InQu 4047Procesos de Manufactura de Químicos

Dr. Guillermo Colón

Introducción

S Ingeniería: método de resolver los problemas económicamenteutilizando los recursos disponibles en un periodo detiempo.

S Solución ProblemaS depende: función de los recursos usados y la tecnología

disponible.

S Ingeniero: Hace uso de los principios de las ciencias, tales como:Física, Química, Biología, Geología, Matemáticas,para resolver los problemas en la forma máseconómica posible.

S Industria Química:

S industria química convencional (i.e., manufactura de H2SO4,cloro, etc.)

S procesamiento de mineralesS procesamiento de pulpa y papelS refinería de petroleo y petroquímicaS procesamiento de alimentosS procesos biológicos (fermentación, biodegradación, ingeniería

genética, ingeniería de metabolismo, etc.)S cerámicaS jabón y detergentes, pañalesS plásticos, fibras sintéticas, goma sintéticaS explosivos

S pintura, pigmentos, tintesS agro-química: fertilizantes, herbecidas, pesticidasS productos farmacéuticosS perfume, fraganciasS combustibles: gasolina, diesel, etc.S manejo energía nuclearS ambiental: tratamiento y disposición de desperdicios sólidos,

líquidos y gases.S etc.

Procesos de Manufactura (Procesos Químicos, Físicos, Biológicos)

S Transformación de la materia prima a producto final deseado

P ordinariamente no se pueden llevar acabo en un solo paso P transformación global es dividido en un número de pasos que

proveen transformación intermediaP estas transformaciones son llevadas a cabo a través de

reacciones químicas, separaciones, mezclado, calentamiento,enfriamiento, cambio en presión, reducción en tamaño partículas

P una vez los pasos individuales han sido seleccionados, estos soninterconectados para llevar a cabo la transformación global.

S La síntesis de un proceso envuelve dos actividades amplias:

P primero: pasos de transformación individual son seleccionados

P segundo: estos transformaciones individuales soninterconectadas para formar una estructura completapara llevar a cabo la transformación global requerida.

S Diagrama de Flujo (flowsheet)

P representación diagramática de los pasos de procesos con suinterconecciones.

P este delinea los balances de materia y energía.P también representa los perfiles de temperatura, presión y otras

variables de proceso para los equipos y sus flujos y utilidades.

P Diagrama de bloque

• formato más sencillo y comúnmente utilizado• estos son una serie de rectángulos o bloques, cada uno es

rotulado a representar un paso en el proceso• ejemplo: manufactura de ácido sulfúrico (proceso de

contacto)• las utilidades tales como combustibles, agua enfriamiento,

refrigeración, aire comprimido o nitrógeno, vapor, etc., noson ordinariamente representados en un diagrama debloque.

P Otras formas de representar los pasos elementales:

• uso de símbolos semi-gráficos (ejemplo: procesoproducción de penicilina)

• presentación más descriptiva: diagramas isométricosR más útil para aquellos que le conciernen los detallesR ejemplo: Fig. 2.4 y Fig. 2.5 (planta de regeneración de

MgO)

Contraste con Diseño

Diseño: acción creativa para alcanzar la mejor forma de lograr unobjetivo deseado

Este curso: no diseñamos, pero evaluamos procesos

Procesos de Manufactura de Químicos

S Consideraciones:

S éticasS económicasS ambientalesS socialesS tiempoS recursos disponible

Anatomía de un Proceso de Manufactura

Materia Prima Almacenada: materiales esenciales

S Alguna provisión tiene que ser hecha para mantener la materia primapor varios días, semanas; para suavizar las fluctuaciones de lasinterrupciones en el suministro

S El almacenaje requerido dependerá de la naturaleza de los materiales,método de suministro y la continuidad en el suministro: i.e; si lossuministros se transportan en bote, avión, camiones, trenes, etc.

S ¿Como almacenar la materia prima?

S Sacos, zafacones, drones, barriles, tanques, etc.

S implicaciones de seguridadS control de calidadS consideraciones económicas

Preparación de la Alimentación

S Algunos pasos de purificación y preparación pueden ser necesariosantes de los procesos (purificar, remover impurezas, tratamiento)

S o en la forma más correcta a ser alimentados a la etapa de reacción(transformación química)

S ejemplo: acetileno (C2H2) generado por Carbide contienecompuestos como: arsénico, azufre y otras impurezas. Estas deben ser removidos por absorción (scrubbing) conácido sulfúrico concentrado antes de pueda estar losuficientemente puro para la reacción con ácidohidroclórico (HCl) para producir di-cloro-etano

C2H2 + 2 HCl 6 C2H4Cl2! cinética y diseño reactor: alimentación requiere temperatura óptima! líquidos; pueden requerir estar en fase vapor (proceso de

evaporación)! sólidos; pueden requerir reducción de tamaño (molerlos) y cernirlos

! ¿Como se transportan los gases, líquidos y sólidos?

Reactor (proceso convertir materia prima)

! corazón del proceso de manufactura

# condiciones de operación son fijas para:

% maximizar el rendimiento% minimizar reacciones secundarias% optimizar el tiempo de proceso% optimizar el uso de la energía

Separación Productos

! separación de los productos secundarios y materiales que noreaccionan

! separaciones se lleva a cabo de acuerdo a los compuestos envueltos! separaciones dependen de las diferencias en propiedades químicas y

físicas de las substancias envueltas! Ejemplo de Procesos de Separación:

# Destilación (VLE)# Extracción Líquido-Líquido (LLE)# Absorción (VLE)# Adsorción (SGE)# Procesos de Membranas (gases, líquido)# Filtración (sólido-líquido)# Evaporación# Etc.

Purificación

! antes de la venta del producto principal este puede requerirpurificación adicional para cumplir con las especificaciones delproducto final

# Separaciones bien especializadas (adsorción, intercambioiónico, separación partículas, etc.)

# productos farmacéuticos# alimentos

! los productos secundarios se producen en cantidades económicas,pueden ser procesados para la venta.

Almacenaje de Productos

! inventario de los productos se realiza para balancear la produccióncon la venta

! provisiones para empacar y transportar el producto son necesarias(depende de la naturaleza de los productos)

! algunos productos requieren cuarentena antes de embarcar

Procesos Auxiliares (de apoyo)

! provisiones a ser hechas para suplir las “utilidades requeridas”

# agua de proceso# agua enfriamiento# aire comprimido# vapor# electricidad# etc.

! facilidades también requieren otras necesidades:

# mantenimiento# sistemas controlar incendio# oficinas# laboratorios# etc.

Procesos de Manufactura: Consideraciones y Alternativas

! transformar la materia prima a producto! ejemplo: Reactor

! P: Formación productos secundarios y alimentación sin reaccionar

# requiere sistema de separación para aislar producto deseado delas impurezas para el mismo a mayor grado de pureza deseado

# requiere posible sistema de separación: 2 columnas dedestilación

! se muestra en diagrama de flujo anterior que todo el calentamiento yenfriamiento se provee por utilidades externas (vapor y agua fría)

! el diagrama de flujo es probablemente demasiado ineficiente en eluso de la energía

# es necesario buscar alternativas para ahorrar energía

! se proponen los diagramas de flujo! para seleccionar el mejor diagrama de flujo del proceso de

manufactura! evaluados a base de simulación y costos! luego optimizar las condiciones de operación de cada

proceso.

Descripción y Funcionalidad de los Equipos IndustrialesEnvueltos en la Manufactura de Químicos

Transporte de Sólidos, Líquidos y Gases

! Transporte de fluidos: gases y líquidos.# tuberías, bombas, compresores, abanicos, ventiladores (blower)

! Transporte de sólidos:# belt conveyor, bucket conveyor, sistemas neumáticos, otros.

S Tuberías:• conductos por donde fluyen los fluidos• mayormente de área transversal circular• construidos mayormente de acero• materiales comunes de construcción

% cobre, bronce, hierro fundido, acero, acero inoxidable,plásticos (PVC, poli-propíleno, etc.)

% tuberías para flujos de gases tienen diámetro mayor que losutilizados para líquidos (para el mismo flujo másico)

% largo estándar (típico): 20 pies• clasificados de acuerdo a su diámetro y espesor:

% Diámetro (tubería de acero)P diámetro nominal estándar (1/8 a 30 pulgadas)P d > 12 pulgadas (nominal): dnominal = doP d < 12 pulgadas (nominal): dnominal ‚ do

R dnominal: 3 - 12 pulgadas: dnominal . diR dnominal < 3 pulgadas: dnominal ‚ di

P no importa el espesor de la tubería el diámetro externode todas las de un mismo tamaño nominal es igualpara asegurar la fácil conexión de las mismos

% Espesor (grosor)P indicado por “schedule number” (Sch. No.)P Sch. No. aumenta con aumento en espesor

P dnominal > 8 pulgadas: Sch. No.:10, 20, 30, 40, 60, 80, 100, 120, 140, 160

P dnominal < 8 pulgadas: Sch. No.:40, 80, 120, 160P tubería con mayor espesor son requeridas en

aplicaciones para fluidos a altas presiones.P Schedule No. = (1000 P)/S

P Espesor = t = PS

dC

o

2

+

P donde; P = presión de trabajo interna máximo, psigP S = esfuerzo de trabajo permitido a la temperatura de

diseño, psig (varia con su especificación y grado:ejemplo: S = 12,000 psi para acero A53GrA, S =17,500 psi para acero A106GrC, constante para T = -20 @ 650BF

P t = espesor tubería, pulg., do = diámetro externo, pulg.,C = limites para corrosión permitido, pulg.

Ejemplo: si se permite un 5/32" (0.156) pulg. como límite de corrosiónpermitido:

tSch No d

=

+. .

.1000 2

01560

Tamaño Económico de Tubería: optimizar los costos operacionalesanuales de energía (Fig. 6.1 y Tabla 6.3Sandler & Luckiewics)

Accesorios para conectar tuberías: (Fig. 4.1)

! Utilizados para conectar tubería

# Unión de roscas (hembra, macho)# Unión tipo “flange”# Unión por soldadura# Unión por pegamento

• Unión rosca: para D # 3 pulgadas (disponible hasta D-12pulgadas)

• Difícil manejo e instalación en D > 3 pulgadas.• Unión tipo flange: para tubería de diámetros grandes.

! Conectores comunes

# Válvulas

• Usadas para parar o regular el flujo de un fluido• Hay muchos tipos de válvulas• Más comunes:

N Válvula de compuerta (“gate”)N Válvula de globo

• Otros tipos:N DiafragmaN AgujaN Tapón (“plug”)N Mariposa

! Transporte de Fluidos (líquidos y gases)

# Bombas (líquidos), compresores, abanicos (gases)

• Utilizados para transportar fluidos• Mueve el fluido o aumenta su presión• Movimiento aspas de la bomba, compresor, abanico:

N energía eléctrica (motor)N vapor alta presión

• Clasificados en base a su movimiento:

N acción reciprocante: pistón desplaza el fluido en formade pulso

N acción rotativa: movimiento rotativo

• Clasificado en base a como el fluido es movido

N desplazamiento positivo: mueve fluido desplazandoeste por medios mecánicos

N centrífuga: mueve fluido por acción centrífuga

• Bomba Reciprocante (desplazamiento positivo)

N movida por medio de vapor a alta presiónN motor eléctricoN cuando utilizado para gases: CompresorN fluido desplazado por la acción de un pistónN presiones hasta 50 atm

• Bomba de Engranaje (gear pump)

N rotativa, desplazamiento positivo

N flujos volumétricos: >100g/min (es fácil)N presiones > 200 atm

• Bomba centrífuga (Ventilador para gases)

N rotativaN tipo más común procesos químicosN movido por motorN capacidad: 2 -100,000 gpm

! Transporte de sólidos

# Transporte por medios mecánicos y neumáticos# Transporte mecánico:

• “Belt Conveyor” (plataforma desplaza), desplace de correa

o banda

N tipo más común de conveyorN consiste de una correa sin final sostenida por 2 rolos a

los extremosN movido por motor eléctricoN correa hecha de: canvas, goma reforzada, tiras (listón)

de aceroN ancho de correa: 14 - 60 pulgadasN transporte de materiales secos y húmedosN transporte mayormente horizontal. Pendiente máxima:

30o (18o - 20o más común)N cambio de dirección requiere más de un “conveyor”N Puede moverse a velocidades de hasta 1000 pies/min y

acarrear sólidos hasta 500 toneladas/hr

• “Bucket Conveyor”

N compactos (ocupa poco espacio)N útiles en el transporte de sólidos verticalesN cubetas son atadas en ambos lados a una cadena o

correaN movimiento: 150-300 pies/minN capacidades: 15-150 ton/hrN elevación ~75 pies

• “Helical Screw Conveyor”

N compacto, barato, fácil mantenimientoN puede transportar material húmedoN puede mezclarN mantener temperatura constanteN fácil control de flujoN diámetro tornillo: 3 pulg-12 piesN capacidad: limitada a 10,000 ft3/hr

• “Redler Conveyor”

N trasportar sólidos por acción de arrastreN consiste de conducto de metal por el cual pasa una

cadena o correa que tiene atado paletas de arrastreN conductos: rectangulares: 10 x 4 pulg., hasta 30 x10

pulg.N capacidades: 20 - 250 toneladas/hrN materiales secos

# Transporte Neumático

• sólidos son suspendidos en una corriente de aire ytransportados en dirección horizontal, vertical.

• velocidad: 50-100 ft/s en tuberías de 2-16 pulg. dediámetro

• Tipos de sistemas neumáticos:

N Tipo Presión (Fig. 5.5)

R flujos hasta 20,000 lb/hrR caídas en presión de 12 in-HgR aire suplido por ventilador desplazamiento

positivo

N Tipo Vacío (Fig. 5.6)

R presiones menores a la atmosféricaR capacidad: < 15,000 lb/hrR distancia: < 1,000 ft.

Equipos de Transferencia de Calor

! utilizado transferir energía (calor) de un fluido a otro! hay muchos tipos de equipos de transferencia de calor para varias

aplicaciones

# Intercambiador de calor para procesos de enfriamiento ycalentamiento

# Condensadores: condensación de vapores# Caldera: ebulición (evaporación) de líquidos

! utilizado en procesos tales como:

# destilación# evaporadores# generadores de vapor (caldera)# secadores# acondicionadores de aire# otros usos

! Tipos de Intercambiadores

# dos tubos concéntricos

• flujo paralelo• flujo contracorriente• usado cuando: A = 100 - 150 ft2

• mayor transferencia de calor con modo de operacióncontracorrient

e que con modo de operación en paralelo• q " )T

• simple en diseño y bajo costo• no utilizado comúnmente en la industria: Área = baja

# Intercambiador de Tubo y Coraza

• tipo más común utilizado en la industria.• tubos paralelos en una coraza, soldado en los extremos• se instalan “baffles” para obtener mejor mezclado fluido en

la coraza• si uno de los fluidos se condensa o evapora se pasa por la

parte de la coraza.• clasificados de acuerdo al número de pases:

N número de pases en el lado de la corazaN número de pases en le lado de los tubosN ejemplo: 1-1 (un pase por la coraza y un pase por los

tubos), 1-2, 2-4, etc., ver Fig. 6.6, 6.7

# Intercambiador tubo-planca# Intercambiador de cabezal flotante# Intercambiador de tubo en forma de U# Intercambiador de tubos con aletas# Caldera tipo Kettle# Condensador