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Diseño de procesos
▫ Dr Edgar Ayala Herrera
▫ EJEMPLO DE APLICACIÓN DEL METODO DE
JERARQUIZACIÓN DE DOUGLAS PARA LA
SINTESIS DEL PROCESO
Procedimiento de Decisión
Jerárquico
• Procedimiento de diseño evolucionario a través
de sucesivos niveles de decisión establecidos en
forma jerárquica.
• Se parte de una solución inicial aproximada,
generada sobre la base de REGLAS heurísticos.
• Refinamiento sucesivo del diseño inicial hacia el
diseño final.
• Cada nivel de decisión termina con un análisis
económico asociado a las variables de diseño.
Niveles Jerárquicos de Decisión
(Douglas, 1985).
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Nivel 1.
Procesos batch versus procesos continuos.
Nivel 2.
Estructura de entrada-salida del proceso.
Nivel 3.
Estructura de reciclo del flowheet y de sistema
de reactores.
Nivel 4.
Especificación del sistema de separación.
4a) Sistema de recuperación del vapor
4b) Sistema de recuperación de líquidos
Nivel 5.
Red de Intercambio energético.
Aplicación del Procedimiento de
Diseño Jerárquico (Douglas)
Ejemplo: Proceso de
hidroalquilación
de
tolueno para producir
benceno (Proceso HDA)
OPCIONES A CONSIDERAR PARA DECIDIR
LA Estructura de entrada-salida del
proceso
• 1. La corriente de alimentación …¿Debería
purificarse antes que ingrese al proceso?
• 2. Un subproducto reversible … ¿Debería
removerse o hacerlo recircular?
• 3. ¿Debería usarse un reciclo de gas con una
corriente de purga?
• 4. Los reactantes sin convertir… ¿Deberían
recuperarse o hacerlos recircular?
• 5. Corrientes efluentes … ¿Cuántas debería
haber?
• 6. ¿Cuáles son las variables de diseño, y qué
aspectos económicos están asociados con ellas?
Información Preliminar Proceso HDA
• 1- Información de la reacción:
• a) Reacciones:
Tolueno + H2 ------> Benceno + CH4
2 Benceno <====> Difenilo + H2
• b) Tº reacción > 1150ºC (veloc. reac alta)
Presión en el reactor: 500 psia.
• c) Selectividad
• d) Fase gas.
• e) No se utilizan catalizadores.
Información Preliminar Proceso HDA
• 2. Flujo de producción de benceno, 265 mol/hr.
• 3. Pureza del benceno producido, xD = 0.9997
• 4. Materias primas:
Tolueno puro, a Tºamb y P atm.
95% de H2 y 5% de CH4, a 550 psia y 100ºF.
• 5. Restricciones:
• H2 / aromáticos > 5 a la entrada del reactor (prevenir la
coquización).
• Tº salida del reactor < 1300 ºF (prevenir el hidrocraqueo).
Aplicación de reglas heurísticas
• 1- ¿Se debe purificar la corriente de alimentación
antes de que entre en el proceso?
REMOVER
ESPECIES O
PURIFICAR
COSTOS DEL PROCESO
AUMENYAN
2- Un subproducto reversible ..¿Se
debe remover o recircular?
•La decisión es económica
Información de reacciones
• Es importante encontrar todas las Reacciones
Laterales o Secundarias del proceso, aunque se
produzcan trazas de productos
• Se debe estudiar el concepto de Máxima
Conversión versus Conversión Optima así
como también la Selectividad.
• Numerosos procesos se han diseñado para operar en
las condiciones de máxima conversión, pero
normalmente esta operación no corresponde a la
conversión óptima económica.
Información de reacciones
PLANTA
Decisiones de Nivel 1 : Sistemas
Continuos versus Discontinuos
En la primera etapa del diseño conceptual debemos decidir si para la
producción deseada, se usará un proceso continuo o uno discontinuo ( Batch).
Hay ciertos criterios para decidir cual es el apropiado :
a. Nivel de Producción :
Procesos Continuos : Producción mayor a 10 * 106 l lb/año ( 5000 tons/año )
Procesos Batch : Producción menor a 1 * 106 lb/año ( 500 tons/año )
b. Factor de Mercado :
• Existen productos como los fertilizantes que son estacionales ; es decir que
solo se producen en la época en que se consumen ( Primavera) . Si se
producen durante todo el año, se produce un inventario excesivo que
produce costos extras.
• Algunos productos solo tienen un período de vida corto ( 2- 3 años ), tales
como pigmentos orgánicos , por lo cual se prefiere un aplanta batch por su
gran flexibilidad para estos productos de corta vida.
Decisiones de Nivel 1 : Sistemas
Continuos versus Discontinuos
c. Problemas Operacionales :
Algunas reacciones son tan lentas que la única alternativa son reactores discontinuos.
También es muy difícil bombear borras o pulpas con un bajo flujo sin que sedimenten y
tapen o obstruyan las cañerías o equipos, por lo cual es muy difícil construir equipos
para procesos continuos cuando se deben manejar bajas capacidades de borras o pulpas,
y es preferible usar procesos discontinuos.
En forma similar , algunos productos ensucian muy rápidamente los equipos, por lo cual
las operaciones batch son las indicadas para manejar estos tipos de compuestos, debido
a que se debe detener periódicamente los equipos y limpiarlos en cada una de estas
operaciones.
d. Operaciones Múltiples en Equipos :
Otra característica única de los procesos discontinuos es que a menudo se pueden
efectuar varias operaciones en un mismo equipo, mientras que en un proceso continuo
se necesita un equipo para cada operación.
Procedimiento de desarrollo de
Balances de Materia
• 1. Comenzar con el nivel de producción deseada;
• 2. De la estequiometría encontrar los flujos de
subproductos y de los reactivos requeridos;
• 3. Conociendo la composición de las “impurezas” en
la alimentación se calculan los flujos de entrada y
salida de materiales inertes;
• 4. Calcular los flujos de salida de los reactivos en
función del “exceso” de reactivos que no se reciclan
o recuperan ( reciclo y purga o aire y agua);
• 5. Calcular los flujos de entrada y salida para las
impurezas que entran con los reactivos.
Balances de Materia en Tablas de Flujos:
• Es una práctica común informar los balances de materia en forma de tablas de flujos.
Es decir los flujos se numeran en un diagrama de flujo, y se prepara una tabla que
entrega los flujos de cada componente que corresponde a un conjunto particular de
variables de diseño.
• La mayor dificultad con esta práctica es que el diseñador está forzado a seleccionar
valores d las variables de diseño sin conocer los valores óptimos. Por esta razón, se
recomienda que la tabla de flujos entregue los valores de las variables de diseño y que
las ecuaciones del balance se programen en una planilla electrónica ( Lotus, Excel,
etc.) . De esta forma es muy fácil cambiar la producción y las variables de diseño y
recalcular todos los flujos del proceso.
• Podemos usar esta misma tabla como base para calcular los costos de los flujos en
función de las variables de diseño.
Decisiones de estructura de reciclo
Las decisiones que se deben tomar en este nivel
• Tabla: Decisiones para la Estructura de Reciclo.
a. ¿ Cuantos sistemas de reactores se requieren ? ; ¿ Existen
sistemas de separación entre reactores ?
b. ¿ Cuantos flujos de reciclos se requieren ?
c. ¿ Deseamos un exceso de un reactivo a la entrada del, reactor ?
d. ¿ Se requiere un compresor de gas ? ¿ Cual es su costo ?
e. ¿ Debe operarse el reactor adiabaticamente, con calentamiento
directo o enfriamiento, o se requiere un diluyente o portador de
calor ?
f. ¿ Deseamos mover la ecuación de equilibrio ? ¿ Como ?
g. ¿ Como afectan los costos del reactor al potencial económico ?
Número de flujos de reciclo
• Se toma la lista de todos los componentes que salen del reactor ordenados por sus
puntos de ebullición normal, y se indica el número del reactor y el código de destino
para cada flujo de reciclo.
• A continuación se agrupan los componentes que tienen puntos de ebullición cercanos
si tienen el mismo reactor como destino. Entonces el número de flujos de reciclos es
el mismo número de grupos formados. Lo anterior está basado en la simple regla
heurística:
• “No es conveniente separar dos componentes y a continuación volverlos
a mezclar en la entrada del reactor”
• Debemos también distinguir entre los flujos de reciclo líquidos y gaseosos, debido a
que los reciclos gaseosos requieren compresores, los cuales son costosos. Se
considera un reciclo como gaseoso si hierve a menor temperatura que el propileno.
Los flujos de reciclo líquidos solo requieren bombas, y en nuestro diseño preliminar
no incluimos el costo de las bombas debido a que usualmente son menores
comparados con compresores, hornos, columnas de destilación, etc.
PRODUCCION DE BENCENO
Diagrama de flujos de reciclos
Cálculo de Reciclo de la
Hidroalquilación de Tolueno :
Las decisiones que se toman para la estructura de
reciclo de este
• 1. Se requiere solo un reactor ( las reacciones se
efectúan a la misma temperatura y presión ).
• 2. Existen dos flujos de reciclos, uno gaseoso ( y
purga ) con H2 y CH4 y un reflujo líquido de
tolueno.
• 3. Debemos usar un razón 5/1 de hidrógeno a
aromáticos a la entrada del reactor de acuerdo a las
restricciones del proceso.
• 4. Se requiere un compresor gaseoso.
Balances de materia de reciclos
Efectos Energéticos del Reactor.
Necesitamos tomar una decisión con respecto al reactor, si este operará
adiabáticamente, con calentamiento o enfriamiento directo , o si se necesita un
diluyente o portador de calor.
Si necesitamos introducir un componente extraño como diluyente o portador de calor,
entonces nuestro balances de materia del reciclo, y quizás el balance global, deben
cambiar.
Se debe tomar esta decisión antes de diseñar el sistema de separación, ya que este se
verá afectado. Para tomar las decisiones con respecto a los efectos energéticos en el
reactor, primero estimamos la carga térmica del reactor y el cambio de temperatura
adiabático.
a. Carga Térmica del Reactor :
Par reacciones simples, sabemos que toda la alimentación fresca del reactivo limitante
usualmente se convierte en el proceso ( la conversión por pasada puede ser menor de
modo que habrá un flujo grande de reciclo, pero toda la alimentación fresca se convierte
excepto por pequeñas pérdidas en el producto y subproductos o en la purga ).
Proceso de hidrodesalquilación de Tolueno
Proceso de Hidroalquilación de Tolueno
• Los flujos y capacidades calóricas de la alimentación al reactor para
el caso base con x = 0,75 , y PH = 0,4 se entregan en la siguiente
tabla :
Diseño y Costo de Compresor de
Reciclo del proceso HDT
• Para nuestro caso base, tenemos p1 = 465 psia y p2 = 555 psia, T1 = 100 ° F ( 560 ° R ),
además de los flujos RG = 1529 kgmol/hr = 3371 lbmol/hr , y para el valor de γ se tiene
:
SISTEMA DE SEPARACION DE UN
DIAGRAMA DE FLUJO
Estructura General del Sistema de Separación
• Para determinar la estructura general del sistema de
separación en un proceso, determinamos primero la fase
del efluente del sistema de reactor. (Para procesos
líquido-vapor, existen solo tres posibilidades :
• 1. Si el efluente del reactor es un líquido,
suponemos que solo se necesita un sistema de
separación de líquidos. Este sistema incluye las
columnas de destilación, unidades de extracción,
destilación azeotrópica, etc., pero normalmente no
incluye los absorbedores de gas, o unidades de
adsorción, etc.
Si el efluente del reactor es una
mezcla bifásica
• 2., podemos usar el reactor como un separador de fases ( o se pone un
estanque separador después del reactor ). Se envía los líquidos al sistema de
separación de líquidos. Si el reactor opera sobre las temperaturas de
enfriamiento con agua, se enfría el flujo de vapor del reactor a una
temperatura de 100 °F (35 ° C) y se separan las fases obtenidas.
• Si los componentes líquidos del flash contienen principalmente reactivos (y
no productos que se forman como intermedios en un esquema de reacción
consecutiva), entonces reciclamos el líquido al reactor (tenemos e
equivalente a un condensador de reflujo). Sin embargo, si los líquidos a baja
temperatura del flash contienen mayormente productos, se envía este flujo
al sistema de recuperación de líquidos.
• El vapor de baja temperatura del flash se envía usualmente al sistema de
recuperación de vapor. Pero si el efluente del reactor contiene pequeñas
cantidades de vapor, a menudo se envía el efluente del reactor directamente
al sistema de recuperación de líquidos (por ejemplo un tren de destilación).
Efluente del reactor líquido
Efluente del reactor bifásico
• 3. Si el efluente del reactor es todo vapor, enfriamos el
flujo a 100 ° F (35 ° C), (la temperatura mínima de
enfriamiento con agua) y intentamos efectuar una separación
de fases o condensar completamente el flujo. El líquido
condensado se envía al sistema de recuperación de líquidos, y
el vapor es enviado al sistema de recuperación de vapor.
• Si no se obtiene una separación de fases, vemos si se pude
presurizar el reactor para obtener una separación de fases .
(Se puede tratar de obtener una mayor presión usando solo
bombas sobre la alimentación líquida, y se verifica que la
presión no afecte la distribución de productos).
• Si no se obtiene la separación de fases, entonces
consideramos la posibilidad de usar tanto alta presión como
un condensador parcial refrigerado. Si no se pude obtener una
separación de fases sin usar refrigeración, consideramos la
posibilidad de enviar el efluente del reactor directamente al
sistema de recuperación de vapor.
Efluente del reactor vapor
Separación de Mezclas de Fluidos
Homogéneos
• Como se ha visto anteriormente, la separación de mezclas de
fluidos homogéneos requiere de la creación o adición de otra
fase. El método más común es la repetición de vaporizaciones
y condensaciones , es decir destilación. Las tres principales
ventajas de la destilación son :
• a. La habilidad de manejar un amplio rango de flujos. Muchas
de las alternativas a la destilación solo pueden manejar bajos
flujos.
• b. La habilidad de manejar un amplio rango de concentración
en alimentaciones. Muchas de las alternativas a destilación
solo pueden manejar solo alimentaciones relativamente
puras.
• c. La habilidad de producir productos de alta pureza. Muchas
de las alternativas a la destilación solo pueden lograr un
separación parcial y no pueden producir productos puros.
Los principales casos en que no se
puede usar destilación son los siguientes
: • 1.de Separación
de productos de bajo peso molecular. Los productos
bajo peso molecular se destilan a altas presiones para aumentar la
temperatura de condensación y permitir si es posible, el uso de agua de
enfriamiento o aire de enfriamiento en el condensador de la columna.
Materiales de muy bajo peso molecular requieren refrigeración en el
condensador.
• Esto aumenta considerablemente el costo de la separación, puesto que la
refrigeración es muy costosa. La absorción gaseosa, la adsorción, y los
separadores de gases por membranas son las alternativas más usadas en vez
de destilación para la separación de materiales de bajo peso molecular.
• 2. Separación de productos de alto peso molecular y sensibles al
calor. Los materiales de alto peso molecular son a menudo sensibles al
calor y como tales son usualmente destilados bajo vacío para reducir sus
temperaturas de ebullición.
• 3. Separación de componentes con bajas concentraciones. La
destilación no es adecuada para la separación de productos que están en
una baja concentración en la mezcla a alimentar. La adsorción y la
absorción son medios más efectivos.
• 4. Separación de clases de componentes. Si se desea separar una clase de
compuestos (ej: una mezcla de aromáticos de una mezcla de alifáticos), entonces la
destilación solo puede separar de acuerdo a los puntos de ebullición, no importando
las clases de componentes. En una mezcla compleja donde se necesita separar los
componentes por clases, esto significa separar muchos componentes
innecesariamente. La extracción líquido-líquido puede ser aplicada para la
separación de clases de componentes.
• 5. Mezclas con baja volatilidad relativa o que exhiben comportamiento
azeotrópico. La forma más común de tratar con la separación de mezclas de baja
volatilidad relativa y mezclas azeotópicas es usar extracción o destilación azeotrópica.
La cristalización y la extracción líquido-líquido también pueden ser usadas.
• 6. Separación de un líquido volátil de un componente no-volátil. Esta es
una operación común que se logra por medio de evaporación y secado.
• 7. Separación de mezclas de componentes condensables de nocondensables. Si un mezcla contiene tanto condensables como no-condensables,
entonces un condensación parcialseguida por un separador de fases a menudo dan
una buen separación. Esto corresponde a una etapa simple de destilación.