Analisis de Procesos Quimicoa

Análisis de Procesos Químicos

Bibliografía: • Turton, R., Bailie, R. Analysis, Synthesis and Design

of Chemical Processes. Prentice Hall, PTR, 1998.

• Seider, W., Seader, J., Lewin, D. Process Design

Principles. Synthesis, Analysis and Evaluation. Johe

Wiley & Sons, INC., 1998.

• Murphy, R. Introducción a los procesos químicos.

Principios, análisis y síntesis. McGraw Hill, 2007.

• La comprensión de un sistema de

procesos químico se facilita con una

correcta lectura e interpretación de

los diagramas de procesos.

• Los distintos tipos de diagramas muestran

diferentes niveles de complejidad e

información.

Tipos de diagramas de procesos

Tipo de Diagrama Información que suministra

Entradas-Salidas Materias primas.

Reacciones estequiométricas.

Productos.

Bloques Lo anterior más:

.- Balance de materia.

.- Principales unidades del proceso.

.- Especificaciones de desempeño de las

unidades de proceso.

Flujo de Proceso

(PFD)

Todo lo anterior más:

.- Especificaciones de principales equipos de

proceso.

.- Balance de energía.

.- Condiciones de proceso.

Ejemplos de diagramas Entradas-Salidas.

1. Obtención de benceno por hidrogenación del tolueno:

2. Síntesis de amoníaco:

Metano

Benceno

Hidrógeno

Tolueno 4662356 CHHCHCHHC

Proceso de Síntesis

del Amoníaco

1000 ton NH3 / día

970 ton CO2/ día

350 ton CH4 / día

795 ton H2 O / día

825 ton N2 / día

Diagramas Entradas-Salidas

• Todas las operaciones físicas y químicas

involucradas en el proceso se representan con

un único bloque.

• Se utilizan flechas para representar las

entradas y salidas de materiales. Materias primas entran por la izquierda y los

productos salen por la derecha.

• Pueden mostrarse velocidades de flujo o cantidad

de las materias primas y productos.

Ejemplo de Diagrama de Bloque (BFD)

Tolueno

10.000 Kg/hr

Hidrógeno

820 Kg/hr

Benceno

8.210 Kg/hr

Gases

2.610 Kg/hr

Conversion de

Tolueno 75%

Metano

Benceno

Hidrógeno

Tolueno 4662356 CHHCHCHHC

RE

AC

TO

R

SEPARADOR

DE GASES

SE

PA

RA

DO

R D

E

BE

NC

EN

O

Convenciones para los diagramas de bloques. • Cada operación o unidad de proceso se representa por un

bloque.

• Existen sólo cuatro tipo de unidades de proceso

que se representan en los diagramas de bloque:

Mezcladores, Reactores, Divisores y Separadores.

• Las corrientes de flujo principal se representan por líneas

flechadas en la dirección del flujo.

• Los flujos van de izquierda a derecha en el diagrama.

• Las corrientes gaseosas se incluyen en la parte superior del

diagrama, y los líquidos y sólidos hacia la parte inferior,

separados por densidades.

• Si las líneas se cruzan las horizontales se mantienen y las

verticales se cortan.

• Se incluye la información crítica para entender el proceso.

Ejemplo de Diagrama de Flujo de Proceso

(PFD)

V-102

Tolueno

Hidrógeno

Gases

Benceno

TK-101 E-101

R-101

C-101A/B

P-101A/B

H-101

E-102

E-106

E-103

E-104

E-105

P-102A/B

V-101

V-103

T-101 hps

mps

cw

cw

cw

lps

air fg

gases de combustión

5

9

2

6

7

8

17

3

1

4

10

18

14

13

11

19

12

15

16

TK-101 P-101A/B E-101 H-101 R-101 C-101A/B E-102 V-101 V-103 E –103 E-106 T-101 V-102 P-102A/B E-105

Almacén Bomba Precalen Horno Reactor Compresor Enfriador Separador Separador Calentador Rehervidor Torre de Tambor Bomba Enfriador

Tolueno Tolueno Alim Alim Gas Reciclo Salida HP LP Entrada Benceno Benceno Reflujo Reflujo Producto

Reactor Torre

Diagrama (*)

Descriptor de los equipos

Tabla con especificaciones de las corrientes

(*) Representación esquemática suministrada por Prof. Rincón, elaborada con base en el DFP del Turton & Bailie

TR

ES

EL

EM

EN

TO

S IN

DIS

PE

NS

AB

LE

S

• Se representan TODOS los equipos de proceso

identificados por su número respectivo.

• Se numeran TODAS las corrientes de proceso

incluyendo una descripción de sus condiciones

(temperatura, presión), flujos y composición química

mediante una TABLA adjunta.

• Se representan TODAS las corrientes de servicios

(vapor, aire, refrigerantes, aceites de calefacción, etc)

utilizados en cada equipo de proceso.

• Se deben señalar los lazos de control básicos para

asegurar la estabilidad de las condiciones de proceso.

En los Diagramas de Flujo de Procesos…

Para el análisis

de procesos químicos

Con base en la estructura general de

sistemas de proceso químico, y la correcta

lectura del DFP se recomienda: seguir el camino

de los reactivos y productos, identificar

puntos de mezcla y división de

corrientes, identificar corrientes de bypass,

corrientes de purga y lazos de reciclo.

Estructura general de un sistema de

proceso químico

Alimentación

Preparación de la alimentación para

la reacción

Zona de Reacción

Preparación para la

separación

Zona de

separación

Reciclo

Producto

Sub-Producto

Ajuste a condiciones

exigidas por la reacción

Cambios a condiciones

que permitan la

separación

Condiciones definidas por cinética y termodinámica

de la reacción

Tratamiento

de efluentes

Seguimiento del camino de las especies

(A)

(R.I.)

(P.R.S. I.)

(P)

Sólo en los reactores

se transforman las materias primas en productos.

Dirección del análisis

Sistema de

Reacción

Dirección del análisis

Camino de los químicos REACTIVOS Y PRODUCTOS

V-102

Tolueno

Hidrógeno

Gases

Benceno

TK-101 E-101

R-101

C-101A/B

P-101A/B

H-101

E-102

E-106

E-103

E-104

E-105

P-102A/B

V-101

V-103

T-101 hps

mps

cw

cw

cw

lps

air fg


5

9

6

7

8

17

3

1 10

18

14

13

11

19

12

15

16

Reactantes

Productos

2

4

Sistema de Reacción

Identificación de puntos de mezcla y

división de corrientes.

Tolueno TK-101

E-101

R-101

C-101A/B

P-101A/B

H-101

hps

cw

air fg


5 9

2

6

7

3

1

4

Hidrógeno

Puntos de mezcla

Puntos de división de corrientes

En el reciclo y preparación para la reacción.

Gases

V-102

Benceno

R-101

C-101A/B

E-102

E-106

E-103

E-104

E-105

P-102A/B

V-101

V-103

T-101

mps

cw

cw

cw

lps

9

6

8

17

10

18

14

13

11

19

12

15

16

7

Puntos de mezcla

Puntos de división de corrientes En el Sistema de Separación

Identificación de puntos de mezcla y

derivación.

Identificación de reciclos, bypass y

purgas.

V-102

Tolueno

Hidrógeno

Gases

Benceno

TK-101 E-101

R-101

C-101A/B

P-101A/B

H-101

E-102

E-106

E-103

E-104

E-105

P-102A/B

V-101

V-103

T-101 hps

mps

cw

cw

cw

lps

air fg


5

9

2

6

7

8

17

3

1

4

10

18

14

13

11

19

12

15

16

Reciclo de tolueno

Reciclo de hidrogeno

Purga

Bypass

Secciones del sistema de proceso para la

obtención de benceno a partir del tolueno.

TK-101 P-101A/B E-101 H-101 R-101 C-101A/B E-102 V-101 V-103 E –103 E-106 T-101 V-102 P-102A/B E-105

Almacén Bomba Precalen Horno Reactor Compresor Enfriador Separador Separador Calentador Rehervidor Torre de Tambor Bomba Enfriador

Tolueno Tolueno Alim Alim Gas Reciclo Salida HP LP Entrada Benceno Benceno Reflujo Reflujo Producto

Reactor Torre

V-102

Tolueno

Hidrógeno

Gases

Benceno

TK-101 E-101

R-101

C-101A/B

P-101A/B

H-101

E-102

E-106

E-103

E-104

E-105

P-102A/B

V-101

V-103

T-101 hps

mps

cw

cw

cw

lps

air fg


5

9

2

6

7

8

17

3

1

4

10

18

14

13

11

19

12

15

16

Diagramas de flujo para procesos químicos

Realicemos algunos ejercicios trazando el camino de

reactivos y productos.

Veamos que conclusiones podemos establecer al

aplicar esta estrategia para el análisis de DFP

Ejercicios propuestos para el curso

PS3213:Ingeniería de Procesos

Material para fines didáctico preparado por Prof. A. Requena con base en DFP presentado en “Analysis, Synthesis,and Design of Chemical Processes” por Turton, Bailie, Whiting & Shaeiwitz

A continuación se muestra el diagrama de flujo de proceso

(DFP) para la producción de acetona a partir del alcohol isopropílico según la reacción:

(CH3)2CHOH (CH3)2CO + H2

El alcohol empleado en la reacción está disponible en solución acuosa al 60% en peso y para la acetona obtenida

como producto se exige una pureza mínima del 90%.

Por razones de seguridad no está permitida la entrada de hidrógeno al reactor y éste debe ser removido de los productos de reacción tan pronto como sea posible.

Con base en la información suministrada proceda a efectuar una correcta lectura e interpretación del DFP siguiendo el

camino de los reactivos y de los productos, luego identifique los equipos correspondientes a cada zona del proceso.

EJEMPLO 1:

DFP Obtención de ACETONA a partir de alcohol isopropílico

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Temperatura (°C) 25 32 350 357 20 27 33 25 22 61 61 90 83 83 109 33

Presión (bar) 1.01 2.3 1.91 3.0 1.63 1.63 1.50 2.0 1.63 1.5 1.5 1.4 1.2 1.2 1.4 1.2

Fracción de vapor 0.0 0.0 1.0 0.0 1.0 0.0 1.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 1.0

Flujo másico (ton/h) 2.40 2.67 2.67 35.1 0.34 0.46 0.24 0.36 2.79 4.22 1.88 0.92 8.23 0.27 0.65 0.24

Flujo molar (kmol/h) 51.9 57.8 92.6 -- 39.7 21.1 38.6 20.0 74.0 72.5 32.3 41.7 177 5.88 35.8 38.6

Componentes

(Flujo molar kmol/h)

Hidrogeno -- -- 34.7 -- 34.7 0.00 34.7 -- 0.00 -- -- -- -- -- -- 34.7

Acetona -- 0.16 34.9 -- 4.4 1.93 2.51 -- 32.4 72.4 32.3 0.16 4.82 0.16 -- 2.51

Alcohol isopropílico 34.8 38.6 3.86 -- 0.12 0.10 0.02 -- 3.84 0.05 0.02 3.82 115 3.82 -- 0.02

Agua 17.1 19.0 19.0 -- 0.40 19.1 1.29 20.0 37.8 -- -- 37.8 57.2 1.90 35.8 1.29


1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Temperatura (°C) 25 32 350 357 20 27 33 25 22 61 61 90 83 83 109 33

Presión (bar) 1.01 2.3 1.91 3.0 1.63 1.63 1.50 2.0 1.63 1.5 1.5 1.4 1.2 1.2 1.4 1.2




Componentes


Hidrogeno -- -- 34.7 -- 34.7 0.00 34.7 -- 0.00 -- -- -- -- -- -- 34.7

Acetona -- 0.16 34.9 -- 4.4 1.93 2.51 -- 32.4 72.4 32.3 0.16 4.82 0.16 -- 2.51


Agua 17.1 19.0 19.0 -- 0.40 19.1 1.29 20.0 37.8 -- -- 37.8 57.2 1.90 35.8 1.29


Camino de los REACTIVOS y caminos de los PRODUCTOS

Sub-Producto

Preparación de la alimentación

para la reacción

Zona de

Reacción Preparación

para la separación

Zona de

separación

Reciclo

Producto

A tratamiento de efluentes

RECUERDE: Estructura general de un sistema de proceso químico

Alimentación

El anhídrido ftálico es una de las materias primas más importantes para la fabricación de resinas alquídica, ésteres plastificantes, resinas poliéster y colorantes; se emplea también en la preparación de ácido

benzoico, sales metálicas, anhídrido tetracloroftálico y ácido tereftálico.

El diagrama de flujo de proceso (DFP) para la producción de anhídrido

ftálico por oxidación parcial de naftaleno, se muestra en la página siguiente. En él tienen lugar las siguientes reacciones:

Con base en la información suministrada, efectué la lectura e interpretación del DFP siguiendo el camino de los reactivos y de los productos, luego

identifique los equipos correspondientes a cada zona del proceso.

EJEMPLO 2:

C10H8 + 9/2 O2 C8H4O3 + 2 H2O + 2 CO2 naftaleno oxígeno anhídrido ftálico agua dióxido de carbono

C10H8 + 6 O2 2 C4H2O3 + 2 H2O + 2 CO2 naftaleno oxígeno anhídrido maleico agua dióxido de carbono

C10H8 + 3/2 O2 C10H6O2 + H2O naftaleno oxígeno naftaquinona agua

DFP Obtención de ANHÍDRIDO FTÁLICO por oxidación

parcial del naftaleno

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Temperatura (°C) 200 25 200 164 400 240 263 263 360 160 131 131 131 141 241 190 241 350 Presión (bar) 0.80 1.01 3.35 3.10 2.85 2.85 2.75 2.25 2.00 1.70 1.40 1.40 0.15 0.11 0.30 0.05 0.20 3.00 Fracción de vapor 0.0 1.0 0.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 Flujo másico (ton/h) 12.82 144.25 12.82 144.25 12.82 144.25 157.07 157.07 157.07 157.07 145.00 12.07 12.07 1.61 10.47 10.06 0.40 1624.72 Flujo molar

(kmol/h) 100 5000 100 5000 100 5000 5100 5100 5101 5101 5014 86 86 16 71 68 2.60 17660

Componentes Sal

fundida Naftaleno 100 - 100 - 100 - 100 100 - - - - - - - - - - Oxígeno - 1050 - 1050 - 1050 1050 1050 469 469 469 - - - - - - - Anhídrido ftálico - - - - - - - - 70 70 0.7 69 69 0.69 69 68 0.69 - Anhídrido maléico - - - - - - - - 16 16 0.8 15 15 15 0.015 0.015 - - Naftaquinona - - - - - - - - 2 2 - 2 2 0.08 1.9 0.002 1.91 - Dióxido de carbono - - - - - - - - 306 306 306 - - - - - - - Monóxido carbono - - - - - - - - 50 50 50 - - - - - - - Nitrógeno - 3950 - 3950 - 3950 3950 3950 3950 3950 3950 - - - - - - - Agua - - - - - - - - 238 238 238 - - - - - - -

Camino de los REACTIVOS y caminos de los PRODUCTOS

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Temperatura (°C) 200 25 200 164 400 240 263 263 360 160 131 131 131 141 241 190 241 350 Presión (bar) 0.80 1.01 3.35 3.10 2.85 2.85 2.75 2.25 2.00 1.70 1.40 1.40 0.15 0.11 0.30 0.05 0.20 3.00 Fracción de vapor 0.0 1.0 0.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 Flujo másico (ton/h) 12.82 144.25 12.82 144.25 12.82 144.25 157.07 157.07 157.07 157.07 145.00 12.07 12.07 1.61 10.47 10.06 0.40 1624.72 Flujo molar

(kmol/h) 100 5000 100 5000 100 5000 5100 5100 5101 5101 5014 86 86 16 71 68 2.60 17660

Componentes Sal

fundida Naftaleno 100 - 100 - 100 - 100 100 - - - - - - - - - - Oxígeno - 1050 - 1050 - 1050 1050 1050 469 469 469 - - - - - - - Anhídrido ftálico - - - - - - - - 70 70 0.7 69 69 0.69 69 68 0.69 - Anhídrido maléico - - - - - - - - 16 16 0.8 15 15 15 0.015 0.015 - - Naftaquinona - - - - - - - - 2 2 - 2 2 0.08 1.9 0.002 1.91 - Dióxido de carbono - - - - - - - - 306 306 306 - - - - - - - Monóxido carbono - - - - - - - - 50 50 50 - - - - - - - Nitrógeno - 3950 - 3950 - 3950 3950 3950 3950 3950 3950 - - - - - - - Agua - - - - - - - - 238 238 238 - - - - - - -

Sub-Producto


para la reacción

Zona de


para la separación

Zona de

separación

Reciclo

Producto


Por ANALOGÍA con la ESTRUCTURA GENERAL de un sistema de proceso químico

Alimentación

El dimetil-eter (DME),usado principalmente como propelente,

se obtiene por deshidrogenación catalítica del metanol sobre un catalizador ácido de zeolita, según la reacción:

2 CH3OH (CH3)2O + H2O

Seguidamente se muestra el diagrama de flujo para la obtención de 50.000 toneladas métricas por año (suponga 8.375 h/año).

El DME se obtiene con una pureza del 99,5%.

Datos Adicionales:

Metanol Dimetil-eter Agua

Formula CH3OH (CH3)2O H2O

Peso molecular 32,04 46,01 18,016

Peso específico (20°/4°) 0,792 0,708 1

Pto. Fusión (°C) - 97,9 -140 0

Capacidad calorífica (kJ/kmol) Líq Gas o Vap

1,1097 E-5 1,0533 E-5

1,0314 E-5 1,6581 E-5

0,8939 E-5 0,5276 E-5

H fusión (kJ/gmol) 3,167 6,009

Pto. Ebullición normal (°C) 64,7 -24 100

H vaporización (kJ/mol) 35,27 40,65

Presión de vapor (Ec. Antoine) -20 – 140°C 60-150°C

A 7,87 7,9

B 1473,11 1668,2

C 230 228

Calor de formación Hfo ?(kJ/mol) -238,6

(l)

-201,2 (g)

-241,8

(g)

EJEMPLO 3:

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

Temperatura (°C) 25 25 45 154 250 364 278 100 89 46 153 139 121 167 50 46 121

Presión (bar) 1,0 15,5 15,2 15,1 14,7 13,9 13,8 13,4 10,4 11,4 10,5 7,4 15,5 7,6 1,2 11,4 7,3

Fracción vaporizada (molar) 0 0 0 1 1 1 1 0,079 0,148 0 0 0,04 0 0 0 0 0

Flujo másico (ton/h) 8,37 8,37 10,49 10,49 10,49 10,49 10,49 10,49 10,49 5,97 4,52 4,52 2,13 2,39 2,39 2,17 3,62

Flujo molar (kmol/h) 262,2 262,2 328,3 328,3 328,3 328,3 328,3 328,3 328,3 129,7 198,6 198,6 66,3 132,3 132,3 47,1 113,0

Componentes de flujo (kmol/h)

Dimetil-eter 0,0 0,0 1,5 1,5 1,5 130,5 130,5 130,5 130,5 129,1 1,4 1,4 1,4 0,0 0,0 46,9 2,4

Metanol 259,7 259,7 323,0 323,0 323,0 64,9 64,9 64,9 64,9 0,6 64,3 64,3 63,6 0,7 0,7 0,2 108,4

Agua 2,5 2,5 3,8 3,8 3,8 132,9 132,9 132,9 132,9 0,0 132,9 132,9 1,3 131,6 131,6 0,0 2,2

DFP Obtención de DIMETIL ETER (DME) a partir del metanol


1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

Temperatura (°C) 25 25 45 154 250 364 278 100 89 46 153 139 121 167 50 46 121

Presión (bar) 1,0 15,5 15,2 15,1 14,7 13,9 13,8 13,4 10,4 11,4 10,5 7,4 15,5 7,6 1,2 11,4 7,3

Fracción vaporizada (molar) 0 0 0 1 1 1 1 0,079 0,148 0 0 0,04 0 0 0 0 0

Flujo másico (ton/h) 8,37 8,37 10,49 10,49 10,49 10,49 10,49 10,49 10,49 5,97 4,52 4,52 2,13 2,39 2,39 2,17 3,62

Flujo molar (kmol/h) 262,2 262,2 328,3 328,3 328,3 328,3 328,3 328,3 328,3 129,7 198,6 198,6 66,3 132,3 132,3 47,1 113,0

Componentes de flujo (kmol/h)

Dimetil-eter 0,0 0,0 1,5 1,5 1,5 130,5 130,5 130,5 130,5 129,1 1,4 1,4 1,4 0,0 0,0 46,9 2,4

Metanol 259,7 259,7 323,0 323,0 323,0 64,9 64,9 64,9 64,9 0,6 64,3 64,3 63,6 0,7 0,7 0,2 108,4

Agua 2,5 2,5 3,8 3,8 3,8 132,9 132,9 132,9 132,9 0,0 132,9 132,9 1,3 131,6 131,6 0,0 2,2

Camino de los REACTIVOS y camino de los PRODUCTOS.


RECUERDE: Estructura general de un sistema de proceso químico

Sub-Producto


para la reacción

Zona de


para la separación

Zona de

separación

Reciclo

Producto


Alimentación

EN LOS EJEMPLOS ANTERIORES OBSERVAMOS…

• El trazado del camino de reactivos y de productos

establece los límites de la zona de reacción.

• El camino de los reactivos está relacionado con la

zona de preparación para la reacción.

• Los equipos excluidos del camino de los

reactivos y de los productos están vinculados con

zona de reciclo o servicios.

• Las corrientes de purga están relacionadas con los lazos

de reciclo.

CONCLUSIONES:

Análisis de proceso químico

Obtención de acetona

a partir de alcohol isopropílico

Ejercicio propuesto para el curso

PS3213:Ingeniería de Procesos

Material para fines didáctico preparado por Prof. A. Requena con base en DFP presentado en “Analysis, Synthesis,and Design of

Chemical Processes” por Turton, Bailie, Whiting & Shaeiwitz

En la figura adjunta se muestra el diagrama de flujo de proceso (DFP) para la producción de acetona a partir del

alcohol isopropílico según la reacción:


El alcohol empleado en la reacción está disponible en solución acuosa al 60% en peso y para la acetona obtenida

como producto se exige una pureza mínima del 90%.

Por razones de seguridad no está permitida la entrada de hidrógeno al reactor y éste debe ser removido de los productos de reacción tan pronto como sea posible.

Con base en la información suministrada proceda a efectuar una correcta lectura e interpretación del DFP siguiendo el

camino de los reactivos y de los productos, luego responda a cada uno de los planteamientos formulados.

DFP acetona a partir de alcohol isopropílico

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Temperatura (°C) 25 32 350 357 20 27 33 25 22 61 61 90 83 83 109 33

Presión (bar) 1.01 2.3 1.91 3.0 1.63 1.63 1.50 2.0 1.63 1.5 1.5 1.4 1.2 1.2 1.4 1.2




Componentes


Hidrogeno -- -- 34.7 -- 34.7 0.00 34.7 -- 0.00 -- -- -- -- -- -- 34.7

Acetona -- 0.16 34.9 -- 4.4 1.93 2.51 -- 32.4 72.4 32.3 0.16 4.82 0.16 -- 2.51


Agua 17.1 19.0 19.0 -- 0.40 19.1 1.29 20.0 37.8 -- -- 37.8 57.2 1.90 35.8 1.29


1. Complete la Tabla indicando los códigos de los equipos

que conforman cada una de las secciones del proceso.

Zona Equipos que la integran (Escriba sólo el código)

Preparación para la reacción

V-401 P-401 A/B E-401

Reacción R-401 P-402 A/B H-401

Preparación para la separación

E-402 E-403

E-404 V-403 Separación V-402 T-401 T-402

E-405 P-403 A/B

E-406 V-404 Reciclo P-404 A/B T-403

E-407 P-405 A/B

Seguidamente se muestran las distintas zonas

coloreadas según su correspondencia con la estructura

general de un sistema de proceso químico.

Sub-Producto

Preparación de la alimentación para la reacción

Zona de


para la separación

Zona de

separación

Reciclo

Producto

A tratamiento

de efluentes

RECUERDE: Estructura general

de un sistema de proceso químico

Alimentación

2. Diga si existe corriente de purga o bypass en el DFP.

En caso afirmativo calcule el flujo de dichas corrientes.

• No hay presencia de corrientes de bypass

• El reactivo se introduce disuelto en agua, la que actúa

como un inerte, por lo tanto, debe existir una purga

para eliminar dicho inerte (agua) en cantidad similar a la

introducida. También se debe tener en cuenta que para el

producto (acetona) sólo se exige una pureza del 90%, por

lo que puede arrastrar parte del inerte introducido.

Para verificar esta hipótesis se puede seguir el siguiente

procedimiento:

Cantidad de agua a purgar = Cantidad de agua como inerte en la alimentación = mH2O

1 = 17,1 t/h

Agua eliminada en corriente 15 = 35,8 t/h

Agua introducida en corriente 8 = 20,0 t/h

Agua eliminada en 15 y no introducida en 8 = 15,8 t/h

Agua eliminada con productos = Agua en corriente 16 = 1,29 t/h

Cantidad de agua purgada = (15,8 + 1,29) t/h = 17,1 t/h

Se verifica la eliminación de agua inerte como una corriente de purga

Purga

3. ¿Que función cumplen los equipos P-402 A/B y H-401 en

el proceso?

Un ingeniero propone suprimir estos equipos

reemplazándolos por un recuperador de calor a la salida

del reactor R-401 para aproveche el calor de la corriente 3.

¿Apoyaría Ud. esta propuesta?

Justifique adecuadamente su respuesta.

La bomba P-402 A/B hace circular un fluido que sale del sistema de calentamiento del reactor a 357°C y lo lleva al horno H-401 para

calentarlo hasta 407°C; esto permite inferir que la reacción es endotérmica con alta energía de activación.

Cabe destacar que la corriente 4 NO ES FLUIDO DE PROCESO; es una corriente de servicio, muy probablemente constituida por una sal inorgánica fundida y no un aceite orgánico, pues estos podrían sufrir craqueo a temperaturas mayores a 350°C.

Esta configuración permite afirma que la zona de reacción está integrada no sólo por el reactor R-401, sino también por la bomba P-402 A/B y el horno H-401.

La propuesta de sustituir el sistema de calentamiento del reactor por un recuperador de

calor a la salida del reactor es inadecuada, ya que al tratarse de una reacción endotérmica, la temperatura de salida del reactor (corriente 3) sería mucho más baja si no se suministra calor al reactor.

Si se supone la capacidad calorífica del fluido de calentamiento, (para

una sal fundida puede tomarse 0,25 kcal/kg °C) , es posible estimar el calor de la reacción, según se muestra a continuación:

Sustituyendo valores numéricos:

Q = 35.100 (kg/h) 0,25 (kcal/kg °C) (407 – 357)°C

437.500 kcal/h

Esta cantidad de calor no podría ser suplida por la corriente 3,

(verifíquelo) por lo que no se apoya la propuesta.

RH

TCpmQ

ZONA DE REACCIÓN

4. Uno de sus compañeros de curso le comenta que él

piensa que el agua alimentada al proceso sólo se utiliza

para atrapar por solubilidad los vapores de acetona

arrastrados en la corriente gaseosa que abandona el

V-402. ¿Qué balance de masa propondría Ud. realizar

para verificar la hipótesis del su compañero?

Realice dicho balance y diga si está Ud. de acuerdo con

esta idea.

Para verificar la hipótesis, determinamos la fracción de acetona contenida en la corriente 5 que se arrastra a la corriente 6.

Fracción acetona recuperada = mAC6 / mAC

5

1,93 / 4,4 = 43,9%

Por lo que efectivamente SE RECUPERA ACETONA, sin embargo vale la pena evaluar la cantidad de acetona recuperada en relación a la producción total.

Esto puede estimarse a partir de la cantidad de

acetona en la corriente 9 que proviene de la

corriente 6.

mAcetona6 / mAcetona

9 = 1,93 / 32,4

= 5,95%

Pero la T-401 también recupera alcohol

isopropílico no convertido:

Alcohol recuperado = mAlc6 / mAlc

5

(0,10/0,12)*100 = 83,3%

Pero el alcohol recuperado es muy poco en

relación al contenido en la corriente 9.

mAlc6 / mAlc

9 = (0,10/3,84)*100 = 2,6%

Se puede por tanto afirmar que la función principal de la T-401

es recuperar acetona, para aumentar el rendimiento del

proceso.

SEPARACIÓN DE GASES

5. Se propone eliminar el equipo E-403 y aumentar el área

del intercambiador E-402 para manejar la carga térmica

del E-403. ¿Apoyaría Ud. esta propuesta?

Justifique adecuadamente su respuesta.

• No se apoya la

propuesta dada las

diferencias en el tipo de

servicio de cada

intercambiador.

El servicio “agua fría” (cw) utilizado en el E-402 no

permitiría alcanzar la temperatura de 20°C requerida a

la entrada del V-402 y si se sustituye el servicio por

“agua refrigerada” (rw) se sub-utilizaría los servicios con

el consecuente incremento de los costos de operación.

6. Construya el diagrama Entrada-Salida y el diagrama de

bloque para este proceso

• Diagrama Entrada-Salida

• Diagrama de Bloque

a) Si consideran alimentación de alcohol puro

b) Si considera alcohol al 60%

Debe incluir corriente de purga para eliminar el agua antes del reciclo.


Hidrógeno

Acetona

Alcohol

Isopropílico

REACTOR Alcohol

Isopropílico

SEPARADOR

DE GASES

Hidrógeno

SEPARADOR

DE LÍQUIDOS

Acetona

Reciclo del alcohol no convertido Purga para

eliminación

del agua inerte

Alejandro Requena

Dpto. Procesos y Sistemas

Universidad Simón Bolívar

Sartenejas, 2012

Analisis de Procesos Quimicoa

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