1 Modulo 3 Seleccion y Diseño del Proceso

8/12/2019 1 Modulo 3 Seleccion y Diseo del Proceso

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Diseo de Plantas Industriales Seleccin y Diseo de Procesos

Msc. Pedro Angeles Chero 45

SELECCIN Y DISEO DE

PROCESOS QUIMICOS

INDUSTRIALES

PROCESOS UNITARIOS

OPERACIONES UNIARIAS

DIAGRAMAS DE FLUJO

DIAGRAMA DE BLOQUES

BALANCE DE MATERIALES

BALANCE DE ENERGIA

Captulo

3


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3.1DEFINICIONESProcesos qumicos

Un proceso qumico es un conjunto de operacionesqumicas y/o fsicas ordenadas a la

transformacin de unas materias iniciales en productos finales diferentes. Un producto esdiferente de otro cuando tenga distinta composicin, est en un estado distinto o hayancambiado sus condiciones.

En la descripcin general de cualquier proceso qumico existen diferentes operacionesinvolucradas. Unas llevan inherentes diversas reacciones qumicas. En cambio otros pasosson meramente fsicos, es decir, sin reacciones qumicas presentes. Podemos decir quecualquier proceso qumico que se pueda disear consta de una serie de operaciones fsicas yqumicas. Cada una de estas operaciones es una operacin unitaria dentro del procesoglobal.

Operaciones unitarias

Es cada una de las acciones necesarias de transporte, adecuacin y/o transformacin de lasmaterias implicadas en un proceso qumico.

Si tomamos como ejemplo una planta depuradora de aguas residuales, esquematizada en laFig. 1.2, podemos observar como el proceso global consta de una mezcla tanto de procesosqumicos (oxidacin de materia orgnica) como fsicos (decantacin de fangos). Tambinpodemos identificar las distintas acciones llevadas a cabo para el transporte adecuacin ytransformacin de las sustancias implicadas en el proceso.

En general un proceso qumico puede descomponerse en la secuencia de diagramas de

bloques de la Fig. 1.3. En el caso prctico mencionado anteriormente podramos establecerfcilmente relaciones entre las operaciones llevadas a cabo con su correspondiente bloque.

Los procesos qumicos en general y cada operacin unitaria en particular tienen comoobjetivo el modificar las condiciones de una determinada cantidad de materia en forma mstil a nuestros fines. Este cambio puede realizarse por tres caminos:

Modificando su masa o composicin (separacin de fases, mezcla, reaccin qumica). Modificando el nivel o calidad de la energa que posee (enfriamiento, vaporizacin,

aumento de presin, ...).

Modificando sus condiciones de movimiento (aumentando o disminuyendo suvelocidad o su direccin).

Los tres cambios mencionados anteriormente son los nicos cambios posibles que uncuerpo puede experimentar. Un cuerpo est definido cuando estn especificadas:

cantidad de materia y composicin. energa total (interna, elctrica, magntica, potencial, cintica). las componentes de velocidad de que est animado.

Este hecho experimental tiene su expresin matemtica en tres leyes de conservacin:


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ley de conservacin de la materia. ley de conservacin de la energa. ley de conservacin de la cantidad de movimiento.

Las operaciones unitarias se clasifican de acuerdo con la propiedad (materia, energa,

cantidad de movimiento) que se transfiera en la operacin y sea la ms relevante en lamisma. Asi por ejemplo, una reaccin qumica es la operacin unitaria que tiene por objetodistribuir de forma distinta los tomos de unas molculas (compuestos reactantes) paraformar otras nuevas (productos). El lugar fsico donde se llevan a cabo las reaccionesqumicas se denominan REACTORES QUMICOS.

Clasificacin de las operaciones unitarias.

Las operaciones unitarias son de naturaleza fsica. Se pueden dividir en 5 grandes grupos:

a. Flujo de fluidos.b. Transmisin de calor.c. Mezclado.d. Separacin: Destilacin, extraccin, absorcin, adsorcin, evaporacin, cristaliza-

cin, humidificacin, secado, filtracin y centrifugacin.

e. Manejo de slidos: Compresin, molienda, tamizado y fluidizacin.No hay una clara divisin entre algunas operaciones. El funcionamiento de unevaporador continuo requiere de conocimientos sobre flujo de fluidos, transferencia decalor; as mismo la cristalizacin, como en la obtencin del hidrosulfito, puede ocurriren la evaporacin, etc.

Modelo matemtico de la operacin unitaria qumica

Tericamente se considera el diseo de reactores desde un punto de vista cualitativo y delas consideraciones a tener en cuenta en su diseo. Sin embargo en la prctica tenemos quecuantificar una seria de variables del proceso como son:

caudales.temperaturas (necesaria para superar por ejemplo la energa de activacin de reaccin).presin de operacin,

Con toda esta informacin se podr entonces decidir:

las dimensiones del equipo.materiales de construccin.necesidad de calefaccin, refrigeracin, compresin, etc.

El clculo de estas variables se realiza basndose en las 3 leyes generales: conservacin demateria, conservacin de energa, y conservacin de la cantidad de movimiento. En formageneral estas ecuaciones se representan mediante la ecuacin siguiente:


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Las ecuacionesque relacionan variables del sistema son:

Las ecuaciones de estado de las sustancias del sistema. Las leyes de equilibrio fsico o qumico (relaciones entre fases, constantes de equilibrio

qumico, etc.), aplicables cuando el sistema est en equilibrio. Las leyes cinticas o de velocidad, aplicables cuando el sistema no est en equilibrio.El conjunto de todas estas ecuaciones constituye el MODELO MATEMATICO delsistema. La resolucin del mismo permitir conocer los valores de todas las variables delsistema que intervienen, y as poder especificar con detalle los equipos en los que se podrllevar a cabo el proceso qumico. Adems de todas estas consideraciones necesitaremos:

Anlisis de costos (materiales de construccin, corrosin, requerimientos de agua yenerga, y mantenimiento).

Instrumentacin y mtodos de control (sistema manual, utilizacin de computadoras). Condiciones de mercado (relaciones precio-volumen de los reactantes y productos).En general, todos los equipos - excepto el reactor - son utilizados para producir cambiosfsicos: calentamiento, compresin, molienda, separacin, etc.

Las operaciones fsicas realizadas para producir estos cambios, tales como transmisin decalor, flujo de fluidos, destilacin, etc., son llamadas Operaciones Unitarias.

Los cambios qumicos que ocurren en el reactor o reacciones qumicas (oxidacin, Nitra-cin, polimerizacin, reduccin, esterificacin, etc), se conocen como Procesos Unitarios.

La solucin de casi cualquier problema de ingeniera qumica, que involucre una operacino un proceso unitario incluye los siguientes pasos:

a. Realizar el balance de materia para calcular las masas de reactivos y productos.b. Realizar el balance de energa para encontrar todas las interacciones energticas del

proceso, fundamentalmente calor y trabajo.c. Calcular las velocidades de reaccin y de transferencia de masa, de lo cual se

ocupan la cintica qumica y los fenmenos de transporte.


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3.2 Operaciones unitarias qumicas

Una operacin unitaria puede definirse como un rea del proceso o un equipo donde seincorporan materiales, insumos o materias primas y ocurren cambios fsicosdeterminados,son actividades bsicas que forman parte del proceso. Por ejemplo, la produccin de pulpa

o el descortezado en una fbrica de papel, o la destilacin en un proceso de elaboracin deproductos qumicos.Sera prcticamente imposible estudiar el nmero casi infinito de procesos qumicos que sellevan a cabo en la industria diariamente, si no hubiera un punto en comn a todos ellos.

Afortunadamente, esta conexin existe. Cualquier proceso que se pueda disear consta deuna serie de operaciones fsicas y qumicas que, en algunos casos son especficas delproceso considerado, pero en otros, son operaciones comunes e iguales para variosprocesos. Generalmente un proceso puede descomponerse en la siguiente secuencia:

1.- Materias Primas2.- Operaciones fsicas de acondicionamiento

3.- Reacciones qumicas4.- Operaciones fsicas de separacin5.- Productos

Cada una de estas operaciones es una operacin unitaria. Este concepto fue introducido en1915 por el profesor Little, del Massachussets Institute of. Technology (M.I.T). Ladefinicin dada entonces, fue la siguiente: "... todo proceso qumico conducido en cualquierescala puede descomponerse en una serie ordenada llamado OPERACIONES UNITARIAS,como pulverizacin, secado, cristalizacin, filtracin, evaporacin, destilacin.... Elnmero de estas operaciones bsicas no es muy grande, y generalmente slo unas cuantasde ellas intervienen en un proceso determinado."

La IndustriaLneas de

Produccin

Proceso que al combinarse

dan origen a:

Operaciones Unitarias

Mecnicas: Filtracin,Tamizado.

Operaciones

Unitarias Fsicas:Destilacin y

Cristalizacin.

Operaciones Unitarias

Qumicas: si trasmitencalor y energa.

PolimerizacinCombustin


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TIPO DE OPERACIONES UNITARIAS

Operaciones unitarias fsicas. Operaciones unitarias qumicas.Operaciones unitarias fsicas

De transferencia de materia. De transferencia de energa. De transferencia simultnea de materia y energa. De transferencia de cantidad de movimiento. Complementarias.

En todas las operaciones unitarias hay en comn el concepto de fuerza impulsora. Lacantidad de la propiedad transferida por unidad de tiempo y superficie es igual a la fuerzaimpulsora partido de la resistencia. Analizamos la fuerza impulsora para los tres tipos de

propiedades.Materia:la fuerza impulsora es igual a las diferencias de concentraciones, presiones... enel seno del fluido que estemos estudiando.Energa: la fuerza impulsora se da cuando existe una diferencia de temperaturas en elseno de la masa.Cantidad de movimiento:la fuerza impulsora es la diferencia de velocidades que existeentre dos zonas del fluido.

Operaciones unitarias qumicasTiene por objetivo distribuir de una forma distinta los tomos de una molcula para darotra, es decir, el paso de los reactivos a los productos. Se da en los reactores qumicos;para el diseo de estos se deben estudiar las siguientes caractersticas:- Asegurarnos que los reactivos fluyan totalmente para conseguir la mezcla deseada.- Proporcionar el tiempo de contacto necesario entre las sustancias y el catalizador (si lohay) hasta lograr la extensin deseada de la reaccin.- Permitir que se adquieran las condiciones de presin, temperatura y composicin demodo que la reaccin tenga lugar en el modo y la velocidad deseadas, para lo cual hay queatender a los aspectos termodinmicos y cinticos de la reaccin.

Algunas de las operaciones unitarias qumicas son:

COMBUSTINes el proceso de oxidacin rpida de una sustancia, acompaado de unaumento de calor y frecuentemente de luz. En el caso de los combustibles comunes, elproceso consiste en una combinacin qumica con el oxgeno de la atmsfera que lleva a laformacin de dixido de carbono, monxido de carbono y agua, junto con otros productoscomo dixido de azufre, que proceden de los componentes menores del combustible.

HIDRATACION.- Cuando un cuerpo seco (anhdrido), absorbe agua, aunque sea enforma de humedad, se dice que este cuerpo est hidratado o que ha sufrido el fenmeno dehidratacin.

OXIDACION.- Es la operacin de introducir oxgeno en un cuerpo de manera que forme

parte de su constitucin ntima, tal sera el agua (H20) agregar un tomo de oxgeno yformar agua oxigenada ( H202 ) tambin Llamada perxido de hidrgeno 0 dixido de


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hidrgeno. La combustin es Tambin un proceso tpico de oxidacin pues toma eloxgeno del aire para quemar el carbono.

REDUCCION.- Consiste en separar oxigeno de un cuerpo para que este resulte puro. Enla metalurgia del hierro, por ejemplo se reduce el mineral formado por xidos y al

eliminarse el oxgeno queda el metal puro. Un cuerpo reductor es el carbono; as tenemosque el carbono en caliente con ayuda de la flama reduce el xido de plomo, de cobre, etc. alestado de plomo y cobre puro.

SAPONIFICACION: Cuando una sustancia grasa es tratada en caliente por medio de unaleja fuertemente alcalina, se transforma en jabn ( la saponificacin.).

HIDROGENACION, reaccin que implica la combinacin de hidrgeno con ciertoscompuestos orgnicos no saturados, especialmente con los hidrocarburos. Por ejemplo, alhidrogenar el eteno (C2H4) se obtiene etano (C2H6). La hidrogenacin se usa tambin conmolculas ms complicadas, obtenindose gran variedad de productos sintticos

importantes en el laboratorio y en la industria.La reaccin de hidrogenacin se aplica a escala industrial en numerosos procesos, como lahidrogenacin de los aceites vegetales para producir numerosas grasas comestibles, porejemplo la margarina El proceso de hidrogenacin se aplica tambin en la produccin degasolina sinttica.

CRAQUEO O CRACKING, proceso qumico por el cual un compuesto qumico,normalmente orgnico, se descompone o fracciona en compuestos ms simples. Elcraqueo se realiza ya sea por la aplicacin de calor y alta presin, mediante el procesoconocido como craqueo trmico, o bien por el craqueo cataltico, que es la combinacin decalor y una catlisis. En las refineras modernas, primero se separa el petrleo por

destilacin fraccionada. A continuacin, casi todas las fracciones ms pesadas sonsometidas a craqueo. En el proceso siempre se forma hidrgeno y carbono.

FERMENTACIN proceso en el que ocurren cambios qumicos en las sustanciasorgnicas producidos por la accin de enzimas Ilamadas fermentos, producidas pororganismos diminutos tales como el moho, las bacterias y la levadura. Por ejemplo, lalactasa, un fermento producido por una bacteria que se encuentra generalmente en la leche,hace que sta se agrie, transformando la lactosa (azcar de la leche) en cido lctico. El tipode fermentacin ms importante es la fermentacin alcohlica, en donde la accin de lasimaza segregada por la levadura convierte los azcares simples, como la glucosa y lafructosa, en alcohol etlico y dixido de carbono. Hay otros tipos de fermentacin que se

producen de forma natural, como la formacin de cido butanoico cuando la mantequillase vuelve rancia, y de cido etanoico (actico) cuando el vino se convierte en vinagre.

POLIMERIZACIN. es el proceso que se realiza al unir varias molculas ms pequeas(monmeros) en otras ms grandes Polmeros. El nmero de unidades que se repiten enuna molcula grande se llama grado de polimerizacin. Los materiales con un gradoelevado de polimerizacin se denominan altos polmeros. Los homopolmeros sonpolmeros con un solo tipo de unidad que se repite. En los copolmeros se repiten variasunidades distintas. La mayora de las sustancias orgnicas presentes en la materia viva,como las protenas, la madera, la quitina, el caucho y las resinas, son polmeros; tambin loson muchos materiales sintticos como los plsticos, las fibras, los adhesivos, el vidrio y la

porcelana.


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3.3 Procesos unitarios qumicos.

Un proceso unitario es aquel que requiere de una o ms operaciones, en las que ocurrentransformaciones qumicas. Los procesos unitarios estn clasificados de acuerdo con el tipo dereaccin qumica involucrada. En 1945, en su texto "The Chemical Process Industries" elprofesor R. Shreve clasific los principales procesos unitarios como sigue:

a. Combustinb. Oxidacinc. Neutralizacind. Formacin de silicatose. Caustizacinf. Electrlisisg. Doble descomposicinh. Calcinacini. Nitracinj. Esterificacink. Reduccinl. Amonlisism. Halogenacinn. Sulfonacino. Hidrlisisp. Hidrogenacinq. Alquilacinr. Reaccin de Friede-Craftss. Condensacint. Polimerizacinu. Fermentacin

v. Diasotizacin y acoplamientow. Pirlisisx. Aromatizaciny. Isomerizacin

Los cuales presentan semejanzas y disparidades entre s, pero las similitudes son aparentes yno se pueden tratar de una manera genrica como se hace con las operaciones unitarias.

3.4 Diagramas de flujo.

Se utilizan en ingeniera qumica para representar en forma esquemtica y simblica losdiferentes procesos industriales, las etapas que los integran, los equipos que las constituyeny las corrientes de materiales que los interrelacionan.

En esencia, son dibujos formados por lneas y smbolos que ayudan a entender cmo serealiza el flujo de materia o energa en un proceso o en un equipo. Los smbolosrepresentan las unidades de equipo de proceso y se escogen desde el punto de vista de laclaridad y simplicidad, y generalmente guardan cierto parecido con el equipo querepresentan; las lneas que se conectan a dichas unidades sealan tubos o ductos a travs delos cuales se transfieren materiales. Estas lneas se denominan, generalmente, corrientes y


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estn caracterizados por variables como la razn de flujo del material, la composicin, latemperatura, la presin, etc.

Hay varias clases de diagramas de flujo que son utilizados para diferentes propsitos, sunomenclatura no est estandarizada y las compaas y libros utilizan los ms convenientes asus fines.

La primera etapa para solucionar un problema de ingeniera qumica es su traduccin a undiagrama de flujo donde se simbolizan las caractersticas ms importantes del problema,que es una condicin casi indispensable en la realizacin de los balances de materia yenerga de un proceso o de una planta. Algunos de los diferentes tipos de diagramas deflujo son:

o Diagramas de bloques.o Diagramas simblicos.o Diagramas de instrumentacin.

3.5 Diagramas de bloquesSon los ms simples y en ellos se representa el proceso o alguna de sus partes pormedio de bloques o rectngulos con flechas que indican las corrientes de entrada ysalida. Dentro del rectngulo se coloca la indicacin del proceso o equipo querepresenta y las lneas sealan la direccin que sigue el proceso. Ver seccin (1)Conceptualization and Analisys of Chemical Process.

3.6 Diagramas simblicos.Son una representacin ms cercana a la realidad. En ellos se representan los diferentesequipos, comnmente empleados en la industria, por medio de smbolos que conservan, encierto modo, su apariencia fsica. Se muestra la interrelacin entre los diferentes equipospor medio de lneas de unin. Las propiedades fsicas, las cantidades, las temperaturas y laspresiones de los materiales son parte importante de estos diagramas.

Estos valores se pueden indicar de tres maneras:

Colocando los datos sobre cada corriente. Identificando la corriente con un nmero o letra que se refiere a una lista adjunta. Adjuntando los datos en una hoja de tabulacin.

Los diagramas simblicos son los ms utilizados en la ingeniera qumica debido a que: Ayudan al diseo y acomodamiento de la planta, Dan una idea clara del proceso, Facilitan el dimensionamiento del equipo, Sirven como medio de instruccin del personal relacionado con el proceso, Ayudan a la realizacin de los balances de materia y energa.

Los smbolos, utilizados en estos diagramas de flujo y que representan los equipos, hansido estandarizados por el uso, y recopilados por la Asociacin Americana de Estndares.La Figura 3.1 muestra alguno de los smbolos ms usados para representar esquemtica-mente los diferentes equipos y accesorios que forman parte de una planta qumica.


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Figura 3.1. Smbolos usados para representar equipos

E-1 E-2

E-3

E-4

E-5 E-6E-7

E-8

E-9

E-10 E-11

E-12E-13

E-14

E-15

E-16 E-17

E-18

E-20 E-21

E-22

E-23

E-24

E-25

V-1

V-2

V-3

V-5

V-6

E-27

E-28

E-30

En la seccin (1) Conceptualization and Analisys of Chemical Processse explica con mas detalle eldiseo de los diagramas de flujo o Flowsheet.

3.7 Seleccin de un proceso

As como suelen existir varios caminos para llegar a un destino, tambin existen variosprocesos para obtener un producto. De manera que cuando queremos sintetizar undeterminado producto qumico, en muchos casos nos encontramos que existen varias

formas o procesos para hacer el producto que deseamos. A cada proceso le correspondeuna patente diferente. El problema que se presenta ahora es decidir cual de ellos aplicar, ybajo sta premisa, queremos seleccionar el mejor; por lo tanto ese es el objetivo, seleccionar el

proceso mas adecuadoo talvez el que mejor se adecue a nuestros requerimientos.

La aparicin de nuevos procesos obedece al desarrollo tecnolgico de la industria qumicaque responde a las pretensiones de reducir costos por consumo de energa y a mejorar lacalidad para ser ms competitivos, y en resumen a las exigencias de los consumidores. Aspor ejemplo, la tecnologa actual para la fabricacin de jabn podra sufrir cambiospositivos en su formulacin para el da de maana. Debido a la complejidad y diversidadde los procesos qumicos, un estudio extenso proporciona un enfoque poderoso muy tilpara el diseo de nuevos procesos de manufactura.


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Existen varios mtodos para seleccionar el proceso mas adecuado. Veamos cual puede sermas conveniente para nosotros, teniendo en cuenta que se va a desarrollar un proyecto dediseo de una planta industrial. Es importante tener en cuenta la calidad, pureza,concentracin, entre otras caractersticas, que son de importancia para el fabricante. Contodos los procesos existentes para elaborar un mismo producto no siempre se obtiene la

misma calidad.Para tener acceso a los procesos existentes y a sus respectivas patentes, se recomienda

visitar a travs de Internet las siguientes publicaciones:

Industrial & Engineering Chemistry Industrial & Engineering Chemistry Process Design and Development Engineering Chemistry Products Journal of Chemical and Engineering Chemical and Engineering News.METODOS PARA SELECCIONAR UN PROCESO

a. METODO DE CRITERIO TECNICOTiene en cuenta tres factores: Complejidad

Disponibilidad de informacinCalidad de producto.

b. METODO DE CRITERIO ECONOMICOTiene en cuenta lo siguiente: Tasa Interna de Retorno ms alta.Para obtener ste dato es necesario tener el estudio econmico del proyecto, por lo

que para un proyecto de diseo no es aplicable.

c. METODO DE CRITERIO E INVERSIONES RELATIVASEste mtodo tambin tiene que ver con el estudio econmico del proyecto, por loque no es posible aplicarlo para proyectos de diseo de plantas industriales.

De los mtodos descritos, el que mas se adecua al proyecto de diseo de plantasindustriales es el Mtodo de Criterio Tcnico.

Para la seleccin de un proceso utilizando el mtodo de criterio tcnico se recomienda unaevaluacin cuantitativa de los factores tcnicos a travs de un anlisis y ponderacin de losfactores de calidad, complejidad y disponibilidad de informacin. Un ejemplo, se muestraen la siguiente tabla.

FATORES V.P Proceso 1 Proceso 2 Proceso 3 Proceso 4

Calidad 10 8 10 6 6

Complejidad 5 5 4 4 4

Disp. Informacin 4 3 5 1 1

16 19 11 11


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De la evaluacin realizada a cuatro procesos y que se muestra en la tabla se observa que elproceso 2 sera el seleccionado por tener el mas alto puntaje de evaluacin debido a mejorcalidad que ofrece el proceso, mayor disponibilidad de informacin, y poca complejidad.

3.8 Desarrollo del procesoEl desarrollo de un proceso consiste en la recoleccin de datos del proceso, como porejemplo las variables de operacin como son la temperatura y presin a las que se trabajaen ciertas operaciones., analizar la informacin como por ejemplo la variacin de laconversin en funcin a la variacin de la temperatura, y la organizacin de la informacinde los sistemas que ha de permitir mas adelante llevar a cabo el diseo del proceso.

Se requiere de datosreferidos mayormente a: Materia prima:

Cantidad necesaria, disponibilidad, fuente de abastecimiento, propiedades fsico-qumicas, entre otros.

Producto:Caractersticas, especificaciones de calidad y de mercado, propiedades fisico-qumicas, pureza, etc.

Insumos:Disponibilidad, Propiedades fsicas, pureza, calidad, etc.

As tambin es necesario contar con la informacinde Procesos de manufactura, sistemas,condiciones de operacin, rendimiento, equipos, patentes, calidad del producto, entreotros. Esta informacin es analizada, y se aprovecha lo que se requiere para el proyecto.Luego es necesario organizar los datos y la informacin obtenida, de manera que quedeexpedita para llevar a cabo el diseo del proceso.

FUENTES DE INFORMACION

Para adquirir datos e informacin sobre los procesos que nos interesan, se recomiendarevisar libros, enciclopedias, manuales, revistas, y enlaces en Internet, como por ejemplo:

1. Textos, Libros, Enciclopedias:a. Manual del Ingeniero Qumico.- Perry & Chiltonb. Tecnologa de la Industria Qumica.- Kirk Othmerc. Chemical Engineering Design Project.- Martin Ray & Jhonstond. Chemical Process and Design Handbook.- James Speitght

2. Revistasa. Chemical Engineeringb. Hidrocarbon Processingc. Food & Technologyd. Ingenieria Quimicae. Alimentos Procesadosf. Tecnologa del Plsticog. Industria Papelerah. Aindustria de Alimentos

3. Internet (Revistas y libros virtuales)


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3.9 Diseo del proceso

El diseo del proceso es un conjunto de tcnicas que permiten crear un proceso demanufactura. En la mayora de los casos las patentes de un proceso presentan una

descripcin resumida del proceso y un diagrama de flujo donde intervienen los principalesequipos del proceso. Asi tambin, casi no se mencionan todas las variables de operacin, ytampoco ciertos sistemas auxiliares del proceso, en tal sentido, la tarea de completar el

verdadero proceso, es un trabajo de diseo a cargo de un experto que en ste caso resultaser un ingeniero qumico. El diseo de un proceso puede hacerse de tres formas:

a. Por desarrollo del proceso:Aqu la informacin obtenida es terica y viene delas fuentes bibliogrficas. Los resultados estn sujetos a verificacin y por lo tantoson poco confiables. Una ventaja es que el mtodo es barato.

b. Por simulacin:Se basa en modelamiento matemtico (anlisis del proceso). Elanlisis puede ser deterministico o estadstico. Actualmente la tecnologa de la

computacin e informtica nos provee de software y hardware, y con lacomputadora podemos simular un proceso qumico, obteniendo resultados

vlidos. A diferencia del mtodo anterior, ste es mas costoso.Algunos software conocidos para simular procesos son: Chemcad, Hysys, Aspen,LookOut. Todos estos programas operan en ambiente Windows.

c. Por experimentacin: Consiste en someter al proceso a ensayos en una plantapiloto o laboratorio. Los resultados obtenidos son valederos e inapelables.

El diseo de un proceso comprende lo siguiente:

a. Condiciones del procesoRendimiento totalRendimientos parcialesReactivo limitanteGrado de conversin de los reactantesRazn de los reactantes.

b. Termodinmica del proceso y equilibrio termodinmicoAplica las leyes termodinmicas en el proceso y el comportamiento de las variables:P, V, T. El sistema tiene un estado identificado y reproducible, cuando todas suspropiedades son fijas, por lo tanto las propiedades del sistema quedan determinadas

y fijas por su estado. Hay ciertas propiedades que se detectan con instrumentos demedicin. Por ejemplo: temperatura con termmetro y presin con manmetro.

Cuando un sistema abandona su estado de equilibrio, sufre un proceso mediante elcual varan sus propiedades hasta llegar a un nuevo estado de equilibrio. Durantedicho proceso el sistema interacta con el entorno intercambiando energa enforma de calor y trabajo, produciendo en el sistema o en el entorno ciertos cambios.

Cuando estos procesos se invierten para recorrer en sentido opuesto la mismatrayectoria sin necesidad de un trabajo adicional al que produjo el proceso directose dice que son reversibles, caso contrario seran irreversibles.

El tipo de sistema que se encuentra con mayor frecuencia en aplicaciones de la

Ingeniera Qumica es aquel para el que las variables que se pueden medir (Presin,volumen, temperatura y composicin), las que no necesariamente deben ser


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independientes. Estos sistemas estn constituidos por fluidos, lquidos o gases y sedenominan sistemas PVT.

c. Cintica de ReaccinSe basa en el anlisis a las variables que conducen a la determinacin de la velocidad

de reaccin. Enfoca la cantidad de reactante que se convierte por unidad detiempo, por cantidad unitaria de una variable en referencia y en el sistema dondereacciona.

d. Diagrama de flujo del ProcesoEs la descripcin detallada del proceso a travs de un grfico que presenta losequipos que intervienen en el proceso, las corrientes de flujo, tuberas y accesorios,representados por smbolos. En la seccin (1) Conceptualization and Analisys ofChemical Processse explica con ms detalle el diseo de los diagramas de flujo.

e. Diagrama de bloques del ProcesoUn diagrama de bloques es un conjunto de boques que representan las operacionesdel proceso que realizan una transferencia de masa. Permiten realizar el Balance deMateriales en el proceso. Ver seccin(1).

f. Balance de MaterialesEn general para proceso con o sin reaccin qumica:

{ } {

} {

} {

} {

}

todo referido a un diferencial de tiempo dt. Los trminos Generacin y Consumose refieren a ganancias y prdidas por reaccin qumica.Si no hubiera reaccin qumica: Acumulacin = Entradas SalidasSi no hay acumulacin ni reaccin qumica:Entradas = Salidas.El Balance de materiales se realiza en todos los equipos donde ocurre unatransferencia de masa, calculando equipo por equipo, tal como el ejemplo que semuestra en la pgina 119-135 del Capitulo 7: Mass and Energy Balances del libroCHEMICAL ENGINEERING DESIGN.

Adjunto al diagrama de bloques se debe anotar la base de datos para los clculos.Como por ejemplo:

Capacidad de Planta 20 000 tn/ao

Tiempo de operacin 8000 hr/ao

Unidad de clculo 2.5 tn/hr

g. Balance de EnergaSe realiza en el reactor y en todos los sistemas del proceso que realizan transferenciade calor. Los resultados del balance se presentan en un cuadro resumen como semuestra en la Tabla 2.1. En el apndice del informe se desarrollan los clculos delBalance de Materiales y Energa.El Balance de Energa se realiza en todos los equipos con transferencia de calor ylos clculos se muestran en el apndice de manera similar al balance de materia(pag.119-135 Chemical Engineering Design). Un ejemplo se muestra en la tabla 2.1.


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TABLA 2.1

EJEMPLO DE BALANCE DE ENERGA DEL PROCESO DE PRODUCCIN DE

SULFATO DE SODIO POR EL MTODO MANNHEIM

EQUIPOS CORRIENTES FLUJOKg/Hr.

TEMPERATURA CALORQ Kcal/Hr.ENTRADA SALIDA

REACTOR

(R1)

Agua, H2SO4,NaCl 2243.02 25 C 35 C +6056.2

Vapor

Saturado (60 psi)11.91 144.84 C 144.84 C -6056.2

EVAPORADOR

(E - 1)

(al vacio)

Agua, sulfato de

sodio, HCl

2243.02 35 C 65 C +26579.9

Vapor

Saturado (70 psi)52.7 150.51 C 150.51 C -26579.9

ENFRIADOR

(ENF1)

HCl al 20% 339.71 65 C 30 C -7013.82

Agua deenfriamiento

467.59 25 C 40 C +7013.82

CRISTALIZADOR

(CRIS - 2)

SO4Na + agua 3022.70 55 C 90 C +55859.5

VaporSaturado (80 psi)

111.59 155.57 C 155.57 C -55859.5

ENFRIADOR

( ENF2)

SO4Na + agua 1865.62 90 C 40 C -44495.04

Agua deenfriamiento

2966.34 25 C 40 C +44495.04

EJEMPLO DE BALANCE DE MATERIALES EN UN BLOQUE

Sea el bloque R-1, con las corrientes A, B y C (entradas) y D, E (salidas):

R-1A

B C

D

E


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Msc Pedro Angeles Chero 60

Corriente A: (kg/hr)Agua : 502.56Az. Reductores : 1400.00Sust.no ferment. : 610.23

TOTAL 2512.79

Corriente B: (kg/hr)Agua : 2194.94

TOTAL 2194.94

Corriente C: (kg/hr)Agua : 0.015Acido sulfrico : 0.598

TOTAL 0.613

Corriente D: (kg/hr)Impurezas : 0.613TOTAL 0.613

Corriente E: (kg/hr) Segn el diagrama:Agua : 2697.5 A + B + C = D + EAz. Reductores : 1400.00 2512.79 + 2194.94 + 0.613 = 0.613 + 4707.73Sust.no ferment. : 610.23 4708.343 = 4708.343

TOTAL 4707.73

EJEMPLO DE CALCULOS PARA BALANCE DE ENERGIA

En enfriador de acido clorhdrico al 20%:

Como se trata de intercambio de calor sensible, aplicamos: Q = m.cp.T

Calor que pierde el acido: Q = 339.71 kg x 0.5899 x -35C = -7013.82 kcal/hr

Masa de agua necesaria: m = Q /(cp. T) = 7013.82/(1.0 x 15C) = 467.59 kg/hr

Aqu el agua absorbe el calor, es decir: Q = 7013.82 Kcal/hr

Nota:Si la corriente que interviene en la transferencia de calor es una mezcla de dos o mscomponentes, el calor especfico sera el de la mezcla, que resulta de la sumatoria de losproductos de la capacidad calorfica de cada componente multiplicado por su composicinen la mezcla.

Si en la transferencia de calor hay cambio de fase, se aplica: Q = m., siendo el calorlatente de vaporizacin.

1 Modulo 3 Seleccion y Diseño del Proceso

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