanque de mezclado ambos no
estaacuten cerrados y por lo tanto no originan un cambio de presioacuten y el termino es cero
De esta expresioacuten L longitud de tuberiacutea
tro de tuberiacutea
n el interior del tubo
v
Para la l radio del tubo que
sum ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
i
fDL2
21 ν
D diaacuteme
f perdidas de friccioacuten e
velocidad del flujo de agua
obtencioacuten de la velocidad se tiene el flujo volumeacutetrico y e
es de 32 cm =0032mts con la ecuacioacuten
Ingenieriacutea Quiacutemica 61
( )( ) sm
ms
m
RQ 761
032060min1)
min340(
2
3
2 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
==ππ
ν
UAM-I
Se reportan valores de perdida de fr
e reduce teacuterminos
iccioacuten en tubos que son igual a 005
Por lo tanto sustituyendo los teacuterminos en la ecuacioacuten de Bernoulli s
sum sumint =⎟⎠
⎜⎝
+⎟⎠
⎜⎝
+++∆+∆i i
iP
evvfD
vwdphgv 022
ˆ2
1ρ
⎞⎛⎞⎛ L 111 2222
or tanto el termino de trabajo queda expresado de la siguiente manera
tanto la bomba comunica al fluido que circula en el sistema un trabajo
+11727
P1
p w
sum sum ∆minus⎟⎠⎞
⎜⎝⎛minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛minus=
i ii
hgevvfDLvw 22
21
21
ˆ
( ) ( )
Este es el trabajo ( por unidad de masa) producido por el fluido en la bomba por lo
22
sm o 11727 981 = 1195
m
fKg
Kgm
La velocidad de flujo de masa es
Por lo tanto
1 )=6694
951)(675(ˆ =minus=minus WwW smkg f = 088Hp = 1Hp
Siendo esta ida para esta bomba El procedimiento anterior se
iguioacute para cada bomba de la planta
AP E
la potencia requer
s
EacuteNDICE
TOXICOLOGIacuteA DE MATERIAS PRIMAS [6]
( ) ( ) ( )( ) ( )( )msm
smmmm
sm 538192201150761
21050
032021536761
21
2
22minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ +minus⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ++
minus=wm
22
27117ˆ smw minus=
( )s
kgmkgQw m675100060340 3 === ρ
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UAM-I
HIDROacuteXIDO DE SODIO
Polvo corrosivo blanco delicuescente
Toxicidad
Concentracioacuten Maacutexima permisible 2mgm3 en aire
Signos y Siacutentomas Conjutivitis quemaduras corneales y de la piel Irritacioacuten
seas vomito dolor abdominal y diarrea a veces con
Lavado de las partes afectadas tranquilizantes sulfato de
decuada gafas protectoras o pantallas para
ignos y Siacutentomas Irritacioacuten de ojos quemaduras corneables tos dolores
l hemoptisis dolor de cabeza dolor epigaacutestrico nauseas y vomito
lmonar
Tratamiento lavado de ojos con agua reposo oxigeno con aparato de respiracioacuten
con onantes
ACIDO NITRICO
Liquido corrosivo sofocante de incoloro a amarillento
ioacuten maacutexima permisible 10ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
del tracto respiratorio nau
sangre
Tratamiento
morfina para el dolor y cortisona
Medidas preventivas Ventilacioacuten a
la cara completa mascarilla con filtro mecaacutenico guantes delantares botas de
goma y acentuar la limpieza personal
CLORO
Gas pasado amarillo verdoso
Toxicidad
Conc Maacutexima permisible 1 ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten
S
retrosterna
debilidad cianosis y edema pu
trolada bronco dilatadores y descongesti
Toxicidad
Concentrac
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UAM-I
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
Signos y siacutentomas Erosioacuten dental estornudo tos Dolor en el pecho bronquitis y
la las partes contaminadas del cuerpo con solucioacuten al 5 de
de las quemaduras con pantildeos
de triacuteo sulfato soacutelido si se a ingerido
vado de ojos con agua
ACIDO CLORIDRICO
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
ivitis necrosis corneal por inhalacioacuten rinitis erosioacuten
dolor de cabeza palpitacioacuten por ingestioacuten
s en la boca faringe esoacutefago estomago salivacioacuten vomito Soc
agua lavada de agua y jaboacuten de las partes
preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
AacuteC
El c
con o de hidroacutegeno una
concentracioacuten de 12 molLt Este aacutecido es un liacutequido incoloro con un olor aacutecido
bronconeumoniacutea
Tratamiento
bicarbonato soacutelido o con agua y jaboacuten Tratamiento
mojados con solucioacuten saturada
administracioacuten por viacutea oral de solucioacuten de jaboacuten Hidroacutexido caacutelcico o alumiacutenico u
oacutexido de magnesio
Medidas preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores excluir de la exposicioacuten
a los individuos con enfermedades de pulmones y rintildeones
Gas incoloro o liacutequido o a amarillento
Toxicidad
Concentracioacuten maacutexima permisible 5ppm en aire
Signos y siacutentomas conjunt
dental laringitis bronquitis neumoniacutea
quemadura
nefritis
Tratamiento lavado de ojos con
contaminantes del cuerpo tratamiento ordinario de quemaduras lavado gaacutestrico
se a ingerido con solucioacuten de bicarbonato soacutedico al 5 seguido de una instilacioacuten
de gel de hidroacutexido de aluminio
Medidas
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores
IDO CLORHIacuteDRICO
loruro de hidroacutegeno es en extremo soluble en agua de hecho el aacutecido clorhiacutedrico
centrado contiene cerca del 38 en masa de clorur
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UAM-I
pronunciado que se debe al equilibrio entre el cloruro de hidroacutegeno gaseoso y
ste con el aacutecido fluorhiacutedrico el aacutecido clorhiacutedrico es un aacutecido fuerte (pKa = -
7) y se ioniza casi totalmente
gar de aacutecido sulfuacuterico auque en menor grado Por
jemplo el zinc metaacutelico reacciona con aacutecido clorhiacutedrico para dar el ion zinc e
hidroacutegeno gaseoso
Zn(s) + 2HCl(ac) ZnCl2(ac) + H2(g)
l para producir aacutecido clorhiacutedrico en el laboratorio es generar
cloruro de hidroacutegen e sodio y el aacutecido
ulfuacuterico En el primer paso a 150degC se forma hidroacutegeno sulfato de sodio
NaHSO4(s) + HCl(g)
io y maacutes
loruro de hidroacutegeno gaseoso Luego el gas se disuelve en agua para formar el
aacutecido
NaHSO4(s) + NaCl(s) Na2SO4(s) + HCl(g)
acuoso
HCl(ac) HCl(g)
El reactivo de grado teacutecnico a menudo tiene un color amarillento por una impureza
del ion hierro (III)
En contra
HCl(ac) + H2O(l) H2O+(ac) + Cl -(ac)
Por ello a menudo se prefiere usar aacutecido clorhiacutedrico diluido en lugar de aacutecido niacutetrico
que es muy oxidante y en lu
e
Cuando el zinc reacciona con el aacutecido niacutetrico es comuacuten que se reduzca una parte
del ion nitrato para dar dioacutexido de nitroacutegeno
El meacutetodo tradiciona
o gaseoso por la reaccioacuten entre el cloruro d
s
NaCl(s) + H2SO4(l)
La mezcla se calienta a 550degC temperatura a la cual el hidroacutegeno sulfato de sodio
reacciona con un exceso de cloruro de sodio para formar sulfato de sod
c
∆
Este meacutetodo se usa tambieacuten en la industria otra forma de producir cloruro de
hidroacutegeno es por la combinacioacuten directa de dicloro y dihidroacutegenogaseosos
Ingenieriacutea Quiacutemica 65
UAM-I
H2(g) + Cl2(g) 2HCl(g)
La mayor cantidad de cloruro de hidroacutegeno que se produce actualmente es un
CH4(g) + 4Cl2(g) 4(l) + 4HCl(g)
riacuten de superficies de acero en un bantildeo aacutecido en la purificacioacuten de glucosa
y jarabe de maiacutez e s y de gas y en la
bricacioacuten de compuestos clorados El aacutecido se puedo comprar en muchas
nducida por la luz
4HNO3(ac) 4NO2(g) + O2(g) + 2H2O(l)
niacutetrico como disolvente)
H2NO3+ H2O + NO2
+
l siguiente
3HNO NO3 ndash
subproducto de otros procesos industriales como la siacutentesis de tetracloruro de
carbono
CCl
Se consumen cerca de 107 toneladas de aacutecido clorhiacutedrico cada antildeo en todo el
mundo Este aacutecido tiene una gama muy amplia de usos como aacutecido comuacuten para
eliminar o
n el tratamiento con aacutecido de pozos petrolero
fa
ferreteriacuteas con el arcaico nombre de aacutecido muriaacutetico sus principales usos caseros
son la limpieza de superficies de concreto y la eliminacioacuten de herrumbre Un nuacutemero
muy reducido de personas es incapaz de sintetizar suficiente jugo gaacutestrico y deben
de ingerir caacutepsulas de aacutecido clorhiacutedrico diluido con cada comida
AacuteCIDO NIacuteTRICO
El aacutecido niacutetrico un liacutequido aceitoso e incoloro en estado puro es sumamente
peligroso El aacutecido que funde a ndash42degC y hierve a +83degC tiene por lo general un
ligero color amarillo a causa de una reaccioacuten de descomposicioacuten i
En un estado puro el aacutecido niacutetrico liacutequido praacutecticamente no conduce la electricidad
Una pequentildea porcioacuten se ioniza como sigue (todas estas especies existen en el aacutecido
2HNO3(l) H2NO3+ + NO3
ndash
H2O + HNO3 H3O+ + NO3 ndash
Para dar la reaccioacuten globa
3 NO2+ + H3O + 2+
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UAM-I
El catioacuten nitrilo es importante en la nitracioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas por ejemplo la
obenceno C6H5NO2 una etapa importante en
umerosos procesos industriales orgaacutenicos
El aacutecido niacutetrico con en agua mientras
ue el ldquoaacutecido niacutetrico fumanterdquo un oxidante extremadamente poderoso es una
vez de ello se produce una mezcla de
sistema que da un orden de
vista industrial el
oceso
e lleva a cabo en tres etapas Primero se hace pasar una mezcla de amoniaco y de
dioxiacutegeno (o aire) un proceso muy
ficiente y exoteacutermico que hace que la malla se ponga al rojo Esta etapa se verifica
conversioacuten de benceno C6H6 en nitr
n
centrado es en realidad una solucioacuten al 70
q
solucioacuten roja de dioacutexido de nitroacutegeno en aacutecido niacutetrico puro Incluso cuando esta
diluido el aacutecido niacutetrico es un oxidante tan fuerte que rara vez desprende hidroacutegeno
cuando se pone en contacto con metales en
oacutexidos de nitroacutegeno y el metal se oxido a su catioacuten
Los enlaces O-N son mucho maacutes cortos (121 pm) que el enlace O-N unidos al aacutetomo
de hidroacutegeno (141 pm) Esta longitud de enlaces indica que hay enlaces muacuteltiples
entre el nitroacutegeno y los dos aacutetomos de oxiacutegeno terminales Ademas de los electrones
del sistema σ hay cuatro electrones que participan en el sistema π O-N-O dos de un
orbital enlazante y dos en un orbital no enlazante
enlace de 112 para cada uno de esos enlaces nitroacutegeno- oxiacutegeno
A veces se nos olvida hasta queacute punto nuestra experiencia depende de la
termodinaacutemica y la cineacutetica Por ejemplo la primera siacutentesis industrial de aacutecido
niacutetrico se llevaba ha cabo por simple combinacioacuten de diniacutetrogeno dioxiacutegeno y agua
utilizando un horno de arco eleacutectrico a fin de proporcionar la energiacutea necesaria par
superar la muy elevada barrera cineacutetica Aunque desde el punto de
factor cineacutetico constituiacutea un problema en realidad es una bendicioacuten por que sin esta
barrera cineacutetica hace mucho tiempo que todo el dioacutexido de la atmoacutesfera se abriacutea
transformado en aacutecido niacutetrico y nuestros mares serian de aacutecido niacutetrico diluido
frac12 N2(g) + 54O2(g) + 12H2O(g) HNO3(g)
Ahora se utiliza el proceso Ostwald para la siacutentesis de aacutecido niacutetrico Este proceso
consume gran parte del amoniaco que se produce por el proceso Haber El pr
s
a traveacutes de una malla de platino metaacutelico Eacuteste es
e
a baja presioacuten para aprovechar el efecto entropico es decir la formacioacuten de 10
moles de gas a partir de 9 moles de gas (una aplicacioacuten del principio de Le Chatelier)
para desplazar el equilibrio a la derecha
Ingenieriacutea Quiacutemica 67
UAM-I
4NH3(g) + 5O2(g) 4NO(g) + 6H2O(g)
Se agrega maacutes oxiacutegeno para oxidar el monoacutexido de nitroacutegeno a dioacutexido de nitroacutegeno
A fin de mejorar el rendimiento de esta reaccioacuten exoteacutermica se extrae calor de los
ases y la mezcla se somete a presioacuten
2HNO3(l) + NO(g)
Esta reaccioacuten tambieacuten es exoteacutermica y una vez maacutes se aplica enfriamiento y alta
la
egunda etapa para oxidarlo de nuevo
La contaminacioacuten s de aacutecido niacutetrico
as plantas maacutes antiguas eran faacutecilmente identificables por la fumarola cafeacute-
antas maacutes antiguas ahora mezcla cantidades
en Estados Unidos porque un 20
dedica ala produccioacuten de explosivos
or ultimo el aacutecido niacutetrico es un liacutequido que hierve a 826degC No existe como liacutequido
g
2NO(g) + O2(g) 2NO2(g)
El dioacutexido de nitroacutegeno se mezcla con agua para dar una solucioacuten de aacutecido niacutetrico
3NO2(g) + H2O(l)
presioacuten par obtener el maacuteximo rendimiento El monoacutexido de nitroacutegeno se vuelve a
s
soliacutea ser un problema importante de las planta
L
amarillento del dioacutexido de nitroacutegeno que escapaba por ellas Las plantas maacutes
antiguas eran faacutecilmente identificable por la fumadora cafeacute-amarillo del dioacutexido de
nitroacutegeno que escapaba de ellas Las pl
estequiomeacutetricas de amoniaco con las oacutexidos de nitroacutegeno con lo cual se obtiene
dinitroacutegeno y vapor de agua ambos inocuos
NO(g) + NO2 (g) + 2NH3(g) 2N2(g) + 3H2O(g)
En todo el mundo alrededor del 80 del aacutecido niacutetrico se utiliza en la produccioacuten de
fertilizantes Esta proporcioacuten es de solo el 65
se
P
puro porque en alguna medida se descompone espontaacuteneamente como sigue
4HNO3(l) 4NO2(g) + 2H2O(l) + O2(g)
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UAM-I
El aacutecido niacutetrico concentrado que se usa en el laboratorio estaacute al 68 en masa HNO3
(densidad 142 gcm3) lo que corresponde a 157 M
l aacutecido niacutetrico es un poderoso agente oxidante El nuacutemero de oxidacioacuten del N en el
) El aacutecido niacutetrico puede oxidar
nto a metales que estaacuten abajo del hidroacutegeno como aquellos que se encuentran
4Zn2+(ac) + NH4
+(ac) + 3H2O(l)
do no oxida al oro Sin embargo cuando se mezcla con
cido clorhiacutedrico concentrado en relacioacuten 13 en volumen (una parte de HNO3 a tres
partes al oro
omo sigue
APEacuteNDICE F
ETODO DE DEPOSICIOacuteN-PRECIPITACIOacuteN
E
HNO3 es + 5 Los productos maacutes comunes de la reduccioacuten del aacutecido niacutetrico son el
NO2 (N = + 4) el NO (N = + 2) y el NH4+ (N = - 3
ta
arriba en la serie de actividades Por ejemplo el cobre es oxidado por el aacutecido niacutetrico
concentrado como se mencionoacute antes
En presencia de reductores fuertes como el zinc metaacutelico el aacutecido niacutetrico se puede
reducir hasta ion amonio
4Zn(s) + 10H+(ac) + NO3
-(ac)
El aacutecido niacutetrico concentra
aacute
de HCl) la disolucioacuten resultante denominada agua regia puede oxidar
c
Au(s) + 3HNO3(ac) + 4HCl(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O(l) + 3NO2(g)
M
Ingenieriacutea Quiacutemica 69
UAM-I
APEacuteNDICE G
ISENtildeO DEL MEZCLADOR [4]
1) 100 ml H2O gr soporte
2) NH4(OH)
Ajustar a PH = 9 4) HAuCl4 (solucioacuten acuosa al 25E-3M)
6) Filtrado o centrifugado
3) En Agitacioacuten por 2 hr
8) Secado por 2hr a 80 degC
9 ) Calcinado por 4hr a 400 degC
7) Lavado
5) Antildeegamiento por 30 min
D
Ingenieriacutea Quiacutemica 70
UAM-I
El disentildeo de un tanque agitado dis n nuacutemero de elecciones sobre el
po y localizacioacuten del agitador las proporciones del tanque el nuacutemero y dimensiones
ada una de estas decisiones afectan a la velocidad
e circulacioacuten del liacutequido los modelos de velocidad y el consumo de potencia Como
pone de un gra
ti
de las placas deflectoras etc C
d
punto de partida en el disentildeo de los problemas ordinarios de agitacioacuten generalmente
se utiliza un agitador de turbina del tipo que se muestra en la figura 1 La proporcioacuten
tiacutepica es
31
=t
a
DD
1=tD
H 121
=tD
J 51
=aD
W 41
=aD
L
de estas ecuaciones se disentildeara el mezclador como datos se tiene el valor H que es
igual a 3 mts y el diaacutemetro del tanque D
Se determinara la medida de los reflectores
t que es igual 3 mts
121
=tD
J se despeja J
elacioacuten R31
=t
a
DD
se despeja Da
Relacioacuten
41
=aD
L se despeja L
elacioacuten se despeja W
( ) ( ) cmmtsmtsDJ 25250311==⎟
⎞⎜⎛=⎟
⎞⎜⎛= t 1212 ⎠⎝⎠⎝
( ) ( ) mtsmtsDD ta 1331
31
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=
( ) ( ) mtsmtsDL a 250141
41
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛= cm25=
51
=aD
WR
Ingenieriacutea Quiacutemica 71
UAM-I
Figura 2 a) Vista transversal del mezclador b) paletas del mezclador con la
donde se deposita el soporte
Figura 1 Medidas de un agitador de turbina
a) b)
s rejillas
H
J
E L
Da
D t
W
W
( ) ( ) cmmtsmtsDW a 2020151
5==⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎜⎝
=1 ⎞⎛
Ingenieriacutea Quiacutemica 72
UAM-I
APEacuteNDICE C ACCESORIOS EN EL DISENtildeO
Agitador
Agitadores de Heacutelice se escogioacute este tipo de agitador por ser tener las siguientes
caracteriacutesticas [3]
bull Es un agitador de flujo axial
bull Se emplea para liacutequidos pocos viscosos
bull Giran a toda la velocidad del motor
bull Las corrientes de flujo se mueven a traveacutes del liacutequido en una direccioacuten
determinada hasta que son desviadas por el fondo o las paredes del tanque
bull Las palas de la heacutelice cortan o friccionan vigorosamente el liacutequido
bull Los agitadores de heacutelice son eficaces para tanques de gran tamantildeo
Horno
bull El horno se escogioacute por ser tener las siguientes caracteriacutesticas [5]
bull El horno de construccioacuten metaacutelica
bull La caacutemara de combustioacuten estaacute construida mediante hormigones refractarios
de alta resistencia mecaacutenica
bull Las materias secar y calcinar se carga de forma manual
Ingenieriacutea Quiacutemica 57
UAM-I
Bomba
DISENtildeO Bomba centrifuga para operacioacuten horizontal o vertical del impulsor
cerrado succioacuten al extremo descarga hacia arriba tangencial simple succioacuten de un
paso con carcaza partida verticalmente [3]
ROTACIOacuteN En el sentido del reloj vista desde el cople
CARACTERIacuteSTICAS Conexiones brindadas con registro ubicado en la cabeza de
succioacuten para facilitar su limpieza
SERVICIO Debido a que es posible colocarla en posicioacuten horizontal o vertical tanto
en caacutercamos secos como huacutemedos y por el disentildeo de su impulsor que soacutelidos de
gran tamantildeo esta bomba es ideal para los procesos de tratamientos de agua y
manejo de liacutequidos en suspensioacuten en general
CAPACIDADES
GASTO Hasta 3000 GPM
CDT Hasta 80rsquo
PRESIOacuteN 106 Kgcmsup2
POTENCIA De 1 a 60 Hp
VELOCIDAD (1175 - 3550 RPM)
TEMPERATURA 125degC
Ingenieriacutea Quiacutemica 58
UAM-I
Bombas Centriacutefugas
Las maquinas centriacutefugas estaacuten constituidas por un impulsor o rodete formado por
una serie de aletas radiales diversas formas y curvaturas que giran dentro de una
caja circular El fluido penetra por el ojo o eje de rotacioacuten y se descarga maacutes o
menos radialmente en una caacutemara perifeacuterica a una elevada presioacuten que
corresponde a la suma de la fuerza centriacutefuga de la rotacioacuten maacutes la cineacutetica
comunicada al fluido por las aletas La parte moacutevil de la bomba es el rodete Las
aletas del rodete se extienden desde el centro de rotacioacuten hacia la periferia y las
bridas son los discos de refuerzo a cada lado de las aletas que las envuelven Las
aletas pueden ser radiales curvadas ligeramente hacia delante en el mismo sentido
de la rotacioacuten o estar curvadas al reveacutes en el caso maacutes comuacuten en el disentildeo se
determino el rodete siguiente por sus caracteriacutesticas Fig 1
Figura 1 Corte parcial de un rodete de centriacutefuga para grandes cargas y secciones
de paso estrechas empleando con liacutequidos corrosivos o suspensiones de pequentildeas
partiacuteculas[4]
Ingenieriacutea Quiacutemica 59
UAM-I
APENDICE D CALCULO DE POTENCIA DE BOMBAS (8)
Potencia de la bomba de la cisterna 1 que alimenta a los mezclador 4
Ecuacioacuten de Bernoulli
sum sumint =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛+++∆+∆i i
i
P
P
evvfDLvwdphgv 0
21
21
ˆ1
21 222
2
1ρ
a b c d e f
a Diferencia de velocidades
b Diferencia de alturas
c Diferencia de presiones
d Trabajo
e Perdidas de friccioacuten en tuberiacuteas
f Perdidas de friccioacuten en accesorios
En la ecuacioacuten anterior se pueden eliminar algunos teacuterminos
21 mts
6 mts 35 mts
Figura 1 Balance de cisterna 1 a mezclador 4
Se debe de tener dos puntos de referencia para la utilizacioacuten de la ecuacioacuten de
Bernoulli de los cuales se anotaron en la figura 2
Ingenieriacutea Quiacutemica 60
UAM-I
21 mts
2 1 6 mts 35 mts
Figura 2
Teniendo los puntos de referencia se analiza que las diferencias de velocidades son
cero en ambos puntos por lo tanto el termino 2
21 ν∆ es igual a cero
El termino de = (981hg∆ 2segm )(35m ndash 0) = 34335 2
2
segm
El termino de int2
1
1P
P
dpρ
se tiene que la cisterna y el tanque de mezclado ambos no
estaacuten cerrados y por lo tanto no originan un cambio de presioacuten y el termino es cero
De esta expresioacuten L longitud de tuberiacutea
tro de tuberiacutea
n el interior del tubo
v
Para la l radio del tubo que
sum ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
i
fDL2
21 ν
D diaacuteme
f perdidas de friccioacuten e
velocidad del flujo de agua
obtencioacuten de la velocidad se tiene el flujo volumeacutetrico y e
es de 32 cm =0032mts con la ecuacioacuten
Ingenieriacutea Quiacutemica 61
( )( ) sm
ms
m
RQ 761
032060min1)
min340(
2
3
2 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
==ππ
ν
UAM-I
Se reportan valores de perdida de fr
e reduce teacuterminos
iccioacuten en tubos que son igual a 005
Por lo tanto sustituyendo los teacuterminos en la ecuacioacuten de Bernoulli s
sum sumint =⎟⎠
⎜⎝
+⎟⎠
⎜⎝
+++∆+∆i i
iP
evvfD
vwdphgv 022
ˆ2
1ρ
⎞⎛⎞⎛ L 111 2222
or tanto el termino de trabajo queda expresado de la siguiente manera
tanto la bomba comunica al fluido que circula en el sistema un trabajo
+11727
P1
p w
sum sum ∆minus⎟⎠⎞
⎜⎝⎛minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛minus=
i ii
hgevvfDLvw 22
21
21
ˆ
( ) ( )
Este es el trabajo ( por unidad de masa) producido por el fluido en la bomba por lo
22
sm o 11727 981 = 1195
m
fKg
Kgm
La velocidad de flujo de masa es
Por lo tanto
1 )=6694
951)(675(ˆ =minus=minus WwW smkg f = 088Hp = 1Hp
Siendo esta ida para esta bomba El procedimiento anterior se
iguioacute para cada bomba de la planta
AP E
la potencia requer
s
EacuteNDICE
TOXICOLOGIacuteA DE MATERIAS PRIMAS [6]
( ) ( ) ( )( ) ( )( )msm
smmmm
sm 538192201150761
21050
032021536761
21
2
22minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ +minus⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ++
minus=wm
22
27117ˆ smw minus=
( )s
kgmkgQw m675100060340 3 === ρ
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UAM-I
HIDROacuteXIDO DE SODIO
Polvo corrosivo blanco delicuescente
Toxicidad
Concentracioacuten Maacutexima permisible 2mgm3 en aire
Signos y Siacutentomas Conjutivitis quemaduras corneales y de la piel Irritacioacuten
seas vomito dolor abdominal y diarrea a veces con
Lavado de las partes afectadas tranquilizantes sulfato de
decuada gafas protectoras o pantallas para
ignos y Siacutentomas Irritacioacuten de ojos quemaduras corneables tos dolores
l hemoptisis dolor de cabeza dolor epigaacutestrico nauseas y vomito
lmonar
Tratamiento lavado de ojos con agua reposo oxigeno con aparato de respiracioacuten
con onantes
ACIDO NITRICO
Liquido corrosivo sofocante de incoloro a amarillento
ioacuten maacutexima permisible 10ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
del tracto respiratorio nau
sangre
Tratamiento
morfina para el dolor y cortisona
Medidas preventivas Ventilacioacuten a
la cara completa mascarilla con filtro mecaacutenico guantes delantares botas de
goma y acentuar la limpieza personal
CLORO
Gas pasado amarillo verdoso
Toxicidad
Conc Maacutexima permisible 1 ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten
S
retrosterna
debilidad cianosis y edema pu
trolada bronco dilatadores y descongesti
Toxicidad
Concentrac
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UAM-I
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
Signos y siacutentomas Erosioacuten dental estornudo tos Dolor en el pecho bronquitis y
la las partes contaminadas del cuerpo con solucioacuten al 5 de
de las quemaduras con pantildeos
de triacuteo sulfato soacutelido si se a ingerido
vado de ojos con agua
ACIDO CLORIDRICO
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
ivitis necrosis corneal por inhalacioacuten rinitis erosioacuten
dolor de cabeza palpitacioacuten por ingestioacuten
s en la boca faringe esoacutefago estomago salivacioacuten vomito Soc
agua lavada de agua y jaboacuten de las partes
preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
AacuteC
El c
con o de hidroacutegeno una
concentracioacuten de 12 molLt Este aacutecido es un liacutequido incoloro con un olor aacutecido
bronconeumoniacutea
Tratamiento
bicarbonato soacutelido o con agua y jaboacuten Tratamiento
mojados con solucioacuten saturada
administracioacuten por viacutea oral de solucioacuten de jaboacuten Hidroacutexido caacutelcico o alumiacutenico u
oacutexido de magnesio
Medidas preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores excluir de la exposicioacuten
a los individuos con enfermedades de pulmones y rintildeones
Gas incoloro o liacutequido o a amarillento
Toxicidad
Concentracioacuten maacutexima permisible 5ppm en aire
Signos y siacutentomas conjunt
dental laringitis bronquitis neumoniacutea
quemadura
nefritis
Tratamiento lavado de ojos con
contaminantes del cuerpo tratamiento ordinario de quemaduras lavado gaacutestrico
se a ingerido con solucioacuten de bicarbonato soacutedico al 5 seguido de una instilacioacuten
de gel de hidroacutexido de aluminio
Medidas
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores
IDO CLORHIacuteDRICO
loruro de hidroacutegeno es en extremo soluble en agua de hecho el aacutecido clorhiacutedrico
centrado contiene cerca del 38 en masa de clorur
Ingenieriacutea Quiacutemica 64
UAM-I
pronunciado que se debe al equilibrio entre el cloruro de hidroacutegeno gaseoso y
ste con el aacutecido fluorhiacutedrico el aacutecido clorhiacutedrico es un aacutecido fuerte (pKa = -
7) y se ioniza casi totalmente
gar de aacutecido sulfuacuterico auque en menor grado Por
jemplo el zinc metaacutelico reacciona con aacutecido clorhiacutedrico para dar el ion zinc e
hidroacutegeno gaseoso
Zn(s) + 2HCl(ac) ZnCl2(ac) + H2(g)
l para producir aacutecido clorhiacutedrico en el laboratorio es generar
cloruro de hidroacutegen e sodio y el aacutecido
ulfuacuterico En el primer paso a 150degC se forma hidroacutegeno sulfato de sodio
NaHSO4(s) + HCl(g)
io y maacutes
loruro de hidroacutegeno gaseoso Luego el gas se disuelve en agua para formar el
aacutecido
NaHSO4(s) + NaCl(s) Na2SO4(s) + HCl(g)
acuoso
HCl(ac) HCl(g)
El reactivo de grado teacutecnico a menudo tiene un color amarillento por una impureza
del ion hierro (III)
En contra
HCl(ac) + H2O(l) H2O+(ac) + Cl -(ac)
Por ello a menudo se prefiere usar aacutecido clorhiacutedrico diluido en lugar de aacutecido niacutetrico
que es muy oxidante y en lu
e
Cuando el zinc reacciona con el aacutecido niacutetrico es comuacuten que se reduzca una parte
del ion nitrato para dar dioacutexido de nitroacutegeno
El meacutetodo tradiciona
o gaseoso por la reaccioacuten entre el cloruro d
s
NaCl(s) + H2SO4(l)
La mezcla se calienta a 550degC temperatura a la cual el hidroacutegeno sulfato de sodio
reacciona con un exceso de cloruro de sodio para formar sulfato de sod
c
∆
Este meacutetodo se usa tambieacuten en la industria otra forma de producir cloruro de
hidroacutegeno es por la combinacioacuten directa de dicloro y dihidroacutegenogaseosos
Ingenieriacutea Quiacutemica 65
UAM-I
H2(g) + Cl2(g) 2HCl(g)
La mayor cantidad de cloruro de hidroacutegeno que se produce actualmente es un
CH4(g) + 4Cl2(g) 4(l) + 4HCl(g)
riacuten de superficies de acero en un bantildeo aacutecido en la purificacioacuten de glucosa
y jarabe de maiacutez e s y de gas y en la
bricacioacuten de compuestos clorados El aacutecido se puedo comprar en muchas
nducida por la luz
4HNO3(ac) 4NO2(g) + O2(g) + 2H2O(l)
niacutetrico como disolvente)
H2NO3+ H2O + NO2
+
l siguiente
3HNO NO3 ndash
subproducto de otros procesos industriales como la siacutentesis de tetracloruro de
carbono
CCl
Se consumen cerca de 107 toneladas de aacutecido clorhiacutedrico cada antildeo en todo el
mundo Este aacutecido tiene una gama muy amplia de usos como aacutecido comuacuten para
eliminar o
n el tratamiento con aacutecido de pozos petrolero
fa
ferreteriacuteas con el arcaico nombre de aacutecido muriaacutetico sus principales usos caseros
son la limpieza de superficies de concreto y la eliminacioacuten de herrumbre Un nuacutemero
muy reducido de personas es incapaz de sintetizar suficiente jugo gaacutestrico y deben
de ingerir caacutepsulas de aacutecido clorhiacutedrico diluido con cada comida
AacuteCIDO NIacuteTRICO
El aacutecido niacutetrico un liacutequido aceitoso e incoloro en estado puro es sumamente
peligroso El aacutecido que funde a ndash42degC y hierve a +83degC tiene por lo general un
ligero color amarillo a causa de una reaccioacuten de descomposicioacuten i
En un estado puro el aacutecido niacutetrico liacutequido praacutecticamente no conduce la electricidad
Una pequentildea porcioacuten se ioniza como sigue (todas estas especies existen en el aacutecido
2HNO3(l) H2NO3+ + NO3
ndash
H2O + HNO3 H3O+ + NO3 ndash
Para dar la reaccioacuten globa
3 NO2+ + H3O + 2+
Ingenieriacutea Quiacutemica 66
UAM-I
El catioacuten nitrilo es importante en la nitracioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas por ejemplo la
obenceno C6H5NO2 una etapa importante en
umerosos procesos industriales orgaacutenicos
El aacutecido niacutetrico con en agua mientras
ue el ldquoaacutecido niacutetrico fumanterdquo un oxidante extremadamente poderoso es una
vez de ello se produce una mezcla de
sistema que da un orden de
vista industrial el
oceso
e lleva a cabo en tres etapas Primero se hace pasar una mezcla de amoniaco y de
dioxiacutegeno (o aire) un proceso muy
ficiente y exoteacutermico que hace que la malla se ponga al rojo Esta etapa se verifica
conversioacuten de benceno C6H6 en nitr
n
centrado es en realidad una solucioacuten al 70
q
solucioacuten roja de dioacutexido de nitroacutegeno en aacutecido niacutetrico puro Incluso cuando esta
diluido el aacutecido niacutetrico es un oxidante tan fuerte que rara vez desprende hidroacutegeno
cuando se pone en contacto con metales en
oacutexidos de nitroacutegeno y el metal se oxido a su catioacuten
Los enlaces O-N son mucho maacutes cortos (121 pm) que el enlace O-N unidos al aacutetomo
de hidroacutegeno (141 pm) Esta longitud de enlaces indica que hay enlaces muacuteltiples
entre el nitroacutegeno y los dos aacutetomos de oxiacutegeno terminales Ademas de los electrones
del sistema σ hay cuatro electrones que participan en el sistema π O-N-O dos de un
orbital enlazante y dos en un orbital no enlazante
enlace de 112 para cada uno de esos enlaces nitroacutegeno- oxiacutegeno
A veces se nos olvida hasta queacute punto nuestra experiencia depende de la
termodinaacutemica y la cineacutetica Por ejemplo la primera siacutentesis industrial de aacutecido
niacutetrico se llevaba ha cabo por simple combinacioacuten de diniacutetrogeno dioxiacutegeno y agua
utilizando un horno de arco eleacutectrico a fin de proporcionar la energiacutea necesaria par
superar la muy elevada barrera cineacutetica Aunque desde el punto de
factor cineacutetico constituiacutea un problema en realidad es una bendicioacuten por que sin esta
barrera cineacutetica hace mucho tiempo que todo el dioacutexido de la atmoacutesfera se abriacutea
transformado en aacutecido niacutetrico y nuestros mares serian de aacutecido niacutetrico diluido
frac12 N2(g) + 54O2(g) + 12H2O(g) HNO3(g)
Ahora se utiliza el proceso Ostwald para la siacutentesis de aacutecido niacutetrico Este proceso
consume gran parte del amoniaco que se produce por el proceso Haber El pr
s
a traveacutes de una malla de platino metaacutelico Eacuteste es
e
a baja presioacuten para aprovechar el efecto entropico es decir la formacioacuten de 10
moles de gas a partir de 9 moles de gas (una aplicacioacuten del principio de Le Chatelier)
para desplazar el equilibrio a la derecha
Ingenieriacutea Quiacutemica 67
UAM-I
4NH3(g) + 5O2(g) 4NO(g) + 6H2O(g)
Se agrega maacutes oxiacutegeno para oxidar el monoacutexido de nitroacutegeno a dioacutexido de nitroacutegeno
A fin de mejorar el rendimiento de esta reaccioacuten exoteacutermica se extrae calor de los
ases y la mezcla se somete a presioacuten
2HNO3(l) + NO(g)
Esta reaccioacuten tambieacuten es exoteacutermica y una vez maacutes se aplica enfriamiento y alta
la
egunda etapa para oxidarlo de nuevo
La contaminacioacuten s de aacutecido niacutetrico
as plantas maacutes antiguas eran faacutecilmente identificables por la fumarola cafeacute-
antas maacutes antiguas ahora mezcla cantidades
en Estados Unidos porque un 20
dedica ala produccioacuten de explosivos
or ultimo el aacutecido niacutetrico es un liacutequido que hierve a 826degC No existe como liacutequido
g
2NO(g) + O2(g) 2NO2(g)
El dioacutexido de nitroacutegeno se mezcla con agua para dar una solucioacuten de aacutecido niacutetrico
3NO2(g) + H2O(l)
presioacuten par obtener el maacuteximo rendimiento El monoacutexido de nitroacutegeno se vuelve a
s
soliacutea ser un problema importante de las planta
L
amarillento del dioacutexido de nitroacutegeno que escapaba por ellas Las plantas maacutes
antiguas eran faacutecilmente identificable por la fumadora cafeacute-amarillo del dioacutexido de
nitroacutegeno que escapaba de ellas Las pl
estequiomeacutetricas de amoniaco con las oacutexidos de nitroacutegeno con lo cual se obtiene
dinitroacutegeno y vapor de agua ambos inocuos
NO(g) + NO2 (g) + 2NH3(g) 2N2(g) + 3H2O(g)
En todo el mundo alrededor del 80 del aacutecido niacutetrico se utiliza en la produccioacuten de
fertilizantes Esta proporcioacuten es de solo el 65
se
P
puro porque en alguna medida se descompone espontaacuteneamente como sigue
4HNO3(l) 4NO2(g) + 2H2O(l) + O2(g)
Ingenieriacutea Quiacutemica 68
UAM-I
El aacutecido niacutetrico concentrado que se usa en el laboratorio estaacute al 68 en masa HNO3
(densidad 142 gcm3) lo que corresponde a 157 M
l aacutecido niacutetrico es un poderoso agente oxidante El nuacutemero de oxidacioacuten del N en el
) El aacutecido niacutetrico puede oxidar
nto a metales que estaacuten abajo del hidroacutegeno como aquellos que se encuentran
4Zn2+(ac) + NH4
+(ac) + 3H2O(l)
do no oxida al oro Sin embargo cuando se mezcla con
cido clorhiacutedrico concentrado en relacioacuten 13 en volumen (una parte de HNO3 a tres
partes al oro
omo sigue
APEacuteNDICE F
ETODO DE DEPOSICIOacuteN-PRECIPITACIOacuteN
E
HNO3 es + 5 Los productos maacutes comunes de la reduccioacuten del aacutecido niacutetrico son el
NO2 (N = + 4) el NO (N = + 2) y el NH4+ (N = - 3
ta
arriba en la serie de actividades Por ejemplo el cobre es oxidado por el aacutecido niacutetrico
concentrado como se mencionoacute antes
En presencia de reductores fuertes como el zinc metaacutelico el aacutecido niacutetrico se puede
reducir hasta ion amonio
4Zn(s) + 10H+(ac) + NO3
-(ac)
El aacutecido niacutetrico concentra
aacute
de HCl) la disolucioacuten resultante denominada agua regia puede oxidar
c
Au(s) + 3HNO3(ac) + 4HCl(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O(l) + 3NO2(g)
M
Ingenieriacutea Quiacutemica 69
UAM-I
APEacuteNDICE G
ISENtildeO DEL MEZCLADOR [4]
1) 100 ml H2O gr soporte
2) NH4(OH)
Ajustar a PH = 9 4) HAuCl4 (solucioacuten acuosa al 25E-3M)
6) Filtrado o centrifugado
3) En Agitacioacuten por 2 hr
8) Secado por 2hr a 80 degC
9 ) Calcinado por 4hr a 400 degC
7) Lavado
5) Antildeegamiento por 30 min
D
Ingenieriacutea Quiacutemica 70
UAM-I
El disentildeo de un tanque agitado dis n nuacutemero de elecciones sobre el
po y localizacioacuten del agitador las proporciones del tanque el nuacutemero y dimensiones
ada una de estas decisiones afectan a la velocidad
e circulacioacuten del liacutequido los modelos de velocidad y el consumo de potencia Como
pone de un gra
ti
de las placas deflectoras etc C
d
punto de partida en el disentildeo de los problemas ordinarios de agitacioacuten generalmente
se utiliza un agitador de turbina del tipo que se muestra en la figura 1 La proporcioacuten
tiacutepica es
31
=t
a
DD
1=tD
H 121
=tD
J 51
=aD
W 41
=aD
L
de estas ecuaciones se disentildeara el mezclador como datos se tiene el valor H que es
igual a 3 mts y el diaacutemetro del tanque D
Se determinara la medida de los reflectores
t que es igual 3 mts
121
=tD
J se despeja J
elacioacuten R31
=t
a
DD
se despeja Da
Relacioacuten
41
=aD
L se despeja L
elacioacuten se despeja W
( ) ( ) cmmtsmtsDJ 25250311==⎟
⎞⎜⎛=⎟
⎞⎜⎛= t 1212 ⎠⎝⎠⎝
( ) ( ) mtsmtsDD ta 1331
31
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=
( ) ( ) mtsmtsDL a 250141
41
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛= cm25=
51
=aD
WR
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UAM-I
Figura 2 a) Vista transversal del mezclador b) paletas del mezclador con la
donde se deposita el soporte
Figura 1 Medidas de un agitador de turbina
a) b)
s rejillas
H
J
E L
Da
D t
W
W
( ) ( ) cmmtsmtsDW a 2020151
5==⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎜⎝
=1 ⎞⎛
Ingenieriacutea Quiacutemica 72
UAM-I
Bomba
DISENtildeO Bomba centrifuga para operacioacuten horizontal o vertical del impulsor
cerrado succioacuten al extremo descarga hacia arriba tangencial simple succioacuten de un
paso con carcaza partida verticalmente [3]
ROTACIOacuteN En el sentido del reloj vista desde el cople
CARACTERIacuteSTICAS Conexiones brindadas con registro ubicado en la cabeza de
succioacuten para facilitar su limpieza
SERVICIO Debido a que es posible colocarla en posicioacuten horizontal o vertical tanto
en caacutercamos secos como huacutemedos y por el disentildeo de su impulsor que soacutelidos de
gran tamantildeo esta bomba es ideal para los procesos de tratamientos de agua y
manejo de liacutequidos en suspensioacuten en general
CAPACIDADES
GASTO Hasta 3000 GPM
CDT Hasta 80rsquo
PRESIOacuteN 106 Kgcmsup2
POTENCIA De 1 a 60 Hp
VELOCIDAD (1175 - 3550 RPM)
TEMPERATURA 125degC
Ingenieriacutea Quiacutemica 58
UAM-I
Bombas Centriacutefugas
Las maquinas centriacutefugas estaacuten constituidas por un impulsor o rodete formado por
una serie de aletas radiales diversas formas y curvaturas que giran dentro de una
caja circular El fluido penetra por el ojo o eje de rotacioacuten y se descarga maacutes o
menos radialmente en una caacutemara perifeacuterica a una elevada presioacuten que
corresponde a la suma de la fuerza centriacutefuga de la rotacioacuten maacutes la cineacutetica
comunicada al fluido por las aletas La parte moacutevil de la bomba es el rodete Las
aletas del rodete se extienden desde el centro de rotacioacuten hacia la periferia y las
bridas son los discos de refuerzo a cada lado de las aletas que las envuelven Las
aletas pueden ser radiales curvadas ligeramente hacia delante en el mismo sentido
de la rotacioacuten o estar curvadas al reveacutes en el caso maacutes comuacuten en el disentildeo se
determino el rodete siguiente por sus caracteriacutesticas Fig 1
Figura 1 Corte parcial de un rodete de centriacutefuga para grandes cargas y secciones
de paso estrechas empleando con liacutequidos corrosivos o suspensiones de pequentildeas
partiacuteculas[4]
Ingenieriacutea Quiacutemica 59
UAM-I
APENDICE D CALCULO DE POTENCIA DE BOMBAS (8)
Potencia de la bomba de la cisterna 1 que alimenta a los mezclador 4
Ecuacioacuten de Bernoulli
sum sumint =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛+++∆+∆i i
i
P
P
evvfDLvwdphgv 0
21
21
ˆ1
21 222
2
1ρ
a b c d e f
a Diferencia de velocidades
b Diferencia de alturas
c Diferencia de presiones
d Trabajo
e Perdidas de friccioacuten en tuberiacuteas
f Perdidas de friccioacuten en accesorios
En la ecuacioacuten anterior se pueden eliminar algunos teacuterminos
21 mts
6 mts 35 mts
Figura 1 Balance de cisterna 1 a mezclador 4
Se debe de tener dos puntos de referencia para la utilizacioacuten de la ecuacioacuten de
Bernoulli de los cuales se anotaron en la figura 2
Ingenieriacutea Quiacutemica 60
UAM-I
21 mts
2 1 6 mts 35 mts
Figura 2
Teniendo los puntos de referencia se analiza que las diferencias de velocidades son
cero en ambos puntos por lo tanto el termino 2
21 ν∆ es igual a cero
El termino de = (981hg∆ 2segm )(35m ndash 0) = 34335 2
2
segm
El termino de int2
1
1P
P
dpρ
se tiene que la cisterna y el tanque de mezclado ambos no
estaacuten cerrados y por lo tanto no originan un cambio de presioacuten y el termino es cero
De esta expresioacuten L longitud de tuberiacutea
tro de tuberiacutea
n el interior del tubo
v
Para la l radio del tubo que
sum ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
i
fDL2
21 ν
D diaacuteme
f perdidas de friccioacuten e
velocidad del flujo de agua
obtencioacuten de la velocidad se tiene el flujo volumeacutetrico y e
es de 32 cm =0032mts con la ecuacioacuten
Ingenieriacutea Quiacutemica 61
( )( ) sm
ms
m
RQ 761
032060min1)
min340(
2
3
2 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
==ππ
ν
UAM-I
Se reportan valores de perdida de fr
e reduce teacuterminos
iccioacuten en tubos que son igual a 005
Por lo tanto sustituyendo los teacuterminos en la ecuacioacuten de Bernoulli s
sum sumint =⎟⎠
⎜⎝
+⎟⎠
⎜⎝
+++∆+∆i i
iP
evvfD
vwdphgv 022
ˆ2
1ρ
⎞⎛⎞⎛ L 111 2222
or tanto el termino de trabajo queda expresado de la siguiente manera
tanto la bomba comunica al fluido que circula en el sistema un trabajo
+11727
P1
p w
sum sum ∆minus⎟⎠⎞
⎜⎝⎛minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛minus=
i ii
hgevvfDLvw 22
21
21
ˆ
( ) ( )
Este es el trabajo ( por unidad de masa) producido por el fluido en la bomba por lo
22
sm o 11727 981 = 1195
m
fKg
Kgm
La velocidad de flujo de masa es
Por lo tanto
1 )=6694
951)(675(ˆ =minus=minus WwW smkg f = 088Hp = 1Hp
Siendo esta ida para esta bomba El procedimiento anterior se
iguioacute para cada bomba de la planta
AP E
la potencia requer
s
EacuteNDICE
TOXICOLOGIacuteA DE MATERIAS PRIMAS [6]
( ) ( ) ( )( ) ( )( )msm
smmmm
sm 538192201150761
21050
032021536761
21
2
22minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ +minus⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ++
minus=wm
22
27117ˆ smw minus=
( )s
kgmkgQw m675100060340 3 === ρ
Ingenieriacutea Quiacutemica 62
UAM-I
HIDROacuteXIDO DE SODIO
Polvo corrosivo blanco delicuescente
Toxicidad
Concentracioacuten Maacutexima permisible 2mgm3 en aire
Signos y Siacutentomas Conjutivitis quemaduras corneales y de la piel Irritacioacuten
seas vomito dolor abdominal y diarrea a veces con
Lavado de las partes afectadas tranquilizantes sulfato de
decuada gafas protectoras o pantallas para
ignos y Siacutentomas Irritacioacuten de ojos quemaduras corneables tos dolores
l hemoptisis dolor de cabeza dolor epigaacutestrico nauseas y vomito
lmonar
Tratamiento lavado de ojos con agua reposo oxigeno con aparato de respiracioacuten
con onantes
ACIDO NITRICO
Liquido corrosivo sofocante de incoloro a amarillento
ioacuten maacutexima permisible 10ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
del tracto respiratorio nau
sangre
Tratamiento
morfina para el dolor y cortisona
Medidas preventivas Ventilacioacuten a
la cara completa mascarilla con filtro mecaacutenico guantes delantares botas de
goma y acentuar la limpieza personal
CLORO
Gas pasado amarillo verdoso
Toxicidad
Conc Maacutexima permisible 1 ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten
S
retrosterna
debilidad cianosis y edema pu
trolada bronco dilatadores y descongesti
Toxicidad
Concentrac
Ingenieriacutea Quiacutemica 63
UAM-I
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
Signos y siacutentomas Erosioacuten dental estornudo tos Dolor en el pecho bronquitis y
la las partes contaminadas del cuerpo con solucioacuten al 5 de
de las quemaduras con pantildeos
de triacuteo sulfato soacutelido si se a ingerido
vado de ojos con agua
ACIDO CLORIDRICO
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
ivitis necrosis corneal por inhalacioacuten rinitis erosioacuten
dolor de cabeza palpitacioacuten por ingestioacuten
s en la boca faringe esoacutefago estomago salivacioacuten vomito Soc
agua lavada de agua y jaboacuten de las partes
preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
AacuteC
El c
con o de hidroacutegeno una
concentracioacuten de 12 molLt Este aacutecido es un liacutequido incoloro con un olor aacutecido
bronconeumoniacutea
Tratamiento
bicarbonato soacutelido o con agua y jaboacuten Tratamiento
mojados con solucioacuten saturada
administracioacuten por viacutea oral de solucioacuten de jaboacuten Hidroacutexido caacutelcico o alumiacutenico u
oacutexido de magnesio
Medidas preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores excluir de la exposicioacuten
a los individuos con enfermedades de pulmones y rintildeones
Gas incoloro o liacutequido o a amarillento
Toxicidad
Concentracioacuten maacutexima permisible 5ppm en aire
Signos y siacutentomas conjunt
dental laringitis bronquitis neumoniacutea
quemadura
nefritis
Tratamiento lavado de ojos con
contaminantes del cuerpo tratamiento ordinario de quemaduras lavado gaacutestrico
se a ingerido con solucioacuten de bicarbonato soacutedico al 5 seguido de una instilacioacuten
de gel de hidroacutexido de aluminio
Medidas
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores
IDO CLORHIacuteDRICO
loruro de hidroacutegeno es en extremo soluble en agua de hecho el aacutecido clorhiacutedrico
centrado contiene cerca del 38 en masa de clorur
Ingenieriacutea Quiacutemica 64
UAM-I
pronunciado que se debe al equilibrio entre el cloruro de hidroacutegeno gaseoso y
ste con el aacutecido fluorhiacutedrico el aacutecido clorhiacutedrico es un aacutecido fuerte (pKa = -
7) y se ioniza casi totalmente
gar de aacutecido sulfuacuterico auque en menor grado Por
jemplo el zinc metaacutelico reacciona con aacutecido clorhiacutedrico para dar el ion zinc e
hidroacutegeno gaseoso
Zn(s) + 2HCl(ac) ZnCl2(ac) + H2(g)
l para producir aacutecido clorhiacutedrico en el laboratorio es generar
cloruro de hidroacutegen e sodio y el aacutecido
ulfuacuterico En el primer paso a 150degC se forma hidroacutegeno sulfato de sodio
NaHSO4(s) + HCl(g)
io y maacutes
loruro de hidroacutegeno gaseoso Luego el gas se disuelve en agua para formar el
aacutecido
NaHSO4(s) + NaCl(s) Na2SO4(s) + HCl(g)
acuoso
HCl(ac) HCl(g)
El reactivo de grado teacutecnico a menudo tiene un color amarillento por una impureza
del ion hierro (III)
En contra
HCl(ac) + H2O(l) H2O+(ac) + Cl -(ac)
Por ello a menudo se prefiere usar aacutecido clorhiacutedrico diluido en lugar de aacutecido niacutetrico
que es muy oxidante y en lu
e
Cuando el zinc reacciona con el aacutecido niacutetrico es comuacuten que se reduzca una parte
del ion nitrato para dar dioacutexido de nitroacutegeno
El meacutetodo tradiciona
o gaseoso por la reaccioacuten entre el cloruro d
s
NaCl(s) + H2SO4(l)
La mezcla se calienta a 550degC temperatura a la cual el hidroacutegeno sulfato de sodio
reacciona con un exceso de cloruro de sodio para formar sulfato de sod
c
∆
Este meacutetodo se usa tambieacuten en la industria otra forma de producir cloruro de
hidroacutegeno es por la combinacioacuten directa de dicloro y dihidroacutegenogaseosos
Ingenieriacutea Quiacutemica 65
UAM-I
H2(g) + Cl2(g) 2HCl(g)
La mayor cantidad de cloruro de hidroacutegeno que se produce actualmente es un
CH4(g) + 4Cl2(g) 4(l) + 4HCl(g)
riacuten de superficies de acero en un bantildeo aacutecido en la purificacioacuten de glucosa
y jarabe de maiacutez e s y de gas y en la
bricacioacuten de compuestos clorados El aacutecido se puedo comprar en muchas
nducida por la luz
4HNO3(ac) 4NO2(g) + O2(g) + 2H2O(l)
niacutetrico como disolvente)
H2NO3+ H2O + NO2
+
l siguiente
3HNO NO3 ndash
subproducto de otros procesos industriales como la siacutentesis de tetracloruro de
carbono
CCl
Se consumen cerca de 107 toneladas de aacutecido clorhiacutedrico cada antildeo en todo el
mundo Este aacutecido tiene una gama muy amplia de usos como aacutecido comuacuten para
eliminar o
n el tratamiento con aacutecido de pozos petrolero
fa
ferreteriacuteas con el arcaico nombre de aacutecido muriaacutetico sus principales usos caseros
son la limpieza de superficies de concreto y la eliminacioacuten de herrumbre Un nuacutemero
muy reducido de personas es incapaz de sintetizar suficiente jugo gaacutestrico y deben
de ingerir caacutepsulas de aacutecido clorhiacutedrico diluido con cada comida
AacuteCIDO NIacuteTRICO
El aacutecido niacutetrico un liacutequido aceitoso e incoloro en estado puro es sumamente
peligroso El aacutecido que funde a ndash42degC y hierve a +83degC tiene por lo general un
ligero color amarillo a causa de una reaccioacuten de descomposicioacuten i
En un estado puro el aacutecido niacutetrico liacutequido praacutecticamente no conduce la electricidad
Una pequentildea porcioacuten se ioniza como sigue (todas estas especies existen en el aacutecido
2HNO3(l) H2NO3+ + NO3
ndash
H2O + HNO3 H3O+ + NO3 ndash
Para dar la reaccioacuten globa
3 NO2+ + H3O + 2+
Ingenieriacutea Quiacutemica 66
UAM-I
El catioacuten nitrilo es importante en la nitracioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas por ejemplo la
obenceno C6H5NO2 una etapa importante en
umerosos procesos industriales orgaacutenicos
El aacutecido niacutetrico con en agua mientras
ue el ldquoaacutecido niacutetrico fumanterdquo un oxidante extremadamente poderoso es una
vez de ello se produce una mezcla de
sistema que da un orden de
vista industrial el
oceso
e lleva a cabo en tres etapas Primero se hace pasar una mezcla de amoniaco y de
dioxiacutegeno (o aire) un proceso muy
ficiente y exoteacutermico que hace que la malla se ponga al rojo Esta etapa se verifica
conversioacuten de benceno C6H6 en nitr
n
centrado es en realidad una solucioacuten al 70
q
solucioacuten roja de dioacutexido de nitroacutegeno en aacutecido niacutetrico puro Incluso cuando esta
diluido el aacutecido niacutetrico es un oxidante tan fuerte que rara vez desprende hidroacutegeno
cuando se pone en contacto con metales en
oacutexidos de nitroacutegeno y el metal se oxido a su catioacuten
Los enlaces O-N son mucho maacutes cortos (121 pm) que el enlace O-N unidos al aacutetomo
de hidroacutegeno (141 pm) Esta longitud de enlaces indica que hay enlaces muacuteltiples
entre el nitroacutegeno y los dos aacutetomos de oxiacutegeno terminales Ademas de los electrones
del sistema σ hay cuatro electrones que participan en el sistema π O-N-O dos de un
orbital enlazante y dos en un orbital no enlazante
enlace de 112 para cada uno de esos enlaces nitroacutegeno- oxiacutegeno
A veces se nos olvida hasta queacute punto nuestra experiencia depende de la
termodinaacutemica y la cineacutetica Por ejemplo la primera siacutentesis industrial de aacutecido
niacutetrico se llevaba ha cabo por simple combinacioacuten de diniacutetrogeno dioxiacutegeno y agua
utilizando un horno de arco eleacutectrico a fin de proporcionar la energiacutea necesaria par
superar la muy elevada barrera cineacutetica Aunque desde el punto de
factor cineacutetico constituiacutea un problema en realidad es una bendicioacuten por que sin esta
barrera cineacutetica hace mucho tiempo que todo el dioacutexido de la atmoacutesfera se abriacutea
transformado en aacutecido niacutetrico y nuestros mares serian de aacutecido niacutetrico diluido
frac12 N2(g) + 54O2(g) + 12H2O(g) HNO3(g)
Ahora se utiliza el proceso Ostwald para la siacutentesis de aacutecido niacutetrico Este proceso
consume gran parte del amoniaco que se produce por el proceso Haber El pr
s
a traveacutes de una malla de platino metaacutelico Eacuteste es
e
a baja presioacuten para aprovechar el efecto entropico es decir la formacioacuten de 10
moles de gas a partir de 9 moles de gas (una aplicacioacuten del principio de Le Chatelier)
para desplazar el equilibrio a la derecha
Ingenieriacutea Quiacutemica 67
UAM-I
4NH3(g) + 5O2(g) 4NO(g) + 6H2O(g)
Se agrega maacutes oxiacutegeno para oxidar el monoacutexido de nitroacutegeno a dioacutexido de nitroacutegeno
A fin de mejorar el rendimiento de esta reaccioacuten exoteacutermica se extrae calor de los
ases y la mezcla se somete a presioacuten
2HNO3(l) + NO(g)
Esta reaccioacuten tambieacuten es exoteacutermica y una vez maacutes se aplica enfriamiento y alta
la
egunda etapa para oxidarlo de nuevo
La contaminacioacuten s de aacutecido niacutetrico
as plantas maacutes antiguas eran faacutecilmente identificables por la fumarola cafeacute-
antas maacutes antiguas ahora mezcla cantidades
en Estados Unidos porque un 20
dedica ala produccioacuten de explosivos
or ultimo el aacutecido niacutetrico es un liacutequido que hierve a 826degC No existe como liacutequido
g
2NO(g) + O2(g) 2NO2(g)
El dioacutexido de nitroacutegeno se mezcla con agua para dar una solucioacuten de aacutecido niacutetrico
3NO2(g) + H2O(l)
presioacuten par obtener el maacuteximo rendimiento El monoacutexido de nitroacutegeno se vuelve a
s
soliacutea ser un problema importante de las planta
L
amarillento del dioacutexido de nitroacutegeno que escapaba por ellas Las plantas maacutes
antiguas eran faacutecilmente identificable por la fumadora cafeacute-amarillo del dioacutexido de
nitroacutegeno que escapaba de ellas Las pl
estequiomeacutetricas de amoniaco con las oacutexidos de nitroacutegeno con lo cual se obtiene
dinitroacutegeno y vapor de agua ambos inocuos
NO(g) + NO2 (g) + 2NH3(g) 2N2(g) + 3H2O(g)
En todo el mundo alrededor del 80 del aacutecido niacutetrico se utiliza en la produccioacuten de
fertilizantes Esta proporcioacuten es de solo el 65
se
P
puro porque en alguna medida se descompone espontaacuteneamente como sigue
4HNO3(l) 4NO2(g) + 2H2O(l) + O2(g)
Ingenieriacutea Quiacutemica 68
UAM-I
El aacutecido niacutetrico concentrado que se usa en el laboratorio estaacute al 68 en masa HNO3
(densidad 142 gcm3) lo que corresponde a 157 M
l aacutecido niacutetrico es un poderoso agente oxidante El nuacutemero de oxidacioacuten del N en el
) El aacutecido niacutetrico puede oxidar
nto a metales que estaacuten abajo del hidroacutegeno como aquellos que se encuentran
4Zn2+(ac) + NH4
+(ac) + 3H2O(l)
do no oxida al oro Sin embargo cuando se mezcla con
cido clorhiacutedrico concentrado en relacioacuten 13 en volumen (una parte de HNO3 a tres
partes al oro
omo sigue
APEacuteNDICE F
ETODO DE DEPOSICIOacuteN-PRECIPITACIOacuteN
E
HNO3 es + 5 Los productos maacutes comunes de la reduccioacuten del aacutecido niacutetrico son el
NO2 (N = + 4) el NO (N = + 2) y el NH4+ (N = - 3
ta
arriba en la serie de actividades Por ejemplo el cobre es oxidado por el aacutecido niacutetrico
concentrado como se mencionoacute antes
En presencia de reductores fuertes como el zinc metaacutelico el aacutecido niacutetrico se puede
reducir hasta ion amonio
4Zn(s) + 10H+(ac) + NO3
-(ac)
El aacutecido niacutetrico concentra
aacute
de HCl) la disolucioacuten resultante denominada agua regia puede oxidar
c
Au(s) + 3HNO3(ac) + 4HCl(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O(l) + 3NO2(g)
M
Ingenieriacutea Quiacutemica 69
UAM-I
APEacuteNDICE G
ISENtildeO DEL MEZCLADOR [4]
1) 100 ml H2O gr soporte
2) NH4(OH)
Ajustar a PH = 9 4) HAuCl4 (solucioacuten acuosa al 25E-3M)
6) Filtrado o centrifugado
3) En Agitacioacuten por 2 hr
8) Secado por 2hr a 80 degC
9 ) Calcinado por 4hr a 400 degC
7) Lavado
5) Antildeegamiento por 30 min
D
Ingenieriacutea Quiacutemica 70
UAM-I
El disentildeo de un tanque agitado dis n nuacutemero de elecciones sobre el
po y localizacioacuten del agitador las proporciones del tanque el nuacutemero y dimensiones
ada una de estas decisiones afectan a la velocidad
e circulacioacuten del liacutequido los modelos de velocidad y el consumo de potencia Como
pone de un gra
ti
de las placas deflectoras etc C
d
punto de partida en el disentildeo de los problemas ordinarios de agitacioacuten generalmente
se utiliza un agitador de turbina del tipo que se muestra en la figura 1 La proporcioacuten
tiacutepica es
31
=t
a
DD
1=tD
H 121
=tD
J 51
=aD
W 41
=aD
L
de estas ecuaciones se disentildeara el mezclador como datos se tiene el valor H que es
igual a 3 mts y el diaacutemetro del tanque D
Se determinara la medida de los reflectores
t que es igual 3 mts
121
=tD
J se despeja J
elacioacuten R31
=t
a
DD
se despeja Da
Relacioacuten
41
=aD
L se despeja L
elacioacuten se despeja W
( ) ( ) cmmtsmtsDJ 25250311==⎟
⎞⎜⎛=⎟
⎞⎜⎛= t 1212 ⎠⎝⎠⎝
( ) ( ) mtsmtsDD ta 1331
31
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=
( ) ( ) mtsmtsDL a 250141
41
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛= cm25=
51
=aD
WR
Ingenieriacutea Quiacutemica 71
UAM-I
Figura 2 a) Vista transversal del mezclador b) paletas del mezclador con la
donde se deposita el soporte
Figura 1 Medidas de un agitador de turbina
a) b)
s rejillas
H
J
E L
Da
D t
W
W
( ) ( ) cmmtsmtsDW a 2020151
5==⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎜⎝
=1 ⎞⎛
Ingenieriacutea Quiacutemica 72
UAM-I
Bombas Centriacutefugas
Las maquinas centriacutefugas estaacuten constituidas por un impulsor o rodete formado por
una serie de aletas radiales diversas formas y curvaturas que giran dentro de una
caja circular El fluido penetra por el ojo o eje de rotacioacuten y se descarga maacutes o
menos radialmente en una caacutemara perifeacuterica a una elevada presioacuten que
corresponde a la suma de la fuerza centriacutefuga de la rotacioacuten maacutes la cineacutetica
comunicada al fluido por las aletas La parte moacutevil de la bomba es el rodete Las
aletas del rodete se extienden desde el centro de rotacioacuten hacia la periferia y las
bridas son los discos de refuerzo a cada lado de las aletas que las envuelven Las
aletas pueden ser radiales curvadas ligeramente hacia delante en el mismo sentido
de la rotacioacuten o estar curvadas al reveacutes en el caso maacutes comuacuten en el disentildeo se
determino el rodete siguiente por sus caracteriacutesticas Fig 1
Figura 1 Corte parcial de un rodete de centriacutefuga para grandes cargas y secciones
de paso estrechas empleando con liacutequidos corrosivos o suspensiones de pequentildeas
partiacuteculas[4]
Ingenieriacutea Quiacutemica 59
UAM-I
APENDICE D CALCULO DE POTENCIA DE BOMBAS (8)
Potencia de la bomba de la cisterna 1 que alimenta a los mezclador 4
Ecuacioacuten de Bernoulli
sum sumint =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛+++∆+∆i i
i
P
P
evvfDLvwdphgv 0
21
21
ˆ1
21 222
2
1ρ
a b c d e f
a Diferencia de velocidades
b Diferencia de alturas
c Diferencia de presiones
d Trabajo
e Perdidas de friccioacuten en tuberiacuteas
f Perdidas de friccioacuten en accesorios
En la ecuacioacuten anterior se pueden eliminar algunos teacuterminos
21 mts
6 mts 35 mts
Figura 1 Balance de cisterna 1 a mezclador 4
Se debe de tener dos puntos de referencia para la utilizacioacuten de la ecuacioacuten de
Bernoulli de los cuales se anotaron en la figura 2
Ingenieriacutea Quiacutemica 60
UAM-I
21 mts
2 1 6 mts 35 mts
Figura 2
Teniendo los puntos de referencia se analiza que las diferencias de velocidades son
cero en ambos puntos por lo tanto el termino 2
21 ν∆ es igual a cero
El termino de = (981hg∆ 2segm )(35m ndash 0) = 34335 2
2
segm
El termino de int2
1
1P
P
dpρ
se tiene que la cisterna y el tanque de mezclado ambos no
estaacuten cerrados y por lo tanto no originan un cambio de presioacuten y el termino es cero
De esta expresioacuten L longitud de tuberiacutea
tro de tuberiacutea
n el interior del tubo
v
Para la l radio del tubo que
sum ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
i
fDL2
21 ν
D diaacuteme
f perdidas de friccioacuten e
velocidad del flujo de agua
obtencioacuten de la velocidad se tiene el flujo volumeacutetrico y e
es de 32 cm =0032mts con la ecuacioacuten
Ingenieriacutea Quiacutemica 61
( )( ) sm
ms
m
RQ 761
032060min1)
min340(
2
3
2 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
==ππ
ν
UAM-I
Se reportan valores de perdida de fr
e reduce teacuterminos
iccioacuten en tubos que son igual a 005
Por lo tanto sustituyendo los teacuterminos en la ecuacioacuten de Bernoulli s
sum sumint =⎟⎠
⎜⎝
+⎟⎠
⎜⎝
+++∆+∆i i
iP
evvfD
vwdphgv 022
ˆ2
1ρ
⎞⎛⎞⎛ L 111 2222
or tanto el termino de trabajo queda expresado de la siguiente manera
tanto la bomba comunica al fluido que circula en el sistema un trabajo
+11727
P1
p w
sum sum ∆minus⎟⎠⎞
⎜⎝⎛minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛minus=
i ii
hgevvfDLvw 22
21
21
ˆ
( ) ( )
Este es el trabajo ( por unidad de masa) producido por el fluido en la bomba por lo
22
sm o 11727 981 = 1195
m
fKg
Kgm
La velocidad de flujo de masa es
Por lo tanto
1 )=6694
951)(675(ˆ =minus=minus WwW smkg f = 088Hp = 1Hp
Siendo esta ida para esta bomba El procedimiento anterior se
iguioacute para cada bomba de la planta
AP E
la potencia requer
s
EacuteNDICE
TOXICOLOGIacuteA DE MATERIAS PRIMAS [6]
( ) ( ) ( )( ) ( )( )msm
smmmm
sm 538192201150761
21050
032021536761
21
2
22minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ +minus⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ++
minus=wm
22
27117ˆ smw minus=
( )s
kgmkgQw m675100060340 3 === ρ
Ingenieriacutea Quiacutemica 62
UAM-I
HIDROacuteXIDO DE SODIO
Polvo corrosivo blanco delicuescente
Toxicidad
Concentracioacuten Maacutexima permisible 2mgm3 en aire
Signos y Siacutentomas Conjutivitis quemaduras corneales y de la piel Irritacioacuten
seas vomito dolor abdominal y diarrea a veces con
Lavado de las partes afectadas tranquilizantes sulfato de
decuada gafas protectoras o pantallas para
ignos y Siacutentomas Irritacioacuten de ojos quemaduras corneables tos dolores
l hemoptisis dolor de cabeza dolor epigaacutestrico nauseas y vomito
lmonar
Tratamiento lavado de ojos con agua reposo oxigeno con aparato de respiracioacuten
con onantes
ACIDO NITRICO
Liquido corrosivo sofocante de incoloro a amarillento
ioacuten maacutexima permisible 10ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
del tracto respiratorio nau
sangre
Tratamiento
morfina para el dolor y cortisona
Medidas preventivas Ventilacioacuten a
la cara completa mascarilla con filtro mecaacutenico guantes delantares botas de
goma y acentuar la limpieza personal
CLORO
Gas pasado amarillo verdoso
Toxicidad
Conc Maacutexima permisible 1 ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten
S
retrosterna
debilidad cianosis y edema pu
trolada bronco dilatadores y descongesti
Toxicidad
Concentrac
Ingenieriacutea Quiacutemica 63
UAM-I
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
Signos y siacutentomas Erosioacuten dental estornudo tos Dolor en el pecho bronquitis y
la las partes contaminadas del cuerpo con solucioacuten al 5 de
de las quemaduras con pantildeos
de triacuteo sulfato soacutelido si se a ingerido
vado de ojos con agua
ACIDO CLORIDRICO
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
ivitis necrosis corneal por inhalacioacuten rinitis erosioacuten
dolor de cabeza palpitacioacuten por ingestioacuten
s en la boca faringe esoacutefago estomago salivacioacuten vomito Soc
agua lavada de agua y jaboacuten de las partes
preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
AacuteC
El c
con o de hidroacutegeno una
concentracioacuten de 12 molLt Este aacutecido es un liacutequido incoloro con un olor aacutecido
bronconeumoniacutea
Tratamiento
bicarbonato soacutelido o con agua y jaboacuten Tratamiento
mojados con solucioacuten saturada
administracioacuten por viacutea oral de solucioacuten de jaboacuten Hidroacutexido caacutelcico o alumiacutenico u
oacutexido de magnesio
Medidas preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores excluir de la exposicioacuten
a los individuos con enfermedades de pulmones y rintildeones
Gas incoloro o liacutequido o a amarillento
Toxicidad
Concentracioacuten maacutexima permisible 5ppm en aire
Signos y siacutentomas conjunt
dental laringitis bronquitis neumoniacutea
quemadura
nefritis
Tratamiento lavado de ojos con
contaminantes del cuerpo tratamiento ordinario de quemaduras lavado gaacutestrico
se a ingerido con solucioacuten de bicarbonato soacutedico al 5 seguido de una instilacioacuten
de gel de hidroacutexido de aluminio
Medidas
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores
IDO CLORHIacuteDRICO
loruro de hidroacutegeno es en extremo soluble en agua de hecho el aacutecido clorhiacutedrico
centrado contiene cerca del 38 en masa de clorur
Ingenieriacutea Quiacutemica 64
UAM-I
pronunciado que se debe al equilibrio entre el cloruro de hidroacutegeno gaseoso y
ste con el aacutecido fluorhiacutedrico el aacutecido clorhiacutedrico es un aacutecido fuerte (pKa = -
7) y se ioniza casi totalmente
gar de aacutecido sulfuacuterico auque en menor grado Por
jemplo el zinc metaacutelico reacciona con aacutecido clorhiacutedrico para dar el ion zinc e
hidroacutegeno gaseoso
Zn(s) + 2HCl(ac) ZnCl2(ac) + H2(g)
l para producir aacutecido clorhiacutedrico en el laboratorio es generar
cloruro de hidroacutegen e sodio y el aacutecido
ulfuacuterico En el primer paso a 150degC se forma hidroacutegeno sulfato de sodio
NaHSO4(s) + HCl(g)
io y maacutes
loruro de hidroacutegeno gaseoso Luego el gas se disuelve en agua para formar el
aacutecido
NaHSO4(s) + NaCl(s) Na2SO4(s) + HCl(g)
acuoso
HCl(ac) HCl(g)
El reactivo de grado teacutecnico a menudo tiene un color amarillento por una impureza
del ion hierro (III)
En contra
HCl(ac) + H2O(l) H2O+(ac) + Cl -(ac)
Por ello a menudo se prefiere usar aacutecido clorhiacutedrico diluido en lugar de aacutecido niacutetrico
que es muy oxidante y en lu
e
Cuando el zinc reacciona con el aacutecido niacutetrico es comuacuten que se reduzca una parte
del ion nitrato para dar dioacutexido de nitroacutegeno
El meacutetodo tradiciona
o gaseoso por la reaccioacuten entre el cloruro d
s
NaCl(s) + H2SO4(l)
La mezcla se calienta a 550degC temperatura a la cual el hidroacutegeno sulfato de sodio
reacciona con un exceso de cloruro de sodio para formar sulfato de sod
c
∆
Este meacutetodo se usa tambieacuten en la industria otra forma de producir cloruro de
hidroacutegeno es por la combinacioacuten directa de dicloro y dihidroacutegenogaseosos
Ingenieriacutea Quiacutemica 65
UAM-I
H2(g) + Cl2(g) 2HCl(g)
La mayor cantidad de cloruro de hidroacutegeno que se produce actualmente es un
CH4(g) + 4Cl2(g) 4(l) + 4HCl(g)
riacuten de superficies de acero en un bantildeo aacutecido en la purificacioacuten de glucosa
y jarabe de maiacutez e s y de gas y en la
bricacioacuten de compuestos clorados El aacutecido se puedo comprar en muchas
nducida por la luz
4HNO3(ac) 4NO2(g) + O2(g) + 2H2O(l)
niacutetrico como disolvente)
H2NO3+ H2O + NO2
+
l siguiente
3HNO NO3 ndash
subproducto de otros procesos industriales como la siacutentesis de tetracloruro de
carbono
CCl
Se consumen cerca de 107 toneladas de aacutecido clorhiacutedrico cada antildeo en todo el
mundo Este aacutecido tiene una gama muy amplia de usos como aacutecido comuacuten para
eliminar o
n el tratamiento con aacutecido de pozos petrolero
fa
ferreteriacuteas con el arcaico nombre de aacutecido muriaacutetico sus principales usos caseros
son la limpieza de superficies de concreto y la eliminacioacuten de herrumbre Un nuacutemero
muy reducido de personas es incapaz de sintetizar suficiente jugo gaacutestrico y deben
de ingerir caacutepsulas de aacutecido clorhiacutedrico diluido con cada comida
AacuteCIDO NIacuteTRICO
El aacutecido niacutetrico un liacutequido aceitoso e incoloro en estado puro es sumamente
peligroso El aacutecido que funde a ndash42degC y hierve a +83degC tiene por lo general un
ligero color amarillo a causa de una reaccioacuten de descomposicioacuten i
En un estado puro el aacutecido niacutetrico liacutequido praacutecticamente no conduce la electricidad
Una pequentildea porcioacuten se ioniza como sigue (todas estas especies existen en el aacutecido
2HNO3(l) H2NO3+ + NO3
ndash
H2O + HNO3 H3O+ + NO3 ndash
Para dar la reaccioacuten globa
3 NO2+ + H3O + 2+
Ingenieriacutea Quiacutemica 66
UAM-I
El catioacuten nitrilo es importante en la nitracioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas por ejemplo la
obenceno C6H5NO2 una etapa importante en
umerosos procesos industriales orgaacutenicos
El aacutecido niacutetrico con en agua mientras
ue el ldquoaacutecido niacutetrico fumanterdquo un oxidante extremadamente poderoso es una
vez de ello se produce una mezcla de
sistema que da un orden de
vista industrial el
oceso
e lleva a cabo en tres etapas Primero se hace pasar una mezcla de amoniaco y de
dioxiacutegeno (o aire) un proceso muy
ficiente y exoteacutermico que hace que la malla se ponga al rojo Esta etapa se verifica
conversioacuten de benceno C6H6 en nitr
n
centrado es en realidad una solucioacuten al 70
q
solucioacuten roja de dioacutexido de nitroacutegeno en aacutecido niacutetrico puro Incluso cuando esta
diluido el aacutecido niacutetrico es un oxidante tan fuerte que rara vez desprende hidroacutegeno
cuando se pone en contacto con metales en
oacutexidos de nitroacutegeno y el metal se oxido a su catioacuten
Los enlaces O-N son mucho maacutes cortos (121 pm) que el enlace O-N unidos al aacutetomo
de hidroacutegeno (141 pm) Esta longitud de enlaces indica que hay enlaces muacuteltiples
entre el nitroacutegeno y los dos aacutetomos de oxiacutegeno terminales Ademas de los electrones
del sistema σ hay cuatro electrones que participan en el sistema π O-N-O dos de un
orbital enlazante y dos en un orbital no enlazante
enlace de 112 para cada uno de esos enlaces nitroacutegeno- oxiacutegeno
A veces se nos olvida hasta queacute punto nuestra experiencia depende de la
termodinaacutemica y la cineacutetica Por ejemplo la primera siacutentesis industrial de aacutecido
niacutetrico se llevaba ha cabo por simple combinacioacuten de diniacutetrogeno dioxiacutegeno y agua
utilizando un horno de arco eleacutectrico a fin de proporcionar la energiacutea necesaria par
superar la muy elevada barrera cineacutetica Aunque desde el punto de
factor cineacutetico constituiacutea un problema en realidad es una bendicioacuten por que sin esta
barrera cineacutetica hace mucho tiempo que todo el dioacutexido de la atmoacutesfera se abriacutea
transformado en aacutecido niacutetrico y nuestros mares serian de aacutecido niacutetrico diluido
frac12 N2(g) + 54O2(g) + 12H2O(g) HNO3(g)
Ahora se utiliza el proceso Ostwald para la siacutentesis de aacutecido niacutetrico Este proceso
consume gran parte del amoniaco que se produce por el proceso Haber El pr
s
a traveacutes de una malla de platino metaacutelico Eacuteste es
e
a baja presioacuten para aprovechar el efecto entropico es decir la formacioacuten de 10
moles de gas a partir de 9 moles de gas (una aplicacioacuten del principio de Le Chatelier)
para desplazar el equilibrio a la derecha
Ingenieriacutea Quiacutemica 67
UAM-I
4NH3(g) + 5O2(g) 4NO(g) + 6H2O(g)
Se agrega maacutes oxiacutegeno para oxidar el monoacutexido de nitroacutegeno a dioacutexido de nitroacutegeno
A fin de mejorar el rendimiento de esta reaccioacuten exoteacutermica se extrae calor de los
ases y la mezcla se somete a presioacuten
2HNO3(l) + NO(g)
Esta reaccioacuten tambieacuten es exoteacutermica y una vez maacutes se aplica enfriamiento y alta
la
egunda etapa para oxidarlo de nuevo
La contaminacioacuten s de aacutecido niacutetrico
as plantas maacutes antiguas eran faacutecilmente identificables por la fumarola cafeacute-
antas maacutes antiguas ahora mezcla cantidades
en Estados Unidos porque un 20
dedica ala produccioacuten de explosivos
or ultimo el aacutecido niacutetrico es un liacutequido que hierve a 826degC No existe como liacutequido
g
2NO(g) + O2(g) 2NO2(g)
El dioacutexido de nitroacutegeno se mezcla con agua para dar una solucioacuten de aacutecido niacutetrico
3NO2(g) + H2O(l)
presioacuten par obtener el maacuteximo rendimiento El monoacutexido de nitroacutegeno se vuelve a
s
soliacutea ser un problema importante de las planta
L
amarillento del dioacutexido de nitroacutegeno que escapaba por ellas Las plantas maacutes
antiguas eran faacutecilmente identificable por la fumadora cafeacute-amarillo del dioacutexido de
nitroacutegeno que escapaba de ellas Las pl
estequiomeacutetricas de amoniaco con las oacutexidos de nitroacutegeno con lo cual se obtiene
dinitroacutegeno y vapor de agua ambos inocuos
NO(g) + NO2 (g) + 2NH3(g) 2N2(g) + 3H2O(g)
En todo el mundo alrededor del 80 del aacutecido niacutetrico se utiliza en la produccioacuten de
fertilizantes Esta proporcioacuten es de solo el 65
se
P
puro porque en alguna medida se descompone espontaacuteneamente como sigue
4HNO3(l) 4NO2(g) + 2H2O(l) + O2(g)
Ingenieriacutea Quiacutemica 68
UAM-I
El aacutecido niacutetrico concentrado que se usa en el laboratorio estaacute al 68 en masa HNO3
(densidad 142 gcm3) lo que corresponde a 157 M
l aacutecido niacutetrico es un poderoso agente oxidante El nuacutemero de oxidacioacuten del N en el
) El aacutecido niacutetrico puede oxidar
nto a metales que estaacuten abajo del hidroacutegeno como aquellos que se encuentran
4Zn2+(ac) + NH4
+(ac) + 3H2O(l)
do no oxida al oro Sin embargo cuando se mezcla con
cido clorhiacutedrico concentrado en relacioacuten 13 en volumen (una parte de HNO3 a tres
partes al oro
omo sigue
APEacuteNDICE F
ETODO DE DEPOSICIOacuteN-PRECIPITACIOacuteN
E
HNO3 es + 5 Los productos maacutes comunes de la reduccioacuten del aacutecido niacutetrico son el
NO2 (N = + 4) el NO (N = + 2) y el NH4+ (N = - 3
ta
arriba en la serie de actividades Por ejemplo el cobre es oxidado por el aacutecido niacutetrico
concentrado como se mencionoacute antes
En presencia de reductores fuertes como el zinc metaacutelico el aacutecido niacutetrico se puede
reducir hasta ion amonio
4Zn(s) + 10H+(ac) + NO3
-(ac)
El aacutecido niacutetrico concentra
aacute
de HCl) la disolucioacuten resultante denominada agua regia puede oxidar
c
Au(s) + 3HNO3(ac) + 4HCl(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O(l) + 3NO2(g)
M
Ingenieriacutea Quiacutemica 69
UAM-I
APEacuteNDICE G
ISENtildeO DEL MEZCLADOR [4]
1) 100 ml H2O gr soporte
2) NH4(OH)
Ajustar a PH = 9 4) HAuCl4 (solucioacuten acuosa al 25E-3M)
6) Filtrado o centrifugado
3) En Agitacioacuten por 2 hr
8) Secado por 2hr a 80 degC
9 ) Calcinado por 4hr a 400 degC
7) Lavado
5) Antildeegamiento por 30 min
D
Ingenieriacutea Quiacutemica 70
UAM-I
El disentildeo de un tanque agitado dis n nuacutemero de elecciones sobre el
po y localizacioacuten del agitador las proporciones del tanque el nuacutemero y dimensiones
ada una de estas decisiones afectan a la velocidad
e circulacioacuten del liacutequido los modelos de velocidad y el consumo de potencia Como
pone de un gra
ti
de las placas deflectoras etc C
d
punto de partida en el disentildeo de los problemas ordinarios de agitacioacuten generalmente
se utiliza un agitador de turbina del tipo que se muestra en la figura 1 La proporcioacuten
tiacutepica es
31
=t
a
DD
1=tD
H 121
=tD
J 51
=aD
W 41
=aD
L
de estas ecuaciones se disentildeara el mezclador como datos se tiene el valor H que es
igual a 3 mts y el diaacutemetro del tanque D
Se determinara la medida de los reflectores
t que es igual 3 mts
121
=tD
J se despeja J
elacioacuten R31
=t
a
DD
se despeja Da
Relacioacuten
41
=aD
L se despeja L
elacioacuten se despeja W
( ) ( ) cmmtsmtsDJ 25250311==⎟
⎞⎜⎛=⎟
⎞⎜⎛= t 1212 ⎠⎝⎠⎝
( ) ( ) mtsmtsDD ta 1331
31
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=
( ) ( ) mtsmtsDL a 250141
41
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛= cm25=
51
=aD
WR
Ingenieriacutea Quiacutemica 71
UAM-I
Figura 2 a) Vista transversal del mezclador b) paletas del mezclador con la
donde se deposita el soporte
Figura 1 Medidas de un agitador de turbina
a) b)
s rejillas
H
J
E L
Da
D t
W
W
( ) ( ) cmmtsmtsDW a 2020151
5==⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎜⎝
=1 ⎞⎛
Ingenieriacutea Quiacutemica 72
UAM-I
APENDICE D CALCULO DE POTENCIA DE BOMBAS (8)
Potencia de la bomba de la cisterna 1 que alimenta a los mezclador 4
Ecuacioacuten de Bernoulli
sum sumint =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛+++∆+∆i i
i
P
P
evvfDLvwdphgv 0
21
21
ˆ1
21 222
2
1ρ
a b c d e f
a Diferencia de velocidades
b Diferencia de alturas
c Diferencia de presiones
d Trabajo
e Perdidas de friccioacuten en tuberiacuteas
f Perdidas de friccioacuten en accesorios
En la ecuacioacuten anterior se pueden eliminar algunos teacuterminos
21 mts
6 mts 35 mts
Figura 1 Balance de cisterna 1 a mezclador 4
Se debe de tener dos puntos de referencia para la utilizacioacuten de la ecuacioacuten de
Bernoulli de los cuales se anotaron en la figura 2
Ingenieriacutea Quiacutemica 60
UAM-I
21 mts
2 1 6 mts 35 mts
Figura 2
Teniendo los puntos de referencia se analiza que las diferencias de velocidades son
cero en ambos puntos por lo tanto el termino 2
21 ν∆ es igual a cero
El termino de = (981hg∆ 2segm )(35m ndash 0) = 34335 2
2
segm
El termino de int2
1
1P
P
dpρ
se tiene que la cisterna y el tanque de mezclado ambos no
estaacuten cerrados y por lo tanto no originan un cambio de presioacuten y el termino es cero
De esta expresioacuten L longitud de tuberiacutea
tro de tuberiacutea
n el interior del tubo
v
Para la l radio del tubo que
sum ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
i
fDL2
21 ν
D diaacuteme
f perdidas de friccioacuten e
velocidad del flujo de agua
obtencioacuten de la velocidad se tiene el flujo volumeacutetrico y e
es de 32 cm =0032mts con la ecuacioacuten
Ingenieriacutea Quiacutemica 61
( )( ) sm
ms
m
RQ 761
032060min1)
min340(
2
3
2 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
==ππ
ν
UAM-I
Se reportan valores de perdida de fr
e reduce teacuterminos
iccioacuten en tubos que son igual a 005
Por lo tanto sustituyendo los teacuterminos en la ecuacioacuten de Bernoulli s
sum sumint =⎟⎠
⎜⎝
+⎟⎠
⎜⎝
+++∆+∆i i
iP
evvfD
vwdphgv 022
ˆ2
1ρ
⎞⎛⎞⎛ L 111 2222
or tanto el termino de trabajo queda expresado de la siguiente manera
tanto la bomba comunica al fluido que circula en el sistema un trabajo
+11727
P1
p w
sum sum ∆minus⎟⎠⎞
⎜⎝⎛minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛minus=
i ii
hgevvfDLvw 22
21
21
ˆ
( ) ( )
Este es el trabajo ( por unidad de masa) producido por el fluido en la bomba por lo
22
sm o 11727 981 = 1195
m
fKg
Kgm
La velocidad de flujo de masa es
Por lo tanto
1 )=6694
951)(675(ˆ =minus=minus WwW smkg f = 088Hp = 1Hp
Siendo esta ida para esta bomba El procedimiento anterior se
iguioacute para cada bomba de la planta
AP E
la potencia requer
s
EacuteNDICE
TOXICOLOGIacuteA DE MATERIAS PRIMAS [6]
( ) ( ) ( )( ) ( )( )msm
smmmm
sm 538192201150761
21050
032021536761
21
2
22minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ +minus⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ++
minus=wm
22
27117ˆ smw minus=
( )s
kgmkgQw m675100060340 3 === ρ
Ingenieriacutea Quiacutemica 62
UAM-I
HIDROacuteXIDO DE SODIO
Polvo corrosivo blanco delicuescente
Toxicidad
Concentracioacuten Maacutexima permisible 2mgm3 en aire
Signos y Siacutentomas Conjutivitis quemaduras corneales y de la piel Irritacioacuten
seas vomito dolor abdominal y diarrea a veces con
Lavado de las partes afectadas tranquilizantes sulfato de
decuada gafas protectoras o pantallas para
ignos y Siacutentomas Irritacioacuten de ojos quemaduras corneables tos dolores
l hemoptisis dolor de cabeza dolor epigaacutestrico nauseas y vomito
lmonar
Tratamiento lavado de ojos con agua reposo oxigeno con aparato de respiracioacuten
con onantes
ACIDO NITRICO
Liquido corrosivo sofocante de incoloro a amarillento
ioacuten maacutexima permisible 10ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
del tracto respiratorio nau
sangre
Tratamiento
morfina para el dolor y cortisona
Medidas preventivas Ventilacioacuten a
la cara completa mascarilla con filtro mecaacutenico guantes delantares botas de
goma y acentuar la limpieza personal
CLORO
Gas pasado amarillo verdoso
Toxicidad
Conc Maacutexima permisible 1 ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten
S
retrosterna
debilidad cianosis y edema pu
trolada bronco dilatadores y descongesti
Toxicidad
Concentrac
Ingenieriacutea Quiacutemica 63
UAM-I
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
Signos y siacutentomas Erosioacuten dental estornudo tos Dolor en el pecho bronquitis y
la las partes contaminadas del cuerpo con solucioacuten al 5 de
de las quemaduras con pantildeos
de triacuteo sulfato soacutelido si se a ingerido
vado de ojos con agua
ACIDO CLORIDRICO
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
ivitis necrosis corneal por inhalacioacuten rinitis erosioacuten
dolor de cabeza palpitacioacuten por ingestioacuten
s en la boca faringe esoacutefago estomago salivacioacuten vomito Soc
agua lavada de agua y jaboacuten de las partes
preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
AacuteC
El c
con o de hidroacutegeno una
concentracioacuten de 12 molLt Este aacutecido es un liacutequido incoloro con un olor aacutecido
bronconeumoniacutea
Tratamiento
bicarbonato soacutelido o con agua y jaboacuten Tratamiento
mojados con solucioacuten saturada
administracioacuten por viacutea oral de solucioacuten de jaboacuten Hidroacutexido caacutelcico o alumiacutenico u
oacutexido de magnesio
Medidas preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores excluir de la exposicioacuten
a los individuos con enfermedades de pulmones y rintildeones
Gas incoloro o liacutequido o a amarillento
Toxicidad
Concentracioacuten maacutexima permisible 5ppm en aire
Signos y siacutentomas conjunt
dental laringitis bronquitis neumoniacutea
quemadura
nefritis
Tratamiento lavado de ojos con
contaminantes del cuerpo tratamiento ordinario de quemaduras lavado gaacutestrico
se a ingerido con solucioacuten de bicarbonato soacutedico al 5 seguido de una instilacioacuten
de gel de hidroacutexido de aluminio
Medidas
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores
IDO CLORHIacuteDRICO
loruro de hidroacutegeno es en extremo soluble en agua de hecho el aacutecido clorhiacutedrico
centrado contiene cerca del 38 en masa de clorur
Ingenieriacutea Quiacutemica 64
UAM-I
pronunciado que se debe al equilibrio entre el cloruro de hidroacutegeno gaseoso y
ste con el aacutecido fluorhiacutedrico el aacutecido clorhiacutedrico es un aacutecido fuerte (pKa = -
7) y se ioniza casi totalmente
gar de aacutecido sulfuacuterico auque en menor grado Por
jemplo el zinc metaacutelico reacciona con aacutecido clorhiacutedrico para dar el ion zinc e
hidroacutegeno gaseoso
Zn(s) + 2HCl(ac) ZnCl2(ac) + H2(g)
l para producir aacutecido clorhiacutedrico en el laboratorio es generar
cloruro de hidroacutegen e sodio y el aacutecido
ulfuacuterico En el primer paso a 150degC se forma hidroacutegeno sulfato de sodio
NaHSO4(s) + HCl(g)
io y maacutes
loruro de hidroacutegeno gaseoso Luego el gas se disuelve en agua para formar el
aacutecido
NaHSO4(s) + NaCl(s) Na2SO4(s) + HCl(g)
acuoso
HCl(ac) HCl(g)
El reactivo de grado teacutecnico a menudo tiene un color amarillento por una impureza
del ion hierro (III)
En contra
HCl(ac) + H2O(l) H2O+(ac) + Cl -(ac)
Por ello a menudo se prefiere usar aacutecido clorhiacutedrico diluido en lugar de aacutecido niacutetrico
que es muy oxidante y en lu
e
Cuando el zinc reacciona con el aacutecido niacutetrico es comuacuten que se reduzca una parte
del ion nitrato para dar dioacutexido de nitroacutegeno
El meacutetodo tradiciona
o gaseoso por la reaccioacuten entre el cloruro d
s
NaCl(s) + H2SO4(l)
La mezcla se calienta a 550degC temperatura a la cual el hidroacutegeno sulfato de sodio
reacciona con un exceso de cloruro de sodio para formar sulfato de sod
c
∆
Este meacutetodo se usa tambieacuten en la industria otra forma de producir cloruro de
hidroacutegeno es por la combinacioacuten directa de dicloro y dihidroacutegenogaseosos
Ingenieriacutea Quiacutemica 65
UAM-I
H2(g) + Cl2(g) 2HCl(g)
La mayor cantidad de cloruro de hidroacutegeno que se produce actualmente es un
CH4(g) + 4Cl2(g) 4(l) + 4HCl(g)
riacuten de superficies de acero en un bantildeo aacutecido en la purificacioacuten de glucosa
y jarabe de maiacutez e s y de gas y en la
bricacioacuten de compuestos clorados El aacutecido se puedo comprar en muchas
nducida por la luz
4HNO3(ac) 4NO2(g) + O2(g) + 2H2O(l)
niacutetrico como disolvente)
H2NO3+ H2O + NO2
+
l siguiente
3HNO NO3 ndash
subproducto de otros procesos industriales como la siacutentesis de tetracloruro de
carbono
CCl
Se consumen cerca de 107 toneladas de aacutecido clorhiacutedrico cada antildeo en todo el
mundo Este aacutecido tiene una gama muy amplia de usos como aacutecido comuacuten para
eliminar o
n el tratamiento con aacutecido de pozos petrolero
fa
ferreteriacuteas con el arcaico nombre de aacutecido muriaacutetico sus principales usos caseros
son la limpieza de superficies de concreto y la eliminacioacuten de herrumbre Un nuacutemero
muy reducido de personas es incapaz de sintetizar suficiente jugo gaacutestrico y deben
de ingerir caacutepsulas de aacutecido clorhiacutedrico diluido con cada comida
AacuteCIDO NIacuteTRICO
El aacutecido niacutetrico un liacutequido aceitoso e incoloro en estado puro es sumamente
peligroso El aacutecido que funde a ndash42degC y hierve a +83degC tiene por lo general un
ligero color amarillo a causa de una reaccioacuten de descomposicioacuten i
En un estado puro el aacutecido niacutetrico liacutequido praacutecticamente no conduce la electricidad
Una pequentildea porcioacuten se ioniza como sigue (todas estas especies existen en el aacutecido
2HNO3(l) H2NO3+ + NO3
ndash
H2O + HNO3 H3O+ + NO3 ndash
Para dar la reaccioacuten globa
3 NO2+ + H3O + 2+
Ingenieriacutea Quiacutemica 66
UAM-I
El catioacuten nitrilo es importante en la nitracioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas por ejemplo la
obenceno C6H5NO2 una etapa importante en
umerosos procesos industriales orgaacutenicos
El aacutecido niacutetrico con en agua mientras
ue el ldquoaacutecido niacutetrico fumanterdquo un oxidante extremadamente poderoso es una
vez de ello se produce una mezcla de
sistema que da un orden de
vista industrial el
oceso
e lleva a cabo en tres etapas Primero se hace pasar una mezcla de amoniaco y de
dioxiacutegeno (o aire) un proceso muy
ficiente y exoteacutermico que hace que la malla se ponga al rojo Esta etapa se verifica
conversioacuten de benceno C6H6 en nitr
n
centrado es en realidad una solucioacuten al 70
q
solucioacuten roja de dioacutexido de nitroacutegeno en aacutecido niacutetrico puro Incluso cuando esta
diluido el aacutecido niacutetrico es un oxidante tan fuerte que rara vez desprende hidroacutegeno
cuando se pone en contacto con metales en
oacutexidos de nitroacutegeno y el metal se oxido a su catioacuten
Los enlaces O-N son mucho maacutes cortos (121 pm) que el enlace O-N unidos al aacutetomo
de hidroacutegeno (141 pm) Esta longitud de enlaces indica que hay enlaces muacuteltiples
entre el nitroacutegeno y los dos aacutetomos de oxiacutegeno terminales Ademas de los electrones
del sistema σ hay cuatro electrones que participan en el sistema π O-N-O dos de un
orbital enlazante y dos en un orbital no enlazante
enlace de 112 para cada uno de esos enlaces nitroacutegeno- oxiacutegeno
A veces se nos olvida hasta queacute punto nuestra experiencia depende de la
termodinaacutemica y la cineacutetica Por ejemplo la primera siacutentesis industrial de aacutecido
niacutetrico se llevaba ha cabo por simple combinacioacuten de diniacutetrogeno dioxiacutegeno y agua
utilizando un horno de arco eleacutectrico a fin de proporcionar la energiacutea necesaria par
superar la muy elevada barrera cineacutetica Aunque desde el punto de
factor cineacutetico constituiacutea un problema en realidad es una bendicioacuten por que sin esta
barrera cineacutetica hace mucho tiempo que todo el dioacutexido de la atmoacutesfera se abriacutea
transformado en aacutecido niacutetrico y nuestros mares serian de aacutecido niacutetrico diluido
frac12 N2(g) + 54O2(g) + 12H2O(g) HNO3(g)
Ahora se utiliza el proceso Ostwald para la siacutentesis de aacutecido niacutetrico Este proceso
consume gran parte del amoniaco que se produce por el proceso Haber El pr
s
a traveacutes de una malla de platino metaacutelico Eacuteste es
e
a baja presioacuten para aprovechar el efecto entropico es decir la formacioacuten de 10
moles de gas a partir de 9 moles de gas (una aplicacioacuten del principio de Le Chatelier)
para desplazar el equilibrio a la derecha
Ingenieriacutea Quiacutemica 67
UAM-I
4NH3(g) + 5O2(g) 4NO(g) + 6H2O(g)
Se agrega maacutes oxiacutegeno para oxidar el monoacutexido de nitroacutegeno a dioacutexido de nitroacutegeno
A fin de mejorar el rendimiento de esta reaccioacuten exoteacutermica se extrae calor de los
ases y la mezcla se somete a presioacuten
2HNO3(l) + NO(g)
Esta reaccioacuten tambieacuten es exoteacutermica y una vez maacutes se aplica enfriamiento y alta
la
egunda etapa para oxidarlo de nuevo
La contaminacioacuten s de aacutecido niacutetrico
as plantas maacutes antiguas eran faacutecilmente identificables por la fumarola cafeacute-
antas maacutes antiguas ahora mezcla cantidades
en Estados Unidos porque un 20
dedica ala produccioacuten de explosivos
or ultimo el aacutecido niacutetrico es un liacutequido que hierve a 826degC No existe como liacutequido
g
2NO(g) + O2(g) 2NO2(g)
El dioacutexido de nitroacutegeno se mezcla con agua para dar una solucioacuten de aacutecido niacutetrico
3NO2(g) + H2O(l)
presioacuten par obtener el maacuteximo rendimiento El monoacutexido de nitroacutegeno se vuelve a
s
soliacutea ser un problema importante de las planta
L
amarillento del dioacutexido de nitroacutegeno que escapaba por ellas Las plantas maacutes
antiguas eran faacutecilmente identificable por la fumadora cafeacute-amarillo del dioacutexido de
nitroacutegeno que escapaba de ellas Las pl
estequiomeacutetricas de amoniaco con las oacutexidos de nitroacutegeno con lo cual se obtiene
dinitroacutegeno y vapor de agua ambos inocuos
NO(g) + NO2 (g) + 2NH3(g) 2N2(g) + 3H2O(g)
En todo el mundo alrededor del 80 del aacutecido niacutetrico se utiliza en la produccioacuten de
fertilizantes Esta proporcioacuten es de solo el 65
se
P
puro porque en alguna medida se descompone espontaacuteneamente como sigue
4HNO3(l) 4NO2(g) + 2H2O(l) + O2(g)
Ingenieriacutea Quiacutemica 68
UAM-I
El aacutecido niacutetrico concentrado que se usa en el laboratorio estaacute al 68 en masa HNO3
(densidad 142 gcm3) lo que corresponde a 157 M
l aacutecido niacutetrico es un poderoso agente oxidante El nuacutemero de oxidacioacuten del N en el
) El aacutecido niacutetrico puede oxidar
nto a metales que estaacuten abajo del hidroacutegeno como aquellos que se encuentran
4Zn2+(ac) + NH4
+(ac) + 3H2O(l)
do no oxida al oro Sin embargo cuando se mezcla con
cido clorhiacutedrico concentrado en relacioacuten 13 en volumen (una parte de HNO3 a tres
partes al oro
omo sigue
APEacuteNDICE F
ETODO DE DEPOSICIOacuteN-PRECIPITACIOacuteN
E
HNO3 es + 5 Los productos maacutes comunes de la reduccioacuten del aacutecido niacutetrico son el
NO2 (N = + 4) el NO (N = + 2) y el NH4+ (N = - 3
ta
arriba en la serie de actividades Por ejemplo el cobre es oxidado por el aacutecido niacutetrico
concentrado como se mencionoacute antes
En presencia de reductores fuertes como el zinc metaacutelico el aacutecido niacutetrico se puede
reducir hasta ion amonio
4Zn(s) + 10H+(ac) + NO3
-(ac)
El aacutecido niacutetrico concentra
aacute
de HCl) la disolucioacuten resultante denominada agua regia puede oxidar
c
Au(s) + 3HNO3(ac) + 4HCl(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O(l) + 3NO2(g)
M
Ingenieriacutea Quiacutemica 69
UAM-I
APEacuteNDICE G
ISENtildeO DEL MEZCLADOR [4]
1) 100 ml H2O gr soporte
2) NH4(OH)
Ajustar a PH = 9 4) HAuCl4 (solucioacuten acuosa al 25E-3M)
6) Filtrado o centrifugado
3) En Agitacioacuten por 2 hr
8) Secado por 2hr a 80 degC
9 ) Calcinado por 4hr a 400 degC
7) Lavado
5) Antildeegamiento por 30 min
D
Ingenieriacutea Quiacutemica 70
UAM-I
El disentildeo de un tanque agitado dis n nuacutemero de elecciones sobre el
po y localizacioacuten del agitador las proporciones del tanque el nuacutemero y dimensiones
ada una de estas decisiones afectan a la velocidad
e circulacioacuten del liacutequido los modelos de velocidad y el consumo de potencia Como
pone de un gra
ti
de las placas deflectoras etc C
d
punto de partida en el disentildeo de los problemas ordinarios de agitacioacuten generalmente
se utiliza un agitador de turbina del tipo que se muestra en la figura 1 La proporcioacuten
tiacutepica es
31
=t
a
DD
1=tD
H 121
=tD
J 51
=aD
W 41
=aD
L
de estas ecuaciones se disentildeara el mezclador como datos se tiene el valor H que es
igual a 3 mts y el diaacutemetro del tanque D
Se determinara la medida de los reflectores
t que es igual 3 mts
121
=tD
J se despeja J
elacioacuten R31
=t
a
DD
se despeja Da
Relacioacuten
41
=aD
L se despeja L
elacioacuten se despeja W
( ) ( ) cmmtsmtsDJ 25250311==⎟
⎞⎜⎛=⎟
⎞⎜⎛= t 1212 ⎠⎝⎠⎝
( ) ( ) mtsmtsDD ta 1331
31
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=
( ) ( ) mtsmtsDL a 250141
41
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛= cm25=
51
=aD
WR
Ingenieriacutea Quiacutemica 71
UAM-I
Figura 2 a) Vista transversal del mezclador b) paletas del mezclador con la
donde se deposita el soporte
Figura 1 Medidas de un agitador de turbina
a) b)
s rejillas
H
J
E L
Da
D t
W
W
( ) ( ) cmmtsmtsDW a 2020151
5==⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎜⎝
=1 ⎞⎛
Ingenieriacutea Quiacutemica 72
UAM-I
21 mts
2 1 6 mts 35 mts
Figura 2
Teniendo los puntos de referencia se analiza que las diferencias de velocidades son
cero en ambos puntos por lo tanto el termino 2
21 ν∆ es igual a cero
El termino de = (981hg∆ 2segm )(35m ndash 0) = 34335 2
2
segm
El termino de int2
1
1P
P
dpρ
se tiene que la cisterna y el tanque de mezclado ambos no
estaacuten cerrados y por lo tanto no originan un cambio de presioacuten y el termino es cero
De esta expresioacuten L longitud de tuberiacutea
tro de tuberiacutea
n el interior del tubo
v
Para la l radio del tubo que
sum ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
i
fDL2
21 ν
D diaacuteme
f perdidas de friccioacuten e
velocidad del flujo de agua
obtencioacuten de la velocidad se tiene el flujo volumeacutetrico y e
es de 32 cm =0032mts con la ecuacioacuten
Ingenieriacutea Quiacutemica 61
( )( ) sm
ms
m
RQ 761
032060min1)
min340(
2
3
2 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
==ππ
ν
UAM-I
Se reportan valores de perdida de fr
e reduce teacuterminos
iccioacuten en tubos que son igual a 005
Por lo tanto sustituyendo los teacuterminos en la ecuacioacuten de Bernoulli s
sum sumint =⎟⎠
⎜⎝
+⎟⎠
⎜⎝
+++∆+∆i i
iP
evvfD
vwdphgv 022
ˆ2
1ρ
⎞⎛⎞⎛ L 111 2222
or tanto el termino de trabajo queda expresado de la siguiente manera
tanto la bomba comunica al fluido que circula en el sistema un trabajo
+11727
P1
p w
sum sum ∆minus⎟⎠⎞
⎜⎝⎛minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛minus=
i ii
hgevvfDLvw 22
21
21
ˆ
( ) ( )
Este es el trabajo ( por unidad de masa) producido por el fluido en la bomba por lo
22
sm o 11727 981 = 1195
m
fKg
Kgm
La velocidad de flujo de masa es
Por lo tanto
1 )=6694
951)(675(ˆ =minus=minus WwW smkg f = 088Hp = 1Hp
Siendo esta ida para esta bomba El procedimiento anterior se
iguioacute para cada bomba de la planta
AP E
la potencia requer
s
EacuteNDICE
TOXICOLOGIacuteA DE MATERIAS PRIMAS [6]
( ) ( ) ( )( ) ( )( )msm
smmmm
sm 538192201150761
21050
032021536761
21
2
22minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ +minus⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ++
minus=wm
22
27117ˆ smw minus=
( )s
kgmkgQw m675100060340 3 === ρ
Ingenieriacutea Quiacutemica 62
UAM-I
HIDROacuteXIDO DE SODIO
Polvo corrosivo blanco delicuescente
Toxicidad
Concentracioacuten Maacutexima permisible 2mgm3 en aire
Signos y Siacutentomas Conjutivitis quemaduras corneales y de la piel Irritacioacuten
seas vomito dolor abdominal y diarrea a veces con
Lavado de las partes afectadas tranquilizantes sulfato de
decuada gafas protectoras o pantallas para
ignos y Siacutentomas Irritacioacuten de ojos quemaduras corneables tos dolores
l hemoptisis dolor de cabeza dolor epigaacutestrico nauseas y vomito
lmonar
Tratamiento lavado de ojos con agua reposo oxigeno con aparato de respiracioacuten
con onantes
ACIDO NITRICO
Liquido corrosivo sofocante de incoloro a amarillento
ioacuten maacutexima permisible 10ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
del tracto respiratorio nau
sangre
Tratamiento
morfina para el dolor y cortisona
Medidas preventivas Ventilacioacuten a
la cara completa mascarilla con filtro mecaacutenico guantes delantares botas de
goma y acentuar la limpieza personal
CLORO
Gas pasado amarillo verdoso
Toxicidad
Conc Maacutexima permisible 1 ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten
S
retrosterna
debilidad cianosis y edema pu
trolada bronco dilatadores y descongesti
Toxicidad
Concentrac
Ingenieriacutea Quiacutemica 63
UAM-I
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
Signos y siacutentomas Erosioacuten dental estornudo tos Dolor en el pecho bronquitis y
la las partes contaminadas del cuerpo con solucioacuten al 5 de
de las quemaduras con pantildeos
de triacuteo sulfato soacutelido si se a ingerido
vado de ojos con agua
ACIDO CLORIDRICO
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
ivitis necrosis corneal por inhalacioacuten rinitis erosioacuten
dolor de cabeza palpitacioacuten por ingestioacuten
s en la boca faringe esoacutefago estomago salivacioacuten vomito Soc
agua lavada de agua y jaboacuten de las partes
preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
AacuteC
El c
con o de hidroacutegeno una
concentracioacuten de 12 molLt Este aacutecido es un liacutequido incoloro con un olor aacutecido
bronconeumoniacutea
Tratamiento
bicarbonato soacutelido o con agua y jaboacuten Tratamiento
mojados con solucioacuten saturada
administracioacuten por viacutea oral de solucioacuten de jaboacuten Hidroacutexido caacutelcico o alumiacutenico u
oacutexido de magnesio
Medidas preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores excluir de la exposicioacuten
a los individuos con enfermedades de pulmones y rintildeones
Gas incoloro o liacutequido o a amarillento
Toxicidad
Concentracioacuten maacutexima permisible 5ppm en aire
Signos y siacutentomas conjunt
dental laringitis bronquitis neumoniacutea
quemadura
nefritis
Tratamiento lavado de ojos con
contaminantes del cuerpo tratamiento ordinario de quemaduras lavado gaacutestrico
se a ingerido con solucioacuten de bicarbonato soacutedico al 5 seguido de una instilacioacuten
de gel de hidroacutexido de aluminio
Medidas
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores
IDO CLORHIacuteDRICO
loruro de hidroacutegeno es en extremo soluble en agua de hecho el aacutecido clorhiacutedrico
centrado contiene cerca del 38 en masa de clorur
Ingenieriacutea Quiacutemica 64
UAM-I
pronunciado que se debe al equilibrio entre el cloruro de hidroacutegeno gaseoso y
ste con el aacutecido fluorhiacutedrico el aacutecido clorhiacutedrico es un aacutecido fuerte (pKa = -
7) y se ioniza casi totalmente
gar de aacutecido sulfuacuterico auque en menor grado Por
jemplo el zinc metaacutelico reacciona con aacutecido clorhiacutedrico para dar el ion zinc e
hidroacutegeno gaseoso
Zn(s) + 2HCl(ac) ZnCl2(ac) + H2(g)
l para producir aacutecido clorhiacutedrico en el laboratorio es generar
cloruro de hidroacutegen e sodio y el aacutecido
ulfuacuterico En el primer paso a 150degC se forma hidroacutegeno sulfato de sodio
NaHSO4(s) + HCl(g)
io y maacutes
loruro de hidroacutegeno gaseoso Luego el gas se disuelve en agua para formar el
aacutecido
NaHSO4(s) + NaCl(s) Na2SO4(s) + HCl(g)
acuoso
HCl(ac) HCl(g)
El reactivo de grado teacutecnico a menudo tiene un color amarillento por una impureza
del ion hierro (III)
En contra
HCl(ac) + H2O(l) H2O+(ac) + Cl -(ac)
Por ello a menudo se prefiere usar aacutecido clorhiacutedrico diluido en lugar de aacutecido niacutetrico
que es muy oxidante y en lu
e
Cuando el zinc reacciona con el aacutecido niacutetrico es comuacuten que se reduzca una parte
del ion nitrato para dar dioacutexido de nitroacutegeno
El meacutetodo tradiciona
o gaseoso por la reaccioacuten entre el cloruro d
s
NaCl(s) + H2SO4(l)
La mezcla se calienta a 550degC temperatura a la cual el hidroacutegeno sulfato de sodio
reacciona con un exceso de cloruro de sodio para formar sulfato de sod
c
∆
Este meacutetodo se usa tambieacuten en la industria otra forma de producir cloruro de
hidroacutegeno es por la combinacioacuten directa de dicloro y dihidroacutegenogaseosos
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UAM-I
H2(g) + Cl2(g) 2HCl(g)
La mayor cantidad de cloruro de hidroacutegeno que se produce actualmente es un
CH4(g) + 4Cl2(g) 4(l) + 4HCl(g)
riacuten de superficies de acero en un bantildeo aacutecido en la purificacioacuten de glucosa
y jarabe de maiacutez e s y de gas y en la
bricacioacuten de compuestos clorados El aacutecido se puedo comprar en muchas
nducida por la luz
4HNO3(ac) 4NO2(g) + O2(g) + 2H2O(l)
niacutetrico como disolvente)
H2NO3+ H2O + NO2
+
l siguiente
3HNO NO3 ndash
subproducto de otros procesos industriales como la siacutentesis de tetracloruro de
carbono
CCl
Se consumen cerca de 107 toneladas de aacutecido clorhiacutedrico cada antildeo en todo el
mundo Este aacutecido tiene una gama muy amplia de usos como aacutecido comuacuten para
eliminar o
n el tratamiento con aacutecido de pozos petrolero
fa
ferreteriacuteas con el arcaico nombre de aacutecido muriaacutetico sus principales usos caseros
son la limpieza de superficies de concreto y la eliminacioacuten de herrumbre Un nuacutemero
muy reducido de personas es incapaz de sintetizar suficiente jugo gaacutestrico y deben
de ingerir caacutepsulas de aacutecido clorhiacutedrico diluido con cada comida
AacuteCIDO NIacuteTRICO
El aacutecido niacutetrico un liacutequido aceitoso e incoloro en estado puro es sumamente
peligroso El aacutecido que funde a ndash42degC y hierve a +83degC tiene por lo general un
ligero color amarillo a causa de una reaccioacuten de descomposicioacuten i
En un estado puro el aacutecido niacutetrico liacutequido praacutecticamente no conduce la electricidad
Una pequentildea porcioacuten se ioniza como sigue (todas estas especies existen en el aacutecido
2HNO3(l) H2NO3+ + NO3
ndash
H2O + HNO3 H3O+ + NO3 ndash
Para dar la reaccioacuten globa
3 NO2+ + H3O + 2+
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UAM-I
El catioacuten nitrilo es importante en la nitracioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas por ejemplo la
obenceno C6H5NO2 una etapa importante en
umerosos procesos industriales orgaacutenicos
El aacutecido niacutetrico con en agua mientras
ue el ldquoaacutecido niacutetrico fumanterdquo un oxidante extremadamente poderoso es una
vez de ello se produce una mezcla de
sistema que da un orden de
vista industrial el
oceso
e lleva a cabo en tres etapas Primero se hace pasar una mezcla de amoniaco y de
dioxiacutegeno (o aire) un proceso muy
ficiente y exoteacutermico que hace que la malla se ponga al rojo Esta etapa se verifica
conversioacuten de benceno C6H6 en nitr
n
centrado es en realidad una solucioacuten al 70
q
solucioacuten roja de dioacutexido de nitroacutegeno en aacutecido niacutetrico puro Incluso cuando esta
diluido el aacutecido niacutetrico es un oxidante tan fuerte que rara vez desprende hidroacutegeno
cuando se pone en contacto con metales en
oacutexidos de nitroacutegeno y el metal se oxido a su catioacuten
Los enlaces O-N son mucho maacutes cortos (121 pm) que el enlace O-N unidos al aacutetomo
de hidroacutegeno (141 pm) Esta longitud de enlaces indica que hay enlaces muacuteltiples
entre el nitroacutegeno y los dos aacutetomos de oxiacutegeno terminales Ademas de los electrones
del sistema σ hay cuatro electrones que participan en el sistema π O-N-O dos de un
orbital enlazante y dos en un orbital no enlazante
enlace de 112 para cada uno de esos enlaces nitroacutegeno- oxiacutegeno
A veces se nos olvida hasta queacute punto nuestra experiencia depende de la
termodinaacutemica y la cineacutetica Por ejemplo la primera siacutentesis industrial de aacutecido
niacutetrico se llevaba ha cabo por simple combinacioacuten de diniacutetrogeno dioxiacutegeno y agua
utilizando un horno de arco eleacutectrico a fin de proporcionar la energiacutea necesaria par
superar la muy elevada barrera cineacutetica Aunque desde el punto de
factor cineacutetico constituiacutea un problema en realidad es una bendicioacuten por que sin esta
barrera cineacutetica hace mucho tiempo que todo el dioacutexido de la atmoacutesfera se abriacutea
transformado en aacutecido niacutetrico y nuestros mares serian de aacutecido niacutetrico diluido
frac12 N2(g) + 54O2(g) + 12H2O(g) HNO3(g)
Ahora se utiliza el proceso Ostwald para la siacutentesis de aacutecido niacutetrico Este proceso
consume gran parte del amoniaco que se produce por el proceso Haber El pr
s
a traveacutes de una malla de platino metaacutelico Eacuteste es
e
a baja presioacuten para aprovechar el efecto entropico es decir la formacioacuten de 10
moles de gas a partir de 9 moles de gas (una aplicacioacuten del principio de Le Chatelier)
para desplazar el equilibrio a la derecha
Ingenieriacutea Quiacutemica 67
UAM-I
4NH3(g) + 5O2(g) 4NO(g) + 6H2O(g)
Se agrega maacutes oxiacutegeno para oxidar el monoacutexido de nitroacutegeno a dioacutexido de nitroacutegeno
A fin de mejorar el rendimiento de esta reaccioacuten exoteacutermica se extrae calor de los
ases y la mezcla se somete a presioacuten
2HNO3(l) + NO(g)
Esta reaccioacuten tambieacuten es exoteacutermica y una vez maacutes se aplica enfriamiento y alta
la
egunda etapa para oxidarlo de nuevo
La contaminacioacuten s de aacutecido niacutetrico
as plantas maacutes antiguas eran faacutecilmente identificables por la fumarola cafeacute-
antas maacutes antiguas ahora mezcla cantidades
en Estados Unidos porque un 20
dedica ala produccioacuten de explosivos
or ultimo el aacutecido niacutetrico es un liacutequido que hierve a 826degC No existe como liacutequido
g
2NO(g) + O2(g) 2NO2(g)
El dioacutexido de nitroacutegeno se mezcla con agua para dar una solucioacuten de aacutecido niacutetrico
3NO2(g) + H2O(l)
presioacuten par obtener el maacuteximo rendimiento El monoacutexido de nitroacutegeno se vuelve a
s
soliacutea ser un problema importante de las planta
L
amarillento del dioacutexido de nitroacutegeno que escapaba por ellas Las plantas maacutes
antiguas eran faacutecilmente identificable por la fumadora cafeacute-amarillo del dioacutexido de
nitroacutegeno que escapaba de ellas Las pl
estequiomeacutetricas de amoniaco con las oacutexidos de nitroacutegeno con lo cual se obtiene
dinitroacutegeno y vapor de agua ambos inocuos
NO(g) + NO2 (g) + 2NH3(g) 2N2(g) + 3H2O(g)
En todo el mundo alrededor del 80 del aacutecido niacutetrico se utiliza en la produccioacuten de
fertilizantes Esta proporcioacuten es de solo el 65
se
P
puro porque en alguna medida se descompone espontaacuteneamente como sigue
4HNO3(l) 4NO2(g) + 2H2O(l) + O2(g)
Ingenieriacutea Quiacutemica 68
UAM-I
El aacutecido niacutetrico concentrado que se usa en el laboratorio estaacute al 68 en masa HNO3
(densidad 142 gcm3) lo que corresponde a 157 M
l aacutecido niacutetrico es un poderoso agente oxidante El nuacutemero de oxidacioacuten del N en el
) El aacutecido niacutetrico puede oxidar
nto a metales que estaacuten abajo del hidroacutegeno como aquellos que se encuentran
4Zn2+(ac) + NH4
+(ac) + 3H2O(l)
do no oxida al oro Sin embargo cuando se mezcla con
cido clorhiacutedrico concentrado en relacioacuten 13 en volumen (una parte de HNO3 a tres
partes al oro
omo sigue
APEacuteNDICE F
ETODO DE DEPOSICIOacuteN-PRECIPITACIOacuteN
E
HNO3 es + 5 Los productos maacutes comunes de la reduccioacuten del aacutecido niacutetrico son el
NO2 (N = + 4) el NO (N = + 2) y el NH4+ (N = - 3
ta
arriba en la serie de actividades Por ejemplo el cobre es oxidado por el aacutecido niacutetrico
concentrado como se mencionoacute antes
En presencia de reductores fuertes como el zinc metaacutelico el aacutecido niacutetrico se puede
reducir hasta ion amonio
4Zn(s) + 10H+(ac) + NO3
-(ac)
El aacutecido niacutetrico concentra
aacute
de HCl) la disolucioacuten resultante denominada agua regia puede oxidar
c
Au(s) + 3HNO3(ac) + 4HCl(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O(l) + 3NO2(g)
M
Ingenieriacutea Quiacutemica 69
UAM-I
APEacuteNDICE G
ISENtildeO DEL MEZCLADOR [4]
1) 100 ml H2O gr soporte
2) NH4(OH)
Ajustar a PH = 9 4) HAuCl4 (solucioacuten acuosa al 25E-3M)
6) Filtrado o centrifugado
3) En Agitacioacuten por 2 hr
8) Secado por 2hr a 80 degC
9 ) Calcinado por 4hr a 400 degC
7) Lavado
5) Antildeegamiento por 30 min
D
Ingenieriacutea Quiacutemica 70
UAM-I
El disentildeo de un tanque agitado dis n nuacutemero de elecciones sobre el
po y localizacioacuten del agitador las proporciones del tanque el nuacutemero y dimensiones
ada una de estas decisiones afectan a la velocidad
e circulacioacuten del liacutequido los modelos de velocidad y el consumo de potencia Como
pone de un gra
ti
de las placas deflectoras etc C
d
punto de partida en el disentildeo de los problemas ordinarios de agitacioacuten generalmente
se utiliza un agitador de turbina del tipo que se muestra en la figura 1 La proporcioacuten
tiacutepica es
31
=t
a
DD
1=tD
H 121
=tD
J 51
=aD
W 41
=aD
L
de estas ecuaciones se disentildeara el mezclador como datos se tiene el valor H que es
igual a 3 mts y el diaacutemetro del tanque D
Se determinara la medida de los reflectores
t que es igual 3 mts
121
=tD
J se despeja J
elacioacuten R31
=t
a
DD
se despeja Da
Relacioacuten
41
=aD
L se despeja L
elacioacuten se despeja W
( ) ( ) cmmtsmtsDJ 25250311==⎟
⎞⎜⎛=⎟
⎞⎜⎛= t 1212 ⎠⎝⎠⎝
( ) ( ) mtsmtsDD ta 1331
31
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=
( ) ( ) mtsmtsDL a 250141
41
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛= cm25=
51
=aD
WR
Ingenieriacutea Quiacutemica 71
UAM-I
Figura 2 a) Vista transversal del mezclador b) paletas del mezclador con la
donde se deposita el soporte
Figura 1 Medidas de un agitador de turbina
a) b)
s rejillas
H
J
E L
Da
D t
W
W
( ) ( ) cmmtsmtsDW a 2020151
5==⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎜⎝
=1 ⎞⎛
Ingenieriacutea Quiacutemica 72
UAM-I
Se reportan valores de perdida de fr
e reduce teacuterminos
iccioacuten en tubos que son igual a 005
Por lo tanto sustituyendo los teacuterminos en la ecuacioacuten de Bernoulli s
sum sumint =⎟⎠
⎜⎝
+⎟⎠
⎜⎝
+++∆+∆i i
iP
evvfD
vwdphgv 022
ˆ2
1ρ
⎞⎛⎞⎛ L 111 2222
or tanto el termino de trabajo queda expresado de la siguiente manera
tanto la bomba comunica al fluido que circula en el sistema un trabajo
+11727
P1
p w
sum sum ∆minus⎟⎠⎞
⎜⎝⎛minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛minus=
i ii
hgevvfDLvw 22
21
21
ˆ
( ) ( )
Este es el trabajo ( por unidad de masa) producido por el fluido en la bomba por lo
22
sm o 11727 981 = 1195
m
fKg
Kgm
La velocidad de flujo de masa es
Por lo tanto
1 )=6694
951)(675(ˆ =minus=minus WwW smkg f = 088Hp = 1Hp
Siendo esta ida para esta bomba El procedimiento anterior se
iguioacute para cada bomba de la planta
AP E
la potencia requer
s
EacuteNDICE
TOXICOLOGIacuteA DE MATERIAS PRIMAS [6]
( ) ( ) ( )( ) ( )( )msm
smmmm
sm 538192201150761
21050
032021536761
21
2
22minus⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ +minus⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ++
minus=wm
22
27117ˆ smw minus=
( )s
kgmkgQw m675100060340 3 === ρ
Ingenieriacutea Quiacutemica 62
UAM-I
HIDROacuteXIDO DE SODIO
Polvo corrosivo blanco delicuescente
Toxicidad
Concentracioacuten Maacutexima permisible 2mgm3 en aire
Signos y Siacutentomas Conjutivitis quemaduras corneales y de la piel Irritacioacuten
seas vomito dolor abdominal y diarrea a veces con
Lavado de las partes afectadas tranquilizantes sulfato de
decuada gafas protectoras o pantallas para
ignos y Siacutentomas Irritacioacuten de ojos quemaduras corneables tos dolores
l hemoptisis dolor de cabeza dolor epigaacutestrico nauseas y vomito
lmonar
Tratamiento lavado de ojos con agua reposo oxigeno con aparato de respiracioacuten
con onantes
ACIDO NITRICO
Liquido corrosivo sofocante de incoloro a amarillento
ioacuten maacutexima permisible 10ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
del tracto respiratorio nau
sangre
Tratamiento
morfina para el dolor y cortisona
Medidas preventivas Ventilacioacuten a
la cara completa mascarilla con filtro mecaacutenico guantes delantares botas de
goma y acentuar la limpieza personal
CLORO
Gas pasado amarillo verdoso
Toxicidad
Conc Maacutexima permisible 1 ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten
S
retrosterna
debilidad cianosis y edema pu
trolada bronco dilatadores y descongesti
Toxicidad
Concentrac
Ingenieriacutea Quiacutemica 63
UAM-I
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
Signos y siacutentomas Erosioacuten dental estornudo tos Dolor en el pecho bronquitis y
la las partes contaminadas del cuerpo con solucioacuten al 5 de
de las quemaduras con pantildeos
de triacuteo sulfato soacutelido si se a ingerido
vado de ojos con agua
ACIDO CLORIDRICO
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
ivitis necrosis corneal por inhalacioacuten rinitis erosioacuten
dolor de cabeza palpitacioacuten por ingestioacuten
s en la boca faringe esoacutefago estomago salivacioacuten vomito Soc
agua lavada de agua y jaboacuten de las partes
preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
AacuteC
El c
con o de hidroacutegeno una
concentracioacuten de 12 molLt Este aacutecido es un liacutequido incoloro con un olor aacutecido
bronconeumoniacutea
Tratamiento
bicarbonato soacutelido o con agua y jaboacuten Tratamiento
mojados con solucioacuten saturada
administracioacuten por viacutea oral de solucioacuten de jaboacuten Hidroacutexido caacutelcico o alumiacutenico u
oacutexido de magnesio
Medidas preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores excluir de la exposicioacuten
a los individuos con enfermedades de pulmones y rintildeones
Gas incoloro o liacutequido o a amarillento
Toxicidad
Concentracioacuten maacutexima permisible 5ppm en aire
Signos y siacutentomas conjunt
dental laringitis bronquitis neumoniacutea
quemadura
nefritis
Tratamiento lavado de ojos con
contaminantes del cuerpo tratamiento ordinario de quemaduras lavado gaacutestrico
se a ingerido con solucioacuten de bicarbonato soacutedico al 5 seguido de una instilacioacuten
de gel de hidroacutexido de aluminio
Medidas
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores
IDO CLORHIacuteDRICO
loruro de hidroacutegeno es en extremo soluble en agua de hecho el aacutecido clorhiacutedrico
centrado contiene cerca del 38 en masa de clorur
Ingenieriacutea Quiacutemica 64
UAM-I
pronunciado que se debe al equilibrio entre el cloruro de hidroacutegeno gaseoso y
ste con el aacutecido fluorhiacutedrico el aacutecido clorhiacutedrico es un aacutecido fuerte (pKa = -
7) y se ioniza casi totalmente
gar de aacutecido sulfuacuterico auque en menor grado Por
jemplo el zinc metaacutelico reacciona con aacutecido clorhiacutedrico para dar el ion zinc e
hidroacutegeno gaseoso
Zn(s) + 2HCl(ac) ZnCl2(ac) + H2(g)
l para producir aacutecido clorhiacutedrico en el laboratorio es generar
cloruro de hidroacutegen e sodio y el aacutecido
ulfuacuterico En el primer paso a 150degC se forma hidroacutegeno sulfato de sodio
NaHSO4(s) + HCl(g)
io y maacutes
loruro de hidroacutegeno gaseoso Luego el gas se disuelve en agua para formar el
aacutecido
NaHSO4(s) + NaCl(s) Na2SO4(s) + HCl(g)
acuoso
HCl(ac) HCl(g)
El reactivo de grado teacutecnico a menudo tiene un color amarillento por una impureza
del ion hierro (III)
En contra
HCl(ac) + H2O(l) H2O+(ac) + Cl -(ac)
Por ello a menudo se prefiere usar aacutecido clorhiacutedrico diluido en lugar de aacutecido niacutetrico
que es muy oxidante y en lu
e
Cuando el zinc reacciona con el aacutecido niacutetrico es comuacuten que se reduzca una parte
del ion nitrato para dar dioacutexido de nitroacutegeno
El meacutetodo tradiciona
o gaseoso por la reaccioacuten entre el cloruro d
s
NaCl(s) + H2SO4(l)
La mezcla se calienta a 550degC temperatura a la cual el hidroacutegeno sulfato de sodio
reacciona con un exceso de cloruro de sodio para formar sulfato de sod
c
∆
Este meacutetodo se usa tambieacuten en la industria otra forma de producir cloruro de
hidroacutegeno es por la combinacioacuten directa de dicloro y dihidroacutegenogaseosos
Ingenieriacutea Quiacutemica 65
UAM-I
H2(g) + Cl2(g) 2HCl(g)
La mayor cantidad de cloruro de hidroacutegeno que se produce actualmente es un
CH4(g) + 4Cl2(g) 4(l) + 4HCl(g)
riacuten de superficies de acero en un bantildeo aacutecido en la purificacioacuten de glucosa
y jarabe de maiacutez e s y de gas y en la
bricacioacuten de compuestos clorados El aacutecido se puedo comprar en muchas
nducida por la luz
4HNO3(ac) 4NO2(g) + O2(g) + 2H2O(l)
niacutetrico como disolvente)
H2NO3+ H2O + NO2
+
l siguiente
3HNO NO3 ndash
subproducto de otros procesos industriales como la siacutentesis de tetracloruro de
carbono
CCl
Se consumen cerca de 107 toneladas de aacutecido clorhiacutedrico cada antildeo en todo el
mundo Este aacutecido tiene una gama muy amplia de usos como aacutecido comuacuten para
eliminar o
n el tratamiento con aacutecido de pozos petrolero
fa
ferreteriacuteas con el arcaico nombre de aacutecido muriaacutetico sus principales usos caseros
son la limpieza de superficies de concreto y la eliminacioacuten de herrumbre Un nuacutemero
muy reducido de personas es incapaz de sintetizar suficiente jugo gaacutestrico y deben
de ingerir caacutepsulas de aacutecido clorhiacutedrico diluido con cada comida
AacuteCIDO NIacuteTRICO
El aacutecido niacutetrico un liacutequido aceitoso e incoloro en estado puro es sumamente
peligroso El aacutecido que funde a ndash42degC y hierve a +83degC tiene por lo general un
ligero color amarillo a causa de una reaccioacuten de descomposicioacuten i
En un estado puro el aacutecido niacutetrico liacutequido praacutecticamente no conduce la electricidad
Una pequentildea porcioacuten se ioniza como sigue (todas estas especies existen en el aacutecido
2HNO3(l) H2NO3+ + NO3
ndash
H2O + HNO3 H3O+ + NO3 ndash
Para dar la reaccioacuten globa
3 NO2+ + H3O + 2+
Ingenieriacutea Quiacutemica 66
UAM-I
El catioacuten nitrilo es importante en la nitracioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas por ejemplo la
obenceno C6H5NO2 una etapa importante en
umerosos procesos industriales orgaacutenicos
El aacutecido niacutetrico con en agua mientras
ue el ldquoaacutecido niacutetrico fumanterdquo un oxidante extremadamente poderoso es una
vez de ello se produce una mezcla de
sistema que da un orden de
vista industrial el
oceso
e lleva a cabo en tres etapas Primero se hace pasar una mezcla de amoniaco y de
dioxiacutegeno (o aire) un proceso muy
ficiente y exoteacutermico que hace que la malla se ponga al rojo Esta etapa se verifica
conversioacuten de benceno C6H6 en nitr
n
centrado es en realidad una solucioacuten al 70
q
solucioacuten roja de dioacutexido de nitroacutegeno en aacutecido niacutetrico puro Incluso cuando esta
diluido el aacutecido niacutetrico es un oxidante tan fuerte que rara vez desprende hidroacutegeno
cuando se pone en contacto con metales en
oacutexidos de nitroacutegeno y el metal se oxido a su catioacuten
Los enlaces O-N son mucho maacutes cortos (121 pm) que el enlace O-N unidos al aacutetomo
de hidroacutegeno (141 pm) Esta longitud de enlaces indica que hay enlaces muacuteltiples
entre el nitroacutegeno y los dos aacutetomos de oxiacutegeno terminales Ademas de los electrones
del sistema σ hay cuatro electrones que participan en el sistema π O-N-O dos de un
orbital enlazante y dos en un orbital no enlazante
enlace de 112 para cada uno de esos enlaces nitroacutegeno- oxiacutegeno
A veces se nos olvida hasta queacute punto nuestra experiencia depende de la
termodinaacutemica y la cineacutetica Por ejemplo la primera siacutentesis industrial de aacutecido
niacutetrico se llevaba ha cabo por simple combinacioacuten de diniacutetrogeno dioxiacutegeno y agua
utilizando un horno de arco eleacutectrico a fin de proporcionar la energiacutea necesaria par
superar la muy elevada barrera cineacutetica Aunque desde el punto de
factor cineacutetico constituiacutea un problema en realidad es una bendicioacuten por que sin esta
barrera cineacutetica hace mucho tiempo que todo el dioacutexido de la atmoacutesfera se abriacutea
transformado en aacutecido niacutetrico y nuestros mares serian de aacutecido niacutetrico diluido
frac12 N2(g) + 54O2(g) + 12H2O(g) HNO3(g)
Ahora se utiliza el proceso Ostwald para la siacutentesis de aacutecido niacutetrico Este proceso
consume gran parte del amoniaco que se produce por el proceso Haber El pr
s
a traveacutes de una malla de platino metaacutelico Eacuteste es
e
a baja presioacuten para aprovechar el efecto entropico es decir la formacioacuten de 10
moles de gas a partir de 9 moles de gas (una aplicacioacuten del principio de Le Chatelier)
para desplazar el equilibrio a la derecha
Ingenieriacutea Quiacutemica 67
UAM-I
4NH3(g) + 5O2(g) 4NO(g) + 6H2O(g)
Se agrega maacutes oxiacutegeno para oxidar el monoacutexido de nitroacutegeno a dioacutexido de nitroacutegeno
A fin de mejorar el rendimiento de esta reaccioacuten exoteacutermica se extrae calor de los
ases y la mezcla se somete a presioacuten
2HNO3(l) + NO(g)
Esta reaccioacuten tambieacuten es exoteacutermica y una vez maacutes se aplica enfriamiento y alta
la
egunda etapa para oxidarlo de nuevo
La contaminacioacuten s de aacutecido niacutetrico
as plantas maacutes antiguas eran faacutecilmente identificables por la fumarola cafeacute-
antas maacutes antiguas ahora mezcla cantidades
en Estados Unidos porque un 20
dedica ala produccioacuten de explosivos
or ultimo el aacutecido niacutetrico es un liacutequido que hierve a 826degC No existe como liacutequido
g
2NO(g) + O2(g) 2NO2(g)
El dioacutexido de nitroacutegeno se mezcla con agua para dar una solucioacuten de aacutecido niacutetrico
3NO2(g) + H2O(l)
presioacuten par obtener el maacuteximo rendimiento El monoacutexido de nitroacutegeno se vuelve a
s
soliacutea ser un problema importante de las planta
L
amarillento del dioacutexido de nitroacutegeno que escapaba por ellas Las plantas maacutes
antiguas eran faacutecilmente identificable por la fumadora cafeacute-amarillo del dioacutexido de
nitroacutegeno que escapaba de ellas Las pl
estequiomeacutetricas de amoniaco con las oacutexidos de nitroacutegeno con lo cual se obtiene
dinitroacutegeno y vapor de agua ambos inocuos
NO(g) + NO2 (g) + 2NH3(g) 2N2(g) + 3H2O(g)
En todo el mundo alrededor del 80 del aacutecido niacutetrico se utiliza en la produccioacuten de
fertilizantes Esta proporcioacuten es de solo el 65
se
P
puro porque en alguna medida se descompone espontaacuteneamente como sigue
4HNO3(l) 4NO2(g) + 2H2O(l) + O2(g)
Ingenieriacutea Quiacutemica 68
UAM-I
El aacutecido niacutetrico concentrado que se usa en el laboratorio estaacute al 68 en masa HNO3
(densidad 142 gcm3) lo que corresponde a 157 M
l aacutecido niacutetrico es un poderoso agente oxidante El nuacutemero de oxidacioacuten del N en el
) El aacutecido niacutetrico puede oxidar
nto a metales que estaacuten abajo del hidroacutegeno como aquellos que se encuentran
4Zn2+(ac) + NH4
+(ac) + 3H2O(l)
do no oxida al oro Sin embargo cuando se mezcla con
cido clorhiacutedrico concentrado en relacioacuten 13 en volumen (una parte de HNO3 a tres
partes al oro
omo sigue
APEacuteNDICE F
ETODO DE DEPOSICIOacuteN-PRECIPITACIOacuteN
E
HNO3 es + 5 Los productos maacutes comunes de la reduccioacuten del aacutecido niacutetrico son el
NO2 (N = + 4) el NO (N = + 2) y el NH4+ (N = - 3
ta
arriba en la serie de actividades Por ejemplo el cobre es oxidado por el aacutecido niacutetrico
concentrado como se mencionoacute antes
En presencia de reductores fuertes como el zinc metaacutelico el aacutecido niacutetrico se puede
reducir hasta ion amonio
4Zn(s) + 10H+(ac) + NO3
-(ac)
El aacutecido niacutetrico concentra
aacute
de HCl) la disolucioacuten resultante denominada agua regia puede oxidar
c
Au(s) + 3HNO3(ac) + 4HCl(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O(l) + 3NO2(g)
M
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UAM-I
APEacuteNDICE G
ISENtildeO DEL MEZCLADOR [4]
1) 100 ml H2O gr soporte
2) NH4(OH)
Ajustar a PH = 9 4) HAuCl4 (solucioacuten acuosa al 25E-3M)
6) Filtrado o centrifugado
3) En Agitacioacuten por 2 hr
8) Secado por 2hr a 80 degC
9 ) Calcinado por 4hr a 400 degC
7) Lavado
5) Antildeegamiento por 30 min
D
Ingenieriacutea Quiacutemica 70
UAM-I
El disentildeo de un tanque agitado dis n nuacutemero de elecciones sobre el
po y localizacioacuten del agitador las proporciones del tanque el nuacutemero y dimensiones
ada una de estas decisiones afectan a la velocidad
e circulacioacuten del liacutequido los modelos de velocidad y el consumo de potencia Como
pone de un gra
ti
de las placas deflectoras etc C
d
punto de partida en el disentildeo de los problemas ordinarios de agitacioacuten generalmente
se utiliza un agitador de turbina del tipo que se muestra en la figura 1 La proporcioacuten
tiacutepica es
31
=t
a
DD
1=tD
H 121
=tD
J 51
=aD
W 41
=aD
L
de estas ecuaciones se disentildeara el mezclador como datos se tiene el valor H que es
igual a 3 mts y el diaacutemetro del tanque D
Se determinara la medida de los reflectores
t que es igual 3 mts
121
=tD
J se despeja J
elacioacuten R31
=t
a
DD
se despeja Da
Relacioacuten
41
=aD
L se despeja L
elacioacuten se despeja W
( ) ( ) cmmtsmtsDJ 25250311==⎟
⎞⎜⎛=⎟
⎞⎜⎛= t 1212 ⎠⎝⎠⎝
( ) ( ) mtsmtsDD ta 1331
31
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=
( ) ( ) mtsmtsDL a 250141
41
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛= cm25=
51
=aD
WR
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UAM-I
Figura 2 a) Vista transversal del mezclador b) paletas del mezclador con la
donde se deposita el soporte
Figura 1 Medidas de un agitador de turbina
a) b)
s rejillas
H
J
E L
Da
D t
W
W
( ) ( ) cmmtsmtsDW a 2020151
5==⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎜⎝
=1 ⎞⎛
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HIDROacuteXIDO DE SODIO
Polvo corrosivo blanco delicuescente
Toxicidad
Concentracioacuten Maacutexima permisible 2mgm3 en aire
Signos y Siacutentomas Conjutivitis quemaduras corneales y de la piel Irritacioacuten
seas vomito dolor abdominal y diarrea a veces con
Lavado de las partes afectadas tranquilizantes sulfato de
decuada gafas protectoras o pantallas para
ignos y Siacutentomas Irritacioacuten de ojos quemaduras corneables tos dolores
l hemoptisis dolor de cabeza dolor epigaacutestrico nauseas y vomito
lmonar
Tratamiento lavado de ojos con agua reposo oxigeno con aparato de respiracioacuten
con onantes
ACIDO NITRICO
Liquido corrosivo sofocante de incoloro a amarillento
ioacuten maacutexima permisible 10ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
del tracto respiratorio nau
sangre
Tratamiento
morfina para el dolor y cortisona
Medidas preventivas Ventilacioacuten a
la cara completa mascarilla con filtro mecaacutenico guantes delantares botas de
goma y acentuar la limpieza personal
CLORO
Gas pasado amarillo verdoso
Toxicidad
Conc Maacutexima permisible 1 ppm en aire
Absorcioacuten Inhalacioacuten
S
retrosterna
debilidad cianosis y edema pu
trolada bronco dilatadores y descongesti
Toxicidad
Concentrac
Ingenieriacutea Quiacutemica 63
UAM-I
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
Signos y siacutentomas Erosioacuten dental estornudo tos Dolor en el pecho bronquitis y
la las partes contaminadas del cuerpo con solucioacuten al 5 de
de las quemaduras con pantildeos
de triacuteo sulfato soacutelido si se a ingerido
vado de ojos con agua
ACIDO CLORIDRICO
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
ivitis necrosis corneal por inhalacioacuten rinitis erosioacuten
dolor de cabeza palpitacioacuten por ingestioacuten
s en la boca faringe esoacutefago estomago salivacioacuten vomito Soc
agua lavada de agua y jaboacuten de las partes
preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
AacuteC
El c
con o de hidroacutegeno una
concentracioacuten de 12 molLt Este aacutecido es un liacutequido incoloro con un olor aacutecido
bronconeumoniacutea
Tratamiento
bicarbonato soacutelido o con agua y jaboacuten Tratamiento
mojados con solucioacuten saturada
administracioacuten por viacutea oral de solucioacuten de jaboacuten Hidroacutexido caacutelcico o alumiacutenico u
oacutexido de magnesio
Medidas preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores excluir de la exposicioacuten
a los individuos con enfermedades de pulmones y rintildeones
Gas incoloro o liacutequido o a amarillento
Toxicidad
Concentracioacuten maacutexima permisible 5ppm en aire
Signos y siacutentomas conjunt
dental laringitis bronquitis neumoniacutea
quemadura
nefritis
Tratamiento lavado de ojos con
contaminantes del cuerpo tratamiento ordinario de quemaduras lavado gaacutestrico
se a ingerido con solucioacuten de bicarbonato soacutedico al 5 seguido de una instilacioacuten
de gel de hidroacutexido de aluminio
Medidas
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores
IDO CLORHIacuteDRICO
loruro de hidroacutegeno es en extremo soluble en agua de hecho el aacutecido clorhiacutedrico
centrado contiene cerca del 38 en masa de clorur
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UAM-I
pronunciado que se debe al equilibrio entre el cloruro de hidroacutegeno gaseoso y
ste con el aacutecido fluorhiacutedrico el aacutecido clorhiacutedrico es un aacutecido fuerte (pKa = -
7) y se ioniza casi totalmente
gar de aacutecido sulfuacuterico auque en menor grado Por
jemplo el zinc metaacutelico reacciona con aacutecido clorhiacutedrico para dar el ion zinc e
hidroacutegeno gaseoso
Zn(s) + 2HCl(ac) ZnCl2(ac) + H2(g)
l para producir aacutecido clorhiacutedrico en el laboratorio es generar
cloruro de hidroacutegen e sodio y el aacutecido
ulfuacuterico En el primer paso a 150degC se forma hidroacutegeno sulfato de sodio
NaHSO4(s) + HCl(g)
io y maacutes
loruro de hidroacutegeno gaseoso Luego el gas se disuelve en agua para formar el
aacutecido
NaHSO4(s) + NaCl(s) Na2SO4(s) + HCl(g)
acuoso
HCl(ac) HCl(g)
El reactivo de grado teacutecnico a menudo tiene un color amarillento por una impureza
del ion hierro (III)
En contra
HCl(ac) + H2O(l) H2O+(ac) + Cl -(ac)
Por ello a menudo se prefiere usar aacutecido clorhiacutedrico diluido en lugar de aacutecido niacutetrico
que es muy oxidante y en lu
e
Cuando el zinc reacciona con el aacutecido niacutetrico es comuacuten que se reduzca una parte
del ion nitrato para dar dioacutexido de nitroacutegeno
El meacutetodo tradiciona
o gaseoso por la reaccioacuten entre el cloruro d
s
NaCl(s) + H2SO4(l)
La mezcla se calienta a 550degC temperatura a la cual el hidroacutegeno sulfato de sodio
reacciona con un exceso de cloruro de sodio para formar sulfato de sod
c
∆
Este meacutetodo se usa tambieacuten en la industria otra forma de producir cloruro de
hidroacutegeno es por la combinacioacuten directa de dicloro y dihidroacutegenogaseosos
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UAM-I
H2(g) + Cl2(g) 2HCl(g)
La mayor cantidad de cloruro de hidroacutegeno que se produce actualmente es un
CH4(g) + 4Cl2(g) 4(l) + 4HCl(g)
riacuten de superficies de acero en un bantildeo aacutecido en la purificacioacuten de glucosa
y jarabe de maiacutez e s y de gas y en la
bricacioacuten de compuestos clorados El aacutecido se puedo comprar en muchas
nducida por la luz
4HNO3(ac) 4NO2(g) + O2(g) + 2H2O(l)
niacutetrico como disolvente)
H2NO3+ H2O + NO2
+
l siguiente
3HNO NO3 ndash
subproducto de otros procesos industriales como la siacutentesis de tetracloruro de
carbono
CCl
Se consumen cerca de 107 toneladas de aacutecido clorhiacutedrico cada antildeo en todo el
mundo Este aacutecido tiene una gama muy amplia de usos como aacutecido comuacuten para
eliminar o
n el tratamiento con aacutecido de pozos petrolero
fa
ferreteriacuteas con el arcaico nombre de aacutecido muriaacutetico sus principales usos caseros
son la limpieza de superficies de concreto y la eliminacioacuten de herrumbre Un nuacutemero
muy reducido de personas es incapaz de sintetizar suficiente jugo gaacutestrico y deben
de ingerir caacutepsulas de aacutecido clorhiacutedrico diluido con cada comida
AacuteCIDO NIacuteTRICO
El aacutecido niacutetrico un liacutequido aceitoso e incoloro en estado puro es sumamente
peligroso El aacutecido que funde a ndash42degC y hierve a +83degC tiene por lo general un
ligero color amarillo a causa de una reaccioacuten de descomposicioacuten i
En un estado puro el aacutecido niacutetrico liacutequido praacutecticamente no conduce la electricidad
Una pequentildea porcioacuten se ioniza como sigue (todas estas especies existen en el aacutecido
2HNO3(l) H2NO3+ + NO3
ndash
H2O + HNO3 H3O+ + NO3 ndash
Para dar la reaccioacuten globa
3 NO2+ + H3O + 2+
Ingenieriacutea Quiacutemica 66
UAM-I
El catioacuten nitrilo es importante en la nitracioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas por ejemplo la
obenceno C6H5NO2 una etapa importante en
umerosos procesos industriales orgaacutenicos
El aacutecido niacutetrico con en agua mientras
ue el ldquoaacutecido niacutetrico fumanterdquo un oxidante extremadamente poderoso es una
vez de ello se produce una mezcla de
sistema que da un orden de
vista industrial el
oceso
e lleva a cabo en tres etapas Primero se hace pasar una mezcla de amoniaco y de
dioxiacutegeno (o aire) un proceso muy
ficiente y exoteacutermico que hace que la malla se ponga al rojo Esta etapa se verifica
conversioacuten de benceno C6H6 en nitr
n
centrado es en realidad una solucioacuten al 70
q
solucioacuten roja de dioacutexido de nitroacutegeno en aacutecido niacutetrico puro Incluso cuando esta
diluido el aacutecido niacutetrico es un oxidante tan fuerte que rara vez desprende hidroacutegeno
cuando se pone en contacto con metales en
oacutexidos de nitroacutegeno y el metal se oxido a su catioacuten
Los enlaces O-N son mucho maacutes cortos (121 pm) que el enlace O-N unidos al aacutetomo
de hidroacutegeno (141 pm) Esta longitud de enlaces indica que hay enlaces muacuteltiples
entre el nitroacutegeno y los dos aacutetomos de oxiacutegeno terminales Ademas de los electrones
del sistema σ hay cuatro electrones que participan en el sistema π O-N-O dos de un
orbital enlazante y dos en un orbital no enlazante
enlace de 112 para cada uno de esos enlaces nitroacutegeno- oxiacutegeno
A veces se nos olvida hasta queacute punto nuestra experiencia depende de la
termodinaacutemica y la cineacutetica Por ejemplo la primera siacutentesis industrial de aacutecido
niacutetrico se llevaba ha cabo por simple combinacioacuten de diniacutetrogeno dioxiacutegeno y agua
utilizando un horno de arco eleacutectrico a fin de proporcionar la energiacutea necesaria par
superar la muy elevada barrera cineacutetica Aunque desde el punto de
factor cineacutetico constituiacutea un problema en realidad es una bendicioacuten por que sin esta
barrera cineacutetica hace mucho tiempo que todo el dioacutexido de la atmoacutesfera se abriacutea
transformado en aacutecido niacutetrico y nuestros mares serian de aacutecido niacutetrico diluido
frac12 N2(g) + 54O2(g) + 12H2O(g) HNO3(g)
Ahora se utiliza el proceso Ostwald para la siacutentesis de aacutecido niacutetrico Este proceso
consume gran parte del amoniaco que se produce por el proceso Haber El pr
s
a traveacutes de una malla de platino metaacutelico Eacuteste es
e
a baja presioacuten para aprovechar el efecto entropico es decir la formacioacuten de 10
moles de gas a partir de 9 moles de gas (una aplicacioacuten del principio de Le Chatelier)
para desplazar el equilibrio a la derecha
Ingenieriacutea Quiacutemica 67
UAM-I
4NH3(g) + 5O2(g) 4NO(g) + 6H2O(g)
Se agrega maacutes oxiacutegeno para oxidar el monoacutexido de nitroacutegeno a dioacutexido de nitroacutegeno
A fin de mejorar el rendimiento de esta reaccioacuten exoteacutermica se extrae calor de los
ases y la mezcla se somete a presioacuten
2HNO3(l) + NO(g)
Esta reaccioacuten tambieacuten es exoteacutermica y una vez maacutes se aplica enfriamiento y alta
la
egunda etapa para oxidarlo de nuevo
La contaminacioacuten s de aacutecido niacutetrico
as plantas maacutes antiguas eran faacutecilmente identificables por la fumarola cafeacute-
antas maacutes antiguas ahora mezcla cantidades
en Estados Unidos porque un 20
dedica ala produccioacuten de explosivos
or ultimo el aacutecido niacutetrico es un liacutequido que hierve a 826degC No existe como liacutequido
g
2NO(g) + O2(g) 2NO2(g)
El dioacutexido de nitroacutegeno se mezcla con agua para dar una solucioacuten de aacutecido niacutetrico
3NO2(g) + H2O(l)
presioacuten par obtener el maacuteximo rendimiento El monoacutexido de nitroacutegeno se vuelve a
s
soliacutea ser un problema importante de las planta
L
amarillento del dioacutexido de nitroacutegeno que escapaba por ellas Las plantas maacutes
antiguas eran faacutecilmente identificable por la fumadora cafeacute-amarillo del dioacutexido de
nitroacutegeno que escapaba de ellas Las pl
estequiomeacutetricas de amoniaco con las oacutexidos de nitroacutegeno con lo cual se obtiene
dinitroacutegeno y vapor de agua ambos inocuos
NO(g) + NO2 (g) + 2NH3(g) 2N2(g) + 3H2O(g)
En todo el mundo alrededor del 80 del aacutecido niacutetrico se utiliza en la produccioacuten de
fertilizantes Esta proporcioacuten es de solo el 65
se
P
puro porque en alguna medida se descompone espontaacuteneamente como sigue
4HNO3(l) 4NO2(g) + 2H2O(l) + O2(g)
Ingenieriacutea Quiacutemica 68
UAM-I
El aacutecido niacutetrico concentrado que se usa en el laboratorio estaacute al 68 en masa HNO3
(densidad 142 gcm3) lo que corresponde a 157 M
l aacutecido niacutetrico es un poderoso agente oxidante El nuacutemero de oxidacioacuten del N en el
) El aacutecido niacutetrico puede oxidar
nto a metales que estaacuten abajo del hidroacutegeno como aquellos que se encuentran
4Zn2+(ac) + NH4
+(ac) + 3H2O(l)
do no oxida al oro Sin embargo cuando se mezcla con
cido clorhiacutedrico concentrado en relacioacuten 13 en volumen (una parte de HNO3 a tres
partes al oro
omo sigue
APEacuteNDICE F
ETODO DE DEPOSICIOacuteN-PRECIPITACIOacuteN
E
HNO3 es + 5 Los productos maacutes comunes de la reduccioacuten del aacutecido niacutetrico son el
NO2 (N = + 4) el NO (N = + 2) y el NH4+ (N = - 3
ta
arriba en la serie de actividades Por ejemplo el cobre es oxidado por el aacutecido niacutetrico
concentrado como se mencionoacute antes
En presencia de reductores fuertes como el zinc metaacutelico el aacutecido niacutetrico se puede
reducir hasta ion amonio
4Zn(s) + 10H+(ac) + NO3
-(ac)
El aacutecido niacutetrico concentra
aacute
de HCl) la disolucioacuten resultante denominada agua regia puede oxidar
c
Au(s) + 3HNO3(ac) + 4HCl(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O(l) + 3NO2(g)
M
Ingenieriacutea Quiacutemica 69
UAM-I
APEacuteNDICE G
ISENtildeO DEL MEZCLADOR [4]
1) 100 ml H2O gr soporte
2) NH4(OH)
Ajustar a PH = 9 4) HAuCl4 (solucioacuten acuosa al 25E-3M)
6) Filtrado o centrifugado
3) En Agitacioacuten por 2 hr
8) Secado por 2hr a 80 degC
9 ) Calcinado por 4hr a 400 degC
7) Lavado
5) Antildeegamiento por 30 min
D
Ingenieriacutea Quiacutemica 70
UAM-I
El disentildeo de un tanque agitado dis n nuacutemero de elecciones sobre el
po y localizacioacuten del agitador las proporciones del tanque el nuacutemero y dimensiones
ada una de estas decisiones afectan a la velocidad
e circulacioacuten del liacutequido los modelos de velocidad y el consumo de potencia Como
pone de un gra
ti
de las placas deflectoras etc C
d
punto de partida en el disentildeo de los problemas ordinarios de agitacioacuten generalmente
se utiliza un agitador de turbina del tipo que se muestra en la figura 1 La proporcioacuten
tiacutepica es
31
=t
a
DD
1=tD
H 121
=tD
J 51
=aD
W 41
=aD
L
de estas ecuaciones se disentildeara el mezclador como datos se tiene el valor H que es
igual a 3 mts y el diaacutemetro del tanque D
Se determinara la medida de los reflectores
t que es igual 3 mts
121
=tD
J se despeja J
elacioacuten R31
=t
a
DD
se despeja Da
Relacioacuten
41
=aD
L se despeja L
elacioacuten se despeja W
( ) ( ) cmmtsmtsDJ 25250311==⎟
⎞⎜⎛=⎟
⎞⎜⎛= t 1212 ⎠⎝⎠⎝
( ) ( ) mtsmtsDD ta 1331
31
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=
( ) ( ) mtsmtsDL a 250141
41
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛= cm25=
51
=aD
WR
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UAM-I
Figura 2 a) Vista transversal del mezclador b) paletas del mezclador con la
donde se deposita el soporte
Figura 1 Medidas de un agitador de turbina
a) b)
s rejillas
H
J
E L
Da
D t
W
W
( ) ( ) cmmtsmtsDW a 2020151
5==⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎜⎝
=1 ⎞⎛
Ingenieriacutea Quiacutemica 72
UAM-I
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
Signos y siacutentomas Erosioacuten dental estornudo tos Dolor en el pecho bronquitis y
la las partes contaminadas del cuerpo con solucioacuten al 5 de
de las quemaduras con pantildeos
de triacuteo sulfato soacutelido si se a ingerido
vado de ojos con agua
ACIDO CLORIDRICO
Absorcioacuten Inhalacioacuten e ingestioacuten
ivitis necrosis corneal por inhalacioacuten rinitis erosioacuten
dolor de cabeza palpitacioacuten por ingestioacuten
s en la boca faringe esoacutefago estomago salivacioacuten vomito Soc
agua lavada de agua y jaboacuten de las partes
preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
AacuteC
El c
con o de hidroacutegeno una
concentracioacuten de 12 molLt Este aacutecido es un liacutequido incoloro con un olor aacutecido
bronconeumoniacutea
Tratamiento
bicarbonato soacutelido o con agua y jaboacuten Tratamiento
mojados con solucioacuten saturada
administracioacuten por viacutea oral de solucioacuten de jaboacuten Hidroacutexido caacutelcico o alumiacutenico u
oacutexido de magnesio
Medidas preventivas Ventilacioacuten adecuada gafas protectoras mascarilla con
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores excluir de la exposicioacuten
a los individuos con enfermedades de pulmones y rintildeones
Gas incoloro o liacutequido o a amarillento
Toxicidad
Concentracioacuten maacutexima permisible 5ppm en aire
Signos y siacutentomas conjunt
dental laringitis bronquitis neumoniacutea
quemadura
nefritis
Tratamiento lavado de ojos con
contaminantes del cuerpo tratamiento ordinario de quemaduras lavado gaacutestrico
se a ingerido con solucioacuten de bicarbonato soacutedico al 5 seguido de una instilacioacuten
de gel de hidroacutexido de aluminio
Medidas
adsorbente quiacutemico guantes de goma y traje protectores
IDO CLORHIacuteDRICO
loruro de hidroacutegeno es en extremo soluble en agua de hecho el aacutecido clorhiacutedrico
centrado contiene cerca del 38 en masa de clorur
Ingenieriacutea Quiacutemica 64
UAM-I
pronunciado que se debe al equilibrio entre el cloruro de hidroacutegeno gaseoso y
ste con el aacutecido fluorhiacutedrico el aacutecido clorhiacutedrico es un aacutecido fuerte (pKa = -
7) y se ioniza casi totalmente
gar de aacutecido sulfuacuterico auque en menor grado Por
jemplo el zinc metaacutelico reacciona con aacutecido clorhiacutedrico para dar el ion zinc e
hidroacutegeno gaseoso
Zn(s) + 2HCl(ac) ZnCl2(ac) + H2(g)
l para producir aacutecido clorhiacutedrico en el laboratorio es generar
cloruro de hidroacutegen e sodio y el aacutecido
ulfuacuterico En el primer paso a 150degC se forma hidroacutegeno sulfato de sodio
NaHSO4(s) + HCl(g)
io y maacutes
loruro de hidroacutegeno gaseoso Luego el gas se disuelve en agua para formar el
aacutecido
NaHSO4(s) + NaCl(s) Na2SO4(s) + HCl(g)
acuoso
HCl(ac) HCl(g)
El reactivo de grado teacutecnico a menudo tiene un color amarillento por una impureza
del ion hierro (III)
En contra
HCl(ac) + H2O(l) H2O+(ac) + Cl -(ac)
Por ello a menudo se prefiere usar aacutecido clorhiacutedrico diluido en lugar de aacutecido niacutetrico
que es muy oxidante y en lu
e
Cuando el zinc reacciona con el aacutecido niacutetrico es comuacuten que se reduzca una parte
del ion nitrato para dar dioacutexido de nitroacutegeno
El meacutetodo tradiciona
o gaseoso por la reaccioacuten entre el cloruro d
s
NaCl(s) + H2SO4(l)
La mezcla se calienta a 550degC temperatura a la cual el hidroacutegeno sulfato de sodio
reacciona con un exceso de cloruro de sodio para formar sulfato de sod
c
∆
Este meacutetodo se usa tambieacuten en la industria otra forma de producir cloruro de
hidroacutegeno es por la combinacioacuten directa de dicloro y dihidroacutegenogaseosos
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UAM-I
H2(g) + Cl2(g) 2HCl(g)
La mayor cantidad de cloruro de hidroacutegeno que se produce actualmente es un
CH4(g) + 4Cl2(g) 4(l) + 4HCl(g)
riacuten de superficies de acero en un bantildeo aacutecido en la purificacioacuten de glucosa
y jarabe de maiacutez e s y de gas y en la
bricacioacuten de compuestos clorados El aacutecido se puedo comprar en muchas
nducida por la luz
4HNO3(ac) 4NO2(g) + O2(g) + 2H2O(l)
niacutetrico como disolvente)
H2NO3+ H2O + NO2
+
l siguiente
3HNO NO3 ndash
subproducto de otros procesos industriales como la siacutentesis de tetracloruro de
carbono
CCl
Se consumen cerca de 107 toneladas de aacutecido clorhiacutedrico cada antildeo en todo el
mundo Este aacutecido tiene una gama muy amplia de usos como aacutecido comuacuten para
eliminar o
n el tratamiento con aacutecido de pozos petrolero
fa
ferreteriacuteas con el arcaico nombre de aacutecido muriaacutetico sus principales usos caseros
son la limpieza de superficies de concreto y la eliminacioacuten de herrumbre Un nuacutemero
muy reducido de personas es incapaz de sintetizar suficiente jugo gaacutestrico y deben
de ingerir caacutepsulas de aacutecido clorhiacutedrico diluido con cada comida
AacuteCIDO NIacuteTRICO
El aacutecido niacutetrico un liacutequido aceitoso e incoloro en estado puro es sumamente
peligroso El aacutecido que funde a ndash42degC y hierve a +83degC tiene por lo general un
ligero color amarillo a causa de una reaccioacuten de descomposicioacuten i
En un estado puro el aacutecido niacutetrico liacutequido praacutecticamente no conduce la electricidad
Una pequentildea porcioacuten se ioniza como sigue (todas estas especies existen en el aacutecido
2HNO3(l) H2NO3+ + NO3
ndash
H2O + HNO3 H3O+ + NO3 ndash
Para dar la reaccioacuten globa
3 NO2+ + H3O + 2+
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UAM-I
El catioacuten nitrilo es importante en la nitracioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas por ejemplo la
obenceno C6H5NO2 una etapa importante en
umerosos procesos industriales orgaacutenicos
El aacutecido niacutetrico con en agua mientras
ue el ldquoaacutecido niacutetrico fumanterdquo un oxidante extremadamente poderoso es una
vez de ello se produce una mezcla de
sistema que da un orden de
vista industrial el
oceso
e lleva a cabo en tres etapas Primero se hace pasar una mezcla de amoniaco y de
dioxiacutegeno (o aire) un proceso muy
ficiente y exoteacutermico que hace que la malla se ponga al rojo Esta etapa se verifica
conversioacuten de benceno C6H6 en nitr
n
centrado es en realidad una solucioacuten al 70
q
solucioacuten roja de dioacutexido de nitroacutegeno en aacutecido niacutetrico puro Incluso cuando esta
diluido el aacutecido niacutetrico es un oxidante tan fuerte que rara vez desprende hidroacutegeno
cuando se pone en contacto con metales en
oacutexidos de nitroacutegeno y el metal se oxido a su catioacuten
Los enlaces O-N son mucho maacutes cortos (121 pm) que el enlace O-N unidos al aacutetomo
de hidroacutegeno (141 pm) Esta longitud de enlaces indica que hay enlaces muacuteltiples
entre el nitroacutegeno y los dos aacutetomos de oxiacutegeno terminales Ademas de los electrones
del sistema σ hay cuatro electrones que participan en el sistema π O-N-O dos de un
orbital enlazante y dos en un orbital no enlazante
enlace de 112 para cada uno de esos enlaces nitroacutegeno- oxiacutegeno
A veces se nos olvida hasta queacute punto nuestra experiencia depende de la
termodinaacutemica y la cineacutetica Por ejemplo la primera siacutentesis industrial de aacutecido
niacutetrico se llevaba ha cabo por simple combinacioacuten de diniacutetrogeno dioxiacutegeno y agua
utilizando un horno de arco eleacutectrico a fin de proporcionar la energiacutea necesaria par
superar la muy elevada barrera cineacutetica Aunque desde el punto de
factor cineacutetico constituiacutea un problema en realidad es una bendicioacuten por que sin esta
barrera cineacutetica hace mucho tiempo que todo el dioacutexido de la atmoacutesfera se abriacutea
transformado en aacutecido niacutetrico y nuestros mares serian de aacutecido niacutetrico diluido
frac12 N2(g) + 54O2(g) + 12H2O(g) HNO3(g)
Ahora se utiliza el proceso Ostwald para la siacutentesis de aacutecido niacutetrico Este proceso
consume gran parte del amoniaco que se produce por el proceso Haber El pr
s
a traveacutes de una malla de platino metaacutelico Eacuteste es
e
a baja presioacuten para aprovechar el efecto entropico es decir la formacioacuten de 10
moles de gas a partir de 9 moles de gas (una aplicacioacuten del principio de Le Chatelier)
para desplazar el equilibrio a la derecha
Ingenieriacutea Quiacutemica 67
UAM-I
4NH3(g) + 5O2(g) 4NO(g) + 6H2O(g)
Se agrega maacutes oxiacutegeno para oxidar el monoacutexido de nitroacutegeno a dioacutexido de nitroacutegeno
A fin de mejorar el rendimiento de esta reaccioacuten exoteacutermica se extrae calor de los
ases y la mezcla se somete a presioacuten
2HNO3(l) + NO(g)
Esta reaccioacuten tambieacuten es exoteacutermica y una vez maacutes se aplica enfriamiento y alta
la
egunda etapa para oxidarlo de nuevo
La contaminacioacuten s de aacutecido niacutetrico
as plantas maacutes antiguas eran faacutecilmente identificables por la fumarola cafeacute-
antas maacutes antiguas ahora mezcla cantidades
en Estados Unidos porque un 20
dedica ala produccioacuten de explosivos
or ultimo el aacutecido niacutetrico es un liacutequido que hierve a 826degC No existe como liacutequido
g
2NO(g) + O2(g) 2NO2(g)
El dioacutexido de nitroacutegeno se mezcla con agua para dar una solucioacuten de aacutecido niacutetrico
3NO2(g) + H2O(l)
presioacuten par obtener el maacuteximo rendimiento El monoacutexido de nitroacutegeno se vuelve a
s
soliacutea ser un problema importante de las planta
L
amarillento del dioacutexido de nitroacutegeno que escapaba por ellas Las plantas maacutes
antiguas eran faacutecilmente identificable por la fumadora cafeacute-amarillo del dioacutexido de
nitroacutegeno que escapaba de ellas Las pl
estequiomeacutetricas de amoniaco con las oacutexidos de nitroacutegeno con lo cual se obtiene
dinitroacutegeno y vapor de agua ambos inocuos
NO(g) + NO2 (g) + 2NH3(g) 2N2(g) + 3H2O(g)
En todo el mundo alrededor del 80 del aacutecido niacutetrico se utiliza en la produccioacuten de
fertilizantes Esta proporcioacuten es de solo el 65
se
P
puro porque en alguna medida se descompone espontaacuteneamente como sigue
4HNO3(l) 4NO2(g) + 2H2O(l) + O2(g)
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UAM-I
El aacutecido niacutetrico concentrado que se usa en el laboratorio estaacute al 68 en masa HNO3
(densidad 142 gcm3) lo que corresponde a 157 M
l aacutecido niacutetrico es un poderoso agente oxidante El nuacutemero de oxidacioacuten del N en el
) El aacutecido niacutetrico puede oxidar
nto a metales que estaacuten abajo del hidroacutegeno como aquellos que se encuentran
4Zn2+(ac) + NH4
+(ac) + 3H2O(l)
do no oxida al oro Sin embargo cuando se mezcla con
cido clorhiacutedrico concentrado en relacioacuten 13 en volumen (una parte de HNO3 a tres
partes al oro
omo sigue
APEacuteNDICE F
ETODO DE DEPOSICIOacuteN-PRECIPITACIOacuteN
E
HNO3 es + 5 Los productos maacutes comunes de la reduccioacuten del aacutecido niacutetrico son el
NO2 (N = + 4) el NO (N = + 2) y el NH4+ (N = - 3
ta
arriba en la serie de actividades Por ejemplo el cobre es oxidado por el aacutecido niacutetrico
concentrado como se mencionoacute antes
En presencia de reductores fuertes como el zinc metaacutelico el aacutecido niacutetrico se puede
reducir hasta ion amonio
4Zn(s) + 10H+(ac) + NO3
-(ac)
El aacutecido niacutetrico concentra
aacute
de HCl) la disolucioacuten resultante denominada agua regia puede oxidar
c
Au(s) + 3HNO3(ac) + 4HCl(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O(l) + 3NO2(g)
M
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UAM-I
APEacuteNDICE G
ISENtildeO DEL MEZCLADOR [4]
1) 100 ml H2O gr soporte
2) NH4(OH)
Ajustar a PH = 9 4) HAuCl4 (solucioacuten acuosa al 25E-3M)
6) Filtrado o centrifugado
3) En Agitacioacuten por 2 hr
8) Secado por 2hr a 80 degC
9 ) Calcinado por 4hr a 400 degC
7) Lavado
5) Antildeegamiento por 30 min
D
Ingenieriacutea Quiacutemica 70
UAM-I
El disentildeo de un tanque agitado dis n nuacutemero de elecciones sobre el
po y localizacioacuten del agitador las proporciones del tanque el nuacutemero y dimensiones
ada una de estas decisiones afectan a la velocidad
e circulacioacuten del liacutequido los modelos de velocidad y el consumo de potencia Como
pone de un gra
ti
de las placas deflectoras etc C
d
punto de partida en el disentildeo de los problemas ordinarios de agitacioacuten generalmente
se utiliza un agitador de turbina del tipo que se muestra en la figura 1 La proporcioacuten
tiacutepica es
31
=t
a
DD
1=tD
H 121
=tD
J 51
=aD
W 41
=aD
L
de estas ecuaciones se disentildeara el mezclador como datos se tiene el valor H que es
igual a 3 mts y el diaacutemetro del tanque D
Se determinara la medida de los reflectores
t que es igual 3 mts
121
=tD
J se despeja J
elacioacuten R31
=t
a
DD
se despeja Da
Relacioacuten
41
=aD
L se despeja L
elacioacuten se despeja W
( ) ( ) cmmtsmtsDJ 25250311==⎟
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41
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⎜⎝⎛=⎟
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⎜⎝⎛= cm25=
51
=aD
WR
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UAM-I
Figura 2 a) Vista transversal del mezclador b) paletas del mezclador con la
donde se deposita el soporte
Figura 1 Medidas de un agitador de turbina
a) b)
s rejillas
H
J
E L
Da
D t
W
W
( ) ( ) cmmtsmtsDW a 2020151
5==⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎜⎝
=1 ⎞⎛
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UAM-I
pronunciado que se debe al equilibrio entre el cloruro de hidroacutegeno gaseoso y
ste con el aacutecido fluorhiacutedrico el aacutecido clorhiacutedrico es un aacutecido fuerte (pKa = -
7) y se ioniza casi totalmente
gar de aacutecido sulfuacuterico auque en menor grado Por
jemplo el zinc metaacutelico reacciona con aacutecido clorhiacutedrico para dar el ion zinc e
hidroacutegeno gaseoso
Zn(s) + 2HCl(ac) ZnCl2(ac) + H2(g)
l para producir aacutecido clorhiacutedrico en el laboratorio es generar
cloruro de hidroacutegen e sodio y el aacutecido
ulfuacuterico En el primer paso a 150degC se forma hidroacutegeno sulfato de sodio
NaHSO4(s) + HCl(g)
io y maacutes
loruro de hidroacutegeno gaseoso Luego el gas se disuelve en agua para formar el
aacutecido
NaHSO4(s) + NaCl(s) Na2SO4(s) + HCl(g)
acuoso
HCl(ac) HCl(g)
El reactivo de grado teacutecnico a menudo tiene un color amarillento por una impureza
del ion hierro (III)
En contra
HCl(ac) + H2O(l) H2O+(ac) + Cl -(ac)
Por ello a menudo se prefiere usar aacutecido clorhiacutedrico diluido en lugar de aacutecido niacutetrico
que es muy oxidante y en lu
e
Cuando el zinc reacciona con el aacutecido niacutetrico es comuacuten que se reduzca una parte
del ion nitrato para dar dioacutexido de nitroacutegeno
El meacutetodo tradiciona
o gaseoso por la reaccioacuten entre el cloruro d
s
NaCl(s) + H2SO4(l)
La mezcla se calienta a 550degC temperatura a la cual el hidroacutegeno sulfato de sodio
reacciona con un exceso de cloruro de sodio para formar sulfato de sod
c
∆
Este meacutetodo se usa tambieacuten en la industria otra forma de producir cloruro de
hidroacutegeno es por la combinacioacuten directa de dicloro y dihidroacutegenogaseosos
Ingenieriacutea Quiacutemica 65
UAM-I
H2(g) + Cl2(g) 2HCl(g)
La mayor cantidad de cloruro de hidroacutegeno que se produce actualmente es un
CH4(g) + 4Cl2(g) 4(l) + 4HCl(g)
riacuten de superficies de acero en un bantildeo aacutecido en la purificacioacuten de glucosa
y jarabe de maiacutez e s y de gas y en la
bricacioacuten de compuestos clorados El aacutecido se puedo comprar en muchas
nducida por la luz
4HNO3(ac) 4NO2(g) + O2(g) + 2H2O(l)
niacutetrico como disolvente)
H2NO3+ H2O + NO2
+
l siguiente
3HNO NO3 ndash
subproducto de otros procesos industriales como la siacutentesis de tetracloruro de
carbono
CCl
Se consumen cerca de 107 toneladas de aacutecido clorhiacutedrico cada antildeo en todo el
mundo Este aacutecido tiene una gama muy amplia de usos como aacutecido comuacuten para
eliminar o
n el tratamiento con aacutecido de pozos petrolero
fa
ferreteriacuteas con el arcaico nombre de aacutecido muriaacutetico sus principales usos caseros
son la limpieza de superficies de concreto y la eliminacioacuten de herrumbre Un nuacutemero
muy reducido de personas es incapaz de sintetizar suficiente jugo gaacutestrico y deben
de ingerir caacutepsulas de aacutecido clorhiacutedrico diluido con cada comida
AacuteCIDO NIacuteTRICO
El aacutecido niacutetrico un liacutequido aceitoso e incoloro en estado puro es sumamente
peligroso El aacutecido que funde a ndash42degC y hierve a +83degC tiene por lo general un
ligero color amarillo a causa de una reaccioacuten de descomposicioacuten i
En un estado puro el aacutecido niacutetrico liacutequido praacutecticamente no conduce la electricidad
Una pequentildea porcioacuten se ioniza como sigue (todas estas especies existen en el aacutecido
2HNO3(l) H2NO3+ + NO3
ndash
H2O + HNO3 H3O+ + NO3 ndash
Para dar la reaccioacuten globa
3 NO2+ + H3O + 2+
Ingenieriacutea Quiacutemica 66
UAM-I
El catioacuten nitrilo es importante en la nitracioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas por ejemplo la
obenceno C6H5NO2 una etapa importante en
umerosos procesos industriales orgaacutenicos
El aacutecido niacutetrico con en agua mientras
ue el ldquoaacutecido niacutetrico fumanterdquo un oxidante extremadamente poderoso es una
vez de ello se produce una mezcla de
sistema que da un orden de
vista industrial el
oceso
e lleva a cabo en tres etapas Primero se hace pasar una mezcla de amoniaco y de
dioxiacutegeno (o aire) un proceso muy
ficiente y exoteacutermico que hace que la malla se ponga al rojo Esta etapa se verifica
conversioacuten de benceno C6H6 en nitr
n
centrado es en realidad una solucioacuten al 70
q
solucioacuten roja de dioacutexido de nitroacutegeno en aacutecido niacutetrico puro Incluso cuando esta
diluido el aacutecido niacutetrico es un oxidante tan fuerte que rara vez desprende hidroacutegeno
cuando se pone en contacto con metales en
oacutexidos de nitroacutegeno y el metal se oxido a su catioacuten
Los enlaces O-N son mucho maacutes cortos (121 pm) que el enlace O-N unidos al aacutetomo
de hidroacutegeno (141 pm) Esta longitud de enlaces indica que hay enlaces muacuteltiples
entre el nitroacutegeno y los dos aacutetomos de oxiacutegeno terminales Ademas de los electrones
del sistema σ hay cuatro electrones que participan en el sistema π O-N-O dos de un
orbital enlazante y dos en un orbital no enlazante
enlace de 112 para cada uno de esos enlaces nitroacutegeno- oxiacutegeno
A veces se nos olvida hasta queacute punto nuestra experiencia depende de la
termodinaacutemica y la cineacutetica Por ejemplo la primera siacutentesis industrial de aacutecido
niacutetrico se llevaba ha cabo por simple combinacioacuten de diniacutetrogeno dioxiacutegeno y agua
utilizando un horno de arco eleacutectrico a fin de proporcionar la energiacutea necesaria par
superar la muy elevada barrera cineacutetica Aunque desde el punto de
factor cineacutetico constituiacutea un problema en realidad es una bendicioacuten por que sin esta
barrera cineacutetica hace mucho tiempo que todo el dioacutexido de la atmoacutesfera se abriacutea
transformado en aacutecido niacutetrico y nuestros mares serian de aacutecido niacutetrico diluido
frac12 N2(g) + 54O2(g) + 12H2O(g) HNO3(g)
Ahora se utiliza el proceso Ostwald para la siacutentesis de aacutecido niacutetrico Este proceso
consume gran parte del amoniaco que se produce por el proceso Haber El pr
s
a traveacutes de una malla de platino metaacutelico Eacuteste es
e
a baja presioacuten para aprovechar el efecto entropico es decir la formacioacuten de 10
moles de gas a partir de 9 moles de gas (una aplicacioacuten del principio de Le Chatelier)
para desplazar el equilibrio a la derecha
Ingenieriacutea Quiacutemica 67
UAM-I
4NH3(g) + 5O2(g) 4NO(g) + 6H2O(g)
Se agrega maacutes oxiacutegeno para oxidar el monoacutexido de nitroacutegeno a dioacutexido de nitroacutegeno
A fin de mejorar el rendimiento de esta reaccioacuten exoteacutermica se extrae calor de los
ases y la mezcla se somete a presioacuten
2HNO3(l) + NO(g)
Esta reaccioacuten tambieacuten es exoteacutermica y una vez maacutes se aplica enfriamiento y alta
la
egunda etapa para oxidarlo de nuevo
La contaminacioacuten s de aacutecido niacutetrico
as plantas maacutes antiguas eran faacutecilmente identificables por la fumarola cafeacute-
antas maacutes antiguas ahora mezcla cantidades
en Estados Unidos porque un 20
dedica ala produccioacuten de explosivos
or ultimo el aacutecido niacutetrico es un liacutequido que hierve a 826degC No existe como liacutequido
g
2NO(g) + O2(g) 2NO2(g)
El dioacutexido de nitroacutegeno se mezcla con agua para dar una solucioacuten de aacutecido niacutetrico
3NO2(g) + H2O(l)
presioacuten par obtener el maacuteximo rendimiento El monoacutexido de nitroacutegeno se vuelve a
s
soliacutea ser un problema importante de las planta
L
amarillento del dioacutexido de nitroacutegeno que escapaba por ellas Las plantas maacutes
antiguas eran faacutecilmente identificable por la fumadora cafeacute-amarillo del dioacutexido de
nitroacutegeno que escapaba de ellas Las pl
estequiomeacutetricas de amoniaco con las oacutexidos de nitroacutegeno con lo cual se obtiene
dinitroacutegeno y vapor de agua ambos inocuos
NO(g) + NO2 (g) + 2NH3(g) 2N2(g) + 3H2O(g)
En todo el mundo alrededor del 80 del aacutecido niacutetrico se utiliza en la produccioacuten de
fertilizantes Esta proporcioacuten es de solo el 65
se
P
puro porque en alguna medida se descompone espontaacuteneamente como sigue
4HNO3(l) 4NO2(g) + 2H2O(l) + O2(g)
Ingenieriacutea Quiacutemica 68
UAM-I
El aacutecido niacutetrico concentrado que se usa en el laboratorio estaacute al 68 en masa HNO3
(densidad 142 gcm3) lo que corresponde a 157 M
l aacutecido niacutetrico es un poderoso agente oxidante El nuacutemero de oxidacioacuten del N en el
) El aacutecido niacutetrico puede oxidar
nto a metales que estaacuten abajo del hidroacutegeno como aquellos que se encuentran
4Zn2+(ac) + NH4
+(ac) + 3H2O(l)
do no oxida al oro Sin embargo cuando se mezcla con
cido clorhiacutedrico concentrado en relacioacuten 13 en volumen (una parte de HNO3 a tres
partes al oro
omo sigue
APEacuteNDICE F
ETODO DE DEPOSICIOacuteN-PRECIPITACIOacuteN
E
HNO3 es + 5 Los productos maacutes comunes de la reduccioacuten del aacutecido niacutetrico son el
NO2 (N = + 4) el NO (N = + 2) y el NH4+ (N = - 3
ta
arriba en la serie de actividades Por ejemplo el cobre es oxidado por el aacutecido niacutetrico
concentrado como se mencionoacute antes
En presencia de reductores fuertes como el zinc metaacutelico el aacutecido niacutetrico se puede
reducir hasta ion amonio
4Zn(s) + 10H+(ac) + NO3
-(ac)
El aacutecido niacutetrico concentra
aacute
de HCl) la disolucioacuten resultante denominada agua regia puede oxidar
c
Au(s) + 3HNO3(ac) + 4HCl(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O(l) + 3NO2(g)
M
Ingenieriacutea Quiacutemica 69
UAM-I
APEacuteNDICE G
ISENtildeO DEL MEZCLADOR [4]
1) 100 ml H2O gr soporte
2) NH4(OH)
Ajustar a PH = 9 4) HAuCl4 (solucioacuten acuosa al 25E-3M)
6) Filtrado o centrifugado
3) En Agitacioacuten por 2 hr
8) Secado por 2hr a 80 degC
9 ) Calcinado por 4hr a 400 degC
7) Lavado
5) Antildeegamiento por 30 min
D
Ingenieriacutea Quiacutemica 70
UAM-I
El disentildeo de un tanque agitado dis n nuacutemero de elecciones sobre el
po y localizacioacuten del agitador las proporciones del tanque el nuacutemero y dimensiones
ada una de estas decisiones afectan a la velocidad
e circulacioacuten del liacutequido los modelos de velocidad y el consumo de potencia Como
pone de un gra
ti
de las placas deflectoras etc C
d
punto de partida en el disentildeo de los problemas ordinarios de agitacioacuten generalmente
se utiliza un agitador de turbina del tipo que se muestra en la figura 1 La proporcioacuten
tiacutepica es
31
=t
a
DD
1=tD
H 121
=tD
J 51
=aD
W 41
=aD
L
de estas ecuaciones se disentildeara el mezclador como datos se tiene el valor H que es
igual a 3 mts y el diaacutemetro del tanque D
Se determinara la medida de los reflectores
t que es igual 3 mts
121
=tD
J se despeja J
elacioacuten R31
=t
a
DD
se despeja Da
Relacioacuten
41
=aD
L se despeja L
elacioacuten se despeja W
( ) ( ) cmmtsmtsDJ 25250311==⎟
⎞⎜⎛=⎟
⎞⎜⎛= t 1212 ⎠⎝⎠⎝
( ) ( ) mtsmtsDD ta 1331
31
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=
( ) ( ) mtsmtsDL a 250141
41
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛= cm25=
51
=aD
WR
Ingenieriacutea Quiacutemica 71
UAM-I
Figura 2 a) Vista transversal del mezclador b) paletas del mezclador con la
donde se deposita el soporte
Figura 1 Medidas de un agitador de turbina
a) b)
s rejillas
H
J
E L
Da
D t
W
W
( ) ( ) cmmtsmtsDW a 2020151
5==⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎜⎝
=1 ⎞⎛
Ingenieriacutea Quiacutemica 72
UAM-I
H2(g) + Cl2(g) 2HCl(g)
La mayor cantidad de cloruro de hidroacutegeno que se produce actualmente es un
CH4(g) + 4Cl2(g) 4(l) + 4HCl(g)
riacuten de superficies de acero en un bantildeo aacutecido en la purificacioacuten de glucosa
y jarabe de maiacutez e s y de gas y en la
bricacioacuten de compuestos clorados El aacutecido se puedo comprar en muchas
nducida por la luz
4HNO3(ac) 4NO2(g) + O2(g) + 2H2O(l)
niacutetrico como disolvente)
H2NO3+ H2O + NO2
+
l siguiente
3HNO NO3 ndash
subproducto de otros procesos industriales como la siacutentesis de tetracloruro de
carbono
CCl
Se consumen cerca de 107 toneladas de aacutecido clorhiacutedrico cada antildeo en todo el
mundo Este aacutecido tiene una gama muy amplia de usos como aacutecido comuacuten para
eliminar o
n el tratamiento con aacutecido de pozos petrolero
fa
ferreteriacuteas con el arcaico nombre de aacutecido muriaacutetico sus principales usos caseros
son la limpieza de superficies de concreto y la eliminacioacuten de herrumbre Un nuacutemero
muy reducido de personas es incapaz de sintetizar suficiente jugo gaacutestrico y deben
de ingerir caacutepsulas de aacutecido clorhiacutedrico diluido con cada comida
AacuteCIDO NIacuteTRICO
El aacutecido niacutetrico un liacutequido aceitoso e incoloro en estado puro es sumamente
peligroso El aacutecido que funde a ndash42degC y hierve a +83degC tiene por lo general un
ligero color amarillo a causa de una reaccioacuten de descomposicioacuten i
En un estado puro el aacutecido niacutetrico liacutequido praacutecticamente no conduce la electricidad
Una pequentildea porcioacuten se ioniza como sigue (todas estas especies existen en el aacutecido
2HNO3(l) H2NO3+ + NO3
ndash
H2O + HNO3 H3O+ + NO3 ndash
Para dar la reaccioacuten globa
3 NO2+ + H3O + 2+
Ingenieriacutea Quiacutemica 66
UAM-I
El catioacuten nitrilo es importante en la nitracioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas por ejemplo la
obenceno C6H5NO2 una etapa importante en
umerosos procesos industriales orgaacutenicos
El aacutecido niacutetrico con en agua mientras
ue el ldquoaacutecido niacutetrico fumanterdquo un oxidante extremadamente poderoso es una
vez de ello se produce una mezcla de
sistema que da un orden de
vista industrial el
oceso
e lleva a cabo en tres etapas Primero se hace pasar una mezcla de amoniaco y de
dioxiacutegeno (o aire) un proceso muy
ficiente y exoteacutermico que hace que la malla se ponga al rojo Esta etapa se verifica
conversioacuten de benceno C6H6 en nitr
n
centrado es en realidad una solucioacuten al 70
q
solucioacuten roja de dioacutexido de nitroacutegeno en aacutecido niacutetrico puro Incluso cuando esta
diluido el aacutecido niacutetrico es un oxidante tan fuerte que rara vez desprende hidroacutegeno
cuando se pone en contacto con metales en
oacutexidos de nitroacutegeno y el metal se oxido a su catioacuten
Los enlaces O-N son mucho maacutes cortos (121 pm) que el enlace O-N unidos al aacutetomo
de hidroacutegeno (141 pm) Esta longitud de enlaces indica que hay enlaces muacuteltiples
entre el nitroacutegeno y los dos aacutetomos de oxiacutegeno terminales Ademas de los electrones
del sistema σ hay cuatro electrones que participan en el sistema π O-N-O dos de un
orbital enlazante y dos en un orbital no enlazante
enlace de 112 para cada uno de esos enlaces nitroacutegeno- oxiacutegeno
A veces se nos olvida hasta queacute punto nuestra experiencia depende de la
termodinaacutemica y la cineacutetica Por ejemplo la primera siacutentesis industrial de aacutecido
niacutetrico se llevaba ha cabo por simple combinacioacuten de diniacutetrogeno dioxiacutegeno y agua
utilizando un horno de arco eleacutectrico a fin de proporcionar la energiacutea necesaria par
superar la muy elevada barrera cineacutetica Aunque desde el punto de
factor cineacutetico constituiacutea un problema en realidad es una bendicioacuten por que sin esta
barrera cineacutetica hace mucho tiempo que todo el dioacutexido de la atmoacutesfera se abriacutea
transformado en aacutecido niacutetrico y nuestros mares serian de aacutecido niacutetrico diluido
frac12 N2(g) + 54O2(g) + 12H2O(g) HNO3(g)
Ahora se utiliza el proceso Ostwald para la siacutentesis de aacutecido niacutetrico Este proceso
consume gran parte del amoniaco que se produce por el proceso Haber El pr
s
a traveacutes de una malla de platino metaacutelico Eacuteste es
e
a baja presioacuten para aprovechar el efecto entropico es decir la formacioacuten de 10
moles de gas a partir de 9 moles de gas (una aplicacioacuten del principio de Le Chatelier)
para desplazar el equilibrio a la derecha
Ingenieriacutea Quiacutemica 67
UAM-I
4NH3(g) + 5O2(g) 4NO(g) + 6H2O(g)
Se agrega maacutes oxiacutegeno para oxidar el monoacutexido de nitroacutegeno a dioacutexido de nitroacutegeno
A fin de mejorar el rendimiento de esta reaccioacuten exoteacutermica se extrae calor de los
ases y la mezcla se somete a presioacuten
2HNO3(l) + NO(g)
Esta reaccioacuten tambieacuten es exoteacutermica y una vez maacutes se aplica enfriamiento y alta
la
egunda etapa para oxidarlo de nuevo
La contaminacioacuten s de aacutecido niacutetrico
as plantas maacutes antiguas eran faacutecilmente identificables por la fumarola cafeacute-
antas maacutes antiguas ahora mezcla cantidades
en Estados Unidos porque un 20
dedica ala produccioacuten de explosivos
or ultimo el aacutecido niacutetrico es un liacutequido que hierve a 826degC No existe como liacutequido
g
2NO(g) + O2(g) 2NO2(g)
El dioacutexido de nitroacutegeno se mezcla con agua para dar una solucioacuten de aacutecido niacutetrico
3NO2(g) + H2O(l)
presioacuten par obtener el maacuteximo rendimiento El monoacutexido de nitroacutegeno se vuelve a
s
soliacutea ser un problema importante de las planta
L
amarillento del dioacutexido de nitroacutegeno que escapaba por ellas Las plantas maacutes
antiguas eran faacutecilmente identificable por la fumadora cafeacute-amarillo del dioacutexido de
nitroacutegeno que escapaba de ellas Las pl
estequiomeacutetricas de amoniaco con las oacutexidos de nitroacutegeno con lo cual se obtiene
dinitroacutegeno y vapor de agua ambos inocuos
NO(g) + NO2 (g) + 2NH3(g) 2N2(g) + 3H2O(g)
En todo el mundo alrededor del 80 del aacutecido niacutetrico se utiliza en la produccioacuten de
fertilizantes Esta proporcioacuten es de solo el 65
se
P
puro porque en alguna medida se descompone espontaacuteneamente como sigue
4HNO3(l) 4NO2(g) + 2H2O(l) + O2(g)
Ingenieriacutea Quiacutemica 68
UAM-I
El aacutecido niacutetrico concentrado que se usa en el laboratorio estaacute al 68 en masa HNO3
(densidad 142 gcm3) lo que corresponde a 157 M
l aacutecido niacutetrico es un poderoso agente oxidante El nuacutemero de oxidacioacuten del N en el
) El aacutecido niacutetrico puede oxidar
nto a metales que estaacuten abajo del hidroacutegeno como aquellos que se encuentran
4Zn2+(ac) + NH4
+(ac) + 3H2O(l)
do no oxida al oro Sin embargo cuando se mezcla con
cido clorhiacutedrico concentrado en relacioacuten 13 en volumen (una parte de HNO3 a tres
partes al oro
omo sigue
APEacuteNDICE F
ETODO DE DEPOSICIOacuteN-PRECIPITACIOacuteN
E
HNO3 es + 5 Los productos maacutes comunes de la reduccioacuten del aacutecido niacutetrico son el
NO2 (N = + 4) el NO (N = + 2) y el NH4+ (N = - 3
ta
arriba en la serie de actividades Por ejemplo el cobre es oxidado por el aacutecido niacutetrico
concentrado como se mencionoacute antes
En presencia de reductores fuertes como el zinc metaacutelico el aacutecido niacutetrico se puede
reducir hasta ion amonio
4Zn(s) + 10H+(ac) + NO3
-(ac)
El aacutecido niacutetrico concentra
aacute
de HCl) la disolucioacuten resultante denominada agua regia puede oxidar
c
Au(s) + 3HNO3(ac) + 4HCl(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O(l) + 3NO2(g)
M
Ingenieriacutea Quiacutemica 69
UAM-I
APEacuteNDICE G
ISENtildeO DEL MEZCLADOR [4]
1) 100 ml H2O gr soporte
2) NH4(OH)
Ajustar a PH = 9 4) HAuCl4 (solucioacuten acuosa al 25E-3M)
6) Filtrado o centrifugado
3) En Agitacioacuten por 2 hr
8) Secado por 2hr a 80 degC
9 ) Calcinado por 4hr a 400 degC
7) Lavado
5) Antildeegamiento por 30 min
D
Ingenieriacutea Quiacutemica 70
UAM-I
El disentildeo de un tanque agitado dis n nuacutemero de elecciones sobre el
po y localizacioacuten del agitador las proporciones del tanque el nuacutemero y dimensiones
ada una de estas decisiones afectan a la velocidad
e circulacioacuten del liacutequido los modelos de velocidad y el consumo de potencia Como
pone de un gra
ti
de las placas deflectoras etc C
d
punto de partida en el disentildeo de los problemas ordinarios de agitacioacuten generalmente
se utiliza un agitador de turbina del tipo que se muestra en la figura 1 La proporcioacuten
tiacutepica es
31
=t
a
DD
1=tD
H 121
=tD
J 51
=aD
W 41
=aD
L
de estas ecuaciones se disentildeara el mezclador como datos se tiene el valor H que es
igual a 3 mts y el diaacutemetro del tanque D
Se determinara la medida de los reflectores
t que es igual 3 mts
121
=tD
J se despeja J
elacioacuten R31
=t
a
DD
se despeja Da
Relacioacuten
41
=aD
L se despeja L
elacioacuten se despeja W
( ) ( ) cmmtsmtsDJ 25250311==⎟
⎞⎜⎛=⎟
⎞⎜⎛= t 1212 ⎠⎝⎠⎝
( ) ( ) mtsmtsDD ta 1331
31
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=
( ) ( ) mtsmtsDL a 250141
41
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛= cm25=
51
=aD
WR
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UAM-I
Figura 2 a) Vista transversal del mezclador b) paletas del mezclador con la
donde se deposita el soporte
Figura 1 Medidas de un agitador de turbina
a) b)
s rejillas
H
J
E L
Da
D t
W
W
( ) ( ) cmmtsmtsDW a 2020151
5==⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎜⎝
=1 ⎞⎛
Ingenieriacutea Quiacutemica 72
UAM-I
El catioacuten nitrilo es importante en la nitracioacuten de moleacuteculas orgaacutenicas por ejemplo la
obenceno C6H5NO2 una etapa importante en
umerosos procesos industriales orgaacutenicos
El aacutecido niacutetrico con en agua mientras
ue el ldquoaacutecido niacutetrico fumanterdquo un oxidante extremadamente poderoso es una
vez de ello se produce una mezcla de
sistema que da un orden de
vista industrial el
oceso
e lleva a cabo en tres etapas Primero se hace pasar una mezcla de amoniaco y de
dioxiacutegeno (o aire) un proceso muy
ficiente y exoteacutermico que hace que la malla se ponga al rojo Esta etapa se verifica
conversioacuten de benceno C6H6 en nitr
n
centrado es en realidad una solucioacuten al 70
q
solucioacuten roja de dioacutexido de nitroacutegeno en aacutecido niacutetrico puro Incluso cuando esta
diluido el aacutecido niacutetrico es un oxidante tan fuerte que rara vez desprende hidroacutegeno
cuando se pone en contacto con metales en
oacutexidos de nitroacutegeno y el metal se oxido a su catioacuten
Los enlaces O-N son mucho maacutes cortos (121 pm) que el enlace O-N unidos al aacutetomo
de hidroacutegeno (141 pm) Esta longitud de enlaces indica que hay enlaces muacuteltiples
entre el nitroacutegeno y los dos aacutetomos de oxiacutegeno terminales Ademas de los electrones
del sistema σ hay cuatro electrones que participan en el sistema π O-N-O dos de un
orbital enlazante y dos en un orbital no enlazante
enlace de 112 para cada uno de esos enlaces nitroacutegeno- oxiacutegeno
A veces se nos olvida hasta queacute punto nuestra experiencia depende de la
termodinaacutemica y la cineacutetica Por ejemplo la primera siacutentesis industrial de aacutecido
niacutetrico se llevaba ha cabo por simple combinacioacuten de diniacutetrogeno dioxiacutegeno y agua
utilizando un horno de arco eleacutectrico a fin de proporcionar la energiacutea necesaria par
superar la muy elevada barrera cineacutetica Aunque desde el punto de
factor cineacutetico constituiacutea un problema en realidad es una bendicioacuten por que sin esta
barrera cineacutetica hace mucho tiempo que todo el dioacutexido de la atmoacutesfera se abriacutea
transformado en aacutecido niacutetrico y nuestros mares serian de aacutecido niacutetrico diluido
frac12 N2(g) + 54O2(g) + 12H2O(g) HNO3(g)
Ahora se utiliza el proceso Ostwald para la siacutentesis de aacutecido niacutetrico Este proceso
consume gran parte del amoniaco que se produce por el proceso Haber El pr
s
a traveacutes de una malla de platino metaacutelico Eacuteste es
e
a baja presioacuten para aprovechar el efecto entropico es decir la formacioacuten de 10
moles de gas a partir de 9 moles de gas (una aplicacioacuten del principio de Le Chatelier)
para desplazar el equilibrio a la derecha
Ingenieriacutea Quiacutemica 67
UAM-I
4NH3(g) + 5O2(g) 4NO(g) + 6H2O(g)
Se agrega maacutes oxiacutegeno para oxidar el monoacutexido de nitroacutegeno a dioacutexido de nitroacutegeno
A fin de mejorar el rendimiento de esta reaccioacuten exoteacutermica se extrae calor de los
ases y la mezcla se somete a presioacuten
2HNO3(l) + NO(g)
Esta reaccioacuten tambieacuten es exoteacutermica y una vez maacutes se aplica enfriamiento y alta
la
egunda etapa para oxidarlo de nuevo
La contaminacioacuten s de aacutecido niacutetrico
as plantas maacutes antiguas eran faacutecilmente identificables por la fumarola cafeacute-
antas maacutes antiguas ahora mezcla cantidades
en Estados Unidos porque un 20
dedica ala produccioacuten de explosivos
or ultimo el aacutecido niacutetrico es un liacutequido que hierve a 826degC No existe como liacutequido
g
2NO(g) + O2(g) 2NO2(g)
El dioacutexido de nitroacutegeno se mezcla con agua para dar una solucioacuten de aacutecido niacutetrico
3NO2(g) + H2O(l)
presioacuten par obtener el maacuteximo rendimiento El monoacutexido de nitroacutegeno se vuelve a
s
soliacutea ser un problema importante de las planta
L
amarillento del dioacutexido de nitroacutegeno que escapaba por ellas Las plantas maacutes
antiguas eran faacutecilmente identificable por la fumadora cafeacute-amarillo del dioacutexido de
nitroacutegeno que escapaba de ellas Las pl
estequiomeacutetricas de amoniaco con las oacutexidos de nitroacutegeno con lo cual se obtiene
dinitroacutegeno y vapor de agua ambos inocuos
NO(g) + NO2 (g) + 2NH3(g) 2N2(g) + 3H2O(g)
En todo el mundo alrededor del 80 del aacutecido niacutetrico se utiliza en la produccioacuten de
fertilizantes Esta proporcioacuten es de solo el 65
se
P
puro porque en alguna medida se descompone espontaacuteneamente como sigue
4HNO3(l) 4NO2(g) + 2H2O(l) + O2(g)
Ingenieriacutea Quiacutemica 68
UAM-I
El aacutecido niacutetrico concentrado que se usa en el laboratorio estaacute al 68 en masa HNO3
(densidad 142 gcm3) lo que corresponde a 157 M
l aacutecido niacutetrico es un poderoso agente oxidante El nuacutemero de oxidacioacuten del N en el
) El aacutecido niacutetrico puede oxidar
nto a metales que estaacuten abajo del hidroacutegeno como aquellos que se encuentran
4Zn2+(ac) + NH4
+(ac) + 3H2O(l)
do no oxida al oro Sin embargo cuando se mezcla con
cido clorhiacutedrico concentrado en relacioacuten 13 en volumen (una parte de HNO3 a tres
partes al oro
omo sigue
APEacuteNDICE F
ETODO DE DEPOSICIOacuteN-PRECIPITACIOacuteN
E
HNO3 es + 5 Los productos maacutes comunes de la reduccioacuten del aacutecido niacutetrico son el
NO2 (N = + 4) el NO (N = + 2) y el NH4+ (N = - 3
ta
arriba en la serie de actividades Por ejemplo el cobre es oxidado por el aacutecido niacutetrico
concentrado como se mencionoacute antes
En presencia de reductores fuertes como el zinc metaacutelico el aacutecido niacutetrico se puede
reducir hasta ion amonio
4Zn(s) + 10H+(ac) + NO3
-(ac)
El aacutecido niacutetrico concentra
aacute
de HCl) la disolucioacuten resultante denominada agua regia puede oxidar
c
Au(s) + 3HNO3(ac) + 4HCl(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O(l) + 3NO2(g)
M
Ingenieriacutea Quiacutemica 69
UAM-I
APEacuteNDICE G
ISENtildeO DEL MEZCLADOR [4]
1) 100 ml H2O gr soporte
2) NH4(OH)
Ajustar a PH = 9 4) HAuCl4 (solucioacuten acuosa al 25E-3M)
6) Filtrado o centrifugado
3) En Agitacioacuten por 2 hr
8) Secado por 2hr a 80 degC
9 ) Calcinado por 4hr a 400 degC
7) Lavado
5) Antildeegamiento por 30 min
D
Ingenieriacutea Quiacutemica 70
UAM-I
El disentildeo de un tanque agitado dis n nuacutemero de elecciones sobre el
po y localizacioacuten del agitador las proporciones del tanque el nuacutemero y dimensiones
ada una de estas decisiones afectan a la velocidad
e circulacioacuten del liacutequido los modelos de velocidad y el consumo de potencia Como
pone de un gra
ti
de las placas deflectoras etc C
d
punto de partida en el disentildeo de los problemas ordinarios de agitacioacuten generalmente
se utiliza un agitador de turbina del tipo que se muestra en la figura 1 La proporcioacuten
tiacutepica es
31
=t
a
DD
1=tD
H 121
=tD
J 51
=aD
W 41
=aD
L
de estas ecuaciones se disentildeara el mezclador como datos se tiene el valor H que es
igual a 3 mts y el diaacutemetro del tanque D
Se determinara la medida de los reflectores
t que es igual 3 mts
121
=tD
J se despeja J
elacioacuten R31
=t
a
DD
se despeja Da
Relacioacuten
41
=aD
L se despeja L
elacioacuten se despeja W
( ) ( ) cmmtsmtsDJ 25250311==⎟
⎞⎜⎛=⎟
⎞⎜⎛= t 1212 ⎠⎝⎠⎝
( ) ( ) mtsmtsDD ta 1331
31
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=
( ) ( ) mtsmtsDL a 250141
41
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛= cm25=
51
=aD
WR
Ingenieriacutea Quiacutemica 71
UAM-I
Figura 2 a) Vista transversal del mezclador b) paletas del mezclador con la
donde se deposita el soporte
Figura 1 Medidas de un agitador de turbina
a) b)
s rejillas
H
J
E L
Da
D t
W
W
( ) ( ) cmmtsmtsDW a 2020151
5==⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎜⎝
=1 ⎞⎛
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UAM-I
4NH3(g) + 5O2(g) 4NO(g) + 6H2O(g)
Se agrega maacutes oxiacutegeno para oxidar el monoacutexido de nitroacutegeno a dioacutexido de nitroacutegeno
A fin de mejorar el rendimiento de esta reaccioacuten exoteacutermica se extrae calor de los
ases y la mezcla se somete a presioacuten
2HNO3(l) + NO(g)
Esta reaccioacuten tambieacuten es exoteacutermica y una vez maacutes se aplica enfriamiento y alta
la
egunda etapa para oxidarlo de nuevo
La contaminacioacuten s de aacutecido niacutetrico
as plantas maacutes antiguas eran faacutecilmente identificables por la fumarola cafeacute-
antas maacutes antiguas ahora mezcla cantidades
en Estados Unidos porque un 20
dedica ala produccioacuten de explosivos
or ultimo el aacutecido niacutetrico es un liacutequido que hierve a 826degC No existe como liacutequido
g
2NO(g) + O2(g) 2NO2(g)
El dioacutexido de nitroacutegeno se mezcla con agua para dar una solucioacuten de aacutecido niacutetrico
3NO2(g) + H2O(l)
presioacuten par obtener el maacuteximo rendimiento El monoacutexido de nitroacutegeno se vuelve a
s
soliacutea ser un problema importante de las planta
L
amarillento del dioacutexido de nitroacutegeno que escapaba por ellas Las plantas maacutes
antiguas eran faacutecilmente identificable por la fumadora cafeacute-amarillo del dioacutexido de
nitroacutegeno que escapaba de ellas Las pl
estequiomeacutetricas de amoniaco con las oacutexidos de nitroacutegeno con lo cual se obtiene
dinitroacutegeno y vapor de agua ambos inocuos
NO(g) + NO2 (g) + 2NH3(g) 2N2(g) + 3H2O(g)
En todo el mundo alrededor del 80 del aacutecido niacutetrico se utiliza en la produccioacuten de
fertilizantes Esta proporcioacuten es de solo el 65
se
P
puro porque en alguna medida se descompone espontaacuteneamente como sigue
4HNO3(l) 4NO2(g) + 2H2O(l) + O2(g)
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UAM-I
El aacutecido niacutetrico concentrado que se usa en el laboratorio estaacute al 68 en masa HNO3
(densidad 142 gcm3) lo que corresponde a 157 M
l aacutecido niacutetrico es un poderoso agente oxidante El nuacutemero de oxidacioacuten del N en el
) El aacutecido niacutetrico puede oxidar
nto a metales que estaacuten abajo del hidroacutegeno como aquellos que se encuentran
4Zn2+(ac) + NH4
+(ac) + 3H2O(l)
do no oxida al oro Sin embargo cuando se mezcla con
cido clorhiacutedrico concentrado en relacioacuten 13 en volumen (una parte de HNO3 a tres
partes al oro
omo sigue
APEacuteNDICE F
ETODO DE DEPOSICIOacuteN-PRECIPITACIOacuteN
E
HNO3 es + 5 Los productos maacutes comunes de la reduccioacuten del aacutecido niacutetrico son el
NO2 (N = + 4) el NO (N = + 2) y el NH4+ (N = - 3
ta
arriba en la serie de actividades Por ejemplo el cobre es oxidado por el aacutecido niacutetrico
concentrado como se mencionoacute antes
En presencia de reductores fuertes como el zinc metaacutelico el aacutecido niacutetrico se puede
reducir hasta ion amonio
4Zn(s) + 10H+(ac) + NO3
-(ac)
El aacutecido niacutetrico concentra
aacute
de HCl) la disolucioacuten resultante denominada agua regia puede oxidar
c
Au(s) + 3HNO3(ac) + 4HCl(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O(l) + 3NO2(g)
M
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APEacuteNDICE G
ISENtildeO DEL MEZCLADOR [4]
1) 100 ml H2O gr soporte
2) NH4(OH)
Ajustar a PH = 9 4) HAuCl4 (solucioacuten acuosa al 25E-3M)
6) Filtrado o centrifugado
3) En Agitacioacuten por 2 hr
8) Secado por 2hr a 80 degC
9 ) Calcinado por 4hr a 400 degC
7) Lavado
5) Antildeegamiento por 30 min
D
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El disentildeo de un tanque agitado dis n nuacutemero de elecciones sobre el
po y localizacioacuten del agitador las proporciones del tanque el nuacutemero y dimensiones
ada una de estas decisiones afectan a la velocidad
e circulacioacuten del liacutequido los modelos de velocidad y el consumo de potencia Como
pone de un gra
ti
de las placas deflectoras etc C
d
punto de partida en el disentildeo de los problemas ordinarios de agitacioacuten generalmente
se utiliza un agitador de turbina del tipo que se muestra en la figura 1 La proporcioacuten
tiacutepica es
31
=t
a
DD
1=tD
H 121
=tD
J 51
=aD
W 41
=aD
L
de estas ecuaciones se disentildeara el mezclador como datos se tiene el valor H que es
igual a 3 mts y el diaacutemetro del tanque D
Se determinara la medida de los reflectores
t que es igual 3 mts
121
=tD
J se despeja J
elacioacuten R31
=t
a
DD
se despeja Da
Relacioacuten
41
=aD
L se despeja L
elacioacuten se despeja W
( ) ( ) cmmtsmtsDJ 25250311==⎟
⎞⎜⎛=⎟
⎞⎜⎛= t 1212 ⎠⎝⎠⎝
( ) ( ) mtsmtsDD ta 1331
31
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=
( ) ( ) mtsmtsDL a 250141
41
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛= cm25=
51
=aD
WR
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Figura 2 a) Vista transversal del mezclador b) paletas del mezclador con la
donde se deposita el soporte
Figura 1 Medidas de un agitador de turbina
a) b)
s rejillas
H
J
E L
Da
D t
W
W
( ) ( ) cmmtsmtsDW a 2020151
5==⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎜⎝
=1 ⎞⎛
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El aacutecido niacutetrico concentrado que se usa en el laboratorio estaacute al 68 en masa HNO3
(densidad 142 gcm3) lo que corresponde a 157 M
l aacutecido niacutetrico es un poderoso agente oxidante El nuacutemero de oxidacioacuten del N en el
) El aacutecido niacutetrico puede oxidar
nto a metales que estaacuten abajo del hidroacutegeno como aquellos que se encuentran
4Zn2+(ac) + NH4
+(ac) + 3H2O(l)
do no oxida al oro Sin embargo cuando se mezcla con
cido clorhiacutedrico concentrado en relacioacuten 13 en volumen (una parte de HNO3 a tres
partes al oro
omo sigue
APEacuteNDICE F
ETODO DE DEPOSICIOacuteN-PRECIPITACIOacuteN
E
HNO3 es + 5 Los productos maacutes comunes de la reduccioacuten del aacutecido niacutetrico son el
NO2 (N = + 4) el NO (N = + 2) y el NH4+ (N = - 3
ta
arriba en la serie de actividades Por ejemplo el cobre es oxidado por el aacutecido niacutetrico
concentrado como se mencionoacute antes
En presencia de reductores fuertes como el zinc metaacutelico el aacutecido niacutetrico se puede
reducir hasta ion amonio
4Zn(s) + 10H+(ac) + NO3
-(ac)
El aacutecido niacutetrico concentra
aacute
de HCl) la disolucioacuten resultante denominada agua regia puede oxidar
c
Au(s) + 3HNO3(ac) + 4HCl(ac) HAuCl4(ac) + 3H2O(l) + 3NO2(g)
M
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APEacuteNDICE G
ISENtildeO DEL MEZCLADOR [4]
1) 100 ml H2O gr soporte
2) NH4(OH)
Ajustar a PH = 9 4) HAuCl4 (solucioacuten acuosa al 25E-3M)
6) Filtrado o centrifugado
3) En Agitacioacuten por 2 hr
8) Secado por 2hr a 80 degC
9 ) Calcinado por 4hr a 400 degC
7) Lavado
5) Antildeegamiento por 30 min
D
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El disentildeo de un tanque agitado dis n nuacutemero de elecciones sobre el
po y localizacioacuten del agitador las proporciones del tanque el nuacutemero y dimensiones
ada una de estas decisiones afectan a la velocidad
e circulacioacuten del liacutequido los modelos de velocidad y el consumo de potencia Como
pone de un gra
ti
de las placas deflectoras etc C
d
punto de partida en el disentildeo de los problemas ordinarios de agitacioacuten generalmente
se utiliza un agitador de turbina del tipo que se muestra en la figura 1 La proporcioacuten
tiacutepica es
31
=t
a
DD
1=tD
H 121
=tD
J 51
=aD
W 41
=aD
L
de estas ecuaciones se disentildeara el mezclador como datos se tiene el valor H que es
igual a 3 mts y el diaacutemetro del tanque D
Se determinara la medida de los reflectores
t que es igual 3 mts
121
=tD
J se despeja J
elacioacuten R31
=t
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DD
se despeja Da
Relacioacuten
41
=aD
L se despeja L
elacioacuten se despeja W
( ) ( ) cmmtsmtsDJ 25250311==⎟
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( ) ( ) mtsmtsDD ta 1331
31
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=
( ) ( ) mtsmtsDL a 250141
41
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛= cm25=
51
=aD
WR
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Figura 2 a) Vista transversal del mezclador b) paletas del mezclador con la
donde se deposita el soporte
Figura 1 Medidas de un agitador de turbina
a) b)
s rejillas
H
J
E L
Da
D t
W
W
( ) ( ) cmmtsmtsDW a 2020151
5==⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎜⎝
=1 ⎞⎛
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APEacuteNDICE G
ISENtildeO DEL MEZCLADOR [4]
1) 100 ml H2O gr soporte
2) NH4(OH)
Ajustar a PH = 9 4) HAuCl4 (solucioacuten acuosa al 25E-3M)
6) Filtrado o centrifugado
3) En Agitacioacuten por 2 hr
8) Secado por 2hr a 80 degC
9 ) Calcinado por 4hr a 400 degC
7) Lavado
5) Antildeegamiento por 30 min
D
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El disentildeo de un tanque agitado dis n nuacutemero de elecciones sobre el
po y localizacioacuten del agitador las proporciones del tanque el nuacutemero y dimensiones
ada una de estas decisiones afectan a la velocidad
e circulacioacuten del liacutequido los modelos de velocidad y el consumo de potencia Como
pone de un gra
ti
de las placas deflectoras etc C
d
punto de partida en el disentildeo de los problemas ordinarios de agitacioacuten generalmente
se utiliza un agitador de turbina del tipo que se muestra en la figura 1 La proporcioacuten
tiacutepica es
31
=t
a
DD
1=tD
H 121
=tD
J 51
=aD
W 41
=aD
L
de estas ecuaciones se disentildeara el mezclador como datos se tiene el valor H que es
igual a 3 mts y el diaacutemetro del tanque D
Se determinara la medida de los reflectores
t que es igual 3 mts
121
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J se despeja J
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DD
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Relacioacuten
41
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elacioacuten se despeja W
( ) ( ) cmmtsmtsDJ 25250311==⎟
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Figura 2 a) Vista transversal del mezclador b) paletas del mezclador con la
donde se deposita el soporte
Figura 1 Medidas de un agitador de turbina
a) b)
s rejillas
H
J
E L
Da
D t
W
W
( ) ( ) cmmtsmtsDW a 2020151
5==⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎜⎝
=1 ⎞⎛
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El disentildeo de un tanque agitado dis n nuacutemero de elecciones sobre el
po y localizacioacuten del agitador las proporciones del tanque el nuacutemero y dimensiones
ada una de estas decisiones afectan a la velocidad
e circulacioacuten del liacutequido los modelos de velocidad y el consumo de potencia Como
pone de un gra
ti
de las placas deflectoras etc C
d
punto de partida en el disentildeo de los problemas ordinarios de agitacioacuten generalmente
se utiliza un agitador de turbina del tipo que se muestra en la figura 1 La proporcioacuten
tiacutepica es
31
=t
a
DD
1=tD
H 121
=tD
J 51
=aD
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=aD
L
de estas ecuaciones se disentildeara el mezclador como datos se tiene el valor H que es
igual a 3 mts y el diaacutemetro del tanque D
Se determinara la medida de los reflectores
t que es igual 3 mts
121
=tD
J se despeja J
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Relacioacuten
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31
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⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
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⎜⎝⎛=⎟
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51
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Figura 2 a) Vista transversal del mezclador b) paletas del mezclador con la
donde se deposita el soporte
Figura 1 Medidas de un agitador de turbina
a) b)
s rejillas
H
J
E L
Da
D t
W
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( ) ( ) cmmtsmtsDW a 2020151
5==⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎜⎝
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Figura 2 a) Vista transversal del mezclador b) paletas del mezclador con la
donde se deposita el soporte
Figura 1 Medidas de un agitador de turbina
a) b)
s rejillas
H
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⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
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