Reporte. PIA Fisicoquímica PDF

Preview

Summary

Universidad Autónoma de Nuevo león Facultad de Ciencias Químicas Ingeniería química Dr. Jacob Josafat Rábago Salazar PIA Fisicoquímica: Producción del Trióxido de azufre (SO3(g)) Mirna Patricia Balderas González 1803955 Guillermo Leonel Guerrero López 1939906 Fátima Yamileth Reyna Borjas Carlos Anto...

Description

Universidad Autónoma de Nuevo león Facultad de Ciencias Químicas Ingeniería química

Dr. Jacob Josafat Rábago Salazar PIA Fisicoquímica: Producción del Trióxido de azufre (SO3(g))

Mirna Patricia Balderas González 1803955 Guillermo Leonel Guerrero López 1939906 Fátima Yamileth Reyna Borjas Carlos Antonio Velázquez Rodríguez

San Nicolás de la garza, Nuevo león 5 de Junio del 2019

Resumen El trióxido de azufre se utiliza como producto químico intermedio en la fabricación de ácido sulfúrico y está presente como componente de tintes y colorantes; también es utilizado en la producción de ácido nítrico anhidro y explosivo. El valor obtenido de ΔH°rx´n es igual a -98.9 kJ/mol con lo que se concluye que es una reacción exotérmica. Después de un analisis en el que se involucró tanto Cp como función de la temperatura (Cp=f(T)) así como Cp independiente de la temperatura Cp≠f(T) se dedujo que se podía trabajar con una entalpía de reacción constante e independiente de la temperatura para realizar los analisis correspondientes a la kp y al avance de reacción. Se observa que el avance de reacción es mas favorable a las temperaturas que oscilan ente los 320 K y 400K a 1 bar. Introducción El análisis termodinámico de una reacción tiene gran relevancia en industrias y experimentos, ya que demuestra las condiciones en la cual la formación de productos o reactivos es favorecida en mayor cantidad de acuerdo a variables termodinámicas como presión y temperatura para la produccion de porductos y sustancias usadas diariamente. Además, dicho estudio revela distintas propiedades de la reacción química, desde espontaneidad, liberación o extracción de energía, etc. El Trioxido de azufre es un compuesto quimico cuya molecula esta compuesta por un atomo de azufre y tresv atómos de oxígeno. Conocido como uno de los óxidos de azufre, es un importante contaminante atmósferico. El trióxido de azufre es producido en forma gaseosa diluida, en una planta de ácido sulfúrico de proceso de contacto a través de la oxidación de gases que contienen dióxido de azufre. El trióxido de azufre se utiliza como producto químico intermedio en la fabricación de ácido sulfúrico y ácido sulfúrico fumante para la sulfonación, en particular, de tintes y colorantes, y para la producción de ácido nítrico anhidro y explosivos. El trióxido de azufre

se comercializa con nombres de Sulphan y Triosul, y se utiliza principalmente para la sulfonación de ácidos orgánicos. Efectos cinéticos en la reacción: La reacción es exotérmica, se utilizan múltiples Etapas con enfriamiento intermedio y un sistema de doble columna de absorción. La integración de calor permite recuperar el calor producido en las reacciones exotérmicas. - La oxidación de dióxido de azufre es lenta y reversible - La reacción es exotérmica y sensible al calor excesivo Objetivo Encontrar las condiciones de operación (P,T) que resultan en la producción eficiente y económica de SO3 a partir de la oxidación de SO2. Planteamiento Tabla 1. Temperaturas y presiones seleccionadas de las especies químicas involucradas. Ttp (K) O2 SO2

54,33 197,64

SO3

289,94

Ptp (bar)

Tc (K) Pc Tb Tf (K) (bar) (K) 0,00152 154,8 50,43 90,2 54,8 0,0167 430,8 82,1 263 200,7 5 0,2113 490,9 82,1 318,0 290 5

O2

Presión (bar)

Con base en estos datos se construyó un diagrama de fases.

90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

0

100

SO2

200

300

SO3

400

500

600

Temperatura (K)

Fig. 1. Diagrama de fases de las sustancias utilizadas. Del diagrama se dedujo que se tenía que trabajar una temperatura mayor a 320 K para que las tres especies se encontraran en estado gaseoso y a una presión menor a los 50 bar para no sobrepasar los valores de temperatura y presión correspondientes a las condiciones críticas del O2. Posteriormente se estudió el comportamiento de la energía libre de Gibbs para los casos en los que ΔHrxn es constante e igual a ΔH°rx´n, utilizando ΔCp y utilizando el polinomio de ΔCp.

Tabla 2. Polinomios de Cp con forma: 𝐶𝐶 °𝐶 =𝐶 +𝐶𝐶 +𝐶/𝐶^2 [1] Cp°

A(1)

A(2)

A(3)

(J/mol-

(cal/mol-

(cal/mol-

(cal/mol-

K) 29.83

K) 11.04

K) K) -3 1.88x 10 -184000

SO2 Oxigeno

39,38

8.27

2.5x 10-4

O2 Trióxido de

50.73

13.90

6.10x 10

Dióxido de azufre

azufre SO3

-187700 -3

-322000

Después de analizar los tres casos se obtuvo que: Tabla 3. Energía libre de Gibbs. Condiciones estándar Cp ≠ fT Cp = fT % de desviación entre ΔG° y ΔG utilizando Cp = fT

ΔG rxn -71 KJ/mol -68.9 KJ/mol -69.57 KJ/mol 2.95%

Dado que el porcentaje de desviación es bajo se concluye que se puede trabajar utilizando ΔHrxn es constante e igual a ΔH°rx´n. 0 300

350

400

450

500

550

. ΔH (Kj/mol)

-20 -40 -60 -80 -100 -120

Temperatura (K)

X

ΔG rxn

ΔG° Cp ≠ fT Cp = fT % de desviación

68.9 KJ/mol 69.57 KJ/mol 0.96%

Fig 2. Gráfica ΔH vs T Como se puede apreciar en la Fig 2. ΔH se mantendrá constante sin importar la variación de rxn

1

1 )

−(Δ H )( − R T Tref fue Kp ( T )=Kp ( Tref )∗e posible encontrar valores de Kp a distintas temperaturas utilizando la Kp de referencia que es Kp (298)

temperatura. Después, utilizando la fórmula:

ln kp vs 1/T 30 25

Ln(kp)

20 15 10 5 0

0

0

0

0

0

0

0

0

1/T

Tabla 4. Datos de las especies

SO2 O2 SO3

340 360 380 400 420 440 460 480 500

1.98 x 1010 0.00294118 9 2.84 x 10 0.00277778 4.99 x 108 0.00263158 ΔH° ΔG° (KJ/mol) 1.04(KJ/mol) x 108 0.0025 7 2.53 x 10 0.00238095 6 6.98 x 10-296.80.00227273-300.1 2.15 x 106 00.00217391 0 5 7.34 x 10-395.7 0.00208333-371.1 5 2.72 x 10 0.002

23.71 termodinámicos 21.76 involucradas. 20.02 ΔS° (KJ/mol) 18.46 17.04 15.75 248.22 14.58 205.13 13.50 256.76 12.51

Tabla 5. Valores de Kp a diferentes temperaturas. X

Fig 3. Grafica ln kp vs 1/T La grafica muestra como Kp disminuye con el aumento de temperatura.

-63 0.5 -64

1

1.5

2

2.5

3

ΔG (KJ)

-65 -66

3.5

Posteriormente se calculó ΔG para las temperaturas correspondientes al rango seleccionado con la fórmula: ΔG= -RTln(kp) Tabla 7. Valores de ΔG.

-67 -68 -69 -70

Temperatura (K)

20.0287 18.4635 17.0473 15.7599 14.5845 13.507 12.5157

380 400 420 440 460 480 500

-63.27 -61.40 -59.52 -57.65 -55.77 -53.90 -52.02 Fig 4. ΔG vs. T.

Se puede apreciar como la espontaneidad disminuye conforme se aumenta la temperatura.

F

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

CONCLUSION. En base se dice que el trióxido de azufre (SO3(g)) tiene condiciones óptimas en la temperatura de y la presión de Referencias [1] Robert H. Perry, Don W. Green, James O. Maloney “Perry Manual de Ingeniero Químico” 6° Edición, McGraw Hill, México 1994, Tomo I, p.p. 3-155 – 3-162. [2] Engel, Thomas, et al. Introducción a La Fisicoquímica: Termodinámica. Pearson Educación, 2007.ISBN: 970-26-0829-5 pags. 528-540...